DE60122189T2

DE60122189T2 - Vorrichtung zur wärmerückgewinnung

Info

Publication number: DE60122189T2
Application number: DE60122189T
Authority: DE
Inventors: Edward Jobson
Original assignee: Volvo Technology AB
Current assignee: VOLVO TECHNOLOGY CORP., GOETEBORG/GOTENBURG, SE
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: SE520267C3; EP1327061A1; SE0003580L; AU2001290467A1; EP1327061B1; DE60122189D1; US7152407B2; ATE335920T1; SE520267C2; WO2002029220A1; SE0003580D0; US20030213242A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht ich auf eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus einem Gasstrom von einem Verbrennungsmotor, wobei die Vorrichtung für die Übertragung von Wärmeenergie von dem ersten Gasstrom auf einen zweiten Gasstrom ausgelegt ist. Die Erfindung soll insbesondere für einen Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug, beispielsweise einem Lastkraftwagen, vorgesehen werden, kann jedoch auch in stationären feststehenden Brennkraftmaschinen verwendet werden.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Die Verwendung einer Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie in Abgasen von einem Verbrennungsmotor in einem Lastwagen ist bereits bekannt. Die heißen Abgase aus dem Motor werden in die Vorrichtung in einem ersten Gasstrom eingeführt. In die Vorrichtung wird ferner ein zweiter Gasstrom geführt, gewöhnlich ein Luftstrom. Die beiden Gasströme werden miteinander in Wärmeaustausch gebracht und der nach dem Wärmeaustausch erhitzte Luftstrom wird zum Expandieren in einem Turbinenrad gebracht. Die von den Abgasen übertragene Energie wird beispielsweise für die Verdichtung eines Lufteinlassstroms für den Motor genutzt.
Eine solche Rückgewinnungsvorrichtung für Wärmeenergie hat einen sehr hohen Wirkungsgrad, es hat sich jedoch gezeigt, dass ihre Herstellung für eine ausreichend kosteneffektive kommerzielle Produktion schwierig ist.
Das Dokument US-A-4 384 611 offenbart eine Vorrichtung, die für die Rückgewinnung von Wärmeenergie aus einem ersten Gasstrom aus einem Verbrennungsmotor geeignet ist, wobei die Vorrichtung für die Überführung von Wärmeenergie aus dem ersten Gasstrom zu einem zweiten Gasstrom ausgelegt ist und einen Körper mit einem zickzackförmigen Aufbau hat, der Leitungen für die Gasströme bildet, wobei der Körper für eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Gasstrom und dem zweiten Gasstrom ausgelegt ist und von einem streifenförmigen Element gebildet wird, das in den zickzackförmigen Aufbau gefaltet ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein primäres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Rückgewinnung der Energie in einem Gasstrom von einem Verbrennungsmotor herzustellen, die die Voraussetzungen für eine kosteneffektive Anwendung in einem Abgassystem bereitstellt. Ein sekundäres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie in einem Gasstrom von einem Verbrennungsmotor herzustellen, die die Voraussetzungen für einen kosteneffektiven Austausch einer vorhandenen Einheit in einem Fahrzeug mit Wärmeaustausch zwischen zwei Gasströmen bildet.
Diese Ziele werden mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Körper für einen Wärmeaustausch in wenigstens zwei Stufen ausgelegt, d.h. einer ersten Stufe zwischen dem ersten Gasstrom und einem Zwischengasstrom und einer zweiten Stufe zwischen dem Zwischengasstrom und dem zweiten Gasstrom. Dadurch kann eine Einheit in einem Abgassystem für den Wärmeaustausch zwischen zwei Gasströmen durch die Vorrichtung ersetzt werden. Insbesondere können die Gasströme durch die Vorrichtung so geführt werden, dass die erste Wärmeaustauschstufe den Wärmeaustausch ersetzt und die zweite Wärmeaustauschstufe für die Energierückgewinnung genutzt wird.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung für ein solches Führen eines ersten Gasstroms längs eines Wegs ausgelegt, dass es sowohl den ersten als auch den Zwischengasstrom bildet. Das heißt, dass der erste Gasstrom so geführt wird, dass er Wärme mit sich selbst austauscht. Eine in einem Abgassystem befindliche Wärmeaustauscheinheit, in der ein solcher Wärmeaustausch stattfindet, kann deshalb durch die Vorrichtung nach der Erfindung ersetzt werden.
