EP3974760A1 - Recuperator for gaseous or liquid media - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rekuperator für gasförmige oder flüssige Medien mit dreifach periodischen Minimaloberflächen und einem Rekuperatormantel sowie ein Verfahren zur Herstellung von Segmenten mit dreifach periodischen Minimaloberflächen (TPMS = triply periodic minimal surface), wobei allseitige Öffnungen zur Reinigung und/oder Kondensatableitung vorgesehen sind.The invention relates to a recuperator for gaseous or liquid media with triple periodic minimal surfaces and a recuperator jacket and a method for producing segments with triple periodic minimal surfaces (TPMS=triply periodic minimal surface), openings being provided on all sides for cleaning and/or condensate drainage.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rekuperator für gasförmige oder flüssige Medien mit dreifach periodischen Minimaloberflächen und einem Rekuperatormantel sowie ein Verfahren zur Herstellung von Segmenten mit dreifach periodischen Minimaloberflächen (TPMS = triply periodic minimal surface).The invention relates to a recuperator for gaseous or liquid media with triple periodic minimal surfaces and a recuperator jacket and a method for producing segments with triple periodic minimal surfaces (TPMS=triply periodic minimal surface).

Der 3D-Druck bietet die Möglichkeit, komplexe Geometrien, wie z. B eine TPMS, in einen Rekuperator zu integrieren. Eine TPMS ist eine Fläche im Raum, die lokal minimalen Flächeninhalt hat. Derartige Formen nehmen beispielsweise Seifenhäute an, wenn sie über einen entsprechenden Rahmen (wie etwa einen Blasring) gespannt sind. Da TPMS-Strukturen zweikanalig sind, eignen sie sich zur Verwendung in Rekuperatoren.3D printing offers the possibility of complex geometries, such as B to integrate a TPMS into a recuperator. A TPMS is a surface in space that has locally minimal surface area. Such forms take, for example, soap skins when stretched over an appropriate frame (such as a bubble ring). Since TPMS structures are two-channel, they are suitable for use in recuperators.

Gattungsgemäße Rekuperatoren werden insbesondere zum Einbau in oder zur Verwendung mit Industriebrennern benötigt. Mit diesen soll so viel Wärme wie möglich zwischen dem ausströmenden heißen und dem einströmenden kalten Medium auf möglichst kleinem Bauraum bei möglichst geringen Druckverlusten übertragen werden. Neben Luft bzw. Abgas können grundsätzlich auch andere gasförmige oder flüssige Medien Gegenstand des Rekuperators sein.Generic recuperators are required in particular for installation in or for use with industrial burners. With these, as much heat as possible should be transferred between the outflowing hot and the inflowing cold medium in the smallest possible space with the lowest possible pressure losses. In addition to air or exhaust gas, other gaseous or liquid media can in principle also be the object of the recuperator.

Das Erreichen hoher (Luft-)Vorwärmtemperaturen wird grundsätzlich durch die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe und die gezielte Beeinflussung der Strömung innerhalb eines Rekuperators erreicht. Grundsätzlich gibt es hierbei zwei verschiedene Varianten. Bei direkten Rekuperatoren befindet sich der Rekuperator innerhalb der Brennereinheit. In diesen Rekuperatoren strömt das wärmeabgebende Medium aus dem Brennraum auf dem gleichen Weg, jedoch in umgekehrter Richtung zum wärmeaufnehmenden Medium, durch den Rekuperator. Bei sogenannten "Zentralrekuperatoren" wird das Abgas bzw. der Oxidator durch einen Rekuperator geführt, der sich nicht in der Brennereinheit befindet. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil hoher realisierbarer Wärmeübertragungsoberflächen, weist jedoch den Nachteil langer Transportwege und Leitungsverluste sowie ein hohes Bauvolumen auf. Zum anderen sind im Stand der Technik Rekuperatoren bekannt, die in die Brennereinheit integriert sind. Sie sind in ihrer Bauform kompakter, wärmen die Verbrennungsluft kontinuierlich auf und weisen keine Transportverluste auf.The achievement of high (air) preheating temperatures is basically achieved through the use of different materials and the targeted influencing of the flow within a recuperator. There are basically two different variants. In the case of direct recuperators, the recuperator is located inside the burner unit. In these recuperators, the heat-emitting medium flows from the combustion chamber along the same path, but in the opposite direction to the heat-absorbing medium, through the recuperator. With so-called "central recuperators", the exhaust gas or the oxidizer is routed through a recuperator that is not located in the burner unit. This embodiment offers the advantage of high heat transfer surfaces that can be realized, but has the disadvantage of long transport routes and line losses as well as a high construction volume. On the other hand, recuperators that are integrated into the burner unit are known in the prior art. They are more compact in design, continuously heat up the combustion air and have no transport losses.

Der den Rekuperator umgebende Rekuperatormantel stellt die äußere Dichtungsebene für das Abgas dar. Der Rekuperatormantel kann entweder zur Brennereinheit gehören, oder aber durch ein die Brennereinheit umschließendes Bauteil gebildet werden. In der Praxis werden Rekuperatoren z. B. in Brennersteine eingebaut, die eine innen liegende zylindrische Ausnehmung haben. In diese Ausnehmung wird dann der Rekuperator hineingeschoben, und der Brennerstein wird zum Rekuperatormantel. Auch werden Brenner dieser Bauart häufig in Strahlrohre eingebaut. Hierbei bildet dann der Teil des Stahlrohres, in das der Rekuperator eingeschoben wird, den Rekuperatormantel.The recuperator casing surrounding the recuperator represents the outer sealing plane for the exhaust gas. The recuperator casing can either belong to the burner unit or be formed by a component enclosing the burner unit. In practice, recuperators z. B. installed in burner blocks that have an internal cylindrical recess. The recuperator is then pushed into this recess and the burner block becomes the recuperator casing. Burners of this type are also often built into radiant tubes. The part of the steel tube into which the recuperator is inserted then forms the recuperator casing.

