DE102024116114A1 - Heating device, use and method for manufacturing a heat exchanger for a heating device - Google Patents
Heating device, use and method for manufacturing a heat exchanger for a heating deviceInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung (1) mit wenigstens einem Wärmetauscher (2) zur Übertragung von Wärme aus einer katalytischen Reaktion eines Reaktionsgasgemischs an ein Arbeitsmedium, wobei der Wärmetauscher (2) wenigstens ein Trennelement (3) zum Trennen eines Primärabschnitts (4) für das Reaktionsgasgemisch und eines Sekundärabschnitts (5) für das Arbeitsmedium aufweist. Der Wärmetauscher (2) umfasst wenigstens ein innerhalb des Primärabschnitts (4) angeordnetes Reaktionselement (8), wobei das wenigstens eine Reaktionselement (8) wenigstens eine katalytisch aktive erste Reaktionsoberfläche (6) für das Reaktionsgasgemisch umfasst, so dass im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Heizvorrichtung (1) das Reaktionsgasgemisch bei Kontakt mit der ersten Reaktionsoberfläche (6) katalytisch oxidiert wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verwendung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers (2) für eine Heizvorrichtung (1).
The invention relates to a heating device (1) with at least one heat exchanger (2) for transferring heat from a catalytic reaction of a reaction gas mixture to a working medium, wherein the heat exchanger (2) has at least one separating element (3) for separating a primary section (4) for the reaction gas mixture and a secondary section (5) for the working medium. The heat exchanger (2) comprises at least one reaction element (8) arranged within the primary section (4), wherein the at least one reaction element (8) comprises at least one catalytically active first reaction surface (6) for the reaction gas mixture, such that, in the intended use of the heating device (1), the reaction gas mixture is catalytically oxidized upon contact with the first reaction surface (6). The invention further relates to a use and a method for manufacturing a heat exchanger (2) for a heating device (1).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung mit wenigstens einem Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme aus einer katalytischen Reaktion eines Reaktionsgasgemischs an ein Arbeitsmedium, wobei der Wärmetauscher wenigstens ein Trennelement zum Trennen eines Primärabschnitts für das Reaktionsgasgemisch und eines Sekundärabschnitts für das Arbeitsmedium aufweist.The present invention relates to a heating device with at least one heat exchanger for transferring heat from a catalytic reaction of a reaction gas mixture to a working medium, wherein the heat exchanger has at least one separating element for separating a primary section for the reaction gas mixture and a secondary section for the working medium.
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beseitigen.The object of the present invention is to eliminate the disadvantages known from the prior art.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Heizvorrichtung, eine Verwendung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers für eine Heizvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.The problem is solved by a heating device, a use and a method for manufacturing a heat exchanger for a heating device with the features of the independent patent claims.
Vorgeschlagen wird eine Heizvorrichtung. Die Heizvorrichtung ist vorzugsweise als Gebäudeheizvorrichtung und/oder zum Beheizen wenigstens eines Gebäudes ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ kann mittels der Heizvorrichtung ein Heizwasser und/oder ein Brauchwasser des Gebäudes erwärmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die wenigstens eine Heizvorrichtung zum Erwärmen eines Zuluftstroms einer Luftheizvorrichtung verwendet werden. Auch ist es vorstellbar, die Heizvorrichtung zum Beheizen mehrerer Gebäude zu verwenden und/oder dass die wenigstens eine Heizvorrichtung und/oder mehrere der Heizvorrichtungen als Fernwärmeheizvorrichtung und/oder Fernwärmekraftwerk ausgebildet ist. Zusätzlich oder alternativ ist es vorstellbar, dass die Heizvorrichtung als Zusatzkraftwerk, Spitzenlastkraftwerk und/oder Erweiterungskraftwerk für ein Fernwärmenetz verwendet wird. So wird die erfindungsgemäße Heizvorrichtung als Spitzenlastkraftwerk bei hohen Lasten verwendet. Dadurch können andere Fernwärmekraftwerke kleiner dimensioniert werden. Wird die erfindungsgemäße Heizvorrichtung als Erweiterungskraftwerk verwendet, so kann die Reichweite des Wärmenetzes erhöht werden, indem das erfindungsgemäße Kraftwerk, zwischen dem wenigstens einen Gebäude und dem Fernwärmekraftwerk, angeordnet wird.A heating device is proposed. The heating device is preferably designed as a building heating device and/or for heating at least one building. Additionally or alternatively, the heating device can be used to heat the building's domestic hot water and/or service water. Additionally or alternatively, the at least one heating device can be used to heat a supply air stream of an air heating device. It is also conceivable to use the heating device to heat several buildings and/or that the at least one heating device and/or several of the heating devices are designed as a district heating heating device and/or district heating power plant. Additionally or alternatively, it is conceivable that the heating device is used as an auxiliary power plant, peak load power plant, and/or expansion power plant for a district heating network. For example, the heating device according to the invention is used as a peak load power plant during periods of high demand. This allows other district heating power plants to be smaller. If the heating device according to the invention is used as an expansion power plant, the reach of the district heating network can be increased by arranging the power plant according to the invention between the at least one building and the district heating power plant.
Die Heizvorrichtung umfasst vorzugsweise wenigstens einen Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme, aus einer katalytischen Reaktion eines Reaktionsgasgemisch, an ein Arbeitsmedium. Zusätzlich oder alternativ wird der Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme aus einer katalytischen Reaktion eines Reaktionsgasgemisch an ein Arbeitsmedium vorgeschlagen. Die alternative Verwendung des Wärmetauschers bietet Flexibilität in der Anwendung und ermöglicht die Integration in verschiedene Heizsysteme. Durch die katalytische Reaktion wird eine hohe Effizienz bei der Wärmebereitstellung erzielt, was die Energieausnutzung maximiert. Der Wärmetauscher gewährleistet eine kontinuierliche und effiziente Wärmeübertragung vom Reaktionsgasgemisch auf das Arbeitsmedium. Als katalytische Reaktion kann die Oxidation und/oder Verbrennung und/oder flammlose Verbrennung des Reaktionsgasgemischs verstanden werden.The heating device preferably comprises at least one heat exchanger for transferring heat from a catalytic reaction of a reaction gas mixture to a working medium. Additionally or alternatively, the heat exchanger is proposed for transferring heat from a catalytic reaction of a reaction gas mixture to a working medium. This alternative use of the heat exchanger offers flexibility in application and allows integration into various heating systems. The catalytic reaction achieves high efficiency in heat supply, thus maximizing energy utilization. The heat exchanger ensures continuous and efficient heat transfer from the reaction gas mixture to the working medium. The catalytic reaction can be understood as the oxidation and/or combustion and/or flameless combustion of the reaction gas mixture.
Der wenigstens eine Wärmetauscher umfasst vorzugsweise wenigstens ein Trennelement zum Trennen eines Primärabschnitts für das Reaktionsgasgemisch und eines Sekundärabschnitts für das Arbeitsmedium. Das Trennelement verhindert die Vermischung von Reaktionsgas und Arbeitsmedium. Das Reaktionsgasgemisch umfasst vorzugsweise Wasserstoff, gasförmigen Kohlenwasserstoff und/oder Sauerstoff. Der gasförmige Kohlenwasserstoff kann beispielsweise Methan, Ethan, Propan, Butan und/oder Erdgas und/oder Biogas umfassen. Vorzugsweise ist das Reaktionsgasgemisch ein Luft-Brenngas-Gemisch, insbesondere ein Luft-Wasserstoff-Gemisch. Die Verwendung eines Luft-Wasserstoff-Gemischs als Reaktionsgas ermöglicht eine effiziente und saubere Reaktion, insbesondere Oxidation. Dies trägt zur Reduzierung von Emissionen und zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit der Heizvorrichtung bei. Der Wasserstoffgehalt des zugeführten Reaktionsgasgemischs bzw. des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischs liegt dabei vorzugsweise außerhalb des explosiven Bereichs, insbesondere unterhalb von 4 Vol.-%. Dadurch kann eine Explosion des Reaktionsgasgemischs ausgeschlossen werden.The at least one heat exchanger preferably comprises at least one separating element for a primary section for the reaction gas mixture and a secondary section for the working medium. The separating element prevents the reaction gas and working medium from mixing. The reaction gas mixture preferably comprises hydrogen, gaseous hydrocarbons, and/or oxygen. The gaseous hydrocarbon can, for example, comprise methane, ethane, propane, butane, and/or natural gas and/or biogas. Preferably, the reaction gas mixture is an air-fuel gas mixture, in particular an air-hydrogen mixture. The use of an air-hydrogen mixture as the reaction gas enables an efficient and clean reaction, especially oxidation. This contributes to reducing emissions and improving the environmental compatibility of the heating device. The hydrogen content of the supplied reaction gas mixture or the hydrogen-oxygen mixture is preferably outside the explosive range, in particular below 4% by volume. This prevents an explosion of the reaction gas mixture.
