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 US 5,610,366 A , der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/02299911 A1, der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993 A1 , der deutschen Patentanmeldung DE 101 12 383 A1 oder der 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 , bekannt.Methods and apparatus for the direct conversion of thermal energy into electrical energy using a temperature gradient (Seebeck effect) as well as suitable materials for the production of such devices are e.g. B. from the American patent US 5,610,366 A , the American patent application US 2010/02299911 A1, the international patent application WO 97/44993 A1 , the German patent application DE 101 12 383 A1 or the Company publication of Hi-Z Technology Inc., "Use, Application and Testing or Hi-Z Termoelectric Modules", authors: FA Levitt, NB Elsner and JC Bass , known.

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 und 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 , die internationalen Patentanmeldungen WO 99/36735 und WO 01/80325 A1 , die amerikanische Patentanmeldung US 2006/0266404 A1 oder die amerikanischen Patente US 6,232,545 B1 , US 6,624,349 B1 , US 6,527,548 B1 und US 6,053,163 B1 ), oder
  • – Sonnenkollektoren, insbesondere Flachkollektoren (vgl. die amerikanische Patentanmeldung US2010/0300504 A1, die europäische Patentanmeldung EP 2 239 187 A1 oder die deutschen Patentanmeldung DE 10 208 009 979 A1 , DE 36 19 127 A1 und DE 37 04 559 A1 )
in Betracht.In this case come as a source of thermal energy as different devices such
  • - 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 and 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 , the international patent applications WO 99/36735 and WO 01/80325 A1 , US patent application US 2006/0266404 A1 or the US patents US 6,232,545 B1 . US 6,624,349 B1 . US 6,527,548 B1 and US 6,053,163 B1 ), or
  • - Solar panels, in particular flat-plate collectors (see the American patent application US2010 / 0300504 A1, the European patent application EP 2 239 187 A1 or the German patent application DE 10 208 009 979 A1 . DE 36 19 127 A1 and DE 37 04 559 A1 )
into consideration.

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 US 5,968,456 ein katalytischer Konverter vorgeschlagen, der die Energie der exothermen Reaktionen der Bestandteile von Motorabgasen an einem Katalysator zur Erzeugung von Strom mithilfe von TEE nutzt. Dabei wird die thermische Energie mithilfe von im monolithischen Katalysator eingebetteten Wärmeleitrippen vom monolithischen Katalysator zur heißen Seite der TEE geleitet.For this purpose, in the American patent US 5,968,456 proposed a catalytic converter that uses the energy of the exothermic reactions of engine exhaust gas constituents on a catalyst to generate electricity using TEE. The thermal energy is conducted from the monolithic catalyst to the hot side of the TEE by means of thermal fins embedded in the monolithic catalyst.

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 DE 10 2008 040 849 A1 wird eine katalytisch aktive Schicht zur Oxidation von Bestandteilen der Abgase aus Oxidationskraftmaschinen, vorzugsweise Dieselmotoren, beschrieben. Die Schicht umfasst bimetallische oder polymetallische Nanopartikel, wobei die Metalle aus der Gruppe Palladium, Rhodium, Platin, Eisen, Nickel, Chrom, Rhenium, Ruthenium, Technetium, Iridium, Kobalt, Kupfer, Gold und Silber ausgewählt sind. Die Nanopartikel können auf einem oder mehreren Trägermaterialien fixiert sein, die aus der Gruppe, umfassend Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Zinkoxid, Zinnoxid, Strontiumoxid, Calciumoxid, Bariumoxid, Magnesiumsoxid, Antimonooxid, Wismutoxid, Chromoxid, Eisenoxid, Manganoxid, Oxide der Lanthanide, Oxide der Actinide oder Mischoxide aus den vorstehend genannten Oxiden, zeolithartige Mischoxide und/oder Oxide aus der Gruppe der Spinelle, ausgewählt sind. Das Trägermaterial kann weiterhin Verbindungen wie Alkalimetalle, Halogenide, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Galliumoxid, Germaniumoxid, Indiumoxid, Manganoxid, Vanadiumoxid und/oder Wolframoxid als Dotierungsmittel oder Promotoren enthalten. Die Nanopartikel weisen eine mittlere Teilchengröße ≥ 2 nm bis ≤ 5 nm auf.In the German Offenlegungsschrift DE 10 2008 040 849 A1 describes a catalytically active layer for the oxidation of components of the exhaust gases from oxidation engines, preferably diesel engines. The layer comprises bimetallic or polymetallic nanoparticles, the metals being selected from the group consisting of palladium, rhodium, platinum, iron, nickel, chromium, rhenium, ruthenium, technetium, iridium, cobalt, copper, gold and silver. The nanoparticles may be fixed on one or more support materials selected from the group consisting of titanium dioxide, silica, zirconia, alumina, zinc oxide, tin oxide, strontium oxide, calcium oxide, barium oxide, magnesium oxide, antimony oxide, bismuth oxide, chromium oxide, iron oxide, manganese oxide, oxides of lanthanides , Oxides of actinides or mixed oxides of the abovementioned oxides, zeolite-type mixed oxides and / or oxides from the group of spinels, are selected. The support material may further contain compounds such as alkali metals, halides, nitrogen, phosphorus, sulfur, gallium oxide, germanium oxide, indium oxide, manganese oxide, vanadium oxide and / or tungsten oxide as dopants or promoters. The nanoparticles have an average particle size ≥ 2 nm to ≦ 5 nm.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 031 502 A1 geht ein rohrförmiger thermoelektrischer Generator, der von einem Fluid durchströmt wird, hervor. Der Generator weist eine Innenoberfläche, die ein Innenvolumen radial außen begrenzt, und eine Außenoberfläche auf. In dem Innenvolumen befindet sich ein katalytisch beschichtetes Element, an dem exotherme Reaktionen von Bestandteilen der Motorabgase ablaufen. Hierdurch wird ein weiterer Wärmeeintrag in die TEE erzielt.From the German patent application DE 10 2010 031 502 A1 is a tubular thermoelectric generator, which is flowed through by a fluid out. The generator has an inner surface defining an inner volume radially outward and an outer surface. In the inner volume is a catalytically coated element, take place at the exothermic reactions of components of the engine exhaust. This achieves a further heat input into the TEE.

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 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 vorgeschlagen. Als Prototypen zur katalytischen Butan-Oxidation werden mit Platin beschichtete Sinter-Elemente auf der Basis von Nickel vorgeschlagen. Als Katalysatorträgermaterial soll Aluminiumoxid verwendet werden. Wie die TEE räumlich und funktionell zu dem Diffusionsbrenner angeordnet werden sollen, wird nicht beschrieben.This is the thesis of Ewald Maria Sütterlin, >> Catalytic Oxidation for Electricity Generation, Studies on Thermogenerator, Gas Oxidation and Injector Burner <<, Diplomica® Verlag GmbH, ISBN: 978-3-8366-5863-8, 2008 , proposed a catalytic butane diffusion burner as a heat source for TEE. As prototypes for catalytic butane oxidation platinum-coated sintered elements based on nickel are proposed. As a catalyst support material alumina should be used. It is not described how the TEEs are spatially and functionally arranged to the diffusion burner.

Aus der japanischen Patentanmeldung JP 2009027876 A ist ein tragbares TEE mit einem integrierten katalytischen Gasbrenner bekannt. Das Gerät umfasst eine rohrförmige Oxidationskammer mit einer rohrförmigen, wärmeleitfähigen Wand, einen Auslass für Abgase oberhalb der Oxidationskammer, einer Einlassvorrichtung für das Brenngas unterhalb der Oxidationskammer, TEE auf der Außenseite der wärmeleitfähigen Wand und Kühlrippen auf der kalten Seite der TEE. Innerhalb des Oxidationsraumes befinden sich plattenförmige Katalysatorfilter mit Löchern für den Gasdurchlass. Die plattenförmigen Katalysatorfilter sind aus einer Aluminium-Eisen-Chrom-Legierung, die noch Lanthanide enthalten kann, aufgebaut. Im Bereich der Ränder der Löcher befinden sich Aluminiumoxidschichten, worin Palladium/Platin-Katalysatoren eingelagert sind.From the Japanese patent application JP 2009027876 A is a portable TEE with an integrated catalytic gas burner known. The apparatus comprises a tubular oxidation chamber having a tubular, thermally conductive wall, an outlet for exhaust gases above the oxidation chamber, an inlet device for the fuel gas below the oxidation chamber, TEE on the outside of the thermally conductive wall, and cooling fins on the cold side of the TEE. Within the oxidation space are plate-shaped catalyst filter with holes for the gas passage. The plate-shaped catalyst filters are constructed of an aluminum-iron-chromium alloy, which may still contain lanthanides. In the area of the edges of the holes are aluminum oxide layers in which palladium / platinum catalysts are incorporated.

Aus der japanischen Patentanmeldung JP 2004064853 A ist ebenfalls ein tragbares TEE bekannt, das einen integrierten katalytischen Gasbrenner umfasst. Der Katalysator des Brenners befindet sich im Hohlraum zwischen zwei parallelen Platten mit TEE. Der Hohlraum und der Katalysator sind luftdurchlässig. Das Brenngas wird über einen Einlass in den Hohlraum geleitet. Die Luft wird in die beiden offenen Enden des Hohlraums eingesaugt. Zugleich dienen die beiden offenen Enden als Auslass für die Abgase.From the Japanese patent application JP 2004064853 A Also, a portable TEE is known that includes an integrated catalytic gas burner. The catalyst of the burner is located in the cavity between two parallel plates with TEE. The cavity and the catalyst are permeable to air. The fuel gas is passed through an inlet into the cavity. The air is sucked into the two open ends of the cavity. At the same time serve the two open ends as an outlet for the exhaust gases.

Aus der japanischen Patentanmeldung JP 2012105512 A ist ein TEE bekannt, das ebenfalls einen integrierten katalytischen Gasbrenner umfasst. Der Katalysator wird hergestellt, indem man eine Paste, die auf Oxidnanopartikeln geträgerte Nanopartikel aus Platin, Palladium oder Gold enthält, herstellt, in dem gewünschten Muster auf die Anordnung der TEE aufgedruckt und calciniert.From the Japanese patent application JP 2012105512 A a TEE is known that also includes an integrated catalytic gas burner. The catalyst is prepared by preparing a paste containing nanoparticles supported on oxide nanoparticles of platinum, palladium or gold, printed in the desired pattern on the arrangement of the TEE and calcined.

Ein Verfahren zur katalytischen Entfernung von Spuren von Methan in der Luft bei 220 bis 400°C ist aus der chinesischen Patentanmeldung CN 1718274 A bekannt. Als Katalysator wird auf Ceroxid geträgertes Palladium oder Platin verwendet.A method for the catalytic removal of traces of methane in the air at 220 to 400 ° C is known from the Chinese patent application CN 1718274 A known. The catalyst used is cerium oxide-supported palladium or platinum.

Aus der chinesischen Patentanmeldung CN 102000570 A ist die katalytische Oxidation von Methylbenzol bei 220 bis 300°C bekannt. Als Katalysator wird eine wabenförmige Keramik aus Pd/CeO.8ZrO.2O2 verwendet. From the Chinese patent application CN 102000570 A For example, the catalytic oxidation of methylbenzene at 220 to 300 ° C is known. The catalyst used is a honeycomb ceramic made of Pd / CeO.8 ZrO.2O 2 .

Aus der chinesischen Patentanmeldung CN 102407129 A ist ein Katalysator für die katalytische Oxidation von Methan bei 380 bis 545°C bekannt. Der Katalysator hat eine Kern-Schale-Struktur, wobei die Schale aus Perovskit und der Kern aus Yttrium-stabilisierten Zirkonnanopartikeln aufgebaut sind.From the Chinese patent application CN 102407129 A For example, a catalyst for the catalytic oxidation of methane at 380 to 545 ° C is known. The catalyst has a core-shell structure, with the shell of perovskite and the core of yttrium-stabilized zirconium nanoparticles.

