DE4203438A1 - Energiesparende kraft-waermekopplung - Google Patents

Energiesparende kraft-waermekopplung

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DE4203438A1 DE19924203438 DE4203438A DE4203438A1 DE 4203438 A1 DE4203438 A1 DE 4203438A1 DE 19924203438 DE19924203438 DE 19924203438 DE 4203438 A DE4203438 A DE 4203438A DE 4203438 A1 DE4203438 A1 DE 4203438A1
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
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Description

Die Erfindung betrifft eine energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage mit Verbrennungsmotor, Generator, Dampfkreislauf und Wärmerückgewinn.
Solche bekannten Kraft-Wärmekopplungen sollen hinsichtlich ihres Wirkungsgrades verbessert werden.
Mit einer solchen Kraft-Wärmekopplung soll der Wirkungsgrad vor allen Dingen bei Anlagen, die unabhängig vom Stromnetz arbeiten, verbessert werden. Das Gebiet betrifft auch schwere Dieselmotoren. In diesem Zusammenhang sollen eigene Kühler und Lüfter der Aggregate eingespart werden.
Erreicht wird diese Wirkungsgradverbesserung durch einen Kältemittelkreislauf mit Kompressor, Verdampfer, Regelschalter und Durchführung durch den Verdampfer, wobei das als Kühlmittel insbesondere verwendete Frigen (Freon) bei seiner Rückführung in den gasförmigen Zustand aus einem kombinierten Heißwasserspeicher/Kondensator in einem Entspannungsventil entspannt wird, den mit dem Verbrennungsmotor kombinierten Verdampfer im gasförmigen Zustand durchströmt und dort die Abgaswärme des Verbrennungsmotors aufnimmt und ggf. zusätzlich die Wärme aus dem Rückstrom des Abhitzekessels aufnimmt, dann in den flüssigen Zustand unter Erwärmen komprimiert wird und seine Wärme im Speisewasservorwärmer an das Speisewasser abgibt, flüssig wird und dann durch einen Filtertrockner, wo es gespeichert wird, und nach Abruf über das Entspannungsventil in den Verdampfer gegeben wird.
Vorzugsweise ist eine elektromagnetische Kupplung für das Einschalten des Kompressors zur Vermeidung einer Vereisung gasgesteuert durch einen Regler vorgesehen und regelt damit den Wärmerückgewinnungskreislauf.
Zweckmäßig saugt der Kompressor gasförmiges Kältemittel aus dem Verdampfer unter geringem Druck an.
Zweckmäßig besteht der Dampfkreislauf aus dem Speisewasser­ vorwärmer/Heißwasserspeicher; einem Abhitzekessel/Umformer, einem diesem nachgeschalteten Dampfmotor und einem Abgaswärmeaustauscher zur Kondensation, wobei die entstehende Wärme aus dem Verdampfer abgegeben wird sowie einer Rückführleitung mit Pumpe zum Heißwasserspeichern.
Günstig kann der Abgaskreislauf wie folgt aufgebaut sein.
Motor mit geringem Kraftstoffverbrauch.
Isolierte Abgasleiter.
Hochdruckabhitzekessel, wo Hochdruckdampf, insbesondere von 25-30 bar und einer Temperatur von 250-300°C zum Antrieb des Dampfmotors erzeugt wird, wobei Motor wie Dampfmotor je einen Generator treiben; Filter, wo die Rauchgase auf 40°C abgekühlt sind; Wärmeaustauscher; Motorkühler und schließlich Verdampfer.
Der Dampfmotor kann ein Spillings-Dampfmotor von mehr als 10 kw sein.
Zur Erreichung des günstigen Wirkungsgrades sind sämtliche Leitungen des Systems einschließlich des Heißwasser­ behälters, Wärmeaustauschers, bestmöglichst isoliert, um die Wärmeverluste gering zu halten.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden:
Diese zeigt ein Schema einer solchen Anlage. Die miteingereichte bunte Zeichnung dient der Übersichtlichkeit des Sachverhaltes.
Der Verbrennungsmotor (1); Diesel, Rapsölmethylester, Benzin, usw. treibt einen Generator (2) an. Es sollte ein Motor mit einem niedrigen Kraftstoffverbrauch sein.
Die ca. 500-600 Grad C heißen Abgase des Motors werden über die isolierte Leitung (3) zu einem Umformer (4) geleitet und erzeugen dort Hochdruckdampf mit ca. 100-150 bar und einer Temperatur von ca. 140- 180°C zum Antrieb eines Dampfmotores (5) ebenfalls mit Generator (2).
Die auf ca. 40°C abgekühlten Auspuffgase werden über den Filter (6) gereinigt und durch den Wärmetauscher (7), dem Motorkühler (8) und dem Verdampfer (9) geleitet und übertragen dadurch Wärme vom Wärmetauscher (7) und Motorkühler (8) zum Verdampfer (9) der diese aufnimmt.
Der Dampfmotorantriebskreislauf: (10-15)
Das im Heißwasserspeicher (13) mit ca. 70°C und unter einem Druck von ca. 80-100 bar gespeicherte Heißwasser gelangt über die Leitung 15 und das Rückschlagventil (R) zum Verformer (4) wird dort in Dampf mit 140- 180°C und 100-150 bar Druck verwandelt und treibt den Dampfmotor (5) an.
Der fast drucklose und noch ca. 70°C heiße Dampf wird über die isolierte Leitung (10) durch den Wärmetauscher (7) geleitet und kondensiert dort. Die durchströmende Abluft des Motors nimmt die dabei entstehende Wärme auf und gibt sie an den Verdampfer (9) ab.
Das entstandene Wasser wird mit der Pumpe (12) mit einem Druck von ca. 80 bar wieder in den Heißwasserspeicher (13) zurückgepumpt nachdem es im Sammelbehälter (11) gesammelt wurde.
