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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsmotor-Abwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung
und im Besonderen auf eine Wärme-Wiedergewinnungsvorrichtung
um Wärme,
welche von einer Motor erzeugt wurde, in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem als Kraftquelle
zu nutzen.
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Als
die Notwendigkeit eines globalen Umweltschutzes ins Auge gefasst
wurde, sind für
die Erzeugung von Elektrizität
und die Versorgung mit Warmwasser unter Verwendung eines Gasmotors
als Energiequelle, welcher als Treibstoff Erdgas verbraucht, in
hohem Maße
Kraft-Wärme-Kopplungssysteme
vorgeschlagen worden.
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Ein
solcher Typ von Kraft-Wärme-Kopplungssystemen
wird in Anbetracht der Wärmenutzung
vorzugsweise in kalten Gebieten eingesetzt. Es ist jedoch ein großes Drehmoment
nötig,
um den Motor zu starten, da die Viskosität des Motoröls des Gasmotors im Winter
oder an kalten Morgen und in kalten Nächten, wenn die Lufttemperatur
niedrig ist, hoch ist.
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Es
hängt auch
vom Treibstoff-Luftgemisch ab, ob Wasser in dem nicht verbrannten
Gasgemisch oder dem verbleibenden Abgas bei niedrigen Temperaturen
in kleinen Tröpfchen
kondensiert und somit die Zündung
eines Zündungssteckers
beeinträchtigt.
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Es
ist bekannt, dass der erwähnte
Nachteil durch den Einsatz eines elektrischen Heizgerätes zum
Erwärmen
des Motors einfach eliminiert werden kann.
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Wenn
jedoch wenig Raum zur Anbringung des elektrischen Heizgerätes vorhanden
ist, kann ein ausreichend starkes Heizgerät kaum installiert werden.
Selbst wenn Platz für
einen großes
Heizgerät mit
ausreichender Kraft vorhanden ist, wird der Verbrauch von elektrischer
Energie hoch und nicht ökonomisch
sein. In der
DE 29 16
216 A ist ein Speichersystem für die Motorwärme dargestellt.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Motor-Abwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung zur
Verfügung
zu stellen, welche den Motor durch den Einsatz einer Wärmewiedergewinnungspumpe ohne
den Einsatz einer großen
Komponente wie eines elektrischen Heizgeräts, welches einen beträchtlichen
Installationsraum erfordert, erwärmen
kann.
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Erstes
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Motor-Abwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung,
in welcher ein thermisches Medium durch einen Wärme-Wiedergewinnungsabschnitt des Motors
zirkuliert, um die Abgaswärme
des Motors wiederzugewinnen, umfassend:
eine Leitung zur Zirkulation
des thermischen Mediums über
einem Wärmetauscher
in einen außerhalb gelegenen
Warmwassertank, eine über
der Leitung befestigte Pumpe, ein Mittel, um die Motortemperatur zu
messen, sowie einen Regler zum Anschalten der Pumpe vor dem Start
des Motors, um den Start des Motors zu ermöglichen, wenn die Motortemperatur beim
Start niedriger als die festgelegte Referenztemperatur ist.
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Des
Weiteren beinhaltet der Wärme-Wiedergewinnungsabschnitt
des Motors eine Motorkühleinheit,
die mit einem Wassermantel umhüllt
ist und einen Öl-Wärmetauscher
zur Wiedergewinnung der Motorölwärme und
einen Zirkulationspfad, welcher derart geführt ist, dass das thermische
Medium vom Ölwärmetauscher
zur Motorkühleinheit
läuft.
Die Pumpe ist an der Einlassseite für das thermische Medium an
dem Ölwärmetauscher
angebracht.
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Das
zweite Merkmal der vorliegenden Erfindung umfasst einen Abgaswärmetauscher
zur Verwendung der Abgase von dem Motor, welcher über dem
Zirkulationspfad an der stromaufwärtigen Seite der Motorkühleinheit
befestigt ist und in dem das thermische Medium in den Abgaswärmetauscher überführt wird,
wo es auf eine niedrige Temperatur geregelt wird, damit der in dem
Abgas enthaltene Dampf, dessen Wärme
auf das thermische Medium übertragen
wird, auf seinen Taupunkt abfällt.
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Wenn
die Motortemperatur niedriger als die Referenztemperatur beim Start
des Motors ist, wird die Pumpe gemäß des ersten und zweiten Merkmals der
vorliegenden Erfindung vor dem Start des Motors eingeschaltet. Dies
erlaubt ein Erwärmen
des niedrig temperierten thermischen Mediums – bedingt durch die thermischen
Bedingungen der äußeren Umgebung
in kalten Regionen oder am frühen
Morgen – durch
Warmwasser, welches in separat ausgestatteten Warmwassertanks durch
Wärmetausch
vorhanden ist. Um den Motor zu erwärmen, wird das thermische Medium
dann in den Wärmerückgewinnungsabschnitt
des Motors überführt.
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Das
thermische Medium wird gemäß dem ersten
Merkmal der vorliegenden Erfindung erst in den Öltank überführt, wo der Ölwärmetauscher
installiert ist, um hier das Öl,
dessen Viskosität
bei niedriger Temperatur hoch ist, effektiv zu erwärmen und
die Viskosität
leicht zu senken. Nachdem der Motor gestartet ist und im normalen
Betriebsmodus läuft,
kann das sich durch den Motorbetrieb erwärmende Öl durch das thermische Medium
effizient gekühlt
werden.
