DE102022123350A1 - Heating system with a burner and a recuperator - Google Patents

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Julian Schwab
Martin Kober
Timo Knobelspies
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02Profiting from waste heat of exhaust gases
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23LSUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L15/00Heating of air supplied for combustion
    • F23L15/04Arrangements 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 EP 2 910 855 B1 angegeben. Der sich in einen Ofenraum erstreckende Brenner ist mit einer Wärmerückgewinnungsanordnung zur Brenner-Luftvorwärmung mittels Abgaswärme ausgestattet, die einen Rekuperator und einen diesen ringförmig umschließenden Zusatzwärmetauscher aufweist, welche seriell durchströmt werden. Die Aufsplittung der Wärmerückgewinnungsanordnung in den für hohe Temperaturen geeigneten Rekuperator und den für weniger hohe Temperaturen geeigneten Zusatzwärmetauscher ist auf hohe Effizienz ausgelegt. Ein umfassenderes Prinzip der Energieerzeugung umfasst neben der Erzeugung von Wärme auch die gleichzeitige Erzeugung von Strom, wozu dieses bekannte Heizsystem nicht ausgebildet ist.Such a heating system is in the EP 2 910 855 B1 stated. The burner, which extends into a furnace space, is equipped with a heat recovery arrangement for preheating the burner air using exhaust gas heat, which has a recuperator and an additional heat exchanger surrounding it in a ring, which flow through in series. The splitting of the heat recovery arrangement into the recuperator suitable for high temperatures and the additional heat exchanger suitable for less high temperatures is designed for high efficiency. A more comprehensive principle of energy generation includes, in addition to the generation of heat, the simultaneous generation of electricity, for which this known heating system is not designed.

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 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 vorgeschlagen, einen Rekuperator zu nutzen, um Wärme mittels eines Thermosiphons zu einem thermoelektrischen Generator zu leiten.Thermoelectric generators (TEG) are suitable to make combined heat and power economical even for lower outputs. That's how it is Siddiqui and Maurya (2017) Use of Heat Recuperator for Generation of Power through Thermoelectric Generator, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, pp. 6527 - 6538, 6527 proposed to use a recuperator to conduct heat to a thermoelectric generator using a thermosiphon.

In Huang und Xu (2017) A regenerative concept for thermoelectric power generation, Applied Energy 185, S. 119 - 125, 120 ist ausgeführt, einen Rekuperator zu nutzen, um die Hochtemperatur-Wärme aus einem Verbrennungsprozess abzukühlen und gleichzeitig die zugeführte Verbrennungsluft aufzuwärmen. Thermoelektrische Generatoren werden dabei in beiden Stoffströmen eingesetzt, um Strom zu erzeugen. Dabei wird genutzt, dass beide Stoffströme auf einem geringeren Temperaturniveau sind und somit Niedertemperaturmodule eingesetzt werden können, die dabei außerhalb des Rekuperators angeordnet sind.In Huang and Xu (2017) A regenerative concept for thermoelectric power generation, Applied Energy 185, pp. 119 - 125, 120 is designed to use a recuperator to cool the high-temperature heat from a combustion process and at the same time warm up the supplied combustion air. Thermoelectric generators are used in both material flows to generate electricity. This takes advantage of the fact that both material flows are at a lower temperature level and thus low-temperature modules can be used, which are arranged outside the recuperator.

In Qu et al. (2019) Optimization of thermoelectric generator integrated recuperator, Energy Procedia 158, S. 2058 - 2063, 2059 ist die Integration eines thermoelektrischen Generators in einen Rekuperator einer Mikrogasturbine theoretisch betrachtet. Eine eigenständige Nutzung eines Brenners mit Rekuperator und thermoelektrischem Generator ist nicht abgehandelt.In Qu et al. (2019) Optimization of thermoelectric generator integrated recuperator, Energy Procedia 158, pp. 2058 - 2063, 2059 is the theoretical integration of a thermoelectric generator into a recuperator of a micro gas turbine. Independent use of a burner with a recuperator and thermoelectric generator is not covered.

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 claim 1. It is envisaged that a thermoelectric generator is integrated into the recuperator.

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:

  • 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.
The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it:
  • 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.

