DE102011111869A1

DE102011111869A1 - Heiz und Stromgenerator zum An- oder Einbau an Heizkessel für private und gewerbliche Anlagen

Info

Publication number: DE102011111869A1
Application number: DE102011111869A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-02-28

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heiz- und Stromgenerator, der angetrieben von einer durchmesserkleinen Turbine (1) mechanische und thermische Leistung erbringt. Die je nach der Turbinenausführung, entsprechend zugeführten flüssigen oder gasförmigen Brennstoff werden zu ca. 10 bis 20% für die Stromerzeugung, der größte Energieanteil, ca. 80 bis 90%, für Nutzwärme verwendet. Die Übertragung der erzeugten Heizenergie erfolgt direkt und ohne Wärmetauscher oder ähnliche Einrichtung, in einem Heizkessel, oder ähnlicher Anlage. Dazu ist die berührungslos gelagerte Gasturbine, mit Brennkammer und Abgasrohr erfindungsgemäß so gestaltet, dass diese Bauteile hinter der Kesselabdeckplatte, an Stelle eines Heizbrenners, in den Feuerraum des Heizkessels platziert sind (2). Eine direkte Wärmeübertragung der bis zu ca. 650° Grad heißen Turbinenabgase in den Heizkessel ist damit verlustfrei gewährleistet. Abhängig von der Kesselgröße und Brennerleistung sind entsprechende elektrische Leistungsvarianten, sowie eine wärmegeführte oder stromgeführte Steuerung möglich. Der Stromgenerator mit Luftfilter und Steuerelementen befindet sich einem Schutzgehäuse, außerhalb des Feuerraumes. Die hier dargestellte Form eines Heiz- und Stromgenerators, ist als technisch einfache und kostenmäßig günstige Alternative zu Blockheizkraftwerken (BHKW) anzusehen, deren wesentliche Merkmale von der hier vorgestellten Erfindung abgedeckt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit einer kompakten Vorrichtung (Aggregat), das als Anbau- oder Zubehörteil für Gebäudeheizungskessel oder gewerblichen Anlagen zur effizienten Brennstoffausnutzung, gasförmiger oder flüssiger Energieträger als Heizungsbrenner und Stromerzeuger dient. Die Kopplung der Erzeugung von Wärme und Strom, in der Weise eines Heizbrenners entspricht somit dem Prinzip und Funktion eines stromerzeugenden Heizungsbrenners. Mit der Erfindung werden die allgemein bekannten Merkmale der Kraft-Wärmekopplung (KWK) erfüllt, ohne dafür einen separaten Wärmetauscher einzusetzen. Insbesondere für die Eigenheim- und Wohnanlagenbesitzer, Gewerbebetriebe etc., wird in dem Leistungsbereich von 2 bis ca. 25 Kw_el mit der Erfindung eine kostengünstige, nahezu wartungsfreie und einfache Möglichkeit zur Kraft-Wärmenutzung erschlossen.
Stand der Technik ist, (nach eigenen Recherchen bei DEPATIS und den kommerziellen Markt im INTERNET), dass Anlagen und Aggregate zur Erzeugung von Prozesswärme, Brenner für Heizanlagen mit Gas und Öl in unterschiedlichen technischen Ausführungen und Eignung, in anderen Bauarten und Leistung bekannt sind. Blockheizkraftwerke (BHKW) und Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) sind in verschiedenen technischen Ausführungen und Kapazitäten bekannt. Es ist auch bekannt, dass BHKW-Anlagen, zur Erzeugung elektrischer Energie, Kolbenmotoren oder sogenannte „Micro Turbinen”, für mittlere und kleinere Kapazitäten, einsetzen. (Letztere ab ca. 30 Kw_el.) Alle Anlagen werden als eigenständiges Aggregat eingesetzt, deren Hauptbauteile aus Turbine oder Kolbenmotor, Stromgenerator und Wärmetauscher bestehen. Dabei werden die Abgase und die Aggregatkühlung über eigene Wärmetauscher in den Kreislauf der Heizung zugeführt.
