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Bezeichnung: Energieversorgungsanlage
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Beschreibung: r Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsanlage,
vorzugsweise ein Blockheizkraftwerk,mit einem durch eine Verbrennungskraftmaschine,
insbesondere durch eine luftgekühlte Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Versorgungsaggregat,
insbesondere Generator, wobei beide Maschinen in einem geschlossenem, wärmeisolierten
Gehäuse angeordnet sind und wobei wenigstens ein Ventilator zur Umwälzung der Luft
innerhalb des Gehäuses vorgesehen ist, die innerhalb des Gehäuses über wenigstens
einen, vorzugsweise mit Wasser als Wärmeträgermittel beaufschlagten Wärmetauscher
geführt wird und wobei Luftleiteinrichtungen vorgesehen sind, die eine Zwangsführung
des umgewälzten Luftstromes wenigstens im Bereich zwischen den Kühlflächen der Verbrennungskraftmaschine
und wenigstens einem Wärmetauscher bewirken.
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Eine Energieversorgungsanlage der eingangs bezeichneten Art ist aus
der DE-OS 31 43 366 bekannt. In dieser Druckschrift ist erstmals eine Energieversorgungsanlage
dargestellt, bei
der ein luftgekühlter. Verbrennungsmotor in einem
abgeschlossenen Gehäuse angeordnet und mit einem in sich geschlossenen Luftkreislauf
gekühlt und die vom Verbrennungsmotor und von dem angetriebenen Aggregat, beispielsweise
einem Generator abgegebene Wärme über einen Wärmetauscher nach außen geführt wird.
Hierdurch ist nicht nur eine zuverlässige Schallisolierung gegeben, sondern darüber
hinaus auch die Möglichkeit geschaffen worden, derartige Systeme innerhalb von Gebäuden
oder auch freistehend in unmittelbarer Nähe von Wohngebäuden, Fertigungsbetrieben
oder dgl. aufzustellen, wobei neben der elektrischen Energie auch die anfallende
Wärmeenergie in vollem Umfang nutzbar gemacht werden kann. Es ist ferner möglich,
innerhalb des Gehäuses die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine praktisch konstant
einzustellen und so die Verbrennungskraftmaschine in optimalen Drehzahlbereichen
zu betreiben. Die bekannte Einrichtung ist nun so konzipiert, daß die innerhalb
des Gehäuses durch den Betrieb von Verbrennungsmotor und Versorgungsaggregat anfallende
Wärmemenge über ein Wärmetauschersystem, beispielsweise eine Wärmepumpenanlage auf
genommen und zu einer Verwendungsstele über ein Wärmeträgermedium, beispielsweise
Wasser, geleitet wird. Da jedoch innerhalb des Gehäuses vom Luftstrom Zonen mit
unterschiedlicher Temperatur gekühlt werden, stellt sich im Bereich des Wärmetauschers
innerhalb des Systems eine Mischtemperatur ein, die zu Heizzwecken völlig ausreicht,
da es hier darauf ankommt, die anfallende Wärmemenge überhaupt noch zu nutzen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das bekannte System
so abzuwandeln, die in den einzelnen Bereichen anfallenden Wärmemengen differenziert
nach der Temperatur ab zugreifen, um so eine Nutzung der Wärme auch nach der Temperaturhöhe
zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens
zwei Gehäuse vorgesehen sind, wobei das innere Gehäuse im wesentlichen den Zylinderbereich
des Verbren-
nungsmotors umschließt und das äußere Gehäuse das innere
