DE2750894A1 - Einrichtung zur erzeugung von waermeenergie und elektrischer energie - Google Patents

Einrichtung zur erzeugung von waermeenergie und elektrischer energie

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DE2750894A1 DE19772750894 DE2750894A DE2750894A1 DE 2750894 A1 DE2750894 A1 DE 2750894A1 DE 19772750894 DE19772750894 DE 19772750894 DE 2750894 A DE2750894 A DE 2750894A DE 2750894 A1 DE2750894 A1 DE 2750894A1
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Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM
PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
Palentconsult Radeckestra<3e 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Palentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult
Elmapa NV. 77/8101
Willemstad
Curacao, Niederl.Antillen
Einrichtung zur Erzeugung von Wärmeenergie und elektrischer Energie
München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. . H. P. Brehm Dipl.-Chem. Or. phil. nat. Wiesbaden: P. G Blumbach Dipl.-Ing. · P. Stergen Dipl -Ing Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl-W-Ing.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von Wärmeenergie und elektrischer Energie.
Es sind schon die verschiedensten Einrichtungen zur Erzeugung von Wärmeenergie vorgeschlagen worden. Weit verbreitet ist die Verbrennung fossiler Energieträger, wie Kohle Erdgas und Erdöl. Der Heizwert dieser Energieträger kann aber aus verschiedenen Gründen bei deren Verbrennung und Wärmeübertragung nur zu einem bestimmten, verhältnismässig geringen Teil nutzbar gemacht werden. Es ist hierbei an die übliche Heizölfeuerung mittels Oelbrenner gedacht.
Es wird somit die Schaffung einer Einrichtung
zur Erzeugung von Wärmeenergie und elektrischer Energie bezweckt, mittels der fossile Kraftstoffe besser als bisher ausgenutzt werden können.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass an die Abtriebswelle eines zum Antrieb dienenden Verbrennungsmotors sowohl ein zur Erzeugung von elektrischer Energie bestimmter Generator als auch eine zur Erzeugung von Wärmeenergie bestimmte Bremse mit einem ersten Wärmeträger angeschlossen ist, und dass weiterhin ein den Verbrennungsraum vom Motor zur Kühlung umströmender zweiter Wärmeträger vorhanden ist.
In der Zeichnung werden zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, und Fig. 2 ein erweitertes zweites Ausführungsbeispiel.
Bei der Einrichtung nach Fig. 1 sitzen auf der
Abtriebswelle 1, 2 eines Verbrennungsmotors 3 ein zur Erzeugung von elektrischer Energie bestimmter Generator 4 und eine zur Erzeugung von Wärmeenergie bestimmte Bremse 5. Zwischen dem Motor 3 und dem Generator 4, der ins Netz 6 speist, befindet sich eine Trennkupplung 7, damit der Generator vom Motor 3 an- und abgekuppelt werden kann. Zwischen dem Motor 3 und der Bremse
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befinden sich eine Trennkupplung 8 und eine Freilaufkupplung 9. Der Motor 3 kann von einem elektrischen Anlassmotor 10 über eine Triebverbindung 11, die die Freilaufkupplung 9 enthält, angeworfen werden. Die beiden Abtriebszapfen 1 und 2 des Motors 3 können gleiche Drehzahl haben; sie können aber auch gegenüber der Drehzahl der Kurbelwelle des Motors 3 mittels eines nicht dargestellten Getriebes untersetzt oder übersetzt worden sein.
Der Verbrennungsmotor 3, sei er nun wassergekühlt oder luftgekühlt, hat einen Kühlmittelkreislauf mit den Leitungen 12 bis 16. Wird der Verbrennungsmotor 3 bevorzugterweise wassergekühlt, so strömt also das Kühlwasser, das als zweiter Wärmeträger der Einrichtung wirkt, durch diese Leitungen 12 bis 16. Im Leitungsstrang 12 befinden sich zwei Regulierventile 17 und 18, die zum Einstellen des Kühlmitteldurchsatzes dienen. Zwischen den Leitungssträngen 14 und 15 liegt ein Wärmeaustauscher 19, mittels dem der in der Leitung 14 strömende zweite Wärmeträger (Kühlwasser) in später erläuterter Weise erwärmt wird. Der Leitungsstrang 15 führt dann zum Nutz-Wärmeaustauscher 20, d^r z.B. als Raumheizkörper ausgebildet sein kann. Von letzterem führt dann der Leitungsstrang 16 wieder zurück zum Verbrennungsmotor 3.
