DE3785830T2

DE3785830T2 - Wärme-Kraft Kopplungssystem.

Info

Publication number: DE3785830T2
Application number: DE87100632T
Authority: DE
Inventors: Craig L Linden
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-11-21
Filing date: 1987-01-19
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2007-01-20
Also published as: ES2041645T3; JPS63131854A; AU8326687A; AU596338B2; NZ222350A; US4736111A; WO1988003989A1; EP0268726A2; CA1325145C; DK169085B1; DK404688D0; ATE89366T1; CN1010240B; DK404688A; EP0268726B1; EP0268726A3; DE3785830D1; CN87107870A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kraft-Wärme- Kopplungssystem, und insbesondere auf ein Kraft-Wärme- Kopplungssystem zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie am Einsatzort.
Kraft-Wärme-Kopplung zur Deckung des elektrischen und thermischen Enegiebedarfs an einem Einsatzort ist eine bewährte Technik, die für kleinere Energieverbraucher kostenmäßig interessant wird, wenn sich ihr Betriebswirkungsgrad verbessert. Die Bundesgesetzgebung schafft ebenfalls bedeutsame wirtschaftliche Anreize für kleinere Verbraucher, um sich der Kraft-Wärme-Kopplung zuzuwenden. Versorgungseinrichtungen sind erforderlich, die bei einer Betriebsunterbrechung einer Kraft -Wärme- Kopplungseinheit eine Reserveleistung bereitstellen und die erzeugte, elektrische Überschußenergie liefern müssen.
Im Stand der Technik wurden beträchtliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen unternommen, um eine wirtschaftlich zweckmäßige Kraft-Wärme-Kopplungseinheit für kleinere Energieverbraucher mit Bedarf an sowohl mechanischer als auch thermischer Energie zu entwickeln. Eine zufriedenstellende Einheit muß kompakt sein und zum vollautomatischen, im wesentlichen geräuschlosen Betrieb in der Lage sein. Sie muß einfach zu installieren und zu betreiben sein, und vor allem muß sie einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, um einen hohen Anteil der Energie des Betriebsbrennstoffs in elektrische und thermische Energie für den gesamten Bedarf an Elektrizität, Kühlung und Beheizung am Einsatzort umzuwandeln, bei einem Preis, der mit zentralisierten Versorgungsdienstleistungen konkurrieren kann.
Eine typische Kraft-Wärme-Kopplungseinheit aus dem Stand der Technik verwendet eine wassergekühlte Verbrennungskraftmaschine in Kombination mit einem elektrischen Generator. Der Wirkungsgrad einer solchen Motor- Generator-Kombination hängt in großem Maße von der Menge der sogenannten "Abwärme" ab, die aus dem Abgas und der Kühlung des Motors für Heiz- und Kühlzwecke zurückgewonnen werden kann. In vielen Fällen wird der Motor-Generatorsatz offen in einem Betonbett oder ähnlichem montiert, und es wird kein Versuch unternommen, um die Wärme, die durch Strahlung an die Atmosphäre verlorengeht, zurückzugewinnen. Tatsächlich beruhen manche Bauarten auf der Abstrahlung von Wärme zur Kühlung des Motors.
Die US -A-4 262 209 offenbart ein Energieerzeugungssystem, in dem ein Umformersatz und eine Verbrennungskraftmaschine mit ihrem Vergaser in einer thermisch isolierten Einschließung untergebracht sind. Einlaßluft für den Vergaser tritt durch eine geeignete Leitung ein. Luft wird von einem Gebläse in die Einschließung gezogen und zur Kühlung der Maschine über Kühlrippen auf der Maschine geleitet. Die so erwärmte Luft wird in einen Wärmetauscher innerhalb der Einschließung gesaugt, und die erwärmte Luft vom Wärmetauscher wird zur Verwendung im Wohnbereich eines Haushalts nach außen geführt. Die US-A-4 495 901 ist ebenfalls für eine solche Anordnung repräsentativ.
