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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Blockheizsystem
für die
Versorgung mit elektrischem Strom, Raumwärme (SH) und Haushaltswarmwasser
(DHW) und insbesondere auf ein kleineres Rankine-Blockheizsystem, das mit einem Spiral-Expander
und einem organischen Arbeitsfluid arbeitet, siehe z.B. WO-A-01/055561.
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Das
Konzept eines Blockheizsystems oder eines Systems zur kombinierten
Wärme-
und Krafterzeugung (CHP) ist bereits seit einiger Zeit bekannt als
ein Weg zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades in Energieerzeugungssystemen.
Bei einem typischen CHP-System sind es Wärme (gewöhnlich in Form von heißer Luft
oder heißem
Wasser) und Elektrizität,
die als die beiden Formen von Energie erzeugt werden. In einem solchen
System kann die von einem Verbrennungsprozess erzeugte Wärme einen elektrischen
Generator antreiben und auch Wasser aufheizen, wobei dieses häufig in
Dampf zur Beheizung von Gebäuden
oder für
Prozesswärme
umgewandelt wird. Neueste CHP-Systeme sind verhältnismäßig groß aufgebaut und erzeugen Wärme und
Energie in Form von Strom für
entweder eine große
Anzahl von Verbrauchern oder große industrielle Konzerne. Bisher
war es aus ökonomischen
Gründen nicht
möglich,
solche Anlagen für
die Benutzung durch einzelne oder wenige Verbraucher zu verkleinern.
Die angestiegenen Brennstoffkosten haben jedoch die Vorteile von
zentral erzeugter Energie gemindert. Aus diesem Grunde besteht ein
großes Marktpotential
für große Stückzahlen
verhältnismäßig autonomer,
nutzernaher Erzeuger von Wärme und
Elektrizität.
In älteren,
bestehenden Wärmetransportsystemen,
zum Beispiel solche, in denen Fluid führende Rohrsysteme vorhanden
sind, kann die Anwendung eines solchen Systems nach dem CHP-Prinzip
besonders vorteilhaft sein, da es nicht erforderlich ist, den Gebäudeaufbau
durch Einsetzen eines neuen Rohrsystems zu beeinträchtigen.
Auf ähnliche
Weise kann die Vielseitigkeit eines CHP-Systems die strukturelle
Redundanz reduzieren.
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Der
Markt für örtliche
Wärmeerzeugung
in Europa und im Vereinigten Königreich
(UK) sowie in gewissen Teilen der Vereinigten Staaten erfordert, dass
eine ein zelne Einheit für
Einfamilienhäuser
und kleine Geschäftsgebäude Wärme sowohl
für die Raumheizung
(wie für
ein Warmwassersystem mit Radiator) als auch für Haushaltswarmwasser (wie
für eine
Dusche oder einen Zapfhahn an einem Waschbecken oder einer Badewanne)
als Anforderungs- oder Sofortliefersystem zur Verfügung hält. Es werden
gelegentlich existierende Kombinationen benutzt, bei denen die Wärme für die Warmwasserversorgung
in einem Kombinationssystem aus einem Speichertank und einer Boilerschleife
zugeführt
wird. Bei einer Lösung
zirkuliert das Raumheizwasser durch die Boilerschleife, die als
Heizelement für
das Wasser im Speichertank dient. Da zur sofortigen Warmwasserversorgung
von einer oder mehreren Duschen in einem Einfamilienhaushalt (z.B.
ein Einzelhaus oder eine große
Wohnung) eine Speicherkapazität
von etwa 120 bis 180 Litern (etwa 30 bis 50 Galonen) erforderlich
ist, muss der Speichertank verhältnismäßig groß sein muß, und zwar
in vielen Fällen
zu groß,
um thermische Anforderungen von bis zu 25 kW (kWt)
für das
gespeicherte Wasser und damit den Spitzenbedarf einer Dusche, zu
erfüllen.
In neueren und kleineren Häusern
ist jedoch häufig
nicht genügend
Raum für
ein solches Speichertankvolumen vorhanden. Zusätzlich zu dem Erfordernis einer kurzzeitigen
Warmwasserkapazität
von bis zu 25 kWt sind in der kalten Jahreszeit
bis zu 10 kWt für die Raumheizung erforderlich,
um ein Gebäude
mittlerer Größe zu beheizen.
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Auch
wenn aus Raumgründen
Systeme mit Raumheizung und Warmwasserversorgung in einem einzigen
Heizsystem vorgesehen sind, wird das CHP-Prinzip nicht angewendet.
In dem gegebenen Beispiel ist anzunehmen, dass der elektrische Leistungsbedarf
bei einem Heizbedarf von 35 kWt zwischen
3 und 5 Kilowatt (kWe) liegt. Bisher war
es üblich,
zur Bereitstellung der beiden Energieformen, wie vorher diskutiert,
ein großes
zentrales Elektrizitätswerk
zu haben, das die Elektrizität
in einem gemeinsamen Netz für
Tausende oder sogar Millionen von Nutzern zur Verfügung stellt,
wobei die Produktion von Wärme
und Warmwasser in der Nähe
des Endabnehmers oder auf individueller oder Kleingruppen-Basis erfolgte. Bei
dieser traditionellen Vorgehensweise hat der Endverbraucher nur
einen geringen Einfluss auf die Kosten der Energieerzeugung, weil
solche Kosten von den vorhandenen Tarifen und den Bedürfnissen
anderer Verbraucher abhängen,
er zahlt darüber
hinaus aufgrund des inhärenten schlechten
Wirkungsgrades eines solchen Systems mehr Geld, das nicht die Synergien
zulässt, die
Abfallwärme
bieten, um entweder zusätzliche
Elektrizität
oder Wärme
zu erzeugen.
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Große Blockheizsysteme
(im Bereich von Megawatt oder mehr) sind, obwohl sie eine Reduzierung
der erwähnten
schlechten Wirkungsgrade von zentralen Energieerzeugungssystemen
vermeiden, nicht geeignet, um auf kleiner Basis (unter wenigen Hundert
kW) Wärme
und Strom zu erzeugen, besonders im Bereich von wenigen kWe und darunter (Mikrosysteme) bis zu einigen
Dutzend kWe (Minisysteme). Dies liegt in
erster Linie daran, dass große
Antriebssysteme nicht beliebig verkleinert werden können, da
ein vernünftiger
elektrischer Wirkungsgrad häufig
nur mit lastabhängigen
variablen Systemen, engeren Maßtoleranzen
der Hauptkomponenten und den damit verbundenen hohen Kapitalkosten
erreicht werden können.
Stellvertretend in dieser Klasse sind Gasturbinen, die bei kleiner
Größe teuer
sind, wobei der Wirkungsgrad darunter leidet, wenn sie unter variablen
elektrischen Lastanforderungen arbeiten. Anordnungen, die den Wirkungsgrad
erhöhen,
wie Wiedergewinnungssysteme, neigen dazu, die in den Warmwasser- oder Raumheizungsschleifen
verfügbare
Wärme zu
reduzieren, so dass die Benutzung auf Fälle mit hohem Wärme/Strom-Verhältnis (QP-Verhältnis) beschränkt ist.
Eine Unterklasse der Antriebe mit Gasturbinen ist die Mikroturbine,
die einen Hochgeschwindigkeits-Generator aufweist, der an einer
Leistungselektronik angeschlossen ist, und die eine mögliche Lösung von
Blockheizsystemen kleiner Größe darstellt.
Andere Nachteile von großen Blockheizsystemen
bestehen in der begrenzten Lebensdauer, was zu hohen Wartungskosten
führt.
Diese Klasse schließt
Antriebe mit konventionellen Verbrennungsmaschinen ein, bei denen
Lärm, Abgase, Schmieröl- und Zündkerzenwechsel
sowie die damit verbundenen Wartungs- und Verpackungserfordernisse
solche Anlagen in Wohnhäusern
oder kleineren Geschäftsgebäuden nicht
wünschenswert
erscheinen lassen. Diese Klasse von Antriebsmaschinen schließt auch
nicht eine ausreichende Menge von Wärme für Situationen ein, die ein
hohes Wärme/Strom-Verhältnis (Q/P-Verhältnis) erfordern,
wie es in einem Einfamilienhaushalt zu erwarten ist. Andere Antriebskonfigurationen
wie Dampfturbinen, die im allgemeinen ein hohes Q/P-Verhältnis erfordern, sind
sogar noch weniger geeignet, Schwankungen im Elektrizitätsbedarf
zu verkraften als Gasturbinen. Zusätzlich bedeutet die Dampfantriebslösung einen langsamen
Systemanlauf und hohe anfängliche
Systemkosten, was bei kleinen Anlagen nachteilig ist.
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Im
Hinblick auf diese Grenzen des Standes der Technik haben die Erfinder
der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass ein autonomes System
gebraucht wird, bei dem Elektrizitätserzeugung und Wärmeerzeugung
in einem dezentralen Kraftwerk integriert sind, das kompakt und
effizient ist und einen vertretbaren Aufwand erfordert.
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Diese
Anforderungen werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, in
der ein neues Mikro-Blockheizsystem beschrieben wird. In dem Mikro-Blockheizsystem
liefert eine kompakte Antriebsmaschine sowohl elektrische Ausgangsleistung durch
einen mit einer Wärmequelle
gekoppelten Generator als auch Wärmeausgangsleistung
zur Lieferung warmer Luft und von Warmwasser in Gebäuden. Ein
Mikro-Blockheizsystem unterscheidet sich von einem traditionellen
Blockheizsystem in der Größe: bei
dem Blockheizsystem ist die elektrische Ausgangsleistung verhältnismäßig niedrig,
nämlich
im niedrigen kWe-Bereich oder sogar darunter.
