DE102010054431A1 - Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf eine Wärmesenke umfasst wenigstens einen von einem Wärmeträger-Fluid durchströmbaren Kanal, der mit der Wärmequelle oder der Wärmesenke in wärmeleitender Verbindung steht. In dem Kanal sind mehrere flache Strukturelemente, welche an ihren jeweiligen Flachseiten ein Muster aus einander abwechselnden Stegen und Aussparungen definieren, derart angeordnet, dass die Stege durch das Wärmeträger-Fluid anströmbar sind.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf eine Wärmesenke mit wenigstens einem von einem Wärmeträger-Fluid durchströmbaren Kanal, der mit der Wärmequelle oder der Wärmesenke in wärmeleitender Verbindung steht.
- Derartige Vorrichtungen dienen beispielsweise dazu, einem Wärmeträger-Fluid beim Durchströmen eines Heizkanals Wärmeenergie zu entziehen und diese einem anderen Medium, z. B. einem in einem Kühlkanal strömenden separaten Wärmeträger-Fluid, zuzuführen. In einem Abgaskanal können solche Vorrichtungen zum Kühlen des Abgases und zur Nutzung der im Abgas vorhandenen Abwärme eingesetzt werden.
- Der Wärmeübergang zwischen dem durch den Kanal strömenden Wärmeträger-Fluid und der Wärmequelle oder der Wärmesenke ist bei gebräuchlichen Systemen jedoch oft relativ gering, so dass das Bedürfnis besteht, bei Vorrichtungen der genannten Art die Effektivität des Wärmeübergangs zwischen dem Kanal und der Wärmequelle oder der Wärmesenke zu erhöhen.
- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
- Erfindungsgemäß sind in dem Kanal mehrere flache Strukturelemente, welche an ihren jeweiligen Flachseiten ein Muster aus einander abwechselnden Stegen und Aussparungen definieren, derart angeordnet, dass die Stege durch das Wärmeträger-Fluid anströmbar sind. Durch die Anordnung von anströmbaren Stegen kann das Strömungsverhalten des Wärmeträger-Fluids in einer gewünschten Weise beeinflusst werden. Insbesondere können Verwirbelungskanäle geschaffen werden, welche gezielt Turbulenzen in dem strömenden Wärmeträger-Fluid erzeugen und somit für einen besseren Wärmeübergang zwischen dem Wärmeträger-Fluid und der Kanalwand und damit der Wärmequelle oder der Wärmesenke sorgen. Zudem wird die mit dem Wärmeträger-Fluid in Kontakt stehende Kanaloberfläche durch die Stege vergrößert. Die Anordnung aus flachen Strukturelementen bildet also eine Wärmeübergangsstruktur, wobei die Herstellung einzelner flacher Strukturelemente wesentlich einfacher und kostengünstiger möglich ist als die Fertigung zusätzlicher eigenständiger Wärmeübergangskomponenten. Mittels der Verwirbelungsstruktur können auch Temperaturgradienten im Fluidstrom verringert werden und dadurch die Effektivität der Wärmeübertragung erhöht werden. Durch die Erfindung kann somit auf einfache Weise der Gesamtwirkungsgrad einer Wärmeübertragungsanordnung erhöht werden.
- Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
- Vorzugsweise sind die Strukturelemente übereinander gestapelt. Durch das Stapeln von einzelnen flachen Strukturelementen kann eine vorgegebene Verwirbelungskanalstruktur auf einfache Weise in einer ”Sandwich”-Bauweise erstellt werden. Durch Übereinanderstapeln gleichartiger oder unterschiedlicher flacher Strukturelemente in beliebiger Anzahl ist eine besonders flexible Anpassung der Gesamtstruktur an die jeweilige Anwendung möglich.
