DE102022119100A1 - Device for providing thermal energy to a heat sink - Google Patents
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Abstract
Eine Einrichtung 2 zur Bereitstellung thermischer Energie an eine Wärmesenke weist eine Brennkraftmaschine 4 und eine Elektromaschine 6 auf. Die Brennkraftmaschine 4 und die Elektromaschine 6 stehen in einem ersten Betriebsmodus nach Art eines Blockheizkraftwerkes miteinander in Wirkungsverbindung, wobei die Brennkraftmaschine 4 als Motor und die Elektromaschine 6 als Generator wirkt. Die Erfindung stellt eine Einrichtung 2 bereit, die als Hybridlesung zwischen einem Blockheizkraftwerk und einer Wärmepumpe entweder als Blockheizkraftwerk oder als Wärmepumpe betrieben werden kann.A device 2 for providing thermal energy to a heat sink has an internal combustion engine 4 and an electric machine 6. The internal combustion engine 4 and the electric machine 6 are operatively connected to one another in a first operating mode in the manner of a combined heat and power plant, with the internal combustion engine 4 acting as a motor and the electric machine 6 acting as a generator. The invention provides a device 2 which can be operated as a hybrid unit between a combined heat and power plant and a heat pump either as a combined heat and power plant or as a heat pump.
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Bereitstellung thermischer Energie an eine Wärmesenke.The invention relates to a device of the type mentioned in the preamble of claim 1 for providing thermal energy to a heat sink.
Derartige Einrichtungen sind allgemein bekannt und weisen eine Brennkraftmaschine und eine Elektromaschine auf, die nach Art eines Blockheizkraftwerkes miteinander in Wirkungsverbindung stehen, indem die Brennkraftmaschine als Motor und die Elektromaschine als Generator wirkt. Entsprechende Blockheizkraftwerke erzeugen über die Elektromaschine Strom, während Wärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine verwendet wird, um Wasser eines Heizungssystems zu erwärmen.Such devices are well known and have an internal combustion engine and an electric machine, which are operatively connected to one another in the manner of a combined heat and power plant, in that the internal combustion engine acts as a motor and the electric machine acts as a generator. Corresponding combined heat and power plants generate electricity via the electric machine, while heat from the exhaust gas of the internal combustion engine is used to heat water in a heating system.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber den bekannten Einrichtungen verbesserte Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Bereitstellung thermischer Energie an eine Wärmesenke anzugeben.The invention is based on the object of specifying a device of the type mentioned in the preamble of claim 1 for providing thermal energy to a heat sink, which is improved compared to the known devices.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention specified in claim 1.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous and useful developments of the invention are specified in the subclaims.
Die Erfindung sieht vor, dass die Einrichtung aus dem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus umschaltbar ist, in dem die Elektromaschine als Motor und Antrieb für die Brennkraftmaschine und die Brennkraftmaschine als Verdichter wirkt, derart, dass in einem Arbeitsraum der Brennkraftmaschine ein Kältemittel durch Verdichtung erwärmt wird. Erfindungsgemäß steht der Arbeitsraum der Brennkraftmaschine in Strömungsverbindung mit wenigstens einem ersten Wärmetauscher zur Abgabe thermischer Energie des Kältemittels an eine Wärmesenke. In Strömungsrichtung des Kältemittels sind dem ersten Wärmetauscher ein Expansionsventil und wenigstens ein zweiter Wärmetauscher zur Erwärmung des Kältemittels nachgeordnet, wobei ein Auslass des zweiten Wärmetauschers mit dem Arbeitsraum der Brennkraftmaschine in Strömungsverbindung steht zur Einleitung des in dem zweiten Wärmetauscher erwärmten Kältemittels in den Arbeitsraum der Brennkraftmaschine.The invention provides that the device can be switched from the first operating mode to a second operating mode, in which the electric machine acts as a motor and drive for the internal combustion engine and the internal combustion engine acts as a compressor, such that a refrigerant is heated by compression in a working space of the internal combustion engine becomes. According to the invention, the working space of the internal combustion engine is in flow connection with at least one first heat exchanger for releasing thermal energy of the refrigerant to a heat sink. In the direction of flow of the refrigerant, an expansion valve and at least one second heat exchanger for heating the refrigerant are arranged downstream of the first heat exchanger, an outlet of the second heat exchanger being in flow connection with the working space of the internal combustion engine for introducing the refrigerant heated in the second heat exchanger into the working space of the internal combustion engine.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Aggregate eines Blockheizkraftwerks, nämlich eine Elektromaschine und eine Brennkraftmaschine, bei Umkehrung ihres Funktionsprinzips als Bestandteile einer Wärmepumpe genutzt werden können. Während bei einem Blockheizkraftwerk die Elektromaschine als Generator zur Stromerzeugung verwendet wird, dient die Elektromaschine bei einer Wärmepumpe dazu, einen Verdichter anzutreiben. Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die weitere Erkenntnis zugrunde, dass die bei einem Blockheizkraftwerk verwendete Brennkraftmaschine unter Umkehrung ihres Funktionsprinzips auch als Verdichter verwendet werden kann, der bei einer Wärmepumpe zur Verdichtung und Erwärmung eines Kältemittels verwendet wird.The invention is based on the knowledge that the units of a combined heat and power plant, namely an electric machine and an internal combustion engine, can be used as components of a heat pump when their functional principle is reversed. While in a combined heat and power plant the electric machine is used as a generator to generate electricity, in a heat pump the electric machine is used to drive a compressor. Based on this, the invention is based on the further finding that the internal combustion engine used in a combined heat and power plant can also be used as a compressor, reversing its functional principle, which is used in a heat pump to compress and heat a refrigerant.
