DD288932A5 - Schaltungsanordnung zur transformation von waermeenergie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Transformation von Waermeenergie mit Hilfe von Thermoelementen, wobei die in Seebeck-Elementen erzeugte Elektroenergie fuer die Erhoehung der Temperaturdifferenz in Peltier-Elementen genutzt wird. Die erfindungsgemaesze Schaltung ist insbesondere fuer die Nutzung von Umwelt- bzw. Abwaerme niedrigen Potentials in Verbindung mit Heizsystemen, die mit Antriebsenergie hoher Temperatur arbeiten, beispielsweise Heizkesseln in Eigenheimen, geeignet. Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung eines Waermepumpenprozesses, der mit thermischem Antrieb arbeitet und dabei einfach und robust zu realisieren ist und auch im Bereich kleiner Heizleistungen, beispielsweise in Eigenheimen, eingesetzt werden kann. Erfindungsgemaesz werden dazu Seebeck- und Peltier-Elemente miteinander elektrisch gekoppelt und die "heiszen" Enden der Seebeck-Elemente mit einer Waermequelle beliebig hoher Temperatur (Heizkessel) und die warmen Enden der Seebeck-Elemente mit einem Heizsystem verbunden, waehrend die kalten Enden der Peltier-Elemente mit einer Waermequelle sehr niedrigen Temperaturniveaus (Umweltenergie) und die warmen Enden der Peltier-Elemente ebenfalls mit dem Heizsystem verbunden sind.{Waermeenergie; Elektroenergie; Transformation; Seebeck-Element; Peltier-Element; Waermepumpe; Abwaermenutzung; Heiznetz}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Transformation von Wärmeenergie mit Hilfe von Thermoelomenten bzw. Thermoelementegruppen, wobei die In sog. „Seebeck-Elementen" erzeugte Elektroenergie für die Erhöhung der Temperaturdifferenz in „Peltier-Elementen" genutzt wird. Die erfindungsgemäße Schaltung ist insbesondere für die Nutzung von Umwelt- bzw. Abwärme niedrigen Potentiale in Verbindung mit Heizsystemen, die thermische Antriobsenergie hoher Temperatur liefern, beispielsweise Heizkesseln In Eigenhelmen, geeignet.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die den Thermoelementen zugrunde liegenden physikalischen Effekte wurden von Seebeck und Peltier schon Im 16. Jahrhundert entdeckt. Seitdem werden beide Effekte genutzt, urn Seebeck-Elemente zur Elektroenergieerzeugung odor Peltier-Elemente zur Kälte und/oder Wärmeerzeugung zu entwickeln. Seebeck-Elemente mit Wirkungsgraden von maximal S bis 10% werden heute für meßtechnische Aufgaben und in der Militär-, Weltraum- und Medizintechnik zur Elektroenergieerzeugung eingesetzt. Sie sind robust und arbeiten ohne bewegte Teile. Peltier-Elemente wurden vor allem für die Kleinkältetechnik entwickelt. Mit dem Ziel, die von einem Seebeck-Element erzeugte Menge Elektroenergie zu vergrößern, sind auch Lösungen bekannt, Seebeck- und Peltier-Elemente miteinander zu kombinieren. So wird gemäß DE-OS 37 3C 410 beispielsweise die von einem Thermoelement (Seebock-Element) aus einer Wärmedifferenz erzeugte Spannung dazu verwendet, ein Peltier-Element zu betreiben und die dadurch am Peltier-Element entstehenden Wärmequellen und -senken eingesetzt, die Temperaturdifferenz des Seebeck-Elementes au vergrößern. Der Einsät; von Peltier-Elementen im Sinne von Wärmepumpen wird in DE-OS 3214763 und DE-PS 3141831 beschrieben, wobei jedoch die für den Betrieb der Peltier-Elemente erforderliche Elektroenergie als Sonnenenergie oder Gleichspannung zugeführt werden muß.

In der Praxis haben bisher derartige Lösungen keine Anwendung gefunden. Wegen ihres relativ hohen Wirkungsgrades dominieren hier elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen. Für Wärmepumpen mit thermischem Antrieb werden heute ausschließlich Sorptionsprozesse angewendet, die den thermodynamischen Synproportionierungsprozeß durch kombinierte Lösung von Kältemitteldämpfen In Flüssigkeiten oder Anlagerung an feste Substanzen und Austreiben dieser Dämpfe mit entsprechenden Wärmetönungen realisieren.

