DE102010022902A1 - Method and device for operating cogeneration plants - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben von Blockheizkraftwerken, durch welche Stromgewinnung aus der Wärme der Motorkühlung ermöglicht und die Stromerzeugung bei fehlender Wärmeabnahme ohne Notkühlung fortgesetzt werden kann.
Bei einem Rotationskolbenmotor, der einen Generator zu Stromerzeugung antreibt, ist der Kolbenraum (40) von einem Gehäuse (41) umschlossen, in welchem Heißwasser aus einem Heißwasserbehälter (26) unter hohem Druck zirkuliert. Im Heißwasserbehälter wird Dampf erzeugt, der eine mit einem zweiten Generator verbundene Dampfturbine (29) beaufschlagt. Der Abdampf der Dampfturbine kondensiert in einem Warmwasserbehälter (50), welcher einen Wärmetauscher (4) zur Wärmeversorgung der Wohnanlage enthält.
Der Heißwasserbehälter und der Warmwasserbehälter haben einen Wasseranschluss und eine Niveauregelung zum Ersetzen des verdampften Wassers.
Bei fehlender Wärmeabnahme wird der Abdampf ins Freie geleitet und die Stromerzeugung in beiden Generatoren kann fortgesetzt werden.
Die Erfindung ist besonders geeignet für in großer Anzahl in Häusern installierte Kleinkraftwerke, die gefährliche und umweltschädliche Großkraftwerke ersetzen.The invention relates to a method and apparatus for operating cogeneration units, by which power generation from the heat of the engine cooling allows and the power generation can be continued without heat loss without emergency cooling.
In a rotary piston engine that drives a generator for power generation, the piston chamber (40) is enclosed by a housing (41) in which hot water from a hot water tank (26) circulates under high pressure. In the hot water tank steam is generated, which acts on a connected to a second generator steam turbine (29). The exhaust steam of the steam turbine condenses in a hot water tank (50) which contains a heat exchanger (4) for heat supply of the housing complex.
The hot water tank and the hot water tank have a water connection and a level control for replacing the evaporated water.
In the absence of heat loss of the exhaust steam is directed into the open and the power generation in both generators can be continued.
The invention is particularly suitable for installed in large numbers in houses small power plants that replace dangerous and environmentally harmful large power plants.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben von Blockheizkraftwerken zur Stromerzeugung, für die Raumheizung und für die die Erwärmung des Brauchwassers.The This invention relates to a method and apparatus for Operating combined heat and power plants for power generation, for the space heating and for the warming of the Domestic hot water.
Es können fossile Energieträger wie Benzin, Dieselöl oder Erdgas, jedoch auch erneuerbare Energien, wie Biogas, Biodieser oder Pflanzenöl verwendet werden. In beiden Fällen werden durch Blockheizkraftwerke die Energieträger doppelt genutzt.It can fossil fuels such as gasoline, diesel or natural gas, but also renewable energy, such as biogas, biodieser or vegetable oil. In both cases By combined heat and power plants, the energy sources are doubled used.
Bei der Gewinnung elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern, fällt immer eine thermische Leistung an, die zur Raumheizung und zur Erwärmung von Brauchwasser verwendet werden kann. Die Energieaufnahme des Verbrennungsmotors wird zu ungefähr einem Drittel in elektrische Energie und zu ungefähr zwei Drittel in thermische Energie umgesetzt. Bei Blockheizkraftwerken ist das Verhältnis von Stromerzeugung und Wärmeabgabe konstant, Stromabnahme und Wärmebedarf jedoch entsprechen zumeist nicht diesem Verhältnis. Deshalb ist für die Speicherung von thermischer Energie ein Warmwasserbehälter vorgesehen.at the production of electrical energy from chemical energy sources, always falls to a thermal power, for space heating and can be used for heating domestic water. The energy consumption of the internal combustion engine becomes about one third into electrical energy and about two Third converted into thermal energy. For combined heat and power plants is the ratio of power generation and heat output constant, Electricity consumption and heat demand, however, are usually the same not this relationship. That's why for storage of thermal energy provided a hot water tank.
Falls jedoch in den wärmeren Jahreszeiten keine Raumheizung und wenig warmes Brauchwasser benötigt werden, ist nach kurzer Zeit der Warmwasserbehälter überhitzt, eine Notabschaltung oder Notkühlung wird erforderlich. Zudem wird in wärmeren Ländern mehr Strom für Klimaanlagen und weniger Warmwasser für die Raumheizung benötigt.If however in the warmer seasons no space heating and little hot water is needed after a short time Time the hot water tank overheated, an emergency shutdown or emergency cooling is required. In addition, in warmer Countries more electricity for air conditioning and less Hot water needed for space heating.
