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Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher zum Wärmetauschen zwischen einem heißen Abgasstrom und einem Kühlmedium mit einer von dem Kühlmedium durchströmbaren äußeren Kammer und einer in der äußeren Kammer liegenden und von dem heißen Abgasstrom durchströmbaren inneren Kammer, wobei die Außenwand der inneren Kammer der Innenwand der äußeren Kammer zugewandt ist, so dass das die äußere Kammer durchströmende Kühlmittel mit der Außenwand der inneren Kammer zum Wärmetauschen in Kontakt kommt.
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Kraftwerke, die auf Basis von fossilen Brennstoffen elektrische Energie erzeugen, machen sich dabei das Prinzip der Kraftwärmekopplung zu Nutze, indem durch das Verbrennen der fossilen Brennstoffe Wärmeenergie erzeugt wird, die dann zum Antreiben von Generatoren zur Stromerzeugung verwendet wird. Die als eigentliches Zwischenprodukt entstehende Wärmeenergie kann dabei beispielsweise zur Bereitstellung von Warmwasser oder zum Antreiben von Heizungsanlagen verwendet werden, um so den Effizienzgrad des Kraftwerkes zu erhöhen.
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Bei den so genannten Blockheizkraftwerken (BHKW) wird mit Hilfe eines herkömmlichen Verbrennungsmotors, wie er beispielsweise aus dem Automobilbereich bekannt ist, unter Verbrennung von fossilen Brennstoffen, wie beispielsweise Benzin oder Erdgas, mit Hilfe eines an den Verbrennungsmotor angekoppelten Generators elektrische Energie erzeugt, wobei ein Blockheizkraftwerk aufgrund seines modularen Aufbaues und seiner relativ geringen Größe gegenüber konventionellen Kraftwerken gut dazu geeignet ist, die Stromversorgung dezentral für ein oder mehrere begrenzte Haushalte zur Verfügung zu stellen. Wird die bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor entstehende Wärmeenergie nicht ungenutzt gelassen, so kann hierüber auch der Warmwasserbedarf inklusive der Heizungsanlage über ein derartiges dezentral angeordnetes Blockheizkraftwerk sichergestellt werden.
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Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug jedoch, der bei Bewegung des Kraftfahrzeuges allein aufgrund des Fahrtwindes in allen Bereichen gut gekühlt und die Verlustwärme entsprechend abtransportiert werden kann, besteht bei einem Blockheizkraftwerk diese Möglichkeit nicht. Hierfür bedarf es über die Kühlfunktionalität eines herkömmlichen Verbrennungsmotors hinausgehender Kühlmechanismen, um jegliche Teile aufgrund der entstehenden Verlustwärmme auf Betriebstemperatur halten zu können. Dies betrifft insbesondere die Abgasanlage, die bei einem Fahrzeug aufgrund des Fahrtwindes nicht gesondert gekühlt werden muss.
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Aus der
DE 10 2008 025 795 A1 ist beispielsweise ein Abgaswärmetauscher bekannt, bei dem ein Abgasrohr in einem Kühlrohr, das von einem Kühlmittel durchströmt wird, verläuft. Die mit dem heißen Abgasstrom in Kontakt stehenden Rohrwände sind dabei mit einer Nanobeschichtung versehen, damit sich weniger Ablagerungen bilden und somit die Kühlfunktionalität des Abgaswärmetauschers konstant auf hohem Niveau verbleibt.
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Aus der
DE 10 2007 044 980 A1 ist ein ähnlicher Wärmetauscher für Verbrennungsmotoren bekannt, bei dem ebenfalls ein Abgasrohr durch ein Kühlmittelrohr zwecks Wärmetauschung verläuft. Das Abgasrohr weist dabei nach innen vorstehende rippenartige Fortsätze auf, um so die innere Oberfläche des Abgasrohres und somit die Wärmetauschleistung zu erhöhen.