1 zeigt ein thermoelektrisches Heizsystem 1 mit einem Brennraum 10 eines (nicht gezeigten) Brenners und einer in einem Abgaskanal 11 angeordneten Wärmeübertrageranordnung mit einem rekuperierenden Wärmeübertrager 20, der einen Rekuperator 21 und einen darin integrierten thermoelektrischen Generator 22 aufweist, sowie einem im Abgaskanal 11 nachgeordneten weiteren bzw. nachfolgenden Wärmeübertrager 30. 1 shows a thermoelectric heating system 1 with a combustion chamber 10 of a burner (not shown) and a heat exchanger arrangement arranged in an exhaust gas duct 11 with a recuperating heat exchanger 20, which has a recuperator 21 and a thermoelectric generator 22 integrated therein, as well as a further or .subsequent heat exchanger 30.

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 combustion chamber 10 is supplied with fresh air via a warm air supply 24, which is supplied via the heat exchanger 20, in particular the recuperator 21 arranged therein, by means of the heat of the exhaust gas 110 flowing out of the combustion chamber 10 is warmed up. The heat exchanger 20 or the recuperator 21 is provided with a fresh air supply connection 23 for supplying fresh air.

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 subsequent heat exchanger 30 is optionally provided and is used to use residual heat present in the exhaust gas, for example. B. to warm up heating water supplied via a return line 31 to a heating system in a private building or process water to be heated in an industrial plant. The heated heating water or process water can then be supplied for further use via a flow 32. The subsequent heat exchanger 30 can also be provided with a recuperator or designed as such and also contain a thermoelectric generator integrated therein. It is possible to arrange further such heat exchangers in the exhaust duct or the exhaust gas line formed in this way.

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 supply air 240 is mixed with fuel gas and ignited, after which it absorbs heat from the exhaust gas via the recuperator 21 with the thermoelectric generator 22 integrated therein and returns it to the burner or the combustion chamber 10 as heated fresh air is supplied. In the exemplary embodiment shown, heat not transferred in the recuperator 21 is transferred from the subsequent heat exchanger 30 to the heat transfer medium flowing through it, i.e. in particular heating water.

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 heat exchangers 20, 30 or recuperators 21 can be designed in a cross-current, counter-current or co-current arrangement. The optionally used subsequent heat exchanger 30 contributes to increasing the overall efficiency. In order to minimize losses, the heating water from the return 31 can also be directed into channels in the housing of the system and absorb any heat flows that would otherwise escape into the environment. Such a design is favored by the compact structure of the system with the recuperator 21 and the thermoelectric generator 22 integrated therein, whereby the recuperator 21 with the thermoelectric generator 22 can be designed as a modular unit.

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 recuperator 21 with the thermoelectric generator 22 integrated therein or the integrated thermoelectric modules can therefore be used advantageously, in particular for applications with lower power (e.g. below 200 kW), with the heating system designed with it providing advantageous combined heat and power -Coupling for the simultaneous generation of heat and electricity.

2 zeigt eine Ausführungsvariante des Systems, bei der gegenüber der Ausführung nach 1 zusätzlich eine Bypassanordnung 4 mit einem Bypass-Abzweig 40 und einem Bypasszweig 41 vorhanden ist, um insbesondere den rekuperierenden Wärmeübertrager 20 bzw. den Rekuperator 21 wahlweise zu überbrücken. Der Bypass-Abzweig beinhaltet als ansteuerbaren Aktuator z. B. eine Bypassklappe oder ein entsprechendes Stellglied. Diese Ausbildung mit der Bypassanordnung 4 bietet den Vorteil, dass z. B. zwei Betriebsmodi genutzt werden können. In einem ersten Betriebsmodus, dem Normalbetrieb, wird eine höhere elektrische Leistung generiert, wodurch bei höherem elektrischem Leistungsbedarf bzw. Strombedarf dieser bedarfsgerecht erzeugt werden kann. Bei geöffnetem Bypass in einem zweiten Betriebsmodus, dem Bypassbetrieb, wird weniger Strom erzeugt und mehr thermische Leistung kann abgegeben werden, vorliegend über den nachfolgenden Wärmeübertrager 30 z. B. an aufzuheizendes Wasser, wie Heizungswasser. Dies bietet Vorteile, insbesondere wenn ein höherer Wärmebedarf vorliegt und dieser gedeckt werden soll. Ein solcher Fall liegt z. B. vor, wenn in Privatgebäuden die thermische Leistung der Wärmeerzeuger, wie häufig, für wenige sehr kalte Tage dimensioniert ist und ansonsten der Betrieb im mittleren Leistungsbereich erfolgt. Die genannte Ausführung kann somit auch Vorteile in der Dimensionierung des Heizsystems bringen. 2 shows an embodiment variant of the system, in which the version according to 1 In addition, a bypass arrangement 4 with a bypass branch 40 and a bypass branch 41 is present, in particular to selectively bridge the recuperating heat exchanger 20 or the recuperator 21. The bypass branch contains, as a controllable actuator, e.g. B. a bypass flap or a corresponding actuator. This training with the bypass arrangement 4 offers the advantage that, for. B. two operating modes can be used. In a first operating mode, normal operation, a higher electrical power is generated, which means that if there is a higher electrical power requirement or electricity requirement, this can be generated as needed. When the bypass is open in a second operating mode, the bypass operation, less electricity is generated and more thermal power can be delivered, in the present case via the subsequent heat exchanger 30 z. B. to water to be heated, such as heating water. This offers advantages, especially if there is a higher heat requirement and this needs to be covered. Such a case is e.g. This occurs, for example, if in private buildings the thermal output of the heat generator is, as is often the case, designed for a few very cold days and otherwise operation is in the medium output range. The design mentioned can therefore also bring advantages in the dimensioning of the heating system.

