DE60206298T2 - Kombinierte heiz- und leistungseinheit für den haushalt - Google Patents

Kombinierte heiz- und leistungseinheit für den haushalt Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Heiz- und Leistungseinheit für den Haushalt, umfassend: einen Stirling-Motor mit einem Brenner, um Wärmeenergie in den Motorkopf einzuleiten, um ein hin- und herbewegbares Glied anzutreiben, wobei das hin- und herbewegbare Glied über einen Wechselstromgenerator eine Abgabe elektrischer Leistung erzeugt; einen Wärmetauscher, in welchem Fluid aus Abgasen vom Brenner Wärme empfängt; eine zusätzliche Heizvorrichtung, um das Fluid im Wärmetauscher zu erwärmen; und einen Ventilator, um einen Strom von heißem Gas von der zusätzlichen Heizvorrichtung durch den Wärmetauscher zu generieren. Eine solche Einheit wird nachfolgend als "der beschriebenen Art" bezeichnet.
  • Die Stirling-Motor-Technik dieses Typs ist wohlbekannt, wobei eine Einheit der beschriebenen Art beispielsweise in der GB-Anmeldung Nr. 0124985.3 und der WO 01/90656 gezeigt wird.
  • Der Stirling-Motor benötigt Wärme, um zu arbeiten. Unter vielen Bedingungen kann die thermische Leistungsfähigkeit des Haushalt-Heizsystems eine Verwendung der erzeugten Wärme vorsehen. Wenn die Heizkörper jedoch ausgeschaltet sind und kein heißes Wasser benötigt wird, besteht auch kein Wärmebedarf. Dies verursacht ein Ansteigen der Temperatur des Fluidkühlmittels, wobei sich das Betriebsverhalten des Stirling-Motors verschlechtert. Ist sich der Verbraucher dieser Notwendigkeit bewusst, kann dies das Problem zum Teil lösen, indem die Heizkörper aufgedreht werden. Dennoch kann man sich nicht darauf verlassen, dass dadurch eine Überhitzung des Systems verhindert wird.
  • Dies kann auf eine andere Art und Weise verhindert werden, indem der Stirling-Motor gemäß des Wärmebedarfs betrieben wird und indem aus dem Netz jegliche zusätzlich benötigte elektrische Leistung zugeführt wird. Jedoch kann dies unmöglich sein, insbesondere während einer Stromunterbrechung. Unter solchen Umständen kann die kombinierte Heiz- und Leistungseinheit für den Haushalt so eingestellt werden, dass sie den Wärmebedarf für die Behausung vorsieht und unter solchen Umständen auch einen Grad elektrischer Leistung bereitzustellen, wie in unserer derzeit abhängigen Anmeldung 0130378.3 beschrieben, wo kein Elektrizitätsnetz zur Verfügung steht, ist es vorteilhaft, die Einheit derart betreiben zu können, dass sie die maximale Abgabe elektrischer Leistung vom Stirling-Motor liefert, auch wenn kein Wärmebedarf besteht.
  • Nach der vorliegenden Erfindung ist eine Einheit der beschriebenen Art durch eine Steuerungseinheit gekennzeichnet, die es erfasst, wenn die vom Stirling-Motor generierte Wärme einen vorbestimmten Bedarf überschreitet, und die den Ventilator betätigt, ohne die zusätzliche Heizvorrichtung zu betätigen, um einen Strom von ungewärmter Luft durch den Wärmetauscher zu generieren.
  • Die vorliegende Erfindung macht deshalb Gebrauch von Komponenten, die bereits schon in der kombinierten Heiz- und Leistungseinheit für den Haushalt zur Verfügung stehen, um eine Art und Weise vorzusehen, Wärme abzugeben. Der Ventilator, der normalerweise in Verbindung mit der zusätzlichen Heizvorrichtung arbeitet, wird dazu verwendet, um einen Strom von kaltem Gas durch den Wärmetauscher vorzusehen, wodurch vom Wärmetauscher Abwärme extrahiert wird, die durch den normalen Abgasabzug ausgestoßen werden kann. Der Ventilator weist den zusätzlichen Nutzen auf, dass er nach dem Motor insgesamt einen Luftstrom erzeugt, wodurch das Motorpaket gekühlt wird.
