DE102013022190A1 - Device and method for direct conversion of thermal energy into electrical energy - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (1) gemäß 1 zur direkten Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, umfassend – eine Vorrichtung (2) zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, – ein Wärmerohr (3), – ein an einen elektrischen Anschluss (6) angeschlossenes thermoelektrisches Element (4) und – eine Wärmesenke (5), wobei – das Wärmerohr (3) mit seinem thermische Energie aufnehmenden Bereich (3.3) in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit der Vorrichtung (2) und mit seinem thermische Energie abgebenden Bereich (3.4) in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit der heißen Seite (4.1) des thermoelektrischen Elements (4) steht und wobei – die der heißen Seite (4.1) gegenüberliegende kalte Seite (4.2) des thermoelektrischen Elements (4) in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit der Wärmesenke (5) steht; sowie Verfahren zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie.Device (1) according to FIG. 1 for the direct conversion of thermal energy into electrical energy, comprising - a device (2) for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons, - a heat pipe (3), - a thermoelectric element (4) connected to an electrical connection (6) ) and - a heat sink (5), wherein - the heat pipe (3) with its thermal energy absorbing portion (3.3) in thermally conductive, electrically insulating contact with the device (2) and with its thermal energy emitting region (3.4) in heat conducting, electrically insulated contact with the hot side (4.1) of the thermoelectric element (4) and wherein - the hot side (4.1) opposite cold side (4.2) of the thermoelectric element (4) in thermally conductive, electrically insulating contact with the heat sink (5 ) stands; and methods for directly generating electrical energy from thermal energy.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Vorrichtung und ein neues Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie.The present invention relates to a new apparatus and method for directly converting thermal energy into electrical energy.
Stand der TechnikState of the art
Verfahren und Vorrichtungen zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie unter Nutzung eines Temperaturgradienten (Seebeck-Effekt) sowie geeignete Materialien für die Herstellung solcher Vorrichtungen sind z. B. aus dem amerikanischen Patent
Diese Vorrichtungen weisen so genannte Peltier-Elemente oder thermoelektrische Elemente (im Folgenden je nach dem das oder die, des, den oder der oder ein oder eines >>TEE<< genannt) auf. Grundsätzlich enthält ein TEE zwei verschiedene thermoelektrische Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten, die an einer Kontaktstelle oder in einem Kontaktbereich elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Eine erhöhte Temperatur im Kontaktbereich bewirkt aufgrund des thermoelektrischen Effekts eine elektrische Spannung (Thermospannung) zwischen den beiden thermoelektrischen Materialien. Bei geschlossenem Stromkreis fließt dann ein elektrischer Strom.These devices have so-called Peltier elements or thermoelectric elements (hereinafter referred to as the one or the, or the or one or a >> TEE << called) on. Basically, a TEE contains two different thermoelectric materials with different Seebeck coefficients, which are electrically conductively connected to one another at a contact point or in a contact region. Due to the thermoelectric effect, an increased temperature in the contact region causes an electrical voltage (thermal voltage) between the two thermoelectric materials. When the circuit is closed then flows an electric current.
Die bekannten Vorrichtungen zur direkten Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie umfassen daher im Allgemeinen mindestens ein TEE, das in seinem Kontaktbereich in thermischem Kontakt mit einer Quelle thermischer Energie (Wärmequelle) und mit der gegenüberliegenden Seite in thermischem Kontakt mit einer wärmeabsorbierenden Vorrichtung (Wärmesenke) steht, die die zufließende thermische Energie abtransportiert oder anderweitig nutzt.The known devices for directly converting thermal energy into electrical energy therefore generally comprise at least one TEE which is in thermal contact with a source of thermal energy (heat source) in its contact region and in thermal contact with a heat absorbing device (heat sink) with the opposite side which removes or otherwise uses the incoming thermal energy.
Diese Konfiguration ”Quelle thermischer Energie/TEE/wärmeabsorbierende Vorrichtung” gestattet wegen der hohen Anzahl von Wärmequellen einerseits und wärmeabsorbierenden Vorrichtungen andererseits eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere als autarke, von einem elektrischen Verteiler unabhängige Quellen elektrischer Energie.This "thermal energy / TEE / heat absorbing device configuration", on the other hand, allows a variety of applications because of the large number of heat sources on the one hand and heat absorbing devices, particularly as self-sufficient, electrical distribution-independent sources of electrical energy.
Dabei kommen als Quelle thermischer Energie so unterschiedliche Vorrichtungen wie
- – durch die Solarthermie erhitzte photovoltaische Zellen oder Solarzellen; im Allgemeinen weisen die betreffenden Vorrichtungen die Konfiguration
”Solarzelle/elektrisch isolierende, wärmeleitende Schicht/TEE/wärmeabsorbierende Vorrichtung”
auf (vgl. die amerikanischen Patentanmeldungen US 2011/0048488 A1 und US 2011/0048489 A1 oder die amerikanischen Patentschriften
US 7,875,795 B2 US 4,106,952 US 3,956,017 - – die Abwärme von Motorblöcken, Auspuffanlagen, Rauchrohren, Abgaskaminen, Öfen oder Behältern mit Materialien, die bei Phasenumwandlungen thermische Energie liefern (vgl. die deutsche Patentanmeldung
DE 199 46 806 A1 WO 99/36735 WO 01/80325 A1 US 6,232,545 B1 US 6,624,349 B1 US 6,527,548 B1 US 6,053,163 B1 - – Sonnenkollektoren, insbesondere Flachkollektoren (vgl. die amerikanische Patentanmeldung US2010/0300504 A1, die
europäische Patentanmeldung EP oder die deutschen2 239 187 A1 Patentanmeldung DE ,10 208 009 979 A1 DE 36 19 127 A1 DE 37 04 559 A1
- - photovoltaic cells or solar cells heated by solar thermal energy; in general, the subject devices have the configuration "solar cell / electrically insulating, heat-conducting layer / TEE / heat-absorbing device" (see US patent applications US 2011/0048488 A1 and US 2011/0048489 A1 or US patents
US 7,875,795 B2 US 4,106,952 US 3,956,017 - - The waste heat of engine blocks, exhaust systems, flue pipes, flue gas, furnaces or containers with materials that provide thermal energy during phase transformations (see the German patent application
DE 199 46 806 A1 WO 99/36735 WO 01/80325 A1 US 6,232,545 B1 US 6,624,349 B1 US 6,527,548 B1 US 6,053,163 B1 - - Solar panels, in particular flat-plate collectors (see the American patent application US2010 / 0300504 A1, the European
patent application EP or the German2 239 187 A1 patent application DE .10 208 009 979 A1 DE 36 19 127 A1 DE 37 04 559 A1
Insbesondere hat man versucht, Motorabgase in Auspuffanlagen effektiver für die Gewinnung von elektrischer Energie bei gleichzeitiger Nachreinigung der Motorabgase zu nutzen.In particular, attempts have been made to use engine exhaust gases in exhaust systems more effectively for the production of electrical energy while simultaneously cleaning the engine exhaust gases.
Zu diesem Zweck wird in dem amerikanischen Patent
Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2003/0223919 A1 ist ein vergleichbarer Aufbau zur Nachreinigung von Motorabgasen bei gleichzeitiger Gewinnung von elektrischer Energie bekannt. Dieser Aufbau umfasst einen katalytischen Konverter der in wärmeleitendem Kontakt mit der heißen Seite von TEE steht. Die kalten Seiten der TEE stehen in wärmeleitendem Kontakt mit Kühlkanälen. From US patent application US 2003/0223919 A1, a comparable structure for the post-purification of engine exhaust gases with simultaneous production of electrical energy is known. This design includes a catalytic converter in heat conducting contact with the hot side of TEE. The cold sides of the TEE are in heat-conducting contact with cooling channels.
In der deutschen Offenlegungsschrift
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
Des Weiteren hat man auch die flammenlose katalytische Oxidation von Kohlenwasserstoffen an Katalysatoren als Wärmequelle für TEE genutzt.Furthermore, the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons on catalysts has been used as a heat source for TEE.
So wird in der Diplomarbeit von
Aus der japanischen Patentanmeldung
Aus der japanischen Patentanmeldung
Aus der japanischen Patentanmeldung
Ein Verfahren zur katalytischen Entfernung von Spuren von Methan in der Luft bei 220 bis 400°C ist aus der chinesischen Patentanmeldung
Aus der chinesischen Patentanmeldung
Aus der chinesischen Patentanmeldung
Aus der taiwanesischen Patentanmeldung
Aus dem
Aus der internationalen Patentanmeldung
Aus der taiwanesischen Patentanmeldung
Aus der chinesischen Patentanmeldung
Die bekannten Vorrichtungen, die TEE und flammenlose, katalytische Brenner umfassen, weisen den Nachteil auf, dass sich die Temperatur und die Wärmeenergie nur über die Brennstoffzufuhr und die Zusammensetzung der Brenngase regeln lassen. Es besteht daher stets die Gefahr der Überhitzung der Vorrichtungen.The known devices, which include TEE and flameless catalytic burners, have the disadvantage that the temperature and the heat energy can be controlled only by the fuel supply and the composition of the fuel gases. There is therefore always the risk of overheating of the devices.
Diese bekannten Vorrichtungen zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie weisen außerdem den Nachteil auf, dass die Leitung der thermischen Energie von ihrer Quelle zu der ”heißen” Seite des TEEs und ihre Ableitung von der ”kalten” Seite des TEEs zur wärmeabsorbierenden Vorrichtung (Wärmesenke) vergleichsweise ineffektiv ist, was den Wirkungsgrad der bekannten Vorrichtungen schmälert.These known devices for directly converting thermal energy into electrical energy also have the disadvantage that the conduction of the thermal energy from its source to the "hot" side of the TEE and its discharge from the "cold" side of the TEE to the heat absorbing device ( Heat sink) is relatively ineffective, which reduces the efficiency of the known devices.
Die obere Grenze des Wirkungsgrades eines thermoelektrischen Elements, das Strom erzeugt ist, nämlich durch die Gleichung I gegeben:The upper limit of the efficiency of a thermoelectric element that generates electricity, namely given by the equation I:
Gleichung I Equation I
Der Carnot-Wirkungsgrad ηc ist durch die Gleichung II gegeben: Gleichung II The Carnot efficiency η c is given by Equation II: Equation II
Unter ”erzeugter elektrischer Energie” ist die Energie zu verstehen, die an eine Last, d. h. ein Gerät, worin die elektrische Energie abgeführt wird, abgegeben wird. "Generated electrical energy" is understood to mean the energy that is given off to a load, ie a device in which the electrical energy is dissipated.
”Z” bezeichnet die so genannte figure-of-merit, d. h. die Fähigkeit eines Materials, effizient thermoelektrische Energie zu erzeugen. Sie wird in Gleichung XII definiert."Z" denotes the so-called figure-of-merit, d. H. the ability of a material to efficiently generate thermoelectric energy. It is defined in Equation XII.
Der Wirkungsgrad wird ausserdem stark beeinträchtigt von dem thermischen Widerstand zwischen der heißen TEE-Elektrode und der Wärmequelle mit der Temperatur THH, und dem Widerstand zwischen der kalte TEE-Elektrode und der Wärmeableitung bei der Temperatur TCC. Bei gleichem thermischen Widerstand R1 wird der gesamte thermische Widerstand durch die Gleichung III angegeben, worin RTEE = thermischer Widerstand des TEEs.The efficiency is also severely affected by the thermal resistance between the hot TEE electrode and the heat source at the temperature T HH , and the resistance between the cold TEE electrode and the heat dissipation at the temperature T CC . For the same thermal resistance R 1 , the total thermal resistance is given by equation III, where R TEE = thermal resistance of the TEE.
Gleichung IIIEquation III
-
Rgesamt = 2R1 + RTEE;R total = 2R 1 + R TEE ;
Dadurch wird der Wärmestrom durch das TEE gemäß den Gleichungen IV und V reduziert vonThis reduces the heat flow through the TEE according to Equations IV and V of
Gleichung IVEquation IV
-
Q = (THH – TCC)/RTEE Q = (T HH - T CC ) / R TEE
Gleichung VEquation V
-
Q' = (THH – TCC)/(2R1 + RTEE).Q '= (T HH - T CC ) / (2R 1 + R TEE ).
Dadurch reduziert sich der Temparturabfall über das TEE gemäß den Gleichungen VI und VII vonThis reduces the temperature drop across the TEE according to equations VI and VII of
Gleichung VIEquation VI
-
ΔT = THH – TCC ΔT = T HH - T CC
Gleichung VIIEquation VII
- ΔT' = (THH – TCC)RTEE/(RTEE + 2R1).ΔT '= (T HH - T CC ) R TEE / (R TEE + 2R 1 ).
Der wichtigste Einflussfaktor auf den Wirkungsgrad des TEE ist gemäß Gleichung VIII der Carnot-Wirkungsgrad. Diese ändert sich deshalb von Gleichung II aufThe most important influencing factor on the efficiency of the TEE is according to equation VIII of the Carnot efficiency. This therefore changes from equation II
Gleichung VIII Equation VIII
So ist für 2R1 = 0.25RTEE der Carnot Wirkungsgrad um 21% reduziert und für 2R1 = 0.5RTEE sogar um 43%, bei TCC = 70°C, THH = 250°C.Thus for 2R 1 = 0.25R TEE the Carnot efficiency is reduced by 21% and for 2R 1 = 0.5R TEE even by 43%, at T CC = 70 ° C, T HH = 250 ° C.
Der thermische Widerstand R1 setzt sich gemäß Gleichung IX aus dem Übergangs- oder Kontaktwiderstand Rh1 zwischen dem TEE und dem thermischen Leiter an einem Ende, dem Übergangs- oder Kontaktwiderstand Rh2 zwischen dem Wärmeleiter und der Wärmequelle am anderen Ende sowie dem Wärmewiderstand RL des Wärmeleiters selbst zusammen.The thermal resistance R 1 is set according to equation IX from the transition or contact resistance R h1 between the TEE and the thermal conductor at one end, the transition or contact resistance R h2 between the heat conductor and the heat source at the other end and the thermal resistance R L the heat conductor himself together.
Gleichung IXEquation IX
-
R1 = Rh1 + Rh2 + RL.R 1 = R h1 + R h2 + R L.
Die einfachsten thermischen Leiter sind metallische Leiter mit großem Querschnitt AL, damit der Leitungswiderstand gemäß Gleichung X klein bleibt. In der Gleichung X steht kL für die Wärmeleitungszahl des metallischen Leiters und L für dessen Länge. The simplest thermal conductors are metal conductors with a large cross-section A L , so that the line resistance according to equation X remains small. In the equation X, k L stands for the thermal conductivity of the metallic conductor and L for its length.
Gleichung XEquation X
-
RL = L/kLAL.R L = L / k L A L.
Übliche, kostengünstige Materialien mit hohen kL-Werten sind Cu oder Al. Damit der Leitungswiderstand RL klein genug bleibt, sollte der Querschnitt AL gross sein.Common, inexpensive materials with high k L values are Cu or Al. So that the line resistance R L remains small enough, the cross section A L should be large.
