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Die Erfindung betrifft eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage der eingangs genannten Art wird von der schweizer Firma Hovalwerk AG unter der Bezeichnung AgroLyt – Stirling BHKW gebaut und angeboten. Diese Anlage besteht aus einem Heizkessel mit einer Brennkammer zur Verbrennung eines Brennstoffs, und zwar in diesem Fall eines Biomasse-Festbrennstoffs, nämlich Holz. Außerdem weist diese Anlage einen Heißgasmotor, nämlich einen Stirlingmotor, mit einem Erhitzerkopf auf. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas wird dabei praktisch noch in der Brennkammer bzw. kurz danach direkt auf den Erhitzerkopf geleitet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage der eingangs genannten Art zu verbessern, und zwar insbesondere unter dem Aspekt eines möglichst wartungsfreien Betriebs der Anlage.
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Diese Aufgabe ist mit einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass der Erhitzerkopf mit einer Wandung der Brennkammer über einen in seiner Größe verstellbaren Wirkbereich thermisch verbunden ausgebildet ist.
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Mit anderen Worten zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung dadurch aus, dass das bei der Verbrennung enstehende Abgas nicht mehr direkt auf den verschmutzungsempfindlichen Erhitzerkopf des Heißgasmotors geleitet wird, sondern dass der Erhitzerkopf mit einer Wandung der Brennkammer in Wärmetausch gebracht wird, und zwar in der Weise, dass über die Einstellung des Wirkbereichs die gerade erforderliche Menge an Wärme auf den Erhitzerkopf übertragen wird. Dabei ist die Brennkammer auf einer Seite und der Erhitzerkopf auf einer anderen Seite der (fluidundurchlässigen) Wandung angeordnet.
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Unter ”verstellbarer Wirkbereich” ist dabei konkreter ausgedrückt zu verstehen, dass der Erhitzerkopf und die Wandung der Brennkammer eine gemeinsame Kontaktfläche bzw. Wärmeübertragungsfläche aufweisen, deren Größe über eine entsprechende Verstellmechanik bzw. Verstellregelung verstellbar ist. Die Einstellung der Größe kann dabei, was noch näher erläutert wird, zum Beispiel dadurch erfolgen, dass die Position des Erhitzerkopfes in Bezug auf die Wandung der Brennkammer verstellt wird und sich auf diese Weise eine Größenveränderung der Kontaktfläche ergibt.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Der Vollständigkeit halber wird noch auf folgenden Stand der Technik hingewiesen:
Aus der
DE 40 16 238 C2 ist eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, die aus einem Heizkessel mit einer Brennkammer und einem Heißgasmotor besteht, bekannt. Nicht offenbart ist jedoch, dass der Erhitzerkopf des Heißgasmotors in seinem Wirkbereich in seiner Größe verstellbar ausgebildet ist.
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Die
DE 10 2010 004 409 A1 zeigt einen Heißgasmotor, bei welchem der thermische Wirkbereich des Erhitzerkopfes durch eine steuerbare Schicht verstellbar ist. Jedoch zeigt dieses Dokument weder, dass der Heißgasmotor in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage betrieben werden kann, noch weist der Brenner eine vom Stirling-Heißgasmotor separat ausgebildete, begrenzende Wandung auf, vielmehr stellt der Wärmetauscher die Begrenzung zwischen Stirlingmotor und Brennkammer dar.
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Die erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungsanlage einschließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigt schematisch und im Schnitt
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1 die erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungsanlage in einer ersten Stellung des Erhitzerkopfes; und
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2 die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage gemäß 1 in einer anderen Stellung des Erhitzerkopfes.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Kraft-Wärme-Kopplungsanlage besteht zunächst in bekannter Weise aus einem Heizkessel 1 mit einer Brennkammer 2 zur Verbrennung eines Brennstoffs. Dieser Brennkammer 2 ist in Hauptströmungsrichtung (durch Pfeile angedeutet) gesehen ein Abgaszug 9 zur Abfuhr eines bei der Verbrennung entstandenen Abgases nachgeschaltet. Außerdem besteht die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage aus einem Heißgasmotor 3 (insbesondere Stirlingmotor) mit einem Erhitzerkopf 4.
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Im Unterschied zum vorbeschriebenen Stand der Technik ist bei der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage als Brennstoff die Verwendung eines fluiden Brennstoffs vorgesehen, und zwar insbesondere Öl, aber auch Gas.
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Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, ist dazu an einem Ende der Brennkammer 2 ein Brenner 11 und am anderen Ende der Brennkammer 2 der Erhitzerkopf 4 angeordnet. Noch etwas genauer betrachtet, ist die Brennkammer 2 zylindrisch ausgebildet, wobei an einer Stirnseite der Brenner 11 und an der anderen Stirnseite der Erhitzerkopf 4 angeordnet ist.
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Wesentlich für die erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist nun, dass der Erhitzerkopf 4 mit einer Wandung 5 der Brennkammer 2 über einen in seiner Größe verstellbaren Wirkbereich thermisch verbunden ausgebildet ist. In den 1 und 2 ist ein Spalt zwischen den Wandungen dargestellt, um die Wandungen optisch unterscheiden zu können. In Realität ist dieser Spalt dabei zur Realisierung einer guten Wärmeübertragung natürlich so eng wie möglich.
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Wie bereits erläutert, wird auf diese Weise eine Verschmutzung des Erhitzerkopfes 4 durch mögliche Verbrennungsrückstände im Abgas vollständig vermieden, wobei außerdem Dank der Verstellbarkeit die tatsächlich auf den Erhitzerkopf 4 übertragene Wärmemenge einstellbar ist.