Die Unterbringung des Vergasers in der isolierten Einschließung dieser Systeme aus dem Stand der Technik stellt ein Explosionsrisiko dar, da immer die Möglichkeit einer Leckage der Brennstoff-Luftmischung in die Einschließung besteht. Darüber hinaus benötigen solche Durchlaufsysteme für Einlaßluft notwendigerweise ein Durchzugsgebläse oder einen Wärmetauscher oder ähnliches, wodurch die Kosten und die Kompliziertheit erhöht werden.
Die US-A-3 805 082 offenbart die Anordnung einer Maschine in einem wassergefüllten Gehäuse, wobei das Wasser zu Abführung der Wärme und zur Dämpfung des Maschinenlärms vorgesehen ist. Abgas von der Maschine wird in das Wasser abgelassen, um die Erzeugung eines Strömungssystems um die Maschine herum zur Kühlung zu unterstützen. Kühlrippen auf dem Tank sind zur Kühlung des Tanks vorgesehen. Ein analoges System ist in der US-A-3 723 027 offenbart.
Die US-A-4 503 337 offenbart eine Verbrennungskraftmaschine und einen Generator, die in einer wärme- und/oder geräuschdichten Einschließung untergebracht sind. Abwärme von der Maschine geht in ein Kühlmedium, das durch die Maschine umläuft, und dieses Medium strömt dann zu einem innerhalb der Einschließung untergebrachten Wärmetauscher. Es gibt keinen Hinweis darauf, daß die Maschine isoliert ist.
Keine der Lehren aus dem Stand der Technik scheint die Wichtigkeit der Verhinderung von Strahlungswärmeverlusten zu erkennen. Wenn die Maschine in einem thermisch isolierten Gehäuse eingeschlossen ist, wird Wärme abgestrahlt, bis die eingeschlossene Luft eine Temperatur erreicht, die ungefähr der der Maschine entspricht. Beim Start der Maschine wirkt das Gehäuse als eine Wärmesenke, die die Wärme aufnimmt und das Aufwärmen der Maschine verzögert und dann beim Abschalten der Maschine diese Wärme verliert. Häufiges An- und Abfahren der Maschine vermindert den Wirkungsgrad des Systems beträchtlich. Die Situation wird nicht bedeutend verbessert, wenn ein zirkulierendes Luftgebläse verwendet wird, um einen Teil der erwärmten Luft zur Verwendung als Einlaßluft für die Maschine auszuspülen, wie oben angesprochen, und Wärmetauscher sind nicht genügend wirksam. Es scheint offensichtlich, daß ein Verlust an Strahlungswärme im Stand der Technik als notwendige Folge der Maschinenkühlung akzeptiert wird.
Erfindungsgemäß wird ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem geschaffen, welches umfaßt:
eine primäre Antriebsvorrichtung (14), die die Erzeugung von Wärme bewirkt, eine Einrichtung (36), die das Zirkulieren von Kühlungsfluid durch die primäre Antriebsvorrichtung zur Aufnahme von Wärme, die durch die primäre Antriebsvorrichtung erzeugt wird, bewirkt und eine Einrichtung zur Umhüllung (10) um die primäre Antriebsvorrichtung herum, Abschirmmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gegen thermische Strahlung (46, 54, 23, 27), das die primäre Antriebsvorrichtung umgibt, um den Fluß von abgestrahlter Wärme von der primären Antriebsvorrichtung wesentlich herabzusetzen, wodurch die abgestrahlte Wärme dazu neigt, durch das Kühlungsfluid absorbiert zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Oberflächen der primären Antriebsvorrichtung frei von beweglichen Bauteilen, ausgenommen irgendeine Abtriebswelle der primären Antriebsvorrichtung, sind und daß das Abschirmmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gegen thermische Strahlung in direktem Kontakt mit den besagten äußeren Oberflächen vorgesehen ist.
Im Gegensatz zur herkömmlichen Sichtweise, daß Abstrahlung von Wärme zur angemessenen Kühlung der Maschine notwendig sei, verhindert die vorliegende Erfindung im wesentlichen solche Wärmeabstrahlung. Dadurch daß nahezu die gesamte "Abwärme" der Maschine im Abgas und im Kühlmittel der Maschine zurückgehalten wird, kann nahezu die gesamte Wärme der Maschine für Beheizungs- und Kühlbedarf aufgefangen werden. Zusätzlich bringt das vorliegenden System kein verlustreiches Erwärmen und Abkühlen eines großen Volumens eingeschlossener Luft beim An- und Abfahren der Maschine mit sich. Eine neuere Studie bestätigt, daß die Verluste des thermischen Gesamtwirkungsgrades in einem System aus dem Stand der Technik ein Ergebnis aufeinanderfolgender Kaltstarts sind, was anzeigt, daß 18 Minuten erforderlich sind, um die Systemtemperatur auf die richtige Wärmerückgewinnungsrate zu bringen.
