锅炉、锅炉的热交换器和锅炉的门的制作方法

文档序号:13426376
锅炉、锅炉的热交换器和锅炉的门的制作方法
本发明涉及一种锅炉、该锅炉的门以及该锅炉的热交换器,尤其涉及一种适用于锅炉自给供电的独栋房屋和集体住宅。

背景技术:
在独栋房屋或集体住宅的加热回路或家用热水(缩写为DHW)的个别热水生产领域,目前有三项需求尚未完全达标。第一个需求的出现是由于大多数当前的单独加热系统(不包括泵、风扇和阀门)具有“智能”的电子功能,例如用于监控、控制、调节和安全。这些供热系统需要电网供电,在这种电力不可用时,基本的智能功能进入睡眠模式,特别是出于安全考虑而关闭锅炉,这是使用中的主要缺点。第二个需求的出现是由于当住宅电力被切断时,会影响到其他关键设备:特别是冰箱、冷柜和通讯系统,这种停止也是使用中的主要缺点。第三个需求的出现是来自于当前环境,当前环境鼓励制造商开发天然气燃料设备,使得在水网中产生热量的同时,并为独栋房屋和集体住宅供电。目前还没有能同时满足所有三个需求的令人满意的方法。也有一些其它的公知的系统:具有并入冷水回路中的发电机的大型供热系统,发电机不需要连接到电网中就可以提供设备所需求的电力;或者自然循环加热系统,其中在热发生器中加热的传热液体较轻,上升到位于装置的上部的交换器,并将其热量释放到环境的空气中,冷却的传热流体自然地向装置的底部下沉,再次被发电机加热并且不用循环泵而连续地开始循环。这两种类型的系统的大小对于独栋房屋或集体住宅来说太大。此外,这些系统需要特殊的配件,从而只能在特殊的、高度限制条件下工作(大直径管道、存在斜率、功率小、发射器数量少、产量低)。例如,这种类型的装置需要大的安装区域,因此将其应用于现有住房是不可能的。热电系统使得可以从内燃机输出的燃烧产物产生电力也是公知的。现有锅炉输出的燃烧产物几乎不包含能量,并且在接近环境温度的温度时,与住宅中另一种可用流体(加热回路水、环境空气)的任何热传递效率低下。热电联产系统也是公知的,但是目前市场上的系统的缺点是复杂,并且会产生高额的资本和维护费用。此外,对于这些家用电器,有一个给定的匹配所产生的电力的热功率,热功率即使在住宅中不需要它也必须消耗掉。因此,可以看出,没有一个简单的解决方案可以满足上述所有需求。从专利申请US2014/230869已知的系统,在这些系统中,燃烧器将燃烧产物朝向燃烧室的壁部送出。为了以电能的形式回收部分热量,热电转换器设置于燃烧室的外壁处,且在燃烧产物和传热流体之间的界面处。如果要回收燃烧器燃烧产物的能量,装配有热电转换器的燃烧室的长度必须很大。但是目前的小型锅炉的尺寸对于交换器施加一个短的长度,在这种情况下,对于在文献US2014/230869中描述的系统而言,其产量低,这使得它们不可能被商业利用。

技术实现要素:
本发明的目的在于解决上述全部或者部分缺陷。有鉴于此,根据第一方面,本发明提供一种电力自给式锅炉,其包括装配有至少一个燃烧器的燃烧室和布置成确保锅炉运行的电气系统,其包括:通过塞贝克效应将由至少一个燃烧器产生的热能转换为电能的热电转换器;以及由转换器供应到锅炉的电气系统的电力的出口。由于这些规定,由锅炉燃烧器产生的一部分热能由热电转换器提供,作为电力提供锅炉的电力供应。这样,即使在没有外部电源的情况下,锅炉也能运行,只要有天然气供应于锅炉的燃烧器即可。另外,锅炉的热电联产只需要简单的安装,没有移动部件或特殊流体,从而可以从高可靠性和低维护成本中获益。根据第二方面,本发明提供了一种作为本发明主题的锅炉的门,该门包括使用塞贝克效应将由至少一个燃烧器产生的热能转换为电能的热电转换器,以及由转换器供应的电能到锅炉的电气系统输出口,所述热电能源转换器被定位接触于:首先,门的第一导电元件,该元件指向锅炉燃烧室的燃烧产物,形成转换器的热源;以及其次,第二导电元件,该元件朝向锅炉的传热流体,形成转换器的冷源。