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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Wärmeübertrager werden insbesondere zur Abwärmenutzung in den Abgasstrom einer verbrennungstechnischen Anlage, wie z.B. ein Kaminofen, eingesetzt, wobei mittels eines thermoelektrischen Generators aus der Abwärme elektrischer Strom gewonnen wird.
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Ein thermoelektrischer Generator (TEG) besteht aus mehreren thermoelektrischen Modulen (TEM), die miteinander elektrisch durch Reihen- und Parallelschaltung verschaltet sind.
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Ein thermoelektrisches Modul wiederum besteht aus einer Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteter Thermopaare, wobei jedes Thermopaar einen p-dotierten und n-dotierten Halbleiter aufweist, welche über eine Elektrode elektrisch miteinander verbunden sind. Dabei sind die zwei Seiten der Halbleiter derart angeordnet, dass die innere Seite sich an einer warmen thermischen Quelle, zum Beispiel einer Brennkammer, und die äußere Seite sich an einer kalten thermischen Senke, zum Beispiel Kühlrippe, befindet.
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Thermoelektrische Module sind für den Einsatz in einem möglichst stationären, über die Fläche des Generators möglichst gleichmäßigen Temperaturumfeld konzipiert. Zusätzlich werden dabei üblicherweise diese Module in Kombination mit sogenannten Heatspreadern eingesetzt, um eine möglichst homogene Temperaturverteilung auf der Heißseite der Module zu erreichen.
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Die Homogenität der Wärmestromdichte über das thermoelektrische Modul hängt wiederum noch von der Homogenität der Kaltseitentemperatur des thermoelektrischen Elements ab.
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Weiterhin ist aus der
WO 00 2011 047 404 ein thermoelektrischer Generator bekannt, der über seine Länge verteilt, mehrere thermoelektrische Module aufweist, bei denen zumindest einer der Abstände zwischen zwei thermoelektrischen Modulen unterschiedlich ist.
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Auch ist es z.B. aus der
DE 10 2004 034 688 B4 bekannt, die thermische Senke der äußeren Seite der Halbleiterelemente durch einen Kühlkreiskauf bereitzustellen.
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Bekannt ist es auch, thermoelektrische Module zur Stromerzeugung in autarken Systemen einzusetzen.
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So wird z.B. in der
DE 40 42 015 C2 eine Heizvorrichtung für Fahrzeuge, wie Wohnwagen, Wohnmobile und Boote, vorgestellt, welche thermoelektrische Module aufweist, dessen Kontaktstellen zwischen der Heiß- und der Kaltseite der Heizvorrichtung angeordnet sind.
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Auch wird in der
EP 0 290 833 B1 eine Heizung, insbesondere für Wohnmobile und Boote, vorgestellt, welche die Wärme an einen Wärmeträger abgibt, der sich in einer die Brennkammer umgebenden Heizkammer befindet und zur Wärmeabgabe an den zu beheizenden Raum mittels mindestens einer von einem Elektromotor angetriebenen Strömungsmaschine transportiert wird. Dabei wird der für den Betrieb des Elektromotors notwendige Strom durch mindestens einen, als plattenförmiges Halbleiterelement ausgebildetes, thermoelektrischen Generator erzeugt, indem im Abgasstrom die aufzuheizende Seite und die kalte Seite im Bereich der Umgebungsluft liegen.
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In der
DE 10 2013 004 087 A1 wird eine Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe, insbesondere Kamin- oder Kachelofen, Kamineinsatz oder dergleichen, mit einem Verbrennungsluftanschluss und mit einem an einer Abgasführung angeschlossenen Brennraum vorgestellt, wobei im Bereich der Abgasführung oder im Bereich des Brennraumes zumindest ein Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung an einem Medium vorgesehen ist, bei dem der Wärmeübertrager zumindest einen thermoelektrischen Generator aufweist.
