DE102012018161A1

DE102012018161A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme und Strom

Info

Publication number: DE102012018161A1
Application number: DE201210018161
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2032-09-15
Also published as: DE102012018161B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 zur gekoppelten Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie, nämlich Kraft-Wärme-koppelndes Blockheizkraftwerk, mit einem Maschinenrahmen 2, in welchem ein Verbrennungsmotor 3 und ein an die Abtriebswelle 4 des Verbrennungsmotors 3 angekoppelter Generator 5 angeordnet sind, wobei die Auspuffgase 6 des Verbrennungsmotors 3 einem ebenfalls im Maschinenrahmen 2 angeordneten Wärmetauscher 7 zugeführt werden und ein Generatorausgang an wenigstens einen elektrischen Verbraucher anschließbar ist, wobei an dem Verbrennungsmotor 3 und/oder Generator 5 ein als Lüfterrad ausgebildetes Schwungrad 8 angeordnet ist und benachbart zum Schwungrad 8 in einem Maschinenrahmenabschnitt 9 ein Klimagerät 10 angeordnet ist und das als Schwungrad 8 ausgebildete Lüfterrad in dem Raumbereich 11 des Verbrennungsmotors 3 und des Generators 5 einen im Wesentlichen umlaufenden Luftstrom 12 erzeugt, der das Klimagerät 10 durchsetzt und damit den vom Generator 5 und Verbrennungsmotor 3 kommenden umlaufenden Luftstrom 12 kühlt.

Description

Die Erfindung/Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur gekoppelten Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie, nämlich ein Kraft-Wärmekoppelndes Blockheizkraftwerk mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Blockheizkraftwerke der bekannten Art weisen als kompakte Einheiten einen Maschinenrahmen auf, in welchem ein Verbrennungsmotor und ein an die Antriebswelle des Verbrennungsmotors angekoppelter Generator angeordnet sind. Die Auspuffgase des Verbrennungsmotors werden einem Wärmetauscher zugeführt, um aus der Abwärme Heizwasser aufbereiten zu können. Am Generatorausgang sind wenigstens ein Verbraucher – entweder direkt oder aber ein Stromnetz – anschließbar. Dies bedeutet, dass die elektrische Energie des Generators entweder in ein lokales Netz eingespeist werden kann, beispielsweise in ein Hausnetz oder die elektrische Energie in das allgemeine Stromnetz eingespeist wird, was in der Regel mit einer Vergütung für den Betreiber des Blockheizkraftwerkes verbunden ist.
Bekannte Blockheizkraftwerke werden in der Regel mit einem Netz verbunden, d. h. sie sind geeignet und dafür vorgesehen, einen gewissen Anteil der in das Netz eingespeisten Energie zur Verfügung zu stellen und dabei gleichzeitig auch noch die Abwärme des Motors zur Heißwassererzeugung zu nutzen.
Darüber ist es bekannt, Blockheizkraftwerke auch mit Kühlaggregaten zu koppeln, um Kälte in einem vom Blockheizkraftwerk unabhängigen Raumbereich zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Blockheizkraftwerkanlage derart auszubilden, dass sie kompakt ausgebildet ist und mit einem relativ klein dimensionierten Motor, insbesondere einem Gasmotor, als Notstromaggregat betreibbar ist und ohne Einbindung in das elektrische Netz auskommt, d. h. in einem oder mehreren Haushalten, die an das Blockheizkraftwerk angeschlossen sind, die wesentlichen Funktionen Kühlung, Heizung, Warmwasser, Licht, Telekommunikation und dgl. aufrechterhalten werden, auch wenn der Netzbetrieb von außen vollständig zusammenbricht. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Als Kern der Erfindung wird es angesehen, an den Generator oder den Verbrennungsmotor ein als Lüfterrad ausgebildetes Schwungrad anzuordnen und benachbart zum Schwungrad in einen Maschinenrahmenabschnitt ein Klimagerät vorzusehen, wobei das als Schwungrad ausgebildete Lüfterrad in dem Raumbereich des Verbrennungsmotors und des Generators ein im Wesentlichen umlaufenden Luftstrom erzeugt, der das Klimagerät durchsetzt und damit den vom Generator und Verbrennungsmotor kommenden umlaufenden Luftstrom kühlt.