Der thermische Kontaktwiderstand wird gemäß Gleichung XI vom engen Kontakt zwischen den Materialen der beiden Seiten des Kontakts bestimmt, wobei alle Einflüsse in dem thermischen Kontaktkoeffizienten hc zusammengefasst werden, und der Fläche A des Kontakts.The thermal contact resistance is determined according to Equation XI of the close contact between the materials of the two sides of the contact, wherein all the influences are summarized in the thermal contact coefficient h c , and the area A of the contact.
Gleichung XIEquation XI
-
Rh = 1/hcA.R h = 1 / h c A.
Der thermische Kontakt wird generell verbessert, d. h. hc wird größer, mit der Anzahl der Berührungspunkte zwischen den zwei Kontaktflächen. Dazu kann mit hohem Druck durch Zusammenpressen der Kontaktflächen der thermische Kontakt erhöht werden. Auch eine verringerte Oberflächenrauigkeit, die Reinigung der Kontaktflächen und eine Oberfläche hoher Güte und Planarität führen zu einer gewissen Verbesserung. Häufig wird eine thermisch gut leitende Paste auf der Basis von Polymeren, die metallhaltige Partikel enthalten, verwendet, um auch die verbleibenden ”Wärmeleitungslöcher” im Kontakt auf aufzufüllen.The thermal contact is generally improved, ie h c increases, with the number of points of contact between the two contact surfaces. For this purpose, the thermal contact can be increased with high pressure by compressing the contact surfaces. Also, a reduced surface roughness, the cleaning of the contact surfaces and a surface of high quality and planarity lead to a certain improvement. Often, a thermally highly conductive paste based on polymers containing metal-containing particles is used to also fill up the remaining "heat pipe" holes in contact.
Die Nachteile der Anwendung von Druck sind zahlreich.The disadvantages of using pressure are numerous.
So ist ein aufwändiger mechanischer Aufbau notwendig, um dauerhaft ausreichenden Druck zu erzielen. Im Fall des TEE besteht dann die gesamte Anordnung aus vergleichsweise schweren metallischen thermischen Kontakten und dem TEE selbst, das überwiegend aus keramischen Teilen aufgebaut ist. Beim Erhitzen der heißen Seite des TEE verstärken sich, bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der metallischen und keramischen Materialien, die mechanische Spannungen. Dies kann zum Bruch des TEE führen; auf jeden Fall führen die mechanischen Spannungen zur Materialermüdung. Ausserdem ändert sich der thermische Kontakt während der Erwärmung, weil sich der Druck ändert. Die Anwendung einer thermisch leitenden Paste kann dieses Problem nur teilweise beheben.Thus, a complex mechanical structure is necessary to achieve permanently sufficient pressure. In the case of the TEE then the entire arrangement consists of relatively heavy metallic thermal contacts and the TEE itself, which is mainly composed of ceramic parts. When heating the hot side of the TEE, the mechanical stresses increase due to the different thermal expansion coefficients of the metallic and ceramic materials. This can lead to breakage of the TEE; In any case, the mechanical stresses lead to material fatigue. In addition, the thermal contact changes during heating, because the pressure changes. Applying a thermally conductive paste can only partially solve this problem.
Der Kontaktwiderstand Rh wird auch erniedrigt, indem man das TEE und den Wärmeleiter direkt mittels einer Löt- oder Schweissverbindung miteinander verbindet. Durch die direkte metallische Verbindung ist der hc Wert sehr groß und damit ist Rh klein. Rh kann nicht durch Vergrößerung der Kontaktfläche verringert werden, weil diese durch die Dimensionen des TEE begrenzt wird. Darüber hinaus sind bei diesem Aufbau die Probleme, die aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten auftreten, noch größer. Ausserdem kann man das System nicht mehr ohne weiteres zerlegen, z. B. für eine Reparatur oder ein späteres Recycling.The contact resistance R h is also lowered by connecting the TEE and the heat conductor directly by means of a soldered or welded joint. Due to the direct metallic compound, the h c value is very large and thus R h is small. R h can not be reduced by increasing the contact area, because this is limited by the dimensions of the TEE. Moreover, in this structure, the problems that occur due to the different expansion coefficients are even greater. In addition, you can not dismantle the system easily, z. B. for a repair or a later recycling.
In der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0300504 A1 wird ein Flachkollektor vorgeschlagen, der eine der Sonne zugewandten vorderen Teil mit einem Sonnenkollektor, d. h. einem Absorber von Solarenergie, einen mittleren Teil mit TEE und einen rückwärtigen Teil mit Kühlelementen aufweist. Der Sonnenkollektor kann aus so unterschiedlichen Materialien wie Metall, Zement, Beton, Ziegeln, Porzellan, Keramik oder Kunststoff bestehen. Außerdem kann der Sonnenkollektor noch mit einem transparenten Material bedeckt sein, um den Treibhauseffekt zu nutzen. Um die Leitung der thermischen Energie zu und von den einzelnen Teilen zu verbessern, werden sie unter Druck durch Befestigungselemente zusammengefügt.In the US patent application US 2010/0300504 A1 a flat collector is proposed, which has a solar facing front part with a solar collector, d. H. an absorber of solar energy, a middle part with TEE and a rear part with cooling elements. The solar collector can consist of materials as different as metal, cement, concrete, bricks, porcelain, ceramics or plastic. In addition, the solar panel can still be covered with a transparent material to use the greenhouse effect. To improve the conduction of the thermal energy to and from the individual parts, they are joined under pressure by fasteners.
Bekanntermaßen treten aber bei solchen Sonnenkollektoren Temperaturunterschiede zwischen der Vorderseite und der rückwärtigen Seite von bis zu 400°C auf. Da bei den aus
Um die Nachteile, die mit der Anwendung von Druck verbunden sind, zu beheben, wird in dem amerikanischen Patent
Man hat versucht, diese Nachteile durch die Verwendung von Wärmerohren zu beheben.Attempts have been made to overcome these disadvantages by using heat pipes.
Ein Wärmerohr (heatpipe) ist ein gasdicht verschlossenes Bauteil, mit dem thermische Energie oder Wärme sehr effizient von einem Ort zu einem anderen transportiert werden kann. Es kann eine 100- bis 1000-mal höhere Wärmeenergie transportieren als ein Bauteil gleicher geometrischer Abmessungen aus massivem Kupfer. Das Wärmerohr nutzt den physikalischen Effekt, dass beim Verdampfern und Kondensieren einer Flüssigkeit sehr hohe Energiemengen umgesetzt werden. Das Wärmerohr ist innen hohl und mit einer kleinen Menge Flüssigkeit, der ”arbeitenden” Flüssigkeit, gefüllt. Diese steht unter ihrem Dampfdruck, der bei niedrigen Temperaturen deutlich unter dem atmosphärischen Druck liegen kann. Die Innenwand des Wärmerohres kann mit einer Kapillarstruktur – vergleichbar mit einem Docht – bedeckt sein. Diese Kapillarstruktur ist mit einem flüssigen Wärmetransportmittel, der ”arbeitenden” Flüssigkeit, gesättigt.A heat pipe is a gas-tight component that can be used to transport thermal energy or heat very efficiently from one place to another. It can transport 100 to 1000 times higher thermal energy than a component of the same geometric dimensions made of solid copper. The heat pipe uses the physical effect that very large amounts of energy are converted when evaporating and condensing a liquid. The heat pipe is hollow inside and filled with a small amount of liquid, the "working" liquid. This is under its vapor pressure, which can be well below the atmospheric pressure at low temperatures. The inner wall of the heat pipe can be covered with a capillary structure - comparable to a wick. This capillary structure is saturated with a liquid heat transport medium, the "working" liquid.
Wird an einer Stelle des Wärmerohres Energie zugeführt, verdampft dort die ”arbeitende” Flüssigkeit aus der Kapillarstruktur. Der Dampf strömt in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert überall dort unter Abgabe der Verdampfungswärme, wo Energie abgeführt wird. Das Kondensat, das verflüssigte Wärmetransportmittel, wird von der Kapillarstruktur aufgesaugt, fließt zurück, um erneut zu verdampfen. Es schließt sich ein Kreislauf, der schnell zirkulierend sehr effektiv thermische Energie transportiert.If energy is supplied at one point of the heat pipe, the "working" liquid from the capillary structure evaporates there. The steam flows in the direction of the temperature gradient and condenses everywhere, releasing the heat of vaporization, where energy is dissipated. The condensate, the liquefied heat transfer medium, is absorbed by the capillary structure, flows back to re-evaporate. It closes a cycle, which circulates quickly and very effectively transports thermal energy.
Die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungs- und Kondensationszone im Wärmerohr ist sehr gering, so dass die Wärmeleitung nahezu isotherm erfolgt.The temperature difference between the evaporation and condensation zone in the heat pipe is very low, so that the heat conduction is almost isothermal.
Je nachdem, in welchem Temperaturbereich gearbeitet wird, werden unterschiedliche ”arbeitende” Flüssigkeiten verwendet, wie zum Beispiel Wasser im Temperaturbereich von etwa 170 bis 600 K, Ammoniak im Temperaturbereich von etwa 150 bis 170 K, Quecksilber im Temperaturbereich von 400 bis 800 K oder Lithium oder Silber in einem Temperaturbereich oberhalb 1000 K.Depending on which temperature range is used, different "working" liquids are used, such as water in the temperature range of about 170 to 600 K, ammonia in the temperature range of about 150 to 170 K, mercury in the temperature range of 400 to 800 K or lithium or silver in a temperature range above 1000 K.
Wärmerohre können beispielsweise in Peltierelement/Heat pipe-Kühlsystemen verwendet werden.Heat pipes can be used for example in Peltierelement / Heat pipe cooling systems.
Außerdem sind Vorrichtungen mit TEE bekannt, bei denen die Wärmeenergie mithilfe von Wärmerohren zur heißen Seite der TEE und/oder von der kalten Seite der TEE zu einer Wärmesenke geleitet wird (vgl. die deutschen Patentanmeldungen
Aufgabe der vorliegenden ErfindungObject of the present invention
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, eine neue Vorrichtung und ein neues Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie vorzuschlagen. Die neue Vorrichtung und das neue Verfahren sollen die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr länger aufweisen, sondern sie sollen einen besonders effizienten Transport der thermischen Energie von der Energiequelle zu einem thermoelektrischen Element (TEE) sowie die effiziente Ableitung der zugeführten thermischen Energie von dem TEE zu einer wärmeabsorbierenden Vorrichtung gestatten. Dabei soll die Auswahl der zum Aufbau der neuen Vorrichtung verwendeten Materialien im Hinblick auf ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten weniger oder keinen Einschränkungen unterliegen. Dennoch sollen in der neuen Vorrichtung und bei dem neuen Verfahren keine oder nur vernachlässigbar geringe, durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene thermische Spannungen auftreten. Insgesamt sollen die neue Vorrichtung und das neue Verfahren einen höheren Wirkungsgrad als die Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik aufweisen. Darüber hinaus sollen die neue Vorrichtung und das neue Verfahren die Gefahr der Überhitzung der Vorrichtungen bei ihrem Betrieb signifikant verringern, wenn nicht gar völlig auszuschließen. Nicht zuletzt sollen die neuen Vorrichtungen kompakt, robust und transportabel sein sowie eine lange Betriebsdauer aufweisen.The present invention was based on the object to propose a new device and a new method for the direct conversion of thermal energy into electrical energy. The new device and the new method are no longer to have the disadvantages of the prior art, but they are a particularly efficient transport of thermal energy from the power source to a thermoelectric element (TEE) and the efficient dissipation of the supplied thermal energy from the TEE to a heat absorbing device. The selection of the materials used to construct the new device should be subject to less or no restrictions with regard to their thermal expansion coefficients. Nevertheless, in the new device and in the new method no or only negligible, caused by different thermal expansion coefficients thermal stresses occur. Overall, the new device and the new method should have a higher efficiency than the devices and methods of the prior art. In addition, the new device and method should significantly reduce, if not eliminate, the risk of device overheating during operation. Not least, the new devices should be compact, robust and portable and have a long service life.
Die erfindungsgemäße Lösung The solution according to the invention
Demgemäß wurde die neue Vorrichtung (
- – als Wärmequelle mindestens eine Vorrichtung (
2 ) zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit mindestens einem Reaktionsraum (2.1 ), mindestens einer Einlassvorrichtung (2.2 ) für ein Gas oder ein Gasgemisch (2.3 ), mindestens einer Auslassvorrichtung (2.4 ) für die Abgase (2.5 ) und eine Wandung (2.6 ), - – als Überträger thermischer Energie mindestens ein Wärmerohr (
3 ) mit einem Verbindungsbereich (3.1 ), einer fluiddichten Wand (3.2 ), einem thermische Energie aufnehmenden Bereich (3.3 ) und einem thermische Energie abgebenden Bereich (3.4 ), - – mindestens ein thermoelektrisches Element (
4 ) mit elektrischen Anschlüssen (6 ) und - – mindestens eine Wärmesenke (
5 ), wobei - – das mindestens eine Wärmerohr (
3 ) mit seinem thermische Energie aufnehmenden Bereich (3.3 ) in wärmeleitendem Kontakt mit der mindestens einen Vorrichtung (2 ) und mit seinem thermische Energie abgebenden Bereich (3.4 ) in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit der heißen Seite (4.1 ) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4 ) steht und wobei - – die der heißen Seite (
4.1 ) gegenüber liegende, kalte Seite (4.2 ) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4 ) in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit der mindestens einen Wärmesenke (5 ) steht.
- As a heat source, at least one device (
2 ) for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons having at least one reaction space (2.1 ), at least one inlet device (2.2 ) for a gas or a gas mixture (2.3 ), at least one outlet device (2.4 ) for the exhaust gases (2.5 ) and a wall (2.6 ) - - as a transmitter of thermal energy at least one heat pipe (
3 ) with a connection area (3.1 ), a fluid-tight wall (3.2 ), a thermal energy absorbing area (3.3 ) and a thermal energy emitting area (3.4 ) - At least one thermoelectric element (
4 ) with electrical connections (6 ) and - - at least one heat sink (
5 ), in which - - the at least one heat pipe (
3 ) with its thermal energy absorbing area (3.3 ) in heat-conducting contact with the at least one device (2 ) and with its thermal energy emitting area (3.4 ) in heat-conducting, electrically insulating contact with the hot side (4.1 ) of the at least one thermoelectric element (4 ) and where - - the hot side (
4.1 ) opposite, cold side (4.2 ) of the at least one thermoelectric element (4 ) in heat-conducting, electrically insulating contact with the at least one heat sink (5 ) stands.
Im Folgenden wird die neue Vorrichtung zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie als >>erfindungsgemäße Vorrichtung<< bezeichnet.In the following, the new device for direct conversion of thermal energy into electrical energy is referred to as "device according to the invention".
Außerdem wurde das neue Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie gefunden, bei dem die von mindestens einer Wärmequelle (
In Folgenden wird das neue Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie als ”erfindungsgemäßes Verfahren” bezeichnet.In the following, the new method for the direct conversion of thermal energy into electrical energy is referred to as "inventive method".
