DE2818543A1

DE2818543A1 - Waermeerzeugungsanlage

Info

Publication number: DE2818543A1
Application number: DE19782818543
Authority: DE
Inventors: Willi Mueller; Karl-Ernst Dipl Ing Noreikat
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1978-04-27
Filing date: 1978-04-27
Publication date: 1979-10-31

Description

Wärmeerzeugungsanlage
Die Erfindung betrifft eine Wärmeerzeugungsanlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Derartige Verbundanlagen sind in jüngster Zeit aus Gründen der besseren Energieausnutzung wieder mehr in das allgemeine Interesse gerückt. Bekannte Anlagen dieser Art nutzten die Abwärme der Brennkraftmaschine zu Heizzwecken, wohingegen die von der Brennkraftmaschine angetriebene Arbeitsmaschine ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie ist. Die elektrische Energie wird dabei ins öffentliche Netz eingespeist.
Trotz des Vorteils eines sehr hohen Ausnutzungsgrades der Primärenergie haben derartige Anlagen den Nachteil, daß sie wartungsempfindlich sind und auch nur ohrhalb einer gewissen Mindesttgröße sinnvoll einsetzbar sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmeerzeugungsanlage anzugeben, die anspruchslos in der Wartung ist und die auch in sehr kleinen Anlagen, z. B. für normale Einfamilienheime eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dank der Verwendung von Turbomaschinen wird die Anlage wartungsunempfindlich. Aufgrund der Ausbildung der Arbeitsmaschine als Wärmepumpe kann auch die von der Brennkraftmaschine abgegebene mechanische Energie voll zu Heizzwecken verwandt werden, wobei außerdem noch der Umgebung Wärmeenergie nutzbringend entzogen werden kann. Dadurch kann der effektive Wirkungsgrad der Anlage noch gesteigert werden. Die Anlage wird dadurch auch für kleinere Einheiten lohnend. Die Verwendung von Turbomaschinen hat außerdem gegenüber Kolbenmaschinen den Vorteil der Geräuscharmut, was beim Einsatz in Einfamilienheimen oder ähnlichen verbrauchernahen Anlagen besonders wichtig ist.
Um den Wirkungsgrad der Energiegewinnung mit der Wärmepumpe noch besser zu gestalten, kann die Entspannung des Arbeitsmediums im Wärmepumpenkreislauf von der hoch- zur Niederdruckseite über eine Entspannungsturbine erfolgen, die ihre mechanische Energie an den Antrieb der Wärmepumpe mit abgibt.
Dadurch kann ein Teil der Kompressionsarbeit der Wärmepumpe rückgewonnen werden. Bei geeigneter Auslegung kann die Anlage mit geringem Aufwand auch bivalent ausgestaltet werden, d. h.
es kann auch unmittelbar Wärme über den Brenner erzeugt und über Wärmetauscher an den Wärmeverbraucher abgegeben werden.
In besonders einfacher Weise kann der Umgebung in dem Wärmepumpenkreislauf dadurch Wärme entzogen werden, daß der Wärmepumpenkreislauf als offener Kreislauf betrieben wird, wobei Umgebungsluft als Arbeitsmedium dient. Daneben ist aber auch eine Ausgestaltung mit geschlossenem Kreislauf für die Wärmepumpe denkbar, wobei entweder ein im gesamten Kreislauf gasförmig vorliegendes Arbeitsmedium, z. B. ein Edelgas, oder auch ein verdampfbares bzw. verflüssigbares Kältemittel als Arbeitsmedium dienen kann.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigt die Figur in Form eines Blockschaubildes eine Wärmeerzeugungsanlage nach der Erfindung.
Das Kernstück der Wärmeerzeugungsanlage ist ein Maschinensatz, der aus einem nach dem Turboprinzip arbeitenden Verdichter 1, aus einer Arbeitsturbine 2, aus einer ebenfalls nach dem Turboprinzip arbeitenden Wärmepumpe 3 sowie einer Entspannungsturbine 4 besteht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Turbomaschinen gleichachsig zueinander angeordnet und antriebsmäßig starr miteinander verkoppelt.
