DE10345580B4

DE10345580B4 - Device for generating heat and electricity

Info

Publication number: DE10345580B4
Application number: DE10345580.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoetger; Detlef Wüsthoff
Original assignee: Amovis GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: DE10345580A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme und Strom mittels eines Dampfkraftprozesses (10, 110) mit externer Verbrennung enthaltend (a) einen Brenner (18; 118) zur Erzeugung eines emissionsarmen heißen Rauchgases; (b) einen Dampferzeuger (22; 122) zur Übertragung von Wärme aus dem heißen Rauchgas auf ein Arbeitsmittel; (c) eine Hochdruckpumpe (26; 126) zum Umpumpen des Arbeitsmittels innerhalb des Dampfkreisprozesses; (d) eine Expansionsmaschine (34; 133, 134) zur Entspannung des Arbeitsmittels unter Arbeitsleistung; (e) einen Generator (38; 138) zur Erzeugung von elektrischem Strom; und (f) einen Kondensator (50; 150) zur Kondensation des entspannten Arbeitsmittels; dadurch gekennzeichnet, dass (g) Mittel (68, 70; 168, 170) zur Ermittlung des Wärme- und/oder Strombedarfs vorgesehen sind und (h) die Temperatur, der Druck und der Massenstrom des Arbeitsmediums und die Leistung der Expansionsmaschine elektrisch steuerbar sind, so dass eine bedarfsangepasste, variable Wärmeauskopplung auf verschiedenen Temperaturniveaus ermöglicht wird.A device for generating heat and electricity by means of a steam combustion process (10, 110) with external combustion comprising (a) a burner (18, 118) for producing a low-emission hot flue gas; (b) a steam generator (22; 122) for transferring heat from the hot flue gas to a working fluid; (c) a high pressure pump (26; 126) for circulating the working fluid within the steam cycle process; (d) an expansion machine (34; 133, 134) for relieving the working fluid under power; (e) a generator (38; 138) for generating electrical power; and (f) a condenser (50; 150) for condensing the relaxed working fluid; characterized in that (g) means (68, 70, 168, 170) are provided for determining the heat and / or electricity demand and (h) the temperature, the pressure and the mass flow of the working medium and the performance of the expansion machine are electrically controllable so that a demand-adapted, variable heat extraction at different temperature levels is made possible.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme und Strom mittels eines Dampfkreisprozesses mit externer Verbrennung enthaltend

(a) einen Brenner zur Erzeugung eines emissionsarmen heißen Rauchgases;
(b) einen Dampferzeuger zur Übertragung von Wärme aus dem heißen Rauchgas auf ein Arbeitsmittel;
(c) eine Hochdruckpumpe zum Umpumpen des Arbeitsmittels innerhalb des Dampfkreisprozesses;
(d) eine Expansionsmaschine zur Entspannung des Arbeitsmittels unter Abgabe von Arbeit;
(e) einen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom; und
(f) einen Kondensator zur Kondensation des entspannten Arbeitsmittels.

The invention relates to a device for generating heat and electricity by means of a steam cycle process with external combustion containing

(a) a burner for producing a low emission hot flue gas;
(b) a steam generator for transferring heat from the hot flue gas to a working fluid;
(C) a high pressure pump for pumping the working fluid within the steam cycle process;
(d) an expansion machine for releasing the working fluid while discharging work;
(e) a generator for generating electric power; and
(f) a condenser for condensing the relaxed working fluid.

Ein solcher Dampfkreisprozess ist zum Beispiel ein Clausius-Rankine-Prozess.Such a steam cycle process is, for example, a Clausius-Rankine process.

Stand der TechnikState of the art

Unter dem Begriff „Kraft-Wärme-Kopplung” sind seit langem Anordnungen bekannt, mit denen sowohl Strom, als auch Wärme erzeugt werden. Dabei wird die Abwärme des Stromerzeugungsprozesses zur Heizung von Gebäuden und dergleichen genutzt. Beispielhaft sei die Druckschrift DE 2544179 aufgeführt, die eine solche Anlage beschreibt. Die bekannten Anlagen sind „stromgeführt”, d. h. es wird lediglich die Abwärme nutzbar gemacht, unabhängig davon, ob Wärme gebraucht wird oder nicht. Entsprechend wird bei hohem Strombedarf häufig zuviel Wärme erzeugt. Diese wird an die Umgebung abgeführt. Es wird dann nicht die gesamte Energie genutzt. Die mögliche Nutzung der in zentralisierten Einheiten erzeugten Wärme als Fernwärme ist durch den Transport über weite Strecken ebenfalls mit Energieverlusten verbunden.The term "combined heat and power" arrangements have long been known, with which both electricity, and heat are generated. In this case, the waste heat from the power generation process is used to heat buildings and the like. As an example, let the document DE 2544179 listed that describes such an attachment. The known systems are "live", ie it is only the waste heat made available, regardless of whether heat is needed or not. Accordingly, too much heat is often generated at high power consumption. This is dissipated to the environment. It will not use all the energy. The potential use of the heat generated in centralized units as district heating is also associated with energy losses through transport over long distances.

Die bekannten Anlagen arbeiten mit festen Parametern, wie Druck, Temperatur und Arbeitsmedium-Massestrom. Die Heizungstemperatur wird von der Heizungsanlage, nicht von der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage eingestellt. Auch die Brennerleistung und die Speisewasserpumpe arbeiten nur in den Betriebsarten „An” und „Aus”. Damit ist jede Anlage nur für den vorgesehenen Zweck einsetzbar. Der Einsatz in anders dimensionierten Gebäuden oder der mobile Einsatz erfordert jedes Mal eine Neukonstruktion mit anderen Betriebsparametern und Bauteilen.The known systems work with fixed parameters, such as pressure, temperature and working medium mass flow. The heating temperature is set by the heating system, not by the combined heat and power plant. The burner output and the feedwater pump only work in "On" and "Off" operating modes. This means that every system can only be used for the intended purpose. The use in differently dimensioned buildings or the mobile use requires each time a new construction with other operating parameters and components.

DE 33 36 596 offenbart ein Verfahren zum Regeln eines in Kraft-/Wärmekopplung betriebenen Kraftwerkblockes. Dabei wird die Differenz zwischen den in den meisten Kraftwerksblöcken ohnedies vorhandenen Meßwerten für den Druck am Eingang der ersten Turbinenstufe und für die Leistung als Maß für die Heizleistung gebildet und diese Differenz zum Sollwert für den Dampferzeuger addiert. DE 33 36 596 discloses a method for controlling a cogeneration plant operated power plant block. In this case, the difference between the measured values for the pressure at the input of the first turbine stage, which are already present in most power plant blocks, and for the power as a measure of the heating power is formed and this difference is added to the nominal value for the steam generator.

US 2003/0029169 A1 offenbart ein integriertes System zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Leistung. Das System arbeitet mit einem organischen Arbeitsmittel, das in einem Rankine-Kreisprozess umläuft. Das Arbeitsmittel wird in einer Wärmequelle überhitzt und in einem Spiralexpander expandiert. Mit der Anordnung wird heißes Wasser für den Hausgebrauch und Elektrizität erzeugt. US 2003/0029169 A1 discloses an integrated system for generating heat and electrical power. The system uses an organic work equipment that rotates in a Rankine cycle. The working fluid is overheated in a heat source and expanded in a spiral expander. With the arrangement, hot water is generated for household use and electricity.

