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Unter Ausnutzung der Verlustwärme flüssigkeits- oder gasgekühlter, elektrischer Maschinen oder Apparate betriebene Raumheizanlage Zur Rückgewinnung der Verlustwärme elektrischer Maschinen und Apparate mittels Wärmepumpen ist es bekannt, das angewärmte Kühlmittel solcher Apparate, beispielsweise das warme Öl eines Transformators, dem Verdampfer der Wärmepumpe zuzuführen. In diesem Verdampfer tritt ein gewisser Temperaturabfall auf, so dass der verdampfte Wärmeträger eine niedrigere Temperatur als die mittlere Öltemperatur aufweist. Der Kompressor der Wärmepumpe komprimiert den gasförmigen Wärmeträger, wodurch auf höheren Druck und höhere Temperatur kommt. Im Kondensator wird dem komprimierten Wärmeträger (z.
B. Freon) die Verdampfungswärme entzogen, wobei das Kühlmittel (z. B. das Heizwasser einer Zentralheizungsanlage) um den Temperaturabfall im Kondensator unter der Kondensationstemperatur liegt.
Der Kompressor, d. h. die Wärmepumpe, muss somit zwei Temperaturabfälle, nämlich im Verdampfer und im Kondensator, kompensieren und gegebenenfalls dias Temperaturniveau im Heizwasservorlauf über das Temperaturniveau des Öls im Transformator heben. Die Kompressorleistung wird bei gegebener Wärmeleistung um so höher, je grösser die zu überwindende Gesamttemperaturdifferenz zwischen Ver- dampfertemperatur und Verflüssigungstemperatur ist. Diese Gesamttemperaturdifferenz ist nach obigen Ausführungen durch die Temperaturdifferenzen im Verdampfer einerseits und im Kondensator anderseits wesentlich mitbestimmt.
Diese Temperaturdifferenzen lassen sich zwar durch grössere Bemessung von Verdampfer und Kondensator herabsetzen, jedoch nur unter Inkaufnahme zusätzlicher Mehrkosten.
Untersuchungen über die Wirtschaftlichkeit und das Betriebsverhalten von Wärmepumpenanlagen von Transformatoren haben ergeben, dass man etwa gleiche Temperaturen von öl- und Heizwasservorlauf erhält, wenn man bei der Wärmepumpe auf ein Anheben der Heizwassertemperatur über die Öltempe- ratur verzichtet, was im Interesse einer hohen Leistungsziffer, also geringen Energieverbrauches liegt.
Sind als Heizungselemente beispielsweise ausreichend bemessene Deckenstrahlungsheizkörper vorgesehen, so genügen Vorlauftemperaturen des Heizwassers im Bereich von 30-45 C, um die geforderte Heizleistung zu übertragen; d. h. die erforderliche Raumtemperatur von etwa 20 C zu erzielen. Somit ist hierbei ein Anheben der Heizwasser- temperatur über die Öltemperatur nicht erforderlich, wenn diese im Bereich von 50-55 C liegt.
Um nun in solchen Fällen ohne kostspielige Wärmepumpenanlagen, die, wie bereits bekannt, im wesentlichen die drei hintereinandergeschalteten Elemente Verdampfer, Kompressor und Verflüssiger umfassen, auskommen zu können, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass zur L7bertragung der Verlustwärme von flüssigkeits- und gasgekühlten, elektrischen Maschinen und Apparaten nur ein Wärmeaustauscher für eine mittlere Temperaturdifferenz von 3-5 C zwischen Kühlmedium und Heizwasser vorgesehen ist.
Bei Verwendung nur eines Wärmeaustauschers kann man somit im Vergleich zur Wärmepumpe auf einen Wärmeaustauscher und den Kompressor verzichten, so dass sich, wie diesbezügliche Untersuchungen bestätigt haben, auf der Basis gleicher thermischer Effekte die Anschaffungskosten des einen Wärmeaustauschers nur auf etwa 1/,4 der Kosten für eine Wärmepumpenanlage belaufen.
Der unmittelbare Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Wasser wird erreicht, wenn man einerseits das Kühlmittel, beispielsweise das Öl eines
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Transformators, anderseits das Wasser eines Warmwasserspeichers durch den Wärmeaustauscher pumpt. Dabei bemisst man zweckmässigerweise die Wärme- austauschflächen so gross, dass die zu übertragende Wärmeleistung mit einer Temperaturdifferenz von etwa 3-5 C zwischen Kühlmittel und Heizwasser übertragen werden kann.
Bei Verwendung eines idealen Wärmeaustauschers (unendlich grosse Wärme- übergangsflächen) wäre die mittlere Öltemperatur im Wärmeaustauscher gleich der mittleren Heizwasser- temperatur im Wärmeaustauscher.