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Im Hinblick auf den Stand der Technik war es überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar, dass die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zu Grunde lag, mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst werden konnte.In view of the prior art, it was surprising and unforeseeable for the skilled person that the object underlying the present invention could be achieved by means of the device according to the invention and the method according to the invention.
Insbesondere war es überraschend, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr länger aufwiesen, sondern einen besonders effizienten Transport der thermischen Energie von der Wärmequelle zu einem thermoelektrischen Element (TEE) sowie die effiziente Ableitung der restlichen zugeführten thermischen Energie von dem TEE zu einer wärmeabsorbierenden oder Wärme ableitenden Vorrichtung (Wärmesenke) gestatteten. Dabei war die Auswahl der zum Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Materialien im Hinblick auf ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten weniger oder keinen Einschränkungen unterworfen. Dennoch traten in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine oder nur vernachlässigbar geringe, durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene mechanische Spannungen auf.In particular, it was surprising that the device according to the invention and the method according to the invention no longer had the disadvantages of the prior art, but a particularly efficient transport of the thermal energy from the heat source to a thermoelectric element (TEE) and the efficient dissipation of the remaining supplied thermal Allowed energy from the TEE to a heat absorbing or heat dissipating device (heat sink). The selection of the materials used to construct the device according to the invention was subject to less or no restrictions with regard to their thermal expansion coefficients. Nevertheless, in the device according to the invention and in the method according to the invention no or only negligibly small, caused by different thermal expansion coefficients mechanical stresses.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung entfielen auch die Probleme der thermischen Kontaktierung zwischen der Quelle der thermischen Energie und der heißen Oberfläche des TEE sowie zwischen der kalten Oberfläche des TEE und der Wärmesenke. So war bei Vorrichtungen des Standes der Technik ein effektiver thermischer Kontakt nur durch mechanischen Druck gewährleistet. Dadurch bestand aber die Gefahr, dass die bekannten Vorrichtungen bereits beim Zusammenbau oder im Laufe ihrer Verwendung mechanisch geschädigt wurden. Außerdem mussten an die Güte und Planarität der betreffenden Kontaktflächen hohe Anforderungen gestellt werden, weil ansonsten insbesondere der Temperaturabfall zwischen der Quelle der thermischen Energie und der heißen Seite des TEE zu hoch wurde und dadurch der Wirkungsgrad der Stromerzeugung erniedrigt wurde.The device of the invention also eliminates the problems of thermal contact between the source of thermal energy and the hot surface of the TEE and between the cold surface of the TEE and the heat sink. Thus, in prior art devices, effective thermal contact was ensured only by mechanical pressure. As a result, there was the danger that the known devices were already mechanically damaged during assembly or in the course of their use. In addition, high demands had to be placed on the quality and planarity of the contact surfaces in question, because otherwise, in particular, the temperature drop between the source of the thermal Energy and the hot side of the TEE was too high and thus the efficiency of power generation was lowered.
Insgesamt wiesen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren einen höheren Wirkungsgrad als die Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik auf.Overall, the device according to the invention and the method according to the invention have a higher efficiency than the devices and methods of the prior art.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wies darüber hinaus den wesentlichen Vorteil auf, dass ihre Bauteile in den unterschiedlichsten räumlichen Anordnungen miteinander kombiniert werden konnten. Dadurch konnte die erfindungsgemäße Vorrichtung den unterschiedlichsten räumlichen und/oder thermischen Gegebenheiten in besonders flexibler Weise angepasst werden. Insbesondere konnte das TEE als elektrisches Bauteil getrennt von Wärme ableitenden Vorrichtungen, die Wasser oder brennbare Flüssigkeiten enthalten, angeordnet werden, was die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren besonders sicher machte.The device according to the invention also had the significant advantage that their components could be combined with each other in a wide variety of spatial arrangements. As a result, the device according to the invention could be adapted to a wide variety of spatial and / or thermal conditions in a particularly flexible manner. In particular, the TEE could be arranged as an electrical component separate from heat dissipating devices containing water or flammable liquids, which made the inventive device and the inventive method particularly safe.
Darüber hinaus gestatteten es die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren, die thermische Energie auf wenige TEE zu konzentrieren, so dass gewährleistet war, dass die Temperatur der heißen Seite der TEE stets im oder nahe dem optimalen Bereich lag und damit der Wirkungsgrad der Stromerzeugung hoch blieb.In addition, the apparatus and method of the invention allowed the thermal energy to be concentrated to a few TEEs, thus ensuring that the temperature of the hot side of the TEE was always within or near the optimum range and thus the efficiency of power generation remained high ,
Nicht zuletzt war bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Gefahr der Überhitzung bei ihrem Betrieb signifikant verringert, wenn nicht gar völlig ausgeschlossen.Not least, in the device according to the invention and in the method according to the invention, the risk of overheating during operation was significantly reduced, if not completely excluded.
Ferner waren die erfindungsgemäßen Vorrichtungen kompakt, robust und transportabel und wiesen eine besonders lange Betriebsdauer auf.Furthermore, the devices according to the invention were compact, robust and transportable and had a particularly long service life.
Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie mithilfe des Seebeck-Effekts in thermoelektrischen Elementen (TEE).The device according to the invention serves for the direct conversion of thermal energy into electrical energy by means of the Seebeck effect in thermoelectric elements (TEE).
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient mindestens eine, insbesondere eine, Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen als Wärmequelle.In the apparatus according to the invention, at least one, in particular one, apparatus for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons serves as the heat source.
Die Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen umfasst mindestens einen, insbesondere einen Reaktionsraum, der von einer gasdichten Wandung umschlossen ist. Die Reaktionsgase werden über mindestens eine Einlassvorrichtung in den Reaktionsraum geleitet, wo sie miteinander zu den Abgasen reagieren, die über mindestens eine, insbesondere eine, Auslassvorrichtung aus der Vorrichtung abgeführt werden.The apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons comprises at least one, in particular a reaction space, which is enclosed by a gas-tight wall. The reaction gases are conducted via at least one inlet device into the reaction space, where they react with each other to the exhaust gases, which are discharged via at least one, in particular an outlet device from the device.
Unter Oxidation ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Reaktion eines Reduktionsmittels mit Sauerstoff zu verstehen. Hierzu kann reiner Sauerstoff, mit Stickstoff und/oder Edelgasen verdünnter Sauerstoff oder Luft verwendet werden. Vorzugsweise wird Luft als Sauerstoffquelle verwendet. Vorzugsweise wird die Oxidation bei Atmosphärendruck durchgeführt.For the purposes of the present invention, oxidation is to be understood as meaning the reaction of a reducing agent with oxygen. For this pure oxygen, with nitrogen and / or noble gases diluted oxygen or air can be used. Preferably, air is used as the source of oxygen. Preferably, the oxidation is carried out at atmospheric pressure.
Als Reduktionsmittel oder Brennstoffe dienen Kohlenwasserstoffe, bevorzugt Methan, Ethan, Propan, Butan, Isobutan, Pentan und seine Isomeren, Hexan und seine Isomeren, Cyclopentan und Cyclohexan, insbesondere aber Methan. Bevorzugt wird als Methanquelle Erdgas verwendet.The reducing agents or fuels are hydrocarbons, preferably methane, ethane, propane, butane, isobutane, pentane and its isomers, hexane and its isomers, cyclopentane and cyclohexane, but especially methane. Preferably, natural gas is used as the source of methane.
Bekanntermaßen läuft die Oxidation oder Verbrennung von Methan nach der folgenden Gleichung ab:
Da Methan in der Atmosphäre einen besonders starken Treibhauseffekt bewirkt, soll seine Verbrennung möglichst vollständig ablaufen. Ohne Katalysator ist dies nur in einer Flamme bei sehr hohen Temperaturen möglich. Bei diesen Temperaturen entstehen aber verstärkt toxische Stickoxide (NOx) und Kohlenmonoxid. Außerdem können bei den notwendigen hohen Temperaturen die bekannten Vorrichtungen zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie beschädigt werden, insbesondere weil die Temperatur und damit der Fluss der thermischen Energie schwierig zu kontrollieren sind.Since methane causes a particularly strong greenhouse effect in the atmosphere, its combustion should be as complete as possible. Without a catalyst this is only possible in a flame at very high temperatures. At these temperatures, however, increasingly toxic nitrogen oxides (NO x ) and carbon monoxide are formed. In addition, at the necessary high temperatures, the known devices for the direct conversion of thermal energy into electrical energy can be damaged, in particular because the temperature and thus the flow of thermal energy are difficult to control.
Eine vollständige flammenlose Oxidation des Methans zu Kohlendioxid und Wasser ohne Bildung toxischer Produkte ist bei signifikant niedrigeren Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen von 50 bis 400°C, mithilfe von Katalysatoren möglich. Complete flameless oxidation of methane to carbon dioxide and water without formation of toxic products is possible at significantly lower temperatures, especially at temperatures of 50 to 400 ° C, with the aid of catalysts.
Vorzugsweise werden als Katalysatoren Nanopartikel verwendet.Preferably, nanoparticles are used as catalysts.
Vorzugsweise weisen die katalytisch wirksamen Nanopartikel eine mittlere Teilchengröße von 2 bis 50 nm, bevorzugt 3 bis 40 nm, besonders bevorzugt 4 bis 30 nm und insbesondere 5 bis 25 nm auf.The catalytically active nanoparticles preferably have an average particle size of 2 to 50 nm, preferably 3 to 40 nm, particularly preferably 4 to 30 nm and in particular 5 to 25 nm.
Die katalytisch wirksamen Nanopartikel enthalten mindestens ein Oxid, das aus der Gruppe, bestehend aus Scandiumoxid, Yttriumoxid, Titandioxid, Zircondioxid, Hafniumdioxid, Vanadiumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Manganoxid, Eisenoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Zinkoxid, Oxiden der Lanthanide, bevorzugt Lanthanoxid und Ceroxid, insbesondere Ceroxid, Oxiden der Actinide, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Strontiumoxid, Bariumoxid, Aluminiumoxid, Galliumoxid, Indiumoxid, Siliziumdioxid, Germaniumoxid, Zinnoxid, Antimonoxid, Bismutoxid, Zeolithen, Spinellen, Mischoxiden aus mindestens zwei der genannten Oxide, sowie Hydroxylapatit ausgewählt ist. Insbesondere werden Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Zirconiumdioxid, Zeolithe und/oder Ceroxid verwendet.The catalytically active nanoparticles contain at least one oxide selected from the group consisting of scandium oxide, yttrium oxide, titanium dioxide, zirconium dioxide, hafnium dioxide, vanadium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, manganese oxide, iron oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, zinc oxide, oxides of lanthanides, preferably lanthanum oxide and ceria, especially ceria, oxides of actinides, magnesia, calcia, strontia, baria, alumina, gallia, indium, silica, germania, tin oxide, antimony oxide, bismuth oxide, zeolites, spinels, mixed oxides of at least two of said oxides, and hydroxyapatite , In particular, alumina, silica, zirconia, zeolites and / or ceria are used.
Die Oxide und Hydroxylapatit können weitere Bestandteile wie Halogenide, Nitride, Phosphide und/oder Sulfide enthalten.The oxides and hydroxyapatite may contain other ingredients such as halides, nitrides, phosphides and / or sulfides.
Die katalytisch wirksamen Nanopartikel enthalten außerdem mindestens ein Metall, das aus der Gruppe, bestehend aus Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybän, Wolfram, Mangan, Rhenium, Eisen, Ruthenium, Osmium, Kobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber und Gold, ausgewählt ist. Bevorzugt werden Palladium und Platin, insbesondere Palladium verwendet.The catalytically active nanoparticles also contain at least one metal selected from the group consisting of vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, rhenium, iron, ruthenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium, platinum , Copper, silver and gold, is selected. Preference is given to using palladium and platinum, in particular palladium.
Vorzugsweise enthalten die katalytisch wirksamen Nanopartikel einen metallischen Kern, der von einer Oxidhülle umgeben ist. Bevorzugt ist die Oxidhülle aus Oxid-Nanopartikeln aufgebaut. Vorzugsweise werden Titandioxid, Zircondioxid und Ceroxid, insbesondere Ceroxid, verwendet.Preferably, the catalytically active nanoparticles contain a metallic core which is surrounded by an oxide shell. The oxide shell is preferably constructed of oxide nanoparticles. Preferably, titanium dioxide, zirconium dioxide and cerium oxide, in particular cerium oxide, are used.
Ganz besonders bevorzugt werden die in dem
Die katalytisch wirksamen Nanopartikel sind Bestandteil einer Katalysatorschicht, die eine Trägerschicht umfasst, die die Nanopartikel trägt.The catalytically active nanoparticles are part of a catalyst layer which comprises a carrier layer which carries the nanoparticles.
Die Trägerschicht kann aus den unterschiedlichsten Materialien aufgebaut sein, solange diese nicht die katalytische Wirksamkeit der Nanopartikel negativ beeinflusst. Außerdem soll die Trägerschicht die katalytisch wirksamen Nanopartikel auch bei höheren Temperaturen so fest an sich binden, dass sie nicht durch die Reaktionsgase, die durch den Reaktionsraum strömen, abgelöst werden.The carrier layer can be constructed from a wide variety of materials as long as it does not adversely affect the catalytic activity of the nanoparticles. In addition, the support layer should bind the catalytically active nanoparticles so strongly even at higher temperatures that they are not replaced by the reaction gases flowing through the reaction space.
Vorzugsweise ist die Trägerschicht aus den vorstehend beschriebenen Oxiden oder Hydroxylapatit aufgebaut. Insbesondere werden Aluminiumoxid und/oder Siliziumdioxid verwendet.Preferably, the carrier layer is composed of the above-described oxides or hydroxyapatite. In particular, alumina and / or silica are used.
Vorzugsweise ist die Oberfläche der Trägerschicht hydrophob. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die an der Oberfläche der Oxide oder des Hydroxylapatits befindlichen Hydroxylgruppen mit einem Silylierungsreagenz umgesetzt werden. Bevorzugt werden die Silylierungsreagenzien aus der Gruppe, bestehend aus Dialkoxy(dialkyl)-, Dialkoxy(dicycloalkyl)- und Dialkoxy(alkylcycloalkyl)silanen und Trialkoxy(alkyl)- und Trialkoxy(cycloalkyl)silanen ausgewählt.Preferably, the surface of the carrier layer is hydrophobic. This can be accomplished by reacting the hydroxyl groups on the surface of the oxides or hydroxyapatite with a silylating reagent. Preferably, the silylating reagents are selected from the group consisting of dialkoxy (dialkyl), dialkoxy (dicycloalkyl) and dialkoxy (alkylcycloalkyl) silanes, and trialkoxy (alkyl) and trialkoxy (cycloalkyl) silanes.
