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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Wärmeübertrager mit
mindestens einem ersten Strömungskanal gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine
Verwendung eines solchen Wärmeübertragers.
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Wärmeübertrager
werden z. B. eingesetzt, um Abwärme von Gasströmen
zu nutzen. Im Allgemeinen sind die Wärmeübertrager
so ausgelegt, dass die Wärme von einem Medium zu einem
anderen mit maximalem Wirkungsgrad transportiert wird. Diese Optimierung
ist jedoch nur für einen bestimmten Arbeitspunkt möglich.
Insbesondere dort, wo durch instationäre Randbedingungen,
z. B. schwankende Eintrittstemperaturen eines Mediums und/oder schwankende
Massenströme, stark unterschiedliche Betriebspunkte auftreten,
sind solche Wärmeübertrager uneffizient. Derzeit
werden unterschiedliche Betriebspunkte im Allgemeinen mit einer
steuerbaren Bypassklappe ausgeglichen, die bei einer zu hohen thermischen
Belastung einen Teilmassenstrom durch einen Strömungsbypass
am Wärmeübertrager vorbei leitet. Nachteil einer
solchen Bypassklappe ist, dass diese einer hohen thermischen Belastung
ausgesetzt ist und damit hohe Investitionskosten erforderlich sind.
Zudem wird die in der Bypassströmung enthaltene Energie
nicht genutzt. Aus diesem Grund kann ein Strömungsbypass
lediglich dazu eingesetzt werden, die thermische Leistung des Wärmeübertragers zu
begrenzen, jedoch nicht, um optimale Wirkungsgrade an verschiedenen
Betriebspunkten zu realisieren. Weiterhin ist es auch bekannt, durch
komplizierte Verschaltungen im Wärmeübertrager
selber nur Teile des Wärmeübertragers zu durchströmen.
Solche Konzepte werden insbesondere dann eingesetzt, wenn thermische
Energie in elektrische umgewandelt werden soll. Hierzu werden thermoelektrische Module
eingesetzt. Der Wirkungsgrad ist dabei stark von den Temperaturen
an der heißen und kalten Seite abhängig. Zudem
existieren im Allgemeinen restriktive Anforderungen hinsichtlich
der zulässigen Maximaltemperatur, des erlaubten Thermoschocks
und hinsichtlich der mechanischen Festigkeit.
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Insbesondere
bei Anwendung des Wärmeübertragers im Kraftfahrzeug
für die Nutzung der Abwärme des Abgases stellt
der Einsatz von thermoelektrischen Modulen eine große Herausforderung dar,
da hier sehr ungünstige Bedingungen vorherrschen. So bewirkt
zum einen die große Variation des Abgasmassenstroms und
der Abgastemperatur stark unterschiedliche thermische Bedingungen
für den Wärmeübertrager und damit auch
für die thermoelektrischen Module. Zudem steigen die Abgastemperaturen
bei Ottomotoren unter Volllast auf bis zu 900°C an, was
auch für den Wärmeübertrager je nach
verwendeten Materialien und konstruktiver Ausführung problematisch
ist. Die Dynamik der Temperaturänderungen bewirkt hohe
thermische Spannungen in den Komponenten und führt zu unerwünschten
Verformungen.
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Weiterhin
ist es notwendig, dass – abhängig vom Motor – der
Druckverlust des Abgases im Wärmeübertrager gering
ist. Weiterhin können sich Rußpartikel auf den
wärmeübertragenden Flächen anlagern und
dadurch den übertragenden Wärmestrom verringern
und den Druckverlust erhöhen. Um zu vermeiden, dass durch
den höheren Kraftstoffverbrauch die gewonnene Energie wieder
zunichte gemacht wird, ist es weiterhin wünschenswert,
das Gewicht des Wärmeübertragers gering zu halten.
Auch treten hohe mechanische Belastungen, beispielsweise durch Vibrationen,
im Abgasstrang auf.
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Wärmeübertrager,
die im Abgasstrang von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, sind üblicherweise
als Strömungsrohr, häufig auch mit einem nicht-kreisförmigen
Querschnitt als Polygon, mit einem relativ großen Querschnitt
für die Abgasströmung ausgeführt. Auf
diese Wärmeübertrager sind an der Außenseite
thermoelektrische Module montiert. Der notwendige Querschnitt ergibt
sich aus den Abmessungen kommerziell verfügbarer thermoelektrischer
Module und deren benötigter Anzahl, um genug elektrische
Leistung erzeugen zu können. Jedoch bewirkt der große
Rohrquerschnitt eine schlechte Wärmeübertragung
vom Abgas an die Rohrwand, da die Strömungsgeschwindigkeit
proportional zur durchströmten Querschnittsfläche
ist und der Wärmeübergang wiederum stark von der
Strömungsgeschwindigkeit abhängt.