Die Leistung eines Rekuperators ist unter anderen auch abhängig von seiner Geometrie und Oberfläche. Auf beide Faktoren kann in verschiedener Weise Einfluss genommen werden. So können durch additive Fertigung Wärmetauscherstrukturen erzeugt werden, die mit konventionellen Produktionsverfahren nicht herstellbar sind. Aufgrund der hohen Produktionsgenauigkeit der additiven Fertigung von 20 - 30 µm können auch sehr kompakte Strukturen mit großen Oberflächen realisiert werden, die einen deutlich verbesserten Wärmeübergang und somit eine optimierte Nutzung der Abgaswärme ermöglichen.The performance of a recuperator depends, among other things, on its geometry and surface. Both factors can be influenced in different ways. Additive manufacturing can be used to create heat exchanger structures that cannot be produced using conventional production processes. Due to the high production accuracy of additive manufacturing of 20 - 30 µm, very compact structures with large surfaces can also be realized, which enable significantly improved heat transfer and thus optimized use of the exhaust heat.

Es können nicht nur auf engem Raum große Flächen für den Wärmeübergang erzeugt werden, vielmehr bietet der 3D-Druck auch weitere Vorteile. Hierzu zählt etwa die Aufteilung in Teilströme zweier in umgekehrter Richtung strömender Hauptströme, sowohl der Eingang- als auch der Ausgangshauptstrom, können auf möglichst kleinem Bauraum sowohl mit gleichzeitig geringem Druckverlust in eine Vielzahl kleiner Teilströme aufgeteilt werden. Diese werden nach dem Durchgang durch den Rekuperator jeweils wieder zu einem Hauptstrom zusammengeführt. Gerade für solche komplexe Kanalsysteme ist die additive Fertigung besonders gut geeignet. Allerdings unterliegen TPMS-Strukturen auch besonderen Problemen. Beispielsweise verschmutzen diese sehr leicht oder setzen sich mit Flüssigkeiten zu.Not only can large areas for heat transfer be created in a small space, but 3D printing also offers other advantages. This includes, for example, the division into partial flows of two main flows flowing in the opposite direction, both the input and the output main flow, can be divided into a large number of small partial flows in the smallest possible space with a simultaneously low pressure loss. After passing through the recuperator, these are combined again to form a main stream. Additive manufacturing is particularly well suited for such complex duct systems. However, TPMS structures are also subject to particular problems. For example, they get dirty very easily or become clogged with liquids.

Aus diesem Grunde schlägt die Erfindung zunächst vor, einen Rekuperator für gasförmige oder flüssige Medien mit dreifach periodischen Minimaloberflächen mit allseitigen Öffnungen zu versehen. Durch diese Öffnungen können schon bei der Herstellung Produktionsrückstände oder -überschüsse als auch im Einsatz anfallende Verschmutzungen entweder mechanisch oder z.B. auch durch eine Ultraschallbehandlung herausgespült und einer Reinigung unterzogen werden, ebenso ist durch diese auch eine Kondensatableitung möglich. Dabei können sowohl beide Kanäle als auch nur einer der beiden Kanäle mit allseitigen Öffnungen versehen sein. Bei einem eng anliegenden Rekuperatormantel ist es denkbar, in beiden Kanälen umlaufende Öffnungen vorzusehen und diese über den Rekuperatormantel abzudichten. Genauso ist es aber auch möglich, umlaufend nur einen Kanal, und zwar den Abgaskanal, mit erfindungsgemäßen Öffnungen zu versehen.For this reason, the invention initially proposes providing a recuperator for gaseous or liquid media with triple-periodic minimal surfaces with openings on all sides. Production residues or surpluses as well as contamination occurring during use can be flushed out through these openings either mechanically or e.g. by means of an ultrasonic treatment and subjected to cleaning, and condensate drainage is also possible through this. Both the two channels and only one of the two channels can be provided with openings on all sides. In the case of a tight-fitting recuperator jacket, it is conceivable to provide circumferential openings in both channels and to seal these via the recuperator jacket. However, it is just as possible to provide openings according to the invention around only one channel, specifically the exhaust gas channel.

In vorteilhafter Ausgestaltung weisen die jeweiligen Segmente Reinigungsöffnungen auf. Durch diese können die entsprechenden dreifach periodischen Minimaloberflächen innerhalb der Patronen leicht und kostengünstig gereinigt werden. Erfahrungsgemäß ist eine derartige Reinigung in regelmäßigen Abständen erforderlich und führt bei herkömmlichen, einheitlichen Rekuperatoren zu langen Stillstandszeiten. Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Rekuperators mit Segmenten ist es möglich, jeweils einzelne Segmente zu entnehmen und diese Patronen gegen eine Ersatzpatrone auszutauschen, während die erste Patrone gereinigt wird. Damit können die erfindungsgemäßen Rekuperatoren ohne größere Stillstandszeiten kontinuierlich betrieben werden, indem stets nur einzelne Segmente entnommen und gereinigt bzw. gewartet oder in besonderen Fällen auch gänzlich ausgetauscht werden.In an advantageous embodiment, the respective segments have cleaning openings. Through this, the corresponding triple-periodic minimal surfaces within the cartridges can be cleaned easily and inexpensively. Experience has shown that such cleaning is necessary at regular intervals and, with conventional, uniform recuperators, leads to long downtimes. By the inventive design of the recuperator with It is possible to remove segments one at a time and exchange these cartridges for a spare cartridge while the first cartridge is being cleaned. The recuperators according to the invention can thus be operated continuously without major downtimes, in that only individual segments are always removed and cleaned or serviced or, in special cases, also completely replaced.