Aus der taiwanesischen Patentanmeldung TW 201221214 A ist ein katalytisches Verfahren zum Entfernen von organischen Verbindungen aus der Luft bekannt. Als Katalysator wird ein Festbett aus auf Ceroxid geträgerten Palladium-Nanopartikeln einer Teilchengröße von 2 bis 6 nm verwendet.From the Taiwanese patent application TW 201221214 A For example, a catalytic process for removing organic compounds from the air is known. The catalyst used is a fixed bed of ceria-supported palladium nanoparticles with a particle size of 2 to 6 nm.

Aus dem 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 , ist ein Katalysator für die katalytische Oxidation von Methan bekannt, der aus Palladium-Nanopartikeln, die von Ceroxid-Nanopartikeln umhüllt sind, aufgebaut ist (= Pd@CeO2). Die Katalysatorpartikel sind an hydrophobierte Aluminiumoxidoberflächen gebunden.From the Article by M. Cargnello, JJ Delgado Jaén, JC Hernández Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, JJ Calvino Gámez, RJ Gorte and P. Fornasiero, "Exceptional Activity for Methane Combustion over Modular Pd @ CeO2 Subunits on Functionalized Al2O3", in Science, Vol. 337, pp. 713-717, 2012 , a catalyst for the catalytic oxidation of methane is known, which is composed of palladium nanoparticles, which are coated by ceria nanoparticles, is built (= Pd @ CeO 2 ). The catalyst particles are bound to hydrophobized alumina surfaces.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2013/145920 A1 sind ebenfalls Katalysatoren auf der Basis von Palladium, das auf einem anorganischen porösen Material aufgetragen ist, bekannt. Als Cokatalysator wird Ceroxid verwendet.From the international patent application WO 2013/145920 A1 Also, catalysts based on palladium coated on an inorganic porous material are known. The cocatalyst used is cerium oxide.

Aus der taiwanesischen Patentanmeldung TW 201323081 A ist die Herstellung von auf Ceroxid und Manganoxid geträgerten Palladium-Nanopartikeln bekannt. Die Materialien eignen sich für die katalytische Entfernung flüchtiger organischer Verbindungen bei 50 bis 250°C.From the Taiwanese patent application TW 201323081 A the production of ceria and manganese oxide supported palladium nanoparticles is known. The materials are suitable for the catalytic removal of volatile organic compounds at 50 to 250 ° C.

Aus der chinesischen Patentanmeldung CN 103143353 A ist ebenfalls die Herstellung von Palladium-Ceroxid-Nanopartikeln bekannt. Als Reduktionsmittel wird bei der Herstellung ein Pulver von cacumen biotae verwendet.From the Chinese patent application CN 103143353 A The production of palladium-ceria nanoparticles is also known. The reducing agent used in the preparation is a powder of cacumen biotae.

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

Figure DE102013022190A1_0002
Equation I
Figure DE102013022190A1_0002

Der Carnot-Wirkungsgrad ηc ist durch die Gleichung II gegeben: Gleichung II

Figure DE102013022190A1_0003
The Carnot efficiency η c is given by Equation II: Equation II
Figure DE102013022190A1_0003

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 auf Q = (T HH - T CC ) / R TEE on

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 auf ΔT = T HH - T CC on

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

Figure DE102013022190A1_0004
Equation VIII
Figure DE102013022190A1_0004

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 US 2010/0300504 A1 bekannten Sonnenkollektoren aber Materialen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten sozusagen unter Zwang zusammengefügt werden sollen, besteht in hohem Maße die Gefahr, dass die durch die hohen Temperaturdifferenzen und die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufenen mechanischen Spannungen früher oder später zu einer Schädigung der Sonnenkollektoren führen können, was ein wesentlicher Nachteil ist.As is known, however, occur in such solar panels temperature differences between the front and the rear side of up to 400 ° C. Since at the US 2010/0300504 A1 known solar panels but materials of different thermal expansion coefficients are to be joined so to speak under duress, there is a high risk that the induced by the high temperature differences and the different thermal expansion coefficients mechanical stresses may sooner or later lead to damage to the solar panels, which is a significant disadvantage is.

Um die Nachteile, die mit der Anwendung von Druck verbunden sind, zu beheben, wird in dem amerikanischen Patent US 6,232,545 B1 eine schindelförmige elektrische Netzwerkanordnung vorgeschlagen, die ein terrassenförmiges Substrat, einen isolierenden Film, eine Metallschicht aus Kupfer und thermophotovoltaische Zellen umfasst, die mit der Kupferschicht verbunden sind. Um durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene mechanischen Spannungen zu vermeiden, werden für die einzelnen Komponenten der Netzwerkanordnung Materialien mit ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten verwendet. So werden beispielsweise im Falle von GaSb-Zellen Cu/Invar/Cu-Laminate oder AlSiC als Substratmaterial verwendet. Nachteilig ist hierbei die eingeschränkte Auswahl der Materialien. To remedy the disadvantages associated with the application of pressure is disclosed in the American patent US 6,232,545 B1 proposed a shingled electrical network assembly comprising a terraced substrate, an insulating film, a metal layer of copper and thermophotovoltaic cells connected to the copper layer. In order to avoid mechanical stresses caused by different thermal expansion coefficients, materials with similar coefficients of expansion are used for the individual components of the network arrangement. For example, in the case of GaSb cells, Cu / Invar / Cu laminates or AlSiC are used as the substrate material. The disadvantage here is the limited choice of materials.

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 DE 33 14 166 A1 und DE 10 2008 005 334 A1 , das amerikanische Patent US 4,520,305 , die japanischen Patentanmeldungen JP S5975684 A und JP S60125181 A oder die internationalen Patentanmeldungen WO 2011/024138 A2 , WO 2011/120676 A2 und WO 2013/092394 A2 ).In addition, devices with TEEs are known in which the heat energy is conducted by means of heat pipes to the hot side of the TEE and / or from the cold side of the TEE to a heat sink (see the German patent applications DE 33 14 166 A1 and DE 10 2008 005 334 A1 , the American patent US 4,520,305 , the Japanese patent applications JP S5975684 A and JP S60125181 A or the international patent applications WO 2011/024138 A2 . WO 2011/120676 A2 and WO 2013/092394 A2 ).

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 (1) zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie gefunden, umfassend

  • – 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.
Accordingly, the new device ( 1 ) for direct generation of electrical energy from thermal energy, comprising
  • 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 (2) gelieferte thermische Energie mithilfe mindestens eines Wärmerohrs (3) zu der heißen Seite (4.1) mindestens eines thermoelektrischen Elements (4) transportiert wird, durch die zugeführte thermische Energie in dem mindestens einen thermoelektrischen Element (4) eine elektrische Spannung erzeugt wird und die restliche zugeführte thermische Energie von der der heißen Seite (4.1) gegenüberliegenden kalten Seite (4.2) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) einer Wärmesenke (5) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man hierfür die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet.In addition, the new process for the direct conversion of thermal energy into electrical energy has been found, in which the at least one heat source ( 2 ) supplied thermal energy by means of at least one heat pipe ( 3 ) to the hot side ( 4.1 ) at least one thermoelectric element ( 4 ) is transported by the supplied thermal energy in the at least one thermoelectric element ( 4 ) an electrical voltage is generated and the remaining supplied thermal energy from the hot side ( 4.1 ) opposite cold side ( 4.2 ) of the at least one thermoelectric element ( 4 ) a heat sink ( 5 ), characterized in that one uses the device according to the invention for this purpose.

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: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O As is known, the oxidation or combustion of methane proceeds according to the following equation: CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

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 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 , beschriebenen, katalytisch wirksamen Nanopartikel verwendet, die aus Palladium-Nanopartikeln, die von Ceroxid-Nanopartikeln umhüllt sind, aufgebaut sind (= Pd@CeO2).Very particularly preferred are those in the Article by M. Cargnello, JJ Delgado Jaén, JC Hernández Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, JJ Calvino Gámez, RJ Gorte and P. Fornasiero, "Exceptional Activity for Methane Combustion over Modular Pd @ CeO2 Subunits on Functionalized Al2O3", in Science, Vol. 337, pp. 713-717, 2012 , Catalytically active nanoparticles described, which are composed of palladium nanoparticles, which are coated by ceria nanoparticles, are built (= Pd @ CeO 2 ).

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 JP 2009027876 A in den 3(a)3(c), 4(a0)4(a2), 4(b0)4(b2) und 9(a)9(f) offenbarte Formen aufweisen.The gas permeability is ensured by breakthroughs through the plates. The number, size and shape of the breakthroughs can vary within wide limits. It is essential that down payment and size do not reduce the mechanical stability of the plates. Accordingly, the openings may for example be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, circular, elliptical, rectilinear or curved slot-shaped, zigzag or meandering or in the Japanese patent application JP 2009027876 A in the 3 (a) - 3 (c) . 4 (a0) - 4 (a2) . 4 (b0) - 4 (b2) and 9 (a) - 9 (f) have revealed forms.

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 US 2001/0039236 A1 , PT 102713 A , US 2009/0162414 A1 und US 2011/0163472 A1 oder den 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<< bekannt.Meso- and / or macroporous particles can be prepared from meso and / or macroporous ceramics, for example by grinding and sifting the ground products. Meso- and / or macroporous ceramics and processes for their preparation are known, for example, from the patents US 2001/0039236 A1 , PT 102713 A . US 2009/0162414 A1 and US 2011/0163472 A1 or the Publications of the Technology Licensing Office (TLB) of the Baden-Württembergische Hochschulen GmbH from 2012, >> New process with high savings potential: Macroporous ceramics and polymer foams from capillary suspensions <<, >> Macroporous ceramics and polymer foams: The manufacturing process and its advantages and >> Macroporous ceramics and polymer foams: Examples: Al2O3 ceramic and PVC polymer foam << known.

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 US 2001/0039236 A1 , PT 102713 A , US 2009/0162414 A1 und US 2011/0163472 A1 oder in den 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<< und >>Makroporöse Keramiken und Polymerschäume: Beispiele: Al2O3-Keramik und PVC-Polymerschaum<< offenbarten Verfahren hergestellt werden. Des Weiteren sind meso- und/oder makroporöse Sinterkörper aus der Diplomarbeit von 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<< , bekannt.The meso and / or macroporous sintered bodies can according to those in the patents US 2001/0039236 A1 . PT 102713 A . US 2009/0162414 A1 and US 2011/0163472 A1 or in the Publications of the Technology Licensing Office (TLB) of the Baden-Württembergische Hochschulen GmbH from 2012, >> New process with high savings potential: Macroporous ceramics and polymer foams from capillary suspensions <<, >> Macroporous ceramics and polymer foams: The manufacturing process and its advantages << and >> Macroporous ceramics and polymer foams: Examples: Al2O3 ceramic and PVC polymer foam << disclosed methods are produced. Furthermore, meso and / or macroporous sintered bodies from the diploma thesis of Ewald Maria Sütterlin, >> Catalytic Oxidation for Electricity Generation, Studies on Thermogenerator, Gas Oxidation and Injector Burners, Diplomica® Verlag GmbH, ISBN: 978-3-8366-5863-8, 2008, a catalytic butane diffusion burner as a heat source for TEE << , known.

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- ), 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.
In general, there are three temperature ranges when operating TEE
  • - 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 US 5,610,366 , Spalte 2, Seite 27, bis Spalte 3, Seite 32, bekannt.Further examples of suitable semiconducting materials are disclosed in US patent application US 2010/0229911 A1, page 1, paragraphs [0003] to [0011], or in the American patent US 5,610,366 , Column 2, page 27, to column 3, page 32, known.