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Aus
US-A 2005/0072142 und
WO-A 2004/059138 ist
es z. B. bekannt, das Strömungsrohr zur Verbesserung der
Wärmeübertragung auf der Abgasseite mit Rippen
zu versehen. Nachteil der bekannten Geometrien ist jedoch, dass
diese sich nicht an verschiedene Betriebspunkte anpassen lassen. Zudem
weisen die in Strömungsrichtung hintereinander liegenden
Module unterschiedliche Temperaturen an der heißen Seite
auf, da die Temperatur des Abgases abnimmt. Deshalb arbeiten die
einzelnen Module in unterschiedlichen Betriebspunkten, wodurch die
maximal mögliche elektrische Leistung an den thermoelektrischen
Modulen nicht ausgeschöpft werden kann. Ein weiterer Nachteil
ist, dass die thermoelektrischen Module, die in unterschiedlichen
Betriebspunkten arbeiten, jeweils mit eigenen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlern
betrieben werden müssen, um die Energieausbeute zu optimieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit mindestens
einem ersten Strömungskanal, der von einem ersten Medium
durchströmbar ist, sowie mindestens einem zweiten Strömungskanal,
der von einem zweiten Medium durchströmbar ist, wobei das
erste Medium eine höhere Temperatur aufweist als das zweite
Medium. Der erste Strömungskanal weist eine Querschnittsfläche
auf, die entlang des Strömungsweges des ersten Mediums
abnimmt.
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Durch
die abnehmende Querschnittsfläche entlang des Strömungsweges
des ersten Mediums nimmt die Geschwindigkeit des Mediums beim Durchströmen
des Wärmeübertragers zu. Da der übertragene
Wärmestrom sowohl proportional zum Massestrom und damit
der Geschwindigkeit des ersten Mediums als auch zur Temperaturdifferenz
zwischen heißem und kaltem Medium ist, lässt sich durch
den abnehmenden Strömungsweg ein im Wesentlichen gleichbleibender
Wärmestrom vom heißen zum kalten Medium einstellen.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass auf Grund
der Wärmeübertragung die Temperatur des strömenden
ersten Mediums abnimmt. Dadurch nimmt auch die Temperaturdifferenz
zwischen dem ersten und dem zweiten Medium ab. Gleichzeitig erhöht
sich die Geschwindigkeit des ersten Mediums auf Grund des abnehmenden Strömungsquerschnittes.
Bei richtiger Auslegung des Wärmeübertragers kompensiert
so die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit die
Abnahme der Temperaturdifferenz.
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Um
eine Anpassung an verschiedene Betriebspunkte zu ermöglichen,
ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Querschnittsfläche
des ersten Strömungskanals in Abhängigkeit von
Eintrittstemperatur und Massenstrom des ersten Mediums einstellbar.
Auf diese Weise kann z. B. auch bei schwankenden Eintrittstemperaturen
oder schwankenden Masseströmen jeweils durch Anpassung
des Strömungsquerschnittes der optimale Betriebspunkt für
den Wärmeübertrager eingestellt werden.
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Um
die Querschnittsfläche des ersten Strömungskanals
einzustellen ist vorzugsweise mindestens eine den Strömungskanal
begrenzende Wand verstellbar. Auf diese Weise kann z. B. durch Verschieben
der Wand in Richtung des Strömungskanals der Querschnitt
verengt werden oder durch Bewegen der Wand aus dem Strömungskanal
heraus der Strömungsquerschnitt erweitert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind mindestens zwei
verstellbare Wände gegenüberliegend im Inneren
des ersten Strömungskanals angeordnet, wobei das erste
Medium entlang der Außenseite der verstellbaren Wände
strömt und die Wände voneinander weg oder aufeinander
zu bewegbar sind. Durch die gegenüberliegenden Wände
im Inneren des Strömungskanals ergibt sich ein vom ersten Medium
durchströmter Spalt. Durch Einstellen der Spaltweite wird
der Strömungsquerschnitt eingestellt. Vorteil dieser Ausführungsform
ist, dass die Außengeometrie des Wärmeübertragers
bei Veränderung der Querschnittsfläche unverändert
bleibt.
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Um
den Strömungsquerschnitt durch Verschieben der mindestens
zwei verstellbaren Wände einzustellen, ist in einer bevorzugten
Ausführungsform zwischen den mindestens zwei verstellbaren Wänden
mindestens eine Exzenterwelle positioniert, so dass durch Drehen
der Exzenterwelle die Wände voneinander weg oder aufeinander
zu bewegt werden. Die Exzenterwelle weist z. B. einen elliptischen Querschnitt
auf, so dass bei Anliegen der Wände an der kurzen Halbachse
der größtmögliche Strömungsquerschnitt
realisiert ist, während beim Anliegen der Wandungen an
der langen Halbachse der kleinste mögliche Strömungsquerschnitt
realisiert wird. Durch Positionieren der Exzenterwelle an jede beliebige Position
zwischen der kurzen und der langen Halbachse lässt sich
der Strömungsquerschnitt stufenlos zwischen dem minimalen
Strömungsquerschnitt und dem maximalen Strömungsquerschnitt variieren.
