DE102008002095A1

DE102008002095A1 - Anordnung zur Wärmeübertragung

Info

Publication number: DE102008002095A1
Application number: DE102008002095A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Müller; Manfred Schmitt; Miroslaw Brzoza; Achim Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-03

Abstract

Es wird eine Anordnung zur Wärmeübertragung 9, 10 zwischen einem von einer Brennkraftmaschine ausgestoßenen, in einer Abgasleitung strömenden Abgas 13 und mindestens einem thermoelektrischen Modul 1 zur Erzeugung elektrischer Energie vorgeschlagen. Diese Anordnung umfasst mindestens ein Mittel 4, 6 zur Führung des Abgases, wobei der Querschnitt des Mittels senkrecht zu einer Hauptströmungrichtung des Gases ringförmig ist, wobei der Querschnitt durch eine innere 6 und eine äußere Wand 4 begrenzt ist, wobei die beiden Wände durch mindestens einen gut wärmeleitenden Bereich 5 derart miteinander verbunden sind, dass ein guter Wärmeaustausch zwischen den beiden Wänden besteht und/oder dass bei Beaufschlagung mit dem Abgas keine der beiden Wände 4, 6 die Temperatur des Abgases annehmen muss.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Wärmeübertragung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Es ist bekannt, dass Wärmeübertrager für die Abwärmenutzung mittels thermoelektrischer Module einsetzbar sind. Ziel ist hierbei eine Umwandlung der thermischen Energie im Abgas, z. B. eines Verbrennungsmotors, in elektrische Energie mittels thermoelektrischer Module. Die US 5625245 beschreibt einen solchen Wärmeübertrager, der eine gerippte Struktur aufweist. Des Weiteren ist dort ein Strömungsverteiler offenbart, der zur Verbesserung der Strömungsverteilung in der Mitte eines Strömungsrohres angeordnet ist. Der Strömungsverteiler ist am Anfang und am Ende des Strömungsrohrs punktuell befestigt und nimmt im stationären Betrieb annähernd die Temperatur des Abgases an.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil einer effizienten Ableitung von Wärme aus dem Abgas mit dem Ziel der Umwandlung in elektrische Energie. Der ringförmige, vorzugsweise rippenfreie Querschnitt eines Mittels zur Gasführung, beispielsweise in Form eines sechseckförmigen Querschnitts, gewährleistet mittels eines einfachen, unter geringem Fertigungsaufwand herstellbaren, leichten Aufbaus einen engen Kontakt zu wärmeübertragenden Flächen des Gasführungsmittels, wobei eine insbesondere sich entlang der Strömungsrichtung des Abgases erstreckende Verbindung von Innen- und Aussenwand des Gasführungsmittels einen guten Abtransport von Wärmeenergie von der inneren zur äußeren Wand des im Querschnitt ringförmigen Gasführungsmittels sicherstellt. Keiner der beiden Wände muss im Betrieb die Temperatur des Abgases einnehmen. Die Abgastemperaturen steigen insbesondere bei Kraftfahrzeuganwendungen, z. B. bei Ottomotoren, unter Volllast auf bis zu 900°C, was auch für den Wärmeübertrager je nach verwendeten Materialien und konstruktiver Ausführung zu hohen Belastungen führt; die erfindungsgemässe Anordnung hält diese Belastungen und die infolge der Dynamik der Temperaturänderungen hohen thermischen Spannungen in den Komponenten aus, weil Temperaturspitzen und -schwankungen infolge einer guten Wärmeabfuhr nach aussen nur in abgeschwächter Form zu Materialbelastungen führen können und es sich, insbesondere bei gut wärmeleitenden Bereichen in Form von Querwänden und, damit einhergehend, unter Aufteilung des von Abgas beaufschlagten Bereichs in zwei oder mehrere Strömungskanäle, trotz leichten Gewichts um eine stabile und verwindungssteife Konstruktion handelt. Darüber hinaus weist die erfindungsgemässe Anordnung nur eine geringe Neigung zur Bildung von Ablagerungen (engl.: „Fouling”) an den wärmeübertragenden Flächen auf und führt nur zu geringen Druckverlusten in der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Anordnung zur Wärmeübertragung möglich. Besonders vorteilhaft ist es, eine Regelung des Abgasmassenstromes mit einem Strömungsbypass vorzusehen, der insbesondere in einfacher und platzsparender Weise durch den von der inneren Wand umgebenen Raum gebildet werden kann. Dadurch stehen zusätzliche Mittel bereit, sicher und mit einfachen Maßnahmen eine Überhitzung des Wärmeübertragers und vorgesehener thermoelektrischer Elemente bzw. Module zu verhindern.
Des weiteren ist es vorteilhaft, die Wände des Wärmeübertragers rippenfrei auszuführen, wodurch die Gefahr vermieden wird, dass schmale, dem Abgas zugängliche Bereiche sich infolge von Ablagerungen zusetzen und hierdurch die Wärmeübertragung merklich beeinträchtigt und der Abgasgegendruck erhöht wird. Ferner werden das Gewicht der Anordnung und ein Druckverlust im Abgas durch das Weglassen rippenförmiger Strukturen klein gehalten, und die Anordnung ist frei von leicht überhitzbaren Strukturen.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die weiteren in den weiteren abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmale.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine Querschnittsansicht einer Anordnung zur Wärmeübertragung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Abgases einer Brennkraftmaschine,
