DE3019968A1

DE3019968A1 - Einrichtung zur verwertung der abwaerme einer verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE3019968A1
Application number: DE19803019968
Authority: DE
Inventors: Manfred Ing.(grad.) Gauchel
Original assignee: BEDIA BERGBAU DIESEL AUSRUESTU
Current assignee: BEDIA BERGBAU DIESEL AUSRUESTU
Priority date: 1980-05-24
Filing date: 1980-05-24
Publication date: 1981-12-03

Description

Bezeichnung: Einrichtung zur Verwertung der Abwärme einer

Verbrennungskraftmaschine

Beschreibung;

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur. Verwertung der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine.

Bei Energieversorgungsaggregaten/ die über eine Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden, seien es nun Ottomotoren/ Dieselmotoren oder Gasmotoren, ist man bemüht, die anfallende Verlustwärme, die durch die Kühlung des Motors und ggf. der mit dem Motor gekoppelten Aggregate abgeführt werden muß, insbesondere für Heizzwecke nutzbringend zu verwerten. So ist es beispielsweise aus der DE-OS 27 47 734 bekannt, bei einem motorgetriebenen, elektrischen Generator sowohl den Motor als auch den Generator mit Flüssigkeit zu kühlen und die so gewonnene Wärme in einer Warmwasser-Gebäudeheizung zu verwerten. Hierdurch kann jedoch nur ein Teil der anfallenden Verlustwärme nutzbar gemacht werden, da sowohl die in den Abgasen enthaltene

130049/0224

Restwärme als auch die. verbleibende .Strahlungswärme des Motors ungenutzt und beispielsweise durch die Belüftung des Maschinenraumes abgeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Anlage dahingehend zu verbessern, daß die anfallende Verlustwärme möglichst vollständig zurückgewonnen wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Strömungskanal für Luft vorgesehen ist, dessen Wandungen mit einer Wärmeisolierung versehen sind, daß die Verbrennungskraftmaschine sowie etwaige von dieser angetriebene, zu kühlende Arbeitsmaschinen im Strömungskanal angeordnet sind, daß wenigstens ein Ventilator zur Erzeugung eines Luftstromes vorgesehen ist und daß im Bereich des luftaustrittsseitigen Endes des Strömungskanais der Verdampfer eines Wärmepumpenaggregats angeordnet ist, das mit einem Wärmeverbraucher in Verbindung steht. Mit Hilfe einer derartigen Einrichtung ist es möglich, bei einem mit Außenluft beaufschlagten Verdampfer einer Wärmepumpenanlage die Temperaturlage zu erhöhen. Während bei den bisher bekannten Anlagen bei Temperaturen unter 7° C bereits mit Vereisungserscheinungen am luftbeaufschlagten Verdampfer zu rechnen ist, wird durch die zusätzliche, wenigstens teilweise aus der Restverlustwärme des Motors gewonnene Temperatur-5 erhöhung der dem Verdam· fer zugeführten Luft der Betriebsbereich

130049/0224

einer derartigen Wärmepumpenanlage erweitert, da nunmehr auch Luft bei Außentemperaturen unter 0° noch wirksam für den Wärmepumpenprozeß nutzbar gemacht werden kann, bevor am Verdampfer überhaupt Vereisungserscheinungen auftreten. Der mit Luft beaufschlagte Verdampfer kann je nach Größe der Wärmepumpenanlage bzw. nach Größe des Verbrennungsmotors und etwaiger zusätzlicher Aggregate der einzige Verdampfer einer derartigen Anlage sein oder aber zusätzlich zu einem mit Wasser beaufschlagten Verdampfer zugeschaltet sein.

Die erfindungsgemäße Einrichtung läßt sich sowohl für luftgekühlte Verbrennungsmaschihen, wie auch für wassergekühlte Verbrennungsmaschinen einsetzen. Bei wassergekühlten Verbrennungsmaschinen kann hierbei die vom Kühlwasser nicht abnehmbare Strahlungswärme sowohl des Verbrennungsmotors wie auch

1.5 beispielsweise eines vom Verbrennungsmotor angetriebenen Generators und/oder Kältemittelkompressors durch Luftkühlung abgenommen werden. Bei entsprechender Auslegung der Wärmeisolierung kann zusätzlich auch noch eine Schallisolierung erreicht werden, was insbesondere bei der Aufstellung derartiger Geräte in Gebäuden und auch im Freien von Bedeutung ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Abgasleitung der Verbrennungskraftmaschine, vor dem Verdampfer in den Strömungskanal einmündet. Eine derartige, Anordnung ist insbesondere für Gasmotoren von Bedeutung, da bei

