EP2840328B1 - Heizgerät mit thermoelektrischem Modul - Google Patents

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EP2840328B1
EP2840328B1 EP14179832.2A EP14179832A EP2840328B1 EP 2840328 B1 EP2840328 B1 EP 2840328B1 EP 14179832 A EP14179832 A EP 14179832A EP 2840328 B1 EP2840328 B1 EP 2840328B1
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EP
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thermoelectric module
burner
heat exchanger
heating apparatus
heat sink
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EP14179832.2A
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English (en)
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EP2840328A1 (de
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Frank Salg
Jan-Hinrich Sick
Hans-Josef Spahn
Kai Pecka
Thomas-Friedrich Szuder
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/40—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes
    • F24H1/43—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes helically or spirally coiled
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D18/00—Small-scale combined heat and power [CHP] generation systems specially adapted for domestic heating, space heating or domestic hot-water supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2101/00—Electric generators of small-scale CHP systems
    • F24D2101/60—Thermoelectric generators, e.g. Peltier or Seebeck elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2103/00—Thermal aspects of small-scale CHP systems
    • F24D2103/10—Small-scale CHP systems characterised by their heat recovery units
    • F24D2103/13—Small-scale CHP systems characterised by their heat recovery units characterised by their heat exchangers

Definitions

  • the invention relates to a heater with a thermoelectric module and a device for fixing a thermoelectric module in a heater.
  • thermoelectric module is used to generate power for external or internal consumers, such as blower motor or circulation pump.
  • the thermoelectric module is used to generate power for external or internal consumers, such as blower motor or circulation pump.
  • This is in the US 6,019,098 provided that the flue gases of a burner are first passed through a tubular thermoelectric module before it is passed through a primary heat exchanger.
  • the primary heat exchanger serves to transfer the heat of the flue gas to a water cycle.
  • the function of a thermoelectric module requires that there be a high temperature gradient across the module.
  • the tubular thermoelectric module is externally connected to the heat flowing to the primary heat exchanger water.
  • thermoelectric module known, in which at the end face of a cylindrical combustion chamber, a thermoelectric module is provided, wherein the flue gases of the burner are passed directly tangentially to the thermoelectric module.
  • the patent application EP 2482000 A1 discloses a heater with a combustion chamber and therein with a burner, a primary heat exchanger and a thermoelectric module on the side of the combustion chamber opposite the burner. The module is connected to the primary heat exchanger and covers several turns of the helical heat exchanger. The flue gases are fed past the back of a heat exchanger of the thermoelectric module, which requires additional space.
  • thermoelectric module within a combustion chamber is an insulator.
  • This insulator is in conflict with the desire to efficiently transfer the heat of the flue gas to a primary heat exchanger. Solutions in which the thermoelectric module and the primary heat exchanger are spatially separated, require a larger volume. Thus, the thermoelectric module and the primary heat exchanger with respect to the heat transfer and / or with respect to the space in a competitive situation with each other.
  • thermoelectric module in which the thermoelectric module and the primary heat exchanger are not in competition with each other.
  • thermoelectric module in a heater with a cylindrical burner, which is surrounded radially by a heat exchanger, the thermoelectric module is arranged disc-shaped at the opposite end of the fuel gas supply of the burner. This exploits an area that can not be used by the heat exchanger. In addition, no high heat conduction is needed in this area.
  • the thermoelectric module is connected to a heat sink which is a heat exchanger disposed on the opposite side of the burner at the back of the thermoelectric module. This ensures a high efficiency of the thermoelectric module.
  • the heat sink is connected to the heat exchanger. This can be done in a parallel or series arrangement to the primary heat exchanger.
  • the heat transfer medium is preferably first passed through the heat sink and then through the heat exchanger.
  • thermoelectric module is connected by means of a centrally arranged clamping means with the heat sink. This allows for easy and safe installation. Particularly advantageous means are provided which the bias maintains. This allows a secure fixation even at different temperatures.