Die in Transformatoren bei Vollast zulässige Ölgrenztemperatur beträgt nach VDE 95 C, wobei eine Raumtemperatur von 35 C vorausgesetzt ist. Die Öl- temperaturen können daher auch bei Teillast des Transformators so hoch liegen, dass obige Vorlauftemperaturen (30-45 C) erreicht werden, wenn Transformatorenverlustleistung und erforderliche Heizleistung einander entsprechen bzw. die Transfor- matorenverlustleistung grösser ist als die erforderliche Heizleistung. Der Verlustüberschuss kann dann durch Zusatzkühlung des Transformators abgeführt werden.
Ist dies nicht der Fall, so muss der Fehlbetrag durch Zusatzheizung ergänzt werden, um die Nennraum- temperatur zu erreichen.
Dies soll an einem Beispiel erörtert werden: Erfordert die Deckenstrahlungsheizanlage bei BR = 20 C Raumtemperatur und Oa = 0 C Aussentemperatur z. B. 70000 kcal/b bei z. B. 35 C Heizrohrtemperatur und beträgt die Verlustleistung des Transformators z. B. 80 000 kcal/h, so wird bei verlustfreier Wärmeübertragung die Raumtemperatur noch etwas ansteigen, weil die 80000 kcal/h die Temperatur der Heizrohre über den stationär erforderlichen Wert von 35 C hinaus anheben.
Beträgt die Verlustleistung hingegen nur 60000 kcal/h, so kann die vorgesehene Raumtemperatur von & R, = 20 C durch Zusatzheizung gehalten werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der schematisch dargestellten Zeichnung noch näher erläutert. Wie der Figur zu entnehmen ist, ist als Wärmespender ein Transformator 10 vorgesehen, der beispielsweise mit Rück- sicht auf 100 % ige Reserve mit zwei Kühlern 11 und 12 ausgerüstet ist, von denen jeder für eine Kühlerleistung ausgelegt ist, die seiner Vollastverlustleistung entspricht.
Der Wärmeaustauscher 13 ist so in das Leitungssystem 14 eingeschaltet bzw. die Ölleitungen sind so angeordnet, dass man die Möglichkeit hat, abhängig von der Stellung der Ventilsätze 15, 16 und 17, 18 das von den Ölumwälzpumpen 19, 20 geförderte Öl alternativ oder gleichzeitig durch die transformatoreigenen Kühler bzw. durch den Wärme- austauscher strömen zu lassen.
Dem Wärmeaustau- scher ist ein Warmwasserspeicher 21 nachgeschaltet, und die zwischen den beiden Behältern 13 und 21 angeordnete Umlaufpumpe 22 dient zur Umwälzung des Wassers durch den Wärmeaustauscher und den Warmwasserspeicher, während die Umlaufpumpe 23 erforderlich ist, um dem Heizkreis 24 Warmwasser aus dem Speicher bzw. unmittelbar aus dem Wärmeaustauscher zuzuführen.
Die Heizanlage setzt sich aus Deckenstrahlungsheizkörpern oder aus gross bemessenen Radiatoren 25 zusammen. Ferner ist im Heizkreis ein weiterer Wärmeaustauscher 26 vorgesehen, in dem durch den Leitungsdruck zugeführtes Frischwasser erwärmt wird und dann durch die Zapfstellen 27 Warmwasser entnommen werden kann. Mit 28 ist ein Elektrodurchlauferhitzer bezeichnet, der erforderlichenfalls die Zusatzheizleistung abgibt. An seiner Stelle kann man natürlich auch einen Zentralheizungskessel verwenden, der mit Öl oder Koks befeuert werden kann.
Ferner besteht die Möglichkeit, die Zusatzheizung durch elektrische Heizung des Warmwasserspeichers 21 mittels einer Heiz- patrone 29 oder dergleichen zu erzielen. Diese Anordnung kommt speziell dann in Betracht, wenn mit billigem Nachtstrom gearbeitet werden kann. Schliesslich kommt eine Kombination beider Zusatzheizungen in Betracht, und zwar die erste für rasches Hochheizen der Räume, die zweite für länger dauernde Zusatzheizung.
Mit der beschriebenen Anordnung ergibt sich folgende Wirkungsweise: Wenn keine Heizung erforderlich ist, beispielsweise im Sommer, sind die Ventile 15 und 16 geschlossen und die Ölumwälzpumpen 19 und 20 drücken das Öl über die Ventile 17 und 18 in den Kessel zurück.