Die
Die Lösung des Problems soll darin bestehen, dass die Abgase mit Hilfe von Brennstoffzellen zur Stromerzeugung genutzt werden. Damit wird das Verhältnis von elektrischer Leistung und thermischer Leistung zu Gunsten der elektrischen Leistung zwar verbessert, die Überhitzung des Warmwasserspeichers im Sommer wird sich danach später einstellen, aber nicht verhindert. Brennstoffzellen sind außergewöhnlich kostspielig und werden deshalb hauptsächlich für militärische Zwecke und in der Raumfahrt eingesetzt.The The solution to the problem is that the exhaust gases be used with the help of fuel cells for power generation. This is the ratio of electrical power and Although thermal performance improved in favor of electrical power, Overheating of the hot water tank in the summer will then adjust later, but not prevented. fuel cells are exceptionally expensive and therefore become mainly for military purposes and used in space travel.
Die
Offenlegungsschrift
Zunehmend werden Blockheizkraftwerke von Stromversorgern in privaten Häusern eingerichtet, die man bei Bedarf über Funk zur Stromlieferung einschaltet. Der Strombedarf entsteht insbesondere, wenn vom Wetter abhängige Windkraftanlagen ausfallen. Bei unzureichender Wärmeabnahme in der Hausanlage kann das Blockheizkraftwerk aber keinen Strom liefern oder eine Notkühlanlage mit Umwälzpumpen, großen Ventilatoren und hohem Stromverbrauch muss eingeschaltet werden. Es muss also dann ein Teil des erzeugten Stroms verwendet werden thermische Energie zu vernichten.Increasingly become combined heat and power plants of electricity suppliers in private houses set up, which you turn on if necessary by radio for power delivery. The power requirement arises especially when dependent on the weather Wind turbines fail. In case of insufficient heat loss but in the house system, the cogeneration plant but no electricity or an emergency cooling system with circulating pumps, large fans and high power consumption must be turned on become. It must then be used part of the electricity generated will destroy thermal energy.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt dieses Problem zu lösen und die Möglichkeit zu schaffen das Blockheizkraftwerk mit einem besseren Wirkungsgrad und besonders kostengünstig zu betreiben.The Invention has the task of solving this problem and the possibility to create the combined heat and power plant with better efficiency and particularly cost-effective to operate.
Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem das Kühlwasser des Verbrennungsmotors durch einen Heißwasserspeicher geleitet, die Wärme den Wärmeverbrauchern zugeführt, bei fehlender oder zu geringer Wärmeabnahme der Heißwasserspeicher auf Verdampfungstemperatur erhitzt, der bei weiterer Wärmezufuhr entstehende Dampf abgeleitet und dem Heißwasserspeicher die der Verdampfung entsprechende Menge Wasser zugeführt wird, wobei die Förderung des Kühlwassers aus dem Heißwasserspeicher zum Verbrennungsmotor unter Anpassung der Fördermenge an den Kühlbedarf und mit einem Druck erfolgt der höher ist, als der Dampfdruck im Heißwasserspeicher.The Invention solves this problem by the cooling water of the internal combustion engine passed through a hot water tank, the heat supplied to the heat consumers, in case of missing or insufficient heat loss of the hot water tank heated to evaporation temperature, the further heat input resulting steam derived and the hot water tank the evaporation of the corresponding amount of water supplied is, with the promotion of cooling water off the hot water tank to the internal combustion engine while adjusting the Flow rate to the cooling demand and with a pressure which is higher than the vapor pressure in the hot water tank.
Die Vorteile liegen vor allem darin, dass die Stromerzeugung für eine Hausanlage und auch für externe Abnehmer unbegrenzt fortgesetzt werden kann, wenn kein oder nur geringer Wärmebedarf besteht und für die notwendige Kühlung kein Strom verbraucht wird. Die Betriebssicherheit ist unbedingt gewährleistet, weil keine Schalteinrichtungen, keine Umwälzpumpen und keine Ventilatoren für die Notkühlung notwendig sind.The The main advantages are that power generation for a home system and also for external customers unlimited can be continued if no or only low heat demand exists and for the necessary cooling no electricity is consumed. The operational safety is absolutely guaranteed because no switching devices, no circulation pumps and no fans necessary for emergency cooling are.