US 6,274,941 B1 offenbart eine Anordnung zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Leistung. Die Regelung erfolgt durch Änderung der Rotationsgeschwindigkeit indem der abgegriffene Strom eingestellt wird. US 6,274,941 B1 discloses an arrangement for generating heat and electrical power. The control is done by changing the rotational speed by the tapped current is set.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung mit verbesserter Umweltfreundlichkeit zu schaffen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass Mittel zur Ermittlung des Wärme- und/oder Strombedarfs vorgesehen sind und die Temperatur, der Druck und der Massenstrom des Arbeitsmediums und die Leistung der Expansionsmaschine elektrisch steuerbar sind, so dass eine bedarfsangepasste, variable Wärmeauskopplung auf verschiedenen Temperaturniveaus ermöglicht wird.It is an object of the invention to provide a device with improved environmental friendliness. According to the invention the object is achieved in that means are provided for determining the heat and / or electricity demand and the temperature, pressure and mass flow of the working medium and the power of the expansion machine are electrically controlled, so that a demand-matched, variable heat extraction at different temperature levels is possible.

Dadurch ist die Vorrichtung universell einsetzbar und kann Wärme und Strom immer in einer Menge und in einem Verhältnis liefern, wie dies abgefragt wird. Die Nutzungverschiedener Energiearten, nämlich Wärme und Strom ermöglicht es immer, eine optimale CO₂-Bilanz zu erreichen. Die aus dem Brennstoff erzeugte, nutzbare Energie ist besonders hoch, da keine Abwärme entsteht. Im Gegensatz zur stromgeführten Kraft-Wärme-Kopplung wird der Strom immer nur dann erzeugt, wenn auch die Wärme genutzt werden kann (Wärmeführung). Es wird keine nichtnutzbare Überschusswärme erzeugt. Entsprechend ist keine Kühlung des Arbeitsmittels erforderlich. Der Wärmebedarf kann bei unterschiedlichen Temperaturniveaus entstehen. Bei einer variablen Wärmeauskopplung auf verschiedenen Temperaturniveaus ist es möglich, die gesamte erzeugte Wärme zu nutzen.As a result, the device is universally applicable and can always provide heat and electricity in an amount and in a ratio, as queried. The use of different types of energy, namely heat and electricity, always makes it possible to achieve an optimal CO ₂ balance. The usable energy generated from the fuel is particularly high because no waste heat is generated. In contrast to the current-driven cogeneration, the electricity is only ever generated if the heat can also be used (heat transfer). No unusable surplus heat is generated. Accordingly, no cooling of the working fluid is required. The heat requirement can arise at different temperature levels. With a variable heat extraction at different temperature levels, it is possible to use all the heat generated.

Die Vorrichtung ist durch die flexible Temperaturauskopplung an eine Vielzahl von Anwendungen anpassbar. Dies ermöglicht den Vor-Ort-Einsatz und vermeidet Energietransport über lange Strecken. Dadurch können die mit einem Energietransport verbundenen erheblichen Verluste vermieden und die CO₂-Bilanz weiter verbessert werden.The device is adaptable to a variety of applications through the flexible temperature extraction. This allows on-site use and prevents energy transport over long distances. As a result, the significant losses associated with energy transport can be avoided and the CO ₂ balance can be further improved.

Durch die Vielzahl der Anwendungen der Vorrichtung kann diese in großen Stückzahlen hergestellt werden. Dadurch verringert sich der wirtschaftliche Aufwand bei Herstellung und Entwicklung. Due to the variety of applications of the device, these can be produced in large quantities. This reduces the cost of manufacturing and development.

Vorzugsweise expandiert die Expansionsmaschine schmiermittelfrei. Dadurch wird die Umweltverträglichkeit und das wartungsarme Betriebsverhalten der Anordnung weiter gesteigert. Dabei kommt das Arbeitsmedium nicht mit Schmiermittel oder schmierenden Additiven in Berührung. Ablagerungen des Schmiermittels im Arbeitskreislauf werden vermieden.The expansion machine preferably expands without lubricant. As a result, the environmental compatibility and the low-maintenance performance of the arrangement is further increased. The working medium does not come into contact with lubricants or lubricating additives. Deposits of the lubricant in the working cycle are avoided.

Durch geeignete Materialpaarungen kann die Schmierung der Maschine komplett entfallen. Falls sie unvermeidlich ist, z. B. bei der Getriebeeinheit, kann sie sehr umweltfreundlich auf Wasserbasis oder Glykol- z. B. Polyethylenglykolbasis erfolgen. Die umweltbelastende Ölschmierung ist dann nicht mehr erforderlich.By suitable material pairings, the lubrication of the machine can be completely eliminated. If it is unavoidable, z. B. in the gear unit, it can be very environmentally friendly water-based or glycol z. B. polyethylene glycol base done. The polluting oil lubrication is then no longer necessary.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Brenner in eine Brenneranordnung integriert ist, die an unterschiedliche Brennstoffe anpassbar ist. Damit kann die Anordnung an eine größere Anzahl an Anwendungen angepasst werden.In a further embodiment of the invention, the burner is integrated in a burner arrangement which can be adapted to different fuels. Thus, the arrangement can be adapted to a larger number of applications.

Vorzugsweise ist der Brenner ein Porenbrenner oder ein Oberflächenstrahlungsbrenner. Solche Brenner sind bezüglich Stickoxiden (NO_x), Kohlenmonoxid (CO), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und anderen Schadstoffen sehr emissionsarm. Eine solche Vorrichtung ist daher besonders umweltverträglich.Preferably, the burner is a pore burner or a surface radiation burner. Such burners are very low in emissions with respect to nitrogen oxides (NO _x ), carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbons (HC) and other pollutants. Such a device is therefore particularly environmentally friendly.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung sind ein Regelventil und ein Bypass zur Umgehung der Expansionsmaschine vorgesehen, über welchen die ausgekoppelte Wärmemenge steuerbar ist. Dadurch kann energiereiches Arbeitsmittel an der Expansionsmaschine vorbei geleitet werden. Auf diese Weise wird das Verhältnis der ausgekoppelten Wärmeleistung zur Menge des produzierten Stroms erhöht. Durch die Steuerung des Regelventils und durch die Variation der Brennerleistung wird die Temperatur der ausgekoppelten Wärme gesteuert.In one embodiment of the invention, a control valve and a bypass for bypassing the expansion machine are provided, via which the decoupled amount of heat is controllable. As a result, high-energy work equipment can be routed past the expansion machine. In this way, the ratio of the decoupled heat output is increased to the amount of electricity produced. By controlling the control valve and by varying the burner power, the temperature of the heat released is controlled.