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 US 5,610,366 , der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0229911 A1, der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993 A1 , der deutschen Patentanmeldung DE 101 12 383 A1 oder der 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 , beschrieben.Examples of suitable TEEs are described in detail in the US patent US 5,610,366 , the American patent application US 2010/0229911 A1, the international patent application WO 97/44993 A1 , the German patent application DE 101 12 383 A1 or the Company publication of Hi-Z Technology Inc., "Use, Application and Testing or Hi-Z Termoelectric Modules", authors: FA Levitt, NB Elsner and JC Bass , described.

Vorzugsweise werden thermoelektrischen Module in ”eggcrate”-Konfiguration (Eierkarton-Konfiguration) verwendet, wie sie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993 , Seite 2, letzter Absatz, bis Seite 15, letzter Absatz, in Verbindung mit den 1A bis 14 und 27 beschrieben werden. Insbesondere werden die Module Hi-Z 20, der Firma Hi-Z Technology Inc., USA, in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendet. Dabei können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung einzelne oder mehrere TEE gleichzeitig thermisch kontaktiert werden.Preferably thermoelectric modules are used in "eggcrate" configuration (egg-box configuration), as described for example in the international patent application WO 97/44993 , Page 2, last paragraph, to page 15, last paragraph, in conjunction with the 1A to 14 and 27 to be discribed. In particular, the modules Hi-Z 20, Hi-Z Technology Inc., USA, are used in the devices according to the invention. In the device according to the invention, one or more TEEs can be thermally contacted simultaneously.

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 1 anhand der 1 bis 13 beispielhaft erläutert. Bei den 1 bis 13 handelt es sich um schematische Darstellungen, die das Prinzip der Erfindung veranschaulichen sollen. Die Größenverhältnisse müssen daher auch nicht den in der Praxis angewandten Größenverhältnissen entsprechen.In the following, the device according to the invention 1 based on 1 to 13 exemplified. Both 1 to 13 they are schematic representations intended to illustrate the principle of the invention. The size ratios must therefore not correspond to the size ratios used in practice.

Die 1 zeigt das Konstruktions- und Wirkungsprinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, worin die Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation über ein Wärmerohr elektrisch isoliert und wärmeleitend mit den heißen Seiten mindestens zweier TEE verbunden ist und die kalten Seiten der mindestens zwei TEE in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit jeweils mindestens einer Wärme ableitenden Vorrichtung oder Wärmesenke steht.The 1 shows the construction and operation principle of a device according to the invention 1 in which the apparatus for flameless catalytic oxidation is electrically insulated via a heat pipe and thermally conductively connected to the hot sides of at least two TEE and the cold sides of the at least two TEE in electrically insulating, thermally conductive contact with at least one heat dissipating device or heat sink.

Die 2 zeigt das Konstruktions- und Wirkungsprinzip einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, worin die Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation über ein Wärmerohr elektrisch isoliert und wärmeleitend mit den heißen Seiten mindestens zweier TEE verbunden ist und die kalten Seiten der mindestens zwei TEE in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit mindestens zwei weiteren Wärmerohren stehen, die die restliche Wärme zu jeweils mindestens einer Wärmesenke leiten. The 2 shows the construction and action principle of another device according to the invention 1 wherein the flameless catalytic oxidation device is electrically insulated via a heat pipe and thermally conductively connected to the hot sides of at least two TEEs and the cold sides of the at least two TEEs are in electrically insulating, thermally conductive contact with at least two further heat pipes which supply the remaining heat each lead at least one heat sink.

Die 3 zeigt das Konstruktions- und Wirkungsprinzip einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in monolithischer Bauweise, worin die Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen über ein Wärmerohr elektrisch isoliert und wärmeleitend mit den heißen Seiten mindestens zweier TEE verbunden ist und die kalten Seiten der mindestens zwei TEE in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt jeweils mit mindestens einer Wärmesenke stehen.The 3 shows the construction and action principle of another device according to the invention 1 in monolithic construction, wherein the apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons is electrically insulated via a heat pipe and thermally conductively connected to the hot sides of at least two TEE and the cold sides of the at least two TEE are in electrically insulating, heat-conducting contact each with at least one heat sink.

Die 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der 3, worin die heißen Seiten von vier TEE in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit einem Wärmerohr und die kalten Seiten der TEE in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit jeweils mindestens einer Wärmesenke stehen.The 4 shows a section along the line AA through the device according to the invention 1 according to the 3 wherein the hot sides of four TEEs are in thermally conductive, electrically insulating contact with a heat pipe and the cold sides of the TEE are in thermally conductive, electrically insulating contact with at least one heat sink.

Die 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie B-B durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der 3, worin der die thermische Energie aufnehmende Bereich des Wärmerohres im Reaktionsraum der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit mindestens einem gasdurchlässigen Katalysatorträger in thermischem Kontakt steht.The 5 shows a section along the line BB through the device according to the invention 1 according to the 3 wherein the thermal energy absorbing portion of the heat pipe is in thermal contact with at least one gas permeable catalyst carrier in the reaction space of the apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons.

Die 6 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Längsschnittes durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der 3 im Bereich der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit mindestens drei parallel zueinander angeordneten, gasdurchlässigen Katalysatorträgern, die den die thermische Energie aufnehmenden Bereich des Wärmerohres konzentrisch umgeben.The 6 shows an enlarged section of the longitudinal section through the device according to the invention 1 according to the 3 In the field of apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons having at least three mutually parallel, gas-permeable catalyst carriers surrounding the thermal energy receiving portion of the heat pipe concentric.

Die 7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Bereichs des gasdurchlässigen Katalysatorträgers gemäß der 6 mit einem Gasdurchlass.The 7 shows an enlarged section of a portion of the gas-permeable catalyst support according to the 6 with a gas passage.

Die 8 zeigt einen weiteren vergrößerten Ausschnitt eines Bereichs des gasdurchlässigen Katalysatorträgers gemäß der 7 mit der katalytischen Oberfläche.The 8th shows a further enlarged section of a portion of the gas-permeable catalyst support according to the 7 with the catalytic surface.

Die 9 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Befestigungsbereichs des Wärmerohrs der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 3.The 9 shows an enlarged section of the mounting portion of the heat pipe of the device according to the invention 1 according to the 3 ,

Die 10 zeigt einen weiteren vergrößerten Ausschnitt des Befestigungsbereichs des Wärmerohrs der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 3.The 10 shows a further enlarged section of the mounting portion of the heat pipe of the device according to the invention 1 according to the 3 ,

Die 11 zeigt die Seitenansicht des Wärmerohrs der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 3 in Blickrichtung auf die Befestigungsflansche und den Durchbruch.The 11 shows the side view of the heat pipe of the device according to the invention 1 according to the 3 in the direction of the mounting flanges and the opening.

Die 12 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, worin ein Wirbelschichtreaktor mit Zyklon zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen verwendet wird.The 12 shows a further advantageous embodiment of the device according to the invention 1 in which a fluidized bed reactor with cyclone is used for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons.

13 zeigt eine Vorrichtung zur flammenlosen, katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, worin der Reaktionsraum mindestens einen makroporösen Sinterkörper enthält. 13 shows an apparatus for flameless, catalytic oxidation of hydrocarbons, wherein the reaction space contains at least one macroporous sintered body.

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 sheets 2.7
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 one fastening 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 one fastening 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 Verankerungsteilen 13 angle-shaped, electrically and thermally insulating connecting parts 13 between two electrically and thermally insulating anchoring 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 the invention 1
B-BB-B
zweite Schnittlinie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 second section line through the device according to the invention 1
LL
Längsachse der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 Longitudinal axis of the device according to the invention 1

Die 1 veranschaulicht das allgemeine Konstruktions- und Funktionsprinzip anhand eines Längsschnitts durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1.The 1 illustrates the general construction and operating principle based on a longitudinal section through the device according to the invention 1 ,

Über die Einlassvorrichtung 2.2 wurden die Reaktionsgase 2.3, vorliegend Luft und Erdgas, dem Reaktionsraum 2.1 der Wärmequelle 2 zugeführt. Das Verhältnis von Luft zu Erdgas wurde hier und bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen so eingestellt, dass das Erdgas vollständig oxidiert, d. h. verbrannt, werden konnte. Der Reaktionsraum 2.1 wurde von der Wandung 2.6 gas- und fluiddicht umschlossen. In dem Reaktionsraum 2.1 wurde das Erdgas mithilfe des Luftsauerstoffs an einem Katalysator vollständig flammenlos bei 250°C oxidiert. Die Abgase 2.5 der Oxidation, vorliegend Kohlendioxid, Wasser und unverbrauchte Luft, wurden über die Auslassvorrichtung 2.4 aus dem Reaktionsraum 2.1 geleitet.About the inlet device 2.2 became the reaction gases 2.3 , in the present case air and natural gas, the reaction space 2.1 the heat source 2 fed. The ratio of air to natural gas has been adjusted here and in the embodiments described below so that the natural gas could be completely oxidized, ie burned. The reaction space 2.1 was from the wall 2.6 enclosed gas- and fluid-tight. In the reaction room 2.1 the natural gas was oxidized completely flamelessly at 250 ° C by means of atmospheric oxygen on a catalyst. The exhaust gases 2.5 the oxidation, in this case carbon dioxide, water and unused air, were via the outlet device 2.4 from the reaction space 2.1 directed.

Der Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3, der die von der Wärmequelle 2 gelieferte thermische Energie aufnahm, ragte in den Reaktionsraum 2.1 hinein. Das Wärmerohr 3 wurde von der gas- und fluiddichten Wandung 3.2 vollständig umschlossen. Durch die aufgenommene thermische Energie wurde die arbeitende Flüssigkeit des Wärmerohrs 3, vorliegend Wasser, verdampft und über den verbindenden Bereich 3.1 dem die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 zugeführt. Dort kondensierte die arbeitende Flüssigkeit auf den heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 der beiden TEE 4a und 4b. Die aufgenommene thermische Energie floss von den beiden heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 zu den beiden kalten Seiten 4a.2 und 4b.2 und erzeugte dabei in den TEE 4a und 4b eine Spannung, die an den beiden elektrischen Anschlüssen 6a und 6b abgegriffen werden konnte. Die restliche thermische Energie wurde dann von den kalten Seiten 4a.2 und 4b.2 den beiden Wärmesenken 5a und 5b zugeführt.The area 3.3 of the heat pipe 3 that from the heat source 2 supplied thermal energy, projected into the reaction space 2.1 into it. The heat pipe 3 was from the gas and fluid-tight wall 3.2 completely enclosed. By the absorbed thermal energy became the working liquid of the heat pipe 3 , in the present case water, evaporated and over the connecting area 3.1 the thermal energy emitting area 3.4 fed. There the working liquid condensed on the hot sides 4a.1 and 4b.1 the two TEE 4a and 4b , The absorbed thermal energy flowed from the two hot sides 4a.1 and 4b.1 to the two cold sides 4a.2 and 4b.2 and thereby generated in the TEE 4a and 4b a voltage applied to the two electrical connections 6a and 6b could be tapped. The remaining thermal energy was then from the cold sides 4a.2 and 4b.2 the two heat sinks 5a and 5b fed.

