DE19813241A1 - Wärmetauscher kombiniert mit einem thermoelektrischen Generator - Google Patents

Abstract

Bei einem Wärmetauscher wird Wärme von einem ersten Medium auf ein zweites Medium so übertragen, daß sich das zweite Medium aufheizt. Die beiden Medien werden durch eine Trennwand mit hoher Wärmeleitfähigkeit getrennt, über die ein Temperaturgradient bestehen muß, damit der Wärmetauscher funktioniert. DOLLAR A Im anspruchsgemäßen Wärmetauscher mit kombiniertem thermoelektrischen Generator wird dieser Temperaturgradient zur Generierung von Elektrizität durch einen thermoelektrischen Generator genutzt. DOLLAR A Der Vorteil dieses Gerätes liegt darin, daß es im Gegensatz zu herkömmlichen thermoelektrischen Generatoren keine extra Heizung bzw. Kühlung benötigt. Die zum Funktionieren des thermoelektrischen Generators benötigte Energie wird vom Wärmetauscher geliefert. DOLLAR A Durch den thermoelektrischen Umwandlungsprozeß des Generators wird die Funktion des Wärmetauschers kaum beeinflußt, so daß die elektrische Energie nahezu zusätzlich erzeugt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit minde­ stens einem ersten Volumen zur Aufnahme eines ersten Wärmeenergie zuführenden Fluidums, mit mindestens einem zweiten Volumen zur Aufnahme eines zweiten Wärmeenergie ableitenden Fluidums und mit mindestens einer Trenn­ wand, die das erste Volumen vom zweiten Volumen trennt. Wärmetauscher der zuvor beschriebenen Art sind Vorrich­ tungen, die von zwei oder mehreren Fluiden durchströmt werden, von denen eines Wärme an die übrigen Fluide ab­ gibt. Gleichzeitig werden bestimmte Zustandsbedingungen eingestellt und die beteiligten Fluide zum weiteren Verwendungsort befördert. Einer von mehreren Typen von Wärmetauschern ist der indirekte Wärmetauscher, bei dem die miteinander im Energieaustausch stehenden Fluide durch eine feste Wand mit unterschiedlicher Form und Bauart voneinander getrennt sind, wobei die Wärmeüber­ tragung durch die Wand erfolgt.

Indirekte Wärmetauscher können unter vielfältigen Be­ dingungen eingesetzt werden, die bei der Auslegung des indirekten Wärmetauschers zu beachten sind. Dabei spie­ len die Phasenkombination der Fluide, die kontinuierli­ che, diskontinuierliche oder stationäre Betriebsform, die Energieform, die Zustandsparameter wie Druck und Temperatur sowie die Wirtschaftlichkeit eine wesentli­ che Rolle, so daß sich unterschiedliche Bauarten erge­ ben.

Dabei werden die indirekten Wärmetauscher nach der Art der Ausrichtung der Strömungen der verschiedenen Fluide in Gleichstrom-, Gegenstrom- und Kreuzstrom- Wärmetauscher eingeteilt. Bei einem Gleichstrom- Wärmetauscher strömen beide Fluide in gleicher Rich­ tung, während bei einem Gegenstrom-Wärmetauscher beide Fluide in entgegengesetzten Richtungen strömen. Bei ei­ nem Kreuzstrom-Wärmetauscher strömen die beteiligten Fluide rechtwinklig zueinander.

Allen verschiedenen Bautypen des indirekten Wärmetau­ schers ist gemeinsam, daß die Trennwand für eine hohe Effizienz der Energie- bzw. Wärmeübertragung eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Daher werden in der Regel hochlegierte Stähle auf Eisen-, Nickel- oder Chrombasis verwendet, die eine hohe Temperaturstabilität im Be­ reich von 700/800°C aufweisen. Bei noch höheren Be­ triebstemperaturen werden bevorzugt keramische Werk­ stoffe eingesetzt.

Während bei einem Wärmetauscher die Wärmeenergie von einem Fluidum mit einer höheren Temperatur auf ein wei­ teres Fluidum mit einer niedrigeren Temperatur übertra­ gen wird und somit ein Energieaustausch stattfindet, wird bei einem thermoelektrischen Generator eine Tempe­ raturdifferenz zwischen zwei Seiten eines thermoelek­ trischen Generators für die Erzeugung elektrischer Energie verwendet. Der zugrundeliegende thermoelektri­ sche Effekt beruht auf Wechselwirkungen zwischen ther­ mischen und elektrischen Transportvorgängen in einem Festkörper. Liegt also eine Temperaturdifferenz, d. h. ein Temperaturgradient am thermoelektrischen Generator an, so entsteht eine elektrische Potentialdifferenz, die zur Erzeugung eines elektrischen Stromes verwendet werden kann.