  • Wo es möglich ist, Leitung an das Stromnetz zu exportieren, kann diese Erfindung dazu verwendet werden, es dem Motor zu erlauben, bei seiner vollen Abgabeleistungsfähigkeit zu arbeiten, gleich welcher lokale Wärmebedarf auch vorliegt. Dies kann für den Verwender wirtschaftlichen Nutzen vorsehen, indem es erlaubt wird, die Kosten für importierte Leistung zu Zeiten von hohem lokalem Leistungsbedarf gegen die Einkünfte aus exportierter Leistung zu Zeiten von niedrigem lokalem Leistungsbedarf auszugleichen.
  • In einer Anordnung generiert der Ventilator zusätzlich einen Luftstrom zum Stirling-Motorbrenner und bei welcher ein Verteilerventil vorgesehen ist, um die Luftmenge zu steuern, welche dem Stirling-Motorbrenner und der zusätzlichen Heizvorrichtung zugeführt wird. Alternativ sieht ein zweiter Ventilator einen Luftstrom zum Stirling-Motorbrenner vor.
  • Ein Beispiel einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgelegten Einheit wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 ein schematischer Querschnitt ist, der eine erste kombinierte Heiz- und Leistungseinheit für den Haushalt zeigt; und
  • 2 ein schematischer Querschnitt ist, der eine zweite kombinierte Heiz- und Leistungseinheit für den Haushalt zeigt.
  • Die Einheit beruht auf einem Stirling-Motor 1, von welchem bei der Kühlvorrichtung 2 Wärme entnommen wird und in welchen mittels eines Brenners 3 am Motorkopf Wärme zugefügt wird. Der Brenner 3 wird mit einem Gemisch aus einem Luftstrom 4 und einem Gasstrom 5 versorgt, welche unter der Steuerung eines Gasventils 6 gemischt werden. Ein Ventilator 7 führt dem Brenner 3 das Gas-Luft-Gemisch zu. Die Verbrennungsprodukte, die den Kopf erwärmt haben, werden anschließend einem Wärmetauscher 8 zugeführt, in welchem sie Wärme an einen Wasserstrom 9 abgeben. Dieser Wasserstrom ist zuvor mittels einer Pumpe 10 durch die Kühlvorrichtung 2 gepumpt worden, wo seine Temperatur angestiegen ist. Danach wird er mittels der Abgase des Brenners 3 im Wärmetauscher 8 weiter erwärmt.
  • Es ist ein zusätzlicher Brenner 11 vorgesehen, um das Wasser im Wärmetauscher 8 stromabwärts der Gase vom Brenner 3 zu erwärmen. Der Brenner passt sich an, um den Wärmebedarf der Behausung zu decken, wobei er den Heizgrad des Stirling- Mortors 1 bereitgestellten berücksichtigt. Unter der Steuerung eines Gasventils 14 wird dem zusätzlichen Brenner 11 ein Gasstrom 12 und ein Luftstrom 13 zugeführt. Die gemischten Gase werden dem zusätzlichen Brenner 11 mittels eines zusätzlichen Ventilators 15 zugeführt.
  • Das Wasser, welches jetzt schon drei Erwärmungsstufen durchlaufen haben kann, tritt aus dem Wärmetauscher 8 als erwärmter Wasserstrom 16 aus. Der erwärmte Wasserstrom 16 zirkuliert in der Behausung in einem Kreislauf, um heißes Wasser und/oder Wärme für ein Zentralheizungssystem zuzuführen, wobei er sich abkühlt, wenn er seine Wärme an die Behausung abgibt. Mittels der Pumpe 10 angetrieben, zirkuliert das gekühlte Wasser anschließend zurück zum oben beschriebenen Heizsystem, wohingegen die Gase aus dem Brenner 3 und dem zusätzlichen Brenner 11, die ihre Wärme an den Wasserstrom abgegeben haben, entlang eines Abzugs 17 aus dem Wärmetauscher 8 ausströmen.
  • Bei normalem Betrieb, in welchem der Wärmebedarf der Behausung signifikant ist, feuern sowohl der Brenner 3 als auch der zusätzliche Brenner 11, um den Wärmebedarf bereitzustellen. Falls der Wärmebedarf niedrig ist, ist der zusätzliche Brenner nicht aktiv, und reicht die vom Brenner 3 erzeugte Wärme aus, um den Bedarf zu decken. Falls der Leistungsbedarf aufrechterhalten bleibt, während der Wärmebedarf weiter absinkt, steigt die Temperatur des Wassers im Kreislauf an, da in der Behausung weniger Wärme entzogen wird. In der Kühlvorrichtung 2 ist ein Sensor 18 vorgesehen, um zu detektieren, wenn die Temperatur des Wassers über einen Schwellenwert ansteigt. Dadurch wird eine Anzeige vorgesehen, dass der Heizkreislauf, welchem der heiße Wasserstrom 16 zugeführt wird, nicht genügend Wärme abführen kann, um die Temperaturdifferenz über dem Stirling-Motor aufrechtzuerhalten.
