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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung mit Verbrennungsmotor zur Erzeugung von elektrischer Energie und mit einer ein- oder mehrstufige Sorptionswärmepumpe nach Anspruch 1.
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Sorptionswärmepumpen sind bekannt und bestehen immer aus den Hauptkomponenten Ab- oder Adsorber, Verdampfer, Generator und Kondensator. Hier auch betrachtete zweistufige Sorptionswärmepumpen besitzen darüber hinaus einen weiteren Ab-/Adsorber und einen weiteren Verdampfer. Der Antrieb des Generators erfolgt über ein Wärmeträgermedium auf hohem Temperaturniveau. Wärme auf niedrigem Temperaturniveau wird durch den Verdampfer über einen Kältekreis aufgenommen und auf mittlerem Temperaturniveau durch die Komponenten Kondensator und Ab-/Adsorber zusammen mit der Antriebswärme an den Heizkreis abgegeben. Die so erzielbaren Wärmeverhältnisse (COP, Verhältnis zwischen Heizwärme und Antriebswärme) einer einstufigen Sorptionswärmepumpe liegen im Bereich von 1,7 und im Bereich von 1,3 für eine zweistufige Ausführung.
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Durch den Wärmeeintrag im Generator wird das Kältemittel aus dem Sorbens desorbiert. Dieser Kältemitteldampf wird unter Wärmeabgabe an den Heizkreis im Kondensator verflüssigt und als Kondensat durch einen Kältemittelsumpf aufgefangen. Von dort wird das Kältemittelkondensat in den Verdampfer geleitet. Dort verdampft das Kältemittel durch Zufuhr von Wärme aus dem externen Kältekreis. Der Dampf strömt zum Ab-/Adsorber und wird dort durch das Sorbens ab- oder adsorbiert. Die dabei freiwerdende Wärme wird an den Heizkreis abgegeben.
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Die WO 2016/ 066 153 A1 offenbart eine Heizungsanlage, umfassend einen zentralen Wärmeerzeuger zur Erzeugung thermischer Energie aus der Verbrennung von fossilen oder Biomasse-Brennstoffen, wobei bei der Verbrennung Abgas entsteht; einen Verdampfer zum Verdampfen eines Kältemittels, wobei der Verdampfer kommunikativ mit einer Abgasleitung des zentralen Wärmeerzeugers verbunden ist (Brennwertnutzung), so dass die zum Verdampfen des Kältemittels benötigte Energie dem Abgas des zentralen Wärmeerzeugers entnommen werden kann.
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Die
EP 2 937 644 A1 offenbart ein brennstoffbetriebenes Heizgerät mit einem Brenner und einem Abgaswärmetauscher, vorzugsweise Kondensationsabgaswärmetauscher, zum Abkühlen der Abgase des Brenners und Übertragung auf einen Heizkreislauf und / oder Brauchwasser, sowie einer Abgasleitung zum Abführen der Abgase von dem Abgaswärmetauscher in die Umgebung, vorzugsweise zum Abführen über einen Kamin, wobei die Abgasleitung stromab des Abgaswärmetauschers mit einem Verdampfer einer Kompressionswärmepumpe wärmeleitend verbunden ist. Hierzu ist in der Abgasleitung stromab des Abgaswärmetauschers ein Abgasleitungswärmetauscher angeordnet, welcher über einen flüssigkeitsführenden Kreislauf mit einem Pufferspeicher verbunden ist und dieser Pufferspeicher wärmeleitend mit dem Verdampfer der Kompressionswärmepumpe verbunden ist.
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DE 20 2013 010 117 U1 offenbart eine Heizungsanlage mit Abgaswärmenutzung. Vorgesehen sind zwei Brennwert-Wärmeübertrager im Abgasstrom. Diese sind über einen primären Versorgungskreis und einen Pufferspeicher mit einem sekundären Versorgungskreis verbunden, der seinerseits mit einem Verdampfer 18 verbunden ist.