130049/0224

Gasmotoren der Sehädstof£gehalt in den Abgasen vernachlässigbar klein ist, so daß die auftretenden Taupunktunterschreitungen im Strömungskanal und vor allem am Verdampfer keinerlei Nachteile bewirken können. Um bei dieser Verfahrensweise eine gleichmäßige Beaufschlagung des Verdampfers'zu erzielen, ist es zweckmäßig, wenn im Kanal vor dem Verdampfer eine Einrichtung zum Verwirbeln des Luftstromes vorgesehen ist. Hierdurch werden beispielsweise "Wärmesträhnen", wie sie bei der Einleitung der Motörenabgase in den Strömungskanal zwangsläufig auftreten, vor dem Eintritt in den Verdampfer zerstört. Eine derartige Einrichtung kann durch feststehende Einbauten, beispielsweise Drallschaufeln. Gitter oder dergleichen bewirkt werden. In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Einrichtung zum Verwirbeln des Luftstromes durch einen Ventilator gebildet wird. Dies kann entweder der Hauptventilator der Einrichtung sein, der die Erzeugung des durch den Strömungskanal geführten Luftstromes bewirkt, wobei dieser Ventilator entweder unmittelbar über die Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird oder aber einen eigenen Antrieb besitzt, vorzugsweise einen drehzahlregelbaren Elektromotor, um auf diese Weise über die geförderte Luftmenge Einfluß auf das am Verdampfer zur Verfügung ste-

- j

hende Wärmeangebot nehmen können. Es ist jedoch in gleicher Weise möglich, hierfür einen zusätzlichen Ventilator vorzusehen, der jedoch dann nur eine geringe Antriebsleistung benötigt.

■".■'.

130049/0224

-Je—

301996a

-In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß vor dem Verdampfer wenigstens eine Filtereinrichtung zur Entfernung von Schädenstoffen angeordnet ist; die durch das Abgas in den Strömungskanal eingeleitet werden. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn als Verbrennungskraftmaschine ein^!Dieselmotor oder ein Ottomotor eingesetzt wird. Diese Filtereinrichtungen bestehen im wesentlichen aus Strömungsieitflächen, die entsprechende Beschichtungen aufweisen, so daß die in den Motorabgasen enthaltenen Schadstoffe durch Adsorption und/oder Chemosorption aus den Abgasen entfernt werden können, so daß eine Korrosion des Verdampferwerkstoffes praktisch unterbunden ist. Um diese Filtereinrichtungen möglichst klein zu halten, ist es zweckmäßig, wenn sie in die Abgasleitung des Motors eingebaut sind, so daß in den Strömungskanal bereits weitgehend gereinigte Abgase eintreten.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Strömungskanal mit einem zusätzlichen, hinter der Verbrennungskraftmaschine einmündenden Lufteintritt versehen ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß ein Teil der für den Betrieb der Wärmepumpenanlage benötigten Luftmenge über die Verbrennungskraftmaschine und ggf. die mit dieser gekoppelten Arbeitsmaschinen geführt wird, wobei die hier zugeführte Luftmenge ausschließlich in Abhängigkeit von der erforderlichen Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine bestimmt wird, während die für den

'30049/0224

Betrieb der Wärmepumpenanlage vom Heizbedarf her benötigte Gesamtluftmenge über den zusätzlichen Lufteintritt geregelt werden kann, ohne daß beispielsweise bei verhältnismäßig tiefen Außentemperaturen eine Unterkühlung der Verbrennungskraftmaschine eintreten kann.

Während bei einer luftgekühlten Verbrennungskraftmaschine die gesamte aufgrwärmte Kühlluft am Verdampfer zur Verfügung steht, ist es bei einer wasser lekühlten Vei br<;nnungskraf tmaschine zweckmäßig, daß der Kühlwasserkreislauf direkt mit einem Wärmeverbraucher in Verbindung steht. Dadurch, daß auf einem Zwischenwärmetauscher verzichtet wird, ergibt sich eine bessere Ausnutzung der durch die Kühlung des Motors gewonnenen Wärme.