Die Vorrichtung zum Rückgewinnen von Wärmeenergie weist ein katalytisches Material für die katalytische Behandlung eines ersten Gases auf, das den ersten Gasstrom bildet. Dadurch sind die Voraussetzungen geschaffen, einen katalytischen Wandler, der eine Wärmeaustauschereinheit enthält, die Teil eines Abgassystems ist, durch die Vorrichtung nach der Erfindung zu ersetzen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung hat die Vorrichtung ein Gehäuse, welches den Körper umschließt und Einlässe und Auslässe für die Gase hat. Die Vorrichtung hat weiterhin Einrichtungen zum Übertragen von Energie von einem zweiten Gas aus, welches den zweiten Gastrom bildet, auf ein drehbares Element, wobei die Einrichtungen für die Energieübertragung mit einem Auslass in dem Gehäuse für das zweite Gas verbunden sind. Die Einrichtungen für die Energieübertragung bestehen beispielsweise aus einem Verdichter und einem Expander.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf in den beiliegenden Zeichnungen gezeigte Ausführungsformen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische, teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt ein Schema der Strömungsrichtungen der Gase in Verbindung mit der Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie nach 1.
3 zeigt schematisch die Herstellung eines Körpers, der einen Teil der Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie bildet.
4 zeigt ein Schema der Strömungsrichtungen der Gase in Verbindung mit der Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme gemäß einer zweiten Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 und 2 zeigen eine Vorrichtung 1 zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus Abgasen aus einem Verbrennungsmotor 10. Die Vorrichtung 1 hat einen Körper 2, der eine Vielzahl von Leitungen 29, 30 für eine solche Führung der Gasströme aufweist, dass zwischen ihnen ein Wärmeaustausch vorhanden ist. Den Körper 2 umschließt ein Gehäuse 3. Das Gehäuse 3 hat eine Vielzahl von Öffnungen 4 bis 9 für das Zuführen von Gasen zu dem Körper 2 und für das Entfernen von Gasen von ihm.
Die Wärmerückgewinnung soll durch Übertragung von Wärme von einem ersten Gas, nämlich den Abgasen, die einen ersten Gasstrom 11 bilden, auf einen zweiten Gasstrom 12 erfolgen, der beispielsweise aus einem Luftstrom besteht. Danach soll Energie von der erhitzten Luft auf ein Energieumwandlungselement in Form eines Generators 14 durch eine Energieübertragungseinrichtung 15 überführt werden. Die Energieübertragungseinrichtung 15 hat ein Turbinenrad 17, das an einem Drehelement 16 festgelegt und für eine Expansion der Luft ausgelegt ist. Das Drehelement 16 besteht aus einer Welle und ist mit dem Generator 14 gekoppelt.
Der Körper 2 weist ein streifenförmiges Element 22 auf, das so gefaltet ist, dass es einen zickzackförmigen Aufbau bildet, der die abwechselnden Leitungen 29, 30 für den Wärmeaustausch zwischen den Leitungen bildet, siehe auch 3. Zur Vereinfachung wird auf das streifenförmige Element 22 nachstehend als "Streifen" Bezug genommen.
