DE202015004026U1

DE202015004026U1 - Wärmeübertrager mit Themogenerator

Info

Publication number: DE202015004026U1
Application number: DE202015004026.8U
Authority: DE
Original assignee: Silber Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Silber Anlagentechnik GmbH
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2015-09-17
Anticipated expiration: 2025-06-10

Abstract

Wärmeübertrager mit Thermogenerator zur Wandlung der in Abgasen eines Verbrennungsapparates enthaltenen thermischen Energie in elektrische Energie, ein zur Längsachse (L) des Wärmetauschers koaxial angeordnetes Bündel zylindrischer Strömungskanäle (2; 3) aufweisend, wobei die Strömungskanäle (2; 3) jeweils abwechselnd als heißer Abgaskanal oder als kalter Zuluftkanal ausgebildet sind und Thermomodule (4) an der Außenseite der heißen Abgaskanäle angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit Thermogenerator zur Wandlung der in Abgasen eines Verbrennungsapparates enthaltenen thermischen Energie in elektrische Energie.
Der Stand der Technik auf dem Gebiet der Anwendung von thermoelektrischen Generatoren, in der Regel kurz Thermogeneratoren genannt, zur Nutzung der in Abgasen von Verbrennungsapparaten wie Automobilmotoren und Heizungsanlagen vorhandenen thermischen Energie besteht aus einer Vielzahl von Lösungsvorschlägen.
So weist ein thermoelektrischer Generator nach DE 10 2010 034 708 A1 mindestens ein thermoelektrisches Modul aus thermoelektrischem Material auf. Thermoelektrische Materialien sind so beschaffen, dass sie thermische Energie effektiv in elektrische Energie umwandeln können. Diese Verhaltensweise wird Seebeck-Effekt genannt. Derartige thermoelektrische Module weisen bevorzugt eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen auf, die zwischen einer sogenannten Heißseite und einer sogenannten Kaltseite energieenthaltende Abgase führender Maschinenelemente positioniert sind.
Thermoelektrische Elemente umfassen wenigstens zwei Halbleiterelemente (p-dotiert und n-dotiert), die auf ihrer Oberseite und Unterseite hin zur Heißseite bzw. zur Kaltseite wechselseitig mit elektrisch leitenden Brücken versehen sind. Keramikplatten bzw. Keramikbeschichtungen und/oder ähnliche Materialien dienen zur Isolierung der elektrisch leitenden Brücken gegenüber einem das thermoelektrische Modul umschließenden Gehäuse und sind somit bevorzugt zwischen diesen elektrisch leitenden Brücken angeordnet, so dass die Halbleiterelemente gegenüber dem Gehäuse eines thermoelektrischen Moduls bzw. gegeneinander isoliert sind.
Wird ein Temperaturgefälle beidseits der Halbleiterelemente bereitgestellt, so bildet sich zwischen den Enden des Halbleiterelements eine elektrische Spannung aus.
In einem thermoelektrischen Modul sind zahlreiche Halbleiterelemente elektrisch in Reihe geschaltet. Damit sich die generierten Spannungen der seriellen Halbleiterelemente nicht gegenseitig aufheben, sind stets wechselweise Halbleiterelemente mit unterschiedlichen Majoritätsladungsträgern (n-dotiert und p-dotiert) in direkten elektrischen Kontakt gebracht. Mittels eines angeschlossenen Lastwiderstands kann der Stromkreis geschlossen und somit elektrische Leistung abgegriffen werden.
Im Lösungsvorschlag der die vorangestellte Funktionserläuterung enthaltenden Druckschrift DE 10 2010 034 708 A1 sind eine Vielzahl der erläuterten thermo-elektrisch wirksamen Halbleitermodule zu ringförmigen, zueinander in Reihe geschalteten Blöcken verbunden, von denen mehrere wiederum als barrenförmige Elemente auf der Heißseite eines abgasführenden Rohres angeordnet sind.
Nachteilig an der vorgeschlagenen Lösung ist der aus der vielfachen Einzelanordnung der barrenförmigen Blöcke sich ergebende Herstellungsaufwand der jeweiligen Abgasführungsbauteile.
Die DE 10 2011 008 378 A1 schlägt zur Kompensation von Wärmeausdehnungen innerhalb von Thermogeneratoranordnungen in abgasführenden Bauteilen zwischen deren Außen- und Innenrohr auf streifenförmigen Strukturen angeordnete thermoelektrische Generatorelemente vor. Deren Fertigung ist ebenfalls sehr aufwändig und es entsteht der zusätzliche Nachteil verminderter Durchströmungsmöglichkeit des Zwischenraums zwischen Außen- und Innenrohr des abgasführenden Bauteils, da die streifenförmigen Strukturen im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase angeordnet sind.
Nach dem Lösungsvorschlag der DE 10 2008 022 802 wird bei einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors das von den Abgasen durchströmte Rohr als doppelwandiges Rohr ausgeführt, wobei im Spalt zwischen innerer und äußerer Rohrwand des Doppelwandrohrs die Thermogeneratoren positioniert sind. Dabei dient die innere Rohrwand des Doppelwandrohrs als Hochtemperaturquelle und die äußere Rohrwand des Doppelwandrohrs als Niedertemperaturquelle für die Thermogeneratoren. In dem doppelwandigen Abgasrohr steht ein zur Stromerzeugung durch den thermoelektrischen Generator geeigneter Temperaturgradient zur Verfügung. Durch den Wärmeaustausch zwischen der inneren Rohrwand und dem thermoelektrischen Generator über einen dazwischen liegenden Luftspalt hinweg ist eine ausreichende Wärmeübertragung gewährleistet und es können bei dieser Bauweise Thermogeneratoren auch im Hochtemperaturbereich eines Abgaskrümmers eingesetzt werden, ohne dass diese für diesen Temperaturbereich ausgelegt sein müssen.