2 eine Abgasnachbehandlungsanordnung mit einer Anordnung zur Wärmeübertragung und
3 eine Querschnittsseitenansicht einer Anordnung zur Wärmeübertragung parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases einer Brennkraftmaschine.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine in einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs vorsehbare Anordnung 9 zur Wärmeübertragung in einer Querschnittsansicht senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Abgases einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs, das die Anordnung durchströmen kann. Sie weist ein außenliegendes Rohr 4 und ein koaxial angeordnetes innenliegendes Rohr 6 auf. Beide Rohre sind sechskantig (bzw. im Querschnitt sechseckig) ausgeführt. In den Kantenbereichen sind die Rohre 4 und 6 über Verbindungsstege 5 miteinander verbunden, die sich im Wesentlichen auf den ganzen die Abgasströmungsrichtung festlegenden Rohrverlauf erstrecken. Je zwei Verbindungsstege, ein Bereich des außenliegenden Rohrs 4 und ein Bereich des innenliegenden Rohrs 6 begrenzen jeweils einen Strömungskanal 3a, 3b, 3c, 3d, 3e und 3f, wobei der Abstand des außenliegenden Rohrs vom innenliegenden Rohr die Ringspalthöhe 7 des ringförmigen Querschnitts des Mittels (4, 6) zur Führung des Abgases bildet. Im vorliegenden Fall ist der ringförmige Querschnitt in sechs Strömungskanäle 3a–f aufgeteilt. Auf der Außenseite des außenliegenden Rohrs 4 sind thermoelektrische Module 1 aufgebracht, deren elektrische Kontaktierungen, über die erzeugte elektrische Energie abgegriffen werden kann, nicht näher dargestellt sind. Auf der dem Mittel zur Gasführung (4, 6) abgewandten Seite der thermoelektrischen Module 1 ist ein mit Kühlfluid durchströmter Kanal 2 angebracht. Der von den Wänden 6 des innenliegenden Rohrs umgebene Innenraum 8 wird nicht von Abgas durchströmt (anders in einer in 3 dargestellten Ausführungsform).
Eine gute Wärmeübertragung auf der Abgasseite wird durch eine Anhebung der Strömungsgeschwindigkeit im Strömungsrohr 4 durch eine Reduzierung des freien Strömungsquerschnitts erreicht. Dies wird durch die Einführung eines zusätzlichen inneren Rohres 6 erzielt, so dass ein Ringspalt entsteht, in dem sich die Abgasströmung ausbildet. Die Ringspalthöhe 7 wird dabei so angepasst, dass der unter Motorvolllast maximal erlaubte Druckverlust nicht überschritten wird; typische Werte der Ringspalthöhe liegen zwischen 3 und 30 Millimetern, vorzugsweise zwischen 3 und 15 Millimetern. Das innere und äußere Strömungsrohr wird an den Ecken über Stege 5 miteinander verbunden; diese Unterbrechungen des Ringspalts haben auf die Strömung keinen negativen Einfluss. Diese Verbindungsstege 5 stellen die Wärmeabfuhr für das innere Rohr sicher, das sonst im stationären Zustand näherungsweise die Gastemperatur annehmen würde. Stege 5 mit ausreichender Dicke gewährleisten, dass die Wärme durch Wärmeleitung vom inneren zum äußeren Rohr, das aufgrund der Kühlung durch die thermoelektrischen Module kälter ist, fließen kann. Auch das innere Strömungsrohr weist aus diesem Grund vorzugsweise eine entsprechend große Wandstärke auf. Die mit einer solchen Anordnung erreichbaren Wärmeübergänge sind auch ohne Rippen hoch genug, da der durch die thermoelektrischen Module fließende Wärmestrom bei ausreichend kleiner Ringspalthöhe 7 nicht durch die Wärmeübertragung auf der Abgasseite, sondern durch die Wärmeleitung der thermoelektrischen Module selbst limitiert wird, da die Materialien der thermoelektrischen Module eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ein Vorteil der Anordnung besteht im einfachen Aufbau des Wärmeübertragers. Je nach Material lässt er sich als Strangpressprofil herstellen, was sehr kostengünstig ist, beispielsweise bei der Verwendung von Aluminium (oder Legierung) oder Kupfer (oder Legierung). Der Montageaufwand ist gering und die Anordnung ist trotz der im Abgasstrang herrschenden Bedingungen langlebig. Ein weiterer Vorteil, insbesondere bei der Verwendung von Aluminium, ist das geringe Gewicht, insbesondere, wenn keine Rippenstrukturen vorgesehen sind; dies äußert sich auch vorteilhaft in einem geringen Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs.
Wahlweise können die Verbindungsstege 5 entlang des Rohrverlaufs unterbrochen sein, jedoch sollen diese in Strömungsrichtung des Abgases mindestens eine so große longitudinale Ausdehnung haben, dass sie im Unterschied zu punktuellen Verbindungen eine hinreichende Wärmeabfuhr vom innenliegenden Rohr 6 zum außenliegenden Rohr 4 gewährleisten.