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Um
die verstellbaren Wände wieder in ihre Ausgangsposition
zurück zu bewegen, ist es bevorzugt, zwischen den Wänden
mindestens ein Rückstellfederelement zu positionieren.
Das Rückstellfederelement ist vorzugsweise als Zugfeder
ausgebildet. Hierbei eignet sich jede beliebige, dem Fachmann bekannte
Zugfeder. So können z. B. zylindrische oder kegelige Schraubenfedern,
Tonnenfedern, Gasfedern oder hydropneumatsiche Federn eingesetzt
werden. Durch ein Auseinanderbewegen der gegenüberliegenden
Wandungen des Strömungskanals wird das als Zugfeder ausgebildete
Rückstellfederelement gespannt. Beim Verringern des Abstandes
wirkt das Federelement jeweils auf die Wandungen und zieht diese
wieder zusammen, so dass der Strömungsquerschnitt wieder
vergrößert wird. Bei Verwendung von Gasfedern
kann in einer vorteilhaften Ausführungsform die Druckkraft
des Gases infolge thermischer Ausdehnung bei Temperaturerhöhung
für die Verstellung genutzt werden. In diesem Fall wird
keine Exzenterwelle benötigt, um die verstellbaren Wände
zu verstellen.
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In
einer alternativen Ausführungsform ist mindestens eine
Außenwand des ersten Strömungskanals verstellbar.
Ebenso wie durch das Verstellen einer Innenwand im Strömungskanal
lasst sich auch durch das Verstellen mindestens einer Außenwand der
Strömungsquerschnitt variieren.
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Die
Einstellung der Querschnittsfläche des Strömungsquerschnittes
kann in einer ersten Ausführungsform dadurch erfolgen,
dass die mindestens eine verstellbare Wand parallel verschiebbar
ist. Hierdurch erfolgt eine gleichmäßige Verkleinerung oder
Vergrößerung des Strömungsquerschnittes.
So wird z. B. bei einem kleineren Massenstrom der gesamte Strömungsquerschnitt
verringert, um einen konstanten Wärmestrom vom heißen
zum kalten Medium zu erzielen.
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In
einer zweiten Ausführungsform ist die wenigstens eine Wand
derartig verschiebbar, dass der Querschnitt des Strömungskanals
beim Verschieben der Wandung auf der Austrittsseite des ersten Mediums
stärker abnimmt oder zunimmt als auf der Eintrittsseite
des ersten Mediums. Vorteil der Veränderung der Konizität
ist, dass die übertragene Wärme in Strömungsrichtung
angepasst werden kann. Es hängt jedoch von der Auslegung
des Wärmeübertragers ab, ob dies notwendig ist.
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Wenn
die mindestens eine Wand derartig verschiebbar ist, dass der Querschnitt
des Strömungskanals beim Verschieben der Wandung auf der
Austrittsseite des ersten Mediums stärker abnimmt oder
zunimmt als auf der Eintrittsseite des ersten Mediums, ist es bevorzugt,
wenn die mindestens eine verschiebbare Wand auf der Eintrittsseite
des ersten Mediums drehbar gelagert ist. Dies hat den Vorteil, dass
kein sich verändernder Spalt gegen einströmendes
Medium abgedichtet werden muss.
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Um
die im Wärmeübertrager übertragene Wärme
zusätzlich zu nutzen, ist es bevorzugt, zwischen dem ersten
Strömungskanal und dem zweiten Strömungskanal
thermoelektrische Module anzuordnen. Durch die thermoelektrischen
Module wird eine elektrische Gleichspannung erzeugt. Auf Grund des erfindungsgemäßen
Aufbaus des Wärmeübertragers lassen sich nahezu
konstante Betriebsbedingungen für die verschiedenen thermoelektrischen
Module entlang der Strömungsrichtung der Medien einstellen.
Dies hat den Vorteil, dass in Strömungsrichtung die gleichen
Temperaturunterschiede zwischen kalter und heißer Seite
erzielt werden können und sich so alle thermoelektrischen
Module zusammen verschalten lassen und nur ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler
erforderlich ist. Bei der Ausführungsform mit veränderbarem
Strömungsquerschnitt können für jede
beliebige Eintrittstemperatur und jeden beliebigen Massestrom jeweils
die optimalen Betriebsbedingungen für die thermoelektrischen
Module erzielt werden.
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Vorteil
des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
ist es, dass die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Mediums
gesteuert werden kann. Hierdurch kann gezielt der Wärmeübergangskoeffizient zwischen
dem durchströmenden Medium und der Wand des Wärmeübertragers
variiert werden. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager
lässt sich überall dort einsetzen, wo instationäre
Randbedingungen bei der Wärmeübertragung auftreten.
