DE102022123350A1 - Heating system with a burner and a recuperator - Google Patents
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- F23L15/00—Heating of air supplied for combustion
- F23L15/04—Arrangements of recuperators
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Heizsystem mit einem einen Brennraum (10) aufweisenden Brenner und einem in dessen Abgaskanal (11) angeordneten Rekuperator (21), über den dem Brennraum (10) zugeführte Frischluft vorwärmbar ist. In den Rekuperator (21) ist ein thermoelektrischer Generator (22) integriert.The invention relates to a heating system with a burner having a combustion chamber (10) and a recuperator (21) arranged in its exhaust duct (11), via which fresh air supplied to the combustion chamber (10) can be preheated. A thermoelectric generator (22) is integrated into the recuperator (21).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Heizsystem mit einem einen Brennraum aufweisenden Brenner und einem in dessen Abgaskanal angeordneten Rekuperator, über den dem Brennraum zugeführte Frischluft vorwärmbar ist.The invention relates to a heating system with a burner having a combustion chamber and a recuperator arranged in its exhaust duct, via which fresh air supplied to the combustion chamber can be preheated.
Ein derartiges Heizsystem ist in der
Das Prinzip der gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und Strom wird durch die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) beschrieben. Dezentral eingesetzt bietet die Kraft-Wärme-Kopplung zahlreiche Vorteile gegenüber einer getrennten Erzeugung von Wärme und Strom. Der erzeugte Strom ist deutlich umweltfreundlicher und kostengünstiger als Netzstrom. Konventionelle KWK-Anlagen sind beispielsweise Kolbenmotoren, Turbinen oder Brennstoffzellen.The principle of simultaneous production of heat and electricity is described by combined heat and power (CHP). When used decentrally, combined heat and power offers numerous advantages over separate generation of heat and electricity. The electricity generated is significantly more environmentally friendly and cost-effective than grid electricity. Conventional CHP systems include piston engines, turbines or fuel cells.
Um die Kraft-Wärme-Kopplung auch für geringere Leistungen wirtschaftlich zu machen sind thermoelektrische Generatoren (TEG) geeignet. So ist in
In
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In Nader (2019) ThermoElectric Generator Optimization for Hybrid Electric Vehicles, Applied Thermal Engineering, S. 11 werden verschiedene Konzepte eines Brenners mit einem thermoelektrischen Generator für Fahrzeuge betrachtet. Auch sind verschiedene Anordnungen mit Rekuperator genannt.In Nader (2019) ThermoElectric Generator Optimization for Hybrid Electric Vehicles, Applied Thermal Engineering, p. 11, various concepts of a burner with a thermoelectric generator for vehicles are considered. Various arrangements with a recuperator are also mentioned.
Konventionelle Anlagen zur gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und Strom sind meist komplex im Aufbau und insbesondere für Anwendungen mit geringer Leistung häufig zu kostenintensiv. KWK-Anlagen mit thermoelektrischem Generator sind teilweise für Anwendungen mit geringer Leistung einsetzbar, haben aber einen relativ geringen Wirkungsgrad, da unter anderem bei der Übertragung der Wärme in das kühlende Medium viel Exergie verloren wird.Conventional systems for the simultaneous generation of heat and electricity are usually complex in design and often too cost-intensive, especially for applications with low output. CHP systems with thermoelectric generators can sometimes be used for applications with low output, but have a relatively low efficiency because, among other things, a lot of exergy is lost when the heat is transferred to the cooling medium.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizsystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem eine erhöhte Effizienz bei der Erzeugung von Wärme und Strom erreicht wird.The present invention is based on the object of providing a heating system of the type mentioned, with which increased efficiency in the generation of heat and electricity is achieved.