Das System der vorliegenden Erfindung hat ein schnelles Ansprechverhalten
auf Warmwasseranforderungen, da die zur Speicherung von Wasser erforderliche
Tankgröße deutlich
reduziert ist oder sogar entfallen kann. Die Größe des beschriebenen Mikro-Blockheizsystems
kann dem einzelnen Benutzer angepasst werden, z.B. kann ein System
für einen
Einfamilienhaushalt ausgelegt werden zur Erzeugung von etwa 3 bis 5
kWe, 10 kWt Raumheizung
und 25 kWt Warmwasser. Für kleine kommerzielle Anwendungen
oder für Mehrfamilienhäuser (wie
eine Gruppe von Wohnungseinheiten) kann das System entsprechend
vergrößert werden.
Das Wärme/Strom-Verhältnis (Q/P-Verhältnis) ist
ein wichtiger Parameter beim Entwurf des Systems. Für die meisten
Wohnhäuser und
kleinen Geschäftshäuser ist
ein Q/P-Verhältnis im
Bereich von 7:1 bis 11:1 zu bevorzugen, da wesentlich kleinere Verhältnisse
zu einer nutzlosen Elektrizitätserzeugung
führen,
und wesentlich größere Verhältnisse
für viele
Fälle unpraktisch
sind, ausgenommen für
kaltes Klima (wo das Erfordernis der Heizung konstant und nicht
saisonabhängig
ist). Da die Erzeugung von Elektrizität (durch z.B. einen Generator
oder eine Brennstoffzelle) ein Nebenprodukt des Wärmeerzeugungsprozesses
einer Antriebsmaschine ist, wird kein zusätzliches Kohlendioxid und keine
damit verbundene atmosphärische
Verschmutzung erzeugt, so dass das System gemäß der vorliegenden Erfindung
strikteren Emissionskontrollanforderungen entspricht.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Blockheizsystem
vorgeschlagen. Das Blockheizsystem enthält ein organisches Arbeitsfluid,
eine Wärmequelle,
die in der Lage ist, das organische Arbeitsfluid zu überhitzen,
einen ersten Arbeitskreis zum Transportieren des organischen Arbeitsfluids
und einen Generator zum Erzeugen von Elektrizität. Mindestens ein Teil des
ersten Arbeitskreises, der einen Spiral-Expander, einen Kondensator
und eine Pumpe enthält,
steht in thermischer Verbindung mit der Wärmequelle. Die Pumpe zirkuliert das
organische Arbeitsfluid durch den ersten Arbeitskreis. Vorzugsweise
ist die Wärmequelle
ein Brenner, der derart in thermischer Verbindung mit einem Verdampfer
steht, dass die durch den Brenner gelieferte Wärme das organische Arbeitsfluid überhitzt,
wenn es durch den Verdampfer strömt.
Im vorliegenden Kontext bedeutet der Ausdruck „thermische Verbindung" in weitem Maße alle
Fälle von
thermischen Wechselbeziehungen aufgrund der Kopplung zwischen Systemkomponenten,
während
der engere Ausdruck „Wärmeaustauschverbindung" (wie nachfolgend
beschrieben) die speziellere Beziehung zwischen direkten, nebeneinander
liegenden Wärmeaustauschkomponenten
bezeichnet, die speziell für diesen
Zweck konstruiert sind. Aufgrund der Natur des organischen Arbeitsfluids
verbleibt dieses, bevor es in den Spiral-Expander eintritt und bis
nach seinem Austritt, im überhitzten
Zustand. Die hohe Dampfdichte und die guten Wärmeübertragungseigenschaften des überhitzten
organischen Arbeitsfluids stellen sicher, dass aus dem Fluid die
maximale Wärme
und Leistung extrahiert werden können,
ohne einen großen
Expander benutzen zu müssen.
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Das
Blockheizsystem kann so ausgebildet sein, dass das organische Arbeitsfluid
direkt oder indirekt beheizt wird. Im ersten Fall ist die Beziehung zwischen
dem Brenner und dem das organische Arbeitsfluid enthaltenden Verdampfer
derart, dass die Flamme des Verbrennungsprozesses im Brenner direkt
auf die das Fluid führende
Rohr oder einen Behälter
(auch als Brennkammer bezeichnet) auftrifft, welcher Behälter zumindest
einen Teil des das organische Arbeitsfluid führenden Leitungssystems enthält, derart,
dass ein Teil des Leitungssystems, in dem das organische Arbeitsfluid überhitzt
wird, als Verdampfer betrachtet wird. Im zweiten Fall gibt die Flamme
im Verbrennungsprozess des Brenners einen Teil ihrer Wärme an eine
Leitung ab, die einen Sekundärkreis
bildet, der wiederum ein Wärmeübertragungsfluid
zu einem Zwischenschleifen-Wärmetauscher
transportiert. Das Wärmetauscherfluid
kann Wasser, eine Mischung aus Wasser und einem Frostschutzzusatz
(wie Propylenglykol) oder ein organisches Fluid sein, wie das des
organischen Arbeitsfluids des ersten Arbeitskreises. Die erste Schleife
des Zwischenschleifen-Wärmetauschers
ist fluidmäßig mit
dem das organische Arbeitsfluid führenden ersten Arbeitskreis
verbunden, während
die zweite Schleife fluidmäßig mit
dem das Wärmetauscherfluid führenden
zweiten Arbeitskreis verbunden ist. Vorzugsweise ist der Zwischenkreis-Wärmetauscher zwischen
der Pumpe und dem Spiral-Expander des ersten Arbeitskreises angeordnet,
so dass er als Verdampfer für
das organische Arbeitsfluid wirkt. Die letztere Ausbildung kann
auch eine Vorheizvorrichtung für
eine Raumheizungsschleife enthalten, die in Wärmeaustauschverbindung mit
dem Kondensator der zweiten Schleife steht, so dass ein Teil der
in dem Wärmetauscherfluid
nach der Abgabe eines Teiles seiner Wärme an das organische Arbeitsfluid
in dem Zwischenschleifen-Wärmetauscher
noch vorhandenen Wärme
dazu verwendet werden kann, ein Fluid in einer externen Raumheizungsschleife
vorzuheizen.
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Ebenso
wie bei der vorherigen Ausführung kann
der Brenner innerhalb eines Behälters
angeordnet sein. In beiden Ausbildungen kann der Behälter einen
Abgaskanal enthalten, um Verbrennungsprodukte (in erster Linie Abgas)
abzuführen,
einen Abgaslüfter
zur weiteren Verbesserung der Abfuhr und einen Abgas-Wärmetauscher, der neben (vorzugsweise
innerhalb) dem Abgaskanal angeordnet ist, um die im Abgas verbleibende
Wärme für die zusätzliche Heizung
in anderen Teilen des Blockheizsystems auszunutzen. Der Abgas-Wärmetauscher
kann darüber
hinaus eine Abgas-Rückführeinheit
enthalten, um zusätzlich
die Wärmeübertragung
vom Abgas zu verbessern. In der ersten Ausbildung kann die durch
den Abgas-Wärmetauscher
aufgenommene Wärme
verschiedenen Stellen innerhalb entweder des ersten Arbeitskreises
oder der Raumheizschleife zugeführt werden,
um eine zusätzlich
Vorheizung des organischen Arbeitsfluids bzw. des Raumheizfluids
vorzunehmen. Zusätzlich
kann jede der beiden Ausführungsformen
angepasst werden, um Wärme
mit einer externen Warmwasserschleife auszutauschen. Der Wärmeaustausch
kann außerdem
in einem Wärmetauscher
stattfinden, der ähnlich
wie der Kondensator aufgebaut ist, so dass zwei einzelne Schleifen
nebeneinander angeordnet sind, um die Übertragung von Wärme zwischen
entsprechenden durchströmenden
Fluids zu verbessern, oder er kann in einem Speichertank (wie z.B.
einem Warmwasserspeichertank) in der Weise stattfinden, dass das
darin gespeicherte Fluid (vorzugsweise Wasser) auf einer angehobenen
Temperatur gehalten wird, um eine Zufuhr von Wasser an einen Warmwasserhahn,
eine Badewanne oder eine Dusche zu ermöglichen. In dem Fall der Verwendung
eines Speichertanks kann eine zusätzliche Beheizung der Tankflüssigkeit
durch ein Heizelement erfolgen, dem vom Generator Leistung zugeführt wird.
Ist kein Tank vorhanden, kann die Wärme für die Warmwasserschleife von
einer Verbindung mit dem Kondensator des ersten Arbeitskreises (in
der Lösung
mit Direktbeheizung) genommen werden oder von dem Wärmetauscherfluid,
das (im Falle der indirekten Heizung) durch den zweiten Arbeitskreis
strömt.
Außerdem,
sowohl im Falle der Direktheizung als auch der indirekten Heizung,
kann ein überdimensionierter
oder mehrstufiger Brenner benutzt werden, wenn es erwünscht ist,
die Möglichkeit
einer Warmwasserversorgung in einem vereinfachten Niedrigkostensystem
aufrecht zu erhalten. Die sofortige Beheizung kann die Maße eines
großen Speichertanks
verringern oder ihn sogar überflüssig machen
und dennoch die Möglichkeit
schaffen, sofort verfügbares
Warmwasser bereit zu stellen, wenn dies gewünscht wird.