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Von Nachteil an dieser Lösung ist aber, dass der Abgasstrom sich beim Passieren des Wärmeübertragers abkühlt, weshalb die Temperaturdifferenz zwischen der Heißseite (Abgasstrom) und der Kaltseite (Kühlwasser) geringer wird, so dass die durch die thermoelektrischen Module des thermoelektrischen Generators erzeugten elektrische Leistung in Strömungsrichtung des Abgases abnimmt und die thermoelektrischen Module eines thermoelektrischen Generators somit unterschiedliche Arbeitspunkte aufweisen. Unterschiedliche Arbeitspunkte der thermoelektrischen Module eines thermoelektrischen Generators sind aber negativ, weil die in Reihe miteinander verschalteten thermoelektrischen Module eines thermoelektrischen Generators jeweils unterschiedliche elektrische Spannungen aufweisen.
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Bei einer Reihenschaltung von thermoelektrischen Modulen sollten die elektrischen Ströme und bei einer Parallelschaltung von thermoelektrischen Modulen sollten die elektrischen Spannungen jeweils gleich groß sein.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Wärmeübertrager vorzuschlagen, bei dem die durch die thermoelektrischen Module erzeugten elektrischen Leistungen in Strömungsrichtung des Abgases nahezu gleich groß sind.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5.
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Der neue Wärmeübertrager beseitigt die genannten Nachteile des Standes der Technik. Vorteilhaft bei der Anwendung des neuen Wärmeübertragers, der mehrere Strömungskanäle aufweist, wobei an jeweils zwei gegenüberliegenden Außenseiten der Strömungskanäle jeweils eine Schicht mit mehreren thermoelektrischen Modulen und auf diesen Schichten wiederum jeweils die Wärmeübergangsflächen einer Wasserkühlung angeordnet sind, ist es, dass der Wärmeübertrager aus einem Material mit einer derart hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, so dass der Wärmeübertrager über seine Länge in Strömungsrichtung eine nahezu konstante Temperatur aufweist.
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Von Vorteil ist es dann, wenn die Abstände der thermoelektrischen Module auf der Schicht in Strömungsrichtung des Abgases größer werden. Da der Abgasstrom sich in Strömungsrichtung des Abgases abkühlt, wird auch die an dem Wärmeübertrager abgegebene Wärmestromdichte ohne weitere Maßnahmen in Strömungsrichtung des Abgases geringer. Diese geringere Wärmestromdichte in Strömungsrichtung des Abgases wird aber durch die in Strömungsrichtung des Abgases größer werden Abstände der thermoelektrischen Module ausglichen, so dass über die einzelnen thermoelektrischen Module optimaler Weise der gleiche Wärmestrom anliegt.
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Lässt sich hiermit der Wärmestrom durch die thermoelektrischen Module in Strömungsrichtung noch nicht angleichen, kann zusätzlich, oder auch alternativ, ein Effekt zur Erhöhung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten verwendet werden.
Von Vorteil ist es auch, wenn in den Strömungskanälen des Wärmeübertragers jeweils mehrere Turbulenzelemente angeordnet sind, wobei die Abstände zwischen den Turbulenzelementen in Strömungsrichtung des Abgases nicht gleich groß sind, weil dadurch eine Erhöhung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten erreicht wird
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Von besonderem Vorteil ist es dann, wenn die Abstände zwischen den Turbulenzelementen in Strömungsrichtung des Abgases kleiner werden, weil dadurch ein Aufbrechen der sich ausbildenden Grenzschicht erreicht und damit der Turbulenzgrad in Strömungsrichtung des Abgases sowie die Wärmeverteilung im Abgasstrom erhöht wird.
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Auch ist es von Vorteil, wenn der Wärmeübertrager aus Aluminium oder einem anderen gut wärmeleitfähigen Material besteht, so dass noch mögliche bestehende Temperaturinhomogenität, besonders in Strömungsrichtung, durch Wärmeleitung im Wärmeübertragermaterial angeglichen werden können.