Insbesondere bei Anwendungen, die derzeit einen Bypass erfordern,
kann durch Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
auf den Bypass verzichtet werden. Die Funktion der Bypassklappe
wird durch entsprechende Anpassung der Geometrie des Wärmeübertragers
realisiert.
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Ein
erfindungsgemäß ausgebildeter Wärmeübertrager
findet z. B. Einsatz im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine.
Das erste Medium, das den ersten Strömungskanal des Wärmeübertragers durchströmt
ist dabei das heiße Abgas der Verbrennungskraftmaschine.
Dieses gibt Wärme an ein kaltes Medium, das durch den zweiten
Strömungskanal strömt, ab. Bei Einsatz eines Wärmeübertragers
mit thermoelektrischen Modulen lasst sich gleichzeitig ein elektrischer
Strom gewinnen. Hierdurch kann die Abwärme des Abgases
genutzt werden.
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Auf
Grund der Gestaltung des Wärmeübertragers mit
glatten Wänden ist auch die Neigung zu Fouling, z. B. durch
Ablagerung von Rußpartikeln gegenüber einem Wärmeübertrager
mit Rippen reduziert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Wärmeübertrager mit einem ersten Strömungskanal
mit abnehmendem Querschnitt in einer ersten Ausführungsform,
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2 einen
Wärmeübertrager mit einem ersten Strömungskanal
mit abnehmendem Querschnitt mit verschiebbaren Außenwandungen
in einer ersten Ausführungsform,
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3 einen
Wärmeübertrager mit einem ersten Strömungskanal
mit abnehmendem Querschnitt in einer zweiten Ausführungsform,
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4 einen
Wärmeübertrager mit einem ersten Strömungskanal
mit abnehmendem Strömungsquerschnitt mit verschiebbaren
Außenwandungen in einer zweiten Ausführungsform,
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5.1 einen Wärmeübertrager mit
parallel verschiebbaren Wänden im ersten Strömungskanal mit
maximalem Strömungsquerschnitt,
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5.2 einen Wärmeübertrager mit
parallel verschiebbaren Wänden im ersten Strömungskanal mit
minimalem Strömungsquerschnitt,
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6.1 einen Wärmeübertrager mit
parallel verschiebbaren Wänden mit abnehmendem Strömungsquerschnitt
in Strömungsrichtung mit maximalem Strömungsquerschnitt,
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6.2 einen Wärmeübertrager mit
parallel verschiebbaren Wänden mit abnehmendem Strömungsquerschnitt
in Strömungsrichtung mit minimalem Strömungsquerschnitt,
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7.1 einen Wärmeübertrager mit
abnehmendem Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung
mit um einen Drehpunkt verstellbaren Wänden in einer Position
mit maximalem Strömungsquerschnitt,
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7.2 einen Wärmeübertrager mit
in Strömungsrichtung abnehmendem Strömungsquerschnitt
mit um einen Drehpunkt verstellbaren Wänden in einer Position
mit minimalem Strömungsquerschnitt.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
einen Wärmeübertrager mit einem ersten Strömungskanal
mit abnehmendem Querschnitt in einer ersten Ausführungsform.
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Ein
Wärmeübertrager 1 umfasst einen ersten Strömungskanal 3 und
einen zweiten Strömungskanal 5. In der hier dargestellten
Ausführungsform ist der Wärmeübertrager 1 in
Form eines Strömungsrohres ausgebildet. Der zweite Strömungskanal 5 umschließt
dabei den ersten Strömungskanal 3 ringförmig.
Neben der rohrförmigen Ausgestaltung kann der Wärmeübertrager 1 aber
auch jede beliebige andere Form aufweisen. Bei einem rohrförmigen
Wärmeübertrager ist neben einem kreisförmigen
Querschnitt auch ein Querschnitt in Form eines Polygons mit mindestens
drei Ecken, bevorzugt mit mindestens vier Ecken, mehr bevorzugt
mit mindestens sechs Ecken und insbesondere mit mindestens acht
Ecken, möglich. Vorzugsweise sind bei einer polygonalen
Form des Querschnittes die Kanten gleich lang. Weiterhin ist es
auch möglich, den Wärmeübertrager z.
B. in Form eines flachen Plattenapparates auszuführen.
In diesem Fall umschließt der zweite Strömungskanal 5 nicht
den ersten Strömungskanal ringförmig sondern an
den Seiten des flachen ersten Strömungskanals 3 ist
jeweils ein zweiter Strömungskanal 5 angeordnet.