Die 2 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip einer bevorzugten Ausführungsform anhand eines Längsschnitts durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1.The 2 illustrates the construction and operation principle of a preferred embodiment with reference to a longitudinal section through the device according to the invention 1 ,

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 2 wies die Vorrichtung 2 zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Methan ebenfalls eine Einlassvorrichtung 2.2 aus Edelstahl für Luft und Erdgas als Reaktionsgase 2.3 auf. In dem von der Wandung 2.6 aus Edelstahl umschlossenen Reaktionsraum 2.1 wurde das Erdgas bei 250°C durch den Luftsauerstoff vollständig flammenlos katalytisch oxidiert. Die Abgase wurden über die Auslassvorrichtung 2.4 aus Edelstahl aus dem Reaktionsraum 2.1 abgeleitet.In the device according to the invention 1 according to the 2 dismissed the device 2 for flameless catalytic oxidation of methane also an inlet device 2.2 made of stainless steel for air and natural gas as reaction gases 2.3 on. In the wall 2.6 Stainless steel enclosed reaction space 2.1 the natural gas was catalytically oxidized completely flameless at 250 ° C by the atmospheric oxygen. The exhaust gases were via the outlet device 2.4 made of stainless steel from the reaction chamber 2.1 derived.

Die von der Wärmequelle 2 gelieferte thermische Energie wurde von dem thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3 aufgenommen. Die Wandung 3.2 des Wärmerohrs 3 bestand aus Kupfer und war 3 mm stark. Das Wärmerohr 3 enthielt eine aus elektrisch isolierenden Keramikfasern gebildete Kapillarstruktur (nicht wiedergegeben). Als arbeitende Flüssigkeit wurde Wasser verwendet. Die Betriebstemperatur des Wärmerohrs 3 lag bei 250°C.The from the heat source 2 supplied thermal energy was from the thermal energy absorbing area 3.3 of the heat pipe 3 added. The wall 3.2 of the heat pipe 3 consisted of Copper and was 3 mm thick. The heat pipe 3 contained a capillary structure formed of electrically insulating ceramic fibers (not shown). Water was used as working liquid. The operating temperature of the heat pipe 3 was at 250 ° C.

Die aufgenommene thermische Energie wurde über den in einem Winkel von 90° gebogenen Verbindungsbereich 3.1 durch die arbeitende Flüssigkeit dem die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 zugeführt. Dort kondensierte das Wasser auf den beiden heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 der beiden TEE 4a und 4b.The absorbed thermal energy was over the bent at an angle of 90 ° connection area 3.1 by the working fluid to the thermal energy emitting area 3.4 fed. There the water condensed on the two hot sides 4a.1 and 4b.1 the two TEE 4a and 4b ,

Als TEE 4a und 4b wurden bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 2 zwei Thermosäulen aus TEE in ”eggcrate”-Konfiguration (Eierkarton-Konfiguration) verwendet, wie sie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993 , Seite 2, letzter Absatz, bis Seite 15, letzter Absatz, in Verbindung mit den 1A bis 14 und 27 beschrieben werden. Insbesondere wurden die Module Hi-Z 20, der Firma Hi-Z Technology, Inc., USA, in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1 verwendet.As TEE 4a and 4b were in the embodiment of the device according to the invention 1 according to the 2 two thermopiles made of TEE in "eggcrate" configuration (egg-box configuration) used, as for example in the international patent application WO 97/44993 , Page 2, last paragraph, to page 15, last paragraph, in conjunction with the 1A to 14 and 27 to be discribed. In particular, the Hi-Z 20 modules, Hi-Z Technology, Inc., USA, have been incorporated into the devices of the invention 1 used.

Beide Thermosäulen 4a und 4b wiesen elektrische Anschlüsse 6a und 6b auf.Both thermopiles 4a and 4b had electrical connections 6a and 6b on.

Ihre kalten Seite 4a.2 und 4b.2 waren von jeweils einer elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht 11a und 11b aus Aluminiumnitrid bedeckt. Die Schichten 11a und 11b bildeten die Kontaktflächen mit den die restliche thermische Energie aufnehmenden Bereichen 3a.3 und 3b.3 der beiden in einem Winkel von 90° gebogenen Wärmerohre 3a und 3b mit den Wandungen 3a.2 und 3b.2. Diese Wärmerohre wiesen den gleichen Aufbau wie das Wärmerohr 3 auf.Your cold side 4a.2 and 4b.2 were each of an electrically insulating, thermally conductive layer 11a and 11b covered by aluminum nitride. The layers 11a and 11b formed the contact surfaces with the remaining thermal energy absorbing areas 3a.3 and 3b.3 the two bent at an angle of 90 ° heat pipes 3a and 3b with the walls 3a.2 and 3b.2 , These heat pipes had the same structure as the heat pipe 3 on.

Die aufgenommene restliche thermische Energie wurde über die beiden Übergangsbereiche 3a.1 und 3b.1 zu den die thermische Energie aufnehmenden Bereichen 3a.4 und 3b.4 geleitet. Diese standen in thermischem Kontakt mit den beiden Wärmesenken 5a und 5b.The absorbed residual thermal energy was transferred over the two transition areas 3a.1 and 3b.1 to the thermal energy absorbing areas 3a.4 and 3b.4 directed. These were in thermal contact with the two heat sinks 5a and 5b ,

Die Wärmesenken 5a und 5b bestanden aus massiven Aluminiumblöcken, die Kanäle für wärmeabsorbierende Fluide, vorliegend VE-Wasser, enthielten (nicht wiedergegeben).The heat sinks 5a and 5b consisted of solid aluminum blocks containing channels for heat absorbing fluids, in this case dem. water, (not shown).

Die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der 2 war bis auf die beiden Wärmesenken von einem wärmeisolierenden Material 7 umhüllt. Als wärmeisolierendes Material 7 wurde Glasschaum verwendet.The entire device according to the invention 1 according to the 2 was up to the two heat sinks of a heat-insulating material 7 envelops. As a heat-insulating material 7 Glass foam was used.

Anhand der Ausführungsform gemäß der 2 konnte gezeigt werden, dass es die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in besonders vorteilhafter Weise gestattete, die wesentlichen Komponenten räumlich beliebig anzuordnen, ohne die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu beeinträchtigen.With reference to the embodiment according to the 2 could be shown that it is the device according to the invention 1 in a particularly advantageous manner allowed to arrange the essential components spatially arbitrary, without the function of the device according to the invention 1 to impair.

Die 3 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anhand ihres Längsschnitts längs ihrer Längsachse L.The 3 illustrates the design and operation principle of another preferred embodiment of the device according to the invention 1 by its longitudinal section along its longitudinal axis L.

Die Vorrichtung 1 gemäß der 3 hatte einen besonders vorteilhaften kompakten Aufbau. Luft und Erdgas wurden als Reaktionsgase 2.3 über die Einlassvorrichtung 2.2 aus Edelstahl in den Reaktionsraum 2.1 der Vorrichtung 2 für die flammenlose katalytische Oxidation geleitet. Der Reaktionsraum 2.1 war von einer zylindrischen Wand 2.6 aus 4 mm starken Edelstahl vollständig gas- und fluiddicht umschlossen. Die Abgase 2.5 wurden über die Auslassvorrichtung 2.4 aus dem Reaktionsraum 2.1 geleitet. Der Durchmesser des Reaktionsraums 2.1 lag durchgehend bei 10 cm, seine Höhe bei 15 cm.The device 1 according to the 3 had a particularly advantageous compact design. Air and natural gas were used as reaction gases 2.3 via the inlet device 2.2 made of stainless steel in the reaction chamber 2.1 the device 2 for flameless catalytic oxidation. The reaction space 2.1 was from a cylindrical wall 2.6 completely enclosed gas-tight and fluid-tight from 4 mm thick stainless steel. The exhaust gases 2.5 were over the outlet device 2.4 from the reaction space 2.1 directed. The diameter of the reaction space 2.1 was consistently 10 cm, its height 15 cm.

Der Reaktionsraum enthielt mehrere parallel zueinander und übereinander angeordnete gasdurchlässige Katalysatorträger 2.7 aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung in konzentrischer Anordnung um den die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3. Sie wiesen einen Durchmesser von 9,9 cm, einen kreisförmigen Umriss, eine Stärke von 2 mm und in ihrer Mitte eine die Wandung 3.2 des Wärmerohrs 3 umlaufende Bohrung auf. Sie standen zur Längsachse L in einem Winkel von 90°. Sie waren so angeordnet, dass ihre Kanten weder die Wandung 3.2 des Wärmerohrs 3 noch die Wandung 2.6 der Wärmequelle 2 berührten. Der oberste gasdurchlässige Katalysatorträger 2.7 war unterhalb der Auslassrichtung 2.4 angeordnet, so dass sich im oberen Bereich des Reaktionsraums 2.1 eine offene Zone befand, die die bessere Ableitung der Reaktionsgase 2.5 gestattete.The reaction space contained a plurality of gas-permeable catalyst supports arranged parallel to one another and one above the other 2.7 of an iron-chromium-aluminum alloy in concentric arrangement around the thermal energy absorbing area 3.3 of the heat pipe 3 , They had a diameter of 9.9 cm, a circular outline, a thickness of 2 mm and in the middle of a wall 3.2 of the heat pipe 3 circumferential hole on. They stood to the longitudinal axis L at an angle of 90 °. They were arranged so that their edges neither the wall 3.2 of the heat pipe 3 still the wall 2.6 the heat source 2 touched. The topmost gas-permeable catalyst support 2.7 was below the outlet direction 2.4 arranged so that in the upper area of the reaction space 2.1 an open zone, which was the better derivation of the reaction gases 2.5 allowed.

Die Katalysatorträger 2.7 wurden in dieser Anordnung von einem Gestänge gehalten (nicht wiedergegeben).The catalyst supports 2.7 were held in this arrangement by a linkage (not shown).

Im unteren Bereich des Reaktionsraums 2.1 waren unterhalb des unteren Endes des Wärmerohrs 3 aber oberhalb der Einlassvorrichtung 2.2 mehrere gasdurchlässige Katalysatorträger 8.1 angeordnet, die im Wesentlichen wie die Katalysatorträger aufgebaut und angeordnet waren, nur dass sie in ihrer Mitte keine Bohrung aufwiesen. Stattdessen waren sie mit einer Zündvorrichtung 8 verbunden, mit deren Hilfe die Katalysatorträger 8.1 auf die Zündtemperatur für die in den Reaktionsraum 2.1 einströmenden Reaktionsgase 2.3 gebracht wurden. Nach dem Starten der flammenlosen katalysierten Oxidation des Erdgases lief diese im gesamten Reaktionsraum 2.1 ohne die Zufuhr von Energie von außen sich selbst erhaltend ab, weswegen die Zündvorrichtung 8 abgeschaltet werden konnte. In the lower part of the reaction space 2.1 were below the lower end of the heat pipe 3 but above the inlet device 2.2 several gas-permeable catalyst supports 8.1 arranged, which were constructed and arranged substantially like the catalyst support, except that they had no hole in their middle. Instead, they were with a detonator 8th connected, with the help of the catalyst support 8.1 to the ignition temperature for in the reaction space 2.1 incoming reaction gases 2.3 were brought. After starting the flameless catalyzed oxidation of the natural gas, this ran throughout the reaction space 2.1 without the supply of energy from the outside self-sustaining, which is why the ignition device 8th could be switched off.