由于作为本发明主题的门的具体特征、优点和目的与作为本发明主题的锅炉的特征相同,在此不再重复。在一些实施例中,作为本发明主题的门包括通过来自锅炉的冷凝器的传热流体的循环来冷却第二导电元件的回路。这些实施例使得冷却第二元件以增加热电转换器的产量成为可能。在一些实施例中,作为本发明主题的门包括被配置为围绕门的开口的中空结构,将该转换器定位成接触于:首先,结构的第一导电部分,其指向锅炉燃烧室的燃烧产物,形成转换器的热源;以及其次,结构的第二导电部分,其指向锅炉的传热流体,形成转换器的冷源。这些实施例使得分开制造中空结构和门的其余部分成为可能。在一些实施例中,作为本发明主题的门包括用于存储由转换器提供的为锅炉的电气系统供电的电能的装置。这些实施例使得存储由转换器供应的电能供以后使用,特别是打开最初关闭的锅炉成为可能。在一些实施例中,作为本发明主题的门包括用于由转换器供应的用于向锅炉外部的装置供电的电能的出口。这些实施例使得向例如冰箱、通信系统或冷冻机供电成为可能。在一些实施例中,由热电转换器供电的变压器为热水器供电。这些实施例使得可以加热从锅炉的冷凝器出来的水。进入锅炉的水必须始终先供应冷凝器以免降低锅炉的整体产量,这些实施例使得特别是回收所产生的多余能量成为可能。在一些实施例中,作为本发明主题的锅炉包括:-垂直定向的多个平行燃烧器,其位于燃烧室内;以及-热交换器,包括:-对于每个燃烧器,位于燃烧器的燃烧产物的排放轴线的对面的垂直烟道;-对于每个烟道,用于循环与烟道壁相接触的传热流体的至少一个垂直管道;以及-在至少一个烟道和至少一个管道之间,使用塞贝克效应将通过烟道的热能转换成电能的热电转换器,每个烟道和每个管道位于燃烧室内。这些实施例由于每个转换器在燃烧室内部的位置使得可以生成将热能转换为电能的高转换率的小型锅炉。根据第三方面,本发明提供了一种用于形成作为本发明主题的锅炉的热交换器,其包括:-多个垂直烟道,与多个燃烧器产生的燃烧产物的排放轴线相对定位;-对于每个烟道,用于循环与烟道壁相接触的传热流体的垂直导管;以及在至少一个烟道和与其接触的至少一个管道之间,具有使用塞贝克效应将通过烟道的热能转换为电能的热电转换器。作为本发明主题的热交换器的具体特征、优点和目的与本发明主题的锅炉类似,这里不再重复。在一些实施例中,作为本发明主题的交换器包括用于在每个烟道输出口处冷凝燃烧产物的装置。这些实施例使得可以提供冷凝器/热交换器的功能,所述热交换器优选地位于用于来自锅炉燃烧器的燃烧产物的出口附近。在一些实施例中,至少两个热电转换器的至少一个结构特征随着所述转换器的定位而变化。这些实施例使得当定位交换器时,可以调整每个转换器至高温和低温对,以便优化能量转换。附图说明从本发明主题的锅炉、热交换器和门的至少一个特定实施例的以下的非限制性描述使本发明的其它优点、目的和特征将变得显而易见,将包括在附录中的参考附图中,其中:图1示意性地在横截面中表示作为本发明主题的锅炉的特定实施例;图2示意性地在横截面中表示作为本发明主题的门的特定实施例;图3示意性地在横截面中表示作为本发明主题的门的特定实施例;图4示意性地在横截面中表示作为本发明主题的门的特定实施例;图5以示意和透视的方式表示作为本发明主题的门的特定实施例;图6示意性地在沿着第一轴线的横截面表示本发明主题的热交换器的特定实施例;图7示意性地在沿着第二轴线的横截面表示作为本发明主题的热交换器的特定实施例;图8示意性地在沿着第三轴线的横截面表示作为本发明主题的热交换器的特定实施例;以及图9以示意和透视的方式表示作为本发明主题的门的特定实施例。具体实施方式作为非限制性的示例给出本说明,实施例的每个特征能够以有利的方式与任何其他实施例的任何其他特征组合。另外,“传热流体”是指例如水。现在注意到这些附图不是等比例的。