Gehäuse einschließlich der übrigen Bereiche des Motors umschließt,daß im inneren
Gehäuse wenigstens ein Ventilator zur Erzeugung eines inneren Luftkreislaufes und
im äusseren Gehäuse ein Ventilator zur Erzeugung eines äußeren Luftkreislaufes angeordnet
ist, und daß im inneren und im äußeren Luftkreislauf jeweils wenigstens ein von
Luft beaufschlagter Wärmetauscher angeordnet ist, der mit einer Prozeßwärmeverbrauchsstelle
in Verbindung steht. Hierdurch wird der Umstand nutzbar gemacht, daß die verschiedenen
Bereiche eines luftgekühlten Verbrennungsmotors unterschiedliche Temperaturlagen
aufweisen und dementsprechend bei der Kühlung Wärme in unterschiedlicher Temperaturhöhe
abgenommen werden kann. Dies ermöglicht es, entweder die Wärmetauscher entsprechend
der jeweils anfallenden Temperaturhöhe mit unterschiedlichen Prozeßwärmeverbrauchsstellen
zu verbinden oder aber die Wärmetauscher in beiden Gehäusen im Prinzip des Gleichstromwärmetauschers
hintereinander zu schalten, um so mit der größtmöglichen Temperaturhöhe die größtmögliche
Wärmemenge der Prozeßwärmeverbrauchsstelle zuführen zu können. Während der "innere"
Luftkreislauf im wesentlichen durch die Kühlluftführung des Verbrennungsmotors selbst
in seiner Richtung vorgegeben ist, kann der äußere" Luftkreislauf in seiner Richtung
so geführt werden, daß entsprechend den baulichen Gegebenheiten von etwaigen hoch
zu kühlenden Zusatzaggregaten wiederum hinsichtlich der Temperaturlage eine Gleichstromführung
erzielt wird und so der Wärmetauscher in Strömungsrichtung der Luft gesehen, hinter
dem Bauteil mit der höchsten Temperaturlage angeordnet ist. Dies ist meist das Auspuffrohr.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen,
daß das innere Gehäuse und das äußere Gehäuse sowie das Versorgungsaggregat mit
Abstand von einem Außengehäuse umschlossen sind und daß im Außengehäuse ein Ventilator
für einen weiteren, gesonderten Luftkreislauf angeordnet ist, der über einen Wärmetauscher
eines Niedrig-
temperatur-Wäremträgerkreislaufs geführt ist. Mit
Hilfe einer derartigen Trennung ist es nicht nur möglich, den Verbrennungsmotor
einerseits und das Versorgungsaggregat, beispielsweise den Generator andererseits
jeweils optimal durch eine entsprechende Anpassung des Volumenstroms zu kühlen,
sondern darüber hinaus die im Bereich des Generators rückgewinnbare, geringe Wärmemenge
mit niedriger Temperatur von etwa 80 bis 900 C ausschließlich zu Heizzwekken zu
verwenden und andererseits die im Bereich des Verbrennungsmotors anfallende Hochtemperaturwärme
mit der größtmöglichen Temperatur als Prozeßwärme auszunutzen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen,
daß die Ventilatoren jeweils mit einem gesonderten Antriebsmotor versehen sind und
daß die Antriebsmotore im Luftkreislauf des Außengehäuses angeordnet sind. Dies
hat den Vorteil, daß auch bei stillstehendem Verbrennungsmotor die Ventilatoren
betrieben und Wärmestau vermieden werden können. Ferner ist es möglich, zu Wartungs-
und Reparaturarbeiten bei stillstehendem Verbrennungsmotor alle Wärmetauscher bei
laufenden Ventilatoren mit kaltem Wasser zu beaufschlagen; so daß in kurzer Zeit
die Innenräume aller Gehäuse abgekühlt und zugänglich sind.
