DE4026308A1 - Kaelte-waerme-kraft-kopplung bestehend aus einem linear-verbrennungsmotor und einem strahlverdichter - Google Patents

Description

Für eine wirtschaftlich und ökologisch sinnvolle Produktion des Primärenergieeinsatzes ist anzustreben, die Exergie der jeweils eingesetzten Primärenergieform, optimal auszunutzen.

Prinzipiell bieten sich hier sogenannte Wärmekraft-Kopplun­ gen an, in denen z. B. die Motorabwärme zu Heizzwecken ge­ nutzt wird. Die Verwendung der mechanischen Leistung, die bezogen auf den Primärenergieeinsatz etwa 25% erreicht, richtet sich nach der jeweils gewünschten zu verrichtenden Arbeit.

Dies kann z. B. der Antrieb eines Elektrogenerators sein, der Anschluß eines Kompressors für Kältemittelkreisläufe oder im nichtstationären Bereich der Vortrieb eines Fahrzeugs.

Bekannte Wärme-Kraft-Kopplungen nutzen die Abwärme des Mo­ tors in der Form, daß das Motorkühlwasser zu Heizzwecken ge­ nutzt wird. Sofern kein Heizbedarf vorliegt geht die Energie als Abwärme verloren.

Der signifikante Unterschied gemäß Anspruch 1 bzw. 5 der er­ findungsgemäßen Lösung liegt darin, daß durch die Kombina­ tion eines Linear- oder Schwingkolben-Motors mit einem Dampfstrahlverdichter ein zweiter abwärmebetriebener Kreis­ prozeß realisiert wird, der Kälte- und Wärmeleistung bereit stellt. Die gleichzeitig zur Verfügung stehende mechanische Energie kann beliebig genutzt werden. Diese Basisapplikation ist in Bild 1 dargestellt.

Die Nutzung dieser mechanischen Energie geschieht gemäß An­ spruch 3 bzw. 7 in der Form, daß der oszillierende Kolben als "Rotor" eines Linear-Generators eingesetzt wird, so daß die mechanische Energie in elektrischen Strom gewandelt wer­ den kann.

In der Folge wird aufgezeigt, daß die Einschaltung eines zweiten Kreisprozesses zu deutlichen Verbesserungen der Ausnut­ zung der Primärenergie führt.

Die spezielle Kombination eines Linear- oder Schwingkolben­ motors ist insofern weiterhin vorteilhaft, da für den Be­ trieb der Basisapplikation nur ein bewegliches Teil, nämlich der Schwingkolben erforderlich ist und eine äußerst kompakte Bauform realisiert werden kann.

Einleitend soll zunächst anhand eines Beispiels die Vorteile der erfindungsgemäßen Gerätekonfiguration erläutert werden.

Ein prinzipielles Problem von Wärme-Kraft-Kopplungen ist die zeitliche Bedarfsdifferenz des Kraft- und Wärmeteils.

Dies führt dazu, daß über weite Zeiträume die Abwärme bei Betrieb des Kraftteils nicht oder nur unvollständig genutzt werden kann, da der Abwärmeanteil einer auf den Maximalbe­ darf der Kraftseite dimensionierten Maschine nicht aus­ reicht, um den Wärmebedarf im Spitzenlastfall zu decken.

Die Konsequenz hieraus ist eine mangelhafte Autarkie, sofern man alle Lastbereiche des Gesamtsystems betrachtet, die durch zusätzliche Installation kostenintensiv angeglichen werden kann, oder man findet sich mit der mangelhaften Lö­ sung der Wirtschaftlichkeit und/oder des Komforts ab.

Ein klassisches Beispiel einer Wärme-Kraft-Kopplung ist die Beheizung einer Fahrgastzelle durch die Abwärme des Kfz-Mo­ tors.

Zunächst ist klar, daß Motorabwärme nur im Winterhalbjahr genutzt werden kann und die Abwärmeleistung wesentlich höher ist, als die benötigte Heizleistung (ca. 5%).

Andererseits steht am Fahrtbeginn keine Heizleistung zur Verfügung, bis der Motor Betriebstemperatur hat, so daß der Fahrgast zunächst einmal friert.