°ie Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Wie aus der Schnittdarstellung ersichtlich, besteht die Einrichtung aus einem Strömungskanal !,dessen Wandungen mit einer Wärmeisolierung 2 versehen ist. Die Wärmeisolierung kann hierbei auch so ausgestaltet sein, daß sie gleichzeitig als Schallisolierung wirkt. Im Strömungskanal 1 ist ein Fundament 3 angeordnet, das in üblicher Weise über Schwingungsisolatoren 4 auf dem Fundament bzw. dem Boden des Strömungskanals 1 abgestützt ist. Auf dem Fundament 3 ist ein beispielsweise mit Erdgas betriebener, wasser-

13 0 0 4 9/0224 BAD ORIGINAL

gekühlter Verbrennungsmotor 5 gelagert, der sowohl einen elektrischen Generator 6 als auch den Kompressor 7 einer Wärmepumpenanlage antreibt. Der Kühlwasserkreislauf 8 des Motors 5, der sowohl durch den Motorblock als auch mit einer Zweigleitung; 9 überfeinen Auspuffkühler 10 geführt ist, steht mit einem Wärmeverbraucher unmittelbar in Verbindung. Bei diesem Wärmeverbraucher kann es sich je nach Art und Größe der Anlage um einen Raumheizkörper, einen Wärmetauscher im Rahmen einer Klimaanlage, einer Warmwasserbereitung oder dergleichen handeln. . . _

Im Bereich des Austrittendes 12 des Strömungskanals 1 ist der Verdampfer der Wärmepumpenanlage so angeordnet, daß er von dem durch den Strömungskanal geführten Luftstrom beaufschlagt wird.

Der Verdampfer 13 ist in üblicher Weise mit dem Kompressor 7 im Kreislauf angeschlossen, wobei die vom Kältemittel im Verdampfer 13 aus dem hindurchgeführten Luftstrom aufgenommene Wärme über einen Wärmetauscher 14 an einen Wärmeverbraucher 11' abgegeben wird. Auch hier kann es sich wiederum um Raumheizkörper, Wärmetauscher für eine Klimaluftbeheizung, Warmwasserbereitung oder dergleichen handeln. Je nach dem Anwendungsfall und/oder der Temperaturlage der über die Motorkühlung gewonnenen Wärme im Verhält zu der über die Wärmepumpe gewonnenen Wärme können die beiden Verbraucher 11 und 11' voneinander getrennt oder aber über einen entsprechenden zentralen Wärmespei-

130049/0224

3018868

eher miteinander kombiniert sein, wobei hier die Möglichkeit gegeben ist, über einen öl-oder Gasbrenner zusätzliche Energie zuzuführen, falls dies erforderlich sein sollte.

Der Strömungskanal ist mit einem Ventilator o.der Gebläse zur Erzeugung des durch den Strömungskanal 1 fliessenden Luftstromes versehen. Dieser Ventilator kann im Einlaufbereich angeordnet sein oder es kann, wie in der Zeichnung für das Ausführungsbeispiel dargestellt, ein Ventilator 15 im Strömungskanal 1 unmittelbar vor dem Verdampfer 13 angeordnet sein, so daß die erforderlichen Luftmengen im Saugzug in den Kanal eingeführt und dann über den Ventilator durch den Verdampfer 13 hindurchgedrückt werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines mit Erdgas betriebenen Verbrennungsmotors werden die Abgase über die Auspuffleitung 16 in den Strömungskanal 1 eingeleitet. Da die Auspuffgase trotz der Kühlung über den Motorkühlkreislauf noch einen spürbar über der angesaugten Luft liegenden Wärmeinhalt aufweist, wird durch den vor dem Verdampfer 13 liegenden Ventilator 15 dafür gesorgt, daß die Auspuffgase mit den übrigen Luftmengen vermischt werden, so daß der Verdampfer 13 mit einem Luft-Gas-Gemisch mit einem über dem Strömungsquerschnitt in etwa gleichen Temperaturniveau beaufschlagt wird. Wird ein außenliegender, d. h. im Einlaufbereich angeordneter Ventilator

130049/0224

eingesetzt, der den Luftstrom durch den Strömungskanal hindurchdrückt, muß vor dem Verdampfer 13 eine Einrichtung zur Verwirbelung der über den Auspuff 16 eingeleiteten Abgase vorgesehen werden, die beispielsweise aus feststehenden Drallschaufeln oder dergleichen bestehen kann oder aber durch einen entsprechend ausgelegten Ventilator geringer Leistung gebildet werden kann. . .