Der Wärmerückgewinnungskreislauf: (22)
Der Kompressor (16) saugt gasförmiges Kältemittel unter geringem Druck aus dem Verdampfer (9) an, verdichtet es auf ca. 16-20 bar.
Das Kältemittel durchströmt den Kondensator (14) der sich im Heißwasserspeicher (13) befindet und erwärmt das Wasser auf ca. 70°C. Diese Wärmeabgabe bewirkt eine Verflüssigung des Kältemittels das immer noch unter 16-20 bar Druck steht.
Das flüssige Kältemittel fließt dann durch den Filtertrockner (17), wo es gereinigt und zugleich für die Abgabe in den Verdampfer (9) gespeichert wird.
Das Entspannungsventil (18) drosselt den Durchfluß des Kältemittels das noch immer unter Druck steht; dadurch verringern sich Druck und Temperatur. Somit kann es im Verdampfer (9) wieder Wärme aufnehmen wo es wieder gasförmig wird.
Mit Hilfe der elektromagnetischen Kupplung (21) des Kompressors (16) und des Temperaturfühlers (19) und des Regelschalters (20) wird der Wärmerückgewinnungskreislauf überwacht und geregelt.
Als Kältemittel wird Frigen verwendet werden jedoch ist ein umweltfreundlicheres Kältemittel genauso anzuwenden.
Sämtliche Leitungen des Wärmerückgewinnungskreislaufes werden isoliert sowie der Heißwasserbehälter, der Wärmetauscherzusammenbau und die Leitungen um die Wärmeverluste möglichst gering zu halten.
Besonders wichtig für die Kraft-Wärmekopplung ist der mit Frigen betriebene Kreislauf. Das Frigen wird bei 18 entspannt, ist dann gasförmig, durchströmt einen Verdampfer 9 und nimmt dort die Wärme der Abgase aus dem Verbrennungsmotor, aber auch die Abwärme aus dem Rückstrom (nach Durchströmen des Abhitzekessels 4) auf. Das Frigen wird durch den angedeuteten Kompressor 16 komprimiert, erwärmt sich dabei und wird flüssig. Das Frigen gibt andererseits im Speisewasservorwärmer seine Wärme an das Speisewasser 13 über einen im Speisewasser angeordneten Kondensator 14 ab, verdampft dann durch einen Filtertrockner 17 und geht über das erwähnte Entspannungsventil.
Temperaturfühler 19 und Regelschalter 20 steuern den Temperaturkreislauf. Eine elektromagnetische Kupplung 21 des Kompressors wird gesteuert und überwacht. Diese Kupplung dient dazu, den Kompressor ein- bzw. auszuschalten, damit nicht etwa eine Vereisung eintreten kann. In der Fachsprache der Landtechnik insbesondere wird der Verdampfer 9 auch als "Klimaanlage" bezeichnet.
Gerade auch in dem Frigen- oder Kältemittelkreislauf sind sämtliche Leitungen ausgezeichnet isoliert und ermöglichen so eine bestmögliche Ausnützung der im flüssigen Kraftstoff vorhandenen Energie.
Nicht nur die Leitungen, sondern auch die Wärmeaustauscher und Kessel sind bestmöglich isoliert, um die im flüssigen Kraftstoff vorhandene Energie bestmöglich auszunützen.
Die derzeitige Energieverteilung mit 32% Nutzarbeit, 29% Abgasenergie, 32% Kühlenergie und 7% Strahlung wird beim Anmeldungsgegenstand klar überschritten.
Durch die Maßnahme nach der Erfindung kann beispielsweise Strom unabhängig vom Stromnetz ohne weiteres erzeugt werden. Die Anwendung auf schwere Dieselmotoren ist in Betracht gezogen.
Als Kessel können Hochdruckröhrenkessel verwendet werden. Der sogenannte Spillings-Dampfmotor, den es ab 10 kW gibt und der an sich keinen Teil der Erfindung (suigeneres) ist, kann verwendet werden.
Eingespart werden kann ein eigener Kühler bzw. Lüfter. Auf der Darstellung ist der Dampfmotor aus Platzgründen innerhalb des Kessels skizziert. Dort gehört er in der Praxis natürlich nicht hin.
Rückschlagventile R sind in der Anlage verteilt. Die elektromagnetische Kompressorkupplung 21, die eine Vereisung zu vermeiden hat und den Kompressor ein- und ausschaltet, wird abhängig von einem Regler 20 aufgrund des Messens einer Sonde im Verdampfer gesteuert. Bei W in der Zeichnung ist noch die Wassereinspeisung in den Speisewasservorwärmer 13 gezeigt. Der Kompressor 16 kann vom Motor 1 aus getrieben werden.
In der bunten Darstellung Kraftwärmekupplung ist jedes Fluid und jeder Zustand des Fluides mit einer besonderen Farbe gekennzeichnet.
Hierbei zeigt
a Auspuffgase vom Motor,
b vorgeheiztes Wasser zum Hochdruckheizkessel,
c Hochdruckdampf zum Dampfmotorantrieb,
d gefilterte Auspuffgase,
e verbrauchter und druckloser Dampf,
f Kühlwasser des Motors (Verbrennungsmotor),
g druckloses Kältemittel,
h unter Druck stehendes Kältemittel,
i kondensierter Dampf (rückgeführtes Wasser),
R Rückschlagventile;
Ü Überdruckventil;
W Wasserfüllanschluß
 1 Verbrennungsmotor
 2 Generator
 3 Auspuffgase
 4 Hochdruckheizkessel
 5 Dampfmotor
 6 Abgasfilter
 7 Wärmetauscher
 8 Motorkühler
 9 Verdampfer
10 druckloser verbrauchter Dampf
11 Sammelbehälter
12 Pumpe
13 Heißwasserspeicher
14 Kondensator
15 Heißwasserleitung
16 Kompressor
17 Filtertrockner
18 Entspannungsventil
19 Temperaturfühler
20 Regelschalter
21 elektromagnetische Kompressorkupplung

