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Die Erfindung betrifft ein Blockheizkraftwerk mit einer Brennkraftmaschine und einem von der Brennkraftmaschine angetriebenen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom und mit einem Wärmetauscher zur Auskoppelung der Wärmeenergie aus einem primären hydraulischen Kreislauf der Brennkraftmaschine, wobei der Wärmetauscher in einem Hydraulikmodul angeordnet ist und das Hydraulikmodul mit der Brennkraftmaschine eine bauliche Einheit bildet.
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Solche Blockheizkraftwerke sind aus der Praxis zur gemeinsamen Erzeugung von elektrischem Strom und Wärmeenergie bekannt.
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Ein solches Blockheizkraftwerk ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 011 475 B4 bekannt. Dieses Blockheizkraftwerk ist modular aufgebaut und hat in einem Modul einen Verbrennungsmotor und einen Generator. Der Wärmetauscher ist in einem weiteren Modul angeordnet. Die Module weisen Kontaktflächen und komplementäre Verbindungselemente zu ihrer Verbindung auf. Hierdurch soll das Blockheizkraftwerk einfach transportiert, eingebaut, angeschlossen und in Betrieb genommen werden. Die Kontaktflächen und die komplementären Verbindungselemente erfordern jedoch einen hohen baulichen Aufwand.
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DE 10 2009 049 344 A1 offenbart eine Anordnung zur Anbindung einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einem Kühlkreislauf bestehend aus einem Kühlmittelvorlauf und einem Kühlmittelrücklauf in einem Gebäudeheizungssystem mit einem Speicher. Die Anordnung besteht aus einer hydraulischen Schnittstelle, die zwischen dem Kühlkreislauf der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage und dem Speicher des Heizungssystems angeordnet ist.
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DE 20 2014 101 519 U1 offenbart ein Heizgerät, umfassend einen schraubenlinienförmig um einen Raum gewendelten Wärmetauscher, wobei der Raum axial von einem ersten und einem zweiten Deckelelement begrenzt ist, wobei im Raum eine Trennwand zur Aufteilung des Raumes in einen ersten und einen zweiten Teilraum angeordnet ist. Am ersten Deckelelement ist ein in den ersten Teilraum ausmündender Brenner angeordnet, wobei in den zweiten Teilraum ein Abgasanschluss ausmündend ausgebildet ist. Das Heizgerät ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasanschluss am zweiten Deckelelement angeordnet ist.
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Weiterhin ist aus der
DE 20 2007 008 712 U1 eine stromerzeugende Heizung zur Anordnung in einem Kellerraum bekannt geworden. Ein Abgaswärmetauscher ist neben dem Blockheizkraftwerk angeordnet und in einem Heizkreislauf integriert.
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Nachteilig bei den bekannten Blockheizkraftwerken ist, dass die hydraulische Anbindung an einen Heizkreislauf sehr aufwändig gestaltet ist.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Blockheizkraftwerk der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass es besonders einfach aufgebaut und möglichst einfach in den Heizkreislauf eingebunden werden kann.
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Dieses Problem wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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Dabei werden die Brennkraftmaschine und der Generator von einem gemeinsamen Rahmen abgestützt und das Hydraulikmodul ist an dem Rahmen befestigt und weist jeweils zwei Anschlüsse für den primären Kreislauf und einen sekundären Kreislauf auf.
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Durch diese Gestaltung bildet der Wärmetauscher des hydraulischen Kreislaufs mit der Brennkraftmaschine eine auf dem Rahmen angeordnete bauliche Einheit. Das Hydraulikmodul erzeugt bereits im Blockheizkraftwerk eine Systemtrennung des primären Kreislaufs von dem sekundären Kreislauf. Jedoch lässt sich der Wärmetauscher einfach mit verschiedenen für die Abführung der Wärmeenergie erforderlichen Bauteilen zu dem Hydraulikmodul vormontieren und über handelsübliche Leitungen mit dem primären Kreislauf des Blockheizkraftwerks verbinden. Die Endmontage des Wärmetauschers und dessen direkter Anschluss an den Heizkreislauf gestalten sich hierdurch besonders einfach.
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Die Einbindung des Hydraulikmoduls in die bauliche Einheit aus Brennkraftmaschine und Generator gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung konstruktiv besonders einfach, wenn das
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Hydraulikmodul einen Flansch zur mechanischen Befestigung an dem Rahmen hat.
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Der Wärmetauscher gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders kompakt, wenn der Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist. Ein weiterer Vorteil dieser Gestaltung besteht darin, dass die Wärmeübertragung sehr einfach zu berechnen ist und eine reproduzierbare Rückberechnung auf die erzeugte Wärmemenge von der Temperatur und der Strömung in einem daran angeschlossenen Heizkreislauf ermöglicht. Die reproduzierbare Rückberechnung ermöglicht eine einfache Erkennung einer Verschmutzung oder Verschlammung des Wärmetauschers.
