CH704462A1 - Flüssigkeit-Luft-Wärmeaustauschgerät mit Peltierelementen. - Google Patents

Flüssigkeit-Luft-Wärmeaustauschgerät mit Peltierelementen. Download PDF

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CH704462A1 CH00256/11A CH2562011A CH704462A1 CH 704462 A1 CH704462 A1 CH 704462A1 CH 00256/11 A CH00256/11 A CH 00256/11A CH 2562011 A CH2562011 A CH 2562011A CH 704462 A1 CH704462 A1 CH 704462A1
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Abstract

Ein Flüssigkeit-Luft-Wärmeaustauschgerät zum Austausch von Wärme zwischen einer Flüssigkeit und Luft umfasst einen ersten Strömungskanal (2) für die Luft und einen zweiten Strömungskanal (5) für die Flüssigkeit, und mindestens ein Peltierelement (14). Das Wärmeaustauschgerät (1) ist unterteilt in eine erste Stufe (17), in der ein Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit und der Luft auf passive Weise erfolgt, und eine nachfolgende, zweite Stufe (18), in der durch Beaufschlagung des mindestens einen Peltierelements (14) mit einem elektrischen Strom Wärme von der Flüssigkeit in die Luft oder von der Luft in die Flüssigkeit gepumpt wird.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Flüssigkeit-Luft-Wärmeaustauschgerät mit Peltierelementen.
[0002] Für den Begriff «Peltierelement» wird in der Fachwelt oft wie ein Synonym der Begriff «thermoelektrisches Element» oder der Begriff «Peltier-Wärmepumpe» verwendet. Unter dem Begriff «Peltierelement» ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und Ansprüche ein thermoelektrisches Bauteil zu verstehen, das in seiner inneren Struktur aus einem oder aus mehreren thermoelektrischen Elementen besteht. Die thermoelektrischen Elemente basieren insbesondere auf dem Peltier-Effekt, sie können aber auch auf einem anderen thermoelektrischen Effekt wie beispielsweise dem als Thermotunnelung (engl, «thermo tunneling») bekannten Prinzip beruhen.
[0003] Peltierelemente bestehen aus zwei Metallen oder zwei Halbleitern, die miteinander in Kontakt sind und üblicherweise als Thermopaare bezeichnet werden. Wenn ein elektrischer Gleichstrom durch ein Peltierelement fliesst, erwärmt sich das eine Metall bzw. der eine Halbleiter, während sich das andere Metall bzw. der andere Halbleiter abkühlt. Ein Peltierelement arbeitet somit als Strom betriebene Wärmepumpe, die mithilfe eines elektrischen Stroms Wärme von der einen Oberfläche des Peltierelements auf die gegenüberliegende Oberfläche des Peltierelements, oder umgekehrt, transportiert, d.h. die eine Oberfläche bei gleichzeitiger Erwärmung der jeweils anderen Oberfläche kühlt.
[0004] Aus der DE 1 817 077 ist eine Heiz- und Kühlanlage für ein Gebäude mit mehreren Räumen bekannt. Die Anlage umfasst ein zentrales Wärmegerät und in den Räumen angeordnete Peltier-Wärmepumpen. Die Peltier-Wärmepumpen sind über einen Wärmeträger-Kreislauf an das zentrale Wärmegerät angeschlossen. Das zentrale Wärmegerät liefert den Hauptanteil der Wärme- bzw. Kälteleistung, während die Peltier-Wärmepumpen zur Feineinstellung der Temperatur in den einzelnen Räumen dienen.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer solchen Heiz- und Kühlanlage zu verbessern.
[0006] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
[0007] Das Resultat der Erfindung ist ein Flüssigkeit-Luft-Wärmeaustauschgerät zum Austausch von Wärme zwischen einer Flüssigkeit und Luft, das einen ersten Strömungskanal für die Luft und einen zweiten Strömungskanal für die Flüssigkeit aufweist. Das Wärmeaustauschgerät umfasst eine erste Stufe, in der die beiden Strömungskanäle durch eine thermisch passive Trennwand getrennt sind, und eine nachfolgende, zweite Stufe, in der die beiden Strömungskanäle durch eine thermisch aktive Trennwand getrennt sind. Die thermisch passive Trennwand besteht aus einem Wärme gut leitenden Material. Die thermisch aktive Trennwand besteht aus mindestens einem Peltierelement oder umfasst mindestens ein Peltierelement. Das Peltierelement ist als Bauteil mit Vorteil so ausgebildet, dass es direkt als thermisch aktive Trennwand in das Wärmeaustauschgerät eingebaut werden kann.