Claims (7)

1. Energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage mit Verbrennungsmotor, Generator, Dampfkreislauf und Wärmerückgewinnung, gekennzeichnet durch einen Kältemittelkreislauf mit Kompressor (16), Verdampfer (9), Regelschalter (20) und Durchführung durch den Verdampfer (9), wobei das als Kühlmittel insbesondere verwendetete Frigen bei seiner Rückführung in den gasförmigen Zustand aus einem kombinierten Heißwasserspeicher/Kondensator (13; 14) in einem Entspannungsventil (18) entspannt wird; den mit dem Verbrennungsmotor (1) kombinierten Verdampfer (9) im gasförmigen Zustand durchströmt und dort die Abgaswärme vom Verbrennungsmotor aufnimmt und ggf. zusätzlich die Wärme aus dem Rückstrom des Abhitzekessels (4) aufnimmt, dann in den flüssigen Zustand unter Erwärmen komprimiert (Kompressor 16) wird und seine Wärme im Speisewasservorwärmer an das Speisewasser (13) abgibt, flüssig wird und dann durch einen Filtertrockner (17), wo es gespeichert wird und nach Abruf über das Entspannungsventil (18) in den Verdampfer (9) gegeben wird.
2. Energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektromagnetische Kupplung (21) für das Einschalten des Kompressors (16) zur Vermeidung einer Vereisung gasgesteuert durch den Regler (20), vorgesehen ist und damit den Wärmerückgewinnungskreislauf regelt.
3. Energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (16) gasförmiges Kältemittel aus dem Verdampfer (9) unter geringem Druck ansaugt.
4. Energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfkreislauf besteht aus dem Speisewasservorwärmer/Heißwasserspeicher (13); einem Abhitzekessel/Umformer (4); einem diesem nachgeschalteten Dampfmotor (5); einem Abgaswärmeaustauscher (7) zur Kondensation, wobei die entstehende Wärme an den Verdampfer abgegeben wird sowie einer Rückführleitung mit Pumpe (12) zum Heißwasserspeicher (13).
5. Energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgenden Aufbau des Abgaskreislaufs:
Motor (1) mit geringem Kraftstoffverbrauch; isolierte Abgasleitung (3);
Hochdruckabhitzekessel (4), wo Hochdruckdampf von insbesondere 25-30 bar und einer Temperatur von 250-300°C zum Antrieb des Dampfmotors (5) erzeugt wird, wobei Motor (1) wie Dampfmotor (5) je einen Generator (2) treiben;
Filter (6), wo die Rauchgase auf ca. 40°C abgekühlt sind; Wärmeaustauscher (7);
Motorkühler (8) und Verdampfer (9).
6. Energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor ein Spillings-Dampfmotor (5) ist.
7. Energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Leitungen des Systems bestmöglichst isoliert sind.
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