Der Primärabschnitt kann ebenso als Primärseite und/oder der Sekundärabschnitt als Sekundärseite bezeichnet werden. Als Primärabschnitt ist der Abschnitt zu verstehen, in dem das Reaktionsgasgemisch angeordnet ist und/oder das Reaktionsgasgemisch strömt. So wird der Wärmetauscher vorzugsweise von dem Reaktionsgasgemisch umströmt. Als Sekundärabschnitt ist der Abschnitt zu verstehen, in dem das Arbeitsmedium angeordnet ist und/oder das Arbeitsmedium strömt. So wird der Wärmetauscher vorzugsweise von dem Arbeitsmedium durchströmt. Das Trennelement kann beispielsweise ein Rohr und/oder eine Sandwichplatte sein, das das Arbeitsmedium durchströmen kann. Das Arbeitsmedium kann beispielsweise ein Heizfluid, insbesondere Heizwasser, Brauchwasser und/oder Zuluft einer Luftheizvorrichtung eines Gebäudes sein.The primary section can also be referred to as the primary side and/or the secondary section as the secondary side. The primary section is the section in which the reaction gas mixture is located and/or flows. Thus, the heat exchanger is preferably surrounded by the reaction gas mixture. The secondary section is the section in which the working fluid is located and/or flows. Thus, the heat exchanger is preferably through which the working fluid flows. The separating element can, for example, be a pipe and/or a sandwich plate through which the working fluid can flow. This could be, for example, a heating fluid, in particular heating water, domestic hot water and/or supply air of an air heating device in a building.
Vorzugsweise umfasst der Wärmetauscher wenigstens ein innerhalb des Primärabschnitts angeordnetes Reaktionselement. Vorzugsweise ist das Reaktionselement vollständig und/oder ausschließlich innerhalb des Primärabschnitts angeordnet. Die vollständige und/oder ausschließliche Anordnung des Reaktionselements im Primärabschnitt sorgt für eine optimierte Kontaktfläche für die katalytische Reaktion. Das wenigstens eine Reaktionselement umfasst wenigstens eine katalytisch aktive erste Reaktionsoberfläche für das Reaktionsgasgemisch. So kann im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Heizvorrichtung das Reaktionsgasgemisch bei Kontakt mit der ersten Reaktionsoberfläche katalytisch oxidiert und/oder katalytisch zur Reaktion gebracht werden.Preferably, the heat exchanger comprises at least one reaction element arranged within the primary section. Preferably, the reaction element is arranged completely and/or exclusively within the primary section. The complete and/or exclusive arrangement of the reaction element within the primary section ensures an optimized contact area for the catalytic reaction. The at least one reaction element comprises at least one catalytically active first reaction surface for the reaction gas mixture. Thus, in the intended use of the heating device, the reaction gas mixture can be catalytically oxidized and/or catalytically reacted upon contact with the first reaction surface.
Die Ausgestaltung und/oder die Größe des wenigstens einen Reaktionselements ist von der Ausgestaltung und/oder Größe des wenigstens einen Trennelements unabhängig. So kann die wirksame Fläche für die katalytische Reaktion unabhängig von dem wenigstens einen Trennelement gestaltet werden. Dadurch kann eine möglichst hohe Flexibilität und/oder Anpassbarkeit des Wärmetauschers und/oder der Heizvorrichtung gewährleistet werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine katalytisch aktive Gesamtreaktionsoberfläche durch Integration unterschiedlich vieler und/oder großer Reaktionselemente an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Beispielhaft kann die Oberfläche des wenigstens einen Reaktionselements und somit der ersten Reaktionsoberfläche im Vergleich zur Oberfläche des Trennelements sehr groß dimensioniert werden. Dies trägt zu einer effektiven und gleichmäßigen Wärmefreisetzung bei und/oder erhöht die Leistungsfähigkeit der Heizvorrichtung.The design and/or size of the at least one reaction element is independent of the design and/or size of the at least one separation element. This allows the effective surface area for the catalytic reaction to be designed independently of the at least one separation element. This ensures maximum flexibility and/or adaptability of the heat exchanger and/or heating device. Additionally or alternatively, the total catalytically active reaction surface area can be adapted to the specific application by integrating a different number and/or size of reaction elements. For example, the surface area of the at least one reaction element, and thus the first reaction surface, can be dimensioned to be very large compared to the surface area of the separation element. This contributes to effective and uniform heat release and/or increases the efficiency of the heating device.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Reaktionselement am wenigstens einen Trennelemente angeordnet und/oder ragt von dem wenigstens einen Trennelement in den Primärabschnitt.Preferably, the at least one reaction element is arranged on the at least one separating element and/or projects from the at least one separating element into the primary section.
Das wenigstens eine Trennelement umfasst vorzugsweise wenigstens eine zum Primärabschnitt gerichtete katalytisch aktive zweite Reaktionsoberfläche, so dass im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Heizvorrichtung das Reaktionsgasgemisch bei Kontakt mit der zweiten Reaktionsoberfläche, insbesondere flammlos, katalytisch verbrannt und/oder oxidiert wird. Durch die zusätzliche zweite Reaktionsoberfläche kann die katalytisch aktive Gesamtreaktionsoberfläche, welche vorzugsweise die erste Reaktionsoberfläche und die zweite Reaktionsoberfläche umfassen kann, weiter vergrößert werden. Dies trägt zu einer effektiven und gleichmäßigen Wärmefreisetzung bei und/oder erhöht die Leistungsfähigkeit der Heizvorrichtung.The at least one separating element preferably comprises at least one catalytically active second reaction surface facing the primary section, such that, in the intended use of the heating device, the reaction gas mixture is catalytically combusted and/or oxidized upon contact with the second reaction surface, particularly without a flame. The additional second reaction surface further increases the total catalytically active reaction surface area, which preferably comprises the first and second reaction surfaces. This contributes to effective and uniform heat release and/or increases the efficiency of the heating device.
Im Bereich der ersten Reaktionsoberfläche und/oder der zweiten Reaktionsoberfläche umfasst das wenigstens eine Reaktionselement und/oder das wenigstens eine Trennelement somit vorzugsweise einen Katalysator bzw. ist mit einem Katalysator versehen und/oder beschichtet, mit dessen Hilfe das Reaktionsgasgemisch katalytisch reagierbar, insbesondere verbrennbar, ist und/oder die Aktivierungsenergie der Reaktion herabgesetzt wird.In the region of the first reaction surface and/or the second reaction surface, the at least one reaction element and/or the at least one separation element preferably comprises a catalyst or is provided with a catalyst and/or coated with a catalyst, with the aid of which the reaction gas mixture is catalytically reactive, in particular combustible, and/or the activation energy of the reaction is reduced.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das Trennelement eine zum Sekundärabschnitt gerichtete Übertragungsoberfläche zum Übertragen der aus der katalytischen Reaktion resultierenden Wärme auf das Arbeitsmedium umfasst, wobei die Übertragungsoberfläche vorzugsweise kleiner als die erste Reaktionsoberfläche und/oder als eine aus der ersten Reaktionsoberfläche und der zweiten Reaktionsoberfläche gebildete Gesamtreaktionsoberfläche ist.It is also advantageous if the separating element comprises a transfer surface directed towards the secondary section for transferring the heat resulting from the catalytic reaction to the working medium, wherein the transfer surface is preferably smaller than the first reaction surface and/or than a total reaction surface formed from the first reaction surface and the second reaction surface.