Dennoch bleibt eine aufwändige Fertigung solcher Anordnungen durch die notwendige Montage der Thermogeneratoren in den Zwischenraum eines Doppelwandrohres als Nachteil bestehen.
Eine weitere Lösung für die Anordnung der Thermogeneratoren in einem abgasführenden Bauteil wird in der DE 10 2009 013 535 A1 vorgeschlagen. Hier werden einzelne Thermomodule sandwichartig in einer Haltestruktur innerhalb einer kastenartigen Hülle angeordnet, wobei die kastenartige Hülle vom Abgas durchströmt wird. Nachteilig sind bei dieser Lösung wieder die Notwendigkeit einer aufwändig zu montierenden Haltekonstruktion sowie der Umstand, dass mit der die Haltekonstruktion der Module tragenden Hülle ein zusätzliches Bauelement existiert. Dadurch wird der Fertigungsaufwand weiter erhöht.
Es besteht daher die Aufgabe, einen Wärmeübetrager mit Thermogenerator zu entwickeln, der mit geringem Fertigungsaufwand herzustellen ist und keine zusätzlichen Haltekonstruktionen für die Anordnung der Thermomodule aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmeübetrager mit Thermogenerator mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Anspruch 2 beinhaltet eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit Thermogenerator.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass der Wärmeübertrager mit Thermogenerator durch seine Ausgestaltung als zur Hauptachse des Wärmetauschers koaxial angeordnetes Bündel zylindrischer Strömungskanäle eine einfach und strömungstechnisch günstige Möglichkeit bietet, die zugehörigen Thermomodule gleichzeitig wärmeübertragungstechnisch vorteilhaft an der jeweils heißen Außenseite der als Abgaskanal dienenden Strömungskanäle anzuordnen und sich auf diese Weise gleichzeitig innerhalb des kalten Zuluftkanals zu befinden. Hierdurch ist das notwendige Temperaturgefälle zur Energiegeneration innerhalb der Thermomodule gegeben. Zusätzlich erfolgt eine vor zu hoher Temperatureinwirkung im direkten Abgaskanal geschützte Anbringung der Thermomodule. Überdies bedarf die Anordnung der Thermomodule keiner zusätzlichen Haltekonstruktion und ist deshalb fertigungstechnisch einfach zu realisieren.
Nachstehend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
1: eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit Thermogenerator im Schnitt und
2: ein Detail der Anordnung der Thermomodule im Wärmeübetrager mit Thermogenerator ebenfalls im Schnitt.
1 zeigt einen Wärmeübertrager mit Thermogenerator, der eine Übertragerhülle 1 aufweist und in dieser ein zur Hauptachse L des Wärmetauschers koaxial angeordnetes Bündel zylindrischer Strömungskanäle 2 und 3 enthält. Dabei führen die Strömungskanäle 2 das heiße Abgas eines Verbrennungsapparates, während die Strömungskanäle 3 als Zuluftkanäle für kalte Luft dienen.
2 mit dem Detail A zeigt an der jeweils heißen Außenseite der als Abgaskanäle dienenden Strömungskanäle 2 angeordnete Thermomodule 4. Die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Außenseiten der Strömungskanäle 2 und der in den Strömungskanälen 3 strömenden kalten Zuluft bietet für die Thermomodule 4 die Basis ihrer Funktion gemäß des Seebeck-Effektes, d. h. der Generation einer sich als Thermospannung zeigenden Potenzialdifferenz.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung der Thermomodule 4 an zylindrischen Strömungskanalwandungen des Wärmeübertragers besteht in der parallelen Beströmung der Thermomodule 4 mit der kalten Zuluft, ohne dass deren Anordnung an den Strömungskanalwandungen zusätzlicher Haltekonstruktionen bedarf, die einen die Strömung behindernden Strömungswiderstand erzeugt hätten. Die Thermomodule 4 können an den erfindungsgemäßen Anordnungsorten parallel zur Längsachse des Wärmeübertragers in vorteilhafter Streifenform angebracht sein, wobei die Streifen nahezu die Gesamtlänge des Wärmeübertragers ausfüllen können.
Die schaltungstechnische Verbindung der einzelnen Thermomodule zu einem Thermogenerator sowie die Heran- und Abführung von Abgas und Zuluft zum Wärmeübertrager geschieht mittels bekannter Maßnahmen des Standes der Technik und wird hier nicht näher erläutert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010034708 A1 [0003, 0007]
DE 102011008378 A1 [0009]
DE 102008022802 [0010]
DE 102009013535 A1 [0012]

Claims

Wärmeübertrager mit Thermogenerator zur Wandlung der in Abgasen eines Verbrennungsapparates enthaltenen thermischen Energie in elektrische Energie, ein zur Längsachse (L) des Wärmetauschers koaxial angeordnetes Bündel zylindrischer Strömungskanäle (2; 3) aufweisend, wobei die Strömungskanäle (2; 3) jeweils abwechselnd als heißer Abgaskanal oder als kalter Zuluftkanal ausgebildet sind und Thermomodule (4) an der Außenseite der heißen Abgaskanäle angeordnet sind.
Wärmeübertrager mit Thermogenerator nach Anspruch 1, bei dem die Thermomodule (4) in paralleler Streifenanordnung an der Außenseite der heißen Abgaskanäle angeordnet sind.