  • an insulating means is provided in the power flow of the clamping means, which is arranged in the center of the disc-shaped thermoelectric module, which has a matching hole.
  • This insulating agent preferably has 0.5 to 2 times the diameter of the burner.
  • a heat exchanger is provided in the outer region of the thermoelectric module.
  • a particularly efficient heat transfer between the space between the burner and the heat exchanger and the thermoelectric module is achieved.
  • the fact that the heat exchanger is in the power flow a reliable clamping between the heat exchanger and thermoelectric module is ensured.
  • a simple retaining plate can take over this function.
  • FIG. 1 represents a sectional view through the combustion chamber 1 of a heater according to the invention.
  • combustible fuel gas is supplied to the burner 2 by means of a gas-air mixing device, not shown here.
  • a gas-air mixing device not shown here.
  • the hot exhaust gases flow radially through the here formed as a spiral tube primary heat exchanger 5, which is heated by the hot exhaust gases and by the heat radiation and transfers the heat to a guided into the heat exchanger heat transfer medium, such as water.
  • the heated heat transfer medium is then a heat sink, such as a hot water tank or a building heating, fed, cooled there and is recycled in the circuit back to the primary heat exchanger.
  • the exhaust gas is then continued in the outer region of the combustion chamber 1 and discharged through an exhaust gas discharge 14.
  • thermoelectric module 9 Coaxial with the burner 2 and with respect to the fuel gas supply 3, a thermoelectric module 9 is provided.
  • a heat sink 6 is arranged on the back of the thermoelectric module 9.
  • This heat sink 6 is also traversed by a heat transfer medium, which is supplied via the input 7 and discharged via the output 8.
  • the heat sink 6 is connected in parallel or in series with the primary heat exchanger 5.
  • the heat sink 6 can also be traversed by a refrigerant whose boiling temperature is selected so that it evaporates in the heat sink 6 and causes a low surface temperature on the back of the thermoelectric module 9 and thus improves the thermoelectric efficiency.
  • a heat exchanger 10 is arranged on the burner 2 associated side of the thermoelectric module 9.
  • This heat exchanger 10 consists of a good heat-conducting material, such as graphite, and is provided on the burner associated side with ribs. Instead of the heat exchanger 10 and a simple retaining plate can be used. In the middle region, an insulator 11 is arranged. A clamping means 12, which cooperates with a means 13 for maintaining the bias voltage even at high temperatures and concomitantly high thermal expansion, clamps insulator 11, heat exchanger 10 and retaining plate, thermoelectric module 9 and heat sink 6 together. For this purpose, the thermoelectric module 9 in the middle of a bore through which the tensioning means 12 is guided.
  • the insulator 11 is either directly on the thermoelectric module 9 or between the insulator and the thermoelectric module, a part of the heat exchanger 10 and the holding plate is clamped.
  • the insulator 12 on the outer circumference and on the thermoelectric module associated side on a paragraph in which either the thermoelectric module 9 directly or the heat exchanger 10 and the holding plate sits.
  • the clamping means 12 is a screw connection and that means 13 for maintaining the bias of a plate spring package.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Heizgerät mit thermoelektrischem Modul sowie eine Vorrichtung zur Befestigung eines thermoelektrischen Moduls in einem Heizgerät.