Derselbe Dampferzeuger kann – bei Verwendung als Hilfsaggregat in Kraftfahrzeugen – mit den heißen Abgasen des Hauptantriebs beaufschlagt werden. Auf diese Weise werden die Abgaswärmeverluste des Verbrennungsmotors nutzbar gemacht und der Gesamtkraftstoffverbrauch gesenkt. Die Einkopplung der Abwärme des Motors kann ebenfalls durch einen optionalen, nicht dargestellten Zusatzwärmetauscher erfolgen, der vor oder nach dem Dampferzeuger im Arbeitskreis positioniert ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit die Abwärme des Kühlkreislaufs des Hauptantriebs für den Betrieb eines zweiten nicht dargestellten Clausius-Rankine-Prozess zu verwenden, wobei dieser mit einem bei niedrigerer Temperatur siedenden Arbeitsmedium betrieben wird. Der hierbei verwendete Expander sollte dann speziell auf die Betriebscharakteristika des zweiten Arbeitskreis abgestimmt sein und seine gewonnene mechanische Leistung auch auf die Abtriebswelle abgeben.The same steam generator can - when used as an auxiliary unit in motor vehicles - be acted upon by the hot exhaust gases of the main drive. In this way, the exhaust heat losses of the engine can be harnessed and the total fuel consumption reduced. The coupling of the waste heat of the engine can also be done by an optional, not shown, additional heat exchanger, which is positioned before or after the steam generator in the working group. Furthermore, it is possible to use the waste heat of the cooling circuit of the main drive for the operation of a second Clausius Rankine process, not shown, which is operated with a boiling at a lower temperature working medium. The expander used in this case should then be specially tuned to the operating characteristics of the second working group and deliver its mechanical power obtained also on the output shaft.

Mit der Vorrichtung kann zusätzlich zu Wärme und Strom auch mechanische Arbeit auskoppelbar sein. Das erhöht die Anzahl der Einsatzmöglichkeiten der Anordnung.The device can be coupled out in addition to heat and electricity and mechanical work. This increases the number of possible uses of the arrangement.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind alle Komponenten so ausgebildet, dass die Vorrichtung im wesentlichen aus drei kompakte Einheiten, nämlich einer Speisewasser-Einheit, einer Brenner-Dampferzeuger-Einheit und einer Expansion- und Stromerzeugereinheit besteht, welche separat voneinander angeordnet sind. Bei einer solchen Anordnung sind die einzelnen Einheiten zum Beispiel für Service-Zwecke leicht zugänglich. Weiterhin wird der heiße Teil von den übrigen Teilen getrennt, so dass auf eine aufwendige Isolierung verzichtet werden kann. Wenn die Speisewasser-Einheit unten angeordnet ist, kann in ausgeschaltetem Zustand kein flüssiges Arbeitsmittel in die Expansionsmaschine laufen. Die Trennung der einzelnen Module ermöglicht aber auch den Einbau an unterschiedlichen Stellen zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug, wo nur wenig Raum vorhanden ist, so dass die Raumausnutzung verbessert wird.In one embodiment of the invention, all components are designed so that the device consists essentially of three compact units, namely a feedwater unit, a burner-steam generator unit and an expansion and power generator unit, which are arranged separately from each other. With such an arrangement, the individual units are easily accessible for service purposes, for example. Furthermore, the hot part is separated from the other parts, so that can be dispensed with a complex insulation. When the feedwater unit is located at the bottom, no liquid working fluid can run into the expansion machine when switched off. The separation of the individual modules but also allows installation at different locations, for example in a motor vehicle, where only little space is available, so that the space utilization is improved.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Nutzung der Kondensationswärme für den Betrieb einer Absorptionswärmepumpe vorgesehen. Dann kann neben Wärme und Strom auch Kälte zur Klimatisierung bereitgestellt werden. Insbesondere bei Verwendung der Anordnung in einem Gebäudeheizungssystem kann ist dies besonders dann sinnvoll, wenn kein Wärmebedarf vorhanden ist, die Wärme und Strom produzierende Maschine dennoch betrieben werden soll. In diesem Fall erfolgt die Regelung bei Kühlbedarf analog der Regelung eines Wärmebedarfs, da für die Kälteerzeugung obiger Art eine Wärmelast anfällt.In one embodiment of the invention, means for utilizing the heat of condensation for the operation of an absorption heat pump are provided. Then, in addition to heat and electricity and cold air conditioning can be provided. In particular, when using the arrangement in a building heating system, this is particularly useful if no heat demand is present, the heat and electricity producing machine should still be operated. In this case, the control of cooling demand is analogous to the regulation of a heat demand, since a heat load is generated for the cooling of the above type.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Zwei Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. Two embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 ist eine schematische Darstellung eines Kreisprozesses zur Erzeugung von Wärme und Strom in Kraftfahrzeugen 1 is a schematic representation of a cycle process for the production of heat and electricity in motor vehicles

2 ist eine schematische Darstellung eines Kreisprozesses zur Erzeugung von Wärme und Strom in Gebäuden 2 is a schematic representation of a cycle process for generating heat and electricity in buildings

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1. Hilfsaggregat in Kraftfahrzeugen1. Auxiliary unit in motor vehicles

In 1 ist ein Kreisprozess zur Erzeugung von Wähne und Strom in Kraftfahrzeugen schematisch dargestellt. Der Kreisprozess ist Teil eines allgemein als APU (Auxiliary Power Unit) bezeichneten Hilfsaggregats. Das Hilfsaggregat dient nicht dem Fahrzeugantrieb, sondern der Versorgung des Kraftfahrzeugs mit Wärme und Strom. Der Strom wird für diverse Funktionen wie Zündung, Radio, Fensterheber, Alarmanlage, Klimaanlage und dergleichen benötigt. Der Strombedarf in modernen Fahrzeugen ist durch die Automatisierung vieler Vorgänge stark angestiegen. Die Stromversorgung aus der Autobatterie ist nicht dabei mehr ausreichend oder energetisch sinnvoll. Das Hilfsaggregat ersetzt oder ergänzt damit die bisherige Strom- und Wärmeversorgung in Kraftfahrzeugen.In 1 is a circular process for the production of Wähne and electricity in motor vehicles shown schematically. The cycle is part of an auxiliary device commonly referred to as the APU (Auxiliary Power Unit). The auxiliary unit is not the vehicle drive, but the supply of the motor vehicle with heat and electricity. The power is needed for various functions such as ignition, radio, power windows, alarm, air conditioning and the like. The power requirement in modern vehicles has risen sharply due to the automation of many processes. The power supply from the car battery is no longer sufficient or makes energy sense. The auxiliary unit replaces or complements the previous power and heat supply in motor vehicles.

