BESCHREIBUNG
Bei den heute bekannten Heizungsvorrichtungen werden unter anderem 01- oder Gasbrenner verwendet, bei welchen die Brennstoffe in einem durch ein Gebläse geförderten Luftstrom in offener Flamme im Heizkessel verbrannt werden.
Dabei entstehen Heizgase mit einer Temperatur von weit über 1000 "C. Diese hochwertige Energie wird im Heizkessel auf Temperaturen zwischen 50 "C und 90 "C erniedrigt, was einem sehr schlechten Nutzungsgrad entspricht und den Forderungen nach sparsamer Verwendung hochwertiger Primärenergie zuwiderläuft. Dies ist der grosse Nachteil dieses einfachen aber nicht mehr zeitgemässen Heizungssystems.
Anderseits sind Heizungsvorrichtungen bekannt, die mit wenig hochwertiger Primärenergie Umweltwärme auf ein höheres Temperaturniveau bringen. Man nennt sie Wärmepumpen. Der Antrieb derselben kann entweder elektrisch oder mit einer thermischen Maschine erfolgen, wobei im letzteren Fall die Abwärmen derselben ebenfalls dem Heizungssystem zugeführt werden. Diese Systeme haben allerdings zwei wesentliche Nachteile und zwar: - Sie benötigen einen erheblichen maschinellen und installationsmässigen Aufwand und - sie müssen mit einem speziellen oft nicht umweltfreundlichen Arbeitsmittel betrieben werden.
Die Erfindung bezweckt eine Zwischenlösung vorzuschlagen, welche unter Vermeidung der vorerwähnten Nach- teile beider Systeme die Vorteile der Wärmepumpe weitgehend auszunützen gestattet.
Zu diesem Zweck wird eine Wärmepumpenheizvorrichtung für flüssige und gasförmige Brennstoffe nach Patentanspruch 1 oder 8 vorgeschlagen, wobei die Ausführungsarten der Erfindung in den abhängigen Patentansprüchen definiert sind.
Beim Freikolbenaggregat erzeugt der Verbrennungsteil aus dem Brennstoff mechanische Arbeit, als hochwertige Primärenergie, welche zweckmässigerweise durch den Verbrennungskolben direkt auf den Wärmepumpenkolben übertragen wird. Letzterer übernimmt mit seiner grossen Fläche die Verdichtung und mit der reduzierten Fläche die Expansion der Wärmepumpenluft. Somit können alle thermodynamischen Vorgänge dieser thermisch angetriebenen Wärmepumpe mit einem einzigen sogenannten Differenzialkolben durchgeführt werden (Patentanspruch 2). Die Abgase des Verbrennungsteiles sowie die verdichtete Luft des Wärmepumpenteiles werden dem Wärmeaustauscher zugeführt.
Während mit Vorteil letztere in abgekühltem Zustand der Expansionsseite des Differenzialkolbens zugeleitet wird, strömen die abgekühlten Abgase des Verbrennungsteiles direkt ins Kamin. Die Spülluft des vornehmlich im Zweitakt arbeitenden Verbrennungsteiles wird der Wärmepumpenluft entnommen.
Anstelle des oben beschriebenen Aggregates kann auch ein solches mit zwei gegenläufigen Differenzialkolben verwendet werden, welche mit einem Synchronisationsgestänge verbunden sind.
Sowohl der Verbrennungsteil wie auch der Wärmepumpenteil kann vom Heizungswasser umspült werden (Patentanspruch 3). Dies dient einerseits der Kühlung der Zylinder und gewährleistet anderseits die Warmhaltung des Freikolbenaggregates während den Stillstandszeiten.
Die Eindrehung in den Verbrennungskolben dient der Dosierung der Expansionsluftmenge der Wärmepumpe. Sie ersetzt ein gesteuertes Einlassorgan, wodurch der Aufbau vereinfacht wird (Patentanspruch 4).
Alle Wärmeströme werden mit Vorteil in einem einzigen direkt angebauten Wärmeaustauscher zusammengefasst.