  • Heizgeräte mit einem thermoelektrischen Modul sind grundsätzlich bekannt aus der Patentanmeldung DE 44 09 685 A1 oder der Patentschrift US 6,019,098 . Dabei wird das thermoelektrische Modul verwendet, um Strom für externe oder interne Verbraucher, wie beispielsweise Gebläsemotor oder Umwälzpumpe zu erzeugen. Dazu ist in der US 6,019,098 vorgesehen, dass die Rauchgase eines Brenners zunächst durch ein rohrförmiges thermoelektrisches Modul geleitet werden, bevor es durch einen Primärwärmetauscher geführt wird. Der Primärwärmetauscher dient dazu, die Wärme des Rauchgases an einen Wasserkreislauf zu übertragen. Für die Funktion eines thermoelektrischen Moduls ist es erforderlich, dass ein hoher Temperaturgradient am Modul vorliegt. Dazu ist das rohrförmige thermoelektrische Modul außenseitig mit dem dem Primärwärmetauscher zulaufenden Wasser wärmeleitend verbunden. Aus der Patentanmeldung DE 10 2005 029 182 A1 ist ebenfalls ein Heizgerät mit thermoelektrischen Modul bekannt, bei der an der Stirnseite einer zylinderförmigen Brennkammer ein thermoelektrisches Modul vorgesehen ist, wobei die Rauchgase des Brenners direkt tangential auf das thermoelektrische Modul geleitet werden. Die Patentanmeldung EP 2482000 A1 offenbart ein Heizgerät mit einer Brennkammer und darin mit einem Brenner, einem Primärwärmetauscher und einem thermoelektrischen Modul auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite der Brennkammer. Das Modul ist mit dem Primärwärmetauscher verbunden und verdeckt mehrere Windungen des schraubenförmig in Wärmetauschers. Die Rauchgase werden rückseitig an einem Wärmetauscher des thermoelektrischen Moduls vorbeigeführt, was zusätzlichen Bauraum erfordert.
  • Grundsätzlich stellt ein thermoelektrisches Modul innerhalb einer Brennkammer einen Isolator dar. Dieser Isolator steht in einem Zielkonflikt zu dem Bestreben, die Wärme des Rauchgases effizient auf einen Primärwärmetauscher zu übertragen. Lösungen, bei denen das thermoelektrische Modul und der Primärwärmetauscher räumlich getrennt sind, erfordern ein größeres Bauvolumen. Somit stehen das thermoelektrische Modul und der Primärwärmetauscher bezüglich der Wärmeübertragung und/oder bezüglich des Bauraums in einer Konkurrenzsituation zueinander.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Heizgerät mit thermoelektrischem Modul bereitzustellen, bei dem das thermoelektrische Modul und der Primärwärmetauscher nicht in einer Konkurrenzsituation zueinander stehen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem Heizgerät mit einem zylinderförmigen Brenner, der radial von einem Wärmetauscher umgeben wird, das thermoelektrische Modul scheibenförmig am der Brenngaszufuhr gegenüberliegenden Ende des Brenners angeordnet ist. Dadurch wird ein Bereich ausgenutzt, der nicht durch den Wärmetauscher nutzbar ist. Zudem wird in diesen Bereich auch keine hohe Wärmeleitung benötigt. Das thermoelektrische Modul ist mit einer Wärmesenke verbunden, die ein auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite an der Rückseite des thermoelektrischen Moduls angeordneter Wärmetauscher ist. Dadurch wird eine hohe Effizienz des thermoelektrischen Moduls sichergestellt. Besonders bevorzugt ist die Wärmesenke mit dem Wärmetauscher verbunden. Dies kann in einer parallelen oder Reihen-Anordnung zum Primärwärmetauscher geschehen. Dabei wird bevorzugt das Wärmeträgermedium zunächst durch die Wärmesenke und anschließend durch den Wärmetauscher geleitet.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist das thermoelektrische Modul mittels eines zentral angeordneten Spannmittels mit der Wärmesenke verbunden. Dies ermöglicht eine einfache und sichere Montage. Besonders vorteilhaft ist ein Mittel vorgesehen, das die Vorspannung aufrecht erhält. Dies ermöglicht eine sichere Fixierung auch bei unterschiedlichen Temperaturen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist im Kraftfluss des Spannmittels ein Isoliermittel vorgesehen, dass im Zentrum des scheibenförmigen thermoelektrischen Moduls angeordnet ist, welches eine passende Bohrung aufweist. Dieses Isoliermittel weist bevorzugt den 0,5 bis 2-fachen Durchmesser des Brenners auf.