- Die durch die Strukturelemente gebildete Stapelanordnung kann einen gekrümmten, insbesondere mäanderförmigen, Strömungspfad für das Wärmeträger-Fluid definieren. Durch einen gekrümmten Strömungspfad kann ein intensiverer Kontakt des strömenden Fluids mit der Wärmequelle oder der Wärmesenke ermöglicht werden.
- Die Flachseiten der Strukturelemente können insbesondere parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Kanals angeordnet sein. Die Strukturelemente werden also durch das in den Kanal eintretende Wärmeträger-Fluid tangential angeströmt, wobei sich erst durch die Kombination der nebeneinander angeordneten Strukturelemente ein Umleitungseffekt oder Verwirbelungseffekt ergibt, da jeweils mehrere benachbarte Stege durchgehende oder unterbrochene Kanalwände bilden.
- Die Muster der Strukturelemente können relativ zueinander versetzt sein, insbesondere um einen einheitlichen Betrag. Bevorzugt sind die Muster der Strukturelemente entlang einer Hauptströmungsrichtung des Kanals relativ zueinander versetzt. Auf diese Weise kann das Wärmeträger-Fluid auf einen gekrümmten Strömungspfad gezwungen werden. Der Betrag des Versatzes kann dabei auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sein.
- Vorzugsweise definieren die Strukturelemente gleichartige Muster. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung.
- Die Strukturelemente können aus Blech und insbesondere als Streckteile gefertigt sein. Blechbauteile sind besonders kostengünstig herstellbar und weisen im Allgemeinen eine ausreichende Temperaturbeständigkeit auf. Anstatt als Streckteile können die Strukturelemente auch als Stanzteile ausgeführt sein.
- Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere durch Freiräume voneinander getrennte Anordnungen aus gestapelten Strukturelementen in dem Kanal angeordnet. Mit anderen Worten können in einer Stapelanordnung einzelne Strukturelemente weggelassen sein, um so den freien Durchströmungsquerschnitt des Kanals zu vergrößern. Dies kann insbesondere bei Abgasanlagen aus Gründen der Gegendruckoptimierung vorteilhaft sein.
- Die Strukturelemente können kraftschlüssig miteinander und/oder mit dem Kanal verbunden sein. Auf diese Weise ist die Montage und die Demontage erleichtert und einzelne Strukturelemente können bei Bedarf leicht ausgetauscht werden.
- Die Strukturelemente können auch stoffschlüssig miteinander und/oder mit dem Kanal verbunden, insbesondere verlötet, sein. Bei einer derartigen Ausgestaltung sind eine besonders hohe Stabilität und eine optimierte Wärmeleitung gewährleistet.
- Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung definiert wenigstens eines, vorzugsweise alle, der Strukturelemente ein wabenförmiges Muster. Flache Strukturelemente mit wabenförmigem Muster weisen ein besonders günstiges Verhältnis von Stabilität zu Materialbedarf auf.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform definiert wenigstens eines, vorzugsweise alle, der Strukturelemente ein knochenförmiges Muster. Grundsätzlich können auch Strukturelemente mit wabenförmigem Muster und Strukturelemente mit knochenförmigem Muster in einer einzelnen Stapelanordnung kombiniert werden.
- Der Kanal kann ein Heizkanal oder ein Kühlkanal eines Wärmetauschers sein.
- Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung steht der Kanal mit einer Warmseite oder einer Kaltseite eines thermoelektrischen Moduls zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie in Kontakt. Derartige Vorrichtungen werden auch als ”thermoelektrische Generatoren” (TEG) bezeichnet und finden bei verschiedenen Arten der Nutzung von Abwärme Verwendung. Beispielsweise können thermoelektrische Generatoren zur Abgaswärmenutzung bei Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, indem ein Teil der thermischen Energie des heißen Abgasstroms in elektrische Energie gewandelt und dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs zugeführt wird, um so letztlich Kraftstoff zu sparen.