Dies hat den Zweck einer kompakten Bauweise mit möglichst geringen Wärmeverlusten und fördert die Wärmeübertragung im Austauscher durch die Ausnützung der Pulsationen des Abgas- und Wärmepumpenluftstromes. Zudem ermöglicht diese Anordnung, bei schadstofffreien Abgasen der Verbrennung, die Ausnützung der Kondensationswärme des Wasserdampfes im Abgas, was eine weitere zusätzliche Einsparung von Brennstoff ergibt (Patentanspruch 5).
Der Startvorgang des Freikolbenaggregates geschieht bei grossen Anlagen vornehmlich mit Druckluft durch das gesteuerte Ventil im Wärmepumpenteil. Bei kleinen Anlagen kann eine elektrische Startvorrichtung verwendet werden, die beispielsweise eine um den Wärmepumpenteil angeordnete Magnetspule vorsieht, welche durch die nicht magnetische Zylinderwand den ferromagnetischen Wärmepumpenkolben anzieht. Zur Sicherstellung des Betriebes ist es zweckmässig die Magnetspule dauernd aktiviert zu lassen (Patentanspruch 6). Zudem kann diese Magnetspule dauernd einen Teil der für die Wärmepumpe benötigten Energie liefern.
Bei grösseren Anlagen kann das Freikolbenaggregat durch eine Turbomaschinengruppe ersetzt werden (Patentanspruch 8). Dabei erzeugt der Gasturbinenteil die zum Antrieb des Wärmepumpenteiles notwendige Energie. Da beide Teile mit Luft betrieben werden, ist es zweckmässig, einen gemeinsamen Verdichter zu verwenden, was den Aufbau wesentlich vereinfacht. Derselbe kann mit der Luftturbine des Wärmepumpenteiles zu einem einzigen doppelflutigen Laufrad vereinigt werden, was eine weitere Vereinfachung des Aufbaues ergibt (Patentanspruch 9).
Nacbstehend sind weitere Einzelheiten der Erfindung anhand von in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Der Aufbau der Ausführung mit Freikolbenaggregat nach Fig. 1 ist folgendermassen:
Das Freikolbenaggregat besteht aus einem Verbrennungsteill und einem Wärmepumpenteil 8. Darin befindet sich der Differenzialkolben, welcher sich aus dem Wärmepumpenkolben 7 und dem Verbrennungskolben 2 zusammensetzt.
Letzterer weist eine Eindrehung 17 auf, welche der Dosierung der Expansionsluft des Wärmepumpenteiles 8 dient.
Der Verbrennungsteil 1 ist mit einer Einrichtung 25 für die Zufuhr von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff, mit einer Zündvorrichtung 24 sowie den nötigen Spül- und Auspuffschlitzen 20 versehen. Dieser Teil ist durch einen Wassermantel 3 umgeben. Der Wärmepumpenteil trägt an seinem freien Ende die automatischen Ein- und Auslassventile 9 und 12 für die Steuerung der Wärmepumpenluft sowie bei grösseren Anlagen das Ventil 11 für die Startluft. Auch dieser Teil ist durch einen Wassermantel 10 umgeben. An seiner mit dem Verbrennungsteil 1 gekoppelten Seite befindet sich das gesteuerte Auslassventil 5 für die expan dierte Wärmepumpenluft sowie die Vorkammer 4 und die
Magnetspule 6. Die Luft- und Gasströme des Freikolbenag gregates sind mit den Rohren 15, 18 und 19 mit dem Wärme austauscher 13 verbunden. Derselbe besitzt auch die Zu- und
Abfuhrleitungen 14 und 22 für das Heizungswasser.
Er ist ferner mit den Leitungen 16 und 21 mit den vom Heizungs wasser umspülten Zylindern verbunden. Schliesslich weist der Wärmeaustauscher 13 noch den Anschluss an das Kamin
23 auf.
Die Funktionsweise der Ausführung mit Freikolbenag gregat nach Fig list folgendermassen:
Die Magnetspule 6, resp. die bei grossen Anlagen durch das Ventil 11 im Wärmepumpenteil 8 eingeleitete Druckluft, setzt den Differenzialkolben in oszillierende Bewegung, wodurch im Verbrennungsteil 1 der Verbrennungszyklus beginnt und durch die vom Verbrennungskolben 2 gesteuerten Ein- und Auslassschlitze 20 aufrecht erhalten wird. Bei dem auf Fig 1 dargestellten Beispiel wird die Spül luft aus der Vorkammer 4 bezogen, in welcher sich infolge einer Verengung im Austrittsrohr ein kleiner Druck aufbaut.