Diese Aufgabe wird bei einem Heizsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass in den Rekuperator ein thermoelektrischer Generator integriert ist.This task is achieved in a heating system with the features of
In dieser Ausbildung des Heizsystems wird ein kompakter Aufbau mit geringer Komplexität und damit geringen Investitionskosten erhalten, wodurch die Anlagen auch bei Anwendungen mit geringerem Leistungsbedarf wirtschaftlich vorteilhaft anwendbar sind. Bei dem Heizsystem wird die dem Brenner zugeführte Frischluft bzw. Zuluft mit Brenngas gemischt, entzündet und gibt über den rekuperierenden Wärmeübertrager bzw. Rekuperator mit integriertem thermoelektrischem Generator die Wärme wiederum an die neu zugeführte Frischluft ab. Dadurch wird ein Teil der Exergie zurückgewonnen und kann erneut dem Prozess zugeführt werden. Somit wird auch der elektrische Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators infolge der Integration in dem Rekuperator deutlich erhöht. Die von dem heißen Verbrennungsgas an die Frischluft übertragene Wärme kann so mehrfach genutzt werden, sodass eine wesentliche Wirkungsgradsteigerung erreicht wird gegenüber aus der Literatur bekannten Systemen, bei denen der Rekuperator zusätzlich zu dem thermoelektrischen Generator eingesetzt wird, hingegen nicht in den Rekuperator integriert ist, wodurch ein geringerer Teil der Wärme wiederverwendet werden kann und dem thermoelektrischen Generator keine hohe Temperaturdifferenz zur Verfügung steht, was sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirkt.This design of the heating system results in a compact structure with low complexity and therefore low investment costs, which means that the systems can also be used economically in applications with lower power requirements. In the heating system, the fresh air or supply air supplied to the burner is mixed with fuel gas, ignited and then releases the heat into the newly supplied fresh air via the recuperating heat exchanger or recuperator with an integrated thermoelectric generator. This means that part of the exergy is recovered and can be fed back into the process. The electrical efficiency of the thermoelectric generator is therefore significantly increased as a result of its integration in the recuperator. The heat transferred from the hot combustion gas to the fresh air can be used multiple times, so that a significant increase in efficiency is achieved compared to systems known from the literature in which the recuperator is also is used in the thermoelectric generator, but is not integrated into the recuperator, which means that a smaller part of the heat can be reused and the thermoelectric generator does not have a high temperature difference available, which has a negative effect on the efficiency.
Verschiedene Ausgestaltungsvarianten des Heizsystems bei vorteilhaftem Aufbau bestehen darin, dass der Rekuperator zum Vorwärmen der Frischluft mittels des heißen Abgases in einer Kreuzstrom-, Gegenstrom- oder Gleichstromanordnung ausgebildet ist.Various design variants of the heating system with an advantageous structure consist in that the recuperator is designed to preheat the fresh air by means of the hot exhaust gas in a cross-current, counter-current or co-current arrangement.
Eine für den Aufbau und die Funktion vorteilhafte Ausbildung des Heizsystems besteht darin, dass der Rekuperator in einem rekuperierenden Wärmeübertrager mit einer äußeren Gehäusewandung angeordnet ist, in dem ein Zuluftkanal und ein Abgaskanal gebildet sind, die von der äußeren Gehäusewandung umfasst sind, wobei der Rekuperator mit dem integrierten thermoelektrischen Generator zwischen dem Zuluftkanal und dem Abgaskanal angeordnet ist.A design of the heating system that is advantageous for the structure and function is that the recuperator is arranged in a recuperating heat exchanger with an outer housing wall, in which a supply air duct and an exhaust gas duct are formed, which are enclosed by the outer housing wall, the recuperator with the integrated thermoelectric generator is arranged between the supply air duct and the exhaust duct.
Eine effiziente Betriebsweise wird weiterhin dadurch erhalten, dass dem Rekuperator im Abgaskanal mindestens ein nachfolgender Wärmeübertrager nachgeordnet ist.Efficient operation is also achieved by having at least one subsequent heat exchanger downstream of the recuperator in the exhaust gas duct.
Dabei besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, dass der nachfolgende Wärmeübertrager zum Durchströmen eines mittels Wärme des Abgases aufwärmbaren Fluids, insbesondere Heizungswasser, ausgebildet ist.An advantageous embodiment is that the subsequent heat exchanger is designed to flow through a fluid that can be heated using the heat of the exhaust gas, in particular heating water.
Eine für den Aufbau und einen effizienten Betrieb weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass der nachfolgende Wärmeübertrager ein weiterer Rekuperator ist und/oder einen darin integrierten weiteren thermoelektrischen Generator aufweist.A further advantageous embodiment for the structure and efficient operation is that the subsequent heat exchanger is a further recuperator and/or has a further thermoelectric generator integrated therein.