Die innere Reinigung der Patronen kann beispielsweise mittels einer einfachen Rund- oder Flaschenbürste erfolgen, die durch die entsprechende Reinigungsöffnung, d.h. einen Durchbruch der Außenwand der Patrone, eingeführt wird. Als mögliche Alternative kommt z.B. ein Ultraschallbad in Betracht. Eine stete Reinigung hat sich in der Praxis als erforderlich herausgestellt, da die feinen Strukturen der dreifach periodischen Minimaloberflächen dazu neigen, sich zuzusetzen und leicht zu verschmutzten, so dass der Rekuperator dann in seiner Leistung versagt.The inside of the cartridges can be cleaned, for example, using a simple round or bottle brush, which is inserted through the appropriate cleaning opening, i.e. an opening in the outer wall of the cartridge. An ultrasonic bath, for example, can be considered as a possible alternative. Constant cleaning has proven to be necessary in practice, since the fine structures of the triple-periodic minimal surfaces tend to become clogged and easily soiled, so that the recuperator then fails in its performance.

Die 3D-Fertigung stößt bei größeren Rekuperatoren zuweilen aber auch an technische und finanzielle sowie räumliche Grenzen. Außerdem kann es für unterschiedliche Einsatzgebiete und -situationen gewünscht sein, einen Rekuperator variieren zu können.However, 3D production sometimes comes up against technical, financial and spatial limits for larger recuperators. In addition, it may be desirable to be able to vary a recuperator for different areas of use and situations.

In Ausgestaltung wird daher ein Rekuperator für gasförmige oder flüssige Medien mit dreifach periodischen Minimaloberflächen und einem mit allseitigen Öffnungen versehenen Rekuperator in Segmenten hergestellt und aus diesen zusammengesetzt. Hiermit kann in besonders geeigneter Weise auf die Leistung des Rekuperators durch Veränderung der Geometrien und Flächen Einfluss genommen werden.In an embodiment, therefore, a recuperator for gaseous or liquid media with triple periodic minimum surfaces and a recuperator provided with openings on all sides is produced in segments and assembled from these. In this way, the performance of the recuperator can be influenced in a particularly suitable manner by changing the geometries and surfaces.

Zur Leistungsvariation kann durch ein Baukastensystem über eine Anzahl standardisierter Segmente leicht die erforderliche Anpassung und Variation erzielt werden. Durch die Ausführung der Segmentstrukturen mit dreifach periodischer Minimaloberfläche (TPMS) können die beiden Kanäle sowohl kongruent als auch unterschiedlich konstruiert werden. Zusätzlich ergibt sich durch die Wahl einer solchen TPMS-Struktur eine turbulente und permanent umgelenkte Strömung, die die Wärmeübertragung innerhalb des Rekuperators weiter verbessert. Ein segmentweiser Aufbau in Form austauschbarer Patronen eröffnet in vorteilhafter Art und Weise die Möglichkeit, jeden Rekuperator auf die jeweilige Einbau- und Einsatzsituation und veränderte Bedingungen gezielt anzupassen.To vary the performance, the required adaptation and variation can easily be achieved using a modular system with a number of standardized segments. By designing the segment structures with a triple periodic minimal surface (TPMS), the two channels can be both congruent and be constructed differently. In addition, the choice of such a TPMS structure results in a turbulent and permanently deflected flow, which further improves the heat transfer within the recuperator. A segmented structure in the form of exchangeable cartridges opens up the possibility of specifically adapting each recuperator to the respective installation and application situation and changed conditions in an advantageous manner.

Werden die einzelnen Segmente durch standardisierte Patronen gebildet, so kann über deren Anzahl und Anordnung jede beliebige Rekuperatorleistung definiert und realisiert werden. Die standardisierten Patronen können als Gleichteile in großen Stückzahlen preiswert hergestellt werden, z.B. über das neue 3D-Druckverfahren "Binder-Jetting".If the individual segments are formed by standardized cartridges, any desired recuperator output can be defined and implemented via their number and arrangement. The standardized cartridges can be manufactured inexpensively as equal parts in large quantities, e.g. using the new 3D printing process "binder jetting".

Durch den segmentweisen Aufbau ist jede Patrone leichter an die Verhältnisse genau an jeder Stelle des Rekuperators anzupassen.Due to the segmented structure, each cartridge is easier to adapt to the conditions at each point of the recuperator.

Die Reinigungsöffnungen sind auch für den Produktionsprozess des Binder-Jettings von großem Vorteil: Zunächst wird ein sogenannter "Grünling" in einem Pulverbett hergestellt. Dieser Grünling wird dann vor dem darauffolgenden Sinterprozess vom innenliegenden Pulver befreit. Durch die Öffnungen kann das Pulver aus dem Inneren des Rekuperator-Grünlings vor dem Sintern leicht und von allen Seiten zugänglich entfernt werden.The cleaning openings are also of great advantage for the production process of binder jetting: First, a so-called "green body" is produced in a powder bed. This green compact is then freed from the internal powder before the subsequent sintering process. Through the openings, the powder can be easily removed from the interior of the recuperator green body before sintering and is accessible from all sides.

