DE102019116478B3

DE102019116478B3 - Wärmeübertrager mit Thermogenerator und Verfahren zur Herstellung von Wärmeübertragern mit Thermogeneratoren

Info

Publication number: DE102019116478B3
Application number: DE102019116478.8A
Authority: DE
Inventors: Frank Silber; Thomas Silber; Emil Silber
Original assignee: Darothem GmbH
Current assignee: Darothem GmbH
Priority date: 2019-06-18
Filing date: 2019-06-18
Publication date: 2020-07-23
Anticipated expiration: 2039-06-19
Also published as: WO2020253913A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Wärmeübertrager mit Thermogenerator, bestehend aus- mindestens zwei in wärmeübertragendem Kontakt koaxial zueinander angeordneten Strömungskanälen (4) für zwei einen Temperaturgradienten aufweisende Fluide, die jeweils einen der mindestens zwei Strömungskanäle (4) durchströmen, wobei jeweils an der Außenwandung des das heißere Fluid führenden Strömungskanals (4) thermoelektrische Generatoren (5) wärmestromwirksam angeordnet sind,- einem Fluidstromverteiler (6) und- einem Fluidstromsammler (7).Erfindungsgemäß ist jeder der mindestens zwei Strömungskanäle (4) des Wärmeübertragers aus einzelnen Modulen zusammengesetzt, wobei in jedes Modul die thermoelektrischen Generatoren (5) integriert sind und jedes Modul Mittel zur Sammlung und/oder Ableitung der gewonnenen Thermospannung sowie an seinen freien Kanten Mittel zur dichten Steckverbindung mit einem benachbarten Modul aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Wärmeübertrager mit Thermogenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Herstellung von mit Thermogeneratoren versehenen Wärmeübertragern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Mit Thermogeneratoren versehene Wärmeübertrager sind seit langem bekannt und werden in unterschiedlichsten Wärmetauscher-Vorrichtungen verwendet, um unter Ausnutzung des Prinzips des Seebeck-Effektes aus dem Temperaturunterschied zwischen in voneinander getrennten Kanälen strömenden Fluiden elektrische Energie zu gewinnen. Hierzu ist ein Wärmeübertrager mit Thermogenerator zur Wandlung von in Abgasen eines Verbrennungsapparates enthaltener thermischer Energie in elektrische Energie bekannt, der aus einem zur Längsachse des Wärmeübertragers koaxial angeordneten Bündel zylindrischer Strömungskanäle besteht. Die Strömungskanäle sind jeweils abwechselnd als heißer Abgaskanal oder als kalter Zuluftkanal ausgebildet, wobei die Thermomodule des Thermogenerators an der Außenseite der heißen Abgaskanäle angeordnet sind ( DE 20 2015 004 026 U1 ). Der Nachteil dieses Wärmeübertragers besteht in seiner aufwändigen Herstellung.
Bekannt ist auch eine thermoelektrische Einrichtung eines Wärmeübertragers, der ebenfalls eine Schalenstruktur aufweist, wobei die thermoelektrische Einrichtung an mindestens einer der Schalen angeordnet und mit dieser wärmestromwirksam verbunden ist. Die Schalenstruktur kann unter Verwendung von 3D-Druckverfahren preisgünstig hergestellt werden ( DE 10 2017 109 732 A1 ). Die Erfindung ist allerdings auf die Herstellung jeweils einzelner Schalen eingeschränkt. Zudem muss die thermoelektrische Einrichtung an den Schalen befestigt werden.
