DE1269217B - Thermoelektrischer Generator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIv

Deutsche Kl.: 21b-27/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 69 217.0-33
14. Oktober 1964
30. Mai 1968

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator, bei dem die heißen Lötstellen der Thermoelemente in einer Fläche angeordnet sind und einen als Heizquelle dienenden Brenner umschließen, dessen Wärmestrahlung sie ausgesetzt sind. Bekannte Geräte dieser Art arbeiten mit Beheizung durch eine kontinuierlich brennende Flamme und haben einen verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad. Dieser ist darauf zurückzuführen, daß die Abgase einer kontinuierlichen Verbrennung an der Wärmetauschfläche eine Grenzschicht bilden, die den Wärmeübergang behindert. Bei einigen Ausführungsformen sind zusätzlich die Thermoelemente den verschmutzenden, reduzierenden oder oxydierenden Einflüssen der Verbrennung ausgesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei thermoelektrischen Generatoren, die durch eine Verbrennung beheizt werden, den Wärmeübergang zu verbessern.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Brenner ein Schwingbrenner ist. Die Thermoelemente umschließen ihn berührungsfrei.

Ein Schwingbrenner, wie z. B. die österreichische Patentschrift 170 523 zeigt, stellt einen Helmholtzschen Resonator dar, an dessen Brennkammer sich ein Schwingrohr ventillos anschließt. Der Schwingbrenner saugt mit seiner Eigenfrequenz Brennstoff und Luft an, das Gemisch dieser Stoffe verpufft und die Abgase werden ausgestoßen. Bei diesem Vorgang nimmt nicht nur die Brennkammer, sondern insbesondere das Schwingrohr eine hohe Temperatur an; der Wärmeübergang von den Verbrennungsgasen auf das Schwingrohr ist wegen der Hin- und Herschwingung der Gasmassen und der damit verbundenen Ablösung der Grenzschicht besser als bei kontinuierlicher Verbrennung. Außerdem steht am Ausgang des Schwingbrenners eine kinetische Energie der Abgase zur Verfügung, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausgewertet werden kann, und zur Förderung von Brennstoff und Luft genügt die Energie des Schwingungsvorganges.

Die Halbleiterschenkel aufweisenden Thermoelemente durchsetzen zweckmäßig einen keramischen Mantel. Da die Verbrennungsgase innerhalb des Schwingbrenners verbleiben, braucht dieser keramische Mantel nicht dicht zu sein. Vorzugsweise hat er eine zylindrische Gestalt. Die Thermoelementenschenkel werden außen und innen über Platten verbunden, die untereinander nur solche Spalte frei lassen, wie sie zur gegenseitigen Isolierung erforderlich sind. Die Platten dienen gleichzeitig zum Wärmeaustausch, d. h. innen zur Aufnahme der Wärmestrahlung und gegebenenfalls der Wärme-Thermoelektrischer Generator

Anmelder:

Dr.-Ing. Ludwig Huber,

7000 Stuttgart-Möhringen, Saarlandstr. 15

Als Erfinder benannt:
Dr.-Ing. Ludwig Huber,
7000 Stuttgart-Möhringen

leitung über ein im Inneren enthaltenes Gas, und im äußeren zur Wärmeabfuhr, welche zur Kühlung der kalten Lötstellen erforderlich ist.

Das Schwingrohr läßt man zweckmäßig zur Ausnutzung der kinetischen Energie der Abgase in eine Turbine ausmünden, die mit einem Kühlluftförderer gekuppelt ist, wobei beide Teile auf einer gemeinsamen Welle sitzen. Der keramische Mantel wird vorzugsweise von einem die Kühlluft führenden Rohr umschlossen, und in diesem Falle tragen wenigstens die äußeren Platten wärmetauschende Fahnen.

Weder die Lötstellen noch die Thermoelementenschenkel selber kommen mit den heißen Verbrennungsgasen in Berührung.

Im allgemeinen wird bei der Verwendung eines Gebläses, das die Luft in das äußere Rohr drückt, in diesem ein Überdruck herrschen, so daß die Luft von außen durch den Keramikmantel nach innen strömt. Man kann aber auch zusätzlich den Innenraum an eine Unterdruckquelle anschließen.

In der Zeichnung ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für den Gegenstand der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch den thermoelektrischen Generator, wobei die Turbine und der Schalldämpfer nur teilweise geschnitten sind,

Fig. 2 einen Schnitt in einer radialen Ebene,

F i g. 3 eine Abwicklung, welche die inneren Platten zeigt, die die Wärmestrahlung aufnehmen,

Fig.4 einen nachgeschalteten Wärmeaustauscher sowie

"Fig. 5 und 6 verschiedene Anordnungen der Thermoelemente im keramischen Mantel.