Bei Wärmebedarf für die Heizanlage, wie es etwa im Winter der Fall ist, werden die Ventile 17, 18 geschlossen und die Ventile 15 und 16 geöffnet. Nunmehr drücken die Ölumwälzpumpen das warme Öl durch den Wärmeaustauscher 13, der im Keller oder in einem Vorbau eines nicht dargestellten Betriebsgebäudes stehen kann. Die Wasserumlaufpumpe 22 wälzt das Wasser durch den Wärmeaustauscher 13 und durch den Warmwasserspeicher 21, wenn die Dreiweghähne 30 und 31 diesen Kreislauf frei geben. Gleichzeitig kann die Umlaufpumpe 23 über die Dreiweghähne 32 und 33 dem Heizkreis 24 Warmwasser aus dem Speicher zuführen.
Der Heizkreis kann jedoch auch unter Umgehung des Speichers 21 und Ausschaltung der Pumpe 22 unmittelbar vom Wärmeaustauscher 13 mit Warmwasser versorgt werden, wenn die Dreiweghähne 30, 31, 32 und 33 durchgeschaltet sind. Um in diesem Fall eine Umkehrung der Wasserkreislaufrichtung zu vermeiden, können die Leitungen einschliesslich der Dreiweg- hähne entsprechend der in Fig.2 wiedergegebenen Darstellung angeordnet werden.
Der Heizkreis speist den Wärmeaustauscher 26, der gleichzeitig Warmwasserspeicher ist und dessen Grösse sich nach dem voraussichtlichen Warmwasserverbrauch richtet. Mit Rücksicht auf den Warmwasserbedarf im Sommerhalbjahr kann der Wärmeaustauscherkreis durch zusätzliches Öffnen der Ventile 15 und 16 auch während dieser Zeit in Betrieb bleiben.
Im Ölrücklauf ist unmittelbar hinter dem Wärme- austauscher 13 ein Messgerät 34 (Relais) vorgesehen,
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das die Abschaltung des Ölkreislaufes veranlasst, wenn die geringsten Spuren von Wasser infolge des vermutlich höheren statischen Druckes des Heiz- wassers gegenüber dem Öl bei einer an sich äusserst unwahrscheinlichen Undichtigkeit zwischen der Öl- und Wasserseite des Wärmeaustauschers auftreten.
Zur Vermeidung von Wärmeverlusten des Transformatorkessels isoliert man diesen zweckmässigerweise allseitig durch mit Blech abgedeckte Isolierstoffmatten.
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Using the heat loss from liquid or gas-cooled electrical machines or devices operated space heating system To recover the heat lost from electrical machines and devices by means of heat pumps, it is known to feed the warmed coolant of such devices, for example the warm oil of a transformer, to the evaporator of the heat pump. A certain temperature drop occurs in this evaporator, so that the evaporated heat transfer medium has a lower temperature than the mean oil temperature. The heat pump's compressor compresses the gaseous heat transfer medium, which results in higher pressure and temperature. In the condenser, the compressed heat transfer medium (e.g.
B. Freon) the heat of evaporation is withdrawn, whereby the coolant (e.g. the heating water of a central heating system) is below the condensation temperature by the temperature drop in the condenser.
The compressor, i.e. H. the heat pump must therefore compensate for two temperature drops, namely in the evaporator and in the condenser, and, if necessary, raise the temperature level in the heating water flow above the temperature level of the oil in the transformer. With a given heat output, the compressor output increases the greater the total temperature difference to be overcome between the evaporator temperature and the condensing temperature. According to the above statements, this total temperature difference is largely determined by the temperature differences in the evaporator on the one hand and in the condenser on the other hand.
These temperature differences can be reduced by making the evaporator and condenser larger, but only at the expense of additional costs.
Investigations into the economic efficiency and operating behavior of heat pump systems for transformers have shown that the oil and heating water flow temperatures are approximately the same if the heating water temperature is not raised above the oil temperature in the heat pump, which in the interests of a high performance figure, so low energy consumption lies.
If, for example, adequately dimensioned radiant ceiling radiators are provided as heating elements, the flow temperatures of the heating water in the range of 30-45 C are sufficient to transfer the required heating power; d. H. to achieve the required room temperature of about 20 C. It is therefore not necessary to raise the heating water temperature above the oil temperature if this is in the range of 50-55 C.
In order to be able to get by in such cases without expensive heat pump systems, which, as already known, essentially comprise the three elements connected in series, evaporator, compressor and condenser, it is proposed according to the invention that for the transfer of the heat loss from liquid and gas-cooled, electrical machines and Apparatus only one heat exchanger is provided for an average temperature difference of 3-5 C between the cooling medium and the heating water.
When using only one heat exchanger, compared to a heat pump, you can do without a heat exchanger and the compressor, so that, as related studies have confirmed, based on the same thermal effects, the acquisition costs of one heat exchanger are only about 1/4 of the costs for a heat pump system.
