WO2015101408A1 - Device and method for directly converting thermal energy into electrical energy - Google Patents

Device and method for directly converting thermal energy into electrical energy Download PDF

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WO2015101408A1
WO2015101408A1 PCT/EP2014/003452 EP2014003452W WO2015101408A1 WO 2015101408 A1 WO2015101408 A1 WO 2015101408A1 EP 2014003452 W EP2014003452 W EP 2014003452W WO 2015101408 A1 WO2015101408 A1 WO 2015101408A1
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WO
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oxide
thermal energy
heat
heat pipe
tee
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Application number
PCT/EP2014/003452
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German (de)
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Inventor
Ortwin Gerrit Siebelder
Addo Slijkhuis
Daan Reiling
Original Assignee
Ortwin Gerrit Siebelder
Addo Slijkhuis
Daan Reiling
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Publication date
Application filed by Ortwin Gerrit Siebelder, Addo Slijkhuis, Daan Reiling filed Critical Ortwin Gerrit Siebelder
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    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0275Arrangements for coupling heat-pipes together or with other structures, e.g. with base blocks; Heat pipe cores
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C10/00Fluidised bed combustion apparatus
    • F23C10/01Fluidised bed combustion apparatus in a fluidised bed of catalytic particles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F23C13/08Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material characterised by the catalytic material
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23MCASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/13002Energy recovery by heat storage elements arranged in the combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23MCASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/13003Energy recovery by thermoelectric elements, e.g. by Peltier/Seebeck effect, arranged in the combustion plant
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to a new apparatus and method for directly converting thermal energy into electrical energy.
  • thermoelectric elements Basically, a TEE contains two different thermoelectric materials with different Seebeck coefficients, which are electrically conductively connected to one another at a contact point or in a contact region. Due to the thermoelectric effect, an increased temperature in the contact region causes an electrical voltage (thermal voltage) between the two thermoelectric materials. When the circuit is closed then flows an electric current.
  • the known devices for directly converting thermal energy into electrical energy therefore generally comprise at least one TEE which is in thermal contact with a source of thermal energy (heat source) in its contact region and in thermal contact with a heat absorbing device (heat sink) with the opposite side which removes or otherwise uses the incoming thermal energy.
  • a source of thermal energy heat source
  • heat sink heat absorbing device
  • thermo energy source / TEE / heat absorbing device configuration allows a variety of applications due to the large number of heat sources on the one hand and heat absorbing devices on the other hand Applications, especially as a self-sufficient, independent of an electrical distributor sources of electrical energy.
  • US Pat. No. 5,968,456 proposes a catalytic converter which monitors the energy of the exothermic reactions of the constituents uses engine exhaust gases on a catalyst to generate electricity using TEE.
  • the thermal energy is conducted from the monolithic catalyst to the hot side of the TEE by means of thermal fins embedded in the monolithic catalyst.
  • German published patent application DE 10 2008 040 849 A1 describes a catalytically active layer for the oxidation of constituents of the exhaust gases from oxidation engines, preferably diesel engines.
  • the layer comprises bimetallic or polymetallic nanoparticles, the metals being selected from the group consisting of palladium, rhodium, platinum, iron, nickel, chromium, rhenium, ruthenium, technetium, iridium, cobalt, copper, gold and silver.
  • the nanoparticles may be fixed on one or more support materials selected from the group consisting of titanium dioxide, silica, zirconia, alumina, zinc oxide, tin oxide, strontium oxide, calcium oxide, barium oxide, magnesium oxide, antimony oxide, bismuth oxide, chromium oxide, iron oxide, manganese oxide, oxides of lanthanides , Oxides of actinides or mixed oxides of the abovementioned oxides, zeolite-type mixed oxides and / or oxides from the group of spinels, are selected.
  • the support material may further contain compounds such as alkali metals, halides, nitrogen, phosphorus, sulfur, gallium oxide, germanium oxide, indium oxide, manganese oxide, vanadium oxide and / or tungsten oxide as dopants or promoters.
  • the nanoparticles have an average particle size of 5 2 nm to ⁇ 5 nm.
  • German Offenlegungsschrift DE 10 2010 031 502 A1 discloses a tubular thermoelectric generator through which a fluid flows.
  • the generator has an inner surface defining an inner volume radially outward and an outer surface.
  • a catalytically coated element take place at the exothermic reactions of components of the engine exhaust. This achieves a further heat input into the TEE.
  • the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons on catalysts has been used as a heat source for TEE.
  • Japanese Patent Application JP 2009027876 A discloses a portable TEE with an integrated catalytic gas burner.
  • the apparatus comprises a tubular oxidation chamber having a tubular, thermally conductive wall, an outlet for exhaust gases above the oxidation chamber, an inlet device for the fuel gas below the oxidation chamber, TEE on the outside of the thermally conductive wall, and cooling fins on the cold side of the TEE.
  • Within the oxidation space are plate-shaped catalyst filter with holes for the gas passage.
  • the plate-shaped catalyst filters are constructed of an aluminum-iron-chromium alloy, which may still contain lanthanides. In the area of the edges of the holes are aluminum oxide layers in which palladium / platinum catalysts are incorporated.
  • a portable TEA which comprises an integrated catalytic gas burner.
  • the catalyst of the burner is located in the cavity between two parallel plates with TEA.
  • the cavity and the catalyst are permeable to air.
  • the fuel gas is a
  • the air is drawn into the two open ends of the cavity and the two open ends serve as an outlet for the exhaust gases.
  • Japanese Patent Application JP 2012105512 A discloses a TEE which also comprises an integrated catalytic gas burner.
  • the catalyst is prepared by preparing a paste containing nanoparticles supported on oxide nanoparticles of platinum, palladium or gold, printed in the desired pattern on the arrangement of the TEE and calcined.
  • a method for the catalytic removal of traces of methane in the air at 220 to 400 ° C is known from the Chinese patent application CN 1718274 A.
  • the catalyst used is cerium oxide-supported palladium or platinum. From the Chinese patent application CN 102000570 A, the catalytic oxidation of methylbenzene at 220 to 300 ° C is known.
  • the catalyst used is a honeycomb ceramic made of Pd / Ce 0.8 Zr 0.20 2 .
  • a catalyst for the catalytic oxidation of methane at 380 to 545 ° C is known.
  • the catalyst has a core-shell structure with the shell of perovskite and the core of yttria-stabilized zirconia nanoparticles.
  • Taiwanese patent application TW 201221214 A a catalytic process for the removal of organic compounds from the air is known.
  • the catalyst used is a fixed bed of ceria-supported palladium nanoparticles with a particle size of 2 to 6 nm.
  • Equation I The upper limit of the efficiency of a thermoelectric element that generates electricity, namely given by Equation I: Equation I
  • “Generated electrical energy” is understood to mean the energy that is given off to a load, ie a device in which the electrical energy is dissipated.
  • “Z” refers to the so-called figure-of-merit, ie the ability of a material to efficiently generate thermoelectric energy. It is defined in Equation XII.
  • the efficiency is greatly affected by the thermal resistance between the hot TEE electrode and the heat source having the temperature THH, and the resistance between the cold TEE electrode and the heat dissipation at the temperature Tcc.
  • Rtotal 2Ri + RTEE! .
  • the thermal resistance Ri is set according to equation IX from the transition or contact resistance R M between the TEE and the thermal conductor at one end, the transition or contact resistance R 2 between the heat conductor and the heat source at the other end and the thermal resistance R L of the Heat conductor himself together.
  • the simplest thermal conductors are metal conductors with a large cross section AL, so that the line resistance according to equation X remains small.
  • ki_ stands for the thermal conductivity of the metallic conductor and L for its length.
  • the thermal contact resistance is determined according to Equation XI of the close contact between the materials of the two sides of the contact, wherein all the influences are summarized in the thermal contact coefficient h c , and the area A of the contact.
  • the thermal contact is generally improved, ie h c increases, with the number of points of contact between the two contact surfaces.
  • the thermal contact can be increased with high pressure by compressing the contact surfaces.
  • a reduced surface roughness, the cleaning of the contact surfaces and a surface of high quality and planarity lead to a certain improvement.
  • a thermally highly conductive paste based on polymers containing metal-containing particles is used to also fill up the remaining "heat pipe" holes in contact.
  • the disadvantages of using pressure are numerous.
  • the entire arrangement consists of relatively heavy metallic thermal contacts and the TEE itself, which is mainly composed of ceramic parts.
  • the mechanical stresses increase due to the different thermal expansion coefficients of the metallic and ceramic materials. This can lead to breakage of the TEE; In any case, the mechanical stresses lead to material fatigue.
  • the thermal contact changes during heating, because the pressure changes. Applying a thermally conductive paste can only partially solve this problem.
  • the contact resistance R h is also lowered by connecting the TEE and the heat conductor directly by means of a soldered or welded joint. Due to the direct metallic connection, the h c value is very large and thus Rh is small. Rh can not be reduced by increasing the contact area because it is limited by the dimensions of the TEE. Moreover, in this structure, the problems that occur due to the different expansion coefficients are even greater. In addition, you can not dismantle the system without further notice, eg for a repair or a later recycling.
  • a flat collector which has a solar facing front part with a solar collector, ie an absorber of solar energy, a middle part with TEE and a rear part with cooling elements.
  • the solar collector can be made of materials as different as metal, cement, concrete, bricks, porcelain, ceramics or Plastic exist.
  • the solar panel can still be covered with a transparent material to use the greenhouse effect. To improve the conduction of the thermal energy to and from the individual parts, they are joined under pressure by fasteners.
  • US Pat. No. 6,232,545 B1 proposes a bifurcated electrical network arrangement comprising a terraced substrate, an insulating film, a metal layer of copper, and thermophotovoltaic cells comprising the copper layer are connected.
  • materials with similar coefficients of expansion are used for the individual components of the network arrangement.
  • GaSb cells Cu / Invar / Cu laminates or AlSiC are used as the substrate material.
  • the disadvantage here is the limited choice of materials.
  • a heat pipe is a gas-tight component that can be used to transport thermal energy or heat very efficiently from one place to another. It can transport 100 to 1000 times higher thermal energy than a component of the same geometric dimensions made of solid copper.
  • the heat pipe uses the physical effect that very large amounts of energy are converted when evaporating and condensing a liquid.
  • the heat pipe is hollow inside and filled with a small amount of liquid, the "working" liquid. This is under its vapor pressure, which is well below that at low temperatures atmospheric pressure can be.
  • the inner wall of the heat pipe can be covered with a capillary structure - comparable to a wick. This capillary structure is saturated with a liquid heat transport medium, the "working" liquid.
  • the "working" liquid from the capillary structure evaporates there.
  • the steam flows in the direction of the temperature gradient and condenses everywhere, releasing the heat of vaporization, where energy is dissipated.
  • the condensate, the liquefied heat transfer medium, is absorbed by the capillary structure, flows back to re-evaporate. It closes a cycle, which circulates quickly and very effectively transports thermal energy.
  • the temperature difference between the evaporation and condensation zone in the heat pipe is very low, so that the heat conduction is almost isothermal.
  • different "working" liquids are used, such as water in the temperature range of about 170 to 600K, ammonia in the temperature range of about 150 to 170K, mercury in the temperature range of 400 to 800K or lithium or silver in a temperature range above 1000K.
  • Heat pipes can be used for example in Peltierelement / Heat pipe cooling systems.
  • devices with TEE are known in which the heat energy is conducted by means of heat pipes to the hot side of the TEE and / or from the cold side of the TEE to a heat sink (see the German patent applications DE 33 14 166 A1 and DE 10 2008 005 334 A1, US Pat. No. 4,520,305, Japanese Patent Applications JP S5975684 A and JP S60125181 A or International Patent Applications WO 2011/024138 A2, WO 2011/120676 A2 and WO 2013/092394 A2).
  • the present invention was based on the object to propose a new device and a new method for the direct conversion of thermal energy into electrical energy.
  • the new device and the new method should be the Disadvantages of the prior art no longer have, but they should allow a particularly efficient transport of thermal energy from the power source to a thermoelectric element (TEE) and the efficient dissipation of the supplied thermal energy from the TEE to a heat absorbing device.
  • TEE thermoelectric element
  • the selection of the materials used to construct the new device should be subject to less or no restrictions with regard to their thermal expansion coefficients. Nevertheless, in the new device and in the new method no or only negligible, caused by different thermal expansion coefficients thermal stresses occur. Overall, the new device and the new method should have a higher efficiency than the devices and methods of the prior art. In addition, the new device and method should significantly reduce, if not eliminate, the risk of device overheating during operation. Not least, the new devices should be compact, robust and portable and have a long service life.
  • the new device (1) for direct production of electrical energy from thermal energy comprising as heat source at least one device (2) for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons having at least one reaction space (2.1), at least one inlet device (2.2) for a Gas or a gas mixture (2.3), at least one exhaust device (2.4) for the exhaust gases
  • thermoelectric element (4) with electrical connections (6) and at least one heat sink (5), wherein the at least one heat pipe (3) with its thermal energy receiving area (3.3) in heat-conducting contact with the at least one device (2) and with its thermal energy emitting area (3.4) in heat-conducting, electrically insulating contact with the hot side
  • thermoelectric element (4) thermoelectric element (4) and wherein the hot side (4.1) opposite, cold side (4.2) of the at least one thermoelectric element (4) in thermally conductive, electrically insulating contact with the at least one heat sink (5 ) stands.
  • the new device for direct conversion of thermal energy into electrical energy is referred to as "device according to the invention".
  • the new method for the direct conversion of thermal energy into electrical energy has been found, in which the thermal energy delivered by at least one heat source (2) by means of at least one heat pipe (3) to the hot side (4.1) of at least one thermoelectric element (4) is transported by the supplied thermal energy in the at least one thermoelectric element (4) an electrical voltage is generated and the remaining supplied thermal energy from the hot side (4.1) opposite cold side (4.2) of the at least one thermoelectric element (4) a heat sink (5) is supplied, characterized in that one uses for this purpose the device according to the invention.
  • the new method for the direct conversion of thermal energy into electrical energy is referred to as "inventive method”.
  • the object on which the present invention was based could be achieved by means of the device and the method according to the invention.
  • the device according to the invention and the method according to the invention no longer have the disadvantages of the prior art but allowed a particularly efficient transport of the thermal energy from the heat source to a thermoelectric element (TEE) as well as the efficient dissipation of residual thermal energy supplied from the TEE to a heat absorbing or heat dissipating device (heat sink).
  • TEE thermoelectric element
  • heat sink heat absorbing or heat dissipating device
  • the device of the invention also eliminates the problems of thermal contacting between the source of thermal energy and the hot surface of the TEE and between the cold surface of the TEE and the heat sink.
  • effective thermal contact was ensured only by mechanical pressure.
  • the quality and planarity of the respective contact surfaces had to be set high, otherwise the temperature drop between the source of thermal energy and the hot side of the TEE became too high and the efficiency of power generation was lowered.
  • the device according to the invention and the method according to the invention have a higher efficiency than the devices and methods of the prior art.
  • the device according to the invention also had the significant advantage that its components could be combined with one another in a wide variety of spatial arrangements.
  • the device according to the invention could be adapted to a wide variety of spatial and / or thermal conditions in a particularly flexible manner.
  • the TEE could be arranged as an electrical component separate from heat dissipating devices containing water or flammable liquids, which made the inventive device and the inventive method particularly safe.
  • the apparatus and method of the invention allowed the thermal energy to be concentrated to a few TEEs, thus ensuring that the temperature of the hot side of the TEE was always within or near the optimum range and thus the efficiency of power generation remained high ,
  • the risk of overheating during operation was significantly reduced, if not completely excluded.
  • the devices according to the invention were compact, robust and transportable and had a particularly long service life.
  • the device according to the invention serves for the direct conversion of thermal energy into electrical energy by means of the Seebeck effect in thermoelectric elements (TEE).
  • TEE thermoelectric elements
  • at least one, in particular one, apparatus for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons serves as the heat source.
  • the apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons comprises at least one, in particular a reaction space, which is enclosed by a gas-tight wall.
  • the reaction gases are conducted via at least one inlet device into the reaction space, where they react with each other to the exhaust gases, which are discharged via at least one, in particular an outlet device from the device.
  • the reaction of a reducing agent with oxygen to understand.
  • pure oxygen with nitrogen and / or noble gases diluted oxygen or air can be used.
  • air is used as the source of oxygen.
  • the oxidation is carried out at atmospheric pressure.
  • the reducing agents or fuels are hydrocarbons, preferably methane, ethane, propane, butane, isobutane, pentane and its isomers, hexane and its isomers, cyclopentane and cyclohexane, but especially methane.
  • natural gas is used as the source of methane.
  • methane causes a particularly strong greenhouse effect in the atmosphere, its combustion should be as complete as possible. Without a catalyst this is only possible in a flame at very high temperatures. At these temperatures, however, increasingly toxic nitrogen oxides (NO x ) and carbon monoxide are formed. In addition, at the necessary high temperatures, the known devices for the direct conversion of thermal energy into electrical energy can be damaged, in particular because the temperature and thus the flow of thermal energy are difficult to control. Complete flameless oxidation of methane to carbon dioxide and water without formation of toxic products is possible at significantly lower temperatures, especially at temperatures of 50 to 400 ° C, with the aid of catalysts.
  • nanoparticles are used as catalysts.
  • the catalytically active nanoparticles preferably have an average particle size of 2 to 50 nm, preferably 3 to 40 nm, particularly preferably 4 to 30 nm and in particular 5 to 25 nm.
  • the catalytically active nanoparticles contain at least one oxide selected from the group consisting of scandium oxide, yttrium oxide, titanium dioxide, zirconium dioxide, hafnium dioxide, vanadium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, manganese oxide, iron oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, zinc oxide, oxides of lanthanides, preferably lanthanum oxide and cerium oxide, in particular cerium oxide, oxides of actinides, magnesium oxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, aluminum oxide, gallium oxide, indium oxide, silicon dioxide, Germanium oxide, tin oxide, antimony oxide, bismuth oxide, zeolites, spinels, mixed oxides of at least two of said oxides, and hydroxyapati
  • the oxides and hydroxyapatite may contain other ingredients such as halides, nitrides, phosphides and / or sulfides.
  • the catalytically active nanoparticles also contain at least one metal selected from the group consisting of vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, rhenium, iron, ruthenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium, platinum , Copper, silver and gold, is selected. Preference is given to using palladium and platinum, in particular palladium.
  • the catalytically active nanoparticles contain a metallic core which is surrounded by an oxide shell.
  • the oxide shell is preferably constructed of oxide nanoparticles.
  • the catalytically active nanoparticles are part of a catalyst layer which comprises a carrier layer which carries the nanoparticles.
  • the carrier layer can be constructed from a wide variety of materials as long as it does not adversely affect the catalytic activity of the nanoparticles.
  • the support layer should bind the catalytically active nanoparticles so strongly even at relatively high temperatures that they are not detached by the reaction gases which flow through the reaction space.
  • the carrier layer is composed of the above-described oxides or hydroxyapatite. In particular, alumina and / or silica are used.
  • the surface of the carrier layer is hydrophobic.
  • the silylating reagents are selected from the group consisting of dialkoxy (dialkyl), dialkoxy (dicycloalkyl) and dialkoxy (alkylcycloalkyl) silanes, and trialkoxy (alkyl) and trialkoxy (cycloalkyl) silanes.
  • dialkoxy (dialkyl), dialkoxy (dicycloalkyl) and dialkoxy (alkylcycloalkyl) silanes are dimethoxy, diethoxy, dipropoxy, diisopropoxy, di-n-butoxy and diisobutoxy (dialkyl) -, - (dicyloalkyl) and (alkylcycloalkyl) silanes in which the alkyl and cycloalkyl radicals are selected from the group consisting of radicals having from 5 to 20 carbon atoms, preferably n-pent-1-yl, isopent-1-yl, n-hex-1 yl, isohex-1-yl, 2-ethylhex-1-yl, cyclohexyl, 1-, 2-, 3- and 4-methyl, ethyl, prop-1-yl, isopropyl, n Butyl-1-yl, sec-but-1-yl and tert-butyl-cyclohex
  • trialkoxy (alkyl) and trialkoxy (cycloalkyl) silanes contain alkoxy radicals selected from the group consisting of methoxy, ethoxy, propoxy, isopropoxy and n-butoxy radicals. Preferably, ethoxy radicals are used.
  • the well-suited trialkoxy (alkyl) and trialkoxy (cycloalkyl) silanes also contain one of the above-described alkyl and cycloalkyl radicals.
  • the n-oct-1-yl radical is used.
  • Trialkoxy (alkyl) silanes and in particular triethoxy (n-oct-1-yl) silane (TEOOS)) are preferably used as silylating reagents.
  • the carrier layer is located on a gas-permeable catalyst support.
  • the gas-permeable catalyst support is plates which can be constructed from a wide variety of materials. Criteria for selection The materials are heat resistance, mechanical stability and non-combustibility.
  • plates of iron, in particular stainless steel, and iron alloys, in particular alloys of iron with chromium and / or aluminum, which may also contain lanthanides, in particular cerium, are used.
  • the plates can have a wide variety of outlines.
  • the outlines depend primarily on the respective outline of the reaction space.
  • the outline may be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal and octagonal, optionally with rounded corners and / or sides, as well as circular or elliptical.
  • the plates can have different thicknesses.
  • the thicknesses are in the range of 0.5 to 5 mm, preferably 0.8 to 4.5 mm and in particular 1 to 3 mm.
  • the plates can also have different diameters.
  • diameter means the longest diameter in each case.
  • the diameter is in the range of 1 to 20 cm, preferably 2 to 15 cm and in particular 5 to 10 cm.
  • the apertures may be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, circular, elliptical, rectilinear or curved slot-shaped, zigzag-shaped or meander-shaped or as disclosed in Japanese Patent Application JP 2009027876 A in FIGS. 3 (a) -3 (c), 4 ( a0) -4 (a2), 4 (b0) -4 (b2) and 9 (a) -9 (f).
  • the plates may be arranged concentrically around the heat pipe of the device according to the invention.
  • the edge of the plate may have a certain distance from the wall of the heat pipe or be directly connected thereto.
  • the catalytically active nanoparticles can also be constituents of meso and / or macroporous particles which form a fluidized bed in the reaction space.
  • their surface is rendered hydrophobic in the manner described above.
  • the diameter of the meso and / or macroporous particles can vary widely and be adapted to the requirements of the respective device according to the invention and of the respective method according to the invention.
  • the diameter is to be understood as the longest diameter. It is essential that the meso and / or macroporous particles are not so large and therefore so heavy that they no longer form a fluidized bed in the reaction space under the conditions of flameless catalytic oxidation.
  • the diameter is in the range of 0.1 to 1000 ⁇ , preferably 0.2 to 800 ⁇ and in particular 0.3 to 600 pm.
  • the meso and / or macroporous particles may have a broad or narrow, monomodal, bimodal or multimodal particle size distribution.
  • a narrow monomodal particle size distribution is used to exclude the disturbing influence of particularly small and particularly large meso and / or macroporous particles, so that substantially uniform reaction conditions are present in the fluidized bed.
  • the pore size of the meso and / or macroporous particles can also vary widely and be adapted to the requirements of the respective device according to the invention and the respective method according to the invention. It is essential that the pore size is adjusted so that the catalytically active nanoparticles can be incorporated into the pores.
  • the mean pore size is preferably in the range from 10 to 1000 nm, preferably from 20 to 750 nm and in particular from 30 to 500 nm.
  • Meso and / or macroporous particles can be prepared from meso and / or macroporous ceramics, for example by grinding and sifting the ground products.
  • Meso and / or macroporous ceramics and processes for their preparation are known, for example, from the patents US 2001/0039236 A1, PT 102713 A, US 2009/0162414 A1 and US 2011/0163472 A1 or the publications of Technology License Bureau (TLB) of the Baden-written Hoch Engelhoffn GmbH from the year 2012, »New process with high savings potential: macroporous ceramics and polymer foams from capillary suspensions «, »Macroporous ceramics and polymer foams: the manufacturing process and its advantages « and »Macroporous Ceramics and polymer foams: Examples: AbOs ceramic and PVC polymer foam «known.
  • the outlet device for the exhaust gases is connected to a device for separating solid particles from the gas phase.
  • the deposited solid particles are returned to the reaction space.
  • At least one, in particular one, cyclone is preferably used as the device for depositing solid particles.
  • the catalytically active nanoparticles can also be part of at least one meso and / or macroporous sintered body.
  • the at least one meso and / or macroporous sintered body largely or completely fills the reaction space of the apparatus for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons. That is, the shape of the meso and / or macroporous sintered body is determined by the shape of the reaction space.
  • the at least one meso and / or macroporous sintered body preferably surrounds the area of the at least one heat pipe receiving the thermal energy concentrically.
  • the meso and / or macroporous sintered body preferably has pores whose average pore size is in the range specified above for meso and / or macroporous particles.
  • the meso and / or macroporous sintered bodies can according to those in the patents US 2001/0039236 A1, PT 102713 A, US 2009/0162414 A1 and US 2011/0163472 A1 or in the publications of Technology License Office (TLB) of Baden - beforehand Hochfflen GmbH from 2012, »New process with high savings potential: macroporous ceramics and polymer foams from capillary suspensions «, »Macroporous ceramics and polymer foams: The Manufacturing Process and Its Benefits "and" Macroporous Ceramics and Polymeric Foams: Examples: A 03 Ceramic and PVC Polymeric Foam "are disclosed.
  • TLB Technology License Office
  • the at least one, in particular one, reaction space of the at least one apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons, which is defined by its wall, can have different spatial geometries.
  • its length in the direction of the gas flow is greater than its diameter transversely thereto. It comprises a lower region into which the reaction gases, in particular natural gas and air, are introduced via at least one inlet device, and an upper region from which the exhaust gases, in particular water, carbon dioxide and the unused portions of the oxidizing agent, in particular the remaining air, be derived.
  • the reaction gases in particular natural gas and air
  • the exhaust gases in particular water, carbon dioxide and the unused portions of the oxidizing agent, in particular the remaining air
  • the reaction space has a length in the range of 5 to 50 cm, preferably 6 to 40 cm, in particular 10 to 30 cm.
  • the reaction space can have a wide variety of outlines.
  • the outline may be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, octagonal, circular or elliptical.
  • the outline is square or circular.
  • the reaction space can have different diameters.
  • the term "diameter” is understood to mean the longest diameter in each case.
  • the diameter is in the range of 1 to 30 cm, preferably 2 to 25 cm and in particular 3 to 20 cm.
  • Diameter and contour of the reaction space can vary in the direction of the longitudinal axis.
  • the lower region can constrict funnel-shaped, while the upper region, in particular in a reaction chamber containing a fluidized bed, itself widens and serves as a separation zone in which meso and / or macroporous particles are separated from the exhaust gases.
  • the wall of the device for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons which encloses the reaction space in a gastight manner, is constructed of at least one non-combustible, mechanically and thermally stable material.
  • suitable materials are metals and ceramics and their composites. In particular, stainless steel is used.
  • the metals can be protected by oxide layers against corrosion and abrasion.
  • the walls can have a wide variety of outlines.
  • the outline may be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, octagonal, circular or elliptical.
  • the wall can have different strengths.
  • the thicknesses are in the range of 0.5 to 10 mm, preferably 0.8 to 8 mm and in particular 1 to 6 mm.
  • the wall can have different diameters as the reaction space.
  • the term "diameter” is understood to mean the longest diameter in the case of a wall which does not have a square or circular outline.
  • the diameter is in the range of 1 to 30 cm, preferably 2 to 25 cm and in particular 3 to 20 cm.
  • the walls can also have different lengths.
  • the length is in the range of 5 to 50 cm, preferably 6 to 40 cm and in particular 10 to 30 cm.
  • the at least one inlet device for a gas or a gas mixture is likewise constructed from at least one of the non-combustible, mechanically and thermally stable materials described above.
  • the at least one outlet device for the exhaust gases can be constructed from at least one of the stated materials.
  • the at least one apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons further includes a conventional and known peripherals, the usual and well-known pneumatic, mechanical and electronic measuring and control devices, in particular for measuring and controlling the temperature and gas flow, conventional and known pneumatic, mechanical and electronic Devices for the transport of gaseous, liquid and solid materials such as feed pumps and corresponding conventional and known display devices comprises.
  • the at least one apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons may contain at least one, in particular one, ignition device.
  • the ignition device is located in the lower region of the reaction space.
  • ignition device conventional and known electric gas igniter can be used.
  • the at least one apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons is thermally isolated.
  • the insulation can consist of a wide variety of mechanically and thermally stable, insulating materials.
  • the insulating materials are nonflammable and abrasion resistant.
  • suitable insulating materials are solid wood, glass and ceramic foams, earthenware and high temperature resistant polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (trifluorochloroethylene) (KEL-F®), polysiloxanes, polysulfones, polyethersulfones, polyetherketones and polyimides.
  • the at least one device for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons is in heat-conducting contact with the thermal energy absorbing region of at least one, in particular one, heat pipe.
  • a heat pipe is a fluid-tight and gas-tight sealed component with which thermal energy or heat can be transferred very efficiently from one location to another, i. can be transported over a more or less long connection area from the thermal energy absorbing area to a thermal energy emitting area.
  • the transporting the thermal energy dissipating area is in electrically insulating, thermally conductive contact with the hot side (s) of at least one, preferably at least two, TEE.
  • connection region is thermally insulated to the outside, wherein preferably the above-described thermally insulating materials are used.
  • the heat pipe can be known to transport a 100 to 1000 times higher heat energy than a component of the same geometric dimensions of solid copper.
  • the heat pipe uses the physical effect that very large amounts of energy are converted when evaporating and condensing a liquid.
  • the heat pipe is hollow inside and filled with a small amount of liquid, the "working" liquid. This is under its vapor pressure, which can be well below the atmospheric pressure at low temperatures.
  • the inner wall of the heat pipe can be covered with a capillary structure - comparable to a wick. This capillary structure is saturated with a liquid heat transfer medium, the working liquid.
  • the working liquid from the capillary structure evaporates there.
  • the steam flows in the direction of the temperature gradient and condenses everywhere, releasing the heat of vaporization, where thermal energy is dissipated.
  • the condensate, the liquefied heat transfer medium, is absorbed by the capillary structure, flows back to re-evaporate. It closes a cycle, which circulates quickly and very effectively transports thermal energy.
  • the temperature difference between the evaporation and condensation zone in the heat pipe is very low, so that the heat conduction is almost isothermal.
  • thermoelectric heat pipe Depending on which temperature range (low, medium, high) is used, different working fluids are used, such as water in the temperature range of about 170 to 600K, ammonia in the temperature range of about 150 to 170K, mercury in the temperature range of 400 to 800K or lithium or silver in a temperature range above 1000K. It is essential that the working liquid does not chemically attack and corrode the wall of the heat pipe.
  • the fluid- and gas-tight wall of the heat pipe can be constructed from a variety of materials. For the construction also flexible materials can be used.
  • the heat pipe can be an integral part of flexible plastic films.
  • the materials of which the heat pipe is constructed must in the temperature range given by the heat source fluid and gas tight, both opposite the working liquid as well as the outer atmosphere chemically stable, mechanically and thermally stable and stable deformation.
  • the materials should have a high thermal conductivity so that the thermal energy of the heat source can be absorbed and effectively delivered to the hot side of the at least one TEE.
  • the walls of the heat pipes of metals and metal alloys, in particular copper is used.
  • the heat pipe may have different cross sections such as triangles, squares, rectangles, pentagons, hexagons or octagons, which may have rounded corners and / or sides, ellipses, ovals or circles.
  • the size of the cross sections can vary widely and can be perfectly adapted to the requirements of the device according to the invention and of the method according to the invention.
  • the cross sections can range from a few microns to several centimeters.
  • the heat pipe may have different shapes in the longitudinal direction.
  • it can be rectilinear, bent in the plane one or more times, spatially multiply bent, meandering or spiraling.
  • the heat pipe can still be coated after molding to protect it from mechanical, chemical and / or thermal effects.
  • suitable coating materials are thermal and / or actinic radiation such as UV radiation or electron beam curable, pigmented or non-pigmented powder coatings or water-based or organic solvent-based liquid coatings.
  • the capillary structure with wicking on the inside of the wall can also be made of a variety of materials. Essential for their selection are the temperature range given by the source of the thermal energy and the stability with respect to the working liquid. In addition, contact between the capillary structure and the wall should not cause corrosion under the influence of the working liquid. The person skilled in the art can therefore select the materials on the basis of the property profiles known to him.
  • the capillary structure can be constructed of nanoparticles, fiber materials or porous materials with appropriately sized pore sizes.
  • the wicking by wire mesh such as copper wire mesh or electrically non-conductive wire mesh and fiber bundles, such as ceramic, glass or high temperature resistant plastics, can be generated inside the heat pipe.
  • the wicking effect can also be generated by surface structures of elevations and depressions such as grooves, columns, spheres or cups on the inner wall of the heat pipe.
  • the capillary structure with wicking can also be introduced later. Examples of suitable methods are the crystallization or precipitation of meso and / or macroporous materials such as zeolites or ceramics.
  • the subsequent introduction is particularly advantageous for the "open embodiment" described below, because in this way a direct connection to an electrically insulating, thermally conductive, structured surface on the hot side of the TEE, on which the working fluid condenses, can be accomplished in one step ,
  • the end of the heat pipe which is in heat-conducting contact with the heat source, i.
  • the apparatus for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons need not necessarily be electrically isolated therefrom.
  • the heat conductive contact between the end of the heat pipe, i. with the thermal energy absorbing portion, and the heat source by solder contacts, welding contacts, flange contacts, electrically and thermally conductive, metal particle-containing adhesive layers, screw, plug and terminal contacts, in which the end of the heat pipe, i. the thermal energy absorbing area, is screwed into the heat source, plugged or clamped, or by pressure contacts, in which the end of the heat pipe is pressed by means of suitable devices in the heat source made.
  • the heat-conductive contact can also be further improved by electrically conductive and thermally conductive, metal particle-containing thermal compounds.
  • the contact of the thermal energy emitting area of the heat pipe with the hot side of the TEE is electrically insulating.
  • the hot side of a TEE is the side which absorbs the thermal energy.
  • the electrical insulation can be, for example, using thermally conductive ceramic layers, thermally conductive plastic layers, for example based on polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (trifluorochloroethylene) (KELF®), polysiloxanes, polysulfones, polyethersulfones, polyether ketones and polyimides or layers Alumina, aluminum nitride and / or silicon nitride are ensured.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • KELF® poly (trifluorochloroethylene)
  • the contact of the heat pipe with the hot side of the thermoelectric element is made by a suitable contact device.