Zum Anfahren und für den Betrieb der Anlage als reiner Ölbrenner ist der Maschinensatz von einem Elektromotor 14 über einen Freilauf 13 antreibbar. Zwischen dem Verdichter 1 und der Arbeitsturbine 2 ist eine Brennkammer 5 angeordnet, der der Kraftstoff (Pfeil), z. B. tieizöl zugeführt wird. Der Verdichter saugt Luft aus der Umgebung an, verdichtet sie und fördert einen Teil unmittelbar in die Brennkammer hinein, in der aufgrund der Verbrennung der Druck und die Temperatur des Gases weiter angehoben werden. Ein Teil der komprimierten Luft wird vor Eintritt in die Brennkammer 5 in dem Rekuperator 6 aufgewärmt. Von dem aus der Brennkammer 5 austretenden Gas wird die Arbeitsturbine 2 beaufschlagt, die den Verdichter 1 sowie die Wärmepumpe 3 antreibt. Das in der Turbine 2 entspannte Abgas gelangt übr den Rekuperator 6, einen Nutzwärmetauscher 7 sowie einen weiteren Wärmetauscher 8 ins Freie; nach Durchlauf des entspannten Abgases durch die genannten Wärmetauscher ist ihm die zunächst noch enthaltene Abwärme weitgehend entzogen. Der Rekuperator 6 ist dem Nutzwärmetauscher 7 vorgeschaltet, weil die unmittelbar aus der Arbeitsturbine 2 austretenden Abgase für eine Verwertung der Abwärme zu Heizzwecken eine zu hohe Temperatur haben; es ist aus thermodynamischen Gründen zweckmäßiger, ein Teil dieser Abwärme zur Arbeitsgaserzeugung heranzuziehen. Nach teilweiser Abkühlung der Abgase in dem Rekuperator 6 kann ein Nutzwärmetauscher 7 damit wärmeaufnahmeseitig beaufschlagt werden, der einen Wärmekreislauf für einen Wärmeverbraucher 10 speist.
Außer dem erwähnten Verdichter 1 wird von der Arbeitsturbine 2 auch noch eine Wärmepumpe 3 angetrieben, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel der Wärmeerzeugungsanlage in einem geschlossenen Arbeitskreislauf angeordnet ist. In dem Wärmepumpen-Arbeitskreislauf soll sich ein Edelgas, z. B. Helium befinden. Der Arbeitskreislauf der Wärmepumpe wird im wesentlichen gebildet durch einen Ilochtemperatur-Wärmetauscher 9, die bereits erwähnte Entspannungsturbine 4 sowie einen Niedertemperatur-Wärmetauscher 8.
Das Arbeitsmedium wird durch die mechanisch zugeführte Energie in der Wärmepumpe 3 weitgehend adiabatisch verdichtet und dabei auf eine solche Temperatur angehoben, so daß ein zu Heizzwecken ausnützbares Temperaturgefälle gegenüber der normalen Raumtemperatur bzw. dem Wärmeträgermedium in dem fleizungskreislauf gegeben ist. In dem Hochtemperatur-Wärmetauscher 9 wird dem Arbeitsmedium die hineingesteckte Arbeit in Form von Wärme entzogen und an den Heizungskreislauf bzw.
den Wärmeverbraucher 1o abgegeben. Das abgekühlte aber immer noch hochgespannte Arbeitsmedium kann nun in der Entspannungsturbine 4 entspannt wtden, wobei die dabei rückgewonnene mechanische Energie zum Antrieb der Wärmepumpe 3 mit ausgenützt werden kann. Durch die weitgehend adiabatische Entspannung des Arbeitsmediums kommt es zu einer sehr starken Abkühlung darin, so daß ein Temperaturgefälle des Abgases der Arbeitstirbine 2 hinter dem Nutzwärmetauscher 7 gegenüber dem entspannten Arbeitsmedium des Wärmepumpenkreislaufes besteht. Die in dem Abgas der Arbeitsturbine nach dem Nutzwärmetauscher 7 noch enthaltene Restabwärme kann in dem Niedertemperatur-Wärmetauscher 8 noch zum Vorwärmen des Arbeitsmediums ausgenützt werden. Das Abgas verläßt den Wärmetauscher 8 sehr stark abgekühlt, so daß auch insoweit möglichst wenig Wärme ungenutzt ins Freie gelangt. Der Wärmetauscher 8 kann auf der Abgasseite nach Art einer Injektorpumpe ausgebildet sein, wodurch Umgebungsluft mit durch den Wärmetuscher hindurchgerissen wird. Dadurch kann auch der Umgebungsluft noch Wärme in dem Niedertemperatur-Wärmetauscher 8 entzogen wesen.