  • Besonders bevorzugt ist im Außenbereich des thermoelektrischen Moduls einem Wärmeübertrager vorgesehen. Dadurch wird eine besonders effiziente Wärmeübertragung zwischen dem Raum zwischen Brenner und Wärmetauscher und dem thermoelektrischen Modul erreicht. Dadurch, dass der Wärmeübertrager im Kraftfluss liegt, ist eine zuverlässige Klemmung zwischen Wärmeübertrager und thermoelektrischen Modul sichergestellt. Alternativ kann anstelle des Wärmeübertragers ein einfaches Halteblech diese Funktion übernehmen.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Figur 1 detailliert erläutert. Figur 1 stellt eine Schnittdarstellung durch die Brennkammer 1 eines erfindungsgemäßen Heizgeräts dar.
  • Durch die Brenngaszufuhr 3 wird mittels einer hier nicht dargestellten Gas-Luft-Mischvorrichtung brennbares Brenngas dem Brenner 2 zugeführt. Durch Ausströmöffnungen 4 strömt das Brenngas radial aus und wird verbrannt. Die heißen Abgase durchströmen radial den hier als spiralförmiges Rohr ausgebildeten Primärwärmetauscher 5, welcher durch die heißen Abgase und durch die Wärmestrahlung erwärmt wird und die Wärme auf ein in den Wärmetauscher geführtes Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, überträgt. Das erwärmte Wärmeträgermedium wird dann einer Wärmesenke, beispielsweise einem Warmwasserspeicher oder einer Gebäudeheizung, zugeführt, kühlt dort ab und wird im Kreislauf wieder zurück in den Primärwärmetauscher geführt. Das Abgas wird dann im Außenbereich der Brennkammer 1 weitergeführt und durch eine Abgasabfuhr 14 abgeleitet.
  • Koaxial zum Brenner 2 und gegenüber der Brenngaszufuhr 3 ist ein thermoelektrisches Modul 9 vorgesehen. Auf der Rückseite des thermoelektrischen Moduls 9 ist eine Wärmesenke 6 angeordnet. Diese Wärmesenke 6 wird ebenfalls von einem Wärmeträgermedium durchströmt, das über den Eingang 7 zugeführt und über den Ausgang 8 abgeführt wird. Bevorzugt wird die Wärmesenke 6 parallel oder in Reihe mit dem Primärwärmetauscher 5 geschaltet. Die Wärmesenke 6 kann auch von einem Kältemittel durchströmt werden, dessen Siedetemperatur so gewählt ist, dass es in der Wärmesenke 6 verdampft und eine geringe Oberflächentemperatur auf der Rückseite des thermoelektrischen Moduls 9 bewirkt und somit die thermoelektrische Effizienz verbessert. Auf der dem Brenner 2 zugeordneten Seite des thermoelektrischem Moduls 9 ist ein Wärmeübertrager 10 angeordnet. Dieser Wärmeübertrager 10 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Graphit, und ist auf der dem Brenner zugeordneten Seite mit Rippen versehen. Anstelle des Wärmeübertragers 10 kann auch ein einfaches Halteblech verwendet werden. Im mittleren Bereich ist ein Isolator 11 angeordnet. Ein Spannmittel 12, das mit einem Mittel 13 zur Aufrechterhaltung der Vorspannung auch bei hohen Temperaturen und damit einhergehend hohem Wärmedehnungen zusammenwirkt, klemmt Isolator 11, Wärmeübertrager 10 bzw. Halteblech, thermoelektrisches Modul 9 und Wärmesenke 6 zusammen. Dazu weist das thermoelektrische Modul 9 in der Mitte eine Bohrung auf, durch die das Spannmittel 12 geführt wird. Der Isolator 11 liegt entweder direkt auf dem thermoelektrischen Modul 9 auf oder zwischen dem Isolator und dem thermoelektrischen Modul ist ein Teil des Wärmeübertragers 10 bzw. des Halteblechs eingeklemmt. Dazu weist der Isolator 12 am Außenumfang und an der dem