Dadurch daß die Maschine schneller auf die richtige Betriebstemperatur gebracht wird und für längere Zeiten auf höheren Temperaturen gehalten wird, verhindert das vorliegende System auch Öldruckausfälle und vermindert in hohem Maße Säurebildung und Schlammniederschlag in der Maschine.
Entsprechend den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das Kühlungsfluid der Maschine auch durch einen elektrischen Generator zirkuliert, der sich in der Einrichtung zu Umhüllung befindet; die Einrichtung zur Umhüllung umfaßt ein Gehäuse mit einer inneren Kammer, die mit einem Abschirmmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gegen thermische Strahlung ausgefüllt ist; das Abschirmmaterial umfaßt ein fließfähiges, aus Partikeln bestehendes Material, das zu irregulären Konturen konform ist; das Abschirmmaterial ist ein inertes Gas; das Abschirmmaterial ist Luft bei Unterdruck; das Abschirmmaterial umfaßt wärmeisolierendes Material in miteinander verbundenen Säcken. In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist das Gehäuse dicht für Fluid, und es enthält eine Einrichtung, um das Gehäuse mit einen inerten Gas unter Druck zu setzen, und eine Einrichtung, um eine Änderung des Drucks in dem Gehäuse festzustellen, wodurch ein Auslecken von Brennstoff aus der primären Antriebsvorrichtung festgestellt werden kann; eine Brennstoffvergasungseinrichtung befindet sich außerhalb des Gehäuses; die äußeren Oberflächen der primären Antriebsvorrichtung sind frei von beweglichen Bauteilen, und das Abschirmmaterial ist in fester Form auf der besagten äußeren Oberfläche angeordnet.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine zum Teil schematische Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungssystems ist, wobei Luft bei Unterdruck, Argon o. a. als Material geringer Wärmeleitfähigkeit eingesetzt ist;
Fig. 2 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1 ist, aber eine Ausführungsform erläutert, in der fließfähiges Partikelmaterial als Material geringer Wärmeleitfähigkeit eingesetzt ist.
Fig. 3 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2 und erläutert eine Ausführungsform, in der das partikelmaterial der Ausführungsform nach Fig. 2 in Säcken enthalten ist, die das Maschinengehäuse füllen; und
Fig. 4 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3, aber erläutert eine Ausführungsform, in der das Material geringer Wärmeleitfähigkeit die Form einer relativ dicken Decke oder Kapselung um die Maschine hat.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In Fig. 1 ist eine schematische oder vereinfachte physikalische Anordnung der verschiedenen Elemente eines Kraft-Wärme-Kopplungssystems dargestellt. Viele der einzelnen Bauteile des Systems sind zur Vereinfachung weggelassen, da sie bekannt sind. Z. B. sind die elektronischen Schaltkreise, automatischen Steuerungen, Sensoren, Wasseraufbereitung und Vergaserbauteile nur schematisch, wenn überhaupt, dargestellt. Auswahl und Einbau solcher Bauelemente in das System zum Erzielen der beschriebenen Funktionen ist für Fachleute des angesprochenen Bereichs offensichtlich.
Die Mehrzahl der Bauteile des vorliegenden Verbrennungssystems sind innerhalb eines ummantelten, vorzugsweise hermetisch abgedichteten Gehäuses oder einer Einschließung 10 enthalten oder eingeschlossen. Die Wände des Gehäuses 10 können thermisch isoliert sein, aber dies ist im allgemeinen aufgrund des Vorhandenseins eines Materials geringer Wärmeleitfähigkeit im Gehäuse 10 nicht erforderlich, wie noch deutlich wird. Allerdings kann es in der Ausführungsform nach Fig. 1 wünschenswert sein, die Gehäusewände mit einer akustischen Isolierung zur Schalldämpfung zu verwenden.