图1(其不按比例)示出了作为本发明主题的锅炉10的实施例的横截面视图,该电力自给式锅炉10包括:-布置成确保锅炉10的运行的电气系统115;-绝缘热室150,包括:-燃烧室125;-在每个燃料入口152至少一个燃烧器154;以及-一个用于燃烧产物的出口156;-热交换器158,位于在热室150中,通过使用燃烧室125的温度来加热传热流体;-热电转换器105,用于使用塞贝克效应将由燃烧器154产生的热能转换为电能;以及-输出口110,用于由转换器105提供给锅炉10的电气系统115的电能。绝缘热室150例如是限定形成燃烧室125的体积的金属壁。该热室150具有燃料输入开口152,这种燃料是例如由连接到局部气体供应网络的管道供应的天然气。引入的燃料通过燃烧器154燃烧,以产生高温燃烧产物,使得可以加热传热流体。在需要时,将燃烧器154打开,特别是要供应以产生火花的电并允许燃料燃烧。该燃烧器154由控制装置160控制,例如执行验证、监视、控制、调节和安全功能的电子回路。如果没有向该控制装置160供电,则锅炉10处于安全状态,由此燃烧器154被关闭,并且如果不向锅炉10供电不可能重新启动燃烧器154。优选地,燃烧器154位于燃烧室125的底部,使得燃烧产物沿向上的方向穿过燃烧室125一直达到燃烧产物出口156。出口156例如是允许燃烧产物特别是通过烟道离开锅炉10所在的房屋的管道。在一些优选的变型中,锅炉10包括位于出口156对面的冷凝器172,其用作如下所述的热交换器158。热交换器158例如是板式或平坦式热交换器158。在该热交换器158中,转换器105被压在烟气侧的第一板和在水面上的第二板之间。管道壁由燃烧产物加热,这种加热在管道中的传递过程中转化为传热流体。在一些变型中,热交换器158是线圈型,即进入和离开燃烧室125,该线圈被转换器105覆盖。用于将由燃烧器154产生的热能转换成电能的热电转换器105例如是位于热交换器158的壁内的塞贝克效应热电装置,形成燃烧室125和管道内部之间的界面。以这种方式,实现的热交换的能量的一部分由转换器105作为电能提供。将转换器105位于热交换器158内部的优点是燃烧产物的大部分热能在锅炉10中的这个地方被传递到传热流体。然后,每个转换器105提供的电能被提供给控制装置160和/或需要电力运行的锅炉10的任何其它电气系统115。该能量的输出口110例如是锅炉10的电力管理装置。该管理装置包括有例如电池,用于将由每个转换器105提供的能量传送到电气系统的装置以及用于将来自电池的能量传送到锅炉10的电气系统的装置。该管理装置还为锅炉10的控制装置160供电,该控制装置例如是调节装置。在一些变型中,在锅炉10中使用的装置以低消耗直流工作。传热流体的运动,例如通过由待加热的传热流体管道供应的泵164来提供的传热流体的运动。下面参考图6描述该热交换器158和冷凝器172的特定实施例。然后将加热的传热流体供应到热水发生器162,例如散热器。在一些具体实施例中,转换器105相对放置于:-首先,第一导电元件120,其指向锅炉10的燃烧室125的燃烧产物;以及-其次,第二导电元件130,其指向锅炉10的传热流体。在一些实施例中,锅炉10包括用于存储由转换器105提供以将储存的能量提供给锅炉10的电气系统115的电能的装置135。电气系统115例如是用于锅炉10的调节装置或需要电力供应来运行的锅炉10的任何其它内部电气系统。该存储装置135是例如被配置成为以下元件中的至少一个供电的电池:-控制装置160;-用于点燃燃烧器154的系统(未示出);-泵164;-三通类型的阀门175;-热水器170;-逆变器160和/或-风扇168,用于抽出燃烧产物出口156中存在的燃烧产物。