[0008] In der ersten Stufe wird zwischen der Flüssigkeit und der Luft auf passive Weise Wärme ausgetauscht (als Wärmedurchgang) und die Temperatur der Luft an die Temperatur der Flüssigkeit angeglichen. In der zweiten Stufe wird durch Beaufschlagung des mindestens einen Peltierelements mit einem elektrischen Strom Wärme von der Flüssigkeit in die Luft oder in umgekehrter Richtung von der Luft in die Flüssigkeit gepumpt. Das Peltierelement arbeitet als Wärmepumpe, welche Wärme von der Flüssigkeit zur Luft pumpt, wenn die Luft erwärmt werden soll, und welche Wärme von der Luft zur Flüssigkeit pumpt, wenn die Luft abgekühlt werden soll. Die Flüssigkeit erfährt dabei keine Aggregatszustandsänderung. Das Wärmeaustauschgerät umfasst zudem eine Steuereinrichtung, die eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle enthält und eingerichtet ist, den durch das mindestens eine Peltierelement fliessenden elektrischen Strom zu erzeugen und dementsprechend steuern.
[0009] Der Begriff «aktiv» bedeutet, dass durch Zufuhr von elektrischer Energie Wärme von der Flüssigkeit in die Luft oder, bei umgekehrter Richtung des durch das mindestens eine Peltierelement fliessenden elektrischen Stroms, von der Luft in die Flüssigkeit gepumpt wird. Insbesondere kann Wärme sowohl von der warmen zur kalten Seite wie auch von der kalten zur warmen Seite der thermisch aktiven Trennwand gepumpt werden. Der Begriff «passiv» bedeutet demgegenüber, dass der Wärmetransport zwischen der Flüssigkeit und der Luft nicht durch Zufuhr von Energie von aussen unterstützt wird, so dass die Wärme stets nur von der warmen zur kalten Seite der thermisch passiven Trennwand fliesst.
[0010] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und nicht massstäblich gezeichnet. Es werden in den Figuren für gleiche Elemente jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet. <tb>Fig. 1-4<sep>zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemässen Flüssigkeit-Luft-Wärmeaustauschgeräts, und <tb>Fig. 5<sep>zeigt eine Anlage mit solchen Wärmeaustauschgeräten zum Heizen und/oder Kühlen von Räumen eines Gebäudes.
[0011] Die Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Flüssigkeit-Luft-Wärmeaustauschgerät zum Austausch von Wärme zwischen einer Flüssigkeit und Luft, das nachfolgend als Wärmeaustauschgerät 1 bezeichnet wird. Das Wärmeaustauschgerät 1 umfasst einen ersten Strömungskanal 2 für die Luft, mit einem ersten Einlass 3 und einem ersten Auslass 4, und einen zweiten Strömungskanal 5 für die Flüssigkeit, mit einem zweiten Einlass 6 und einem zweiten Auslass 7. Die bevorzugten Strömungsrichtungen der Luft und der Flüssigkeit in den Strömungskanälen 2 und 5 sind durch Pfeile dargestellt. Der erste Strömungskanal 2 umfasst eine erste Kammer 8 und eine nachfolgende, zweite Kammer 9, der zweite Strömungskanal 5 umfasst eine dritte Kammer 10 und eine nachfolgende, vierte Kammer 11. Die erste Kammer 8 und die dritte Kammer 10 sind durch eine thermisch passive Trennwand 12 getrennt, die aus einem Wärme gut leitenden Material, beispielsweise einem Metall, besteht. Die zweite Kammer 9 und die vierte Kammer 11 sind durch eine thermisch aktive Trennwand 13 getrennt, die aus mindestens einem ersten Peltierelement 14 besteht oder mindestens ein erstes Peltierelement 14 umfasst. Die Trennwände 12 und 13 können ein- oder beidseitig mit Lamellen 15 versehen sein. Die Lamellen 15 sind beispielsweise als Blechstücke, Rippen, Finger, et cetera ausgebildet, damit sie möglichst effizient Wärme an die Luft bzw. Flüssigkeit abgeben oder daraus aufnehmen.
