DE102017006316A1 - Thermal generator, method for its operation and heating arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen thermischen Generator (2) zur Umwandlung mechanischer Drehbewegungen in Wärmeenergie, umfassend einen um eine Drehachse (X) drehbaren Rotor (3) mit einer Magnetanordnung (6), einen Stator (4), in welchen bei einer Bewegung des Rotors (3) elektrische Ströme induzieren und einen thermisch mit dem Stator (4) gekoppelten Wärmetauscher (5) zur Aufnahme einer aufgrund der induzierten Ströme im Stator (4) entstehenden Wärmeenergie und zur Abgabe dieser an ein Wärmetransportmedium (M). Erfindungsgemäß umfasst der Wärmetauscher (5) zumindest einen Eingang (5.1) zur Zuführung des Wärmetransportmediums (5) und zumindest einen Ausgang (5.2) zur Abführung des Wärmetransportmediums (M). Der Eingang (5.1) und der Ausgang (5.2) sind mit einer Bypassanordnung (10) fluidisch gekoppelt und die Bypassanordnung (10) umfasst eine Regeleinrichtung (11), welche ein Mischverhältnis des in einem Zulauf eingangsseitig anliegenden Wärmetransportmediums (M) und des in einem Ablauf ausgangsseitig anliegenden Wärmetransportmediums (M) regelt.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines thermischen Generators (2) zur Umwandlung mechanischer Drehbewegungen in Wärmeenergie und eine Heizanordnung (1).
The invention relates to a thermal generator (2) for converting mechanical rotary movements into thermal energy, comprising a rotor (3) rotatable about a rotation axis (X) with a magnet arrangement (6), a stator (4) in which, during a movement of the rotor (FIG. 3) induce electrical currents and a heat exchanger (5) thermally coupled to the stator (4) for receiving heat energy resulting from the induced currents in the stator (4) and delivering them to a heat transfer medium (M). According to the invention, the heat exchanger (5) comprises at least one inlet (5.1) for feeding the heat transfer medium (5) and at least one outlet (5.2) for discharging the heat transfer medium (M). The input (5.1) and the output (5.2) are fluidically coupled to a bypass arrangement (10) and the bypass arrangement (10) comprises a control device (11) which has a mixing ratio of the heat transfer medium (M) present in an inlet on one inlet and in one Outflow on the output side adjacent heat transfer medium (M) controls.
The invention further relates to a method for operating a thermal generator (2) for converting mechanical rotational movements into thermal energy and a heating arrangement (1).
Description
Die Erfindung betrifft einen thermischen Generator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a thermal generator according to the preamble of claim 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines thermischen Generators gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 und eine Heizanordnung.The invention further relates to a method for operating a thermal generator according to the preamble of
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten thermischen Generator, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines thermischen Generators und eine Heizanordnung anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved thermal generator, an improved method for operating a thermal generator and a heating arrangement.
Hinsichtlich des thermischen Generators wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Heizanordnung durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the thermal generator, the object is achieved by the features specified in claim 1, in terms of the method by the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Der thermische Generator zur Umwandlung mechanischer Drehbewegungen in Wärmeenergie umfasst einen um eine Drehachse drehbaren Rotor mit einer Magnetanordnung, einen Stator, in welchen bei einer Bewegung des Rotors elektrische Ströme induzieren und einen thermisch mit dem Stator gekoppelten Wärmetauscher zur Aufnahme einer aufgrund der induzierten Ströme im Stator entstehenden Wärmeenergie und zur Abgabe dieser an ein Wärmetransportmedium.The thermal generator for converting mechanical rotary motion into thermal energy comprises a rotor rotatable about a rotation axis with a magnet arrangement, a stator in which electrical currents are induced upon movement of the rotor, and a heat exchanger coupled thermally to the stator for receiving a due to the induced currents in the stator resulting heat energy and to deliver this to a heat transfer medium.
Erfindungsgemäß umfasst der Wärmetauscher zumindest einen Eingang zur Zuführung des Wärmetransportmediums und zumindest einen Ausgang zur Abführung des Wärmetransportmediums. Dabei sind der Eingang und der Ausgang mit einer Bypassanordnung fluidisch gekoppelt und die Bypassanordnung umfasst eine Regeleinrichtung. Die Regeleinrichtung regelt ein Mischverhältnis des in einem Zulauf eingangsseitig anliegenden Wärmetransportmediums und des in einem Ablauf ausgangsseitig anliegenden Wärmetransportmediums.According to the invention, the heat exchanger comprises at least one inlet for supplying the heat transport medium and at least one outlet for discharging the heat transport medium. In this case, the input and the output are fluidically coupled to a bypass arrangement and the bypass arrangement comprises a control device. The control device regulates a mixing ratio of the heat transfer medium applied in an inlet on the inlet side and of the heat transfer medium present in an outflow on the outlet side.