- Die Erfindung betrifft außerdem eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei zumindest eine Vorrichtung wie im vorstehenden Absatz beschrieben in einen Abgasstrang des Verbrennungsmotors integriert ist und wobei ein elektrischer Ausgangsanschluss des thermoelektrischen Moduls mit einem dem Verbrennungsmotor zugeordneten elektrischen Energiespeicher in Verbindung steht. Bei dem elektrischen Energiespeicher kann es sich beispielsweise um die Hauptbatterie eines Kraftfahrzeugs handeln. Durch das Einspeisen von elektrischer Energie in die Hauptbatterie des Kraftfahrzeugs kann die Lichtmaschine entlastet werden, so dass sich insgesamt eine Kraftstoffersparnis beim Betrieb des Kraftfahrzeugs ergibt.
- Ferner betrifft die Erfindung eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei zumindest eine Vorrichtung wie vorstehend beschrieben in einen Abgasstrang des Verbrennungsmotors integriert ist und wobei der Abgasstrang wenigstens eine Schalldämpfungseinrichtung aufweist, welche unter Berücksichtigung der Schalldämpfungsleistung der Wärmetauschereinrichtung ausgestaltet ist. Insbesondere können eine oder mehrere Schalldämpfungseinrichtungen in einem Schalldämpfergehäuse untergebracht sein, welches an einer beliebigen Stelle der Abgasanlage in diese integriert ist. Aufgrund der schalldämpfenden Wirkung des thermoelektrischen Elements ist es möglich, die Schalldämpfungseinrichtungen im Schalldämpfergehäuse kleiner zu dimensionieren und/oder in ihrer Anzahl zu reduzieren oder auf zusätzliche Schalldämpfungseinrichtungen vollständig zu verzichten. Dadurch dass dem Abgas durch das thermoelektrische Modul Wärmeenergie entzogen wird, ergibt sich nämlich nicht nur eine Kühlung des Abgases, sondern auch eine Verringerung der Schallemission.
- Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
-
1 ist eine perspektivische, aufgeschnittene Darstellung einer Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, welche an einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors angebracht ist. -
2 zeigt eine Anordnung von übereinander gestapelten flachen Strukturelementen, welche zur Positionierung in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. -
3 zeigt eine Anordnung aus übereinander gestapelten flachen Strukturelementen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. - Gemäß
1 dient ein Abgaskanal11 dem Führen eines heißen Abgases von einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor entlang einer Strömungsrichtung S in die Atmosphäre. Der Abgaskanal11 weist einen rechteckigen, abgeflachten Querschnitt auf. An einer stromeintrittsseitigen Stirnseite des Abgaskanals11 ist ein Flansch13 vorgesehen, welcher der Anbindung des Abgaskanals11 an eine vorhergehende Komponente des zugehörigen Abgasstrangs dient. Ebenso ist an der stromaustrittsseitigen Stirnseite des Abgaskanals11 ein Flansch vorgesehen, welcher in1 jedoch nicht dargestellt ist. An der Oberseite15 und an der Unterseite17 des Abgaskanals11 sind jeweilige Anordnungen von thermoelektrischen Modulen19 vorgesehen, welche dem strömenden Abgas Wärmeenergie entziehen und in elektrische Energie wandeln. Die thermoelektrischen Module19 sind jeweils in einem halbschalenartigen oder hutartigen Gehäuse21 aus Metall untergebracht, welches mittels Befestigungslaschen23 an dem Abgaskanal11 angebracht ist. Zur gezielten Erzeugung von Turbulenzen in dem strömenden Abgas sind in dem Abgaskanal11 zungenartige Verwirbelungselemente14 vorgesehen, die jedoch nicht der vorliegenden Erfindung entsprechen. - Jedes thermoelektrische Modul