Um die Anlage auch bei geringem Wärmebedarf betreiben zu können, ist der Wellenstrang mit der Arbeitsturbine 2, der Wärmepumpe 3 und der Entspannungsturbine 4 über die Kupplung 12 von dem Verdichter 1 abkuppelbar. Außerdem ist eine mit einem geeigneten Schaltorgan verschließbare Umgehungsleitung 15 vorgesehen, über die die an der Brennkammer austretenden erhitzten Gase unmittelbar auf den Nutzwärmetauscher 7 geleitet werden können. Bei dieser Betriebsweise wird der Verdichter von dem Elektromotor 14 über den Freilauf 13 angetrieben. Die ganze Anlage wirkt dann ähnlich wie ein herkömmlicher Ölbrenner, wobei der Verdichter 1 als Luftgebläse für den Brenner 5 dient. Es wird dann lediglich die im zugeführten Heizöl enthaltene Primärenergie unmittelbar zu Heizzwecken ausgenutzt.
Anstelle des geschlossenen mit einem Inertgas betriebenen Wärmepumpenkreislaufes kann auch ein offener Kreislauf vorgesehen sein, der mit Umgebungsluft betrieben wird. Es kann z. B. vorgesehen sein, daß der Kreislauf hinter der Entspannungsturbine 4 offen ist; d. h., daß der Austritt der Entspannungsturbine ins Freie erfolgt und daß die von der Wärmepumpe 3 aus der Umgebung angesaugte Luft wärmeaufnehmend durch den Wärmetauscher 8 hindurchströmt. Dabei sollten natürlich der Eintritt in und der Austritt aus dem Wärmepumpenkreislauf örtlich möglichst weit voneinander entfernt angeordnet sein, damit nicht ein Kurzschluß zwischen Ein- und Austritt vorkommen kann. Durch ständige Entnahme von Arbeitsmedium aus der Umgebung wird der in der Umgebungsluft enthaltene Wärmeinhalt ständig nutzbringend ausgenutzt; die in die Umgebung nach Durchlauf durch den Wärmepumpenkreislauf wieder ausgestoßene Luft ist kälter als die Umgebung. Auch bei der Verwendung eines offenen Kreislaufes, der mit Umgebungsluft als Arbeitsmedium betrieben wird, ist eine Vorwärmung der Luft vor Eintritt in die Wärmepumpe in dem Niedertemperatur-Wärmetauscher 8 sinnvoll, wobei auch hier die Restwärme des Abgases von der Arbeitsturbine 2 sinnvoll verwertet wird.
Die Verwendung eines an allen Punkten des Wärmepumpenkreislaufes in Gasform vorliegenden Arbeitsmediums - sei es in einem geschlossenen, sei es in einem offenen Kreislauf - bietet die Möglichkeit, einen Teil der von der Wärmepumpe geleisteten Kompressionsarbeit über die Entspannungsturbine 4 wieder zurückzugewinnen. hier ist der Gedanke der Verwendung von wartungsunempfindlichen und leise laufenden Turbomaschinen in konsequenter Weise weitergeführt. Die Turbomaschinen bieten bei kleinem Bauvolumen einen hohen Nassen- und Volumendurchsatz, der auch bei geringen Zustandsänderungen im Arbeitsmedium hohe Energiemengen umzusetzen gestattet.
Bei Verwendung eines verdampfbaren bzw. verlüssigbaren Kältemittels als Arbeitsmedium in einem geschlossenen Wärmepumpenkreislauf ist es zweckmäßiger, anstelle der Entspannungsturbine 4 eine Entspannungsdrossel 11 vorzusehen, die die Hochdruckseite von der Niederdruckseite trennt. Der Ilochtemperatur-Wärmetauscher 9 arbeitet dann als Kondensator, in welchem das komprimierte Kältemittel durch Wärmeentzug verflüssigt wird; der Niedertemperatur-Wärmetauscher 8 arbeitet dann als Verdampfer, in welchem der Umgebungsluft bzw. dem Abgas Wärme entzogen wird. Die Verwendung von einem solchen Kältemittel erlaubt sehr große Zustandsänderungen im Arbeitsmedium und dementsprechend auch eine Erzeugung sehr großer nutzbarer Temperaturgefälle. Nachteilig daran ist, daß die Kompressionsarbeit der Wärmepumpe nicht rückgewinnbar ist.

