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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizanlage nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen Nachrüstsatz für eine Heizanlage gemäß Anspruch 8.
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Zur umweltfreundlichen und CO2-neutralen Beheizung von Wohngebäuden mit nachwachsenden Rohstoffen finden zunehmend Heizungsanlagen mit Holzfeuerung Anwendung. Bei sogenannten Stückholzheizungen werden ganze Holzscheite in eine Füllkammer eingelegt und dort pyrolytisch vergast. Die Holzgase werden dann in einer eigentlichen Brennkammer verbrannt und die entstehende Wärmeenergie über einen im Rauchgasstrom angeordneten Wärmetauscher an einen Heizwasserkreislauf abgegeben.
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Aus der
DE 10 2009 014 185 A1 ist eine Vorrichtung zur Energieumwandlung mit wenigstens einem Verdampferkreislauf, wenigstens einer Vorwärmeinheit und einem nach dem organischen Rankinezyklus betriebenen Arbeitsmittelkreislauf, der ein organisches Arbeitsmittel umfasst, bekannt. Der Verdampferkreislauf und die Vorwärmeinheit verbinden den Arbeitsmittelkreislauf mit einer Wärmequelle. Der Verdampferkreislauf weist wenigstens einen Heizwärmetauscher auf, welcher der Wärmequelle zugeordnet ist und wenigstens einen Dampferzeuger umfasst, der dem Arbeitsmittelkreislauf zugeordnet ist. Die Vorwärmeinheit umfasst einen Hauptstromkreislauf und einen Nebenstromkreislauf, wobei der Hauptstromkreislauf einen Hauptstromerhitzer, der der Wärmequelle zugeordnet ist, und einen Hauptstromvorwärmer aufweist, der dem Dampferzeuger im Arbeitsmittelkreislauf vorgeordnet ist und der Nebenstromkreislauf wenigstens einen Nebenstromvorwärmer umfasst, der dem Hauptstromvorwärmer im Arbeitsmittelkreislauf vorgeordnet ist.
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Aus der
DE 100 29 732 A1 ist eine Wärmekraftanlage mit einem ersten Dampferzeuger zum Verdampfen eines ersten Arbeitsfluids und einer mit diesem verbundenen ersten Dampfkraftmaschine sowie mit einem zweiten Dampferzeuger, der mit der ersten Dampfkraftmaschine und einer zweiten Dampfkraftmaschine verbunden ist, bekannt. Der zweite Dampferzeuger ist dazu ausgebildet, aus der ersten Dampfkraftmaschine austretendes, erstes Arbeitsfluid zu kühlen und ein zweites Arbeitsfluid zum Antrieb der zweiten Dampfkraftmaschine zu verdampfen, wobei Wärmetauschmittel vorgesehen sind, um das zweite Arbeitsfluid vor dem Eintritt in den zweiten Dampferzeuger mittels Abwärme des ersten Dampferzeugers vorzuwärmen.
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Aus der
EP 1 221 573 A1 ist ein Zapfgasverfahren zur Gewinnung von Energie aus Biomasse bekannt. Aus einem Brennraum des Biomassekessels werden die Verbrennungsgase mittels einer Zapfgaseinrichtung abgezogen. Die enthaltene thermische Energie wird einem nachgeschalteten, organischen Rankineprozess zugeführt und mittels einer Turbine und eines Generators teilweise in elektrische Energie umgewandelt. Die abgezapften Verbrennungsgase werden durch einen Bypasskanal nach Bedarf mit abgekühlten Verbrennungsgasen vermischt und dadurch die Temperatur vor jeweiligen Wärmetauscherflächen auf unter 400°C abgesenkt. Die Restwärme der Verbrennungsgase und die Abwärme aus dem organischen Rankineprozess werden mittels Wärmetauschern dem Heizsystem zugeführt.
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Um die Energieeffizienz solcher Heizanlagen weiter zu verbessern, ist es aus der
DE 10 2008 018 354 A1 bekannt, den Heizwasserkreislauf über einen weiteren Wärmetauscher mit einem thermodynamischen Kreisprozess zu koppeln, in welchem mittels einer Turbine elektrischer Strom erzeugt wird. Auch die
DE 10 2008 008 832 A1 beschreibt ein solches System.