In die Vorrichtung werden Abgase aus dem Verbrennungsmotor 10 durch einen ersten Einlass 4 eingeführt und durch einen ersten Auslass 5 abgeführt. Die Abgase werden durch die Vorrichtung so geführt, dass während einer Anfangsstufe ihres Durchgangs die Abgase Wärme mit den Abgasen während einer späteren Stufe ihres Durchgangs austauschen, bevor die Abgase Wärme mit dem zweiten Gasstrom austauschen. Mit anderen Worten wird in einer ersten Stufe Wärme zwischen einem ersten Gasstrom 11, der von den Abgasen gebildet wird, und einem Zwischengasstrom 13 ausgetauscht, der ebenfalls von den Abgasen gebildet wird, während in einer zweiten Stufe Wärme zwischen dem Zwischengasstrom 13 und dem zweiten Gasstrom 12 ausgetauscht wird. Der Durchgang der Abgase folgt einem hin und hergehenden Weg und die Gasströme 11, 12 werden im Wesentlichen parallel, jedoch in entgegen gesetzten Richtungen geführt. Die Ausdrücke "erste und zweite Stufe" beziehen sich nicht auf irgendeine zeitliche Abstimmung bezogen aufeinander, vielmehr sind die beiden Wärmeaustauschstufen während des Betriebs der Vorrichtung gleichzeitig. Der Ausdruck "zwischen" bezieht sich auf die Position dieses Stroms bezogen auf die Wärmeübertragung zwischen dem ersten und zweiten Gasstrom. Der Ausdruck "zwischen" ist deshalb nicht auf eine spezielle geometrische Position in Bezug zu dem ersten und zweiten Strom begrenzt.
Die Vorrichtung ist so ausgelegt, dass der erste Gasstrom 11 und der zweite Gasstrom 12 in aufeinanderfolgenden Abschnitten des Körpers 2 in der Längsrichtung der Leitungen und der Zwischenstrom 13 parallel dazu geführt werden. Dies ergibt eine Vorrichtung, die den verfügbaren Raum wirksam nutzt. Die Vorrichtung 1 enthält ein katalytisches Material für eine katalytische Behandlung der Abgase. Das katalytische Material ist an wenigstens einigen der Wände des Körpers 2 angeordnet, die die für die Abgase vorgesehenen Leitungen bilden. Man kann sagen, dass dadurch eine Wärmeaustauschereinheit und ein katalytischer Wandler zu der Vorrichtung für die Rückgewinnung von Wärmeenergie integriert sind. Die katalytischen Eigenschaften der Vorrichtung 1 werden nachstehend näher erläutert.
Der erste Einlass 4 und der zweite Einlass 5 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Körpers 2 in der Form des zickzackförmigen Aufbaus und offenen gegenüberliegenden Leitungen angeordnet, die voneinander auf gegenüberliegenden Seiten des Streifens 22 getrennt sind. Der erste Einlass 4 ist in einem Abstand von dem ersten Auslass 5 in der Längsrichtung der Leitungen angeordnet. Insbesondere ist der erste Einlass in einer geringeren Entfernung in der Längsrichtung der Leitungen von einem Abschnitt 31 der Vorrichtung, in dem die Abgase zurückkehren sollen, als der erste Auslass 5 angeordnet. Der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Gasstrom 11 und dem Zwischengasstrom 13 kann deshalb zwischen dem ersten Einlass 4 und dem Rückführabschnitt 31 für das Gas in der Längsrichtung der Leitungen erfolgen.
In einer Entfernung von dem Körper 2 ist in einem Abschnitt des Gehäuses 3, in den die Leitungen für das erste Gas münden, eine kurze Seitenwand 26 angeordnet. Dadurch wird zwischen der Seitenwand 26 und dem Körper 2 eine Kammer 19 gebildet, in der der erste Gasstrom seine Richtung ändern darf.
In die Vorrichtung 1 wird durch einen zweiten Einlass 6 ein zweites Gas, beispielsweise Luft, eingeführt und aus der Vorrichtung durch einen zweiten Auslass 7 abgeführt. Dieses zweite Gas bildet den zweiten Gasstrom 12. Der zweite Gasstrom 12 wird im Wesentlichen parallel zu dem Zwischengasstrom 13 und in der entgegen gesetzten Richtung geführt. Der Körper 2 hat Elemente 18 für eine Trennung des ersten Gasstroms 11 und des zweiten Gasstroms 12, wobei die Elemente in den Leitungen zwischen dem ersten Einlass 4 und dem zweiten Auslass 7 angeordnet sind. Diese Trennelemente 18 sind in 2 durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Die Trennelemente teilen jeden der Räume, die sich zwischen den Streifenlagen des Körpers 2 befinden, in zwei Leitungen. Die Trennelemente 18 werden in geeigneter Weise dadurch hergestellt, dass zwischen den Streifenlagen während der Herstellung des Körpers 2 ein Wulst aus Dichtungsmaterial angebracht wird.