Claims

Ansprüche Wflrmeerzeugungsanlage mit einer mechanische Energie sowie Abwärme erzeugenden Brennkraftmaschine und mit einer von ihr angetriebenen Arbeitsmaschine der Energiegewinnung, ferner mit wenigstens einem von den Abgasen der Brennkraftmaschine wärmeaufnahmeseitig beaufschlagten Nutzwärmetauscher zur Übertragung und Ausnutzung der Abwärme zu bzw. bei einem Wärmeverbraucher, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Brennkraftmaschine eine Casturbinenanlage (1, 5, 2) und die Arbeitsmaschine eine mit ihr gekoppelte nach dem Prinzip des Kreiselverdichters arbeitende Wärmepumpe (3) ist, die strömungsmässig in einen thermodynamischen Kreislauf eines Arbeitsmediums einbezogen ist, welcher nach dem Austritt aus der Wärmepumpe (3) einen Wärmetauscher (9) zur Übertragung und Ausnutzung der von der Wärmepumpe (3) gewonnenen Wärmeenergie ebenfalls zu dem oder einem Verbraucher (10) aufweist.
2. Wärmeerzeugungsanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Kreislauf der Wärmepumpe (3) hinter dem Wärmetauscher (9) eine Entspannungsturbine (4) angeordnet ist, welche mechanisch mit dem Antrieb der Wärmepumpe (3) gekoppelt ist.
«. IYirmeerzeugungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wärmepumpenkreislauf mit Umgebungsluft in einem offenen Kreislauf betrieben wird.
4. Wärmeerzeugungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wärmepumpenkreislauf mit einem Inertgas, vorzugsweise mit einem Edelgas, z. B. Helium, in einem geschlossenen Kreislauf betrieben wird.
5. Wärmeerzeugungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wärmepumpenkreislauf mit einem verflüssigbaren bzw. verdampfbaren Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf betrieben wird und daß ein im Zulauf der Wärmepumpe angeordneter Kältemittelverdampfer (8) wärmeaufnehmend von Abgasen der Gasturbinenanlage (1, 5» 2) beaufschlagbar ist.
6. Wärmeerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Arbeitsgaserzeuger der Gasturbinenanlage als Freikolbenmaschine ausgebildet ist.
7. Wärmeerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Verdichter (1) der Gasturbinenanlage (1, 5, 2) für sich antreibbar ist (14) und von der Arbeitsturbine (2) und der Wärmepumpe (3) abkuppelbar (12) ist und daß die in der Brennkammer (5) der Gasturbinenanlage (1, 5, 2) erzeugten heißen Gase unter Umgehung der Arbeitsturbine (2) unmittelbar dem Nutzwärmetauscher (7) wärmeaufnahmeseitig zuführbar sind.