Der mit 10 bezeichnete Kreisprozess umfasst zunächst ein Brennersystem 12. Das Brennersystem 12 besteht im wesentlichen aus einer Brennstoffversorgung 14, einem Brennstoff-Regelventil 16, einem Brenner 18 und einem Gebläse 20 und den entsprechenden Zuführungen. Mit dem Brennstoff-Regelventil 16 wird die Brennstoff-Zufuhr aus einem Brennstofftank zu dem Brenner 18 geregelt. Mit dem Gebläse 20 wird die Luftzufuhr geregelt. Der Brennstoff wird mit der Luft zu heißem Rauchgas verbrannt. Der Brenner ist ein extrem emissionsarmer Porenbrenner, wie er z. B. in der DE 43 22 109 C2 beschrieben ist, oder ein Oberflächenstrahlungsbrenner. Ein solcher Brenner kann je nach Ausgestaltung mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Brennstoffen arbeiten. Insbesondere erneuerbare Brennstoffe, wie pflanzliche Öle oder Biogas können neben herkömmlichem Benzin oder Brenngas mit diesem Brenner verwendet werden.The one with 10 designated cycle process initially includes a burner system 12 , The burner system 12 consists essentially of a fuel supply 14 , a fuel control valve 16 , a burner 18 and a blower 20 and the corresponding feeders. With the fuel control valve 16 the fuel supply from a fuel tank becomes the burner 18 regulated. With the fan 20 the air supply is regulated. The fuel is burned with the air to hot flue gas. The burner is an extremely low emission pore burner, as he z. B. in the DE 43 22 109 C2 or a surface radiation burner. Such a burner can work with a variety of different fuels depending on the design. In particular, renewable fuels such as vegetable oils or biogas can be used alongside conventional gasoline or fuel gas with this burner.

Das schadstoffarme Rauchgas beaufschlagt einen Dampferzeuger 22. Dies ist durch einen Pfeil 24 dargestellt. Mittels einer Speisewasserpumpe 26 wird Arbeitsmedium durch den Dampferzeuger 22 gepumpt. Das Arbeitsmedium ist Wasser, dem Frostschutz-Zusätze zugegeben sind. In dem Dampferzeuger 22 wird Wärme von dem Rauchgas auf das Arbeitsmedium übertragen. Die Temperatur des Arbeitsmediums hinter dem Dampferzeuger 22 wird mit einem Temperaturfühler 28 erfasst. Das unter hohem Druck stehende Arbeitsmedium wird durch ein Dampfregelventil 30 geleitet. Das Dampfregelventil 30 leitet das Arbeitsmedium entweder direkt über einen Bypass 32 oder über einen Expander 34 zum Kühlkreislauf 36 des Fahrzeugs.The low-emission flue gas acts on a steam generator 22 , This is by an arrow 24 shown. By means of a feedwater pump 26 becomes working medium through the steam generator 22 pumped. The working medium is water to which antifreeze additives have been added. In the steam generator 22 Heat is transferred from the flue gas to the working medium. The temperature of the working medium behind the steam generator 22 comes with a temperature sensor 28 detected. The high pressure working medium is passed through a steam control valve 30 directed. The steam control valve 30 directs the working fluid either directly via a bypass 32 or via an expander 34 to the cooling circuit 36 of the vehicle.

In dem Expander 34 wird das unter hohem Druck stehende heiße Arbeitsmittel unter Abgabe von Arbeit expandiert. Der Druck wird mittels eines Druckmessers 44 hinter dem Dampfregelventil 30 erfasst. Der Expander 34 ist ein Rotation- oder ein Hubkolbenexpander. Die Abtriebswelle 42 des Expanders treibt einen Generator 38 an. Mit dem Generator 38 wird Strom erzeugt. Der Strom deckt über einen Laderegler 46 den aktuellen Strombedarf oder lädt die Batterie 48.In the expander 34 For example, the high pressure hot working fluid is expanded while releasing work. The pressure is measured by means of a pressure gauge 44 behind the steam control valve 30 detected. The expander 34 is a rotary or reciprocating expander. The output shaft 42 the expander drives a generator 38 at. With the generator 38 electricity is generated. The electricity covers a charge controller 46 the current power requirement or charge the battery 48 ,

Weiterhin wird der Kompressor 40 einer Klimaanlage von der Abtriebswelle 42 angetrieben, wenn von der Klimasteuerung ein entsprechendes Steuersignal kommt.Furthermore, the compressor 40 an air conditioner from the output shaft 42 driven when the climate control a corresponding control signal comes.

Das heiße Arbeitsmedium wird direkt oder nach der Expansion durch einen Kondensator 50 geleitet. Der Kondensator 50 wird von dem Kraftfahrzeug-Kühlkreis gekühlt. Das Arbeitsmedium des Kühlkreises 36 läuft von der Heizeinrichtung des Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) zum Kondensator (Rücklauf 54). Am Kondensator wird Wärme auf das Arbeitsmedium des Kühlkreises 36 übertragen. Dann wird es zur Heizeinrichtung des Kraftfahrzeuges geleitet (Vorlauf 52), wo es die Wärme nach außen und/oder in den Fahrgastraum abgibt. Die Temperatur des Vorlaufs 52 des Kühlkreises wird mittels eines Temperaturfühlers 56 gemessen.The hot working medium is directly or after expansion by a condenser 50 directed. The capacitor 50 is cooled by the motor vehicle cooling circuit. The working medium of the cooling circuit 36 runs from the heater of the motor vehicle (not shown) to the condenser (return 54 ). At the condenser heat is transferred to the working medium of the cooling circuit 36 transfer. Then it is passed to the heater of the motor vehicle (flow 52 ), where it releases the heat to the outside and / or into the passenger compartment. The temperature of the flow 52 the cooling circuit is by means of a temperature sensor 56 measured.

Hinter dem Kondensator 50 wird der Druck und die Temperatur des auf ein niedrigeres Druckniveau expandierten und gekühlten Arbeitsmediums des Dampfkreisprozesses 10 gemessen. Hierfür ist ein Druckmesser 58 und ein Temperaturfühler 60 vorgesehen. Das Arbeitsmedium gelangt danach in einen Tank 62, wo es gesammelt wird und wieder für den Kreisprozess zur Verfügung steht. Die Temperatur des Arbeitsmediums im Tank 62 wird mittels eines Temperaturfühlers 64 gemessen. Vom Tank 62 aus wird das Arbeitsmedium wieder mit der Speisewasserpumpe 26 auf ein höheres Druckniveau gebracht, das mit einem Druckmesser 66 erfasst wird.Behind the capacitor 50 is the pressure and temperature of the expanded and cooled working medium of the steam cycle process to a lower pressure level 10 measured. For this is a pressure gauge 58 and a temperature sensor 60 intended. The working medium then enters a tank 62 where it is collected and available again for the cycle. The temperature of the working fluid in the tank 62 is by means of a temperature sensor 64 measured. From the tank 62 the working medium is switched off again with the feedwater pump 26 brought to a higher pressure level, with a pressure gauge 66 is detected.

Der gesamte Kreisprozess 10 wird von einer Steuereinheit 68 gesteuert. Die Steuereinheit 68 erfasst die für die Prozesssteuerung erforderlichen Daten und liefert an ihren Ausgängen die Steuergrößen zur Regelung des Prozesses.The entire cycle 10 is from a control unit 68 controlled. The control unit 68 collects the data required for process control and supplies at its outputs the control variables for controlling the process.