Der Erfindung der Gedanke zugrunde, in einem zweiten Betriebsmodus die Brennkraftmaschine als Verdichter zu betreiben und dieser in Strömungsrichtung des Kältemittels aufeinanderfolgend einen ersten Wärmetauscher, ein Expansionsventil und einen zweiten Wärmetauscher nachzuordnen. Die Brennkraftmaschine wird also verwendet, um das Kältemittel zu verdichten, wobei das Kältemittel stark komprimiert wird und sich erwärmt. Das komprimierte Kältemittel wird durch den ersten Wärmetauscher geleitet und gibt einen Teil der Wärme als Nutzwärme ab, beispielsweise an ein Heizungssystem.The invention is based on the idea of operating the internal combustion engine as a compressor in a second operating mode and successively arranging a first heat exchanger, an expansion valve and a second heat exchanger in the flow direction of the refrigerant. The internal combustion engine is therefore used to compress the refrigerant, whereby the refrigerant is highly compressed and heats up. The compressed refrigerant is passed through the first heat exchanger and releases part of the heat as useful heat, for example to a heating system.
Das abgekühlte Kältemittel wird durch das Expansionsventil (Entspannungsventil) geleitet, wodurch sich Druck und Temperatur des Kältemittels verringern. Das abgekühlte Kältemittel ist dann in der Lage, über den zweiten Wärmetauscher Umgebungswärme aufzunehmen, wie dies von dem Funktionsprinzip einer Wärmepumpe bekannt ist.The cooled refrigerant is passed through the expansion valve (relief valve), which reduces the pressure and temperature of the refrigerant. The cooled refrigerant is then able to absorb ambient heat via the second heat exchanger, as is known from the functional principle of a heat pump.
Das mittels der Umgebungswärme erwärmte Kältemittel wird dann der Brennkraftmaschine wieder zugeführt.The coolant heated by the ambient heat is then fed back to the internal combustion engine.
Die Erfindung stellt damit eine Einrichtung bereit, die in ihrem ersten Betriebsmodus als Blockheizkraftwerk verwendet werden kann, während sie in ihrem zweiten Betriebsmodus als Wärmepumpe verwendet werden kann.The invention thus provides a device that can be used as a combined heat and power plant in its first operating mode, while it can be used as a heat pump in its second operating mode.
In dem ersten Betriebsmodus (Blockheizkraftwerk-Modus) wird die Brennkraftmaschine als Motor betrieben, dessen Abwärme zur Bereitstellung von thermischer Energie an eine Wärmesenke, beispielsweise ein Heizungssystem, verwendet werden kann, während die als Generator betriebene Elektromaschine Strom erzeugt.In the first operating mode (combined heat and power plant mode), the internal combustion engine is operated as a motor, the waste heat of which can be used to provide thermal energy to a heat sink, for example a heating system, while the electric machine operated as a generator generates electricity.
Demgegenüber wird die Elektromaschine in dem zweiten Betriebsmodus (Wärmepumpen-Modus) als Motor verwendet, um die als Verdichter verwendete Brennkraftmaschine anzutreiben.In contrast, in the second operating mode (heat pump mode), the electric machine is used as a motor to drive the internal combustion engine used as a compressor.
