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Die Erfindung betrifft ein wartungsfreies Aggregat für die Kraftwärmekopplung zur Heizung und Erzeugung von elektrischer Energie insbesondere bei kleinen Wohneinheiten.
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Ein Aggregat für die Kraftwärmekopplung zur Heizung und Erzeugung von elektrischer Energie hat die Aufgabe, die Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie miteinander zu koppeln. Bei großen und mittleren Aggregaten der Kraftwärmekopplung wird in erster Linie elektrische Energie erzeugt und die Abwärme des Prozesses wird zum Heizen von Gebäuden, für chemische Prozesse oder zur Erwärmung von Brauchwasser genutzt. Für diese Anwendung werden viele technische Lösungen angeboten. In Deutschland wohnen zur Zeit 44 Prozent der Bürger im eigenen Haus. Für diese Anwendung wird ein kleines Aggregat benötigt. Hier gibt es noch keine befriedigende technische Lösung, weil die Wartungsfrage nicht zufriedenstellend gelöst ist. Bei kleinen Wohneinheiten ist es wichtig, dass das Aggregat wartungsfrei ist, weil der Betreiber im Allgemeinen kein technischer Fachmann ist.
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Stand der Technik
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Die Heizung und Erzeugung von elektrischer Energie ist der Gegenstand von vielen technischen Produkten und Produktideen geworden, in denen neue Lösungsansätze vorgeschlagen wurden.
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In den Broschüren der Fa. Whispergen (veröffentlicht zur Zeit unter http://www.whispergen.com) wird der Mechanismus für einen Stirlingmotor zur Verwendung in einer Heizung beschrieben. Dabei wird der Wärmetauscher eines Stirlingmotors in den Brennraum eines Heizkessels eingebracht. Der Stirlingmotor treibt einen Generator an und kann so elektrische Energie in Verbindung mit Heizenergie erzeugen, also die Kraftwärmekopplung erzeugen. Dieser Stirlingmotor ist jedoch eine Kolbenmaschine mit bewegten und aneinander gleitenden Bauteilen, wie Kolbenringen und Lagern, so dass ein Verschleiß unvermeidlich ist und es schwierig ist, lange Wartungsintervalle zu erreichen.
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In den Unterlagen der Fa. Senertec (http://www.senertec.de/) wird vorgeschlagen, ein Aggregat für die Kraftwärmekopplung mit einem Gasmotor zu nutzen, wobei die Abgase des Gasmotors zur Erzeugung von Wärme genutzt werden. Der Gasmotor treibt einen Generator an und erzeugt so elektrische Energie. Auch hier treten jedoch die obengenannten Nachteile einer Kolbenmaschine auf und lange Wartungsintervalle können nicht erreicht werden. Weiterhin müssen derartige Anlagen (in Deutschland TA-Luft) mit einem geregelten 3-Wege Katalysator ausgerüstet werden. Diese Katalysatoren müssen nach ca. 15.000 Betriebsstunden ausgewechselt werden. Diese Betriebsstundenzahl wird mit einer stromerzeugenden Heizung schon nach wenigen Jahren Betrieb erreicht und führt zu zusätzlichem Betriebsaufwand.
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In
DE 102 09 858 B4 der Fa. OTAG (http://www.otag.de/), wird ein Aggregat für die Kraftwärmekopplung vorgeschlagen, das mit einem geschlossenen Wasserdampfkreislauf, einer Freikolben-Dampfmaschine und einem linearen Generator elektrische Energie in Verbindung mit Heizenergie erzeugt. Dieses Aggregat benötigt für seine Funktion jedoch ebenfalls aneinander gleitende Bauelemente wie Kolbenringe und Steuerschieber, die einem unvermeidlichen Verschleiß unterliegen. Auch hier ist es schwierig, lange Wartungsintervalle zu erreichen.