Die Regelung erfolgt folgendermaßen:
Über ein Klimagerät 70 im Kraftfahrzeugs wird die Temperaturanforderung im Fahrgastraum eingestellt. Die Temperaturanforderung kann eine Wärme- oder Kälteanforderung sein und repräsentiert den Wärmebedarf. Die Temperaturanforderung wird über eine Zuleitung 72 der Steuereinheit 68 zugeleitet. Nach Erhalt dieses Signals wird über die Zuleitung 74 am Ausgang der Steuereinheit das Gebläse 20 eingeschaltet. Die Gebläsedrehzahl wird dabei auf einen Anfangswert für den Luftstrom eingestellt. Weiterhin wird über die Zuleitung 73 am Ausgang der Steuereinheit die Brennstoffzufuhr am Brennstoffregelventil 16 auf einen Anfangswert gestellt. Anschließend wird der Brenner 18 gezündet. Weiterhin wird über die Zuleitung 88 die Speisewasserpumpe 26 gestartet und auf einen ausgewählten, festen Arbeitsmedium-Massenstrom geregelt. Die Speisewasserpumpe 26 gewährleistet, dass der Druck im Hochdruckteil des Kreisprozesses auf dem gewünschten Wert bleibt.The regulation is as follows:
About an air conditioner 70 in the motor vehicle, the temperature requirement is set in the passenger compartment. The temperature request may be a heat or refrigeration request and represents the heat demand. The temperature requirement is via a supply line 72 the control unit 68 fed. Upon receipt of this signal is via the supply line 74 at the output of the control unit the fan 20 switched on. The fan speed is set to one Initial value set for the airflow. Furthermore, via the supply line 73 at the output of the control unit, the fuel supply to the fuel control valve 16 set to an initial value. Subsequently, the burner 18 ignited. Furthermore, via the supply line 88 the feedwater pump 26 started and regulated to a selected, solid working medium mass flow. The feed water pump 26 ensures that the pressure in the high-pressure part of the cycle remains at the desired value.

Während der Startphase ist das Dampfregelventil 30 so eingestellt, dass der gesamte Massenstrom am Expander 34 vorbei über den Bypass 32 direkt zum Kondensator 50 geleitet wird. Während des Startvorgangs wird das Arbeitsmedium auf die Arbeitstemperaturen aufgeheizt. Diese werden mit den Temperaturfühlern 28, 56, 60 und 64 erfasst und die entsprechenden Temperaturwerte der Steuereinheit 68 über zugehörige Zuleitungen 78, 80, 82 und 84 zugeführt. Nach Erreichen der Arbeitstemperaturen wird die Brennerleistung so eingeregelt, dass die Temperatur am Temperaturfühler 28 die gewünschte Betriebstemperatur ist. Die Brennerleistung wird über die Brennersteuerung geregelt, d. h. über die Drehzahl des Gebläses 20 und das Brennstoffregelventil 16.During the startup phase is the steam control valve 30 adjusted so that the entire mass flow on the expander 34 over the bypass 32 directly to the capacitor 50 is directed. During the starting process, the working medium is heated to the working temperatures. These are with the temperature sensors 28 . 56 . 60 and 64 recorded and the corresponding temperature values of the control unit 68 via associated supply lines 78 . 80 . 82 and 84 fed. After reaching the operating temperatures, the burner output is adjusted so that the temperature at the temperature sensor 28 the desired operating temperature is. The burner output is controlled by the burner control, ie by the speed of the blower 20 and the fuel control valve 16 ,

Sobald die Betriebstemperatur stabil eingeregelt ist, kann das Dampfregelventil 30 den Weg zum Expander 34 freigeben. Die bisher genutzte, direkte Verbindung über den Bypass 32 zum Kondensator 50 wird dann ganz oder teilweise geschlossen. Auf diese Weise kann die Temperatur am Kondensator, die mit dem Temperaturfühler 60 erfasst wird, eingestellt werden. Über die Temperatur am Kondensator wird auch die mit dem Fühler 56 erfassbare Vorlauftemperatur des Kühlkreises 36 einstellbar. Sollte die Wärmeableitung über den Kühlreislauf 36 nicht ausreichen so steigt die Temperatur am Temperaturfühler 60. Die Steuereinheit 68 reagiert darauf mit einer Leistungsrücknahme am Brenner. Das bedeutet, dass die Gebläsedrehzahl und die Brennstoffzufuhr verringert werden. Damit wird die Leistung immer auf die Maximalleistung des Wärmeabtransportes eingeregelt.Once the operating temperature is stabilized stable, the steam control valve 30 the way to the expander 34 release. The previously used, direct connection via the bypass 32 to the condenser 50 is then completely or partially closed. In this way, the temperature at the condenser can match that of the temperature sensor 60 is set. About the temperature at the condenser is also the with the sensor 56 detectable flow temperature of the cooling circuit 36 adjustable. Should the heat dissipation through the cooling circuit 36 not enough so the temperature rises at the temperature sensor 60 , The control unit 68 reacts to this with a return of power at the burner. This means that the fan speed and the fuel supply are reduced. Thus, the power is always adjusted to the maximum power of heat dissipation.

Der Expander 34 wird bei entsprechender Einstellung des Dampfregelventils 30 mit Arbeitsmedium beaufschlagt, das unter hohem Druck steht. Dieser Druck wird mit dem Druckmesser 44 erfasst. Das Arbeitsmedium wird im Expander 34 auf ein niedrigeres Druckniveau entspannt. Dieser Druck wird mit dem Druckmesser 58 erfasst und über eine Leitung 86 an die Steuereinheit weitergegeben. Die Regelung der Druckniveaus erfolgt über die Pumpendrehzahl Speisewasserpumpe 26 über eine Steuerleitung 88. Die Expansion des Arbeitsmediums erfolgt unter Abgabe mechanischer Leistung, die vom Generator 38 oder über den Kompressor 40 abgegriffen wird. Die Drehzahl der Abtriebswelle 42 kann durch eine elektrische Lastregelung an dem Generator geregelt werden, oder sie kann sich durch entsprechend abgestimmte Moment-Drehzahl-Kennlinien der mechanischen Lastmaschinen frei einstellen.The expander 34 is with appropriate setting of the steam control valve 30 subjected to working medium, which is under high pressure. This pressure is measured with the pressure gauge 44 detected. The working medium is in the expander 34 relaxed to a lower pressure level. This pressure is measured with the pressure gauge 58 recorded and via a line 86 passed on to the control unit. The control of the pressure levels via the pump speed feedwater pump 26 via a control line 88 , The expansion of the working medium takes place under delivery of mechanical power from the generator 38 or over the compressor 40 is tapped. The speed of the output shaft 42 can be controlled by an electrical load control on the generator, or it can be adjusted freely by appropriately tuned torque-speed characteristics of the mechanical load machines.