[0012] Das Wärmeaustauschgerät 1 umfasst weiter eine Steuereinrichtung 16, die den durch das erste Peltierelement 14 fliessenden Strom steuert. Um diese Aufgabe zu erfüllen, wird die Steuereinrichtung 16 von nicht dargestellten Temperatursensoren und/oder einer übergeordneten Steuereinrichtung mit Temperatursignalen bzw. Steuerbefehlen versorgt. Die Temperatursensoren befinden sich beispielsweise bei den Einlassen oder Auslässen oder in den Kammern.
[0013] Die erste Kammer 8 und die dritte Kammer 10 bilden zusammen mit der thermisch passiven Trennwand 12, und wenn vorhanden den zugehörigen Lamellen 15, eine erste Stufe 17 für den passiven Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit und der Luft. Die zweite Kammer 9 und die vierte Kammer 11 bilden zusammen mit der thermisch aktiven Trennwand 13, wenn vorhanden den zugehörigen Lamellen 15, und der Steuereinrichtung 16 eine zweite Stufe 18 für das aktive Pumpen von Wärme von der Flüssigkeit in die Luft oder umgekehrt.
[0014] Die anhand der Fig. 1beschriebene Ausführung der ersten Stufe 17 ermöglicht einen effizienten Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit und der Luft. Die erste Stufe 17 kann jedoch auch durch einen anderen Wärmetauscher verwirklicht werden, welcher für den Wärmetausch zwischen einer Flüssigkeit und Luft geeignet ist, ohne dass ein Wechsel des Aggregatszustandes der Flüssigkeit im zweiten Strömungskanal 5 stattfindet.
[0015] Die Flüssigkeit zirkuliert typischerweise in einem geschlossenen Kreislauf, durch den sie mittels nicht dargestellter Pumpenmittel befördert wird und an den das Wärmeaustauschgerät 1 angeschlossen ist. Das Wärmeaustauschgerät 1 oder ein Raumklimagerät mit dem Wärmeaustauschgerät 1 kann zudem ein Gebläse enthalten, um die Luft durch den Strömungskanal 2 zu befördern. Für die Durchströmung des Strömungskanals 2 kann aber auch natürliche Konvektion ausgenutzt werden. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, verlaufen die Strömungsrichtungen der Luft und der Flüssigkeit bei diesem Beispiel parallel zueinander in gleicher Richtung, wobei jedoch auch eine Ausgestaltung für Gegenstrom oder Kreuzstrom möglich ist.
[0016] Die Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemässen Wärmeaustauschgeräts 1, bei der beidseitig des Flüssigkeit-Strömungskanals 5 ein Luft-Strömungskanal 2A bzw. 2B angeordnet ist. Die Luft-Strömungskanäle 2A bzw. 2B sind in der ersten Stufe 17 durch thermisch passive Trennwände 12A bzw. 12B und in der zweiten Stufe 18 durch thermisch aktive Trennwände 13A bzw. 13B vom Flüssigkeit-Strömungskanal 5 getrennt, wobei die thermisch aktiven Trennwände 13A und 13B wie beim vorhergehenden Beispiel aus mindestens je einem ersten Peltierelement 14A bzw. 14B bestehen oder ein erstes Peltierelement 14A bzw. 14B enthalten. Die Bezugszeichen der Elemente des Luft-Strömungskanals 2A sind um den Buchstaben A, die Bezugszeichen der Elemente des Luft-Strömungskanals 2B sind um den Buchstaben B ergänzt. Die Einlasse 3A und 3B können miteinander verbunden sein, die Auslässe 4A und 4B können ebenfalls miteinander verbunden sein. Die Luft in den Strömungskanälen 2A und 2B kann aber auch für jeden Kanal aus einer anderen Quelle stammen und/oder nach Austritt aus dem Wärmeaustauschgerät 1 für jeden Kanal an einen anderen Ort transportiert werden. Die Steuereinrichtung 16 ist wenn nötig eingerichtet, das Peltierelement 14A der Trennwand 13A unabhängig von dem Peltierelement 14B der Trennwand 13B zu betreiben.