Wird nun durch den Strömungskanal 1 mit Hilfe des Ventilators 15 oder eines nicht näher dargestellten zusätzlichen außenliegenden Gebläses Außenluft durch den Kanal hindurchgeführt, die den Generator 6, den Verbrennungsmotor 5 sowie den Kältemittelkompressor 7 und ggf. weitere im Strömungskanal 1 angeordnete Aggregate kühlt. Die von dem Luftstrom bei der Kühlung der einzelnen Aggregate aufgenommene Wärme sowie die Wärme der ggf. zusätzlich in den Luftstrom noch eingeführten Motorabgase wird anschließend an den Verdampfer 13 des Kältemitte!kreislaufes abgegeben. Anschließend wird die Luft wieder in die Atmosphäre abgeblasen.

Bei Wärmepumpenanlagen, mit denen ein großer Wärmebedarf gedeckt werden soll und bei denen der Verdampfer mit einer entsprechend großen Luftmenge beaufschlagt werden muß, kann es'zweckmäßig sein, nur einen Teil der benötigten Luftmengen zur Kühlung an den Aggregaten vorbeizuführen, um so insbesondere bei verhältnismäßig niedrigen Außenlufttemperaturen eine Unterkühlung der

130049/0224

3018868

Aggregate, beispielsweise des Verbrennungsmotoros zu vermeiden. Die für den Wärmepumpenkreislauf benötigten zusätzlichen Luftmengen werden dann über einen hinter dem zu kühlenden Aggregat in den Strömungskanal 1 einmündenden Seitenkanal 17 eingeführt, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Strömungsrichtung gesehen vor dem Ventilator 15 in den Strömungskanal 1 einmündet. Die über diesen Seitenkanal eingeführte Luftmenge wird zweckmäßigerweise über ein entsprechendes Regelorgan, beispielsweise eine Klappe 18 geregelt. Da die über den Seitenkanal 17 angesaugte Luft eine geringere Temperatur aufweist als die durch den Strömungskanal 1 geführte Luft, liegt die Einmündung des Seitenkanals 17 in Strömungsrichtung gesehen zweckmäßigerweise vor dem Ventilator 15, so daß auch hier eine Verwirbelung dieses zusätzlich eingeführten, kälteren Luftstromes erfolgt und der Verdampfer 13 mit einem über den Querschnitt praktisch gleichmäßig temperierten Lüftstrom beaufschlagt wird. Auch hier kann anstelle der Klappe 18 ein zusätzliches Gebläse bzw. ein zusätzlicher Ventilator vorgesehen sein, der ebenso wie der Ventilator 15 mit einer Drehzahlregelung versehen ist, so daß entsprechend dem von der Wärmepumpenanlage abgeforderten Wärmebedarf die durch den Verdampfer 13 zu führende Luftmenge reguliert werden kann.

Beim Einsatz eines Otto- oder Dieselmotors als Antriebsmaschine muß an sich auf die Verwertung der in den Abgasen nach Durch-

13QCU9/0224

- yr-

3019958

strömung des Abgaskühlers 10 noch enthaltenen Wärme verzichtet werden, da durch die unmittelbare Einleitung der Abgase aufgrund der in ihnen enthaltenen Schadstoffe die Gefahr besteht, daß die nachgeschalteten Aggregate/ insbesondere der Ventilator und noch mehr der Verdampfer der Wärmepumpenanlage beschädigt werden. Will man insbesondere bei großen Anlagen auf diesen Wärmeanteil nicht verzichten, so muß die Auspuffleitung über eine hier gestrichelt dargestellte Filtereinrichtung 19 geführt werden, in der durch -Adsorption und Chemosorption wenigstens der größte Teil, der Schadstoffe, insbesondere der größte Teil des in den Abgasen enthaltenen Schwefeldioxides entfernt wird, bevor die Abgase dem durch den Strömungskanal 1 fließenden Luftstrom zugemisch werden. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, daß die benötigte, durch den Strömungskanal zu führende Bischluftmenge sehr viel größer ist als die anfallende Abgasmenge, so daß . hier eine erhebliche "Verdünnung" gegeben ist.