Alternativ erfolgt ein Sollwert-Vergleich mit der erzeugten mechanischen oder elektrischen Leistung und einer angepassten Brennereinstellung. Eine elektrische Leistungsanforderung kommt dabei vom Laderegler 46 der Batterie. Der Strombedarf wird über eine Zuleitung 90 an die Steuereinheit 68 geleitet. Eine weitere Leistungsanforderung kann über die Klimasteuerung 70 kommen, wenn der Fahrgastraum nicht geheizt, sondern gekühlt werden soll. Dann wird die vom Expander erzeugte Wellenarbeit vom mechanischen Kompressor der Klimaanlage abgegriffen. Auch der Wärmebedarf, wenn der Fahrgastraum geheizt werden soll, wird von der Klimasteuerung 70 über die Zuleitung 72 an die Steuereinheit 68 weitergeleitet.Alternatively, a nominal value comparison is made with the generated mechanical or electrical power and an adapted burner setting. An electrical power requirement comes from the charge controller 46 the battery. The power requirement is via a supply line 90 to the control unit 68 directed. Another performance requirement can be via the climate control 70 come when the passenger compartment is not heated, but cooled. Then the wave work generated by the expander is picked up by the mechanical compressor of the air conditioner. The heat demand, if the passenger compartment is to be heated, is from the climate control 70 over the supply line 72 to the control unit 68 forwarded.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) erfolgt die Klimatisierung mit einer Absortionskälteanlage. Dabei wird die am Kondensator anfallende Wärme in der Absorbtionskälteanlage verwendet. Diese wird bei Kühlungsbedarf durch eine erhöhte Wärmeabgabe am Kondensator durch die Steuereinheit des Hilfsaggregats realisiert.In an alternative embodiment (not shown), the air conditioning is done with a Absortionskälteanlage. The heat generated at the condenser is used in the absorption refrigeration system. This is realized in cooling demand by an increased heat transfer to the capacitor by the control unit of the auxiliary unit.

2. Kraftwärmekopplung in Gebäuden2. Combined heat in buildings

In 2 ist ein Kreisprozess zur Erzeugung von Wärme und Strom in Gebäuden schematisch dargestellt. Die Anordnung dient nicht vornehmlich zur Gebäudeheizung, wobei die Erzeugung von Strom ein Nebenprodukt darstellt. Der Strom wird dann entweder in das öffentliche Stromnetz eingespeist oder direkt den Verbrauchern zur Verfügung gestellt.In 2 is a circuit process for the generation of heat and electricity in buildings shown schematically. The arrangement is not primarily for building heating, wherein the generation of electricity is a by-product. The electricity is then either fed into the public grid or provided directly to the consumers.

Der mit 110 bezeichnete Kreisprozess umfasst zunächst ein Brennersystem 112. Das Brennersystem 112 besteht im wesentlichen aus einer Brennstoffversorgung 114, einem Brennstoff-Regelventil 116, einem Brenner 118 und einem Gebläse 120 und den entsprechenden Zuführungen. Mit dem Brennstoff-Regelventil 116 wird die Brennstoff-Zufuhr aus einem Brennstofftank zu dem Brenner 118 geregelt. Mit dem Gebläse 120 wird die Luftzufuhr geregelt. Der Brennstoff wird mit der Luft zu heißem Rauchgas verbrannt. Der Brenner ist ein extrem emissionsarmer Porenbrenner, wie er z. B. in der DE 43 22 109 C2 beschrieben ist, oder ein Oberflächenstrahlungsbrenner. Ein solcher Brenner kann je nach Ausgestaltung mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Brennstoffen arbeiten. Insbesondere erneuerbare Brennstoffe, wie pflanzliche Öle oder Biogas können neben herkömmlichem Benzin oder Brenngas mit diesem Brenner verwendet werden.The one with 110 designated cycle process initially includes a burner system 112 , The burner system 112 consists essentially of a fuel supply 114 , a fuel control valve 116 , a burner 118 and a blower 120 and the corresponding feeders. With the fuel control valve 116 the fuel supply from a fuel tank becomes the burner 118 regulated. With the fan 120 the air supply is regulated. The fuel is burned with the air to hot flue gas. The burner is an extremely low emission pore burner, as he z. B. in the DE 43 22 109 C2 or a surface radiation burner. Such a burner can work with a variety of different fuels depending on the design. In particular, renewable fuels, such as vegetable oils or Biogas can be used alongside conventional gasoline or fuel gas with this burner.

Das schadstoffarme Rauchgas beaufschlagt einen Dampferzeuger 122 und einen Wärmeübertrager 123. Dies ist durch einen Pfeil 124 dargestellt. Mittels einer Speisewasserpumpe 126 wird Arbeitsmedium zunächst durch den Dampferzeuger 122 gepumpt. Das Arbeitsmedium ist Wasser, dem Frostschutz-Zusätze zugegeben sind. In dem Dampferzeuger 122 wird Wärme von dem Rauchgas auf das Arbeitsmedium übertragen. Die Temperatur des Arbeitsmediums hinter dem Dampferzeuger 122 wird mit einem Temperaturfühler 128 erfasst. Das unter hohem Druck stehende Arbeitsmedium wird durch ein Dampfregelventil 130 geleitet. Das Dampfregelventil 130 leitet das Arbeitsmedium entweder direkt über einen Bypass 132 oder über eine Expanderanordnung aus zwei Expandern 133 und 134 zum Kühlkreislauf 136 des Fahrzeugs.The low-emission flue gas acts on a steam generator 122 and a heat exchanger 123 , This is by an arrow 124 shown. By means of a feedwater pump 126 Working fluid is first through the steam generator 122 pumped. The working medium is water to which antifreeze additives have been added. In the steam generator 122 Heat is transferred from the flue gas to the working medium. The temperature of the working medium behind the steam generator 122 comes with a temperature sensor 128 detected. The high pressure working medium is passed through a steam control valve 130 directed. The steam control valve 130 directs the working fluid either directly via a bypass 132 or via an expander assembly of two expanders 133 and 134 to the cooling circuit 136 of the vehicle.

In der Expanderanordnung wird das unter hohem Druck stehende heiße Arbeitsmittel unter Abgabe von Leistung expandiert. Dabei handelt es sich um eine zweistufige Expansion. Zwischen dem ersten Expander 133 und dem zweiten Expander 134 wird das dampfförmige Arbeitsmittel nochmals durch einen Wärmeübertrager 123 geleitet, in dem die Restwärme des Rauchgases auf das Arbeitsmedium übertragen wird und somit eine Zwischenüberhitzung erfolgt.In the expander assembly, the high pressure hot working fluid is expanded while releasing power. This is a two-stage expansion. Between the first expander 133 and the second expander 134 the vaporous working fluid is again through a heat exchanger 123 passed, in which the residual heat of the flue gas is transferred to the working fluid and thus takes place a reheat.

Die Expander 133 und 134 sind Hub- oder Rotationskolbenexpander. Die Abtriebswelle 135 der Expander treibt einen Generator 138 an. Mit dem Generator 138 wird Strom erzeugt. Der Strom wird über eine Konverteranordnung 140, bestehend aus zwei Stromumrichtern 139 und 141, und einen Stromzähler 143 dem Gebäude zur Verfügung gestellt. Der Stromzähler 143 erfasst den erzeugten, nicht den verbrauchten Strom. Neben der Bereitstellung des Stroms für das Gebäude an einem Anschluss 145 besteht die Möglichkeit zusätzlich benötigten Strom über einen Stromzähler 146 aus dem öffentlichen Netz 148 zu beziehen. Umgekehrt besteht auch die Möglichkeit, den erzeugten Strom in das öffentliche Netz einzuspeisen, wenn dieser die Hauslast übersteigt. Der Strombedarf wird mit einem Strommesser 147 ermittelt und über eine Zuleitung 190 an eine Steuereinheit 168 weitergeleitet.The expander 133 and 134 are reciprocating or rotary piston expanders. The output shaft 135 the expander drives a generator 138 at. With the generator 138 electricity is generated. The current is via a converter arrangement 140 , consisting of two power converters 139 and 141 , and an electricity meter 143 provided to the building. The electricity meter 143 detects the generated, not the consumed electricity. In addition to providing the electricity for the building at a terminal 145 There is the possibility of additionally required electricity via an electricity meter 146 from the public network 148 to acquire. Conversely, it is also possible to feed the electricity generated into the public grid if it exceeds the house load. The power requirement is with an ammeter 147 determined and via a supply line 190 to a control unit 168 forwarded.