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Über
eine Eintrittsöffnung 7 strömt ein erstes Medium
in den ersten Strömungskanal 3 ein. Die Strömungsrichtung
des ersten Mediums ist mit einem Pfeil 9 gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß nimmt der Strömungsquerschnitt
des ersten Strömungskanals 3 in Strömungsrichtung 9 des
ersten Mediums ab. In der hier dargestellten Ausführungsform
umfasst der erste Strömungskanal 3 eine innere
Wand 11, die hinsichtlich einer Außenwand 13 des
ersten Strömungskanals 3 so positioniert ist,
dass der Abstand zwischen der inneren Wand 11 und der Außenwand 13 in
Strömungsrichtung 9 des ersten Mediums abnimmt.
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Bei
einem rohrförmigen Wärmeübertrager bildet
z. B. ein konischer Einsatz, der in den ersten Strömungskanal 3 eingesetzt
ist, die innere Wand 11. Bei einem plattenförmigen
Wärmeübertrager sind z. B. zwei gegenüberliegende
Wände 11 in den ersten Strömungskanal 3 eingesetzt,
wobei der Abstand der Wände 11 von der Eintrittsöffnung 7 zur
Austrittsöffnung 15 des ersten Mediums zunimmt.
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Der
zweite Strömungskanal 5 wird von einem zweiten
Medium durchströmt. Wenn das erste Medium, das den ersten
Strömungskanal 3 durchströmt ein heißes
Medium ist, das abgekühlt werden soll, so weist das den
zweiten Strömungskanal 5 durchströmende
Medium eine niedrigere Temperatur auf als das den ersten Strömungskanal 3 durchströmende Medium.
Das den zweiten Strömungskanal 5 durchströmende
Medium kann z. B., wie hier an Hand der Strömungspfeile 17 dargestellt,
zum Medium, das den ersten Strömungskanal 3 durchströmt,
im Gegenstrom strömen. Alternativ ist es auch möglich, dass
der erste Strömungskanal 3 und der zweite Strömungskanal 5 im
Gleichstrom durchströmt werden. Weiterhin ist auch ein
Kreuzstrom zwischen dem den ersten Strömungskanal 3 durchströmenden Medium
und dem den zweiten Strömungskanal 5 durchströmenden
Medium möglich.
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Auf
Grund des in Strömungsrichtung des ersten Mediums abnehmenden
Strömungsquerschnitts des ersten Strömungskanals 3 nimmt
die Geschwindigkeit des ersten Mediums in Strömungsrichtung
zu. Durch die zunehmende Geschwindigkeit kann der auf Grund der Abkühlung
des Mediums ebenfalls abnehmende Temperaturgradient ausgeglichen
werden, so dass ein konstanter Wärmestrom vom Medium im
ersten Strömungskanal 3 an das Medium im zweiten
Strömungskanal 5 übertragen wird.
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Um
den Wärmestrom zur Erzeugung von elektrischem Strom zu
nutzen, sind in der hier dargestellten Ausführungsform
zwischen dem ersten Strömungskanal 3 und dem zweiten
Strömungskanal 5 thermoelektrische Module 19 aufgenommen.
Durch den abnehmenden Strömungsquerschnitt des ersten Strömungskanals 3 und
die abnehmende Temperatur des im ersten Strömungskanal 3 strömenden
Mediums bleibt der Wärmestrom über die thermoelektrischen
Module 19 in den zweiten Strömungskanal 5 im
Wesentlichen konstant. Dies hat den Vorteil, dass die thermoelektrischen
Module miteinander verschaltet werden können und nur ein
Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler erforderlich ist.
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Thermoelektrische
Module sind dem Fachmann bekannt. Üblicherweise werden
Bi2Te3-Module eingesetzt.
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2 zeigt
einen Wärmeübertrager mit einem ersten Strömungskanal
mit abnehmendem Strömungsquerschnitt mit verschiebbaren
Außenwandungen in einer ersten Ausführungsform.
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Der
in 2 dargestellter Wärmeübertrager unterscheidet
sich in seiner Geometrie von dem in 1 dargestellten
Wärmeübertrager 1 dadurch, dass die Außenwände
des ersten Strömungskanals 3 verschiebbar sind.
Hierzu sind die Außenwände 13 im Bereich
der Eintrittsöffnung 7 an einer drehbaren Lagerung 21 aufgenommen.
Wie mit Pfeilen 23 angedeutet lassen sich die Außenwände 13 um
die drehbare Lagerung 21 drehen. Je nach Position der Außenwände 13 verjüngt
sich der erste Strömungskanal stärker oder schwächer
von der Eintrittsöffnung 7 zur Austrittsöffnung 15.
Eine stärkere Verkleinerung des Strömungsquerschnitts
zur Austrittsöffnung 15 hin führt zu
einer größeren Beschleunigung des durch den ersten
Strömungskanal 3 strömenden Mediums.
Entsprechend führt eine geringere Reduzierung des Strömungsquerschnittes
zu einer geringeren Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit.