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Auch wenn dezentrale Blockheizkraftwerke eine gute Alternative gegenüber der zentralen Energiebereitstellung durch die großen Energieversorger darstellen, so müssen Blockheizkraftwerke ebenso den strengen ökologischen Richtlinien entsprechen, um durch die Bereitstellung von elektrischer Energie die Umwelt nicht unnötig zu belasten.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Abgaswärmetauscher für Blockheizkraftwerke anzugeben, mit dem die bei der Verbrennung der fossilen Brennstoffe entstehenden Abgase gekühlt, die Wärmeenergie der Abgase anderweitig verwendet und die ökologische Betriebsweise des Blockheizkraftwerkes überwacht werden kann.
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Die Aufgabe wird mit dem Abgaswärmetauscher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die innere Kammer wenigstens einen in eine Öffnung der inneren Kammer eingebrachten Abgasprüfsensor aufweist.
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Demnach wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Abgaswärmetauscher eine innere Kammer aufweist, durch die der heiße Abgasstrom von dem Verbrennungsmotor abgeführt wird, und eine äußere Kammer aufweist, in der die innere Kammer liegt und durch die ein Kühlmedium durchströmen kann, um so die Abgaswärme von der inneren Kammer auf das Kühlmedium zu übertragen. Dadurch wird erreicht, dass die Abgase bspw. auf ca. 40°C heruntergekühlt werden können, während gleichzeitig das Kühlmedium erwärmt und die darin gespeicherte Wärme dann für die weitere Verwendung, wie beispielsweise zur Warmwasseraufbereitung oder für die Heizung, verwendet werden kann.
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Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die innere Kammer wenigstens einen in eine Öffnung der inneren Kammer eingebrachten Abgasprüfsensor aufweist, damit die von dem Verbrennungsmotor entstehenden Abgase kontinuierlich durch das Blockheizkraftwerk überprüft werden können. Dadurch kann der ökologische Wert eines Blockheizkraftwerkes signifikant erhöht werden.
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Vorteilhafter Weise ist die Öffnung derart ausgebildet, dass sie sich von der inneren Kammer durch die äußere Kammer in Richtung Außenwand der äußeren Kammer fluiddicht erstreckt. Dadurch entsteht eine radiale Verbindung zu der inneren Kammer, die von der Außenwand der äußeren Kammer, welche die innere Kammer umschließt, erreichbar ist, so dass der Abgasprüfsensor von außen in die Öffnung eingebracht werden kann und dann mit dem heißen Abgasstrom der inneren Kammer in Kontakt tritt. Damit kein Kühlmittel in die Öffnung der inneren Kammer einfließen kann, ist die Öffnung gegenüber der äußeren Kammer fluiddicht ausgebildet.
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Damit der Abgasprüfsensor zu Wartungs- und Reparaturzwecken ausgetauscht werden kann, ist der Abgasprüfsensor vorteilhafter Weise lösbar in die Öffnung eingebracht, beispielsweise mit Hilfe eines Schraubgewindes.
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In einer Ausführungsform weist die innere Kammer eine Mehrzahl von Vorkammern auf, die in einer gemeinsamen Hauptkammer der inneren Kammer münden. So kann beispielsweise jede der Vorkammern der inneren Kammer mit je einem Abgasauslass des Verbrennungsmotors in Verbindung stehen, so dass die einzelnen Abgasauslässe des Verbrennungsmotors, meist für jeden Zylinder einen Abgasauslass, in einer gemeinsamen Hauptkammer münden. Die äußere Kammer ist dabei vorteilhafter Weise derart ausgebildet, dass sie sowohl die Vorkammern als auch die Hauptkammer der inneren Kammer vollständig umschließen. Dadurch wird erreicht, dass der Wärmetauschprozess gleich nach Verlassen der Abgase aus dem Verbrennungsmotor beginnen kann.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Öffnung für den Abgasprüfsensor in der Hauptkammer der inneren Kammer vorgesehen ist, so dass der Abgasprüfsensor an einer zentralen Stelle angeordnet wird.
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Damit die Stabilität des Abgaswärmetauschers so groß wie möglich ist, ist der Abgaswärmetauscher vorteilhafter Weise einstückig ausgebildet. So kann der Abgaswärmetauscher beispielsweise aus einem hochwertigen Aluminium einstückig gegossen werden. Dies erhöht nicht nur die Stabilität des Wärmetauschers, sondern auch dessen Korrosionsbeständigkeit, wenn ein hochwertiges Aluminium verwendet wird. So kann beispielsweise das hochwertige Aluminium EN AC-AlSi10Mg S verwendet werden. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn das Blockheizkraftwerk im Klärgas- oder Biogas-Betrieb läuft und dadurch die Abgase wesentlich aggressiver sind. Schäden an dem Abgaswärmetauscher können dadurch vermieden werden.