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In einer bevorzugten Aufgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
im Luftkreislauf des inneren Gehäuses zwei Wärmetauscher angeordnet sind, und daß
im Zylidnerbereich des Verbrennungsmotors eine Luftleiteinrichtung vorgesehen ist,
die einen Teil des Luftstromes über den Zylinderkopfbereich dem ersten Wärmetauscher
und den anderen Teil des Luftstromes über den Zylinderwandungsbereich dem zweiten
Wärmetauscher zuführt. Diese Aufteilung hat den Vorteil, durch Parallel schaltung
oder Hintereinanderschaltung dieser beiden Wärmetauscher für die beiden Bereiche
die Temperaturlage und damit auch die Kühlwirkung in engem Rahmen zu verändern und
so zu einer optimalen und gleichmässigen Kühlung des Zylinderbereichs des Verbrennungsmotors
zu kommen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ventilator
für den inneren Luftkreislauf und der Ventilator für den äußeren Luftkreislauf so
ausgelegt sind, daß im inneren Gehäuse und im äußeren Gehäuse ein in etwa gleiches
Druckniveau vorhanden ist. Dadurch entfällt das Erfordernis, das innere Gehäuse,
das ja nur einen Teil des Verbrennungsmotors überdeckt, hermetisch gegenüber dem
äußeren Gehäuse abzuschliessen. Hierdurch wird die Konstruktion des inneren Gehäuses
erheblich vereinfacht.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß nur das
äußere Gehäuse und das Außengehäuse wärme- und/oder schallisoliert ausgebildet sind.
Hierdurch ist zum einen der vom äußeren Gehäuse umschlossenen Hochtemperaturbereich
gegenden vom Außengehäuse umschlossenen Niedrigtemper.aturbereich wärmeisolierbar,
wobei die Wärmeisolierung lediglich auf die Temperaturdifferenz zwischen Hochtemperaturbereich
und Niedrigtemperaturbereich ausgelegt zu werden braucht.
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Für die Isolierung des äußeren Gehäuses braucht lediglich eine optimale
Wärmedämmung vorgesehen werden, während auf eine SChallisolierung keine Rücksicht
genommen zu werden braucht. Das äußere Gehäuse muß dagegen wärme- und schallisoliert
werden, wobei hier wiederum bezüglich der Wärmeisolierung die Temperaturdifferenz
zwischen dem Niedrigtemperaturbereich und der Außentemperatur zu berücksichtigen
ist. In bezug auf die niedrige Temperatur der Umgebungsluft wirkt somit das Außengehäuse
einschließlich einer Luftschicht zwischen Außengehäuse und dem hiervon umschlossenen
äußeren Gehäuse zusätzlich wie eine Isolierung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der ölkühler
des Verbrennungsmotors im Luftkreislauf des äußeren Gehäuses liegt und als Wärmetauscher
im Wärmeträgerkreislauf angeordnet ist. Diese Anordnung bietet die Möglichkeit zum
einen, die bei der Kühlung des Motoröls anfallende Wärme unmittelbar vom Wärmeträgerkreislauf
auf zuneh-
men, wobei hier eine auf optimale Wärmeübertragung ausgelegte
Kühlerkonstruktion eingesetzt werden kann und wobei darüber hinaus die Abstrahlungswärme
des ölkühlers vom "äußeren" Luftkreislauf aufgenommen und über den zugeordneten
Wärmetauscher erfaßt werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß
die Auspuffleitung des Verbrennungsmotor mit einem an den Wärmeträgerkreislauf angeschlossenen
Wärmetauscher versehen ist, der im Luftkreislauf des äußeren Gehäuses liegt. Auch
hier kann zunächst einmal die Temperatur der Motorabgase, die die höchste Temperaturlage
haben., unmittelbar in den Wärmeträgerkreislauf übertragen werden und zum anderen
die Abstrahlungswärme des WErmetauschers sowie die Abstrahlungswärme des' noch im
äußeren Gehäuse geführten Teils der Auspuffleitung zusätzlich vom äußeren Luftkreislauf
aufgenommen und über den zugehörigen Wärmetauscher zur Heizung des Wärmeträgermediums
zu nutzen Zweckmäßigerweise ist die Auspuffleitung noch durch den gesonderten Luftkreislauf
des.Außengehäuses geführt und in diesem Bereich mit Kühlflächen versehen, so daß
auch noch die nach der Kühlung der Abgase im äußeren Gehäuse auf eine Temperatur
von etwa 2000 C verbleibende Restwärme durch eine weitere Kühlung auf etwa 100"
C eine Erhöhung der im Außengehäuse gewinnbaren Niedrigtemperatur- Wärmemenge bewirkt.