  • Um weitere Wärme zurückzuweisen, schaltet unter diesen Umständen ein Steuerungssystem, welches vom Sensor 18 ein Signal erhält, den zusätzlichen Ventilator 15 ein, ohne den Brenner 11 zu befeuern, um einen Strom von kühler Luft durch den Wärmetauscher 8 vorzusehen. Die Steuerungseinheit kann die Geschwindigkeit des Ventilators variieren, um eine günstige Wassertemperatur durch den Stirling-Motor 2 aufrechtzuerhalten, was es erlaubt, die Erzeugungseffizienz aufrechtzuerhalten und daher weniger Kraftstoff zu verbrauchen.
  • Ein zweites Beispiel einer kombinierten Heiz- und Leistungseinheit für den Haushalt ist in 2 gezeigt. Die meisten Komponenten dieser Einheit sind die Gleichen wie diejenigen, die in 1 gezeigt sind. Es wurden dieselben Bezugszeichen verwendet, um dieselben Komponenten zu bezeichnen, und diese Komponenten werden hier nicht nochmals beschrieben.
  • Der Unterschied zwischen 1 und 2 ist, dass die Anordnung mit zwei Ventilatoren 7, 15 von 1 mit ihren zugehörigen Gas- und Luftströmen und den Steuerungssystemen durch einen einzigen Ventilator 20 ersetzt worden ist, der einen einzigen Luftstrom 21 erzeugt. Dieser einzige Luftstrom wird mittels eines Verteilerventils 22 in zwei Ströme geteilt, dessen Betrieb gemäß den Anforderungen der beiden Brenner 3, 11 mittels eines Servo-Motors gesteuert wird. Die Gasströme 23, 24 werden den entsprechenden Zweigen des geteilten Luftstroms zugeführt und mittels der Ventile 6, 14 gemäß den Erfordernissen der Brenner gesteuert. Alternativ könnte das Gas stromaufwärts des Verteilerventils 22 in den Strom zugeführt werden.
  • Wenn der Sensor 18 analog zu 1 anzeigt, dass die Temperatur des Wassers über einen Schwellenwert ansteigt, kann der Flügel im Verteilerventil 22 in 2 im Gegenuhrzeigersinn gedreht werden, um einen Luftstrom zum zusätzlichen Brenner 11 zu erlauben. Der zusätzliche Brenner bleibt inaktiv, wobei er einen Strom von kühler Luft durch den Wärmetauscher 8 vorsieht. Dies sieht dieselbe Wirkung wie die in 1 gezeigte Anordnung vor, benötigt jedoch weniger Komponenten.

Claims (4)

  1. Kombinierte Heiz- und Leistungseinheit für den Haushalt, umfassend: einen Stirling-Motor (1) mit einem Brenner (3), um Wärmeenergie in den Motorkopf einzuleiten, um ein hin- und herbewegbares Glied anzutreiben, wobei das hin- und herbewegbare Glied über einen Wechselstromgenerator eine Abgabe elektrischer Leistung erzeugt; einen Wärmetauscher (8), in welchem Fluid aus Abgasen vom Brenner Wärme empfängt; eine zusätzliche Heizvorrichtung (11), um das Fluid im Wärmetauscher zu erwärmen; und einen Ventilator (15), um einen Strom von heißem Gas von der zusätzlichen Heizvorrichtung durch den Wärmetauscher zu generieren; gekennzeichnet durch eine Steuerungseinheit, die es erfasst, wenn die vom Stirling-Motor generierte Wärme einen vorbestimmten Bedarf überschreitet, und die den Ventilator betätigt, ohne die zusätzliche Heizvorrichtung zu betätigen, um einen Strom von ungewärmter Luft durch den Wärmetauscher zu generieren.
  2. Einheit gemäß Anspruch 1, bei welcher der Ventilator zusätzlich einen Luftstrom zum Stirling-Motorbrenner generiert und bei welcher ein Verteilerventil (22) vorgesehen ist, um die Luftmenge zu steuern, welche dem Stirling-Motorbrenner und der zusätzlichen Heizvorrichtung zugeführt wird.
  3. Einheit gemäß Anspruch 1, bei welcher ein zweiter Ventilator (7) einen Luftstrom zum Stirling-Motorbrenner vorsieht.
  4. Einheit gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Steuerungseinheit Teil eines Steuerungssystems für den Motor ist.
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