Ferner ist eine Struktur zur Temperierung von Festkörpern und Behältnissen bekannt, in die nach dem Prinzip des Peltier- oder des Thomson-Effektes arbeitende thermoelektrische Temperierungselemente integriert sind. Sowohl die Struktur selbst als auch eine Kombination aus Struktur und Anode des Peltier-Elements kann mittels additiver Konstruktionen in Form eines 3D-Druckers erstellt werden ( DE 10 2016 012 795 A1 ). Nachteilig ist, dass diese Strukturen nur zur Temperierung und Kühlung von Festkörpern und Behältnissen geeignet sind. Zur Leitung eines Mediums sind sie nicht ohne weiteres geeignet, sondern müssten dazu immer mit einer dichten Umhüllung versehen werden. Eine Anwendung beispielsweise an schalenförmigen Wärmeübertragern ist daher nicht oder nur eingeschränkt unter Inkaufnahme einer entsprechend großen Bauweise möglich. Zudem kann die Struktur nur zusammen mit einer Kontaktebene der Peltier-Elemente durch additive Verfahren hergestellt werden. Die Peltier-Elemente selbst müssen nachträglich an dem gedruckten Teil komplettiert werden
Zur Reduzierung der Baugröße von Wärmetauschern ist eine integrierte Anordnung, bestehend aus einem Mikrowärmetauscher und einem thermoelektrischen Modul bekannt, wobei der Mikrowärmetauscher einstückig mit dem thermoelektrischen Modul thermisch leitend verbunden bzw. gebildet ist. Der Mikrowärmetauscher weist mehrere durchgehende Kanäle mit einem Durchmesser kleiner als 1 mm auf, durch die ein fluides Wärmetauschmedium strömen kann. Zur einstückigen Verbindung weist der Mikrowärmetauscher einen angeformten Behälter auf, der die p- und n-leitenden thermoelektrischen Materialstücke aufnimmt. Der Mikrowärmetauscher mit dem angeformten Behälter kann durch selektives Lasersintern hergestellt werden ( EP 2 764 555 B1 ). Der Nachteil dieses Mikrowärmetauschers besteht in dem Erfordernis der Anordnung eines separaten Behältnisses für die thermoelektrischen Elemente. Zudem ist seine Anwendung auf solche Wärmetauscher begrenzt, die ein verhältnismäßig geringes Fluidvolumen durchzuleiten haben.
Es ist auch bekannt, thermoelektrische Generatoren an sich, also unabhängig von einer konkreten Verwendung derselben, mittels additiver Verfahren herzustellen. Hierbei werden die Halbleiterkomponenten des n- und p-Typs jeweils separat auf eine nichtleitende Platte mittels eines 3D-Druckers aufgebracht und die beiden bedruckten Platten abschließend zusammengefügt ( US 9,882,111 B2 ). Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die auf die beschriebene Weise hergestellten thermoelektrischen Generatoren noch mit Bauteilen oder Komponenten komplettiert werden müssen, was insbesondere bei den oben beschriebenen Schalenstrukturen von Wärmeübertragern nicht möglich ist.
Bekannt ist ferner eine Einrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie, die eine geteilte, ein Rohr umschließende Manschette, einen diese koaxial umgebenden ersten und zweiten Trägerring, mindestens einen ersten und zweiten Thermogenerator sowie einen ersten und zweiten Mantel umfasst. Jeder Trägerring weist eine erste, radial von der Manschette beabstandete ebene Stirnfläche auf. Der erste Thermogenerator ist an der ersten ebenen Stirnfläche des ersten Trägerrings und der zweite Thermogenerator ist an der ersten ebenen Stirnfläche des zweiten Trägerrings angeordnet. Der erste Mantel ist zum Schutz des mindestens einen ersten und der zweite Mantel zum Schutz des mindestens einen zweiten Thermogenerators jeweils um diesen angeordnet. Jeder Mantel weist eine ebene Fläche sowie ein erstes und ein zweites Ende auf. Die ersten und zweiten Enden jedes Mantels sind um das Rohr herum trennbar und austauschbar angeordnet. Die Trägerringe sind jeweils an ihren freien Flächen mit Rippen versehen ( US 10 128 427 B2 ).