Die durch das Ventil 9 in den Wärmepumpenteil 8 eingesogene Luft wird durch den Wärmepumpenkolben 7 verdichtet und über das Ventil 12, das Rohrstück 15 in den Wärmeaustauscher 13 befördert. Sie gelangt in abgekühltem Zustand durch das Rohr 18 über die vom Verbrennungskolben 2 gesteuerten Öffnung auf die Expansionsseite des Wärmepumpenkolbens 7. Durch diese Öffnung wird die Menge der Expansionsluft dosiert, welche nach erfolgter Entspannung durch das gesteuerte Ventil 5 in den Vorraum 4 und durch die gedrosselte Öffnung ins Freie gelangt. Durch die Anordnung der Kompressions- und Expansionsflächen am Wärmepumpenkolben 7 muss der angebaute Verbrennungskolben 2 und die Magnetspule 6, sofern sie dauernd aktiviert ist, nur noch die Differenzleistung der Wärmepumpe aufbringen.
Dadurch entsteht ein Wärmepumpeneffekt, welcher sich mit den bisher angewendeten mit speziellen Arbeitsmedien betriebenen Prozessen vergleichen lässt und im Ausmass der aufgefangenen Umweltwärme eine Einsparung an Brennstoff ergibt.
Der Aufbau der Ausführung mit einer Turbomaschinengruppe nach Fig. 2 ist folgender:
Die Turbomaschinengruppe besteht aus einem Gasturbinenteil 3 und einem Wärmepumpenteil 5. Ersterer besteht aus dem Verdichtergehäuse 4, der Brennkammer 2 und dem Turbinengehäuse 1 mit dem Abströmkonus 23. Der Wärmepumpenteil 5 schliesst am Verdichtergehäuse 4 an. Er besteht aus dem Luftturbinengehäuse 7, an welchem das ins Freie führende Rohr 6 angeschlossen ist. Im Innern der vorerwähnten Gehäuse befindet sich der gemeinsame Rotor 15. Er trägt das Laufrad 22 der Gasturbine und das doppelflutige Laufrad, welches sich aus dem Laufrad 18 des gemeinsamen Verdichters und dem Laufrad 12 der Luftturbine der Wärmepumpe zusammensetzt.
Am stirnseitigen Ende des Wärmepumpenteils 5 befindet sich ein Getriebekasten 8, für den Antrieb der Hilfsgeräte wie Startermotor 10, Brennstoff- und Ölpumpe 9 sowie dem Regulierorgan 11. Die Luft- und Gasströme der Turbomaschinengruppe sind mit den Rohren 16, 17 und 19 mit dem Wärmeaustauscher 13 verbunden. Die darin abgekühlten Abgase der Gasturbinengruppe 3 gelangen durch das Kamin 21 ins Freie. Die expandierte Luft des Wärmepumpenteiles 5 entweicht durch das Rohr 6.
Schliesslich ist der Wärmeaustauscher 13 mit den Rohren 14 und 20 für die Zu- und Abfuhr des Heizungswassers ausgerüstet.
Die Funktionsweise der Ausführung mit Turbomaschinengruppe nach Fig 2 ist folgende:
Der gemeinsame Verdichter saugt die für den Gasturbinenteil 3 und den Wärmepumpenteil 5 benötigte Luft über ein Ansauggitter an und verdichtet sie auf einen wesentlich höheren Druck. Der Luftstrom wird anschliessend in zwei Teile aufgeteilt.Der eine gelangt in die Brennkammer 2 des Gasturbinenteiles 3, wo sich durch die Verbrennung von Brennstoff die Treibgase bilden. Dieselben expandieren in der Gasturbine und strömen durch den Abströmkonus 23 und das Rohr 19 in den Wärmeaustauscher 13. Nach erfolgter Abkühlung gelangen sie durch das Kamin 21 ins Freie. Der andere Teil des Luftstromes gelangt durch das Rohr 17 in den Wärmeaustauscher 13.
Nach erfolgter Abkühlung wird derselbe durch das Rohr 16 der Luftturbine
12 des Wärmepumpenteiles 5 zugeführt und entweicht nach der Expansion durch das Rohr 6 ins Freie.