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Das
thermische Medium fließt
vor der Wiedergewinnung von Motorwärme durch die Pumpe. Die Pumpe
ist dadurch relativ niedrig temperiert, was den Verschleiß von Dichtungen
und anderen Abdichtungen minimiert.
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Die
Temperatur des thermischen Mediums wird gemäß des zweiten Merkmals der
vorliegenden Erfindung nachdem es in den Abgaswärmetauscher überführt wird
so geregelt, dass der in dem Abgas enthaltene Wasserdampf auf seinen
Taupunkt abfällt. Dies
ermöglicht
die Rückgewinnung
von Abgaswärme
sowie von Kondenswärme
durch das thermischen Medium, welches dann an den stromabwärtigen Zirkulationspfad
in die Motorkühleinheit
transferiert wird, wobei dessen Temperatur zunimmt. Das thermische
Medium wird des Weiteren zu dem auslassenden Wärmetauscher überführt, wo
seine reichlich wiedergewonnene thermische Energie freigesetzt wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Arrangements eines mit einer Abwärme- Wiedergewinnungsvorrichtung
ausgestatteten Kraft-Wärme-Kopplungssystem
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein Blockdiagramm, welches den Hauptteil der Abwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung
gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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3 ist
ein Diagramm, welches den Temperaturwechsel des thermischen Mediums
und des Abgases zeigt.
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Eine
Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die relevanten Zeichnungen im
Detail beschrieben.
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Unter
Bezugnahme auf 2 ist eine Abwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung 1,
welche in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem installiert
für die Wärmewiedergewinnung
für den
Motor eines motorgetriebenen Energiegenerators gestaltet worden.
Die Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 1 umfasst
den Motor 2 und den Energiegenerator 3, welcher
mechanisch mit dem Motor 2 verbunden ist. Der Energiegenerator 3 erzeugt
entsprechend den Umdrehungen des Motors 2 Wechselstrom.
Der Motor 2 ist mit einer Ölwanne für Schmieröl ausgestattet. Die Ölwanne beinhaltet
einen Ölkühler (einen Ölwärmetauscher) 5.
Der Ölwärmetauscher 5 transferiert
Wärme des Öls in der Ölwanne 4 zu
einem Wärmetransfer-Medium
(Kühlwasser).
Eine Luftzufuhr wird durch ein Luftfilter 7 in einen Zylinderkopf
des Motors 2 eingeführt. Das
Abgas des Motors 2 passiert ein Abgasrohr 8 und
einen Abgaswärmetauscher 9 und
wird dann zum Äußeren des
Motors abgegeben.
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Ein
Zirkulationspfad 12 des Wärmetransfer-Mediums ist für eine effektive
Wiedergewinnung der vom Motor erzeugten Wärme vorgesehen. Zur Zirkulation
des Wärmetransfer-Mediums
ist eine Wasserpumpe 10 an dem Einlass des Zirkulationspfades 12 befestigt.
Dieses Arrangement erlaubt es anderen Komponenten wie Abdichtungen,
dass sie nicht direkt mit dem hoch temperierten Wärmetransfer-Medium
in Kontakt kommen und kaum an Qualität verlieren, weshalb sich das
Betriebsleben der Wasserpumpe 10 verlängert. Da das Wärmetransfer-Medium
durch die Wasserpumpe 10 bewegt wird, läuft es durch den Ölwärmetauscher 5 in
die Ölwanne 4, den
Abgaswärmetauscher 9,
den Motor 2, den Zylinderkopf 6 und durchläuft eine
thermische Isolierung 16 zu einem thermischen Speicher,
der später
im Detail beschrieben wird.
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Das
Wärmetransfer-Medium
gewinnt vom Motor 2 erzeugte Wärme beim Zirkulieren durch
den Zirkulationspfad 12 wieder und transferiert sie in
den thermischen Lagerraum/Speicher. Wenn das Wärmetransfer-Medium dem Ölwärmetauscher 5 in
der Ölwanne 4 zugeführt wird,
zieht es insbesondere die Wärme
des Öls
des Motors 2 an sich und kühlt das Öl ab. Das Wärmetransfer-Medium läuft dann in den Abgaswärmetauscher 9,
wo es die Wärme
des vom Motor freigesetzten Abgases aufnimmt. Das aufgrund der Wärmeaufnahme
von dem Ölwärmetauscher 5 und
von dem Abgaswärmetauscher 9 erhitzte Wärmetransfer-Medium
läuft weiter
durch einen Durchgang oder einen Wassermantel 6a, welcher
in der Zylinderwand und dem Zylinderkopf 6 als Motorkühlsystem
bereitsteht und zieht von hier noch mehr Wärme an sich, wodurch dessen
Temperatur weiter ansteigt.
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1 stellt
eine Anordnung einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung,
in welcher der Motorenergie-Generator in seinem Energie-Generatorabschnitt mit
einem kommerziellen Energieversorgungsunternehmen verbunden ist,
dar.