Wenn die Außenwände 13 parallel zu den
inneren Wänden 11 sind, bleibt die Strömungsgeschwindigkeit
des durch den ersten Strömungskanal 3 strömenden
Mediums im Wesentlichen konstant. Weiterhin ist es auch möglich,
z. B. durch eine Bewegung der Außenwände 13 in
eine Position, dass sich der erste Strömungskanal 3 von
der Eintrittsöffnung 7 zur Austrittsöffnung 15 hin
aufweitet, dass die Geschwindigkeit des im ersten Strömungskanal 3 strömenden
Mediums abnimmt.
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Als
drehbare Lagerung 21, um die die Außenwände 13 drehbar
sind, eignet sich jede beliebige, dem Fachmann bekannte drehbare
Lagerung. So kann z. B. als drehbare Lagerung 21 ein Gelenk
eingesetzt werden. Geeignete Gelenke sind zum Beispiel Drehgelenke,
Drehschubgelenke, Kugelgelenke oder Plattengelenke.
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3 stellt
einen Wärmeübertrager mit einem ersten Strömungskanal
mit abnehmendem Querschnitt in einer zweiten Ausführungsform
dar.
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Der
in 3 dargestellte Wärmeübertrager 1 unterscheidet
sich von dem in 1 dargestellten Wärmeübertrager
dadurch, dass die Außenwände 13 des ersten
Strömungskanals 3 von der Eintrittsöffnung 7 zur
Austrittsöffnung 15 hin aufeinander zulaufen.
Hierdurch nimmt der Strömungsquerschnitt im ersten Strömungskanal 3 von
der Eintrittsöffnung 7 zur Austrittsöffnung 15 hin
ab. Wie der in 1 dargestellte Wärmeübertrager
kann auch der in 3 dargestellte Wärmeübertrager 1 plattenförmig
oder rohrförmig, beispielsweise in Form eines Polygons ausgeführt
sein. Hierdurch ergibt sich ein konischer bzw. keilförmiger
Verlauf des ersten Strömungskanals 3.
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In 4 ist
ein Wärmeübertrager mit einem ersten Strömungskanal
mit abnehmendem Strömungsquerschnitt mit verschiebbaren
Außenwandungen in einer zweiten Ausführungsform
dargestellt.
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Die
in 4 dargestellte Ausführungsform entspricht
in ihrem Aufbau der in 3 dargestellten Ausführungsform,
unterscheidet sich jedoch dadurch, dass die Außenwände 13 nicht
fest sondern um eine drehbare Lagerung 21 drehbar sind.
Die mögliche Bewegung der Außenwände 13 ist
wie in 2 durch Pfeile 23 dargestellt. Um die
jeweiligen drehbaren Lagerungen 21, die analog zu den drehbaren
Lagerungen 21, wie sie in 2 dargestellt
sind, ausgeführt sein können, lassen sich die
Außenwände 13 drehen. Der Abstand im
Bereich der Eintrittsöffnung bleibt somit immer gleich
groß, wohingegen der Abstand im Bereich der Austrittsöffnung 15 zunehmen
oder abnehmen kann, je nachdem, in welche Richtung die Außenwände 13 bewegt
werden. Wenn die Außenwände 13 aufeinander
zu bewegt werden, nimmt der Strömungsquerschnitt von der
Eintrittsöffnung 7 zur Austrittsöffnung 15 hin
stärker ab, wohingegen ein Wegbewegen der Außenwände 13 im
Bereich der Austrittsöffnung 15 dazu führt,
dass der Strömungsquerschnitt des ersten Strömungskanals 3 von
der Eintrittsöffnung 7 zur Austrittsöffnung 15 hin weniger
stark abnimmt.
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In
den 5.1 und 5.2 ist
ein Wärmeübertrager mit parallel verschiebbaren
Wänden im ersten Strömungskanal dargestellt.
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Im
Unterschied zu den in den 2 und 4 dargestellten
Ausführungsformen ist bei der in den 5.1 und 5.2 dargestellten
Ausführungsform die Außenwand 13 fest
und die im ersten Strömungskanal 3 angeordnete
innere Wand 11 beweglich. Bei einer plattenförmigen
Ausgestaltung des Wärmeübertragers 1 liegen
sich zwei innere Wände 11 gegenüber.
Bei einer rohrförmigen Ausgestaltung, insbesondere einer
Ausgestaltung mit einem polygonalen Querschnitt, ist in den ersten
Strömungskanal 3 ein Einsatz mit bewegbaren Enden
eingesetzt. Um zu vermeiden, dass durch den ersten Strömungskanal 3 strömendes
Medium in den inneren Bereich des Einsatzes eindringen kann, ist
dieser vorzugsweise aus einzelnen Segmenten gefertigt, die jeweils
mit dehnbaren Einsätzen miteinander verbunden sind. Hierzu
eignen sich z. B. balgenförmige Streifen oder flexible
Elemente, die ausgedehnt werden können.