Das als Lüfterrad ausgebildete Schwungrad erfüllt damit eine Doppelfunktion. Zum einen wirkt es wie ein normales Lüfterrad, d. h. es erzeugt einen Luftstrom, der über die Gehäuse von Verbrennungsmotor und Generator streicht und Wärme von dort abführt. Darüber hinaus wird der Luftstrom aber auch noch durch ein Klimagerät geführt, das den im Umluftbetrieb geführte Luftstrom abkühlt, sodass er auf der Zuluftseite zum Motor und/oder Generator relativ kalt ist und damit optimale Verhältnisse für den Betrieb des relativ klein ausgebildeten Motors schafft. Würde der Motor, insbesondere ein Gasmotor, in zu heißer Umgebung laufen, dann hätte er nicht den optimalen Wirkungsgrad, den ein als Dauerläufer ausgebildeter Gasmotor benötigt, um effizient betrieben zu werden.
Darüber hinaus ermöglicht es die Umluftführung, das gesamte Blockheizkraftwerk in einer Schallschutzhaube unterzubringen, sodass kein erheblicher Betriebslärm und so gut wie keine Abwärme unbeabsichtigt nach außen dringen. Das Blockheizkraftwerk hat damit „Wohnungsqualität”, was nicht heißen soll, dass ein derartiges Gerät in einer Wohnung laufen soll, es aber so ausgebildet sein soll, dass es in einem Haushalt mit mehreren Räumen problemlos untergebracht werden kann, z. B. einem Nebenraum oder Keller. Die gesamte Abwärme des Verbrennungsmotors und auch des Klimagerätes kann in den Wärmetauscher eingebracht und dort zur Heißwassererzeugung genutzt werden. Das aus dem Wärmetauscher kommende Heißwasser hat eine Temperatur von z. B. bis zu 70° und ist damit völlig ausreichend, einen oder mehrere Haushalte im normalen Warmwasser-Temperaturbereich zu versorgen.
Es ist erwähnenswert, dass bereits diskutiert wurde, in Verbindung mit Blockheizkraftwerken hohe Schwungradmassen anzutreiben, um Energie zu speichern, die gerade nicht abgerufen werden kann. Das als Schwungrad ausgebildete Lüfterrad hat aber lediglich die Funktion, neben der Luftstromerzeugung für kurze Zeit den Betrieb des Verbrennungsmotors aufrecht zu erhalten, wenn vom Generator kurzzeitig ein sehr hohes Leistungsniveau angefordert wird oder die Leistungsabnahme schnell nachlässt, lässt nämlich die Leistungsabnahme gegebenenfalls plötzlich nach, dann würde der unter Volllast laufende Motor ohne diese Lastabnahme dazu tendieren, sehr schnell hochzulaufen, was zu Motorschäden und zu Betriebsstörungen führen kann. Insbesondere würde der dann zu schnell laufende Generator eine Überspannung erzeugen, und nicht mehr mit den angeforderten 50 Hertz laufen, sondern mit einer höheren Frequenz, was für das angeschlossene Netz und die Verbraucher schädlich sein kann. Fällt nämlich das Netz aus und wird das Blockheizkraftwerk ab dem Zeitpunkt des Netzausfalls netzfrei als Notstromaggregat eingesetzt. Dann fordern alle angeschlossenen Verbraucher wie Kühlschränke, Heizungsanlagen, Lichtanlagen und dgl. hohe Leistung an, d. h. der damit verbundene hohe Stromfluss würde über den Generator einen relativ klein dimensionierten Verbrennungsmotor so weit abbremsen, dass dieser ins Stottern käme und ggf. abstirbt. Das als Schwungrad ausgebildete Lüfterrad ist an den Verbrennungsmotor angekoppelt (es kann beispielsweise am Verbrennungsmotor, zwischen Verbrennungsmotor und Generator oder am anderen Ende des Generators angebracht sein oder auch auf sonstige Weise angekoppelt sein), hält trotz einer hohen Bremswirkung des Generators in Folge einer hohen Leistungsanforderung den Motor im Rundlauf und überbrückt damit einen ausreichend bemessenen Zeitraum, z. B. einige Sekunden die kritische Situation einer hohen Leistungsanforderung, die für einen relativ schwach dimensionierten Dauerläufermotor ansonsten zu Schwierigkeiten führen könnte, z. B. zum Stillstand.