Das heiße Arbeitsmedium wird direkt oder nach der Expansion durch einen Kondensator 150 geleitet. Der Kondensator 150 wird von dem Kühlkreis der Heizungsanlage gekühlt. Das Arbeitsmedium des Kühlkreises 136 läuft von der Gebäudeheizung (nicht dargestellt) zum Kondensator (Rücklauf 154). Am Kondensator wird Wärme auf das Arbeitsmedium des Kühlkreises 136 übertragen. Dann wird es zur Heizungsanlage geleitet (Vorlauf 152), wo es die Wähne im Gebäude abgibt. Die Temperatur des Vorlaufs 152 des Kühlkreises wird mittels eines Temperaturfühlers 156 gemessen. Hinter dem Kondensator 150 wird der Druck und die Temperatur des auf ein niedrigeres Druckniveau expandierten und gekühlten Arbeitsmediums des Dampfkreisprozesses 110 gemessen. Hierfür ist ein Druckmesser 158 und ein Temperaturfühler 160 vorgesehen.The hot working medium is directly or after expansion by a condenser 150 directed. The capacitor 150 is cooled by the cooling system of the heating system. The working medium of the cooling circuit 136 runs from the building heating (not shown) to the condenser (return 154 ). At the condenser heat is transferred to the working medium of the cooling circuit 136 transfer. Then it is directed to the heating system (flow 152 ), where it gives the wisps in the building. The temperature of the flow 152 the cooling circuit is by means of a temperature sensor 156 measured. Behind the capacitor 150 is the pressure and temperature of the expanded and cooled working medium of the steam cycle process to a lower pressure level 110 measured. For this is a pressure gauge 158 and a temperature sensor 160 intended.

Das Arbeitsmedium gelangt danach in einen Tank 162, wo es gesammelt wird und wieder für den Kreisprozess zur Verfügung steht. Die Temperatur des Arbeitsmediums im Tank 162 wird mittels eines Temperaturfühlers 164 gemessen. Vom Tank 162 aus wird das Arbeitsmedium wieder mit der Speisewasserpumpe 126 auf ein höheres Druckniveau gebracht, das mit einem Druckmesser 166 erfasst wird.The working medium then enters a tank 162 where it is collected and available again for the cycle. The temperature of the working fluid in the tank 162 is by means of a temperature sensor 164 measured. From the tank 162 the working medium is switched off again with the feedwater pump 126 brought to a higher pressure level, with a pressure gauge 166 is detected.

Der gesamte Kreisprozess 110 wird von einer Steuereinheit 168 gesteuert. Die Steuereinheit 168 erfasst die für die Prozesssteuerung erforderlichen Daten und liefert an ihren Ausgängen die Steuergrößen zur Regelung des Prozesses.The entire cycle 110 is from a control unit 168 controlled. The control unit 168 collects the data required for process control and supplies at its outputs the control variables for controlling the process.

Die Regelung erfolgt folgendermaßen:
Über den Heizungsregler 170 wird die Temperaturanforderung eingestellt. Die Temperaturanforderung repräsentiert zusammen mit der aktuellen Temperatur den Wärmebedarf. Die Temperaturanforderung wird über eine Zuleitung 172 der Steuereinheit 168 zugeleitet. Nach Erhalt dieses Signals wird über die Zuleitung 174 am Ausgang der Steuereinheit das Gebläse 120 eingeschaltet. Die Gebläsedrehzahl wird dabei auf einen Anfangswert für den Luftstrom eingestellt. Weiterhin wird über die Zuleitung 176 am Ausgang der Steuereinheit die Brennstoffzufuhr am Brennstoffregelventil 116 auf einen Anfangswert gestellt. Anschließend wird der Brenner 118 gezündet. Weiterhin wird die Speisewasserpumpe 126 über die Zuleitung 188 gestartet und auf einen ausgewählten, festen Arbeitsmedium-Massenstrom geregelt. Die Speisewasserpumpe 126 gewährleistet, dass der Druck im Hochdruckteil des Kreisprozesses auf dem gewünschten Wert bleibt.The regulation is as follows:
About the heating controller 170 the temperature requirement is set. The temperature requirement together with the current temperature represents the heat requirement. The temperature requirement is via a supply line 172 the control unit 168 fed. Upon receipt of this signal is via the supply line 174 at the output of the control unit the fan 120 switched on. The fan speed is set to an initial value for the air flow. Furthermore, via the supply line 176 at the output of the control unit, the fuel supply to the fuel control valve 116 set to an initial value. Subsequently, the burner 118 ignited. Furthermore, the feedwater pump 126 over the supply line 188 started and regulated to a selected, solid working medium mass flow. The feed water pump 126 ensures that the pressure in the high-pressure part of the cycle remains at the desired value.

Während der Startphase und bei reinem Heizungsbetrieb ohne Stromabnahme ist das Dampfregelventil 130 über die Zuleitung 175 so eingestellt, dass der gesamte Massenstrom an den Expandern 133 und 134 vorbei über den Bypass 132 direkt zum Kondensator 150 geleitet wird. Während des Startvorgangs und im reinen Heizungsbetrieb wird das Arbeitsmedium auf die Arbeitstemperaturen aufgeheizt. Diese werden mit den Temperaturfühlern 128, 156, 160 und 164 erfasst und die entsprechenden Temperaturwerte der Steuereinheit 168 über zugehörige Zuleitungen 178, 180, 182 und 184 zugeführt. Nach Erreichen der Arbeitstemperaturen wird die Brennerleistung so eingeregelt, dass die Temperatur am Temperaturfühler 128 die gewünschte Betriebstemperatur ist. Die Brennerleistung wird über die Brennersteuerung geregelt, d. h. über die Gebläsedrehzahl und das Brennstoffregelventil.During the starting phase and in pure heating mode without power take-off is the steam control valve 130 over the supply line 175 adjusted so that the entire mass flow on the expanders 133 and 134 over the bypass 132 directly to the capacitor 150 is directed. During start-up and in pure heating mode, the working fluid is heated to the working temperatures. These are with the temperature sensors 128 . 156 . 160 and 164 recorded and the corresponding temperature values of the control unit 168 via associated supply lines 178 . 180 . 182 and 184 fed. After reaching the operating temperatures, the burner output is adjusted so that the temperature at the temperature sensor 128 the desired operating temperature is. The burner output is controlled by the burner control, ie via the blower speed and the fuel control valve.