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Der neue Wärmeübertrager soll in einem Ausführungsbeispiel anhand eines nach dem Holzvergaserprinzip arbeitenden Kaminofens näher erläutert werden.
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Dazu zeigen:
- 1: Vorderansicht des Kaminofens,
- 2: Ansicht des Kaminofens von hinten mit einem leeren Füllraum,
- 3: Ansicht des Kaminofens von hinten mit einem Wärmeübertrager im Füllraum,
- 4: Ansicht des Wärmeübertragers,
- 5: Schnittansicht des Wärmeübertragers und
- 6: Vereinfachte Teilschnittansicht einer Schicht des Wärmeübertragers mit mehreren thermoelektrischen Modulen.
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Gemäß der 1 und 2 weist der Kaminofen 1 ein Füllraum 2, eine Brennkammer 3 und einen hinter dem Füllraum 2 angeordneten Bauraum 4 auf, wobei der Füllraum 2 über einen für eine Verwirbelung in der unteren Brennkammer 3 sorgenden Düsenblock 5 verbunden ist. Der Bauraum 4 ist wiederrum mit der Brennkammer 3 und dem Saugzuggebläse 7 sowie dem nachfolgendem Abgasstutzen verbunden.
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In dem Bauraum 4 ist, gemäß der 3, der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 8 angeordnet.
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Der Wärmeübertrager 8 weist, gemäß der 4 und 5, fünf baugleiche Strömungskanäle 9 auf, wobei an jeweils zwei gegenüberliegenden Außenseiten 10 der Strömungskanäle 9 jeweils eine Schicht 11 mit mehreren thermoelektrischen Modulen 12 und auf diesen Schichten 11 wiederum jeweils die Wärmeübergangsfläche einer Wasserkühlung 13 angeordnet sind.
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Jedes thermoelektrische Modul 12 besteht aus einer Vielzahl von, in den Figuren nicht dargestellten Thermopaaren, die miteinander elektrisch durch Reihen- und Parallelschaltung verschalten sind. Diese Thermopaare bestehen wiederum aus einem p- und n-dotieren Halbleiter. Das thermoelektrische Modul 12 grenzt auf der Heißseite mit der Außenseiten 10 der Strömungskanäle 9 und auf der Kaltseite an die Wärmeübergangsflächen der Wasserkühlung 13 an.
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In 6 ist die Anordnung der thermoelektrischen Module 12 auf der Schicht 11 dargestellt, wobei der Pfeil die Strömungsrichtung des Abgases in den Strömungskanälen 9 anzeigt und der Abstand zwischen den thermoelektrischen Modulen 12 in Pfeilrichtung zunimmt.
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In Anwendung des neuen Wärmeübertragers wird durch einen Nutzer in dem Füllraum 2 des Kaminofens 1 ein Holzfeuer erzeugt. Dabei liegt das Holz in dem Füllraum 2 auf einem in den Figuren nicht dargestelltem Rost, wobei dieses Rost insbesondere der Gluterhaltung dient. Leichte Bestandteile der Holzgase verbrennen bereits in dem Füllraum 2 und strömen über die Glut durch den Düsenblock 5 in die Brennkammer 3. In der Brennkammer 3 werden Temperaturen von bis zu 1150°C erreicht. Bei diesen hohen Temperaturen können auch die schwerbrennbaren Bestandteile der Holzgase verbrennen.
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Der Füllraum 2 und die Brennkammern 3 verfügen über getrennte, in den Figuren nicht dargestellte Zuluftzuführungen. Dabei wird dem Füllraum 2 Primärluft zugeführt, welche die Leistung des Kaminofens 1 stark beeinflusst. In der Brennkammer 3 wird über die Sekundärluft eine vollständige Verbrennung ermöglicht.