Die zur Erzeugung von Wärmeenergie dienende
Bremse 5, die bevorzugterweise als Wasserbremse ausgebildet wird, bei der mittels im Wasserbad bewegter Widerstandskörper das Wasser erwärmt wird, hat eine Frischwasserzufuhrleitung 21 und eine Kreisleitung mit den Leitungssträngen 22 bis 24. Es ist noch ein Frischwasser-Regulierventil 25 und ein Warmwasser-Regulierventil 26 vorhanden. Bei der Flüssigkeitsbremse 5 kann natürlich auch anstelle von Wasser eine andere Flüssigkeit verwendet werden, die als erster Wärmeträger der Einrichtung wirkt.
Ueber eine Leitung 27 werden dem Verbrennungsmotor 3 Frischluft zugeführt, die vorher einen Ansaugfilter 28 und einen Schalldämpfer 29 passiert hat. Ueber eine Leitung 30
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wird dem Motor 3 der Brennstoff zugeführt. Die Abgasleitung 31 des Verbrennungsraumes vom Motor 3 führt durch den Wärmeaustauscher 19 und dann über einen Schalldämpfer 32 zur Auspuffleitung 33. Beim Durchgang der Abgasleitung 31 durch den Wärmeaustauscher 19 wird die Abgasleitung 31 an einen dritten Wärmeträger angeschlossen. Der Wärmeaustausch zwischen dem in der Abgasleitung strömenden Abgas und den in den Leitungen 14 und strömenden ersten und zweiten Wärmeträgern erfolgt durch einen z.B. als Flüssigkeitsbad vorliegenden dritten Wärmeträger beim Wärmetauscher 19. So kann die Abgasleitung 31 im Wärmeaustauscher 19 vom als Flüssigkeit vorhandenen dritten Wärmeträger umgeben sein. Der Wärmeaustauscher 19 kann aber auch als den dritten Wärmeträger als Flüssigkeit aufnehmenden Behälter ausgebildet sein, in den die Abgasleitung 31 ausmündet, um die Wärme des Abgases an den dritten Wärmeträger abzugeben und um das Abgas gleichzeitig im dritten Wärmeträger auszuwaschen.
Die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. 1
ist folgendennassen: Der bevorzugterweise als Dieselmotor ausgebildete Verbrennungsmotor 3 wird vom elektrischen Anlasser über die Antriebsstufe 11 und den Wellenzapfen 1 angeworfen. Ist der Dieselmotor 3 angesprungen, so saugt er über die Leitung 27 Luft an, erhält über die Leitung 30 den Brennstoff und treibt die Wellenzapfen 1 und 2 an. Infolge des Freilaufes 9 wird der Anlasser 10 nicht vom Motor 3 angetrieben, üeber die Kupplung wird der Generator 4 angetrieben und liefert die erzeugte elektrische Energie ins Netz 6. üeber die Kupplung 8 wird die bevorzugterweise als Wasserbremse ausgebildete Bremse 5 angetrieben und erwärmt dieses Wasser. Der Bremse 5 kann über die Leitung 21 Frischwasser zugeführt werden. Wird der Motor 3 wassergekühlt, so strömt das heisse Kühlwasser über die Leitung 12 und kommt dann zusammen mit dem in der Bremse 5 erwärmten Wasser über die Leitung 14 zum Wärmetauscher 19. Hier erfolgt eine weitere Wärmeübertragung vom Abgas auf das in den Leitungen 14 und 15 strömende Wasser. Letzteres führt dann z.B. zum
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Raumheizkörper 20. Der Rücklauf des Wassers erfolgt über die Leitung 16. Mittels den Regulierventilen 17, 18 und 26 kann der Durchsatz des ersten und zweiten Wärmeträgers reguliert werden.