Häufig ist es notwendig, dass die Oberfläche, die mit dem Reaktionsgasgemisch in Kontakt steht, also die erste Reaktionsoberfläche und/oder die zweite Reaktionsoberfläche größer ist als die Oberfläche, die mit dem Arbeitsmedium in Kontakt steht, also die Übertragungsoberfläche. So kann eine möglichst große Wärmeenergie durch die katalytische Reaktion umgewandelt und auf das Arbeitsmedium übertragen werden. Da das Arbeitsmedium meist eine Flüssigkeit ist, besitzt dieses meist eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, weshalb die Übertragungsoberfläche klein gestaltet werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann eine große erste Reaktionsoberfläche und/oder Gesamtreaktionsoberfläche zu einer Leistungssteigerung der katalytischen Reaktion führen. So kann die Effizienz der Heizvorrichtung erhöht werden.It is often necessary for the surface area in contact with the reaction gas mixture—that is, the first reaction surface and/or the second reaction surface—to be larger than the surface area in contact with the working fluid—that is, the transfer surface. This allows for the maximum possible conversion of heat energy by the catalytic reaction to the working fluid. Since the working fluid is usually a liquid, it typically has very high thermal conductivity, which allows for a smaller transfer surface. Additionally or alternatively, a large first reaction surface and/or total reaction surface can increase the efficiency of the catalytic reaction, thus improving the overall efficiency of the heating device.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn das wenigstens eine Reaktionselement an dem wenigstens einen Trennelement angeordnet ist und/oder mit dem wenigstens einen Trennelement in thermischer Wirkverbindung steht und/oder zwei voneinander beabstandete Trennelemente mechanisch und/oder thermisch miteinander verbindet. Das Reaktionselement umfasst bevorzugt keine Übertragungsoberfläche zum Arbeitsmedium. Durch die Anordnung des Reaktionselements am Trennelement und/oder die thermische Wirkverbindung kann das Reaktionselement die aus der katalytischen Reaktion resultierende Wärme direkt bzw. unmittelbar auf das Trennelement übertragen, welches mit dem Arbeitsmedium in Kontakt steht. Dadurch kann die Wärmeübertragung auf das Arbeitsmedium optimiert werden. Die primäre Wärmeleitung erfolgt somit vorzugsweise über die Elemente und nicht über das vom Reaktionselement erwärmte Reaktionsgasgemisch.It is also advantageous if the at least one reaction element is arranged on the at least one separating element and/or is in thermal contact with the at least one separating element and/or mechanically and/or thermally connects two spaced-apart separating elements. The reaction element preferably does not include a heat transfer surface to the working medium. Due to the arrangement of the reaction element on the separating element and/or the thermal contact, the reaction element can transfer the heat resulting from the catalytic reaction directly to the separating element, which is in contact with the working medium. This optimizes heat transfer to the working medium. Primary heat conduction thus preferably occurs via the elements and not via the separating element. Reaction gas mixture heated by the reaction element.
Ebenso bringt es Vorteile mit sich, wenn das wenigstens eine Trennelement und/oder mehrere miteinander verbundene Trennelemente den Primärabschnitt und/oder den Sekundärabschnitt fluiddicht, insbesondere flüssigkeitsdicht und/oder gasdicht, umschließt. Die fluiddichte Umschließung des Primär- und/oder Sekundärabschnitts verhindert das Austreten von Reaktionsgasen oder Arbeitsmedien, was die Betriebssicherheit erhöht. Dies führt zu einer verbesserten Effizienz der Wärmeübertragung und reduziert potenzielle Energieverluste durch Leckagen.It is also advantageous if at least one separating element and/or several interconnected separating elements enclose the primary and/or secondary section in a fluid-tight manner, particularly in a liquid-tight and/or gas-tight manner. The fluid-tight enclosure of the primary and/or secondary section prevents the escape of reaction gases or working fluids, thus increasing operational reliability. This leads to improved heat transfer efficiency and reduces potential energy losses due to leaks.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die erste Reaktionsoberfläche und/oder die zweite Reaktionsoberfläche durch eine katalytisch aktive Schicht gebildet ist. Vorzugsweise ist die erste Reaktionsoberfläche und/oder die zweite Reaktionsoberfläche als Dispersionsbeschichtung ausgebildete katalytisch aktive Schicht gebildet. Die Dispersionsbeschichtung als katalytisch aktive Schicht sorgt für eine gleichmäßige Verteilung der katalytisch aktiven Partikel und erhöht die Gesamtreaktionsoberfläche. Dies verbessert die Reaktionsgeschwindigkeit und verringert die notwendige Aktivierungsenergie für die Reaktion des Reaktionsgasgemischs.Furthermore, it is advantageous if the first reaction surface and/or the second reaction surface is formed by a catalytically active layer. Preferably, the first reaction surface and/or the second reaction surface is formed as a dispersion coating of catalytically active material. The dispersion coating, as the catalytically active layer, ensures a uniform distribution of the catalytically active particles and increases the total reaction surface area. This improves the reaction rate and reduces the activation energy required for the reaction of the gas mixture.
Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn die erste Reaktionsoberfläche und/oder die zweite Reaktionsoberfläche und/oder das wenigstens eine Reaktionselement und/oder das wenigstens eine Trennelement aus einem katalytisch aktiven Material hergestellt ist. Das katalytisch aktive Material kann beispielsweise eine katalytisch aktive Legierung sein. Das wenigstens eine Trennelement und/oder das wenigstens eine Reaktionselement ist meist aus Metall, insbesondere Edelstahl, Kupfer, Aluminium und/oder Nickel und/oder Keramik hergestellt. Insbesondere bei der Verwendung von Metall kann die Metalllegierung entsprechend mit katalytisch aktiven Partikeln versehen werden. So ist es vorstellbar, dass das Trennelement und/oder das Reaktionselement komplett oder nur an der Oberfläche als katalytisch aktive Legierung ausgebildet ist bzw. die katalytisch aktiven Partikel enthält. Dadurch ist es möglich, dass eine nachträgliche Beschichtung des Trennelements und/oder des Reaktionselements entfallen kann.Additionally or alternatively, it is advantageous if the first reaction surface and/or the second reaction surface and/or the at least one reaction element and/or the at least one separating element are made of a catalytically active material. The catalytically active material can, for example, be a catalytically active alloy. The at least one separating element and/or the at least one reaction element is usually made of metal, in particular stainless steel, copper, aluminum, and/or nickel, and/or ceramic. Especially when using metal, the metal alloy can be appropriately provided with catalytically active particles. Thus, it is conceivable that the separating element and/or the reaction element is formed entirely or only on its surface as a catalytically active alloy or contains the catalytically active particles. This makes it possible to eliminate the need for a subsequent coating of the separating element and/or the reaction element.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn die erste Reaktionsoberfläche und/oder die zweite Reaktionsoberfläche eine Metalloxid-Beschichtung zur Vergrößerung der Oberfläche und/oder eine Platin-, Rhodium-, Iridium- und/oder Palladium-Beschichtung als katalytisch aktive Schicht umfasst. Die Metalloxid-Beschichtung erhöht die spezifische Oberfläche der ersten Reaktionsoberfläche und/oder der zweiten Reaktionsoberfläche, was die katalytische Aktivität steigert und die Effizienz der katalytischen Reaktion verbessert. Die erste Reaktionsoberfläche und/oder die zweite Reaktionsoberfläche umfasst vorzugsweise wenigstens eine katalytisch aktive Schicht, insbesondere mit einer Zusammensetzung aus Platin, Palladium, Nickel, Eisen, Platin-Iridium, Iridium und/oder Kobalt. Ebenfalls ist es vorstellbar, dass das wenigstens eine Trennelement und/oder das wenigstens eine Reaktionselement aus einem Material, das eine Zusammensetzung aus Platin, Palladium, Nickel, Eisen, Platin-Iridium, Iridium und/oder Kobalt umfasst, hergestellt ist.It is also advantageous if the first reaction surface and/or the second reaction surface comprises a metal oxide coating to increase the surface area and/or a platinum, rhodium, iridium, and/or palladium coating as a catalytically active layer. The metal oxide coating increases the specific surface area of the first reaction surface and/or the second reaction surface, which enhances the catalytic activity and improves the efficiency of the catalytic reaction. The first reaction surface and/or the second reaction surface preferably comprises at least one catalytically active layer, in particular with a composition of platinum, palladium, nickel, iron, platinum-iridium, iridium, and/or cobalt. It is also conceivable that the at least one separating element and/or the at least one reacting element is made of a material comprising a composition of platinum, palladium, nickel, iron, platinum-iridium, iridium, and/or cobalt.