thermoelektrischen Modul zugeordneten Seite einen Absatz auf, in dem entweder das thermoelektrische Modul 9 direkt oder der Wärmeübertrager 10 bzw. das Halteblech sitzt. Somit liegt ein kompakter geschlossener Kraftschluss vor, der die Teile zuverlässig zusammen presst und somit eine gute Wärmeübertragung ermöglicht. Gleichzeitig ist die Verbindung unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. In Figur 1 ist das Spannmittel 12 eine Schraubenverbindung und dass Mittel 13 zur Aufrechterhaltung der Vorspannung ein Tellerfederpaket.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkammer
    2
    Brenner
    3
    Brenngaszufuhr
    4
    Ausströmöffnungen
    5
    Primärwärmetauscher
    6
    Wärmesenke
    7
    Eingang
    8
    Ausgang
    9
    Thermoelektrisches Modul
    10
    Wärmeübertrager
    11
    Isoliermittel
    12
    Spannmittel
    13
    Mittel zur Aufrechterhaltung der Vorspannung
    14
    Abgasabfuhr

Claims (8)

  1. Heizgerät mit thermoelektrischem Modul (9), wobei das Heizgerät einen Brenner (2) und einen Primärwärmetauscher (5) umfasst, die innerhalb einer Brennkammer (1) vorgesehen sind, wobei der Brenner (2) im wesentlichen zylinderförmig ausgeführt ist, wobei das Brenngas mittels einer Brenngaszufuhr (3) axial dem Brenner (2) zugeführt und vom Brenner (2) radial nach außen abgeführt werden, wobei der Primärwärmetauscher (5) hohlzylinderförmig ausgeführt und so relativ zum Brenner (2) angeordnet ist, dass die bei der Verbrennung gebildeten Abgase den Primärwärmetauscher (5) radial durchströmen, wobei das thermoelektrische Modul (9) scheibenförmig ausgeführt ist und koaxial zum Brenner (2) an einem Ende des Brenners (2) angeordnet ist, wobei das thermoelektrische Modul (9) am der Brenngaszufuhr (3) gegenüberliegenden Ende des Brenners (2) angeordnet ist, und wobei das thermoelektrische Modul (9) mit einer Wärmesenke (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (6) ein an der Rückseite des thermoelektrischen Moduls (9) angeordneter von einem Wärmeträgermedium durchströmbarer Wärmetauscher ist.
  2. Heizgerät nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher (6) parallel oder in Reihe zum Primärwärmetauscher (5) angeordnet ist.
  3. Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei das thermoelektrische Modul (9) mittels eines zentral angeordneten Spannmittels (12) mit der Wärmesenke (6) verbunden ist.
  4. Heizgerät nach Anspruch 3, wobei das Spannmittel (12) mit einem Mittel (13) zur Aufrechterhaltung der Vorspannung zusammenwirkt.
  5. Heizgerät nach Anspruch 3 oder 4, wobei im Kraftfluss zwischen dem Spannmittel (12) und dem thermoelektrische Modul (9) ein im Zentrum angeordnetes Isoliermittel (11) vorgesehen ist.
  6. Heizgerät nach Anspruch 5, wobei das Isoliermittel (11) scheibenförmig ausgeführt ist und wobei der Durchmesser des Isoliermittels (11) mit einer Bohrung des thermoelektrischen Moduls (9) korrespondiert.
  7. Heizgerät nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Durchmesser des Isoliermittels (11) das 0,5 bis 2-fache des Durchmessers des Brenners (2) beträgt.
  8. Heizgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei im Kraftfluss zwischen dem Spannmittel (12) und dem thermoelektrische Modul (9) im Außenbereich ein Wärmeübertrager (10) vorgesehen ist.
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