Für das Sommerhalbjahr liegt das Problem anders, hier ist Wärme aus der Fahrgastzelle zu entfernen, wobei der größte Kühlbedarf nach Parkzeiten vorliegt, da sich durch Sonneneinstrahlung Fahrgastzellentemperaturen einstellen, die weit oberhalb des Behaglichkeitsbereichs liegen. Die konventionelle Methode zur Deckung der Kühllast, ist die In­ stallation eines Kompressions-Kältekreislaufs (Carnot), wo­ bei der offene Kompressor über eine Kupplung mechanisch vom Kfz.-Motor angetrieben wird.

Die Energiebilanz eines solchen Systems zeigt Bild 2.

Bei einem Primärenergieeinsatz von 400 KW werden ca. 300 KW Abwärme produziert, die zeitweise mit einem Anteil von ca. 5 KW zur Fahrgastzellenheizung genutzt werden können.

Sofern der Kfz.-Kältekreislauf zugeschaltet wird, gehen etwa 5 KW für den Vortrieb verloren, um etwa 5 KW Kälteleistung zu generieren, wobei die Kältelieferziffer des Kompressors mit 1 angesetzt wurde, was natürlich nur unter entsprechenden Randbedingungen der Fall ist. Tatsächlich kann im Kfz. je­ doch von dieser Lieferziffer als mittlerer Wirkungsgrad aus­ gegangen werden.

Nach Abzug weiterer 2 KW für den Generator verbleiben bei Betrieb der Kältemaschine somit 92 KW für den Vortrieb.

Sofern es den Bereich der nicht stationären Wärme-Kraft- Kopplungen betrifft, liegt die erfindungsgemäße Lösung zunächst in der Entkopplung des Kfz-Motors von der Wärme- bzw. Kälteversorgung der Fahrgastzelle. Neben der aus Bild 3 ersichtlichen wesentlich besseren Energiebilanz der erfin­ dungsgemäßen Lösung, ergeben sich noch betriebspunktabhän­ gige Vorteile in Hinsicht auf die wechselnden Lastverhält­ nisse über ein typisches Betriebsjahr.

Unter der Prämisse, daß im Kühlbetrieb eine Vortriebslei­ stung von 92 KW zur Verfügung stehen soll, beträgt der Primärenergieeinsatz 368 KW unter Beibehaltung eines Wir­ kungsgrades von 25%.

Für die gewünschte Kühlleistung von insgesamt 5 KW wird ein Linear-Verbrennungsmotor mit einer mechanischen Leistung von ca. 4 KW installiert. Der Primärenergieeinsatz betragt 10 KW.

Die 6 KW Abwärme werden dem Strahlverdichter in Form von Dampf ca. 150°C zugeführt. Bei einem Wirkungsgrad von ca. 33% des Strahlverdichters ist eine Kühlleistung von ca. 2 KW realisierbar.

Die 4 KW mechanische Energie wird in einem Linear-Generator mit einem Wirkungsgrad von ca. 90% in 3,6 KW elektrische Leistung gewandelt, die zur Generierung der restlichen 3 KW Kühlleistung erforderliche Leistung, die in einen elektromo­ torisch betriebenen Kompressor eingespeist werden muß, be­ trägt 3 KW. Für den Antrieb der Hilfsaggregate verbleiben ca. 0,6 KW. Außerhalb des Kühlbetriebs stehen 3,6 KW elek­ trische Leistung zur Verfügung.

Die Gesamtenergiebilanz des erfindungsgemäßen Systems fällt hinsichtlich des Primärenergieeinsatzes ca. 5% günstiger aus. Allerdings ist eine völlige Autarkie gegeben, so daß Funktionen wie Stand-Klimatisierung, Standheizung und eine bedarfsgerechte Stromversorgung unabhängig vom Betriebszu­ stand des Hauptaggregats möglich ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die insbesondere für den nichtstationären Bereich geeignet ist, ist in Bild 4 dargestellt.

Die Verfügbarkeit von Wärme, Kälte und elektrischer Leistung aus einer Aggregateinheit ist im Kfz. besonders wichtig und wurde bisher nicht realisiert.

Die zur Verfügung stehende mechanische Leistung des Linear- Motors kann natürlich auch in beliebiger anderer Form gewan­ delt werden, in der beispielhaften Darstellung eines Kfz.- Versorgungssystems bietet sich jedoch die Wandlung der mechanischen Leistung in Elektrizität an, da so auch alle zum Betrieb erforderlichen Aggregate wie Pumpen und Ventila­ toren problemlos versorgt werden können.