Platin ist ein herausragender Katalysator für Wasserstoff und wird häufig verwendet. So erfolgt die Oxidation von Wasserstoff an Platin bereits bei Raumtemperatur. Dies hat den Vorteil, dass keine oder nur unter bestimmten Voraussetzungen eine externe Zusatzheizung benötigt wird. Jedoch ist auch Palladium ein weiteres Edelmetall, das häufig in der Wasserstofftechnologie verwendet wird. Es wird in Wasserstoffaufbereitungsprozessen eingesetzt und spielt auch eine wichtige Rolle in der organischen Chemie bei der Hydrierung von Verbindungen. Nickelkatalysatoren werden häufig in der Wasserstoffproduktion eingesetzt, insbesondere bei der Dampfreformierung von Methan. Nickel ist auch ein Hauptbestandteil von Wasserstoffdiffusionsmembranen. Eisenkatalysatoren werden in der Fischer-Tropsch-Synthese zur Umwandlung von Synthesegas (H2 und CO) in Kohlenwasserstoffe verwendet. Platin-Iridium ist eine Legierung, die in Hochtemperatur-Wasserstoffbrennstoffzellen verwendet werden kann und bietet eine gute Kombination aus Aktivität und Stabilität. Iridiumkatalysatoren finden in verschiedenen Elektrolyseprozessen Anwendung, einschließlich der Wasseroxidation in Wasserelektrolyseanwendungen. Kobaltkatalysatoren werden in einigen industriellen Prozessen zur Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren Quellen eingesetzt, wie z. B. bei der alkalischen Wasserstoffelektrolyse. Die Auswahl des besten Katalysators hängt von Faktoren wie Temperatur, Druck, Reaktionsgeschwindigkeit, Kosten und Verträglichkeit mit anderen Komponenten im System ab. In vielen Anwendungen, insbesondere bei der vorliegenden Verwendung als Wasserstoffkatalysator der Heizvorrichtung, bleiben Platin und Palladium aufgrund ihrer hohen katalytischen Aktivität und Stabilität die bevorzugten Katalysatoren, obwohl die Forschung ständig neue Materialien und Ansätze zur Verbesserung der Katalysatoreffizienz und Kosteneffizienz entwickelt.Platinum is an outstanding catalyst for hydrogen and is widely used. The oxidation of hydrogen on platinum occurs even at room temperature. This has the advantage that no external auxiliary heating is required, or only under certain conditions. However, palladium is another precious metal frequently used in hydrogen technology. It is employed in hydrogen purification processes and also plays an important role in organic chemistry for the hydrogenation of compounds. Nickel catalysts are commonly used in hydrogen production, particularly in the steam reforming of methane. Nickel is also a major component of hydrogen diffusion membranes. Iron catalysts are used in Fischer-Tropsch synthesis to convert synthesis gas (H₂ and CO) into hydrocarbons. Platinum-iridium is an alloy that can be used in high-temperature hydrogen fuel cells and offers a good combination of activity and stability. Iridium catalysts are used in various electrolysis processes, including water oxidation in water electrolysis applications. Cobalt catalysts are used in several industrial processes for hydrogen production from renewable sources, such as alkaline hydrogen electrolysis. The selection of the best catalyst depends on factors such as temperature, pressure, reaction rate, cost, and compatibility with other system components. In many applications, particularly in the present case as a hydrogen catalyst for heating devices, platinum and palladium remain the preferred catalysts due to their high catalytic activity and stability, although research is constantly developing new materials and approaches to improve catalyst efficiency and cost-effectiveness.
Ebenso bringt es Vorteile mit sich, wenn das wenigstens eine Trennelement als Platte und/oder Trennwand und/oder Blech und/oder Rohr und/oder Sandwichplatte ausgebildet ist. Die flexible Gestaltung der Trennelemente ermöglicht eine einfache Anpassung an verschiedene Anwendungsbedingungen und verbessert die Effizienz der Wärmeübertragung.It is also advantageous if at least one partition element is designed as a plate and/or partition wall and/or sheet metal and/or tube and/or sandwich panel. The flexible design of the partition elements allows for easy adaptation to various application conditions. and improves the efficiency of heat transfer.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn das wenigstens eine Reaktionselement als Platte und/oder Blech und/oder Lamelle und/oder Rippe ausgebildet ist. Die Verwendung unterschiedlicher Formen für Reaktionselemente ermöglicht eine vergrößerte katalytische Oberfläche, was die Reaktionsgeschwindigkeit und die Effizienz der Wärmeübertragung verbessert. Dies erhöht die Effektivität der katalytischen Reaktionsprozesse und führt zu einer effizienteren Energieausnutzung.It is also advantageous if at least one reaction element is designed as a plate and/or sheet and/or lamella and/or rib. Using different shapes for reaction elements allows for an increased catalytic surface area, which improves the reaction rate and the efficiency of heat transfer. This increases the effectiveness of the catalytic reaction processes and leads to more efficient energy utilization.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Wärmetauscher mehrere Trennelemente und mehrere Reaktionselement umfasst. Die Integration mehrerer Trennelemente und Reaktionselemente vergrößert die gesamte Wärmeübertragungsfläche und verbessert die thermische Effizienz der Heizvorrichtung. Dies ermöglicht eine höhere Leistung und Flexibilität in der Anwendung der Heizvorrichtung.Furthermore, it is advantageous if the heat exchanger includes multiple separation elements and multiple reaction elements. Integrating several separation and reaction elements increases the total heat transfer surface area and improves the thermal efficiency of the heating device. This allows for higher performance and greater flexibility in the application of the heating device.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn der Wärmetauscher als Lamellenwärmetauscher und/oder Rippenrohrwärmetauscher und/oder Gegenstromwärmetauscher und/oder Kreuzstromwärmetauscher ausgebildet ist. Der Lamellenwärmetauscher kann auch Plate-fin heat exchanger (PFHE) genannt werden. Die verschiedenen Wärmetauschertypen bieten spezifische Vorteile in der Wärmeübertragung, wie eine verbesserte Oberflächenvergrößerung und effiziente Wärmenutzung. Dies führt zu einer besseren Anpassung der Heizvorrichtung an unterschiedliche Betriebsbedingungen und Anwendungen. Zudem kann ein bereits für einen anderen Anwendungszweck bestehender Wärmetauscher für die Heizvorrichtung verwendet werden. Hierfür ist es beispielsweise möglich, diesen bestehenden Wärmetauscher als Lamellenwärmetauscher und/oder Rippenrohrwärmetauscher und/oder Gegenstromwärmetauscher und/oder Kreuzstromwärmetauscher mit katalytisch aktiven Partikeln zu beschichten und so die erste Reaktionsoberfläche und/oder die zweite Reaktionsoberfläche zu erhalten. Dies führt zu einer vereinfachten und/oder kostengünstigeren und/oder effizienteren Herstellung der Heizvorrichtung.It is also advantageous if the heat exchanger is designed as a finned heat exchanger, finned tube heat exchanger, counterflow heat exchanger, and/or crossflow heat exchanger. The finned heat exchanger can also be called a plate-fin heat exchanger (PFHE). The different heat exchanger types offer specific advantages in heat transfer, such as improved surface area and efficient heat utilization. This leads to better adaptation of the heating device to different operating conditions and applications. Furthermore, an existing heat exchanger designed for another application can be used for the heating device. For example, this existing heat exchanger (finned tube heat exchanger, finned tube heat exchanger, counterflow heat exchanger, and/or crossflow heat exchanger) can be coated with catalytically active particles to create the first and/or second reaction surfaces. This results in a simplified, more cost-effective, and/or more efficient manufacturing process for the heating device.