Die Erfindung stellt damit eine Hybridlösung zwischen einem Blockheizkraftwerk und einer Wärmepumpe zur Verfügung, die entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten und Anforderungen betrieben werden kann.The invention thus provides a hybrid solution between a combined heat and power plant and a heat pump, which can be operated according to the respective circumstances and requirements.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte, blockschaltbildartige Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass die einzelnen Merkmale eines Ausführungsbeispiels das Ausführungsbeispiel ein jeweils für sich genommen, also unabhängig von den weiteren Merkmalen, weiterbilden, sodass für den Fachmann ersichtlich ist, dass alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger technisch sinnvoller Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung bilden, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ein und deren Rückbezügen sowie unabhängig von ihrer konkreten Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung. Zum Gegenstand und Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gehören auch Unterkombinationen der Patentansprüche, bei denen wenigstens ein Merkmal eines Patentanspruchs weggelassen oder durch ein anderes Merkmal ersetzt ist.The invention is explained in more detail below with reference to the attached, block diagram-like drawing using an exemplary embodiment. It is obvious to the person skilled in the art that the individual features of an exemplary embodiment develop the exemplary embodiment individually, i.e. independently of the other features, so that it is apparent to the person skilled in the art that all of the features described, shown in the drawing and claimed in the patent claims Features taken on their own and in any technically sensible combination with one another form the subject of the invention, regardless of their summary in the patent claims and their references as well as regardless of their specific description or representation in the drawing. The subject matter and disclosure content of the present application also includes subcombinations of the patent claims in which at least one feature of a patent claim is omitted or replaced by another feature.
Es zeigt:
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1 blockschaltbildartig ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung in einem ersten Betriebsmodus und -
2 in gleicher Darstellung wie1 das Ausführungsbeispiel gemäß1 in einem zweiten Betriebsmodus.
-
1 An exemplary embodiment of a device according to the invention in a first operating mode and -
2 in the same representation as1 the exemplary embodiment according to1 in a second operating mode.
In
Erfindungsgemäß ist die Einrichtung 2 aus dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus (Wärmepumpen-Modus) umschaltbar, in dem die Elektromaschine 6 als Motor und Antrieb für die Brennkraftmaschine 4 verwendet wird und die Brennkraftmaschine als Verdichter wirkt, derart, dass in einem Arbeitsraum der Brennkraftmaschine 4 ein Kältemittel, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch Luft gebildet ist, durch Verdichtung erwärmt wird,According to the invention, the
Der Arbeitsraum der Brennkraftmaschine 4 steht in Strömungsverbindung mit wenigstens einem ersten Wärmetauscher 10 zur Abgabe thermischer Energie des Kältemittels an eine Wärmesenke, beispielsweise ein Heizungssystem.The working space of the
In Strömungsrichtung des Kältemittels, die in
In dem Wärmepumpen-Modus wird die Brennkraftmaschine 4, angetrieben durch die Elektromaschine 6, verwendet, um das Kältemittel zu verdichten. Bei der Verdichtung wird das Kältemittel stark komprimiert und erwärmt sich bei diesem Vorgang. Das komprimierte Kältemittel wird durch den ersten Wärmetauscher 10 geleitet und gibt einen Teil der Wärme als Nutzwärme ab, beispielsweise an ein Heizungssystem. Das abgekühlte Kältemittel wird durch das Entspannungsventil 14 geleitet, wobei sich Druck und Temperatur verringern. Das abgekühlte Kältemittel ist in der Lage, in dem zweiten Wärmetauscher 16 Umgebungswärme aufzunehmen. Das mittels der Umgebungswärme erwärmte Kältemittel wird dann in den Arbeitsraum der Brennkraftmaschine 4 eingeleitet.In the heat pump mode, the
Für die Druck- und Temperaturverhältnisse des Kältemittels in der Einrichtung gilt Folgendes:
Erfindung stellt damit eine Einrichtung bereit, die sowohl als Blockheizkraftwerk als auch als Wärmepumpe betrieben werden kann, sodass durch geschickte Verwendung der Aggregate eines Blockheizkraftwerks eine Hybridlösung zwischen einem Blockheizkraftwerk und einer Wärmepumpe bereitgestellt istThe invention thus provides a device that can be operated both as a combined heat and power plant and as a heat pump, so that a hybrid solution between a combined heat and power plant and a heat pump is provided through clever use of the units of a combined heat and power plant
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