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Als thermodynamischer Kreisprozess wird jeweils ein organischer Rankine-Zyklus verwendet, bei welchem ein niedrigsiedendes Betriebsfluid in einem Wärmetauscher verdampft, über die Turbine entspannt, in einem weiteren Wärmetauscher kondensiert und mittels einer Pumpe zum ersten Wärmetauscher zurückgefördert wird. Aufgrund des niedrigen Siedepunktes des Betriebsfluids können bei einem organischen Rankine-Zyklus auch Wärmequellen mit geringer Temperatur, bzw. mit geringem thermischen Abstand zur Wärmesenke effizient zur Stromerzeugung genutzt werden.
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Nachteilig bei den bekannten Heizanlagen ist jedoch, dass durch die Ankoppelung des organischen Rankine-Zyklus an einen Primär- bzw. Heizwasserkreislauf der Heizanlage nur eine relativ geringe Wärmemenge für die Stromerzeugung entnommen werden kann.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Heizanlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine besonders effiziente Stromerzeugung parallel zum Heizbetrieb erlaubt. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Nachrüstsatz bereitzustellen, der ein Nachrüsten bestehender Heizanlagen zur effizienten Stromerzeugung erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Heizanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Nachrüstsatz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
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Eine solche Heizanlage umfasst einen Heizkessel, mit einer Brennkammer und einer Abgasanlage zum Ableiten von in der Brennkammer entstehendem Rauchgas, sowie einen ersten Wärmetauscher, welcher in der Abgasanlage angeordnet ist und abgeleitetes Rauchgas thermisch mit einem Heizwasserkreislauf koppelt. Ferner ist ein zweiter Wärmetauscher zum thermischen Koppeln des Rauchgases mit einem Betriebsfluid eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines organischen Rankinezyklus, vorgesehen.
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Die erfindungsgemäße Heizanlage zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite Wärmetauscher in Strömungsrichtung des Rauchgases vor dem ersten Wärmetauscher angeordnet ist. Im Unterschied zum Stand der Technik wird die zur Stromerzeugung abgezweigte Wärmemenge also nicht dem Heizwasserkreislauf, sondern direkt dem Abgasstrom entnommen. Hierdurch können höhere Temperaturen, bzw. ein höheres Temperaturgefälle im organischen Rankine-Prozess realisiert werden, so dass dessen Wirkungsgrad deutlich verbessert wird.
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Vorzugsweise ist in Strömungsrichtung des Betriebsfluids nach dem zweiten Wärmetauscher eine Turbine und nach der Turbine ein dritter Wärmetauscher zum Kühlen des Betriebsfluids angeordnet. Über den dritten Wärmetauscher kann die Restwärme des Betriebsfluids nach dessen Entspannung über die Turbine abgegeben werden, um das Betriebsfluid wieder zu kondensieren.
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Zweckmäßigerweise koppelt dabei der dritte Wärmetauscher das Betriebsfluid in Strömungsrichtung des Heizwassers vor dem ersten Wärmetauscher thermisch mit dem Heizwasserkreislauf. Die Restwärme geht also nicht verloren, sondern kann dem Heizwasserkreislauf wieder zugeführt werden, so dass sich ein besonders hoher Gesamtwirkungsgrad ergibt.
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Der dritte Wärmetauscher kann dabei außerhalb des Heizkessels angeordnet werden, um eine leichte Wartung bzw. eine leichte Nachrüstung bestehender Anlagen zu ermöglichen. Alternativ kann der dritte Wärmetauscher auch in den ersten Wärmetauscher integriert werden, um eine besonders kompakte Heizanlage zu schaffen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Rauchgasumlenkung vorgesehen, mittels welcher ein erster Teilstrom des Rauchgases zum ersten Wärmetauscher und ein zweiter Teilstrom des Rauchgases zum zweiten Wärmetauscher lenkbar und das Strömungsverhältnis der Teilströme einstellbar ist. Hierdurch kann bedarfsgerecht eingestellt werden, welcher Anteil der im Heizkessel erzeugten Wärme zur Stromerzeugung und zur Beheizung verwendet werden soll.