Die Kühlung des Verbrennungsmotors erfolgt also nicht durch Kontakt der Kühlflüssigkeit mit der Außenluft, sondern durch Verdampfung. Die geringere Temperaturdifferenz zwischen der Kühlflüssigkeit und den Zylinderwänden wird durch eine höhere Förderleistung der Kühlwasserpumpe ausgeglichen.The Cooling of the internal combustion engine is therefore not carried out Contact of the coolant with the outside air, but by evaporation. The lower temperature difference between the cooling liquid and the cylinder walls is due to a higher flow rate of the cooling water pump balanced.
Der Heißwasserspeicher kann bis auf 100°C aufgeheizt werden und bei einem druckfesten Behälter auf weitaus höhere Temperaturen. Die Vorlauftemperatur der Heizungsanlage ist durch Zwischenschalten eines Wärmetauschers und einer Pumpe mit Mengenregelung gut regulierbar. Durch höhere Temperaturen wird ein größerer Wärmevorrat für einen späteren Wärmebedarf gebildet.Of the Hot water tank can be heated up to 100 ° C and in a pressure-resistant container to much higher Temperatures. The flow temperature of the heating system is through Interposing a heat exchanger and a pump with Volume control easily adjustable. Due to higher temperatures becomes a larger heat supply for formed a later heat demand.
Durch weitere Erhitzung des Heißwasserspeichers verdampft das Wasser und wird durch Kaltwasser ersetzt. Damit begrenzt die Kühlkapazität nicht die Stromerzeugung. Die Verdampfungswärme von Wasser ist ja bekanntlich sehr groß und die Wasserkosten, welche in dieser Höhe nur anfallen wenn die Hausanlage nicht ausreichend Wärme verbraucht, betragen weniger als 0,01 Euro/KWh, während für den Strom mindestens 0,10 Euro/KWh vergütet wird. Der Eigenverbrauch der Hausanlage, der mindestens 0,20 Euro/KWh spart, kann auch bei fehlendem Wärmebedarf abgedeckt werden. Großkraftwerke verbrauchen auch große Mengen Wasser (in Deutschland: 470 Milliarden Kubikmeter pro Jahr), wobei das Kraftwerk in der Hausanlage noch den Vorteil hat, dass die Transportverluste für Strom entfallen.By further heating of the hot water storage evaporates the Water and is replaced by cold water. This does not limit the cooling capacity the power generation. The heat of evaporation of water is yes, as you know, very large and the water costs, which in This amount only incurred if the house is not sufficient Heat consumed amounts to less than 0.01 Euro / KWh while for the electricity at least 0.10 Euro / KWh remunerated becomes. The self-consumption of the house, the minimum of 0.20 € / KWh Saves, can be covered even in the absence of heat demand. Large power plants also consume large amounts of water (in Germany: 470 billion cubic meters per year), where the Power plant in the house plant still has the advantage that the transport losses accounted for electricity.
In Gebieten mit hohen Wasserpreisen ist eine Rückgewinnung durch Kondensation mittels eines Dampf-Außenluft-Wärmetauschers möglich, der keine Pumpen und Ventilatoren benötigt.In High water price areas is a recovery by condensation by means of a steam outside air heat exchanger possible, which requires no pumps and fans.
Der im Heißwasserspeicher bei fehlendem Wärmebedarf entstehende Dampf treibt gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung eine mit einem stromerzeugenden Generator verbundene Dampfkraftmaschine an. Das ist eine Dampfturbine, eine Kolbendampfmaschine oder sonstige Kraftmaschine.Of the in the hot water tank in the absence of heat demand resulting steam drives according to another Embodiment of the invention with a generator generating electricity connected steam engine. This is a steam turbine, a piston steam engine or other engine.
Die Leistung der Dampfkraftmaschine wird gesteigert, indem man den Dampfdruck im Heißwasserspeicher stark erhöht, wobei die Förderleistung der Kühlwasserpumpe vergrößert wird, um bei einer höheren Kühlwassertemperatur eine ausreichende Kühlung zu erreichen.The Power of the steam engine is increased by adjusting the vapor pressure greatly increased in the hot water tank, the Flow rate of the cooling water pump increased is at a higher cooling water temperature to achieve sufficient cooling.