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Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, ist weiterhin vorgesehen, dass sich Oberflächen 4.1, 5.1 des Erhitzerkopfes 4 und der Wandung 5 im Wirkbereich über eine Kontaktfläche 6 berührend ausgebildet sind. Diese Kontaktfläche 6 ist durch Verstellen der Oberflächen 4.1, 5.1 zueinander zwischen einer minimalen und einer maximalen Größe variierbar ausgebildet. Die minimale Größe kann dabei auch null sein, d. h. der Erhitzerkopf 4 und die Wandung 5 berühren sich dann nicht mehr.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass sowohl der Erhitzerkopf 4 als auch die Wandung 5 zylinderförmige Oberflächen 4.1, 5.1 aufweisen, der Erhitzerkopf 4 also ähnlich einem Kolben in einem Zylinder eines Motors zur Wandung 4 der Brennkammer 2 verstellbar ist. Alternativ betrachtet, ist somit vorgesehen, dass der Erhitzerkopf 4 in eine Vertiefung 7 der Brennkammer 2 einsteckbar ausgebildet ist, wobei der Erhitzerkopf 4 außerdem in verschiedenen Positionen in der Vertiefung 7 der Brennkammer 2 positionierbar ausgebildet ist.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Brennkammer 2 erhitzerkopfabgewandt mit mindestens einer Öffnung 8 zu einem Abgaszug 9 versehen ist. Dabei ist der Abgaszug 9 als die Brennkammer 2 mindestens teilweise umschließender Ringspaltraum und mindestens teilweise mit einem wasserführenden Raum 13 thermisch in Verbindung stehend ausgebildet, wobei der wasserführende Raum 13 als Ringspaltraum den Abgaszug 9 mindestens teilweise umschließend ausgebildet ist. Auf diese Weise ergibt sich, dass der Abgaszug 9 in an sich bekannter Weise als Wärmetauscher, und zwar als Primärwärmetauscher, ausgebildet ist.
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Wie weiterhin aus den 1 und 2 ersichtlich, sind Hauptlängsachsen der Brennkammer 2, des Abgaszuges 9 und des Heißgasmotors 3 parallel zueinander verlaufend, hier sogar aufeinanderliegend, ausgebildet.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, dass der Abgaszug 9 zwischen der Brennkammer 2 und einem Nachschaltwärmetauscher 10 angeordnet ist. Dieser Nachschaltwärmetauscher 10 ist dabei bevorzugt, wie dargestellt, am erhitzerkopfseitigen Ende der Brennkammer 2 angeordnet und als schraubenförmig gewickelter Wendelspaltwärmetauscher ausgebildet. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Nachschaltwärmetauscher 10 den Erhitzerkopf 4 mindestens teilweise umschließend und vom Abgas (aus dem Abgaszug 9) radial von innen nach außen durchströmbar ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungsanlage funktioniert wie folgt: Mit dem Brenner 14 wird ein fluider Brennstoff, insbesondere Öl, verbrannt. Das dabei entstehende Abgas strömt in den 1 und 2 von links nach rechts in die Brennkammer 2. Bei Bedarf kann (muss aber nicht), wie dargestellt, zwischen dem Brenner 11 und dem erhitzerkopfseitigen Ende der Brennkammer 2 ein Strömungsumlenkelement 12 (zum Beispiel eine einfache Platte) angeordnet sein. Mit diesem Strömungsumlenkelement 12 kann die Wärmebeaufschlagung der dem Brenner 11 gegenüberliegenden Stirnseite der Brennkammer 2 beeinflusst werden. Dies kann erforderlich sein, falls nicht die maximale Wärmemenge auf die Wandung 5 der Brennkammer 2 und damit auf den Erhitzerkopf 4 bzw. dessen Oberfläche 4.1 übertragen werden soll.
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Nach der Umlenkung am Strömungsumlenkelement 12 oder an der Brennkammerrückwand (Wandung 5) strömt das Abgas als Mantelströmung zurück in Richtung Brenner 11, wird im Bereich des Brenners 11 umgelenkt und durch die als Ringspalt ausgebildete Öffnung 8 in den Abgaszug 9 geleitet. Da der Abgaszug 9 von einem vom Heizkreiswasser durchströmten Raum 13 umschlossen ist, wird das Abgas beim Passieren des Abgaszuges 9, der somit als Primärwärmetauscher dient, abgekühlt.
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Am Ende des Abgaszuges 9 wird das Abgas dann durch den Nachschaltwärmetauscher 10 (zweiter Abgaszug) geleitet, um dort nochmals weiter abgekühlt zu werden.
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Je nachdem welche Stellung gewählt wird, ergibt sich, dass die Kontaktfläche 6 zwischen dem Erhitzerkopf 5 und der Brennkammer 2 größer (1) oder kleiner (2) ist. Die auf den Erhitzerkopf 4 übertragene Wärmemenge ist somit über dessen Stellung in der Vertiefung 7 beeinflussbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizkessel
- 2
- Brennkammer
- 3
- Heißgasmotor
- 4
- Erhitzerkopf
- 4.1
- Oberfläche
- 5
- Wandung
- 5.1
- Oberfläche
- 6
- Kontaktfläche
- 7
- Vertiefung
- 8
- Öffnung
- 9
- Abgaszug
- 10
- Nachschaltwärmetauscher
- 11
- Brenner
- 12
- Strömungsumlenkelement
- 13
- wasserführender Raum