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Im
United States Patent 6892542 B2 2005 ”Gas compression system and method for microturbine application” wird ein Aggregat für die Kraftwärmekopplung vorgeschlagen, das eine Gasturbine, einen Verdichter und einen Generator enthält, wobei die Abgase der Gasturbine zur Erzeugung von Wärme genutzt werden. Die Gasturbine treibt neben dem Verdichter einen Generator an und erzeugt so elektrische Energie. Durch den intermittierenden Betrieb, den eine Heizung erfordert, tritt jedoch in der Turbine Kondenswasserbildung ein, was Korrosion erzeugt. Weiterhin bilden sich Ablagerungen von Verbrennungsrückständen, was in der Technik als Problem bei zuschaltbaren Zusatzgasturbinenantrieben z. B. bei Lokomotiven bekannt ist und zu deren vorzeitigem Ausfall führen kann. Beides behindert die Funktion des Aggregats im intermittierenden Betrieb und verkürzt die Wartungsintervalle. Bei einem intermittierenden Betrieb treten beim Start und beim Stopp bei den Lagern Verschleißprobleme auf. Für diese Probleme enthält die Schrift keine Lehre.
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In
DE 202 20 621 U1 „Mikroturbine” wird ein Aggregat für die Kraftwärmekopplung vorgeschlagen, das eine Gasturbine, einen Verdichter und einen Generator enthält, wobei die Abgase der Gasturbine zur Erzeugung von Wärme genutzt werden. Die Gasturbine treibt neben dem Verdichter einen Generator an und erzeugt so elektrische Energie. Zur Verbesserung der Betriebssicherheit wird ein geschlossener Kreislauf vorgeschlagen, damit das Rauchgas nicht in Kontakt mit der Gasturbine kommt. Bei einem intermittierenden Betrieb treten beim Start und beim Stopp bei den Lagern Verschleißprobleme auf. Für diese Probleme enthält auch diese Schrift keine Lehre.
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Allen diesen Aggregaten für die Kraftwärmekopplung ist also gemeinsam, dass zwar die Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie gelingt, dass aber keines dieser Aggregate wartungsfrei arbeitet und damit nicht für kleine Wohneinheiten geeignet ist. Alle basieren auf aneinander gleitenden technischen Bauelementen und sind damit dem Verschleiß unterworfen und können daher nicht wartungsfrei sein.
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Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein wartungsfreies Aggregat für die Kraftwärmekopplung für kleine Wohneinheiten so zu gestalten, dass die Heizleistung in Form von Wärmeenergie in bekannter Weise erfolgen kann und zusätzlich elektrische Energie erzeugt wird. Für kleine Wohneinheiten ist bisher die Kraftwärmekopplung noch nicht befriedigend gelöst. Eine solche Lösung ist aber deshalb wichtig, weil in Deutschland 44 Prozent der Bürger in Ein- und Zweifamilienhäusern wohnen und hier ein großer Teil des Heizöls und des Heizgases verbraucht wird. Weiterhin gewinnt die Wartungsfreiheit in Zukunft eine besondere Bedeutung, weil durch die demographische Entwicklung in Europa ein Mangel an mobilen technischen Fachkräften entstehen wird. Mit der Wartungsfreiheit können wirtschaftlich wichtige niedrige Lebenszykluskosten erreicht werden. Die bisher bekannt gewordenen Lösungen können diese Aufgabe nicht lösen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Aggregat für die Kraftwärmekopplung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Das Aggregat für die Kraftwärmekopplung enthält einen geschlossenen Kreislauf (1), der mit einem unter Druck stehendem Arbeitsgas gefüllt ist. Das gegenüber dem Umgebungsdruck deutlich erhöhte Druckniveau des Arbeitsgases ermöglicht das Abzweigen eines Teiles des Arbeitsgases hinter dem Verdichter (7), das einen um das Verdichtungsverhältnis erhöhten Druck aufweist. Dieses abgezweigte Arbeitsgas kann zur aerostatischen Gaslagerung (14) der Welle (5) eingesetzt werden, da auf diese Weise leicht Überdrücke von beispielsweise 