19 ist derart ausgerichtet, dass die für einen Kontakt mit einer Wärmequelle vorgesehene Warmseite20 zum Abgaskanal11 weist. An der entgegengesetzten Kaltseite22 eines jeden thermoelektrischen Moduls19 ist ein Kühlkanal25 vorgesehen, der von einem Kühlfluid, insbesondere Wasser, durchströmbar ist. Während des Betriebs der Vorrichtung wird jedem Kühlkanal25 über einen nicht dargestellten Kühlwassereinlass strömendes Kühlwasser zugeführt, welches nachfolgend in einer mäandernden Strömung über die Kaltseite22 des thermoelektrischen Elements19 geführt und anschließend einem nicht dargestellten Kühlwasserauslass zugeleitet wird. - Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist im Prinzip so gestaltet wie in
1 dargestellt, wobei jedoch anstelle der Verwirbelungselemente14 eine Verwirbelungsstruktur40 wie in2 dargestellt im Inneren des Abgaskanals angeordnet ist. Die Verwirbelungsstruktur40 besteht aus mehreren übereinander gestapelten flachen Strukturelementen41 , welche an ihren jeweiligen Flachseiten42 ein wabenförmiges Muster aus einander abwechselnden Stegen43 und Aussparungen45 definieren. Die Verwirbelungsstruktur40 ist derart in dem Abgaskanal11 (1 ) angeordnet, dass die Flachseiten42 der Strukturelemente41 parallel zur Strömungsrichtung S verlaufen. Die Stege43 werden somit durch das Abgas tangential angeströmt. - Wie aus
2 hervorgeht, sind die Strukturelemente41 derart in dem Abgaskanal11 montiert, dass die Muster um einen einheitlichen Betrag entlang der Strömungsrichtung S relativ zueinander versetzt sind. Das Abgas wird somit beim Durchströmen der Verwirbelungsstruktur40 verwirbelt und auf verschiedene gekrümmte Strömungspfade gezwungen. Auf diese Weise wird der Wärmeübergang von dem Abgas zu den am Abgaskanal11 angebrachten thermoelektrischen Elementen19 verbessert. - Die Strukturelemente
41 können auf einfache Weise aus gestrecktem oder gestanztem Blech gefertigt sein. Da es sich bei den Strukturelementen41 um Gleichteile handelt, ist die Herstellung der Verwirbelungsstruktur40 besonders einfach und kostengünstig. Sollte für bestimmte Anwendungen ein geringerer Gegendruck im Abgasstrang erforderlich sein, so können in der Stapelanordnung aus Strukturelementen41 auch einzelne Strukturelemente41 weggelassen sein, wodurch sich der freie Durchströmungsquerschnitt der Verwirbelungsstruktur40 vergrößert. In die entsprechenden Freiräume können beispielsweise rahmenförmige Abstandshalter eingesetzt sein. Sofern eine besonders hohe Stabilität der Verwirbelungsstruktur40 erforderlich ist, können alle Strukturelemente41 vollständig miteinander verlötet und außerdem mit der Innenwand des Abgaskanals11 verlötet sein. Insbesondere kann ein Hartlötprozess angewendet werden. Alternativ kann auch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Strukturelementen vorliegen, um die Montage zu erleichtern und z. B. eine Möglichkeit zum Austausch einzelner Strukturelemente41 oder der gesamten Verwirbelungsstruktur40 zu schaffen. - Eine besonders einfache Konstruktion liegt vor, wenn die einzelnen Strukturelemente
41 als Bleche in einen als Rechteckprofil ausgebildeten Abgaskanal eingeschoben sind. - Bei der in
3 dargestellten Ausführungsform weisen die Strukturelemente41 anstelle eines wabenförmigen Musters ein knochenförmiges Muster auf. Im Übrigen ist die Verwirbelungsstruktur40' gemäß3 ebenso gestaltet wie die Verwirbelungsstruktur40 gemäß2 . - Insgesamt ermöglicht die Erfindung auf einfache und kostengünstige Weise eine Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem strömenden Abgas und der Warmseite der thermoelektrischen Module. Ebenso könnte die erfindungsgemäße Verwirbelungsstruktur auch in einem entsprechend gestalteten Kühlkanal eingesetzt werden.