Beispiele gut geeigneter Dialkoxy(dialkyl)-, Dialkoxy(dicycloalkyl)- und Dialkoxy(alkylcycloalkyl)silane sind Dimethoxy-, Diethoxy-, Dipropoxy-, Diisopropoxy-, Di-n-butoxy- und Diisobutoxy(dialkyl)-, -(dicyloalkyl)- und -(alkylcycloalkyl)silane, worin die Alkyl- und Cycloalkylreste aus der Gruppe, bestehend aus Resten mit 5 bis 20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise n-Pent-1-yl-, Isopent-1-yl-, n-Hex-1-yl-, Isohex-1-yl-, 2-Ethylhex-1-yl-, Cyclohexyl-, 1-, 2-, 3- und 4-Methyl-, Ethyl-, Prop-1-yl-, Isopropyl-, n-But-1-yl-, sec.-But-1-yl- und tert.-Butyl-cyclohex-1-yl-, n-Hept-1-yl-, n-Oct-1-yl-, Isoct-1-yl-, n-Non-1-yl-, n-Dec-1-yl-, Undec-1-yl-, Dodec-1-yl-, Tridec-1-yl-, Tetradec-1-yl-, Pentadec-1-yl-, Hexadec-1-yl-, Heptadec-1-yl-, Octadec-1-yl-, Nonadec-1-yl- und Eicosan-1-yl-Reste, ausgewählt sind.Examples of suitable dialkoxy (dialkyl), dialkoxy (dicycloalkyl) and dialkoxy (alkylcycloalkyl) silanes are dimethoxy, diethoxy, dipropoxy, diisopropoxy, di-n-butoxy and diisobutoxy (dialkyl) -, - (dicyloalkyl) and (alkylcycloalkyl) silanes in which the alkyl and cycloalkyl radicals are selected from the group consisting of radicals having from 5 to 20 carbon atoms, preferably n-pent-1-yl, isopent-1-yl, n-hex-1 yl, isohex-1-yl, 2-ethylhex-1-yl, cyclohexyl, 1-, 2-, 3- and 4-methyl, ethyl, prop-1-yl, isopropyl, n Butyl-1-yl, sec-but-1-yl and tert-butyl-cyclohex-1-yl, n-hept-1-yl, n-oct-1-yl, isoct- 1-yl, n-non-1-yl, n-dec-1-yl, undec-1-yl, dodec-1-yl, Tridec-1-yl, tetradec-1-yl, pentadec-1-yl, hexadec-1-yl, heptadec-1-yl, octadec-1-yl, nonadec-1-yl and eicosan 1-yl radicals are selected.
Gut geeignete Trialkoxy(alkyl)- und Trialkoxy(cycloalkyl)silane enthalten Alkoxyreste, die aus der Gruppe, bestehend aus Methoxy-, Ethoxy-, Propoxy-, Isopropoxy- und n-Butoxy-Resten, ausgewählt sind. Vorzugsweise werden Ethoxyreste verwendet. Die gut geeigneten Trialkoxy(alkyl)- und Trialkoxy(cycloalkyl)silane enthalten außerdem einen der vorstehend beschriebenen Alkyl- und Cycloalkylreste. Vorzugsweise wird der n-Oct-1-yl Rest verwendet.Highly suitable trialkoxy (alkyl) and trialkoxy (cycloalkyl) silanes contain alkoxy radicals selected from the group consisting of methoxy, ethoxy, propoxy, isopropoxy and n-butoxy radicals. Preferably, ethoxy radicals are used. The well-suited trialkoxy (alkyl) and trialkoxy (cycloalkyl) silanes also contain one of the above-described alkyl and cycloalkyl radicals. Preferably, the n-oct-1-yl radical is used.
Bevorzugt werden Trialkoxy(alkyl)silane und insbesondere Triethoxy(n-oct-1-yl)silan (TEOOS)) als Silylierungsreagenzien verwendet.Trialkoxy (alkyl) silanes and in particular triethoxy (n-oct-1-yl) silane (TEOOS)) are preferably used as silylating reagents.
Die Trägerschicht befindet sich auf einem gasdurchlässigen Katalysatorträger.The carrier layer is located on a gas-permeable catalyst support.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem gasdurchlässigen Katalysatorträger um Platten, die aus den unterschiedlichsten Materialien aufgebaut sein können. Kriterien für die Auswahl der Materialien sind Hitzebeständigkeit, mechanische Stabilität und Nichtbrennbarkeit. Insbesondere werden Platten aus Eisen, insbesondere Edelstahl, und Eisenlegierungen, insbesondere Legierungen des Eisens mit Chrom und/oder Aluminium, die noch Lanthanide, insbesondere Cer, enthalten können, verwendet.Preferably, the gas-permeable catalyst support is plates which can be constructed from a wide variety of materials. Criteria for the selection of materials are heat resistance, mechanical stability and non-combustibility. In particular, plates of iron, in particular stainless steel, and iron alloys, in particular alloys of iron with chromium and / or aluminum, which may also contain lanthanides, in particular cerium, are used.
Die Platten können die unterschiedlichsten Umrisse aufweisen. Die Umrisse richten sich vor allem nach dem jeweiligen Umriss des Reaktionsraums. Demnach kann der Umriss dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig und achteckig, gegebenenfalls mit abgerundeten Ecken und/oder Seiten, sowie kreisförmig oder elliptisch sein.The plates can have a wide variety of outlines. The outlines depend primarily on the respective outline of the reaction space. Thus, the outline may be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal and octagonal, optionally with rounded corners and / or sides, as well as circular or elliptical.
Die Platten können unterschiedliche Stärken aufweisen. Vorzugsweise liegen die Stärken im Bereich von 0,5 bis 5 mm, bevorzugt 0,8 bis 4,5 mm und insbesondere 1 bis 3 mm.The plates can have different thicknesses. Preferably, the thicknesses are in the range of 0.5 to 5 mm, preferably 0.8 to 4.5 mm and in particular 1 to 3 mm.
Die Platten können außerdem unterschiedliche Durchmesser haben. Unter Durchmesser ist bei Platten, die keinen quadratischen oder kreisförmigen Umriss haben, der jeweils längste Durchmesser zu verstehen. Vorzugsweise liegt der Durchmesser im Bereich von 1 bis 20 cm, bevorzugt 2 bis 15 cm und insbesondere 5 bis 10 cm.The plates can also have different diameters. In the case of plates which do not have a square or circular outline, diameter means the longest diameter in each case. Preferably, the diameter is in the range of 1 to 20 cm, preferably 2 to 15 cm and in particular 5 to 10 cm.
Die Gasdurchlässigkeit wird von Durchbrüchen durch die Platten gewährleistet. Die Anzahl, Größe und Form der Durchbrüche können innerhalb weiter Grenzen variieren. Wesentlich ist, dass Anzahlung und Größe nicht die mechanische Stabilität der Platten verringern. Demnach können die Durchbrüche beispielsweise dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig, kreisförmig, elliptisch, geradlinig oder gebogen schlitzförmig, zickzagförmig oder mäanderförmig sein oder die in der japanischen Patentanmeldung
Die Platten können konzentrisch um das Wärmerohr der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sein. Dabei kann die Kante der Platte einen gewissen Abstand zur Wandung des Wärmerohrs haben oder direkt hiermit verbunden sein.The plates may be arranged concentrically around the heat pipe of the device according to the invention. In this case, the edge of the plate may have a certain distance from the wall of the heat pipe or be directly connected thereto.
Die katalytisch wirksamen Nanopartikel können auch Bestandteil meso- und/oder makroporöser Partikel sein, die im Reaktionsraum ein Wirbelschichtbett bilden.The catalytically active nanoparticles can also be constituents of meso and / or macroporous particles which form a fluidized bed in the reaction space.
Vorzugsweise sind die meso- und/oder makroporösen Partikel aus den vorstehend beschriebenen Oxiden, insbesondere Aluminiumoxid und/oder Siliziumdioxid, und/oder Hydroxylapatit aufgebaut. Bevorzugt ist ihre Oberfläche in der vorstehend beschriebenen Weise hydrophobiert.The meso and / or macroporous particles are preferably composed of the above-described oxides, in particular aluminum oxide and / or silicon dioxide, and / or hydroxyapatite. Preferably, their surface is rendered hydrophobic in the manner described above.
Der Durchmesser der meso- und/oder makroporösen Partikel kann breit variieren und den Erfordernissen der jeweiligen erfindungsgemäßen Vorrichtung und des jeweiligen erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst werden. Bei meso- und/oder makroporösen Partikeln, die keine Kugelform aufweisen, ist unter dem Durchmesser der längste Durchmesser zu verstehen. Wesentlich ist, dass die meso- und/oder makroporösen Partikel nicht so groß und damit so schwer werden, dass sie unter den Bedingungen der flammenlosen katalytischen Oxidation kein Wirbelschichtbett mehr im Reaktionsraum bilden. Vorzugsweise liegt der Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 1000 μm, vorzugsweise 0,2 bis 800 μm und insbesondere 0,3 bis 600 μm.The diameter of the meso and / or macroporous particles can vary widely and be adapted to the requirements of the respective device according to the invention and of the respective method according to the invention. For meso and / or macroporous particles which have no spherical shape, the diameter is to be understood as the longest diameter. It is essential that the meso and / or macroporous particles are not so large and therefore so heavy that they no longer form a fluidized bed in the reaction space under the conditions of flameless catalytic oxidation. The diameter is preferably in the range from 0.1 to 1000 μm, preferably 0.2 to 800 μm and in particular 0.3 to 600 μm.
Des Weiteren können die meso- und/oder makroporösen Partikel eine breite oder enge, monomodale, bimodale oder multimodale Partikelgrößenverteilung aufweisen. Vorzugsweise wird eine enge monomodale Partikelgrößenverteilung verwendet, um den störenden Einfluss von besonders kleinen und besonders großen meso- und/oder makroporösen Partikeln auszuschließen, so dass in dem Wirbelschichtbett weitgehend einheitliche Reaktionsbedingungen vorliegen. Furthermore, the meso and / or macroporous particles may have a broad or narrow, monomodal, bimodal or multimodal particle size distribution. Preferably, a narrow monomodal particle size distribution is used to exclude the disturbing influence of particularly small and particularly large meso and / or macroporous particles, so that substantially uniform reaction conditions are present in the fluidized bed.
Die Porengröße der meso- und/oder makroporösen Partikel kann ebenfalls breit variieren und den Erfordernissen der jeweiligen erfindungsgemäßen Vorrichtung und des jeweiligen erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst werden. Wesentlich ist, dass die Porengröße so eingestellt wird, dass die katalytisch wirksamen Nanopartikel in die Poren eingelagert werden können. Vorzugsweise liegt die mittlere Porengröße im Bereich von 10 bis 1000 nm, bevorzugt 20 bis 750 nm und insbesondere 30 bis 500 nm.The pore size of the meso and / or macroporous particles can also vary widely and be adapted to the requirements of the respective device according to the invention and the respective method according to the invention. It is essential that the pore size is adjusted so that the catalytically active nanoparticles can be incorporated into the pores. The mean pore size is preferably in the range from 10 to 1000 nm, preferably from 20 to 750 nm and in particular from 30 to 500 nm.
Meso- und/oder makroporöse Partikel können aus meso- und/oder makroporösen Keramiken beispielsweise durch Vermahlen und Sichten der gemahlenen Produkte hergestellt werden. Meso- und/oder makroporöse Keramiken und Verfahren zu ihrer Herstellung sind beispielsweise aus den Patentschriften
Enthält der Reaktionsraum ein Wirbelschichtbett aus den vorstehend beschriebenen meso- und/oder makroporösen Partikeln, ist es von Vorteil, wenn die Auslassvorrichtung für die Abgase mit einer Vorrichtung zur Abscheidung fester Partikel aus der Gasphase verbunden ist. Vorzugsweise werden die abgeschiedenen festen Partikel wieder dem Reaktionsraum zugeführt. Bevorzugt wird als Vorrichtung zur Abscheidung fester Partikel mindestens ein, insbesondere ein, Zyklon verwendet.If the reaction space contains a fluidized bed of the above-described meso and / or macroporous particles, it is advantageous if the outlet device for the exhaust gases is connected to a device for separating solid particles from the gas phase. Preferably, the deposited solid particles are returned to the reaction space. At least one, in particular one, cyclone is preferably used as the device for depositing solid particles.
Die katalytisch wirksamen Nanopartikel können auch Bestandteil mindestens eines meso- und/oder makroporösen Sinterkörpers sein.The catalytically active nanoparticles can also be part of at least one meso and / or macroporous sintered body.
Der mindestens eine meso- und/oder makroporöse Sinterkörper füllt den Reaktionsraum der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen weitgehend oder vollständig aus. D. h., die Form des meso- und/oder makroporösen Sinterkörpers wird von der Form des Reaktionsraums festgelegt.The at least one meso and / or macroporous sintered body largely or completely fills the reaction space of the apparatus for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons. That is, the shape of the meso and / or macroporous sintered body is determined by the shape of the reaction space.
Vorzugsweise umgibt der mindestens eine meso- und/oder makroporöse Sinterkörper den die thermische Energie aufnehmenden Bereich des mindestens einen Wärmerohrs konzentrisch.The at least one meso and / or macroporous sintered body preferably surrounds the area of the at least one heat pipe receiving the thermal energy concentrically.
Vorzugsweise ist der meso- und/oder makroporöse Sinterkörper aus den vorstehend beschriebenen Oxiden und/oder Hydroxylapatit oder aus Metallen, insbesondere Chrom oder Nickel, aufgebaut.Preferably, the meso and / or macroporous sintered body of the above-described oxides and / or hydroxyapatite or of metals, in particular chromium or nickel, constructed.
Vorzugsweise weist der meso- und/oder makroporöse Sinterkörper Poren auf, deren mittleren Porengröße in dem vorstehend für meso- und/oder makroporöse Partikel angegebenen Bereich liegen.The meso and / or macroporous sintered body preferably has pores whose average pore size is in the range specified above for meso and / or macroporous particles.
Die meso- und/oder makroporöse Sinterkörper können nach den in den Patentschriften
Der mindestens eine, insbesondere eine, Reaktionsraum der mindestens einen Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, der durch seine Wandung definiert ist, kann unterschiedliche räumliche Geometrien aufweisen.The at least one, in particular one, reaction space of the at least one apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons, which is defined by its wall, can have different spatial geometries.
Vorzugsweise ist seine Länge in Richtung des Gasdurchflusses größer als sein Durchmesser quer hierzu. Er umfasst einen unteren Bereich, in den die Reaktionsgase, insbesondere Erdgas und Luft, über mindestens eine Einlassvorrichtung eingeleitet werden, und einen oberen Bereich, aus dem die Abgase, insbesondere Wasser, Kohlendioxid und die nicht verbrauchten Anteile des Oxdidationsmittels, insbesondere die restliche Luft, abgeleitet werden. Preferably, its length in the direction of the gas flow is greater than its diameter transversely thereto. It comprises a lower region into which the reaction gases, in particular natural gas and air, are introduced via at least one inlet device, and an upper region from which the exhaust gases, in particular water, carbon dioxide and the unused portions of the oxidizing agent, in particular the remaining air, be derived.