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Ein
Energiewandler 13 hat die Funktion, den ausgehenden Wechselstrom
durch den Energiegenerator 3 in einen Wechselstrom zu wandeln,
welcher in bezug auf seine Voltzahl, Frequenz, Lärm usw. dem des Energieversorgungsunternehmen
gleich ist und einen synchronisierten Aggregatzustand mit dem Energieversorgungsunternehmen
zu entwickeln. Der Energiewandler 13 umfasst einen Umwandler
zum Umwandeln des durch den Energiegenerator 3 freigesetzten
ausgehenden Wechselstroms in einen ausgehenden Gleichstrom und einen
Umrichter zum Umrichten des ausgehenden Gleichstroms des Umwandlers
in eine Wechselstromform, welche mit der Frequenz und der Voltzahl
des vom Energieversorgungsunternehmen eingehenden Wechselstroms
identisch ist, und funktionale Mittel wie Lärmfilter und Verbindungsschalter.
Ein Beispiel des Energiewandlers, welcher mit dem anderen (kommerziellen)
Unternehmen verbunden ist, ist in der japanischen geprüften Patentveröffentlichung (Hei)
4-10302 offenbart. Der vom Energiegenerator 3 freigesetzte
und vom Energieumwandler 13 umgewandelte ausgehende Gleichstrom
wird dann zu einem elektrischen Lastspeicher 15 weitergeleitet,
welcher auch mit dem kommerziellen Energieversorgungsunternehmen 14 verbunden
ist.
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Die
vom Motor 2 zum Antrieb des Energiegenerators 3 erzeugte
Wärme wird
durch einen thermischen Wandelvorgang des Kühlwassergerätes und der Wärmetauschereinheit
(im Folgenden als Nummer 11 bezeichnet) des Abgaswärmetauschers 9 oder
dergleichen gespeichert. Das Kühlwasser,
welches die Wärme
der Wärmetauschereinheit 11 aufnimmt,
fließt
durch eine als Wärme-Weiterleitungsmedium
in den Heißwassertank 17 verwendete
Leitung 18 in den Heißwassertank 17.
Der Heißwassertank 17 enthält einen
Auslass-Wärmetauscher 20 (im Folgenden
als erster Wärmetauscher
bezeichnet), welcher mit der Leitung 18 wirkverbunden ist.
Das von der Wasserquelle 31 dem Heißwassertank 17 zugeführte Wasser
wird dann durch den ersten Wärmetauscher 20 erhitzt.
Das im Heißwassertank 17 erhitzte
und gespeicherte Wasser wird zum weiteren Gebrauch einer Heißwasserversorgungseinheit 21, die
ein erster thermischer Lastspeicher ist, zugeführt.
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Ein
Ventil 32 ist an einem Wasserrohr zwischen der Wasserquelle 31 und
dem Heißwassertank 17 angebracht.
Das Ventil 32 wird geöffnet,
um das Heißwasser
im Heißwassertank 17 bei
einem Abfall unter ein vorbestimmtes Niveau zur Verfügung zu
stellen.
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Der
Motor 2 weist einen Temperatursensor TS3 auf, um die Temperatur
Te des Motors 2 zu ermitteln, welche dann an den Regler 29 weitergeleitet wird.
Wenn die Temperatur Te nicht niedriger als eine für den Start
des Motors zugelassene und festgelegte Referenztemperatur Tref-e
ist, versorgt der Regler 29 den Motor 2 und die
Wasserpumpe 10 mit dem Befehl eines sofortigen Starts.
Wenn die ermittelte Temperatur Te niedriger als die Referenztemperatur Tref-e
ist, schaltet der Regler 29 die Wasserpumpe 10 vor
dem Start des Motors 2 ein.
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Wenn
die Wasserpumpe in Gang gesetzt ist, zirkuliert das thermische Medium
durch die Leitung 18, welche den ersten Wärmetauscher 20 im
Heißwassertank 17 mit
dem Wärmetauscher 11 des
Motors 2 verbindet. Dies gestattet dem thermischen Medium
die Aufnahme von Wärme
des Heißwasser
aus dem Heißwassertank 17.
Dann steigt seine Temperatur an. Wenn das thermische Medium zum
Motor 2 geleitet wird, erwärmt es den Motor. Wenn die
am Motor 2 gemessene Temperatur Te nach dem Anschalten
der Wasserpumpe 10 die Referenztemperatur Tref-e erreicht,
wird der Motor 2 gestartet.
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Der
Temperatursensor TS3 ist vorzugsweise in der Kühleinheit des Motors 2 positioniert,
um die Temperatur des thermischen Mediums zu messen und kann so
platziert sein, dass er die Temperatur der äußeren Wandung des Motors 2 oder
anderer benachbarter Komponenten des Motors 2 misst. Die Temperatur
des Motors 2 kann durch die Umgebungstemperatur wiedergegeben
werden. Wenn die Umgebungstemperatur verwendet wird, wird die Referenztemperatur
Tref-e durch eine andere Referenzeinstellung ersetzt, die durch
experimentelle Messungen der Beziehung zwischen Motortemperatur und
Außentemperatur
bestimmt wird.
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Das
Starten des Motors 2 ist nicht abhängig davon, dass die Temperatur
Te die Referenztemperatur Tref-e nach Einschalten der Wasserpumpe 10 erreicht
ist, aber kann durch eine von einem Timer bestimmte Zeitdauer nach
Einschalten der Wasserpumpe 10 zeitlich bestimmt werden.