Fig. 1 zeigt eine Brennkammer 1, die im Betrieb über das Rückschlagventill Verbrennungsluft und

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über den Vergaser 3 Brennstoff in den vorgeschalteten konischen Mischraum ansaugt. An die Brennkammer 1 ist als Schwingrohr eine Rohrschlange 4 ventillos angeschlossen, deren Ende 5 im Betrieb die Verbrennungsgase an eine Radialturbine 6 tangential 5 und stoßweise abgibt. Die Windungen der Rohrschlange heizen sich durch Strahlung gegenseitig auf; wenn aber besonderer Wert auf ein gleichmäßiges Temperaturgefälle über die gesamte Länge der Einrichtung gelegt wird, so kann man die Schlange 4 gegen das Ende 5 auch mit abnehmender Steigung wickeln, wie dies dargestellt ist. Der Querschnitt der Rohrschlange wird durch die Abstimmung des Resonators festgelegt. Die Schaufeln? der die kinetische Energie ausnutzenden Radialturbine 6 sind so angeordnet, daß die Turbine von außen nach innen durchströmt wird. Die die Turbine verlassenden Abgase treten im Betrieb in einen Schalldämpfer 8 ein und verlassen diesen durch ein oder mehrere Rohre 9, deren Querschnitt auf den Schalldämpfer abgestimmt ist.

Die eben beschriebene Anordnung ist von einem Keramikmantel 10 umschlossen, der von Thermoelementen 11 durchsetzt ist, welche durch abwechselnd angeordnete p- und «-Schenkel gebildet werden. Der Keramikmantel ist durch Stirnwände 12,13 geschlossen. Innere Platten 15 und äußere Platten 16 schalten die Thermoelemente 11 in Reihe, wobei die äußeren Platten Kühlfahnen 17 tragen. Elektrische Leitungen 18, 19 führen die erzeugte Spannung an Anschlußstellen 20,21.

Auf der Welle der Turbine 6 sitzt ein Lüfterrad 22, welches die Luft durch ein Gitter 23 ansaugt und in den Mantelraum 24 eines Rohres 25 hineinpreßt, das den Keramikmantel 10 umschließt. Auf diese Weise sind die Kühlfahnen 17 zwischen dem Keramikmantel 10 und dem Rohr 25 angeordnet und werden von der Luft bestrichen. An sich genügt bereits das Gebläse 22, um in dem Raum 24 einen Überdruck gegenüber dem Inneren des Keramikmantels 10 zu erzeugen. Die Luft wird dann, soweit Undichtigkeiten im Keramikmantel 10 bestehen, von außen nach innen strömen. Es genügt hierzu in den meisten Fällen, wenn das bei 26 gezeichnete Rohr in die Außenluft ausmündet. Man kann aber dieses Rohr, wie bei 27 angedeutet, auch unter die Ansaughaube 28 führen, wo durch die Arbeit des Rückschlagventils 2 ein ständiger Unterdruck erzeugt wird, falls dieser Ansaugraum durch eine Platte 28 a vom Raum 24 getrennt ist. Der Innenraum der Ansaughaube28 steht durch Bohrungen 286 und 28 c mit der Außenluft in Verbindung, und durch Verdrehen der Haube 28 kann man den Luftzutritt drosseln, um einen gewünschten Unterdruck zu erhalten. Zusätzlich ist es möglich, mittels einer Leitung 29 Luft oder Verunreinigungen aus dem Bock des Lagers 30 der Turbinen-Gebläse-Kombination 6,22 abzusaugen.

Man erkennt, daß der Mantel 10 durchaus nicht dicht zu sein braucht. Es genügt demgemäß, daß er aus einem elektrisch nicht leitenden, wärmeisolierenden und hitzefesten Stoff besteht. Innerhalb des Mantels kann durch Strahlungsgleichgewicht und durch Wärmeleitung eine Temperatur von etwa 1000° C auftreten.

Die Kühlfahnen 17 werden zweckmäßig aus einem gut wärmeleitenden Stoff, wie z. B. Aluminium oder Kupfer, hergestellt. Im Bedarfsfalle können auch die innen liegenden Metallplatten 15 mit Wärmeaustauschrippen versehen werden.

Die für den Betrieb des Schwingbrenners notwendigen Teile zum Anlassen, zur Luftzufuhr, zur Brennstoffzufuhr, zum Mischen und zur Zündung sind in dem kühlen Raum außerhalb der Platte 28 α angeordnet, wogegen die Brennkammer 1 des Schwingbrenners den zylindrischen Keramikmantel 10 durchsetzt.

Die Abgase haben keine Gelegenheit, mit den Thermoelementen 11 in Berührung zu kommen, so daß Korrosionen und chemische Änderungen ausgeschlossen sind. Auch können die Flächen der Platten 15 nicht verschmutzen.

Fig. 3 zeigt abgewickelt die Anordnung der inneren Platten 15, die Öffnung 40 zum Durchführen der Brennkammer sowie die Stromzuführungen 18 und 19.