Die Katalysatorträger 2.7 und 8.1 wiesen enge schlitzförmige Gasdurchlässe 2.8 auf (vgl. die 5). Weitere Details der Katalysatorträger 2.7 finden sich in den 6 bis 8.The catalyst supports 2.7 and 8.1 had narrow slot-shaped gas outlets 2.8 on (see the 5 ). Further details of the catalyst support 2.7 can be found in the 6 to 8th ,

Der die thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3 war in dem Reaktionsraum 2.1 in den mittigen Bohrungen der gasdurchlässigen Katalysatorträger zentriert angeordnet. Oberhalb des Reaktionsraums 2.1 schloss sich der Verbindungsbereich 3.1 des Wärmerohrs 3 an, durch den die aufgenommene thermische Energie mithilfe der arbeitenden Flüssigkeit in den die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 transportiert wurde. Die Bereiche 3.1 und 3.3 waren zusammen 20 cm lang und wiesen einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 3 cm auf. Die Stärke der Wandung 3.2 aus Kupfer betrug 3 mm. Die Bereiche 3.1, 3.3 und 3.4 waren mit einer aus elektrisch isolierenden Keramikfasern gebildeten Kapillarstruktur gefüllt (nicht wiedergegeben).The thermal energy absorbing area 3.3 of the heat pipe 3 was in the reaction room 2.1 centered in the central bores of the gas-permeable catalyst carrier. Above the reaction space 2.1 the connection area closed 3.1 of the heat pipe 3 through which the absorbed thermal energy using the working fluid in the thermal energy emitting area 3.4 was transported. The areas 3.1 and 3.3 together were 20 cm long and had a circular cross section with a diameter of 3 cm. The strength of the wall 3.2 made of copper was 3 mm. The areas 3.1 . 3.3 and 3.4 were filled with a capillary structure formed of electrically insulating ceramic fibers (not shown).

An das obere Ende des Verbindungsbereichs 3.1 schloss sich der die thermische Energie abgebende Bereich 3.4 des Wärmerohrs 3 an. Die obere, kreisförmige Öffnung des Verbindungsbereichs 3.1 war in der Mitte des Bodens des die thermische Energie abgebenden Bereichs 3.4 angeordnet. Der Bereich 3.4 selbst wies eine quaderförmige Geometrie mit quadratischem Querschnitt mit den folgenden Kantenlängen: Höhe: 10 cm; Breite: 8 cm; auf.To the top of the connection area 3.1 joined the thermal energy emitting area 3.4 of the heat pipe 3 at. The upper, circular opening of the connection area 3.1 was in the middle of the bottom of the thermal energy emitting area 3.4 arranged. The area 3.4 itself had a cuboid geometry with square cross section with the following edge lengths: height: 10 cm; Width: 8 cm; on.

Am oberen Ende und am Boden des Bereichs 3.4 ging die Wandung 3.2 in die umlaufenden Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 über (zu weiteren Details vgl. die 4, 9 und 10). Die Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 waren vertikal zu der horizontal verlaufenden Wandung 3.2 am Ende und am Boden des Bereichs 3.4 angeordnet und wiesen eine vertikale Höhe von 2 cm auf.At the top and bottom of the area 3.4 went the wall 3.2 in the circumferential mounting flanges 3a.5 and 3b.5 about (for further details see the 4 . 9 and 10 ). The mounting flanges 3a.5 and 3b.5 were vertical to the horizontal wall 3.2 at the end and at the bottom of the area 3.4 arranged and had a vertical height of 2 cm.

Die Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 waren auf ihren gesamten Seitenflächen in vollflächig planarem Kontakt mit einem umlaufenden, massiven, elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteil 13 (vgl. die Schnitte: 13a und 13b) für Schrauben 14 (zu weiteren Details vgl. die 9 und 10). Die Verankerungsteile 13a und 13b wiesen einen rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe von 3 cm auf. Ihrer Breite war jeweils gleich der Dicke der TEE 44a und 4b plus die Stärke der elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 12a und 12b. Die oberen und unteren Oberflächen der Verankerungsteile 13a und 13b schlossen bündig mit den oberen bzw. unteren Oberflächen der umlaufenden Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 ab, so dass die gegenüberliegenden Enden jeweils 0,5 cm in die Durchbrüche in der Wandung 3.2 hineinragten. Die Verankerungsteile 13a und 13b waren aus PTFE gefertigt.The mounting flanges 3a.5 and 3b.5 were on their entire side surfaces in full surface planar contact with a circumferential, solid, electrically and thermally insulating anchoring part 13 (see the sections: 13a and 13b ) for screws 14 (for further details see the 9 and 10 ). The anchoring parts 13a and 13b had a rectangular cross-section with a height of 3 cm. Their width was equal to the thickness of the TEE 44a and 4b plus the strength of the electrically insulating, thermally conductive layers 12a and 12b , The upper and lower surfaces of the anchoring parts 13a and 13b closed flush with the upper and lower surfaces of the peripheral mounting flanges 3a.5 and 3b.5 off, leaving the opposite ends each 0.5 cm in the openings in the wall 3.2 in rose. The anchoring parts 13a and 13b were made of PTFE.

Die Wandung 3.2 des Bereichs 3.4 wies vier zentriert angeordnete rechteckige Durchbrüche der Abmessungen: Höhe: 10 cm; Breite 6 cm; auf, so dass die Wandung 3.2 des Bodens des Bereichs 3.4 mit der Wandung 3.2 seines oberen Endes über vier vertikale, 10 cm lange, winkelförmige Streben 3.6 (nicht wiedergegeben; vgl. hierzu die 4) miteinander verbunden waren. Die vier winkelförmigen Streben 3.6 waren somit integraler Bestandteil der Wandung 3.2.The wall 3.2 of the area 3.4 had four centered rectangular openings of dimensions: height: 10 cm; Width 6 cm; on, leaving the wall 3.2 the bottom of the area 3.4 with the wall 3.2 its upper end over four vertical, 10 cm long, angular struts 3.6 (not reproduced, see the 4 ) were interconnected. The four angular struts 3.6 were thus an integral part of the wall 3.2 ,

Im Bereich der Kanten der rechteckigen Durchbrüche waren die elektrisch leitfähigen, gas- und fluiddichten Dichtungen 10a und 10b auf der Basis von kupfergefülltem Polydimethylsiloxan (PDMS) angeordnet, die den die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 nach außen hin abdichteten. Sie schlossen bündig mit der Oberfläche der elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteile 13a und 13b und mit den Kanten der elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 11a und 11b auf der Basis von PDMS, die die heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 der TEE 4a und 4b bedeckten, ab. In dieser Weise war gewährleistet, dass die TEE nicht in elektrischen Kontakt mit der Wandung 3.2 und den Dichtungen 10a und 10b treten konnten.In the area of the edges of the rectangular openings were the electrically conductive, gas and fluid-tight seals 10a and 10b arranged on the basis of copper-filled polydimethylsiloxane (PDMS), which is the thermal energy-emitting area 3.4 sealed to the outside. They were flush with the surface of the electrically and thermally insulating anchoring parts 13a and 13b and with the edges of the electrically insulating, thermally conductive layers 11a and 11b on the basis of PDMS, which are the hot sides 4a.1 and 4b.1 the tea 4a and 4b covered, off. In this way it was ensured that the TEE was not in electrical contact with the wall 3.2 and the seals 10a and 10b could kick.

Die elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 11a und 11b wiesen auf ihren Oberflächen, die dem Inneren des Bereichs 3.4 zugekehrt waren, strukturierte Oberflächen 11a.1 und 11b.1 aus thermisch leitfähigen Nanopartikeln auf.The electrically insulating, thermally conductive layers 11a and 11b indicated on their surfaces the interior of the area 3.4 turned, textured surfaces 11a.1 and 11b.1 made of thermally conductive nanoparticles.

Die elektrischen Leitungen, die die TEE 4a und 4b mit den elektrischen Anschlüssen 6a und 6b verbanden, wurden durch die oberen Verankerungsteile 13a und 13b geführt. The electrical wires that make up the TEE 4a and 4b with the electrical connections 6a and 6b were joined by the upper anchoring parts 13a and 13b guided.

Die kalten Seiten 4a.2 und 4b.2 waren mit den elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 12a und 12b aus Aluminiumnitrid bedeckt. Diese standen in direktem Kontakt mit den Wärmesenken 5a und 5b. Diese wurden von Aluminiumblöcken 5a.1 und 5b.2, die Kanäle 5a.2 und 5b.2 für zirkulierendes Wasser als wärmeabsorbierende Fluid aufwiesen, gebildet.The cold sides 4a.2 and 4b.2 were with the electrically insulating, thermally conductive layers 12a and 12b covered by aluminum nitride. These were in direct contact with the heat sinks 5a and 5b , These were made of aluminum blocks 5a.1 and 5B.2 , the channels 5a.2 and 5B.2 for circulating water as heat-absorbing fluid.

Bis auf die Wärmesenken 5a und 5b waren alle Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 3 mit Glasschaum 7 thermisch isoliert.Except for the heat sinks 5a and 5b were all components of the device according to the invention 1 according to the 3 with glass foam 7 thermally insulated.

Die Vorrichtung der 3 war kompakt, robust, lagerfähig, transportfähig, betriebssicher und von langer Betriebsdauer. Die Ausbeute an elektrischen Strom was signifikant höher als bei entsprechenden Vorrichtungen des Standes der Technik. Desgleichen war die Nutzung der von der Wärmequelle 2 gelieferten thermischen Energie besonders effektiv.The device of 3 was compact, sturdy, storable, transportable, reliable and long service life. The yield of electric current was significantly higher than corresponding prior art devices. Similarly, the use of the heat source 2 delivered thermal energy particularly effective.

Die 4 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 3 anhand des Schnittes längs der Linie A-A in 3.The 4 illustrates the construction and operation principle of the preferred embodiment of the device according to the invention 1 according to the 3 from the section along the line AA in 3 ,

Wie vorstehend beschrieben, öffnete sich das obere Ende des Verbindungsbereichs 3.1 des Wärmerohrs 3 zu dem die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4.As described above, the upper end of the connection portion opened 3.1 of the heat pipe 3 to the thermal energy emitting area 3.4 ,

Der die thermische Energie abgebende Bereich 3.4 wurde hauptsächlich von den vier elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 11a, 11b, 11c und 11d begrenzt, die in die vier Durchbrüche durch die Wandung eingepasst waren und bündig an die elektrisch leitfähigen Dichtungen 10a, 10b, 10c und 10d und die heißen Seiten 4a.1, 4b.1, 4c.1 und 4d.1 anstießen. Die Schichten 11a, 11b, 11c und 11d trugen auf ihrer dem Innenraum des Bereichs 3.4 zugewandten Oberfläche die strukturierten Oberflächen 11a.1, 11b.1, 11c.1 und 11d.1.The thermal energy emitting area 3.4 was mainly from the four electrically insulating, thermally conductive layers 11a . 11b . 11c and 11d limited, which were fitted in the four openings through the wall and flush with the electrically conductive seals 10a . 10b . 10c and 10d and the hot sides 4a.1 . 4b.1 . 4c.1 and 4d.1 clinked. The layers 11a . 11b . 11c and 11d carried on their the interior of the area 3.4 facing surface of the structured surfaces 11a.1 . 11b.1 . 11c.1 and 11d.1 ,

Die Dichtungen 10a, 10b, 10c und 10d waren so gestaltet, dass jede Dichtung 10a, 10b, 10c und 10d an die innere Oberfläche der vertikalen, winkelförmigen Streben und an die Kanten zweier benachbarter elektrisch isolierender, thermisch leitfähiger Schichten 11a, 11b, 11c und 11d bündig anschloss.The seals 10a . 10b . 10c and 10d were designed so that every seal 10a . 10b . 10c and 10d to the inner surface of the vertical, angular struts and to the edges of two adjacent electrically insulating, thermally conductive layers 11a . 11b . 11c and 11d flush connected.