Vorzugsweise hat der Reaktionsraum eine Länge im Bereich von 5 bis 50 cm, bevorzugt 6 bis 40 cm insbesondere 10 bis 30 cm.Preferably, the reaction space has a length in the range of 5 to 50 cm, preferably 6 to 40 cm, in particular 10 to 30 cm.
Der Reaktionsraum kann die unterschiedlichsten Umrisse aufweisen. Demnach kann der Umriss dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig, achteckig, kreisförmig oder elliptisch sein. Bevorzugt ist der Umriss quadratisch oder kreisförmig.The reaction space can have a wide variety of outlines. Thus, the outline may be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, octagonal, circular or elliptical. Preferably, the outline is square or circular.
Außerdem kann der Reaktionsraum unterschiedliche Durchmesser haben. Unter Durchmesser ist bei einem Reaktionsraum, der keinen quadratischen oder kreisförmigen Umriss hat, der jeweils längste Durchmesser zu verstehen. Vorzugsweise liegt der Durchmesser im Bereich von 1 bis 30 cm, bevorzugt 2 bis 25 cm und insbesondere 3 bis 20 cm.In addition, the reaction space can have different diameters. In the case of a reaction space which does not have a square or circular outline, the term "diameter" is understood to mean the longest diameter in each case. Preferably, the diameter is in the range of 1 to 30 cm, preferably 2 to 25 cm and in particular 3 to 20 cm.
Durchmesser und Umriss des Reaktionsraums können in Richtung der Längsachse variieren. So kann der untere Bereich sich trichterförmig verengen, während der obere Bereich, insbesondere bei einem Reaktionsraum, der ein Wirbelschichtbett enthält, sich verbreitert und als Trennzone dient, in dem meso- und/oder makroporöse Partikel von den Abgasen abgetrennt werden.Diameter and contour of the reaction space can vary in the direction of the longitudinal axis. Thus, the lower region can constrict funnel-shaped, while the upper region, in particular in a reaction space containing a fluidized bed, widens and serves as a separation zone in which mesoporous and / or macroporous particles are separated from the exhaust gases.
Die Wandung der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, die den Reaktionsraum gasdicht umschließt, ist aus mindestens einem nichtbrennbaren, mechanisch und thermisch stabilen Material aufgebaut. Beispiele geeigneter Materialien sind Metalle und Keramiken sowie deren Verbunde. Insbesondere wird Edelstahl verwendet. Die Metalle können durch Oxidschichten vor Korrosion und Abrieb geschützt werden.The wall of the device for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons, which encloses the reaction space in a gastight manner, is constructed of at least one non-combustible, mechanically and thermally stable material. Examples of suitable materials are metals and ceramics and their composites. In particular, stainless steel is used. The metals can be protected by oxide layers against corrosion and abrasion.
Die Wandungen können die unterschiedlichsten Umrisse aufweisen. Demnach kann der Umriss dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig, achteckig, kreisförmig oder elliptisch sein.The walls can have a wide variety of outlines. Thus, the outline may be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, octagonal, circular or elliptical.
Die Wandung kann unterschiedliche Stärken aufweisen. Vorzugsweise liegen die Stärken im Bereich von 0,5 bis 10 mm, bevorzugt 0,8 bis 8 mm und insbesondere 1 bis 6 mm.The wall can have different strengths. Preferably, the thicknesses are in the range of 0.5 to 10 mm, preferably 0.8 to 8 mm and in particular 1 to 6 mm.
Die Wandung kann wie der Reaktionsraum unterschiedliche Durchmesser haben. Unter Durchmesser ist bei einer Wandung, die keinen quadratischen oder kreisförmigen Umriss hat, der jeweils längste Durchmesser zu verstehen. Vorzugsweise liegt der Durchmesser im Bereich von 1 bis 30 cm, bevorzugt 2 bis 25 cm und insbesondere 3 bis 20 cm.The wall can have different diameters as the reaction space. The term "diameter" is understood to mean the longest diameter in the case of a wall which does not have a square or circular outline. Preferably, the diameter is in the range of 1 to 30 cm, preferably 2 to 25 cm and in particular 3 to 20 cm.
Die Wandungen können auch unterschiedliche Längen aufweisen. Vorzugsweise liegt die Länge im Bereich von 5 bis 50 cm, bevorzugt 6 bis 40 cm und insbesondere 10 bis 30 cm.The walls can also have different lengths. Preferably, the length is in the range of 5 to 50 cm, preferably 6 to 40 cm and in particular 10 to 30 cm.
Die mindestens eine Einlassvorrichtung für ein Gas oder ein Gasgemisch ist gleichfalls aus mindestens einem der vorstehend beschriebenen nichtbrennbaren, mechanisch und thermisch stabilen Materialien aufgebaut. Ebenso kann die mindestens eine Auslassvorrichtung für die Abgase aus mindestens einem der genannten Materialien aufgebaut sein.The at least one inlet device for a gas or a gas mixture is likewise constructed from at least one of the non-combustible, mechanically and thermally stable materials described above. Likewise, the at least one outlet device for the exhaust gases can be constructed from at least one of the stated materials.
Die mindestens eine Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen umfasst desweiteren eine übliche und bekannte Peripherie, die übliche und bekannte pneumatische, mechanische und elektronische Mess- und Regelvorrichtungen insbesondere zur Messung und Regelung der Temperatur und des Gasdurchflusses, übliche und bekannte pneumatische, mechanische und elektronische Vorrichtungen für den Transport gasförmiger, flüssiger und fester Materialien wie etwa Förderpumpen sowie entsprechende übliche und bekannte Anzeigevorrichtungen umfasst.The at least one apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons further includes a conventional and known peripherals, the usual and well-known pneumatic, mechanical and electronic measuring and control devices, in particular for measuring and controlling the temperature and gas flow, conventional and known pneumatic, mechanical and electronic Devices for the transport of gaseous, liquid and solid materials such as feed pumps and corresponding conventional and known display devices comprises.
Außerdem kann die mindestens eine Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mindestens eine, insbesondere eine, Zündvorrichtung enthalten. Vorzugsweise befindet sich die Zündvorrichtung im unteren Bereich des Reaktionsraums. Als Zündvorrichtung können übliche und bekannte elektrische Gaszünder verwendet werden.In addition, the at least one apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons may contain at least one, in particular one, ignition device. Preferably, the ignition device is located in the lower region of the reaction space. As ignition device, conventional and known electric gas igniter can be used.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen thermisch isoliert. Die Isolation kann aus den unterschiedlichsten mechanisch und thermisch stabilen, isolierenden Materialien bestehen. Vorzugsweise sind die isolierenden Materialien nicht brennbar und abriebfest. Beispiele geeigneter isolierender Materialien sind massives Holz, Schäume aus Glas und Keramik, Steingut sowie hochtemperaturbeständige Polymere wie Polytertrafluorethylen (PTFE), Polvinylidenfluorid (PVDF), Poly(trifluorchlorethylen) (KEL-F®), Polysiloxane, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyetherketone und Polyimide. Preferably, the at least one apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons is thermally isolated. The insulation can consist of a wide variety of mechanically and thermally stable, insulating materials. Preferably, the insulating materials are nonflammable and abrasion resistant. Examples of suitable insulating materials are solid wood, glass and ceramic foams, earthenware and high temperature resistant polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (trifluorochloroethylene) (KEL- F® ), polysiloxanes, polysulfones, polyethersulfones, polyetherketones and polyimides.
Die mindestens eine Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen steht in wärmeleitendem Kontakt mit dem thermische Energie aufnehmenden Bereich mindestens eines, insbesondere eines, Wärmerohrs.The at least one device for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons is in heat-conducting contact with the thermal energy absorbing region of at least one, in particular one, heat pipe.
Bekanntermaßen ist ein Wärmerohr (heatpipe) ein fluiddicht und gasdicht verschlossenes Bauteil, mit dem thermische Energie oder Wärme sehr effizient von einem Ort zu einem anderen, d. h. über einen mehr oder weniger langen Verbindungsbereich von dem thermische Energie aufnehmenden Bereich zu einem thermische Energie abgebenden Bereich, transportiert werden kann.As is known, a heat pipe is a fluid-tight and gas-tight sealed component with which thermal energy or heat can be transferred very efficiently from one place to another, i. H. can be transported over a more or less long connection area from the thermal energy absorbing area to a thermal energy emitting area.
Der die transportierte thermische Energie abgebende Bereich steht in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der oder den heißen Seite(n) mindestens eines, vorzugsweise mindestens zweier, TEE.The transporting the thermal energy dissipating area is in electrically insulating, thermally conductive contact with the hot side (s) of at least one, preferably at least two, TEE.
Vorzugsweise ist der Verbindungsbereich nach außen thermisch isoliert, wobei bevorzugt die vorstehend beschriebenen thermisch isolierenden Materialien verwendet werden.Preferably, the connection region is thermally insulated to the outside, wherein preferably the above-described thermally insulating materials are used.
Das Wärmerohr kann bekanntermaßen eine 100- bis 1000mal höhere Wärmeenergie transportieren als ein Bauteil gleicher geometrischer Abmessungen aus massivem Kupfer. Das Wärmerohr nutzt den physikalischen Effekt, dass beim Verdampfern und Kondensieren einer Flüssigkeit sehr hohe Energiemengen umgesetzt werden. Das Wärmerohr ist innen hohl und mit einer kleinen Menge Flüssigkeit, der ”arbeitenden” Flüssigkeit, gefüllt. Diese steht unter ihrem Dampfdruck, der bei niedrigen Temperaturen deutlich unter dem atmosphärischen Druck liegen kann. Die Innenwand des Wärmerohres kann mit einer Kapillarstruktur – vergleichbar mit einem Docht – bedeckt sein. Diese Kapillarstruktur ist mit einem flüssigen Wärmetransportmittel, der arbeitenden Flüssigkeit, gesättigt.The heat pipe can be known to transport a 100 to 1000 times higher heat energy than a component of the same geometric dimensions of solid copper. The heat pipe uses the physical effect that very large amounts of energy are converted when evaporating and condensing a liquid. The heat pipe is hollow inside and filled with a small amount of liquid, the "working" liquid. This is under its vapor pressure, which can be well below the atmospheric pressure at low temperatures. The inner wall of the heat pipe can be covered with a capillary structure - comparable to a wick. This capillary structure is saturated with a liquid heat transfer medium, the working liquid.
Wird dem thermische Energie aufnehmenden Bereich des Wärmerohres thermische Energie zugeführt, verdampft dort die arbeitende Flüssigkeit aus der Kapillarstruktur. Der Dampf strömt in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert überall dort unter Abgabe der Verdampfungswärme, wo thermische Energie abgeführt wird. Das Kondensat, das verflüssigte Wärmetransportmittel, wird von der Kapillarstruktur aufgesaugt, fließt zurück, um erneut zu verdampfen. Es schließt sich ein Kreislauf, der schnell zirkulierend sehr effektiv thermische Energie transportiert.If thermal energy is supplied to the thermal energy receiving region of the heat pipe, the working liquid from the capillary structure evaporates there. The steam flows in the direction of the temperature gradient and condenses everywhere, releasing the heat of vaporization, where thermal energy is dissipated. The condensate, the liquefied heat transfer medium, is absorbed by the capillary structure, flows back to re-evaporate. It closes a cycle, which circulates quickly and very effectively transports thermal energy.
Die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungs- und Kondensationszone im Wärmerohr ist sehr gering, so dass die Wärmeleitung nahezu isotherm erfolgt.The temperature difference between the evaporation and condensation zone in the heat pipe is very low, so that the heat conduction is almost isothermal.
Je nachdem, in welchem Temperaturbereich (niedrig, mittel, hoch) gearbeitet wird, werden unterschiedliche arbeitende Flüssigkeiten verwendet, wie zum Beispiel Wasser im Temperaturbereich von etwa 170 bis 600 K, Ammoniak im Temperaturbereich von etwa 150 bis 170 K, Quecksilber im Temperaturbereich von 400 bis 800 K oder Lithium oder Silber in einem Temperaturbereich oberhalb 1000 K. Wesentlich ist, dass die arbeitende Flüssigkeit die Wandung des Wärmerohrs nicht chemisch angreift und korrodiert.Depending on which temperature range (low, medium, high) is used, different working fluids are used, such as water in the temperature range of about 170 to 600 K, ammonia in the temperature range of about 150 to 170 K, mercury in the temperature range of 400 up to 800 K or lithium or silver in a temperature range above 1000 K. It is essential that the working liquid does not chemically attack and corrode the wall of the heat pipe.
Die fluid- und gasdichte Wandung des Wärmerohrs kann aus den unterschiedlichsten Materialien aufgebaut sein. Zum Aufbau können auch flexible Materialien verwendet werden. Außerdem kann das Wärmerohr integraler Bestandteil von flexiblen Kunststofffolien sein.The fluid- and gas-tight wall of the heat pipe can be constructed from a variety of materials. For the construction also flexible materials can be used. In addition, the heat pipe can be an integral part of flexible plastic films.
Die Materialien, aus denen das Wärmerohr aufgebaut ist, müssen indes in dem durch die Wärmequelle vorgegebenen Temperaturbereich fluid- und gasdicht, sowohl gegenüber der arbeitenden Flüssigkeit als auch gegenüber der äußeren Atmosphäre chemisch stabil, mechanisch und thermisch stabil sowie verformungsstabil sein. Außerdem sollten die Materialien eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, damit die thermische Energie der Wärmequelle aufgenommen und effektiv an die heiße Seite des mindestens einen TEE abgegeben werden kann.The materials of which the heat pipe is constructed, however, have to be chemically stable, mechanically and thermally stable, as well as resistant to deformation, both in the temperature range prescribed by the heat source and in terms of fluid and gas tightness both to the working fluid and to the external atmosphere. In addition, the materials should have a high thermal conductivity so that the thermal energy of the heat source can be absorbed and effectively delivered to the hot side of the at least one TEE.
Vorzugsweise bestehen die Wandungen der Wärmerohre aus Metallen und Metalllegierungen, insbesondere wird Kupfer verwendet. Preferably, the walls of the heat pipes of metals and metal alloys, in particular copper is used.
Das Wärmerohr kann unterschiedliche Querschnitte wie Dreiecke, Quadrate, Rechtecke, Fünfecke, Sechsecke oder Achtecke, die abgerundete Ecken und/oder Seiten aufweisen können, Ellipsen, Ovale oder Kreise aufweisen.The heat pipe may have different cross sections such as triangles, squares, rectangles, pentagons, hexagons or octagons, which may have rounded corners and / or sides, ellipses, ovals or circles.
Die Größe der Querschnitte kann breit variieren und hervorragend den Erfordernissen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst werden. So können die Querschnitte im Bereich von wenigen Mikrometern bis hin zu mehreren Zentimetern liegen.The size of the cross sections can vary widely and can be perfectly adapted to the requirements of the device according to the invention and of the method according to the invention. Thus, the cross sections can range from a few microns to several centimeters.