In Fig. 1 wurde die linke Seite der Anordnung nicht geschlossen dargestellt. Daran kann sich eine Anordnung gemäß Fig. 4 anschließen.

Ein oder mehrere Rohre 9 führen die Abgase aus dem ersten Schalldämpfer 8 in einen zweiten Schalldämpfer 41, der innerhalb einer Haube 42 angeordnet ist. Diese Haube ist über das Rohr 25 geschoben und dort in beliebiger Weise befestigt. Der zweite Schalldämpfer 41 trägt Kühlrippen 43 und entleert sich durch die Öffnung 44 in eine Heizschlange 45. Auf diese Weise wird die in dem Raum 24 aufgeheizte Luft weiterhin aufgeheizt. Die restliche Wärmeenergie wird auf die Luft übertragen und steht dann bei der Öffnung 46 der Haube 42 zu beliebiger Verwendung zur Verfügung. Verwendet man die Restwärme dazu, Luft zu heizen, so wird man diese in erster Linie für Heizzwecke verwenden. Man kann aber auch Wasser oder Öl heizen, und man kann die beheizten Medien zum Aufheizen von Schweröl, zum Aufheizen eines Maschinenblocks od. dgl., verwenden.

Die noch vorhandene, nicht mehr merklich pulsierende Strömungsenergie kann in einem Ejektor 47 dazu benutzt werden, bei 48 einen Unterdruck zu erzeugen, den man zum Absaugen des Raumes innerhalb des Keramikmantels 10 oder zum Absaugen der Luft aus den Labyrinthdichtungen des Lagers 30 verwenden kann.

F i g. 5 zeigt eine mögliche Art, den keramischen Mantel aufzubauen. In diesem Falle wird der keramische Mantel aus Ringen 50 und 51 gebildet, in deren Berührungsflächen zylindrische Hohlräume 52 vorgesehen sind, in welche die einzelnen Thermoelementenschenkel 11 eingepaßt werden. Man kann gemäß F i g. 6 auch Ringe 53, 54 verwenden, die mit flachen Vertiefungen 55 versehen sind, in welche die Thermoelemente, in diesem Falle als flache Scheiben oder Stäbchen 111, eingesetzt werden. Die Ringe 50, 51, 53, 54 können geschlitzt sein, und man kann auch Halbzylinder an Stelle der Ringe verwenden. Beim Gegenstand der Erfindung steht die gesamte elektrische Energie, die in der Thermosäule entsteht, zur freien Verwendung zur Verfügung, und der Bauaufwand für die Thermosäule wird gering, weil einerseits durch den Schwingbrenner eine hohe und räumlich gleichmäßige Wärmebelastung erzeugt wird und andererseits der Kühlstrom für die kalte Seite der Thermosäule ohne Inanspruchnahme einer Stromquelle allein durch die vom Schwingbrenner gelieferte kinetische Energie erzeugt wird. Die gleich-

mäßige Wärmebelastung wird trotz der pulsierenden Verbrennung durch die Wärmekapazität des Schwingrohres gewährleistet.

Der Teil des Bauaufwandes einer Thermosäule, der im Betrieb Strom für den Antrieb einer Heizung oder eines Kühlventilators liefern müßte, erübrigt sich. Um diesen Betrag wird also die nutzbare Leistung des Generators heraufgesetzt.

Zusätzlich kann die sonst durch einen Luftstrom weggeführte Wärme gemäß dem Ausführungsbeispiel der F i g. 4 nützlich ausgewertet werden.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Thermoelektrischer Generator, bei dem die heißen Lötstellen der Thermolemente in einer Fläche angeordnet sind und einen als Heizquelle dienenden Brenner umschließen, dessen Wärmestrahlung sie ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner ein Schwingbrenner (1, 4) ist. ao

2. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (11) einen keramischen Mantel (10) durchsetzen.

3. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Mantel (10) zylindrisch ist.

4. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel der Thermoelemente (11) auf der Brennerseite über Platten (15) miteinander verbunden sind, weiche in der den Schwingbrenner (1, 4) umschließenden Ebene liegen und direkt der Wärmestrahlung des Brenners ausgesetzt sind.

5. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingrohr (4) in eine Turbine (6) ausmündet, die mit einem Kühlluftförderer (22) gekoppelt ist.

6. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Mantel (10) von einem die Kühlluft führenden Rohr (25) umschlossen ist.

7. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der den Schwingbrenner (1,4) umschließende Raum an die Ansaugseite (28) des Schwingbrenners (1, 4) angeschlossen ist.

8. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der den Schwingbrenner (1,4) umschließende Raum an einen vom Abgas des Schwingbrenners betriebenen Ejektor (47) angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 83 170;

britische Patentschrift Nr. 574 816;

USA.-Patentschriften Nr. 2 280137, 3 081275,
3129116;

»Electrical Engineering«, Bd. 78, 1959, S. 995 bis 1002.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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