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Die Abgase aus der Verbrennung werden zu dem im Bauraum 4 angeordneten Wärmeübertrager 8 geführt, durchströmen die Strömungskanäle 9 des Wärmeübertragers 8 und verlassen den Kaminofen 1 über das Saugzuggebläse 7 in den Abgasstutzen. Bei der Durchströmung des Abgases durch den Wärmeübertrager 8 gibt der Abgasstrom einen Großteil seiner Wärme über die Strömungskanäle 9 an den Wärmeübertrager 8 ab. Diese Wärme verteilt sich aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübertragers 8 gleichmäßig in diesem Wärmeübertrager 8 und wird über die in der Schicht 11 angeordneten thermoelektrischen Module 12 aufgenommen. In diesen thermoelektrischen Modulen 12 wird elektrische Leistung deshalb erzeugt, weil über jedem thermoelektrischen Modul 12 zwischen den Strömungskanälen 9 und der Wasserkühlung 13 eine Temperaturdifferenz vorliegt. Dabei sind die thermoelektrischen Module 12 in Reihe und Parallel verschalten und weisen jeweils einen gemeinsamen Betriebspunkt auf, so dass der thermoelektrische Generator insgesamt 250 W bei rund 24 V bereitstellen kann.
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Die erzeugte elektrische Leistung wird durch einen in den Figuren nicht dargestellten Verbraucher abgenommen.
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Dabei ist es denkbar, dass mit diesem erzeugten Strom die Steuereinrichtung, die Pumpe und das Saugzuggebläse des Kaminofen 1 versorgt wird, so dass dieser Kaminofen 1 autark ist.
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Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, dass die erzeugte elektrische Leistung in einem in den Figuren nicht dargestellten Akkumulator gespeichert wird.
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Ebenso ist es denkbar, die Wasserkühlung 13 des im Bauraum 4 des Kaminofens 1 angeordneten Wärmeübertragers 8 in einer in den Figuren nicht dargestellten Zentralheizung einzubinden und damit einen Teil der Energie des Abgases für diese Zentralheizung bereitzustellen.
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Auch ist es denkbar, den Wärmeübertrager 8 mit einer in den Figuren nicht dargestellten Rücklauftemperaturanhebung zu versehen, um die Bildung von Teerablagerungen und aggressiver Kondensaten zu vermeiden.
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Denkbar ist es auch, den Kaminofen 1 mit einem in den Figuren nicht dargestellten Überdruckventil zu versehen, die bei Überdruck kontrolliert den Dampf ablässt. Dieser Überdrück könnte z.B. bei einem Ausfall der Stromversorgung dadurch entstehen, dass eine Heizungswasserpumpe zum Stillstand kommt und somit die thermische Energie den Wärmeübertrager 8 nicht mehr verlassen. Somit käme es zu einem Temperaturanstieg des Kühlwassers und ab rund 100°C zu einem Druckanstieg, welcher durch ein Überdruckventil vermieden wird.
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Abschließend ist es auch denkbar, dass in den Strömungskanälen 9 des Wärmeübertragers 8 mehrere, in den Figuren nicht dargestellte Objekte zur Erhöhung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten angeordnet sind, wobei die Abstände zwischen den Objekte in Strömungsrichtung des Abgases kleiner werden, so dass der Wärmeübergangskoeffizient in Strömungsrichtung des Abgases und damit auch die Wärmeverteilung über die thermoelektrischen Module 12 im Abgasstrom erhöht wird. Diese Objekte können beispielweise Turbulenzelemente, Turbulatoren oder Mischer sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kaminofen
- 2
- obere Brennkammer
- 3
- untere Brennkammer
- 4
- Füllraum
- 5
- Düsenblock
- 6
- Abgasführung
- 7
- Abgasrohr
- 8
- Wärmeübertrager
- 9
- Strömungskanal
- 10
- Außenseite
- 11
- Schicht
- 12
- thermoelektrisches Modul
- 13
- Wasserkühlung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007063168 A1 [0007]
- WO 002011047404 [0008]
- DE 102004034688 B4 [0009]
- DE 4042015 C2 [0011]
- EP 0290833 B1 [0012]
- DE 102013004087 A1 [0013]