Auch ist es vorteilhaft, wenn innerhalb des Sekundärabschnitts wenigstens ein, insbesondere als Profilblech ausgebildeter, Abstandshalter angeordnet ist. Mit Hilfe des wenigstens einen Abstandshalter kann ein Abstand zwischen wenigstens zwei der voneinander beabstandeten Trennelemente im Bereich des Sekundärabschnitts bereitgestellt und/oder abgestützt werden. Der Abstandshalter sorgt für eine stabile und gleichmäßige Anordnung der Trennelemente, was die Effizienz der Wärmeübertragung verbessert. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Wärmeverteilung und verhindert Hotspots im Arbeitsmedium.It is also advantageous if at least one spacer, particularly one designed as a profiled sheet, is arranged within the secondary section. With the aid of this spacer, a gap between at least two of the spaced-apart separating elements in the secondary section can be provided and/or supported. The spacer ensures a stable and uniform arrangement of the separating elements, which improves the efficiency of heat transfer. This guarantees uniform heat distribution and prevents hotspots in the working fluid.
Ebenso bringt es Vorteile mit sich, wenn die Heizvorrichtung wenigstens eine Zusatzheizung zum Vorwärmen und/oder Trocknen der ersten Reaktionsoberfläche und/oder der zweiten Reaktionsoberfläche und/oder des Arbeitsmediums umfasst, wobei die Zusatzheizung vorzugsweise innerhalb des Primärabschnitts und/oder innerhalb des Sekundärabschnitts angeordnet ist. Die Zusatzheizung ermöglicht eine schnelle und effiziente Aufheizung der Reaktionsoberflächen und/oder des Arbeitsmediums, was die Reaktionsgeschwindigkeit und die Effizienz der Heizvorrichtung verbessert. Dies führt zu einer Reduzierung der Aufheizzeiten und einer Erhöhung der Betriebseffizienz der Vorrichtung. Zusätzlich oder alternativ wird die Zusatzheizung verwendet, um beim Starten der Heizvorrichtung die Aktivierungsenergie für das Reaktionsgasgemisch möglichst schnell und/oder effizient zu erreichen. Ist die Zusatzheizung innerhalb des Sekundärabschnitts angeordnet, so kann das Arbeitsmedium schnell und/oder effektiv auf die notwendige Temperatur gebracht werden. Durch den direkten Kontakt mit dem Trennelement kann zudem die zweite Reaktionsoberfläche erwärmt werden. Beispielsweise ist die Zusatzheizung als Tauchsieder ausgebildet. Derartige Tauchsieder werden häufig in Pufferspeichern von Gebäudeheizungen verwendet. Beispielsweise kann somit der Tauchsieder des Pufferspeichers der Heizvorrichtung als Zusatzheizung für die katalytische Reaktion dienen.It is also advantageous if the heating device includes at least one auxiliary heater for preheating and/or drying the first reaction surface and/or the second reaction surface and/or the working medium, wherein the auxiliary heater is preferably arranged within the primary section and/or within the secondary section. The auxiliary heater enables rapid and efficient heating of the reaction surfaces and/or the working medium, which improves the reaction rate and the efficiency of the heating device. This leads to a reduction in heating times and an increase in the operating efficiency of the device. Additionally or alternatively, the auxiliary heater is used to achieve the activation energy for the reaction gas mixture as quickly and/or efficiently as possible when starting the heating device. If the auxiliary heater is arranged within the secondary section, the working medium can be brought to the required temperature quickly and/or effectively. Furthermore, the second reaction surface can be heated through direct contact with the separating element. For example, the auxiliary heater is designed as an immersion heater. Such immersion heaters are frequently used in buffer storage tanks of building heating systems. For example, the immersion heater of the buffer storage tank can thus serve as an additional heater for the catalytic reaction of the heating device.
Vorteile bringt es zudem mit sich, wenn das wenigstens eine Trennelement wenigstens einen Strömungskanal für das Arbeitsmedium und/oder das wenigstens eine Reaktionselement wenigstens ein Leitelement für das Reaktionsgasgemisch ausbildet, so dass das Arbeitsmedium mit Hilfe des Strömungskanals entlang einer ersten Strömungsrichtung und/oder das Reaktionsgasgemisch mit Hilfe des Leitelements entlang einer zweiten Strömungsrichtung geführt wird. Die gezielte Führung von Arbeitsmedium und Reaktionsgasgemisch verbessert die Effizienz der Wärmeübertragung und verhindert unerwünschte Turbulenzen. Dies trägt zu einer optimierten Steuerung der Wärmeflüsse und einer gleichmäßigen Erwärmung der Medien bei. Vorzugsweise spannen die erste Strömungsrichtung und die zweite Strömungsrichtung einen Winkel auf, so dass der Wärmetauscher beispielsweise als Kreuzstrom-Wärmetauscher und/oder Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet ist.It is also advantageous if the at least one separating element forms at least one flow channel for the working fluid and/or the at least one reaction element forms at least one guide element for the reaction gas mixture, so that the working fluid is guided along a first flow direction by means of the flow channel and/or the reaction gas mixture is guided along a second flow direction by means of the guide element. The targeted guidance of the working fluid and reaction gas mixture improves the efficiency of heat transfer and prevents undesirable turbulence. This contributes to optimized control of the heat flows and uniform heating of the media. Preferably, the first and second flow directions form an angle, so that the heat exchanger is designed, for example, as a cross-flow heat exchanger and/or a counter-flow heat exchanger.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Heizvorrichtung wenigstens eine Reaktionseinheit umfasst, wobei der Wärmetauscher innerhalb und/oder im Bereich der Reaktionseinheit angeordnet ist. Der Einlass und der Auslass können dabei die durchströmbaren Öffnungen der Reaktionseinheit sein. Der Einlass schließt vorzugsweise an einen Aufbereitungsabschnitt an. Der Auslass schließt vorzugsweise an die erste Kammer des ersten Wärmetauschers und/oder an den Verbindungsabschnitt an. Mit Hilfe des Aufbereitungsabschnitts kann der Sauerstoffgehalt des Abgasgemischs erhöht werden.Furthermore, it is advantageous if the heating device comprises at least one reaction unit, wherein the heat exchanger is arranged within and/or in the area of the reaction unit. The inlet and outlet can be configured as follows: The inlet is preferably connected to a processing section. The outlet preferably connects to the first chamber of the first heat exchanger and/or to the connecting section. The oxygen content of the exhaust gas mixture can be increased with the aid of the processing section.
Ebenso bringt es Vorteile mit sich, wenn die Heizvorrichtung wenigstens einen Verbindungsabschnitt umfasst, der wenigstens einen Einlass und wenigstens einen Auslass der Reaktionseinheit fluidisch miteinander verbindet, so dass ein erwärmtes Abgasgemisch aus dem wenigstens einen Auslass der Reaktionseinheit zumindest teilweise dem wenigstens einen Einlass der Reaktionseinheit zuführbar ist.It is also advantageous if the heating device includes at least one connecting section that fluidly connects at least one inlet and at least one outlet of the reaction unit, so that a heated exhaust gas mixture from the at least one outlet of the reaction unit can be at least partially fed to the at least one inlet of the reaction unit.
Durch den wenigstens einen Verbindungsabschnitt kann die Wärmeenergie des erwärmten Abgasgemischs unmittelbar für das Reaktionsgasgemisch wiederverwendet werden. Das erwärmte Abgasgemisch umfasst zwar eine reduzierte Sauerstoffkonzentration, jedoch ist diese zumeist weiterhin ausreichend, um eine erneute Reaktion in der Reaktionseinheit, insbesondere an der ersten Reaktionsoberfläche und/oder der zweiten Reaktionsoberfläche des Wärmetauschers, zu gewährleisten. So kann weiterhin eine stöchiometrische Reaktion, insbesondere Verbrennung, gewährleistet werden. Ist der Sauerstoff aus dem erwärmten Abgasgemisch verbraucht, so kann für eine weitere stöchiometrische Reaktion der notwendige Sauerstoff zugeführt werden. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn die Heizvorrichtung, insbesondere der Aufbereitungsabschnitt, wenigstens eine, insbesondere als Frischluftzuführung ausgebildete, Sauerstoffzuführung und/oder wenigstens eine Abgasabführung umfasst.The thermal energy of the heated exhaust gas mixture can be directly reused for the reaction gas mixture via at least one connecting section. Although the heated exhaust gas mixture contains a reduced oxygen concentration, this is usually still sufficient to ensure a renewed reaction in the reaction unit, particularly at the first reaction surface and/or the second reaction surface of the heat exchanger. This ensures a stoichiometric reaction, especially combustion. Once the oxygen from the heated exhaust gas mixture is consumed, the necessary oxygen for a further stoichiometric reaction can be supplied. For this purpose, it is advantageous if the heating device, particularly the conditioning section, includes at least one oxygen supply, especially designed as a fresh air supply, and/or at least one exhaust gas discharge.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn die zweite Strömungsrichtung des Reaktionsgasgemischs und/oder des erwärmten Abgasgemischs innerhalb der Reaktionseinheit von dem Einlass zu dem Auslass und/oder innerhalb des Verbindungsabschnitts von dem Auslass zu dem Einlass gerichtet ist.It is also advantageous if the second flow direction of the reaction gas mixture and/or the heated exhaust gas mixture within the reaction unit is directed from the inlet to the outlet and/or within the connecting section from the outlet to the inlet.