Die Kühlung mit Kühlwassertemperaturen wett über 100°C ist möglich, weil beim Verbrennungsvorgang sehr hohe Temperaturen entstehen und dadurch die zur Kühlung notwendige Temperaturdifferenz vorhanden ist. Dabei wird das Wasser durch höheren Pumpendruck flüssig gehalten.The Cooling with cooling water temperatures make up for 100 ° C is possible because during the combustion process very high temperatures arise and thus the cooling necessary temperature difference is present. In the process, the water becomes kept liquid by higher pump pressure.
Kondensation minimiert das Volumen des Wasserdampfes und die daraus resultierende Druckdifferenz zum Dampf aus dem Heißwasserspeicher sorgt für die große Geschwindigkeit des Dampfes beim Antrieb der zusätzlich zur Stromerzeugung eingesetzten Dampfkraftmaschine. Anstatt für die Vernichtung der Wärme Strom zu verbrauchen, wird mit der Wärme zusätzlich Strom erzeugt.condensation minimizes the volume of water vapor and the resulting Pressure difference to the steam from the hot water storage ensures for the high speed of the steam at Drive the additional used for power generation Steam engine. Instead of destroying the heat Consuming electricity is added to the heat Electricity generated.
Als Kondensator wird ein Außenluft/Dampf-Wärmetauscher eingesetzt. Falls dies wegen baulicher Gegebenheiten schwierig ist, wird vorgeschlagen den Abdampf der Dampfkraftmaschine in einen Warmwasserspeicher zu leiten, wo er kondensiert und einen Wärmetauscher beheizt, der die Verbraucher im Haus versorgt. Bei fehlender oder zu geringer Wärmeabnahme wird Dampf abgeleitet und im Warmwasserspeicher fehlendes Wasser ersetzt.When Capacitor becomes an outdoor air / steam heat exchanger used. If this is difficult because of structural conditions, is proposed the exhaust steam of the steam engine in a hot water tank to direct where it condenses and heats a heat exchanger, which supplies the consumers in the house. Missing or too low Heat is dissipated steam and stored in the hot water tank missing water replaced.
Der bei der Kühlung des Verbrennungsmotors anfallende Dampf kann direkt in die Umgebung abgeleitet werden, wenn der fehlende Wärmeverbrauch bei der Stromerzeugung nur selten auftritt und die größere Investition für eine Dampfturbine und einen zweiten Generator sich nicht lohnt. Falls die Stromerzeugung vorrangig ist, wird erfindungsgemäß der Wasserdampf zur zusätzlichen Stromerzeugung in eine Wärmekraftmaschine geleitet.Of the in the cooling of the internal combustion engine resulting steam can be derived directly into the environment, if the missing Heat consumption in power generation rarely occurs and the bigger investment for one Steam turbine and a second generator is not worthwhile. If the power generation is paramount, is inventively the Water vapor for additional power generation in a heat engine directed.
Bei zu geringer Stromabnahme und großem Wärmebedarf wird weiterhin vorgeschlagen, einen elektrischen Durchlauferhitzer im Heizungskreislauf einzuschalten. Es ist zwar bekannt bei zu geringer Stromabnahme und Wärmebedarf elektrische Heizwiderstände in einem Warmwasserspeicher einzuschalten, der Durchlauferhitzer im Heizungskreislauf wird jedoch wesentlich schneller wirksam.at too low power consumption and high heat demand is also proposed, an electric water heater to turn on in the heating circuit. It is known that the current consumption is too low and heat demand electrical heating resistors in to turn on a hot water tank, the water heater in the Heating cycle, however, takes effect much faster.
Durch die Erfindung arbeitet das Blockheizkraftwerk bei hohem Strombedarf und bei jedem Wärmebedarf mit einem guten Wirkungsgrad.By The invention operates the combined heat and power plant with high power requirements and with any heat requirement with a good efficiency.
Bei gleichzeitigem Wärme- und Strombedarf:With simultaneous heat and Power Requirements:
Der Heißwasserspeicher kann auf 100°C erhitzt werden und bildet eine größere Reserve.Of the Hot water tank can be heated to 100 ° C and forms a larger reserve.
Bei Strombedarf und fehlendem Wärmedarf:For electricity demand and lack of heat requirement:
Der Heißwasserspeicher liefert Dampf für eine Dampfkraftmaschine, welche einen zweiten Generator zur zusätzlichen Stromerzeugung antreibt oder den Verbrennungsmotor unterstützt, wodurch Brennstoff gespart wird.Of the Hot water tank supplies steam for a steam engine, which a second generator for additional power generation drives or supports the internal combustion engine, thereby fuel is saved.