In Weiterbildung der Erfindung ist hinsichtlich der Luftstromführung vorgesehen, dass der aus dem Raumbereich des Verbrennungsmotors und des Generators abgesaugte Luftstrom über dem genannten Raumbereich in einem Luftkanal zu einem Einlass des Klimagerätes geführt wird und aus dem Klimagerät vom Lüfterrad in den Raumbereich angesaugt wird. Dies ermöglicht eine kompakte und integrale Luftstromführung innerhalb der genannten Schallschutzhaube.
Das Klimagerät und der über dem Klimagerät angeordnete Abschnitt des Luftkanals sind in einem gesonderten Maschinenrahmenabschnitt angeordnet, der von dem Hauptmaschinenrahmen, der den Verbrennungsmotor, den Elektromotor und weitere wesentliche Komponenten des Blockheizkraftwerks wie beispielsweise den Wärmetauscher aufnimmt, abgekoppelt werden kann. Dies ermöglicht eine gesonderte Wartung des Klimagerätes und einen vereinfachten Transport der Vorrichtung.
Das als Schwungrad ausgebildete Lüfterrad hat in Weiterbildung der Erfindung eine Schwungmasse von wenigstens 60 kg, die peripher um den äußeren Rand des Lüfterrades verteilt angeordnet ist. Dies bedeutet nicht notwendigerweise, dass die Schwungmasse gleich verteilt am äußeren Rand des Lüfterrades angeordnet ist, es muss nur dafür Sorge getragen werden, dass das Lüfterrad mit der relativ hohen Drehzahl, die ein Generator umläuft, gut gewuchtet laufen kann.
Das kombinierte Lüfter-Schwungrad ist vorzugsweise unmittelbar in einem Seitenbereich des Hauptmaschinenraumes angeordnet, an welchen der gesonderte Maschinenrahmenabschnitt mit dem Klimagerät angekoppelt werden kann. Dies vereinfacht einerseits die Montage der gesamten Vorrichtung, zum anderen sind die Komponenten Schwungrad und Klimagerät problemlos mehrseitig zugänglich.
Weiter vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen 8–11 zu entnehmen. Anspruch 12 betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Blockheizkraftwerkes mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Die Erfindung ist anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Diese zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei aneinander ankoppelbaren Maschinenrahmenteilen.
2 eine erste Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Ansicht A in 1
3 eine weitere Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Ansicht D in 1
4 eine Ansicht der Hauptrahmenseite mit Lüfterrad gemäß Ansicht B in 1
5 eine Längsseitenansicht der Vorrichtung gemäß Ansicht C in 1
6 eine weitere Längsseitenansicht des ankoppelbaren Rahmenteils mit Klimagerät gemäß Ansicht E in 1.
Die insgesamt mit 1 bezeichnete Vorrichtung weist einen ersten Maschinenrahmen, nämlich einen Hauptmaschinenrahmen 2 auf, in welchem ein Verbrennungsmotor 3 und ein an die Abtriebswelle 4 des Verbrennungsmotors 3 angekoppelter Generator 5 angeordnet sind, wobei die Auspuffgase 6 des Verbrennungsmotors 3 einen ebenfalls im Maschinenhauptrahmen 2 angeordneten Wärmetauscher 7 zugeführt werden und ein Generatorausgang an wenigstens einen elektrischen Verbraucher angeschlossen werden kann, wobei der Verbraucher in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Der wenigstens eine Verbraucher kann auch das allgemein zur Verfügung stehende Stromnetz sein.
An dem Verbrennungsmotor 3 und/oder dem Generator 5 ist ein als Lüfterrad ausgebildetes Schwungrad 8 angekoppelt und benachbart zum Schwungrad 8 in einem gesonderten Maschinenrahmenabschnitt 9 ein Klimagerät 10 untergebracht, wobei das als Schwungrad 8 ausgebildete Lüfterrad 12 in dem Raumbereich 11, in dem der Verbrennungsmotor 3 und der Generator 5 untergebracht sind, einen im Wesentlichen umlaufenden Luftstrom 12 erzeugt, der das Klimagerät 10 durchsetzt und damit den vom Generator 5 und vom Verbrennungsmotor 3 kommenden umlaufenden Luftstrom 12 kühlt. In 2 und 3 ist deutlich zu sehen, dass der aus dem Raumbereich 11 des Verbrennungsmotors 3 und Generators 5 abgesaugte Luftstrom 12 über dem genannten Raumbereich 11 in einem Luftkanal 13 zu einem Einlass 14 des Klimagerätes 10 geführt und aus dem Klimagerät 10 vom als Lüfterrad ausgebildetes Schwungrad 8 in den Raumbereich 11 abgesaugt wird.