Längs jeder winkelförmigen Strebe 3a.6, 3b.6, 3c.6 und 3d.6 war ein massives, winkelförmiges, thermisch und elektrisch isolierendes Verbindungsteil 13a, 13b, 13c und 13d zwischen den zwei Verankerungsteilen 13a und 13b, die die Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 umschlossen, passgenau angeordnet. Die Verbindungsteile 13a, 13b, 13c und 13d bestanden wie die zwei Verankerungsteile 13a und 13b aus PTFE. Die aneinander anstoßenden Oberflächen der beiden Verbindungsteile 13a, 13b, 13c und 13d und der zwei Verankerungsteile 13a und 13b wiesen Zapfen und komplementäre Vertiefungen zur Steigerung der mechanischen Festigkeit der Anordnung auf (nicht wiedergegeben).Along each angle-shaped strut 3A.6 . 3B.6 . 3c.6 and 3d.6 was a massive, angular, thermally and electrically insulating connector 13a . 13b . 13c and 13d between the two anchoring parts 13a and 13b holding the mounting flanges 3a.5 and 3b.5 enclosed, accurately arranged. The connecting parts 13a . 13b . 13c and 13d passed like the two anchoring parts 13a and 13b made of PTFE. The abutting surfaces of the two connecting parts 13a . 13b . 13c and 13d and the two anchoring parts 13a and 13b had pins and complementary recesses to increase the mechanical strength of the assembly (not shown).

Die Verbindungsteile 13a, 13b, 13c und 13d stießen bündig und passgenau an die Seitenflächen der TEE 4a, 4b, 4c und 4d. Die Stärke der Verbindungsteile 13a, 13b, 13c und 13d entsprach genau der Stärke der TEE 4a, 4b, 4c und 4d.The connecting parts 13a . 13b . 13c and 13d were flush and fit to the side surfaces of the TEE 4a . 4b . 4c and 4d , The strength of the connecting parts 13a . 13b . 13c and 13d corresponded exactly to the strength of the TEE 4a . 4b . 4c and 4d ,

Die kalten Seiten 4a.2, 4b.2, 4c.2 und 4d.2 waren mit den elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 12a, 12b, 12c und 12d bedeckt. Sie leiteten den Rest der durch die TEE 4a, 4b, 4c und 4d hindurch geleiteten thermische Energie in die Wärmesenken 5a, 5b, 5c und 5d, die aus massiven Aluminiumblöcken 5a.1, 5b.1, 5c.1 und 5d.1 bestanden. Diese enthielten die Kanäle 5a.2, 5b.2, 5c.2 und 5d.2 für das zirkulierende Wasser 5.4. Die Verbindung dieser Kanäle von Wärmesenke zu Wärmesenke wurde durch die Verbindungsrohre 5a.3, 5b.3, 5c.3 und 5d.3 hergestellt. Sie bestanden aus einem thermisch isolierenden Kunststoff. Die Kanäle 5a.2, 5b.2, 5c.2 und 5d.2 und die Verbindungsrohre 5a.3, 5b.3, 5c.3 und 5d.3 waren so angeordnet, dass das Wasser 5.4 in einer Spirale durch die Wärmesenken geführt werden konnte. Der Einlauf des Wassers 5.4 befand sich am oberen Bereich einer der Wärmesenken 5 und der Auslauf des erhitzten Wassers 5.4 am unteren Bereich derselben oder einer anderen Wärmesenke 5.The cold sides 4a.2 . 4b.2 . 4c.2 and 4d.2 were with the electrically insulating, thermally conductive layers 12a . 12b . 12c and 12d covered. They headed the rest of the way through the TEE 4a . 4b . 4c and 4d passed thermal energy into the heat sinks 5a . 5b . 5c and 5d made of solid aluminum blocks 5a.1 . 5b.1 . 5c.1 and 5d.1 passed. These contained the channels 5a.2 . 5B.2 . 5c.2 and 5d.2 for the circulating water 5.4 , The connection of these channels from heat sink to heat sink was through the connecting pipes 5a.3 . 5b.3 . 5c.3 and 5d.3 produced. They consisted of a thermally insulating plastic. The channels 5a.2 . 5B.2 . 5c.2 and 5d.2 and the connecting pipes 5a.3 . 5b.3 . 5c.3 and 5d.3 were arranged so that the water 5.4 could be guided in a spiral through the heat sinks. The inlet of the water 5.4 was at the top of one of the heat sinks 5 and the spout of heated water 5.4 at the bottom of the same or another heat sink 5 ,

Die 5 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 3 anhand des Schnittes längs der Linie B-B in 3.The 5 illustrates the construction and operation principle of the preferred embodiment of the device according to the invention 1 according to the 3 from the section along the line BB in 3 ,

Der die thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3 mit der Wandung 3.2 war in dem von der Wandung 2.6 umschlossenen Reaktionsraum 2.1 der Wärmequelle 2 mittig angeordnet und stand in thermischem Kontakt mit dem gasdurchlässigen Katalysatorträger 2.7. Der thermische Katalysatorträger 2.7 bestand aus einer Aluminium-Eisen-Chrom-Legierung und wies schlitzförmige Gasdurchlässe 2.8 auf. Die Wandung 2.6 war von dem wärmeisolierenden Material 7 umgeben. The thermal energy absorbing area 3.3 of the heat pipe 3 with the wall 3.2 was in the wall 2.6 enclosed reaction space 2.1 the heat source 2 centered and in thermal contact with the gas-permeable catalyst support 2.7 , The thermal catalyst carrier 2.7 consisted of an aluminum-iron-chromium alloy and had slot-shaped gas passages 2.8 on. The wall 2.6 was from the heat-insulating material 7 surround.

Die 6 bis 8 veranschaulichen das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 3 anhand von vergrößerten Ausschnitten ihres Schnittes längs der Längsachse L in 3.The 6 to 8th illustrate the design and operation principle of the preferred embodiment of the device according to the invention 1 according to the 3 on the basis of enlarged sections of its section along the longitudinal axis L in 3 ,

Die 6 zeigt ausschnittsweise das wärmeisolierende Material 7, die Wärmequelle 2 mit der Wandung 2.6, den Reaktionsraum 2.1, den gasdurchlässigen Katalysatorträger 2.7 mit den Gasdurchlässen 2.8, durch die die Reaktionsgase 2.9 strömten, das Wärmerohr 3 mit der Wandung 3.2 und dem die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3.The 6 shows a detail of the heat-insulating material 7 , the heat source 2 with the wall 2.6 , the reaction space 2.1 , the gas-permeable catalyst support 2.7 with the gas passages 2.8 through which the reaction gases 2.9 streamed, the heat pipe 3 with the wall 3.2 and the thermal energy absorbing area 3.3 ,

Die 7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Anordnung gemäß der 6 mit dem Gasdurchlass 2.8 eines gasdurchlässigen Katalysatorträgers 2.7. Die Oberfläche des Katalysatorträgers war mit der Katalysatorschicht 2.10 vollständig bedeckt. Die Katalysatorschicht 2.10 bestand aus einer Trägerschicht 2.10.1, die Wesentlichen aus Aluminiumoxid aufgebaut war. Die Oberfläche der Trägerschicht 2.10.1 war mit TEOOS hydrophobiert und nach dem Auftragen der katalytisch wirksamen Pd@CeO2-Nanopartikel calciniert worden.The 7 shows an enlarged section of the arrangement according to the 6 with the gas passage 2.8 a gas permeable catalyst support 2.7 , The surface of the catalyst support was with the catalyst layer 2.10 completely covered. The catalyst layer 2.10 consisted of a carrier layer 2.10.1 , which was essentially made of alumina. The surface of the carrier layer 2.10.1 was hydrophobicized with TEOOS and calcined after application of the catalytically active Pd @ CeO 2 nanoparticles.

Die 8 zeigt den vergrößerten Ausschnitt der Anordnung gemäß der 7 mit der Katalysatorschicht 2.10, die aus der Trägerschicht 2.10.1 und den katalytisch wirksamen Nanopartikeln 2.10.2 bestand. Bei den Nanopartikeln 2.10.2 handelte es sich um Pd@CeO2 gemäß dem 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 .The 8th shows the enlarged section of the arrangement according to the 7 with the catalyst layer 2.10 coming from the carrier layer 2.10.1 and the catalytically active nanoparticles 2.10.2 duration. For the nanoparticles 2.10.2 it was Pd @ CeO 2 according to the Article by M. Cargnello, JJ Delgado Jaén, JC Hernández Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, JJ Calvino Gámez, RJ Gorte and P. Fornasiero, "Exceptional Activity for Methane Combustion over Modular Pd @ CeO2 Subunits on Functionalized Al2O3", in Science, Vol. 337, pp. 713-717, 2012 ,

Die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas mittels Luft wurde durch die Pd@CeO2-Nanopartikel 2.10.2 hervorragend katalysiert, so dass die Reaktion schon bei 250°C vollständig ablief.The flameless catalytic oxidation of natural gas by air was through the Pd @ CeO 2 nanoparticles 2.10.2 catalyzed so well that the reaction was complete at 250 ° C.

Die 9 und 10 veranschaulichen das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 3 anhand von vergrößerten Ausschnitten ihres Schnittes längs der Längsachse L in 3.The 9 and 10 illustrate the design and operation principle of the preferred embodiment of the device according to the invention 1 according to the 3 on the basis of enlarged sections of its section along the longitudinal axis L in 3 ,

Die 9 und 10 zeigen Ausschnitte mit einem TEE 4 mit der heißen Seite 4.1 und der kalten Seite 4.2. Die heiße Seite 4.1 war von der elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht 11 bedeckt. Diese wies die strukturierte Oberfläche 11.1 auf. Die Kante der Schicht 11 stieß an die elektrisch leitfähige Dichtung 10 an. Die kalte Seite 4.2 des TEE war von der elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht 12 bedeckt. An diese schloss sich die Wärmesenke 5 mit dem massiven Aluminiumsblock 5.1 und den Kanälen 5.2 für das zirkulierende Wasser an (nur in der 9 wiedergegeben).The 9 and 10 show necklines with a TEE 4 with the hot side 4.1 and the cold side 4.2 , The hot side 4.1 was from the electrically insulating, thermally conductive layer 11 covered. This had the structured surface 11.1 on. The edge of the layer 11 encountered the electrically conductive seal 10 at. The cold side 4.2 of the TEE was of the electrically insulating, thermally conductive layer 12 covered. At this the heat sink closed 5 with the massive aluminum block 5.1 and the channels 5.2 for the circulating water (only in the 9 reproduced).

Die Seitenfläche des TEE war passgenau mit dem massiven, elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteil 13 verbunden. Durch dieses liefen die elektrischen Leitungen von der Seitenfläche des TEE zu dem elektrischen Anschluss 6.The side surface of the TEE was perfectly fitting with the solid, electrically and thermally insulating anchoring part 13 connected. Through this, the electric wires ran from the side surface of the TEE to the electrical terminal 6 ,

Das massive, elektrisch und thermisch isolierende Verankerungsteil 13 stieß in seinem unteren Bereich passgenau an die Kante der Dichtung 10 und an den die heiße Oberfläche 4.2 überragenden Bereich der Schicht 11 an. An ihrer der Wärmesenke 5 gegenüberliegende Seitenfläche war sie mit dem Befestigungsflansch 3.5 der Wandung 3.2 des Wärmerohrs 3 verbunden.The massive, electrically and thermally insulating anchoring part 13 In its lower area, it met the edge of the gasket with a perfect fit 10 and to the hot surface 4.2 towering area of the layer 11 at. At her the heat sink 5 opposite side surface she was with the mounting flange 3.5 the wall 3.2 of the heat pipe 3 connected.