[0017] Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemässen Wärmeaustauschgeräts, bei der eine weitere Wand der vierten Kammer 11 als thermisch aktive Trennwand 19 ausgebildet ist, die aus mindestens einem zweiten Peltierelement 20 besteht oder mindestens ein zweites Peltierelement 20 umfasst, wobei das zweite Peltierelement 20 mit einem Teil einer Aussen wand 21 des Wärmeaustauschgeräts 1 in gutem thermischem Kontakt ist. Die Aussenwand 21 ist insbesondere eine Frontplatte des Wärmeaustauschgeräts 1, die aus einem Wärme gut leitenden Material wie beispielsweise Aluminium besteht, so dass die Frontplatte mit dem zweiten Peltierelement 20 erwärmt und die Wärme als Strahlungswärme an den Raum abgegeben werden kann, in dem sich das Wärmeaustauschgerät 1 befindet. Die Aussenwand 21 hat idealerweise eine Oberfläche mit hohem Emissionskoeffizienten, etwa eine nichtmetallische Oberfläche mit einer geeigneten Farbe. Bei diesem Beispiel befindet sich die thermisch aktive Trennwand 19 auf der anderen Seite der Kammer 11 als die thermisch aktive Trennwand 13, d.h. die beiden thermisch aktiven Trennwände 19 und 13 sind einander gegenüberliegende Begrenzungen der Kammer 11. Die Steuereinrichtung 16 ist mit Vorteil eingerichtet, das zweite Peltierelement 20 unabhängig von dem ersten Peltierelement 14 zu betreiben.
[0018] Die Fig. 4 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemässen Wärmeaustauschgeräts, bei dem nicht wie bei der Fig. 3eine weitere Wand der vierten Kammer 11, sondern eine weitere Wand der dritten Kammer 10 als thermisch aktive Trennwand 22 aus einem zweiten Peltierelement 20 ausgebildet ist. In den Fig. 3 und Fig. 4 ist nur derjenige Teil der Aussenwand 21 dargestellt, der mit der entsprechenden thermisch aktiven Trennwand 19 bzw. 22 in gutem thermischem Kontakt ist.
[0019] Es ist auch möglich, sowohl die vierte Kammer 11 als auch die dritte Kammer 10 mit den thermisch aktiven Trennwänden 19 und 22 auszubilden, die in gutem thermischem Kontakt mit der Aussenwand des Wärmeaustauschgeräts 1 sind.
[0020] Die Fig. 5 illustriert eine Anlage mit erfindungsgemässen Wärmeaustauschgeräten 1 zum Heizen und/oder Kühlen von Räumen 23 eines Gebäudes 24. Die Anlage umfasst ein zentrales Wärmegerät 25 und in den Räumen 23 angeordnete Raumklimageräte 26, die wenigstens ein erfindungsgemässes Wärmeaustauschgerät 1 aufweisen. Die Wärmeaustauschgeräte 1 sind über einen oder mehrere Heizkreisläufe 27 mit jeweils einer Zuleitung und einer Rückleitung, in denen die Flüssigkeit zirkuliert, parallel an das zentrale Wärmegerät 25 angeschlossen. Die verwendete Flüssigkeit ist üblicherweise Wasser oder eine Flüssigkeit auf Wasserbasis; es kann aber auch jede andere geeignete Flüssigkeit verwendet werden. Das zentrale Wärmegerät 25 erwärmt oder kühlt die Flüssigkeit auf eine bestimmte Vorlauftemperatur.
[0021] Im Folgenden wird die Funktionsweise eines solchen Wärmeaustauschgeräts 1 erläutert. Die erste, passive Stufe 17 erwärmt bzw. kühlt die durch die erste Kammer 8 strömende Luft, indem immer von der wärmeren zur kälteren Seite ein passiver Wärmedurchgang erfolgt, nämlich entweder von der ersten Kammer 8 durch die thermisch passive Trennwand 12 hindurch zur dritten Kammer 10 oder in umgekehrter Richtung von der dritten Kammer 10 durch die thermisch passive Trennwand 12 hindurch zur ersten Kammer 8. Die zweite, aktive Stufe 18 erwärmt bzw. kühlt die anschliessend durch die zweite Kammer 9 strömende Luft bei gleichzeitiger Abkühlung bzw. Erwärmung der durch die vierte Kammer 11 strömenden Flüssigkeit auf die gewünschte Austrittstemperatur. Dieser Wärmetransport wird durch Beaufschlagung des ersten Peltierelements 14 mit einem elektrischen Strom erreicht.
[0022] Das Wärmeaustauschgerät 1 kann auch verwendet werden, um die Luft zu entfeuchten, nämlich indem die Luft in der zweiten Stufe 18 mittels des ersten Peltierelements 14 unter den Taupunkt abgekühlt wird.