Schließlich ist ein Thermogeneratorelement zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Abwärme bekannt, das aus einem Paar zylindrischer Elektroden besteht, die konzentrisch aufgebaut und in einem vorbestimmten Intervall angeordnet sind und Stromanschlüsse aufweisen. Das Thermogeneratorelement weist eine erweiterte Heizfläche auf, hat einen hocheffizienten elektrischen Wirkungsgrad und ist widerstandsfähig gegenüber rauen Umweltbedingungen. Die Elektroden bestehen aus einem Gemisch aus Tellur, Wismut, Zinn, Antimon, Nickel, Blei und einer geringen Menge Metall ( JP 2010 245 492 A ).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Thermogeneratoren versehene Wärmeübertrager ohne Festlegung auf eine bestimmte Form entwickeln zu können, in die die Thermogeneratoren bereits integriert sind. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von mit Thermogeneratoren versehenen Wärmeübertragern zu entwickeln, das eine Integration der Thermogeneratoren in den Herstellungsprozess der Wärmeübertrager ermöglicht, so dass eine nachträgliche Installation der Thermogeneratoren in die Wärmeübertrager entfallen kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und/oder 5 gelöst.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Der modulartige Aufbau der Wärmeübertrager ermöglicht es, Wärmeübertrager quasi unabhängig von ihrer Form und Anordnung durch additive Verfahren, insbesondere 3D-Druckverfahren, herzustellen. Dadurch können auch in ihrer Gestaltung komplizierte Wärmeübertrager, insbesondere solche, die eine schalenförmige Struktur aufweisen, kostengünstig hergestellt werden. Die Fertigung der Thermogeneratoren kann in den Fertigungsprozess der Module integriert werden. Der Wärmeübertrager wird quasi unabhängig von seiner Form und Anordnung bereits bei seiner Herstellung mit den Thermogeneratoren versehen. Der modulartige Aufbau ermöglicht auch die Anwendung des Baukastenprinzips, wobei der Wärmeübertrager, ähnlich wie bei einem Steckbaukastensystem, aus einzelnen Komponenten zusammengesetzt wird. Durch Aneinanderreihung der Komponenten können die Abmessungen der Wärmeübertrager auf einfache Weise variiert werden.
Das wird dadurch erreicht, dass jeder der mindestens zwei Strömungskanäle des Wärmeübertragers aus einzelnen Modulen zusammengesetzt ist, wobei in jedes Modul die thermoelektrischen Generatoren integriert sind und jedes Modul Mittel zur Sammlung und/oder Ableitung der gewonnenen Thermospannung sowie an seinen freien Kanten Mittel zur dichten Steckverbindung mit einem benachbarten Modul aufweist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht jedes Modul aus mindestens zwei schalenförmigen Elementen, die einander koaxial gegenüberliegend zumindest einen Teilabschnitt eines Strömungskanals bilden. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, auch sehr kompakte, aus einem Bündel koaxial ineinander angeordneter Strömungskanäle bestehende Wärmeübertrager zu bauen.
Nach einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden mehrere, einen Teilabschnitt bildende Module koaxial aneinandergereiht, einen Strömungskanal. Dadurch sind beliebig lange Strömungskanäle aus gleichartigen Komponenten herstellbar.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen zwei axial aneinandergereihten Modulen mindestens ein Spannungsableiter angeordnet. Das hat den Vorteil, dass die elektrischen Ströme oder Spannungen an die möglichen Energiegehalte des Fluides angepasst werden können, d. h. die Ableitung der elektrischen Ströme oder Spannungen in Abhängigkeit des jeweiligen Energiegehaltes des Fluides erfolgen kann.
Das Verfahren zur Herstellung von Wärmeübertragern mit Thermogeneratoren ermöglicht eine kostengünstige Herstellung der Komponenten der Wärmeübertrager und damit der Wärmeübertrager selbst.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird zur Herstellung eines Moduls mittels 3D-Druckverfahren zunächst ein Mischgrünling aus mit sinterfähigen Partikeln unterschiedlicher keramischer Komponenten hoch gefüllter Thermoplast hergestellt, wobei mindestens eine keramische Komponente Eigenschaften zur thermoelektrischen Umwandlung von Wärme in elektrische Energie aufweist, d. h. die Voraussetzungen zur Generierung eines thermoelektrischen Generators besitzt. Anschließend werden die thermoplastischen Bestandteile durch eine Wärmebehandlung entfernt. Das so entstandene anorganische Feststoffgerüst wird in einem nachfolgenden Sinterprozess bei höheren Temperaturen zu einem Strukturteil mit elektrischen Kontaktierungs- und Verbindungselementen verfestigt.