Ist vorgesehen, dass im Abgaskanal, insbesondere zwischen dem Brennraum und dem Rekuperator, ein Bypass-Abzweig eines Bypasszweigs zum wahlweisen Überbrücken zumindest des Rekuperators angeordnet ist, so können vorteilhaft verschiedene Betriebsmodi genutzt werden, einerseits zum Generieren einer erhöhten elektrischen Leistung bei höherem Strombedarf und andererseits, bei geöffnetem Bypass (Bypassbetrieb) eine erhöhte thermische Leistung bei erhöhtem Wärmebedarf.If it is provided that a bypass branch of a bypass branch is arranged in the exhaust duct, in particular between the combustion chamber and the recuperator, for selectively bridging at least the recuperator, different operating modes can advantageously be used, on the one hand to generate increased electrical power with higher power requirements and on the other hand , with the bypass open (bypass operation) an increased thermal output with increased heat requirements.
Dazu besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung des Heizsystems darin, dass der durch Öffnung des Bypass-Abzweigs unter Ansteuerung eines Stellglieds einstellbare Bypassbetrieb bei erhöhtem thermischem Leistungsbedarf in dem auf den Rekuperator folgenden Abgaskanalabschnitt wählbar ist, beispielsweise bei erhöhtem Bedarf an Heizwasser.For this purpose, an advantageous embodiment of the heating system is that the bypass operation, which can be set by opening the bypass branch under control of an actuator, can be selected when there is an increased thermal power requirement in the exhaust duct section following the recuperator, for example when there is an increased need for heating water.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die Anwendung eines Heizsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Aufwärmen von Heizungswasser und Bereitstellen von elektrischem Strom in einem Privatgebäude.Further advantages of the invention result from the use of a heating system according to one of the preceding claims for warming up heating water and providing electrical power in a private building.
Die Erfindung ergibt auch Vorteile für die Anwendung eines Heizsystems in einer Industrieanlage zum Bereitstellen von Wärme in einem thermischen Prozess und zum Erzeugen von Strom.The invention also provides advantages for the application of a heating system in an industrial plant for providing heat in a thermal process and for generating electricity.
Bei der Anwendung des Heizsystems kann vorteilhaft als Brennstoff für den Brenner Erdgas, Heizöl, Holz oder Wasserstoff verwendet werden.When using the heating system, natural gas, heating oil, wood or hydrogen can advantageously be used as fuel for the burner.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Heizsystems mit einem Brenner und einer in dessen Abgaskanal angeordneten Wärmeübertrageranordnung mit einem rekuperierenden Wärmeübertrager bzw. Rekuperator und darin integriertem thermoelektrischen Generator sowie einem nachgeordneten weiteren Wärmeübertrager und -
2 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein Heizsystem mit Brenner und einer in dessen Abgaskanal angeordneten Wärmeübertrageranordnung mit einem rekuperierenden Wärmeübertrager mit darin integriertem thermoelektrischen Generator und einem nachgeordneten weiteren Wärmeübertrager, wobei der rekuperierende Wärmeübertrager mittels einer Bypassanordnung überbrückbar ist, und -
3 einen an einem Brennraum strömungstechnisch angeschlossenen rekuperierenden Wärmeübertrager mit integriertem thermoelektrischen Generator in schematischer Ansicht.
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1 a schematic view of a heating system with a burner and a heat exchanger arrangement arranged in its exhaust duct with a recuperating heat exchanger or recuperator and a thermoelectric generator integrated therein as well as a further downstream heat exchanger and -
2 a schematic view of a further exemplary embodiment of a heating system with a burner and a heat exchanger arrangement arranged in its exhaust duct with a recuperating heat exchanger with a thermoelectric generator integrated therein and a further downstream heat exchanger, the recuperating heat exchanger being bridgeable by means of a bypass arrangement, and -
3 A schematic view of a recuperating heat exchanger with an integrated thermoelectric generator that is fluidically connected to a combustion chamber.