Zwischen dem ersten Einlass 4 und dem Auslass 5 ist in der Längsrichtung der Leitungen der zweite Auslass 7 angeordnet. Der Wärmeaustausch zwischen dem Zwischengasstrom 13 und dem zweiten Gasstrom 12 kann somit zwischen dem ersten Auslass 5 und dem zweiten Auslass 7 in der Längsrichtung der Leitungen erfolgen.
Nachstehend wird die Wirkungsweise der Vorrichtung 1 zur Rückgewinnung von Wärmeenergie erläutert. In eine Verdichterstufe 20 einer Turboeinheit 21 wird Luft eingeführt, verdichtet und zu dem zweiten Einlass 6 geführt. Zwischen dem zweiten Strom 12, der von der Luft gebildet wird, und dem Zwischenstrom 13, der von den Abgasen gebildet wird, wird Wärme ausgetauscht, wonach die Luft durch den zweiten Auslass 7 abgeführt wird. Die nun erhitzte Luft wird dem Turbinenrad 17 der Turboeinheit 21 zugeführt, wo sie zum Expandieren gebracht wird. Die Welle 16, die an dem Turbinenrad 17 befestigt ist, wird dadurch gedreht und die Energie in dem Generator 14 genutzt. Die Welle 16 ist auch an der Verdichterstufe 29 festgelegt. Dadurch wird auch die Verdichterstufe 20 von dem Turbinenrad 17 angetrieben.
Der Streifen 22 bildet eine so genannte Membran, die die verschiedenen Gasströme trennt. Die Membran ist so ausgelegt, dass von einem Gasstrom auf einer Seite des Streifens Wärme zu einem Gasstrom auf der anderen Seite des Streifens übertragen werden kann, die Gase jedoch nicht frei durch die Membran strömen können. Für die katalytische Funktion ist die Membran vorzugsweise so angeordnet, dass der Wärmeaustausch in einem Gegenstromprozess erfolgt, in welchem der kälteste Teil des Auslassgases das zuströmende Gas, wenn es gerade eintritt, erwärmt, während der wärmere noch nicht gekühlte Teil des abströmenden Gases das zuströmende Gas in einer späteren Stufe erwärmt. Dies führt zu einem guten Wirkungsgrad.
Für einen effizienten Wärmeübergang muss das Gas auch einen guten Übertragungskontakt mit der Oberfläche des Streifens haben. Nach der Erfindung ist der Streifen mit einer Schicht aus einem geeigneten katalytischen Material überzogen, das auch einen guten Kontakt mit dem Gas herstellt, was wiederum vorteilhafte Bedingungen dahingehend erzeugt, eine hohe Umwandlungsrate zu erreichen. Gewünscht ist ein enger Kontakt zwischen dem Gas und den Wänden.
Der Streifen 22 besteht beispielsweise aus einem dünnen Blatt aus Metall, beispielsweise rostfreier Stahl, und ist mit einer dünnen Sicht eines katalytischen Materials überzogen. Der Streifen kann auch aus einem keramischen Material hergestellt werden, das mit einem katalytischen Material imprägniert oder beschichtet wird. Es können entweder beide Seiten oder es kann nur eine Seite des Streifens mit dem katalytischen Material beschichtet werden. Mit einer Schicht aus einem geeigneten katalytischen Material werden ausgewählte Teile des Streifens überzogen. Das katalytische Material kann beispielsweise intermittierend oder als fortlaufende Schicht aufgebracht werden.
Das katalytische Material wird in den Leitungen aufgetragen, in denen das erste Gas strömen soll. Die katalytische Beschichtung ist deshalb in den Leitungen für den ersten Gasstrom und/oder in den Leitungen für den Zwischenstrom angeordnet.
