DE19813241C2 - Wärmetauscher kombiniert mit einem thermoelektrischen Generator - Google Patents
Wärmetauscher kombiniert mit einem thermoelektrischen GeneratorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit mindes
tens einem ersten Volumen zur Aufnahme eines ersten
Wärmeenergie zuführenden Fluidums, mit mindestens einem
zweiten Volumen zur Aufnahme eines zweiten Wärmeenergie
vom ersten Volumen aufnehmenden und ausschließlich ab
leitenden Fluidums und mit mindestens einer Trennwand,
die das erste Volumen vom zweiten Volumen trennt. Wär
metauscher der zuvor beschriebenen Art sind Vorrichtun
gen, 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 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
gegenüberliegende 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 Wärmeleitfähigkeit
ist. Je größer die Wäremeleitfähigkeit
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 Wärmetaustausches 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 einer
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. Dabei
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 Leitfähigkeit
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 the
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
(1) zur Aufnahme eines ersten, Wärmeenergie zufüh
renden Fluidums, mit mindestens einem zweiten Volu
men (2), zur Aufnahme eines zweiten, Wärmeenergie
vom ersten Volumen (1) aufnehmenden Fluidums, und
mit mindestens einer schichtförmig aufgebauten
Trennwand (3), die das erste Volumen (1) vom zwei
ten Volumen (2) trennt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trennwand (3) zumindest teilweise als thermo
elektrischer 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, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Mehrzahl von Trennwänden (3) vorgesehen ist.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Trennwände (3) im wesentlichen eben ausgestaltet
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.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010022225A1 (de) * | 2010-04-28 | 2011-12-15 | J. Eberspächer GmbH & Co. KG | Wärmeübertragungsanordnung, Wärmeübertrager und Herstellungsverfahren |
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WO2005038283A1 (en) * | 2003-10-20 | 2005-04-28 | Safe Effect Pty Ltd | An energy converting brake system |
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1998
- 1998-03-26 DE DE19813241A patent/DE19813241C2/de not_active Expired - Fee Related
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