Dem Brennraum 10 wird über eine Warmluftzufuhr 24 Frischluft zugeführt, welche über den Wärmeübertrager 20, insbesondere den darin angeordneten Rekuperator 21, mittels der Wärme des aus dem Brennraum 10 ausströmenden Abgases 110 aufgewärmt wird. Der Wärmeübertrager 20 bzw. der Rekuperator 21 ist zur Zuführung der Frischluft mit einem Frischluftzufuhranschluss 23 versehen.The
Der nachfolgende Wärmeübertrager 30 ist optional vorgesehen und dient zur Nutzung in dem Abgas vorhandener restlicher Wärme, um z. B. über einen Rücklauf 31 zugeführtes Heizungswasser einer Heizungsanlage in einem Privatgebäude oder von zu erwärmendem Prozesswasser in einer Industrieanlage aufzuwärmen. Das aufgewärmte Heizungswasser bzw. Prozesswasser kann dann über einen Vorlauf 32 der weiteren Verwendung zugeführt werden. Der nachfolgende Wärmeübertrager 30 kann ebenfalls mit einem Rekuperator versehen sein bzw. als solcher ausgebildet sein und auch einen darin integrierten thermoelektrischen Generator enthalten. Möglich ist, noch weitere derartige Wärmeübertrager in dem Abgaskanal bzw. dem so gebildeten Abgasstrang anzuordnen.The
Die dem Brenner, beispielsweise einem Gasbrenner, als Zuluft 240 zugeführte Frischluft wird mit Brenngas vermischt und entzündet, wonach sie über den Rekuperator 21 mit dem darin integrierten thermoelektrischen Generator 22 Wärme aus dem Abgas aufnimmt und als erwärmte Frischluft wieder dem Brenner bzw. dem Brennraum 10 zugeführt wird. In dem Rekuperator 21 nicht übertragene Wärme wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel von dem nachfolgenden Wärmeübertrager 30 an das diesen durchströmende Wärmeüberträgermedium, also insbesondere Heizungswasser, übertragen.The fresh air supplied to the burner, for example a gas burner, as
Alle Wärmeübertrager 20, 30 bzw. Rekuperatoren 21 können in Kreuz-, Gegen- oder Gleichstromanordnung ausgeführt sein. Der optional eingesetzte nachfolgende Wärmeübertrager 30 trägt zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads bei. Um Verluste zu minimieren kann das Heizungswasser aus dem Rücklauf 31 zusätzlich in Kanäle des Gehäuses des Systems geleitet werden und dort ansonsten in die Umgebung gelangende Wärmeströme aufnehmen. Eine solche Ausgestaltung wird durch den kompakten Aufbau des Systems mit dem Rekuperator 21 und dem darin integrierten thermoelektrischen Generator 22 begünstigt, wobei der Rekuperator 21 mit dem thermoelektrischen Generator 22 als modulartige Einheit ausgestaltet sein kann. All
Das Aggregat aus dem Rekuperator 21 mit dem darin integrierten thermoelektrischen Generator 22 bzw. den integrierten thermoelektrischen Modulen kann somit vorteilhaft insbesondere auch für Anwendungen geringerer Leistung (z. B. unter 200 kW) genutzt werden, wobei das damit ausgestaltete Heizsystem eine vorteilhafte Kraft-Wärme-Kopplung zur gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und Strom bildet.The unit consisting of the
Bei dem in
Das vorstehend in verschiedenen Varianten beschriebene Heizsystem mit dem Rekuperator 21 und dem darin integrierten thermoelektrischen Generator 22 kann in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. In Privatgebäuden kann damit Wärme und Strom vor Ort erzeugt werden und das so ausgestaltete System ist wesentlich ökonomischer und ökologischer als die Erzeugung der Wärme vor Ort und der Bezug des Stroms aus dem Stromnetz. Die vorgestellte Technologie kann mit verschiedenen Brennstoffen eingesetzt werden, z. B. Erdgas, klimaneutralen Holzpellets oder auch Wasserstoff.The heating system described above in various variants with the
Eine weitere mögliche Anwendung besteht im industriellen Bereich. In thermischen Prozessen kann in entsprechender Weise Wärme bereitgestellt und gleichzeitig günstiger und umweltfreundlicher Strom erzeugt werden.Another possible application is in the industrial sector. In thermal processes, heat can be provided in a corresponding manner and at the same time cheaper and environmentally friendly electricity can be generated.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- Huang und Xu (2017) A regenerative concept for thermoelectric power generation, Applied Energy 185, S. 119 - 125, 120 [0005]Huang and Xu (2017) A regenerative concept for thermoelectric power generation, Applied Energy 185, pp. 119 - 125, 120 [0005]
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Siddiqui und Maurya (2017) Use of Heat Recuperator for Generation of Power through Thermoelectric Generator, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, S. 6527 - 6538, 6527 |
SIDDIQUI, Faiz Mohd ; MAURYA, V. K.: Use of heat recuperator for generation of power through thermoelectric generator. In: International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, Vol. 6, 2017, No. 4, S. 6527-6538. - ISSN 2347-6710 (P); 2319-8753 (E). URL: http://www.ijirset.com/upload/2017/april/65_4_Use.pdf [abgerufen am 2022-09-29] |
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