Die Verbindung wurde mit einer durch die Durchbohrung mit Innengewinde 14.5 geführte, ein Gewinde 14.3 aufweisende Schraube 14, die in das Verankerungsteil 13 geschraubt worden war, bewerkstelligt. Bei der Ausführungsform der 9 wurde eine Schraube 14 mit Schraubenkopf 14.1 und einer Unterlegscheibe 14.2 verwendet. Bei der Ausführungsform der 9 wurde eine Schraube 14 mit einem Senkschraubenkopf 14.4 verwendet.The connection was made with a through hole with internal thread 14.5 guided, a thread 14.3 having screw 14 in the anchoring part 13 screwed, accomplished. In the embodiment of the 9 became a screw 14 with screw head 14.1 and a washer 14.2 used. In the embodiment of the 9 became a screw 14 with a countersunk screw head 14.4 used.

Die 11 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 3 anhand der Seitenansicht des Wärmerohrs 3 The 11 illustrates the construction and operation principle of the preferred embodiment of the device according to the invention 1 according to the 3 based on the side view of the heat pipe 3

Das Wärmerohr 3 wies die Wandung 3.2 mit dem die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 und dem Verbindungsbereich 3.1 auf. Die Wandung 3.2 wies im Bereich des die thermische Energie abgebenden Bereichs 3.4 mittig einen rechteckigen Durchbruch der Abmessungen: Höhe: 10 cm; Breite: 6 cm; auf, der die elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schicht 11 und die umlaufende elektrisch leitfähige Dichtung 10 aufnahm. Oberhalb und unterhalb des Durchbruchs ging die Wandung 3.2 in die beiden vertikalen Befestigungsflansche 3.5 mit den Durchbohrungen 14.5 mit Innengewinde zur Aufnahme der Schrauben 14 über. Links und rechts des Durchbruchs waren die vertikalen winkelförmigen Streben 3.6 angeordnet, die gleichfalls in die vertikalen Befestigungsflansche 3.5 übergingen. Die zu dem sichtbaren Durchbruch gehörenden Seiten der vertikalen winkelförmigen Streben 3.6 hatten eine Höhe von 10 cm und eine Breite von 1 cm. The heat pipe 3 dismissed the wall 3.2 with the thermal energy absorbing area 3.3 and the connection area 3.1 on. The wall 3.2 pointed in the area of the thermal energy emitting area 3.4 in the center a rectangular breakthrough in the dimensions: height: 10 cm; Width: 6 cm; on, the electrically insulating, thermally conductive layer 11 and the circumferential electrically conductive seal 10 recorded. Above and below the breakthrough went the wall 3.2 in the two vertical mounting flanges 3.5 with the punctures 14.5 with internal thread for holding the screws 14 above. To the left and right of the breakthrough were the vertical angled struts 3.6 arranged, which also in the vertical mounting flanges 3.5 went over. The sides of the vertical angular struts belonging to the visible breakthrough 3.6 had a height of 10 cm and a width of 1 cm.

Die 12 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anhand ihres LängsschnittsThe 12 illustrates the design and operation principle of another preferred embodiment of the device according to the invention 1 on the basis of her longitudinal section

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der 12 wies einen Wirbelschichtreaktor 2 mit einer Länge von 25 cm, einer 5 mm starken Wandung 2.6 aus Edelstahl und einem kreisförmigen Querschnitt auf. In seinem unteren Bereich verjüngte sich die Wandung 2.6 auf einer Länge von 3 cm zu dem Gaseinlass 2.2 für die Reaktionsgase 2.3 hin. Von dem oberen Ende des unteren Bereichs verlief die Wandung 2.6 auf einer Länge von 18 cm senkrecht nach oben, so dass in diesem Bereich der Reaktionsraum 2.1 einen konstanten Querschnitt von 13 cm hatte. Am oberen Ende dieses Bereichs verbreiterte sich der Querschnitt des Reaktionsraums auf einer Länge von 4 cm auf maximal 16 cm. Dieser verbreiterte Bereich des Reaktionsraums diente als Trennzone 2.13, worin der größte Teil der vom Gasstrom 2.9 mitgerissenen, mit katalytisch wirksamen Nanopartikeln 2.10.2 beladenen, meso- und/oder makroporösen Partikel 2.11.1 vom Gasstrom 2.9 abgekoppelt wurden und wieder in das Wirbelschichtbett 2.11 zurückfielen. In diesem Bereich befand sich auch der Gasauslass 2.4 für die Abgase 2.5.The device according to the invention 1 according to the 12 showed a fluidized bed reactor 2 with a length of 25 cm, a 5 mm thick wall 2.6 made of stainless steel and a circular cross section. In its lower part, the wall rejuvenated 2.6 over a length of 3 cm to the gas inlet 2.2 for the reaction gases 2.3 out. From the upper end of the lower part of the wall ran 2.6 vertically upwards over a length of 18 cm, so that in this area the reaction space 2.1 had a constant cross section of 13 cm. At the upper end of this range, the cross-section of the reaction space widened over a length of 4 cm to a maximum of 16 cm. This widened region of the reaction space served as a separation zone 2.13 , wherein most of the gas stream 2.9 entrained, with catalytically active nanoparticles 2.10.2 loaded, meso and / or macroporous particles 2.11.1 from the gas stream 2.9 were decoupled and returned to the fluidized bed 2.11 fell back. In this area was also the gas outlet 2.4 for the exhaust gases 2.5 ,

Der Gasauslass 2.4 war mit einem Zyklon 15 aus Edelstahl verbunden, worin die ausgetragenen meso- und/oder makroporösen Partikel 2.11.1 aus der Gasphase abgeschieden und über die Rückführungsvorrichtung 15.1 dem unteren Bereichs des Reaktionsraums 2.1 oberhalb der Zündvorrichtung 8, 8.1 wieder dem Wirbelschichtbett 2.11 zugeführt wurden. Die Abgase 15.3 des Zyklons 15 wurden über die Abgasleitung 15.2 abgeleitet.The gas outlet 2.4 was with a cyclone 15 made of stainless steel, wherein the discharged meso and / or macroporous particles 2.11.1 deposited from the gas phase and via the recirculation device 15.1 the lower part of the reaction space 2.1 above the ignition device 8th . 8.1 again the fluidized bed 2.11 were fed. The exhaust gases 15.3 of the cyclone 15 were over the exhaust pipe 15.2 derived.

Die meso- und/oder makroporösen Partikel 2.11.1 aus Aluminiumoxid wiesen eine enge monomodale Verteilung und eine mit Laserstreuung ermittelte mittlere Partikelgröße von 500 μm und eine mittlere Porengröße von 100 nm auf. Sie waren mit TEOOS hydrophobiert, mit Pd@CeO2-Nanopartikeln 2.10.2 beladen und anschließend calciniert worden.The meso and / or macroporous particles 2.11.1 of alumina had a narrow monomodal distribution and a laser particle size average particle size of 500 microns and a mean pore size of 100 nm. They were hydrophobic with TEOOS, with Pd @ CeO 2 nanoparticles 2.10.2 loaded and then calcined.

Unterhalb des Wirbelschichtbetts 2.11 und dem Ende des die thermische Energie aufnehmenden Bereichs 3.3 des Wärmerohrs 3 war die Zündvorrichtung 8 mit erhitzten, gasdurchlässigen Katalysatorblechen 2.7 angeordnet. Die gasdurchlässigen Katalysatorbleche 2.7 dienten auch als Gasverteiler. Die Zündvorrichtung 8 wurde nur so lange betrieben, bis die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas durch Luft im Wirbelschichtbett 2.11 des Reaktionsraums 2.1 sich selbst erhaltend ablief.Below the fluidized bed 2.11 and the end of the thermal energy absorbing area 3.3 of the heat pipe 3 was the ignition device 8th with heated, gas-permeable catalyst sheets 2.7 arranged. The gas permeable catalyst sheets 2.7 also served as a gas distributor. The ignition device 8th was operated only until the flameless catalytic oxidation of natural gas by air in the fluidized bed 2.11 of the reaction space 2.1 self-sustaining expired.

Im Reaktionsraum 2.1 war der die thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des geschlossenen Wärmerohrs 3 mittig angeordnet. Der die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 war 18 cm lang. Das geschlossene Wärmerohr 3 wies eine Wandung 3.2 von 3 mm und einen kreisförmigen Querschnitt von 3 cm auf. Im seinem Inneren befand sich ein Geflecht aus Kupferfasern als Docht für die arbeitende Flüssigkeit Wasser (nicht wiedergegeben).In the reaction room 2.1 was the thermal energy absorbing area 3.3 of the closed heat pipe 3 arranged in the middle. The thermal energy absorbing area 3.3 was 18 inches long. The closed heat pipe 3 had a wall 3.2 of 3 mm and a circular cross-section of 3 cm. Inside was a braid of copper fibers as a wick for the working liquid water (not reproduced).

Am oberen Ende des Wirbelschichtreaktors 2 schloss sich der 3 cm lange Verbindungsbereich 3.1 zwischen dem die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 und dem 10 cm langen, die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 an.At the upper end of the fluidized bed reactor 2 closed the 3 cm long connection area 3.1 between the thermal energy absorbing area 3.3 and the 10 cm long, the thermal energy emitting area 3.4 at.

Der die thermische Energie abgebende Bereich 3.4 war von TEE umgeben (wiedergegeben sind die TEE 4a und 4b). Zwischen ihren heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 und der Wandung 3.2 befanden sich elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten 11 (nicht wiedergegeben). Die kalten Seiten 4a.2 und 4b.2 der TEE 4a und 4b waren über elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten 12 (nicht wiedergegeben) mit den Wärmesenken 5a und 5b verbunden.The thermal energy emitting area 3.4 was surrounded by TEE (reproduced are the TEE 4a and 4b ). Between her hot sides 4a.1 and 4b.1 and the wall 3.2 were electrically insulating, thermally conductive layers 11 (not shown). The cold sides 4a.2 and 4b.2 the tea 4a and 4b were over electrically insulating, thermally conductive layers 12 (not shown) with the heat sinks 5a and 5b connected.

Von den oberen seitlichen Enden der TEE 4a und 4b führten elektrische Leitungen durch das isolierende Material 7 aus Glasschaum zu den elektrischen Anschlüssen 6a und 6b.From the upper lateral ends of the TEE 4a and 4b led electrical lines through the insulating material 7 made of glass foam to the electrical connections 6a and 6b ,

Zwischen dem oberen Ende des Wirbelschichtreaktors 2 und den TEE 4a und 4b befand sich ebenfalls Glasschaum 7, wodurch auch der Verbindungsbereich 3.1 thermisch isoliert war. Ansonsten war der gesamte Wirbelschichtreaktor 2 von Glasschaum 7 umgeben, wobei nur die Einlassvorrichtung 2.2 und die Auslassvorrichtung 2.4 nicht isoliert waren. Between the upper end of the fluidized bed reactor 2 and the TEE 4a and 4b was also glass foam 7 , which also causes the connection area 3.1 thermally isolated. Otherwise, the entire fluidized bed reactor was 2 of glass foam 7 surrounded, with only the inlet device 2.2 and the outlet device 2.4 were not isolated.

Die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas mittels Luft wurde auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 12 durch die Pd@CeO2-Nanopartikel 2.10.2 hervorragend katalysiert, so dass die Reaktion schon bei 250°C vollständig ablief.The flameless catalytic oxidation of natural gas by air has also been used in the device according to the invention 1 according to the 12 through the Pd @ CeO 2 nanoparticles 2.10.2 catalyzed so well that the reaction was complete at 250 ° C.