Eine anderweitige vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Module mittels elektrisch leitfähiger Steckverbindungen zu Strömungskanälen aneinandergefügt werden. Dadurch werden lediglich am Anfang oder am Ende des Strömungskanals Spannungsableiter benötigt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen entnehmbar.
Zeichnung
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit Thermogenerator ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figur zeigt einen Wärmeübertrager senkrecht stehend in einer räumlichen Darstellung, wobei zum Erkennen seines modulartigen Aufbaus nur einige innere Strömungskanäle dargestellt sind.
Der Wärmeübertrager weist eine Hauptachse 1 auf und besteht aus einem Bündel koaxial zueinander angeordneter zylindrischer Strömungskanäle, wie sie beispielsweise in dem Gebrauchsmuster DE 20 2015 004 026 U1 dargestellt und beschrieben sind. Die Strömungskanäle werden im vorliegenden Beispiel jeweils durch Zylinderhalbschalen 2 gebildet, die modulartig koaxial zu einem Zylinderelement 3 und axial aneinandergereiht die Wandung der Strömungskanäle bildend, vorteilhafterweise durch Steckverbindungen zusammengefügt werden. Die Schalen können auch jede andere Form aufweisen, wesentlich ist lediglich, dass sie sich zu einem geschlossenen Strömungskanal zusammensetzen lassen. Die Zylinderhalbschalen 2 und demzufolge auch die aus zwei axial in gleicher Höhe gegenüberliegenden Zylinderhalbschalen 2 gebildeten Zylinderelemente 3 sind mit einem von innen nach außen gesehen größer werdenden Durchmesser versehen, so dass sich bei ihrer koaxialen Anordnung ringförmige Strömungskanäle zwischen den Zylinderelementen ausbilden. In der unteren Hälfte des Wärmeübertragers ist beispielhaft ein sich zwischen den Zylinderelementen 3 entstandener Strömungskanal 4 dargestellt. Aus der vorliegenden Darstellung ist zu erkennen, dass die koaxial um die Hauptachse 1 befindliche innerste Wandung des Wärmeübertragers, die gleichzeitig auch die Innenwandung des ersten Strömungskanals 4 bildet, bereits fertiggestellt ist und Zylinderhalbschalen 2 für die Außenwandung dieses Strömungskanals 4 teilweise gefügt sind.
Insbesondere bei den untersten Zylinderhalbschalen 2 ist zu erkennen, dass diese jeweils an ihrem Außenmantel mit in axialer Richtung meanderförmig geführten thermoelektrischen Generatoren 5 versehen sind, die im Zuge der Herstellung der Zylinderhalbschalen 2 durch 3D-Druck-Verfahren auf diese aufgebracht werden. Da die thermoelektrischen Generatoren 5 in der Regel auf der Außenseite eines das wärmere Medium führenden Strömungskanals 4 angeordnet sind, werden diese von dem kühleren Medium umströmt.
Bei Annahme einer von unten nach oben gerichteten Fluidströmung weist der Wärmetauscher an seiner unteren Stirnseite einen Fluidstromverteiler 6 auf, der die beiden in getrennten Zuführrohren ankommenden Fluide unterschiedlicher Temperatur abwechselnd in einen heißen und einen kühlen Strömungskanal 4 aufteilt. An seiner oberen Stirnseite befindet sich ein Fluidstromsammler 7, der die beiden Fluide aus den getrennten Strömungskanälen 4 wieder in jeweils einem Abführrohr sammelt. Die Oberseite des Fluidstromverteilers 6 ist zur Realisierung einer Steckverbindung mit Bohrungen 8 zur Aufnahme für an der Unterseite der Schalen 2 angeordneten, nicht näher dargestellten Stiften versehen. Etwa in der Mitte zwischen dem Fluidstromverteiler 6 und dem Fluidstromsammler 7 ist ein Spannungsableiter 9 angeordnet, der mit nicht näher dargestellten elektrischen Sammelschienen zur elektrisch leitenden Verbindung mit den Kontakten der Schalen 2 versehen ist. Der Spannungsableiter 9 ist an seiner Oberseite mit Stiften 10 versehen, auf die die Zylinderhalbschalen 2 mit den in ihre Unterseite eingebrachten Bohrungen aufgesteckt werden.