4 bar erreichbar sind. Die Gasturbine (4), der Verdichter (7) und der Generator (8) sind dabei auf einer Welle (5) angeordnet und befinden sich in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse (9). Somit existiert im Wesentlichen ein zusammenhängendes, rotierendes, bewegtes Bauteil, dass bei richtiger Dimensionierung der Lager keinem Verschleiß durch Lagerreibung ausgesetzt ist. Auch im Anlauf und Auslauf des Aggregats wird der Festkörperkontakt und somit der Verschleiß der Welle (5) an den Lagerstellen durch einen Druckspeicher (16) vermieden, der komprimiertes Gas über ein schaltbares Ventil (17) den Lagerstellen zum Aufbau eines aerostatischen Lagerungsfilms zuführt. Der Druckspeicher (16) wird bei Betrieb des Aggregats mit Arbeitsgas unter Überdruck gefüllt, wobei das elektrisches Ventil (17) bei Betrieb geöffnet, bei Stillstand des Aggregats geschlossen, und kurz vor dem Start geöffnet wird. Das Entleeren des Druckspeichers (16) wird über das Rad des Verdichters (7) beim Anlauf durch ein federbelastetes Rückschlagventil (18) vermieden. Besonders vorteilhaft ist, dass die häufige und kostenaufwändige Inspektion von Dichtungen und Verschleißteilen und deren Ersatz entfällt. Der Inspektionsaufwand beschränkt sich in der Regel auf eine Kontrolle des Fülldrucks, die zusammen mit gesetzlich vorgeschriebenen zyklischen Kontrollen und Messungen an der Brennreinheit praktisch kostenneutral durchgeführt werden kann. Die Wärmeenergie für die Erzeugung von elektrischer Energie wird in den Kreislauf des Arbeitgases mit Hilfe eines Wärmetauschers (3) eingebracht, der vorzugsweise im Abstrom der Flamme (2) eines üblichen Heizungsbrenners oder im Brennraum angeordnet ist. Im beschriebenen Wärmetauscher (3) wird das Arbeitsgas erhitzt und ausgedehnt und dann zu einer Gasturbine (4) geleitet und hier entspannt. Die bei der Entspannung des Arbeitsgases erzeugte mechanische Energie wird in einem Generator (8) in elektrische Energie umgewandelt. Das Arbeitsgas ist hierbei vom Gas des Heizungsbrenners hermetisch getrennt, sodass keine Verbrennungsrückstände in den Arbeitsgaskreislauf gelangen können. Darauf durchläuft das Arbeitsgas einen weiteren Wärmetauscher (11) für die Kühlung des Arbeitsgases und Erwärmung des Heizungswassers und gelangt dann zum Verdichter (7), wird hier verdichtet und durchläuft dann erneut den Kreisprozess. Für die kommerzielle Realisierung kleiner Anlagen ist besonders vorteilhaft, dass ein zusätzlicher Verdichter für die Luftversorgung der Gaslager der Welle (5) nicht erforderlich ist und somit der bauliche Aufwand sowie das Ausfallrisiko entscheidend für eine kommerzielle Umsetzung reduziert werden. Durch das Vorsehen eines Druckspeichers (16) kann komprimiertes Gas gespeichert werden, sodass zum Start und Auslauf der Gasturbine (4) die aerostatischen Lager (14) immer mit einem Druckpolster versehen sind, das einen Festkörperkontakt der Lager und somit Verschleiß sicher vermeidet. Diese Eigenschaft ermöglicht einen sicheren und wartungsfreien Betrieb kleiner Aggregate zur Kraftwärmekopplung, da diese Aggregate aufgrund des nichtkonstanten Heizbedarfes in der Regel häufig ein und ausgeschaltet werden müssen. Ein weiterer Vorteil des Druckspeichers (16) besteht darin, dass die im vorgespannten Gas gespeicherte Energie in Kombination mit einem oder mehreren elektrisch schaltbaren Ventilen zum Starten der Gasturbine (4) verwendet werden kann. Dies hat den weiteren Vorteil, dass der Stromgenerator für die eigentliche Generatorfunktion technisch optimal ausgelegt werden kann und in diesem Ausführungsfall keine elektrische Motorfunktion zum Anlassen der Gasturbine (4) erforderlich ist. Die vom Generator (8) erzeugte elektrische Energie kann in ihrer Spannung gewandelt und ins elektrische Leitungsnetz eingespeist werden. Das Aggregat kann abhängig von z. B. dem Strom- und Wärmebedarf mikrocontrollergesteuert werden.