Das Klimagerät 10 und der über dem Klimagerät 10 angeordnete Abschnitt 13' des Luftkanals 13 sind in dem als gesonderter Maschinenrahmen ausgebildeten Maschinenrahmenabschnitt 9 angeordnet, der von dem der Verbrennungsmotor 3 den Generator 5 und weitere Komponenten des Blockheizkraftwerkes aufnehmenden Hauptmaschinenrahmen 2 abkoppelbar ist. Dies bedeutet, dass auch der Abschnitt 13' des Luftkanals 13 vom Rest Luftkanals 13, der fest im Hauptmaschinenrahmen untergebracht ist, trennbar ist.
Der Luftkanal 13 hat zumindest im Bereich des Hauptmaschinenrahmens 2 eine Breite, die im Wesentlichen der Innenbreite des Hauptmaschinenrahmens 2 entspricht.
Das als Schwungrad 8 ausgebildete Lüfterrad hat eine Schwungmasse von 60 kg, die am äußeren Rand 8' des Lüfterrades verteilt angeordnet ist.
Das Schwungrad befindet sich unmittelbar in einem Seitenendbereich des Hauptmaschinenrahmens 2, an welchen der gesonderte Maschinenrahmenabschnitt 9 mit dem Klimagerät 10 angekoppelt werden kann. Das Schwungrad 8 ist in einem dem Umfang des Schwungrades 8 angepassten Rahmen 15 angeordnet, der mit dem Längsseitenbereich 16 des Hauptmaschinenrahmens 2 im Wesentlichen fluchtet.
In den Zeichnungsfiguren ist noch dargestellt, das unter dem Verbrennungsmotor 3 im Hauptmaschinenrahmen 2 ein Ölvorratsbecken 20 angeordnet ist, in dem ein Ölrückstandsabsetzbehälter untergebracht ist.
Es ist von Bedeutung, dass die Schwungmasse und die Leistung des Verbrennungsmotors 3, insbesondere des als Dauerläufer ausgebildeter Gasmotors, so aufeinander abzustimmen sind, dass bei Grenzbelastung des Generators, der durch den Gasmotor angetrieben wird, der Gasmotor mit der Unterstützung der Schwungmasse über eine kurze Zeit weiterläuft, ohne völlig von dem durch Leistungsanforderung abgebremsten Generator 5 zum Stillstand gebracht zu werden.
Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es ist genauso möglich, alle Elemente in nur einem Maschinenrahmen unterzubringen und durch eine Einschubtechnik zu Servicezwecken leicht zugänglich zu machen. Weiterhin kann der Luftkanal 13 seitlich neben dem Raumbereich 11 geführt werden oder durch einen flexiblen Luftführungsschlauch ersetzt werden, wenn dies erforderlich ist. Genauso gut können der Verbrennungsmotor 3 und der Generator 5 übereinander untergebracht werden und das Klimagerät 10 seitlich neben der übereinander gestapelten Anordnung von Verbrennungsmotor und Elektromotor.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Maschinenhauptrahmen
3: Verbrennungsmotor
4: Antriebswelle
5: Generator
6: Auspuffgase
7: Wärmetauscher
8: Schwungrad
9: Maschinenrahmenabschnitt
10: Klimagerät
11: Raumbereich
12: Luftstrom
13: Luftkanal
14: Einlass von 10
15: Rahmen
16: Längsseitenbereich
20: Ölvorratsbecken

Claims

Vorrichtung (1) zur gekoppelten Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie, nämlich Kraft-Wärme-koppelndes Blockheizkraftwerk, mit einem Maschinenrahmen (2), in welchem ein Verbrennungsmotor (3) und ein an die Abtriebswelle (4) des Verbrennungsmotors (3) angekoppelter Generator (5) angeordnet sind, wobei die Auspuffgase (6) des Verbrennungsmotors (3) einem ebenfalls im Maschinenrahmen (2) angeordneten Wärmetauscher (7) zugeführt werden und ein Generatorausgang an wenigstens einen elektrischen Verbraucher anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verbrennungsmotor (3) und/oder Generator (5) ein als Lüfterrad ausgebildetes Schwungrad (8) angeordnet ist und benachbart zum Schwungrad (8) in einem Maschinenrahmenabschnitt (9) ein Klimagerät (10) angeordnet