DE1932087A1

DE1932087A1 - Thermogenerator

Info

Publication number: DE1932087A1
Application number: DE19691932087
Authority: DE
Inventors: Dieter Falkenberg; Josef Winkler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1969-06-25
Filing date: 1969-06-25
Publication date: 1971-01-14
Also published as: BE751971A; FR2051336A5; ES381094A1; US3719532A; NL7007969A

Description

Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator mit p- und n-leitenden ThermoelementschenkeIn, die zwischen heißen und kalten Wärmeaustauschern angeordnet sind, wobei wenigstens ein Teil der heißen Wärmeaustauscher in einer Brennkammer eines Gasbrenners liegen und durch die Verbrennungsgase beheizbar sind und die Brennkammer mit einem Abgaskanal versehen ist.

In Thermogeneratoren sind im allgemeinen viele Thermoelemente so vereinigt, daß jeweils ihre heißen oder kalten Lötstellen in einer Fläche, nämlich der Heiß- oder Kaltseite des Thermogenerators, liegen. Jedes Thermoelement besteht aus einem Thermoelementschenkelpaar mit je einem p- und η-leitenden Thermoelementschenkel aus thermoelektrisch wirksamen Material. Durch Kontaktbrücken aus elektrisch und thermisch leitendem Material werden die Thermoelementschenkel an ihrer Heiß- und Kaltseite so elektrisch leitend verbunden, daß alle Thermoelementschenkel elektrisch in Reihe und thermisch parallel liegen. Auf die Heiß- und auch auf die Kaltseite der Thermoelemente kann ein Wärmeaustauscher aufgesetzt sein, der durch' eine Schicht aus thermisch leitendem und elektrisch isolierendem Material von den Kontaktbrücken getrennt ist. Als Wärmeaustauscher können auch die Kontaktbrücken selbst dienen. Dabei entfällt die thermisch leitende und elektrisch isolierende Schicht und der Wärmewiderstand im Wärmestromweg über die Thermoelementschenkel ist besonders niedrig.

Der Wirkungsgrad eines Thermogenerators hängt u.a. von der thermoelektriechen Effektivität

, ² · er

ζ =

des Materials der Thermoelementschenkel ab, wobei <λ> die Thermokraft, β' die elektrische Leitfähigkeit und K- die thermische

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Leitfähigkeit des Materials ist. Über Gk , β"und K hängt die Effektivität ζ von der Temperatur T ab, der die Thermoelement-.schenkel ausgesetzt sind. Für jedes thermoelektrisch wirksame Material existiert ein Temperaturbereich, in dem die thermo-, ν elektrische Effektivität und damit der Wirkungsgrad des Thermogenerators optimal sind. In einem Thermogenerator muß daher die Heißseitentemperatur der Thermoelementschenkel so gewählt werden, daß die Thermoelementschenkel im optimalen Temperaturbereich des verwendeten thermoelektrisch wirksamen Materials liegen und damit der Wirkungsgrad des Thermogenerators bezüglich der Effektivität ζ optimiert ist.

Bei flammbeheizten Thermogeneratoren der eingangs genannten . · Art, die im Handel erhältlich sind, entsteht ein Temperaturgradient in der Brennkammer. Die Temperaturunterschiede zwischen heißester und kältester Stelle in der Brennkammer können bis zu. 15O⁰C betragen. Thermoelementschenkel, deren heiße Wärmeaustauscher in der Brennkammer angeordnet sind, ,sind daher untere ' schiedlichen Temperaturen ausgesetzt, und es finden sich nicht* alle Thermoelementschenkel im optimalen Temperaturbereicn'.^i;Hi^r:erdurch wird der Wirkungsgrad des Thermogenerators ungünstig^ l9eeinflußt.

Es besteht die Aufgabe, einen Thermogenerator .der.eingangs genannten Art so aufzubauen, daß die Temperatur in der Brennkammer möglichst gleichmäßig ist und der Wirkungsgrad des Thermogenerators von der Temperaturverteilung in der Brennkammer unbeein-i ·

flußt bleibt, ' ^! ■ ■: -r ^ :;;;·■ ---

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß durch. . Lage und Ausgestaltung des Abgaskanals die Stromrichtung der Verbrennungsgase in der Brennkammer umkehrbar ist und die Ver- , brennungsgase wenigstens teilweise gegenläufig über die heißen Wärmeaustauscher der Thermoelementschenkel führbar sind.

