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Die Erfindung betrifft eine Anlage
zur Kraft-Wärme-Kopplung mit den
im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
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Anlagen zur dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung
finden sich zum Beispiel in Form von kleineren Blockheizkraftwerken
oder in Form von Generator-Thermen zur Stromerzeugung und Beheizung einzelner
Gebäude.
Die eingesetzte Energie des Brennstoffs wird gleichzeitig in elektrische
oder mechanische Energie sowie in Wärme umgewandelt, die zur energetischen
Nutzung bestimmt ist. Neben dem Brennstoff benötigen diese Anlagen im allgemeinen
auch elektrische Energie, zum Beispiel für den Betrieb von elektromechanischen
Peripherieaggregaten oder Komponenten, wie elektromotorisch Antrieben,
zum Beispiel von Pumpen, Verdichtern oder Gebläsen, oder elektromagnetischen
Antrieben, zum Beispiel von Stellorganen von Ventilen, sowie für den Betrieb
der zugehörigen
Sensorik bzw. Regel- und Schaltelektronik. Diese elektromechanischen und
elektronischen Peripherieaggregate sowie ggf. auch vorhandene elektrische
Peripherieaggregate der Anlage, wie Wechselrichter oder dergleichen,
erwärmen
sich im Betrieb aufgrund von Wirkungsgradverlusten und müssen daher
zumindest teilweise zwangsgekühlt
werden.
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Diese Zwangskühlung erfolgt gewöhnlich mittels
Umgebungsluft, die von einem Gebläse auf die erwärmten Oberflächen geblasen
wird. In Anlagen, in denen erwärmte
Luft benötigt
wird, kann die Umgebungsluft auch über die erwärmten Oberflächen angesaugt
werden, um die von den kühlungsbedürftigen
Peripherieaggregaten erzeugte Abwärme gleichzeitig zur Vorwärmung der
benötigten
Luft zu nutzen. Jedoch erfordert die vorerwärmte Luft einen erhöhten Verdichtungsaufwand
der ebenso wie das erforderliche Gebläse zu einer Verringerung des elektrischen
Wirkungsgrades der Anlage führt.
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Eine Anlage der gattungsgemäßen Art
in Form einer Generator-Therme ist aus der
DE 199 36 591 C1 der Anmelderin
bekannt. Diese Anlage umfasst zwei Brenner, von denen der erste
die Wärmezufuhr
zu einem thermoelektrischen Wandler zur Umwandlung in elektrische
Energie übernimmt,
und der zweite die Wärme
zur Aufheizung von Heizungswasser in einem Heizungswasserkreislauf
erzeugt. Darüber
hinaus wird mit der vom zweiten Brenner erzeugten Wärme und
der vom thermoelektrischen Wandler erzeugten Abwärme Brauchwasser in einem Brauchwasserspeicher
erwärmt.
Dazu wird zum einen ein Teil des Heizungswassers durch eine Rohrschlange im
Brauchwasserspeicher hindurchgeführt.
Zum anderen ragt der thermoelektrische Wandler von oben her teilweise
in den Brauchwasserspeicher, so dass das Brauchwasser zur Kühlung des
Wandlers und die Abwärme
des Wandlers zur Aufheizung des Brauchwassers ausgenutzt werden
kann. Da das erwärmte
Brauchwasser im oberen Teil des Brauchwasserspeichers jedoch gewöhnlich eine
Temperatur von mehr als 50°C
aufweist, kann es nur bedingt zu Kühlzwecken verwendet werden.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei der erfindungsgemäßen Anlage
zur Kraft-Wärme-Kopplung mit den
im Anspruch 1 genannten Merkmalen kann infolge der direkten oder
indirekten Kühlung
der Peripherieaggregate durch das flüssige Medium deren elektrischer
Wirkungsgrad und damit auch der elektrische Wirkungsgrad der gesamten
Anlage verbessert werden. Infolge der Nutzung der Abwärme der
Peripherieaggregate wird weiter auch der thermische Wirkungsgrad
der Anlage und damit deren primärenergetischer
Gesamtwirkungsgrad verbessert. Indem man das flüssige Medium mit den Peripherieaggregaten
in Wärmeübertragungskontakt
bringt, bevor es durch die erzeugte Wärmeenergie erwärmt wird,
kann mehr Wärmeenergie
von den Peripherieaggregaten auf das flüssige Medium übertragen
werden und damit sowohl deren Kühlung
als auch der thermische Wirkungsgrad der Anlage weiter verbessert
werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung der
Erfindung ist vorgesehen, dass das kühlungsbedürftige Peripherieaggregat in
einem Gehäuse
angeordnet ist, das mindestens zum Teil in das flüssige Medium
ragt, wobei seine Außenseite
von diesem umspült
wird, um die vom Peripherieaggregat erzeugte und an das Gehäuse übertragene
Abwärme
in das flüssige
Medium abzuführen.