  • the selection of the materials for the construction of the contact device depends in particular on the temperature range predetermined by the heat source.
  • the contact or fastening device comprises heat-conducting solder contacts, welding contacts, flange contacts, adhesive layers, screw, plug and terminal contacts, in which the end of the heat pipe in or on or on the hot side located corresponding complementary devices or screwed, plugged or a - or is clamped.
  • the thermal conductivity can be further improved by the use of thermal compounds, for example thermal pastes based on silicones.
  • fastening devices such as flange contacts are used, these can be fastened on electrically and thermally insulating anchoring parts.
  • these anchoring parts consist of a solid, electrically and thermally not or only poorly conductive, mechanically and thermally stable material.
  • suitable materials of this type are wood and polymers such as polytetrafluoroethylene (PDFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (trifluorochloroethylene) (KEL-F®), polysiloxanes, polyethersulfones, polyetherketones and polyimides.
  • the anchoring parts may consist of one piece or be composed of several parts.
  • the sides of the anchoring parts abut flush with the vertical sides of the TEE so that they additionally insulate it.
  • the opposing surfaces of the anchoring members are each in a plane with the surfaces of the hot and cold sides of the TEE. If the anchoring parts are composed of several parts, they can have pegs and complementary recesses in and on the abutting sides, which further stabilize the assembled anchoring parts.
  • the anchoring parts as well as the parts of the composite anchoring parts with each other and with the vertical sides of the TEE, with the above-described, protruding electrically insulating, thermally conductive layer, optionally described hereinafter, electrically conductive, gas and fluid-tight seal and / or the resting Surface of the flange contact to be bonded with a thermostable, electrically insulating adhesive.
  • the flange contacts are still attached by mechanical fastening devices such as clamps, screws or pins and complementary recesses on the anchoring parts.
  • the contact device comprises the above-described electrically insulating, heat-conducting layers. These layers are located directly on the hot side of the TEE. In general, they only need a few nuclear facilities to be strong. In order to enable soldering and welding, the heat-conductive insulating layers are covered on their outside with a thin metal layer.
  • a particularly advantageous arrangement of this kind can be produced by sputtering a metal oxide layer, which gradually merges into a metal layer.
  • the thermal energy emitting area of the at least one heat pipe has at least one opening, preferably at least two openings.
  • the electrically insulating, heat-conducting contact is designed so that the hot side of the at least one TEE is in direct contact with the interior of the heat pipe, so that the working liquid condenses directly on the hot side and the thermal energy is transmitted directly.
  • this embodiment will be referred to as "open embodiment”.
  • the condensation of the working fluid and the transfer of thermal energy can be further improved by means of a structured surface on the hot side, which is in direct contact with the interior of the heat pipe.
  • the structured surface may be composed of nano-, meso- and / or macroporous materials, nanoparticles or groove structures. If the structured surface is still electrically conductive, it is electrically insulated from the hot side by one of the electrically insulating, thermally conductive layers described above.
  • the return of the condensed working fluid to the other end of the heat pipe, i. to the heat energy source in contact with the thermal energy receiving portion of the heat pipe can be done by gravity.
  • the heat pipe must be arranged vertically.
  • the return can also be due to the wicking of inserted electrically non-conductive wire mesh and fiber bundles, as described above, take place.
  • electrically non-conductive wire meshes and fiber bundles are arranged to be in direct contact with the condensed working fluid.
  • the heat pipe can be arranged arbitrarily spatially.
  • the contactor further includes a fluid tight, gas tight, adhesive, electrically insulating seal between the wall of the heat pipe and the hot side of the TEE, which does not have to be heat conductive, but can also be electrically conductive unless electrically conductive
  • a fluid tight, gas tight, adhesive, electrically insulating seal between the wall of the heat pipe and the hot side of the TEE, which does not have to be heat conductive, but can also be electrically conductive unless electrically conductive
  • the easiest way to accomplish this is to make the surface of the electrically insulating, thermally conductive layer described above slightly larger than the hot side of the TEE, so that the surface
  • An example of a suitable, gas- and fluid-tight, adherent, electrically conductive seal is filled with metal particles, in particular copper particles, filled silicone polymers, in particular PDMS. These seals may have different shapes depending on the arrangement and cross section of the heat pipe on the one hand and the outer shape of the or the TEE on the other hand.
  • the gaskets are rectangular, square or polygonal, for example hexagonal, or round or elliptical, when the heat pipe has the correspondingly shaped cross section and / or the TEE has the correspondingly shaped surface.
  • the seal of the planarity of the surface of the TEE may be adapted, for example, if it is bent outwards or inwards and / or has a regular or not regular roughness.
  • the TEE may be electrically conductively connected to at least one other TEE. But it can also be 100 and more such TEE connected in parallel and / or in series. In this case, it is also referred to as a "thermopile.” Electrical connections are attached to the electrically positive and electrically negative end of the TEE or the thermopile, which can be connected to a device that operates on the recovered power.
  • High temperature range i. Temperatures up to 1000 ° C.
  • different materials are used in the device according to the invention. The choice can be made by a person skilled in the art on the basis of the known chemical and physical properties of the materials. Preferably, work is carried out in the low-temperature range.
  • Equation XII Z ⁇ 2 / ⁇ .
  • stands for the Seebeck coefficient
  • is the electrical conductivity
  • is the thermal conductivity of the material in question.
  • p- and n-doped semiconductor materials are used.
  • bismuth telluride alloys (Bi 2 Te 3 ) are used for the low temperature range.
  • lead telluride PbTe
  • PbTe lead telluride
  • silicon germanium alloys and Zintl alloys are used for the high temperature range.
  • bismuth telluride alloys are used.
  • thermoelectric element in this case comprises a single TEE or an arrangement of several series or parallel connected TEEs in the form of a so-called thermopile.
  • TEEs are described in detail in US patent US 5,610,366, US patent application US 2010/0229911 A1, international patent application WO 97/44993 A1, German patent application DE 101 12 383 A1 or the company publication of Hi-Z Technology Inc., "Use, Application and Testing or Hi-Z Termoelectric Modules", authors: FA Levitt, NB Eisner and JC Bass, described.
  • thermoelectric modules are used in "eggcrate" configuration (egg-box configuration), as for example in the international patent application WO 97/44993, page 2, last paragraph, to page 5, last paragraph, in conjunction with the Figures 1A to 14 and 27 will be described.
  • the modules Hi-Z 20, Hi-Z Technology Inc., USA are used in the devices according to the invention.
  • one or more TEEs can be thermally contacted simultaneously.
  • the cold side of the at least one TEE facing the hot side is in electrically insulating, thermally conductive contact with a heat dissipating device (heat sink). This serves to dissipate and optionally use the remaining supplied thermal energy.
  • heat sink heat dissipating device
  • this contact is accomplished by at least one additional heat pipe.
  • the additional heat pipe is referred to as a "second heat pipe”.
  • the second heat pipe is in one of its ends in electrically insulating, thermally conductive contact with the cold side of the TEE and at its other end in thermally conductive contact with the heat dissipating device.
  • the above-described heat pipes and contact devices are used. Since the heat pipes and cold side contact devices of the TEE are exposed to lower temperatures than those of the hot side of the TEE, materials other than the hot side may be used.
  • this contact is produced by at least one electrically insulating, thermally conductive layer.
  • electrically insulating, thermally conductive materials can be used.
  • the heat-dissipating devices or heat sinks can be of very different nature and of very different construction.
  • air and water are heat-dissipating devices in the sense of the invention.
  • the rest is supplied transfer thermal energy via cooling fins made of metal to the air or water. Accordingly, cooling fins are also heat sinks in the sense of the present invention.
  • the heat-dissipating devices are devices that allow the use of the remaining supplied thermal energy.
  • These are particularly preferably heat exchangers, tube cooling bodies, in particular tube cooling bodies for solar thermal systems, motors, turbines or systems for carrying out the Rankine cycle, in particular the organic Rankine cycle, in which comparatively low-boiling organic liquids are used as the working medium.
  • heat radiating radiators and large area heaters that can be installed under walls, ceilings, or floors indoors and outdoors of buildings can be considered as heat sinks.
  • devices of the invention constructed in this manner may self-operate or assist in their operation of their water-consuming and water-circulating pumping systems.
  • the electric current generated by the TEEs of the devices of the invention can be used for a variety of purposes. So he can support the operation of the devices according to the invention itself. Likewise, it can assist in the operation of the heat sinks that utilize the residual applied thermal energy as well as the operation of their peripherals. Examples include electrically operated pumps, chillers that protect the sources of thermal energy from overheating, and motors. Likewise, the power can be used to charge electrical storage such as batteries, accumulators and electric storage heaters. Overall, the use of waste heat in this way results in significant energy savings.
  • the power can also be used for the operation of external electrical devices of various kinds such as lighting systems, refrigerators and freezers, air conditioners, heat pumps, circulating pumps, consumer electronics, communication devices such as telephones or mobile phones, computers, laptops or iPads.
  • external electrical devices of various kinds such as lighting systems, refrigerators and freezers, air conditioners, heat pumps, circulating pumps, consumer electronics, communication devices such as telephones or mobile phones, computers, laptops or iPads.
  • the thermal energy supplied by a heat source is at least one of the hot sides by means of at least one heat pipe a TEE transported, wherein in the TEE an electrical voltage is generated.
  • the remaining applied thermal energy is supplied from the cold side of the TEE via an electrically insulating, thermally conductive contact at least one heat sink.
  • inventive devices are used for the inventive method.
  • FIGS. 1 to 13 are schematic representations intended to illustrate the principle of the invention. The size ratios must therefore not correspond to the size ratios used in practice.
  • 1 shows the construction and operation principle of a device 1 according to the invention, wherein the device for flameless catalytic oxidation via a heat pipe is electrically insulated and thermally conductively connected to the hot sides of at least two TEE and the cold sides of the at least two TEE in electrically insulating, thermally conductive Contact with at least one heat-dissipating device or heat sink is.
  • FIG. 2 shows the principle of construction and operation of another device 1 according to the invention, in which the apparatus for flameless catalytic oxidation is electrically insulated via a heat pipe and thermally conductively connected to the hot sides of at least two TEEs and the cold sides of the at least two TEEs are electrically insulated, thermally conductive contact with at least two others Heat pipes stand, which conduct the remaining heat to at least one heat sink.
  • Figure 3 shows the principle of construction and operation of a further device 1 according to the invention in monolithic construction, wherein the device for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons via a heat pipe is electrically insulated and thermally conductively connected to the hot sides of at least two TEE and the cold sides of at least two TEE are in electrically insulating, thermally conductive contact each with at least one heat sink.
  • Figure 4 shows a section along the line AA through the inventive device 1 according to Figure 3, wherein the hot sides of four TEE in thermally conductive, electrically insulating contact with a heat pipe and the cold sides of the TEE in thermally conductive, electrically insulating contact with each stand at least one heat sink.
  • FIG. 5 shows a section along the line B-B through the device 1 according to the invention, according to FIG. 3, in which the thermal energy absorbing region of the heat pipe is in thermal contact with at least one gas-permeable catalyst support in the reaction space of the apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons.
  • FIG. 6 shows an enlarged section of the longitudinal section through the device 1 according to the invention in the area of the apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons with at least three gas-permeable catalyst carriers surrounding the thermal energy-receiving region of the heat pipe concentrically.
  • FIG. 7 shows an enlarged section of a region of the gas-permeable catalyst support according to FIG. 6 with a gas passage.
  • FIG. 8 shows a further enlarged section of a region of the gas-permeable catalyst support according to FIG. 7 with the catalytic surface.
  • FIG. 9 shows an enlarged detail of the fastening region of the heat pipe of the device 1 according to the invention according to FIG. 3.
  • FIG. 10 shows a further enlarged detail of the fastening region of the heat pipe of the device 1 according to the invention according to FIG. 3.
  • FIG. 11 shows the side view of the heat pipe of the device 1 according to the invention according to FIG. 3 in the direction of the mounting flanges and the opening.
  • FIG. 12 shows a further advantageous embodiment of the device 1 according to the invention, in which a fluidized-bed reactor with cyclone is used for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons.
  • FIG. 13 shows a device for the flameless, catalytic oxidation of hydrocarbons, wherein the reaction space contains at least one macroporous sintered body.
  • thermoelectric element TEE 4 thermoelectric element
  • thermoelectric elements TEE
  • thermoelectric elements 4c, 4d thermoelectric elements (TEE)
  • 5c.1, 5d.1 blocks of thermally conductive material
  • FIG. 1 illustrates the general construction and functional principle on the basis of a longitudinal section through the device 1 according to the invention.
  • the reaction gases 2.3 in the present case air and natural gas, were fed to the reaction space 2.1 of the heat source 2 via the inlet device 2.2.
  • the ratio of air to natural gas has been adjusted here and in the embodiments described below so that the natural gas could be completely oxidized, ie burned.
  • the reaction space 2.1 was surrounded by the wall 2.6 gas and fluid-tight.
  • the natural gas was oxidized by means of atmospheric oxygen to a catalyst completely flameless at 250 ° C.
  • the exhaust gases 2.5 of the oxidation in the present case carbon dioxide, water and unused air, were passed out of the reaction space 2.1 via the outlet device 2.4.
  • the region 3.3 of the heat pipe 3 which received the thermal energy supplied by the heat source 2, projected into the reaction space 2.1.
  • FIG. 2 illustrates the construction and operating principle of a preferred embodiment with reference to a longitudinal section through the device 1 according to the invention.
  • the apparatus 2 for the flameless catalytic oxidation of methane likewise has an inlet device 2.2 made of stainless steel for air and natural gas as reaction gases 2.3.
  • the natural gas was catalytically oxidized completely flamelessly at 250 ° C. by the atmospheric oxygen.
  • the exhaust gases were discharged via the outlet device 2.4 stainless steel from the reaction chamber 2.1.
  • the thermal energy supplied by the heat source 2 was received by the thermal energy absorbing portion 3.3 of the heat pipe 3.
  • the wall 3.2 of the heat pipe 3 was made of copper and was 3 mm thick.
  • the heat pipe 3 contained a capillary structure formed of electrically insulating ceramic fibers (not shown). Water was used as working liquid.
  • the operating temperature of the heat pipe 3 was 250 ° C.
  • thermopile TEE in 'eggcrate' configuration egg-box configuration
  • the modules Hi-Z 20, Hi-Z Technology, Inc., USA were used in the devices 1 according to the invention.
  • thermopiles 4a and 4b had electrical terminals 6a and 6b.
  • the recorded residual thermal energy was conducted via the two transitional regions 3a.1 and 3b.1 to the thermal energy absorbing regions 3a.4 and 3b.4. These were in thermal contact with the two heat sinks 5a and 5b.
  • the heat sinks 5a and 5b were made of solid aluminum blocks containing channels for heat-absorbing fluids, here deionized water (not shown).
  • FIG. 2 illustrates the entire apparatus 1 according to the invention according to FIG. 2 in a particularly advantageous manner the spatial arrangement of the essential components without impairing the function of the device 1 according to the invention.
  • FIG. 3 illustrates the principle of construction and operation of another preferred embodiment of the device 1 according to the invention on the basis of its longitudinal section along its longitudinal axis L.
  • the device 1 according to FIG. 3 had a particularly advantageous compact construction. Air and natural gas were passed as reaction gases 2.3 via the stainless steel inlet device 2.2 into the reaction chamber 2.1 of the apparatus 2 for flameless catalytic oxidation.
  • the reaction space 2.1 was completely enclosed gas-tight and fluid-tight by a cylindrical wall 2.6 made of 4 mm thick stainless steel.
  • the exhaust gases 2.5 ⁇ were led out of the reaction space 2.1 via the outlet device 2.4.
  • the diameter of the reaction chamber 2.1 was continuously at 10 cm, its height at 15 cm.
  • the reaction space contained a plurality of paralyzed catalyst supports 2.7 of an iron-chromium-aluminum alloy arranged concentrically around the thermal energy absorbing portion 3.3 of the heat pipe 3. They had a diameter of 9.9 cm, a circular outline , a thickness of 2 mm and in the middle of a wall 3.2 of the heat pipe 3 circumferential bore. They stood to the longitudinal axis L at an angle of 90 °. They were arranged so that their edges touched neither the wall 3.2 of the heat pipe 3 nor the wall 2.6 of the heat source 2.
  • the uppermost gas-permeable catalyst support 2.7 was arranged below the outlet direction 2.4, so that in the upper region of the reaction space 2.1 an open zone was located, which allowed better dissipation of the reaction gases 2.5.
  • the catalyst supports 2.7 were held in this arrangement by a linkage (not shown).
  • a plurality of gas-permeable catalyst supports 8.1 were arranged below the lower end of the heat pipe 3 but above the inlet device 2.2, which were constructed and arranged substantially like the catalyst supports, except that they had no bore in their middle. Instead, they were connected to an ignition device 8, by means of which the catalyst supports 8.1 were brought to the ignition temperature for the reaction gases 2.3 flowing into the reaction space 2.1. After starting the flameless catalyzed oxidation of natural gas, this ran throughout the entire reaction space 2.1 without the Supply of energy from the outside self-sustaining, so the ignition device 8 could be turned off.
  • the catalyst supports 2.7 and 8.1 had narrow slot-shaped gas passages 2.8 (see FIG. 5). Further details of the catalyst supports 2.7 can be found in FIGS. 6 to 8.
  • the thermal energy absorbing portion 3.3 of the heat pipe 3 was arranged centered in the reaction chamber 2.1 in the central bores of the gas-permeable catalyst carrier. Above the reaction space 2.1 was followed by the connection area 3.1 of the heat pipe 3, through which the absorbed thermal energy was transported by means of the working liquid in the thermal energy emitting area 3.4.
  • the areas 3.1 and 3.3 were together 20 cm long and had a circular cross section with a diameter of 3 cm.
  • the thickness of the wall 3.2 made of copper was 3 mm.
  • the areas 3.1, 3.3 and 3.4 were filled with a capillary structure formed from electrically insulating ceramic fibers (not shown).
  • the thermal energy emitting region 3.4 of the heat pipe 3 followed.
  • the upper, circular opening of the connection area 3.1 was located in the middle of the bottom of the thermal energy emitting area 3.4.
  • the area 3.4 itself had a cuboid geometry with square cross section with the following edge lengths: height: 10 cm; Width: 8 cm; on.
  • the wall 3.2 merged into the peripheral fastening flanges 3a.5 and 3b.5 (for further details see FIGS. 4, 9 and 10).
  • the mounting flanges 3a.5 and 3b.5 were arranged vertically to the horizontally extending wall 3.2 at the end and at the bottom of the area 3.4 and had a vertical height of 2 cm.
  • the mounting flanges 3a.5 and 3b.5 were on their entire side surfaces in full surface planar Kpntakt with a circumferential, solid, electrically and thermally insulating anchoring part 13 (see the sections: 13a and 13b) for screws 14 (for further details see FIGS. 9 and 10).
  • the anchoring parts 13a and 13b had a rectangular cross section with a height of 3 cm. Their width was equal to the thickness of the TEE 44a and 4b plus the thickness of the electrically insulating, thermally conductive layers 12a and 12b.
  • the upper and lower surfaces of the anchoring parts 13a and 13b are flush with the upper and lower surfaces of the peripheral mounting flanges 3a.5 and 3b.5, respectively, so that the opposite ends each protrude 0.5 cm into the openings in the wall 3.2.
  • the anchoring parts 13a and 13b were made of PTFE.
  • the wall 3.2 of the area 3.4 had four centered rectangular openings of dimensions: height: 10 cm; Width 6 cm; so that the wall 3.2 of the bottom of the area 3.4 was connected to the wall 3.2 of its upper end by means of four vertical, 10 cm long, angle-shaped struts 3.6 (not shown, see FIG. The four angular struts 3.6 were thus an integral part of the wall 3.2.
  • the electrically conductive, gas-tight and fluid-tight seals 10a and 10b were arranged on the basis of copper-filled polydimethylsiloxane (PDMS), which sealed the thermal energy-releasing region 3.4 to the outside. They are flush with the surface of the electrically and thermally insulating anchoring parts 13a and 3b and with the edges of the electrically insulating thermally conductive layers 11a and 11b on the basis of PDMS comprising the hot sides 4a.1 and 4b.1 of the TEEs 4a and 3b 4b covered, off. In this way, it was ensured that the TEEs could not make electrical contact with the wall 3.2 and the gaskets 10a and 10b.
  • PDMS copper-filled polydimethylsiloxane
  • the electrically insulating, thermally conductive layers 11a and 11b had on their surfaces, which were facing the interior of the region 3.4, structured surfaces 11a.1 and 11b.1 of thermally conductive nanoparticles.
  • the electric wires connecting the TEEs 4a and 4b to the electric terminals 6a and 6b were passed through the upper anchoring parts 13a and 13b.
  • the cold sides 4a.2 and 4b.2 were covered with the electrically insulating, thermally conductive layers 12a and 12b of aluminum nitride. These were in direct contact with the heat sinks 5a and 5b. These were formed by aluminum blocks 5a.1 and 5b.2, which had channels 5a.2 and 5b.2 for circulating water as heat-absorbing fluid. Except for the heat sinks 5a and 5b, all components of the device 1 according to the invention according to FIG. 3 with glass foam 7 were thermally insulated.
  • the device of Figure 3 was compact, robust, storable, transportable, reliable and long service life.
  • the yield of electric current was significantly higher than corresponding prior art devices.
  • the use of the thermal energy supplied by the heat source 2 was particularly effective.
  • FIG. 4 illustrates the principle of construction and operation of the preferred embodiment of the device 1 according to the invention according to FIG. 3 with reference to the section along the line A-A in FIG. 3.
  • the upper end of the connecting portion 3.1 of the heat pipe 3 opened to the thermal energy releasing portion 3.4.
  • the thermal energy dissipating region 3.4 was mainly limited by the four electrically insulating, thermally conductive layers 11a, 11b, 11c and 11d, which were fitted in the four openings through the wall and flush with the electrically conductive seals 10a, 10b, 10c and 10d and the hot sides 4a.1, 4b.1, 4c.1 and 4d.1 abut.
  • the layers 11a, 11b, 11c and 11d carried on their surface facing the interior of the region 3.4 the structured surfaces 11a, 1, 11b.1, 11c.1 and 11d.1.
  • the gaskets 10a, 10b, 10c and 10d were designed such that each gasket 10a, 10b, 10c and 10d abuts the inner surface of the vertical, angular struts and the edges of two adjacent electrically insulating, thermally conductive layers 11a, 11b, 11c and 11c 11d flushed.
  • each angle-shaped strut 3a.6, 3b.6, 3c.6 and 3d.6 was a solid, angular, thermally and electrically insulating connecting part 13a, 13b, 13c and 13d between the two anchoring parts 13a and 13b, which are the mounting flanges 3a. 5 and 3b.5 enclosed, accurately arranged.
  • the connecting parts 13a, 13b, 13c and 13d like the two anchoring parts 13a and 13b, were made of PTFE.
  • the abutting surfaces of the two connecting parts 13a, 13b, 13c and 13d and the two anchoring parts 13a and 13b had pegs and complementary ones Recesses to increase the mechanical strength of the arrangement on (not shown).
  • the connecting parts 13a, 13b, 13c and 13d were flush and fit to the side surfaces of the TEEs 4a, 4b, 4c and 4d.
  • the strength of the connecting parts 13a, 13b, 13c and 13d corresponded exactly to the thickness of the TEE 4a, 4b, 4c and 4d.
  • the cold sides 4a.2, 4b.2, 4c.2 and 4d.2 were covered with the electrically insulating, thermally conductive layers 12a, 12b, 12c and 12d. They conducted the remainder of the thermal energy conducted through the TEEs 4a, 4b, 4c and 4d into the heat sinks 5a, 5b, 5c and 5d, which consisted of solid aluminum blocks 5a.1, 5b.1, 5c.1 and 5d.1 , These contained the channels 5a.2, 5b.2, 5c.2 and 5d.2 for the circulating water 5.4. The connection of these channels from heat sink to heat sink was made through the connecting pipes 5a.3, 5b.3, 5c.3 and 5d.3. They consisted of a thermally insulating plastic.
  • the channels 5a.2, 5b.2, 5c.2 and 5d.2 and the connecting pipes 5a.3, 5b.3, 5c.3 and 5d.3 were arranged so that the water 5.4 guided in a spiral through the heat sinks could be.
  • the inlet of the water 5.4 was located at the upper part of one of the heat sinks 5 and the outlet of the heated water 5.4 at the lower part of the same or another heat sink 5.
  • FIG. 5 illustrates the principle of construction and operation of the preferred embodiment of the device 1 according to the invention in accordance with FIG. 3 with reference to the section along the line B-B in FIG. 3.
  • the thermal energy absorbing portion 3.3 of the heat pipe 3 with the wall 3.2 was centrally located in the enclosed by the wall 2.6 reaction space 2.1 of the heat source 2 and was in thermal contact with the gas-permeable catalyst support 2.7.
  • the thermal catalyst carrier 2.7 consisted of an aluminum-iron-chromium alloy and had slit-shaped gas passages 2.8.
  • the wall 2.6 was surrounded by the heat-insulating material 7.
  • FIGS. 6 to 8 illustrate the principle of construction and operation of the preferred embodiment of the device 1 according to the invention in accordance with FIG. 3 with the aid of enlarged sections of its section along the longitudinal axis L in FIG. 3.
  • FIG. 6 shows a detail of the heat-insulating material 7, the heat source 2 with the wall 2.6, the reaction space 2.1, the gas-permeable catalyst support 2.7 with the gas passages 2.8, through which the reaction gases 2.9 flowed, the heat pipe 3 with the wall 3.2 and the thermal energy receiving area 3.3.
  • FIG. 7 shows an enlarged section of the arrangement according to FIG. 6 with the gas passage 2.8 of a gas-permeable catalyst support 2.7.
  • the surface of the catalyst support was completely covered with the catalyst layer 2.10.
  • the catalyst layer 2.10 consisted of a carrier layer 2.10.1, which was essentially composed of aluminum oxide.
  • the surface of the carrier layer 2.10.1 was hydrophobicized with TEOOS and calcined after the application of the catalytically active Pd @ CeO 2 nanoparticles.
  • FIG. 8 shows the enlarged section of the arrangement according to FIG. 7 with the catalyst layer 2.10, which consisted of the carrier layer 2.10.1 and the catalytically active nanoparticles 2.10.2.
  • the nanoparticles 2.10.2 were Pd @ Ce02 according to the article by M.
  • the flameless catalytic oxidation of natural gas by air was excellently catalyzed by the Pd @ Ce02 nanoparticles 2.10.2, so that the reaction was complete even at 250 ° C.
  • Figures 9 and 10 illustrate the construction and operation principle of the preferred embodiment of the device 1 according to the invention according to the figure 3 with reference to enlarged sections of its section along the longitudinal axis L in Figure 3.
  • FIGS. 9 and 10 show sections with a TEE 4 with the hot side 4.1 and the cold side 4.2.
  • the hot side 4.1 was covered by the electrically insulating, thermally conductive layer 11. This had the structured surface 11.1.
  • the edge of the layer 11 abutted the electrically conductive seal 10.
  • the cold side 4.2 of the TEE was covered by the electrically insulating, thermally conductive layer 12.
  • the heat sink 5 was followed by the massive aluminum block 5.1 and the channels 5.2 for the circulating water (reproduced only in FIG. 9).
  • the side surface of the TEE was accurately connected to the solid, electrically and thermally insulating anchoring part 13. Through this, the electric wires ran from the side surface of the TEE to the electric terminal 6.
  • connection was made with a through the through hole with internal thread 14.5 out, a threaded 14.3 having screw 14, which had been screwed into the anchoring part 13, accomplished.
  • a screw 14 with a screw head 14.1 and a washer 14.2 was used.
  • a screw 14 was used with a countersunk head 14.4.
  • FIG. 11 illustrates the construction and operating principle of the preferred embodiment of the inventive device 1 according to FIG. 3 with the side view of the heat pipe 3.
  • the heat pipe 3 had the wall 3.2 with the thermal energy absorbing area 3.3 and the connection area 3.1.
  • the wall 3.2 had in the area of the thermal energy emitting area 3.4 centered a rectangular breakthrough in the dimensions: height: 10 cm; Width: 6 cm; auf, which received the electrically insulating, thermally conductive layer 11 and the circumferential electrically conductive seal 10. Above and below the breakthrough, the wall went 3.2 in the two vertical mounting flanges 3.5 with the through holes 14.5 with internal thread for receiving the screws 14 on.
  • FIG. 12 illustrates the principle of construction and operation of another preferred embodiment of the device 1 according to the invention on the basis of its longitudinal section
  • the inventive device 1 according to FIG. 12 had a fluidized bed reactor 2 with a length of 25 cm, a 5 mm thick wall 2.6 made of stainless steel and a circular cross section.
  • the wall 2.6 rejuvenated over a length of 3 cm towards the gas inlet 2.2 for the reaction gases 2.3.
  • the wall 2.6 ran vertically upwards over a length of 18 cm, so that in this region the reaction space 2.1 had a constant cross section of 13 cm.
  • the cross-section of the reaction space widened over a length of 4 cm to a maximum of 16 cm.
  • This widened region of the reaction space served as separation zone 2.13, in which the majority of the gas stream 2.9 entrained, loaded with catalytically active nanoparticles 2.10.2, meso and / or macroporous particles 2.11.1 were decoupled from the gas stream 2.9 and back into the fluidized bed 2.11 fell back.
  • the gas outlet 2.4 was also the gas outlet 2.4 for the exhaust 2.5.
  • the gas outlet 2.4 was connected to a cyclone 15 made of stainless steel, wherein the discharged meso and / or macroporous particles 2.1 1.1 separated from the gas phase and fed via the recirculation device 15.1 the lower portion of the reaction chamber 2.1 above the igniter 8, 8.1 again the fluidized bed 2.11 were.
  • the exhaust gases 15.3 of the cyclone 15 were discharged via the exhaust pipe 15.2.
  • the meso and / or macroporous particles of alumina 2.11.1 had a narrow monomodal distribution and a mean particle size of 500 ⁇ m determined by laser scattering and an average pore size of 100 nm. They were hydrophobicized with TEOOS, loaded with Pd @ Ce02 nanoparticles 2.10.2, and then calcined.
  • the ignition device 8 was arranged with heated, gas-permeable catalyst sheets 2.7.
  • the gas-permeable catalyst plates 2.7 also served as a gas distributor.
  • the igniter 8 was just like that long operated until the flameless catalytic oxidation of natural gas by air in the fluidized bed 2.11 of the reaction chamber 2.1 was self-sustaining.
  • the thermal energy absorbing area 3.3 of the closed heat pipe 3 was arranged centrally.
  • the thermal energy absorbing area 3.3 was 18 cm long.
  • the closed heat pipe 3 had a wall 3.2 of 3 mm and a circular cross-section of 3 cm. Inside was a braid of copper fibers as a wick for the working liquid water (not reproduced).
  • the thermal energy donating region 3.4 was surrounded by TEE (TEE 4a and 4b are shown). Between their hot sides 4a.1 and 4b.1 and the wall 3.2 were electrically insulating, thermally conductive layers (not shown). The cold sides 4a.2 and 4b.2 of the TEEs 4a and 4b were connected to the heat sinks 5a and 5b via electrically insulating thermally conductive layers 12 (not shown).
  • FIG. 3 illustrates the design and operating principle of yet another preferred embodiment of the device 1 according to the invention on the basis of a detail from its longitudinal section
  • the embodiment of the device 1 according to the invention according to FIG. 13 had the same closed heat pipe 3 with the wall 3.2, the thermal energy emitting area 3.4 and the thermal energy absorbing area 3.3 like the device 1 according to the invention as shown in FIG 4, the heat sinks 5 and the glass foam 7 are arranged in this area as well as in the device 1 according to the invention according to FIG. 12.
  • the heat source 2 was a total of 25 cm long and had a circular section of 15 cm over a distance of 21 cm. Its wall 2.6 was made of stainless steel and was 5 mm thick. In its lower region, the wall 2.6 tapered over a distance of 3 cm to the inlet device 2.2 made of stainless steel for the reaction gas 2.3 out.
  • the exhaust device 2.4 made of stainless steel for the exhaust gases 2.5 was located at the horizontal upper end of the wall 2.6.
  • the thermal energy absorbing region 3.3 of the closed heat pipe 3 was arranged centrally in the reaction space 2.1 of the heat source 2.
  • the free reaction space 2.1 was filled over a distance of 20 cm with the tubular, macroporous sintered body 2.14 made of TEOOS hydrophobicized and sintered alumina.
  • the sintered body 2.14 had pores 2.14.1 with a mean pore size of 400 nm, into which Pd @ Ce02 nanoparticles 2.10.2 had been incorporated.
  • Below the end of the closed heat pipe 3, a disk-shaped macroporous sintered body 2.14.2 of the same composition was arranged below the end of the closed heat pipe 3.
  • the flameless catalytic oxidation of natural gas by means of air was also excellently catalyzed by the Pd @ CeO 2 nanoparticles 2.10.2 in the device 1 according to the invention as shown in FIG. 13, so that the reaction was complete even at 250 ° C.
  • the inventive device 1 according to the figure 13 proved in practice to be particularly robust, mechanically stable, storable, transportable and easy and safe in operation and had a particularly long service life.

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Abstract

The invention relates to a device (1) according to figure 1 for directly converting thermal energy into electrical energy, comprising a device (2) for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons, a heat pipe (3), a thermoelectric element (4), which is connected to an electrical connection (6), and a heat sink (5), wherein the region (3.3) of the heat pipe (3) that absorbs thermal energy is in thermally conductive, electrically insulating contact with the device (2), and the region (3.4) of said heat pipe that emits thermal energy is in thermally conductive, electrically insulating contact with the hot side (4.1) of the thermoelectric element (4), and wherein the cold side (4.2), which is opposite the hot side (4.1), of the thermoelectric element (4) is in thermally conductive, electrically insulating contact with the heat sink (5). The invention further relates to a method for generating electrical energy directly from thermal energy.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie  Device and method for direct conversion of thermal energy into electrical energy
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Vorrichtung und ein neues Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie. The present invention relates to a new apparatus and method for directly converting thermal energy into electrical energy.