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In
dieser Ausführungsform
ist der Wärmetauscher 11 des
Motors 2 mit der Leitung 18 mit dem Wärmetauscher 20 verbunden,
welcher im Heißwassertank 17 installiert
ist, kann enorme thermische Energie des gespeicherten Heißwassers
im Heißwassertank 17 direkt
durch das thermische Medium wiedergewonnen und dem Motor zugeführt werden.
Dies erlaubt dem Motor 2 eine zeitlich kürzere Aufwärmung für einen
schnelleren Start.
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Ein
zweiter Wärmetauscher 22 ist über dem ersten
Wärmetauscher 20 im
Heißwassertank 17 angebracht.
Der zweite Wärmetauscher
ist mit der Leitung 23 verbunden, welche in Reihe mit dem
Wärmesystem 24 verbunden
ist, wie zum Beispiel einem zentralen Heizsystem oder einem Fußbodenheizsystem,
die als zweites thermisches Lager dienen. Die zweite Leitung 23 bildet
einen zweiten Heißwasserpfad,
der von dem zur Versorgung des Heißwassers des Heißwassertanks 17 zur
Heißwasserversorgungseinheit 21 separiert
ist. Der zweite Heißwasserpfad 23 bewerkstelligt
einen zweiten Wärmetausch
der Wärme
des Heißwassertanks 17,
weshalb die Wärmewiedergewinnung
effizienter wird.
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Der
zweite Wärmetauscher 22 ist
höher als der
erste Wärmetauscher 20 positioniert,
weil das vom ersten Wärmetauscher 20 erhitzte
Wasser eine höhere
Temperatur hat und strömt
vom Wärmetauscher 20 fließend aufwärts. Dies
ermöglicht
dem zweiten Wärmetauscher 22 mehr
thermische Energie vom durch den Strömungseffekt aufsteigenden Heißwasser
aufzunehmen.
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Im
zweiten Heißwasserpfad 23 sind
auch ein Wiedererwärmungsboiler 25 und
ein dreigerichtetes Ventil 26 angebracht. Der Wiedererwärmungsboiler 25 ist
mit einer Pumpe 27 ausgestattet, die das Heißwasser
durch den Heißwasserpfad 23 zirkulieren lässt. Das
dreigerichtete Ventil 26 ist ein Mittel, um den Fluss des
Heißwassers
durch den Nebenleitung 28 oder durch das Wärmesystem 24 zu
schalten. Die folgenden Durchgänge
werden durch das Ingangsetzen des dreigerichteten Ventils 26 angewählt. Wenn das
dreigerichtete Ventil 26 an das Wärmesystem 24 geschaltet
ist, ist der Durchgang für
die Beförderung des
Heißwassers über den
Wiedererwärmungsboiler 25 und
das Wärmesystem 24 von
und zu dem Heißwassertank 17 geöffnet. Wenn
das dreigerichtete Ventil 26 an der Nebenleitung 28 geschaltet
ist, ist der Durchgang für
die Beförderung
des Heißwassers über den
Nebenleitung 28, aber nicht über das Wärmesystem 24 von und
zu dem Heißwassertank 17 geöffnet.
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Ein
Temperatursensor TS1 ist als, Detektionsmittel für die Temperatur des in den
Pfad des thermischen Speichers in den Heißwassertank 17 fließenden thermischen
Mediums. Die Information über die
vom Temperatursensor TS1 gemessene Temperatur TI des Heißwasser
wird an den Regler 29' übermittelt.
Der Temperatursensor TS1 kann an einem angemessen hohen Niveau zwischen
dem obersten Teil des ersten Wärmetauschers 20 und
dem untersten Teil des zweiten Wärmetauschers 22 positioniert sein,
ist aber am meisten bevorzugt genau zwischen dem ersten Wärmetauscher 20 und
dem zweiten Wärmetauscher 22 positioniert.
In Folge des Strömungseffekts
ist es sehr wahrscheinlich, dass die Temperatur des Heißwassers
an der tiefsten Stelle niedriger und an der obersten Stelle des
Heißwassertanks 17 höher ist.
Wenn der Temperatursensor TS1 in der Mitte angebracht ist, kann
er einen Durchschnittswert der Temperatur im Heißwassertank 17 detektieren.
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In
Reaktion auf die Temperaturinformation TI kontrolliert der Regler 29 den
Start- und Stoppvorgang des Motors 2. Insoweit repräsentiert
die Temperaturinformation den Bedarf an Wärme oder die thermische Last
der Heißwasserversorgungseinheit 21, welcher
das Heißwasser
direkt aus dem Heißwassertank 17 oder
vom Wärmesystem 24,
welches das Heißwasser
indirekt über
den zweiten Wärmetauscher 22 bezieht,
wobei der Regler 29, wenn der Bedarf ansteigt und die Temperaturinformation
TI nicht größer als
ein Referenzniveau Tref-1 ist, den Betrieb des Motors 2 zur
Wärmegewinnung
reguliert. Wenn auf der anderen Seite die Temperaturinformation
TI höher
als das Referenzniveau Tref-1 ist, stellt der Regler 29 sicher,
dass ein ausreichendes Niveau von Wärmeenergie in dem Heißwassertank 17 gesichert ist
und stoppt den Betrieb des Motors 2.