The direct heat exchange between the coolant and water is achieved if, on the one hand, the coolant, for example the oil, is used
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Transformer, on the other hand, pumps the water from a hot water tank through the heat exchanger. The heat exchange surfaces are expediently dimensioned so large that the heat output to be transferred can be transferred with a temperature difference of about 3-5 C between the coolant and the heating water.
When using an ideal heat exchanger (infinitely large heat transfer areas) the mean oil temperature in the heat exchanger would be the same as the mean heating water temperature in the heat exchanger.
According to VDE, the permissible oil limit temperature in transformers at full load is 95 C, whereby a room temperature of 35 C is assumed. The oil temperatures can therefore be so high, even when the transformer is under partial load, that the above flow temperatures (30-45 C) are reached when the transformer power loss and the required heating power correspond to one another or the transformer power loss is greater than the required heating power. The excess loss can then be removed by additional cooling of the transformer.
If this is not the case, the shortfall must be supplemented by additional heating in order to achieve the nominal room temperature.
This should be discussed using an example: If the ceiling heating system requires a room temperature of BR = 20 C and Oa = 0 C outside temperature, e.g. B. 70000 kcal / b at z. B. 35 C heating tube temperature and the power loss of the transformer z. B. 80,000 kcal / h, the room temperature will rise slightly with loss-free heat transfer, because the 80,000 kcal / h raise the temperature of the heating pipes above the steady-state required value of 35 ° C.
If, on the other hand, the power loss is only 60,000 kcal / h, the intended room temperature of & R, = 20 C can be maintained by additional heating.
An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the schematically illustrated drawing. As can be seen from the figure, a transformer 10 is provided as the heat donor, which is for example equipped with two coolers 11 and 12 with a view to 100% reserve, each of which is designed for a cooler output that corresponds to its full load power loss.
The heat exchanger 13 is connected to the line system 14 or the oil lines are arranged in such a way that it is possible, depending on the position of the valve sets 15, 16 and 17, 18, to alternatively or simultaneously flow the oil pumped by the oil circulation pumps 19, 20 to allow the transformer's own cooler or through the heat exchanger to flow.
A hot water tank 21 is connected downstream of the heat exchanger, and the circulation pump 22 arranged between the two tanks 13 and 21 is used to circulate the water through the heat exchanger and the hot water tank, while the circulation pump 23 is required to supply hot water to the heating circuit 24 from the tank or . to be supplied directly from the heat exchanger.
The heating system is composed of radiant ceiling heaters or large radiators 25. Furthermore, a further heat exchanger 26 is provided in the heating circuit, in which fresh water supplied by the line pressure is heated and then hot water can be withdrawn through the taps 27. An electric water heater is designated by 28, which, if necessary, emits the additional heating power. In its place you can of course use a central heating boiler that can be fired with oil or coke.
It is also possible to achieve the additional heating by electrically heating the hot water storage tank 21 by means of a heating cartridge 29 or the like. This arrangement comes into consideration especially when it is possible to work with cheap night electricity. Finally, a combination of both additional heaters can be considered, namely the first for rapid heating of the rooms, the second for longer-lasting additional heating.
The arrangement described results in the following mode of operation: If no heating is required, for example in summer, the valves 15 and 16 are closed and the oil circulation pumps 19 and 20 push the oil back into the boiler via the valves 17 and 18.
When heat is required for the heating system, as is the case in winter, for example, the valves 17, 18 are closed and the valves 15 and 16 are opened. The oil circulating pumps now push the warm oil through the heat exchanger 13, which can be located in the cellar or in a porch of an operating building (not shown). The water circulation pump 22 circulates the water through the heat exchanger 13 and through the hot water storage tank 21 when the three-way taps 30 and 31 enable this circuit. At the same time, the circulation pump 23 can supply the heating circuit 24 with hot water from the storage tank via the three-way taps 32 and 33.
However, the heating circuit can also be supplied with hot water directly from the heat exchanger 13 by bypassing the storage tank 21 and switching off the pump 22 if the three-way taps 30, 31, 32 and 33 are switched through. In order to avoid a reversal of the direction of water circulation in this case, the lines including the three-way cocks can be arranged in accordance with the representation shown in FIG.
The heating circuit feeds the heat exchanger 26, which is also a hot water tank and the size of which depends on the anticipated hot water consumption. Taking into account the hot water requirement in the summer half-year, the heat exchanger circuit can also remain in operation during this time by additionally opening valves 15 and 16.
In the oil return, a measuring device 34 (relay) is provided immediately behind the heat exchanger 13,
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which triggers the shutdown of the oil circuit when the slightest traces of water occur as a result of the presumably higher static pressure of the heating water compared to the oil in the event of an extremely unlikely leak between the oil and water side of the heat exchanger.
To avoid heat losses from the transformer tank, it is expedient to insulate it on all sides by means of insulating mats covered with sheet metal.