3 zeigt schematisch einen mit dem Brennraum 10 strömungstechnisch in Verbindung gebrachten rekuperierenden Wärmeübertrager 20 mit einem darin integrierten thermoelektrischen Generator 22. Dem Brennraum wird die über den rekuperierenden Wärmeübertrager 20, insbesondere den Rekuperator 21, erwärmte Frischluft als Zuluft 240 vermischt mit Brenngas zugeführt und die Wärme des aus dem Brennraum 10 strömenden Abgases 110 wird mittels des Rekuperators 21 auf die durch den rekuperierenden Wärmeübertrager 20 geleitete Frischluft übertragen. Dabei liefert der integrierte thermoelektrische Generator 22 elektrischen Strom. 3 shows schematically a recuperating heat exchanger 20 which is fluidically connected to the combustion chamber 10 and has a thermoelectric generator 22 integrated therein. The fresh air heated via the recuperating heat exchanger 20, in particular the recuperator 21, is supplied to the combustion chamber as supply air 240 mixed with fuel gas and the heat of the Exhaust gas 110 flowing from the combustion chamber 10 is transferred by means of the recuperator 21 to the fresh air passed through the recuperating heat exchanger 20. The integrated thermoelectric generator 22 supplies electrical power.

Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind ein Abschnitt des Abgaskanals 11 und ein diesen z. B. konzentrisch umgebender Abschnitt eines Frischluftkanals bzw. Zuluftkanals 241 von einer Gehäusewandung 200 des rekuperierenden Wärmeübertragers 20 umfasst, wobei der Rekuperator 21 mit dem integrierten thermoelektrischen Generator 22 z. B. konzentrisch zwischen dem betreffenden Abschnitt des Abluftkanals 11 und des Zuluftkanals 241 angeordnet ist.At the in 3 The exemplary embodiment shown is a section of the exhaust duct 11 and a z. B. concentrically surrounding section of a fresh air duct or supply air duct 241 from a housing wall 200 of the recuperating heat exchanger 20, the recuperator 21 with the integrated thermoelectric generator 22 z. B. is arranged concentrically between the relevant section of the exhaust air duct 11 and the supply air duct 241.

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 recuperator 21 and the thermoelectric genes integrated therein Rator 22 can be used in various applications. In private buildings, heat and electricity can be generated on site and the system designed in this way is much more economical and ecological than generating heat on site and purchasing electricity from the power grid. The presented technology can be used with different fuels, e.g. B. natural gas, climate-neutral wood pellets or hydrogen.

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

  • EP 2910855 B1 [0002]EP 2910855 B1 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • 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 [0004]Siddiqui and Maurya (2017) Use of Heat Recuperator for Generation of Power through Thermoelectric Generator, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, pp. 6527 - 6538, 6527 [0004]
  • 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]
  • Qu et al. (2019) Optimization of thermoelectric generator integrated recuperator, Energy Procedia 158, S. 2058 - 2063, 2059 [0006]Qu et al. (2019) Optimization of thermoelectric generator integrated recuperator, Energy Procedia 158, pp. 2058 - 2063, 2059 [0006]

Claims (11)