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Das
Referenzniveau Tref-1 der Temperatur ist durch eine Vielzahl an
Parametern wie Typ und Größe des thermischen
Speichers (z. B. der Typ und die Kapazität der Heißwasserversorgungseinheit 21 und
des Wärmesystems 24),
dem thermischen Ausstoß der
Wärmetauschereinheit 11,
dem Volumen des Heißwassertanks 17 usw.
bestimmt. Das Referenzniveau Tref-1 hat eine Hysterese, um eine
stetigen Betrieb des Motors 2 zu gewährleisten, dass heißt sich
wiederholende Start- und Stoppvorgänge zu vermeiden.
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Wenn
die Temperatur Te des Motors niedriger als die Referenztemperatur
Tref-2 ist, ungeachtet dessen, ob die Temperatur T1 des Heißwassers
im Heißwassertank 17 niedriger
als Tref-e ist, wird die Wasserpumpe 10 vor dem Start des Motors 2 angeschaltet.
In dem Falle, dass der Motor 2 auf Basis der Temperaturinformation
TI geregelt wird, wird sein Betrieb für das Fahren des Energiegenerators 3 genutzt,
um einen konstanten Energieausstoß oder, in Bezug auf einen
elektrischen Speichermodus, in Abhängigkeit von der Größe des elektrischen
Speichers 15, zu erzeugen. In dem konstanten Energieausstoßmodus muss
der Motor 2 als treibende Energiequelle seine Umdrehungen
konstant halten, wodurch sein Betrieb einen höheren Niveau der effizienten
Minimierung des Kraftstoffverbrauchs und einen akzeptablen Abgasausstoß erreichen
wird. Wenn der Bedarf an Elektrizität den Ausstoß des Energiegenerators 3 übersteigt,
wird das elektrische Defizit von der Versorgung durch das kommerzielle
Energieversorgungsunternehmen gedeckt.
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Die
Temperatur des Heißwassers
im Heißwassertank 17 variiert
signifikant in Abhängigkeit vom
Heißwasserverbrauch,
z. B. der Bedarf an thermischer Energie und der Modus des Betriebs
des Motorgenerators 10, d. h. entweder der konstante Ausstoßmodus oder
der abhängige
elektrische Speichermodus. Zum Beispiel kann in einem System, wo wenn
der Verbrauch von Heißwasser
niedrig ist, die Temperatur des Heißwassers durch den Energiegenerator 3,
welcher in Reaktion auf die vom Temperatursensor TS1 ermittelte
Temperatur in Betrieb ist, bei 80°C
gehalten werden, ein abrupter Anstieg oder ein sperriger Verbrauch
des Heißwasser
resultierend aus dem Bedarf an Wärme,
die simultan von der Heißwasserversorgungseinheit 21 und
dem Wärmesystem 24 oder
dem Start des Systems ein Abfallen der Temperatur des Heißwasser
in dem Heißwassertank 17 bis
auf einen niedrigen Grad der Kaltwasserversorgung verursachen.
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Wenn
die Referenztemperatur des Heißwassers
im Heißwassertank 17 durch
die von dem Motor 2 abgegebene Wärme kaum gehalten werden kann, funktioniert
der Wiedererwärmungsboiler 25 effektiv. Der
Heißwasserregler 30 stellt
den Wiedererwärmungsboiler 25 und
das dreigerichtete Ventil 26 mit dem Befehl „B" zum Wiedererwärmen und
dem Befehl „C" zum (an) schalten,
zur Verfügung.
Der Heißwasserregler 30 ist
auf eine niedrigere Referenztemperatur Tref-L eingestellt, welche
niedriger als die Referenztemperatur Tref-1 ist und wenn die Temperatur
T1 des Heißwassers
in dem Heißwassertank 17 unter
die niedrigere Referenztemperatur Tref-L abfällt, schaltet er auf den Wiedererwärmungsbefehl „B" und den Schaltungsbefehl „C". Wenn der Wiedererwärmungsbefehl „B" angeschaltet ist,
geht der Wiedererwärmungsboiler
in Betrieb. Wenn der Schaltungsbefehl „C" angeschaltet ist, schiebt sich dreigerichtete
Ventil 26 seine Öffnung
zur Nebenleitung 28. Das vom Wiedererwärmungsboiler 25 erwärmte Wasser
zirkuliert dementsprechend durch die Leitung 23 und erhöht die Temperatur
des Heißwassers
in dem Heißwassertank 17 über den
zweiten Wärmetauscher 22.
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Wenn
die Temperatur des Heißwassers
in dem Heißwassertank 17 die
niedrigere Referenztemperatur Tref-L überschreitet, werden der Wiedererwärmungsbefehl „B" und der Schaltungsbefehl „C" abgeschaltet, um
den Betrieb des Wiedererwärmungsboilers 25 zu
stoppen und schaltet das dreigerichtete Ventil 26 für den Heizbetrieb
an das Wärmesystem 24.
Die niedrigere Referenztemperatur Tref-L kann analog zur Referenztemperatur
Tref-1 eine Hysterese aufweisen.
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Wenn,
wie oben erwähnt,
das dreigerichtete Ventil 26 auf den Heißwasserversorgungsbedarf
reagierend auf die Nebenleitung 28 geschaltet ist, stoppt die
Versorgung des Wärmesystems 24 mit
Heißwasser.