Falls bei wassergekühlten Motoren, die durch das Kühlwasser abgenommene Wärme nicht unmittelbar einem Verbraucher zugeführt werden kann, wird zweckmäßigerweise der Motorkühler ebenfalls im Strömungskanal angeordnet, so daß die anfallende Wärme vom Verdampfer aufgenommen werden kann.

Die erfindungsgemäße Einrichtung bietet ferner die Möglichkeit der Kompaktbauweise, da der Strömungskanal als stabiles

130049/0224

Gehäuse eine anschlußfertige Anlieferung gestattet. In diesem Fall wäre der Wärmetauscher 14, der den Kondensator des Kältemittelkreislaufes bildet, ebenfalls im Strömungskanal anzuordnen. Da die Einrichtung über ihre Wärmeisolierung auch schallisoliert ist, kann sie auch wetterfest ausgebildet und als Kompaktanlage im Freien aufgestellt werden. Insbesondere in diesem Fall muß sor wohl an der Lufteintrittsseite als auch an der Luftaustrittsseite durch entsprechende Gitter etc. für eine zusätzliche Geräuschdämmung gesorgt werden.

1 30049/0224

Leerserte

Claims

Maxton ■ Maxton · Langmaack Patentanwälte

Patentanwälte Maxton & Langmaack · Pferdmengesstr. SO ■ 5000 Köln 51

Robert Breda (1895-1943) Alfred Maxton sr. (I943-1978)

Anmelderin; Bedia Bergbau- Alfred Maxton

Diesel-Ausrüstungen JOrgen Langmaack

, GmbH & Co iCG Dlplom-Ingenleure

zugelassen bei dem 5300 B O Π η 1 Europäischen Patentamt

5000 Köln st

Unsere Zeichen ■ Datum

527 pg 801 22.05.80

T Bezeichnung; Einrichtung zur Verwertung der Abwärme einer

Verbrennungskraftmaschine-

Ansprüche;
...

(Vj Einrichtung zur Verwertung der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungskanal (1) für Luft vorgesehen ist, dessen Wandungen mit einer Wärmeisolierung versehen sind, daß die Verbrennungskraftmaschine (5) sowie etwaige von dieser angetriebene, zu kühlende Arbeitsmaschinen (6, 7) im Strömüngskanal angeordnet sind, daß wenigstens ein Ventilator (15) zur Erzeugung eines Luftstromes vorgesehen ist und daß im Bereich des austrittsseitigen Endes (12) des Strömungskanals (1) der Verdamp-

1*0049/0224

Telefon: (0221) 380233 · Telegramm: Inventator Köln · Telex: 8883555 max d F 12 Postacheckkonto Köln (BLZ 37010050) Kto.-Nr. 152251-500 ■ Deutsche Bank AG Köln (BLZ 37070060) Kto.-Nr. 1236181

fer (13) eines Wärmepumpenaggregates angeordnet ist, das mit einem Wärmeverbraucher (11') in Verbindung steht.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Abgasleitung (16) der Verbrennungskraftmaschine (5) vor dem Verdampfer (13) in den Strömungskanal (1) einmündet.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet , daß im Strömungskanal· (1) vor dem Verdampfer (13) eine Einrichtung zum Verwirbeln des Luftstromes vorgesehen ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Verwirbeln des Luftstromes durch einen Ventilator (15) gebildet wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet , daß vor dem Verdampfer (13) wenigstens eine Filtereinrichtung (19) zur Entfernung von Schadstoffen angeordnet ist, die durch das Abgas der Verbrennungsr kraftmaschine in den Strömungskanal 1 eingeleitet werden.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

130049/0224

- 3 - 3019969

dadurch gekenn zeichnet, daß der Strömungskanal (1) mit einem zusätzlichen, hinter der Verbrennungskraftmaschine (5) einmündenden Lufteintritt (17) versehen ist.

-
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbrennungskraftmaschine (5) luftgekühlt ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Verbren-■ nungskraftmaschine. (5) wassergekühlt ist und daß der Kühlwasserkreislauf (8) direkt mit einem Wärmeverbraucher (11) in Verbindung steht,

15.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge k e η ηζ e lehnet , daß der Kompressor (7) des Wärmepumpenaggregates im Strömungskanal (1) angeordnet ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungskraftmaschine wassergekühlt ist und der Motorkühler im Strömungskanal vor dem Verdampfer angeordnet ist. 25

130049/0224