Um die erzeugte Abwärme
möglichst schnell
in das flüssige
Medium abzuführen,
besteht das Gehäuse
zweckmäßig aus
einem gut wärmeleitenden
Material und vorzugsweise aus Metall. Eine besonders gute Wärmeübertragung
wird auch erreicht, indem man die im Kontakt mit dem flüssigen Medium
stehende Oberfläche
des Gehäuses
so groß wie
möglich
macht, zum Beispiel indem man das Gehäuse auf seiner vom flüssigen Medium
umspülten Außenseite
mit Kühlrippen
versieht und/oder vollständig
in das flüssige
Medium eintaucht.
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Alternativ kann das kühlungsbedürftige Peripherieaggregat
auch in enger Nachbarschaft von mindestens einer Begrenzungswand
eines Behälters oder
einer Rohrleitung angeordnet werden, der/die zur Zwischenspeicherung
bzw, zum Transport des kalten flüssigen
Mediums dient, bevor dieses mittels der im Brenner erzeugten Wärme aufgeheizt
wird. Dabei liegt das kühlungsbedürftige Peripherieaggregat vorzugsweise
gegen die Begrenzungswand des Behälters oder der Rohrleitung
an, um die erzeugte Abwärme
durch direkte Wärmeübertragung
in die Begrenzungswand und durch diese in das flüssige Medium abzuleiten. In
diesem Fall besteht die Begrenzungswand zweckmäßig ebenfalls aus einem gut
wärmeleitenden
Material und vorzugsweise aus Metall.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung sieht vor, dass das Peripherieaggregat an einer Stelle
mit dem flüssigen
Medium im Wärmeübertragungskontakt
steht, wo dieses die niedrigste Temperatur aufweist. Diese Stelle
wird bei einem Behälter
gewöhnlich
im Bereich seines Zulaufs bzw. seines unteren Endes angeordnet sein,
von wo das durch die Abwärme
des Peripherieaggregats erwärmte
flüssige
Medium dann durch Konvektion selbsttätig im Behälter aufsteigt und neues kaltes
Medium zugeführt
wird. Die Anordnung des Peripherieaggregats in oder an einem Behälter hat
zudem den Vorteil, dass durch dessen verhältnismäßig großes Volumen eine größere Wärmekapazität zur Aufnahme
der Abwärme
zur Verfügung
steht.
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Die Einrichtungen zur Erzeugung von
elektrischer Energie und Wärme
können
zum Beispiel mit Generatoren gekoppelte Verbrennungskraftmaschinen,
Gasturbinen, Stirlingmotoren oder andere elektromechanische Wandler
umfassen, jedoch kann die Erfindung auch in anderen Anlagen zur
Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt
werden, zum Beispiel in Anlagen mit photoelektrischen Wandlern,
wie Thermophotovoltaikanlagen, oder mit elektrochemischen Wandlern,
wie Brennstoffzellen.
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Das flüssige Medium ist gewöhnlich Wasser, zum
Beispiel warmes Wasser für
die Brauchwasserversorgung von Gebäuden, das vor seinem Aufheizen
in einem Brauchwasserspeicher in einem Zwischenbehälter durch
die vom Peripherieaggregat erzeugte Abwärme vorgewärmt wird, oder Prozesswasser,
zum Beispiel bei Anlagen auf Brennstoffzellenbasis.
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Das kühlungsbedürftige Peripherieaggregat kann
ein elektromechanisches Peripherieaggregat, zum Beispiel ein elektromotorischer
Antrieb einer Pumpe oder eines Verdichters oder ein elektromagnetischer
Antrieb eines Stellorgans eines Ventils oder eines anderen Durchflussmengensteuerelements, ein
elektrisches Peripherieaggregat, zum Beispiel ein Wechselrichter,
oder ein elektronisches Peripherieaggregat sein, zum Beispiel Komponenten
zur Regelung der Anlage oder eine Sensorik der Anlage.