Wenn es der Bedarf der Heißwasserversorgungseinheit 21 ist,
Heißwasser
in ein Badezimmer oder eine Küche
zu liefern, laufen diese Lieferungen kaum über einen längeren Zeitraum und infolgedessen
wird die Versorgung des Wärmesystems 24 lediglich
ein paar Minuten unterbrochen. Die Heißwasserzirkulation in dem Wärmesystem 24 wird
dementsprechend nur kurz unterbrochen. In dem Wärmesystem 24, welches
als thermischer Speicher agiert, ist die Variation im Bedarf an
Wärme eher
moderat, sobald die Temperatur in dem Raum, der beheizt wird, ihre
gewünschte
Gradzahl erreicht hat. Da die Temperatur in den Räumen durch
die Unterbrechung der Heißwasserzirkulation
selten extrem abfällt,
ist das Auftreten von anderen Problemen in der Praxis dementsprechend
unwahrscheinlich.
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Wenn
darüber
hinaus der Bedarf an Wärme im
Wärmesystem 24 ansteigt,
wird der Wiedererwärmungsboiler 25 durch
das dreigerichtete Ventil 26 angeschaltet, welches an das
Wärmesystem 24 geschaltet
ist, um das Wärmesystem
sofort mit einer ausreichenden Menge an Heißwasser zu versorgen. Der Anstieg
des Wärmebedarfs
des Wärmesystems 24 kann
mit Hilfe einer voreingestellten Temperatur im Wärmesystem 24 beurteilt
werden. Es ist auch, anstelle eines Abschaltens des gesamten Heißwasserflusses
durch das dreigerichtete Ventil 26 möglich, das dreigerichtete Ventil 26 in
der Öffnung
variabel zu halten, um wenigstens einen Teil des Heißwassers
in die Leitung 23 zum zweiten Wärmetauscher 22 zurückfließen zu lassen.
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Wenn
die Temperatur des Abgases im Abgaswärmetauscher 9 niedriger
als der Taupunkt W und auf den Inhalt des Abgases eingestellt ist,
kann die Wiedergewinnung von Kondenswärme durch ein zwischen dem
Einlass und dem Auslass bereitgestelltes Abgas-Temperaturortungsmittel
mit einer größeren Effizienz
ausgeführt
werden. 3 stellt einen Temperaturwechsel
des Wärmetransfer-Mediums zwischen
dem Einlass des Abgaswärmetauschers 9 und
dem Zylinderkopf 6 dar. Wie in der Kurve LmO gekennzeichnet,
variiert die Temperatur des Wärmetransfer-Mediums
und wie in Kurve LgO gekennzeichnet, variiert die Temperatur des
Abgases. Der Abgaswärmetauscher 9 ist
ein Gegenfluss-Typ, in dem das Wärmetransfer-Medium
und das Abgas in entgegengesetzte Richtungen fließen. In
der Darstellung sind die Flussrichtungen des Wärmetransfer-Mediums und des
Abgases gegenläufig.
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Das
Abgas weist an dem Auslass des Wärmetransfer-Mediums
eine Temperatur g auf oder die Temperatur am Abgaseinlass des Abgaswärmetauschers 9 fällt auf
einen Niveau g' niedriger
als der Taupunkt W am Einlass des Wärmetransfer-Mediums oder dem
Abgasauslass des Abgaswärmetauschers 9 ab.
Das in den Abgaswärmetauscher 9 eingeführte Wärmetransfer-Medium
nimmt wiederum in der Folge die Kondenswärme des Abgases auf, wodurch
seine Temperatur von a zu a' in
einem kurzen Zeitraum stark ansteigt. Ein Temperaturgradient (a-a') des Wärmetransfer-Mediums über den
Abgaswärmetauscher 9 hängt größtenteils
von der Flussmenge und der Initialtemperatur (a) des Wärmetransfer-Mediums
ab. Je größer der
Fluss des Wärmetransfer-Mediums
oder je niedriger die Initialtemperatur des Wärmetransfer-Mediums ist, umso
stärker
ist der Anstieg.
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Während des
Transfers von Wärme
hat das Abgas eine über
dem Taupunkt W liegende Temperatur, die Temperatur des Wärmetransfer-Mediums steigt
bei einem weniger starken Anstieg dabei moderater von a' zu c als bei einem
Anstieg von a zu a' an.
Das Wärmetransfer-Medium
mit einer auf c angestiegenen Temperatur nimmt Wärme der Motorkühleinheit
des Motors 2 auf und wird dann mit seiner auf f angestiegenen
Temperatur von der Motorabwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung
entladen, was zu einer Temperaturdifferenz ⌷t3 führt.
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Für eine effiziente
Abgas-Wärmewiedergewinnung
durch Transfermittel der Kondenswärme des Inhalts des Abgases
ist eine Kontrolle des Flusses und/oder der Temperatur des Wärmetransfer-Mediums
mit dem Ziel erwünscht,
das die Temperatur des von dem Abgaswärmetauschers 9 ausgestoßenen Abgases
unter dem Taupunkt bleibt. Wenn der Fluss des Wärmetransfers groß ist, wird
mit der auf einen festen Wert fixierten Initialtemperatur des Wärmetransfer-Mediums
(am Einlass) des Abgaswärmetauschers 9 die
Effizienz des Wärmetransfers des
Abgases gesteigert. Wenn der Fluss geringer ist, nimmt die Effizienz
der Abgaswärmewiedergewinnung
ab.