Die nach diesem Grundprinzip arbeitenden Absorptionswärmepumpen haben den Nachteil, daß sie thermodynamisch hochwertigen Dampf nicht verlustarm in den Prozeß einbringen können, sondern nur im Kondensationstemperaturbereich des Dampfes von ca. 100⁰C bis 200⁰C arbeiten. Durch Begrenzung der Temperatur des Austreibermediums ist die Absorptionswärmepumpe günstig mit dem Abdampf, nicht aber mit Hochdruckdampf oder energetisch hochwertigen Rauchgasen zu betreiben. Eine Verbesserung wird durch mehrstufige Absorptionswärmepumpen erreicht, damit steigt aber auch der anlagentechnische Aufwand erheblich.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, einen Wärmepumpenprozeß zu entwickeln, der mitthermischem Antrieb arbeitet und dabei einfach und robust ist und auch im Bereich kleiner Heizleistungen, beispielsweise im Eigenheim, anwendbar ist. Dieser Wärmepumpenprozeß soll sich auch in kleine Erzeugeranlagen, wie Gas-, Öl- oder Kohleheizkessel, integrieren lassen.

-2- 288 932 Darlegung dos Weson· der Erfindung

Der Erfindung Hegt die Aufgt.be zugrunde, unter Nutzung bekannter thermoelektrlecher Effekte eine Schaltungsanordnung zur Transformation von Wärmeenergie nach dem Prinzip einer thermischem Wärmepumpe zu entwickeln, die mit Wärmeenergie beliebig hohen Temperaturniveaus angetrieben werden kann und diese unter zusätzlicher Aufnahme von Umweltenorgie in ein Niodortemporaturheizsy8tomoln8pol8t.

Dazu worden orfindungagomäß einzelne oder In Gruppen zusammengefaßte Thermoelemente als Seebock-Elomente mit einer dementsprochenden Anzahl von Peltler-Elementon elektrisch derart miteinander verbunden, daß die In Seebeck-Elementen erzeugte Elektroenergie direkt In die Poltier-Elemonte eingespeist wird, wobei dia Seebeck-Elemente an ihren „heißen" Enden mit Wärmeenergie beliebig hohen Temperaturniveaus beheizt werden, en Ihren „warmen" Enden Heizwärme im Niedertemperaturbereich an ein Heizsystem abgeben und in den Peltler-Elementon die Aufnahme von Umwelt- oder Sekundärenergie von extrem niedrigem Tomporaturnlvoau und deren Transformation auf das Tomperaturniveau des angeschlossenen Heizsystems erfolgt. Dazu ist das „kalte Ende" der Poltier-Elemente mit der Umwelt- bzw. Sekundärenergiequelle und das „warme Ende" der Peltier-Elemonte mit dom Heizungssystem verbunden, wobei jeweils mehrere Peltler-Elemente Je nach Anwendungsfall untereinander elektrisch parallel und/oder in Reihe zu schalten sind. Das Heizmedium kann sowohl im Parallelstrom am warmen Ende des Seebeck-Generators und am warmen Ende der Poltier· Wärmepumpe als auch In Reihenschaltung an diesen beiden wBrmeabgobonden Enden der Thermoelemente vorbeigeführt werden. DIo Beheizung des heißen Endes dos Seobeck-Generators kann durch Dampf, Heißwasser oder andere heiße Wärmeträger, beispielsweise Rauchgas, erfolgen.

Jedes Thermoelement hat in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften und den von außen aufgeprägten thermodynamischon Randbedingungen ein optimales Vorhalten bei einer definitiven Stromstärke. Um sowohl Seebeck- als auch Peltier-Element im Verbundbetrieb optimal zu belasten, Ist erfindungsgemäß eine Parallel- und/oder Roihonschaltung der Elemente so zu gestalten, daß Im Generator und In der Wärmepumpe der jeweils optimale elektrische Strom fließt. Bei Ausfall dor thermischen Antriebsquelle oder in Schwachlastzeiten des elektrischen Verbundnetzes kann eino Gleichstromeinspeisung in die Verbindungsleitungen zwischen Seebeck-Generatpr und Peltier-Wärmepumpo erfolgen, wobei dann durch Stromrichtungsumkehr auch der Soebeck-Gonerator als Wärmepumpe eingesetzt werden kann.