Außerdem kann das Wärmerohr in Längsrichtung unterschiedliche Formen aufweisen. So kann es geradlinig, in der Ebene einfach oder mehrfach gebogen, räumlich mehrfach gebogen, mäanderförmig oder spiralförmig verlaufen.In addition, the heat pipe may have different shapes in the longitudinal direction. Thus, it can be rectilinear, bent in the plane one or more times, spatially multiply bent, meandering or spiraling.
Das Wärmerohr kann nach der Formgebung noch beschichtet werden, um es vor mechanischer, chemischer und/oder thermischer Einwirkung zu schützen. Beispiele geeigneter Beschichtungsstoffe sind thermisch und/oder mit aktinischer Strahlung wie UV-Strahlung oder Elektronenstrahlung härtbare, pigmentierte oder nichtpigmentierte Pulverlacke oder Flüssiglacke auf Wasserbasis oder auf Basis organischer Lösungsmittel.The heat pipe can still be coated after molding to protect it from mechanical, chemical and / or thermal effects. Examples of suitable coating materials are thermally and / or curable with actinic radiation such as UV radiation or electron radiation, pigmented or non-pigmented powder coatings or water-based or organic solvent-based liquid coatings.
Die Kapillarstruktur mit Dochtwirkung auf der Innenseite der Wandung kann ebenfalls aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen. Wesentlich für deren Auswahl sind der durch die Quelle der thermischen Energie vorgegebenen Temperaturbereich und die Stabilität gegenüber der arbeitenden Flüssigkeit. Außerdem darf es durch den Kontakt zwischen der Kapillarstruktur und der Wandung unter dem Einfluss der arbeitenden Flüssigkeit nicht zur Korrosion kommen. Der Fachmann kann daher die Materialien aufgrund der ihm bekannten Eigenschaftsprofile auswählen.The capillary structure with wicking on the inside of the wall can also be made of a variety of materials. Essential for their selection are the temperature range given by the source of the thermal energy and the stability with respect to the working liquid. In addition, contact between the capillary structure and the wall should not cause corrosion under the influence of the working liquid. The person skilled in the art can therefore select the materials on the basis of the property profiles known to him.
Die Kapillarstruktur kann aus Nanopartikeln, Fasermaterialien oder porösen Materialien mit entsprechend dimensionierten Porengrößen aufgebaut sein. Außerdem kann die Dochtwirkung durch Drahtgeflechte, z. B. Kupferdrahtgeflechte oder elektrisch nicht leitende Drahtgeflechte und Faserbündel, z. B. aus Keramik, Glas oder hochtemperaturbeständigen Kunststoffen, im Inneren des Wärmerohrs erzeugt werden. Des Weiteren kann die Dochtwirkung auch durch Oberflächenstrukturen aus Erhebungen und Vertiefungen wie z. B. Rillen, Säulen, Kugeln oder Näpfchen auf der Innenwandung des Wärmerohrs erzeugt werden.The capillary structure can be constructed of nanoparticles, fiber materials or porous materials with appropriately sized pore sizes. In addition, the wicking by wire mesh, z. As copper wire mesh or electrically non-conductive wire mesh and fiber bundles, z. B. ceramic, glass or high temperature resistant plastics, are generated in the interior of the heat pipe. Furthermore, the wicking effect may also be due to surface structures of elevations and depressions such. As grooves, columns, balls or cups on the inner wall of the heat pipe are generated.
Die Kapillarstruktur mit Dochtwirkung kann auch nachträglich eingebracht werden. Beispiele geeigneter Methoden sind das Auskristallisieren oder Ausfällen meso- und/oder makroporöser Materialien wie Zeolithe oder Keramiken. Das nachträgliche Einbringen ist insbesondere für die nachstehend beschriebene „offene Ausführungsform” von besonderem Vorteil, weil so in einem Schritt eine direkte Verbindung mit einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden, strukturierten Oberfläche auf der heißen Seite des TEE, auf der die Arbeitsflüssigkeit auskondensiert, bewerkstelligt werden kann.The capillary structure with wicking can also be introduced later. Examples of suitable methods are the crystallization or precipitation of meso and / or macroporous materials such as zeolites or ceramics. The subsequent introduction is particularly advantageous for the "open embodiment" described below, because in this way a direct connection to an electrically insulating, thermally conductive, structured surface on the hot side of the TEE, on which the working fluid condenses, can be accomplished in one step ,
Das Ende des Wärmerohrs, das in wärmeleitendem Kontakt mit der Wärmequelle, d. h. der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, steht braucht nicht notwendigerweise elektrisch isoliert hiervon zu sein.The end of the heat pipe, which is in heat-conductive contact with the heat source, d. H. The apparatus for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons need not necessarily be electrically isolated therefrom.
Vorzugsweise wird der wärmeleitende Kontakt zwischen dem Ende des Wärmerohrs, d. h. mit dem thermische Energie aufnehmenden Bereich, und der Wärmequelle durch Lötkontakte, Schweißkontakte, Flanschkontakte, elektrische und thermisch leitende, Metallpartikel enthaltende Klebschichten, Schraub-, Steck- und Klemmkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs, d. h. der thermische Energie aufnehmende Bereich, in die Wärmequelle eingeschraubt, eingesteckt oder eingeklemmt wird, oder durch Druckkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs mittels geeigneter Vorrichtungen in die Wärmequelle eingedrückt wird, hergestellt. Der wärmeleitende Kontakt kann außerdem durch elektrisch leitende und wärmeleitende, Metallpartikel enthaltende Wärmeleitpasten weiter verbessert werden.Preferably, the heat conductive contact between the end of the heat pipe, i. H. with the thermal energy absorbing portion, and the heat source by solder contacts, welding contacts, flange contacts, electrically and thermally conductive, metal particles containing adhesive layers, screw, plug and terminal contacts, in which the end of the heat pipe, d. H. the thermal energy absorbing area, is screwed into the heat source, plugged or clamped, or by pressure contacts, in which the end of the heat pipe is pressed by means of suitable devices in the heat source made. The heat-conductive contact can also be further improved by electrically conductive and thermally conductive, metal particle-containing thermal compounds.
Es ist obligatorisch, dass der Kontakt des thermische Energie abgebenden Bereichs des Wärmerohrs mit der heißen Seite des TEE elektrisch isolierend ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter der heißen Seite eines TEE diejenige Seite zu verstehen, die die thermische Energie aufnimmt.It is mandatory that the contact of the thermal energy emitting area of the heat pipe with the hot side of the TEE is electrically insulating. In the context of the present invention, the hot side of a TEE is the side which absorbs the thermal energy.
Die elektrische Isolierung kann beispielsweise mithilfe von wärmeleitfähigen Keramikschichten, wärmeleitfähigen Kunststoffschichten beispielsweise auf der Basis von Polytertrafluorethylen (PTFE), Polvinylidenfluorid (PVDF), Poly(trifluorchlorethylen) (KEL-F®), Polysiloxanen, Polysulfonen, Polyethersulfonen, Polyetherketonen und Polyimiden oder Schichten aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und/oder Siliciumnitrid gewährleistet werden. Diese Schichten können auf die Kontaktfläche durch Sputtern aufgebracht oder als Wafer aufgelegt werden. The electrical insulation can, for example, by means of thermally conductive ceramic layers, thermally conductive plastic layers, for example based on polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (trifluorochloroethylene) (KEL-F ® ), polysiloxanes, polysulfones, polyethersulfones, polyether ketones and polyimides or layers Alumina, aluminum nitride and / or silicon nitride are ensured. These layers can be applied to the contact surface by sputtering or applied as wafers.
Der Kontakt des Wärmerohrs mit der heißen Seite des thermoelektrischen Elements wird durch eine geeignete Kontaktvorrichtung hergestellt. Die Auswahl der Materialien für den Aufbau der Kontaktvorrichtung richtet sich insbesondere nach dem durch die Wärmequelle vorgegebenen Temperaturbereich.The contact of the heat pipe with the hot side of the thermoelectric element is made by a suitable contact device. The selection of the materials for the construction of the contact device depends in particular on the temperature range predetermined by the heat source.
Vorzugsweise umfasst die Kontakt- oder Befestigungsvorrichtung wärmeleitende Lötkontakte, Schweißkontakte, Flanschkontakte, Klebschichten, Schraub-, Steck- und Klemmkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs in oder an oder auf der heißen Seite befindliche entsprechende komplementäre Vorrichtungen ein- oder angeschraubt, eingesteckt oder ein- oder angeklemmt wird. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch die Anwendung von Wärmeleitpasten, z. B. Wärmeleitpasten auf der Basis von Silikonen, weiter verbessert werden.Preferably, the contact or fastening device comprises heat-conducting solder contacts, welding contacts, flange contacts, adhesive layers, screw, plug and terminal contacts, in which the end of the heat pipe in or on or on the hot side located corresponding complementary devices or screwed, plugged or a - or is clamped. The thermal conductivity can be reduced by the use of thermal paste, eg. As thermal pastes based on silicones, further improved.
Werden Befestigungsvorrichtungen wie Flanschkontakte verwendet, können diese auf elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteilen befestigt werden.If fastening devices such as flange contacts are used, these can be fastened on electrically and thermally insulating anchoring parts.
Vorzugsweise bestehen diese Verankerungsteile aus einem massiven, elektrisch und thermisch nicht oder nur schlecht leitfähigen, mechanisch und thermisch stabilen Material. Beispiele geeigneter Materialien dieser Art sind Holz und Polymere wie Polytertrafluorethylen (PDFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Poly(trifluorchlorethylen) (KEL-F®), Poysiloxanen, Polyethersulfone, Polyetherketone und Polyimide.Preferably, these anchoring parts consist of a solid, electrically and thermally not or only poorly conductive, mechanically and thermally stable material. Examples of suitable materials of this kind are wood, and polymers such Polytertrafluorethylen (PDFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (trifluorochloroethylene) (KEL-F ®), Poysiloxanen, polyether sulfones, polyether ketones and polyimides.
Die Verankerungsteile können aus einem Stück bestehen oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Vorzugsweise stoßen die Seiten der Verankerungsteile bündig an die vertikalen Seiten des TEE an, so dass sie dieses zusätzlich isolieren. Vorzugsweise liegen die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Verankerungsteile jeweils in einer Ebene mit den Oberflächen der heißen und der kalten Seite des TEE.The anchoring parts may consist of one piece or be composed of several parts. Preferably, the sides of the anchoring parts abut flush with the vertical sides of the TEE so that they additionally insulate it. Preferably, the opposing surfaces of the anchoring members are each in a plane with the surfaces of the hot and cold sides of the TEE.
Sind die Verankerungsteile aus mehreren Teilen zusammengesetzt, können sie in und auf den aneinanderstoßenden Seiten Zapfen und komplementäre Vertiefungen aufweisen, die die zusammengesetzten Verankerungsteile weiter stabilisieren.If the anchoring parts are composed of several parts, they can have pegs and complementary recesses in and on the abutting sides, which further stabilize the assembled anchoring parts.
Außerdem können die Verankerungsteile sowie die Teile der zusammengesetzten Verankerungsteile miteinander sowie mit den vertikalen Seiten des TEE, mit der nachstehend beschriebenen, überstehenden elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht, der nachstehend beschriebenen, gegebenenfalls elektrisch leitfähigen, gas- und fluiddichten Dichtung und/oder der aufliegenden Oberfläche des Flanschkontakts mit einem thermostabilen, elektrisch isolierenden Klebstoff verklebt sein. Hierdurch werden insbesondere die mechanische Stabilität und die thermische Isolierung des TEE und des Wärmerohrs weiter verbessert.In addition, the anchoring parts as well as the parts of the composite anchoring parts with each other and with the vertical sides of the TEE, with the above-described, protruding electrically insulating, thermally conductive layer, optionally described hereinafter, electrically conductive, gas and fluid-tight seal and / or the resting Surface of the flange contact to be bonded with a thermostable, electrically insulating adhesive. As a result, in particular the mechanical stability and the thermal insulation of the TEE and the heat pipe are further improved.
Vorzugsweise sind die Flanschkontakte noch durch mechanische Befestigungsvorrichtungen wie Klemmen, Schrauben oder Zapfen und komplementäre Vertiefungen an den Verankerungsteilen befestigt.Preferably, the flange contacts are still attached by mechanical fastening devices such as clamps, screws or pins and complementary recesses on the anchoring parts.
Sofern diese Kontaktvorrichtungen noch elektrisch leitend sind, umfasst die Kontaktvorrichtung die vorstehend beschriebenen elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Schichten. Diese Schichten befinden sich unmittelbar auf der heißen Seite der TEE. Im Allgemeinen brauchen sie nur wenige Atomanlagen stark zu sein. Um das Löten und Schweißen zu ermöglichen, sind die wärmeleitfähigen isolierenden Schichten auf ihrer Außenseite mit einer dünnen Metallschicht bedeckt.If these contact devices are still electrically conductive, the contact device comprises the above-described electrically insulating, heat-conducting layers. These layers are located directly on the hot side of the TEE. In general, they only need a few nuclear facilities to be strong. In order to enable soldering and welding, the heat-conductive insulating layers are covered on their outside with a thin metal layer.
Eine besonders vorteilhafte Anordnung dieser Art, kann durch Aufsputtern einer Metalloxidschicht, die allmählich in eine Metallschicht übergeht, hergestellt werden.A particularly advantageous arrangement of this kind can be produced by sputtering a metal oxide layer, which gradually merges into a metal layer.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der thermische Energie abgebende Bereich des mindestens einen Wärmerohrs mindestens einen Durchbruch, vorzugsweise mindestens zwei Durchbrüche auf. Dadurch wird der elektrisch isolierende, wärmeleitende Kontakt so ausgestaltet, dass die heiße Seite des mindestens einen TEE in direktem Kontakt mit dem Inneren des Wärmerohrs steht, so dass die arbeitende Flüssigkeit unmittelbar auf der heißen Seite kondensiert und die thermische Energie direkt übertragen wird. Im Folgenden wird diese Ausführungsform als ”offene Ausführungsform” bezeichnet.In a particularly preferred embodiment of the device according to the invention, the thermal energy emitting area of the at least one heat pipe has at least one opening, preferably at least two openings. Thereby, the electrically insulating, thermally conductive contact is designed so that the hot side of the at least one TEE is in direct contact with the interior of the heat pipe, so that the working liquid condenses directly on the hot side and the thermal energy is transmitted directly. Hereinafter, this embodiment will be referred to as "open embodiment".
In der offenen Ausführungsform kann die Kondensation der arbeitenden Flüssigkeit und die Übertragung der thermischen Energie mithilfe einer strukturierten Oberfläche auf der heißen Seite, die in direktem Kontakt mit dem Inneren des Wärmerohrs steht, weiter verbessert werden. Die strukturierte Oberfläche kann aus nano-, meso- und/oder makroporösen Materialien, Nanopartikeln oder Rillenstrukturen aufgebaut sein. Sofern die strukturierte Oberfläche noch elektrisch leitend ist, ist sie von der heißen Seite durch eine der vorstehend beschriebenen, elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Schichten elektrisch isoliert.In the open embodiment, the condensation of the working fluid and the transfer of thermal energy can be further improved by means of a structured surface on the hot side, which is in direct contact with the interior of the heat pipe. The structured surface may be composed of nano-, meso- and / or macroporous materials, nanoparticles or groove structures. If the structured surface is still electrically conductive, it is electrically insulated from the hot side by one of the electrically insulating, thermally conductive layers described above.