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Die
Arbeitsbedingungen, einschließlich
Maximaltemperatur und Maximaldruck, des ersten Arbeitskreises des
Blockheizsystems sind so ausgelegt, dass sie innerhalb des Arbeitsbereiches
des organischen Arbeitsfluids liegen. Eine Steuereinheit kann vorgesehen
sein, um, falls erforderlich, eine Änderung der Arbeitsparameter
innerhalb des Systems zu überwachen.
Schalter, Sensoren und Ventile können
in dem System vorgesehen sein, damit die Steuereinheit ihre Funktion
ausführen
kann. Um zum Beispiel den Expander vor einem Überdrehen während des Hochlaufens oder
bei Abschaltvorgängen
zu schützen
oder bei niedriger (oder gar nicht vorhandener) Netzlast, kann die
Steuereinrichtung direkt Ventile an der Betätigung blockieren oder überbrücken, um
auf diese Weise das überhitzte
organische Arbeitsfluid zu veranlassen, an dem Expander im Bypass
vorbei zu fließen.
Die Steuereinheit kann außerdem
durch den Thermostaten mit benutzerdefinierten Bedingungen integriert
werden.
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Die
Benutzung eines organischen Arbeitsfluid anstelle eines mehr verbreiteten
Fluids (wie z.B. Wasser) ist wichtig, falls ein Fluid-Transport
oder sogar eine Benutzung von Teilen des Systems unter dem Gefrierpunkt
erfolgen soll (unterhalb von 0°C
= 32°F).
Mit einem wassergefüllten
System könnten Beschädigungen
und eine Unterbrechung der Arbeitsfähigkeit nach längerem Aussetzen
durch Frost-Temperaturen auftreten. Zusätzlich hat die Benutzung eines
organischen Arbeitsfluids anstelle von Wasser den Vorteil, dass
Korrosionsprobleme aufgrund von Wasser und Sauerstoff im System
sowie Probleme, die wegen der Dimensionierung des Expanders auftreten
oder aufgrund anderer Probleme, die mit Fluids niedriger Dampfdichte
zusammen hängen,
vermieden werden. Das organische Arbeitsfluid ist vorzugsweise entweder
ein Halogencarbon-Kühlmittel
oder ein in natürlicher
Form auftretender Kohlenwasserstoff. Beispiele für die zuerst genannte Möglichkeit
enthalten R-245fa, während
Beispiele für die
zuletzt genannte Möglichkeit
einige der Alkane wie Isopentan enthalten. Andere bekannte Arbeitsfluids
und Kühlmittel
sind unabhängig
von ihren attraktiven thermodynamischen Eigenschaften aus anderen
Gründen
ausgeschlossen. Zum Beispiel ist R-11 eines aus der Klasse der Kühlmittel,
das im größten Teil
der Welt aus Umweltgründen
verbannt ist. Ähnlich
nachteilig ist R-123, obwohl umweltmäßig weniger zu beanstanden
als R-11, da es unter bestimmten Bedingungen von Mikro-Blockheizsystemen
zu Auflösungserscheinungen
neigt. Die Notwendigkeit, den Kondensator bei ausreichend hohen
Temperaturen zu betreiben, um eine nützliche Warmwasser-Raumheizung
zu ermöglichen,
und die Notwendigkeit eines ausreichenden Dampfexpansionsverhältnisses
(von 5 bis 7 oder 8) begrenzt die Verwendbarkeit von Fluids mit
sonst nützlichen
Eigenschaften. Die Notwendigkeit, eine ausreichende Dampfdichte
am Expandereinlass zu haben, hat außerdem einen direkten Einfluss
auf die Auswahl des Fluids und des Durchmessers der Spiralen der
Expander, was die Kosten der Spiral-Expander beeinflusst. Bei vielen
Fluids führt
die Kondensationstemperatur und die Notwendigkeit einer signifikanten
Expansion zu sehr hohen Einlassdrücken der Spiral-Expander (was die
Pumpleistung erhöht)
oder zu überkritischen
Zuständen am
Einlass, was zu Schwierigkeiten beim Entwurf der Verdampfer und
deren Steuerung führt.
Die gleichen Bedingungen sind wichtig, wenn andere natürliche (Kohlenwasserstoff-)
Fluide herangezogen werden. Während
Pentan, Butan und Propan zum Beispiel alle als potentielle Arbeitsfluide
betrachtet werden, haben die Erfinder herausgefunden, dass von den natürlich auftretenden
Kohlenwasserstoffen Isopentan ausgezeichnete Fluideigenschaften
für die
Anwendung in Mikro-Blockheizsystem
bietet.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Blockheizsystem
vorgeschlagen, das mit einem organischen Arbeitsfluid arbeitet.
Das System enthält
eine Wärmequelle,
einen ersten Arbeitskreis zum Transportieren des organischen Arbeitsfluids
und einen Generator; der mit einem Spiral-Expander gekoppelt ist,
um Elektrizität
zu erzeugen. Der erste Arbeitskreis enthält einen Spiral-Expander, der
dazu ausgelegt ist, das organische Arbeitsfluid zu empfangen, einen
Kondensator in Fluid-Verbindung mit dem Spiral-Expander und eine Pumpe
zum Zirkulieren des organischen Arbeitsfluids. Der erste Arbeitskreis
steht derart mit der Wärmequelle
in thermischer Verbindung, dass die von dieser übertragene Wärme das
organische Arbeitsfluid in überhitzten
Dampf verwandelt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein indirekt beheiztes
Mikro-Blockheizsystem vorgeschlagen, dass eine Wärmequelle, erste und zweite
Fluid-Zirkulationsschleifen und einen Wärmetauscher zwischen den Schleifen
enthält.
Das indirekt beheizte Mikro-Blockheizsystem hat den Vorteil einer
günstigen
Systemflexibilität
und Systemsicherheit. Mehrere Fluid-Zirkulationsschleifen sind derart vorgesehen,
dass die Wärmequelle
(z.B. ein Brenner) in einer zweiten Fluid-Zirkulationsschleife angeordnet
ist, die in thermischer Verbindung mit einer ersten Fluid-Zirkulationsschleife steht,
aber fluidmäßig von
dieser isoliert ist. Die zweite Fluid-Zirkulationsschleife enthält einen
Rohrstrang, der dazu benutzt wird, ein Wärmetauscherfluid zu transportieren.
Dieser Rohrstrang ist vorzugsweise zu einer Spule geformt und mit
Rippen versehen, um die Wärmeübertragung
zwischen der Wärmequelle
und dem Wärmetauscherfluid
zu maximieren. Mindestens eine Pumpe wird für die Zirkulation des Wärmetauscherfluids
benutzt. Die zweite Fluid-Zirkulationsschleife enthält darüber hinaus
einen parallelen Satz von Unterschleifen, von denen eine durch einen
Warmwasser-Wärmetauscher
führt,
um Wasser aus dem Wassernetz aufzuheizen, während eine andere als Vermittler
zwischen der Wärmequelle und
dem organischen Arbeitsfluid, das durch die erste Fluid-Zirkulationsschleife
fließt,
durch einen Zwischenschleifen-Wärmetauscher
führt.
Zusätzlich
dazu, dass das organische Arbeitsfluids durch den Zwischenschleifen-Wärmetauscher
geschickt wird, enthält
die erste Fluid-Zirkulationsschleife einen Spiral-Expander, der
mit einem Generator verbunden ist, einen Raumheizungs-Wärmetauscher
und eine Zirkulationspumpe. Bei der Zuführung von Wärme wird das organische Arbeitsfluid überhitzt,
dann in dem Spiral-Expander expandiert, um den Generator anzutreiben
und damit elektrische Leistung zu erzeugen. Das den Spiral-Expander
verlassende organische Arbeitsfluid, das nun einen niedrigeren Druck
hat, aber immer noch überhitzt
ist, gelangt in den Raumheizungs-Wärmetauscher, durch den ein
anderes Fluid, normalerweise Luft oder Wasser, hindurchfließt und das
durch das organische Arbeitsfluid aufgeheizt wird. Dieses Raumheizungsfluid
zirkuliert dann durch Radiatoren oder durch ähnliche Raumheizungseinheiten
eines Gebäudes.
Die Zirkulationspumpe führt das
kondensierte organische Arbeitsfluid zum Zwischenschleifen-Wärmetauscher
zurück,
wo es den Vorgang wiederholen kann.
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Es
ist wahlweise möglich,
eine Vorheizeinrichtung für
die Raumheizungsschleife in Wärmeaustauschverbindung
mit der zweiten Fluid-Zirkulationsschleife vorzusehen, und zwar
in der Art, dass eine zusätzliche
Raumheizung erfolgen kann. Zusätzlich kann,
wie bei dem vorhergehenden Aspekt der Erfindung, die Wärmequelle
einen Brenner enthalten, der innerhalb eines Brennkammer-Behälters angeordnet ist.