Bei einer insbesondere für den Startbetrieb gewünschten mög­ lichst hohen Heizleistung kann bei der erfindungsgemäßen In­ stallation eines Linear-Verbrennungsmotors von 6 KW direkter oder 14 KW Wärmepumpenleistung ausgegangen werden.

Für den Heizbetrieb bedeutet dies, daß mit einem Primärener­ gieeinsatz von 10 KW zu jeder Zeit und unabhängig vom Kfz- Antriebsaggregat, mindestens 6 KW Heizleistung zur Verfügung gestellt werden können und bei Kühlbedarf mit gleichem Ener­ gieeinsatz insgesamt 5 KW Kühlleistung, wenn die elektrische Energie größtenteils zum Antrieb eines Kältemittelverdich­ ters genutzt wird.

Für den Dauerbetrieb der Heizung kann das System zwecks Pri­ märenergieeinsparung abgeschaltet werden, sobald ausrei­ chende Abwärmeleistung des Kfz.-Motors zur Verfügung steht.

Insbesondere im Fahrzeug spielt der Platzbedarf, das Ge­ wicht, die Kosten, die Umweltfreundlichkeit sowie der Installationsaufwand eine wichtige Rolle.

Zunächst davon ausgehend, daß die angeführten Versorgungs­ leistungen für einen Pkw ausreichen, kann eine Dimensionie­ rung größenordnungsmäßig vorgenommen werden und im Sinne o.a. Forderungskatalogs die signifikanten Vorteile zum Stand der Technik geschildert werden.

Die erfindungsgemäße Applikation gemäß Bild 4, für eine Heizleistung von ca. 6 KW (Wärmepumpenleistung ca. 14,5 KW) einer Kühlleistung von insgesamt ca. 5,0 KW und einer frei verfügbaren elektrischen Leistung von 0,6 KW im Kühlbetrieb, besteht im wesentlichen aus:

Rechnet man auf dieses Nettovolumen etwa 100% für Leitungen und periphere Einrichtungen, kommt man auf einen Raumbedarf von etwa 35 dm³. Dies entspricht in etwa der Hälfte des Raumbedarfs für die sogenannte Klimabox, also Lufterhitzer, Direktverdampfer, Klappenumschaltsystem und Ventilatoren eines konventionell bestückten Mittelklasse-Pkw′s.

Außerhalb der das Versorgungssystem beherbergenden kompakten Box, ist ein Luft/Wasser Wärmetauscher zur Fahrgastzellenkonditionierung zu installieren und ein Luft/Wasser Wärmetauscher zur Rückkühlung der Kältekreis­ lauf-Kondensatoren. Insbesondere für die Standklimatisierung sollte hier der ohnehin installierte Wasserkühler des Kfz.- Motors mitgenutzt werden, der aufgrund der viel größeren Motor-Abwärmeleistung, zwangsläufig groß genug dimensioniert sein sollte.

Neben der rein vom Platzbedarf her realisierbaren Plazierung der beschriebenen Versorgunganlage in einem Pkw, muß als vorteilhaft angesehen werden, daß die Plazierung im Un­ terschied zu einem mechanisch angetriebenen Kälteverdichter beliebig ist, weil die Verbindung zum externen System aus zwei Wasserleitungen, jeweils Vor- und Rücklauf, der Benzin­ zuleitung und einer Stromzuführung besteht.

Auch das Gewicht läßt sich gut abschätzen. Geht man von Grauguß als Werkstoff des Linear-Motors aus und Aluminium als Primär-Werkstoff der anderen Komponenten, kommt man auf ein Gesamtgewicht von ca. 50 kg. Auch dies dürfte kein wesentlicher Hinderungsgrund für die Integration des Systems im Kfz. sein.

Die Kosten des Systems können näherungsweise mit ca. 700,- DM, bezogen auf den Materialeinsatz abgeschätzt werden, also in einer Größenordnung die heute Pkw-Hersteller für konventionelle Klima-Systeme bezahlen.

Der erwartbare höhere Endpreis scheint jedoch durch die bes­ seren betriebswirtschaftlichen Daten und Funktionserweite­ rungen gerechtfertigt.

Kommt man zum Punkt Umweltfreundlichkeit des Forderungskata­ logs, so steht an erster Stelle, daß ein verminderter Primärenergieverbrauch immer einen positiven Beitrag dar­ stellt.