Vorteile bringt es zudem mit sich, wenn die Heizvorrichtung wenigstens einen, insbesondere als Luft-Wasser-Wärmetauscher und/oder Luft-Luft-Wärmetauscher und/oder Kondensationswärmetauscher ausgebildeten, weiteren Wärmetauscher umfasst, mit dessen Hilfe die Restwärme des Abgasgemischs der Reaktionseinheit auf ein innerhalb des wenigstens einen weiteren Wärmetauschers angeordnetes und/oder durchströmendes Arbeitsmedium und/oder weiteres Arbeitsmedium übertragen werden kann. Dadurch kann auch die Restenergie im Abgasgemisch zur Erwärmung des Arbeitsmediums und/oder eines weiteren Arbeitsmediums verwendet werden.It is also advantageous if the heating device includes at least one additional heat exchanger, in particular an air-to-water heat exchanger and/or air-to-air heat exchanger and/or condensing heat exchanger, by means of which the residual heat of the exhaust gas mixture of the reaction unit can be transferred to a working medium and/or another working medium arranged and/or flowing through the at least one additional heat exchanger. This allows the residual energy in the exhaust gas mixture to be used to heat the working medium and/or another working medium.
Auch ist es von Vorteil, wenn die Heizvorrichtung wenigstens einen Sensor, insbesondere wenigstens einen Sauerstoffsensor, Temperatursensor und/oder Wasserstoffsensor, umfasst. Vorzugsweise ist der wenigstens eine Sensor, insbesondere der wenigstens eine Temperatursensor, innerhalb des Sekundärabschnitts zum Erfassen der Temperatur des Arbeitsmediums angeordnet. Zusätzlich oder alternativ ist der wenigstens eine Sensor, insbesondere der wenigstens eine Sauerstoffsensor, innerhalb des Verbindungsabschnitts, innerhalb des Austauschabschnitts und/oder an der Abgasabführung zum Erfassen des Sauerstoffgehalts im Abgasgemisch angeordnet. Zusätzlich oder alternativ ist der Wasserstoffsensor innerhalb des wenigstens einen Mischabschnitts angeordnet.It is also advantageous if the heating device includes at least one sensor, in particular at least one oxygen sensor, temperature sensor, and/or hydrogen sensor. Preferably, the at least one sensor, in particular the at least one temperature sensor, is arranged within the secondary section to detect the temperature of the working medium. Additionally or alternatively, the at least one sensor, in particular the at least one oxygen sensor, is arranged within the connecting section, within the exchange section, and/or at the exhaust gas outlet to detect the oxygen content in the exhaust gas mixture. Additionally or alternatively, the hydrogen sensor is arranged within the at least one mixing section.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Heizvorrichtung wenigstens eine Steuereinrichtung mit wenigstens einer Datenschnittstelle umfasst, wobei die wenigstens eine Steuereinrichtung über die wenigstens eine Datenschnittstelle vorzugsweise mit der wenigstens einen Sauerstoffzuführung, mit der wenigstens einen Gaszuführung, mit der wenigstens einen Abgasabführung, mit der wenigstens einen Stelleinrichtung und/oder mit dem wenigstens einen Sensor in Datenverbindung steht. Vorzugsweise wird die Gaszuführung derart gesteuert, dass die Temperatur des Arbeitsmediums stets weniger als 400°C, vorzugsweise weniger als 300°C, beispielsweis ca. 270°C, beträgt.It is also advantageous if the heating device comprises at least one control unit with at least one data interface, wherein the at least one control unit is preferably in data communication via the at least one oxygen supply, the at least one gas supply, the at least one exhaust gas discharge, the at least one actuator, and/or the at least one sensor. Preferably, the gas supply is controlled such that the temperature of the working medium is always less than 400°C, preferably less than 300°C, for example, approximately 270°C.
Des Weiteren wird eine Verwendung eines Lamellenwärmetauschers und/oder eines Rippenrohrwärmetauschers und/oder eines Verflüssigers und/oder Kondensators als Grundkörper für einen Wärmetauscher einer Heizvorrichtung, insbesondere gemäß der vorangegangenen Beschreibung, vorgeschlagen. Die genannten Merkmale des Wärmetauschers können einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein. Als Grundkörper des Wärmetauschers ist die geometrische Ausgestaltung des Wärmetauschers zu verstehen. Der Grundkörper umfasst somit vorzugsweise das wenigstens eine Trennelement und das wenigstens eine Reaktionselement. Der Grundkörper umfasst somit nicht die erste Reaktionsoberfläche und/oder die zweite Reaktionsoberfläche. Aus dem Grundkörper kann der Wärmetauscher aus der vorangegangenen Beschreibung, insbesondere durch Beschichtung des Grundkörpers mit einer katalytisch aktiven Schicht, hergestellt werden.Furthermore, the use of a finned tube heat exchanger and/or a condenser and/or a condenser as the base body for a heat exchanger of a heating device, particularly according to the preceding description, is proposed. The aforementioned features of the heat exchanger can be present individually or in any combination. The base body of the heat exchanger is understood to be its geometric configuration. The base body thus preferably comprises the at least one separating element and the at least one reaction element. The base body therefore does not include the first reaction surface and/or the second reaction surface. The heat exchanger from the preceding description can be manufactured from the base body, particularly by coating the base body with a catalytically active layer.
Der Lamellenwärmetauscher und/oder der Rippenrohrwärmetauscher und/oder der Verflüssiger ist beispielsweise als Kraftfahrzeugölkühler, Kraftfahrzeugwasserkühler, Kraftfahrzeugladeluftkühler, Motorkühler, Wärmepumpenverdampfer, Kühlschrankkondensator, Kondensationswärmetauscher (beispielsweise einer Gastherme) und/oder Klimakondensator ausgebildet. Somit handelt es sich bei dem Lamellenwärmetauscher und/oder dem Rippenrohrwärmetauscher und/oder dem Verflüssiger und/oder dem Kondensator vorzugsweise um ein Fertigteil bzw. Zukaufteil. Dadurch können die Produktionskosten reduziert und/oder die Fertigung vereinfacht werden. Der verwendete Grundkörper kann im Anschluss daran mit der katalytisch aktiven Schicht versehen werden.The finned heat exchanger and/or the finned tube heat exchanger and/or the condenser is used, for example, as a motor vehicle oil cooler, motor vehicle water cooler, motor vehicle charge air cooler, Engine radiators, heat pump evaporators, refrigerator condensers, condensing heat exchangers (e.g., in a gas boiler), and/or air conditioning condensers are designed. Therefore, the finned heat exchanger, finned tube heat exchanger, condenser, and/or condenser are preferably finished or purchased components. This reduces production costs and/or simplifies manufacturing. The base body can then be coated with the catalytically active layer.
Vorteilhaft ist es, wenn der Lamellenwärmetauscher und/oder der Rippenrohrwärmetauscher und/oder der Verflüssiger und/oder der Kondensator zur Verwendung in der Heizvorrichtung mit wenigstens einer katalytisch aktiven Schicht, insbesondere zum Ausbilden der ersten Reaktionsoberfläche und/oder der zweiten Reaktionsoberfläche, versehen und/oder beschichtet ist. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn der Lamellenwärmetauscher und/oder der Rippenrohrwärmetauscher und/oder der Verflüssiger die erste Reaktionsoberfläche und/oder die zweite Reaktionsoberfläche umfasst.It is advantageous if the finned heat exchanger and/or the finned tube heat exchanger and/or the condenser and/or the condenser is provided and/or coated with at least one catalytically active layer, in particular for forming the first reaction surface and/or the second reaction surface, for use in the heating device. Additionally or alternatively, it is advantageous if the finned heat exchanger and/or the finned tube heat exchanger and/or the condenser comprises the first reaction surface and/or the second reaction surface.
Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn der Lamellenwärmetauscher und/oder der Rippenrohrwärmetauscher und/oder der Verflüssiger und/oder der Kondensator zumindest ein in der vorangegangenen Beschreibung genanntes und den Wärmetauscher betreffendes Merkmal aufweist. Die genannten Merkmale des Wärmetauschers können einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein.Additionally or alternatively, it is advantageous if the finned heat exchanger and/or the finned tube heat exchanger and/or the condenser and/or the condenser has at least one feature mentioned in the preceding description that relates to the heat exchanger. The aforementioned features of the heat exchanger can be present individually or in any combination.
Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers für eine Heizvorrichtung und/oder Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird vorzugsweise vor und/oder während und/oder nach dem Verbinden wenigstens eines Trennelements mit wenigstens einem Reaktionselement, das wenigstens eine Reaktionselement mit der katalytisch aktiven ersten Reaktionsoberfläche und/oder das Trennelement mit der katalytisch aktiven zweiten Reaktionsoberfläche versehen, insbesondere beschichtet. Vorzugsweise wird zunächst aus dem wenigstens einen Trennelement und/oder dem wenigstens einen Reaktionselement der Grundkörper hergestellt und/oder bereitgestellt und im Anschluss der Grundkörper mit der katalytisch aktiven ersten Reaktionsoberfläche und/oder der katalytisch aktiven zweiten Reaktionsoberfläche versehen, insbesondere beschichtet.Furthermore, a method for manufacturing a heat exchanger for a heating device and/or a method for manufacturing a heating device is proposed. In the method, preferably before and/or during and/or after connecting at least one separating element with at least one reaction element, the at least one reaction element is provided with the catalytically active first reaction surface and/or the separating element with the catalytically active second reaction surface, in particular coated. Preferably, the base body is first produced and/or provided from the at least one separating element and/or the at least one reaction element, and subsequently the base body is provided with the catalytically active first reaction surface and/or the catalytically active second reaction surface, in particular coated.
Vorzugsweise ist der Wärmetauscher und/oder die Heizvorrichtung gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es somit möglich, einen bereits vorhandenen Wärmetauscher mit der katalytisch aktiven Schicht zu versehen, so dass dieser für die Heizvorrichtung gemäß der vorangegangenen Beschreibung geeignet ist.Preferably, the heat exchanger and/or the heating device is designed according to the preceding description, wherein the aforementioned features can be present individually or in any combination. Using this method, it is thus possible to provide an existing heat exchanger with the catalytically active layer so that it is suitable for the heating device according to the preceding description.
Die Beschichtung kann beispielsweise ähnlich oder gemäß einem im Stand der Technik bekannten Verfahren zum Beschichten von Abgaskatalysatoren bzw. Fahrzeugabgaskatalysatoren erfolgen. So ist es vorstellbar, dass der als Grundkörper bereitgestellte Wärmetauscher, beispielsweise mit Hilfe von Trocksprüh-Beschichtung und/oder nasschemischer Beschichtung und/oder Plasmabeschichtung und/oder Wash-Coat-Beschichtung beschichtet wird.The coating can be applied, for example, similarly to or according to a method known in the prior art for coating exhaust catalysts or vehicle exhaust catalysts. It is conceivable, for instance, that the heat exchanger provided as the base body could be coated using dry spray coating and/or wet chemical coating and/or plasma coating and/or wash-coat coating.
Zudem wird ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers für eine Heizvorrichtung und/oder ein Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird vorzugsweise ein aus dem wenigstens einen Trennelement und/oder dem wenigstens einen Reaktionselement gebildeter Grundkörper als Fertigteil, insbesondere als Lamellenwärmetauscher und/oder Rippenrohrwärmetauscher und/oder Verflüssiger, bereitgestellt. Zusätzlich oder alternativ wird der bereitgestellte Grundkörper anschließend zumindest teilweise oder vollständig mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher und/oder die Heizvorrichtung gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.Furthermore, a method for manufacturing a heat exchanger for a heating device and/or a method for manufacturing a heating device is proposed. In the method, a base body formed from the at least one separating element and/or the at least one reaction element is preferably provided as a finished part, in particular as a finned heat exchanger and/or finned tube heat exchanger and/or condenser. Additionally or alternatively, the provided base body is then at least partially or completely coated with a catalytically active material. Preferably, the heat exchanger and/or the heating device is designed according to the preceding description, wherein the aforementioned features can be present individually or in any combination.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
-
1 eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Heizvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und -
2 eine stark vereinfachte schematische Schnittansicht einer Heizvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
-
1 a simplified schematic sectional view of a heating device according to a first embodiment, and -
2 A highly simplified schematic sectional view of a heating device according to a second embodiment.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden für in den verschiedenen Figuren jeweils identische und/oder zumindest vergleichbare Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet. Die einzelnen Merkmale, deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise werden meist nur bei ihrer ersten Erwähnung ausführlich erläutert. Werden einzelne Merkmale nicht nochmals detailliert erläutert, so entspricht deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise der Ausgestaltung und Wirkweise der bereits beschriebenen gleichwirkenden oder gleichnamigen Merkmale.In the following description of the figures, the same reference symbols are used for features that are identical and/or at least comparable in the various figures. The individual features, their design, and/or mode of action are usually only explained in detail upon their first mention. If individual features are not explained again in detail, their design and/or mode of action corresponds to the design and mode of action of the already described features with the same or identical effect.
Die
Der Wärmetauscher 2 umfasst gemäß
Wie aus dem Ausführungsbeispiel der
Der Wärmetauscher 2 bzw. ein Grundkörper 12 des Wärmetauschers 2 ist im Ausführungsbeispiel der
Wie aus der
Um die Gesamtreaktionsoberfläche weiter zu vergrößern, umfasst das wenigstens eine Trennelement 3 eine katalytisch aktive zweite Reaktionsoberfläche 7. Diese zweite Reaktionsoberfläche 7 ist vorzugsweise ebenfalls zum Primärabschnitt 4 gerichtet. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass ein Wärmetauscher 2 auch ohne diese zweite Reaktionsoberfläche 7 des wenigstens einen Trennelements 3 denkbar wäre. So wäre es beispielweise möglich, dass lediglich die als Lamellen ausgebildeten Reaktionselemente 8 mit dem katalytisch aktiven Material versehen, insbesondere beschichtet sind.To further increase the total reaction surface area, the at least one separating element 3 comprises a catalytically active second reaction surface 7. This second reaction surface 7 is preferably also directed towards the primary section 4. For the sake of completeness, it should be mentioned that a heat exchanger 2 would also be conceivable without this second reaction surface 7 of the at least one separating element 3. For example, it would be possible for only the reaction elements 8, which are designed as lamellae, to be provided with the catalytically active material, in particular coated with it.
Wie bereits beschrieben, kann durch die zweite Reaktionsoberfläche 7 die Gesamtreaktionsoberfläche vergrößert werden, wodurch die Kontaktfläche für des Reaktionsgasgemischs vergrößert und/oder eine effizientere Wärmeentwicklung gewährleistet wird.As already described, the second reaction surface 7 can increase the total reaction surface area, thereby increasing the contact area for the reaction gas mixture and/or ensuring more efficient heat generation.