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DE 25 28 736 A1 offenbart eine Absorber- oder Dampfstrahl-Wärmepumpe mit thermischer Heizenergie, insbesondere zur Aufheizung eines Mediums auf vergleichsweise niedrige Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium nach dem Durchlauf durch den Kocher einen oder nacheinander mehrere Wärmeübertrager bzw. Verflüssiger oder Verdampfer durchströmt, wo es weitere Energie an das aufzuheizende Medium und/oder die heißen oder kalten Kreislaufmedien und/oder das wärmeabgebende, kalte Medium abgibt.
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US 2017 / 0 307 264 A1 offenbart ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wärmeenergie einer motorgetriebenen Wärmepumpe. Bei diesem wird u.a. die latente Wärme des Abgasstromes über einen Wärmetauscher und einen Kreislauf einem Wärmegenerator zugeführt. Vorgesehen ist eine Steuerung, die die Drehzahl der Wärmekraftmaschine derart moduliert, dass die Kälteleistung der Verbrennungsleistung numerisch überlegen ist.
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EP 2 466 229 B1 offenbart eine selbstanpassende mehrstufige Absorptionswärmepumpe. Bei dieser wird dem Verdampfer nicht das gesamte Kältemittel aus dem Kondensator zugeführt, sondern über einen Wärmetauscher und einen Dampf/Flüssigkeitsabscheider geführt. Das Kühlmittel wird somit separiert.
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DE 195 44 452 A1 offenbart ein Verfahren zur Nutzung der Rauchgaskondensationswärme, wobei die Rauchgase in einem „Brennwertwärmetauscher“ kondensiert werden und das vorgewärmte Wärmeübertragungsmedium (Wasser, Sole, Öl, Kältemittel) als Wärmequelle einer Wärmepumpe zugeführt wird.
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DE 31 13 417 A1 offenbart eine Heizungsanlage mit einer Absorptionswärmepumpe. Im Abgasweg sind hinter dem Austreiber vorzugsweise zwei Wärmetauscher zur Nutzung der Abgaswärme einschließlich der Kondensationswärme angeordnet.
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EP 1 391 668 A2 offenbart eine ein- oder mehrstufige Sorptionskältewärmepumpe mit Wasser als Arbeitsmedium bei der die Verdampferleistung das flüssige Arbeitsmedium gegebenenfalls nur teilweise dem Verdampfer zugeführt wird, um eine Vereisen des Verdampfers zu verhindern.
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Aus der
DE 10 2005 040 795 B3 ist eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage bestehend aus einem Blockheizkraftwerk mit Verbrennungsmotor, dem ein ORC (Organic-Rankine-Cycle) als Gemischkühler für das Brenngasgemisch des Verbrennungsmotors nachgeschaltet ist.
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Aus der
DE 10 2018 118 179 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor bekannt, dem Frischluft als Verbrennungsluft zugeführt wird, wobei die Verbrennungsluft mittels einer Sorptionskältemaschine gekühlt wird.
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Aus der
CH 248 927 A und der
JP 2018 -
204 490 A ist jeweils ein Verbrennungsmotor bekannt, dessen Ladeluft mittels einer Kältemaschine vorgekühlt wird.
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Aus der WO 2010/ 000 286 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der heiße Abgasstrom zum Antrieb einer Absorptionskältemaschine genutzt wird.
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Aus der
DE 103 33 219 A1 ist eine Kühlanordnung für ein mit einem Verbrennungsmotor betriebenes Landfahrzeug bekannt, das eine Sorptionskältemaschine mit eine Resorber, einem Desorber, einem Verdampfer und Kondensator umfasst. Die Ladeluft des mit einem Turbolader betrieben Verbrennungsmotors wird durch den Verdampfer und durch einen Ladeluftkühler gekühlt.
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Aus der
DE 10 2018 217 935 A1 , die Stand der Technik nach § 3(2) PatG darstellt, ist eine Wärmetauschvorrichtung mit einer Sorptionseinrichtung bekannt, die Wärmequellen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus nutzt, um Nutzwärme auf einem bestimmten Temperaturniveau bereitzustellen.