Stand der Technik State of the art
Verfahren und Vorrichtungen zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie unter Nutzung eines Temperaturgradienten (Seebeck-Effekt) sowie geeignete Materialien für die Herstellung solcher Vorrichtungen sind z.B. aus dem amerikanischen Patent US 5,610,366 A, der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0229911 A1 , der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993 A1 , der deutschen Patentanmeldung DE 101 12 383 A1 oder der Firmenschrift von Hi-Z Technology Inc., "Use, Application and Testing od Hi-Z Termoelectric Modules", Autoren: F. A. Levitt, N. B. Eisner und J. C. Bass, bekannt. Methods and apparatus for direct conversion of thermal energy into electrical energy utilizing a temperature gradient (Seebeck effect) as well as suitable materials for the manufacture of such devices are known e.g. from US Pat. No. 5,610,366 A, US patent application US 2010/0229911 A1, international patent application WO 97/44993 A1, German patent application DE 101 12 383 A1 or the company publication of Hi-Z Technology Inc., "Use, Application and Testing od Hi-Z Termoelectric Modules ", authors: FA Levitt, NB Eisner and JC Bass, known.
Diese Vorrichtungen weisen so genannte Peltier-Elemente oder thermoelektrische Elemente (im Folgenden je nach dem das oder die, des, den oder der oder ein oder eines »TEE« genannt) auf. Grundsätzlich enthält ein TEE zwei verschiedene thermoelektrische Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten, die an einer Kontaktstelle oder in einem Kontaktbereich elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Eine erhöhte Temperatur im Kontaktbereich bewirkt aufgrund des thermoelektrischen Effekts eine elektrische Spannung (Thermospannung) zwischen den beiden thermoelektrischen Materialien. Bei geschlossenem Stromkreis fließt dann ein elektrischer Strom. These devices have so-called Peltier elements or thermoelectric elements (hereinafter referred to as the one or the, or the or one or a "TEE" called) on. Basically, a TEE contains two different thermoelectric materials with different Seebeck coefficients, which are electrically conductively connected to one another at a contact point or in a contact region. Due to the thermoelectric effect, an increased temperature in the contact region causes an electrical voltage (thermal voltage) between the two thermoelectric materials. When the circuit is closed then flows an electric current.
Die bekannten Vorrichtungen zur direkten Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie umfassen daher im Allgemeinen mindestens ein TEE, das in seinem Kontaktbereich in thermischem Kontakt mit einer Quelle thermischer Energie (Wärmequelle) und mit der gegenüberliegenden Seite in thermischem Kontakt mit einer wärmeabsorbierenden Vorrichtung (Wärmesenke) steht, die die zufließende thermische Energie abtransportiert oder anderweitig nutzt. The known devices for directly converting thermal energy into electrical energy therefore generally comprise at least one TEE which is in thermal contact with a source of thermal energy (heat source) in its contact region and in thermal contact with a heat absorbing device (heat sink) with the opposite side which removes or otherwise uses the incoming thermal energy.
Diese Konfiguration "Quelle thermischer Energie/TEE/wärmeabsorbierende Vorrichtung" gestattet wegen der hohen Anzahl von Wärmequellen einerseits und wärmeabsorbierenden Vorrichtungen andererseits eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere als autarke, von einem elektrischen Verteiler unabhängige Quellen elektrischer Energie. This "thermal energy source / TEE / heat absorbing device configuration", on the other hand, allows a variety of applications due to the large number of heat sources on the one hand and heat absorbing devices on the other hand Applications, especially as a self-sufficient, independent of an electrical distributor sources of electrical energy.
Dabei kommen als Quelle thermischer Energie so unterschiedliche Vorrichtungen wie durch die Solarthermie erhitzte photovoltaische Zellen oder Solarzellen; im Allgemeinen weisen die betreffenden Vorrichtungen die Konfiguration In this case come as a source of thermal energy so different devices such as heated by solar thermal photovoltaic cells or solar cells; In general, the devices in question have the configuration
"Solarzelle/elektrisch isolierende, wärmeleitende "Solar Cell / Electrically Insulating, Thermally Conductive
Schicht/TEE/wärmeabsorbierende Vorrichtung" auf (vgl. die amerikanischen Patentanmeldungen US 2011/0048488 A1 und US 2011/0048489 A1 oder die amerikanischen Patentschriften US 7,875,795 B2, US 4,106,952 und US 3,956,017), die Abwärme von Motorblöcken, Auspuffanlagen, Rauchrohren, Abgaskaminen, Öfen oder Behältern mit Materialien, die bei Phasenumwandlungen thermische Energie liefern (vgl. die deutsche Patentanmeldung DE 199 46 806 A1 , die internationalen Patentanmeldungen WO 99/36735 und WO 01/80325 A1 , die amerikanische Patentanmeldung US 2006/0266404 A1 oder die amerikanischen Layer / TEE / heat absorbing device "(see US patent applications US 2011/0048488 A1 and US 2011/0048489 A1 or US patents US 7,875,795 B2, US 4,106,952 and US 3,956,017), the waste heat of engine blocks, exhausts, flue pipes, flue gas flues , Ovens or containers with materials that provide thermal energy during phase transformations (see German Patent Application DE 199 46 806 A1, International Patent Applications WO 99/36735 and WO 01/80325 A1, the US patent application US 2006/0266404 A1 or the American
Patente US 6,232,545 B1 , US 6,624,349 B1, US 6,527,548 B1 und US 6,053, 163 B1), oder US Pat. Nos. 6,232,545 B1, 6,624,349 B1, 6,527,548 B1 and 6,053,163 B1), or US Pat
Sonnenkollektoren, insbesondere Flachkollektoren (vgl. die amerikanische Patentanmeldung US2010/0300504 A1 , die europäische Patentanmeldung EP 2Solar collectors, in particular flat-plate collectors (see the American patent application US2010 / 0300504 A1, the European patent application EP 2
239 187 A1 oder die deutschen Patentanmeldung DE 10 208 009 979 A1 , DE 36 19 127 A1 und DE 37 04 559 A1) in Betracht. 239 187 A1 or the German patent application DE 10 208 009 979 A1, DE 36 19 127 A1 and DE 37 04 559 A1) into consideration.
Insbesondere hat man versucht, Motorabgase in Auspuffanlagen effektiver für die Gewinnung von elektrischer Energie bei gleichzeitiger Nachreinigung der Motorabgase zu nutzen. Zu diesem Zweck wird in dem amerikanischen Patent US 5,968,456 ein katalytischer Konverter vorgeschlagen, der die Energie der exothermen Reaktionen der Bestandteile von Motorabgasen an einem Katalysator zur Erzeugung von Strom mithilfe von TEE nutzt. Dabei wird die thermische Energie mithilfe von im monolithischen Katalysator eingebetteten Wärmeleitrippen vom monolithischen Katalysator zur heißen Seite der TEE geleitet. In particular, attempts have been made to use engine exhaust gases in exhaust systems more effectively for the production of electrical energy while simultaneously cleaning the engine exhaust gases. For this purpose, US Pat. No. 5,968,456 proposes a catalytic converter which monitors the energy of the exothermic reactions of the constituents uses engine exhaust gases on a catalyst to generate electricity using TEE. The thermal energy is conducted from the monolithic catalyst to the hot side of the TEE by means of thermal fins embedded in the monolithic catalyst.
Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2003/0223919 A1 ist ein vergleichbarer Aufbau zur Nachreinigung von Motorabgasen bei gleichzeitiger Gewinnung von elektrischer Energie bekannt. Dieser Aufbau umfasst einen katalytischen Konverter der in wärmeleitendem Kontakt mit der heißen Seite von TEE steht. Die kalten Seiten der TEE stehen in wärmeleitendem Kontakt mit Kühlkanälen. From US patent application US 2003/0223919 A1, a comparable structure for the post-purification of engine exhaust gases with simultaneous production of electrical energy is known. This design includes a catalytic converter in heat conducting contact with the hot side of TEE. The cold sides of the TEE are in heat-conducting contact with cooling channels.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 040 849 A1 wird eine katalytisch aktive Schicht zur Oxidation von Bestandteilen der Abgase aus Oxidationskraftmaschinen, vorzugsweise Dieselmotoren, beschrieben. Die Schicht umfasst bimetallische oder polymetallische Nanopartikel, wobei die Metalle aus der Gruppe Palladium, Rhodium, Platin, Eisen, Nickel, Chrom, Rhenium, Ruthenium, Technetium, Iridium, Kobalt, Kupfer, Gold und Silber ausgewählt sind. Die Nanopartikel können auf einem oder mehreren Trägermaterialien fixiert sein, die aus der Gruppe, umfassend Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Zinkoxid, Zinnoxid, Strontiumoxid, Calciumoxid, Bariumoxid, Magnesiumsoxid, Antimonooxid, Wismutoxid, Chromoxid, Eisenoxid, Manganoxid, Oxide der Lanthanide, Oxide der Actinide oder Mischoxide aus den vorstehend genannten Oxiden, zeolithartige Mischoxide und/oder Oxide aus der Gruppe der Spinelle, ausgewählt sind. Das Trägermaterial kann weiterhin Verbindungen wie Alkalimetalle, Halogenide, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Galliumoxid, Germaniumoxid, Indiumoxid, Manganoxid, Vanadiumoxid und/oder Wolframoxid als Dotierungsmittel oder Promotoren enthalten. Die Nanopartikel weisen eine mittlere Teilchengröße 5 2 nm bis < 5 nm auf. German published patent application DE 10 2008 040 849 A1 describes a catalytically active layer for the oxidation of constituents of the exhaust gases from oxidation engines, preferably diesel engines. The layer comprises bimetallic or polymetallic nanoparticles, the metals being selected from the group consisting of palladium, rhodium, platinum, iron, nickel, chromium, rhenium, ruthenium, technetium, iridium, cobalt, copper, gold and silver. The nanoparticles may be fixed on one or more support materials selected from the group consisting of titanium dioxide, silica, zirconia, alumina, zinc oxide, tin oxide, strontium oxide, calcium oxide, barium oxide, magnesium oxide, antimony oxide, bismuth oxide, chromium oxide, iron oxide, manganese oxide, oxides of lanthanides , Oxides of actinides or mixed oxides of the abovementioned oxides, zeolite-type mixed oxides and / or oxides from the group of spinels, are selected. The support material may further contain compounds such as alkali metals, halides, nitrogen, phosphorus, sulfur, gallium oxide, germanium oxide, indium oxide, manganese oxide, vanadium oxide and / or tungsten oxide as dopants or promoters. The nanoparticles have an average particle size of 5 2 nm to <5 nm.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 031 502 A1 geht ein rohrförmiger thermoelektrischer Generator, der von einem Fluid durchströmt wird, hervor. Der Generator weist eine Innenoberfläche, die ein Innenvolumen radial außen begrenzt, und eine Außenoberfläche auf. In dem Innenvolumen befindet sich ein katalytisch beschichtetes Element, an dem exotherme Reaktionen von Bestandteilen der Motorabgase ablaufen. Hierdurch wird ein weiterer Wärmeeintrag in die TEE erzielt. Des Weiteren hat man auch die flammenlose katalytische Oxidation von Kohlenwasserstoffen an Katalysatoren als Wärmequelle für TEE genutzt. So wird in der Diplomarbeit von Ewald Maria Sütterlin, »Katalytische Oxidation zur Stromerzeugung, Studien zu Thermogenerator, Gasoxidation und Injektorbrenner«, Diplomica® Verlag GmbH, ISBN: 978-3-8366-5863-8, 2008, ein katalytischer Butan- Diffusionsbrenner als Wärmequelle für TEE vorgeschlagen. Als Prototypen zur katalytischen Butan-Oxidation werden mit Platin beschichtete Sinter-Elemente auf der Basis von Nickel vorgeschlagen. Als Katalysatorträgermaterial soll Aluminiumoxid verwendet werden. Wie die TEE räumlich und funktionell zu dem Diffusionsbrenner angeordnet werden sollen, wird nicht beschrieben. German Offenlegungsschrift DE 10 2010 031 502 A1 discloses a tubular thermoelectric generator through which a fluid flows. The generator has an inner surface defining an inner volume radially outward and an outer surface. In the inner volume is a catalytically coated element, take place at the exothermic reactions of components of the engine exhaust. This achieves a further heat input into the TEE. Furthermore, the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons on catalysts has been used as a heat source for TEE. Thus, in the diploma thesis of Ewald Maria Sütterlin, "Catalytic Oxidation for Electricity Generation, Studies on Thermogenerator, Gas Oxidation and Injector Burners", Diplomica® Verlag GmbH, ISBN: 978-3-8366-5863-8, 2008, a catalytic butane diffusion burner as Heat source proposed for TEE. As prototypes for catalytic butane oxidation platinum-coated sintered elements based on nickel are proposed. As a catalyst support material alumina should be used. It is not described how the TEEs are spatially and functionally arranged to the diffusion burner.
Aus der japanischen Patentanmeldung JP 2009027876 A ist ein tragbares TEE mit einem integrierten katalytischen Gasbrenner bekannt. Das Gerät umfasst eine rohrförmige Oxidationskammer mit einer rohrförmigen, wärmeleitfähigen Wand, einen Auslass für Abgase oberhalb der Oxidationskammer, einer Einlassvorrichtung für das Brenngas unterhalb der Oxidationskammer, TEE auf der Außenseite der wärmeleitfähigen Wand und Kühlrippen auf der kalten Seite der TEE. Innerhalb des Oxidationsraumes befinden sich plattenförmige Katalysatorfilter mit Löchern für den Gasdurchlass. Die plattenförmigen Katalysatorfilter sind aus einer Aluminium-Eisen-Chrom-Legierung, die noch Lanthanide enthalten kann, aufgebaut. Im Bereich der Ränder der Löcher befinden sich Aluminiumoxidschichten, worin Palladium/Platin-Katalysatoren eingelagert sind. Japanese Patent Application JP 2009027876 A discloses a portable TEE with an integrated catalytic gas burner. The apparatus comprises a tubular oxidation chamber having a tubular, thermally conductive wall, an outlet for exhaust gases above the oxidation chamber, an inlet device for the fuel gas below the oxidation chamber, TEE on the outside of the thermally conductive wall, and cooling fins on the cold side of the TEE. Within the oxidation space are plate-shaped catalyst filter with holes for the gas passage. The plate-shaped catalyst filters are constructed of an aluminum-iron-chromium alloy, which may still contain lanthanides. In the area of the edges of the holes are aluminum oxide layers in which palladium / platinum catalysts are incorporated.
Aus" der japanischen Patentanmeldung JP 2004064853 A ist ebenfalls ein tragbares TEE bekannt, das einen integrierten katalytischen Gasbrenner umfasst. Der Katalysator des Brenners befindet sich im Hohlraum zwischen zwei parallelen Platten mit TEE. Der Hohlraum und der Katalysator sind luftdurchlässig. Das Brenngas wird über einen Einlass in den Hohlraum geleitet. Die Luft wird in die beiden offenen Enden des Hohlraums eingesaugt. Zugleich dienen die beiden offenen Enden als Auslass für die Abgase. From "Japanese Patent Application JP 2004064853 A portable TEA is also known, which comprises an integrated catalytic gas burner. The catalyst of the burner is located in the cavity between two parallel plates with TEA. The cavity and the catalyst are permeable to air. The fuel gas is a The air is drawn into the two open ends of the cavity and the two open ends serve as an outlet for the exhaust gases.
Aus der japanischen Patentanmeldung JP 2012105512 A ist ein TEE bekannt, das ebenfalls einen integrierten katalytischen Gasbrenner umfasst. Der Katalysator wird hergestellt, indem man eine Paste, die auf Oxidnanopartikeln geträgerte Nanopartikel aus Platin, Palladium oder Gold enthält, herstellt, in dem gewünschten Muster auf die Anordnung der TEE aufgedruckt und calciniert. Ein Verfahren zur katalytischen Entfernung von Spuren von Methan in der Luft bei 220 bis 400°C ist aus der chinesischen Patentanmeldung CN 1718274 A bekannt. Als Katalysator wird auf Ceroxid geträgertes Palladium oder Platin verwendet. Aus der chinesischen Patentanmeldung CN 102000570 A ist die katalytische Oxidation von Methylbenzol bei 220 bis 300°C bekannt. Als Katalysator wird eine wabenförmige Keramik aus Pd/Ce0.8Zr0.202 verwendet. Japanese Patent Application JP 2012105512 A discloses a TEE which also comprises an integrated catalytic gas burner. The catalyst is prepared by preparing a paste containing nanoparticles supported on oxide nanoparticles of platinum, palladium or gold, printed in the desired pattern on the arrangement of the TEE and calcined. A method for the catalytic removal of traces of methane in the air at 220 to 400 ° C is known from the Chinese patent application CN 1718274 A. The catalyst used is cerium oxide-supported palladium or platinum. From the Chinese patent application CN 102000570 A, the catalytic oxidation of methylbenzene at 220 to 300 ° C is known. The catalyst used is a honeycomb ceramic made of Pd / Ce 0.8 Zr 0.20 2 .
Aus der chinesischen Patentanmeldung CN 102407129 A ist ein Katalysator für die katalytische Oxidation von Methan bei 380 bis 545°C bekannt. Der Katalysator hat eine Kern-Schale-Struktur, wobei die Schale aus Perovskit und der Kern aus Yttriumstabilisierten Zirkonnanopartikeln aufgebaut sind. From the Chinese patent application CN 102407129 A a catalyst for the catalytic oxidation of methane at 380 to 545 ° C is known. The catalyst has a core-shell structure with the shell of perovskite and the core of yttria-stabilized zirconia nanoparticles.
Aus der taiwanesischen Patentanmeldung TW 201221214 A ist ein katalytisches Verfahren zum Entfernen von organischen Verbindungen aus der Luft bekannt. Als Katalysator wird ein Festbett aus auf Ceroxid geträgerten Palladium-Nanopartikeln einer Teilchengröße von 2 bis 6 nm verwendet. From the Taiwanese patent application TW 201221214 A a catalytic process for the removal of organic compounds from the air is known. The catalyst used is a fixed bed of ceria-supported palladium nanoparticles with a particle size of 2 to 6 nm.
Aus dem Artikel von M. Cargnello, J. J. Delgado Jaen, J. C. Hernändez Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, J. J. Calvino Gämez, R. J. Gorte und P. Fornasiero,„Exceptional Activity for Methane Combustion over Modular Pd@CeÜ2 Subunits on Functionalized Al203", in Science, Band 337, Seiten 713 bis 717, 2012, ist ein Katalysator für die katalytische Oxidation von Methan bekannt, der aus Palladium-Nanopartikeln, die von Ceroxid-Nanopartikeln umhüllt sind, aufgebaut ist (= Pd@Ce02). Die Katalysatorpartikel sind an hydrophobierte Aluminiumoxidoberflächen gebunden. From the article by M. Cargnello, JJ Delgado Jaen, JC Hernandez Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, JJ Calvino Gämez, RJ Gorte and P. Fornasiero, "Exceptional Activity for Methane Combustion over Modular Pd @ Ce02 Subunits on Functionalized Al 2 0 3 ", in Science, Vol. 337, pages 713 to 717, 2012, a catalyst for the catalytic oxidation of methane is known, which is composed of palladium nanoparticles, which are coated by ceria nanoparticles, (= Pd @ Ce02 The catalyst particles are bound to hydrophobized alumina surfaces.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2013/145920 A1 sind ebenfalls Katalysatoren auf der Basis von Palladium, das auf einem anorganischen porösen Material aufgetragen ist, bekannt. Als Cokatalysator wird Ceroxid verwendet. International patent application WO 2013/145920 A1 likewise discloses catalysts based on palladium, which are applied to an inorganic porous material. The cocatalyst used is cerium oxide.
Aus der taiwanesischen Patentanmeldung TW 201323081 A ist die Herstellung von auf Ceroxid und Manganoxid geträgerten Palladium-Nanopartikeln bekannt. Die Materialien eignen sich für die katalytische Entfernung flüchtiger organischer Verbindungen bei 50 bis 250X. Aus der chinesischen Patentanmeldung CN 103143353 A ist ebenfalls die Herstellung von Palladium-Ceroxid-Nanopartikeln bekannt. Als Reduktionsmittel wird bei der Herstellung ein Pulver von cacumen biotae verwendet. Die bekannten Vorrichtungen, die TEE und flammenlose, katalytische Brenner umfassen, weisen den Nachteil auf, dass sich die Temperatur und die Wärmeenergie nur über die Brennstoffzufuhr und die Zusammensetzung der Brenngase regeln lassen. Es besteht daher stets die Gefahr der Überhitzung der Vorrichtungen. Diese bekannten Vorrichtungen zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie weisen außerdem den Nachteil auf, dass die Leitung der thermischen Energie von ihrer Quelle zu der "heißen" Seite des TEEs und ihre Ableitung von der "kalten" Seite des TEEs zur wärmeabsorbierenden Vorrichtung (Wärmesenke) vergleichsweise ineffektiv ist, was den Wirkungsgrad der bekannten Vorrichtungen schmälert. From the Taiwanese patent application TW 201323081 A the production of ceria and manganese oxide supported palladium nanoparticles is known. The materials are suitable for the catalytic removal of volatile organic compounds at 50 to 250X. From the Chinese patent application CN 103143353 A, the production of palladium-ceria nanoparticles is also known. The reducing agent used in the preparation is a powder of cacumen biotae. The known devices, which include TEE and flameless catalytic burners, have the disadvantage that the temperature and the heat energy can be controlled only by the fuel supply and the composition of the fuel gases. There is therefore always the risk of overheating of the devices. These known devices for directly converting thermal energy into electrical energy also have the disadvantage that the conduction of the thermal energy from its source to the "hot" side of the TEE and its discharge from the "cold" side of the TEE to the heat absorbing device ( Heat sink) is relatively ineffective, which reduces the efficiency of the known devices.
Die obere Grenze des Wirkungsgrades eines thermoelektrischen Elements, das Strom erzeugt ist, nämlich durch die Gleichung I gegeben: Gleichung I The upper limit of the efficiency of a thermoelectric element that generates electricity, namely given by Equation I: Equation I
_ erzeugte elektrische Energie _  _ generated electrical energy _
Wärmeenergie absorbiert an der heissen Seite
Figure imgf000008_0001
Heat energy absorbs on the hot side
Figure imgf000008_0001
Der Carnot- Wirkungsgrad nc ist durch die Gleichung II gegeben: Gleichung II l« The Carnot efficiency nc is given by Equation II: Eq.
Unter "erzeugter elektrischer Energie" ist die Energie zu verstehen, die an eine Last, d.h. ein Gerät, worin die elektrische Energie abgeführt wird, abgegeben wird. "Z" bezeichnet die so genannte figure-of-merit, d.h. die Fähigkeit eines Materials, effizient thermoelektrische Energie zu erzeugen. Sie wird in Gleichung XII definiert. "Generated electrical energy" is understood to mean the energy that is given off to a load, ie a device in which the electrical energy is dissipated. "Z" refers to the so-called figure-of-merit, ie the ability of a material to efficiently generate thermoelectric energy. It is defined in Equation XII.
Der Wirkungsgrad wird ausserdem stark beeinträchtigt von dem thermischen Widerstand zwischen der heißen TEE-Elektrode und der Wärmequelle mit der Temperatur THH, und dem Widerstand zwischen der kalte TEE-Elektrode und der Wärmeableitung bei der Temperatur Tcc Bei gleichem thermischen Widerstand Ri wird der gesamte thermische Widerstand durch die Gleichung III angegeben, worin RTEE = thermischer Widerstand des TEEs. In addition, the efficiency is greatly affected by the thermal resistance between the hot TEE electrode and the heat source having the temperature THH, and the resistance between the cold TEE electrode and the heat dissipation at the temperature Tcc. At the same thermal resistance Ri, the total thermal resistance becomes indicated by the equation III, wherein RTEE = thermal resistance of the TEEs.
Gleichung III Equation III
Rgesamt = 2Ri + RTEE! , Rtotal = 2Ri + RTEE! .
Dadurch wird der Wärmestrom durch das TEE gemäß den Gleichungen IV und V reduziert von This reduces the heat flow through the TEE according to Equations IV and V of
Gleichung IVEquation IV
Figure imgf000009_0001
aufGleichung V
Figure imgf000009_0001
on equation V
Figure imgf000009_0002
Dadurch reduziert sich der Temparturabfall über das TEE gemäß den Gleichungen VI und VII von
Figure imgf000009_0002
This reduces the temperature drop across the TEE according to equations VI and VII of
Gleichung VI Equation VI
auf on
Gleichung VIIEquation VII
Figure imgf000009_0003
Der wichtigste Einflussfaktor auf den Wirkungsgrad des TEE ist gemäß Gleichung VIII der Carnot-Wirkungsgrad. Diese ändert sich deshalb von Gleichung II auf
Figure imgf000009_0003
The most important influencing factor on the efficiency of the TEE is according to equation VIII of the Carnot efficiency. This therefore changes from equation II
Gleichung VIII Equation VIII
, _ 1  , _ 1
nc_ric 1+(1+ TCC/THH)( I / TEE)n c_ric 1+ (1+ T CC / THH) (I / TEE)
--
So ist für
Figure imgf000010_0001
der Carnot Wirkungsgrad um 21 % reduziert und für
So is for
Figure imgf000010_0001
the Carnot efficiency is reduced by 21% and for
sogar um 43%, bei TCc=70 °C, THH=250 °C. even by 43%, at T C c = 70 ° C, T HH = 250 ° C.
Der thermische Widerstand Ri setzt sich gemäß Gleichung IX aus dem Übergangs- oder Kontaktwiderstand RM zwischen dem TEE und dem thermischen Leiter an einem Ende, dem Übergangs- oder Kontaktwiderstand R 2 zwischen dem Wärmeleiter und der Wärmequelle am anderen Ende sowie dem Wärmewiderstand RL des Wärmeleiters selbst zusammen. The thermal resistance Ri is set according to equation IX from the transition or contact resistance R M between the TEE and the thermal conductor at one end, the transition or contact resistance R 2 between the heat conductor and the heat source at the other end and the thermal resistance R L of the Heat conductor himself together.
Gleichung IXEquation IX
Figure imgf000010_0002
Figure imgf000010_0002
Die einfachsten thermischen Leiter sind metallische Leiter mit großem Querschnitt AL, damit der Leitungswiderstand gemäß Gleichung X klein bleibt. In der Gleichung X steht ki_ für die Wärmeleitungszahl des metallischen Leiters und L für dessen Länge. The simplest thermal conductors are metal conductors with a large cross section AL, so that the line resistance according to equation X remains small. In the equation X, ki_ stands for the thermal conductivity of the metallic conductor and L for its length.
Gleichung X Equation X
Übliche, kostengünstige Materialien mit hohen ki_-Werten sind Cu oder AI. Damit der Leitungswiderstand RL klein genug bleibt, sollte der Querschnitt AL gross sein. Common, inexpensive materials with high ki_ values are Cu or Al. So that the line resistance R L remains small enough, the cross section AL should be large.
Der thermische Kontaktwiderstand wird gemäß Gleichung XI vom engen Kontakt zwischen den Materialen der beiden Seiten des Kontakts bestimmt, wobei alle Einflüsse in dem thermischen Kontaktkoeffizienten hc zusammengefasst werden, und der Fläche A des Kontakts. The thermal contact resistance is determined according to Equation XI of the close contact between the materials of the two sides of the contact, wherein all the influences are summarized in the thermal contact coefficient h c , and the area A of the contact.
Gleichung XI Equation XI
Rh=1/hcA. Der thermische Kontakt wird generell verbessert, d.h. hc wird größer, mit der Anzahl der Berührungspunkte zwischen den zwei Kontaktflächen. Dazu kann mit hohem Druck durch Zusammenpressen der Kontaktflächen der thermische Kontakt erhöht werden. Auch eine verringerte Oberflächenrauigkeit, die Reinigung der Kontaktflächen und eine Oberfläche hoher Güte und Planarität führen zu einer gewissen Verbesserung. Häufig wird eine thermisch gut leitende Paste auf der Basis von Polymeren, die metallhaltige Partikel enthalten, verwendet, um auch die verbleibenden "Wärmeleitungslöcher" im Kontakt auf aufzufüllen. Die Nachteile der Anwendung von Druck sind zahlreich. R h = 1 / hcA. The thermal contact is generally improved, ie h c increases, with the number of points of contact between the two contact surfaces. For this purpose, the thermal contact can be increased with high pressure by compressing the contact surfaces. Also, a reduced surface roughness, the cleaning of the contact surfaces and a surface of high quality and planarity lead to a certain improvement. Often, a thermally highly conductive paste based on polymers containing metal-containing particles is used to also fill up the remaining "heat pipe" holes in contact. The disadvantages of using pressure are numerous.
So ist ein aufwändiger mechanischer Aufbau notwendig, um dauerhaft ausreichenden Druck zu erzielen. Im Fall des TEE besteht dann die gesamte Anordnung aus vergleichsweise schweren metallischen thermischen Kontakten und dem TEE selbst, das überwiegend aus keramischen Teilen aufgebaut ist. Beim Erhitzen der heißen Seite des TEE verstärken sich, bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der metallischen und keramischen Materialien, die mechanische Spannungen. Dies kann zum Bruch des TEE führen; auf jeden Fall führen die mechanischen Spannungen zur Materialermüdung. Ausserdem ändert sich der thermische Kontakt während der Erwärmung, weil sich der Druck ändert. Die Anwendung einer thermisch leitenden Paste kann dieses Problem nur teilweise beheben. Thus, a complex mechanical structure is necessary to achieve permanently sufficient pressure. In the case of the TEE then the entire arrangement consists of relatively heavy metallic thermal contacts and the TEE itself, which is mainly composed of ceramic parts. When heating the hot side of the TEE, the mechanical stresses increase due to the different thermal expansion coefficients of the metallic and ceramic materials. This can lead to breakage of the TEE; In any case, the mechanical stresses lead to material fatigue. In addition, the thermal contact changes during heating, because the pressure changes. Applying a thermally conductive paste can only partially solve this problem.
Der Kontaktwiderstand Rh wird auch erniedrigt, indem man das TEE und den Wärmeleiter direkt mittels einer Löt- oder Schweissverbindung miteinander verbindet. Durch die direkte metallische Verbindung ist der hc Wert sehr groß und damit ist Rh klein. Rh kann nicht durch Vergrößerung der Kontaktfläche verringert werden, weil diese durch die Dimensionen des TEE begrenzt wird. Darüber hinaus sind bei diesem Aufbau die Probleme, die aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten auftreten, noch größer. Ausserdem kann man das System nicht mehr ohne weiteres zerlegen, z.B. für eine Reparatur oder ein späteres Recycling. The contact resistance R h is also lowered by connecting the TEE and the heat conductor directly by means of a soldered or welded joint. Due to the direct metallic connection, the h c value is very large and thus Rh is small. Rh can not be reduced by increasing the contact area because it is limited by the dimensions of the TEE. Moreover, in this structure, the problems that occur due to the different expansion coefficients are even greater. In addition, you can not dismantle the system without further notice, eg for a repair or a later recycling.
In der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0300504 A1 wird ein Flachkollektor vorgeschlagen, der eine der Sonne zugewandten vorderen Teil mit einem Sonnenkollektor, d.h. einem Absorber von Solarenergie, einen mittleren Teil mit TEE und einen rückwärtigen Teil mit Kühlelementen aufweist. Der Sonnenkollektor kann aus so unterschiedlichen Materialien wie Metall, Zement, Beton, Ziegeln, Porzellan, Keramik oder Kunststoff bestehen. Außerdem kann der Sonnenkollektor noch mit einem transparenten Material bedeckt sein, um den Treibhauseffekt zu nutzen. Um die Leitung der thermischen Energie zu und von den einzelnen Teilen zu verbessern, werden sie unter Druck durch Befestigungselemente zusammengefügt. In the US patent application US 2010/0300504 A1 a flat collector is proposed, which has a solar facing front part with a solar collector, ie an absorber of solar energy, a middle part with TEE and a rear part with cooling elements. The solar collector can be made of materials as different as metal, cement, concrete, bricks, porcelain, ceramics or Plastic exist. In addition, the solar panel can still be covered with a transparent material to use the greenhouse effect. To improve the conduction of the thermal energy to and from the individual parts, they are joined under pressure by fasteners.
Bekanntermaßen treten aber bei solchen Sonnenkollektoren Temperaturunterschiede zwischen der Vorderseite und der rückwärtigen Seite von bis zu 400°C auf. Da bei den aus US 2010/0300504 A1 bekannten Sonnenkollektoren aber Materialen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten sozusagen unter Zwang zusammengefügt werden sollen, besteht in hohem Maße die Gefahr, dass die durch die hohen Temperaturdifferenzen und die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufenen mechanischen Spannungen früher oder später zu einer Schädigung der Sonnenkollektoren führen können, was ein wesentlicher Nachteil ist. As is known, however, occur in such solar panels temperature differences between the front and the rear side of up to 400 ° C. However, since in the solar collectors known from US 2010/0300504 A1 materials of different coefficients of thermal expansion are to be joined under duress as it were, there is a high risk that the mechanical stresses caused by the high temperature differences and the different coefficients of thermal expansion sooner or later lead to damage which can lead solar panels, which is a major drawback.
Um die Nachteile, die mit der Anwendung von Druck verbunden sind, zu beheben, wird in dem amerikanischen Patent US 6,232,545 B1 eine schindeiförmige elektrische Netzwerkanordnung vorgeschlagen, die ein terrassenförmiges Substrat, einen isolierenden Film, eine Metallschicht aus Kupfer und thermophotovoltaische Zellen umfasst, die mit der Kupferschicht verbunden sind. Um durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene mechanischen Spannungen zu vermeiden, werden für die einzelnen Komponenten der Netzwerkanordnung Materialien mit ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten verwendet. So werden beispielsweise im Falle von GaSb- Zellen Cu/Invar/Cu-Laminate oder AlSiC als Substratmaterial verwendet. Nachteilig ist hierbei die eingeschränkte Auswahl der Materialien. In order to overcome the disadvantages associated with the application of pressure, US Pat. No. 6,232,545 B1 proposes a bifurcated electrical network arrangement comprising a terraced substrate, an insulating film, a metal layer of copper, and thermophotovoltaic cells comprising the copper layer are connected. In order to avoid mechanical stresses caused by different thermal expansion coefficients, materials with similar coefficients of expansion are used for the individual components of the network arrangement. For example, in the case of GaSb cells, Cu / Invar / Cu laminates or AlSiC are used as the substrate material. The disadvantage here is the limited choice of materials.
Man hat versucht, diese Nachteile durch die Verwendung von Wärmerohren zu beheben. Attempts have been made to overcome these disadvantages by using heat pipes.