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In
der in den 5.1 und 5.2 dargestellten
Ausführungsform sind die inneren Wände 11 parallel
zueinander ausgerichtet, so dass der Strömungsquerschnitt
in Strömungsrichtung konstant bleibt.
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5.1 zeigt eine Position der inneren Wände 11 zueinander,
bei der ein maximaler Strömungsquerschnitt realisiert wird.
Demgegenüber ist in 5.2 die
Position der inneren Wände 11 dargestellt, bei
der der Strömungsquerschnitt des ersten Strömungskanals 3 minimiert
ist.
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Um
den Strömungsquerschnitt des ersten Strömungskanals 3 durch
Bewegung der inneren Wände 11 zu variieren, sind
zwischen die inneren Wände 11 zwei Exzenterwellen 25 positioniert.
Die Exzenterwellen 25 sind um ihre Achse drehbar und weisen
in der hier dargestellten Ausführungsform einen ellipsenförmigen
Querschnitt auf. Wenn die Exzenterwellen 25 in einer Position
liegen, dass die inneren Wände 15 an deren kurzer
Halbachse anliegen, ist der maximale Strömungsquerschnitt
im ersten Strömungskanal 3 realisiert. Bei einer
Drehung der Exzenterwellen 25 um 90° liegen die
inneren Wände 11 an der langen Halbachse der ellipsenförmigen
Exzenterwelle 25 an und der minimale Strömungsquerschnitt
des ersten Strömungskanals 3 wird realisiert.
Durch entsprechende Positionierung der Exzenterwellen 25 lasst
sich so jeder beliebige Strömungsquerschnitt zwischen dem
in 5.1 dargestellten minimalen Strömungsquerschnitt
und dem in 5.2 dargestellten maximalen
Strömungsquerschnitt einstellen. Auch ist es z. B. möglich,
durch Drehen nur einer der beiden Exzenterwellen 25 oder durch
unterschiedlich weites Drehen der Exzenterwellen 25 einen
Strömungsquerschnitt im ersten Strömungskanal 3 zu
realisieren, der von der Eintrittsöffnung 7 zur
Austrittsöffnung 15 hin abnimmt oder zunimmt.
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Zwischen
den inneren Wänden 11 ist ein Rückstellfederelement 27 aufgenommen.
Das Rückstellfederelement 27 ist eine Zugfeder,
wobei jede beliebige, dem Fachmann bekannte Zugfeder eingesetzt
werden kann. Üblicherweise sind Zugfedern als Spiralfedern
ausgeführt.
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Mit
der zwischen den inneren Wänden 11 positionierten
Zugfeder 27 werden die inneren Wände 11 zueinander
hin gezogen. Hierdurch wird gewährleistet, dass die inneren
Wände 11 immer an den Exzenterwellen 25 anliegen.
Bei einer Bewegung von dem minimalen Strömungsquerschnitt,
wie er in 5.2 dargestellt ist, in Richtung
des maximalen Strömungsquerschnitts, wie er in 5.1 dargestellt ist, werden die inneren Wände 11 so
bei einer Drehung der Exzenterwellen 25 mit Hilfe des Rückstellfederelementes 27 kontinuierlich
gegen die Exzenterwellen 25 gezogen, so dass sich der Strömungsquerschnitt
stufenlos verstellt.
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In
den 6.1 und 6.2 ist
ein Wärmeübertrager mit parallel verschiebbaren
Wänden mit abnehmendem Strömungsquerschnitt in
Strömungsrichtung dargestellt.
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Der
in den 6.1 und 6.2 dargestellte Wärmeübertrager
unterscheidet sich von dem in den 5.1 und 5.2 dargestellten Wärmeübertrager darin,
dass die inneren Wände 11 nicht parallel verlaufen,
sondern der Abstand zwischen den inneren Wänden 11 von
der Eintrittsöffnung 7 zur Austrittsöffnung 15 in
Strömungsrichtung des Mediums im ersten Strömungskanal 3 zunimmt.
Hierdurch nimmt der Strömungsquerschnitt des ersten Strömungskanals 3 in
Strömungsrichtung des im ersten Strömungskanal 3 strömenden
Mediums ab. In 6.1 ist wieder die Position
der inneren Wände 11 dargestellt, bei der der
Strömungsquerschnitt im ersten Strömungskanal 3 maximal
ist, während in 6.2 die
Position der inneren Wände 11 dargestellt ist,
bei der der Strömungsquerschnitt im ersten Strömungskanal 3 minimal
ist.
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Eine
weitere Ausführungsform für einen Wärmeübertrager 1 mit
verstellbaren inneren Wänden 11 ist in den 7.1 und 7.2 dargestellt.
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In
der hier dargestellten Ausführungsform sind die inneren
Wände 11 an drehbaren Lagerungen 21 im
Bereich der Eintrittsöffnung 7 in den Wärmeübertrager 1 befestigt.