Für ein effizientes Erwärmen eines strömenden Gases ist die Oberfläche des Streifens texturiert, siehe 3. Die Oberfläche hat eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen 13, beispielsweise eine Berg- und -Tal-Formation. Der Streifen ist in geeigneter Weise gewellt. Dies erzeugt in dem Gas eine bestimmte Turbulenz. Die Wellung des Streifens wird beispielsweise durch Pressen, Walzen oder ein ähnliches Verfahren erzeugt, siehe 3. Die Wellungen verlaufen vorzugsweise mit einem Winkel von 55 bis 60° über den Streifen. Der Streifen wird dann zu einer Zickzack-Form gebogen. Wellungen in benachbarten Lagen sind bezogen auf einander sich kreuzend angeordnet und dienen als Distanzteile zwischen den Lagen des Streifens. Um das Biegen des Elements zu erleichtern, kann das Wellungsmuster durch Faltlinien 24 unterbrochen sein, die senkrecht zur Längsrichtung des Elements verlaufen. Diejenigen Teile des Streifens, die sich zwischen den Faltlinien befinden, haben eine rechteckige Form.
Beispiele für Materialien, die als katalytisches Material verwendet werden können, sind Edelmetalle, wie Platin, Rhodium oder Palladium. Vorzugsweise werden Metalle der Platingruppe verwendet. Es können auch bestimmte Arten von Metalloxiden zum Einsatz kommen.
Die von dem Streifen 22 gebildeten Leitungen 29, 30 treten in einer Kolonnenform auf. Die jede Leitung bildenden Streifenabschnitte sind im Wesentlichen parallel, es ist jedoch eine bestimmte Winkeldifferenz vorhanden, um die Zickzack-Form zu ermöglichen. Das heißt, dass der Streifen Platten oder Lagen bildet, die die Leitungen begrenzen.
Das Gehäuse 3 hat einen dritten Einlass zu dem Körper 2 für die expandierte Luft aus dem Turbinenrad 17. Das Gehäuse 3 hat auch einen dritten Auslass für das Entfernen der Luft aus dem Körper 2. Zwischen dem Einlass 8 und dem Auslass 9 bildet die Luft einen dritten Gasstrom 27. Die Vorrichtung 1 ist für den Wärmeaustausch zwischen dem zweiten Gasstrom 12 und dem dritten Gasstrom 27 ausgelegt. Dadurch soll Wärmeenergie von dem dritten Gasstrom 27 auf den zweiten Gasstrom 12 überführt werden. Diese dritte Wärmeaustauschstufe in der Vorrichtung 1 stellt die Voraussetzungen für einen erhöhten Wirkungsgrad bereit. Der dritte Einlass 8 und der Auslass 9 sind auf einer mit dem zweiten Einlass 6 und dem Auslass 7 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses angeordnet. Die Einlässe 6, 8 und die Auslässe 7, 9 sind so angeordnet, dass der Wärmeaustausch zwischen dem dritten Gasstrom 27 und dem zweiten Gasstrom 12 in einem Gegenstromprozess erfolgt. Der Körper 2 hat Elemente 28 zum Trennen des zweiten und dritten Gasstroms, wobei die Elemente in den Leitungen zwischen dem dritten Einlass und dem ersten Auslass angeordnet sind. Die Trennelemente 28 haben vorzugsweise die gleiche Bauweise wie die vorstehend beschriebenen Trennelemente 18.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie, die eine Variante der ersten Ausführungsform ist. Die Vorrichtung hat hier das Bezugszeichen 101. Diese Ausführung unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass der erste Gasstrom 111 hier Wärme direkt mit dem zweiten Gasstrom 12 austauscht. Die Vorrichtung 101 ist deshalb für einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Gasstrom 111 und dem zweiten Gasstrom 12 ausgelegt. Es gibt deshalb keinen zweistufigen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Gasstrom, einem Zwischengasstrom und dem zweiten Gasstrom.
In einem für den Wärmeaustausch vorgesehenen Abschnitt ist die Vorrichtung 101 so ausgelegt, dass der erste Gasstrom 111 in einer Richtung geführt wird, die zu dem zweiten Gasstrom 12 im Wesentlichen entgegengesetzt ist. Die Vorrichtung 101 ist so ausgelegt, dass der erste Gasstrom 111 und der dritte Gasstrom 27 in aufeinanderfolgenden Abschnitten des Körpers 2 in der Längsrichtung der Leitungen 29, 30 geführt werden und der zweite Strom 12 parallel dazu ist.