Der Rücklauf der kondensierten arbeitenden Flüssigkeit zum anderen Ende des Wärmerohrs, d. h. zu dem mit der Wärmequelle in Kontakt stehenden thermische Energie aufnehmenden Bereich des Wärmerohrs kann durch Gravitation erfolgen. Dazu muss das Wärmerohr senkrecht angeordnet werden.The return of the condensed working liquid to the other end of the heat pipe, d. H. to the heat energy source in contact with the thermal energy receiving portion of the heat pipe can be done by gravity. For this, the heat pipe must be arranged vertically.
Der Rücklauf kann aber auch aufgrund der Dochtwirkung von eingelegten elektrisch nicht leitenden Drahtgeflechten und Faserbündeln, wie sie vorstehend beschrieben werden, erfolgen. Diese elektrisch nichtleitenden Drahtgeflechte und Faserbündel sind so angeordnet, dass sie in direktem Kontakt mit der kondensierten arbeitenden Flüssigkeit stehen. Bei dieser Ausführungsform kann das Wärmerohr beliebig räumlich angeordnet werden.However, the return can also be due to the wicking of inserted electrically non-conductive wire mesh and fiber bundles, as described above, take place. These electrically non-conductive wire meshes and fiber bundles are arranged to be in direct contact with the condensed working fluid. In this embodiment, the heat pipe can be arranged arbitrarily spatially.
Bei der offenen Ausführungsform umfasst die Kontaktvorrichtung außerdem eine fluid- und gasdichte, haftfeste, elektrisch isolierende Dichtung zwischen der Wandung des Wärmerohrs und der heißen Seite der TEE. Diese Dichtung muss nicht wärmeleitend sein, sondern kann auch elektrisch leitend sein, solange sie keinen elektrischen Kontakt mit der Wandung des Wärmerohrs und der heißen Seite des TEE herstellt. Am einfachsten kann dies dadurch bewerkstelligt werden, dass die Fläche der vorstehend beschriebenen, elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht etwas größer ausgelegt ist als die heiße Seite des TEE, so dass die Fläche rundum über die Oberfläche der heißen Seite hinausragt und an die Dichtung bündig anstößt. Ein Beispiel für eine geeignete, gas- und fluiddichte, haftfeste, elektrisch leitfähige Dichtung sind mit Metallpartikeln, insbesondere Kupferpartikeln, gefüllte Silikonpolymere, insbesondere PDMS.In the open embodiment, the contact device further comprises a fluid and gas tight, adhesive, electrically insulating seal between the wall of the heat pipe and the hot side of the TEE. This seal need not be heat-conducting, but may be electrically conductive as long as it does not make electrical contact with the wall of the heat pipe and the hot side of the TEE. The easiest way to accomplish this is that the surface of the electrically insulating, thermally conductive layer described above is designed to be slightly larger than the hot side of the TEE, so that the surface protrudes all over the surface of the hot side and flush abuts the seal , An example of a suitable, gas- and fluid-tight, adherent, electrically conductive seal are metal particles, in particular copper particles, filled silicone polymers, in particular PDMS.
Diese Dichtungen können je nach Anordnung und Querschnitt des Wärmerohrs einerseits und äußerer Form des oder der TEE andererseits unterschiedliche Formen haben. Vorzugsweise sind die Dichtungen rechteckig, quadratisch oder mehreckig, beispielsweise sechseckig, oder rund oder elliptisch, wenn das Wärmerohr den entsprechend geformten Querschnitt und/oder das TEE die entsprechend geformte Oberfläche aufweist. Außerdem kann die Dichtung der Planarität der Oberfläche des TEE angepasst sein, wenn diese beispielsweise nach außen oder nach innen gebogen ist und/oder eine regelmäßige oder nicht regelmäßige Rauigkeit aufweist.These seals may have different shapes depending on the arrangement and cross section of the heat pipe on the one hand and the outer shape of the or the TEE on the other hand. Preferably, the gaskets are rectangular, square or polygonal, for example hexagonal, or round or elliptical, when the heat pipe has the correspondingly shaped cross section and / or the TEE has the correspondingly shaped surface. In addition, the seal of the planarity of the surface of the TEE may be adapted, for example, if it is bent outwards or inwards and / or has a regular or not regular roughness.
An beiden Seiten des TEE befinden sich auch die Kontaktbereiche, an den die beiden unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien des TEE elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Das TEE kann mit mindestens einem weiteren TEE elektrisch leitend verbunden sein. Es können aber auch 100 und mehr solche TEE parallel und/oder in Serie geschaltet sein. In diesem Falle spricht man auch von einer „Thermosäule”. An dem elektrisch positiven und elektrisch negativen Ende des TEE oder der Thermosäule sind elektrische Anschlüsse angebracht, die mit einer Vorrichtung verbunden werden können, die mit dem gewonnenen Strom betrieben wird.On both sides of the TEE are also the contact areas to which the two different thermoelectric materials of the TEE are electrically connected to each other. The TEE may be electrically conductively connected to at least one other TEE. But it can also be 100 and more such TEE connected in parallel and / or in series. In this case, one speaks of a "thermopile". At the electrically positive and electrically negative end of the TEE or the thermopile electrical connections are attached, which can be connected to a device which is operated with the recovered power.
Im Allgemeinen unterscheidet man drei Temperaturbereiche bei dem Betrieb von TEE
- – Niedertemperaturbereich, d. h. Temperaturen bis zu 250°C,
- – Mitteltemperaturbereich, d. h. Temperaturen bis zu 600°C und
- – Hochtemperaturbereich, d. h. Temperaturen bis zu 1000°C.
- - Low temperature range, ie temperatures up to 250 ° C,
- - Medium temperature range, ie temperatures up to 600 ° C and
- - High temperature range, ie temperatures up to 1000 ° C.
Je nachdem in welchem Temperaturbereich gearbeitet wird, werden unterschiedliche Materialien in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet. Die Auswahl kann der Fachmann anhand der bekannten chemischen und physikalischen Eigenschaften der Materialien treffen.Depending on the temperature range in which work, different materials are used in the device according to the invention. The choice can be made by a person skilled in the art on the basis of the known chemical and physical properties of the materials.
Vorzugsweise wird im Niedertemperaturbereich gearbeitet.Preferably, work is carried out in the low-temperature range.
Die für die Schenkel der TEE, die an der heißen Seite in elektrisch leitenden Kontakt miteinander gebracht werden, werden anhand ihrer figure-of-merit Z gemäß Gleichung XII ausgewählt.Those for the legs of the TEE that are brought into electrical contact with each other on the hot side are selected according to their figure-of-merit Z in accordance with Equation XII.
Gleichung XII Equation XII
-
Z = σα2/λ.Z = σα 2 / λ.
In der Gleichung XII steht α für den Seebeck-Koeffizienten, σ die elektrische Leitfähigkeit und λ für die thermische Leitfähigkeit des betreffenden Materials.In equation XII, α stands for the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, and λ is the thermal conductivity of the material in question.
Vorzugsweise werden p- und n-dotierte Halbleitermaterialien verwendet.Preferably, p- and n-doped semiconductor materials are used.
Vorzugsweise werden für den Niedertemperaturbereich Bismuttellurid-Legierungen (Bi2Te3) verwendet.Preferably, bismuth telluride alloys (Bi 2 Te 3 ) are used for the low temperature range.
Vorzugsweise wird für den Mitteltemperaturbereich Bleitellurid (PbTe) verwendet.Preferably, lead telluride (PbTe) is used for the medium temperature range.
Vorzugsweise werden für den Hochtemperaturbereich Silicium-Germanium-Legierungen und Zintl-Legierungen verwendet.Preferably, silicon germanium alloys and Zintl alloys are used for the high temperature range.
Weitere Beispiele geeigneter halbleitender Materialien sind aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0229911 A1, Seite 1, Absätze [0003] bis [0011], oder aus dem amerikanischen Patent
Vorzugsweise werden Bismuttellurid-Legierungen verwendet.Preferably, bismuth telluride alloys are used.
In den erfindungsgemäßen Vorrichtungen können übliche und bekannte, kommerziell erhältliche TEE verwendet werden. Der Begriff ”thermoelektrisches Element” umfasst dabei ein einzelnes TEE oder eine Anordnung mehrerer in Reihe oder parallel geschalteter TEE in der Form einer so genannten Thermosäule.Conventional and known, commercially available TEEs can be used in the devices according to the invention. The term "thermoelectric element" in this case comprises a single TEE or an arrangement of several series or parallel connected TEEs in the form of a so-called thermopile.
Beispiele geeigneter TEE werden im Detail in dem amerikanischen Patent
Vorzugsweise werden thermoelektrischen Module in ”eggcrate”-Konfiguration (Eierkarton-Konfiguration) verwendet, wie sie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung
In den erfindungsgemäßen Vorrichtungen steht die der heißen Seite gegenüberliegende kalte Seite des mindestens einen TEE in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit einer Wärme ableitenden Vorrichtung (Wärmesenke). Diese dient der Abführung sowie gegebenenfalls der Nutzung der restlichen zugeführten thermischen Energie.In the devices according to the invention, the cold side of the at least one TEE facing the hot side is in electrically insulating, thermally conductive contact with a heat dissipating device (heat sink). This serves to dissipate and optionally use the remaining supplied thermal energy.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieser Kontakt durch mindestens ein weiteres Wärmerohr bewerkstelligt. Im Folgenden wird das weitere Wärmerohr als ”zweites Wärmerohr” bezeichnet.In a preferred embodiment, this contact is accomplished by at least one additional heat pipe. In the following, the additional heat pipe is referred to as a "second heat pipe".
Das zweite Wärmerohr steht mit seinem einen Ende in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der kalten Seite der TEE und mit seinem anderen Ende in wärmeleitendem Kontakt mit der Wärme ableitenden Vorrichtung.The second heat pipe is in one of its ends in electrically insulating, thermally conductive contact with the cold side of the TEE and at its other end in thermally conductive contact with the heat dissipating device.
Vorzugsweise werden die vorstehend beschriebenen Wärmerohre und Kontaktvorrichtungen verwendet. Da die Wärmerohre und Kontaktvorrichtungen der kalten Seite der TEE niedrigeren Temperaturen ausgesetzt sind als diejenigen der heißen Seite der TEE, können gegebenenfalls andere Materialien als auf der heißen Seite verwendet werden.Preferably, the above-described heat pipes and contact devices are used. Since the heat pipes and cold side contact devices of the TEE are exposed to lower temperatures than those of the hot side of the TEE, materials other than the hot side may be used.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird dieser Kontakt durch mindestens eine elektrisch isolierende, wärmeleitfähige Schicht hergestellt. Zu deren Aufbau können die vorstehend beschriebenen elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Materialien verwendet werden.In a further preferred embodiment, this contact is produced by at least one electrically insulating, thermally conductive layer. For their construction, the above-described electrically insulating, thermally conductive materials can be used.
Die Wärme ableitenden Vorrichtungen oder Wärmesenken können von unterschiedlichster Natur und von unterschiedlichstem Aufbau sein. The heat-dissipating devices or heat sinks can be of very different nature and of very different construction.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Luft und Wasser Wärme ableitende Vorrichtungen im Sinne der Erfindung. Vorzugsweise wird dabei die restliche zugeführte thermische Energie über Kühlrippen aus Metall auf die Luft oder das Wasser übertragen. Demgemäß sind auch Kühlrippen Wärmesenken im Sinne der vorliegenden Erfindung.In the context of the present invention, air and water are heat-dissipating devices in the sense of the invention. Preferably, the rest of the supplied thermal energy is transmitted via cooling fins made of metal to the air or water. Accordingly, cooling fins are also heat sinks in the sense of the present invention.
Vorzugsweise wird handelt es sich aber bei den Wärme ableitenden Vorrichtungen um Vorrichtungen, die die Nutzung der restlichen zugeführten thermischen Energie gestatten. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um Wärmetauscher, Rohrkühlkörper, insbesondere Rohrkühlkörper für Solarthermieanlagen, Motoren, Turbinen oder Anlagen zur Durchführung des Rankine-Zyklus, insbesondere des organischen Rankine-Zyklus, bei dem vergleichsweise niedrigsiedende organische Flüssigkeiten als Arbeitsmittel verwendet werden. Außerdem kommen wärmeabstrahlende Radiatoren und große Flächenheizungen, die unter Wänden, Decken oder Fußböden in Innen- und Außenbereich von Gebäuden angebracht werden können als Wärmesenken in Betracht. Des Weiteren können erfindungsgemäße Vorrichtungen, die in dieser Weise aufgebaut sind, ihre elektrische Energie verzehrende Wasserkreisläufe und Umwälzpumpen selbst betreiben oder in ihrem Betrieb unterstützen.Preferably, however, the heat-dissipating devices are devices that allow the use of the remaining supplied thermal energy. These are particularly preferably heat exchangers, tube cooling bodies, in particular tube cooling bodies for solar thermal systems, motors, turbines or systems for carrying out the Rankine cycle, in particular the organic Rankine cycle, in which comparatively low-boiling organic liquids are used as the working medium. In addition, heat radiating radiators and large surface heating systems which can be installed under walls, ceilings or floors in the interior and exterior of buildings can be considered as heat sinks. Furthermore, devices of the invention constructed in this manner may self-operate or assist in their operation of their water-consuming and water-circulating pumping systems.
Der von den TEE der erfindungsgemäßen Vorrichtungen erzeugte elektrische Strom kann für die unterschiedlichsten Zwecke verwendet werden. So kann er den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtungen selbst unterstützen. Desgleichen kann er den Betrieb der Wärmesenken, die die restliche zugeführte thermische Energie nutzen, sowie den Betrieb ihrer Peripherie unterstützen. Als Beispiele seien elektrisch betriebene Pumpen, Kühlaggregate, die die Quellen thermischer Energie vor Überhitzung schützen, und Motoren genannt. Ebenso kann der Strom zum Aufladen von elektrischen Speichern wie Batterien, Akkumulatoren und elektrischen Speicherheizungen dienen. Insgesamt ergeben sich durch die Nutzung der Abfallwärme in dieser Weise signifikante Energieeinsparungen.The electric current generated by the TEEs of the devices of the invention can be used for a variety of purposes. So he can support the operation of the devices according to the invention itself. Likewise, it can assist in the operation of the heat sinks that utilize the residual applied thermal energy as well as the operation of their peripherals. Examples include electrically operated pumps, chillers that protect the sources of thermal energy from overheating, and motors. Likewise, the power can be used to charge electrical storage such as batteries, accumulators and electric storage heaters. Overall, the use of waste heat in this way results in significant energy savings.