Die Bewegung der inneren Wände 11 erfolgt durch
eine Exzenterwelle 25, die außerhalb des Wärmeübertragers 1 positioniert
ist. Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die mechanische
Steuerung der inneren Wände 11 außerhalb des
Wärmeübertragers 1 positioniert ist.
Hierdurch wird die thermische Belastung reduziert. Durch das Rückstellfederelement 27 werden
die inneren Wände 11 ebenso wie bei den in den 5.1 und 6.2 dargestellten
Ausführungsformen gegen die Exzenterwelle 25 gezogen.
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Als
drehbare Lagerung 21 eignen sich dieselben drehbaren Lagerungen,
wie sie auch für die Ausführungsformen, wie sie
in den 2 und 4 dargestellt sind, eingesetzt
werden. Durch Drehen der Exzenterwelle 25 werden die Innenwände 11 um die
drehbare Lagerung 21 voneinander weg bewegt. Dies führt
dazu, dass der Strömungsquerschnitt je nach Position der
inneren Wände 11 von der Eintrittsöffnung 7 zur
Austrittsöffnung 15 stärker oder weniger
stark abnimmt. Der Strömungsquerschnitt im Bereich der
Eintrittsöffnung 7 bleibt konstant.
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Durch
die Einstellbarkeit des Strömungsquerschnitts im ersten
Strömungskanal 3, wie er sich durch die Ausführungsformen,
die in den 2, 4 und 5.1 und 7.2 dargestellt
ist, realisieren lasst, kann ständig die optimale Temperatur
an den thermoelektrischen Modulen 19 erreicht werden. Bei
maximaler Strömungsgeschwindigkeit des im ersten Strömungskanal 3 strömenden
Mediums wird der Strömungsquerschnitt im ersten Strömungskanal 3 so
eingestellt, dass dieser ebenfalls maximal ist. Auf diese Weise
werden für diesen Auslegungspunkt des Wärmeübertragers 1 optimale
Temperaturen an den thermoelektrischen Modulen 19 erreicht.
Bei sinkender Strömungsgeschwindigkeit werden die Außenwände 13 bei
den in den 2 und 4 dargestellten
Ausführungsformen bzw. die inneren Wände 11 bei
den in den 5.1 und 7.2 dargestellten Ausführungsformen
derart verstellt, dass der Strömungsquerschnitt im ersten
Strömungskanal 3 abnimmt. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend
erhöht und es kann wiederum die für die thermoelektrischen
Module 19 optimale Wärmeübertragung erzielt
werden.
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Neben
der in den 5.1 und 7.2 dargestellten
Ausführungsform, bei der die inneren Wände 11 mit
Hilfe von Exzenterwellen 25 bewegt werden, ist auch jede
beliebige andere, dem Fachmann bekannte Verstellmöglichkeit
für die inneren Wände 11 geeignet. So
kann die Verstellung z. B. auch mit einem Schraubenmechanismus erfolgen. Weiterhin
ist es zum Beispiel auch möglich, einen mit einem Gas befüllten
Ballon mit einer dehnbaren Außenhaut einzusetzen, um die
inneren Wände zu verstellen. So dehnt sich durch Temperaturerhöhung das
Gas aus, wodurch das Volumen des Ballons zunimmt und die Wände 11 nach
außen verschoben werden, was zu einer Verkleinerung des
Strömungsquerschnittes im ersten Strömungskanal 3 führt.
Entsprechend führt eine Temperaturverringerung zu einer
Abnahme des Gasvolumens und damit zu einer Verkleinerung des Volumens
des Ballons. Die inneren Wände 11 werden wieder
aufeinander zu bewegt, der Strömungsquerschnitt im ersten
Strömungskanal 3 nimmt zu. Um die Bewegung der
Wände 11 in beide Richtungen zu gewährleisten,
kann der Ballon an den Wänden 11 befestigt sein.
Es ist aber zum Beispiel auch möglich, auch bei der Verwendung
des Ballons ein Rückstellfederelement 27 einzusetzen.
Bevorzugt wird bei Einsatz eines Ballons jedoch kein Rückstellfederelement 27 verwendet.
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Bei
den in den 5.1 und 6.2 dargestellten
Ausführungsformen kann der Strömungsquerschnitt
in Strömungsrichtung im ersten Strömungskanal 3 durch
unterschiedliche Drehung der Exzenterwellen 25 an den jeweiligen
Massenstrom und die jeweilige Temperatur des im ersten Strömungskanal 3 strömenden
Mediums angepasst werden. So lässt sich neben einer gleichmäßigen
Verringerung oder Vergrößerung des Strömungsquerschnittes über
die gesamte Länge des Wärmeübertragers 1 auch
eine größere oder kleinere Abnahme des Strömungsquerschnittes
in Strömungsrichtung realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0072142
A [0006]
- - WO 2004/059138 A [0006]