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Vorzugsweise ist der Heizkessel als Festbrennstoff-Kessel, insbesondere für Stückholzbefeuerung, ausgebildet. Dies erlaubt eine besonders kostengünstige, umweltfreundliche und im Wesentlichen CO2-neutrale Erzeugung von Strom und Wärme direkt beim Endverbraucher.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Nachrüstsatz für eine Heizanlage zum thermischen Koppeln von in der Heizanlage produziertem Rauchgas, welches über einen ersten Wärmetauscher thermisch mit einem Heizwasserkreislauf gekoppelt ist, mit einem Betriebsfluid eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines organischen Rankinezyklus.
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Der erfindungsgemäße Nachrüstsatz umfasst einen zweiten Wärmetauscher, welcher in einer Abgasanlage eines Heizkessels der Heizanlage so montierbar ist, dass dessen Heißseite in thermischen Kontakt mit erzeugtem Rauchgas kommt.
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Hierdurch können nahezu beliebige konventionelle Heizanlagen auf einfachste Weise zur Stromerzeugung nachgerüstet werden, so dass ihr Gesamtwirkungsgrad erhöht und ihre Umweltbilanz verbessert wird. Durch die Nachrüstung ergibt sich eine Heizanlage der oben beschriebenen Art mit den entsprechenden Vorteilen.
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Zweckmäßigerweise umfasst der Nachrüstsatz eine Rauchgasumlenkung, mittels welcher ein erster Teilstrom des Rauchgases zum ersten Wärmetauscher und ein zweiter Teilstrom des Rauchgases zum zweiten Wärmetauscher lenkbar und das Strömungsverhältnis der Teilströme einstellbar ist, wobei die Rauchgasumlenkung insbesondere an dem zweiten Wärmetauscher montiert ist. Wie bereits oben erläutert, wird so die Möglichkeit geschaffen, die zur Heizung und zur Stromerzeugung verwendeten Wärmemengen bedarfsgerecht einzustellen.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Nachrüstsatz einen dritten Wärmetauscher umfasst, welcher so im Heizwasserkreislauf montierbar ist, dass seine Kaltseite mit dem Heizwasser in thermischen Kontakt steht. Dieser kann nach einer ebenfalls vom Nachrüstsatz umfassten Turbine angeordnet werden, so dass Restwärme des Betriebsfluids nach dessen Entspannung wieder an den Heizkreislauf abgegeben werden kann, um so einen besonders guten Wirkungsgrad zu erzielen.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer konventionellen Stückholz-Heizanlage nach dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Heizanlage mit externem Wärmetauscher;
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3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Heizanlage mit internem Wärmetauscher; und
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4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Heizanlage mit internem Wärmetauscher und Rauchgasumlenkung.
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Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Heizanlage nach dem Stand der Technik umfasst einen Heizkessel 12 für Stückholz. Das Stückholz wird dabei durch eine Tür 14 in eine Vorbrennkammer 16 eingelegt, wo es erhitzt und vergast wird. Die Holzgase werden in eine Hauptbrennkammer 18 geleitet und dort unter Luftzufuhr verbrannt. Entstehende Asche sammelt sich in einer Aschenkammer 20. Sowohl die Hauptbrennkammer 18, als auch die Aschenkammer 20 sind über jeweilige Türen 22, 24 zugänglich.
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Die entstehenden, bis zu 1000°C heißen Verbrennungsgase durchströmen in Richtung des Pfeils 26 eine nicht im Detail dargestellte Abgasanlage und werden dabei durch einen Wärmetauscher 28 geleitet. Der Kaltseite des Wärmetauschers 28 wird über eine Leitung 30 Heizwasser eines Heizwasserkreislaufs zugeführt, welches erhitzt wird und über eine Leitung 32 wieder aus dem Wärmetauscher 28 austritt. Im weiter nicht dargestellten Heizwasserkreislauf wird das erhitzte Wasser dann zu Heizkörpern, Speichern und ähnlichen üblichen Komponenten geleitet. Das Rauchgas tritt mit einer Temperatur von ca. 150–180°C wieder aus dem Wärmetauscher 28 aus und wird über eine Abgasleitung 34 abgeführt und schließlich an die Umgebung abgegeben.