Auch bei dieser Ausführung muss der Gasturbinenteil 3 nur noch die Differenzleistung des Wärmepumpenteiles 5 aufbringen. Der dadurch analoge Wärmepumpeneffekt bringt ebenfalls im Ausmass der aufgefangenen Umweltwärme eine Einsparung von Brennstoff.
DESCRIPTION
In the heating devices known today, among other things, 01 or gas burners are used, in which the fuels are burned in an open stream in the boiler in an air flow conveyed by a blower.
This produces heating gases with a temperature of well over 1000 "C. This high-quality energy is reduced in the boiler to temperatures between 50" C and 90 "C, which corresponds to a very poor degree of utilization and runs counter to the demands for economical use of high-quality primary energy. This is the big disadvantage of this simple but outdated heating system.
On the other hand, heating devices are known which bring environmental heat to a higher temperature level with little high-quality primary energy. They are called heat pumps. The same can be driven either electrically or with a thermal machine, in the latter case the waste heat of which is also fed to the heating system. However, these systems have two major disadvantages: - They require considerable mechanical and installation effort and - They have to be operated with a special, often not environmentally friendly, working equipment.
The invention aims to propose an interim solution which allows the advantages of the heat pump to be largely exploited while avoiding the aforementioned disadvantages of both systems.
For this purpose, a heat pump heating device for liquid and gaseous fuels according to claim 1 or 8 is proposed, the embodiments of the invention being defined in the dependent claims.
In the free-piston unit, the combustion part generates mechanical work from the fuel, as high-quality primary energy, which is expediently transferred directly to the heat pump piston by the combustion piston. The latter takes over the compression with its large area and the expansion of the heat pump air with the reduced area. Thus, all thermodynamic processes of this thermally driven heat pump can be carried out with a single so-called differential piston (claim 2). The exhaust gases from the combustion part and the compressed air from the heat pump part are fed to the heat exchanger.
While the latter is advantageously fed to the expansion side of the differential piston in the cooled state, the cooled exhaust gases from the combustion part flow directly into the chimney. The purge air of the combustion part, which mainly works in two-stroke cycle, is taken from the heat pump air.
Instead of the unit described above, one with two counter-rotating differential pistons can also be used, which are connected to a synchronization linkage.
Both the combustion part and the heat pump part can be washed by the heating water (claim 3). On the one hand, this serves to cool the cylinders and, on the other hand, ensures that the free-piston unit is kept warm during downtimes.
The screwing into the combustion piston serves to meter the amount of expansion air from the heat pump. It replaces a controlled inlet member, which simplifies the structure (claim 4).
All heat flows are advantageously combined in a single, directly attached heat exchanger.
The purpose of this is a compact design with the lowest possible heat losses and promotes heat transfer in the exchanger by utilizing the pulsations of the exhaust gas and heat pump air flow. In addition, this arrangement makes it possible to utilize the heat of condensation of the water vapor in the exhaust gas in the case of emission-free exhaust gases from the combustion, which results in a further additional saving in fuel (claim 5).
In large systems, the free piston unit is started primarily with compressed air through the controlled valve in the heat pump section. In small systems, an electrical starting device can be used which, for example, provides a magnet coil arranged around the heat pump part, which attracts the ferromagnetic heat pump piston through the non-magnetic cylinder wall. To ensure operation, it is advisable to keep the solenoid permanently activated (claim 6). In addition, this solenoid can continuously supply part of the energy required for the heat pump.
In the case of larger systems, the free-piston unit can be replaced by a turbomachine group (claim 8). The gas turbine section generates the energy required to drive the heat pump section. Since both parts are operated with air, it is advisable to use a common compressor, which considerably simplifies the construction. The same can be combined with the air turbine of the heat pump part into a single double-flow impeller, which further simplifies the structure (claim 9).
Further details of the invention are described in more detail below with reference to exemplary embodiments shown in FIGS. 1 and 2.
The structure of the version with free piston unit according to FIG. 1 is as follows:
The free-piston unit consists of a combustion part and a heat pump part 8. This contains the differential piston, which is composed of the heat pump piston 7 and the combustion piston 2.