Die erfindungsgemäße Schaltung wirkt somit als thormisch angetriebene Wärmepumpe, Indem die in das Gesamtystom als Wärme hohen Temperaturniveaus eingespeiste Antriebsenergie geringer als die in das angeschlossene Heizsystem abgegebene Heizwärme ist. Als Gewinn tritt die zusätzlich nutzbar gemachte Umweltenergie oder Abwärme in Erscheinung. Mit der erfindungsgemäßen Schaltung wird gegenüber konventionellen Heizsystemen eine erhebliche Einsparung von Brennstoff bzw. eine erhöhte Niitzwärmeabgabe des Heizungssystems erreicht. Im Vergleich mit bekannten Kompressions- bzw. Sorptionswärmepumpen wird der Aufwand an Elektroenergie, die Führung komplizierter Stoffströme sowie Wartungsaufwand eingespart. Dar tiauptvortoil der Erfindung besteht jedoch in der Möglichkeit, auf direktem Wege thermische Antriebsenergie von beliebig hohem Temperaturniveau bewerten zu können, wodurch die äußeren thermodynamischen Verluste bei dor Ausnutzung des Brennstoffes verringert werden.

AusfOhrungsbeisplel

Nachfolgend soll dio Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In dor beigefügten Zeichnung ist die Schaltung eines thermoeloktrischon Wärmetransformators dargestellt, dor ein Heizsystem 4 mit Wärme versorgt. In einem Heizkessel 2 sind in den Kesselwänden Seebeck-Elemente 1; 3 angeordnet, deren heiße Enden 1 mit der wärmeabgebenden Brennkammerwand mit 200... 1000°C und die warmen Enden 3 bis 100⁰C mit dem wärmeaufnohmonden Heizwasserstrom verbunden sind. Die in den Seebeck-Elementen erzeugte Elektroenergie wird den Peltior-Elomenten 5; 7 zugeführt, die durch die elektrischen Kabel 8 und 9 mit den Seobeck-Elementen verbunden sind. Die Peltier-Elomente 5; 7 sind in der Trennwand eines Wärmeübertragers 10 so angeordnet, daß die kalten Enden (ca. 10...30⁰C) mit einer Abwärmequelle 6 und die warmen Enden (40. ..6O⁰C) mit dem Rücklauf 11 des Heizsystems 4 verbunden sind. Der Wärmeübertrager 10 stellt somit eine Peltier-Wärmepumpe dar, die die erste Aufheizstufe im Heizsystem realisiert. Die zweite Aufheizstufe stellt das warme Ende der Seebeck-Elemente 3 im Heizkessel 2 dar, der durch den Vorlauf 12 mit dom Heizsystem 4 verbunden ist. Durch Umschalten der Schalter 13 und 14 kann die Peltier-Wärmepumpe auch mit Elektroenergiefremdeinspoisung 15 ohne Betreiben des Heizkessels arbeiten.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Transformation von Wärmeenergie, wobei Seebeck-Elemente und Peltler-Elemente elektrisch miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Enden der Seebeck-Elemente (1) mit einer Wärmequelle beliebig hoher Temperatur (2) und die warmen Enden der Soebeck-Elemente (3) mit einem Heizsystem (4) verbunden sind, während die kalten Enden der Peltier-Elemente (5) mit einer Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (6) und die warmen Enden der Peltier-Elemente (7) mit dem Heizsystem (4) so verbunden sind, daß Heizwärme sowohl aus den Seebeck- als auch im Niodertemperaturbereich aus den Peltier-Elömenten entnommen werden kann.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Peltier-Elemente (5; 7) untereinander elektrisch in Parallel- und/oder Reihenschaltung verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizmedium zuerst an den warmen Enden der Peltier-Elemente (7) und anschließend an den warmen Enden der Seebeck-Elemente (3) vorbeigeführt wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der elektrischen Verbindungsleitung (8 und 9) zwischen Seebeck- und Peltier-Elementen eine Gleichstromeinspeisung (15) angeordnet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus

(6) Umweltenergie oder Abwärme eingesetzt wird.