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Die Erfassung einer Verschmutzung des Wärmetauschers gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders einfach, wenn der Wärmetauscher mehrere Temperaturfühler zur Erfassung der Temperaturen an verschiedenen Stellen im sekundären und im primären Kreislauf hat. Durch die Erfassung der Temperaturen an verschiedenen Stellen bei bekanntem Verhalten des unverschmutzten Wärmetauschers lässt sich einfach die übertragene Wärmeenergie erfassen und der Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers abschätzen.
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Zur weiteren Vereinfachung der Montage des Hydraulikmoduls trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn der Wärmetauscher eine bauliche Einheit mit zwei Kühlwasserpumpen bildet. Durch diese Gestaltung sind die Kühlwasserpumpen vorzugsweise mit zugehörigen Elektromotoren für den primären und den sekundären Kreislauf ebenfalls in das Blockheizkraftwerk integriert. Damit lässt sich das Blockheizkraftwerk besonders einfach in einem vorhandenen sekundären Kreislauf integrieren.
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Weiterhin stehen im Blockheizkraftwerk Leistungsdaten der Kühlwasserpumpen zur Verfügung, so dass Volumenströme der Medien im primären und sekundären Kreislauf berechnet und damit die übertragene Wärmeenergie erfasst werden kann.
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Zur weiteren Erhöhung der Integrationsdichte des Blockheizkraftwerks trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn das Hydraulikmodul für jeden der Kreisläufe jeweils eine Entlüftungseinrichtung hat. Weiterhin lässt sich hierdurch das Blockheizkraftwerk besonders einfach aufstellen und in den vorhandenen sekundären Kreislauf integrieren.
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Zur weiteren Erhöhung der Integrationsdichte des Blockheizkraftwerks trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn das Hydraulikmodul für jeden der Kreisläufe jeweils ein Sicherheitsventil hat.
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Zur Überwachung der Funktionsbereitschaft des Blockheizkraftwerkes trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn das Hydraulikmodul einen Wasserdrucksensor zur Erfassung des Wasserdrucks im primären Kreislauf hat.
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Der primäre Kreislauf lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung automatisch und kontrolliert mit Medium aus dem sekundären Kreislauf nachfüllen, wenn das Hydraulikmodul eine Überströmeinrichtung von dem sekundären Kreislauf in den primären Kreislauf hat.
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Das Hydraulikmodul gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung konstruktiv besonders einfach, wenn das Hydraulikmodul ein Basisteil aus einem Gusswerkstoff mit darin eingearbeiteten Kanälen und ein auf dem Basisteil abgedichtetes Gehäuse des Wärmetauschers hat. Vorzugsweise ist das Gehäuse aus Blech im Tiefziehverfahren gefertigt. Als Gusswerkstoff eignet sich insbesondere Grauguss oder Leichtmetalldruckguss.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
- 1 ein Blockheizkraftwerk in einer ersten perspektivischen Darstellung,
- 2 das Blockheizkraftwerk aus 1 in einer zweiten perspektivischen Darstellung,
- 3 vergrößert eine erste Ansicht eines Hydraulikmoduls,
- 4 vergrößert eine zweite Ansicht des Hydraulikmoduls aus 3,
- 5 eine Explosionsdarstellung der Bauteile des Hydraulikmoduls aus 3,
- 6 eine Prinzipskizze des Hydraulikmoduls.
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1 zeigt ein Blockheizkraftwerk mit einer Brennkraftmaschine 1 und mit einem Generator 2. Die Brennkraftmaschine 1 ist mit dem Generator 2 als fest verbundene Einheit gestaltet und über Federelemente 3 auf einem Zwischenträger 4 befestigt. Der Zwischenträger 4 stützt sich auf einem Rahmen 5 ab. Oberhalb der Brennkraftmaschine 1 stützt der Rahmen 5 einen Oberträger 6 ab. Der Rahmen 5 haltert ein Elektronikmodul 7 mit einem nicht näher dargestellten Frequenzumrichter und ein Hydraulikmodul 8. Das Elektronikmodul 7 mit dem Frequenzumrichter dient zum Anschluss des Generators 2 an ein nicht dargestelltes externes Stromnetz. Das Hydraulikmodul 8 dient zum Anschluss des Blockheizkraftwerkes an einen nicht dargestellten externen Heizkreislauf.