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Die Erfindung wird nachfolgend in
einem Ausführungsbeispiel
anhand der zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Ansicht einer dezentralen Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung mit einer gasbetriebenen Generator-Therme
mit wassergekühlten
Peripherieaggregaten;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
einer Alternative zur Wasserkühlung
von Peripherieaggregaten;
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3 eine
Ansicht einer anderen Alternative zur Wasserkühlung von kühlungsbedürftigen Peripherieaggregaten.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die in der Zeichnung dargestellte
Anlage 10 zur Kraft-Wärme-Kopplung
mit einer gasbeheiztes Generator-Therme 12 dient zugleich
zum Erzeugen von elektrischen Strom E, zum Erhitzen von Heizungswasser
HW in einem Heizungswasserkreislauf sowie zum Erwärmen von
Brauchwasser BW, zum Beispiel zur Versorgung von einem oder mehreren Gebäuden mit
Strom, Heizungswasser und erwärmtem
Brauchwasser.
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Die Generator-Therme 12 besteht
im Wesentlichen aus einem Brenner 14 und einem thermoelektrischen
Wandler 16 in Form eines mit einem Stirlingmotor 18 gekoppelten
Lineargenerators 20, Der Brenner 14 enthält eine
einzige Brennkammer 22 mit einem Innenbrenner 24 und
einem Außenbrenner 26, die über ein Dosierventil 28 und
ein Gebläse 30 mit einem
Gas-Luft-Gemisch
versorgt werden. Im Innenraum des Innenbrenners 24 befindet
sich der Stirlingmotor 18 des thermoelektrischen Wandlers 16,
der einen Teil der vom Brenner 14 erzeugten Wärme aufnimmt.
Zur Übertragung
eines weiteren Teils der vom Brenner 14 erzeugten Wärme an das
Heizungswasser HW ist, der Außenbrenner 26 von
einer an den Heizungsvorlauf HVL und den Heizungsrücklauf HRL angeschlossenen
Rohrwendel 30 umgeben. Durch die Rohrwendel 30 wird
Heizungswasser HW mittels einer im Heizungsrücklauf HRL angeordneten Pumpe 32 gepumpt.
Die Brennkammer 22 weist eine obere Begrenzungswand 34 auf,
die dafür
sorgt, dass die heißen
Verbrennungsgase an der Rohrwendel 30 vorbei in einen oberen
Abgasauslass 36 strömen. Der
Lineargenerator 20 des thermoelektrischen Wandlers 16 ist
an das Gebäudestromnetz
(nicht dargestellt) angeschlossen und versorgt dieses mit elektrischem
Strom E.
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Die Aufheizung des aus dem Wasserleitungsnetz
N stammenden kalten Brauchwassers BW erfolgt in üblicher Weise in einem Brauchwasserspeicher 38,
der einen in der Nähe
seines Bodens angeordneten Brauchwassereinlass 40 und einen
an seinem oberen Ende angeordneten Brauchwasserauslass 42 aufweist.
Zur Beheizung des Brauchwasserspeichers 38 ist dieser im
Inneren mit einer Heizwendel 44 versehen. Die Heizwendel 44 wird
mit Hilfe der Pumpe 32 und eines ebenfalls im Heizungsrücklauf HRL
angeordne ten Dreiwegeventils 46 mit erhitztem Heizungswasser
HW aus dem Heizungsvorlauf HVL gespeist.
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Um den thermischen und elektrischen
Wirkungsgrad der Anlage 10 zu verbessern, ist dem Brauchwasserspeicher 38 ein
kleinerer Zwischenbehälter 48 vorgeschaltet,
in dem das aus dem Wasserleitungsnetz N zugeführte kalte Brauchwasser BW durch
Abwärme
aus der Anlage 10 vorgewärmt und gleichzeitig zur Kühlung von
kühlungsbedürftigen
Aggregaten der Anlage 10 verwendet wird.
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Der Zwischenbehälter 48 besteht aus
einem zylindrischen Gehäuse 50 mit
einem Einlass 52 in der Nähe seines unteren Stirnendes
und einem Auslass 54 an seinem oberen Stirnende und wird
von unten nach oben vom kalten Brauchwasser BW durchströmt, bevor
dieses anschließend
zur weiteren Aufheizung in den Brauchwasserspeicher 38 geleitet wird.