Die Bauteile des Systems sitzen in einer beliebigen, geeigneten Weise auf einem transportablen, nach oben offenen, kastenförmigen Träger 12, der innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet ist und mit kurzen Stützen oder Winkeln zum Zusammenwirken mit dem Gehäuseboden angebracht ist. Dadurch können die Bauteile des Systems aus dem Gehäuse 10 zur Wartung herausgehoben werden, nachdem die üblichen elektrischen Leitungen und Verbindungen gelöst wurden, die sich zwischen den Bauteilen des Systems und der Außenseite des Gehäuses erstrecken. Wenn gewünscht, kann der Träger 12 weggelassen werden und die Bauteile des Systems über stoßdämpfende Anschlüsse oder ähnliches unmittelbar am Gehäuse befestigt werden.
Das Kraft-Wärme-Kopplungssystem schließt eine primäre Antriebsvorrichtung oder Maschine 14 von vorzugsweise wassergekühlter, erdgasgefeuerter Bauart mit vier Zylindern und hoher Kompression ein. Die Verwendung eines speziellen Typs als primäre Antriebsvorrichtung ist aber nicht kritisch für die Erfindung, sofern sie durch die Erzeugung von Wärme gekennzeichnet ist. Die Maschine 14 ist von herkömmlicher Dieselmotorbauart, außer daß ihr Vergasersystem oder -aufbau 16 modifiziert ist, so daß auch gasförmiger Brennstoff wie Propan oder Erdgas verwendet werden kann. Zusätzlich, insbesondere in den Ausführungsformen der Fig. 2 bis 4, ist die Maschine speziell durch die Entfernung herkömmlicher, beweglicher Bauteile modifiziert, wie Lüfter, Keilriemen und Riemenscheiben, Wasserpumpe und aller mechanischen Steuer- und Regelgestänge. Solche Bauteile sind dann entweder außerhalb des Maschinengehäuses angeordnet, oder es werden Bauteile verwendet, die keine äußeren, sich bewegenden Teile haben, die durch ein umgebendes Material geringer Wärmeleitfähigkeit in ihrer Funktion beeinträchtigt würden. Z. B. können eine elektrische Wasserpumpe 36 und ein elektrischer Drehzahlregler (nicht dargestellt) innerhalb des Gehäuses angeordnet werden, da sie nicht mechanisch mit der Maschine verbunden werden müssen. Vorzugsweise wird der dem vorderen Ende der Kurbelwelle benachbarte Maschinendurchlaß von einer Abdeckung 17 abgedichtet. Der hintere Kurbelwellendurchlaß wird in der Ausführungsform nach Fig. 1 in ähnlicher Weise durch eine abgedichtete Befestigung des Gehäuses des Generators 28 an der Maschine abgedichtet, wie ersichtlich wird. Wenn gewünscht, könnte der hintere Durchlaß stattdessen mit einer Abdeckung ähnlich der Abdeckung 17 abgedichtet werden.
Der Brennstoff Erdgas geht von einem geeigneten Brennstoffvorrat (nicht dargestellt) durch ein magnetbetätigtes Ventil 18, durch einen Druckregler 19 und dann zum Vergaseraufbau 16, der außerhalb angeordnet ist und an einer Außenwand des Gehäuses befestigt ist.
Im Betrieb geht natürlich angesaugte Luft durch einen Einlaß oder Filter 20 in den Vergaseraufbau 16. Die Brennstoff- Luftmischung aus der Anordnung 16 wird dann von einer Einlaßleitung 22 zu einem Einlaßverteiler 24 zum Durchgang zu den verschiedenen Zylindern geführt. Elektrische Verbindungen (nicht dargestellt) sind vorhanden, damit das Ventil 18 von einer Kontrolltafel 26 entsprechend Überwachungssensoren (nicht dargestellt) wie Thermostat o. ä. bedient werden kann. Ebenfalls nicht dargestellt sind geeignete Einrichtungen, die mit der Kontrolltafel verbunden werden können, um ungenutzte elektrische Energie zu einer zentralen Stromversorgung abzuzweigen. Herkömmliche Mittel zum Erzielen der soeben erwähnten Funktionen sind bekannt und daher nicht beschrieben.