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Durch die Verwendung eines dichteren Arbeitsmediums kann der Massenstrom des Arbeitsgases und somit die Prozessleistung erhöht werden. Durch den Einsatz von Gasen wie z. B. Helium, das eine 5fach so hohe Wärmekapazität wie Luft sowie die doppelte Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird eine reduzierte Wärmetauscherfläche und ein thermodynamisch günstigerer Kreisprozess ermöglicht. Ferner sind auch längere Verbindungen zwischen dem Wärmetauscher (3) und der Gasturbine (4) möglich. Das hermetisch dichte geschlossene Gehäuse (9) kann also frei zum Heizkessel angeordnet werden. Die Kühlung der Statorwicklung sowie der Gaslager (14) des Generators (8) erfolgt vorzugsweise mit Hilfe des Rücklaufwassers der Heizung. Auch diese Maßnahme erhöht die Betriebssicherheit und die Standzeit der Anlage, da eine Überhitzung der Generatorwicklung sowie gegebenenfalls vorhandener Permanentmagnete sicher vermieden wird.
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Der Kreisprozess kann näherungsweise durch den sogenannten geschlossenen Kreisprozess mit oder ohne Regeneration beschrieben werden. Vorteilhaft ist dabei, dass ein inertes Arbeitsgas verwendet und damit die Korrosion ausgeschlossen werden kann. Vorteilhaft für die Anwendung in wartungsfreien Aggregaten für die Kraftwärmekopplung zur Heizung und Erzeugung von elektrischer Energie bei kleinen Wohneinheiten ist weiterhin, dass keine Phasenwechsel wie beim Dampfprozess auftreten und somit die Konstruktion einfach und kostengünstig ausgeführt sein kann. Das Arbeitsgas ändert während des Kreisprozesses seine Temperatur und seinen Druck, wird jedoch nicht ausgetauscht, vermischt, verbraucht oder verunreinigt. Durch die Verwendung eines Wärmetauschers (6) zur Regeneration des geschlossenen Kreisprozesses kann der Wirkungsgrad der Stromerzeugung deutlich erhöht werden.
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Die Verbrennung am Heizungsbrenner findet als sogenannte äußere Verbrennung statt, da der Brennstoff wie bei einem üblichen Heizkessel oder Brennwertgerät kontinuierlich verbrannt wird und im Gegensatz zu einem Kolbenmotor oder einem offenen Gasturbinenprozess nicht mit der Arbeitsmaschine stofflich in Kontakt gerät.
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Der Verbrennungsprozess kann durch eine einfache Regelung mit einer über einen Lüfter steuerbaren Luftmenge jederzeit in einem für eine abgasarme Verbrennung günstigen Betriebspunkt gehalten werden. Ein weiterer Vorteil dieser Anwendung sind somit die günstigen Abgaswerte vergleichbar mit denen von einem Brennwertheizgerät.
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Ausführungsbeispiel
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Im Folgenden sollen die Erfindung und ihre Vorzüge an Hand von beispielhaften Ausführungsformen näher erläutert werden. Temperatur-, Leistungs- und sonstige Angaben sind rein beispielhaft. Es zeigen:
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1 die schematische Darstellung des Aggregats für die Kraftwärmekopplung,
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2 die schematische Darstellung des Kreisprozesses und die schematische Darstellung der Wärmeströme und
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3 die schematische Darstellung der Generatorkühlung und der Gaslagerung.