[0023] Die Erfindung bietet folgende Vorteile: - Der Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit und der Luft erfolgt ohne Aggregatszustandsänderungen der Flüssigkeit, d.h. die Flüssigkeit ist im ganzen Strömungskanal 5 immer im flüssigen Zustand. - Die Erhöhung (beim Heizen) bzw. Absenkung (beim Kühlen) der Temperatur der Luft auf die Temperatur der Flüssigkeit in der ersten Stufe 17, erhöht den Wirkungsgrad. - Die aktive Kühlung in der zweiten Stufe 18 des Wärmeaustauschgeräts 1 ermöglicht auch die Entfeuchtung der Luft mittels Absenkung der Lufttemperatur unter den Taupunkt.

Claims (5)

1. Flüssigkeit-Luft-Wärmeaustauschgerät zum Austausch von Wärme zwischen einer Flüssigkeit und Luft, mit einem ersten Strömungskanal (2; 2A) für die Luft und einem zweiten Strömungskanal (5) für die Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschgerät (1) eine erste Stufe (17), in der der erste Strömungskanal (2; 2A) und der zweite Strömungskanal (5) durch eine thermisch passive Trennwand (12; 12A) getrennt sind, und eine nachfolgende, zweite Stufe (18) umfasst, in der der erste Strömungskanal (2; 2A) und der zweite Strömungskanal (5) durch eine thermisch aktive Trennwand (13; 13A) getrennt sind, wobei die thermisch aktive Trennwand (13; 13A) aus mindestens einem ersten Peltierelement (14) besteht oder mindestens ein erstes Peltierelement (14) umfasst, und dass das Wärmeaustauschgerät (1) weiter eine Steuereinrichtung (16) umfasst, die eingerichtet ist, einen durch das mindestens eine erste Peltierelement (14) fliessenden elektrischen Strom zu erzeugen und so zu steuern, dass Wärme von der Flüssigkeit zur Luft gepumpt wird, wenn die Luft erwärmt werden soll, und Wärme von der Luft zur Flüssigkeit gepumpt wird, wenn die Luft abgekühlt werden soll, wobei die Flüssigkeit keine Aggregatszustandsänderung erfährt.
2. Flüssigkeit-Luft-Wärmeaustauschgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (2; 2A) eine erste Kammer (8; 8A) und eine zweite Kammer (9; 9A) aufweist, dass der zweite Strömungskanal (5) eine dritte Kammer (10) und eine vierte Kammer (11) aufweist, dass die erste Kammer (8; 8A) und die dritte Kammer (10) durch die thermisch passive Trennwand (12; 12A) getrennt sind, und dass die zweite Kammer (9; 9A) und die vierte Kammer (11) durch die thermisch aktive Trennwand (13; 13A) getrennt sind.
3. Flüssigkeit-Luft-Wärmeaustauschgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Strömungskanal (2B) für die Luft vorhanden ist, wobei die beiden Strömungskanäle (2A, 2B) für die Luft beidseitig des zweiten Strömungskanals (5) für die Flüssigkeit angeordnet sind, wobei der dritte Strömungskanal (2B) eine fünfte Kammer (8B), die durch eine thermisch passive Trennwand (12B) von der dritten Kammer (10) getrennt ist, und eine sechste Kammer (9B), die durch eine thermisch aktive Trennwand (13B) von der vierten Kammer (11) getrennt ist, aufweist.
4. Flüssigkeit-Luft-Wärmeaustauschgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Wand der dritten Kammer (10) als thermisch aktive Trennwand (22) und/oder eine weitere Wand der vierten Kammer (11) als thermisch aktive Trennwand (19) ausgebildet ist, die aus mindestens einem zweiten Peltierelement (20) besteht oder mindestens ein zweites Peltierelement (20) umfasst und die mit einem Teil einer Aussenwand (21) des Wärmeaustauschgeräts in gutem thermischen Kontakt ist.
5. Flüssigkeit-Luft-Wärmeaustauschgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch passive Trennwand (12; 12A) und/oder die thermisch aktive Trennwand (13; 13A) beidseitig mit Lamellen (15) versehen ist.
CH00256/11A 2011-02-14 2011-02-14 Flüssigkeit-Luft-Wärmeaustauschgerät mit Peltierelementen. CH704462B1 (de)

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