Die Maschine 14 kann mit einem beliebigen, geeigneten Leistungsumformungseinrichtung verbunden werden, um die mechanische Kraft von der Maschine in die gewünschte Energieform, elektrische Leistung im Fall eines Generators, thermische Energie im Falle eine Wärmepumpe, oder andere Energieformen, wie erforderlich, umzuwandeln.
In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Maschine 14 an einen Leistungsumformer in Form eines elektrischen Generators 28 über geeignete Kopplungsvorrichtungen angeschlossen, die ermöglichen, daß der Generator 28 zum Starten der Maschine 14 verwendet werden kann und von der Maschine angetrieben werden kann, um Strom zu erzeugen. Der Generator ist vorzugsweise von wassergekühlter, dreiphasiger Induktionsbauart mit einer Leistungsabgabe von etwa 20 kW. Natürlich können Größe und Leistungsfähigkeit der Bauteile des Systems so ausgelegt werden, daß sie eine beliebige, gewünschte Leistung erreichen, oder es kann eine Anzahl von Systemen kombiniert oder gekoppelt werden, um die gewünschte, gesamte Leistungsabgabe zu erreichen.
Der Generator 28 ist vorzugsweise fluiddicht und flüssigkeitsgekühlt. Es kann aber ein luftgekühlter Typ verwendet werden, wenn er außerhalb des Gehäuses oder innerhalb eines getrennt abgeteilten Teil des Gehäuses untergebracht ist. Die Maschinenverbindung liefe dann je nachdem durch das Gehäuse oder die Abtrennungswand.
Abgase von der Maschine 14 gehen in einen Abgassammler 30 und dann zu einem Schalldämpfer/Abgaswärmetauscher 32. Eine Auslaß- oder Abgasleitung 34 führt die abgekühlten Abgase vom Wärmetauscher 32 zur Außenseite des Gehäuses 10.
Der Weg des Kühlwassers der Maschine ist schematisch dargestellt, wobei viele der Bauteile eines Standardkühlsystems der Einfachkeit halber weggelassen sind. Mit einer elektrischen, zwischen dem Auslaß eines Wärmetauschers 38 und dem Einlaß des üblichen Wassermantels der Maschine angeordneten Umlaufpumpe 36 wird Wasser im System umgewälzt. Wasser von Pumpe 36 geht auch in den Einlaß eines den Generator umgebenden Wassermantels und eines das Auslaßsammelrohr 30 umgebenden Wassermantels. Erwärmtes Wasser von diesen Wassermänteln geht dann durch eine Leitung 40 zum großen Wärmetauscher 38.
Die eben beschriebenen Wasserwege bilden den Primärkreislauf für den Wärmetauscher 38. Der Sekundärkreislauf, der Wärme vom Primärkreislauf abzieht, erhält kaltes Wasser von einer Leitung 42, und erwärmtes Wasser wird vom Wärmetauscher 38 durch eine Leitung 44 abgeführt. Das erwärmte Wasser kann für den Heißwasserbedarf des Benutzers oder zur Erzeugung von Dampf zum Zirkulieren durch Raumheizkörper oder zum Betreiben von Absorptionskühlern zur Raumkühlung verwendet werden.
Der Wirkungsgrad des Kraft-Wärme-Kopplungssystems wird durch Verzögern oder Blockieren des Strahlungswärmestroms von den Bauelementen des Systems, und insbesonderen von den äußeren Oberflächen der Maschine 14, deutlich verbessert.
In der Ausführungsform nach Fig. 1 wird eine bedeutende Verminderung des Stroms oder Entweichens von Strahlungswärme dadurch erreicht, daß das Innere des Gehäuses 10 mit Luft bei Unterdruck oder mit einem relativ inerten Gas geringer Wärmeleitfähigkeit wie Argon gefüllt wird. Die Luft oder das Gas werden von einer Quelle 46 in Strömungsverbindung mit dem Inneren des Gehäuses 10 unter Steuerung eines Ventils 48 geliefert. Die Gegenwart der Luft oder des Gases verhindert die Entwicklung einer brennbaren oder exposiblen Mischung im Inneren des Gehäuses 10. Darüber hinaus, wenn das Gas ein inertes Gas ist, welches unter einem Druck steht, der größer als der des gasförmigen Brennstoffs ist, kann durch eine Drucküberwachung eine Lecköffnung im Brennstoffversorgungssystem festgestellt werden. Zu diesem Zweck kann ein üblicher und herkömmlicher Druckübertrager 50 im Innern des Gehäuses 10 befestigt und mit einem Relais 52 zum Abschalten des magnetbetätigten Brennstoffventils 18 verbunden werden, wenn der Übertrager 50 einen Druckabfall unterhalb einer vorbestimmten Höhe feststellt. Dies würde einen Fluß von Inertgas in die Lecköffnung des unter einem geringeren Druck stehenden Brennstoffversorgungssystems anzeigen und auch das Auslecken des gasförmigen Brennstoffs aus der Öffnung verhindern.