Gegenüber bekannten Thermogeneratoren tritt bei dem erfindungsgemäßen Thermogenerator nur ein maximaler Temperaturunterschied von 30⁰C in der Brennkammer auf. Dieser Temperaturunterschied bleibt auf die Anpassung des thermoelektrisch wirksamen Materials der Thermoelementschenkel und auf die geometrische

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Optimierung der Thermoelementschenkel praktisch ohne Einfluß und man erhält gegenüber bekannten flammbeheizten Thermogeneratoren eine Steigerung des Wirkungsgrades um einige Prozent.

Vorzugsweise ist im Abgaskanal ein Unterdruck gegenüber der Brennkammer erzeugbar. Hierzu kann im Abgaskanal eine öffnung zur Frischluftzufuhr vorgesehen sein. Vorteilhaft ist es, einen Gasbrenner mit katalytischer Verbrennung vorzusehen.

Der Gasbrenner kann stabförmig ausgebildet sein, die Brennkammer kann ein Hohlzylinder sein, der den Brenner umgibt, und der an dem Stabende geschlossen ist, 4as der Gaszufuhr des Gasbrenners gegenüber liegt. Am Brennerende, an dem die~ Gaszufuhr angeordnet ist, kann der Abgaskanal aus der Brennkammer herausgeleitet sein, und die heißen Wärmeaustauscher der Thermoelementschenkel können am Mantel des Hohlzylinders angeordnet sein.

Zur weiteren Vergrößerung des Wirkungsgrades können im Abzugskanal die heißen Wärmeaustauscher von Thermoelementschenkein angeordnet sein und das Material dieser Thermoelementschenkel kann seine optimale Effektivität bei einer niedrigeren Temperatur aufweisen als das Material der Thermoelementschenkel, deren heiße Wärmeaustauscher in der Brennkammer angeordnet sind. Die aus der Brennkammer abströmenden Verbrennungsgase besitzen noch eine große thermische Energie, die für die Stromerzeugung ungenutzt bleibt. Werden im Abgaskanal weitere Thermoelementschenkel angeordnet, deren thermoelektrisch wirksames Material an die gegenüber der Brennkammer tiefere Temperatur der Verbrennunsgase angepaßt ist, so wird auch die Wärmeenergie der Abgase ausgenutzt und der Wirkungsgrad des Thermogenerators weiter erhöht. Dabei können für die Thermoelementschenkel im Abzugskanal verschiedene thermoelektrisch wirksame Materialien zur Anpassung an den Temperaturabfall längs der Strömungsrichtung der Verbrennungsgase verwendet werden.

Das Material der Thermoelementschenkel, deren heiße Wärmeaustauscher in der Brennkammer angeordnet sind, kann eine GeSi- -Legierung oder PbTe sein. Das Material von Thermoelement- ' schenkein, deren heiße Wärmeaustauscher in dem Abgaskanal

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angeordnet sind, kann PtTe und/oder ein Mischkristall mit Bi₉Te, als einer Mischkristallkomponente sein. Der optimale Temperaturbereich von GeSi-Legierungen liegt zwischen 700 und 900⁰C, "bei PbTe liegt er zwischen 4OO und 50O⁰C und bei Mischkristallen mit BigTe,-liegt er zwischen 200 und 300⁰C. Thermoelementsehenkeln aus einer GeSi-Iegierung in der Brennkammer können also im Abzugskanal PbTe-Schenkel und anschließend Thermoelementschenkel aus Mischkristallen mit BipTe, nachgeschaltet sein, wobei die Thermoelementschenkel im Abzugskanal an Stellen anzuordnen sind, die im Temperaturbereich für die optimale Effektivität liegen.

Erfindungsgemäße Thermogeneratoren werden im folgenden an Hand ψ der Fig.1 bis 3 beispielhaft näher beschrieben. Dabei ist in Pig, 3 ein Ausführungsbeispiel mit Thermo element sehe nke In in der Wandung des Abzugskanals dargestellt. Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Pig.1 zeigt einen erfindungsgemäßen Thermogenerator im Schnitt. Der Thermogenerator ist in einem Gehäuse 1 eingebaut. Auf einer Tragplatte 2 des Gehäuses 1 ist der stabförmige Brenner 3 befestigt, dem über die Gaszuleitung 4 beispielsweise Flüssiggas zugeführt werden kann. Als Brenner 3 ist ein stabförmiger Brenner mit katalytischer Verbrennung geeignet. Der Brenner 3 ist in der Brennkammer 5 eines Hohlzylinders 6 angeordnet. Am Ende des Brenners 3, das der Gaszufuhr gegenüber liegt, ist der Hohlzylinder geschlossen. In der Wandung des Hohlzylinders 6 sind p- und η-leitende Thermoelementschenkel 7 angeordnet. Die Thermoelementschenkel sind durch Kontaktbrücken 8 und 9 elektrisch in Serie geschaltet. Pur den thermischen Wärmestrom liegen die Thermoelementschenkel 7 parallel. Die Kontaktbrücken 8 ragen in die Brennkammer 5 hinein und werden von den Verbrennungsgasen erhitzt. Der Hohlzylinder 6 ist Wärmeaustauscher für die Kontakt brücken 9. Auf den Hohlzylinder 6 sind außen Wärmeaus taue ehf ahnen 10 aufgesetzt. Zwischen den Kontaktbrücke 1 9 und dem Hohlzylinder 6 ist eine thermisch leitende und elektrisch isolierende Materialschicht zur elektrischen Isolation der Kontaktbrücken 9 vorgesehen. Diese Materialsehicht kann aus Aluminitunoxyd oder Berylliumoxyd