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Blockheizkraftwerke (BHKW) werden häufig primär zum Erzeugen von Strom eingesetzt. Die durch das BHKW zusätzlich bereitgestellte Wärme wird durch das Abgas bei hohen Temperaturen (bis zu 500°C) (26) sowie durch einen ersten Kühlwasserkreis bei niedrigeren Temperaturen (bis zu 90°C) (24) abgegeben. Kann diese Wärme nicht genutzt werden, muss sie an die Umgebung über geeignete Rückkühleinrichtungen (z.B. ein Rückkühlwerk (RKW)) abgegeben werden.
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Um den elektrischen Wirkungsgrad und die elektrische Leistung des Blockheizkraftwerks zu steigern verfügen BHKWs häufig über eine sogenannte Gemischkühlung. Sie sorgt dafür, dass das Verbrennungsluft-Brennstoffgemisch nach der Verdichtung (z.B. über einen Turbolader oder Kompressor) abgekühlt wird. Dies geschieht in Regel über einen weiteren Kühlwasserkreis und einem Rückkühlwerk welches die Wärme an die Umgebung abgibt. Es gilt: umso niedrigere Temperatur des Verbrennungsluft-Brennstoffgemisch nach der Kühlung umso mehr kann der elektrische Wirkungsgrad und die elektrische Leistung gesteigert werden. Das Potential der Gemischkühlung ist somit von den Umgebungsbedingungen, speziell der Lufttemperatur abhängig. Insbesondere bei hohen Außentemperaturen sinkt somit der elektrische Wirkungsgrad und die elektrische Leistung von Blockheizkraftwerken.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung mit einem Blockheizkraftwerk, das einen Verbrennungsmotor zur Stromerzeugung umfasst, anzugeben, bei dem der elektrische Wirkungsgrad und die elektrische Leistung unabhängig von den Umgebungsbedingungen ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Durch den Einsatz einer Sorptionswärmepumpe mit einer Generatoreinrichtung, einer Kondensatoreinrichtung, einer Sorptionseinrichtung und einer Verdampfereinrichtung in Kombination mit einem Verbrennungsmotor zur Erzeugung von elektrischer Energie eines Blockheizkraftwerks kann die Gemischkühlung unabhängig von der Umgebungstemperatur gemacht werden, in dem die Abwärme aus der Gemischkühlung nicht einem Rückkühlwerk, sondern der Verdampfereinrichtung der Sorptionswärmepumpe zugeführt wird. Durch die erniedrigte Temperatur des Verbrennungsluft-Brennstoffgemisch erhöht sich auch die Energiedichte im Verbrennungsmotor. Durch entsprechende Dimensionierung der Wärmeübertragerflächen in der Generatoreinrichtung wird gerade so viel Kondensat in der Generatoreinrichtung ausgetrieben, in der Kondensatoreinrichtung kondensiert und wieder in der Verdampfereinrichtung verdampft, dass die durch die Verdampfereinrichtung aufgenommene Wärme der in der Gemischkühlung freiwerdenden Wärme entspricht.
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Die Grobeinstellung der Verdampferleistung durch die Dimensionierung der Wärmeübertragerflächen in der Generatoreinrichtung kann durch eine Steuereinrichtung zum Justieren der Verdampferleistung nach Anspruch 2 noch nachjustiert bzw. feineingestellt werden. Die Wärmeübertragerflächen in der Generatoreinrichtung werden so dimensioniert, dass die im Gemischkühler anfallende Abwärme auf jeden Fall durch die Verdampfereinrichtung aufgenommen werden kann. Fällt weniger Abwärme im Gemischkühler an, so wird die Verdampferleistung nachgeregelt.
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Dieses Justieren oder Nachregeln erfolgt vorzugsweise entweder über eine Kondensatrückführung nach Anspruch 3 oder über eine Bypass-Leitung parallel zur Generatoreinrichtung im Abgasstrom nach Anspruch 4. Diese Art der Regelung der Verdampferleistung ist in der
DE 10 2018 217 935 A1 ausführlich beschrieben und es wird daher auf die dortige Offenbarung vollinhaltlich Bezug genommen.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 5 wird die Motorkühlung des Verbrennungsmotors in den ersten Kühlkreis integriert, so dass die Motorabwärme und die Wärme aus der Kondensatoreinrichtung und Sorptionseinrichtung in den gemeinsamen ersten Kühlkreis eingekoppelt werden. Der erste Kühlkreis kann weiterhin bei für Motorkühlung typischen Temperaturen (> 50°C) betrieben werden.