Gleichzeitig können die Reinigungsöffnungen nach dem Sintern zur Kondensatableitung geeignet sein. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Rekuperator auch von besonderer Bedeutung, damit mit diesem auch die Rückgewinnung von überschüssiger Energie aus dem Abgas nach Art der Brennwerttechnik möglich ist, da bei der Energiegewinnung aus dem Wasserdampf stets Kondensat anfällt.At the same time, the cleaning openings can be suitable for condensate drainage after sintering. This is also of particular importance in the case of the recuperator according to the invention, so that with this it is also possible to recover excess energy from the exhaust gas in the manner of condensing technology, since condensate always occurs when generating energy from the water vapor.

Die Erfindung sieht weiter vor, dass die Segmente nur über eine Dichtungsebene gegeneinander abgedichtet sind, während eine zweite Dichtungsebene über den die Segmente umschließenden Rekuperatormantel gebildet ist. Dadurch wird der Aufwand beim Aufbau von größeren Strukturen erheblich reduziert, es ist nur ein Gehäuse als zweite Dichtungsebene notwendig. Die notwendige mechanische Bearbeitung wird auf ein Minimum reduziert. Dies erspart zusätzliche Dichtungen und erhöht die Dichtigkeit.The invention further provides that the segments are sealed from one another only via one sealing level, while a second sealing level is formed via the recuperator casing enclosing the segments. This will make the Significantly reduced effort when setting up larger structures, only one housing is required as the second sealing level. The necessary mechanical processing is reduced to a minimum. This saves additional seals and increases the tightness.

Die Dichtungsebenen der einzelnen Segmente können über Federkraft gegeneinander verspannt sein. Dabei kann sich die Feder vorteilhaft außerhalb des Rekuperators befinden, um sie auch vor Hitzeeinflüssen zu schützen. Die Segmente können auch über Stangen, Stäbe oder die Gaslanze zueinander positioniert und miteinander verspannt sein. Durch die Verwendung der Gaslanze kann auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden. Auch können Stangen, Stäbe oder die Gaslanze über einen Bypass mit kalter Verbrennungsluft kühlbar sein, um sie zu schützen.The sealing planes of the individual segments can be braced against each other by spring force. In this case, the spring can advantageously be located outside of the recuperator in order to also protect it from the effects of heat. The segments can also be positioned relative to one another and clamped to one another via rods, rods or the gas lance. Additional components can be dispensed with by using the gas lance. Rods, rods or the gas lance can also be cooled with cold combustion air via a bypass in order to protect them.

Die Einzelsegmente im Verbund können auch als Kreuzstromrekuperator ausgelegt sein. Das hat den Vorteil, dass sich eine homogenere Temperaturverteilung über mehrere, aneinander gereihte Segmente einstellt.The individual segments in the network can also be designed as a cross-flow recuperator. This has the advantage that a more homogeneous temperature distribution is established over several segments lined up in a row.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ausgewählte Segmente so ausgebildet sind, dass die Abgastemperatur bei einer Erdgasverbrennung unter 59° C fällt und das Abgas kondensiert. Dadurch kann auch aus dem Wasserdampf Energie gewonnen werden. Dieser Effekt ist bei einer Wasserstoffverbrennung noch stärker ausgeprägt, da das Abgas einer Wasserstoffverbrennung eine um 60 % größere Wasserfracht hat als die vergleichbare Erdgasverbrennung.In an advantageous embodiment, it is provided that selected segments are designed in such a way that the exhaust gas temperature falls below 59° C. when natural gas is burned and the exhaust gas condenses. This means that energy can also be obtained from the water vapour. This effect is even more pronounced with hydrogen combustion, since the exhaust gas from hydrogen combustion has a 60% greater water load than comparable natural gas combustion.

Die dreifach periodischen Minimaloberflächen sind strömungstechnisch möglichst optimiert, z.B. als Gyroid, Doppel-Gyroid, Schwarz-P, Diamond, als Gyroid mit rechteckig angeordneter Zellstruktur, zylindrisch angeordneter Zellstruktur oder sphärisch angeordneter Zellstruktur. Die Auswahl und Kombination kann danach optimiert sein, dass beim Durchfluss des gasförmigen oder flüssigen Mediums möglichst starke Turbulenzen oder möglichst geringe Druckverluste in jedem Segment entstehen. Es kann auch eine Optimierung dahingehend erfolgen, dass eine möglichst große Leistung bei möglichst kleinem Bauraum übertragbar ist.The threefold periodic minimal surfaces are fluidically optimized as much as possible, eg as gyroid, double gyroid, black-P, diamond, as gyroid with a rectangularly arranged cell structure, cylindrically arranged cell structure or spherically arranged cell structure. The selection and combination can be optimized so that the strongest possible turbulence or the lowest possible pressure losses occur in each segment when the gaseous or liquid medium flows through. It can also be optimized to the effect that the greatest possible power can be transmitted in the smallest possible space.

Segmente mit unterschiedlichen Vorteilen können auch hintereinander gestaffelt sein, in der Weise, dass auf eine gröbere Steigung und größere Zellgrößen und Segmente feinere Steigungen und/oder Zellgrößen folgen. Das hat den Vorteil, dass der Druckverlust innerhalb des Rekuperators positiv beeinflusst werden kann. Je heißer der jeweilige Bereich im Rekuperator ist, desto größer wird die Zellgröße dort gewählt. Gasförmige Medien dehnen sich temperaturabhängig deutlich aus, so dass die Strömungsgeschwindigkeiten in dem heißen Bereich deutlich größer sind als in kälteren Bereichen. Dem aus den größeren Strömungsgeschwindigkeiten resultierenden Druckverlusten kann durch größere Zellen entgegengewirkt werden.Segments with different benefits can also be staggered one behind the other, such that a coarser pitch and larger cell sizes and segments are followed by finer pitches and/or cell sizes. This has the advantage that the pressure loss within the recuperator can be positively influenced. The hotter the respective area in the recuperator, the larger the cell size selected there. Gaseous media expand significantly depending on the temperature, so that the flow velocities in the hot area are significantly greater than in colder areas. The pressure losses resulting from the higher flow speeds can be counteracted by using larger cells.