在一些实施例中,锅炉10包括用于由转换器105提供的为锅炉外部的设备供电的电能的出口140,电能的出口140例如是由如下组件组成的:-逆变器166,用于使转换的电流兼容以供外部设备使用;和-用于兼容电流的输出电力电缆,其配备有连接到要被供电的每个设备的母电插座(未示出)。在一些实施例中,由热电转换器105供电的变压器180为热水装置170供电。该热水装置170通过热交换从锅炉10的主热交换器排出的传热流体加热。这样,剩余电能可以再循环成热能。一旦燃烧器154运行,转换器310与传递到传热流体的热量成比例地产生电力。当由转换器310产生的电功率大于锅炉10和任何外部装置的需要时,该余量直接指向从锅炉10处出口的热水装置170。因此,对于传输到水的给定热能,根据要求,所产生的电力可以被调制到零。可以将过量的电能重新注入电阻器170以进一步加热传热流体。在一些实施例中,锅炉10包括如参照图6所描述的多个热交换器30,每个交换器30的能量转换器305的至少一个结构特征根据该转换器305在交换器30中的位置而变化。热交换器30例如是垂直板,转换器305是水平的并且具有取决于交换器30中的定位高度的不同的结构特性。图2示出了作为本发明主题的门40的特定实施例。用于锅炉50的门40,例如参照图1或图6描述的锅炉包括:-用于紧固到锅炉50的装置(未示出),使得通过门40的燃料被供应到锅炉50的燃烧器(未示出);-气体入口430;-至少一个热电转换器405,用于使用塞贝克效应将由燃烧器产生的热能转换为电能,定位接触于:-首先,第一导电元件415,其指向锅炉50的燃烧产物420的门40,形成转换器405的热源;和-其次,第二导电元件425,其朝向锅炉50的传热流体,形成转换器405的冷源。-出口410,用于由转换器提供给锅炉50的电气系统的电能。入口430例如是与参考图1描述的入口152类似的气体供应管道。入口430引导气体朝向门40的中心并且抵触435的一部分形成偏转器,其近似垂直于气体入口。气体绕过这个偏转器供应位于燃烧室420中的燃烧器。例如,门40通过利用夹子或螺钉固定在锅炉50上。门40例如位于燃烧器下方。门40至少包括一个转换器405。在一些优选的变型中,门40包括至少四个转换器405。转换器405的数量和由转换器405覆盖的偏转器435的表面积取决于待产生的电能量。每个转换器405例如是塞贝克效应热电装置。在一些变型中,转换器405围绕气体入口430放置。每个转换器405被定位成使得第一侧与第一导电元件415相对,例如门40的偏转器435指向锅炉50的燃烧室420。此外,每个转换器405位于第二导电元件425的对面,第二导电元件425指向朝向燃烧室420的外部固定在转换器405上的热交换器425。在一些变型中,热浆位于转换器405和相关联的热交换器425之间。每个热交换器425例如被配置为通过热偏转器435和较冷的传热流体之间的热交换来加热传热流体,例如水。该温差允许转换器吸收被交换的热能的一部分用于产生电能。在一些优选实施例中,加热的传热流体被供应到锅炉50的热交换器440并被位于燃烧室420中的燃烧产物加热。由转换器提供的电能由出口410提供给锅炉50的电气系统或外部装置。在一些实施例中,门40包括用于存储由转换器提供的用于为锅炉的电气系统供电的装置411。该存储装置411类似于关于图1描述的存储装置。在一些实施例中,门40包括由热电转换器405供电的变压器412,为电热水器413供电。变压器412和电热水器413类似于图1中描述的变压器和热水器。图3示意性地示出了作为本发明主题的门40的横截面和正视图。该门40包括用于通过循环来自锅炉的冷凝器的传热流体来冷却第二导电元件425的回路515。该冷却回路515例如由穿过第二导电元件425的一组传热流体管道形成。在一些变型中,该冷却回路515由穿过覆盖第二导电元件425的表皮的一组传热流体管道形成。