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Die Gemischkühlung wird noch effektiver, wenn anstelle einer einstufigen Sorptionswärmepumpe eine zweistufige Double-Lift-Sorptionswärmepumpe eingesetzt wird, mit der sich, bei gleichbleibenden Kühlbedingungen für Sorptions- und Kondensatoreinrichtung, noch niedrigere Temperaturen im Gemischkühler erzeugen lassen. - Anspruch 6.
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Weitere Einzelheiten, Merkmal und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer einstufigen Sorptionswärmepumpe im p-T-Diagramm;
- 2 zeigt ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer Sorptionswärmepumpe nach 1;
- 3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweistufigen Double-Lift-Sorptionswärmepumpe im p-T-Diagramm; und
- 4 zeigt ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer zweistufigen Sorptionswärmepumpe nach 3.
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1 zeigt eine einstufige Sorptionswärmepumpe, wie sie bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt. Die Sorptionswärmpumpe umfasst einen Absorber A0 der über eine erste Flüssigkeitsleitung mit Lösungspumpe LP und über eine zweite Flüssigkeitsleitung mit Drossel mit dem Generator G1 verbunden ist. Durch den Kältemitteldampf aus dem ersten Verdampfer E0 wird die über die zweite Flüssigkeitsleitung in den ersten Absorber A0 gelangte kältemittelarme Lösung mit Kältemittel unter Abgabe von Wärme angereichert. Die kältemittelreiche Lösung wird über die erste Flüssigkeitsleitung und der Pumpe LP in den Generator G1 gepumpt. Im Generator G1 wird durch die Antriebswärme Kältemitteldampf aus der kältemittelreichen Lösung ausgetrieben. Der im Generator G1 ausgetriebene Kältemitteldampf wird in einem Kondensator C1 kondensiert und das flüssige Kältemittel wird über eine Drossel dem Verdampfer E0 zugeführt. Im Verdampfer E0 wird das flüssige Kältemittel durch Aufnahme von Wärme verdampft, wodurch der Kreislauf in der Sorptionswärmepumpe geschlossen ist.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einer Sorptionswärmepumpe nach 1. Die Wärmequellen auf unterschiedlichem Temperaturniveau werden durch ein Blockheizkraftwerk BHKW bereitgestellt. Die Abwärme des BHKW wird zusammen mit der Wärme aus den Kondensator C1 und dem Absorber A0 in einem ersten Kühlkreis 24 eingekoppelt. Angetrieben wird die Sorptionswärmepumpe durch den Generator G1 durch die Nutzung der im Abgas 26 enthaltenen sensiblen Wärme.
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Um den elektrischen Wirkungsgrad und die elektrische Leistung des Blockheizkraftwerks zu steigern verfügen BHKWs häufig über einen sogenannten Gemischkühlung WT1. Der Gemischkühler WT1 sorgt dafür, dass das Verbrennungsluft-Brennstoffgemisch 25 nach der Verdichtung, z.B. über einen Turbolader oder Kompressor, abgekühlt wird. Dies geschieht in der Regel über einen Kühlwasserkreis bzw. einen zweiten Kühlkreis 28 und einem Rückkühlwerk welches die Wärme an die Umgebung abgibt. Es gilt: umso niedrigere Temperatur des Verbrennungsluft-Brennstoffgemisch nach der Kühlung umso mehr kann der elektrische Wirkungsgrad und die elektrische Leistung des Blockheizkraftwerks gesteigert werden. Das Potential der Gemischkühlung ist somit von den Umgebungsbedingungen, speziell der Lufttemperatur abhängig. Insbesondere bei hohen Außentemperaturen sinkt somit der elektrische Wirkungsgrad und die elektrische Leistung von Blockheizkraftwerken. Durch eine von den Umgebungsbedingungen unabhängige Kühlung gemäß der vorliegenden Erfindung könnte diese Problem umgangen werden.