Wenn das Material geringer Wärmeleitfähigkeit unter einem geringen Druck stehende Luft ist, würde eine Veränderung des Drucks im Gehäuse auf ähnliche Weise eine Leckage im Brennstoffversorgungssystem anzeigen. Es sei bemerkt, daß es wichtig ist, wenn das Gehäuse unter einem verminderten Druck stehen soll, die Abdeckung 17 vorn an der Maschine zu verwenden, und eine ähnliche Abdeckung oder eine abdichtende Generatorkopplung unten an der Maschine, um zu verhindern, daß unter einem höheren Druck stehende Gase aus dem Kurbelgehäuse in das evakuierte Gehäuse strömen. Zusätzlich sollte der Generator hermetisch verschlossen sein oder außerhalb des evakuierten Abschnitts des Gehäuses untergebracht sein.
In allen Ausführungsformen der Erfindung wird höchst bevorzugt die außerhalb angebrachte Vergaseranordnung 16 verwendet. Da das Vergasersystem die Hauptquelle einer möglichen Brennstoffleckage darstellt, reduziert ihre Unterbringung außerhalb des Gehäuses 10 die Möglichkeit einer Ansammlung gasförmigen Brennstoffs, der möglicherweise explodieren könnte, bedeutend. In den bekannten Systemen im Stand der Technik ist das Vergasersystem innerhalb des Maschinengehäuses untergebracht und es besteht eine gefährliche Möglichkeit für Explosionen, und ebenfalls eine Möglichkeit für Dampfblasenblockierungen im Falle von mit flüssigem Brennstoff betriebenen Maschinen.
Um das Entweichen von Strahlungswärme weiter zu blockieren, kann das Innere des Gehäuses mit einer Schicht reflektierenden Materials 21, wie etwa Mylar-Material, das dünn aluminiumbeschichtet ist, ausgelegt werden.
Das Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Fig. 2 ist im wesentlichen in jeder Hinsicht mit dem nach Fig. 1 identisch, außer daß ein wesentlich wirksameres Material geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Im System nach Fig. 2 besteht die Wärmeisolierung oder das Material geringer Wärmeleitfähigkeit aus einer losen Masse isolierenden Materials, wie etwa aus geblähtem Vermiculit. Es kann auch die Form von Mineralwolle, Pflanzenfasern, organischen Papieren, geblähtem Perlit, Zellglas o. ä. annehmen. Es kann auch ein reflektierendes Material sein wie Schichten aluminiumbeschichteten Mylarfilms. Das gewählte Material sollte aufgrund seiner Eignung ausgesucht sein, den Strahlungswärmestrom aufzuhalten. Im Fall von Vermiculitpartikeln geschieht dies durch Aufbrechen des Wärmestromweges und Nutzbarmachung seiner Opazität gegenüber der Strahlungswärme.
Das bevorzugte Vermiculitmaterial liegt in Partikelform oder als lose Füllung vor, wie in Fig. 2 gezeigt, obwohl es auch in Form von "Bohnenhülsen" verwendet werden kann, wie in Fig. 3 gezeigt, wobei Säcke 23 zusammengebunden werden, so daß sie leichter aus dem Gehäuse 10 entnommen werden können, wenn es notwendig ist, die Bauteile des Kraft-Wärme-Kopplungssystems zu warten. Die Säcke 23 sind nur teilweise dargestellt und es versteht sich, daß sie die Maschine umgeben und vorzugsweise das Gehäuse vollständig ausfüllen.
Die Vermiculitpartikel können relativ leicht unter Verwendung eines handelsüblichen Vakuumgerätes entfernt werden.