Ein Wärmerohr (heatpipe) ist ein gasdicht verschlossenes Bauteil, mit dem thermische Energie oder Wärme sehr effizient von einem Ort zu einem anderen transportiert werden kann. Es kann eine 100- bis 1000-mal höhere Wärmeenergie transportieren als ein Bauteil gleicher geometrischer Abmessungen aus massivem Kupfer. Das Wärmerohr nutzt den physikalischen Effekt, dass beim Verdampfern und Kondensieren einer Flüssigkeit sehr hohe Energiemengen umgesetzt werden. Das Wärmerohr ist innen hohl und mit einer kleinen Menge Flüssigkeit, der "arbeitenden" Flüssigkeit, gefüllt. Diese steht unter ihrem Dampfdruck, der bei niedrigen Temperaturen deutlich unter dem atmosphärischen Druck liegen kann. Die Innenwand des Wärmerohres kann mit einer Kapillarstruktur - vergleichbar mit einem Docht - bedeckt sein. Diese Kapillarstruktur ist mit einem flüssigen Wärmetransportmittel, der "arbeitenden" Flüssigkeit, gesättigt. Wird an einer Stelle des Wärmerohres Energie zugeführt, verdampft dort die "arbeitende" Flüssigkeit aus der Kapillarstruktur. Der Dampf strömt in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert überall dort unter Abgabe der Verdampfungswärme, wo Energie abgeführt wird. Das Kondensat, das verflüssigte Wärmetransportmittel, wird von der Kapillarstruktur aufgesaugt, fließt zurück, um erneut zu verdampfen. Es schließt sich ein Kreislauf, der schnell zirkulierend sehr effektiv thermische Energie transportiert. A heat pipe is a gas-tight component that can be used to transport thermal energy or heat very efficiently from one place to another. It can transport 100 to 1000 times higher thermal energy than a component of the same geometric dimensions made of solid copper. The heat pipe uses the physical effect that very large amounts of energy are converted when evaporating and condensing a liquid. The heat pipe is hollow inside and filled with a small amount of liquid, the "working" liquid. This is under its vapor pressure, which is well below that at low temperatures atmospheric pressure can be. The inner wall of the heat pipe can be covered with a capillary structure - comparable to a wick. This capillary structure is saturated with a liquid heat transport medium, the "working" liquid. If energy is supplied at one point of the heat pipe, the "working" liquid from the capillary structure evaporates there. The steam flows in the direction of the temperature gradient and condenses everywhere, releasing the heat of vaporization, where energy is dissipated. The condensate, the liquefied heat transfer medium, is absorbed by the capillary structure, flows back to re-evaporate. It closes a cycle, which circulates quickly and very effectively transports thermal energy.
Die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungs- und Kondensationszone im Wärmerohr ist sehr gering, so dass die Wärmeleitung nahezu isotherm erfolgt. Je nachdem, in welchem Temperaturbereich gearbeitet wird, werden unterschiedliche "arbeitende" Flüssigkeiten verwendet, wie zum Beispiel Wasser im Temperaturbereich von etwa 170 bis 600K, Ammoniak im Temperaturbereich von etwa 150 bis 170K, Quecksilber im Temperaturbereich von 400 bis 800K oder Lithium oder Silber in einem Temperaturbereich oberhalb 1000K. The temperature difference between the evaporation and condensation zone in the heat pipe is very low, so that the heat conduction is almost isothermal. Depending on which temperature range is used, different "working" liquids are used, such as water in the temperature range of about 170 to 600K, ammonia in the temperature range of about 150 to 170K, mercury in the temperature range of 400 to 800K or lithium or silver in a temperature range above 1000K.
Wärmerohre können beispielsweise in Peltierelement/Heat pipe-Kühlsystemen verwendet werden. Heat pipes can be used for example in Peltierelement / Heat pipe cooling systems.
Außerdem sind Vorrichtungen mit TEE bekannt, bei denen die Wärmeenergie mithilfe von Wärmerohren zur heißen Seite der TEE und/oder von der kalten Seite der TEE zu einer Wärmesenke geleitet wird (vgl. die deutschen Patentanmeldungen DE 33 14 166 A1 und DE 10 2008 005 334 A1 , das amerikanische Patent US 4,520,305, die japanischen Patentanmeldungen JP S5975684 A und JP S60125181 A oder die internationalen Patentanmeldungen WO 2011/024138 A2, WO 2011/120676 A2 und WO 2013/092394 A2). In addition, devices with TEE are known in which the heat energy is conducted by means of heat pipes to the hot side of the TEE and / or from the cold side of the TEE to a heat sink (see the German patent applications DE 33 14 166 A1 and DE 10 2008 005 334 A1, US Pat. No. 4,520,305, Japanese Patent Applications JP S5975684 A and JP S60125181 A or International Patent Applications WO 2011/024138 A2, WO 2011/120676 A2 and WO 2013/092394 A2).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung Object of the present invention
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, eine neue Vorrichtung und ein neues Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie vorzuschlagen. Die neue Vorrichtung und das neue Verfahren sollen die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr länger aufweisen, sondern sie sollen einen besonders effizienten Transport der thermischen Energie von der Energiequelle zu einem thermoelektrischen Element (TEE) sowie die effiziente Ableitung der zugeführten thermischen Energie von dem TEE zu einer wärmeabsorbierenden Vorrichtung gestatten. Dabei soll die Auswahl der zum Aufbau der neuen Vorrichtung verwendeten Materialien im · Hinblick auf ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten weniger oder keinen Einschränkungen unterliegen. Dennoch sollen in der neuen Vorrichtung und bei dem neuen Verfahren keine oder nur vernachlässigbar geringe, durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene thermische Spannungen auftreten. Insgesamt sollen die neue Vorrichtung und das neue Verfahren einen höheren Wirkungsgrad als die Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik aufweisen. Darüber hinaus sollen die neue Vorrichtung und das neue Verfahren die Gefahr der Überhitzung der Vorrichtungen bei ihrem Betrieb signifikant verringern, wenn nicht gar völlig auszuschließen. Nicht zuletzt sollen die neuen Vorrichtungen kompakt, robust und transportabel sein sowie eine lange Betriebsdauer aufweisen. The present invention was based on the object to propose a new device and a new method for the direct conversion of thermal energy into electrical energy. The new device and the new method should be the Disadvantages of the prior art no longer have, but they should allow a particularly efficient transport of thermal energy from the power source to a thermoelectric element (TEE) and the efficient dissipation of the supplied thermal energy from the TEE to a heat absorbing device. The selection of the materials used to construct the new device should be subject to less or no restrictions with regard to their thermal expansion coefficients. Nevertheless, in the new device and in the new method no or only negligible, caused by different thermal expansion coefficients thermal stresses occur. Overall, the new device and the new method should have a higher efficiency than the devices and methods of the prior art. In addition, the new device and method should significantly reduce, if not eliminate, the risk of device overheating during operation. Not least, the new devices should be compact, robust and portable and have a long service life.
Die erfindungsgemäße Lösung The solution according to the invention
Demgemäß wurde die neue Vorrichtung (1) zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie gefunden, umfassend als Wärmequelle mindestens eine Vorrichtung (2) zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit mindestens einem Reaktionsraum (2.1), mindestens einer Einlassvorrichtung (2.2) für ein Gas oder ein Gasgemisch (2.3), mindestens einer Auslassvorrichtung (2.4) für die AbgaseAccordingly, the new device (1) for direct production of electrical energy from thermal energy was found, comprising as heat source at least one device (2) for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons having at least one reaction space (2.1), at least one inlet device (2.2) for a Gas or a gas mixture (2.3), at least one exhaust device (2.4) for the exhaust gases
(2.5) und eine Wandung (2.6), als Überträger thermischer Energie mindestens ein Wärmerohr (3) mit einem Verbindungsbereich (3.1), einer fluiddichten Wand (3.2), einem thermische Energie aufnehmenden Bereich (3.3) und einem thermische Energie abgebenden Bereich (3.4), mindestens ein thermoelektrisches Element (4) mit elektrischen Anschlüssen (6) und mindestens eine Wärmesenke (5), wobei das mindestens eine Wärmerohr (3) mit seinem thermische Energie aufnehmenden Bereich (3.3) in wärmeleitendem Kontakt mit der mindestens einen Vorrichtung (2) und mit seinem thermische Energie abgebenden Bereich (3.4) in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit der heißen Seite(2.5) and a wall (2.6), as a carrier of thermal energy at least one heat pipe (3) with a connection region (3.1), a fluid-tight wall (3.2), a thermal energy receiving area (3.3) and a thermal energy emitting area (3.4 ), at least one thermoelectric element (4) with electrical connections (6) and at least one heat sink (5), wherein the at least one heat pipe (3) with its thermal energy receiving area (3.3) in heat-conducting contact with the at least one device (2) and with its thermal energy emitting area (3.4) in heat-conducting, electrically insulating contact with the hot side
(4.1) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) steht und wobei die der heißen Seite (4.1) gegenüber liegende, kalte Seite (4.2) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit der mindestens einen Wärmesenke (5) steht. (4.1) of the at least one thermoelectric element (4) and wherein the hot side (4.1) opposite, cold side (4.2) of the at least one thermoelectric element (4) in thermally conductive, electrically insulating contact with the at least one heat sink (5 ) stands.
Im Folgenden wird die neue Vorrichtung zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie als »erfindungsgemäße Vorrichtung« bezeichnet. Außerdem wurde das neue Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie gefunden, bei dem die von mindestens einer Wärmequelle (2) gelieferte thermische Energie mithilfe mindestens eines Wärmerohrs (3) zu der heißen Seite (4.1) mindestens eines thermoelektrischen Elements (4) transportiert wird, durch die zugeführte thermische Energie in dem mindestens einen thermoelektrischen Element (4) eine elektrische Spannung erzeugt wird und die restliche zugeführte thermische Energie von der der heißen Seite (4.1) gegenüberliegenden kalten Seite (4.2) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) einer Wärmesenke (5) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man hierfür die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet. In Folgenden wird das neue Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie als "erfindungsgemäßes Verfahren" bezeichnet. In the following, the new device for direct conversion of thermal energy into electrical energy is referred to as "device according to the invention". In addition, the new method for the direct conversion of thermal energy into electrical energy has been found, in which the thermal energy delivered by at least one heat source (2) by means of at least one heat pipe (3) to the hot side (4.1) of at least one thermoelectric element (4) is transported by the supplied thermal energy in the at least one thermoelectric element (4) an electrical voltage is generated and the remaining supplied thermal energy from the hot side (4.1) opposite cold side (4.2) of the at least one thermoelectric element (4) a heat sink (5) is supplied, characterized in that one uses for this purpose the device according to the invention. In the following, the new method for the direct conversion of thermal energy into electrical energy is referred to as "inventive method".
Vorteile der Erfindung Im Hinblick auf den Stand der Technik war es überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar, dass die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zu Grunde lag, mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst werden konnte. Insbesondere war es überraschend, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr länger aufwiesen, sondern einen besonders effizienten Transport der thermischen Energie von der Wärmequelle zu einem thermoelektrischen Element (TEE) sowie die effiziente Ableitung der restlichen zugeführten thermischen Energie von dem TEE zu einer wärmeabsorbierenden oder Wärme ableitenden Vorrichtung (Wärmesenke) gestatteten. Dabei war die Auswahl der zum Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Materialien im Hinblick auf ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten weniger oder keinen Einschränkungen unterworfen. Dennoch traten in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine oder nur vernachlässigbar geringe, durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene mechanische Spannungen auf. Advantages of the Invention In view of the state of the art, it was surprising and unforeseeable for a person skilled in the art that the object on which the present invention was based could be achieved by means of the device and the method according to the invention. In particular, it was surprising that the device according to the invention and the method according to the invention no longer have the disadvantages of the prior art but allowed a particularly efficient transport of the thermal energy from the heat source to a thermoelectric element (TEE) as well as the efficient dissipation of residual thermal energy supplied from the TEE to a heat absorbing or heat dissipating device (heat sink). The selection of the materials used to construct the device according to the invention was subject to less or no restrictions with regard to their thermal expansion coefficients. Nevertheless, in the device according to the invention and in the method according to the invention no or only negligibly small, caused by different thermal expansion coefficients mechanical stresses.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung entfielen auch die Probleme der thermischen Kontaktierung zwischen der Quelle der thermischen Energie und der heißen Oberfläche des TEE sowie zwischen der kalten Oberfläche des TEE und der Wärmesenke. So war bei Vorrichtungen des Standes der Technik ein effektiver thermischer Kontakt nur durch mechanischen Druck gewährleistet. Dadurch bestand aber die Gefahr, dass die bekannten Vorrichtungen bereits beim Zusammenbau oder im Laufe ihrer Verwendung mechanisch geschädigt wurden. Außerdem mussten an die Güte und Planarität der betreffenden Kontaktflächen hohe Anforderungen gestellt werden, weil ansonsten insbesondere der Temperaturabfall zwischen der Quelle der thermischen Energie und der heißen Seite des TEE zu hoch wurde und dadurch der Wirkungsgrad der Stromerzeugung erniedrigt wurde. The device of the invention also eliminates the problems of thermal contacting between the source of thermal energy and the hot surface of the TEE and between the cold surface of the TEE and the heat sink. Thus, in prior art devices, effective thermal contact was ensured only by mechanical pressure. As a result, there was the danger that the known devices were already mechanically damaged during assembly or in the course of their use. In addition, the quality and planarity of the respective contact surfaces had to be set high, otherwise the temperature drop between the source of thermal energy and the hot side of the TEE became too high and the efficiency of power generation was lowered.
Insgesamt wiesen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren einen höheren Wirkungsgrad als die Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik auf. Overall, the device according to the invention and the method according to the invention have a higher efficiency than the devices and methods of the prior art.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wies darüber hinaus den wesentlichen Vorteil auf, dass ihre Bauteile in den unterschiedlichsten räumlichen^ Anordnungen miteinander kombiniert werden konnten. Dadurch konnte die erfindungsgemäße Vorrichtung den unterschiedlichsten räumlichen und/oder thermischen Gegebenheiten in besonders flexibler Weise angepasst werden. Insbesondere konnte das TEE als elektrisches Bauteil getrennt von Wärme ableitenden Vorrichtungen, die Wasser oder brennbare Flüssigkeiten enthalten, angeordnet werden, was die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren besonders sicher machte. Darüber hinaus gestatteten es die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren, die thermische Energie auf wenige TEE zu konzentrieren, so dass gewährleistet war, dass die Temperatur der heißen Seite der TEE stets im oder nahe dem optimalen Bereich lag und damit der Wirkungsgrad der Stromerzeugung hoch blieb. The device according to the invention also had the significant advantage that its components could be combined with one another in a wide variety of spatial arrangements. As a result, the device according to the invention could be adapted to a wide variety of spatial and / or thermal conditions in a particularly flexible manner. In particular, the TEE could be arranged as an electrical component separate from heat dissipating devices containing water or flammable liquids, which made the inventive device and the inventive method particularly safe. In addition, the apparatus and method of the invention allowed the thermal energy to be concentrated to a few TEEs, thus ensuring that the temperature of the hot side of the TEE was always within or near the optimum range and thus the efficiency of power generation remained high ,
Nicht zuletzt war bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Gefahr der Überhitzung bei ihrem Betrieb signifikant verringert, wenn nicht gar völlig ausgeschlossen. Not least, in the device according to the invention and in the method according to the invention, the risk of overheating during operation was significantly reduced, if not completely excluded.
Ferner waren die erfindungsgemäßen Vorrichtungen kompakt, robust und transportabel und wiesen eine besonders lange Betriebsdauer auf. Furthermore, the devices according to the invention were compact, robust and transportable and had a particularly long service life.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie mithilfe des Seebeck-Effekts in thermoelektrischen Elementen (TEE). In der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient mindestens eine, insbesondere eine, Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen als Wärmequelle. The device according to the invention serves for the direct conversion of thermal energy into electrical energy by means of the Seebeck effect in thermoelectric elements (TEE). In the apparatus according to the invention, at least one, in particular one, apparatus for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons serves as the heat source.
Die Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen umfasst mindestens einen, insbesondere einen Reaktionsraum, der von einer gasdichten Wandung umschlossen ist. Die Reaktionsgase werden über mindestens eine Einlassvorrichtung in den Reaktionsraum geleitet, wo sie miteinander zu den Abgasen reagieren, die über mindestens eine, insbesondere eine, Auslassvorrichtung aus der Vorrichtung abgeführt werden. The apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons comprises at least one, in particular a reaction space, which is enclosed by a gas-tight wall. The reaction gases are conducted via at least one inlet device into the reaction space, where they react with each other to the exhaust gases, which are discharged via at least one, in particular an outlet device from the device.
Unter Oxidation ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Reaktion eines Reduktionsmittels mit Sauerstoff zu .verstehen. Hierzu kann reiner Sauerstoff, mit Stickstoff und/oder Edelgasen verdünnter Sauerstoff oder Luft verwendet werden. Vorzugsweise wird Luft als Sauerstoffquelle verwendet. Vorzugsweise wird die Oxidation bei Atmosphärendruck durchgeführt. Als Reduktionsmittel oder Brennstoffe dienen Kohlenwasserstoffe, bevorzugt Methan, Ethan, Propan, Butan, Isobutan, Pentan und seine Isomeren, Hexan und seine Isomeren, Cyclopentan und Cyclohexan, insbesondere aber Methan. Bevorzugt wird als Methanquelle Erdgas verwendet. Under oxidation in the context of the present invention, the reaction of a reducing agent with oxygen to understand. For this pure oxygen, with nitrogen and / or noble gases diluted oxygen or air can be used. Preferably, air is used as the source of oxygen. Preferably, the oxidation is carried out at atmospheric pressure. The reducing agents or fuels are hydrocarbons, preferably methane, ethane, propane, butane, isobutane, pentane and its isomers, hexane and its isomers, cyclopentane and cyclohexane, but especially methane. Preferably, natural gas is used as the source of methane.
Bekanntermaßen läuft die Oxidation oder Verbrennung von Methan nach der folgenden Gleichung ab: As is known, the oxidation or combustion of methane proceeds according to the following equation:
CH4 + 202 -> C02 + 2H20 CH 4 + 20 2 -> C0 2 + 2H 2 0
Da Methan in der Atmosphäre einen besonders starken Treibhauseffekt bewirkt, soll seine Verbrennung möglichst vollständig ablaufen. Ohne Katalysator ist dies nur in einer Flamme bei sehr hohen Temperaturen möglich. Bei diesen Temperaturen entstehen aber verstärkt toxische Stickoxide (NOx) und Kohlenmonoxid. Außerdem können bei den notwendigen hohen Temperaturen die bekannten Vorrichtungen zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie beschädigt werden, insbesondere weil die Temperatur und damit der Fluss der thermischen Energie schwierig zu kontrollieren sind. Eine vollständige flammenlose Oxidation des Methans zu Kohlendioxid und Wasser ohne Bildung toxischer Produkte ist bei signifikant niedrigeren Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen von 50 bis 400°C, mithilfe von Katalysatoren möglich. Since methane causes a particularly strong greenhouse effect in the atmosphere, its combustion should be as complete as possible. Without a catalyst this is only possible in a flame at very high temperatures. At these temperatures, however, increasingly toxic nitrogen oxides (NO x ) and carbon monoxide are formed. In addition, at the necessary high temperatures, the known devices for the direct conversion of thermal energy into electrical energy can be damaged, in particular because the temperature and thus the flow of thermal energy are difficult to control. Complete flameless oxidation of methane to carbon dioxide and water without formation of toxic products is possible at significantly lower temperatures, especially at temperatures of 50 to 400 ° C, with the aid of catalysts.
Vorzugsweise werden als Katalysatoren Nanopartikel verwendet. Preferably, nanoparticles are used as catalysts.
Vorzugsweise weisen die katalytisch wirksamen Nanopartikel eine mittlere Teilchengröße von 2 bis 50 nm, bevorzugt 3 bis 40 nm, besonders bevorzugt 4 bis 30 nm und insbesondere 5 bis 25 nm auf. Die katalytisch wirksamen Nanopartikel enthalten mindestens ein Oxid, das aus der Gruppe, bestehend aus Scandiumoxid, Yttriumoxid, Titandioxid, Zircondioxid, Hafniumdioxid, Vanadiumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Manganoxid, Eisenoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Zinkoxid, Oxiden der Lanthanide, bevorzugt Lanthanoxid und Ceroxid, insbesondere Ceroxid, Oxiden der Actinide, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Strontiumoxid, Bariumoxid, Aluminiumoxid, Galliumoxid, Indiumoxid, Siliziumdioxid, Germaniumoxid, Zinnoxid, Antimonoxid, Bismutoxid, Zeolithen, Spinellen, Mischoxiden aus mindestens zwei der genannten Oxide, sowie Hydroxylapatit ausgewählt ist. Insbesondere werden Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Zirconiumdioxid, Zeolithe und/oder Ceroxid verwendet. The catalytically active nanoparticles preferably have an average particle size of 2 to 50 nm, preferably 3 to 40 nm, particularly preferably 4 to 30 nm and in particular 5 to 25 nm. The catalytically active nanoparticles contain at least one oxide selected from the group consisting of scandium oxide, yttrium oxide, titanium dioxide, zirconium dioxide, hafnium dioxide, vanadium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, manganese oxide, iron oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, zinc oxide, oxides of lanthanides, preferably lanthanum oxide and cerium oxide, in particular cerium oxide, oxides of actinides, magnesium oxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, aluminum oxide, gallium oxide, indium oxide, silicon dioxide, Germanium oxide, tin oxide, antimony oxide, bismuth oxide, zeolites, spinels, mixed oxides of at least two of said oxides, and hydroxyapatite is selected. In particular, alumina, silica, zirconia, zeolites and / or ceria are used.
Die Oxide und Hydroxylapatit können weitere Bestandteile wie Halogenide, Nitride, Phosphide und/oder Sulfide enthalten. The oxides and hydroxyapatite may contain other ingredients such as halides, nitrides, phosphides and / or sulfides.
Die katalytisch wirksamen Nanopartikel enthalten außerdem mindestens ein Metall, das aus der Gruppe, bestehend aus Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybän, Wolfram, Mangan, Rhenium, Eisen, Ruthenium, Osmium, Kobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber und Gold, ausgewählt ist. Bevorzugt werden Palladium und Platin, insbesondere Palladium verwendet. Vorzugsweise enthalten die katalytisch wirksamen Nanopartikel einen metallischen Kern, der von einer Oxidhülle umgeben ist. Bevorzugt ist die Oxidhülle aus Oxid-Nanopartikeln aufgebaut. Vorzugsweise werden Titandioxid, Zircondioxid und Ceroxid, insbesondere Ceroxid, verwendet. Ganz besonders bevorzugt werden die in dem Artikel von M. Cargnello, J. J. Delgado Jaen, J. C. Hernändez Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, J. J. Calvino Gämez, R. J. Gorte und P. Fornasiero, „Exceptional Activity for Methane Combustion over Modular Pd@Ce02 Subunits on Functionalized AI2O3", in Science, Band 337, Seiten 713 bis 717, 2012, beschriebenen, katalytisch wirksamen Nanopartikel verwendet, die aus Palladium- Nanopartikeln, die von Ceroxid-Nanopartikeln umhüllt sind, aufgebaut sind (= Pd@Ce02). The catalytically active nanoparticles also contain at least one metal selected from the group consisting of vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, rhenium, iron, ruthenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium, platinum , Copper, silver and gold, is selected. Preference is given to using palladium and platinum, in particular palladium. Preferably, the catalytically active nanoparticles contain a metallic core which is surrounded by an oxide shell. The oxide shell is preferably constructed of oxide nanoparticles. Preferably, titanium dioxide, zirconium dioxide and cerium oxide, in particular cerium oxide, are used. Most preferred are those described in M. Cargnello, JJ Delgado Jaen, JC Hernandez Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, JJ Calvino Gämez, RJ Gorte and P. Fornasiero, "Exceptional Activity for Methane Combustion over Modular Pd @ Ce02 Subunits on Functionalized AI2O3 ", used in Science, Vol. 337, pages 713 to 717, 2012, catalytically active nanoparticles composed of palladium nanoparticles coated with ceria nanoparticles (= Pd @ CeO 2).
Die katalytisch wirksamen Nanopartikel sind Bestandteil einer Katalysatorschicht, die eine Trägerschicht umfasst, die die Nanopartikel trägt. Die Trägerschicht kann aus den unterschiedlichsten Materialien aufgebaut sein, solange diese nicht die katalytische Wirksamkeit der Nanopartikel negativ beeinflusst. Außerdem soll' die Trägerschicht die katalytisch wirksamen Nanopartikel auch bei höheren Temperaturen so fest an sich binden, dass sie nicht durch die Reaktionsgase, die durch den Reaktionsraum strömen, abgelöst werden. Vorzugsweise ist die Trägerschicht aus den vorstehend beschriebenen Oxiden oder Hydroxylapatit aufgebaut. Insbesondere werden Aluminiumoxid und/oder Siliziumdioxid verwendet. Vorzugsweise ist die Oberfläche der Trägerschicht hydrophob. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die an der Oberfläche der Oxide oder des Hydroxylapatits befindlichen Hydroxylgruppen mit einem Silylierungsreagenz umgesetzt werden. Bevorzugt werden die Silylierungsreagenzien aus der Gruppe, bestehend aus Dialkoxy(dialkyl)-, Dialkoxy(dicycloalkyl)- und Dialkoxy(alkylcycloalkyl)silanen und Trialkoxy(alkyl)- und Trialkoxy(cycloalkyl)silanen ausgewählt. The catalytically active nanoparticles are part of a catalyst layer which comprises a carrier layer which carries the nanoparticles. The carrier layer can be constructed from a wide variety of materials as long as it does not adversely affect the catalytic activity of the nanoparticles. In addition, the support layer should bind the catalytically active nanoparticles so strongly even at relatively high temperatures that they are not detached by the reaction gases which flow through the reaction space. Preferably, the carrier layer is composed of the above-described oxides or hydroxyapatite. In particular, alumina and / or silica are used. Preferably, the surface of the carrier layer is hydrophobic. This can be accomplished by reacting the hydroxyl groups on the surface of the oxides or hydroxyapatite with a silylating reagent. Preferably, the silylating reagents are selected from the group consisting of dialkoxy (dialkyl), dialkoxy (dicycloalkyl) and dialkoxy (alkylcycloalkyl) silanes, and trialkoxy (alkyl) and trialkoxy (cycloalkyl) silanes.
Beispiele gut geeigneter Dialkoxy(dialkyl)-, Dialkoxy(dicycloalkyl)- und Dialkoxy(alkylcycloalkyl)silane sind Dimethoxy-, Diethoxy-, Dipropoxy-, Diisopropoxy-, Di- n-butoxy- und Diisobutoxy(dialkyl)-, -(dicyloalkyl)- und -(alkylcycloalkyl)silane, worin die Alkyl- und Cycloalkylreste aus der Gruppe, bestehend aus Resten mit 5 bis 20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise n-Pent-1-yl-, lsopent-1-yl-, n-Hex-1-yl-, lsohex-1-yl-, 2- Ethylhex-1-yl-, Cyclohexyl-, 1-, 2-, 3- und 4-Methyl-, Ethyl-, Prop-1-yl-, Isopropyl-, n-But-1- yl-, sec.-But-1-yl- und tert.-Butyl-cyclohex-1-yl-, n-Hept-1-yl-, n-Oct-1-yl-, lsoct-1-yl-, n- Νοη-1-yl-, n-Dec-1-yl-, Undec-1-yl-, Dodec-1-yl-, Tridec-1-yl-, Tetradec-1-yl-, Pentadec-1- yl-, Hexadec-1-yl-, Heptadec-1-yl-, Octadec-1-yl-, Nonadec-1-yl- und Eicosan-1-yl-Reste, ausgewählt sind. Examples of suitable dialkoxy (dialkyl), dialkoxy (dicycloalkyl) and dialkoxy (alkylcycloalkyl) silanes are dimethoxy, diethoxy, dipropoxy, diisopropoxy, di-n-butoxy and diisobutoxy (dialkyl) -, - (dicyloalkyl) and (alkylcycloalkyl) silanes in which the alkyl and cycloalkyl radicals are selected from the group consisting of radicals having from 5 to 20 carbon atoms, preferably n-pent-1-yl, isopent-1-yl, n-hex-1 yl, isohex-1-yl, 2-ethylhex-1-yl, cyclohexyl, 1-, 2-, 3- and 4-methyl, ethyl, prop-1-yl, isopropyl, n Butyl-1-yl, sec-but-1-yl and tert-butyl-cyclohex-1-yl, n-hept-1-yl, n-oct-1-yl, isoct- 1-yl, n-o-1-yl, n-dec-1-yl, undec-1-yl, dodec-1-yl, tridec-1-yl, tetradec-1-yl , Pentadec-1-yl, hexadec-1-yl, heptadec-1-yl, octadec-1-yl, nonadec-1-yl and eicosan-1-yl radicals.
Gut geeignete Trialkoxy(alkyl)- und Trialkoxy(cycloalkyl)silane enthalten Alkoxyreste, die aus der Gruppe, bestehend aus Methoxy-, Ethoxy-, Propoxy-, Isopropoxy- und n-Butoxy- Resten, ausgewählt sind. Vorzugsweise werden Ethoxyreste verwendet. Die gut geeigneten Trialkoxy(alkyl)- und Trialkoxy(cycloalkyl)silane enthalten außerdem einen der vorstehend beschriebenen Alkyl- und Cycloalkylreste. Vorzugsweise wird der n-Oct-1-yl Rest verwendet. Bevorzugt werden Trialkoxy(alkyl)silane und insbesondere Triethoxy(n-oct-1-yl)silan (TEOOS)) als Silylierungsreagenzien verwendet. Highly suitable trialkoxy (alkyl) and trialkoxy (cycloalkyl) silanes contain alkoxy radicals selected from the group consisting of methoxy, ethoxy, propoxy, isopropoxy and n-butoxy radicals. Preferably, ethoxy radicals are used. The well-suited trialkoxy (alkyl) and trialkoxy (cycloalkyl) silanes also contain one of the above-described alkyl and cycloalkyl radicals. Preferably, the n-oct-1-yl radical is used. Trialkoxy (alkyl) silanes and in particular triethoxy (n-oct-1-yl) silane (TEOOS)) are preferably used as silylating reagents.
Die Trägerschicht befindet sich auf einem gasdurchlässigen Katalysatorträger. Vorzugsweise handelt es sich bei dem gasdurchlässigen Katalysatorträger um Platten, die aus den unterschiedlichsten Materialien aufgebaut sein können. Kriterien für die Auswahl der Materialien sind Hitzebeständigkeit, mechanische Stabilität und Nichtbrennbarkeit. Insbesondere werden Platten aus Eisen, insbesondere Edelstahl, und Eisenlegierungen, insbesondere Legierungen des Eisens mit Chrom und/oder Aluminium, die noch Lanthanide, insbesondere Cer, enthalten können, verwendet. The carrier layer is located on a gas-permeable catalyst support. Preferably, the gas-permeable catalyst support is plates which can be constructed from a wide variety of materials. Criteria for selection The materials are heat resistance, mechanical stability and non-combustibility. In particular, plates of iron, in particular stainless steel, and iron alloys, in particular alloys of iron with chromium and / or aluminum, which may also contain lanthanides, in particular cerium, are used.
Die Platten können die unterschiedlichsten Umrisse aufweisen. Die Umrisse richten sich vor allem nach dem jeweiligen Umriss des Reaktionsraums. Demnach kann der Umriss dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig und achteckig, gegebenenfalls mit abgerundeten Ecken und/oder Seiten, sowie kreisförmig oder elliptisch sein. The plates can have a wide variety of outlines. The outlines depend primarily on the respective outline of the reaction space. Thus, the outline may be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal and octagonal, optionally with rounded corners and / or sides, as well as circular or elliptical.
Die Platten können unterschiedliche Stärken aufweisen. Vorzugsweise liegen die Stärken im Bereich von 0,5 bis 5 mm, bevorzugt 0,8 bis 4,5 mm und insbesondere 1 bis 3 mm. The plates can have different thicknesses. Preferably, the thicknesses are in the range of 0.5 to 5 mm, preferably 0.8 to 4.5 mm and in particular 1 to 3 mm.
Die Platten können außerdem unterschiedliche Durchmesser haben. Unter Durchmesser ist bei Platten, die keinen quadratischen oder kreisförmigen Umriss haben, der jeweils längste Durchmesser zu verstehen. Vorzugsweise liegt der Durchmesser im Bereich von 1 bis 20 cm, bevorzugt 2 bis 15 cm und insbesondere 5 bis 10 cm. The plates can also have different diameters. In the case of plates which do not have a square or circular outline, diameter means the longest diameter in each case. Preferably, the diameter is in the range of 1 to 20 cm, preferably 2 to 15 cm and in particular 5 to 10 cm.
Die Gasdurchlässigkeit wird von Durchbrüchen durch die Platten gewährleistet. Die Anzahl, Größe und Form der Durchbrüche können innerhalb weiter Grenzen variieren. Wesentlich ist, dass Anzahlung und Größe nicht die mechanische Stabilität der Platten verringern. Demnach können die Durchbrüche beispielsweise dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig, kreisförmig, elliptisch, geradlinig oder gebogen schlitzförmig, zickzagförmig oder mäanderförmig sein oder die in der japanischen Patentanmeldung JP 2009027876 A in den Figuren 3(a)-3(c), 4(a0)-4(a2), 4(b0)-4(b2) und 9(a)-9(f) offenbarte Formen aufweisen. The gas permeability is ensured by breakthroughs through the plates. The number, size and shape of the breakthroughs can vary within wide limits. It is essential that down payment and size do not reduce the mechanical stability of the plates. Thus, for example, the apertures may be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, circular, elliptical, rectilinear or curved slot-shaped, zigzag-shaped or meander-shaped or as disclosed in Japanese Patent Application JP 2009027876 A in FIGS. 3 (a) -3 (c), 4 ( a0) -4 (a2), 4 (b0) -4 (b2) and 9 (a) -9 (f).
Die Platten können konzentrisch um das Wärmerohr der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sein. Dabei kann die Kante der Platte einen gewissen Abstand zur Wandung des Wärmerohrs haben oder direkt hiermit verbunden sein. The plates may be arranged concentrically around the heat pipe of the device according to the invention. In this case, the edge of the plate may have a certain distance from the wall of the heat pipe or be directly connected thereto.