Der Behälter
kann einen Abgaskanal, einen Abgaslüfter und einen Abgas-Wärmetauscher
aufweisen, der neben dem Abgaskanal angeordnet ist. Der Abgas-Wärmetauscher
kann außerdem
eine Abgas-Rückführeinheit
aufweisen, um die Wärmeübertragung
vom Abgas zu verbessern. Die Restwärme, die sonst aus dem Kanal
in die Atmosphäre
abgegeben würde,
wird ausgenutzt und anderen Teilen des Systems zugeführt. Zum
Beispiel kann der Abgas-Wärmetauscher
in die erste Unterschleife der zweiten Fluid-Zirkulationsschleife
integriert werden, um eine zusätzliche
Aufheizung des Warmwasser-Wärmetauschers
zu ermöglichen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein direkt beheiztes
Blockheizsystem geschaffen worden, das dazu ausgebildet ist, ein
organisches Arbeitsfluid zirkulieren zu lassen. Das direkt beheizte
Mikro-Blockheizsystem
ist im Hinblick auf die Systemkosten und den einfachen Aufbau von
Vorteil. Das System enthält
einen Rohrstrang, der den Fließpfad
eines organischen Arbeitsfluids definiert, ein organisches Arbeitsfluid
innerhalb des Rohrstrangs, einen Verdampfer, der in dem Fließpfad des
organisches Arbeitsfluids angeordnet ist, einen Brenner in thermischer
Verbindung mit dem Verdampfer in der Weise, dass die auf den Verdampfer übertragene
Wärme das
organische Arbeitsfluid überhitzt,
einen Spiral-Expander, der in dem Fließpfad des organischen Arbeitsfluids
in der Weise angeordnet ist, dass das überhitzte organische Arbeitsfluid,
das durch den Spiral-Expander strömt, beim Austreten aus dem
Spi ral-Expander überhitzt
bleibt, einen mit dem Spiral-Expander gekuppelten Generator zur
Erzeugung von Elektrizität,
einen Kondensator und eine Pumpe, die in dem Fließpfad des
organischen Arbeitsfluids zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer
angeordnet ist. Der Kondensator enthält eine Primärschleife,
die in dem Fließpfad
des organischen Arbeitsfluids in der Weise angeordnet ist, dass
die Primärschleife
in Fluidverbindung mit dem Spiral-Expander steht, während eine
Sekundärschleife
in Wärmeaustauschverbindung
mit der Primärschleife
steht. Die Sekundärschleife
ist so ausgebildet, dass sie mindestens einen Teil der Wärme überträgt, die
in dem organischen Arbeitsfluid enthalten ist, das durch die Primärschleife
zu einer externen Schleife, wie einer Raumheizeinrichtung, fließt.
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Zusätzlich kann
das direkt beheizte Mikro-Blockheizsystem eine Steuereinheit, Ventile,
eine Brennkammer und Abgasmerkmale enthalten, die ähnlich den
vorherigen Aspekten sind. Ebenso kann wie bei den bereits beschriebenen
Aspekten das organische Arbeitsfluid vorzugsweise entweder ein natürlich vorkommender
Kohlenwasserstoff (wie Isopentan) oder ein Halogencarbon-Kühlmittel
sein wie zum Beispiel R-245fa. Darüber hinaus kann die Wärmequelle,
die ein Brenner sein kann, überdimensioniert
ausgelegt sein, um zusätzliche
Wärme bei
Variationen des Systems zur Verfügung
stellen zu können,
wenn kein Speichertank für
die Warmwasserversorgung vorgesehen ist. In diesem Fall kann der Brenner
entweder größer oder
mehrstufig sein, so dass jede Stufe einem besonderen Teil der externen Heizkreise
zugeordnet ist, wie zum Beispiel den Raumheizkreisen oder den Warmwasserkreisen. Darüber hinaus
können
die externen Heizkreise mit dem Blockheizsystem in einer einzigen
Verbindung mit dem Kondensator gekoppelt werden, so dass verzweigte
Pfade entsprechend den Raumheizungskreisen und den Warmwasserkreisen
dargestellt werden können.
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Es
wird ein Blockheizsystem zur Wärme-
und Stromerzeugung gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Mikro-Blockheizsystem enthält eine
Elektrizität
erzeugende Schleife und eine Verbindung zu einer externen Heizschleife.
Die Elektrizität
erzeugende Schleife enthält
einen Brenner zum Anheben der Temperatur des organischen Arbeitsfluids
in der Weise, dass das organische Arbeitsfluid überhitzt wird, einen Spiral-Expander,
dem der überhitzte
Dampf so zugeführt wird,
dass das Arbeitsfluid auch nach dem Durchlauf im überhitzten
Zustand verbleibt, einen mit dem Spiral-Expander gekoppelten Generator
zum Erzeugen von Elektrizität,
einen Kondensator, der in Fluidverbindung mit dem Spiral-Expander
steht, und eine Pumpe zum Zirkulieren des organischen Arbeitsfluids.
Die Verbindung ist in dem Kondensator angeordnet und derart ausgebildet,
dass die externe Heizschleife in thermischer Verbindung mit dem
Kondensator steht. Die externe Heizschleife kann entweder eine Warmwasserschleife,
eine Raumheizungsschleife oder beides sein. Wie bei den bisher beschriebenen
Aspekten der Erfindung können
auf ähnliche
Weise eine Steuereinheit, eine Brennkammer und damit in Verbindung
stehende Merkmale vorgesehen sein.
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Gemäß einem
zusätzlichen
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Erzeugen von
Haushaltswarmwasser, Raumheizung und Elektrizität in Verbindung mit einem Rankine-Zyklus
mit einem organischen Arbeitsfluid geschaffen. Das System enthält einen
im wesentlichen geschlossenen Fluid-Arbeitskreis, der dazu ausgebildet
ist, das organische Arbeitsfluid durch das System zu transportieren,
einen Brenner zum Erzeugen der notwendigen Wärme zum Überhitzen des organischen Arbeitsfluids
und eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebsablaufs des Systems.
Der im wesentlichen geschlossene Fluid-Arbeitskreis wird zumindest
teilweise durch ein spulenförmiges
Rohrsystem gebildet, das als Wärmeübertragungselement
für das
organische Arbeitsfluid dient und als Komponenten einen Spiral-Expander,
einen Generator, einen Kondensator und eine Pumpe enthält. Der
Ausdruck „Rohrsystem" kann austauschbar
mit dem Ausdruck „Rohrstrang" benutzt werden und
beschreibt einen geschlossenen hohlen Behälter zum Transport von Fluiden.
Der Brenner ist in thermischer Verbindung mit dem im wesentlichen
geschlossenen Fluid-Arbeitskreis in Form des spulenförmigen Rohrsystems.
Der Spiralverdichter ist so ausgebildet, dass er das überhitzte
organische Arbeitsfluid akzeptiert. Der Kondensator ist ausgebildet,
um zumindest einen Teil der in dem organischen Arbeitsfluid verbleibenden
Wärme zu
extrahieren, nachdem das organische Arbeitsfluid den Spiral-Expander
durchlaufen hat. Die Pumpe verdichtet und zirkuliert das organische
Arbeitsfluid.
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Gemäß einem
weiteren, zusätzlichen
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein indirekt beheiztes Blockheizsystem
vorgeschlagen, das eine Wärmequelle,
ein passives Wärmeübertragungselement in
thermischer Verbindung mit der Wär mequelle,
einen ersten Arbeitskreis, einen Generator und einen zweiten Arbeitskreis
hat. Der erste Arbeitskreis ist dazu ausgebildet, ein organisches
Arbeitsfluid zu transportieren und ist neben einem Ende des passiven
Wärmeübertragungselementes
derart angeordnet, dass die von dem passiven Wärmeübertragungselement übertragene
Wärme den
Energieinhalt des organischen Arbeitsfluid erhöht. Der erste Arbeitskreis
besteht aus mindestens einem Spiral-Expander, der dazu ausgebildet
ist, das organische Arbeitsfluid zu empfangen, einem Kondensator
in Fluid-Verbindung mit dem Spiral-Expander und einer Pumpe, die
dazu ausgebildet ist, das organische Arbeitsfluid zu zirkulieren.
Der Kondensator ist ausgebildet, um mindestens einen Teil der überschüssigen Wärme, die
im organischen Arbeitsfluid enthalten ist, an eine externe Heizschleife
zu übertragen.
Wie bei den oben bereits beschriebenen Aspekten ist der Generator
mit dem Spiral-Expander gekoppelt, um Elektrizität aufgrund der Bewegung des
Spiralelementes zu erzeugen. Der zweite Arbeitskreis ist dazu ausgebildet,
ein Wärmeaustauschfluid
zu transportieren und ist neben einem Ende des passiven Wärmeübertragungselementes
derart angeordnet, dass die davon übertragene Wärme den
Energieinhalt des Wärmetauscherfluids
erhöht.
Der zweite Arbeitskreis besteht aus mindestens einer Brennkammer,
die neben der Wärmequelle
derart angeordnet ist, dass das Abgas abgeführt werden kann. Die Details
bezüglich
der Brennkammer sind ähnlich
wie die, die in Verbindung mit den bisher beschriebenen Aspekten
beschrieben wurden, mit der Ausnahme, dass ein Ende des passiven
Wärmeübertragungselementes
(das vorzugsweise ein Wärmeleitrohr
ist) innerhalb der Brennkammer angeordnet ist, so dass das Ende
die Wärme
von der Wärmequelle
absorbiert.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Blockheizsystem
vorgeschlagen, das eine Wärmequelle,
ein passives Wärmeübertragungselement
in thermischer Verbindung mit der Wärmequelle, und einen ersten
Arbeitskreis hat. Der erste Arbeitskreis ist dazu ausgebildet, ein organisches
Arbeitsfluid zu transportieren und ist neben einem Ende des passiven
Wärmeübertragungselementes
derart angeordnet, dass die von dem passiven Wärmeübertragungselement übertragene
Wärme das
organische Arbeitsfluid überhitzt.
Der erste Arbeitskreis besteht aus mindestens einem Spiral-Expander,
der dazu ausgebildet ist, das organische Arbeitsfluid zu empfangen,
einem Kondensator in Fluid-Verbindung mit dem Spiral-Expander und
einer Pumpe, die dazu ausgebil det ist, das organische Arbeitsfluid
zu zirkulieren. Ein Generator ist mit dem Spiral-Expander gekoppelt,
um Strom abhängig
von der Expansion des organischen Arbeitsfluids zu erzeugen. Der
Kondensator ist ausgebildet, um mindestens einen Teil der überschüssigen Wärme, die
im organischen Arbeitsfluid enthalten ist, an eine externe Heizschleife
zu übertragen.
Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel
ist das passive Wärmeübertragungselement
vorzugsweise ein Wärmeleitrohr,
das auf ähnliche
Weise in die Brennkammer integriert ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Erzeugen von Wärme
und elektrischer Leistung mittels eines Blockheizsystems vorgeschlagen.
Das Verfahren enthält
den Schritt der Ausbildung eines ersten Arbeitskreises zum Transportieren
eines organischen Arbeitsfluids, den Schritt der Überhitzung
des organischen Arbeitsfluids durch eine Wärmequelle, die in thermischer
Verbindung mit dem ersten Arbeitskreis steht, Expandieren des überhitzten
organischen Arbeitsfluids in einem Spiral-Expander, Antreiben eines mit
dem Spiral-Expander gekoppelten Generators, um Elektrizität zu erzeugen,
Kühlen
des organischen Arbeitsfluids in einem Kondensator derart, dass
mindestens ein Teil der Wärme
des organischen Arbeitsfluids, das den Kondensator passiert, auf
eine externe Heizschleife übertragen
wird, Benutzen mindestens eines Teils der Wärme, die auf die externe Heizschleife übertragen
wurde, um eine Raumheizung vorzunehmen, und Rückführen des organischen Arbeitsfluids,
das aus dem Kondensator kommt, zu einer Position im ersten Arbeitskreis
in der Art, dass es zusätzliche
Wärme von
der Wärmequelle
erhalten kann.
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Zusätzlich enthält das Verfahren
den Schritt, das organische Arbeitsfluid im Expansionsschritt in einem überhitzten
Zustand zu halten. Als zusätzlichen
Schritt kann das Verfahren wahlweise mindestens einen Teil der Wärme nutzen,
die zur externen Heizschleife transferiert wurde, um eine Haushalts-Warmwasserschleife
zu beheizen. Ein alternativer Satz von Schritten kann benutzt werden,
einen zweiten Arbeitskreis so zu konfigurieren, dass dieser ein
Wärmeaustauscherfluid
zu einer Warmwasserschleife transportiert, wobei die Warmwasserschleife von
der Raumheizungsschleife entkoppelt und die Raumheizungsschleife
thermisch mit dem Kondensator gekoppelt ist. Der zweite Arbeitskreis
wird durch einen Fließpfad
in Form einer Rohrschleife definiert, die in thermischer Verbindung
mit der Wärmequelle
steht. Der zweite Arbeitskreis steht in Wärmeaustauschverbindung mit
mindestens einer Warmwasserschleife wie zum Beispiel einem Wärmetauscher
oder einem Wasserspeichertank. Der zweite Arbeitskreis ist ausgebildet,
um mindestens einen Teil der Wärme,
die auf das Wärmetauscherfluid übertragen
wurde, zur Beheizung eines Fluids (z.B. Wasser) in der Warmwasserschleife
zu verwenden. Vorzugsweise wird das organische Arbeitsfluid im Überhitzungsschritt
auf etwa 5,6 bis 16,7°C
(10 bis 30°F) über seinen
Siedepunkt erhitzt und auf einen Maximaldruck von etwa 1,38 bis
3,10 MPa (200 bis 450 lbs/Zoll2 ) im Rückführschritt
(beim Pumpen) verdichtet. Zusätzlich
erzeugt der Überhitzungsschritt eine
Maximaltemperatur von etwa 121 bis 177°C (250 bis 350°F) in dem
organischen Arbeitsfluid. Darüber
hinaus wird der Expansionsschritt in der Weise durchgeführt, dass
die elektrische Ausgangsleistung des Generators bis zu 10 kW beträgt, während der Kühlschritt
derart durchgeführt
wird, dass die thermische Ausgangsleistung, die der externen Heizschleife
zugeführt
wird, bis zu 60 kW beträgt.
Die Wärmequelle
kann entweder direkt oder indirekt das organische Arbeitsfluid beheizen.
Ein zusätzlicher
Schritt kann darin bestehen, dass ein Satz von Ventilen betätigt wird,
die so ausgebildet sind, dass sie das organische Arbeitsfluid im
Bypass um den Spiral-Expander aufgrund einer voreingestellten Bedingung
herumführen;
bei dieser Bedingung kann es sich um einen Netzausfall, einen Anlaufübergang
oder einen Abschaltvorgang handeln.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Erzeugung von
Elektrizität
und Raumheizung durch die Expansion eines organischen Arbeitsfluids
im überhitzten
Zustand vorgeschlagen. Das System enthält ein organisches Arbeitsfluid,
einen Fließpfad
zum Transport des organischen Arbeitsfluids, eine in dem Fließpfad angeordnete
Brennkammer, einen in dem Fließpfad angeordneten
Spiral-Expander zum Empfangen und Abgeben des organischen Arbeitsfluids
im überhitzten
Zustand, einen mit dem Spiral-Expander gekoppelten Generator zum
Erzeugen von Elektrizität,
einen in Fluidverbindung mit dem Spiral-Expander stehenden Kondensator
und eine Pumpe zum Zirkulieren des organischen Arbeitsfluids durch
den Fließpfad.
Die Brennkammer enthält
einen Brenner, ein neben dem Brenner angeordnetes Wärmeübertragungselement
zum Transportieren des organischen Arbeitsfluids und einen Abgaskanal
zum Abführen der
durch den Brenner erzeugten Verbrennungsprodukte in die Atmosphäre. Wie
bei den vorherigen Aspekten kann die Kopplung zwischen dem Kondensator
und einer externen Heizschleife dazu benutzt werden, einen Wärmeaustausch
mit der Raumheizschleife durchzuführen. Darüber hinaus können Systemregeleinrichtungen
wie eine Steuereinheit, Schalter und Ventile vorgesehen sein, sowie
zusätzliche Wärmetauscheinrichtungen,
die an den Abgaskanal oder den Kondensator angekoppelt sind, wie
bereits in Verbindung mit den vorhergehenden Aspekten beschrieben
wurde.
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Die
folgende detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist am besten zu verstehen, wenn sie in
Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gesehen wird, in denen
gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines integrierten Mikro-Blockheizsystems
gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die eine indirekt beheizte Ausführung mit
einem Speichertank, einer Raumheizung und einer Warmwasserversorgung
zeigt;
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2 eine
schematische Darstellung eines integrierten Mikro-Blockheizsystems
mit indirekter Beheizung ohne Speichertank und sowohl mit Raumheizung
als auch mit Warmwasserversorgung;
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3 eine
schematische Darstellung eines integrierten Mikro-Blockheizsystems
mit direkter Beheizung ohne Speichertank und sowohl mit Raumheizung
als auch mit Warmwasserversorgung;
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4 eine
schematische Darstellung eines integrierten Mikro-Blockheizsystems
mit direkter Beheizung mit Speichertank und sowohl mit Raumheizung
als auch mit Warmwasserversorgung;
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5 eine
schematische Darstellung eines integrierten Mikro-Blockheizsystems
mit direkter Beheizung ohne Speichertank und mit Raumheizung;
-
6 die
Integration eines Wärmeleitrohres in
eine indirekt beheizte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der das Wesentliche ein gemeinsamer
Wärmetauscher
sowohl für
Raumheizung als auch für
Warmwasserversorgung ist;
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7 die
Integration eines Wärmeleitrohres in
eine direkt beheizte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der das Wesentliche ein gemeinsamer
Wärmetauscher
sowohl für
die Raumheizung als auch für
die Warmwasserversorgung ist;
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8 Details
eines Abgas-Wärmetauschers einschließlich Einzelheiten
einer Abgas-Rückführeinheit.
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In 1 ist
eine Ausführungsform
des Mikro-Blockheizsystems 1 gezeigt, das ein indirekt
beheiztes, Zweischleifensystem ist und einen ersten (oder primären) Arbeitskreis 100 und
einen zweiten Arbeitskreis 150 enthält. Ein Vorteil des indirekt
beheizten Systems besteht darin, dass ein Boiler (oder Verdampfer)
des ersten Arbeitskreises nicht überhitzt werden
und damit ausbrennen kann. Der erste Arbeitskreis 100 enthält einen
Expander 101, einen Kondensator 102, eine Pumpe 103 und
einen Teil eines Zwischenschleifen-Wärmetauschers 104.
Ein organisches Arbeitsfluid (wie natürlich vorkommende Kohlenwasserstoffe
oder Halogencarbon-Kühlmittel, nicht
gezeigt) zirkuliert durch die Schleife, durch den fluid-verbundenen
Expander 101, Kondensator 102, die Pumpe 103 und
einen Zwischenschleifen-Wärmetauscher 104.
Ein Rohrstrang 110 wird benutzt, die verschiedenen Komponenten
des ersten Arbeitskreises 100 zu verbinden, während die
Pumpe 103 den Druck liefert, um das organische Arbeitsfluid
dem Zwischenschleifen-Wärmetauscher 104 zuzuführen, wodurch
der erste Arbeitskreis 100 komplettiert wird. Ein Generator 105 (vorzugsweise
ein Induktionsgenerator) ist mit dem Expander 101 gekoppelt,
so dass die von dem Expander 101 ausgeübte Bewegung Elektrizität erzeugt.