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Der
Sollfluss des thermischen Mediums ist in Kombination mit der Temperatur
des Wärmetransfer-Mediums
in bezug auf die Größe des thermischen Speichers
voreingestellt, so dass die Temperatur des Abgases unter dem Taupunkt
W bleibt, wenn einmal die am thermischen Speicher erforderte Temperatur oder
die Größe des thermischen
Speichers festgelegt wurde. Der Sollfluss kann durch Experimente kalkuliert
werden. Der berechnete Sollfluss kann durch die Kontrolle der Umdrehungen
der Wasserpumpe 10 realisiert werden.
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Wenn
die erforderliche Temperatur oder Solltemperatur des thermischen
Speichers zu hoch ist, kann ein Nachlassen dieser Temperatur durch
den festgelegten Sollfluss des Transfer-Mediums erreicht werden, so dass die
Temperatur des Abgases unter dem Taupunkt W bleibt. Zum Ausgleich
muss der Fluss des Wärmetransfer-Mediums
reduziert werden, damit die Temperatur am Eingang des Wärmetauschers 9 ansteigt
und die Wiedergewinnung der Kondenswärme abnimmt. Auch in diesem
Fall ist es erwünscht,
dass die Gesamt-Betriebs-Dauer der Vorrichtung eine längere Betriebsperiode
beinhaltet, in welcher der Sollfluss des Wärmetransfer-Mediums auf eine
unter dem Taupunkt W liegende Temperatur des Abgases determiniert
ist.
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Alternativ
dazu kann mit einer festen Durchflussmenge des Wärmetransfer-Mediums die Temperatur
des Abgases durch ein Justieren. der Eingangstemperatur derselben
unter den Taupunkt W reduziert werden. Zuerst wird ein Referenzniveau
Tw der Eingangstemperatur festgelegt, so dass die Temperatur des
Abgases unter dem Taupunkt W liegt. Der Motor 2 wird gestoppt,
wenn die Eingangstemperatur die Referenztemperatur Tw überschreitet
und die Effizienz der Wärmewiedergewinnung
abnimmt. Wenn der Motor 2 gestoppt ist und die Eingangstemperatur unter
den Referenzniveau Tw fällt,
wird der Motor 2 wieder gestartet. Auf dieses Weise kann
die Eingangstemperatur des Wärmetransfer-Mediums
zu dem Referenzniveau Tw aufrecht gehalten werden und lässt folglich
eine höhere
Wärmewiedergewinnungseffizienz
zu. Ein Temperatursensor zum Messen der Eingangstemperatur ist vorzugsweise
am Einlass des Abgaswärmetauschers 9 angebracht.
Alternativ kann der Temperatursensor über dem Zirkulationspfad des
Wärmetransfer-Mediums
an der aufströmenden
Seite der Wasserpumpe 10 oder nahe vor oder hinter dem
Zylinderkopf 6 befestigt werden.
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Der
Start- und Stoppvorgang des Motors 2 kann durch die Determinierung
des Referenzniveaus Tref-1 der Temperaturinformation T1 gesteuert
werden. Die Beziehung zwischen der Eingangstemperatur und der Temperaturinformation
des Wärmetransfer-Mediums
ist voreingestellt und wird zum Setzen des Referenzniveaus Tref-1
in Beziehung zum Referenzniveau Tw verwendet. Wenn der Motor 2 in Übereinstimmung
einer unter dem Referenzniveau Tref-1 der Temperaturinformation
liegenden Eingangstemperatur startet und stoppt, kann die Temperatur
des Abgases unter dem Taupunkt W gehalten werden.
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Wenn
der bei höherer
thermischen Speicherung erforderliche Temperaturniveau mit der Referenztemperatur
Tw des Wärmetransfer-Mediums
so bemessen ist, dass die Temperatur des Abgases unter dem Taupunkt
W gehalten wird, kann das erforderliche Temperaturniveau kaum erreicht
werden. In diesem Fall wird das Referenzniveau Tw der Eingangstemperatur
des Wärmetransfer-Mediums
relativ hoch angesetzt, um ein solches Temperaturniveau zu erreichen.
Solch ein ansteigender Wert der Referenztemperatur Tw sollte durch
Experimente bestimmt werden, so dass die Erfordernis des thermischen
Speichers ohne einen signifikanten Abfall der Effizienz des Transfers
von Wärme
während
der Betriebsdauer, welche eine Periode beinhaltet, in der die Temperatur
des Abgases über
dem Taupunkt W liegt, zufriedenstellend ist. Das Gleiche kann durch ein
Kontrollieren des Timings des Start- und Stopvorgangs des Motors 2 durch
eine Regulierung der Hysterese der Referenztemperatur Tref-1 erreicht
werden.
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Wenn
ein Heißwassertank 17 vorgesehen ist,
ist es erwünscht,
die Temperatur des Heißwasser im
Tank 17 auf einem bestimmten, mit der Erfordernis des thermischen
Speichers korrespondierenden Niveau zu halten. Angenommen, dass
der Betrieb des Motors 2 gestoppt wird, wenn die vom Temperatursensor
TS1 erhaltene Temperaturinformation T1 höher als das Referenzniveau
Tref-1 ist, kann der Fluss des Wärmetransfer-Mediums
unter Berücksichtigung der
Betriebskonditionen des Motors 2 bemessen werden. Wenn
die Start- und Stoppsteuerung des Motors 2 so vorgeht,
dass ein Halten der Temperatur des Heißwassers auf gleicher Höhe wie das
Referenzniveau Tref-1 gewährleistet
ist, wird das Ergebnis der Betriebsbedingungen zur Berechnung der Menge
der vom Motor 2 ausgestoßenen Abwärme durch Experimente verwendet
und der Fluss des Wärmetransfer-Mediums
ist in Relation zur Menge der Abwärme dadurch determiniert, so
dass die Temperatur das Referenzniveau Tw nicht überschreitet. Wenn der Fluss
fixiert ist, kann durch An- und Abschalten des Motors 2 die
Temperatur des Wärmetransfer-Mediums
auf der (Höhe)
des Referenzniveaus Tw 2 gehalten werden, weshalb die Temperatur
des Abgases unter dem Taupunkt W bleibt.