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Die Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Ein luftgekühlter Verbrennungsmotor 1, beispielsweise ein Gasmotor,
ist als Energieversorgungsaggregat mit einem Generator 2 gekoppelt. Verbrennungsmotor
und Generator sind auf einem Fundamentrahmen 3 befestigt, der in üblicher Weise
über schematisch angedeutete Schwingungsisola-
toren 4 abgestützt
ist. Die gesamte Anordnung ist von einem Außengehäuse 5 umschlossen, das über eine
nicht näher dargestellte Tür geöffnet werden kann und dessen Wandungen schall- und
wärmeisoliert ausgeführt sind.
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Im Innenraum des Außengehäuses 5 ist nun der Verbrennungsmotor 1 vom
Generator 2 durch ein äußeres Gehäuse 6 abgetrennt, das ebenfalls mit wärmeisoliert
ausgeführten Wandungen versehen ist und den Verbrennungsmotor 1 vollständig umschließt.
Der Bereich der Zylinder des Verbrnnungsmotors 1 ist hierbei seinerseits von einem
inneren Gehäuse i umschlossen, das zweckmäßigerweise ebenfalls mit wärmeisolierten
Wandungen versehen ist, wobei hier besonderer Wert auf eine Isolierung gegen Wärmestrahlung
Wert gelegt sein muß. Das innere Gehäuse 7 läßt jedoch den unteren Bereich der normalerweise
ungekühlten Motorteile, hier vor allen den ölsumpf, die Kurbelwellenlagerung, die
Nockenwellenlagerung frei. Das Außengehäuse 5, das äußere Gehäuse 6 sowie das innere
Gehäuse 7 sind nun so bemessen, daß jeweils die Wandungen zueinander im Abstand
angeordnet sind.
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Im inneren Gehäuse 7 ist hierbei ferner noch eine Luftleiteinrichtung
8 vorgesehen, so daß der vom inneren Gehäuse 7 umschlossene Innenraum in etwa die
Form eines Ringkanals erhält.
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Im inneren Gehäuse 7 ist nun ein Ventilator 9 vorzugsweise im unteren
Gehäusebereich angeordnet, durch den die Luft im inneren Gehäuse 7 im Kreislauf
(Pfeil 10) über den Zylinderbereich des Verbrennungsmotors 1 als Kühlmedium geführt
werden kann. In Strömungsrichtung der Luft gesehen hinter dem Zylinderbereich des
Verbrennungsmotors 1 sind zwei Wärmetauscher 11 und 12 angeordnet, die mit einem
vorzugsweise flüssigen Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser beaufschlagt sind
und über die die im Zylinderbereich von der Luft auf genommene Wärme nach außen
abgeführt wird.
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Im äußeren Gehäuse 6, dessen freier Raum durch die Wandung des inneren
Gehäuses 7 wiederum die Form eines Ringkanals erhält, ist ein weiterer Ventilator
13 angeordnet, in dem das vom äußeren Gehäuse 6 umschlossene Luftvolumen in Richtung
des Pfeiles 14 im Kreislauf geführt werden kann.
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Diese Luft umspült die unteren Motorbereiche, im wesentlichen den
ölsumpf und die Kurbelwanne, den ölkühler 15, das Auspuffsrohr 16 sowie einen dem
Auspuffrohr 16 zugeordneten Wärmetauscher 17. Die in diesen Bereichen vom Motor
aufgenommene Wärmemenge wird über einen dem Ventilator 13 zugeordneten Wärmetauscher
18 aufgenommen und wiederum über ein vorzugsweise flüssiges Wärmeträgermedium abgeführt.