该冷却回路515由从锅炉50的冷凝器出来的传热流体供给。图4示意性地示出了作为本发明的主题的门80的实施例的横截面和侧视图。该门80包括:-气体入口830,该气体由供应锅炉的燃烧器835的供应管道(未示出)供应;-多个热电转换器825,其一侧位于由绝缘材料制成的锅炉壁820上,该壁820与锅炉燃烧室的内部接触;-壁840例如由金属制成,与每个热电转换器825的另一侧接触,该壁840与从进水口815向加热出水口810循环的水接触;-进水口805,在气体入口830的周围形成一个环,该水回路使冷却水循环,以使得该水与壁840接触。以这种方式,壁840形成用于转换器825的冷源,而壁820形成这些转换器825的热源,使得当燃烧器835被接通时,可以从燃烧室和在水回路805中循环的水的温度差产生电能。图5以示意和透视的方式示出作为本发明主题的门90的实施例。该图9特别地示出了使得水能够从进水口920流向出水口915的中空环形结构910。环的中心使得气体能够通向其上方固定有门90的锅炉(未示出)的燃烧器(未示出)。当门90固定到锅炉时,多个热电转换器905位于与锅炉燃烧室(未示出)相对定位的壁的环形结构910的内部。以这种方式,在环形结构910中循环的水与燃烧室之间的温度差允许每个转换器905使用塞贝克效应产生电能。每个转换器905包括正电连接器930和负电连接器925。图6示出了作为本发明主题的锅炉20的特定实施例,该锅炉20包括:-多个垂直指向的平行燃烧器254,位于燃烧室250内;以及-热交换器30,包括:对于每个燃烧器,与燃烧器的燃烧产物的排放轴线相对定位的垂直烟道225;对于每个烟道,用于循环与烟道的壁315接触的传热流体的至少一个垂直管道306;以及在至少一个烟道和至少一个管道之间,使用塞贝克效应将通过烟道的热能转换成电能的热电转换器305;每个烟道和每个管道位于燃烧室内。图6还示出了作为本发明主题的热交换器30的特定实施例。用于形成参考图6所描述的锅炉,这个热交换器30包括:-多个垂直烟道,与多个燃烧器产生的燃烧产物的发射轴线相对放置;-对于每个烟道,用于循环与烟道的壁315接触的传热流体的垂直管道306;以及-在至少一个烟道和与其接触的至少一个管道之间,使用塞贝克效应将穿过烟道的热能转换成电能的热电转换器305。如参考图1所描述的,燃烧室250、每个燃烧器254、燃料入口252和出口256例如分别类似于热室150、燃烧器154、燃料入口152和出口156。燃烧器254例如被布置成歧管。每个燃烧器254由单个燃料入口252供应燃料,该燃料例如天然气,天然气被燃烧后,热燃烧产物通过烟道225直到燃烧产物出口256。在该运动期间,热交换器30将来自燃烧产物的一部分热能传递到通过管道306的传热流体。因此,热交换通过每个热交换器30的壁315进行,该壁315例如由金属制成。该壁315具有分布在烟道225中的形状,例如翅片,其增加了湍流并增加了交换表面积,以提供传热和气体流体之间的最大交换。在每个壁315的厚度中,有一个塞贝克效应或热电效应的热电转换器305,其将由燃烧器产生的热能转换成电能。该转换器305将由转换器提供的电能传输到出口310。该出口310,例如是一个电气管理装置。在一些优选的变型中,具有不同结构特征的几个转换器305沿着壁315的厚度放置,这些结构特征根据转换器305和燃烧器254之间的距离变化,这些结构特征包括例如构成转换器305的材料的选择以及转换器305的尺寸。这种材料被选择为燃烧产物和由热交换器30分离的传热流体的限定的一对温度的函数。这种材料的选择使得转换器305可以提供更高的能量产量。在这些变型中,转换器305在每个交换器30中分级。优选地,传热流体在出口256附近被引入到交换器30中,并且在燃烧器254附近被抽出。