Die 13 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anhand eines Ausschnitts aus ihrem LängsschnittThe 13 illustrates the construction and operation principle of yet another preferred embodiment of the device according to the invention 1 from a section of her longitudinal section

Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 13 wies das gleiche geschlossene Wärmerohr 3 mit der Wandung 3.2, dem die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 und dem die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 auf wie die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß 12. Ebenso waren die TEE 4, die Wärmesenken 5 sowie der Glasschaum 7 in diesem Bereich ebenso angeordnet wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 12.The embodiment of the device according to the invention 1 according to the 13 had the same closed heat pipe 3 with the wall 3.2 to which the thermal energy dispensing area 3.4 and the thermal energy absorbing area 3.3 on how the inventive device 1 according to 12 , Likewise were the TEE 4 , the heat sinks 5 as well as the glass foam 7 arranged in this area as well as in the device according to the invention 1 according to the 12 ,

Die Wärmequelle 2 war insgesamt 25 cm lang und wies auf eine Strecke von 21 cm einen kreisrunden Querschnitt von 15 cm auf. Ihre Wandung 2.6 bestand aus Edelstahl und war 5 mm stark. In ihrem unteren Bereich verjüngte sich die Wandung 2.6 auf einer Strecke von 3 cm zu der Einlassvorrichtung 2.2 aus Edelstahl für die Reaktionsgas 2.3 hin. Die Auslassvorrichtung 2.4 aus Edelstahl für die Abgase 2.5 befand sich am horizontalen oberen Ende der Wandung 2.6.The heat source 2 was a total of 25 cm long and had a circular section of 15 cm over a distance of 21 cm. Your wall 2.6 was made of stainless steel and was 5 mm thick. In its lower part, the wall rejuvenated 2.6 on a distance of 3 cm to the inlet device 2.2 made of stainless steel for the reaction gas 2.3 out. The outlet device 2.4 made of stainless steel for the exhaust gases 2.5 was at the horizontal upper end of the wall 2.6 ,

Der die thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des geschlossenen Wärmerohrs 3 war mittig in dem Reaktionsraum 2.1 der Wärmequelle 2 angeordnet. Der freie Reaktionsraum 2.1 war auf einer Strecke von 20 cm mit dem rohrförmigen, makroporösen Sinterkörper 2.14 aus mit TEOOS hydrophobiertem und gesintertem Aluminiumoxid ausgefüllt. Der Sinterkörper 2.14 wies Poren 2.14.1 einer mittleren Porengröße von 400 nm auf, in die Pd@CeO2-Nanopartikel 2.10.2 eingelagert worden waren. Oberhalb des oberen Endes des Sinterkörpers 2.14 blieb der Reaktionsraum 2.1 auf einer Strecke von 1 cm frei, um die Ableitung der Abgase 2.5 zu erleichtern. Unterhalb des Endes des geschlossenen Wärmerohrs 3 war ein scheibenförmiger, makroporöser Sinterkörper 2.14.2 der gleichen Zusammensetzung angeordnet. Er wies einen kreisrunden Querschnitt von 9,8 cm und eine Stärke von 1 cm auf und war mit der Zündvorrichtung 8 verbunden, mit dem der scheibenförmige, makroporöse Sinterkörper 2.14.2 bis zum Eintritt der sich selbst erhaltenden flammenlosen katalytischen Oxidation von Erdgas durch Luft auf die Zündtemperatur erhitzt werden wurde.The thermal energy absorbing area 3.3 of the closed heat pipe 3 was in the middle of the reaction room 2.1 the heat source 2 arranged. The free reaction space 2.1 was on a distance of 20 cm with the tubular, macroporous sintered body 2.14 filled with TEOOS hydrophobicized and sintered alumina. The sintered body 2.14 had pores 2.14.1 an average pore size of 400 nm, into the Pd @ CeO 2 nanoparticles 2.10.2 had been stored. Above the upper end of the sintered body 2.14 remained the reaction space 2.1 on a distance of 1 cm free to the discharge of exhaust gases 2.5 to facilitate. Below the end of the closed heat pipe 3 was a disk-shaped, macroporous sintered body 2.14.2 of the same composition. He had a circular cross section of 9.8 cm and a thickness of 1 cm and was with the igniter 8th connected to the disc-shaped, macroporous sintered body 2.14.2 until the self-sustaining flameless catalytic oxidation of natural gas by air was heated to the ignition temperature.

In dem sich zur Einlassvorrichtung 2.2 hin verjüngenden Bereich der Wandung 2.6 war noch ein gasdurchlässiges Edelstahlblech 2.14.3 als Gasverteiler angeordnet.In which is the inlet device 2.2 towards the rejuvenating area of the wall 2.6 was still a gas-permeable stainless steel sheet 2.14.3 arranged as a gas distributor.

Die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas mittels Luft wurde auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 13 durch die Pd@CeO2-Nanopartikel 2.10.2 hervorragend katalysiert, so dass die Reaktion schon bei 250°C vollständig ablief.The flameless catalytic oxidation of natural gas by air has also been used in the device according to the invention 1 according to the 13 through the Pd @ CeO 2 nanoparticles 2.10.2 catalyzed so well that the reaction was complete at 250 ° C.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der 13 erwies sich in der Praxis als besonders robust, mechanisch stabil, lagerfähig, transportfähig und einfach und sicher im Betrieb und wies eine besonders lange Betriebsdauer auf.The device according to the invention 1 according to the 13 proved to be particularly robust in practice, mechanically stable, storable, transportable and easy and safe in operation and had a particularly long service life.

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Claims (12)

Vorrichtung (1) zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, umfassend – 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.Contraption ( 1 ) for the direct conversion of thermal energy into electrical energy, comprising - 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 ), wherein - 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. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die thermische Energie abgebende Bereich (3.4) des mindestens einen Wärmerohrs (3) im Bereich der heißen Seite (4.1) des mindestens einen thermoelektrischen ich Elements (4) einen Durchbruch (3.6) durch die Wandung (3.2) aufweist, so dass der Innenraum des mindestens einen Wärmerohrs (3) in direktem Kontakt mit der heißen Seite (4.1) steht.Contraption ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the thermal energy emitting area ( 3.4 ) of the at least one heat pipe ( 3 ) in the area of the hot side ( 4.1 ) of the at least one thermoelectric element ( 4 ) a breakthrough ( 3.6 ) through the wall ( 3.2 ), so that the interior of the at least one heat pipe ( 3 ) in direct contact with the hot side ( 4.1 ) stands. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Seite (4.1) d das Mutter es mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) im Bereich des Durchbruchs (3.6) durch die Wandung (3.2) des thermischer Energie abgebenden Bereichs (3.4) von einer elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht (11) bedeckt ist.Contraption ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the hot side ( 4.1 ) d the nut it at least one thermoelectric element ( 4 ) in the area of the breakthrough ( 3.6 ) through the wall ( 3.2 ) of the thermal energy emitting area ( 3.4 ) of an electrically insulating, thermally conductive layer ( 11 ) is covered. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schicht (11) eine strukturierte Oberfläche (11.1) aufweist.Contraption ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the electrically insulating, thermally conductive layer ( 11 ) a structured surface ( 11.1 ) having. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Seite (4.2) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) über eine elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schicht (12) mit der Wärmesenke (5) verbunden ist.Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cold side ( 4.2 ) of the at least one thermoelectric element ( 4 ) via an electrically insulating, thermally conductive layer ( 12 ) with the heat sink ( 5 ) connected is. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen in ihrem Reaktionsraum (2.1) – mindestens eine Katalysatorschicht (2.10), umfassend mindestens eine Trägerschicht (2.10.1) und mindestens einen Typ katalytisch wirksamer Nanopartikel (2.10.2) auf mindestens einem gasdurchlässigen Katalysatorträger (2.7), oder – ein Wirbelschichtbett (2.11), enthaltend mindestens einen Typ meso- und/oder makroporöser Partikel (2.11.1), enthaltend mindestens einen Typ katalytisch wirksamer Nanopartikel (2.10.2), oder – mindestens einen meso- und/oder makroporösen Sinterkörper (2.14) mit Poren (2.14.1) einer mittleren Porenweite von 50 bis 1000 nm, enthaltend mindestens einen Typ katalytisch wirksamer Nanopartikel (2.10.2), enthält.Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the device ( 2 ) for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons in their reaction space ( 2.1 ) - at least one catalyst layer ( 2.10 ), comprising at least one carrier layer ( 2.10.1 ) and at least one type of catalytically active nanoparticles ( 2.10.2 ) on at least one gas-permeable catalyst support ( 2.7 ), or - a fluidized bed ( 2.11 ) containing at least one type of meso and / or macroporous particles ( 2.11.1 ) containing at least one type of catalytically active nanoparticles ( 2.10.2 ), or - at least one meso and / or macroporous sintered body ( 2.14 ) with pores ( 2.14.1 ) of an average pore size of 50 to 1000 nm, containing at least one type of catalytically active nanoparticles ( 2.10.2 ) contains. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch wirksamen Nanopartikel (2.10.2) – mindestens ein Oxid, das aus der Gruppe, bestehend aus Scandiumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid, Titandioxid, Zircondioxid, Hafniumdioxid, Vanadiumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Manganoxid, Eisenoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Zinkoxid, Oxiden der Lanthanide, Oxiden der Actinide, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Strontiumoxid, Bariumoxid, Aluminiumoxid, Galliumoxid, Indiumoxid, Siliziumdioxid, Germaniumoxid, Zinnoxid, Antimonoxid, Bismutoxid, Zeolithen, Spinellen und Mischoxiden aus mindestens zwei der genannten Oxide, ausgewählt ist, sowie – 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, enthalten.Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the catalytically active nanoparticles ( 2.10.2 ) - at least one oxide selected from the group consisting of scandium oxide, yttrium oxide, lanthanum 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, oxides of actinides , Magnesium oxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, aluminum oxide, gallium oxide, indium oxide, silicon dioxide, germanium oxide, tin oxide, antimony oxide, bismuth oxide, zeolites, spinels and mixed oxides of at least two of said oxides, and 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. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Oxide hydrophob ist. Contraption ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the surface of the oxides is hydrophobic. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die meso- und/oder makroporösen Partikel (2.11.1) aus Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid aufgebaut sind.Contraption ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the meso and / or macroporous particles ( 2.11.1 ) are constructed of silicon dioxide and / or aluminum oxide. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenwasserstoffe in dem Reaktionsgas (2.3) aus der Gruppe, bestehend aus Methan, Ethan, Propan, Butan, Isobutan, Pentan und seinen Isomeren, Hexan und seinen Isomeren, Cyclopentan und Cyclohexan, ausgewählt sind.Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the hydrocarbons in the reaction gas ( 2.3 ) are selected from the group consisting of methane, ethane, propane, butane, isobutane, pentane and its isomers, hexane and its isomers, cyclopentane and cyclohexane. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die flammenlose katalytische Oxidation im Reaktionsraum (2.1) bei 50 bis 400°C durchführbar ist.Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the flameless catalytic oxidation in the reaction space ( 2.1 ) at 50 to 400 ° C is feasible. Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, bei dem die von mindestens einer Wärmequelle (2) gelieferte thermische Energie mithilfe mindestens eines Wärmerohrs (3) zu der heißen Seite (4.1) mindestens eines thermoelektrischen Elements (4) transportiert wird, durch die zugeführte thermische Energie in dem mindestens einen thermoelektrischen Element (4) eine elektrische Spannung erzeugt wird und die restliche zugeführte thermische Energie von der der heißen Seite (4.1) gegenüberliegenden kalten Seite (4.2) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) einer Wärmesenke (5) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man hierfür eine Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 verwendet.Process for the direct conversion of thermal energy into electrical energy, in which the energy from at least one heat source ( 2 ) supplied thermal energy by means of at least one heat pipe ( 3 ) to the hot side ( 4.1 ) at least one thermoelectric element ( 4 ) is transported by the supplied thermal energy in the at least one thermoelectric element ( 4 ) an electrical voltage is generated and the remaining supplied thermal energy from the hot side ( 4.1 ) opposite cold side ( 4.2 ) of the at least one thermoelectric element ( 4 ) a heat sink ( 5 ), characterized in that for this purpose a device ( 1 ) according to any one of claims 1 to 11.
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