Während
der Expander 101 beliebiger Art sein kann, ist er vorzugsweise
ein Spiral-Expander. Der Spiral-Expander kann konventioneller Bauart
mit einer einzigen Spirale sein, wie es Stand der Technik ist. Eine Ölpumpe 108 wird
benutzt, die Spirale zu schmieren. Das Vorhandensein von Öl verbessert
die Dichtung zwischen den ineinandergreifenden stationären und
umlaufenden Windungen, die die bogenförmigen Kammern (nicht ge zeigt)
der Spirale bilden. Ein Pegelanzeigeschalter 120 mit einem
hohen Pegel 120A und einem niedrigen Pegel 120B ist
am Ausgang des Kondensators 103 angeordnet. Eine Steuereinheit
wird benutzt, um den Systemablauf zu regeln. Sie misst Parameter
wie zum Beispiel Temperaturen des organischen Arbeitsfluids an verschiedenen
Punkten innerhalb des ersten Arbeitskreises und Pegelinformationen,
die vom Pegelanzeigeschalter 120 geliefert werden. Durch eine
geeignete Programmlogik können
Ventile (derzeit nicht gezeigt) abhängig von vorbestimmten Zuständen geöffnet und
geschlossen werden, zum Beispiel abhängig von einem elektrischen
Netzausfall. Der Generator 105 ist vorzugsweise ein Asynchrongenerator,
der somit einen einfachen Betrieb mit niedrigen Betriebskosten des
Systems 1 zulässt,
da komplexe Generatorgeschwindigkeits-Regeleinrichtungen und damit verbundene
Vernetzungen nicht erforderlich sind. Ein Asynchrongenerator liefert
jederzeit die maximal mögliche
Leistung ohne Regelung, da seine Drehmomentbedarf schnell ansteigt,
wenn der Generator 105 die Systemfrequenz überschreitet.
Der Generator 105 kann für eine kommerzielle Netzfrequenz
von 50 oder 60 Hz ausgelegt sein, während er in der Nähe von 150
oder weniger Umdrehungen pro Minute der Synchrondrehzahl (3000 oder
3600 Upm) bleibt.
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Eine
externe Heizschleife 140 (die vorzugsweise als Raumheizschleife
gezeigt ist) kann mit dem ersten Arbeitskreis 100 über Verbindungselemente (nicht
gezeigt) an den Kondensator 102 gekoppelt sein. Wahlweise
kann eine Vorheizspule 145 in die externe Heizschleife 140 derart
eingefügt
sein, dass das hindurchfließende
Wasser-Fluid (typischerweise Wasser) eine zusätzliche Temperaturerhöhung aufgrund
ihrer Wärmetauscherbeziehung
mit dem Wärmetauscherfluid
erhält,
das durch den zweiten Arbeitskreis 150 strömt (wird
nachfolgend noch im Detail beschrieben). Das hydraulische Fluid,
das durch die externe Heizschleife 140 strömt, wird
durch eine konventionelle Pumpe 141 zirkuliert und als
Raumheizung über
Radiator 148 oder eine ähnliche
Einrichtung abgegeben. Zum Beispiel kann das hydraulische Fluid
den Kondensator 102 mit etwa 50°C verlassen und mit einer niedrigen
Temperatur von nur 30°C
zurückkehren.
Die Kapazität
des Systems 1 beträgt
bis zu 60 kWt, es liegt jedoch innerhalb
des Bereiches der vorliegenden Erfindung, dass Einheiten größerer oder
kleinerer Kapazität
realisiert werden, falls erforderlich. Ein Mikro-Blockheizsystem
hat die Eigenschaft, Wärme
zusätzlich
zu Elektrizität
zu erzeugen. Überschüssige Wärme so wohl
von der Wärmequelle
als auch vom expandierten Arbeitsfluid kann externen Warmwasserschleifen
oder Raumheizschleifen zugeführt
werden. Der Wärmeaustauschprozess
wird vorzugsweise entweder in Gegenstrom-Wärmetauschern (entweder für die Warmwasserschleife
oder die Raumheizschleife oder für beide)
oder in einem konventionellen Warmwasserspeichertank (für die Warmwasserschleife)
durchgeführt.
Obgleich die Ausführungsformen
in den Figuren Wärmetauscher
für Warmwasserschleifen
und Raumheizschleifen in paralleler Anordnung zeigen (in einigen
Fällen
aus derselben Wärmetauschereinrichtung
gespeist, wie später
noch gezeigt wird), ist für
den Fachmann zu erkennen, dass innerhalb des Geistes der vorliegenden
Offenbarung serielle oder sequentielle Wärmetauscherlösungen verwendet werden
können.
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Der
zweite Arbeitskreis 150 enthält zwei parallele Unterschleifen 150A, 150B.
Wärme wird
den beiden parallelen Unterschleifen 150A und 150B durch
einen Brenner 151 zugeführt,
der mit Brennstoff aus einer Gasleitung 150 und einem variablen Gasregelventil 153 gespeist
wird. Rohrstränge 160 (die
die parallelen Unterschleifen bilden) passieren eine Brennkammer 154,
in der die Wärme
aus der Verbrennung von Brennstoff im Brenner 151 an das durch
den Rohrstrang 160 fließende Wärmetauscherfluid (nicht gezeigt)
abgegeben wird. Der Rohrstrang 160, der einen mit Rippen
versehenen Rohrabschnitt 161 innerhalb der Brennkammer 154 enthält, verzweigt
sich in die erste parallele Unterschleife 150A, die das
in der Brennkammer 154 erhitzte Wärmetauscherfluid zum Zwischenschleifen-Wärmetauscher 104 transportiert,
um die Wärme
zum Aufheizen des organischen Arbeitsfluids abzugeben, das durch
den ersten Arbeitskreis 100 fließt. Blockventile (nicht gezeigt)
könnten
verwendet werden, den Fluss zwischen den Unterschleifen zu regulieren,
durch das Leerlaufen der Pumpe in der inaktiven Unterschleife wird
jedoch ein signifikanter Fluss in der Unterschleife verhindert,
ohne dass zusätzliche Ventile
erforderlich sind. Die zweite parallele Unterschleife 150B transportiert
das Wärmetauscherfluid zum
Warmwasser-Wärmetauscher 180,
um das Haushaltswarmwasser aufzuheizen. Eine Seite des Warmwasser-Wärmetauschers 180 (der
ein Wasserspeichertank sein kann) enthält die Spule 180A,
die dazu ausgebildet ist, das Wärmetauscherfluid
zu transportieren, und auf der anderen Seite die Hülle 180B,
um das Haushaltswarmwasser (nicht gezeigt) von einem Kaltwassereinlass 191A über die
Spule 180A dem Warmwasserauslass 191B zuzuführen. Üblicherweise
kommt das Kaltwas ser entweder von einer Quelle oder einer öffentlichen
Wasserversorgung. Auf ähnliche
Weise kann der Temperatursensor 171B die Temperatur des
aus dem Warmwasser-Wärmetauscher 180 kommenden
Warmwassers messen. Der Sensor ist außerdem mit einem Regler 130 (der
später
im Detail beschrieben wird) verbunden. Die Brennkammer 154 enthält einen
Abgaskanal 155, eine Abgas-Rückführeinrichtung 160 mit
einem Abgas-Wärmetauscher 157 und
einen Lüfter 158.
Obgleich der Lüfter
vorzugsweise als Sauglüfter gezeigt
ist, ist für
den Fachmann klar, dass es auch ein Drucklüfter sein kann, wenn er an
geeigneter Stelle gegenüber
der Brennkammer 154 angeordnet ist. Temperatursensor 171A ist
am Ausgang der Brennkammer 154 für den zweiten Arbeitskreis 150 angeordnet,
um die Temperaturbedingungen des Wärmetauscherfluids zu messen,
und zwar in ähnlicher
Weise wie dies mit dem Temperatursensor 171B erfolgt. Pumpen 185A, 185B des
zweiten Arbeitskreises werden verwendet, um das Wärmetauscherfluid durch
den zweiten Arbeitskreis 150 zu zirkulieren, wobei die
Pumpe 185B das Wärmetauscherfluid durch
den Warmwasserheizer 180 zirkuliert, während die Pumpe 185A das
Wärmetauscherfluid
durch den Zwischenschleifen-Wärmetauscher 104 zirkuliert. Der
Abgas-Wärmetauscher 157 und
eine Abgas-Rückführeinrichtung
(EGR) 156 empfangen heiße Abgase vom Brenner 151 und
führen
sie in einem internen Wärmetauschprozess
zurück,
wodurch die Temperatur der Abgase gesenkt wird, bevor sie durch den
Lüfter 158 in
die Atmosphäre
abgeführt
werden. Die durch das Abgas in dem Abgas-Wärmetauscher 157 abgegebene
Wärme wird
verwendet, anderen Teilen des Systems 1 zusätzliche
Wärme zuzuführen. In
der vorliegenden Zeichnung wird diese zusätzliche Wärme dazu verwendet, die Temperatur des
Wärmetauscherfluids
zu erhöhen,
das in dem zweiten Arbeitskreis 150 fließt.
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Eine
Steuereinheit, die eine programmierbare logische Steuereinheit (PLC)
oder ein konventioneller Mikroprozessor (nicht gezeigt) sein kann,
kann verwendet werden, um die Systemsteuerung im einzelnen durchzuführen. Alle
Pumpen können
für eine variable
Drehzahl ausgebildet sein und sprechen auf Eingangssignale der Steuereinheit 130 an.
Wird ein Signal für
Wärmeanforderung
empfangen, zündet der
Brenner 151 den Brennstoff, während die geeignete Zirkulationspumpe 185B oder 185A eingeschaltet
wird. Für
die Warmwasserversorgung liefert der Schalter 190 in Verbindung
mit dem Temperatursensor 171B Eingangssignale für die Steuereinheit 130. Strömungsschalter 190 wählt den Warmwasserbetrieb,
während
der Einstellpunkt für
die Warmwasserheizung mit dem Temperatursensor 171A eingestellt wird.