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In 2 ist zudem in einer zweiten perspektivischen Darstellung des Blockheizkraftwerkes zu erkennen, dass der Rahmen 5 ein Anschlussmodul 9 mit einem Ausdehnungsbehälter 10 zum Anschluss an den Heizkreislauf haltert. Ein Gasstellmodul 11 zur Führung und Dosierung von Verbrennungsgas ist auf der Oberseite des Oberträgers 6 angeordnet. Weiterhin hat das Blockheizkraftwerk einen Abgasanschluss 12 zur Abführung des Abgases zu einem Schornstein. An dem Oberträger 6 ist zudem ein Ansauganschluss 13 zum Ansaugen von Verbrennungsluft angeordnet. Der Rahmen 5 ist kastenförmig gestaltet und hat einen Flansch 14 zum Anschluss eines zu der Brennkraftmaschine 1 führenden Ansaugschlauchs 15.
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3 zeigt das Hydraulikmodul 8 in einer vergrößerten perspektivischen Darstellung mit einem Flansch 16 zur mechanischen Befestigung an dem Oberträger 6 aus den 1 und 2. Das Hydraulikmodul 8 hat ein aus einem Gusswerkstoff gefertigtes Basisteil 17 mit darin angeordneten hydraulischen Kanälen 18 und einen als Plattenwärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher 19 mit einem tiefgezogenen Gehäuse 20. Das Gehäuse 20 des Wärmetauschers 19 ist in 4 deutlich zu erkennen.
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Das Hydraulikmodul 8 hat zwei Anschlüsse 21, 22 für einen primären hydraulischen Kreislauf der Brennkraftmaschine 1 und zwei Anschlüsse 23, 24 für einen sekundären hydraulischen Kreislauf. Die Kreisläufe sind in 6 näher erläutert. Zur Verdeutlichung sind die Strömungsrichtungen in den Anschlüssen 21 - 24 mit Pfeilen gekennzeichnet. An den Anschlüssen 21, 22 für den primären Kreislauf sind im montierten Zustand des in den 1 und 2 dargestellten Blockheizkraftwerkes zu der Brennkraftmaschine 1 und einem mit der Brennkraftmaschine 1 verbundenen Abgaswärmetauscher 38 geführte Schlauchleitungen 39, 40 angeschlossen. An den Anschlüssen 23, 24 für den sekundären hydraulischen Kreislauf lässt sich der mit Wärmeenergie zu versorgende Heizkreislauf eines Gebäudes anschließen. Auf dem Basisteil 17 sind zwei elektrisch angetriebene Kühlwasserpumpen 25, 26 befestigt. Eine der Kühlwasserpumpen 25 dient zur Förderung des Mediums im primären Kreislauf, während die andere Kühlwasserpumpe 26 zur Förderung des Mediums im sekundären Kreislauf ausgebildet ist.
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Wie aus den 3 und 4 ersichtlich ist, weist das Hydraulikmodul 8 jeweils ein Sicherheitsventil 27, 28 und jeweils eine Entlüftungseinrichtung 29, 30 für jeden der hydraulischen Kreisläufe auf. Im unteren Bereich hat das Hydraulikmodul 8 einen Ablasshahn 31 zum Ablass des Mediums aus dem primären Kreislauf.
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Das Hydraulikmodul 8 hat zudem einen Wasserdrucksensor 32 zur Erfassung des Wasserdrucks im primären Kreislauf. Die Temperaturen innerhalb des Hydraulikmoduls 8 werden von insgesamt fünf Temperaturfühlern 33 - 37 erfasst. Eine Überströmeinrichtung ermöglicht ein Überströmen des Mediums von dem sekundären Kreislauf in den primären Kreislauf.
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5 verdeutlicht die einzelnen Bauteile des Hydraulikmoduls 8 in einer Explosionsdarstellung. Schematisch ist in 5 eine Überströmeinrichtung 41 dargestellt.
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6 zeigt schematisch das Hydraulikmodul 8. Das Hydraulikmodul hat einen primären Kreislauf 42 und einen sekundären Kreislauf 43, welche von den Kühlwasserpumpen 25, 26 versorgt werden. Die beiden Kreisläufe 42, 43 tauschen Wärmeenergie über den Wärmetauscher 19 aus und sind über die Überströmeinrichtung 41 miteinander verbunden. Die Überströmeinrichtung 41 hat ein elektromagnetisch schaltbares Ventil 44. Das Ventil 44 wird in Abhängigkeit von den Signalen des Wasserdrucksensors 32 des primären Kreislaufs 42 geschaltet. Zur Ansteuerung des Ventils 44 wird eine Öffnung pro Zeiteinheit begrenzt und die Öffnung des Ventils 44 zum Überströmen des Mediums von dem sekundären Kreislauf 43 in den primären Kreislauf 42 nur bei in Betrieb befindlichem Blockheizkraftwerk zugelassen. Damit wird ein Ablaufen des Mediums aus dem primären Kreislauf 42 bei zu geringem Wasserdruck im sekundären Kreislauf 43 weitgehend verhindert.