Die katalytisch wirksamen Nanopartikel können auch Bestandteil meso- und/oder makroporöser Partikel sein, die im Reaktionsraum ein Wirbelschichtbett bilden. Vorzugsweise sind die meso- und/oder makroporösen Partikel aus den vorstehend beschriebenen Oxiden, insbesondere Aluminiumoxid und/oder Siliziumdioxid, und/oder Hydroxylapatit aufgebaut. Bevorzugt ist ihre Oberfläche in der vorstehend beschriebenen Weise hydrophobiert. The catalytically active nanoparticles can also be constituents of meso and / or macroporous particles which form a fluidized bed in the reaction space. Preferably, the meso and / or macroporous particles of the above-described oxides, in particular alumina and / or silica, and / or Hydroxylapatite built up. Preferably, their surface is rendered hydrophobic in the manner described above.
Der Durchmesser der meso- und/oder makroporösen Partikel kann breit variieren und den Erfordernissen der jeweiligen erfindungsgemäßen Vorrichtung und des jeweiligen erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst werden. Bei meso- und/oder makroporösen Partikeln, die keine Kugelform aufweisen, ist unter dem Durchmesser der längste Durchmesser zu verstehen. Wesentlich ist, dass die meso- und/oder makroporösen Partikel nicht so groß und damit so schwer werden, dass sie unter den Bedingungen der flammenlosen katalytischen Oxidation kein Wirbelschichtbett mehr im Reaktionsraum bilden. Vorzugsweise liegt der Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 1000 μιτι, vorzugsweise 0,2 bis 800 μιτι und insbesondere 0,3 bis 600 pm. The diameter of the meso and / or macroporous particles can vary widely and be adapted to the requirements of the respective device according to the invention and of the respective method according to the invention. For meso and / or macroporous particles which have no spherical shape, the diameter is to be understood as the longest diameter. It is essential that the meso and / or macroporous particles are not so large and therefore so heavy that they no longer form a fluidized bed in the reaction space under the conditions of flameless catalytic oxidation. Preferably, the diameter is in the range of 0.1 to 1000 μιτι, preferably 0.2 to 800 μιτι and in particular 0.3 to 600 pm.
Des Weiteren können die meso- und/oder makroporösen Partikel eine breite oder enge, monomodale, bimodale oder multimodale Partikelgrößenverteilung aufweisen. Vorzugsweise wird eine enge monomodale Partikelgrößenverteilung verwendet, um den störenden Einfluss von besonders kleinen und besonders großen meso- und/oder makroporösen Partikeln auszuschließen, so dass in dem Wirbelschichtbett weitgehend einheitliche Reaktionsbedingungen vorliegen. Furthermore, the meso and / or macroporous particles may have a broad or narrow, monomodal, bimodal or multimodal particle size distribution. Preferably, a narrow monomodal particle size distribution is used to exclude the disturbing influence of particularly small and particularly large meso and / or macroporous particles, so that substantially uniform reaction conditions are present in the fluidized bed.
Die Porengröße der meso- und/oder makroporösen Partikel kann ebenfalls breit variieren und den Erfordernissen der jeweiligen erfindungsgemäßen Vorrichtung und des jeweiligen erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst werden. Wesentlich ist, dass die Porengröße so eingestellt wird, dass die katalytisch wirksamen Nanopartikel in die Poren eingelagert werden können. Vorzugsweise liegt die mittlere Porengröße im Bereich von 10 bis 1000 nm, bevorzugt 20 bis 750 nm und insbesondere 30 bis 500 nm. The pore size of the meso and / or macroporous particles can also vary widely and be adapted to the requirements of the respective device according to the invention and the respective method according to the invention. It is essential that the pore size is adjusted so that the catalytically active nanoparticles can be incorporated into the pores. The mean pore size is preferably in the range from 10 to 1000 nm, preferably from 20 to 750 nm and in particular from 30 to 500 nm.
Meso- und/oder makroporöse Partikel können aus meso- und/oder makroporösen Keramiken beispielsweise durch Vermählen und Sichten der gemahlenen Produkte hergestellt werden. Meso- und/oder makroporöse Keramiken und Verfahren zu ihrer Herstellung sind beispielsweise aus den Patentschriften US 2001/0039236 A1 , PT 102713 A, US 2009/0162414 A1 und US 2011/0163472 A1 oder den Publikationen von Technologie-Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH aus dem Jahr 2012, »Neues Verfahren mit hohem Einsparpotenzial: Makroporöse Keramiken und Polymerschäume aus Kapillarsuspensionen«, »Makroporöse Keramiken und Polymerschäume: Das Herstellungsverfahren und seine Vorteile« und »Makroporöse Keramiken und Polymerschäume: Beispiele: AbOs-Keramik und PVC-Polymerschaum« bekannt. Meso and / or macroporous particles can be prepared from meso and / or macroporous ceramics, for example by grinding and sifting the ground products. Meso and / or macroporous ceramics and processes for their preparation are known, for example, from the patents US 2001/0039236 A1, PT 102713 A, US 2009/0162414 A1 and US 2011/0163472 A1 or the publications of Technology License Bureau (TLB) of the Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH from the year 2012, »New process with high savings potential: macroporous ceramics and polymer foams from capillary suspensions«, »Macroporous ceramics and polymer foams: the manufacturing process and its advantages« and »Macroporous Ceramics and polymer foams: Examples: AbOs ceramic and PVC polymer foam «known.
Enthält der Reaktionsraum ein Wirbelschichtbett aus den vorstehend beschriebenen meso- und/oder makroporösen Partikeln, ist es von Vorteil, wenn die Auslassvorrichtung für die Abgase mit einer Vorrichtung zur Abscheidung fester Partikel aus der Gasphase verbunden ist. Vorzugsweise werden die abgeschiedenen festen Partikel wieder dem Reaktionsraum zugeführt. Bevorzugt wird als Vorrichtung zur Abscheidung fester Partikel mindestens ein, insbesondere ein, Zyklon verwendet. If the reaction space contains a fluidized bed of the above-described meso and / or macroporous particles, it is advantageous if the outlet device for the exhaust gases is connected to a device for separating solid particles from the gas phase. Preferably, the deposited solid particles are returned to the reaction space. At least one, in particular one, cyclone is preferably used as the device for depositing solid particles.
Die katalytisch wirksamen Nanopartikel können auch Bestandteil mindestens eines meso- und/oder makroporösen Sinterkörpers sein. The catalytically active nanoparticles can also be part of at least one meso and / or macroporous sintered body.
Der mindestens eine meso- und/oder makroporöse Sinterkörper füllt den Reaktionsraum der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen weitgehend oder vollständig aus. D.h., die Form des meso- und/oder makroporösen Sinterkörpers wird von der Form des Reaktionsraums festgelegt. The at least one meso and / or macroporous sintered body largely or completely fills the reaction space of the apparatus for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons. That is, the shape of the meso and / or macroporous sintered body is determined by the shape of the reaction space.
Vorzugsweise umgibt der mindestens eine meso- und/oder makroporöse Sinterkörper den die thermische Energie aufnehmenden Bereich des mindestens einen Wärmerohrs konzentrisch. The at least one meso and / or macroporous sintered body preferably surrounds the area of the at least one heat pipe receiving the thermal energy concentrically.
Vorzugsweise ist der meso- und/oder makroporöse Sinterkörper aus den vorstehend beschriebenen Oxiden und/oder Hydroxylapatit oder aus Metallen, insbesondere Chrom oder Nickel, aufgebaut. Preferably, the meso and / or macroporous sintered body of the above-described oxides and / or hydroxyapatite or of metals, in particular chromium or nickel, constructed.
Vorzugsweise weist der meso- und/oder makroporöse Sinterkörper Poren auf, deren mittleren Porengröße in dem vorstehend für meso- und/oder makroporöse Partikel angegebenen Bereich liegen. The meso and / or macroporous sintered body preferably has pores whose average pore size is in the range specified above for meso and / or macroporous particles.
Die meso- und/oder makroporöse Sinterkörper können nach den in den Patentschriften US 2001/0039236 A1 , PT 102713 A, US 2009/0162414 A1 und US 2011/0163472 A1 oder in den Publikationen von Technologie-Lizenz-Büro (TLB) der Baden- Württembergischen Hochschulen GmbH aus dem Jahr 2012, »Neues Verfahren mit hohem Einsparpotenzial: Makroporöse Keramiken und Polymerschäume aus Kapillarsuspensionen«, »Makroporöse Keramiken und Polymerschäume: Das Herstellungsverfahren und seine Vorteile« und »Makroporöse Keramiken und Polymerschäume: Beispiele: A 03-Keramik und PVC-Polymerschaum« offenbarten Verfahren hergestellt werden. Des Weiteren sind meso- und/oder makroporöse Sinterkörper aus der Diplomarbeit von Ewald Maria Sütterlin, »Katalytische Oxidation zur Stromerzeugung, Studien zu Thermogenerator, Gasoxidation und Injektorbrenner, Diplomica® Verlag GmbH, ISBN: 978-3-8366-5863-8, 2008, ein katalytischer Butan- Diffusionsbrenner als Wärmequelle für TEE«, bekannt. The meso and / or macroporous sintered bodies can according to those in the patents US 2001/0039236 A1, PT 102713 A, US 2009/0162414 A1 and US 2011/0163472 A1 or in the publications of Technology License Office (TLB) of Baden - Württembergische Hochschulen GmbH from 2012, »New process with high savings potential: macroporous ceramics and polymer foams from capillary suspensions«, »Macroporous ceramics and polymer foams: The Manufacturing Process and Its Benefits "and" Macroporous Ceramics and Polymeric Foams: Examples: A 03 Ceramic and PVC Polymeric Foam "are disclosed. Furthermore, meso- and / or macroporous sintered bodies from the thesis of Ewald Maria Sütterlin, "Catalytic oxidation for power generation, studies on thermogenerator, gas oxidation and injector burner, Diplomica® Verlag GmbH, ISBN: 978-3-8366-5863-8, 2008 , a catalytic butane diffusion burner as a heat source for TEE «, known.
Der mindestens eine, insbesondere eine, Reaktionsraum der mindestens einen Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, der durch seine Wandung definiert ist, kann unterschiedliche räumliche Geometrien aufweisen. The at least one, in particular one, reaction space of the at least one apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons, which is defined by its wall, can have different spatial geometries.
Vorzugsweise ist seine Länge in Richtung des Gasdurchflusses größer als sein Durchmesser quer hierzu. Er umfasst einen unteren Bereich, in den die Reaktionsgase, insbesondere Erdgas und Luft, über mindestens eine Einlassvorrichtung eingeleitet werden, und einen oberen Bereich, aus dem die Abgase, insbesondere Wasser, Kohlendioxid und die nicht verbrauchten Anteile des Oxdidationsmittels, insbesondere die restliche Luft, abgeleitet werden. Preferably, its length in the direction of the gas flow is greater than its diameter transversely thereto. It comprises a lower region into which the reaction gases, in particular natural gas and air, are introduced via at least one inlet device, and an upper region from which the exhaust gases, in particular water, carbon dioxide and the unused portions of the oxidizing agent, in particular the remaining air, be derived.
Vorzugsweise hat der Reaktionsraum eine Länge im Bereich von 5 bis 50 cm, bevorzugt 6 bis 40 cm insbesondere 10 bis 30 cm. Preferably, the reaction space has a length in the range of 5 to 50 cm, preferably 6 to 40 cm, in particular 10 to 30 cm.
Der Reaktionsraum kann die unterschiedlichsten Umrisse aufweisen. Demnach kann der Umriss dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig, achteckig, kreisförmig oder elliptisch sein. Bevorzugt ist der Umriss quadratisch oder kreisförmig. The reaction space can have a wide variety of outlines. Thus, the outline may be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, octagonal, circular or elliptical. Preferably, the outline is square or circular.
Außerdem kann der Reaktionsraum unterschiedliche Durchmesser haben. Unter Durchmesser ist bei einem Reaktionsraum, der keinen quadratischen oder kreisförmigen Umriss hat, der jeweils längste Durchmesser zu verstehen. Vorzugsweise liegt der Durchmesser im Bereich von 1 bis 30 cm, bevorzugt 2 bis 25 cm und insbesondere 3 bis 20 cm. In addition, the reaction space can have different diameters. In the case of a reaction space which does not have a square or circular outline, the term "diameter" is understood to mean the longest diameter in each case. Preferably, the diameter is in the range of 1 to 30 cm, preferably 2 to 25 cm and in particular 3 to 20 cm.
Durchmesser und Umriss des Reaktionsraums können in Richtung der Längsachse variieren. So kann der untere Bereich sich trichterförmig verengen, während der obere Bereich, insbesondere bei einem Reaktionsraum, der ein Wirbelschichtbett enthält, sich verbreitert und als Trennzone dient, in dem meso- und/oder makroporöse Partikel von den Abgasen abgetrennt werden. Diameter and contour of the reaction space can vary in the direction of the longitudinal axis. Thus, the lower region can constrict funnel-shaped, while the upper region, in particular in a reaction chamber containing a fluidized bed, itself widens and serves as a separation zone in which meso and / or macroporous particles are separated from the exhaust gases.
Die Wandung der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, die den Reaktionsraum gasdicht umschließt, ist aus mindestens einem nichtbrennbaren, mechanisch und thermisch stabilen Material aufgebaut. Beispiele geeigneter Materialien sind Metalle und Keramiken sowie deren Verbünde. Insbesondere wird Edelstahl verwendet. Die Metalle können durch Oxidschichten vor Korrosion und Abrieb geschützt werden. The wall of the device for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons, which encloses the reaction space in a gastight manner, is constructed of at least one non-combustible, mechanically and thermally stable material. Examples of suitable materials are metals and ceramics and their composites. In particular, stainless steel is used. The metals can be protected by oxide layers against corrosion and abrasion.
Die Wandungen können die unterschiedlichsten Umrisse aufweisen. Demnach kann der Umriss dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig, achteckig, kreisförmig oder elliptisch sein. Die Wandung kann unterschiedliche Stärken aufweisen. Vorzugsweise liegen die Stärken im Bereich von 0,5 bis 10 mm, bevorzugt 0,8 bis 8 mm und insbesondere 1 bis 6 mm. The walls can have a wide variety of outlines. Thus, the outline may be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, octagonal, circular or elliptical. The wall can have different strengths. Preferably, the thicknesses are in the range of 0.5 to 10 mm, preferably 0.8 to 8 mm and in particular 1 to 6 mm.
Die Wandung kann wie der Reaktionsraum unterschiedliche Durchmesser haben. Unter Durchmesser ist bei einer Wandung, die keinen quadratischen oder kreisförmigen Umriss hat, der jeweils längste Durchmesser zu verstehen. Vorzugsweise liegt der Durchmesser im Bereich von 1 bis 30 cm, bevorzugt 2 bis 25 cm und insbesondere 3 bis 20 cm. The wall can have different diameters as the reaction space. The term "diameter" is understood to mean the longest diameter in the case of a wall which does not have a square or circular outline. Preferably, the diameter is in the range of 1 to 30 cm, preferably 2 to 25 cm and in particular 3 to 20 cm.
Die Wandungen können auch unterschiedliche Längen aufweisen. Vorzugsweise liegt die Länge im Bereich von 5 bis 50 cm, bevorzugt 6 bis 40 cm und insbesondere 10 bis 30 cm. The walls can also have different lengths. Preferably, the length is in the range of 5 to 50 cm, preferably 6 to 40 cm and in particular 10 to 30 cm.
Die mindestens eine Einlassvorrichtung für ein Gas oder ein Gasgemisch ist gleichfalls aus mindestens einem der vorstehend beschriebenen nichtbrennbaren, mechanisch und thermisch stabilen Materialien aufgebaut. Ebenso kann die mindestens eine Auslassvorrichtung für die Abgase aus mindestens einem der genannten Materialien aufgebaut sein. The at least one inlet device for a gas or a gas mixture is likewise constructed from at least one of the non-combustible, mechanically and thermally stable materials described above. Likewise, the at least one outlet device for the exhaust gases can be constructed from at least one of the stated materials.
Die mindestens eine Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen umfasst desweiteren eine übliche und bekannte Peripherie, die übliche und bekannte pneumatische, mechanische und elektronische Mess- und Regelvorrichtungen insbesondere zur Messung und Regelung der Temperatur und des Gasdurchflusses, übliche und bekannte pneumatische, mechanische und elektronische Vorrichtungen für den Transport gasförmiger, flüssiger und fester Materialien wie etwa Förderpumpen sowie entsprechende übliche und bekannte Anzeigevorrichtungen umfasst. Außerdem kann die mindestens eine Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mindestens eine, insbesondere eine, Zündvorrichtung enthalten. Vorzugsweise befindet sich die Zündvorrichtung im unteren Bereich des Reaktionsraums. Als Zündvorrichtung können übliche und bekannte elektrische Gaszünder verwendet werden. The at least one apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons further includes a conventional and known peripherals, the usual and well-known pneumatic, mechanical and electronic measuring and control devices, in particular for measuring and controlling the temperature and gas flow, conventional and known pneumatic, mechanical and electronic Devices for the transport of gaseous, liquid and solid materials such as feed pumps and corresponding conventional and known display devices comprises. In addition, the at least one apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons may contain at least one, in particular one, ignition device. Preferably, the ignition device is located in the lower region of the reaction space. As ignition device, conventional and known electric gas igniter can be used.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen thermisch isoliert. Die Isolation kann aus den unterschiedlichsten mechanisch und thermisch stabilen, isolierenden Materialien bestehen. Vorzugsweise sind die isolierenden Materialien nicht brennbar und abriebfest. Beispiele geeigneter isolierender Materialien sind massives Holz, Schäume aus Glas und Keramik, Steingut sowie hochtemperaturbeständige Polymere wie Polytertrafluorethylen (PTFE), Polvinylidenfluorid (PVDF), Poly(trifluorchlorethylen) (KEL-F®), Polysiloxane, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyetherketone und Polyimide. Die mindestens eine Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen steht in wärmeleitendem Kontakt mit dem thermische Energie aufnehmenden Bereich mindestens eines, insbesondere eines, Wärmerohrs. Preferably, the at least one apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons is thermally isolated. The insulation can consist of a wide variety of mechanically and thermally stable, insulating materials. Preferably, the insulating materials are nonflammable and abrasion resistant. Examples of suitable insulating materials are solid wood, glass and ceramic foams, earthenware and high temperature resistant polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (trifluorochloroethylene) (KEL-F®), polysiloxanes, polysulfones, polyethersulfones, polyetherketones and polyimides. The at least one device for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons is in heat-conducting contact with the thermal energy absorbing region of at least one, in particular one, heat pipe.
Bekanntermaßen ist ein Wärmerohr (heatpipe) ein fluiddicht und gasdicht verschlossenes Bauteil, mit dem thermische Energie oder Wärme sehr effizient von einem Ort zu einem anderen, d.h. über einen mehr oder weniger langen Verbindungsbereich von dem thermische Energie aufnehmenden Bereich zu einem thermische Energie abgebenden Bereich, transportiert werden kann. Der die transportierte thermische Energie abgebende Bereich steht in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der oder den heißen Seite(n) mindestens eines, vorzugsweise mindestens zweier, TEE. As is known, a heat pipe is a fluid-tight and gas-tight sealed component with which thermal energy or heat can be transferred very efficiently from one location to another, i. can be transported over a more or less long connection area from the thermal energy absorbing area to a thermal energy emitting area. The transporting the thermal energy dissipating area is in electrically insulating, thermally conductive contact with the hot side (s) of at least one, preferably at least two, TEE.
Vorzugsweise ist der Verbindungsbereich nach außen thermisch isoliert, wobei bevorzugt die vorstehend beschriebenen thermisch isolierenden Materialien verwendet werden. Das Wärmerohr kann bekanntermaßen eine 100- bis 1000mal höhere Wärmeenergie transportieren als ein Bauteil gleicher geometrischer Abmessungen aus massivem Kupfer. Das Wärmerohr nutzt den physikalischen Effekt, dass beim Verdampfern und Kondensieren einer Flüssigkeit sehr hohe Energiemengen umgesetzt werden. Das Wärmerohr ist innen hohl und mit einer kleinen Menge Flüssigkeit, der "arbeitenden" Flüssigkeit, gefüllt. Diese steht unter ihrem Dampfdruck, der bei niedrigen Temperaturen deutlich unter dem atmosphärischen Druck liegen kann. Die Innenwand des Wärmerohres kann mit einer Kapillarstruktur - vergleichbar mit einem Docht - bedeckt sein. Diese Kapillarstruktur ist mit einem flüssigen Wärmetransportmittel, der arbeitenden Flüssigkeit, gesättigt. Preferably, the connection region is thermally insulated to the outside, wherein preferably the above-described thermally insulating materials are used. The heat pipe can be known to transport a 100 to 1000 times higher heat energy than a component of the same geometric dimensions of solid copper. The heat pipe uses the physical effect that very large amounts of energy are converted when evaporating and condensing a liquid. The heat pipe is hollow inside and filled with a small amount of liquid, the "working" liquid. This is under its vapor pressure, which can be well below the atmospheric pressure at low temperatures. The inner wall of the heat pipe can be covered with a capillary structure - comparable to a wick. This capillary structure is saturated with a liquid heat transfer medium, the working liquid.
Wird dem thermische Energie aufnehmenden Bereich des Wärmerohres thermische Energie zugeführt, verdampft dort die arbeitende Flüssigkeit aus der Kapillarstruktur. Der Dampf strömt in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert überall dort unter Abgabe der Verdampfungswärme, wo thermische Energie abgeführt wird. Das Kondensat, das verflüssigte Wärmetransportmittel, wird von der Kapillarstruktur aufgesaugt, fließt zurück, um erneut zu verdampfen. Es schließt sich ein Kreislauf, der schnell zirkulierend sehr effektiv thermische Energie transportiert. Die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungs- und Kondensationszone im Wärmerohr ist sehr gering, so dass die Wärmeleitung nahezu isotherm erfolgt. If thermal energy is supplied to the thermal energy receiving region of the heat pipe, the working liquid from the capillary structure evaporates there. The steam flows in the direction of the temperature gradient and condenses everywhere, releasing the heat of vaporization, where thermal energy is dissipated. The condensate, the liquefied heat transfer medium, is absorbed by the capillary structure, flows back to re-evaporate. It closes a cycle, which circulates quickly and very effectively transports thermal energy. The temperature difference between the evaporation and condensation zone in the heat pipe is very low, so that the heat conduction is almost isothermal.
Je nachdem, in welchem Temperaturbereich (niedrig, mittel, hoch) gearbeitet wird, werden unterschiedliche arbeitende Flüssigkeiten verwendet, wie zum Beispiel Wasser im Temperaturbereich von etwa 170 bis 600K, Ammoniak im Temperaturbereich von etwa 150 bis 170K, Quecksilber im Temperaturbereich von 400 bis 800K oder Lithium oder Silber in einem Temperaturbereich oberhalb 1000K. Wesentlich ist, dass die arbeitende Flüssigkeit die Wandung des Wärmerohrs nicht chemisch angreift und korrodiert. Die fluid- und gasdichte Wandung des Wärmerohrs kann aus den unterschiedlichsten Materialien aufgebaut sein. Zum Aufbau können auch flexible Materialien verwendet werden. Außerdem kann das Wärmerohr integraler Bestandteil von flexiblen Kunststofffolien sein. Die Materialien, aus denen das Wärmerohr aufgebaut ist, müssen indes in dem durch die Wärmequelle vorgegebenen Temperaturbereich fluid- und gasdicht, sowohl gegenüber der arbeitenden Flüssigkeit als auch gegenüber der äußeren Atmosphäre chemisch stabil, mechanisch und thermisch stabil sowie verformungsstabil sein. Außerdem sollten die Materialien eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, damit die thermische Energie der Wärmequelle aufgenommen und effektiv an die heiße Seite des mindestens einen TEE abgegeben werden kann. Depending on which temperature range (low, medium, high) is used, different working fluids are used, such as water in the temperature range of about 170 to 600K, ammonia in the temperature range of about 150 to 170K, mercury in the temperature range of 400 to 800K or lithium or silver in a temperature range above 1000K. It is essential that the working liquid does not chemically attack and corrode the wall of the heat pipe. The fluid- and gas-tight wall of the heat pipe can be constructed from a variety of materials. For the construction also flexible materials can be used. In addition, the heat pipe can be an integral part of flexible plastic films. The materials of which the heat pipe is constructed, however, must in the temperature range given by the heat source fluid and gas tight, both opposite the working liquid as well as the outer atmosphere chemically stable, mechanically and thermally stable and stable deformation. In addition, the materials should have a high thermal conductivity so that the thermal energy of the heat source can be absorbed and effectively delivered to the hot side of the at least one TEE.
Vorzugsweise bestehen die Wandungen der Wärmerohre aus Metallen und Metalllegierungen, insbesondere wird Kupfer verwendet. Das Wärmerohr kann unterschiedliche Querschnitte wie Dreiecke, Quadrate, Rechtecke, Fünfecke, Sechsecke oder Achtecke, die abgerundete Ecken und/oder Seiten aufweisen können, Ellipsen, Ovale oder Kreise aufweisen. Preferably, the walls of the heat pipes of metals and metal alloys, in particular copper is used. The heat pipe may have different cross sections such as triangles, squares, rectangles, pentagons, hexagons or octagons, which may have rounded corners and / or sides, ellipses, ovals or circles.
Die Größe der Querschnitte kann breit variieren und hervorragend den Erfordernissen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst werden. So können die Querschnitte im Bereich von wenigen Mikrometern bis hin zu mehreren Zentimetern liegen. The size of the cross sections can vary widely and can be perfectly adapted to the requirements of the device according to the invention and of the method according to the invention. Thus, the cross sections can range from a few microns to several centimeters.
Außerdem kann das Wärmerohr in Längsrichtung unterschiedliche Formen aufweisen. So kann es geradlinig, in der Ebene einfach oder mehrfach gebogen, räumlich mehrfach gebogen, mäanderförmig oder spiralförmig verlaufen. In addition, the heat pipe may have different shapes in the longitudinal direction. Thus, it can be rectilinear, bent in the plane one or more times, spatially multiply bent, meandering or spiraling.
Das Wärmerohr kann nach der Formgebung noch beschichtet werden, um es vor mechanischer, chemischer und/oder thermischer Einwirkung zu schützen. Beispiele geeigneter Beschichtungsstoffe sind thermisch und/oder mit aktinischer Strahlung wie UV- Strahlung oder Elektronenstrahlung härtbare, pigmentierte oder nichtpigmentierte Pulverlacke oder Flüssiglacke auf Wasserbasis oder auf Basis organischer Lösungsmittel. The heat pipe can still be coated after molding to protect it from mechanical, chemical and / or thermal effects. Examples of suitable coating materials are thermal and / or actinic radiation such as UV radiation or electron beam curable, pigmented or non-pigmented powder coatings or water-based or organic solvent-based liquid coatings.
Die Kapillarstruktur mit Dochtwirkung auf der Innenseite der Wandung kann ebenfalls aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen. Wesentlich für deren Auswahl sind der durch die Quelle der thermischen Energie vorgegebenen Temperaturbereich und die Stabilität gegenüber der arbeitenden Flüssigkeit. Außerdem darf es durch den Kontakt zwischen der Kapillarstruktur und der Wandung unter dem Einfluss der arbeitenden Flüssigkeit nicht zur Korrosion kommen. Der Fachmann kann daher die Materialien aufgrund der ihm bekannten Eigenschaftsprofile auswählen. Die Kapillarstruktur kann aus Nanopartikeln, Fasermaterialien oder porösen Materialien mit entsprechend dimensionierten Porengrößen aufgebaut sein. Außerdem kann die Dochtwirkung durch Drahtgeflechte, z.B. Kupferdrahtgeflechte oder elektrisch nicht leitende Drahtgeflechte und Faserbündel, z.B. aus Keramik, Glas oder hochtemperaturbeständigen Kunststoffen, im Inneren des Wärmerohrs erzeugt werden. Des Weiteren kann die Dochtwirkung auch durch Oberflächenstrukturen aus Erhebungen und Vertiefungen wie z.B. Rillen, Säulen, Kugeln oder Näpfchen auf der Innenwandung des Wärmerohrs erzeugt werden. Die Kapillarstruktur mit Dochtwirkung kann auch nachträglich eingebracht werden. Beispiele geeigneter Methoden sind das Auskristallisieren oder Ausfällen meso- und/oder makroporöser Materialien wie Zeolithe oder Keramiken. Das nachträgliche Einbringen ist insbesondere für die nachstehend beschriebene „offene Ausführungsform" von besonderem Vorteil, weil so in einem Schritt eine direkte Verbindung mit einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden, strukturierten Oberfläche auf der heißen Seite des TEE, auf der die Arbeitsflüssigkeit auskondensiert, bewerkstelligt werden kann. The capillary structure with wicking on the inside of the wall can also be made of a variety of materials. Essential for their selection are the temperature range given by the source of the thermal energy and the stability with respect to the working liquid. In addition, contact between the capillary structure and the wall should not cause corrosion under the influence of the working liquid. The person skilled in the art can therefore select the materials on the basis of the property profiles known to him. The capillary structure can be constructed of nanoparticles, fiber materials or porous materials with appropriately sized pore sizes. In addition, the wicking by wire mesh, such as copper wire mesh or electrically non-conductive wire mesh and fiber bundles, such as ceramic, glass or high temperature resistant plastics, can be generated inside the heat pipe. Furthermore, the wicking effect can also be generated by surface structures of elevations and depressions such as grooves, columns, spheres or cups on the inner wall of the heat pipe. The capillary structure with wicking can also be introduced later. Examples of suitable methods are the crystallization or precipitation of meso and / or macroporous materials such as zeolites or ceramics. The subsequent introduction is particularly advantageous for the "open embodiment" described below, because in this way a direct connection to an electrically insulating, thermally conductive, structured surface on the hot side of the TEE, on which the working fluid condenses, can be accomplished in one step ,
Das- Ende des Wärmerohrs, das in wärmeleitendem Kontakt mit der Wärmequelle, d.h. der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, steht braucht nicht notwendigerweise elektrisch isoliert hiervon zu sein. The end of the heat pipe, which is in heat-conducting contact with the heat source, i. The apparatus for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons need not necessarily be electrically isolated therefrom.
Vorzugsweise wird der wärmeleitende Kontakt zwischen dem Ende des Wärmerohrs, d.h. mit dem thermische Energie aufnehmenden Bereich, und der Wärmequelle durch Lötkontakte, Schweißkontakte, Flanschkontakte, elektrische und thermisch leitende, Metallpartikel enthaltende Klebschichten, Schraub-, Steck- und Klemmkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs, d.h. der thermische Energie aufnehmende Bereich, in die Wärmequelle eingeschraubt, eingesteckt oder eingeklemmt wird, oder durch Druckkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs mittels geeigneter Vorrichtungen in die Wärmequelle eingedrückt wird, hergestellt. Der wärmeleitende Kontakt kann außerdem durch elektrisch leitende und wärmeleitende, Metallpartikel enthaltende Wärmeleitpasten weiter verbessert werden. Preferably, the heat conductive contact between the end of the heat pipe, i. with the thermal energy absorbing portion, and the heat source by solder contacts, welding contacts, flange contacts, electrically and thermally conductive, metal particle-containing adhesive layers, screw, plug and terminal contacts, in which the end of the heat pipe, i. the thermal energy absorbing area, is screwed into the heat source, plugged or clamped, or by pressure contacts, in which the end of the heat pipe is pressed by means of suitable devices in the heat source made. The heat-conductive contact can also be further improved by electrically conductive and thermally conductive, metal particle-containing thermal compounds.
Es ist obligatorisch, dass der Kontakt des thermische Energie abgebenden Bereichs des Wärmerohrs mit der heißen Seite des TEE elektrisch isolierend ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter der heißen Seite eines TEE diejenige Seite zu verstehen, die die thermische Energie aufnimmt. Die elektrische Isolierung kann beispielsweise mithilfe von wärmeleitfähigen Keramikschichten, wärmeleitfähigen Kunststoffschichten beispielsweise auf der Basis von Polytertrafluorethylen (PTFE), Polvinylidenfluorid (PVDF), Poly(trifluorchlorethylen) (KEL- F®), Polysiloxanen, Polysulfonen, Polyethersulfonen, Polyetherketonen und Polyimiden oder Schichten aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und/oder Siliciumnitrid gewährleistet werden. Diese Schichten können auf die Kontaktfläche durch Sputtern aufgebracht oder als Wafer aufgelegt werden. Der Kontakt des Wärmerohrs mit der heißen Seite des thermoelektrischen Elements wird durch eine geeignete Kontaktvorrichtung hergestellt. Die Auswahl der Materialien für den Aufbau der Kontaktvorrichtung richtet sich insbesondere nach dem durch die Wärmequelle vorgegebenen Temperaturbereich. Vorzugsweise umfasst die Kontakt- oder Befestigungsvorrichtung wärmeleitende Lötkontakte, Schweißkontakte, Flanschkontakte, Klebschichten, Schraub-, Steck- und Klemmkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs in oder an oder auf der heißen Seite befindliche entsprechende komplementäre Vorrichtungen ein- oder angeschraubt, eingesteckt oder ein- oder angeklemmt wird. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch die Anwendung von Wärmeleitpasten, z.B. Wärmeleitpasten auf der Basis von Silikonen, weiter verbessert werden. It is mandatory that the contact of the thermal energy emitting area of the heat pipe with the hot side of the TEE is electrically insulating. In the context of the present invention, the hot side of a TEE is the side which absorbs the thermal energy. The electrical insulation can be, for example, using thermally conductive ceramic layers, thermally conductive plastic layers, for example based on polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (trifluorochloroethylene) (KELF®), polysiloxanes, polysulfones, polyethersulfones, polyether ketones and polyimides or layers Alumina, aluminum nitride and / or silicon nitride are ensured. These layers can be applied to the contact surface by sputtering or applied as wafers. The contact of the heat pipe with the hot side of the thermoelectric element is made by a suitable contact device. The selection of the materials for the construction of the contact device depends in particular on the temperature range predetermined by the heat source. Preferably, the contact or fastening device comprises heat-conducting solder contacts, welding contacts, flange contacts, adhesive layers, screw, plug and terminal contacts, in which the end of the heat pipe in or on or on the hot side located corresponding complementary devices or screwed, plugged or a - or is clamped. The thermal conductivity can be further improved by the use of thermal compounds, for example thermal pastes based on silicones.
Werden Befestigungsvorrichtungen wie Flanschkontakte verwendet, können diese auf elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteilen befestigt werden. If fastening devices such as flange contacts are used, these can be fastened on electrically and thermally insulating anchoring parts.