Bei thermoelektrischen Generatoren der herkömmlichen Art wird die Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie durchgeführt, indem eine Seite des thermoelek­ trischen Werkstoffes erhitzt und/oder gleichzeitig die gegenübergelegene Seite gekühlt wird. Es wird also von außen ein Temperaturgradient über das Material erzeugt, so daß eine elektrische Potentialdifferenz entsteht. Der thermoelektrische Werkstoff sollte daher zunächst eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um mög­ lichst geringe Widerstandsverluste beim Ableiten des elektrischen Stromes zu erzeugen. Weiterhin weist bei herkömmlichen thermoelektrischen Generatoren die den thermoelektrischen Werkstoff erhaltende Wand eine ge­ ringe Wärmeleitfähigkeit auf, so daß die zur Erzeugung der Erhitzung bzw. Abkühlung jeweils einer der Seiten des thermoelektrischen Generators notwendige Energie möglichst klein gehalten wird. Dieses wird in der Regel dadurch erreicht, daß der thermoelektrische Generator Schichten aus einem thermisch isolierenden Material aufweist. Daraus resultiert, daß die Anforderungen an das Material für einen Wärmetauscher auf der einen Sei­ te und für einen thermoelektrischen Generator auf der anderen Seite insbesondere bezüglich der Wärmelei­ tungseigenschaften differieren.

Des weiteren ist bekannt, daß die Effiziens des thermo­ elektrischen Generators abhängig von der Größe der Wär­ meleitfähigkeit ist. Je größer die Wärmeleitfähigkeit ist, desto größer ist die Effizienz des thermoelektri­ schen Generators. Diese Abhängigheit steht jedoch im Widerspruch zu den zuvor beschriebenen Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit des thermoelektrischen Materi- als. Daher sind thermoelektrische Generatoren bisher nur unzureichend effektiv.

Als thermoelektrische Werkstoffe werden hauptsächlich keramische Werkstoffe verwendet.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zu­ grunde, die zuvor aufgezeigten Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung anzugeben, die die Eigenschaften eines Wärmetauschers mit den Eigenschaften eines ther­ moelektrischen Generators verbindet.

Das zuvor aufgezeigte technische Problem ist erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trennwand zumindest teilweise als thermoelektrischer Generator ausgebildet ist. Dabei ist erkannt worden, daß die während des Be­ triebes des Wärmetauschers vorhandene Wärmedifferenz zwischen dem ersten Fluidum und dem zweiten Fluidum durch einen fortlaufenden Nachschub an erhitztem Flui­ dum aufrechterhalten wird, ohne daß es einer separaten Heizung bedarf. Ist also die Trennwand teilweise als thermoelektrischer Generator ausgebildet, so kann diese fortlaufend aufrechterhaltene Wärmedifferenz, die für den Betrieb des Wärmeaustausches benötigt wird, gleichzeitig für die Erzeugung elektrischer Energie ausgenutzt werden.

Dabei kommt der Effizienz des thermoelektrischen Gene­ rators entgegen, daß im Gegensatz zu einem herkömmli­ chen thermoelektrischen Generator ein Material mit ei­ ner hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Die hohe Wärmeleitfähigkeit ist - wie oben beschrieben - für die Funktion des Wärmetauschers erforderlich, wobei gleich­ zeitig die hohe Wärmeleitfähigkeit die Funktionsweise des thermoelektrischen Generators verbessert.

In bevorzugter Weise ist die Trennwand abschnittsweise als thermoelektrischer Generator ausgebildet. Durch ei­ ne derartige Ausgestaltung der Trennwand kann sicherge­ stellt werden, daß der thermoelektrische Generator nur in den Bereichen des Wärmetauschers angeordnet ist, in denen eine genügend hohe Wärmedifferenz zwischen dem ersten und zweiten Fluidum besteht. Daher wird das Pro­ blem umgangen, das entsteht, wenn sich das Fluidum wäh­ rend des Durchfließens unter Wärmeabgabe abkühlt, so daß am Ende des für den Wärmeaustausch vorgesehenen Ab­ schnittes ggf. nur noch eine geringe oder gar keine Temperaturdifferenz mehr zwischen dem ersten und zwei­ ten Fluidum besteht.

Andererseits kann in einer anderen bevorzugten Ausge­ staltung die Trennwand insgesamt als thermoelektrischer Generator ausgebildet sein. Dadurch wird ein homogener Aufbau der Trennwand und somit des Wärmetauschers er­ reicht, wodurch die Herstellung vereinfacht wird. Bei diesem Aufbau ist dann lediglich dafür Sorge zu tragen, daß über den gesamten Bereich der Trennwand eine genü­ gende Temperaturdifferenz für die Erzeugung einer elek­ trischen Energie aufgrund des thermoelektrischen Effek­ tes gewährleistet wird.