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Der Zwischenbehälter
48 ist an der
Unterseite der Generator-Therme
12 angebracht und weist
in seiner oberen Stirnwand
56 eine Ausnehmung auf, in die
der Lineargenerator
20 des thermoelektrischen Wandlers
12 in
einem flüssigkeitsdichten
Gehäuse
58 eingesetzt
ist, so dass die Verlustwärme
des Lineargenerators
20 teilweise zur Aufheizung des Brauchwassers
BW mitgenutzt werden kann, wie aus der
DE 199 36 591 bereits an sich bekannt,
Im Unterschied zu der in dieser Druckschrift beschriebenen Generator- Therme, die mit dem
bereits erwärmten Brauchwasser
gekühlt
wird, erfolgt die Kühlung
hier mit kaltem Brauchwasser BW, das vor seiner Erwärmung durch
das Heizungswasser HW direkt aus dem Leitungsnetz N zugeführt wird,
wodurch der thermische Wirkungsgrad verbessert werden kann.
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In seiner unteren Stirnwand 60 weist
der Zwischenbehälter 48 zwei
weitere Ausnehmungen auf. In die größere Ausnehmung ist ein elektrischer
Antriebsmotor 62 der Heizungswasserpumpe 32 eingesetzt,
der im Inneren des Zwischenbehälters 48 von einem
flüssigkeitsdicht
gekapselten Gehäuse 64 umschlossen
ist, während
die kleinere Ausnehmung zur Aufnahme des ebenfalls gekapselten elektromagnetischen
Stellantriebs 66 des Dreiwegeventils 46 dient.
Der Antriebsmotor 62 und der Stellantrieb 66 werden
daher an der Stelle vom kalten Brauchwasser BW umspült, wo dieses
seine niedrigste Temperatur aufweist, so dass infolge der maximalen
Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur Brauchwassers BW und
der Antriebe 62, 66 für eine gute Kühlung der letzteren
und gleichzeitig für
einen guten thermischen Wirkungsgrad der Anlage 10 gesorgt
werden kann. Die ins Innere des Zwischenbehälters 48 überstehenden
Teile des Gehäuses 64 des
Pumpenmotors 62 sind auf ihrer mit dem Brauchwasser BW
in Berührung
stehenden Außenseite
mit Kühlrippen 68 versehen,
welche die Wärmeübertragung
an das Brauchwasser BW verbessern.
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Auch der entsprechend gekapselte
Antriebsmotor 70 des Gebläses 30 zur Zufuhr
von Gas-Luft-Gemisch zum Brenner 14 ist in eine Ausnehmung
in der Umfangswand des Zwischenbehälters 48 eingesetzt,
wobei diese Ausnehmung bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
in der Nähe
der oberen Stirnwand 56 bzw. des Brenners 14 angeordnet
ist.
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Auf der Außenseite der unteren Stirnwand 60 des
Zwischenbehälters 48 ist
weiter ein Gehäuse 72 mit
den zur Regelung der Generator-Therme 12 erforderlichen
elektronischen Bauelementen 74, 76, 78 angebracht,
so dass auch diese Bauelemente 74, 76, 78,
soweit erforderlich, durch das Brauchwasser BW im Behälter 48 gekühlt und
umgekehrt die von ihnen erzeugte Abwärme zum Vorwärmen des
Brauchwassers BW ausgenutzt werden kann.
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Wie am besten in 2 dargestellt, sind diese Bauelemente 74, 76, 78 auf
einem gut wärmeleitenden
Substrat 80 montiert, das von unten her gegen die metallische
Stirnwand 60 des Zwischenbehälters 48 anliegt,
so dass ein Teil der von den Bauelementen 74, 76, 78 erzeugten
Abwärme
direkt über die
Stirnwand in das kalte Brauchwasser BW abgeleitet wird. Gleichzeitig
strömt
am kalten Gehäuse 50 des
Zwischenbehälters 48 abgekühlte Luft
an den Bauelementen 74, 76, 78 vorbei
nach unten, wobei sich diese Luftströmung durch Öffnungen 82 in einem nach
unten offenen Gehäuse 84 durch
Konvektion von selbst aufrecht erhält und somit auf ein Gebläse zu Kühlung der
Bauelemente 74, 76, 78 verzichtet werden
kann, Auch dadurch kann sowohl der thermische als auch der elektrische
Wirkungsgrad der Anlage 10 verbessert werden.
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3 zeigt
eine andere Alternative zur Kühlung
von kühlungsbedürftigen
elektronischen Bauelementen, die Bestandteil der Sensorik oder Regelelektronik
der Anlage 10 sind. Die Bauelemente sind dort in einem
flüssigkeitsdicht
gekapselten Gehäuse 86 untergebracht,
das in einem offenen Brauchwasser- oder Prozesswassertank 88 schwimmt
und teilweise (oder vollständig)
in das Wasser eingetaucht sein kann,