Vorzugsweise bestehen diese Verankerungsteile aus einem massiven, elektrisch und thermisch nicht oder nur schlecht leitfähigen, mechanisch und thermisch stabilen Material. Beispiele geeigneter Materialien dieser Art sind Holz und Polymere wie Polytertrafluorethylen (PDFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Poly(trifluorchlorethylen) (KEL-F®), Poysiloxanen, Polyethersulfone, Polyetherketone und Polyimide. Preferably, these anchoring parts consist of a solid, electrically and thermally not or only poorly conductive, mechanically and thermally stable material. Examples of suitable materials of this type are wood and polymers such as polytetrafluoroethylene (PDFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (trifluorochloroethylene) (KEL-F®), polysiloxanes, polyethersulfones, polyetherketones and polyimides.
Die Verankerungsteile können aus einem Stück bestehen oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Vorzugsweise stoßen die Seiten der Verankerungsteile bündig an die vertikalen Seiten des TEE an, so dass sie dieses zusätzlich isolieren. Vorzugsweise liegen die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Verankerungsteile jeweils in einer Ebene mit den Oberflächen der heißen und der kalten Seite des TEE. Sind die Verankerungsteile aus mehreren Teilen zusammengesetzt, können sie in und auf den aneinanderstoßenden Seiten Zapfen und komplementäre Vertiefungen aufweisen, die die zusammengesetzten Verankerungsteile weiter stabilisieren. The anchoring parts may consist of one piece or be composed of several parts. Preferably, the sides of the anchoring parts abut flush with the vertical sides of the TEE so that they additionally insulate it. Preferably, the opposing surfaces of the anchoring members are each in a plane with the surfaces of the hot and cold sides of the TEE. If the anchoring parts are composed of several parts, they can have pegs and complementary recesses in and on the abutting sides, which further stabilize the assembled anchoring parts.
Außerdem können die Verankerungsteile sowie die Teile der zusammengesetzten Verankerungsteile miteinander sowie mit den vertikalen Seiten des TEE, mit der nachstehend beschriebenen, überstehenden elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht, der nachstehend beschriebenen, gegebenenfalls elektrisch leitfähigen, gas- und fluiddichten Dichtung und/oder der aufliegenden Oberfläche des Flanschkontakts mit einem thermostabilen, elektrisch isolierenden Klebstoff verklebt sein. Hierdurch werden insbesondere die mechanische Stabilität und die thermische Isolierung des TEE und des Wärmerohrs weiter verbessert. Vorzugsweise sind die Flanschkontakte noch durch mechanische Befestigungsvorrichtungen wie Klemmen, Schrauben oder Zapfen und komplementäre Vertiefungen an den Verankerungsteilen befestigt. In addition, the anchoring parts as well as the parts of the composite anchoring parts with each other and with the vertical sides of the TEE, with the above-described, protruding electrically insulating, thermally conductive layer, optionally described hereinafter, electrically conductive, gas and fluid-tight seal and / or the resting Surface of the flange contact to be bonded with a thermostable, electrically insulating adhesive. As a result, in particular the mechanical stability and the thermal insulation of the TEE and the heat pipe are further improved. Preferably, the flange contacts are still attached by mechanical fastening devices such as clamps, screws or pins and complementary recesses on the anchoring parts.
Sofern diese Kontaktvorrichtungen noch elektrisch leitend sind, umfasst die Kontaktvorrichtung die vorstehend beschriebenen elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Schichten. Diese Schichten befinden sich unmittelbar auf der heißen Seite der TEE. Im Allgemeinen brauchen sie nur wenige Atomanlagen stark zu sein. Um das Löten und Schweißen zu ermöglichen, sind die wärmeleitfähigen isolierenden Schichten auf ihrer Außenseite mit einer dünnen Metallschicht bedeckt. If these contact devices are still electrically conductive, the contact device comprises the above-described electrically insulating, heat-conducting layers. These layers are located directly on the hot side of the TEE. In general, they only need a few nuclear facilities to be strong. In order to enable soldering and welding, the heat-conductive insulating layers are covered on their outside with a thin metal layer.
Eine besonders vorteilhafte Anordnung dieser Art, kann durch Aufsputtern einer Metalloxidschicht, die allmählich in eine Metallschicht übergeht, hergestellt werden. A particularly advantageous arrangement of this kind can be produced by sputtering a metal oxide layer, which gradually merges into a metal layer.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der thermische Energie abgebende Bereich des mindestens einen Wärmerohrs mindestens einen Durchbruch, vorzugsweise mindestens zwei Durchbrüche auf. Dadurch wird der elektrisch isolierende, wärmeleitende Kontakt so ausgestaltet, dass die heiße Seite des mindestens einen TEE in direktem Kontakt mit dem Inneren des Wärmerohrs steht, so dass die arbeitende Flüssigkeit unmittelbar auf der heißen Seite kondensiert und die thermische Energie direkt übertragen wird. Im Folgenden wird diese Ausführungsform als "offene Ausführungsform" bezeichnet. In der offenen Ausführungsform kann die Kondensation der arbeitenden Flüssigkeit und die Übertragung der thermischen Energie mithilfe einer strukturierten Oberfläche auf der heißen Seite, die in direktem Kontakt mit dem Inneren des Wärmerohrs steht, weiter verbessert werden. Die strukturierte Oberfläche kann aus nano-, meso- und/oder makroporösen Materialien, Nanopartikeln oder Rillenstrukturen aufgebaut sein. Sofern die strukturierte Oberfläche noch elektrisch leitend ist, ist sie von der heißen Seite durch eine der vorstehend beschriebenen, elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Schichten elektrisch isoliert. In a particularly preferred embodiment of the device according to the invention, the thermal energy emitting area of the at least one heat pipe has at least one opening, preferably at least two openings. Thereby, the electrically insulating, heat-conducting contact is designed so that the hot side of the at least one TEE is in direct contact with the interior of the heat pipe, so that the working liquid condenses directly on the hot side and the thermal energy is transmitted directly. Hereinafter, this embodiment will be referred to as "open embodiment". In the open embodiment, the condensation of the working fluid and the transfer of thermal energy can be further improved by means of a structured surface on the hot side, which is in direct contact with the interior of the heat pipe. The structured surface may be composed of nano-, meso- and / or macroporous materials, nanoparticles or groove structures. If the structured surface is still electrically conductive, it is electrically insulated from the hot side by one of the electrically insulating, thermally conductive layers described above.
Der Rücklauf der kondensierten arbeitenden Flüssigkeit zum anderen Ende des Wärmerohrs, d.h. zu dem mit der Wärmequelle in Kontakt stehenden thermische Energie aufnehmenden Bereich des Wärmerohrs kann durch Gravitation erfolgen. Dazu muss das Wärmerohr senkrecht angeordnet werden. The return of the condensed working fluid to the other end of the heat pipe, i. to the heat energy source in contact with the thermal energy receiving portion of the heat pipe can be done by gravity. For this, the heat pipe must be arranged vertically.
Der Rücklauf kann aber auch aufgrund der Dochtwirkung von eingelegten elektrisch nicht leitenden Drahtgeflechten und Faserbündeln, wie sie vorstehend beschrieben werden, erfolgen. Diese elektrisch nichtleitenden Drahtgeflechte und Faserbündel sind so angeordnet, dass sie in direktem Kontakt mit der kondensierten arbeitenden Flüssigkeit stehen. Bei dieser Ausführungsform kann das Wärmerohr beliebig räumlich angeordnet werden. However, the return can also be due to the wicking of inserted electrically non-conductive wire mesh and fiber bundles, as described above, take place. These electrically non-conductive wire meshes and fiber bundles are arranged to be in direct contact with the condensed working fluid. In this embodiment, the heat pipe can be arranged arbitrarily spatially.
Bei" der offenen Ausführungsform umfasst die Kontaktvorrichtung außerdem eine fluid- und gasdichte, haftfeste, elektrisch isolierende Dichtung zwischen der Wandung des Wärmerohrs und der heißen Seite der TEE. Diese Dichtung muss nicht wärmeleitend sein, sondern kann auch elektrisch leitend sein, solange sie keinen elektrischen Kontakt mit der Wandung des Wärmerohrs und der heißen Seite des TEE herstellt. Am einfachsten kann dies dadurch bewerkstelligt werden, dass die Fläche der vorstehend beschriebenen, elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht etwas größer ausgelegt ist als die heiße Seite des TEE, so dass die Fläche rundum über die Oberfläche der heißen Seite hinausragt und an die Dichtung bündig anstößt. Ein Beispiel für eine geeignete, gas- und fluiddichte, haftfeste, elektrisch leitfähige Dichtung sind mit Metallpartikeln, insbesondere Kupferpartikeln, gefüllte Silikonpolymere, insbesondere PDMS. Diese Dichtungen können je nach Anordnung und Querschnitt des Wärmerohrs einerseits und äußerer Form des oder der TEE andererseits unterschiedliche Formen haben. Vorzugsweise sind die Dichtungen rechteckig, quadratisch oder mehreckig, beispielsweise sechseckig, oder rund oder elliptisch, wenn das Wärmerohr den entsprechend geformten Querschnitt und/oder das TEE die entsprechend geformte Oberfläche aufweist. Außerdem kann die Dichtung der Planarität der Oberfläche des TEE angepasst sein, wenn diese beispielsweise nach außen oder nach innen gebogen ist und/oder eine regelmäßige oder nicht regelmäßige Rauigkeit aufweist. In the " open" embodiment, the contactor further includes a fluid tight, gas tight, adhesive, electrically insulating seal between the wall of the heat pipe and the hot side of the TEE, which does not have to be heat conductive, but can also be electrically conductive unless electrically conductive The easiest way to accomplish this is to make the surface of the electrically insulating, thermally conductive layer described above slightly larger than the hot side of the TEE, so that the surface An example of a suitable, gas- and fluid-tight, adherent, electrically conductive seal is filled with metal particles, in particular copper particles, filled silicone polymers, in particular PDMS. These seals may have different shapes depending on the arrangement and cross section of the heat pipe on the one hand and the outer shape of the or the TEE on the other hand. Preferably, the gaskets are rectangular, square or polygonal, for example hexagonal, or round or elliptical, when the heat pipe has the correspondingly shaped cross section and / or the TEE has the correspondingly shaped surface. In addition, the seal of the planarity of the surface of the TEE may be adapted, for example, if it is bent outwards or inwards and / or has a regular or not regular roughness.
An beiden Seiten des TEE befinden sich auch die Kontaktbereiche, an den die beiden unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien des TEE elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Das TEE kann mit mindestens einem weiteren TEE elektrisch leitend verbunden sein. Es können aber auch 100 und mehr solche TEE parallel und/oder in Serie geschaltet sein. In diesem Falle spricht man auch von einer„Thermosäule". An dem elektrisch positiven und elektrisch negativen Ende des TEE oder der Thermosäule sind elektrische Anschlüsse angebracht, die mit einer Vorrichtung verbunden werden können, die mit dem gewonnenen Strom betrieben wird. On both sides of the TEE are also the contact areas to which the two different thermoelectric materials of the TEE are electrically connected to each other. The TEE may be electrically conductively connected to at least one other TEE. But it can also be 100 and more such TEE connected in parallel and / or in series. In this case, it is also referred to as a "thermopile." Electrical connections are attached to the electrically positive and electrically negative end of the TEE or the thermopile, which can be connected to a device that operates on the recovered power.
Im Allgemeinen unterscheidet man drei Temperaturbereiche bei dem Betrieb von TEE In general, there are three temperature ranges when operating TEE
Niedertemperaturbereich, d.h. Temperaturen bis zu 250°C, Low temperature range, i. Temperatures up to 250 ° C,
Mitteltemperaturbereich, d.h. Temperaturen bis zu 600°C und  Medium temperature range, i. Temperatures up to 600 ° C and
Hochtemperaturbereich, d.h. Temperaturen bis zu 1000°C. Je nachdem in welchem Temperaturbereich gearbeitet wird, werden unterschiedliche Materialien in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet. Die Auswahl kann der Fachmann anhand der bekannten chemischen und physikalischen Eigenschaften der Materialien treffen. Vorzugsweise wird im Niedertemperaturbereich gearbeitet.  High temperature range, i. Temperatures up to 1000 ° C. Depending on the temperature range in which work, different materials are used in the device according to the invention. The choice can be made by a person skilled in the art on the basis of the known chemical and physical properties of the materials. Preferably, work is carried out in the low-temperature range.
Die für die Schenkel der TEE, die an der heißen Seite in elektrisch leitenden Kontakt miteinander gebracht werden, werden anhand ihrer figure-of-merit Z gemäß Gleichung XII ausgewählt. Those for the legs of the TEE that are brought into electrical contact with each other on the hot side are selected according to their figure-of-merit Z in accordance with Equation XII.
Gleichung XII Z = σα2/λ. Equation XII Z = σα 2 / λ.
In der Gleichung XII steht α für den Seebeck-Koeffizienten, σ die elektrische Leitfähigkeit und λ für die thermische Leitfähigkeit des betreffenden Materials. In equation XII, α stands for the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, and λ is the thermal conductivity of the material in question.
Vorzugsweise werden p- und n-dotierte Halbleitermaterialien verwendet. Preferably, p- and n-doped semiconductor materials are used.
Vorzugsweise werden für den Niedertemperaturbereich Bismuttellurid-Legierungen (Bi2Te3) verwendet. Preferably, bismuth telluride alloys (Bi 2 Te 3 ) are used for the low temperature range.
Vorzugsweise wird für den Mitteltemperaturbereich Bleitellurid (PbTe) verwendet. Preferably, lead telluride (PbTe) is used for the medium temperature range.
Vorzugsweise werden für den Hochtemperaturbereich Silicium-Germanium-Legierungen und Zintl-Legierungen verwendet. Preferably, silicon germanium alloys and Zintl alloys are used for the high temperature range.
Weitere Beispiele geeigneter halbleitender Materialien sind aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0229911 A1 , Seite 1 , Absätze [0003] bis [0011], oder aus dem amerikanischen Patent US 5,610,366, Spalte 2, Seite 27, bis Spalte 3, Seite 32, bekannt. Further examples of suitable semiconducting materials are known from US patent application US 2010/0229911 A1, page 1, paragraphs [0003] to [0011], or from US patent US 5,610,366, column 2, page 27, to column 3, page 32 ,
Vorzugsweise werden Bismuttellurid-Legierungen verwendet. Preferably, bismuth telluride alloys are used.
In den erfindungsgemäßen Vorrichtungen können übliche und bekannte, kommerziell erhältliche TEE verwendet werden. Der Begriff "thermoelektrisches Element" umfasst dabei ein einzelnes TEE oder eine Anordnung mehrerer in Reihe oder parallel geschalteter TEE in der Form einer so genannten Thermosäule. Conventional and known, commercially available TEEs can be used in the devices according to the invention. The term "thermoelectric element" in this case comprises a single TEE or an arrangement of several series or parallel connected TEEs in the form of a so-called thermopile.
Beispiele geeigneter TEE werden im Detail in dem amerikanischen Patent US 5,610,366, der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0229911 A1 , der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993 A1 , der deutschen Patentanmeldung DE 101 12 383 A1 oder der Firmenschrift von Hi-Z Technology Inc., "Use, Application and Testing od Hi-Z Termoelectric Modules", Autoren: F. A. Levitt, N. B. Eisner und J. C. Bass, beschrieben. Examples of suitable TEEs are described in detail in US patent US 5,610,366, US patent application US 2010/0229911 A1, international patent application WO 97/44993 A1, German patent application DE 101 12 383 A1 or the company publication of Hi-Z Technology Inc., "Use, Application and Testing or Hi-Z Termoelectric Modules", authors: FA Levitt, NB Eisner and JC Bass, described.
Vorzugsweise werden thermoelektrischen Module in "eggcrate"-Konfiguration (Eierkarton- Konfiguration) verwendet, wie sie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993, Seite 2, letzter Absatz, bis Seite 5, letzter Absatz, in Verbindung mit den Figuren 1A bis 14 und 27 beschrieben werden. Insbesondere werden die Module Hi-Z 20, der Firma Hi-Z Technology Inc., USA, in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendet. Dabei können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung einzelne oder mehrere TEE gleichzeitig thermisch kontaktiert werden. Preferably thermoelectric modules are used in "eggcrate" configuration (egg-box configuration), as for example in the international patent application WO 97/44993, page 2, last paragraph, to page 5, last paragraph, in conjunction with the Figures 1A to 14 and 27 will be described. In particular, the modules Hi-Z 20, Hi-Z Technology Inc., USA, are used in the devices according to the invention. In the device according to the invention, one or more TEEs can be thermally contacted simultaneously.
In den erfindungsgemäßen Vorrichtungen steht die der heißen Seite gegenüberliegende kalte Seite des mindestens einen TEE in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit einer Wärme ableitenden Vorrichtung (Wärmesenke). Diese dient der Abführung sowie gegebenenfalls der Nutzung der restlichen zugeführten thermischen Energie. In the devices according to the invention, the cold side of the at least one TEE facing the hot side is in electrically insulating, thermally conductive contact with a heat dissipating device (heat sink). This serves to dissipate and optionally use the remaining supplied thermal energy.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieser Kontakt durch mindestens ein weiteres Wärmerohr bewerkstelligt. Im Folgenden wird das weitere Wärmerohr als "zweites Wärmerohr" bezeichnet. In a preferred embodiment, this contact is accomplished by at least one additional heat pipe. In the following, the additional heat pipe is referred to as a "second heat pipe".
Das zweite Wärmerohr steht mit seinem einen Ende in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der kalten Seite der TEE und mit seinem anderen Ende in wärmeleitendem Kontakt mit der Wärme ableitenden Vorrichtung. Vorzugsweise werden die vorstehend beschriebenen Wärmerohre und Kontaktvorrichtungen verwendet. Da die Wärmerohre und Kontaktvorrichtungen der kalten Seite der TEE niedrigeren Temperaturen ausgesetzt sind als diejenigen der heißen Seite der TEE, können gegebenenfalls andere Materialien als auf der heißen Seite verwendet werden. The second heat pipe is in one of its ends in electrically insulating, thermally conductive contact with the cold side of the TEE and at its other end in thermally conductive contact with the heat dissipating device. Preferably, the above-described heat pipes and contact devices are used. Since the heat pipes and cold side contact devices of the TEE are exposed to lower temperatures than those of the hot side of the TEE, materials other than the hot side may be used.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird dieser Kontakt durch mindestens eine elektrisch isolierende, wärmeleitfähige Schicht hergestellt. Zu deren Aufbau können die vorstehend beschriebenen elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Materialien verwendet werden. In a further preferred embodiment, this contact is produced by at least one electrically insulating, thermally conductive layer. For their construction, the above-described electrically insulating, thermally conductive materials can be used.
Die Wärme ableitenden Vorrichtungen oder Wärmesenken können von unterschiedlichster Natur und von unterschiedlichstem Aufbau sein. The heat-dissipating devices or heat sinks can be of very different nature and of very different construction.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Luft und Wasser Wärme ableitende Vorrichtungen im Sinne der Erfindung. Vorzugsweise wird dabei die restliche zugeführte thermische Energie über Kühlrippen aus Metall auf die Luft oder das Wasser übertragen. Demgemäß sind auch Kühlrippen Wärmesenken im Sinne der vorliegenden Erfindung. In the context of the present invention, air and water are heat-dissipating devices in the sense of the invention. Preferably, the rest is supplied transfer thermal energy via cooling fins made of metal to the air or water. Accordingly, cooling fins are also heat sinks in the sense of the present invention.
Vorzugsweise wird handelt es sich aber bei den Wärme ableitenden Vorrichtungen um Vorrichtungen, die die Nutzung der restlichen zugeführten thermischen Energie gestatten. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um Wärmetauscher, Rohrkühlkörper, insbesondere Rohrkühlkörper für Solarthermieanlagen, Motoren, Turbinen oder Anlagen zur Durchführung des Rankine-Zyklus, insbesondere des organischen Rankine-Zyklus, bei dem vergleichsweise niedrigsiedende organische Flüssigkeiten als Arbeitsmittel verwendet werden. Außerdem kommen wärmeabstrahlende Radiatoren und große Flächenheizungen, die unter Wänden, Decken oder Fußböden in Innen- und Außenbereich von Gebäuden angebracht werden können als Wärmesenken in Betracht. Des Weiteren können erfindungsgemäße Vorrichtungen, die in dieser Weise aufgebaut sind, ihre elektrische Energie verzehrende Wasserkreisläufe und Umwälzpumpen selbst betreiben oder in ihrem Betrieb unterstützen. Preferably, however, the heat-dissipating devices are devices that allow the use of the remaining supplied thermal energy. These are particularly preferably heat exchangers, tube cooling bodies, in particular tube cooling bodies for solar thermal systems, motors, turbines or systems for carrying out the Rankine cycle, in particular the organic Rankine cycle, in which comparatively low-boiling organic liquids are used as the working medium. In addition, heat radiating radiators and large area heaters that can be installed under walls, ceilings, or floors indoors and outdoors of buildings can be considered as heat sinks. Furthermore, devices of the invention constructed in this manner may self-operate or assist in their operation of their water-consuming and water-circulating pumping systems.
Der von den TEE der erfindungsgemäßen Vorrichtungen erzeugte elektrische Strom kann für die unterschiedlichsten Zwecke verwendet werden. So kann er den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtungen selbst unterstützen. Desgleichen kann er den Betrieb der Wärmesenken, die die restliche zugeführte thermische Energie nutzen, sowie den Betrieb ihrer Peripherie unterstützen. Als Beispiele seien elektrisch betriebene Pumpen, Kühlaggregate, die die Quellen thermischer Energie vor Überhitzung schützen, und Motoren genannt. Ebenso kann der Strom zum Aufladen von elektrischen Speichern wie Batterien, Akkumulatoren und elektrischen Speicherheizungen dienen. Insgesamt ergeben sich durch die Nutzung der Abfallwärme in dieser Weise signifikante Energieeinsparungen. The electric current generated by the TEEs of the devices of the invention can be used for a variety of purposes. So he can support the operation of the devices according to the invention itself. Likewise, it can assist in the operation of the heat sinks that utilize the residual applied thermal energy as well as the operation of their peripherals. Examples include electrically operated pumps, chillers that protect the sources of thermal energy from overheating, and motors. Likewise, the power can be used to charge electrical storage such as batteries, accumulators and electric storage heaters. Overall, the use of waste heat in this way results in significant energy savings.
Der Strom kann aber auch zum Betrieb externer elektrischer Geräte der unterschiedlichsten Art wie etwa Beleuchtungsanlagen, Kühl- und Gefriergeräte, Klimaanlagen, Wärmepumpen, Umwälzpumpen, Unterhaltungselektronik, Kommunikationsgeräte wie Telefone oder Mobiltelefone, Computer, Laptops oder iPads genutzt werden. However, the power can also be used for the operation of external electrical devices of various kinds such as lighting systems, refrigerators and freezers, air conditioners, heat pumps, circulating pumps, consumer electronics, communication devices such as telephones or mobile phones, computers, laptops or iPads.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie wird die thermische Energie, die von einer Wärmequelle geliefert wird, mithilfe mindestens eines Wärmerohrs zu der heißen Seite mindestens eines TEEs transportiert, wobei in dem TEE eine elektrische Spannung erzeugt wird. Die restliche zugeführte thermische Energie wird von der kalten Seite des TEE über einen elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Kontakt mindestens einer Wärmesenke zugeführt. In the method according to the invention for the direct conversion of thermal energy into electrical energy, the thermal energy supplied by a heat source is at least one of the hot sides by means of at least one heat pipe a TEE transported, wherein in the TEE an electrical voltage is generated. The remaining applied thermal energy is supplied from the cold side of the TEE via an electrically insulating, thermally conductive contact at least one heat sink.
Vorzugsweise werden für das erfindungsgemäße Verfahren die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendet. Preferably, the above-described inventive devices are used for the inventive method.
Es ist ein ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass mit ihrer Hilfe die vollständige, flammenlose katalytische Oxidation von Kohlenwasserstoffen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, vorzugsweise bei 50 bis 400°C, bevorzugt 100 bis 350°C und insbesondere 150 bis 300°C durchgeführt werden kann. Die Abgase enthalten daher keine Kohlenwasserstoffe, insbesondere kein als Treibhausgas wirkendes Methan, sowie keine schädlichen Stickoxide (NOx) mehr, bzw. der Gehalt der Abgase an diesen schädlichen Stoffen liegt unterhalb der Nachweisgrenzen ihrer üblichen und bekannten qualitativen und quantitativen Nachweismethoden. It is a very particular advantage of the device according to the invention and of the process according to the invention that with their help the complete, flameless catalytic oxidation of hydrocarbons at comparatively low temperatures, preferably at 50 to 400 ° C, preferably 100 to 350 ° C and especially 150 to 300 ° C can be performed. The exhaust gases therefore contain no hydrocarbons, especially no methane acting as a greenhouse gas, and no harmful nitrogen oxides (NO x ) more, or the content of the exhaust gases to these harmful substances is below the detection limits of their usual and known qualitative and quantitative detection methods.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 anhand der Figuren 1 bis 13 beispielhaft erläutert. Bei den Figuren 1 bis 13 handelt es sich um schematische Darstellungen, die das Prinzip der Erfindung veranschaulichen sollen. Die Größenverhältnisse müssen daher auch nicht den in der Praxis angewandten Größenverhältnissen entsprechen. Die Figur 1 zeigt das Konstruktions- und Wirkungsprinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin die Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation über ein Wärmerohr elektrisch isoliert und wärmeleitend mit den heißen Seiten mindestens zweier TEE verbunden ist und die kalten Seiten der mindestens zwei TEE in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit jeweils mindestens einer Wärme ableitenden Vorrichtung oder Wärmesenke steht. The device 1 according to the invention will be explained below by way of example with reference to FIGS. 1 to 13. Figures 1 to 13 are schematic representations intended to illustrate the principle of the invention. The size ratios must therefore not correspond to the size ratios used in practice. 1 shows the construction and operation principle of a device 1 according to the invention, wherein the device for flameless catalytic oxidation via a heat pipe is electrically insulated and thermally conductively connected to the hot sides of at least two TEE and the cold sides of the at least two TEE in electrically insulating, thermally conductive Contact with at least one heat-dissipating device or heat sink is.
Die Figur 2 zeigt das Konstruktions- und Wirkungsprinzip einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin die Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation über ein Wärmerohr elektrisch isoliert und wärmeleitend mit den heißen Seiten mindestens zweier TEE verbunden ist und die kalten Seiten der mindestens zwei TEE in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit mindestens zwei weiteren Wärmerohren stehen, die die restliche Wärme zu jeweils mindestens einer Wärmesenke leiten. FIG. 2 shows the principle of construction and operation of another device 1 according to the invention, in which the apparatus for flameless catalytic oxidation is electrically insulated via a heat pipe and thermally conductively connected to the hot sides of at least two TEEs and the cold sides of the at least two TEEs are electrically insulated, thermally conductive contact with at least two others Heat pipes stand, which conduct the remaining heat to at least one heat sink.
Die Figur 3 zeigt das Konstruktions- und Wirkungsprinzip einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in monolithischer Bauweise, worin die Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen über ein Wärmerohr elektrisch isoliert und wärmeleitend mit den heißen Seiten mindestens zweier TEE verbunden ist und die kalten Seiten der mindestens zwei TEE in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt jeweils mit mindestens einer Wärmesenke stehen. Figure 3 shows the principle of construction and operation of a further device 1 according to the invention in monolithic construction, wherein the device for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons via a heat pipe is electrically insulated and thermally conductively connected to the hot sides of at least two TEE and the cold sides of at least two TEE are in electrically insulating, thermally conductive contact each with at least one heat sink.
Die Figur 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3, worin die heißen Seiten von vier TEE in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit einem Wärmerohr und die kalten Seiten der TEE in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit jeweils mindestens einer Wärmesenke stehen. Figure 4 shows a section along the line AA through the inventive device 1 according to Figure 3, wherein the hot sides of four TEE in thermally conductive, electrically insulating contact with a heat pipe and the cold sides of the TEE in thermally conductive, electrically insulating contact with each stand at least one heat sink.
Die Figur 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie B-B durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3, worin der die thermische Energie aufnehmende Bereich des Wärmerohres im Reaktionsraum der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit mindestens einem gasdurchlässigen Katalysatorträger in thermischem Kontakt steht. FIG. 5 shows a section along the line B-B through the device 1 according to the invention, according to FIG. 3, in which the thermal energy absorbing region of the heat pipe is in thermal contact with at least one gas-permeable catalyst support in the reaction space of the apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons.
Die Figur 6 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Längsschnittes durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 im Bereich der Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit mindestens drei parallel zueinander angeordneten, gasdurchlässigen Katalysatorträgern, die den die thermische Energie aufnehmenden Bereich des Wärmerohres konzentrisch umgeben. FIG. 6 shows an enlarged section of the longitudinal section through the device 1 according to the invention in the area of the apparatus for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons with at least three gas-permeable catalyst carriers surrounding the thermal energy-receiving region of the heat pipe concentrically.
Die- Figur 7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Bereichs des gasdurchlässigen Katalysatorträgers gemäß der Figur 6 mit einem Gasdurchlass. FIG. 7 shows an enlarged section of a region of the gas-permeable catalyst support according to FIG. 6 with a gas passage.
Die Figur 8 zeigt einen weiteren vergrößerten Ausschnitt eines Bereichs des gasdurchlässigen Katalysatorträgers gemäß der Figur 7 mit der katalytischen Oberfläche. Die Figur 9 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Befestigungsbereichs des Wärmerohrs der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3. Die Figur 10 zeigt einen weiteren vergrößerten Ausschnitt des Befestigungsbereichs des Wärmerohrs der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3. Die Figur 11 zeigt die Seitenansicht des Wärmerohrs der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 in Blickrichtung auf die Befestigungsflansche und den Durchbruch. FIG. 8 shows a further enlarged section of a region of the gas-permeable catalyst support according to FIG. 7 with the catalytic surface. FIG. 9 shows an enlarged detail of the fastening region of the heat pipe of the device 1 according to the invention according to FIG. 3. FIG. 10 shows a further enlarged detail of the fastening region of the heat pipe of the device 1 according to the invention according to FIG. 3. FIG. 11 shows the side view of the heat pipe of the device 1 according to the invention according to FIG. 3 in the direction of the mounting flanges and the opening.
Die Figur 12 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin ein Wirbelschichtreaktor mit Zyklon zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen verwendet wird. FIG. 12 shows a further advantageous embodiment of the device 1 according to the invention, in which a fluidized-bed reactor with cyclone is used for the flameless catalytic oxidation of hydrocarbons.
Figur 13 zeigt eine Vorrichtung zur flammenlosen, katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, worin der Reaktionsraum mindestens einen makroporösen Sinterkörper enthält. FIG. 13 shows a device for the flameless, catalytic oxidation of hydrocarbons, wherein the reaction space contains at least one macroporous sintered body.