Die Zellgrößen können innerhalb der einzelnen Segmente über ein parameterisierbares CAD-Modell abgebildet werden. Der Vorteil hieran ist, dass eine Vielzahl an Varianten in kürzester Zeit erstellt werden können. Da im 3D-Druck keine Vorrichtungskosten anfallen, kann so ohne Mehrkosten ein Rekuperator konfiguriert werden, der kundenspezifisch genau an die jeweils vorliegenden Anforderungen angepasst wird.The cell sizes can be mapped within the individual segments using a parameterizable CAD model. The advantage of this is that a large number of variants can be created in a very short time. Since there are no device costs in 3D printing, a recuperator can be configured without additional costs, which is customized exactly to the requirements at hand.

Die Parameter können derart gewählt werden, dass möglichst geringe Druckverluste in jedem Segment entstehen. Ebenso können Aufbau und Anwendung der Segmente so gewählt werden, dass das Abgas in einem zuvor genau definierten Bereich kondensiert und von dort gezielt ableitbar ist. Der Vorteil ist, dass die anderen Bereiche des Rekuperators so frei von Kondenswasser bleiben.The parameters can be selected in such a way that the lowest possible pressure losses occur in each segment. The structure and application of the segments can also be selected in such a way that the exhaust gas condenses in a previously precisely defined area and can be diverted from there in a targeted manner. The advantage is that the other areas of the recuperator remain free of condensation.

Auch ist es möglich, die Segmente derart zu konstruieren und zusammen zu setzen, dass die Abgastemperatur innerhalb ausgewählter Segmente unter 59° C fällt und indem Abgas kondensiert und ableitbar ist, was den Vorteil bietet, dass die bei der Kondensation des Wassers freiwerdenden Kondensationswärme zur Effizienzsteigerung des Rekuperators genutzt wird. Da üblicherweise die energetisehe Betrachtung einer Anlage auf den Heizwert bezogen wird, ist es bei der Nutzung der Kondensationswärme möglich, Wirkungsgrade von größer als 100% zu erreichen. Dies resultiert aus der Definition von Heizwert und Brennwert eines Brennstoffs, da der Brennwert um die Kondensationsenthalpie des im Abgas enthaltenen Wassers größer ist. Vor allem in Hinblick auf wasserstoffhaltige Brennstoffe können somit deutlich höhere Wirkungsgrade erreicht werden.It is also possible to construct and assemble the segments in such a way that the exhaust gas temperature falls below 59° C within selected segments and exhaust gas can be condensed and discharged, which offers the advantage that the heat of condensation released during the condensation of the water increases efficiency of the recuperator is used. Since usually the energetic If a system is considered based on the calorific value, it is possible to achieve efficiencies of more than 100% when using the condensation heat. This results from the definition of the calorific value and gross calorific value of a fuel, since the gross calorific value is greater by the condensation enthalpy of the water contained in the exhaust gas. Significantly higher efficiencies can thus be achieved, especially with regard to hydrogen-containing fuels.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1

das Innere eines Elements mit dreifach periodischen Minimaloberflächen (TPMS) in Form eines Gyroiden,

Fig. 2 a - c

verschiedene Zellgrößen eines Gyroiden gem. Fig. 1,

Fig. 3 a

ein einzelnes Rekuperatorsegment in perspektivischer Ansicht,

Fig. 3 b

ein einzelnes Rekuperatorsegment in Seitenansicht,

Fig. 3 c

ein einzelnes Rekuperatorsegment in Aufsicht,

Fig. 4

eine Aneinanderreihung mehrerer Rekuperatorsegmente,

Fig. 5

einen zusammengesetzten Rekuperatorbrenner,

Fig. 6

eine schematische Ansicht zweier Baukastensysteme für größere Rekuperatoren,

Fig. 7 a

eine alternative TPMS in Form eines Lidinoid,

Fig. 7 b

eine alternative TPMS in Form eines Schwarz-P,

Fig. 7 c

eine alternative TPMS in Form eines Diamond,

Fig. 8

eine alternative zylindrische Anordnung der Zellstruktur sowie

Fig. 9

eine alternative sphärische Anordnung der Zellstruktur.

The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. This shows in

1

the interior of a triple periodic minimal surface (TPMS) element in the form of a gyroid,

Fig. 2a - c

different cell sizes of a gyroid acc. 1 ,

Fig. 3a

a single recuperator segment in a perspective view,

Figure 3b

a single recuperator segment in side view,

Fig. 3c

a single recuperator segment in supervision,

4

a series of several recuperator segments,

figure 5

a composite recuperative burner,

6

a schematic view of two modular systems for larger recuperators,

Fig. 7a

an alternative TPMS in the form of a lidinoid,

Figure 7b

an alternative TPMS in the form of a black P,

Fig. 7c

an alternative TPMS in the form of a diamond,

8

an alternative cylindrical arrangement of the cell structure as well

9

an alternative spherical arrangement of the cell structure.