锅炉20的电气系统例如是是控制以下功能中的至少一个功能的电子控制电路:-输入来自转换器310的电力,例如每级转换器310的一个入口;-充电和放电;-向锅炉20的内部电气装置供电;-为逆变器供电,例如230V型,用于外部设备,其中锅炉20为这些外部设备供电;和/或-通过将多余的电力再注入电阻器以加热来自锅炉20的传热流体来调节输出电力。锅炉的电气系统还包括电子调节电路,其被配置为控制以下功能中的至少一个:-每个燃烧器254的启动、调节和保护;-调节传递给风扇的功率以提取燃烧产物;-定位用于在加热和家用热水之间分配热传热流体的三通阀门;和/或-控制如上所描述的电能管理系统。在一些特定实施例中,转换器310覆盖壁315约80%的表面积。在一些特定实施例中,热交换器30包括有用于在每个烟道225的出口上冷凝燃烧产物的装置325。在这些变型中,热交换器30例如是板式交换器/冷凝器,转换器310可能位于其厚度中。像常规冷凝锅炉一样,锅炉20分为两部分,:-第一部分,配备有转换器310,其允许传热流体借助每个燃烧器254恢复大部分热功率;以及-第二部分是交换器/冷凝器,其完成从第一交换器出来的燃烧产物中剩余的能量的回收。在这些实施例中,如图6所示,锅炉20包括用于燃烧产物冷凝物的一组收集器358,其中每个收集器358位于燃烧产物的运动路径下。随着转换器310吸收由燃烧器254产生的一部分热能,可以增加燃烧器254处的功率以便抵消发生的热损失。在一些实施例中,至少一个转换器接触于:-首先是与燃烧产物接触的板;以及-其次,与传热流体接触的板。这些板例如是壁315的两侧,其中一侧与燃烧产物接触,另一侧与传热流体接触。图7示意性地示出了图6所示的锅炉20沿轴线A-A的横截面视图,特别地,图7示出了:-多个热电转换器305,每个转换器305接触于:-与传热流体管道615接触的壁605;以及-与烟道225的燃烧产物接触的壁610;以及-用于由每个转换器305提供给电能管理装置的电能的出口310。图8示意性地示出了图6所示的锅炉20沿着轴线B-B的横截面视图,特别地,图8示出了:-由燃料入口252供应的燃烧器254;以及-用于燃烧产物的出口256;-用于加热的传热流体的出口705;-多个分级热电转换器305,其结构特征根据定位级别而变化;-锅炉20的电气管理装置的出口310;-用于冷凝燃烧产物的装置325;以及-用于冷凝物的出口710。图9示出了作为本发明主题的门1000的特定实施例,该门1000包括被配置成围绕门的开口1020的中空结构1015,转换器1005定位成接触于:-首先,结构1015的第一导电部分,其指向锅炉燃烧室的燃烧产物,形成转换器的热源;以及-其次,结构1015的第二导电部分,其指向锅炉的传热流体,形成转换器的冷源。结构1015具有例如围绕门1000的开口1020的环面形状,这种结构优选由金属制成,固定在门上以便当门被固定到锅炉时被定位在燃烧室中。因此,该结构1015具有由第一和第二导电部分形成的两个表皮,第一导电部分朝向燃烧室,第二导电部分朝向燃烧室的外部。每个转换器1005位于结构1015的内部,位于导电部分之间。每个转换器1005包括用于产生的电能的出口,该出口设计成为锅炉的电气系统供电。在一些优选实施例中,门1000包括围绕门1000的开口1020分布的多个转换器1005。在一些优选实施例中,热交换器1010设置于与每个转换器1005相对,每个热交换器1010被传热流体所穿过。每个热交换器1010类似于图2描述的导电元件425。由结构1015、每个转换器1005和每个热交换器1010形成的组件可以与形成门1000的其它元件独立地制造。固定在门1000的内部以便该组件在被设置于燃烧室内部时不需要与门1000的内部部件相适配。
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