Weiter bevorzugt weist der Wärmetauscher eine Mehrzahl von Trennwänden auf, die im wesentlich eben ausgestal­ tet und in Schichten übereinander angeordnet sind. Da­ bei sind die ersten Volumina und die zweiten Volumina jeweils zwischen zwei Trennwänden ausgebildet, wobei weiterhin vorzugsweise die ersten Volumina und die zweiten Volumina alternierend zwischen jeweils benach­ barten Trennwänden ausgebildet sind. Durch diese Anord­ nung der Trennwände ergibt sich ein auch aus herkömmli­ chen Wärmetauschern bekannter Stapelaufbau. Es wird je­ doch darauf hingewiesen, daß sämtliche weitere Arten des Aufbaus von indirekten Wärmetauschern für die Rea­ lisierung der vorliegenden Erfindung geeignet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles näher erläutert, wobei auf die Zeich­ nung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt die einzige Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher im Querschnitt.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist der Wärmetauscher zunächst erste Volumina 1 zur Aufnahme eines ersten Fluidums auf, das Wärmeenergie zuführt. Der Durchfluß des Fluidums ist beispielhaft durch die in Fig. 1 von links nach rechts weisenden Pfeile dargestellt. Weiter­ hin weist der Wärmetauscher ein zweites Volumen 2 zur Aufnahme eines zweiten Fluidums auf, das die vom ersten Fluidum zugeführte Wärmeenergie aufnimmt und diese Wär­ meenergie ableitet. Ähnlich wie zuvor ist die Strö­ mungsrichtung des zweiten Fluidums mit Hilfe eines an der Fig. 1 von rechts nach links weisenden Pfeil darge­ stellt. Es handelt sich also um einen Gegenstromwärme­ tauscher.

Zur Abtrennung der ersten und zweiten Volumina 1 und 2 sind Trennwände 3 vorgesehen, die im wesentlichen aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähig­ keit hergestellt sind. Somit ist eine wirksame Übertra­ gung der vom ersten Fluidum zugeführten Wärmeenergie auf das zweite Fluidum gewährleistet. Insoweit handelt es sich um einen typischen Wärmetauscher.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weisen die Trennwände 3 thermoelektrische Generatoren 4 auf. An der dem ersten Volumen 1 zugeordneten Seite jedes thermoelektrischen Generators 4 liegt während des Betriebes des Wärmetau­ schers eine höhere Temperatur als an der Seite des thermoelektrischen Generators an, die an dem zweiten Volumen 2 mit dem kälteren zweiten Fluidum angrenzt. Somit ist während des fortlaufenden Betriebes des Wär­ metauschers dauernd ein Temperaturgradient vorhanden, so daß aufgrund des thermoelektrischen Effektes durch die thermoelektrischen Generatoren 4 elektrische Ener­ gie erzeugt wird.

Mit anderen Worten wird die zum Funktionieren des ther­ moelektrischen Generators jeweils benötigte Energie vom Wärmetauscher selbst geliefert. Eine zusätzliche Hei­ zung oder Kühlung einer der Seiten des thermoelektri­ schen Generators 4 ist somit prinzipiell nicht erfor­ derlich. Jedoch kann eine Zuschaltung einer Heizung oder Kühlung in bestimmten Betriebszuständen des Wärme­ tauschens von Vorteil sein.

Weiterhin beeinflußt die niedrige Effizienz des thermo­ elektrischen Umwandlungsprozesses die Funktion des Wär­ metauschers nur in geringem Umfang. Die thermoelektri­ schen Generatoren erzeugen also elektrische Energie, ohne die Funktion des Wärmetauschers wesentlich zu be­ einflussen.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kombiniert also den funktionsbedingt im Wärmetauscher vorhandenen Tempera­ turgradienten mit dem thermoelektrischen Effekt, um mit Hilfe von thermoelektrischen Generatoren elektrische Energie zu erzeugen.

Claims (5)

1. Wärmetauscher

• - mit mindestens einem ersten Volumen (i) zur Auf­ nahme eines ersten Wärmeenergie zuführenden Flui­ dums,
• - mit mindestens einem zweiten Volumen (2) zur Auf­ nahme eines zweiten Wärmeenergie ableitenden Fluidums,
• - mit mindestens einer Trennwand (3), die das erste Volumen (1) vom zweiten Volumen (2) trennt,
• - wobei die Trennwand (3) zumindest teilweise als thermoelektrischer Generator (4) ausgebildet ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (3) abschnittsweise als thermoelektrischer Generator (4) ausgebildet ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Trenn­ wand (3) als thermoelektrischer Generator (4) aus gebildet ist.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, daß eine Mehrzahl von Trennwänden (3) vorgesehen ist.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, daß die Trennwände (3) im wesentlichen eben ausgestal­ tet und in Schichten übereinander angeordnet sind und daß die ersten Volumina (1) und die zweiten Volumina (2) jeweils zwischen zwei Trennwänden (3), vorzugsweise alternierend, ausgebildet sind.