Ein Rekuperator 1 für gasförmige oder flüssige Medien weist mehrere Elemente mit dreifach periodischen Minimaloberflächen (TPMS) 2, 2', 2" - 2ⁿ und jeweils zwei Kanälen 3, 4 auf, wobei der Kanal 3 als Abgaskanal und der Kanal 4 als Zuführkanal für ein gasförmiges oder flüssiges Medium dient. Die Zellgrößen können variieren, wie beispielhaft aus Fig. 2a - 2c hervorgeht. Der erfindungsgemäße Rekuperator 1 mit dreifach periodischen Minimaloberflächen 2, 2', 2" - 2ⁿ ist, wie aus Fig. 4 hervorgeht, in einzelne Rekuperator-Segmente 5, 5', 5" - 5ⁿ aufgeteilt, die, wie aus Fig. 4 ersichtlich, aneinandergereiht und zusammengesetzt werden können, und zwar über jeweils eine einzelne Dichtungsebene 6. Die Rekuperator-Segmente 5, 5', 5" - 5ⁿ sind beispielsweise scheibenförmig ausgebildet. Die Elemente 5, 5', 5" - 5ⁿ weisen eine Durchführung 7 für eine Gaslanze 13 und nicht näher dargestellte Elektroden auf. Insbesondere weisen die Rekuperator-Elemente 5, 5', 5" - 5ⁿ neben den ein- und ausgangsseitigen Öffnungen 16 allseitig weitere Öffnungen 8 auf. Diese dienen sowohl zur Reinigung als auch zur Kondensatableitung.A recuperator 1 for gaseous or liquid media has several elements with triple periodic minimum surfaces (TPMS) 2, 2', 2" - ²ⁿ and two channels 3, 4 each, with channel 3 as an exhaust gas channel and channel 4 as a supply channel for a gaseous or liquid medium is used Cell sizes may vary, as exemplified in FIG Figures 2a - 2c emerges. The recuperator 1 according to the invention with triple-periodic minimal surfaces 2, 2', 2" ^-2n is as shown in FIG 4 shows, in individual recuperator segments 5, 5 ', 5' - 5 ⁿ divided, as from 4 can be seen, lined up and assembled, each via a single sealing plane 6. The recuperator segments 5, 5 ', 5 "- 5 ⁿ are, for example, disc-shaped. The elements 5, 5', 5" - 5 ⁿ have a Implementation 7 for a gas lance 13 and electrodes not shown. In particular, the recuperator elements 5, 5′, 5″ ^-5n have further openings 8 on all sides in addition to the openings 16 on the inlet and outlet side. These are used both for cleaning and for draining off condensate.

Ein aus mehreren Segmenten 5, 5', 5" - 5ⁿ zusammengesetzter Rekuperatorbrenner 14 ist beispielhaft aus Fig. 5 ersichtlich. Es können sowohl beide Kanäle 3, 4 oder nur einer von beiden mit erfindungsgemäßen Öffnungen 8 versehen sein. Bei eng anliegendem Rekuperatormantel 11 können Öffnungen in beiden Kanälen 3, 4 vorgesehen sein, die über den Mantel 11 abgedichtet werden. Vorzugsweise weist wenigstens ein Kanal, nämlich der Abgaskanal 3, umlaufende Öffnungen 8 auf. Durch den erfindungsgemäßen mehrteiligen, segment- bzw. patronenweisen Aufbau mit konzentrischen Dichtflächen 6 ergibt sich ein minimierter Bauraum mit hohem Wirkungsgrad, d.h. einer maximierten Wärmeübertragung von heißem Abgas auf das der Flamme zugeführte gasförmige oder flüssige Medium. Im Zusammenwirken mit geeigneten TPMS-Strukturen und den vorgeschlagenen Reinigungsöffnungen 8 ergibt sich ein äußerst praxistauglicher Aufbau eines Rekuperatorbrenners, der insbesondere auch leicht zu reinigen und aus dem anfallendes Kondensat einfach abzuleiten ist. Die gewählten TPMS-Strukturen 2, 2', 2" - 2ⁿ garantieren gleichzeitig geringe Druckverluste und hohe Wärmeübergänge durch entstehende Turbulenzen. Die Segmentstrukturen können in den verschiedenen Elementen unterschiedlich ausgestaltet sein, von eingangsseitig gröberen zu ausgangsseitig feineren Strukturen.A recuperative burner 14 composed of several segments 5, 5′, 5″ ^-5n is exemplified figure 5 evident. Both channels 3, 4 or only one of the two can be provided with openings 8 according to the invention. If the recuperator jacket 11 fits tightly, openings can be provided in both channels 3, 4, which are sealed by the jacket 11. Preferably, at least one duct, namely the exhaust gas duct 3, has openings 8 running around it. The multi-part, segmental or cartridge-wise structure according to the invention with concentric sealing surfaces 6 results in a minimized Installation space with high efficiency, ie a maximized heat transfer from hot exhaust gas to the gaseous or liquid medium supplied to the flame. In conjunction with suitable TPMS structures and the proposed cleaning openings 8, an extremely practical design of a recuperative burner results, which is also easy to clean and from which condensate can be easily drained. The selected TPMS structures 2, 2', 2" - 2 ⁿ simultaneously guarantee low pressure losses and high heat transfers due to the turbulence that occurs. The segment structures can be designed differently in the various elements, from coarser structures on the inlet side to finer structures on the outlet side.

Wichtig ist, dass sich innerhalb der Elemente keine Flüssigkeitsansammlungen ("Pfützen") bilden, da diese die Wirkungsweise des Rekuperators herabsetzen und evtl. - je nach verwendetem Werkstoff - auch Korrosionsgefahren heraufbeschwören würden. Deshalb dienen die umlaufenden Reinigungsöffnungen 8 gleichzeitig auch der Kondensatableitung.It is important that no accumulations of liquid ("puddles") form within the elements, as this would reduce the effectiveness of the recuperator and possibly - depending on the material used - also cause the risk of corrosion. For this reason, the circumferential cleaning openings 8 also serve to drain condensate.