In der Nähe der kurzen Seitenwand 26 des Gehäuses 3 ist ein erster Einlass 104 für die Zuführung des ersten Gases angeordnet. Der Einlass 104 mündet vorzugsweise auf einer Seite des Körpers 2, die dem zweiten Auslass 7 gegenüberliegt.
Obwohl die Leitungen in der Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie gemäß den gezeigten Ausführungsformen sowohl parallel als auch im Wesentlichen geradlinig sind, umfasst der Ausdruck "parallel" auch gekrümmte Leitungen. Bei den bevorzugten Ausführungsformen werden die Leitungen sowohl von dem Körper 2 als auch von dem Gehäuse 3 begrenzt.
Für die Wärmeübertragung können auch andere Gase als Luft verwendet werden. Beispielsweise kann für das Gas ein geschlossenes System eingesetzt werden. Das Gas sollte eine großvolumige Expansion und eine spezielle Temperatursteigerung bei einem gegebenen Druck haben. Ein Beispiel für eine solche Gruppe von Gasen sind Edelgase, wobei Helium besonders bevorzugt wird.
Der Generator 14 ist in geeigneter Weise mit irgendeiner Art von Energiespeicherelement (nicht gezeigt), wie einer Batterie, gekoppelt, in der die Energie gespeichert wird. Der Generator kann auch durch irgendeine andere Art eines Energieumwandlungselements ausgetauscht werden, beispielsweise einen Kompressor für komprimierte Luft oder einen pneumatischen Kompressor.
Das Leiten der Gasströme durch den Körper zielt darauf ab, diese zu steuern.
Die Vorrichtung 1 ist für die katalytische Oxidation von organischen Substanzen, wie Kohlenwasserstoff, gut geeignet. Zusätzlich zur Oxidation von organischen Substanzen eignet sich die Vorrichtung auch für eine andere kombinierte Wärmeaustausch-/katalytische Behandlung von Gasen, wie die so genannte selektive Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak oder und anderen Stickstoff reduzierenden Verbindungen. Die Vorrichtung eignet sich auch für die Behandlung von Motorabgasen, unabhängig davon, ob sie einen hohen Sauerstoffgehalt (Dieselmotoren) oder einen niedrigen Sauerstoffgehalt (Benzinmotoren) haben.
Gemäß einer alternativen beispielsweisen Ausführungsform weist die Energieüberführungseinrichtung zwei Kolbenpumpen auf, die auf der gleichen Welle angeordnet sind, eine für die Expansion und eine für die Verdichtung. Gemäß einer Alternative zu der letzteren beispielsweisen Ausführung wird die jeweilige Kolbenpumpe durch eine Membranpumpe ausgetauscht.
Der Körper kann auch durch ein anderes Verfahren als durch Biegen des Streifens 22 hergestellt werden, beispielsweise durch Extrusion.

Claims

Vorrichtung (1, 101) zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus einem ersten Gasstrom (11, 111) von einem Verbrennungsmotor (10), wobei die Vorrichtung – einen Körper (2) für die Übertragung von Wärmeenergie von dem ersten Gasstrom auf einen zweiten Gasstrom (12) aufweist und der Körper einen zickzackförmigen Aufbau hat, der Leitungen für die Gasströme bildet und für die Übertragung von Wärme zwischen dem ersten Gasstrom (11, 111) und dem zweiten Gasstrom (12) ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung außerdem – ein katalytisches Material für die katalytische Behandlung eines ersten Gases, das den ersten Gasstrom (11, 111) bildet, wobei das katalytische Material auf wenigstens eine der Wände aufgebracht wird, die wenigstens eine der Leitungen (29, 30) für einen Durchgang des ersten Gases bildet, das den ersten Gasstrom bildet, und – eine Einrichtung (15) für eine Übertragung von Energie von dem zweiten Gasstrom aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das katalytische Material als eine Schicht auf der wenigstens einen Wand der Leitung für den erste Gasstrom aufgebracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Schicht katalytischen Materials unterbrochen oder durchgehend ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leitungen für den ersten und den zweiten Gasstrom so ausgebildet sind, dass der erste Gasstrom in einer im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung zu dem zweiten Gasstrom geführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (15) für die Übertragung von Energie ein Energieumwandlungselement (14) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (15) für eine Übertragung von Energie (15) Energie für eine Energiespeichervorrichtung erzeugt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Körper (2) von einem streifenförmigen Element (22) gebildet wird, das in den zickzackförmigen Aufbau gefaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Körper (2) für einen Austausch von Wärme in wenigstens zwei Stufen ausgelegt ist, d.h. einer ersten Stufe zwischen dem ersten Gasstrom (11) und einem Zwischengasstrom (13) und einer zweiten Stufe zwischen dem Zwischengasstrom (13) und dem zweiten Gasstrom (12).