Bei Wärmebedarf und fehlendem Strombedarf:For heat demand and missing Power Requirements:
Der Strom aus beiden Generatoren wird in einen Durchlauferhitzer im Heizungskreislauf eingeleitet und die Raumheizung sofort versorgt. Gleichzeitig wird durch den Kühlwasserkreislauf der Heißwasserspeicher erhitzt.Of the Electricity from both generators gets into a water heater in the Heating circuit initiated and the space heating supplied immediately. At the same time, the cooling water circuit of the hot water tank heated.
Besonders vorteilhaft ist, als Verbrennungsmotor einen Rotationskolbenmotor einzusetzen, beispielsweise einen Wankelmotor. Diese Verbrennungsmotoren sind Vibrationsfrei, haben einen geringen Platzbedarf und sind für gasförmige Brennstoffe sehr gut geeignet. Die Wärmeabgabe an das Kühlwasser ist geringer als bei Hubkolbenmotoren.Especially is advantageous as a combustion engine, a rotary piston engine to use, for example, a Wankel engine. These internal combustion engines are vibration-free, have a small footprint and are suitable for gaseous fuels very well suited. The heat output to the cooling water is lower than in reciprocating engines.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besitzt einen Heißwasserspeicher mit Anschlüssen zum Verbrennungsmotor und eine Kühlwasserpumpe, einen Wärmetauscher mit Anschlüssen zu den Wärmeverbrauchern in der Hausanlage, einen Wasserstandsregler zur Herstellung eines Wasserstandes mit Abstand zur Oberseite des Wasserspeichers und eine Dampfableitung.The device for carrying out the method according to the invention has a hot water tank with connections to the internal combustion engine and a cooling water pump, a heat exchanger with connections to the heat consumers in the house system, a water level regulator for the production of a water level with distance to the top of the water reservoir and a steam discharge.
Durch diesen Abstand werden im Heißwasserspeicher eine große Fläche zum Verdampfen und ein Raum unterhalb des Dampfabzugs zum Sammeln des Dampfes gebildet und diese Verdampfung besorgt die Kühlung des Verbrennungsmotors.By This distance will be in the hot water tank a large Surface for evaporation and a space below the steam outlet formed to collect the steam and this evaporation worried the Cooling of the internal combustion engine.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird in die Leitung zwischen dem Heißwasserspeicher und einem Kondensator eine Dampfkraftmaschine eingebaut, welche einen zweiten Generator antreibt oder den Verbrennungsmotor unterstützt. Ein druckfester Heißwasserspeicher erhält ein Druckregelventil, wobei dieses auf einen Druck eingestellt wird, der niedriger ist als der von der Kühlwasserpumpe erzeugte Druck. Weiterhin ist ein Niveauschalter eingebaut, der ein Magnetventil für den Speisewasserbedarf steuert.To Another embodiment of the invention is in the line between the hot water tank and a condenser a steam engine installed, which drives a second generator or the internal combustion engine supported. A pressure-resistant hot water storage tank receives a pressure control valve, this being at a pressure is set, which is lower than that of the cooling water pump generated pressure. Furthermore, a level switch is installed, the controls a solenoid valve for the supply water requirement.
Die Abgase des Verbrennungsmotors werden durch einen Wärmetauscher geleitet und wie an sich bekannt zum Überhitzen des Dampfes verwendet.The Exhaust gases of the internal combustion engine are passed through a heat exchanger passed and as known for overheating the steam used.
Falls die Dampfkraftmaschine eine Dampfturbine ist, welche zur Unterstützung des Verbrennungsmotors Verwendung findet, müssen diese durch ein Getriebe und eine Kupplung verbunden werden. Das Getriebe ist erforderlich, da die Dampfturbine eine höhere Drehzahl hat als der Verbrennungsmotor und die Kupplung trennt die Verbindung, wenn kein Dampf zur Verfügung steht. Die Entlastung bedeutet geringeren Verbrauch von Erdgas, Diesel usw.If the steam engine is a steam turbine, which in support the internal combustion engine is used, they must be through a gearbox and a clutch are connected. The transmission is required because the steam turbine has a higher speed has as the internal combustion engine and the clutch disconnects when no steam is available. The relief means lower consumption of natural gas, diesel etc.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:embodiments The invention are illustrated in the drawings and are in Described in more detail below. Show it:
Auf
Eine
Leitung
Die
Abgasleitung
Auf
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