Größere Rekuperatoren können, wie aus Fig. 6 ersichtlich, über ein Baukastensystem 9, 10 gebildet werden.Larger recuperators can, like out 6 can be seen, a modular system 9, 10 are formed.

Fig. 7 zeigt weitere alternative Segmente mit dreifach periodischen Minimaloberflächen (TPMS), und zwar einen Lidinoid 18, einen Schwarz-P 19 und einen Diamond 20. 7 Figure 12 shows other alternative triply periodic minimal surface (TPMS) segments, namely a Lidinoid 18, a Black-P 19, and a Diamond 20.

Die Zellstruktur kann, wie aus Fig. 8 ersichtlich, auch zylindrisch oder, wie aus Fig. 9 ersichtlich, auch sphärisch angeordnet sein. Wie in Fig. 5 dargestellt, kann die Gaslanze 13 als Zugelement dienen.The cell structure can look like 8 evident, also cylindrical or, as from 9 evident, also be arranged spherically. As in figure 5 shown, the gas lance 13 can serve as a pulling element.

Sämtliche Rekuperator-Segmente 5, 5', 5" - 5ⁿ sind von einem Rekuperator-Mantel 11 umfasst, der eine zweite Dichtungsebene bildet. Ergänzend zu der Gaslanze 13 als Zugelement ist ein außenliegendes Federelement 12 vorgesehen, damit es möglichst wenig hitzebelastet wird.All recuperator segments 5, 5′, 5″ ^-5n are surrounded by a recuperator jacket 11, which forms a second sealing level. In addition to the gas lance 13 as a tension element, an external spring element 12 is provided so that it is exposed to as little heat as possible.

Auf der offenen Austrittsseite des Rekuperatorbrenners 14 bildet sich die gewünschte Flamme 15.The desired flame 15 forms on the open outlet side of the recuperative burner 14.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen.Of course, the invention is not limited to the illustrated embodiments. Further refinements are possible without departing from the basic idea.

Bezugszeichenliste:Reference list:

11

Rekuperatorrecuperator

2, 2', 2" - 2n2, 2', 2" - 2n

TPMS-StrukturenTPMS structures

33

Abgaskanalexhaust duct

44

Zuführkanalfeed channel

5, 5', 5" - 5n5, 5', 5" - 5n

Rekuperator-Segmenterecuperator segments

66

Dichtungsebenesealing level

77

Durchführung für Gaslanze und ElektrodenFeedthrough for gas lance and electrodes

88th

(Reinigungs-)Öffnungen(Cleaning) openings

99

Baukasten zylindrischConstruction kit cylindrical

1010

Baukasten würfelförmigCube-shaped construction kit

1111

Rekuperatormantelrecuperator jacket

1212

außenliegendes Federelementexternal spring element

1313

Gaslanze als ZugelementGas lance as traction element

1414

Rekuperatorbrennerrecuperative burner

1515

Flammeflame

1616

Eingangsöffnungenentrance openings

1717

Ausgangsöffnungenexit ports

1818

Lidinoidlidinoid

1919

Schwarz PBlack P

2020

DiamondDiamond

Claims (21)