The latter has a recess 17 which serves for metering the expansion air of the heat pump part 8.
The combustion part 1 is provided with a device 25 for the supply of liquid or gaseous fuel, with an ignition device 24 and the necessary flushing and exhaust slots 20. This part is surrounded by a water jacket 3. The heat pump part carries at its free end the automatic inlet and outlet valves 9 and 12 for controlling the heat pump air and, in larger systems, the valve 11 for the start air. This part is also surrounded by a water jacket 10. On its side coupled to the combustion part 1 there is the controlled exhaust valve 5 for the expanded heat pump air and the prechamber 4 and the
Solenoid coil 6. The air and gas flows of the free-piston unit are connected to the tubes 15, 18 and 19 with the heat exchanger 13. It also has the feed and
Drain pipes 14 and 22 for the heating water.
It is also connected to the lines 16 and 21 with the cylinders washed by the heating water. Finally, the heat exchanger 13 still has the connection to the chimney
23 on.
The function of the version with free piston unit gregat according to Fig list as follows:
The solenoid 6, respectively. the compressed air introduced through valve 11 in heat pump part 8 in large systems sets the differential piston in oscillating motion, as a result of which the combustion cycle begins in combustion part 1 and is maintained by the inlet and outlet slots 20 controlled by combustion piston 2. In the example shown in FIG. 1, the flushing air is drawn from the prechamber 4, in which a small pressure builds up as a result of a constriction in the outlet pipe.
The air drawn into the heat pump part 8 by the valve 9 is compressed by the heat pump piston 7 and conveyed via the valve 12, the pipe section 15 into the heat exchanger 13. In the cooled state, it passes through the pipe 18 via the opening controlled by the combustion piston 2 to the expansion side of the heat pump piston 7. Through this opening, the amount of expansion air is metered, which after relaxation has been released through the controlled valve 5 into the antechamber 4 and through the throttled valve Opening got outside. Due to the arrangement of the compression and expansion surfaces on the heat pump piston 7, the attached combustion piston 2 and the magnet coil 6, if it is continuously activated, only have to apply the differential power of the heat pump.
This creates a heat pump effect which can be compared with the processes previously used with special working media and which saves fuel in the extent of the environmental heat captured.
The structure of the version with a turbomachine group according to FIG. 2 is as follows:
The turbomachine group consists of a gas turbine part 3 and a heat pump part 5. The former consists of the compressor housing 4, the combustion chamber 2 and the turbine housing 1 with the outflow cone 23. The heat pump part 5 connects to the compressor housing 4. It consists of the air turbine housing 7, to which the pipe 6 leading to the outside is connected. In the interior of the aforementioned housing is the common rotor 15. It carries the impeller 22 of the gas turbine and the double-flow impeller, which is composed of the impeller 18 of the common compressor and the impeller 12 of the air turbine of the heat pump.
At the front end of the heat pump part 5 there is a gear box 8 for driving the auxiliary devices such as starter motor 10, fuel and oil pump 9 and the regulating member 11. The air and gas flows of the turbomachine group are with the pipes 16, 17 and 19 with the heat exchanger 13 connected. The exhaust gases of the gas turbine group 3 cooled therein escape through the chimney 21. The expanded air of the heat pump part 5 escapes through the pipe 6.
Finally, the heat exchanger 13 is equipped with the pipes 14 and 20 for the supply and discharge of the heating water.
The mode of operation of the version with the turbomachine group according to FIG. 2 is as follows:
The common compressor sucks in the air required for the gas turbine part 3 and the heat pump part 5 via an intake grille and compresses it to a much higher pressure. The air flow is then divided into two parts. One enters the combustion chamber 2 of the gas turbine part 3, where the propellant gases are formed through the combustion of fuel. The same expand in the gas turbine and flow through the outflow cone 23 and the pipe 19 into the heat exchanger 13. After cooling, they pass through the chimney 21 into the open. The other part of the air flow passes through the pipe 17 into the heat exchanger 13.
After cooling, the same is through the tube 16 of the air turbine
12 of the heat pump part 5 supplied and escapes after expansion through the tube 6 into the open.
In this embodiment too, the gas turbine part 3 only has to apply the differential power of the heat pump part 5. The resulting heat pump effect also saves fuel in the extent of the environmental heat captured.