Im folgenden wird nunmehr der Aufbau der erweiterten Einrichtung nach Fig. 2 erläutert. Bei dieser Einrichtung sind die gleichen Bauteile wie beim Beispiel nach Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Einrichtung nach Fig. 2 besteht im wesentlichen aus der Einrichtung nach Fig. 1, die um eine Wärmepumpenanlage erweitert worden ist. Bei der Ausbildung der Einrichtung nach Fig. 2 führt die Abgasleitung 31 des Verbrennungsmotors 3 zu einer Abgasturbine 34, die zum Antrieb eines Verdichters 35 einer Wärmepumpenanlage dient. Diese Wärmepumpenanlage hat einen Verdampfer 36 und einen Kondensator 37. Der Verdampfer 36 ist mit drei Wärmeaustauschern 38, 39 und 40 versehen. Dem Verdampfer 36 wird z.B. über ein Gebläse 42 die
Umgebungsluft der Einrichtung zugeführt. Diese Umgebungsluft wird noch durch den Wärmeaustauscher 38 vom heissen Kühlwasser des Verbrennungsmotors 3, das über die Leitungen 12 und 16 strömt, erwärmt. Weiterhin wird diese Luft noch über den Wärmeaustauscher 39 von den Abgasen der Abgasturbine 34 erwärmt, wobei diese Abgase durch die Leitung 4 3 führen. Zwischen dem Verdichter 35, dem Kondensator 37 und dem Verdampfer 36 fliesst ein Kältemittel in den Leitungssträngen 44, 45 und 46. Im Leitungsstrang 45 liegt ein Ventil 47. Der Aufbau einer solchen Wärmepumpenanlage ist an sich bekannt.
Der erste Wärmeträger, also das von der Bremse erwärmte Wasser, strömt über die Leitungsstränge 48 und 49 zum Nutzwärmeaustauscher 20, und der Rückfluss erfolgt über die Leitung 22. In den Leitungssträngen 48 und 22 befinden sich noch die Regulierventile 17 und 18.
Im folgenden wird nunmehr die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. 2 erläutert, wobei der anhand der Fig. 1 bereits erläuterte Arbeitsablauf nicht nochmals wiederholt wird. Der Ventilator 42 fördert Aussenluft durch den Verdampfer 36,
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in dessen berippten Rohren des Wärmeaustauschers 40 Kältemittel unter Wärmeaufnahme aus der erwärmten Luft verdampft. Der Kältemitteldampf wird vom Verdichter 35 über die Leitung 46 angesaugt und unter erhöhtem Druck über die Leitung 44 in den Kondensator 37 gefördert, wo er, unter Wärmeabgabe an das durch diesen Kondensator hindurchfliessende Wasser, verflüssigt wird. Das verflüssigte Kältemittel strömt dann mittels der Leitung 45 über das Ventil 47 wiederum dem Verdampfer 36 zu. Auf diese Weise wird das von der Flüssigkeitsbremse 5 erwärmte Wasser, welches über die Leitungen 23, 24 und 48 durch den Kondensator 37 hindurch fliesst, von der Wärmepumpenanlage erwärmt und strömt über die Leitung 49 zum Nutzwärmeaustauscher 20. Letzterer kann für Heiz- und/oder Brauchwasser verwendet werden.
Bei einem nicht dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel der Einrichtung könnte anstelle der Verwendung einer Wärmepumpenanlage die in Fig. 2 gezeigte Abgasturbine 34 zum Antrieb einer zweiten Bremse, ähnlich der Bremse 5, dienen, die zur Erzeugung von Wärmeenergie bestimmt ist. In diesem Fall wäre also anstelle des Verdichters 35 diese zweite Bremse vorhanden.
Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Einrichtung könnte die in Fig. 1 gezeigte Abgasleitung 31 des Motors 3 an den in Fig. 2 gezeigten Verdampfer 36 der Wärmepumpenanlage angeschlossen sein.
Wie bereits erwähnt, wird als Verbrennungsmotor
bevorzugter Weise ein Dieselmotor verwendet. Dieser hat infolge des bei seiner höheren Verdichtung besseren thermischen Wirkungsgrades einen geringeren Kraftstoffverbrauch, wobei dieser Kraftstoff selbst auch wieder in der Herstellung billiger ist. Weiterhin weist der Dieselmotor einen langsameren Anstieg des Teillastverbrauches auf. Grundsätzlich kann der Verbrennungsmotor aber auch als anderer Hubkolbenmotor, Drehkolbenmotor oder als Gasturbine vorhanden sein. Der zur Verwendung gelangende Verbrennungsmotor stellt also eine Wärmekraftmaschine dar,
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bei der die Verbrennung im Inneren stattfindet.
Die bei den beiden dargestellten Einrichtungen
nach den Fig. 1 und 2 vorhandenen Kupplungen 7 und 8 sind vorhanden, um wahlweise, nicht mehr erfindungsgemäss, nur den Generator 4 oder nur die Bremse 5 vom Motor 3 anzutreiben.