Das wenigstens eine Trennelement 3 umfasst eine zum Sekundärabschnitt 5 gerichtete Übertragungsoberfläche 9 zum Übertragen der aus der katalytischen Reaktion resultierenden Wärme auf das Arbeitsmedium. Diese Übertragungsoberfläche 9 kann die Wärme effizient auf das Arbeitsmedium übertragen. In der
Das in
In der
Zwar ist es aus der
In der
Zudem umfasst der Wärmetauscher 2 im Ausführungsbeispiel der
Die Heizvorrichtung 1 umfasst gemäß
Zudem umfasst der Wärmetauscher 2 im Ausführungsbeispiel der
Zudem umfasst die Heizvorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels der
Zudem wird aus der Darstellung des Ausführungsbeispiels der
Der Wärmetauscher 2 ist in einer Reaktionseinheit 20 der Heizvorrichtung 1 angeordnet. Innerhalb der Reaktionseinheit 20 wird aus dem Reaktionsgasgemisch mit Hilfe des Wärmetauschers 2, insbesondere mit Hilfe des wenigstens einen Reaktionselements 8 und/oder des wenigstens einen Trennelements 3 Wärme erzeugt. Mit Hilfe einer Gaszuführung 21 kann der Reaktionseinheit 20 bzw. dem Wärmetauscher 2 ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff, zugeführt werden. Mit Hilfe einer Sauerstoffzuführung 28 kann der Heizvorrichtung 1 Sauerstoff zugeführt werden. Das aus der Gaszuführung 21 bereitgestellte Brenngas und der aus der Sauerstoffzuführung 28 bereitgestellte Sauerstoff kann innerhalb einer Mischkammer 22 zu dem Reaktionsgasgemisch vermischt werden. Das Reaktionsgasgemisch wird anschließend, insbesondere mit Hilfe eines Lüfterrads 30, entlang der zweiten Strömungsrichtung 18 zum Wärmetauscher 2 geführt.The heat exchanger 2 is arranged in a reaction unit 20 of the heating device 1. Within the reaction unit 20, heat is generated from the reaction gas mixture with the aid of the heat exchanger 2, in particular with the aid of the at least one reaction element 8 and/or the at least one separating element 3. A fuel gas, in particular hydrogen, can be supplied to the reaction unit 20 or the heat exchanger 2 by means of a gas supply 21. Oxygen can be supplied to the heating device 1 by means of an oxygen supply 28. The fuel gas supplied from the gas supply 21 and the oxygen supplied from the oxygen supply 28 can be mixed within a mixing chamber 22 to form the reaction gas mixture. The reaction gas mixture is then guided to the heat exchanger 2 along the second flow direction 18, in particular with the aid of a fan wheel 30.
Im Ausführungsbeispiel der
Die Heizvorrichtung 1 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Verbindungsabschnitt 26. Der Verbindungsabschnitt 26 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Gasleitkanal und/oder Gasleitung ausgebildet. Mit Hilfe des Verbindungsabschnitts 26 kann der Auslass 25 der Reaktionseinheit 20 mit einem Einlass 24 der Reaktionseinheit 2 strömungsverbunden bzw. fluidisch verbunden sein. Mit Hilfe des wenigstens einen Verbindungsabschnitts 26 kann das erwärmte Abgasgemisch aus dem Auslass 25 zumindest teilweise dem Reaktionsgasgemisch für den Einlass 24 zugeführt werden.In the illustrated embodiment, the heating device 1 comprises a connecting section 26. In this embodiment, the connecting section 26 is designed as a gas duct and/or gas line. The connecting section 26 allows the outlet 25 of the reaction unit 20 to be fluidically connected to an inlet 24 of the reaction unit 2. The at least one connecting section 26 allows the heated exhaust gas mixture from the outlet 25 to be at least partially fed to the reaction gas mixture for the inlet 24.
Ein Gaskreislauf 31 ist vorzugsweise ausschließlich durch eine Abgasabführung 27, die wenigstens eine Gaszuführung 21 und/oder die Sauerstoffzuführung 28 unterbrochen. Die Reaktionseinheit 20, der wenigstens eine weitere Wärmetauscher 23, der wenigstens eine Verbindungsabschnitt 26, wenigstens ein Aufbereitungsabschnitt 29 und/oder die wenigstens eine Mischkammer 22 bilden vorzugsweise den Gaskreislauf 31 aus. Der Gaskreislauf 31 bildet dabei vorzugsweise einen in sich geschlossenen Kreislauf aus. Der zugeführte Wasserstoff und/oder Sauerstoff wird mit dem abgeführten Abgasgemisch vorzugsweise kompensiert. Beispielsweise ist es vorstellbar, dass durch den zugeführten Wasserstoff und/oder Sauerstoff ein Überdruck entsteht, der zur Abführung eines Teils des Abgasgemischs führt.A gas circuit 31 is preferably interrupted exclusively by an exhaust gas outlet 27, the at least one gas inlet 21, and/or the oxygen inlet 28. The reaction unit 20, the at least one further heat exchanger 23, the at least one connecting section 26, at least one conditioning section 29, and/or the at least one mixing chamber 22 preferably form the gas circuit 31. The gas circuit 31 preferably forms a closed loop. The supplied hydrogen and/or oxygen is preferably compensated by the discharged exhaust gas mixture. For example, it is conceivable that the supplied hydrogen and/or oxygen creates an overpressure that leads to the discharge of a portion of the exhaust gas mixture.
Die Heizvorrichtung 1 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Steuereinrichtung 35 mit wenigstens einer Datenschnittstelle 36. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Datenschnittstelle 36 als Funkschnittstelle ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann die Datenschnittstelle 36 als Kabelschnittstelle ausgebildet sein. Über die wenigstens eine Datenschnittstelle 36 steht die Steuereinrichtung 35 vorzugsweise mit der wenigstens einen Sauerstoffzuführung 28, mit der wenigstens einen Gaszuführung 21, mit der wenigstens einen Abgasabführung 27, mit wenigstens einer Stelleinrichtung 32, mit wenigstens einem Sauerstoffsensor 33, mit dem wenigstens einen Temperatursensor 19, mit dem wenigstens einen Pufferspeicher 37 und/oder mit wenigstens einem Wasserstoffsensor 34 in Datenverbindung.In the illustrated embodiment, the heating device 1 comprises a control unit 35 with at least one data interface 36. In the illustrated embodiment, the data interface 36 is designed as a radio interface. Alternatively or additionally, the data interface 36 can be designed as a cable interface. Via the at least one data interface 36, the control unit 35 preferably communicates with at least one oxygen supply 28, at least one gas supply 21, at least one exhaust gas outlet 27, at least one actuator 32, at least one oxygen sensor 33, at least one temperature sensor 19, at least one buffer storage tank 37, and/or at least one hydrogen sensor 34.
Mit Hilfe der Steuereinrichtung 35 kann beispielsweise die Gaszuführung 21 derart gesteuert werden, dass die Temperatur des Arbeitsmediums stets weniger als 400°C, vorzugsweise weniger als 300°C, beispielsweis ca. 270°C, beträgt. Hierbei ist es zudem vorstellbar, dass zusätzlich oder alternativ zu dem in der
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- HeizvorrichtungHeating device
- 22
- WärmetauscherHeat exchanger
- 33
- TrennelementSeparating element
- 44
- PrimärabschnittPrimary section
- 55
- SekundärabschnittSecondary section
- 66
- erste Reaktionsoberflächefirst reaction surface
- 77
- zweite Reaktionsoberflächesecond reaction surface
- 88
- Reaktionselementreaction element
- 99
- ÜbertragungsoberflächeTransfer surface
- 1010
- Abstandshalterspacers
- 1111
- ZusatzheizungAdditional heating
- 1212
- Grundkörperbasic body
- 1313
- VorlaufverteilerSupply distributor
- 1414
- RücklaufverteilerReturn manifold
- 1515
- StrömungskanalFlow channel
- 1616
- LeitelementConductive element
- 1717
- erste Strömungsrichtungfirst direction of flow
- 1818
- zweite Strömungsrichtungsecond flow direction
- 1919
- Temperatursensortemperature sensor
- 2020
- Reaktionseinheitreaction unit
- 2121
- GaszuführungGas supply
- 2222
- MischkammerMixing chamber
- 2323
- weiterer Wärmetauscheradditional heat exchanger
- 2424
- Einlassinlet
- 2525
- AuslassOutlet
- 2626
- VerbindungsabschnittConnection section
- 2727
- AbgasabführungExhaust gas discharge
- 2828
- SauerstoffzuführungOxygen supply
- 2929
- AufbereitungsabschnittProcessing section
- 3030
- Lüfterradfan wheel
- 3131
- GaskreislaufGas cycle
- 3232
- StelleinrichtungActuator
- 3333
- SauerstoffsensorOxygen sensor
- 3434
- WasserstoffsensorHydrogen sensor
- 3535
- SteuereinrichtungControl unit
- 3636
- DatenschnittstelleData interface
- 3737
- PufferspeicherBuffer storage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 42 02 107 A1 [0002]DE 42 02 107 A1 [0002]
Claims (16)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2025257201A1 (en) | 2025-12-18 |
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