Im System nach Fig. 2 ordnen sich die fließfähigen Körnchen oder Partikel eng an den strahlenden Oberflächen der Bauteile des Systems an. Zwischenräume oder kleine Leerstellen zwischen den fließfähigen Partikeln 54 werden mit-einem Gas wie Stickstoff von einer Quelle 46a unter der Steuerung eines Ventils 48 gefüllt. Das Gas kann eine Verbrennung nicht unterstützen und wird auf eine Höhe oberhalb des Drucks der Versorgung mit gasförmigen Brennstoff unter Druck gesetzt, genau wie in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 1 beschrieben, und zum gleichen Zweck des Feststellens einer Leckageöffnung im Versorgungssystem für gasförmigen Brennstoff.
Fig. 4 erläutert eine Ausführungsform, die im wesentlichen mit der nach Fig. 3 identisch ist, außer daß eine Abdeckung oder Kapselung 27 als Material geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Im Fall einer Abdeckung liegt das Material vorzugsweise in zusammengesetzter Form vor, wobei es gewebte keramische Innen- und Außenschichten und eine Zwischenschicht aus einer geeigneten Isolierung in Form' einer losen Masse wie etwa Vermiculit einschließt. Im Fall einer Kapselung ist das Material zweckmäßig aus einem geeignet geformten, hochtemperaturfesten Kunststoffschaummaterial hergestellt. Die Dicke und die Materialart in der Abdeckung oder Kappelung 27 kann variieren, wie es die jeweilige Anordnung erfordert, und die erwähnten Materialien sind nur beispielhaft angegeben.
Aus dem Vorausgehenden ist ersichtlich, daß durch das Vermindern oder im wesentlichen Ausschalten des Strahlungswärmeverlustes von den Maschinenoberflächen wesentliche Energieeinsparungen erzielt werden. Der erhöhte Wirkungsgrad bringt den Wirkungsgrad des Gesamtsystems in den oberen 90%-Bereich. Zusätzlich zur Verminderung des Strahlungswärmeverlustes verhindert das strahlungswärmeisolierende Material abrupte Temperaturabfälle der Maschinenbauteile beim Abschalten der Maschine, wodurch Erschütterung und Verzug von Metall vermindert wird, und hält das Öl während längerer Zeiten auf höheren Temperaturen.
Schlamm ist eine Mischung, die schädliche Säurebestandteile einschließt, und seine Bildung bei niedrigen Maschinentemperaturen ist ein hauptsächlicher Faktor bei der Verursachung von Maschinenschäden. Schlamm wird durch Mischung von Verbrennungsgasen mit Ölnebel im Kurbelgehäuse gebildet, worauf die Kondensation auf kalten Maschinenoberflächen folgt. Wenn die Maschine warm ist, bleiben die Gase in harmloser, gasförmiger Form, und beim Hochlaufen der Maschine ist das warme Öl besser in der Lage, durch Bauteile wie etwa das Ölfilter zu laufen, ohne einen zerstörerischen Druckstoß und darauffolgenden Filter- und Dichtungsausfall. Das Aufrechterhalten hoher Maschinentemperaturen für längere Zeiten hat daher Vorteile, zusätzlich zum verbesserten Systemwirkungsgrad.
Das strahlungswärmeisolierende Material hat auch den wichtigen Vorteil, daß es die Bauteile des Kraft-Wärme-Kopplungssystems vor den nachteiligen Wirkungen äußerer Frosttemperaturen schützt. Die Haupteigenschaft der Erfindung ist aber die bedeutende Verbesserung des Wirkungsgrads des gesamten Systems, die dadurch erzielt wird, daß Wärme aufgefangen wird, die andernfalls durch Strahlung verlorenginge.
Unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen, in denen ein festes Material geringer Wärmeleitfähigkeit, sei es in Form von Partikeln, "Bohnenhülsen", einer Abdeckung oder Kapselung, an der Maschine anliegt und diese umgibt, ist es das einzigartige Konzept, die äußere Oberfläche der Maschine von beweglichen Bauteilen zu befreien, welches dies ermöglicht. Bislang wurde das Abdecken einer laufenden Maschine mit wärmeisolierendem Material wegen des Vorhandenseins beweglicher Teile wie Lüfter und Riemen an einem herkömmlichen Motor offensichtlich nie versucht. Der Einsatz solcher wärmeisolierenden Maschinenabdeckungen zum Zweck eines erhöhten Wirkungsgrads findet ein weites Anwendungsgebiet.

