EP2894322A1 - Kraft-Wärme-Kopplungssystem - Google Patents

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Publication number
EP2894322A1
EP2894322A1 EP15150270.5A EP15150270A EP2894322A1 EP 2894322 A1 EP2894322 A1 EP 2894322A1 EP 15150270 A EP15150270 A EP 15150270A EP 2894322 A1 EP2894322 A1 EP 2894322A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
thermal energy
heat
face
components
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15150270.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kai Pecka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP2894322A1 publication Critical patent/EP2894322A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D18/00—Small-scale combined heat and power [CHP] generation systems specially adapted for domestic heating, space heating or domestic hot-water supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/30—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders
    • F02G2243/50—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders having resonance tubes
    • F02G2243/54—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders having resonance tubes thermo-acoustic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2101/00—Electric generators of small-scale CHP systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2103/00—Thermal aspects of small-scale CHP systems
    • F24D2103/10—Small-scale CHP systems characterised by their heat recovery units
    • F24D2103/13—Small-scale CHP systems characterised by their heat recovery units characterised by their heat exchangers

Definitions

  • the invention relates to a combined heat and power system based on the principle of thermoacoustics
  • the object of the invention is to provide an alternative cogeneration system with high electrical efficiency and high overall efficiency, no or few moving parts.
  • the solution has the advantage of high electrical efficiency and high overall efficiency, no moving parts (except for mechanical coupling), no maintenance, compact design with high power density and high modulation bandwidth.
  • thermoacoustic motor which is characterized in particular by the fact that for driving thermal energy at one or more end face of one or more regenerator (s) introduced and applied thermal energy to one or more other face of the same regenerator consists of peripheral components for fuel and air supply, components for heat extraction and heat input, components for combustion of fuel, components for media transport, components for connection to existing media, pipes and connections, components for control technology and control technology of the system, components for connection, a or multiple housings and thermal insulation components.
  • thermoacoustic engine works on the principle of thermoacoustics. About the Termpaturgradienten within the regenerator, the increase in the amplitude of an acoustic wave caused by the system takes place in a pressurized medium in a closed cycle. This acoustic wave is then transferred by a vibrated component first in mechanical and then in electrical energy.
  • a linear generator, piezoelectric crystals or a crankshaft generator can be used.
  • a burner - this may, for example, a premix burner or diffusion burner with or without recuperation, with or without carburetor - is a fuel and air - this can also be a medium with a percentage of oxygen be burned, the heat in a heat exchanger on the front side ( n) one or more regenerators is transmitted.
  • the exhaust gas is further cooled either to preheat the fuel and / or the air or in a downstream exhaust gas heat exchanger.
  • the heat removal is also carried out by a heat exchanger to one or more end faces of the / the regenerator (s), wherein a medium in direct and / or counter and / or cross current receives thermal energy counter to the acoustic wave.
  • the medium is conveyed by a device for transporting media and either transferred in a heat exchanger to the rooms to be heated and / or stored in a memory and / or passed into other heat exchangers of the same or other apparatuses.
  • a control and regulating device regulates burner power, generator, media transport for setting various operating settings.
  • the amplitude of the acoustic wave is reduced.
  • the amplitude of the acoustic wave is reduced.
  • the impedance of the generator the property of the acoustic wave (frequency and amplitude), as well as the electrical output (frequency, voltage and current) can be changed.
  • the electrical power for supplying loads is brought to a predetermined voltage level (eg AC for households in Germany 230V with 50 Hz).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einem thermoakustischen Motor. Zum Antrieb wird thermische Energie an einer oder mehreren Stirnfläche von einem oder mehreren Regeneratoren eingebracht und an einer oder mehreren anderen Stirnfläche desselben Regenerators thermische Energie ausgebracht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem basierend auf dem Prinzip der Thermoakustik
  • Stand der Technik sind Kraft-Wärme-Kopplungssysteme mit Otto-, Stirling-, Rankine-, Diesel-, Wankelmotor oder Brennstoffzelle oder Turbine.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines alternativen Kraft-Wärme-Kopplungssystems mit hoher elektrische Effizienz sowie hoher Gesamteffizienz, keinen oder wenigen bewegten Teilen.
  • Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.
  • Die Lösung hat den Vorteil einer hohen elektrischen Effizienz sowie hohen Gesamteffizienz, keiner Bewegten Teile (bis auf mechanische Auskopplung), keiner Wartung, kompaktem Aufbau mit hoher Leistungsdichte und hoher Modulationsbandbreite.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Figur detailliert erläutert.
  • Ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem bestehend aus einem thermoakustischen Motor, welcher sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass zum Antrieb thermische Energie an einer oder mehreren Stirnfläche eines oder mehreren Regenerators(en) eingebracht und an einer oder mehreren anderen Stirnfläche desselben Regenerators thermische Energie ausgebracht wird, besteht aus Peripheriekomponenten zur Brennstoff und Luftversorgung, Komponenten zur Wärmeauskopplung und Wärmeeinkopplung, Komponenten zur Verbrennung von Brennstoff, Komponenten zum Medientransport, Komponenten zum Anschluss an vorhandene Medien, Rohre und Anschlüsse, Komponenten zur Regelungstechnik und Steuerungstechnik des Systems, Komponenten zur Verbindung, ein oder mehrere Gehäuse sowie Komponenten zur Wärmeisolierung.
  • Der Thermoakustische Motor arbeitet nach dem Prinzip der Thermoakustik. Über den Termpaturgradienten innerhalb des Regenerators erfolgt die Erhöhung der Amplitude einer durch das System bedingten akustischen Welle in einem mit druckbeaufschlagten Mediums in einem geschlossenen Kreisprozess. Diese akustische Welle wird anschließend durch ein in Schwingung versetztes Bauteil zunächst in mechanische und anschließend in elektrische Energie transferiert. Dazu kann beispielsweise ein Lineargenerator, Piezokristalle oder ein Kurbelwellengenerator genutzt werden.
  • Mit einem Brenner - dies kann beispielsweise ein Vormischbrenner oder Diffusionsbrenner mit oder ohne Rekuperation, mit oder ohne Vergaser - wird ein Brennstoff und Luft - dies kann auch ein Medium mit einem Sauerstoffanteil sein- verbrannt, wobei die entstehende Wärme in einem Wärmeübertrager auf die Stirnseite(n) eines oder mehrerer Regeneratoren übertragen wird. Das Abgas wird entweder zur Vorwärmung des Brennstoffs und / oder der Luft oder in einem nachgeschalteten Abgaswärmeübertrager weiter gekühlt. Der Wärmeaustrag erfolgt ebenfalls durch einen Wärmeübertrager an ein oder mehreren Stirnflächen des/der Regenerators(en), wobei ein Medium im Gleich- und/oder Gegen- und/oder Kreuzstrom entgegen zur akustischen Welle thermische Energie aufnimmt. Anschließend wird das Medium durch eine Einrichtung zur Medientransport weiter befördert und entweder in einem Wärmeübertrager auf die zu beheizenden Räume übertragen und/oder in einem Speicher bevorratet und/oder in weitere Wärmeübertrager desselben oder anderer Apparate geleitet. Dabei können Ventile und Einrichtung zur Verteilung und Zusammenführung unterschiedlicher Medienströme beinhaltet sein. Eine Regelung- und Steuerungseinrichtung regelt Brennerleistung, Generator, Medientransport zum Einstellen verschiedener Betriebseinstellungen. Durch Verringerung der Brennstoffbelastung wird die Amplitude der akustischen Welle verringert. Durch Erhöhung der Brennstoffbelastung wird die Amplitude der akustischen Welle verringert. Mit der Impendanz des Generators kann die Eigenschaft der akustischen Welle (Frequenz und Amplitude), sowie die elektrische Abgabe (Frequenz, Spannung und Stromstärke) verändert werden. In einem Wechselrichter oder Gleichrichter wird die elektrische Leistung zur Versorgung von Lasten auf ein vorgegebenes Spannungsniveau (zB. Wechselstrom für Haushalte in Deutschland 230V mit 50Hz) gebracht.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Thermoakustischer Motor
    2
    Regenerator
    3
    Wärmeübertrager zur Wärmeabnahme
    4
    Wärmeübertrager zum Wärmeeintrag
    5
    mechanische Energieauskopplung
    6
    Verbindung
    7
    Brenner
    8
    Gas
    9
    Luft (oder anderes Medium mit Sauerstoffanteil)
    10
    Rücklauf
    11
    Vorlauf
    12
    Abgas