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1 zeigt das Aggregat für die Kraftwärmekopplung, die mit der Heizanlage eines Hauses verbunden ist. Das Wasser des Heizungsrücklaufs (12) des Hauses (13) wird in einem ersten Wärmetauscher (10) durch die Heizflamme (2) erwärmt. Dabei wird ein Teil der bei der Verbrennung des Brennstoffs (z. B. Erdgas, Erdöl, Holzpellets) entstehenden Wärme in den Heizungskreislauf eingebracht und das Rauchgas auf einen Wert nahe der Rücklauftemperatur der Heizung (z. B. 40 Grad Celsius) zur Nutzung des Brennwertes abgekühlt. Das Rauchgas wird durch die Abluftleitung (19) ins Freie geleitet. Ein weiterer Teil der bei der Heizflamme (2) entstehenden Wärme wird mit Hilfe eines weiteren Wärmetauschers (3), der vorzugsweise rauchgasseitig stromauf des Wärmetauschers (10) angeordnet ist, in einen Gaskreislauf (1) geleitet. Das erhitzte Arbeitsgas wird in der Gasturbine (4) entspannt und gibt über die Welle (5) dabei mechanische Energie an den Verdichter (7) und den Generator (8) ab, der elektrische Energie erzeugt. Die elektrische Energie wird zum Eigenverbrauch im Haus (13) genutzt oder zur Einspeisung in ein elektrisches Leitungsnetz geleitet. Über den Wärmetauscher (6) wird Wärmeenergie von dem in der Gasturbine (4) entspannten Arbeitsgas auf das Arbeitsgas abgegeben, das auf den Verdichter (7) zuströmt. Der Wärmetauscher (6) wirkt dabei als Regenerator und leitet einen Teil der Wärmeenergie in den Austritt des Verdichters (7) und erhöht dort die Temperatur des Arbeitsgases. Nach Passieren des Wärmetauschers (6) wird das Arbeitsgas vorgewärmt in den Wärmetauscher (3) geleitet und der Kreisprozess beginnt erneut.
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2 stellt schematisch den Vergleichsprozess mit Regeneration in einem T-s Diagramm dar. Die Zustandsindizes T1, T2, T2', T3, T4, T4' des Kreisprozesses sind an der schematischen Darstellung der stromerzeugenden Heizung angetragen. Das Arbeitsgas wird im Wärmetauscher (3) von der Temperatur T2' isobar auf die Temperatur T3 erwärmt. Das Arbeitsgas wird dann in der Gasturbine (4) auf die Temperatur T4 isentrop entspannt. Im Regenerator (6) wird die das Arbeitsgas auf die Temperatur T4' abgekühlt. In einem nachgeschalteten Wärmetauscher (11) (Kühler) wird das Arbeitsgas auf die Temperatur T1 isobar abgekühlt und in den Verdichter (7) geleitet. Nach der isentropen Verdichtung erhöht sich die Temperatur auf T2. Das Arbeitsgas wird dann über den Wärmetauscher (6) – Regenerator (6) – auf die Temperatur T2' erwärmt und erneut dem Wärmetauscher (3) zugeführt. Der Kreisprozess beginnt erneut. Dieser Kreisprozess wird von der real ausgebildeten Arbeitsmaschine nicht genau in dieser Form nachgebildet, weil isobare und isentrope Zustandsänderungen in der Realität nicht erreicht werden. Jedoch stellt der Verlauf eine gute Näherung dar. Die Wassertemperaturen im Vor- und Rücklauf der Heizungsanlage und die angegebenen Wärmeströme sind ebenfalls als eine Näherung zu betrachten.
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3 Stellt die hermetisch dichte Einheit zur Stromerzeugung und ihre Einordnung in das Heizungssystem schematisch dar. Die Bauelemente Gasturbine (4), Verdichter (7) und Generator (8) sind auf einer Welle (5) angeordnet, die in Gaslagern (14) aerostatisch gelagert ist. Das Gaslager ist mit einem Druckspeicher (16) verbunden, der ein elektrisches Ventil (17) besitzt. Bei Betrieb ist dieses Ventil geöffnet und der Druckspeicher wird mit Arbeitsgas unter Überdruck gefüllt. Bei dem Abschalten dagegen wird das elektrische Ventil (17) geschlossen. Bei einem Start des Aggregats wird zuerst das elektrische Ventil (17) geöffnet, so dass die aerostatischen Gaslager (14) von Anfang an mit Druck versorgt werden und damit die Welle berührungslos gelagert ist. Das federbelastete Rückschlagventil (18) verhindert, dass bei einem Start des Aggregates der Inhalt des Druckspeichers über den Verdichter (7) entweichen und somit die aerostatische Lagerung im Anlauf unwirksam werden kann. Über einen Wärmetauscher (15) wird der Stator des Generators (8) mit Hilfe des Rücklaufwassers der Heizungsleitung (12) gekühlt. Diese Kühlung kann gleichzeitig für die Kühlung des Gaslagers (14) genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10209858 B4 [0006]
- US 6892542 B2 [0007]
- DE 20220621 U1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.whispergen.com [0004]
- http://www.senertec.de/ [0005]