Claims

1. Kraft-Wärme-Kopplungssystem, welches umfaßt: eine primäre Antriebsvorrichtung (14), die die Erzeugung von Wärme bewirkt, eine Einrichtung (36), die das Zirkulieren von Kühlungsfluid durch die primäre Antriebsvorrichtung zur Aufnahme von Wärme, die durch die primäre Antriebsvorrichtung erzeugt wird, bewirkt und eine Einrichtung zur Umhüllung (10) um die primäre Antriebsvorrichtung herum, Abschirmmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gegen thermische Strahlung (46, 54, 23, 27), das die primäre Antriebsvorrichtung umgibt, um den Fluß von abgestrahlter Wärme von der primären Antriebsvorrichtung wesentlich herabzusetzen, wodurch die abgestrahlte Wärme dazu neigt, durch das Kühlungsfluid absorbiert zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Oberflächen der primären Antriebsvorrichtung frei von beweglichen Bauteilen, ausgenommen irgendeine Abtriebswelle der primären Antriebsvorrichtung, sind und daß das Abschirmmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gegen thermische Strahlung in direktem Kontakt mit den besagten äußeren Oberflächen vorgesehen ist.

2. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 1, wobei die primäre Antriebsvorrichtung eine Verbrennungskraftmaschine ist, die an einen elektrischen Generator (28) gekoppelt ist, der sich in der Einrichtung zur Umhüllung befindet, wobei das Kühlungsfluid auch durch den elektrischen Generator zirkuliert wird.

3. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zur Umhüllung ein Gehäuse mit einer inneren Kammer umfaßt, deren nicht anderweitig ausgefüllte Raumbereiche mit dem Abschirmmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gegen thermische Strahlung ausgefüllt sind.

4. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 3, wobei das Abschirmmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gegen thermische Strahlung ein fließfähiges, aus Partikeln bestehendes Material (54, 23) umfaßt, das zu irregulären Konturen konform ist.

5. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 3, wobei das Abschirmmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gegen thermische Strahlung ein Schutzgas (46) enthält.

6. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 3, wobei das Abschirmmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gegen thermische Strahlung Luft < 46) bei Unterdruck enthält.

7. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 3, wobei das Abschirmmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gegen thermische Strahlung wärmeisolierendes Material in einer Vielzahl von miteinander verbundenen Säcken (23) enthält, die zur leichteren Plazierung und Entfernung bezüglich des Gehäuses gegeneinander beweglich sind.

8. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 3, wobei das Gehäuse dicht für ein Fluid ist, und das eine Einrichtung (46), um das Gehäuse mit einem Schutzgas unter Druck zu setzen, und eine Einrichtung (50), um eine Änderung des Drucks in dem Gehäuse festzustellen, enthält, wodurch ein Auslecken von Brennstoff aus der primären Antriebsvorrichtung festgestellt werden kann.

9. Ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 1, wobei das Abschirmmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gegen thermische Strahlung in fester Form auf den besagten äußeren Oberflächen angeordnet ist.

10. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 1, wobei die primäre Antriebsvorrichtung eine Verbrennungskraftmaschine (14) und eine Umwandlungsvorrichtung (28) enthält, die miteinander gekoppelt sind, und wobei das Abschirmmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gegen thermische Strahlung (46, 54, 23, 27) bezüglich der äußeren Oberflächen der Verbrennungskraftmaschine (14) in konformer Beziehung angeordnet ist, und das weiterhin eine Einrichtung (46), um das Gehäuse mit einem Schutzgas unter Druck zu setzen, und eine Einrichtung (50), um eine Druckänderung in dem Gehäuse festzustellen, enthält, wodurch ein Auslecken von Brennstoff aus der Verbrennungskraftmaschine festgestellt werden kann.

11. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 10, das eine Brennstoffvergasungseinrichtung (16) enthält, die sich außerhalb des Gehäuses befindet, wodurch jedes Auslecken von Brennstoff aus dieser Brennstoffvergasungseinrichtung von dem Inneren des Gehäuses isoliert ist.