Claims (1)

  1. Kraft-Wärme-Kopplungssystem umfassend einen thermoakustischen Motor dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb thermische Energie an einer oder mehreren Stirnfläche von einem oder mehreren Regeneratoren eingebracht und an einer oder mehreren anderen Stirnfläche desselben Regenerators thermische Energie ausgebracht wird.
EP15150270.5A 2014-01-10 2015-01-07 Kraft-Wärme-Kopplungssystem Withdrawn EP2894322A1 (de)

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DE102014200334 2014-01-10

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EP2894322A1 true EP2894322A1 (de) 2015-07-15

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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1069383A2 (de) * 1999-07-14 2001-01-17 Robert Bosch Gmbh Warmwasserspeicher
DE19960966A1 (de) * 1999-12-17 2001-07-05 Bosch Gmbh Robert Thermoakustische Maschine und Verwendung derselben in einem Kraftfahrzeug
US20030192323A1 (en) * 2002-04-10 2003-10-16 Poese Mathew E. Compliant enclosure for thermoacoustic device
US20040093865A1 (en) * 2002-03-13 2004-05-20 Weiland Nathan Thomas Traveling-wave thermoacoustic engines with internal combustion
US20110252811A1 (en) * 2010-04-20 2011-10-20 King Abdul Aziz City For Science And Technology Travelling wave thermoacoustic piezoelectric system for generating electrical energy from heat energy

Patent Citations (5)

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