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Hierzu eignet sich eine Sorptionswärmepumpe nach 1. Durch den Einsatz einer einstufigen Sorptionswärmepumpe kann eine von den Umgebungsbedingungen unabhängige Kühlung bereitgestellt werden. Angetrieben wird die Sorptionswärmepumpe durch den Generator G1 durch die Nutzung der im Abgas 26 enthaltenen Wärme. Der Verdampfer E0 stellt die zur Gemischkühlung benötigte Kälte zur Verfügung. Die durch den Generator G1 und Verdampfer E0 aufgenommen Wärme wir durch den Kondensator C1 und den Absorber A0 an den ersten Kühlkreis 24 abgegeben. Die Temperatur des ersten Kühlkreises 24 liegt dabei ausreichend hoch über der Umgebungstemperatur, um die Wärme an die Umgebung abgeben zu können.
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Die Wärmetauscherflächen im Generator
G1 sind so gewählt, dass nur so viel Wärme aufgenommen wird um die notwendige Verdampferleistung im Verdampfer
E0 bereitstellen zu können. Der Generator
G1 kühlt das Abgas
26 somit nicht vollständig ab. Durch den Einsatz der Sorptionswärmepumpe kann somit eine von der Umgebungstemperatur unabhängige, niedrigere Temperatur der Gemischkühlung - Wärmetauscher
WT1 - ohne zusätzlichen Einsatz von Energie zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere bei hohen Außentemperaturen kann hierdurch eine Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades und der elektrischen Leistung des BHKWs erzielt werden. Diese Grobanpassung der Verdampferleistung kann mittels Kondensatrückführung, wie sie aus der
DE 10 2018 217 935 A1 oder der
EP 1 391 668 A2 bekannt ist nachjustiert werden. Alternativ kann die Nachjustierung auch mittels einer Bypass-Leitung
30 im Abgasstrom
26 erfolgen, wobei die Bypass-Leitung
30 parallel zum Generator
G1 geschaltet ist. Die Regelung der Verdampferleistung mittels Bypass-Leitung ist aus der
DE 10 2018 217 935 A1 bekannt.
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Durch eine zweistufige Double-Lift-Sorptionswärmepumpe nach 3 können insbesondere bei sehr hohen Außentemperaturen niedrigere Kühltemperaturen im zweiten Kühlkreis 28 bereitgestellt werden und der elektrische Wirkungsgrad entsprechend weiter gesteigert werden. Die zweistufige Sorptionswärmepumpe besitzt einen zweiten Verdampfer E1 und einen zweiten Absorber A1. Der erste Absorber A0 und der zweite Verdampfer E1 sind dabei physikalisch so gekoppelt, dass sie die gesamte Wärme austauschen können. Die Wärmeabgabe der durch den Generator G1 und Verdampfer E0 aufgenommenen Wärme erfolgt nun über den Kondensator C1 und den zweiten Absorber A1 in den ersten Kühlkreis 24. Analog zur Ausführungsform nach 2 kann auch bei der Ausführungsform nach 3 die Verdampferleistung der Verdampfereinrichtung E0 mittels Kondensatrückführung oder mittels einer Bypass-Leitung 30 nachgeregelt werden.
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Wenn in dieser Anmeldung Absorber A0, A1 genannt sind, sind darunter auch Adsorber zu verstehen, d. h. es kann auch eine Sorptionswärmepumpe/-kältemaschine mit einem Feststoff als Sorptionsmittel eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- BHKW
- Blockheizkraftwerk
- G1
- Generator
- C1
- Kondensator
- A0
- erster Absorber/Adsorber ein- und zweistufige Sorptionswärmepumpe
- A1
- zweiter Absorber/Adsorber zweistufige Sorptionswärmepumpe
- E0
- erster Verdampfer, ein- und zweistufige Sorptionswärmepumpe
- E1
- zweiter Verdampfer, zweistufige Sorptionswärmepumpe
- WT1
- erste Wärmetauscheinrichtung
- LP
- Lösungspumpe
- LWT
- Lösungswärmetauscher
- 24
- Heizkreis
- 25
- Verbrennungsluft-Brennstoffgemisch-Massenstrom
- 26
- Abgasstrom
- 28
- Kaltwasserkreis, Kühlkreis
- 30
- Bypass-Leitung