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hergestellt sein. Die Thermoelementschenkel 7 sind von. thermisch isolierendem Material 11 umgeben, um einen thermischen Kurzschluß der Thermoelementschenkel 7 zu vermeiden.

Aus der Brennkammer 5 sind Abzugskanäle 12 herausgeleitet.. Die Öffnungen für die Abzugskanäle 5 liegen benachbart dem Ende des Gasbrenners 3§ an dem das Flüssiggas zugeführt wird. Die Abgaskanäle 12 sind mit Öffnungen 13 versehen, über die Frischluft in die Abgaskanäle 12 einströmen kann. Hierdurch wird ein Unterdruck gegenüber dem Druck in der Brennkammer 5 in den Abzugskanälen 12 erzeugt.

Durch die Lage und Ausgestaltung der Abzugskanäle 12 wird in der Brennkammer 5 die Stromrichtung der Verbrennungsgase bestimmt. Durch das in den Brenner 3 einströmende Gas wird das Verbrennungsgas gegen die aus thermisch isolierendem Material 6a bestehende Begrenzung des Hohlzylinders 6 am Ende des Brenners 3 gedrückt und dort umgelenkt. Da im Abzugskanal 12 ein Unterdruck herrscht, wird das umgelenkte Verbrennungsgas über die Kontaktbrücke 8 der Thermoelementschenkel. 7 zur Austrittsöffnung in den Abgaskanal 12 geführt. Das Verbrennungsgas überstreicht also die Kontaktbrücken 8 der Thermoelementschenkel 7 gegenläufig. Man erhält hierdurch eine Temperaturverteilung in der Brennkammer 5» die äußerst gleichförmig ist. Messungen ergaben, daß die maximale Temperaturdifferenz in der Brennkammer höchstens 30⁰C beträgt. Durch diese gleichförmige Temperaturverteilung in der Brennkammer 5 läßt sich der Thermogenerator optimieren und gegenüber bekannten, flammbeheizten Thermogeneratoren eine Erhöhung des Wirkungsgrades um einige Prozent erreichen.

Es ist noch auf die Öffnungen 14, 15 und 16 in der Wandung des Gehäuses T hinzuweisen. Durch die Öffnungen 14 wird Frischluft für die Abgaskanäle 12 in das Gehäuse eingeleitet. Durch die Öffnung 15Ϊ tritt luft in das Gehäuse ein, die die Wärmeauatauachfahnen 10 des Theraogeneratore kühlt und über die Öffnung 16 wieder aus dem Gehäuse austritt«

In Fig.2 ist dit Temperatur T in der Brennkammer 5 in Abhängigkeit von der Gaeaenge q (l/h), die dem Gasbrenner 3

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zugeführt wird, dargestellt. Die Begrenzung des schraffierten Gebietes 17 zeigt den maximalen Temperaturunterschied in der Brennkammer 5 bei einem bekannten, flammbeheizten Thermogenera-. tor an. Die Begrenzung des schraffierten GeMetes 18 zeigt die Temperatur und die maximale Temperaturdifferenz bei einem erfindungsgemäßen Thermogenerator. Dem Diagramm ist zu entnehmen, daß beim erfindungsgemäßen Thermogenerator die Temperatur in der Brennkammer bei gleichbleibend zugeführter Gasmenge q höher ist, und daß der Temperaturunterschied gegenüber den bdcannten Thermogeneratoren um ungefähr 70 bis 80# abgenommen hat. Die Erhöhung des Wirkungsgrades beim erfindungsgemäßen Thermogenerator wird sowohl durch die Abnahme der maxiaalen Temperaturdifferenz in der Brennkammer 5 als auch durch die Erhöhung der ™ Brennkammertemperatur erreicht.