ist und das als Schwungrad (8) ausgebildete Lüfterrad in dem Raumbereich (11) des Verbrennungsmotors (3) und des Generators (5) einen im Wesentlichen umlaufenden Luftstrom (12) erzeugt, der das Klimagerät (10) durchsetzt und damit den vom Generator (5) und Verbrennungsmotor (3) kommenden umlaufenden Luftstrom (12) kühlt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Raumbereich (11) des Verbrennungsmotors (3) und Generators (5) abgesaugte Luftstrom (12) über dem genannten Raumbereich (11) in einem Luftkanal (13) zu einem Einlass (14) des Klimagerätes (10) geführt und aus dem Klimagerät (10) vom Lüfterrad in den Raumbereich (11) angesaugt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Klimagerät (10) und der über dem Klimagerät (10) angeordnete Abschnitt (13') des Luftkanals (13) in dem als gesonderter Maschinenrahmen ausgebildeten Maschinenrahmenabschnitt (9) angeordnet sind, der von dem den Verbrennungsmotor (3), den Generator (5) und weitere Komponenten des Blockheizkraftwerkes aufnehmenden Hauptmaschinenrahmen (2) abkoppelbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (13) im Bereich des Maschinenhauptrahmens (2) eine Breite hat, die im Wesentlichen der Innenbreite des Hauptmaschinenrahmens (2) entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das als Schwungrad (8) ausgebildete Lüfterrad eine Schwungmasse von wenigsten 60 kg aufweist, die am äußeren Rand (8') des Lüfterrades verteilt angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Trägheit der Schwungmasse veranlasste Rotationsbewegung des Schwungrades (8) über den Generator (5) oder unmittelbar oder über ein Getriebe an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors (3) angekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad (8) unmittelbar in einem Seitenendbereich des Hauptmaschinenrahmens (2) angeordnet ist, an welchen der gesonderte Maschinenrahmenabschnitt (9) des Klimagerätes (10) ankoppelbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad (8) in einem dem Umfang des Schwungrades (8) angepassten Rahmen (15) angeordnet ist, der mit dem aus Seitenbereich des Hauptmaschinenrahmes (2) im Wesentlichen fluchtet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (3) ein Gasmotor ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter dem Gasmotor (3) im Hauptmaschinenrahmen (2) ein Ölvorratsbecken (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Ölvorratsbecken (20) ein Ölrückstands-Absatzabsetzbehälter angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb eines kraft-wärmekoppelnden Blockheizkraftwerkes, bei welchem ein als Gasmotor ausgebildeter Verbrennungsmotor (3) einen Generator (5) antreibt und wobei die Auspuffgase (6) des Verbrennungsmotors (3) einen in einem Maschinenrahmen (2) angeordneten Wärmetauscher (7) zugeführt werden und der Ausgang des Generators (5) an wenigstens einen Verbraucher anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verbrennungsmotor (3) und/oder an dem Generator (5) ein als Lüfterrad ausgebildetes Schwungrad (8) angekoppelt ist und einerseits einen im Raumbereich (11) des Gasmotors (3) und des Generators (5) umlaufenden Luftstrom (12) erzeugt, der ein benachbart zum als Lüfterrad ausgebildeten Schwungrad (8) angeordnetes Klimagerät (10) oder Lastabfall durchströmt und das Schwungrad (8) bei einem plötzlichen Lastanstieg in oder über dem Leistungsgrenzbereich des den Generator (5) antreibenden Gasmotors (3) die Schwungmasse des als Lüfterrad ausgebildeten Schwungrades (8) einen kontinuierlichen Motorweiterlauf sicherstellt.