Der Gasfluss des Brenners und der Strom durch die Warmwasserpumpe 185B werden
geregelt, um die gewünschte
Temperatur bei 171B zu erzielen, entsprechend der durch
den Benutzer am Warmwasserthermostaten (nicht gezeigt) voreingestellten Temperatur.
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Im
Betrieb des Systems fließt
das aufgeheizte Wärmetauscherfluid
am Sensor 171A vorbei, der in der Lage ist, der Steuereinheit 130 ein
gültiges
Signal zu geben, so dass die Zündrate
des Brenners 151 und der Fluss durch die Pumpe 185B sowohl
für einen
sicheren Betrieb als auch auf die gewünschte Ausgangsleistung eingestellt
werden können.
Beim Starten des Systems muss der Steuereinheit 130 jedoch
ein initialisierender Zustand signalisiert werden, der bis zu dem
Zeitpunkt als sicherer Betriebszustand verwendet wird, an dem das
Wärmetauscherfluid
an dem Temperatursensor 171A vorbeifließt. Es ist wünschenswert,
beim Anlauf einen minimalen Fluss des Wärmetauscherfluids zu haben,
so dass das Fluid so schnell wie möglich aufheizt. Es ist jedoch
ein gewisser Fluss notwendig, um eine lokale Überhitzung des Fluids in der
Brennkammer 154 zu vermeiden und der Steuereinheit 130 eine
Anzeige zu geben, dass der Brenner tatsächlich gezündet hat. Der Gasfluss ist
so eingestellt, dass sich die längstmögliche Laufzeit
für das
System ergibt, entsprechend der gemessenen Außentemperatur und der Änderungsrate
der Innentemperatur. Die Pumpe 185B arbeitet, um die Brennkammer 154 mit
Wärmetauscherfluid
mit einem vom Werk eingestellten Wert des Temperatursensors 171A zu
versorgen. Sobald der Temperatursensor 171A etwa 50 % des
am Thermostaten eingestellten Punktes erreicht hat, wird die Geschwindigkeit
der Pumpe 185B erhöht,
bis der Temperaturwert am Temperatursensor 171A den eingestellten
Punkt erreicht, so dass zu dieser Zeit der Brenner 151 und
die Pumpe 185B im modulierten Betrieb für konstante Werte der Temperatursensoren 171A und 171B betrieben
werden. Wenn der Fluss-Schalter 190 einen
Fluss von Null anzeigt, werden der Brenner 151 und die
Pumpe 185B abgeschaltet. Ein kleiner Ausgleichsbehälter (nicht
gezeigt) kann in dem zweiten Arbeitskreis 150 angeordnet
sein, um Differenzen der Wärmeausdehnungen bei
moderat hohen Drücken
des Wärmetauscherfluids
zu ermöglichen.
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Wenn
der Benutzer Wärme
anfordert, was durch den Raumthermostaten (nicht gezeigt) angezeigt
wird, wird der Brenner 151 mit 50 % seiner Kapazität betrieben,
um das System 1 aufzuwärmen. Die
Pumpe 185A wird mit einer Geschwindigkeit betrieben, die
mit den Strömungsanforderungen
entsprechend der anfänglichen
Brennerzündrate
und dem Ansprechverhalten des Systems zusammenpasst. Die Steuereinheit 130 spricht
auf die Anforderung des Benutzers und auf den vom Benutzer eingestellten
Punkt für
die Raumtemperatur an. Das Zünden
des Brenners 151 und der Pumpenstrom der Pumpe 185A werden
in Teilen gesteuert sowie konventionell durch die Raumtemperatur
und den eingestellten Punkt und die Außentemperatur (Sensor nicht
gezeigt) geregelt. Die Pumpe 103 des ersten Arbeitskreises
läuft schnell
genug, um den Flüssigkeitspegel
des organischen Arbeitsfluids zwischen dem niedrigen Pegel 120B und
dem hohen Pegel 120A der Schaltereinstellungen zu halten.
Die Steuereinheit 130 instruiert die Pumpe 103 zu
starten oder schneller zu laufen, wenn der Flüssigkeitspegel des organischen
Arbeitsfluids oberhalb des Pegels 120 liegt, oder anzuhalten,
wenn der Pegel unter den Pegel 120B abfällt.
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Die
Länge des
mit Rippen versehenen Rohrabschnitts 161 des Rohrstranges 160,
das sich innerhalb der Brennkammer 154 befindet, kann minimiert werden
durch sorgfältige
Auswahl der Pumpengrößen, der
Steuerpunkte und der Rohrmaße.
Unter Bezug auf 8 in Verbindung mit 1 sind
Details der EGR-Einheit
(Abgas-Rückführeinheit) 156 für das Mikro-Blockheizsystem 1 gezeigt.
Im wesentlichen funktioniert die EGR-Einheit 156 in Verbindung mit
dem Abgaskanal 155 und ist ein integraler Teil des Abgas-Wärmetauschers 157.
Der heiße
Abgasstrom wird axial durch die EGR-Einheit 156 geführt, die
vorzugsweise zwischen dem Brenner 151 und dem Abgaskanal 155 angeordnet
ist. Ein ringförmiger Rückführkanal 156B erlaubt
einen Teil des Abgases im Gegenstrom zu passieren, bis er am Einlass 156A wieder
eingelassen wird. Die Wände
der EGR-Einheit 156 werden
durch das Wärmetauscherfluid
gekühlt,
das durch den Abgas-Wärmetauscher 157 strömt, und
als Ergebnis wird das in der Einlassebene 156A rückgeführte Gas
teilweise gekühlt.
Dieser temperaturbehandelte Gasstrom, der die Ebene 156B verlässt, tritt
in die zweite Wärmeübertragungssektion
ein, die durch den gerippten Rohrabschnitt 161 des Rohrstranges
des zweiten Arbeitskreises (nicht gezeigt) definiert ist, wobei
eine zusätzliche Kühlung des
Gases stattfindet. In einer kompakteren Anordnung würde der
innere ringförmige Kanal
der EGR-Einheit 156 durch eine Anordnung von feinen Rohren
(nicht gezeigt) ersetzt, von denen jedes eine Stromdüse für das heiße Gas am
Einlassende hat. Obwohl eine solche Maßnahme eine größere Fluidmenge
erfordern würde,
was die Ansprechzeit des Systems erhöht, können bedeutende Vorteile erreicht werden,
einschließlich
der Anwendung der EGR-Einheit 156 auf einen Verdampfer,
in dem ein organisches Arbeitsfluid in der Weise verwendet wird,
dass das Fluid niemals der vollen Temperatur des Abgases ausgesetzt
wird, und die endgültige
Wärme-Rückgewinnung
wird nicht reduziert durch irgendeine Form von zusätzlicher
Rauchgasverdünnung,
insbesondere kalter Luft. Der Hauptvorteil der EGR-Einheit 156 besteht
darin, dass sie schädliche Gasnebenprodukte
(wie NOx) reduziert. Ein zusätzlicher
Vorteil der EGR-Einheit 156 besteht darin, dass die höchste Temperatur
der der gerippte Rohrabschnitt 161 ausgesetzt ist, reduziert
wird, so dass einfachere, preiswertere Komponenten verwendet werden
können,
die die gleiche Lebensdauer wie teurere Materialien erreichen.
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In 2 ist
eine alternative Ausführungsform eines
indirekt beheizten Mikro-Blockheizsystems 2 gezeigt.
Ein zweiter Arbeitskreis 250 enthält keine parallele Unterschleifen.
Stattdessen führt
eine einzige Schleife direkt von der Brennkammer 254 zum Zwischenschleifen-Wärmetauscher 204.
Warmwasserbereitung, wie sie durch die zweite Unterschleife 150B in
der Ausführungsform
nach 1 vorhanden war, ist nun in die externe Heizschleife 240 integriert. Diese
externe Schleife, die sowohl der Warmwasserversorgung als auch der
Raumbeheizung dient, kann nach der Ankopplung an den Kondensator 202 verzweigt
werden mittels Ventilen 247A, 247B, die, falls erforderlich,
die Raumheizradiatoren 248 oder den Warmwasser-Wärmetauscher 280 versorgen.
Der Warmwasser-Wärmetauscher 280 kann
entweder ein Wassertank zum Speichern von warmem Wasser sein (wie
in Verbindung mit dem vorherigen Aspekt beschrieben wurde) oder
ein Doppelstrom-Gegenstromwärmetauscher.
Nachdem das Fluid (üblicherweise
Wasser) entweder den Raumheizungs- oder Warmwasser-Wärmetauscher oder beide passiert hat,
wird es durch die Heizschleife 240 zu dem Kondensator 202 zurückgeführt, um
den Zyklus erneut zu beginnen. Vor dem Eintritt in den Kondensator 202 kann
das Fluid vorgeheizt werden, indem es thermisch den daneben liegenden
zweiten Arbeitskreis 250 in einer Vorheizeinrichtung 245 passiert.
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In
den 3 und 4 ist ein direkt beheiztes Mikro-Blockheizsystem
gezeigt. Dieses System hat den Vorteil der einfachen Konstruktion
mit entsprechend niedrigeren Kosten. In der vorliegenden Ausführungsform
hat das System 3 keinen zweiten Arbeitskreis. Der Zwischenschleifen-Wärmetauscher der
vorherigen Ausführungsform,
der als Wärmequelle
für die
ersten Arbeitskreise der vorherigen Ausführungsformen diente, wird durch
eine Brennkammer 304 ersetzt, in der die Verbrennung von Brennstoff
vom Gasanschluss 352 durch das Ventil und den Brenner 351 und
auch die Verdampfung des organischen Arbeitsfluids stattfindet.
Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen
wird das organische Arbeitsfluid überhitzt. Der Generator 305 ist
wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen
asynchron mit einer Last verbunden, vorzugsweise mit der Kundenseite
des Elektrizitätszählers des
Stromnetzes. Die auf den Spiral-Expander 301 durch das
Netz ausgeübte
Last stellt sicher, dass die mechanische Drehzahl des Spiral-Expanders 301 innerhalb
seiner strukturellen Grenzen bleibt. Blockventil 307A und Bypass-Ventil 307B sind
im Fließpfad
des organischen Arbeitsfluids angeordnet, der durch den Rohrstrang 310 (von
dem der Kanal 361 ein Teil ist) definiert ist. Diese Ventile
sprechen auf ein Signal der Steuereinheit 330 an, das anzeigt,
wenn keine Last an dem System anliegt (wie bei einem Netzausfall), so
dass der überhitzte
Dampf um den Expander im Bypass herumfließen kann, und damit ein Überdrehen
des Spiral-Expanders verhindert. In diesem Zustand wird der umgeleitete überhitzte
Dampf in den Einlass des Kondensators 302 geleitet. Unter
normalen Betriebsbedingungen, bei denen Last am System hängt, tritt
der überhitzte
Dampf in den Spiral-Expander 301 ein und bewirkt, dass
die umlaufende Spirale gegenüber
der eingreifenden festen Spirale umläuft. Sobald der überhitzte
Dampf durch Zunahme des Volumens der gekrümmten Kammern expandiert, wird die
hierdurch erzeugte Bewegung in den umlaufenden Spiralen auf den
Generator 305 übertragen,
und zwar durch eine Welle oder eine integrale Rotor-Stator-Kombination
des Spiral-Expanders 301. Abhängig von der Art des im System
verwendeten Öls
(und zwar abhängig
davon, ob das Öl
mit dem organischen Arbeitsfluid mischbar ist oder nicht), enthält der Spiral-Expander 301 vorzugsweise
eine Ölpumpe 308,
um das in der Spirale vorhandene Öl im überhitzten Dampf zu zirkulieren.
Die Arbeitsweisen des Abgaskanals 355 und des Lüfters 368 sind
denen des vorhergehenden Aspektes ähnlich, die EGR-Einheit 356 und
der Abgas-Wärmetauscher 357 erzeugen
jedoch keine zusätzliche
Wärme,
um das Wärmetauscherfluid,
das durch die zweiten Arbeitskreise 150, 250 der
vorhergehenden Ausführungsformen strömt, zu erhitzen,
sondern sie können
verwendet werden, um zusätzliche
Wärme verschiedenen
Stellen innerhalb des Systems 3 zuzuführen. Zum Beispiel kann zusätzliche
Wärme dem
organischen Arbeitsfluid zugeführt
werden, das am Punkt A aus der Pumpe 385 kommt. Auf ähnliche
Weise kann sie verwendet werden, zusätzliche Wärme an den Punkten B oder C
der externen Heizschleife 340 zuzuführen. Die genauen Orte der
Wärmeaustauschpunkte
A, B oder C werden durch die Art und die Eigenschaften des organischen
Arbeitsfluids bestimmt. Es wird bemerkt, dass der Warmwasser-Wärmetauscher 380 entweder
als konventioneller Zweistrom-Gegenstrom-Wärmetauscher
oder als Wasserspeichertank ausgebildet sein kann, wie es in Verbindung
mit den vorhergehenden Aspekten beschrieben wurde. In Fällen, wo
keiner (oder nur ein kleiner) Speichertank verwendet wird (z.B.
wenn die Raumheizung Vorrang hat), kann zusätzliche Wärmeerzeugung erforderlich sein,
um eine schnell ansprechende Warmwasserversorgung zu gewährleisten.
Eine weitere Lösung ist
die Verwendung eines größeren oder
mehrstufigen Brenners (nicht gezeigt). Dies kann zu einer schnellen
Ansprechzeit für
sofortige oder baldige Abgabe von warmem Wasser (wie für Duschen,
Bäder oder
andere Warmwasserzapfstellen) führen.
Unter Bezug insbesondere auf 4 ist eine
Variante des direkt beheizten Mikro-Blockheizsystems nach 3 gezeigt.
In diesem Fall enthält
das System speziell einen Speichertank 480. Bei dieser
Lösung
kann die Warmwasserversorgung eingeschlossen werden, ohne die Brennerkapazität zu erhöhen. Zusätzlich kann
einem Heizelement 480C des Speichertanks Energie vom Generator 405 zugeführt werden. Schließlich können die
Nachteile zwischen der Größe des Speichertanks
und der Größe oder
der Anzahl von Brennern 451 in der Weise ausgeglichen werden,
dass die Arbeitsweise und die Größenanforderungen
an das System optimiert werden.
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Unter
Bezug auf 5 ist ein direkt beheiztes Mikro-Blockheizsystem 5 gezeigt.
Dieses zeigt das einfachste System, indem es auf die ausschließliche Erzeugung
von Elektrizität
und Raumwärme
gerichtet ist. Dadurch, dass die Warmwasserversorgung nicht eingeschlossen
ist, kann ein Speichertank vermieden werden, ohne die Funktion des
Systems zu beeinträchtigen
oder die Brennerkapazität
erhöhen
zu müssen.
In anderen Aspekten ist das System denen der vorher beschriebenen
direkt beheizten Ausführungsformen ähnlich,
einschließlich
der Arbeitsweise der Wärmequellenkomponenten 551, 552, 553 und
der Abgaskompo nenten 555, 556, 557 und 558,
der Strömungspfadkomponenten 501, 502, 503, 504, 507A, 507B und 508 des
organischen Arbeitsfluids sowie des Generators 505 und
der Mess- und Steuereinrichtungen 520, 530.
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In
den 6 und 7 sind Variationen der indirekt
beheizten und direkt beheizten Blockheizsysteme der vorherigen Aspekte
gezeigt. Insbesondere in 6 ist ein passives Wärmeübertragungselement,
insbesondere in der Form eines Wärmeleitrohres 675 gezeigt,
das zwischen dem ersten Arbeitskreis 600 und dem zweiten
Arbeitskreis 650 angeordnet ist, um eine Wärmeübertragung
zwischen diesen Arbeitskreisen und der Wärmequelle durchzuführen. Insbesondere
in 7 ist ein Wärmeleitrohr 775 gezeigt,
das innerhalb des Strömungspfades
des ersten Arbeitskreises angeordnet ist, der auch einen Spiral-Expander 701,
einen Kondensator 702 und eine Pumpe 703 enthält. In jeder
der beiden Ausführungen
besteht das Wärmeleitrohr
aus einem evakuierten und abgedichteten Behälter, der eine geringe Menge
eines Arbeitsfluids enthält,
wie zum Beispiel Wasser oder Methanol. Wird ein Ende des Wärmeleitrohrs
(typischerweise als das Verdampferende bezeichnet) beheizt, so verdampft
das Arbeitsfluid schnell aufgrund des niedrigen Innendrucks des
Fluids. Der Dampf wandert zu dem entgegengesetzten Ende niedrigen
Drucks (üblicherweise
als Kondensatorende bezeichnet) und gibt seine latente Wärme ab.
Vorzugsweise erlauben Schwerkraft und Kapillarwirkung, dass das
kondensierte Fluid sich zurück zum
Verdampferende bewegt, so dass der Zyklus dann wiederholt wird.
Hat das Fluid eine große
Verdampfungswärme,
so kann eine signifikante Wärmemenge
transferiert werden, auch wenn der Temperaturunterschied zwischen
den entgegengesetzten Enden nicht groß ist. Andernfalls ist die
Arbeitsweise ähnlich
denen der vorherigen Aspekte.
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In 8 sind
Details des Abgas-Wärmetauschers 157 und
der Abgas-Rückführeinheit 156 gezeigt.
Die Brennkammer 154 (nicht maßstabsgerecht gezeichnet) enthält den größten Teil
der Wärmequelleneinrichtung,
einschließlich
des Brenners 151, um sicherzustellen, dass das Abgas und
verwandte Verbrennungsprodukte in den Abgaskanal 155 kommen, so
dass sie der Atmosphäre
zugeführt
werden können.
Ein Sauglüfter,
der an anderer Stelle gezeigt ist, kann verwendet werden, die Verbrennungsprodukte vollständig abzuführen. Die
Abgas-Rückführeinheit 156 ist
ein Kanal mit koaxial angeordneten Ringen, die die Abgase, die den
Brenner 151 durch den inneren Ringraum 156A verlassen,
und einen Teil des Gasflusses in dem äußeren Ringraum 156B zurückführen. Während der
Zeit, in der ein Teil des Gases durch den äußeren Ringraum 156B rezirkuliert,
gibt dieser einen Teil seiner Wärme
an den Abgaskanal-Wärmetauscher 157 ab,
der als gewendelter Kanal gezeigt ist. Von hier kann der gewendelte
Kanal des Wärmetauschers 157 an
anderen Orten (an anderer Stelle gezeigt) des Systems angeschlossen werden,
wo er benutzt werden kann, zusätzliche Wärme zuzuführen.
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Nachdem
die Erfindung im Detail und unter Bezug auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, wird klar, dass Änderungen und Modifikationen
möglich
sind, ohne sich vom Inhalt der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung zu
entfernen.