Die erläuterte Wärmepumpenanlage könnte auch auf andere Weise betrieben werden. So könnte deren Verdichter z.B. auch mechanisch vom Motor 3 angetrieben werden. Mittels des erwähnten ersten, zweiten oder dritten Wärmeträgers könnte auch ein Absorber oder Adsorber beheizt werden, der zum Betrieb einer ohne Verdichter arbeitenden Wärmepumpenanlage dient. Natürlich könnte diese letzterwähnte Wärmepumpenanlage auch zusätzlich zu einer mit Verdichter arbeitenden Wärmepumpenanlage vorhanden sein.
Die Bremse 6 könnte in einfachster Weise als
Förderpumpe, z.B. als Kreiselpumpe ausgebildet werden, die gegen einen Widerstand, z.B. gegen eine Drossel arbeitet, um die kinetische Energie des Wassers (erster Wärmeträger) in Wärme umzuwandeln.
Die erwähnte Wärmepumpenanlage könnte neben der erläuterten Erzeugung von Wärmeenergie natürlich auch zu Kühlzwecken benutzt werden.
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M Leerseite

Claims (17)

  1. Patentansprüche
    l) Einrichtung zur Erzeugung von Wärmeenergie und elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass an die Abtriebswelle (1,2) eines Verbrennungsmotors (3) sowohl ein zur Erzeugung von elektrischer Energie bestimmter Generator (4) als auch eine zur Erzeugung von Wärmeenergie bestimmte Bremse (5) mit Leitungen (22-24; 22-24, 48,49) für einen ersten Wärmeträger angeschlossen ist, und dass weiterhin ein den Verbrennungsraum vom Motor (3) zur Kühlung umströmender, in Leitungen (12,16) geführter zweiter Wärmeträger vorhanden ist.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die Abgasleitung (31) des Verbrennungsräumes des Motors (3) ein dritter Wärmeträger (19) angeschlossen ist (Fig. 1).
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die Abgasleitung (31) des Verbrennungsraumes des Motors (3) eine Abgasturbine (34) für einen Verdichter (35) einer Wärmepumpenanlage angeschlossen ist (Fig. 2).
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
    gekennzeichnet, dass für die vorhandenen Wärmeträger Wärmeaustauscher (19, 20) für Heiz- und/oder Brauchwasser vorhanden sind.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (37) der Wärmepumpenanlage mit einem Wärmeaustauscher (41) für Heiz- und/oder Brauchwasser versehen ist.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (31) in einem Wärmeaustauscher (19) vom als Flüssigkeit vorhandenen dritten Wärmeträger umgeben ist (Fig. 1).
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung in einen den dritten Wärme-
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    träger als Flüssigkeit aufnehmenden Behälter ausmündet, um die Wärme des Abgases an den dritten Wärmeträger abzugeben und um das Abgas im dritten Wärmeträger auszuwaschen.
  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Auslass des Verbrennungsraumes des Motors eine Abgasturbine angeschlossen ist, die mit einer zur Erzeugung von Wärmeenergie bestimmten zweiten Bremse versehen ist.
  9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung des Verbrennungsraumes des Motors an den Verdampfer einer Wärmepumpenanlage angeschlossen ist.
  10. 10. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (43) der Abgasturbine (34) an den Verdampfer (36) einer Wärmepumpenanlage angeschlossen ist (Fig. 2).
  11. 11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine den zweiten Wärmeträger führende Leitung (12,16) an den Verdampfer (36) einer Wärmepumpenanlage angeschlossen ist (Fj_g. 2).
  12. 12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (3) ein Dieselmotor ist.
  13. 13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse (5) eine Wasserbremse ist, bei der mittels im Wasserbad bewegter Widerstandskörper der als Wasser vorhandene erste Wärmeträger erwärmt wird.
  14. 14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpenanlage vorhanden ist, die entweder zur zusätzlichen Erzeugung von Wärmeenergie oder zu Kühlzwecken bestimmt ist.
  15. 15. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse als Förderpumpe für eine Flüssigkeit ausgebildet ist, die gegen Wiederstand arbeitet, um die kinetische Energie des bewegten Wasser in Wärme umzuwandeln.
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  16. 16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderpumpe als Kreiselpumpe ausgebildet ist.
  17. 17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand eine Drossel ist.
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