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Daes bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel darauf ankommt, die
im Motorbereich anfallende Hochtemperaturwärme als Prozeßwärme zu nutzen, sind der
Wärmetauscher 18 im Luftkreislauf des äußeren Gehäuses 6, der blkühler 15, die Wärmetauscher
11, 12 im Zylinderbereich sowie der Wärmetauscher 17 zur Kühlung der Auspuffgase
hintereinander'geschaltet. Der vom Prozeßwärmeverbraucher kommende Rücklauf 19 ist
hierbei an den Wärmetauscher 18 angeschlossen, während der zum Prozeßwärmeverbraucher
führende Vorlauf 20 an den Wärmetauscher 17 des Abgasrohres 16 angeschlossen ist.
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In dem im Bereich des Generators 2 verbleibenden Freiraum 21 .zwischen
Außengehäuse 5 und äußerem Gehäuse 6 sind nun zum einen die Antriebsmotore 22 und
23 der Ventilatoren 9 und 13 angeordnet. Im oberen Bereich des Raumes 21 ist ferner
ein mit einem flüssigen Wärmeträgermedium beaufschlagter Wärmetauscher 24 angeordnet,
dem ein Ventilator 25 zugeordnet ist, mit dessen Hilfe wiederum die Luft zwischen
AuBengehäuse 5 und äußerem Gehäuse 6 über den Generator 2, die Antriebsmotore 22,
23 sowie um das äußere Gehäuse 6 herum und den Wärmetauscher 24 geführt werden kann.
Der Ventilator 25 unterstützt hierbei das Lüfterrad des zwangsbelüfteten Generators
2. Die hierbei vom Wärmeträger-
medium des Wärmetauschers 24 aufgenommene
Wärme wird als Niedrigtemperaturwärme mit einer Temperatur von etwa 800 C in einen
Heizkreislauf abgegeben. Ggf. kann auch noch eine Teillänge des Auspuffrohres 16
innerhalb des Außengehäuses 5 geführt werden und mit entsprechenden Kühlrippen versehen
sein, so daß der Luftkreislauf innerhalb des Außengehäuses 5 im Bedarfsfalle die
im Abgas noch vorhandene Wärme aufnehmen und für Heizzwecke bereitstellen kann.
Ggf. können im Bereich des Raumes 21 Luftleiteinrichtungen vorhanden sein, die eine
gezielte Führung der Luft sowohl um das äußere Gehäuse 6 herum, als auch über die
Antriebsmotoren 22, 23 der Ventilatoren 9 und 13 sicherstellen.
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Schaltet man die Wärmetauscher 11, 12, 15, 17 und 18 in der dargestellten
Weise hintereinander und führt ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser mit
einem Volumenstrom von 6m3/h hindurch, so ergibt sich bei einer Eintrittstemperatur
von 1400 C in den Wärmetauscher 18 eine Austrittstemperatur von etwa 1420 C. Nach
dem Durchströmen des Wärmetauschers 15 zur ölkühlung ergibt sich eine Austrittstemperatur
von etwa 1440 C..Mit dieser Temperatur als Eintrittstemperatur wird. das Wasser
in Parallelschaltung über die beiden Wärmetauscher 11, 12 geführt, aus denen es
mit einer Temperatur von 1520 C austritt. Da die Abgase unmittelbar hinter dem Motor
eine Temperatur von etwa 6000 aufweisa, läßt sich dann noch im Wärmetauscher 17
bei einer Eintrittstemperatur von 1520 eine Austrittstemperatur von 1600 C erzielen.
Mit dieser Temperatur steht nun das als Wärmeträgermedium dienende Wasser als Prozeßwärme
zur Verfügung. Im Bereich des ölkühlers 15 und des Abgaswärmetauschers 17 fällt
ein Teil der dort zur Verfügung stehenden Wärme als Abstrahlungswärme an, die dann
noch über die im äußeren Luftkreislauf innerhalb des äußeren Gehäuses 6 geführte
Luft aufgenommen und im Wärmetauscher 18 genutzt wird. Da das innere Gehäuse 7 gegenüber
dem äußeren Gehäuse 6 nicht hermetisch abgeschlossen zu sein braucht, wird von dem
äußeren Luftkreislauf 14 die über "Leckverluste" aus
dem inneren
Kreislauf 10 austretende "Leckwärme" auf genommen.