Jeweils an der Oberseite des Fluidstromverteilers 6, des Fluidstromsammler 7 und des Spannungsableiters 9 ist anhand der konvex verlaufenden Kreisringe die Bündel-Struktur der Strömungskanäle 4 erkennbar.
Alle hier dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Hauptachse
2: Zylinderhalbschale
3: Zylinderelement
4: Strömungskanal
5: Thermoelektrischer Generator
6: Fluidstromverteiler
7: Fluidstromsammler
8: Bohrungen
9: Spannungsableiter
10: Stifte

Claims

Wärmeübertrager mit Thermogenerator, bestehend aus - mindestens zwei in wärmeübertragendem Kontakt koaxial zueinander angeordneten Strömungskanälen (4) für zwei einen Temperaturgradienten aufweisende Fluide, die jeweils einen der mindestens zwei Strömungskanäle (4) durchströmen, wobei jeweils an der Außenwandung des das heißere Fluid führenden Strömungskanals (4) thermoelektrische Generatoren (5) wärmestromwirksam angeordnet sind, - einem Fluidstromverteiler (6) und - einem Fluidstromsammler (7), dadurch gekennzeichnet, dass jeder der mindestens zwei Strömungskanäle (4) des Wärmeübertragers aus einzelnen Modulen zusammengesetzt ist, wobei in jedes Modul die thermoelektrischen Generatoren (5) integriert sind und jedes Modul Mittel zur Sammlung und/oder Ableitung der gewonnenen Thermospannung sowie an seinen freien Kanten Mittel zur dichten Steckverbindung mit einem benachbarten Modul aufweist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul aus mindestens zwei schalenförmigen Elementen (2) besteht, die einander koaxial gegenüberliegend zumindest einen Teilabschnitt eines Strömungskanals bilden.
Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, einen Teilabschnitt bildende Module koaxial aneinandergereiht, einen Strömungskanal bilden.
Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei axial aneinandergereihten Modulen ein Spannungsableiter (9) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers mit Thermogeneratoren, bestehend aus - mindestens zwei in wärmeübertragendem Kontakt koaxial zueinander angeordneten Strömungskanälen (4) für zwei einen Temperaturgradienten aufweisende Fluide, die jeweils einen der mindestens zwei Strömungskanäle durchströmen, wobei jeweils an der Außenwandung des das heißere Medium führenden Strömungskanals (4) thermoelektrische Generatoren (5) wärmestromwirksam angeordnet sind, - einem Fluidstromverteiler (6), - einem Fluidstromsammler (7), - wobei zumindest Teile des Wärmeübertragers mittels 3D-Druckverfahren hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der mindestens zwei Strömungskanäle (4) des Wärmeübertragers aus einzelnen Modulen zusammengesetzt wird, in die die thermoelektrischen Generatoren (5) bereits bei der Herstellung der Module mittels 3D-Druckverfahren integriert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Moduls mittels 3D-Druckverfahren zunächst ein Mischgrünling aus mit sinterfähigen Partikeln unterschiedlicher keramischer Komponenten hoch gefüllter Thermoplast hergestellt wird, wobei mindestens eine keramische Komponente Eigenschaften zur thermoelektrischen Umwandlung von Wärme in elektrische Energie aufweist, dass anschließend die thermoplastischen Bestandteile durch eine Wärmebehandlung entfernt werden und das so entstandene anorganische Feststoffgerüst in einem nachfolgenden Sinterprozess bei höheren Temperaturen zu einem Strukturteil mit elektrischen Kontaktierungs- und Verbindungselementen verfestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Module mittels elektrisch leitfähiger Steckverbindungen zu Strömungskanälen aneinandergefügt werden.