In Hinsicht auf den Kältekreislauf bietet das System weitere Vorteile. Gemäß der Ausführungsvariante Bild 4, werden etwa 40% der Kälteleistung mittels Wasser als Kältemittel trans­ portiert. Dies halbiert etwa den Einsatz möglicherweise als kritisch zu betrachtenden FCKW- oder HCKW-Kältemittel. Ein ganz wesentlicher Vorteil liegt jedoch darin, daß die ge­ samte Kältemittelführung innerhalb der Box hermetisch durch­ geführt werden kann. Auf die üblichen leckagegefährdeten FCKW-führenden Verbindungen, z. B. Kupplungen, flexibele Lei­ tungen etc., kann völlig verzichtet werden.

Dies führt auch zum letzten Teil des Forderungskatalogs der Montagefreundlichkeit, wobei hier zwischen Erst- und War­ tungsmontagen unterschieden werden muß.

Wie bereits erwähnt, wird das Versorgungssystem mit den ex­ ternen Einrichtungen mittels Wasserschläuchen, mit der Ben­ zinzufuhr und einem Stromkabel verbunden.

Im Vergleich zu konventionellen Systemen eröffnet dies erhebliche Perspektiven, deren Kosteneinsparungspotentiale kaum abzuschätzen sind. Optionell kann dies auch für den Be­ reich "Wartung" gelten, da defekte Geräte einfach ausge­ tauscht, zentralisiert und mit hoher Fachkompetenz Wartungs­ arbeiten durchgeführt werden könnten.

Die zuvor genannten Vorteile, des in der Folge näher be­ schriebenen Kälte-Wärme-Kraft-Systems treffen natürlich auch für den Bereich der stationären Kältetechnik zu, wobei sich hier die Ausführungsmerkmale durch Leistung und Einsatzzweck ändern können.

Bild 1 zeigt die erfindungsgemäße Ausführung der Kälte- Wärme-Kraft-Kopplung in ihrer Basis-Applikation gemäß An­ spruch 1 bzw. 5.

Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Linear-Verbrennungsmo­ tor, der die im Brennraum generierte mechanische Leistung mittels des aus den Stirnwandflächen austretenden Arbeits­ kolben (2+3) abgibt.

4, bezeichnet einen Strahlapparat, der auf seiner Treibdü­ senseite thermisch an den Kühlmantel (5) des Linear-Verbren­ nungsmotors gekoppelt ist, so daß Druck- bzw. Temperaturge­ fälle zwischen Kühlmanteltemperatur und dem Mischrohr- bzw. Diffusoraustritt (6) in Arbeit in Form von Saugdruck an Mischkammereintritt (7) genutzt werden kann.

Überraschend konnte festgestellt werden, daß ein Linear- oder Schwingkolbenmotor auch dann noch mechanische Leistung mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung stellt, wenn die Kühltemperatur auf etwa 120-150°C eingestellt wird. Für einen wirtschaftlich vertretbaren Betrieb eines Strahlver­ dichters ist die Temperaturdifferenz zwischen Treibdampf und Kondensations-Temperatur jedoch entscheidend.

Bild 5 zeigt die Leistungskurve eines Dampfstrahlverdichters in Abhängigkeit der Treibdampftemperatur bei unveränderten Bedingungen am Mischkammer-Eintritt (6) und Diffusor-Aus­ tritt (5).

Signifikantes Merkmal der erfindungsgemäßen Kälte-Wärme- Kraftkopplung ist, daß nur ein bewegliches Teil, nämlich der Schwingkolben, Verwendung findet und dieser Motor auf für den Strahlverdichter ausreichend hohem Temperaturniveau, rückgekühlt werden kann.

Die vielseitige Verwendungsmöglichkeit durch Ausführungsva­ rianten macht diese, in seiner einfachsten Ausführung aus 11 Hauptbauteilen bestehende Wärme-Kraftmaschine wirtschaftlich interessant. Weiteres Merkmal ist das geringe Bauvolumen bzw. die hohe Leistungsdichte des Zweitaktmotors in Kombina­ tion mit dem Abwärme-Verdichter, in Form eines Strahlgerä­ tes.