Vorrichtung nach Anspruch 8, die für eine solche Führung eines ersten Gases entlang eines Weges ausgelegt ist, dass sie sowohl den ersten Gasstrom (11) als auch den Zwischengasstrom (13) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der ein zweites Gas den zweiten Gasstrom (12) bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, die in einem für die erste Wärmeaustauschstufe dienenden Abschnitt so ausgelegt ist, dass sie den ersten Gasstrom (11) in einer zu dem Zwischenstrom (13) im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung führt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, die in einem für die zweite Wärmeaustauschstufe dienenden Abschnitt so ausgelegt ist, dass sie den Zwischengasstrom in einer zu dem zweiten Strom (12) im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung führt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, die so ausgelegt ist, dass sie den ersten Gasstrom (11) und den zweiten Gasstrom (12) in aufeinanderfolgenden Abschnitten des Körpers (2) in der Längsrichtung der Leitungen und den Zwischenstrom (13) parallel dazu führt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie für den Austausch von Wärme zwischen dem zweiten Gasstrom (12) und einem dritten Gasstrom (27) ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12 und Anspruch 14, die so ausgelegt ist, dass sie den Zwischengasstrom (13) und den dritten Gasstrom (27) in aufeinanderfolgenden Abschnitten des Körpers (2) in der Längsrichtung der Leitungen (29, 30) und den zweiten Strom (12) parallel dazu führt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Gehäuse (3), das den Körper (2) umschließt und Einlässe (4, 104, 6, 8) und Auslässe (5, 7, 9) für die Gase aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 und 16, bei der eine Seitenwand (26) des Gehäuses (3) in einem Abstand von dem Körper in einem Abschnitt angeordnet ist, in den die Leitungen für das erste Gas (11) münden, wobei zwischen der Seitenwand und dem Körper eine Kammer (19) gebildet wird, in der das erste Gas die Richtung wechseln kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (15) für die Übertragung von Energie von dem zweiten Gasstrom (12) eine Einrichtung für die Übertragung von Energie von dem zweiten Gas auf ein drehbares Element (16) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Einrichtung (15) für eine Übertragung von Energie mit einem Auslass (7) in dem Gehäuse für das zweite Gas verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (15) für eine Energieübertragung ein Turbinenrad (17) umfasst, das mit dem drehbaren Element (16) für eine Entspannung des zweiten Gases gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, mit einem Energieumwandlungselement (14), das mit dem drehbaren Element (16) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, mit einem Kompressorrad (20), das mit einem Einlass (6) des Gehäuses (3) für das zweite Gas verbunden und für eine Verdichtung des zweiten Gases ausgelegt ist, und dass das Kompressorrad an dem Turbinenrad (17) befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, die für den Austausch von Wärme zwischen dem zweiten Gasstrom (12) und einem dritten Gasstrom (27) ausgelegt ist, wobei der dritte Gasstrom durch das zweite Gas nach der Entspannung gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Gas des ersten Gasstroms ein Abgas von dem Verbrennungsmotor (10) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das zweite Gas des zweiten Gasstroms Luft oder ein Edelgas, vorzugsweise Helium, ist.