2 zeigt eine Abgasnachbehandlungsanordnung 17 einer Brennkraftmaschine, bei der ein Abgasmassenstrom 13 zunächst eine Einrichtung 16 zur Umwandlung bzw. Beseitigung von im Abgas enthaltenen Schadstoffen und in einem weiteren Schritt eine Anordnung 10 zur Wärmeübertragung mit thermoelektrischen Modulen zur Gewinnung elektrischer Energie durchströmt. Zwischen Einrichtung 16 und Anordnung 10 befindet sich ein elektrisch ansteuerbares Zwei-Wege-Ventil, so dass der Abgasstrom wahlweise über einen Umgehungspfad als Abgas-Bypassstrom die Anordnung 10 umgehen kann. Ein Temperatursensor 11 ist im Bereich der Anordnung zur Wärmeübertagung angeordnet, entweder in das Abgas hineinragend oder oberflächennah im Bereich einer Wand (4, 5, 6). Ist die über den Temperatursensor 11 gemessene Temperatur zu hoch, stellt ein Regler 12 das Ventil 14 so ein, dass entweder ein Teilstrom des Abgases oder der gesamte Abgasmassenstrom 13 um die Anordnung zur Wärmeübertragung herumgeleitet wird bzw. so durch eine Bypass-Rohrleitung geleitet wird, dass die hitzeempfindlichen Komponenten wie das Mittel zur Gasführung und die thermoelektrischen Module, nicht mit einem Übermass an thermischer Energie beaufschlagt werden.
Obwohl die Gefahr von Überhitzung des Wärmeübertragers bei der Anordnung nach 1 bereits minimiert ist, kann es sinnvoll sein, je nach Anforderung an die für die thermoelektrischen Module benötigten Temperaturen und je nach verwendetem Wärmeübertragermaterial eine zusätzliche Temperaturanpassung über eine Regelung vorzunehmen, insbesondere bei thermoelektrischen Modulen, die bei Temperaturen > 400–500°C arbeiten. Dies führt über den beschriebenen Bypass zu einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit im Wärmeübertrager 10 und damit zu einem geringeren Wärmeübergang sowie zu einer geringeren Wandtemperatur des Wärmeübertragers und der thermoelektrischen Module. Auf diese Weise lassen sich die starken Schwankungen, die während eines Fahrzyklus auftreten, und auch die unerwünschte thermische Belastung im Volllastbetrieb vermeiden. Die vorgestellte Konstruktion des Wärmeübertragers eignet sich sehr gut für eine derartige Regelung, da er aufgrund der großen Wandstärken eine sehr homogene Temperaturverteilung aufweist. Dadurch besteht nicht die Gefahr von lokalen Überhitzungen, wie sie bei dünnwandigen Konstruktionen (z. B. Rippen) eintreten können, die auf höhere thermische Belastungen mit einem sehr schnellen Temperaturanstieg reagieren.
In einer alternativen Anordnung kann die Einrichtung 16 auch der Anordnung 10 nachgeordnet sein bzw. es können sowohl vor als auch hinter der Anordnung zur Wärmeübertragung Einrichtungen zur Schadstoffminderung vorgesehen sein. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können auch Einrichtungselemente zur Schadstoffverminderung, wie beispielsweise katalytische Beschichtungen, in der Anordnung zur Wärmeübertragung integriert sein. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können die thermoelektrischen Module in umgekehrter Form unter Anlegen einer äußeren Versorgungsspannung zur zumindest kurzzeitigen Unterstützung der Erwärmung des Abgases eingesetzt werden.
3 zeigt eine Abwandlung der Anordnung 9 zur Wärmeübertragung gemäß 1 in einer Querschnittsseitenansicht parallel zur Strömungsrichtung 13 des Abgasmassenstroms. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bezeichnen gleiche oder ähnliche Komponenten und werden nicht nochmals beschrieben. Ein Kühlfuidmassenstrom 22 kühlt sämtliche auf der Außenseite des außenliegenden Rohrs 4 angebrachten thermoelektrischen Module 1. Hier ist das in 2 dargestellte Zwei-Wege-Ventil 14 als Verteilerklappe 20 ausgebildet, und die Bypassströmung 15 wird durch den Innenraum 8 des innenliegenden Rohres 6 geleitet. So wird der verfügbare Bauraum optimal ausgenutzt, da kein zusätzliches externes Bypassströmungsrohr benötigt wird, was auch zu einer Gewichtseinsparung führt. Bei zu großer thermischer Belastung wird hier die Verteilerklappe 20 über die in 2 dargestellte Regelungsanordnung 12 geöffnet. Da der freie Strömungsquerschnitt im Innenraum 8 des innenliegenden Rohres 6 sehr groß ist, wird ein Großteil des Abgasmassenstroms durch ihn hindurchströmen. Das innenliegende Rohr 6 ist mit einer thermischen Isolation 21 versehen, um den Wärmestrom durch die Doppelrohrkonstruktion zu den thermoelektrischen Modulen zu begrenzen, wenn der Innenraum 8 als Umgehungspfad in Benutzung ist.
In einer einfachen Ausführungsform kann die thermische Isolation 21 auch weggelassen werden. In einer alternativen Ausführung kann eine zusätzliche, nicht näher dargestellte, elektrisch ansteuerbare Klappe vorgesehen sein, mit der der Ringspalt 3 bzw. die Strömungskanäle 3a–f zumindest teilweise geschlossen werden können. Dies kann hilfreich sein, wenn die Strömungsgeschwindigkeiten im Ringspalt auch bei voll geöffneter Verteilerklappe 20 und damit die thermische Belastung der thermoelektrischen Module noch zu groß sind, da hierdurch ein noch größerer Anteil des Abgasmassenstroms (13) durch den Innenraum (8) geleitet werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5625245 [0002]