Marktangebote: BHKW und KWK-Anlagen sind insofern beachtlich verbesserungsfähig, als dass den relativ hohen Investitionsaufwand – für Anlagen mit einer sogenannten Micro Turbine ab ca. 30 Kw_el aufwärts, sehr lange Standzeiten (Nutzungsdauer) mit relativ geringen Wartungsaufwand positiv gegenüber stehen. Anlagen dieser elektrischen Leistungsgrenze lassen sich, jedoch für den Hausgebrauch und das Kleingewerbe wirtschaftlich, kaum darstellen. KWK- und BHKW-Anlagen mit Kolbenmotoren, stehen den niedrigeren Investitionskosten, die erheblich geringeren Betriebszeiten der Motoren mit einem hohen Wartungsaufwand, Schmiermittelbedarf und Betriebsunterbrechungen gegenüber. Dabei ist zu berücksichtigen, dass beim Einbau dieser Anlagen, zur Kraft-Wärme-Kopplung, neben den Anschaffungs- und Betriebskosten, meist relativ hohe Installationskosten und fast immer ein zusätzlicher Aufstellplatz für Aggregat und Wärmetauscher im Heizungsraum dafür erforderlich sind. Bei Anlagen mit eingebauten Wärmetauschern ist in Regel zu dem, oft noch der Heizkessel zu entfernen. Das Interessentenpotential von weit mehr als 150000 Eigenheimbesitzer und Eigentümer einer Wohnanlage, ca. 50000 Gewerbebetrieben, halten sich offensichtlich aus den genannten Gründen, vorerst von einer positiven Kaufentscheidung zurück.
Der Erfindung liegt daher ein Konzept zu Grunde, ein leicht zu handhabendes kleines Aggregat zu schaffen, das kostengünstiger in der Anschaffung und Wartung ist Das ferner keinen eigenen Aufstellplatz oder einen eigenen Wärmetauscher benötig und die Prozesswärme direkt in den vorhandenen Heizkessel einbringt. Dabei wird von der benötigten Gesamtleistung – je nach Anlage knapp 30% in elektrische Energie und ca. 70% in Wärme umgesetzt. Das Aggregat nutzt also die zugeführte Heizenergie gleichzeitig zur Erzeugung elektrischer Energie. Dabei sorgt eine Leistungselektronik mit drehzahlunabhängiger Spannungswandlung für einen optimalen Wirkungsgrad im Teillastbereich. Zur Reduzierung der sonst hohen Startfrequenz bei üblichen Heizungsbrenner, ist eine modifizierte elektronische Steuerung einzubauen.
Der Nachfrage nach kleineren, effizienten und kostengünstigeren Aggregaten unter ca. 30 Kw_el Leistung, mit möglichst geringem Wartungsaufwand, wird damit entsprochen. (s. Pkt. 0003) Erfüllt wird dieser Anspruch durch ein Aggregat, dem zum Teil die Verwendung modifizierter Bauteile, handelsüblicher Kleinstturbinen und entsprechenden mechanischen und elektronischen Anbauteile zugrunde liegen. Dazu gehört u. a. die Verbindung mit einem schnelllaufenden Dauermagnetgenerator zur Stromerzeugung. Der so konzipierte HS Brenner erfüllt nach seinen äußeren Abmessungen und Leistungen, die praktischen Voraussetzung als Ein- oder Anbauteil an einen Heizkessel oder ähnlicher Zwecke für Wohnanlagen, Gewerbebetriebe, etc. Eine hocheffiziente Erzeugung von Strom und Wärme kann dieses Aggregat, in einem BHKW/KWK-Leistungsbereich von 1 bis ca. 20 Kw_el.‚ gewährleisten.
Systemvergleich Soweit zutreffend werden durch die Erfindung die folgenden Nachteile, bekannter KWK-Anlagen aufgehoben. Dies sind u. a.:

• Hohe GesamtInvestitionskosten
• Geringere Betriebsstandzeiten,
• Häufige Wartung,
• Störanfälligkeit,
• Folgekosten (hoher Ölverbrauch),
• Raumbedarf,
• Lebensdauer des Aggregates etc.

• Günstige Anschaffungskosten,
• Geringe Installationskosten,
• Kein Schmierölverbrauch,
• Geringe Folgekosten für Wartung,
• Lnge Betriebsstandzeiten,
• Langer Produktzyklus des Aggregates,
• Unveränderte Heizraumnutzung,
• Niedrigste Abgaswerte (ca. 2 < ppm NO_x)
• Kein Katalysator erforderlich,
• Verwendung unterschiedlicher Brennstoffe (z. B. Gas*, Diesel, Heizöl, Kerosin etc). Bei Gas ist zur Erhöhung des Gasdruckes, ein zusätzlicher Kleinkompresser erforderlich

Beschreibung:

1) Der HS Brenner kann äußerlich als ein zylindrischer Körper, dessen Durchmesser von der Brennerleistung bestimmt wird, einem Durchmesser von 90 bis 270 mm und einer Baulänge von 560 mm bis 1000 mm betragen. Er ist mit einer Grundplatte fest mit dem Heizkessel verbunden. Das Aggregat wird mit der Brennkammer soweit in den Brennraum eingeführt, dass die abstrahlende Hitze der Turbine und deren Abgase zur Vorwärmung der Brenngase genutzt wird.
2) Auf der verstärkten und verlängerten Antriebswelle für den Verdichter und der Turbine befindet sich am Vorderteil, ein Permanentmagnetgenerator mit entsprechender Leistung und Schaltelektronik Daran anschließend befindet sich der Verdichter. Dem Verdichter angeschlossen ist ein Rohr, das als verlängerter Ansaugstutzen für den Verdichter dient. Es ist so bemessen, dass in diesem Ansaugkanal der Stromgenerator untergebracht werden kann und die vom Verdichter angesaugte Luft am Generator vorbei geführt, zu dessen Kühlung dient
3) Generator, Ansaugrohr und Verdichter werden von einen schalldämmenden, die Ansaugluft filterndes Gehäuse umschlossen und ist an die Grundplatte oder Heizkessel befestigt
4) In der Brennkammer, hinter den Brennstoffeinspritzdüsen – in Richtung Turbine – befinden sich weitere Düsen, aus denen nach Erreichen der angestrebten Betriebstemperatur und in Abhängigkeit der Drehzahl, reines Wasser/Wasserdampf eingespritzt wird.
5) Die Lenkung der aus der Turbine ausströmenden heißen Abgase (ca. 650 bis 700 Grad) wird, nach den Gegebenheiten des Kesselbrennraumes, von einem Heizgasverteiler ausgeführt
6) Zur Erzielung langer Betriebslaufzeiten bei geringstem Verschleiß und Verzicht auf Schmierstoffe, dreht sich die Welle auf zwei Luftlagern. (ca. 65000 bis 110000 Umdrehungen pro Minute.)
7) Die Steuerung und Betriebsüberwachung des HS Brenner erfolgt manuell und elektronisch.
8) Bei Verwendung gasförmiger Brennstoffe muss zur Erhöhung des Gasdruckes, ein entsprechender Verdichter in die Versorgungsleitung des HS Brenners installiert werden.

Bezugszeichenliste

1: Stromgenerator
2: Schallschutz- und Filtergehäuse
3: Verdichter
4: Heizkesselwand
5: Turbine m. Brennkammer
6: Brenngasverteiler

Claims

Hauptanspruch: Der Wärme und elektrische Energie, aus flüssigen und gasförmigen Energieträgern erzeugende HS Brenner, ist wegen seiner Baugröße, Durchmesser und Form, zum An- oder Einbau an oder in den Feuerraum eines Heizkessels, oder andere Anlagen, als Brenner vorgesehen. Entsprechend der genannten gekoppelten Funktionen, wird die von der Turbine, nicht zur Stromerzeugung verwendete thermische Energie (etwa 60 bis 70%), direkt dem Heizkessel oder entsprechender Einrichtung zugeführt. Der HS Brenner wird von einem schalldämmenden Gehäuse umgeben, das zu 85% seiner Wände (Oberfläche), gleichfalls als Luftfilter für den Verdichter dient. Zur Leistungssteigerung des Aggregates, werden bei Erreichen vorbestimmter Betriebspunkte, der Verbrennungsluft zusätzlich Wasser/Dampf, zugeführt Dabei befindet sich die extrem heiße Turbine des Aggregates, im Brennraum des Heizkessels. Gemäß der Erfindung wird der HS Brenner elektronisch gesteuert und überwacht.
Der HS Brenner wird nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet, dass zu den Funktionen eines üblichen Heizbrenners, für flüssige- oder gasförmige Energieträger, um die zusätzliche Funktion der Stromerzeugung (in gekoppelter Form – auf einer Wellenebene) ergänzt wird und als An- oder Einbauaggregat, für bereits bestehende und neu herzustellende Heizkessel oder ähnliche Anlagen zu verwenden ist.
Der HS Brenner wird nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Turbine des Aggregates in den Feuerraum des Heizkessels oder Wärmetauschers, zur Abgabe von Wärme, hinein ragt (Brennkammer).
Der HS Brenner wird nach Anspruch 1) und 2) dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Turbine austretenden Heißgase direkt in den Feuerraum des Heizkessels oder ähnlicher Anlagen geführt werden und nach Bedarf mit einem, am Turbinenaustritt angebrachten Heißgasverteiler, im Brennraum des Kessels oder Wärmetauscher nach Bedarf verteilt und die Strömungsgeschwindigkeit der Turbinenaustrittsgase abbremst werden.
Der HS Brenner wird nach Anspruch 2) dadurch gekennzeichnet, dass der erhitzten Verbrennungsluft – vor Eintritt in die Brennkammer – reines Wasser, bezw. Wasserdampf zur Leistungssteigerung der Turbine zugeführt wird.
Der HS Brenner wird nach Anspruch 2) mit einem schalldämmenden und gleichzeitig die Ansaugluft filterndes Gehäuse umgeben, wobei Veränderungen des Filterwiderstandes sensorisch erfasst und ggf. entsprechende Signale auslösen.