In den Figuren 1 bis 13 haben die Bezugszeichen die folgende Bedeutung: In FIGS. 1 to 13, the reference symbols have the following meaning:
1 Erfindungsgemäße Vorrichtung zur direkten Umwandlung von thermischer 1 Device according to the invention for direct conversion of thermal
Energie in elektrische Energie  Energy into electrical energy
2 Vorrichtung zur flammenlosen katalytischen Oxidation von 2 Apparatus for flameless catalytic oxidation of
Kohlenwasserstoffen  hydrocarbons
2.1 Reaktionsraum  2.1 reaction space
2.2 Gaseinlass  2.2 gas inlet
2.3 Reaktionsgase 2.3 reaction gases
2.4 Gasauslass  2.4 Gas outlet
2.5 Abgase  2.5 exhaust gases
2.6 Wandung des Reaktionsraums  2.6 Wall of the reaction space
2.7 gasdurchlässiger Katalysatorträger  2.7 gas-permeable catalyst support
2.8 Gasdurchlass 2.8 Gas passage
2.9 hindurch strömende Gase  2.9 passing gases
2.10 Katalysatorschicht  2.10 catalyst layer
2.10.1 Trägerschicht  2.10.1 Carrier layer
2.10.2 katalytisch wirksame Nanopartikel  2.10.2 Catalytically active nanoparticles
2.11 Wirbelschichtbett 2.11 fluidized bed
2.11.1 makroporöse Partikel mit katalytisch wirksamen Nanopartikeln 2.12 ausgetragene und zurück geführte makroporöse Partikel2.11.1 macroporous particles with catalytically active nanoparticles 2.12 discharged and returned macroporous particles
2.13 Trennzone 2.13 Separation zone
2.14 makroporöser Sinterkörper  2.14 macroporous sintered body
2.14.1 Poren 2.14.1 pores
2.14.2 scheibenförmiger, makroporöser Sinterkörper 2.14.2 disc-shaped, macroporous sintered body
2.14.3 Gasverteiler  2.14.3 Gas distributor
3 Wärmerohr 3 heat pipe
3a, 3b Wärmerohre 3a, 3b heat pipes
3.1 Verbindungsbereich 3.1 connection area
3a.1 , 3b.1 Verbindungsbereiche  3a.1, 3b.1 connection areas
3.2 Wandung  3.2 wall
3a.2, 3b.2 Wandungen 3a.2, 3b.2 walls
3.3 thermische Energie aufnehmender Bereich  3.3 thermal energy absorbing area
3a.3, 3b.3 thermische Energie aufnehmende Bereiche 3a.3, 3b.3 thermal energy absorbing areas
3.4 thermische Energie abgebender Bereich  3.4 thermal energy emitting area
3a.4, 3b.4 thermische Energie abgebende Bereiche 3a.4, 3b.4 thermal energy emitting areas
3.5, Befestigungsflansch 3.5, mounting flange
3a.5, 3b.5 Befestigungsflansche  3a.5, 3b.5 mounting flanges
3.6 winkelförmige Strebe 3.6 angular strut
3a.6, 3b.6 winkelförmige Streben  3a.6, 3b.6 angular struts
3c.6, 3d.6 winkelförmige Streben  3c.6, 3d.6 angular struts
4 thermoelektrisches Element (TEE) 4 thermoelectric element (TEE)
4a, 4b thermoelektrische Elemente (TEE) 4a, 4b thermoelectric elements (TEE)
4c, 4d thermoelektrische Elemente (TEE)  4c, 4d thermoelectric elements (TEE)
4.1 heiße Seite des TEE  4.1 hot side of the TEE
4a.1 , 4b.1 heiße Seiten der TEE  4a.1, 4b.1 hot sides of the TEE
4c.1 , 4d.1 heiße Seiten der TEE  4c.1, 4d.1 hot sides of the TEE
4.2 kalte Seite des TEE 4.2 cold side of the TEE
4a.2, 4b.2 kalte Seiten der TEE  4a.2, 4b.2 cold sides of the TEE
4c.2, 4d.2 kalte Seiten der TEE  4c.2, 4d.2 cold sides of the TEE
5 Wärmesenke 5 heat sink
5a, 5b Wärmesenken 5a, 5b heat sinks
5c, 5d Wärmesenken 5a.1 , 5b.1 Blöcke aus wärmeleitendem Material 5c, 5d heat sinks 5a.1, 5b.1 blocks of thermally conductive material
5c.1 , 5d.1 Blöcke aus wärmeleitendem Material  5c.1, 5d.1 blocks of thermally conductive material
5a.2, 5b.2 Kanäle für wärmeabsorbierendes Fluid  5a.2, 5b.2 channels for heat-absorbing fluid
5c.2, 5d.2 Kanäle für wärmeabsorbierendes Fluid  5c.2, 5d.2 channels for heat-absorbing fluid
5a.3, 5b.3 Verbindungsrohre 5a.3, 5b.3 connecting pipes
5c.3, 5d.3 Verbindungsrohre  5c.3, 5d.3 connecting pipes
5.4 Fluid  5.4 Fluid
6 elektrischer Anschluss 6 electrical connection
6a, 6b elektrische Anschlüsse 6a, 6b electrical connections
7 wärmeisolierendes Material 7 heat-insulating material
8 Zündvorrichtung 8 ignition device
8.1 erhitzte Katalysatorbleche 2.7 8.1 heated catalyst plates 2.7
9 strömendes Fluid 9 flowing fluid
10 elektrisch leitfähige Dichtung 10 electrically conductive seal
10a, 10b elektrisch leitfähige Dichtungen 10a, 10b electrically conductive seals
10c, 10d elektrisch leitfähige Dichtungen  10c, 10d electrically conductive seals
1 1 elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schicht 1 1 electrically insulating, thermally conductive layer
1 1a, 1 1 b elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten 1 1a, 1 1 b electrically insulating, thermally conductive layers
1 1c, 1 1 d elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten 1 1c, 1 1 d electrically insulating, thermally conductive layers
11.1 strukturierte Oberfläche  11.1 structured surface
11 a.1 , 1 1 b.1 strukturierte Oberflächen  11 a.1, 1 1 b.1 structured surfaces
1 1 c.1 , 1 1d.1 strukturierte Oberflächen 12 elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schicht  1 1 c.1, 1 1d.1 structured surfaces 12 electrically insulating, thermally conductive layer
12a, 12b elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten  12a, 12b electrically insulating, thermally conductive layers
12c, 12d elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten  12c, 12d electrically insulating, thermally conductive layers
13 elektrisch und thermisch isolierendes Verankerungsteil für mindestens eine Befestigungsvorrichtung 14 elektrisch und thermisch isolierendes Verankerungsteil für mindestens eine Befestigungsvorrichtung 14 sowie winkelförmige, elektrisch und thermisch isolierende Verbindungsteile zwischen zwei elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteilen 13 electrically and thermally insulating anchoring part for at least one fastening device 14th electrically and thermally insulating anchoring part for at least one fastening device 14 and angular, electrically and thermally insulating connecting parts between two electrically and thermally insulating anchoring parts
winkelförmige, elektrisch und thermisch isolierende Verbindungsteile 13 zwischen zwei elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteilen 13  angular, electrically and thermally insulating connecting parts 13 between two electrically and thermally insulating anchoring parts 13
Schraube screw
Schraubenkopf  screw head
Unterlegscheibe  washer
Gewinde  thread
Senkschraubenkopf  Senkschraubenkopf
Durchbohrung mit Innengewinde  Through hole with internal thread
Zyklon cyclone
Rückführungsvorrichtung  Recirculation device
Abgasleitung  exhaust pipe
Abgase erste Schnittlinie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zweite Schnittlinie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1  Exhaust gases first section line through the device 1 according to the invention second section line through the device 1 according to the invention
Längsachse der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 Die Figur 1 veranschaulicht das allgemeine Konstruktions- und Funktionsprinzip anhand eines Längsschnitts durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1.  Longitudinal axis of the device 1 according to the invention. FIG. 1 illustrates the general construction and functional principle on the basis of a longitudinal section through the device 1 according to the invention.
Über die Einlassvorrichtung 2.2 wurden die Reaktionsgase 2.3, vorliegend Luft und Erdgas, dem Reaktionsraum 2.1 der Wärmequelle 2 zugeführt. Das Verhältnis von Luft zu Erdgas wurde hier und bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen so eingestellt, dass das Erdgas vollständig oxidiert, d.h. verbrannt, werden konnte. Der Reaktionsraum 2.1 wurde von der Wandung 2.6 gas- und fluiddicht umschlossen. In dem Reaktionsraum 2.1 wurde das Erdgas mithilfe des Luftsauerstoffs an einem Katalysator vollständig flammenlos bei 250°C oxidiert. Die Abgase 2.5 der Oxidation, vorliegend Kohlendioxid, Wasser und unverbrauchte Luft, wurden über die Auslassvorrichtung 2.4 aus dem Reaktionsraum 2.1 geleitet. Der Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3, der die von der Wärmequelle 2 gelieferte thermische Energie aufnahm, ragte in den Reaktionsraum 2.1 hinein. Das Wärmerohr 3 wurde von der gas- und fluiddichten Wandung 3.2 vollständig umschlossen. Durch die aufgenommene thermische Energie wurde die arbeitende Flüssigkeit des Wärmerohrs 3, vorliegend Wasser, verdampft und über den verbindenden Bereich 3.1 dem die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 zugeführt. Dort kondensierte die arbeitende Flüssigkeit auf den heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 der beiden TEE 4a und 4b. Die aufgenommene thermische Energie floss von den beiden heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 zu den beiden kalten Seiten 4a.2 und 4b.2 und erzeugte dabei in den TEE 4a und 4b eine Spannung, die an den beiden elektrischen Anschlüssen 6a und 6b abgegriffen werden konnte. Die restliche thermische Energie wurde dann von den kalten Seiten 4a.2 und 4b.2 den beiden Wärmesenken 5a und 5b zugeführt. Die Figur 2 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip einer bevorzugten Ausführungsform anhand eines Längsschnitts durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1. The reaction gases 2.3, in the present case air and natural gas, were fed to the reaction space 2.1 of the heat source 2 via the inlet device 2.2. The ratio of air to natural gas has been adjusted here and in the embodiments described below so that the natural gas could be completely oxidized, ie burned. The reaction space 2.1 was surrounded by the wall 2.6 gas and fluid-tight. In the reaction space 2.1, the natural gas was oxidized by means of atmospheric oxygen to a catalyst completely flameless at 250 ° C. The exhaust gases 2.5 of the oxidation, in the present case carbon dioxide, water and unused air, were passed out of the reaction space 2.1 via the outlet device 2.4. The region 3.3 of the heat pipe 3, which received the thermal energy supplied by the heat source 2, projected into the reaction space 2.1. The heat pipe 3 was completely enclosed by the gas- and fluid-tight wall 3.2. As a result of the absorbed thermal energy, the working liquid of the heat pipe 3, in the present case water, was vaporized and fed via the connecting region 3.1 to the region 3.4 which gives off the thermal energy. There, the working liquid condensed on the hot sides 4a.1 and 4b.1 of the two TEEs 4a and 4b. The absorbed thermal energy flowed from the two hot sides 4a.1 and 4b.1 to the two cold sides 4a.2 and 4b.2, thereby generating in the TEEs 4a and 4b a voltage applied to the two electrical terminals 6a and 6b could be tapped. The remaining thermal energy was then supplied from the cold sides 4a.2 and 4b.2 to the two heat sinks 5a and 5b. FIG. 2 illustrates the construction and operating principle of a preferred embodiment with reference to a longitudinal section through the device 1 according to the invention.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 2 wies die Vorrichtung 2 zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Methan ebenfalls eine Einlassvorrichtung 2.2 aus Edelstahl für Luft und Erdgas als Reaktionsgase 2.3 auf. In dem von der Wandung 2.6 aus Edelstahl umschlossenen Reaktionsraum 2.1 wurde das Erdgas bei 250°C durch den Luftsauerstoff vollständig flammenlos katalytisch oxidiert. Die Abgase wurden über die Auslassvorrichtung 2.4 aus Edelstahl aus dem Reaktionsraum 2.1 abgeleitet. Die von der Wärmequelle 2 gelieferte thermische Energie wurde von dem thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3 aufgenommen. Die Wandung 3.2 des Wärmerohrs 3 bestand aus Kupfer und war 3 mm stark. Das Wärmerohr 3 enthielt eine aus elektrisch isolierenden Keramikfasern gebildete Kapillarstruktur (nicht wiedergegeben). Als arbeitende Flüssigkeit wurde Wasser verwendet. Die Betriebstemperatur des Wärmerohrs 3 lag bei 250°C. In the apparatus 1 according to the invention according to FIG. 2, the apparatus 2 for the flameless catalytic oxidation of methane likewise has an inlet device 2.2 made of stainless steel for air and natural gas as reaction gases 2.3. In the reaction chamber 2.1 enclosed by the wall 2.6 of stainless steel, the natural gas was catalytically oxidized completely flamelessly at 250 ° C. by the atmospheric oxygen. The exhaust gases were discharged via the outlet device 2.4 stainless steel from the reaction chamber 2.1. The thermal energy supplied by the heat source 2 was received by the thermal energy absorbing portion 3.3 of the heat pipe 3. The wall 3.2 of the heat pipe 3 was made of copper and was 3 mm thick. The heat pipe 3 contained a capillary structure formed of electrically insulating ceramic fibers (not shown). Water was used as working liquid. The operating temperature of the heat pipe 3 was 250 ° C.
Die aufgenommene thermische Energie wurde über den in einem Winkel von 90°gebogenen Verbindungsbereich 3.1 durch die arbeitende Flüssigkeit dem die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 zugeführt. Dort kondensierte das Wasser auf den beiden heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 der beiden TEE 4a und 4b. Als. TEE 4a und 4b wurden bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 2 zwei Thermosäulen aus TEE in "eggcrate' -Konfiguration (Eierkarton- Konfiguration) verwendet, wie sie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993, Seite 2, letzter Absatz, bis Seite 15, letzter Absatz, in Verbindung mit den Figuren 1A bis 14 und 27 beschrieben werden. Insbesondere wurden die Module Hi-Z 20, der Firma Hi-Z Technology, Inc., USA, in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1 verwendet. The absorbed thermal energy was supplied via the bent at an angle of 90 ° connecting portion 3.1 by the working liquid to the thermal energy-emitting area 3.4. There, the water condensed on the two hot sides 4a.1 and 4b.1 of the two TEEs 4a and 4b. When. TEE 4a and 4b have been used in the embodiment of the inventive device 1 according to the figure 2, two thermopile TEE in 'eggcrate' configuration (egg-box configuration), as described for example in International Patent Application WO 97/44993, page 2, last paragraph to page 15, last paragraph, in connection with Figures 1A to 14 and 27. In particular, the modules Hi-Z 20, Hi-Z Technology, Inc., USA, were used in the devices 1 according to the invention.
Beide Thermosäulen 4a und 4b wiesen elektrische Anschlüsse 6a und 6b auf. Both thermopiles 4a and 4b had electrical terminals 6a and 6b.
Ihre kalten Seite 4a.2 und 4b.2 waren von jeweils einer elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht 11a und 11b aus Aluminiumnitrid bedeckt. Die Schichten 11a und 11 b bildeten die Kontaktflächen mit den die restliche thermische Energie aufnehmenden Bereichen 3a.3 und 3b.3 der beiden in einem Winkel von 90° gebogenen Wärmerohre 3a. und 3b mit den Wandungen 3a.2 und 3b.2. Diese Wärmerohre wiesen den gleichen Aufbau wie das Wärmerohr 3 auf. Their cold sides 4a.2 and 4b.2 were each covered by an electrically insulating, thermally conductive layer 11a and 11b of aluminum nitride. The layers 11a and 11b formed the contact surfaces with the remaining thermal energy absorbing portions 3a.3 and 3b.3 of the two bent at an angle of 90 ° heat pipes 3a. and 3b with the walls 3a.2 and 3b.2. These heat pipes had the same structure as the heat pipe 3.
Die aufgenommene restliche thermische Energie wurde über die beiden Übergangsbereiche 3a.1 und 3b.1 zu den die thermische Energie aufnehmenden Bereichen 3a.4 und 3b.4 geleitet. Diese standen in thermischem Kontakt mit den beiden Wärmesenken 5a und 5b. The recorded residual thermal energy was conducted via the two transitional regions 3a.1 and 3b.1 to the thermal energy absorbing regions 3a.4 and 3b.4. These were in thermal contact with the two heat sinks 5a and 5b.
Die Wärmesenken 5a und 5b bestanden aus massiven Aluminiumblöcken, die Kanäle für wärmeabsorbierende Fluide, vorliegend VE-Wasser, enthielten (nicht wiedergegeben). The heat sinks 5a and 5b were made of solid aluminum blocks containing channels for heat-absorbing fluids, here deionized water (not shown).
Die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der Figur 2 war bis auf die beiden Wärmesenken von einem wärmeisolierenden Material 7 umhüllt. Als wärmeisolierendes Material 7 wurde Glasschaum verwendet. Anhand der Ausführungsform gemäß der Figur 2 konnte gezeigt werden, dass es die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in besonders vorteilhafter Weise gestattete, die wesentlichen Komponenten räumlich beliebig anzuordnen, ohne die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu beeinträchtigen. Die Figur 3 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anhand ihres Längsschnitts längs ihrer Längsachse L. Die Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 hatte einen besonders vorteilhaften kompakten Aufbau. Luft und Erdgas wurden als Reaktionsgase 2.3 über die Einlassvorrichtung 2.2 aus Edelstahl in den Reaktionsraum 2.1 der Vorrichtung 2 für die flammenlose katalytische Oxidation geleitet. Der Reaktionsraum 2.1 war von einer zylindrischen Wand 2.6 aus 4 mm starken Edelstahl vollständig gas- und fluiddicht umschlossen. Die Abgase 2.5· wurden über die Auslassvorrichtung 2.4 aus dem Reaktionsraum 2.1 geleitet. Der Durchmesser des Reaktionsraums 2.1 lag durchgehend bei 10 cm, seine Höhe bei 15 cm. The entire apparatus 1 according to the invention according to FIG. 2 was enveloped by a heat-insulating material 7 except for the two heat sinks. As the heat-insulating material 7 glass foam was used. On the basis of the embodiment according to FIG. 2, it has been shown that the device 1 according to the invention allowed in a particularly advantageous manner the spatial arrangement of the essential components without impairing the function of the device 1 according to the invention. FIG. 3 illustrates the principle of construction and operation of another preferred embodiment of the device 1 according to the invention on the basis of its longitudinal section along its longitudinal axis L. The device 1 according to FIG. 3 had a particularly advantageous compact construction. Air and natural gas were passed as reaction gases 2.3 via the stainless steel inlet device 2.2 into the reaction chamber 2.1 of the apparatus 2 for flameless catalytic oxidation. The reaction space 2.1 was completely enclosed gas-tight and fluid-tight by a cylindrical wall 2.6 made of 4 mm thick stainless steel. The exhaust gases 2.5 · were led out of the reaction space 2.1 via the outlet device 2.4. The diameter of the reaction chamber 2.1 was continuously at 10 cm, its height at 15 cm.
Der Reaktionsraum enthielt mehrere paralie) zueinander und übereinander angeordnete gasdurchlässige Katalysatorträger 2.7 aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung in konzentrischer Anordnung um den die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3. Sie wiesen einen Durchmesser von 9,9 cm, einen kreisförmigen Umriss, eine Stärke von 2 mm und in ihrer Mitte eine die Wandung 3.2 des Wärmerohrs 3 umlaufende Bohrung auf. Sie standen zur Längsachse L in einem Winkel von 90°. Sie waren so angeordnet, dass ihre Kanten weder die Wandung 3.2 des Wärmerohrs 3 noch die Wandung 2.6 der Wärmequelle 2 berührten. Der oberste gasdurchlässige Katalysatorträger 2.7 war unterhalb der Auslassrichtung 2.4 angeordnet, so dass sich im oberen Bereich des Reaktionsraums 2.1 eine offene Zone befand, die die bessere Ableitung der Reaktionsgase 2.5 gestattete. Die Katalysatorträger 2.7 wurden in dieser Anordnung von einem Gestänge gehalten (nicht wiedergegeben). The reaction space contained a plurality of paralyzed catalyst supports 2.7 of an iron-chromium-aluminum alloy arranged concentrically around the thermal energy absorbing portion 3.3 of the heat pipe 3. They had a diameter of 9.9 cm, a circular outline , a thickness of 2 mm and in the middle of a wall 3.2 of the heat pipe 3 circumferential bore. They stood to the longitudinal axis L at an angle of 90 °. They were arranged so that their edges touched neither the wall 3.2 of the heat pipe 3 nor the wall 2.6 of the heat source 2. The uppermost gas-permeable catalyst support 2.7 was arranged below the outlet direction 2.4, so that in the upper region of the reaction space 2.1 an open zone was located, which allowed better dissipation of the reaction gases 2.5. The catalyst supports 2.7 were held in this arrangement by a linkage (not shown).
Im unteren Bereich des Reaktionsraums 2.1 waren unterhalb des unteren Endes des Wärmerohrs 3 aber oberhalb der Einlassvorrichtung 2.2 mehrere gasdurchlässige Katalysatorträger 8.1 angeordnet, die im Wesentlichen wie die Katalysatorträger aufgebaut und angeordnet waren, nur dass sie in ihrer Mitte keine Bohrung aufwiesen. Stattdessen waren sie mit einer Zündvorrichtung 8 verbunden, mit deren Hilfe die Katalysatorträger 8.1 auf die Zündtemperatur für die in den Reaktionsraum 2.1 einströmenden Reaktionsgase 2.3 gebracht wurden. Nach dem Starten der flammenlosen katalysierten Oxidation des Erdgases lief diese im gesamten Reaktionsraum 2.1 ohne die Zufuhr von Energie von außen sich selbst erhaltend ab, weswegen die Zündvorrichtung 8 abgeschaltet werden konnte. In the lower region of the reaction chamber 2.1, a plurality of gas-permeable catalyst supports 8.1 were arranged below the lower end of the heat pipe 3 but above the inlet device 2.2, which were constructed and arranged substantially like the catalyst supports, except that they had no bore in their middle. Instead, they were connected to an ignition device 8, by means of which the catalyst supports 8.1 were brought to the ignition temperature for the reaction gases 2.3 flowing into the reaction space 2.1. After starting the flameless catalyzed oxidation of natural gas, this ran throughout the entire reaction space 2.1 without the Supply of energy from the outside self-sustaining, so the ignition device 8 could be turned off.
Die Katalysatorträger 2.7 und 8.1 wiesen enge schlitzförmige Gasdurchlässe 2.8 auf (vgl. die Figur 5). Weitere Details der Katalysatorträger 2.7 finden sich in den Figuren 6 bis 8. The catalyst supports 2.7 and 8.1 had narrow slot-shaped gas passages 2.8 (see FIG. 5). Further details of the catalyst supports 2.7 can be found in FIGS. 6 to 8.
Der die thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3 war in dem Reaktionsraum 2.1 in den mittigen Bohrungen der gasdurchlässigen Katalysatorträger zentriert angeordnet. Oberhalb des Reaktionsraums 2.1 schloss sich der Verbindungsbereich 3.1 des Wärmerohrs 3 an, durch den die aufgenommene thermische Energie mithilfe der arbeitenden Flüssigkeit in den die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 transportiert wurde. Die Bereiche 3.1 und 3.3 waren zusammen 20 cm lang und wiesen einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 3 cm auf. Die Stärke der Wandung 3.2 aus Kupfer betrug 3 mm. Die Bereiche 3.1 , 3.3 und 3.4 waren mit einer aus elektrisch isolierenden Keramikfasern gebildeten Kapillarstruktur gefüllt (nicht wiedergegeben). The thermal energy absorbing portion 3.3 of the heat pipe 3 was arranged centered in the reaction chamber 2.1 in the central bores of the gas-permeable catalyst carrier. Above the reaction space 2.1 was followed by the connection area 3.1 of the heat pipe 3, through which the absorbed thermal energy was transported by means of the working liquid in the thermal energy emitting area 3.4. The areas 3.1 and 3.3 were together 20 cm long and had a circular cross section with a diameter of 3 cm. The thickness of the wall 3.2 made of copper was 3 mm. The areas 3.1, 3.3 and 3.4 were filled with a capillary structure formed from electrically insulating ceramic fibers (not shown).
An das obere Ende des Verbindungsbereichs 3.1 schloss sich der die thermische Energie abgebende Bereich 3.4 des Wärmerohrs 3 an. Die obere, kreisförmige Öffnung des Verbindungsbereichs 3.1 war in der Mitte des Bodens des die thermische Energie abgebenden Bereichs 3.4 angeordnet. Der Bereich 3.4 selbst wies eine quaderförmige Geometrie mit quadratischem Querschnitt mit den folgenden Kantenlängen: Höhe: 10 cm; Breite: 8 cm; auf. Am oberen Ende und am Boden des Bereichs 3.4 ging die Wandung 3.2 in die umlaufenden Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 über (zu weiteren Details vgl. die Figuren 4, 9 und 10). Die Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 waren vertikal zu der horizontal verlaufenden Wandung 3.2 am Ende und am Boden des Bereichs 3.4 angeordnet und wiesen eine vertikale Höhe von 2 cm auf. At the upper end of the connecting region 3.1, the thermal energy emitting region 3.4 of the heat pipe 3 followed. The upper, circular opening of the connection area 3.1 was located in the middle of the bottom of the thermal energy emitting area 3.4. The area 3.4 itself had a cuboid geometry with square cross section with the following edge lengths: height: 10 cm; Width: 8 cm; on. At the upper end and at the bottom of the region 3.4, the wall 3.2 merged into the peripheral fastening flanges 3a.5 and 3b.5 (for further details see FIGS. 4, 9 and 10). The mounting flanges 3a.5 and 3b.5 were arranged vertically to the horizontally extending wall 3.2 at the end and at the bottom of the area 3.4 and had a vertical height of 2 cm.
Die Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 waren auf ihren gesamten Seitenflächen in vollflächig planarem Kpntakt mit einem umlaufenden, massiven, elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteil 13 (vgl. die Schnitte: 13a und 13b) für Schrauben 14 (zu weiteren Details vgl. die Figuren 9 und 10). Die Verankerungsteile 13a und 13b wiesen einen rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe von 3 cm auf. Ihrer Breite war jeweils gleich der Dicke der TEE 44a und 4b plus die Stärke der elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 12a und 12b. Die oberen und unteren Oberflächen der Verankerungsteile 13a und 13b schlössen bündig mit den oberen bzw. unteren Oberflächen der umlaufenden Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 ab, so dass die gegenüberliegenden Enden jeweils 0,5 cm in die Durchbrüche in der Wandung 3.2 hineinragten. Die Verankerungsteile 13a und 13b waren aus PTFE gefertigt. The mounting flanges 3a.5 and 3b.5 were on their entire side surfaces in full surface planar Kpntakt with a circumferential, solid, electrically and thermally insulating anchoring part 13 (see the sections: 13a and 13b) for screws 14 (for further details see FIGS. 9 and 10). The anchoring parts 13a and 13b had a rectangular cross section with a height of 3 cm. Their width was equal to the thickness of the TEE 44a and 4b plus the thickness of the electrically insulating, thermally conductive layers 12a and 12b. The upper and lower surfaces of the anchoring parts 13a and 13b are flush with the upper and lower surfaces of the peripheral mounting flanges 3a.5 and 3b.5, respectively, so that the opposite ends each protrude 0.5 cm into the openings in the wall 3.2. The anchoring parts 13a and 13b were made of PTFE.
Die Wandung 3.2 des Bereichs 3.4 wies vier zentriert angeordnete rechteckige Durchbrüche der Abmessungen: Höhe: 10 cm; Breite 6 cm; auf, so dass die Wandung 3.2 des Bodens des Bereichs 3.4 mit der Wandung 3.2 seines oberen Endes über vier vertikale, 10 cm lange, winkelförmige Streben 3.6 (nicht wiedergegeben; vgl. hierzu die Figur 4) miteinander verbunden waren. Die vier winkelförmigen Streben 3.6 waren somit integraler Bestandteil der Wandung 3.2. The wall 3.2 of the area 3.4 had four centered rectangular openings of dimensions: height: 10 cm; Width 6 cm; so that the wall 3.2 of the bottom of the area 3.4 was connected to the wall 3.2 of its upper end by means of four vertical, 10 cm long, angle-shaped struts 3.6 (not shown, see FIG. The four angular struts 3.6 were thus an integral part of the wall 3.2.
Im Bereich der Kanten der rechteckigen Durchbrüche waren die elektrisch leitfähigen, gas- und fluiddichten Dichtungen 10a und 10b auf der Basis von kupfergefülltem Polydimethylsiloxan (PDMS) angeordnet, die den die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 nach außen hin abdichteten. Sie schlössen bündig mit der Oberfläche der elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteile 13a und 3b und mit den Kanten der elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 11a und 11b auf der Basis von PDMS, die die heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 der TEE 4a und 4b bedeckten, ab. In dieser Weise war gewährleistet, dass die TEE nicht in elektrischen Kontakt mit der Wandung 3.2 und den Dichtungen 10a und 10b treten konnten. In the region of the edges of the rectangular openings, the electrically conductive, gas-tight and fluid-tight seals 10a and 10b were arranged on the basis of copper-filled polydimethylsiloxane (PDMS), which sealed the thermal energy-releasing region 3.4 to the outside. They are flush with the surface of the electrically and thermally insulating anchoring parts 13a and 3b and with the edges of the electrically insulating thermally conductive layers 11a and 11b on the basis of PDMS comprising the hot sides 4a.1 and 4b.1 of the TEEs 4a and 3b 4b covered, off. In this way, it was ensured that the TEEs could not make electrical contact with the wall 3.2 and the gaskets 10a and 10b.
Die elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 11a und 1 1b wiesen auf ihren Oberflächen, die dem Inneren des Bereichs 3.4 zugekehrt waren, strukturierte Oberflächen 11a.1 und 11 b.1 aus thermisch leitfähigen Nanopartikeln auf. The electrically insulating, thermally conductive layers 11a and 11b had on their surfaces, which were facing the interior of the region 3.4, structured surfaces 11a.1 and 11b.1 of thermally conductive nanoparticles.
Die elektrischen Leitungen, die die TEE 4a und 4b mit den elektrischen Anschlüssen 6a und 6b verbanden, wurden durch die oberen Verankerungsteile 13a und 13b geführt. The electric wires connecting the TEEs 4a and 4b to the electric terminals 6a and 6b were passed through the upper anchoring parts 13a and 13b.
Die kalten Seiten 4a.2 und 4b.2 waren mit den elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 12a und 12b aus Aluminiumnitrid bedeckt. Diese standen in direktem Kontakt mit den Wärmesenken 5a und 5b. Diese wurden von Aluminiumblöcken 5a.1 und 5b.2, die Kanäle 5a.2 und 5b.2 für zirkulierendes Wasser als wärmeabsorbierende Fluid aufwiesen, gebildet. Bis auf die Wärmesenken 5a und 5b waren alle Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 mit Glasschaum 7 thermisch isoliert. The cold sides 4a.2 and 4b.2 were covered with the electrically insulating, thermally conductive layers 12a and 12b of aluminum nitride. These were in direct contact with the heat sinks 5a and 5b. These were formed by aluminum blocks 5a.1 and 5b.2, which had channels 5a.2 and 5b.2 for circulating water as heat-absorbing fluid. Except for the heat sinks 5a and 5b, all components of the device 1 according to the invention according to FIG. 3 with glass foam 7 were thermally insulated.
Die Vorrichtung der Figur 3 war kompakt, robust, lagerfähig, transportfähig, betriebssicher und von langer Betriebsdauer. Die Ausbeute an elektrischen Strom was signifikant höher als bei entsprechenden Vorrichtungen des Standes der Technik. Desgleichen war die Nutzung der von der Wärmequelle 2 gelieferten thermischen Energie besonders effektiv. The device of Figure 3 was compact, robust, storable, transportable, reliable and long service life. The yield of electric current was significantly higher than corresponding prior art devices. Likewise, the use of the thermal energy supplied by the heat source 2 was particularly effective.
Die Figur 4 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 anhand des Schnittes längs der Linie A-A in Figur 3. FIG. 4 illustrates the principle of construction and operation of the preferred embodiment of the device 1 according to the invention according to FIG. 3 with reference to the section along the line A-A in FIG. 3.
Wie vorstehend beschrieben, öffnete sich das obere Ende des Verbindungsbereichs 3.1 des Wärmerohrs 3 zu dem die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4. As described above, the upper end of the connecting portion 3.1 of the heat pipe 3 opened to the thermal energy releasing portion 3.4.
Der die thermische Energie abgebende Bereich 3.4 wurde hauptsächlich von den vier elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 11a, 11b, 11c und 11d begrenzt, die in die vier Durchbrüche durch die Wandung eingepasst waren und bündig an die elektrisch leitfähigen Dichtungen 10a, 10b, 10c und 10d und die heißen Seiten 4a.1 , 4b.1 , 4c.1 und 4d.1 anstießen. Die Schichten 11a, 11 b, 11c und 11d trugen auf ihrer dem Innenraum des Bereichs 3.4 zugewandten Oberfläche die strukturierten Oberflächen 11a,1 , 11b.1 , 11c.1 und 11d.1. The thermal energy dissipating region 3.4 was mainly limited by the four electrically insulating, thermally conductive layers 11a, 11b, 11c and 11d, which were fitted in the four openings through the wall and flush with the electrically conductive seals 10a, 10b, 10c and 10d and the hot sides 4a.1, 4b.1, 4c.1 and 4d.1 abut. The layers 11a, 11b, 11c and 11d carried on their surface facing the interior of the region 3.4 the structured surfaces 11a, 1, 11b.1, 11c.1 and 11d.1.
Die Dichtungen 10a, 10b, 10c und 10d waren so gestaltet, dass jede Dichtung 10a, 10b, 10c und 10d an die innere Oberfläche der vertikalen, winkelförmigen Streben und an die Kanten zweier benachbarter elektrisch isolierender, thermisch leitfähiger Schichten 11a, 11b, 11c und 11d bündig anschloss. The gaskets 10a, 10b, 10c and 10d were designed such that each gasket 10a, 10b, 10c and 10d abuts the inner surface of the vertical, angular struts and the edges of two adjacent electrically insulating, thermally conductive layers 11a, 11b, 11c and 11c 11d flushed.
Längs jeder winkelförmigen Strebe 3a.6, 3b.6, 3c.6 und 3d.6 war ein massives, winkelförmiges, thermisch und elektrisch isolierendes Verbindungsteil 13a, 13b, 13c und 13d zwischen den zwei Verankerungsteilen 13a und 13b, die die Befestigungsflansche 3a.5 und 3b.5 umschlossen, passgenau angeordnet. Die Verbindungsteile 13a, 13b, 13c und 13d bestanden wie die zwei Verankerungsteile 13a und 13b aus PTFE. Die aneinander anstoßenden Oberflächen der beiden Verbindungsteile 13a, 13b, 13c und 13d und der zwei Verankerungsteile 13a und 13b wiesen Zapfen und komplementäre Vertiefungen zur Steigerung der mechanischen Festigkeit der Anordnung auf (nicht wiedergegeben). Along each angle-shaped strut 3a.6, 3b.6, 3c.6 and 3d.6 was a solid, angular, thermally and electrically insulating connecting part 13a, 13b, 13c and 13d between the two anchoring parts 13a and 13b, which are the mounting flanges 3a. 5 and 3b.5 enclosed, accurately arranged. The connecting parts 13a, 13b, 13c and 13d, like the two anchoring parts 13a and 13b, were made of PTFE. The abutting surfaces of the two connecting parts 13a, 13b, 13c and 13d and the two anchoring parts 13a and 13b had pegs and complementary ones Recesses to increase the mechanical strength of the arrangement on (not shown).
Die Verbindungsteile 13a, 13b, 13c und 13d stießen bündig und passgenau an die Seitenflächen der TEE 4a, 4b, 4c und 4d. Die Stärke der Verbindungsteile 13a, 13b, 13c und 13d entsprach genau der Stärke der TEE 4a, 4b, 4c und 4d. The connecting parts 13a, 13b, 13c and 13d were flush and fit to the side surfaces of the TEEs 4a, 4b, 4c and 4d. The strength of the connecting parts 13a, 13b, 13c and 13d corresponded exactly to the thickness of the TEE 4a, 4b, 4c and 4d.
Die kalten Seiten 4a.2, 4b.2, 4c.2 und 4d.2 waren mit den elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten 12a, 12b, 12c und 12d bedeckt. Sie leiteten den Rest der durch die TEE 4a, 4b, 4c und 4d hindurch geleiteten thermische Energie in die Wärmesenken 5a, 5b, 5c und 5d, die aus massiven Aluminiumblöcken 5a.1 , 5b.1 , 5c.1 und 5d.1 bestanden. Diese enthielten die Kanäle 5a.2, 5b.2, 5c.2 und 5d.2 für das zirkulierende Wasser 5.4. Die Verbindung dieser Kanäle von Wärmesenke zu Wärmesenke wurde durch die Verbindungsrohre 5a.3, 5b.3, 5c.3 und 5d.3 hergestellt. Sie bestanden aus einem thermisch isolierenden Kunststoff. Die Kanäle 5a.2, 5b.2, 5c.2 und 5d.2 und die Verbindungsrohre 5a.3, 5b.3, 5c.3 und 5d.3 waren so angeordnet, dass das Wässer 5.4 in einer Spirale durch die Wärmesenken geführt werden konnte. Der Einlauf des Wassers 5.4 befand sich am oberen Bereich einer der Wärmesenken 5 und der Auslauf des erhitzten Wassers 5.4 am unteren Bereich derselben oder einer anderen Wärmesenke 5. The cold sides 4a.2, 4b.2, 4c.2 and 4d.2 were covered with the electrically insulating, thermally conductive layers 12a, 12b, 12c and 12d. They conducted the remainder of the thermal energy conducted through the TEEs 4a, 4b, 4c and 4d into the heat sinks 5a, 5b, 5c and 5d, which consisted of solid aluminum blocks 5a.1, 5b.1, 5c.1 and 5d.1 , These contained the channels 5a.2, 5b.2, 5c.2 and 5d.2 for the circulating water 5.4. The connection of these channels from heat sink to heat sink was made through the connecting pipes 5a.3, 5b.3, 5c.3 and 5d.3. They consisted of a thermally insulating plastic. The channels 5a.2, 5b.2, 5c.2 and 5d.2 and the connecting pipes 5a.3, 5b.3, 5c.3 and 5d.3 were arranged so that the water 5.4 guided in a spiral through the heat sinks could be. The inlet of the water 5.4 was located at the upper part of one of the heat sinks 5 and the outlet of the heated water 5.4 at the lower part of the same or another heat sink 5.