Der Strom kann aber auch zum Betrieb externer elektrischer Geräte der unterschiedlichsten Art wie etwa Beleuchtungsanlagen, Kühl- und Gefriergeräte, Klimaanlagen, Wärmepumpen, Umwälzpumpen, Unterhaltungselektronik, Kommunikationsgeräte wie Telefone oder Mobiltelefone, Computer, Laptops oder iPads genutzt werden.However, the power can also be used for the operation of external electrical devices of various kinds such as lighting systems, refrigerators and freezers, air conditioners, heat pumps, circulating pumps, consumer electronics, communication devices such as telephones or mobile phones, computers, laptops or iPads.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie wird die thermische Energie, die von einer Wärmequelle geliefert wird, mithilfe mindestens eines Wärmerohrs zu der heißen Seite mindestens eines TEEs transportiert, wobei in dem TEE eine elektrische Spannung erzeugt wird. Die restliche zugeführte thermische Energie wird von der kalten Seite des TEE über einen elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Kontakt mindestens einer Wärmesenke zugeführt.In the method according to the invention for the direct conversion of thermal energy into electrical energy, the thermal energy supplied by a heat source is transported by means of at least one heat pipe to the hot side of at least one TEE, wherein an electric voltage is generated in the TEE. The remaining applied thermal energy is supplied from the cold side of the TEE via an electrically insulating, thermally conductive contact at least one heat sink.
Vorzugsweise werden für das erfindungsgemäße Verfahren die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendet.Preferably, the above-described inventive devices are used for the inventive method.
Es ist ein ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass mit ihrer Hilfe die vollständige, flammenlose katalytische Oxidation von Kohlenwasserstoffen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, vorzugsweise bei 50 bis 400°C, bevorzugt 100 bis 350°C und insbesondere 150 bis 300°C durchgeführt werden kann. Die Abgase enthalten daher keine Kohlenwasserstoffe, insbesondere kein als Treibhausgas wirkendes Methan, sowie keine schädlichen Stickoxide (NOx) mehr, bzw. der Gehalt der Abgase an diesen schädlichen Stoffen liegt unterhalb der Nachweisgrenzen ihrer üblichen und bekannten qualitativen und quantitativen Nachweismethoden.It is a very particular advantage of the device according to the invention and of the process according to the invention that with their help the complete, flameless catalytic oxidation of hydrocarbons at comparatively low temperatures, preferably at 50 to 400 ° C, preferably 100 to 350 ° C and especially 150 to 300 ° C can be performed. The exhaust gases therefore contain no hydrocarbons, especially no methane acting as a greenhouse gas, and no harmful nitrogen oxides (NO x ) more, or the content of the exhaust gases to these harmful substances is below the detection limits of their usual and known qualitative and quantitative detection methods.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Erfindungsgemäße Vorrichtung zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische EnergieDevice according to the invention for direct conversion of thermal energy into electrical energy
- 22
- Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von KohlenwasserstoffenApparatus for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons
- 2.12.1
- Reaktionsraumreaction chamber
- 2.22.2
- Gaseinlassgas inlet
- 2.32.3
- Reaktionsgasereaction gases
- 2.42.4
- Gasauslassgas outlet
- 2.52.5
- Abgaseexhaust
- 2.62.6
- Wandung des ReaktionsraumsWall of the reaction space
- 2.7 2.7
- gasdurchlässiger Katalysatorträgergas permeable catalyst support
- 2.82.8
- GasdurchlassGas passage
- 2.92.9
- hindurch strömende Gasethrough flowing gases
- 2.102.10
- Katalysatorschichtcatalyst layer
- 2.10.12.10.1
- Trägerschichtbacking
- 2.10.22.10.2
- katalytisch wirksame Nanopartikelcatalytically active nanoparticles
- 2.112.11
- WirbelschichtbettFluidized bed
- 2.11.12.11.1
- makroporöse Partikel mit katalytisch wirksamen Nanopartikelnmacroporous particles with catalytically active nanoparticles
- 2.122.12
- ausgetragene und zurück geführte makroporöse Partikeldischarged and returned macroporous particles
- 2.132.13
- Trennzoneseparation zone
- 2.142.14
- makroporöser Sinterkörpermacroporous sintered body
- 2.14.12.14.1
- Porenpore
- 2.14.22.14.2
- scheibenförmiger, makroporöser Sinterkörperdisc-shaped, macroporous sintered body
- 2.14.32.14.3
- Gasverteilergas distributor
- 33
- Wärmerohrheat pipe
- 3a, 3b3a, 3b
- Wärmerohreheat pipes
- 3.13.1
- Verbindungsbereichconnecting area
- 3a.1, 3b.13a.1, 3b.1
- Verbindungsbereicheconnecting areas
- 3.23.2
- Wandungwall
- 3a.2, 3b.23a.2, 3b.2
- Wandungenwalls
- 3.33.3
- thermische Energie aufnehmender Bereichthermal energy absorbing area
- 3a.3, 3b.33a.3, 3b.3
- thermische Energie aufnehmende Bereichethermal energy absorbing areas
- 3.43.4
- thermische Energie abgebender Bereichthermal energy emitting area
- 3a.4, 3b.43a.4, 3b.4
- thermische Energie abgebende Bereichethermal energy emitting areas
- 3.53.5
- Befestigungsflanschmounting flange
- 3a.5, 3b.53a.5, 3b.5
- Befestigungsflanschemounting flanges
- 3.63.6
- winkelförmige Strebeangular strut
- 3a.6, 3b.63a.6, 3b.6
- winkelförmige Strebenangular struts
- 3c.6, 3d.63c.6, 3d.6
- winkelförmige Strebenangular struts
- 44
- thermoelektrisches Element (TEE)thermoelectric element (TEE)
- 4a, 4b4a, 4b
- thermoelektrische Elemente (TEE)thermoelectric elements (TEE)
- 4c, 4d4c, 4d
- thermoelektrische Elemente (TEE)thermoelectric elements (TEE)
- 4.14.1
- heiße Seite des TEEhot side of the TEE
- 4a.1, 4b.14a.1, 4b.1
- heiße Seiten der TEEhot sides of the TEE
- 4c.1, 4d.14c.1, 4d.1
- heiße Seiten der TEEhot sides of the TEE
- 4.24.2
- kalte Seite des TEEcold side of the TEE
- 4a.2, 4b.24a.2, 4b.2
- kalte Seiten der TEEcold sides of the TEE
- 4c.2, 4d.24c.2, 4d.2
- kalte Seiten der TEEcold sides of the TEE
- 55
- Wärmesenkeheat sink
- 5a, 5b5a, 5b
- Wärmesenkenheat sinks
- 5c, 5d5c, 5d
- Wärmesenkenheat sinks
- 5a.1, 5b.15a.1, 5b.1
- Blöcke aus wärmeleitendem MaterialBlocks of thermally conductive material
- 5c.1, 5d.15c.1, 5d.1
- Blöcke aus wärmeleitendem MaterialBlocks of thermally conductive material
- 5a.2, 5b.25a.2, 5b.2
- Kanäle für wärmeabsorbierendes FluidChannels for heat absorbing fluid
- 5c.2, 5d.25c.2, 5d.2
- Kanäle für wärmeabsorbierendes FluidChannels for heat absorbing fluid
- 5a.3, 5b.35a.3, 5b.3
- Verbindungsrohreconnecting pipes
- 5c.3, 5d.35c.3, 5d.3
- Verbindungsrohreconnecting pipes
- 5.45.4
- Fluidfluid
- 66
- elektrischer Anschlusselectrical connection
- 6a, 6b6a, 6b
- elektrische Anschlüsseelectrical connections
- 77
- wärmeisolierendes Materialheat insulating material
- 88th
- Zündvorrichtungdetonator
- 8.18.1
-
erhitzte Katalysatorbleche
2.7 heated catalyst sheets2.7 - 99
- strömendes Fluidflowing fluid
- 1010
- elektrisch leitfähige Dichtungelectrically conductive seal
- 10a, 10b10a, 10b
- elektrisch leitfähige Dichtungenelectrically conductive seals
- 10c, 10d10c, 10d
- elektrisch leitfähige Dichtungenelectrically conductive seals
- 1111
- elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichtelectrically insulating, thermally conductive layer
- 11a, 11b11a, 11b
- elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichtenelectrically insulating, thermally conductive layers
- 11c, 11d11c, 11d
- elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichtenelectrically insulating, thermally conductive layers
- 11.1 11.1
- strukturierte Oberflächestructured surface
- 11a.1, 11b.111a.1, 11b.1
- strukturierte Oberflächenstructured surfaces
- 11c.1, 11d.111c.1, 11d.1
- strukturierte Oberflächenstructured surfaces
- 1212
- elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichtelectrically insulating, thermally conductive layer
- 12a, 12b12a, 12b
- elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichtenelectrically insulating, thermally conductive layers
- 12c, 12d12c, 12d
- elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichtenelectrically insulating, thermally conductive layers
- 1313
-
elektrisch und thermisch isolierendes Verankerungsteil für mindestens eine Befestigungsvorrichtung
14 electrically and thermally insulating anchoring part for at least onefastening device 14 - 13a, 13b13a, 13b
-
elektrisch und thermisch isolierendes Verankerungsteil für mindestens eine Befestigungsvorrichtung
14 sowie winkelförmige, elektrisch und thermisch isolierende Verbindungsteile zwischen zwei elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteilenelectrically and thermally insulating anchoring part for at least onefastening device 14 and angular, electrically and thermally insulating connecting parts between two electrically and thermally insulating anchoring parts - 13c, 13d13c, 13d
-
winkelförmige, elektrisch und thermisch isolierende Verbindungsteile
13 zwischen zwei elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteilen13 angle-shaped, electrically and thermally insulating connectingparts 13 between two electrically and thermally insulatinganchoring parts 13 - 1414
- Schraubescrew
- 14.114.1
- Schraubenkopfscrew head
- 14.214.2
- Unterlegscheibewasher
- 14.314.3
- Gewindethread
- 14.414.4
- SenkschraubenkopfSenkschraubenkopf
- 14.514.5
- Durchbohrung mit InnengewindeThrough hole with internal thread
- 1515
- Zykloncyclone
- 15.115.1
- RückführungsvorrichtungRecirculation device
- 15.215.2
- Abgasleitungexhaust pipe
- 15.315.3
- Abgaseexhaust
- A-AA-A
-
erste Schnittlinie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
1 first section line through the device according to theinvention 1 - B-BB-B
-
zweite Schnittlinie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
1 second section line through the device according to theinvention 1 - LL
-
Längsachse der erfindungsgemäßen Vorrichtung
1 Longitudinal axis of the device according to theinvention 1
Die
Über die Einlassvorrichtung
Der Bereich
Die
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Die von der Wärmequelle
Die aufgenommene thermische Energie wurde über den in einem Winkel von 90° gebogenen Verbindungsbereich
Als TEE
Beide Thermosäulen
Ihre kalten Seite
Die aufgenommene restliche thermische Energie wurde über die beiden Übergangsbereiche
Die Wärmesenken
Die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung
Anhand der Ausführungsform gemäß der
Die
Die Vorrichtung
Der Reaktionsraum enthielt mehrere parallel zueinander und übereinander angeordnete gasdurchlässige Katalysatorträger
Die Katalysatorträger
Im unteren Bereich des Reaktionsraums
Die Katalysatorträger
Der die thermische Energie aufnehmende Bereich
An das obere Ende des Verbindungsbereichs
Am oberen Ende und am Boden des Bereichs
Die Befestigungsflansche
Die Wandung
Im Bereich der Kanten der rechteckigen Durchbrüche waren die elektrisch leitfähigen, gas- und fluiddichten Dichtungen
Die elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten
Die elektrischen Leitungen, die die TEE
Die kalten Seiten
Bis auf die Wärmesenken
Die Vorrichtung der
Die
Wie vorstehend beschrieben, öffnete sich das obere Ende des Verbindungsbereichs
Der die thermische Energie abgebende Bereich
Die Dichtungen
Längs jeder winkelförmigen Strebe
Die Verbindungsteile
Die kalten Seiten
Die
Der die thermische Energie aufnehmende Bereich
Die
Die
Die
Die
Die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas mittels Luft wurde durch die Pd@CeO2-Nanopartikel
Die
Die
Die Seitenfläche des TEE war passgenau mit dem massiven, elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteil
Das massive, elektrisch und thermisch isolierende Verankerungsteil
Die Verbindung wurde mit einer durch die Durchbohrung mit Innengewinde
Die
Das Wärmerohr
Die
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
Der Gasauslass
Die meso- und/oder makroporösen Partikel
Unterhalb des Wirbelschichtbetts
Im Reaktionsraum
Am oberen Ende des Wirbelschichtreaktors
Der die thermische Energie abgebende Bereich
Von den oberen seitlichen Enden der TEE
Zwischen dem oberen Ende des Wirbelschichtreaktors
Die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas mittels Luft wurde auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Die
Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Die Wärmequelle
Der die thermische Energie aufnehmende Bereich
In dem sich zur Einlassvorrichtung
Die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas mittels Luft wurde auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Artikel von M. Cargnello, J. J. Delgado Jaén, J. C. Hernández Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, J. J. Calvino Gámez, R. J. Gorte und P. Fornasiero, "Exceptional Activity for Methane Combustion over Modular Pd@CeO2 Subunits on Functionalized Al2O3", in Science, Band 337, Seiten 713 bis 717, 2012 |
Ewald Maria Sütterlin, >>Katalytische Oxidation zur Stromerzeugung, Studien zu Thermogenerator, Gasoxidation und Injektorbrenner, Diplomica® Verlag GmbH, ISBN: 978-3-8366-5863-8, 2008, ein katalytischer Butan-Diffusionsbrenner als Wärmequelle für TEE<< |
Ewald Maria Sütterlin, >>Katalytische Oxidation zur Stromerzeugung, Studien zu Thermogenerator, Gasoxidation und Injektorbrenner<<, Diplomica® Verlag GmbH, ISBN: 978-3-8366-5863-8, 2008 |
Firmenschrift von Hi-Z Technology Inc., "Use, Application and Testing od Hi-Z Termoelectric Modules", Autoren: F. A. Levitt, N. B. Elsner und J. C. Bass |
Publikationen von Technologie-Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH aus dem Jahr 2012, >>Neues Verfahren mit hohem Einsparpotenzial: Makroporöse Keramiken und Polymerschäume aus Kapillarsuspensionen>Makroporöse Keramiken und Polymerschäume: Das Herstellungsverfahren und seine Vorteile>Makroporöse Keramiken und Polymerschäume: Beispiele: Al2O3-Keramik und PVC-Polymerschaum<< |
Publikationen von Technologie-Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH aus dem Jahr 2012, >>Neues Verfahren mit hohem Einsparpotenzial: Makroporöse Keramiken und Polymerschäume aus Kapillarsuspensionen>Makroporöse Keramiken und Polymerschäume: Das Herstellungsverfahren und seine Vorteilen und >>Makroporöse Keramiken und Polymerschäume: Beispiele: Al2O3-Keramik und PVC-Polymerschaum<< |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018087540A1 (en) * | 2016-11-10 | 2018-05-17 | Cranfield University | Tuning of catalytic activity by thermoelectric materials |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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WO2015101408A1 (en) | 2015-07-09 |
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