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In
dem Fall, dass die Temperatur des Abgases auf Basis der Temperatur
des Wärmetransfer-Mediums
niedriger als der Taupunkt W gehalten wird, sowie in dem Fall, dass
die Temperatur des Abgases auf Basis der Flusses des Wärmetransfer-Mediums
niedriger als der Taupunkt W gehalten wird, ist eine Bestimmung
der Temperatur des Wärmetransfer-Mediums wünschenswert,
so dass der Gesamtbetrieb eine längere
Zeitperiode, in welcher die Temperatur des Abgases unter dem Taupunkt
W liegt, beinhaltet. Die Steuerungsmethode ist nicht nur für den Fall
vorgesehen, in welchem der Fluss und die Temperatur des Wärmetransfer-Mediums
kontrolliert wird, während
das andere fixiert ist, sondern kann auch bei variablem Fluss und
variabler Temperatur ausgeführt
werden. Die thermische Energie des Wärmetransfer-Mediums, welches
in den Abgaswärmetauscher 9 eingeführt wird,
kann vorzugsweise auf einer Ebene geregelt werden, auf welcher der
Transfer von Wärme
von dem in den Abgaswärmetauscher 9 geladenen
Abgases am effizientesten bewerkstelligt wird und zugleich die Erfordernisse
des thermischen Speichers erfüllt
werden.
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Um
die Temperatur des Abgases unter dem Taupunkt W zu halten, ist es
anstelle einer Ermittlung und Kontrolle der Temperatur und des Flusses
des Wärmetransfer-Mediums
zu ihren Referenzniveaus auch möglich,
die Temperatur des Abgases direkt zu messen und die Temperatur und
den Fluss des Wärmetransfer-Mediums
so zu bemessen, dass die Temperatur des Abgases an einem Referenzniveau
umgewandelt wird. In diesem Fall sind im Abgaswärmetauscher 9 und
seinen stromaufwärtigen
und -abwärtigen
Seiten (vorzugsweise Weise an den Auslass des Abgases angrenzend)
Temperatursensoren zum Messen der Temperatur des Abgases vorgesehen.
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Wie
beschrieben werden der Fluss und die Temperatur des Wärmetransfer-Mediums
am Eingang des Abgaswärmetauschers 9 gesteuert,
um die Temperatur des Abgases im Abgaswärmetauscher 9 unter
dem Taupunkt W zu halten, wobei die Effizienz des Transfers der
Kondenswärme
von dem Abgas zu dem Wärmetransfer-Medium
erfolgreich gesteigert werden kann. Mit dem Temperaturanstieg steigt
die Temperatur des Wärmetransfer-Mediums
schließlich bis
auf „f" (eine Temperaturdifferenz ⌷t3.)
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In
dieser Ausführungsform
hat der Ölwärmetauscher 5 auch
die Aufgabe der Wärmewiedergewinnung
von dem Öl
in der Ölwanne 4.
Dies ist besonders effektiv, wenn die Temperatur des Wärmetransfer-Mediums
nur mit Schwierigkeiten wie in sehr kalten Regionen gesteigert werden
kann. Während der Ölwärmetauscher 5 eine
effektive Reduzierung der Öltemperatur ermöglicht,
kann dies in Abhängigkeit
von dem Installationsstandort auch unterlassen werden.
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Wie
aus obiger Beschreibung ersichtlich, lassen die Merkmale der vorliegenden
Erfindung, welche in den Ansprüchen
1 und 2 definiert sind, eine Erwärmung
des Motors mit dem in einem Heißwassertank
gespeicherten Heißwasser
und dessen Transferierung durch den Betrieb der Pumpe ohne den Einsatz
zusätzlicher
sperriger Komponenten, wie ein beträchtlichen Installationsraum
erforderndes elektrisches Heizgerät, transferiert zu werden,
zu.
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Gemäß der in
Anspruch 1 definierten Merkmale lässt die Viskosität des Öls nach,
wodurch das Kurbeldrehmoment des Motors abnimmt. Ebenso wird Wärme zuerst
vom Ölwärmetauscher
im normalen Betriebsmodus wiedergewonnen, wodurch der Ölkühleffekt
ansteigt. Das Betriebsleben der Pumpe zum Zirkulieren des thermischen
Mediums kann (dadurch) verlängert
werden.
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Gemäß den in
Anspruch 2 definierten Merkmalen ist der Abgaswärmetauscher bevorzugt an der Motorkühleinheit
befestigt, um den im Abgas enthaltenen Dampf durch die vergleichbar
niedrige Temperatur des thermischen Mediums zu kondensieren. Die
Kondenswärme
kann ebenfalls wiedergewonnen werden.