Fig.3 zeigt einen Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen Thermogenerator, bei dem im- Abgaskanal 12 die Wärmeaustauschfahnen 19 von weiteren Thermoelementschenkeln 7a hineinragen. Der.Aufbau der Thermoelemente, die in der Wandung des Abzugskanals 12 angeordnet ist, entspricht dem Aufbau der Thermoelemente, die sich in der Brennkammer 5 befinden. Auf die Kontaktbrücken 9a ist ein Wärmeaustauscher 20 mit Wärmeaustauschfahnen 10a und auf die Kontakt brücken 8a ein weiterer Wärmeaustauscher 21 aufgesetzt. Die Wärmeaustauschfahnen 19 des Wärmeaustauschers 21 befinden sich im Innern des Abgaskanals 12. Das Material der Thermoelementschenkel 7a besitzt eine optimale thermoelek-

* trische Effektivität bei einer niedrigeren Temperatur als das Material der Thermoelementschenkel 7« die sich in der Brennkammer 5 befinden. Es wird mit den Theraoeleaent schenke In 7a die thermische Energie der Verbrennungsgase zur Stromerzeugung ausgenutzt, die bei bekannten Thermogeneratoren in den Abgasen nutzlos ausströmt. Als Material für die Thermoelementschenkel 5 in der Brennkammer kann eine Germanium-Silizium-Legierung oder PbTe verwendet werden. Thermo element schenkein 7 aus einer GeSi-Legierung in der Brennkammer 5 können ia Abzugskanal Ther* moelementschenkel aus PbTo und/oder The raoeleaent schenkel aus

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Claims

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Pat entansprü ehe

Thermogenerator mit ρ- und η-leitenden Thermoelementschenkeln, die zwischen heißen und kalten Wärmeaustauschern angeordnet sind, wobei wenigstens ein Teil der heißen Wärmeaustauscher in einer Brennkammer eines Gasbrenners liegt und durch die Verbrennungsgase beheizbar ist und die Brennkammer mit einem Abgaskanal versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch Lage und Ausgestaltung des Abgaskanals (12) die Stromrichtung der Verbrennungsgase in der Brennkammer (5) umkehrbar ist und die Verbrennungsgase wenigstens teilweise gegenläufig Über die heißen Wärmeaustauscher (8) der Thermoelementschenkel (7) führbar sind.

2. Thermogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgaskanal (12) ein Unterdruck gegenüber der Brennkammer (5) erzeugbar ist.

3. Thermogenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgaskanal (12) eine öffnung (13) zur Frischluftzufuhr vorgesehen ist.

4. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasbrenner (3) mit katalytischer Verbrennung vorgesehen ist.

5* Thermogenerator nach einem der Ansprüche 2 bis 4* dadurch ge- f kennzeichnet, daß der Gasbrenner (3) stabförmig ausgebildet ist, daß die Brennkammer (5) ein Hohlzylinder (6) ist, der den Brenner umgibt und der an dem Stabende geschlossen ist, das der Gaszufuhr (4) des Gasbrenners gegenüber liegt, daß an dem Ende des Brenners, an dem die Gaszufuhr angeordnet ist, der Äbgaskänal (12) aus der Brennkammer herausgeleitet ist und daß die heißen Wärmeaustauscher (8) der Thermoelementschenkel (7) ani Mantel des Hohleylinders angeordnet sind.

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6. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 "bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß im Abgaskanal (12) die heißen Wärmeaustauscher (19) von ThermoelementschenkeIn (7a) angeordnet sind und daß das Material dieser Thermoelementschenkel seine optimale Effektivität bei einer niedrigeren Temperatur aufweist als das Material der Thermoelementschenkel, deren heiße Wärmeaustauscher (8) in der Brennkammer (5) angeordnet sind.

7. Thermogenerator nach Ansprach 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Thermoelementschenkel, deren heiße Wärmeaustauscher (8) in der Brennkammer (5) angeordnet sind, eine GeSi-Legierung ist.

8. Thermogenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Thermoelementschenkel, deren heiße Wärmeaustauscher (8) in der Brennkammer (5) angeordnet sind, PbTe ist.

9. Thermogenerator nach Anspruch 6 oder 7t dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Thermoelementschenkel, deren heiße Wärmeaustauscher (19) in dem Abgaskanal (12) angeordnet sind, PbTe ist.

10. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 6 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Thermoelementschenkel, deren heiße Wärmeaustauscher (1$) im Abgaskanal (12) angeordnet sind, ein Mischkristall mit Bi₃Te, als einer Mischkristallkomponente ist.

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