- Bezugszeichenliste
-
- 11
- Abgaskanal
- 13
- Flansch
- 14
- Verwirbelungselement
- 15
- Oberseite
- 17
- Unterseite
- 19
- thermoelektrisches Modul
- 20
- Warmseite
- 21
- Gehäuse
- 22
- Kaltseite
- 23
- Befestigungslasche
- 25
- Kühlkanal
- 40, 40'
- Verwirbelungsstruktur
- 41, 41'
- Strukturelement
- 42
- Flachseite
- 43
- Steg
- 45
- Aussparung
- S
- Strömungsrichtung
Claims (17)
- Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf eine Wärmesenke, mit wenigstens einem von einem Wärmeträger-Fluid durchströmbaren Kanal (
11 ,25 ), der mit der Wärmequelle oder der Wärmesenke in wärmeleitender Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kanal (11 ,25 ) mehrere flache Strukturelemente (41 ,41' ), welche an ihren jeweiligen Flachseiten (42 ) ein Muster aus einander abwechselnden Stegen (43 ) und Aussparungen (45 ) definieren, derart angeordnet sind, dass die Stege (43 ) durch das Wärmeträger-Fluid anströmbar sind. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (
41 ,41' ) übereinander gestapelt sind. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Strukturelemente (
41 ,41' ) gebildete Stapelanordnung (40 ) einen gekrümmten, insbesondere mäanderförmigen, Strömungspfad für das Wärmeträger-Fluid definiert. - Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachseiten (
42 ) der Strukturelemente (41 ,41' ) parallel zu einer Hauptströmungsrichtung (S) des Kanals (11 ,25 ) angeordnet sind. - Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster der Strukturelemente (
41 ,41' ) relativ zueinander versetzt sind, insbesondere um einen einheitlichen Betrag. - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster der Strukturelemente (
41 ,41' ) entlang einer Hauptströmungsrichtung (S) des Kanals (11 ,25 ) relativ zueinander versetzt sind. - Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (
41 ,41' ) gleichartige Muster definieren. - Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (
41 ,41' ) aus Blech und insbesondere als Streckteile gefertigt sind. - Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere durch Freiräume voneinander getrennte Anordnungen aus gestapelten Strukturelementen (
41 ,41' ) in dem Kanal (11 ,25 ) angeordnet sind. - Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (
41 ,41' ) kraftschlüssig miteinander und/oder mit dem Kanal (11 ,25 ) verbunden sind. - Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (
41 ,41' ) stoffschlüssig miteinander und/oder mit dem Kanal (11 ,25 ) verbunden, insbesondere verlötet, sind. - Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines, vorzugsweise alle, der Strukturelemente (
41 ) ein wabenförmiges Muster definiert. - Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines, vorzugsweise alle, der Strukturelemente (
41' ) ein knochenförmiges Muster definiert. - Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal ein Heizkanal (
11 ) oder ein Kühlkanal (25 ) eines Wärmetauschers ist. - Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (
11 ,25 ) mit einer Warmseite (20 ) oder einer Kaltseite (22 ) eines thermoelektrischen Moduls (19 ) zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie in Kontakt steht. - Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vorrichtung nach Anspruch 15 in einen Abgasstrang des Verbrennungsmotors integriert ist, wobei ein elektrischer Ausgangsanschluss des thermoelektrischen Moduls (
19 ) mit einem dem Verbrennungsmotor zugeordneten elektrischen Energiespeicher in Verbindung steht. - Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vorrichtung nach Anspruch 15 in einen Abgasstrang des Verbrennungsmotors integriert ist, wobei der Abgasstrang wenigstens eine Schalldämpfungseinrichtung aufweist, welche unter Berücksichtigung der Schalldämpfungsleistung des Moduls (
19 ) ausgestaltet ist.
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