Mittels des Bypasses und dessen Regeleinrichtung ist es möglich, eine Regelung einer Temperatur des dem Eingang des Wärmetauschers zugeführten Wärmetransportmediums durchzuführen und somit eine Leistungszahl des thermischen Generators, auch als Coefficient of Performance (kurz COP) bezeichnet, zu steigern.By means of the bypass and its control device, it is possible to carry out a regulation of a temperature of the heat transfer medium supplied to the inlet of the heat exchanger and thus to increase a coefficient of performance of the thermal generator, also referred to as a coefficient of performance (COP for short).
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung des thermischen Generators ist eine Regelgröße der Regeleinrichtung die Temperatur des dem Eingang des Wärmetauschers zugeführten Wärmetransportmediums, wobei die Temperatur in einer möglichen Ausgestaltung des thermischen Generators mindestens 40 °C beträgt. Hierdurch wird die Effizienz des thermischen Generators erhöht, indem eine Kaltstartphase desselben signifikant verkürzt werden kann. Eine solche verkürzte Kaltstartphase ist bei einer automotiven Anwendung des thermischen Generators besonders vorteilhaft, da hierdurch sowohl ein Energieverbrauch eines Fahrzeugs verringert als auch ein Insassenkomfort erhöht werden kann.According to a possible embodiment of the thermal generator, a control variable of the control device is the temperature of the heat transfer medium fed to the inlet of the heat exchanger, the temperature in a possible embodiment of the thermal generator being at least 40 ° C. As a result, the efficiency of the thermal generator is increased by a cold start phase thereof can be significantly shortened. Such a shortened cold start phase is particularly advantageous in an automotive application of the thermal generator, since both a power consumption of a vehicle can be reduced as well as a passenger comfort can be increased.
Eine mögliche Weiterbildung des thermischen Generators sieht vor, dass die Regeleinrichtung einen Regler umfasst, welcher einen Volumenstrom des Wärmetransportmittels im Zulauf regelt. Durch diese Volumenstromregelung, insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebszustandes des Wärmetauschers, ist eine weitere Verkürzung der Kaltstartphase des thermischen Generators möglich.A possible development of the thermal generator provides that the control device comprises a regulator which regulates a volume flow of the heat transport medium in the inlet. By means of this volume flow control, in particular as a function of an operating state of the heat exchanger, a further shortening of the cold start phase of the thermal generator is possible.
In einer möglichen Ausgestaltung des thermischen Generators ist der Stator mit zumindest einer Antriebseinheit gekoppelt, wobei die Antriebseinheit mit einem Drehzahlregler gekoppelt ist, welcher eine Drehzahl der Antriebseinheit regelt. Auch durch die Drehzahlregelung, insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebszustandes des Wärmetauschers, ist eine weitere Verkürzung der Kaltstartphase des thermischen Generators möglich.In one possible embodiment of the thermal generator, the stator is coupled to at least one drive unit, wherein the drive unit is coupled to a speed controller, which regulates a speed of the drive unit. Also by the speed control, in particular as a function of an operating state of the heat exchanger, a further reduction of the cold start phase of the thermal generator is possible.
In dem Verfahren zum Betrieb eines thermischen Generators zur Umwandlung mechanischer Drehbewegungen in Wärmeenergie wird ein Rotor mit einer Magnetanordnung um eine Drehachse gedreht. Weiterhin werden in einen Stator bei einer Bewegung des Rotors elektrische Ströme induziert und mittels eines thermisch mit dem Stator gekoppelten Wärmetauschers wird eine aufgrund der induzierten Ströme im Stator entstehende Wärmeenergie aufgenommen und an ein Wärmetransportmedium übertragen.In the method of operating a thermal generator for converting mechanical rotary motion into heat energy, a rotor rotated with a magnet arrangement about a rotation axis. Furthermore, electrical currents are induced in a stator during a movement of the rotor and by means of a heat exchanger coupled thermally to the stator, a heat energy resulting from the induced currents in the stator is absorbed and transmitted to a heat transport medium.
Erfindungsgemäß wird mittels einer Regeleinrichtung einer Bypassanordnung, welche mit zumindest einem Eingang zur Zuführung des Wärmetransportmediums in den Wärmetauscher und zumindest einem Ausgang zur Abführung des Wärmetransportmediums aus dem Wärmetauscher fluidisch gekoppelt ist, ein Mischverhältnis des in einem Zulauf eingangsseitig anliegenden Wärmetransportmediums und des in einem Ablauf ausgangsseitig anliegenden Wärmetrans.portmediums in Abhängigkeit einer Temperatur des dem Eingang des Wärmetauschers zugeführten Wärmetransportmediums geregelt.According to the invention by means of a control device of a bypass arrangement which is fluidically coupled with at least one input for supplying the heat transfer medium in the heat exchanger and at least one output for discharging the heat transfer medium from the heat exchanger, a mixing ratio of the input side in an inlet heat transfer medium and the output side in a flow adjacent Wärmerans.portmediums regulated as a function of a temperature of the input of the heat exchanger heat transfer medium supplied.