Rekuperator für gasförmige oder flüssige Medien mit dreifach-periodischen Minimaloberflächen und einem Rekuperatormantel,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rekuperator (1) neben den ein- und ausgangsseitig vorhandenen Öffnungen (16, 17) weitere Öffnungen (8) aufweist.Recuperator for gaseous or liquid media with triple-periodic minimal surfaces and a recuperator jacket,
characterized,
that the recuperator (1) has further openings (8) in addition to the openings (16, 17) present on the input and output sides. Rekuperator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Öffnungen (8) zur Reinigung und/oder Kondensatableitung geeignet sind.Recuperator according to claim 1,
characterized,
that the openings (8) are suitable for cleaning and/or condensate drainage. Rekuperator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rekuperator (1) in Segmenten (5, 5', 5" - 5ⁿ) hergestellt und aus diesen zusammengesetzt ist.Recuperator according to claim 1 or 2,
characterized,
that the recuperator (1) in segments (5, 5 ', 5 "- 5 ⁿ ) is made and composed of these. Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Segmente (5, 5', 5" - 5ⁿ) nur über eine Dichtungsebene (6) gegeneinander abgedichtet sind.Recuperator according to one or more of claims 2 or 3,
characterized,
that the segments (5, 5', 5" - 5 ⁿ ) are sealed against one another only via a sealing plane (6). Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 2,3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zweite Dichtungsebene über den die Segmente (5, 5', 5" - 5ⁿ) umschließenden Rekuperatormantel (11) gebildet ist.Recuperator according to one or more of claims 2, 3 or 4,
characterized,
that a second sealing plane is formed over the recuperator jacket (11) surrounding the segments (5, 5', 5''-5 ⁿ ). Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dichtungsebenen (6) der einzelnen Segmente über Federkraft (12, 13) gegeneinander verspannt sind.Recuperator according to one or more of claims 1 to 5,
characterized,
that the sealing planes (6) of the individual segments are braced against one another by spring force (12, 13). Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Feder (12) außerhalb des Rekuperators (1) befindet.Recuperator according to one or more of claims 1 to 6,
characterized,
that the spring (12) is outside of the recuperator (1). Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Segmente (5, 5', 5" - 5ⁿ) über Stangen, Stäbe oder eine Gaslanze (13) zueinander positioniert und verspannt sind.Recuperator according to one or more of claims 1 to 7,
characterized,
that the segments (5, 5', 5" - 5 ⁿ ) are positioned and clamped to one another via rods, rods or a gas lance (13). Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stangen, Stäbe oder Gaslanze (13) über einen Bypass mit kalter Verbrennungsluft kühlbar sind.Recuperator according to one or more of claims 1 to 8,
characterized,
that the rods, rods or gas lance (13) can be cooled with cold combustion air via a bypass. Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einzelsegmente (5, 5', 5" - 5ⁿ) im Verbund auch als Kreuzstrom-Rekuperator ausgelegt sind.Recuperator according to one or more of claims 1 to 9,
characterized,
that the individual segments (5, 5', 5" - 5 ⁿ ) are also designed as a cross-flow recuperator in combination. Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass ausgewählte Segmente (5, 5', 5" - 5ⁿ) so ausgebildet sind, dass die Abgastemperatur unter 59° C fällt und das Abgas kondensiert.Recuperator according to one or more of claims 1 to 10,
characterized,
that selected segments (5, 5 ', 5 "- 5 ⁿ ) are formed so that the exhaust gas temperature falls below 59 ° C and the exhaust gas condenses. Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dreifach periodischen Minimaloberflächen (2, 2', 2" - 2ⁿ) strömungstechnisch optimiert sind.Recuperator according to one or more of claims 1 to 11,
characterized,
that the triply periodic minimum surfaces (2, 2', 2" - 2 ⁿ ) are fluidically optimized. Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die sich aus der dreifach periodischen Minimaloberfläche (2, 2', 2" - 2ⁿ) ergebenden Zellstrukturen rechteckig, zylindrisch oder sphärisch ausgestaltet sind.Recuperator according to one or more of claims 1 to 12,
characterized,
that the cell structures resulting from the triply periodic minimum surface (2, 2', 2"-2 ⁿ ) are rectangular, cylindrical or spherical. Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dreifach-periodischen Minimaloberflächen (2, 2', 2" - 2ⁿ) so konstruiert sind, dass beim Durchfluss des gasförmigen oder flüssigen Mediums möglichst starke Turbulenzen entstehen.Recuperator according to one or more of claims 1 to 13,
characterized,
that the triple-periodic minimum surfaces (2, 2', 2" - 2 ⁿ ) are constructed in such a way that the strongest possible turbulence occurs when the gaseous or liquid medium flows through. Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dreifach-periodischen Minimaloberflächen (2, 2', 2" - 2ⁿ) so konstruiert sind, dass möglichst geringe Druckverluste in jedem Segment (5, 5', 5" - 5ⁿ) entstehen.Recuperator according to one or more of claims 1 to 14,
characterized,
that the triple-periodic minimum surfaces (2, 2', 2" - 2 ⁿ ) are constructed in such a way that the lowest possible pressure losses occur in each segment (5, 5', 5" - 5 ⁿ ). Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dreifach-periodischen Minimaloberflächen (2, 2', 2" - 2ⁿ) so konstruiert sind, dass eine möglichst große Leistung bei möglichst kleinem Bauraum übertragbar ist.Recuperator according to one or more of claims 1 to 15,
characterized,
that the triple-periodic minimum surfaces (2, 2', 2" - 2 ⁿ ) are constructed in such a way that the greatest possible power can be transmitted in the smallest possible space. Rekuperator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Segmente (5, 5', 5" - 5ⁿ) in der Weise hintereinander gestaffelt sind, dass auf Segmente mit gröberen Steigungen, Zellgrößen Segmente mit feineren Steigungen und/oder Zellgrößen folgen.Recuperator according to one or more of claims 1 to 16,
characterized,
that several segments (5, 5', 5"-5 ⁿ ) are staggered one behind the other in such a way that segments with coarser gradients, cell sizes are followed by segments with finer gradients and/or cell sizes. Verfahren zur Herstellung von Segmenten (5, 5', 5" - 5ⁿ) mit dreifach-periodischen Minimaloberflächen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zellgrößen innerhalb der einzelnen Segmente über ein parametrisierbares CAD-Modell abgebildet werden.Process for the production of segments (5, 5', 5" - 5 ⁿ ) with triple-periodic minimal surfaces,
characterized,
that the cell sizes within the individual segments are mapped using a parameterizable CAD model. Verfahren zur Herstellung von Segmenten mit dreifach-periodischen Minimaloberflächen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Parameter derart gewählt werden, dass möglichst geringe Druckverluste in jedem Segment (5, 5', 5" - 5ⁿ) entstehen.Process for the production of segments with triple-periodic minimal surfaces,
characterized,
that the parameters are selected in such a way that the lowest possible pressure losses occur in each segment (5, 5', 5"-5 ⁿ ). Verfahren zur Herstellung von Segmenten mit dreifach-periodischen Minimalflächen,
dadurch gekennzeichnet,
dass Aufbau und Anordnung der Segmente (5, 5', 5" - 5ⁿ) so gewählt werden, dass das Abgas in einem zuvor genau definierten Bereich kondensiert und von dort gezielt ableitbar ist.Process for the production of segments with triple-periodic minimal surfaces,
characterized,
that the structure and arrangement of the segments (5, 5', 5"-5 ⁿ ) are selected in such a way that the exhaust gas condenses in a previously precisely defined area and can be derived from there in a targeted manner. Verfahren zur Herstellung von Segmenten mit dreifach-periodischen Minimaloberflächen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Segmente (5, 5', 5" - 5ⁿ) derart konstruiert und zusammengesetzt sind, dass die Abgastemperatur innerhalb ausgewählter Segmente unter 59° C fällt und in diesen das Abgas kondensiert und aus diesen das Kondensat ableitbar ist.Process for the production of segments with triple-periodic minimal surfaces,
characterized,
that the segments (5, 5', 5" - 5 ⁿ ) are constructed and assembled in such a way that the exhaust gas temperature falls below 59° C. within selected segments and the exhaust gas condenses in these and the condensate can be derived from these.

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