Sobald die Betriebstemperatur stabil eingeregelt ist, kann das Dampfregelventil 130 bei Strombedarf den Weg zur Expanderanordnung freigeben. Die bisher genutzte, direkte Verbindung über den Bypass 132 zum Kondensator 150 wird dann ganz oder teilweise geschlossen. Auf diese Weise kann die Temperatur am Kondensator, die mit dem Temperaturfühler 160 erfasst wird, eingestellt werden. Über die Temperatur am Kondensator wird auch die mit dem Fühler 156 erfassbare Vorlauftemperatur des Kühlkreises 136 einstellbar. Sollte die Wärmeabfrage über den Kühlkreislauf 136 nicht ausreichen so wird die Brennerleistung gesenkt. Das bedeutet, dass das Gebläsedrehzahl und die Brennstoffzufuhr verringert werden. Damit wird die Leistung immer an die abgefragte Wärmemenge angepasst.Once the operating temperature is stabilized stable, the steam control valve 130 When power is needed, clear the way to the expander assembly. The previously used, direct connection via the bypass 132 to the condenser 150 is then completely or partially closed. In this way, the temperature at the condenser can match that of the temperature sensor 160 is set. About the temperature at the condenser is also the with the sensor 156 detectable flow temperature of the cooling circuit 136 adjustable. Should the heat demand on the cooling circuit 136 not enough so the burner output is lowered. This means that the fan speed and the fuel supply are reduced. Thus, the performance is always adapted to the requested amount of heat.

Der Expander 133 und 134 wird bei entsprechender Einstellung des Dampfregelventils 130 mit Arbeitsmedium beaufschlagt, das unter hohem Druck steht. Dieser Druck wird mit dem Druckmesser 144 erfasst. Das Arbeitsmedium wird im Expander 133 auf ein mittleres Druckniveau entspannt. Bevor es im Expander 134 bis auf den Kondensationsdruck entspannt wird, erfahrt es eine Zwischenerhitzung im Wärmetauscher 123. Der Kondensationsdruck wird mit dem Druckmesser 158 erfasst und über eine Leitung 186 an die Steuereinheit 168 weitergegeben. Die Regelung der Druckniveaus erfolgt über die Pumpendrehzahl Speisewasserpumpe 126 über eine Steuerleitung 188. Die Expansion des Arbeitsmediums erfolgt unter Abgabe mechanischer Leistung, die vom Generator 138 abgegriffen wird.The expander 133 and 134 is with appropriate setting of the steam control valve 130 subjected to working medium, which is under high pressure. This pressure is measured with the pressure gauge 144 detected. The working medium is in the expander 133 relaxed to a medium pressure level. Before it in the expander 134 is relaxed to the condensation pressure, it experiences a Zwischenerhitzung in the heat exchanger 123 , The condensation pressure is measured with the pressure gauge 158 recorded and via a line 186 to the control unit 168 passed. The control of the pressure levels via the pump speed feedwater pump 126 via a control line 188 , The expansion of the working medium takes place under delivery of mechanical power from the generator 138 is tapped.

Die beschriebene Kraft-Wärme-Kopplungsanlage kann nun in drei unterschiedlichen Betriebsarten betrieben werden:

– Wärmegeführter Betrieb bei maximalem elektrischen Wirkungsgrad Bei diesem Betrieb wird das gesamte Arbeitsmittel durch die Expanderanordnung geleitet. Überschüssiger Strom wird dann in das öffentliche Stromnetz eingespeist.
– Wärmegeführter Betrieb unter Abdeckung der elektrischen Hauslast Bei diesem Betrieb wird immer nur soviel Arbeitsmittel durch die Expanderanordnung geleitet, wie zur Deckung der Hauslast erforderlich ist. Die übrige erforderliche Wärme wird vom Brenner direkt über den Bypass bereitgestellt.
– Reiner Heizbetrieb. Bei diesem Betrieb wird die gesamte erzeugte Wärme über den Bypass zum Heizungssystem geleitet. Die Expander stehen still. Es erfolgt keine elektrische Leistungsabgabe.

The described combined heat and power plant can now be operated in three different operating modes:

- Heat-driven operation with maximum electrical efficiency In this operation, the entire work equipment is passed through the expander assembly. Excess electricity is then fed into the public grid.
- Heat-controlled operation under cover of the electrical workload In this operation, only as much working fluid is passed through the expander assembly, as required to cover the house load. The remaining heat required is provided by the burner directly through the bypass.
- Pure heating operation. In this operation, all the heat generated is directed through the bypass to the heating system. The expanders are standing still. There is no electric power output.

Die hier dargestellten Ausführungsbeispiele repräsentieren eine Vielzahl von Verwendungen der zugrundeliegenden, modularen Anordnung. So ist die mobile Anwendung nicht auf Personenkraftfahrzeuge beschränkt, sondern kann auf Kühlfahrzeuge, Schiffe, Wohnwagen oder Wohnmobile ausgedehnt werden. Auch die Kraft-Wärme-Kopplung ist nicht nur in der Gebäudetechnik, sondern auch im industriellen oder landwirtschaftlichen Bereich anwendbar, wo sowohl Wärme als auch Strom bereitgestellt werden müssen.The embodiments illustrated herein represent a variety of uses of the underlying modular arrangement. Thus, the mobile application is not limited to passenger cars, but can be extended to refrigerated vehicles, ships, caravans or RVs. Cogeneration is also applicable not only to building services but also to industrial or agricultural applications where both heat and electricity must be provided.

Claims

Device for generating heat and electricity by means of a steam power process ( 10 . 110 ) with external combustion comprising (a) a burner ( 18 ; 118 ) to produce a low-emission hot flue gas; (b) a steam generator ( 22 ; 122 ) for transferring heat from the hot flue gas to a working fluid; (c) a high pressure pump ( 26 ; 126 ) for pumping the working fluid within the steam cycle process; (d) an expansion machine ( 34 ; 133 . 134 ) for relaxation of the working fluid under work performance; (e) a generator ( 38 ; 138 ) for generating electric power; and (f) a capacitor ( 50 ; 150 ) for condensation of the relaxed working fluid; characterized in that (g) means ( 68 . 70 ; 168 . 170 ) are provided for determining the heat and / or electricity demand and (h) the temperature, the pressure and the mass flow of the working medium and the performance of the expansion machine are electrically controlled, so that a demand-adapted, variable heat extraction is made possible at different temperature levels.

Device according to claim 1, characterized in that the expansion machine ( 34 ; 133 . 134 ) expands lubricant-free.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the burner ( 18 . 118 ) in a burner assembly ( 12 ; 112 ), which is adaptable to different fuels.

Apparatus according to claim 3, characterized in that the burner ( 18 ; 118 ) is a pore burner or a surface radiation burner.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a control valve ( 30 ; 130 ) and a bypass ( 32 ; 132 ) for bypassing the expansion machine ( 34 ; 133 . 134 ) are provided, via which the decoupled amount of heat is controllable.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that in addition to heat and electricity and mechanical work can be decoupled.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that all components are formed so that the device consists essentially of three compact units, a feedwater unit, a burner-steam generator unit and an expansion and power generator unit, which are arranged separately are.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that means for utilizing the heat of condensation for the operation of an absorption heat pump are provided.

Use of a device according to one of the preceding claims as an auxiliary unit in vehicles.

Use of a device according to one of claims 1 to 8 for building supply.