Das Verfahren ermöglicht eine Regelung der Temperatur des dem Eingang des Wärmetauschers zugeführten Wärmetransportmediums und somit eine Steigerung einer Leistungszahl des thermischen Generators, auch als Coefficient of Performance (kurz COP) bezeichnet.The method makes it possible to control the temperature of the heat transfer medium fed to the inlet of the heat exchanger and thus to increase the coefficient of performance of the thermal generator, also referred to as the coefficient of performance (COP for short).
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird die Temperatur auf mindestens 40 °C eingestellt. Hierdurch wird die Effizienz des thermischen Generators erhöht, indem eine Kaltstartphase desselben signifikant verkürzt werden kann. Eine solche verkürzte Kaltstartphase ist bei einer automotiven Anwendung des thermischen Generators besonders vorteilhaft, da hierdurch sowohl ein Energieverbrauch eines Fahrzeugs verringert als auch ein Insassenkomfort erhöht werden kann.According to a possible embodiment of the method, the temperature is set to at least 40 ° C. As a result, the efficiency of the thermal generator is increased by a cold start phase thereof can be significantly shortened. Such a shortened cold start phase is particularly advantageous in an automotive application of the thermal generator, since both a power consumption of a vehicle can be reduced as well as a passenger comfort can be increased.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird mittels der Regeleinrichtung ein Volumenstrom des Wärmetransportmittels im Zulauf in Abhängigkeit eines Betriebszustandes des Wärmetauschers geregelt. Durch diese Volumenstromregelung, insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebszustandes des Wärmetauschers, ist eine weitere Verkürzung der Kaltstartphase des thermischen Generators möglich.According to another possible embodiment of the method, a volume flow of the heat transport medium in the inlet is regulated by means of the control device as a function of an operating state of the heat exchanger. By means of this volume flow control, in particular as a function of an operating state of the heat exchanger, a further shortening of the cold start phase of the thermal generator is possible.
Eine mögliche Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass mittels eines Drehzahlreglers eine Drehzahl einer den Rotor antreibenden Antriebseinheit in Abhängigkeit eines Betriebszustandes des Wärmetauschers geregelt wird. Auch durch die Drehzahlregelung, insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebszustandes des Wärmetauschers, ist eine weitere Verkürzung der Kaltstartphase des thermischen Generators möglich.A possible development of the method provides that a speed of a drive unit driving the rotor is regulated by means of a speed controller as a function of an operating state of the heat exchanger. Also by the speed control, in particular as a function of an operating state of the heat exchanger, a further reduction of the cold start phase of the thermal generator is possible.
Die erfindungsgemäße Heizanordnung umfasst zumindest einen zuvor beschriebenen thermischen Generator und zumindest einen mit dem Eingang und dem Ausgang des Wärmetauschers des thermischen Generators thermisch gekoppelten Verbraucher, in welchem das Wärmetransportmedium geführt ist. Dieser Verbraucher ist mit einem Heizgerät gekoppelt, welches dem Wärmetransportmedium in Abhängigkeit einer Temperatur des dem Eingang des Wärmetauschers zugeführten Wärmetransportmediums Wärmeenergie zuführt.The heating arrangement according to the invention comprises at least one previously described thermal generator and at least one thermally coupled to the input and the output of the heat exchanger of the thermal generator consumer, in which the heat transport medium is guided. This consumer is coupled to a heater, which supplies heat energy to the heat transfer medium in response to a temperature of the heat transfer medium supplied to the input of the heat exchanger.
Das Heizgerät ermöglicht zusätzlich zu einer Zuheizfunktion für das Wärmetransportmedium im Verbraucher auch eine schnellere Erwärmung desselben und durch Zuführung des Wärmetransportmediums in der Zuleitung zum Wärmtauscher eine weitere Verkürzung der Kaltstartphase des thermischen Generators.The heater allows in addition to a Zuheizfunktion for the heat transfer medium in the consumer and a faster heating of the same and by supplying the heat transfer medium in the supply to the heat exchanger, a further reduction of the cold start phase of the thermal generator.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to a drawing.
Dabei zeigt:
-
1 schematisch ein Schaltbild einer Heizanordnung.
-
1 schematically a circuit diagram of a heating arrangement.
In der einzigen
Die Heizanordnung
Der Rotor
Der Rotor
Die Heizanordnung
Eine Effektivität eines Wärmeübergangs innerhalb des thermischen Generators
Um eine Leistungszahl des thermischen Generators
Die Bypassanordnung
Hierzu umfasst die Regeleinrichtung
Zur Steigerung der Leistungszahl des thermischen Generators
Um die Temperatur des Wärmetransportmediums
Zur Einstellung des Volumenstroms des Wärmetransportmediums
Weiterhin wird in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Wärmetauschers
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