Claims

Anordnung zur Wärmeübertragung (9, 10) zwischen einem von einer Brennkraftmaschine ausgestossenen, in einer Abgasleitung strömenden Abgas (13) und mindestens einem thermoelektrischen Modul (1) zur Erzeugung elektrischer Energie, mit mindestens einem Mittel (4, 6) zur Führung des Abgases, wobei der Querschnitt des Mittels senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Gases ringförmig ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt durch eine innere (6) und eine äußere Wand (4) begrenzt ist, wobei die beiden Wände durch mindestens einen gut wärmeleitenden Bereich (5) derart miteinander verbunden sind, dass ein guter Wärmeaustausch zwischen den beiden Wänden besteht und/oder dass bei Beaufschlagung mit dem Abgas keine der beiden Wände (4, 6) die Temperatur des Abgases annehmen muss.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine gut wärmeleitende Bereich eine sich im Wesentlichen entlang der gesamten Ausdehnung des Mittels (4, 6) in Strömungsrichtung des Abgases erstreckende Querwand (5) aufweist, so dass der ringförmige Querschnitt in mindestens zwei Strömungskanäle (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) aufgeteilt ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Modul (1) an der äußeren Wand angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der dem Mittel (4, 6) gegenüberliegenden Seite des thermoelektrischen Moduls (1) eine Kühlanordnung (2) befindet.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Querschnitt eckig, insbesondere sechseckig, ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wände (4, 6) parallel zueinander angeordnet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wände durch koaxial angeordnete, im Querschnitt kreisförmige oder vieleckförmige, insbesondere sechseckförmige, Rohre gebildet werden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Querwand (5) so dick ist, dass eine hinreichende Wärmeleitung von der inneren Wand zur äußeren Wand gewährleistet werden kann.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wand (6) so dick ist, dass eine hinreichende Wärmeleitung von der inneren Wand zur äußeren Wand gewährleistet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der inneren Wand von der äußeren Wand in einem Bereich zwischen 3 und 30 Millimetern, vorzugsweise zwischen 3 und 15 Millimetern, liegt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Abgas mindestens ein Pfad (15, 8) zur Umgehung des Mittels vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Pfad durch einen von der inneren Wand (6) eingeschlossenen Bereich (8) gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltungsmittel (14, 20) vorgesehen sind zum zumindest teilweise Öffnen und/oder Verschließen des Pfads zur Umgehung.
Abgasnachbehandlungsanordnung mit einer Einrichtung (16) zur Umwandlung und/oder Beseitigung von im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen Schadstoffen und mit einer Anordnung (9, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Wärmeübertragung zwischen dem in einer Abgasleitung der Abgasnachbehandlungsanordnung strömenden Abgas und mindestens einem thermoelektrischen Modul (1) zur Erzeugung elektrischer Energie.