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Der Luftkreislauf innerhalb des Außengehäuses 5, mit dem der Generator
2 sowie die Antriebsmotore 22, 23, die Außenwandung des äußeren Gehäuses 6 und ggf.
auch noch das Auspuffrohr gekühlt wird, erlauben die Bereitstellung von etwa 3 2m3/h
Wasser mit einer Vorlauftemperatur von etwa 850 C.
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Die Temperatur lage der Luft in den einzelnen Gehäusen kann im Rahmen
der vorgegebenen Wassertemperaturlage geringfügig verschoben werden durch änderung
der Hintereinanderschal( tung und/oder durch Parallelschaltungen der Wärmetauscher.
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Sofern nicht die gesamte Hochtemperaturwärme an einer Verbrauchsstelle
benötigt wird, können differenziert entsprechende Wärmemengen mit unterschiedlichen
Temperaturen zu verschiedenen Wärmeverbrauchsstellen geführt werden. Dies richtet
sich im wesentlichen jedoch nach der Größe des durch den elektrischen Energiebedarf
und damit durch den Generator vorgegebenen Verbrennungsmotors.
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Dadurch, daß der Motor praktisch durch zwei Gehäuse in unterschiedlichen
Bereichen abgedeckt ist, die jeweils gesonderte Luftkreiskäufe aufweisen, läßt sich
für die Hochtemperaturzone 1I "Zylinderbereich" eine effektive und gezielte Kühlung
und zugleich eine hohe Wärmerückgewinnung erzielen. Durch die Anordnung des das
innere Gehäuse 7 umschließenden äußeren Gehäuses 6 wird demgegenüber erreicht, daß
alle bei luftgekühlten Verbrennungsmotoren normalerweise ungekühlten Bereiche ebenfalls
gekühlt werden und darüber hinaus die Abstrahlungsverluste im Bereich von Rohrleitungen
etc. sowie die Leckverluste aus dem inneren Gehäuse 7 aufgenommen werden.
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Die für das Ausführungsbeispiel angegebenen ungefähren Zahlenwerte
beziehen sich auf. eine Energieversorg:ungsanlage mit einem Einsatz an Primärenergie
von 237 KW. Für den Motor wurde eine Wellenleistung von 77 KW und für den Generator
eine Leistung von 71 KW angenommen. Daraus resultiert für die erfindungsgemäße Anordnung
für den Hochtemperaturbereich eine thermische Leistung von etwa 139 KW,die als Prozeßwärme
genutzt wird. Für den Niedertemperaturbereich verbleibt eine thermische Leistung
von etwa 22 KW für Heizzwecke.
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Da das System eine geschlossene Baueinheit bildet, ist es je nach
Leistungsgröße möglich, das Außengehäuse 5 nach Art eines Ladecontainers mit Anschlagmitteln
für Hebezeuge zu versehen, so daß das System fabrikmäßig vorgefertigt und leicht
zum Einsatzort transportiert werden kann. Am Einsatzort sind nur noch die Verbindungen
mit den Energieverbrauchern herzustellen.
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Wenn auch grundsätzlich wassergekühlte Verbrennungskraftmaschinen,
insbesondere Verbrennungsmotore eingesetzt werden können, weist der luftgekühlte
Verbrennungsmotor, insbesondere als Gasmotor, erhebliche Vorteile auf. Er ist nicht
nur in einfacher Weise in die thermischen Kreisläufe des Systems zu integrieren.
Als überraschend hat sich herausgestellt, daß ein luftgekühlter Verbrennungsmotor,
insbesondere Gasmotor in einem Gehäuse mit geschlossenem Kühlluftkreislauf zuverlässig
im Dauerbetrieb gefahren werden kann, so daß ein System mit hoher Verfügbarkeit
gegeben ist. Die nicht dargestellte Zuleitung zum Motor für die Verbrennungsluft
und die ins Freie geführte Auspuffleitung sind in üblicher Weise jeweils mit Schalldämpfern
versehen.