Unter Einsatz einer Primärenergieleistung von ca. 10 KW, (1 Ltr. bleifreies Superbenzin pro h) kann mit einem Netto-Bau­ volumen von ca. 3500 cm³ eine Kälte-Wärme-Krafteinheit realisiert werden, die in der Lage ist ca. 4 KW mechanische Leistung, 1,2 KW Kälteleistung und 7,2 KW Wärmeleistung zur Verfügung zu stellen. Erfindungsgemäß können auch andere Brennstoffe, wie z. B. Gase zum Motorantrieb, eingesetzt wer­ den.

Die freie Verfügbarkeit der im Beispiel 4 KW mechanischen Leistung, machen die Basisapplikation zu einem vielseitig verwendbaren System. So können neben der bereits näher ge­ schilderten Wandlung in elektrische Leistung die Kolben zur Druckerhöhung von Flüssigkeiten, Gasen oder Dämpfen (z. B. Kältemittel) direkt genutzt werden.

Die systemsignifikanten Vorteile der Integration eines zwei­ ten Kraftteils in Form eines Strahlverdichterkreislaufes, sind an einem Aufgabenbeispiel aus der stationären Energie­ versorgung noch klarer herauszustellen.

Mit einem Primärenergieeinsatz für 100 KW soll eine WKK be­ trieben werden, die im Winterhalbjahr als Wärmepumpe und im Sommerhalbjahr als Kühlmaschine arbeitet. Die Energiebilanz gemäß Bild 6, wurde für den Betrieb eines Otto-Motors im Verbund mit einem Kolbenkompressor erstellt. Bei einem Motorwirkungsgrad von ca. 30%, beträgt die generierbare Gesamtheizleistung ca. 160 KW, die Kühlleistung ca. 60 KW.

In Bild 7 ist die Energiebilanz einer erfindungsgemäßen Applikation, bestehend aus einem Linear-Motor, einem Linear- Generator, einem abwärmebetriebenen Strahlverdichter sowie einem elektromotorisch betriebenen Kälteverdichter aufge­ zeigt. Die Wärmeleistung beträgt 188 KW (+ 17,5%) und die Kälteleistung 92 KW (+ 53%).

Vergleicht man nun die Betriebskosten einer konventionellen WKK, einer erfindungsgemäßen WKK sowie einer netzabhängigen elektrischen Wärmepumpe, gelangt man überschläglich zu fol­ gender Relation.

Preis für 1 KWh Erdgas ca. -,04 DM, Preis für eine KWh elek­ trische Energie aus dem Netz ca. -,22 DM. Die Kältelieferziffer des Kompressors sei für alle Systeme =2.

Claims (10)

1. Verfahren zur Kälte-Wärme-Kraft-Kopplung, bei dem die Abwärme eines Linear- bzw. Schwingkolben- Verbrennungsmotors für den Antrieb eines nachgeschalteten Kältemaschinen- bzw. Wärmepumpen- Kreislaufs mit einem Strahlverdichter als Kompressionseinheit genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemaschinen- bzw. Wärmepumpenkreislauf zur Kühlung bzw. Heizung von Fahrgasträumen in Kraftfahrzeugen genutzt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oszillierenden Kolben des Linearmotors zum Betrieb eines Linear- Generators genutzt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Linearmotor abgegebene mechanische Energie unmittelbar zur Kompression in einem zweiten Kältekreislauf genutzt wird.

5. Anlage zur Kälte-Wärme-Kraft-Kopplung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Linear- bzw. Schwingkolben-Verbrennungsmotor (1), der thermisch mit einer Kältemaschine bzw. Wärmepumpe gekoppelt ist, die eine Strahlpumpe (3) als Verdichter aufweist, wobei die Abwärme des Linearmotors (1) zur Erzeugung von Treibdampf für den Strahlverdichter (3) genutzt wird.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmantelfläche des Linearmotors (1) als Verdampferfläche zur Erzeugung des Treibdampfes für den Strahlverdichter (3) ausgebildet ist.

7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, der Linearmotor (1) mechanisch mit einem Linear-Generator (2) gekoppelt ist.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die oszillierenden Kolben des Linearmotors (1) als bewegliche Pole des Linear-Generators (2) ausgebildet sind.

9. Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Linear-Generator (2) zum Betrieb eines elektrisch betriebenen Kompressors in einem zweiten Kältekreislauf dient.

10. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearmotor (1) als Kompressor eines zweiten Kältekreislaufes ausgebildet ist.