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, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rekuperator (21) ein thermoelektrischer Generator (22) integriert ist.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, characterized in that a thermoelectric generator (21) is inserted into the recuperator (21). 22) is integrated. Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (21) zum Vorwärmen der Frischluft mittels des heißen Abgases in einer Kreuzstrom-, Gegenstrom- oder Gleichstromanordnung ausgebildet ist.heating system Claim 1 , characterized in that the recuperator (21) is designed for preheating the fresh air by means of the hot exhaust gas in a cross-current, counter-current or co-current arrangement. Heizsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (21) in einem rekuperierenden Wärmeübertrager (20) mit einer äußeren Gehäusewandung (200) angeordnet ist, in dem ein zumindest ein Abschnitt eines Zuluftkanals (241) und zumindest ein Abschnitt eines Abgaskanals (11) angeordnet sind, die von der äußeren Gehäusewandung (200) umfasst sind, wobei der Rekuperator (21) mit dem integrierten thermoelektrischen Generator zwischen dem zumindest einen Abschnitt des Zuluftkanals (241) und dem zumindest einen Abschnitt des Abgaskanals (11) angeordnet ist.heating system Claim 1 or 2 , characterized in that the recuperator (21) is arranged in a recuperating heat exchanger (20) with an outer housing wall (200), in which at least one section of a supply air duct (241) and at least one section of an exhaust gas duct (11) are arranged, which are enclosed by the outer housing wall (200), wherein the recuperator (21) with the integrated thermoelectric generator is arranged between the at least one section of the supply air duct (241) and the at least one section of the exhaust duct (11). Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rekuperator (21) im Abgaskanal (11) mindestens ein nachfolgender Wärmeübertrager (30) nachgeordnet ist.Heating system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one subsequent heat exchanger (30) is arranged downstream of the recuperator (21) in the exhaust gas duct (11). Heizsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der nachfolgende Wärmeübertrager (30) zum Durchströmen eines mittels Wärme des Abgases aufwärmbaren Fluids, insbesondere Heizungswasser, ausgebildet ist.heating system Claim 4 , characterized in that the subsequent heat exchanger (30) is designed to flow through a fluid that can be heated using the heat of the exhaust gas, in particular heating water. Heizsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der nachfolgende Wärmeübertrager (30) ein weiterer Rekuperator ist und/oder einen darin integrierten weiteren thermoelektrischen Generator aufweist.heating system Claim 4 or 5 , characterized in that the subsequent heat exchanger (30) is a further recuperator and/or has a further thermoelectric generator integrated therein. Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskanal (11), insbesondere zwischen dem Brennraum (10) und dem Rekuperator (21), ein Bypass-Abzweig (40) eines Bypasszweigs (41) zum wahlweisen Überbrücken zumindest des Rekuperators (21) angeordnet ist.Heating system according to one of the preceding claims, characterized in that in the exhaust duct (11), in particular between the combustion chamber (10) and the recuperator (21), there is a bypass branch (40) of a bypass branch (41) for selectively bridging at least the recuperator ( 21) is arranged. Heizsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Öffnung des Bypass-Abzweigs (40) unter Ansteuerung eines Stellglieds einstellbare Bypassbetrieb bei erhöhtem thermischem Leistungsbedarf in dem auf den Rekuperator (21) folgenden Abgaskanalabschnitt wählbar ist, beispielsweise bei erhöhtem Bedarf an Heizwasser.heating system Claim 7 , characterized in that the bypass operation, which can be set by opening the bypass branch (40) under control of an actuator, can be selected when there is an increased thermal power requirement in the exhaust duct section following the recuperator (21), for example when there is an increased need for heating water. Anwendung eines Heizsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Aufwärmen von Heizungswasser und Bereitstellen von elektrischem Strom in einem Privatgebäude.Application of a heating system according to one of the preceding claims for warming up heating water and providing electrical power in a private building. Anwendung eines Heizsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Industrieanlage zum Bereitstellen von Wärme in einem thermischen Prozess und zum Erzeugen von Strom.Application of a heating system according to one of the Claims 1 until 8th in an industrial plant to provide heat in a thermal process and to generate electricity. Anwendung eines Heizsystems nach Anspruch 9 oder 10, wobei als Brennstoff für den Brenner Erdgas, Heizöl, Holz oder Wasserstoff verwendet wird.Application of a heating system Claim 9 or 10 , where natural gas, heating oil, wood or hydrogen are used as fuel for the burner.
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