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In den 2 bis 4 sind Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Heizungsanlagen 36 dargestellt. Dem Stand der Technik entsprechende Teile sind dabei mit obigen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Wie 3 zu entnehmen, ist in der Heizanlage 36 ein weiterer Betriebsfluidkreislauf 38 zum Durchführen eines organischen Rankine-Prozesses vorgesehen. Das verwendete Betriebsmittel ist ein niedrigsiedendes organisches Fluid, welches zunächst einen Wärmetauscher 40 durchströmt. Dieser ist in Strömungsrichtung des Rauchgases vor dem Wärmetauscher 28 angeordnet. Entstehendes Rauchgas wird also nach Austritt aus der Hauptbrennkammer zunächst durch den Wärmetauscher 40 geleitet.
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Durch die Wärmeübertragung aus dem heißen Rauchgas wird das Betriebsfluid verdampft. Anschließend durchströmt es eine Turbine 42, die zur Gewinnung von elektrischem Strom einen Generator 44 antreibt. Das entspannte Betriebsfluid wird dann in einem weiteren Wärmetauscher 46 wieder kondensiert. Die Kaltseite des Wärmetauschers 46 wird dabei über durch die Leitung 30 in Richtung des Heizkessels 12 zurückgeführtes, also kaltes Wasser des Heizkreislaufs durchströmt, welches anschließend zum Wärmetauscher 28 geleitet wird. Die Restwärme des Betriebsfluids geht also nicht verloren, sondern wird dem Heizkreislauf wieder zugeführt.
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Nach Austritt aus dem Wärmetauscher 46 wird das kondensierte Betriebsfluid über eine Pumpe 48 wieder zum Wärmetauscher 40 geführt und erneut verdampft.
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In der Ausführungsform gemäß 2 ist der Wärmetauscher 46 außerhalb des Heizkessels 12 angeordnet. Das dort vorerwärmte Heizwasser wird über eine Anschlussleitung 48 in den Heizkessel 12 und den dort angeordneten Wärmetauscher 28 zurückgeführt. Eine solche Lösung ist besonders geeignet, um bestehende Heizanlagen 10 nach 1 nachzurüsten, da keine massiven Umbauten am Heizkessel 12 nötig sind – auch der Wärmetauscher 40 kann problemlos im Bereich des Aschenraum 20 in den Rauchgasstrom eingestellt werden.
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Soll eine kompaktere Lösung geschaffen werden, kann der Wärmetauscher 46 jedoch auch, wie in 3 gezeigt, direkt in den Wärmetauscher 28 integriert werden, um den Platzbedarf möglichst gering zu halten.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Heizanlage 36. Diese entspricht der Ausführungsform gemäß 3, umfasst jedoch zusätzlich eine im Bereich des Wärmetauschers 40 angeordnete Rauchgas-Umlenkklappe 50. Diese ist schwenkbar angeordnet, so dass die Menge an heißem Rauchgas, die den Wärmetauscher 40 durchströmt, eingestellt werden kann. Das übrige Rauchgas wird unmittelbar zum Wärmetauscher 28 weitergeleitet.
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Auf diese Art ist es möglich, das Verhältnis zwischen erzeugter elektrischer Energie und erzeugter Heizwärme stufenlos einzustellen. Bei hohem Heizbedarf kann gegebenenfalls das Rauchgas komplett am Wärmetauscher 40 vorbeigeleitet werden, so dass alle bereitgestellte Wärme über den Heizwasserkreislauf verteilt werden kann.
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Besteht dagegen kein oder nur sehr geringer Heizbedarf, wird das Rauchgas ausschließlich durch den Wärmetauscher 40 geleitet, so dass vorwiegend elektrische Energie erzeugt wird. Lediglich die Restwärme aus dem Rankine-Zyklus wird auf das Heizwasser übertragen. Selbstverständlich sind auch beliebige Zwischeneinstellungen möglich.
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Insgesamt wird so eine besonders umweltfreundliche, energieeffiziente und kostengünstige Heizanlage 36 geschaffen.