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Vorteilhafter Weise wird als Abgasprüfsensor eine Lambda-Sonde verwendet, die den Restsauerstoffgehalt in Abgas misst, wodurch Rückschlüsse auf die Verbrennungsqualität und somit die einzustellenden Parameter gemacht werden können.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 schematische Schnittansicht des Abgaswärmetauschers.
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1 zeigt schematisch den Abgaswärmetauscher 1 mit einer innen liegenden Abgaskammer 2 und einer die innere Kammer 2 umschließende äußere Kammer 3. Die innere Kammer 2 dient dabei dazu, die Abgase von dem Verbrennungsmotor abzuleiten, während die äußere Kammer 3 mit einem Kühlmittel durchströmt wird, um die in der inneren Kammer 2 durchströmenden Abgase zu kühlen und das Kühlmedium zu erwärmen.
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Die innere Kammer 2 weist vier Vorkammern 4.1 bis 4.4 auf, die jeweils einen Kammereinlass 5.1 bis 5.4 haben. Jeder dieser Kammereinlässe 5.1 bis 5.4 kann dabei mit jeweils einem Abgasauslass (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors verbunden werden, so dass die Abgase jedes Zylinders des Verbrennungsmotors dem Abgaswärmetauscher 1 zugeführt werden können. Die Vorkammern 4.1 bis 4.4 der inneren Kammer 2 münden dann in eine gemeinsame Hauptkammer 6, so dass die Abgase durch die Hauptkammer 6 zu einem zentralen Abgasauslass 7 transportiert werden können.
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Die äußere Kammer 3, die von dem Kühlmittel durchströmt wird, ist so ausgebildet, dass sie die gesamte innere Kammer 2 vollständig umschließt, d. h. sowohl die Vorkammern 4.1 bis 4.4 als auch die Hauptkammer 6. Somit kann ein kontinuierlicher Wärmetausch über das gesamte Bauteil realisiert werden. Die Ein- und Auslässe für das Kühlmittel für die äußere Kammer 3 sind aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt.
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In der Hauptkammer 6 der innen liegenden Abgaskammer 2 ist eine zentrale Öffnung 8 vorgesehen, damit ein Abgasprüfsensor 9, beispielsweise eine Lambda-Sonde in den Abgasstrom eingebracht werden kann. Die Öffnung 8 ist dabei derart ausgebildet, dass sie sich bis zur Außenwand 8.1 der äußeren Kammer 3 fluiddicht erstreckt, so dass kein Kühlmittel von der äußeren Kammer 3 durch die Öffnung 8 in die innere Abgaskammer 2 gelangen kann. Gleichwohl besteht jedoch eine kommunizierende Luftverbindung zwischen der äußeren Umgebung des Abgaswärmetauschers 1 und der inneren Kammer 2, wenn der Abgasprüfsensor 9 nicht in die Öffnung 8 eingebracht wurde.
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Dadurch wird erreicht, dass trotz der innen liegenden Abgaskammer 2 diese an einer zentralen Stelle mit einem Abgasprüfsensor versehen werden kann, um so die Abgase innerhalb der inneren Kammer 2 permanent überprüfen zu können, und zwar ohne die Kühlleistung durch entsprechende Aussparungen zu verringern.
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Der Abgaswärmetauscher 1 wird dabei einstückig aus einem hochwertigen Aluminium gegossen, um so entsprechenden Korrosionen und dergleichen vorzubeugen. Dabei wird der Abgaswärmetauscher 1 mit bis zu drei Kernstützen (nicht dargestellt) versehen, die wesentlich mehr Stabilität des Bauteils, einen sauberen Gussvorgang und keinerlei Verschiebung während des Gießvorganges gewährleisten. Zusätzlich können zwei Durchlässe vorgesehen sein, die zur Säuberung dienen, um sämtliche Rückstände des Gussvorganges zu entfernen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008025795 A1 [0005]
- DE 102007044980 A1 [0006]