Die Figur 5 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 anhand des Schnittes längs der Linie B-B in Figur 3. FIG. 5 illustrates the principle of construction and operation of the preferred embodiment of the device 1 according to the invention in accordance with FIG. 3 with reference to the section along the line B-B in FIG. 3.
Der die thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des Wärmerohrs 3 mit der Wandung 3.2 war in dem von der Wandung 2.6 umschlossenen Reaktionsraum 2.1 der Wärmequelle 2 mittig angeordnet und stand in thermischem Kontakt mit dem gasdurchlässigen Katalysatorträger 2.7. Der thermische Katalysatorträger 2.7 bestand aus einer Aluminium-Eisen-Chrom-Legierung und wies schlitzförmige Gasdurchlässe 2.8 auf. Die Wandung 2.6 war von dem wärmeisolierenden Material 7 umgeben. The thermal energy absorbing portion 3.3 of the heat pipe 3 with the wall 3.2 was centrally located in the enclosed by the wall 2.6 reaction space 2.1 of the heat source 2 and was in thermal contact with the gas-permeable catalyst support 2.7. The thermal catalyst carrier 2.7 consisted of an aluminum-iron-chromium alloy and had slit-shaped gas passages 2.8. The wall 2.6 was surrounded by the heat-insulating material 7.
Die Figuren 6 bis 8 veranschaulichen das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 anhand von vergrößerten Ausschnitten ihres Schnittes längs der Längsachse L in Figur 3. Die Figur 6 zeigt ausschnittsweise das wärmeisolierende Material 7, die Wärmequelle 2 mit der Wandung 2.6, den Reaktionsraum 2.1 , den gasdurchlässigen Katalysatorträger 2.7 mit den Gasdurchlässen 2.8, durch die die Reaktionsgase 2.9 strömten, das Wärmerohr 3 mit der Wandung 3.2 und dem die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3. FIGS. 6 to 8 illustrate the principle of construction and operation of the preferred embodiment of the device 1 according to the invention in accordance with FIG. 3 with the aid of enlarged sections of its section along the longitudinal axis L in FIG. 3. FIG. 6 shows a detail of the heat-insulating material 7, the heat source 2 with the wall 2.6, the reaction space 2.1, the gas-permeable catalyst support 2.7 with the gas passages 2.8, through which the reaction gases 2.9 flowed, the heat pipe 3 with the wall 3.2 and the thermal energy receiving area 3.3.
Die Figur 7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Anordnung gemäß der Figur 6 mit dem Gasdurchlass 2.8 eines gasdurchlässigen Katalysatorträgers 2.7. Die Oberfläche des Katalysatorträgers war mit der Katalysatorschicht 2.10 vollständig bedeckt. Die Katalysatorschicht 2.10 bestand aus einer Trägerschicht 2.10.1 , die Wesentlichen aus Aluminiumoxid aufgebaut war. Die Oberfläche der Trägerschicht 2.10.1 war mit TEOOS hydrophobiert und nach dem Auftragen der katalytisch wirksamen Pd@Ce02-Nanopartikel calciniert worden. Die Figur 8 zeigt den vergrößerten Ausschnitt der Anordnung gemäß der Figur 7 mit der Katalysatorschicht 2.10, die aus der Trägerschicht 2.10.1 und den katalytisch wirksamen Nanopartikeln 2.10.2 bestand. Bei den Nanopartikeln 2.10.2 handelte es sich um Pd@Ce02 gemäß dem Artikel von M. Cargnello, J. J. Delgado Jaen, J. C. ernändez Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, J. J. Calvino Gämez, R. J. Gorte und P. Fornasiero, „Exceptional Activity for Methane Combustion over Modular Pd@CeÜ2 Subunits on Functionalized Al203", in Science, Band 337, Seiten 713 bis 717, 2012. FIG. 7 shows an enlarged section of the arrangement according to FIG. 6 with the gas passage 2.8 of a gas-permeable catalyst support 2.7. The surface of the catalyst support was completely covered with the catalyst layer 2.10. The catalyst layer 2.10 consisted of a carrier layer 2.10.1, which was essentially composed of aluminum oxide. The surface of the carrier layer 2.10.1 was hydrophobicized with TEOOS and calcined after the application of the catalytically active Pd @ CeO 2 nanoparticles. FIG. 8 shows the enlarged section of the arrangement according to FIG. 7 with the catalyst layer 2.10, which consisted of the carrier layer 2.10.1 and the catalytically active nanoparticles 2.10.2. The nanoparticles 2.10.2 were Pd @ Ce02 according to the article by M. Cargnello, JJ Delgado Jaen, JC ernändez Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, JJ Calvino Gämez, RJ Gorte and P. Fornasiero, "Exceptional Activity for Methane Combustion over Modular Pd @ Ce2 Subunits on Functionalized Al 2 0 3 ", in Science, Vol. 337, pp. 713-717, 2012.
Die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas mittels Luft wurde durch die Pd@Ce02-Nanopartikel 2.10.2 hervorragend katalysiert, so dass die Reaktion schon bei 250°C vollständig ablief. The flameless catalytic oxidation of natural gas by air was excellently catalyzed by the Pd @ Ce02 nanoparticles 2.10.2, so that the reaction was complete even at 250 ° C.
Die Figuren 9 und 10 veranschaulichen das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 anhand von vergrößerten Ausschnitten ihres Schnittes längs der Längsachse L in Figur 3. Figures 9 and 10 illustrate the construction and operation principle of the preferred embodiment of the device 1 according to the invention according to the figure 3 with reference to enlarged sections of its section along the longitudinal axis L in Figure 3.
Die Figuren 9 und 10 zeigen Ausschnitte mit einem TEE 4 mit der heißen Seite 4.1 und der kalten Seite 4.2. Die heiße Seite 4.1 war von der elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht 11 bedeckt. Diese wies die strukturierte Oberfläche 11.1 auf. Die Kante der Schicht 11 stieß an die elektrisch leitfähige Dichtung 10 an. Die kalte Seite 4.2 des TEE war von der elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht 12 bedeckt. An diese schloss sich die Wärmesenke 5 mit dem massiven Aluminiumsblock 5.1 und den Kanälen 5.2 für das zirkulierende Wasser an (nur in der Figur 9 wiedergegeben). FIGS. 9 and 10 show sections with a TEE 4 with the hot side 4.1 and the cold side 4.2. The hot side 4.1 was covered by the electrically insulating, thermally conductive layer 11. This had the structured surface 11.1. The edge of the layer 11 abutted the electrically conductive seal 10. The cold side 4.2 of the TEE was covered by the electrically insulating, thermally conductive layer 12. At this was followed by the heat sink 5 with the massive aluminum block 5.1 and the channels 5.2 for the circulating water (reproduced only in FIG. 9).
Die Seitenfläche des TEE war passgenau mit dem massiven, elektrisch und thermisch isolierenden Verankerungsteil 13 verbunden. Durch dieses liefen die elektrischen Leitungen von der Seitenfläche des TEE zu dem elektrischen Anschluss 6. The side surface of the TEE was accurately connected to the solid, electrically and thermally insulating anchoring part 13. Through this, the electric wires ran from the side surface of the TEE to the electric terminal 6.
Das massive, elektrisch und thermisch isolierende Verankerungsteil 13 stieß in seinem unteren Bereich passgenau an die Kante der Dichtung 10 und an den die heiße Oberfläche 4.2 überragenden Bereich der Schicht 11 an. An ihrer der Wärmesenke 5 gegenüberliegende Seitenfläche war sie mit dem Befestigungsflansch 3.5 der Wandung 3.2.des Wärmerohrs 3 verbunden. The solid, electrically and thermally insulating anchoring part 13, in its lower region, fitted precisely to the edge of the seal 10 and to the region of the layer 11 projecting beyond the hot surface 4.2. At its heat sink 5 opposite side surface, it was connected to the mounting flange 3.5 of the wall 3.2.des the heat pipe 3.
Die Verbindung wurde mit einer durch die Durchbohrung mit Innengewinde 14.5 geführte, ein Gewinde 14.3 aufweisende Schraube 14, die in das Verankerungsteil 13 geschraubt worden war, bewerkstelligt. Bei der Ausführungsform der Figur 9 wurde eine Schraube 14 mit Schraubenkopf 14.1 und einer Unterlegscheibe 14.2 verwendet. Bei der Ausführungsform der Figur 9 wurde eine Schraube 14 mit einem Senkschraubenkopf 14.4 verwendet. The connection was made with a through the through hole with internal thread 14.5 out, a threaded 14.3 having screw 14, which had been screwed into the anchoring part 13, accomplished. In the embodiment of FIG. 9, a screw 14 with a screw head 14.1 and a washer 14.2 was used. In the embodiment of Figure 9, a screw 14 was used with a countersunk head 14.4.
Die Figur 11 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 anhand der Seitenansicht des Wärmerohrs 3 Das Wärmerohr 3 wies die Wandung 3.2 mit dem die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 und dem Verbindungsbereich 3.1 auf. Die Wandung 3.2 wies im Bereich des die thermische Energie abgebenden Bereichs 3.4 mittig einen rechteckigen Durchbruch der Abmessungen: Höhe: 10 cm; Breite: 6 cm; auf, der die elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schicht 11 und die umlaufende elektrisch leitfähige Dichtung 10 aufnahm. Oberhalb und unterhalb des Durchbruchs ging die Wandung 3.2 in die beiden vertikalen Befestigungsflansche 3.5 mit den Durchbohrungen 14.5 mit Innengewinde zur Aufnahme der Schrauben 14 über. Links und rechts des Durchbruchs waren die vertikalen winkelförmigen Streben 3.6 angeordnet, die gleichfalls in die vertikalen Befestigungsflansche 3.5 übergingen. Die zu dem sichtbaren Durchbruch gehörenden Seiten der vertikalen winkelförmigen Streben 3.6 hatten eine Höhe von 10 cm und eine Breite von 1 cm. Die Figur 12 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anhand ihres Längsschnitts FIG. 11 illustrates the construction and operating principle of the preferred embodiment of the inventive device 1 according to FIG. 3 with the side view of the heat pipe 3. The heat pipe 3 had the wall 3.2 with the thermal energy absorbing area 3.3 and the connection area 3.1. The wall 3.2 had in the area of the thermal energy emitting area 3.4 centered a rectangular breakthrough in the dimensions: height: 10 cm; Width: 6 cm; auf, which received the electrically insulating, thermally conductive layer 11 and the circumferential electrically conductive seal 10. Above and below the breakthrough, the wall went 3.2 in the two vertical mounting flanges 3.5 with the through holes 14.5 with internal thread for receiving the screws 14 on. To the left and right of the aperture, the vertical angular struts 3.6 were arranged, which also merged into the vertical mounting flanges 3.5. The visible sides of the vertical angled struts 3.6 had a height of 10 cm and a width of 1 cm. FIG. 12 illustrates the principle of construction and operation of another preferred embodiment of the device 1 according to the invention on the basis of its longitudinal section
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der Figur 12 wies einen Wirbelschichtreaktor 2 mit einer Länge von 25 cm, einer 5 mm starken Wandung 2.6 aus Edelstahl und einem kreisförmigen Querschnitt auf. In seinem unteren Bereich verjüngte sich die Wandung 2.6 auf einer Länge von 3 cm zu dem Gaseinlass 2.2 für die Reaktionsgase 2.3 hin. Von dem oberen Ende des unteren Bereichs verlief die Wandung 2.6 auf einer Länge von 18 cm senkrecht nach oben, so dass in diesem Bereich der Reaktionsraum 2.1 einen konstanten Querschnitt von 13 cm hatte. Am oberen Ende dieses Bereichs verbreiterte sich der Querschnitt des Reaktionsraums auf einer Länge von 4 cm auf maximal 16 cm. Dieser verbreiterte Bereich des Reaktionsraums diente als Trennzone 2.13, worin der größte Teil der vom Gasstrom 2.9 mitgerissenen, mit katalytisch wirksamen Nanopartikeln 2.10.2 beladenen, meso- und/oder makroporösen Partikel 2.11.1 vom Gasstrom 2.9 abgekoppelt wurden und wieder in das Wirbelschichtbett 2.11 zurückfielen. In diesem Bereich befand sich auch der Gasauslass 2.4 für die Abgase 2.5. Der Gasauslass 2.4 war mit einem Zyklon 15 aus Edelstahl verbunden, worin die ausgetragenen meso- und/oder makroporösen Partikel 2.1 1.1 aus der Gasphase abgeschieden und über die Rückführungsvorrichtung 15.1 dem unteren Bereichs des Reaktionsraums 2.1 oberhalb der Zündvorrichtung 8, 8.1 wieder dem Wirbelschichtbett 2.11 zugeführt wurden. Die Abgase 15.3 des Zyklons 15 wurden über die Abgasleitung 15.2 abgeleitet. The inventive device 1 according to FIG. 12 had a fluidized bed reactor 2 with a length of 25 cm, a 5 mm thick wall 2.6 made of stainless steel and a circular cross section. In its lower region, the wall 2.6 rejuvenated over a length of 3 cm towards the gas inlet 2.2 for the reaction gases 2.3. From the upper end of the lower region, the wall 2.6 ran vertically upwards over a length of 18 cm, so that in this region the reaction space 2.1 had a constant cross section of 13 cm. At the upper end of this range, the cross-section of the reaction space widened over a length of 4 cm to a maximum of 16 cm. This widened region of the reaction space served as separation zone 2.13, in which the majority of the gas stream 2.9 entrained, loaded with catalytically active nanoparticles 2.10.2, meso and / or macroporous particles 2.11.1 were decoupled from the gas stream 2.9 and back into the fluidized bed 2.11 fell back. In this area was also the gas outlet 2.4 for the exhaust 2.5. The gas outlet 2.4 was connected to a cyclone 15 made of stainless steel, wherein the discharged meso and / or macroporous particles 2.1 1.1 separated from the gas phase and fed via the recirculation device 15.1 the lower portion of the reaction chamber 2.1 above the igniter 8, 8.1 again the fluidized bed 2.11 were. The exhaust gases 15.3 of the cyclone 15 were discharged via the exhaust pipe 15.2.
Die meso- und/oder makroporösen Partikel 2.11.1 aus Aluminiumoxid wiesen eine enge monomodale Verteilung und eine mit Laserstreuung ermittelte mittlere Partikelgröße von 500 pm und eine mittlere Porengröße von 100 nm auf. Sie waren mit TEOOS hydrophobiert, mit Pd@Ce02-Nanopartikeln 2.10.2 beladen und anschließend calciniert worden. The meso and / or macroporous particles of alumina 2.11.1 had a narrow monomodal distribution and a mean particle size of 500 μm determined by laser scattering and an average pore size of 100 nm. They were hydrophobicized with TEOOS, loaded with Pd @ Ce02 nanoparticles 2.10.2, and then calcined.
Unterhalb des Wirbelschichtbetts 2.11 und dem Ende des die thermische Energie aufnehmenden Bereichs 3.3 des Wärmerohrs 3 war die Zündvorrichtung 8 mit erhitzten, gasdurchlässigen Katalysatorblechen 2.7 angeordnet. Die gasdurchlässigen Katalysatorbleche 2.7 dienten auch als Gasverteiler. Die Zündvorrichtung 8 wurde nur so lange betrieben, bis die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas durch Luft im Wirbelschichtbett 2.11 des Reaktionsraums 2.1 sich selbst erhaltend ablief. Below the fluidized bed 2.11 and the end of the thermal energy absorbing portion 3.3 of the heat pipe 3, the ignition device 8 was arranged with heated, gas-permeable catalyst sheets 2.7. The gas-permeable catalyst plates 2.7 also served as a gas distributor. The igniter 8 was just like that long operated until the flameless catalytic oxidation of natural gas by air in the fluidized bed 2.11 of the reaction chamber 2.1 was self-sustaining.
Im Reaktionsraum 2.1 war der die thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des geschlossenen Wärmerohrs 3 mittig angeordnet. Der die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 war 18 cm lang. Das geschlossene Wärmerohr 3 wies eine Wandung 3.2 von 3 mm und einen kreisförmigen Querschnitt von 3 cm auf. Im seinem Inneren befand sich ein Geflecht aus Kupferfasern als Docht für die arbeitende Flüssigkeit Wasser (nicht wiedergegeben). In the reaction space 2.1, the thermal energy absorbing area 3.3 of the closed heat pipe 3 was arranged centrally. The thermal energy absorbing area 3.3 was 18 cm long. The closed heat pipe 3 had a wall 3.2 of 3 mm and a circular cross-section of 3 cm. Inside was a braid of copper fibers as a wick for the working liquid water (not reproduced).
Am oberen Ende des Wirbelschichtreaktors 2 schloss sich der 3 cm lange Verbindungsbereich 3.1 zwischen dem die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 und dem 10 cm langen, die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 an. Der die thermische Energie abgebende Bereich 3.4 war von TEE umgeben (wiedergegeben sind die TEE 4a und 4b). Zwischen ihren heißen Seiten 4a.1 und 4b.1 und der Wandung 3.2 befanden sich elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten (nicht wiedergegeben). Die kalten Seiten 4a.2 und 4b.2 der TEE 4a und 4b waren über elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten 12 (nicht wiedergegeben) mit den Wärmesenken 5a und 5b verbunden. At the upper end of the fluidized bed reactor 2, the 3 cm long connection area 3.1 between the thermal energy absorbing area 3.3 and the 10 cm long, the thermal energy emitting area 3.4 followed. The thermal energy donating region 3.4 was surrounded by TEE (TEE 4a and 4b are shown). Between their hot sides 4a.1 and 4b.1 and the wall 3.2 were electrically insulating, thermally conductive layers (not shown). The cold sides 4a.2 and 4b.2 of the TEEs 4a and 4b were connected to the heat sinks 5a and 5b via electrically insulating thermally conductive layers 12 (not shown).
Von den oberen seitlichen Enden der TEE 4a und 4b führten elektrische Leitungen durch das isolierende Material 7 aus Glasschaum zu den elektrischen Anschlüssen 6a und 6b. Zwischen dem oberen Ende des Wirbelschichtreaktors 2 und den TEE 4a und 4b befand sich ebenfalls Glasschaum 7, wodurch auch der Verbindungsbereich 3.1 thermisch isoliert war. Ansonsten war der gesamte Wirbelschichtreaktor 2 von Glasschaum 7 umgeben, wobei nur die Einlassvorrichtung 2.2 und die Auslassvorrichtung 2.4 nicht isoliert waren. Die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas mittels Luft wurde auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 12 durch die Pd@Ce02-Nanopartikel 2.10.2 hervorragend katalysiert, so dass die Reaktion schon bei 250°C vollständig ablief. From the upper side ends of the TEEs 4a and 4b, electric wires led through the insulating material 7 made of glass foam to the electric terminals 6a and 6b. Glass foam 7 was also located between the upper end of the fluidized-bed reactor 2 and the TEEs 4a and 4b, as a result of which the connection region 3.1 was also thermally insulated. Otherwise, the entire fluidized bed reactor 2 was surrounded by glass foam 7, with only the inlet device 2.2 and the outlet device 2.4 were not isolated. The flameless catalytic oxidation of natural gas by means of air was also excellently catalyzed by the Pd @ CeO 2 nanoparticles 2.10.2 in the device 1 according to the invention as shown in FIG. 12, so that the reaction was complete even at 250 ° C.
Die Figur 3 veranschaulicht das Konstruktions- und Funktionsprinzip noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anhand eines Ausschnitts aus ihrem Längsschnitt Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 13 wies das gleiche geschlossene Wärmerohr 3 mit der Wandung 3.2, dem die thermische Energie abgebenden Bereich 3.4 und dem die thermische Energie aufnehmenden Bereich 3.3 auf wie die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß Figur 12. Ebenso waren die TEE 4, die Wärmesenken 5 sowie der Glasschaum 7 in diesem Bereich ebenso angeordnet wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 12. FIG. 3 illustrates the design and operating principle of yet another preferred embodiment of the device 1 according to the invention on the basis of a detail from its longitudinal section The embodiment of the device 1 according to the invention according to FIG. 13 had the same closed heat pipe 3 with the wall 3.2, the thermal energy emitting area 3.4 and the thermal energy absorbing area 3.3 like the device 1 according to the invention as shown in FIG 4, the heat sinks 5 and the glass foam 7 are arranged in this area as well as in the device 1 according to the invention according to FIG. 12.
Die Wärmequelle 2 war insgesamt 25 cm lang und wies auf eine Strecke von 21 cm einen kreisrunden Querschnitt von 15 cm auf. Ihre Wandung 2.6 bestand aus Edelstahl und war 5 mm stark. In ihrem unteren Bereich verjüngte sich die Wandung 2.6 auf einer Strecke von 3 cm zu der Einlassvorrichtung 2.2 aus Edelstahl für die Reaktionsgas 2.3 hin. Die Auslassvorrichtung 2.4 aus Edelstahl für die Abgase 2.5 befand sich am horizontalen oberen Ende der Wandung 2.6. The heat source 2 was a total of 25 cm long and had a circular section of 15 cm over a distance of 21 cm. Its wall 2.6 was made of stainless steel and was 5 mm thick. In its lower region, the wall 2.6 tapered over a distance of 3 cm to the inlet device 2.2 made of stainless steel for the reaction gas 2.3 out. The exhaust device 2.4 made of stainless steel for the exhaust gases 2.5 was located at the horizontal upper end of the wall 2.6.
Der die thermische Energie aufnehmende Bereich 3.3 des geschlossenen Wärmerohrs 3 war mittig in dem Reaktionsraum 2.1 der Wärmequelle 2 angeordnet. Der freie Reaktionsraum 2.1 war auf einer Strecke von 20 cm mit dem rohrförmigen, makroporösen Sinterkörper 2.14 aus mit TEOOS hydrophobiertem und gesintertem Aluminiumoxid ausgefüllt. Der Sinterkörper 2.14 wies Poren 2.14.1 einer mittleren Porengröße von 400 nm auf, in die Pd@Ce02-Nanopartikel 2.10.2 eingelagert worden waren. Oberhalb des oberen Endes des Sinterkörpers 2.14 blieb der Reaktionsraum 2.1 auf einer Strecke von 1 cm frei, um die Ableitung der Abgase 2.5 zu erleichtern. Unterhalb des Endes des geschlossenen Wärmerohrs 3 war ein scheibenförmiger, makroporöser Sinterkörper 2.14.2 der gleichen Zusammensetzung angeordnet. Er wies einen kreisrunden Querschnitt von 9,8 cm und eine Stärke von 1 cm auf und war mit der Zündvorrichtung 8 verbunden, mit dem der scheibenförmige, makroporöse Sinterkörper 2.14.2 bis zum Eintritt der sich selbst erhaltenden flammenlosen katalytischen Oxidation von Erdgas durch Luft auf die Zündtemperatur erhitzt werden wurde. The thermal energy absorbing region 3.3 of the closed heat pipe 3 was arranged centrally in the reaction space 2.1 of the heat source 2. The free reaction space 2.1 was filled over a distance of 20 cm with the tubular, macroporous sintered body 2.14 made of TEOOS hydrophobicized and sintered alumina. The sintered body 2.14 had pores 2.14.1 with a mean pore size of 400 nm, into which Pd @ Ce02 nanoparticles 2.10.2 had been incorporated. Above the upper end of the sintered body 2.14, the reaction space 2.1 remained free over a distance of 1 cm in order to facilitate the discharge of the exhaust gases 2.5. Below the end of the closed heat pipe 3, a disk-shaped macroporous sintered body 2.14.2 of the same composition was arranged. It had a circular cross-section of 9.8 cm and a thickness of 1 cm and was connected to the igniter 8, with which the disk-shaped, macroporous sintered body 2.14.2 until the onset of self-sustaining flameless catalytic oxidation of natural gas by air the ignition temperature was heated.
In dem sich zur Einlassvorrichtung 2.2 hin verjüngenden Bereich der Wandung 2.6 war noch ein gasdurchlässiges Edelstahlblech 2.14.3 als Gasverteiler angeordnet. In the region of the wall 2.6 tapering towards the inlet device 2.2, a gas-permeable stainless steel sheet 2.14.3 was still arranged as a gas distributor.
Die flammenlose katalytische Oxidation von Erdgas mittels Luft wurde auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 13 durch die Pd@Ce02-Nanopartikel 2.10.2 hervorragend katalysiert, so dass die Reaktion schon bei 250°C vollständig ablief. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der Figur 13 erwies sich in der Praxis als besonders robust, mechanisch stabil, lagerfähig, transportfähig und einfach und sicher im Betrieb und wies eine besonders lange Betriebsdauer auf. The flameless catalytic oxidation of natural gas by means of air was also excellently catalyzed by the Pd @ CeO 2 nanoparticles 2.10.2 in the device 1 according to the invention as shown in FIG. 13, so that the reaction was complete even at 250 ° C. The inventive device 1 according to the figure 13 proved in practice to be particularly robust, mechanically stable, storable, transportable and easy and safe in operation and had a particularly long service life.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (1) zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, umfassend als Wärmequelle mindestens eine Vorrichtung (2) zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit mindestens einem Reaktionsraum (2.1), mindestens einer Einlassvorrichtung (2.2) für ein Gas oder ein Gasgemisch (2.3), mindestens einer Auslassvorrichtung (2.4) für die Abgase (2.5) und eine Wandung (2.6), als Überträger thermischer Energie mindestens ein Wärmerohr (3) mit einem Verbindungsbereich (3.1), einer fluiddichten Wand (3.2), einem thermische Energie aufnehmenden Bereich (3.3) und einem thermische Energie abgebenden Bereich (3.4), mindestens ein thermoelektrisches Element (4) mit elektrischen Anschlüssen (6) und mindestens eine Wärmesenke (5), wobei 1. Device (1) for direct conversion of thermal energy into electrical energy, comprising as a heat source at least one device (2) for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons having at least one reaction space (2.1), at least one inlet device (2.2) for a gas or a Gas mixture (2.3), at least one outlet device (2.4) for the exhaust gases (2.5) and a wall (2.6), as a transmitter thermal energy at least one heat pipe (3) with a connection region (3.1), a fluid-tight wall (3.2), a thermal Energy receiving area (3.3) and a thermal energy emitting area (3.4), at least one thermoelectric element (4) with electrical connections (6) and at least one heat sink (5), wherein
- das mindestens eine Wärmerohr (3) mit seinem thermische Energie aufnehmenden Bereich (3.3) in wärmeleitendem Kontakt mit der mindestens einen Vorrichtung (2) und mit seinem thermische Energie abgebenden Bereich (3.4) in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit der heißen Seite (4.1) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) steht und wobei die der heißen Seite (4.1) gegenüber liegende, kalte Seite (4.2) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) in wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Kontakt mit der mindestens einen Wärmesenke (5) steht. - The at least one heat pipe (3) with its thermal energy absorbing portion (3.3) in heat-conducting contact with the at least one device (2) and with its thermal energy emitting area (3.4) in heat-conducting, electrically insulating contact with the hot side (4.1 ) of the at least one thermoelectric element (4) and wherein the hot side (4.1) opposite, cold side (4.2) of the at least one thermoelectric element (4) in thermally conductive, electrically insulating contact with the at least one heat sink (5) ,
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der die thermische Energie abgebende Bereich (3.4) des mindestens einen Wärmerohrs (3) im Bereich der heißen Seite (4.1) des mindestens einen thermoelektrischen ich Elements (4) einen Durchbruch (3.6) durch die Wandung (3.2) aufweist, so dass der Innenraum des mindestens einen Wärmerohrs (3) in direktem Kontakt mit der heißen Seite (4.1) steht. 2. Device (1) according to claim 1, characterized in that the thermal energy emitting area (3.4) of the at least one heat pipe (3) in the hot side (4.1) of the at least one thermoelectric I Element (4) has an opening (3.6) through the wall (3.2), so that the interior of the at least one heat pipe (3) is in direct contact with the hot side (4.1).
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Seite (4.1) d das Mutter es mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) im Bereich des Durchbruchs (3.6) durch die Wandung (3.2) des thermischer Energie abgebenden Bereichs (3.4) von einer elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schicht (11) bedeckt ist. 3. Device (1) according to claim 2, characterized in that the hot side (4.1) d the nut it at least one thermoelectric element (4) in the region of the opening (3.6) through the wall (3.2) of the thermal energy emitting area ( 3.4) is covered by an electrically insulating, thermally conductive layer (11).
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schicht (11) eine strukturierte Oberfläche (11.1) aufweist. 4. Device (1) according to claim 3, characterized in that the electrically insulating, thermally conductive layer (11) has a structured surface (11.1).
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Seite (4.2) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) über eine elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schicht (12) mit der Wärmesenke (5) verbunden ist. Device (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cold side (4.2) of the at least one thermoelectric element (4) via an electrically insulating, thermally conductive layer (12) is connected to the heat sink (5).
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) zur flammenlosen katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen in ihrem Reaktionsraum (2.1) mindestens eine Katalysatorschicht (2.10), umfassend mindestens eine Trägerschicht (2.10.1) und mindestens einen Typ katalytisch wirksamer Nanopartikel (2.10.2) auf mindestens einem gasdurchlässigen Katalysatorträger (2.7), oder ein Wirbelschichtbett (2.11), enthaltend mindestens einen Typ meso- und/oder makroporöser Partikel (2.11.1), enthaltend mindestens einen Typ katalytisch wirksamer Nanopartikel (2.10.2), oder mindestens einen meso- und/oder makroporösen Sinterkörper (2.14) mit Poren (2.14.1 ) einer mittleren Porenweite von 50 bis 1000 nm, enthaltend mindestens einen Typ katalytisch wirksamer Nanopartikel (2.10.2), enthält. Device (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the device (2) for flameless catalytic oxidation of hydrocarbons in their reaction space (2.1) at least one catalyst layer (2.10) comprising at least one carrier layer (2.10.1) and at least one type of catalytically active nanoparticles (2.10.2) on at least one gas-permeable catalyst support (2.7), or a fluidized bed (2.11) containing at least one type of meso and / or macroporous particles (2.11.1) containing at least one type catalytically more effective Nanoparticles (2.10.2), or at least one meso and / or macroporous sintered body (2.14) with pores (2.14.1) of an average pore size of 50 to 1000 nm, containing at least one type of catalytically active nanoparticles (2.10.2), contains.
Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch wirksamen Nanopartikel (2.10.2) mindestens ein Oxid, das aus der Gruppe, bestehend aus Scandiumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid, Titandioxid, Zircondioxid, Hafniumdioxid, Vanadiumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Manganoxid, Eisenoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Zinkoxid, Oxiden der Lanthanide, Oxiden der Actinide, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Strontiumoxid, Bariumoxid, Aluminiumoxid, Galliumoxid, Indiumoxid, Siliziumdioxid, Germaniumoxid, Zinnoxid, Antimonoxid, Bismutoxid, Zeolithen, Spinellen und Mischoxiden aus mindestens zwei der genannten Oxide, ausgewählt ist, sowie mindestens ein Metall, das aus der Gruppe, bestehend aus Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybän, Wolfram, Mangan, Rhenium, Eisen, Ruthenium, Osmium, Kobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber und Gold, ausgewählt ist, enthalten. Device (1) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the catalytically active nanoparticles (2.10.2) at least one oxide selected from the group consisting of scandium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, titanium dioxide, zirconium dioxide, hafnium dioxide, vanadium oxide, Niobium oxide, tantalum oxide, manganese oxide, iron oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, zinc oxide, oxides of lanthanides, oxides of actinides, magnesium oxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, aluminum oxide, gallium oxide, indium oxide, silicon dioxide, germanium oxide, tin oxide, antimony oxide, bismuth oxide, zeolites, Spinels and mixed oxides of at least two of said oxides, and at least one metal selected from the group consisting of vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, rhenium, iron, ruthenium, osmium, cobalt, rhodium , Iridium, nickel, palladium, platinum, copper, silver and gold.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Oxide hydrophob ist. Device (1) according to claim 7, characterized in that the surface of the oxides is hydrophobic.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die meso- und/oder makroporösen Partikel (2.11.1) aus Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid aufgebaut sind. Device (1) according to claim 6, characterized in that the meso and / or macroporous particles (2.11.1) are composed of silicon dioxide and / or aluminum oxide.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenwasserstoffe in dem Reaktionsgas (2.3) aus der Gruppe, bestehend aus Methan, Ethan, Propan, Butan, Isobutan, Pentan und seinen Isomeren, Hexan und seinen Isomeren, Cyclopentan und Cyclohexan, ausgewählt sind. Device (1) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the hydrocarbons in the reaction gas (2.3) from the group consisting of methane, ethane, propane, butane, isobutane, pentane and its isomers, hexane and its isomers, Cyclopentane and cyclohexane.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die flammenlose katalytische Oxidation im Reaktionsraum (2.1) bei 50 bis 400°C durchführbar ist. Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, bei dem die von mindestens einer Wärmequelle (2) gelieferte thermische Energie mithilfe mindestens eines Wärmerohrs (3) zu der heißen Seite (4.1) mindestens eines thermoelektrischen Elements (4) transportiert wird, durch die zugeführte thermische Energie in dem mindestens einen thermoelektrischen Element (4) eine elektrische Spannung erzeugt wird und die restliche zugeführte thermische Energie von der der heißen Seite (4.1) gegenüberliegenden kalten Seite (4.2) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) einer Wärmesenke (5) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man hierfür eine Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 verwendet. Device (1) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the flameless catalytic oxidation in the reaction space (2.1) at 50 to 400 ° C is feasible. Method for the direct conversion of thermal energy into electrical energy, in which the thermal energy supplied by at least one heat source (2) is transported by means of at least one heat pipe (3) to the hot side (4.1) of at least one thermoelectric element (4) supplied thermal energy in the at least one thermoelectric element (4) an electrical voltage is generated and the remaining supplied thermal energy from the hot side (4.1) opposite cold side (4.2) of the at least one thermoelectric element (4) of a heat sink (5) is supplied, characterized in that one uses for this purpose a device (1) according to one of claims 1 to 11.
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