WO2018091128A1 - Wärmebereitstellungseinrichtung - Google Patents

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WO2018091128A1
WO2018091128A1 PCT/EP2017/001280 EP2017001280W WO2018091128A1 WO 2018091128 A1 WO2018091128 A1 WO 2018091128A1 EP 2017001280 W EP2017001280 W EP 2017001280W WO 2018091128 A1 WO2018091128 A1 WO 2018091128A1
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WO
WIPO (PCT)
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heat
circuit section
circuit
heating
supply device
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2017/001280
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerald Fast
Mathias van Beek
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Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
MTU Friedrichshafen GmbH
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle

Definitions

  • the invention relates to a heat supply device.
  • Such a heat supply device has a system for carrying out a thermodynamic cycle having a working medium circuit.
  • Heat supply device also has at least one cooling circuit section, which is adapted for integration into a coolant circuit, and also at least one heating circuit section, which is adapted for integration into a Nutz Son cycle, wherein the cooling circuit section and the heating circuit section are fluidly separated from each other.
  • These are therefore in particular separate fluid circuits which - depending on the application - can also be operated with different heat transport media, wherein due to the fluidic separation of the circuit sections no mixing of the various heat transfer media is to be feared.
  • Heat supply device can be used in particular in a combined heat and power plant application, and more generally where a mechanical and / or electrical power and heat should be provided for a customer.
  • Heat-driven block heating systems for the application of the heat supply device in question.
  • Heat supply devices of the type mentioned here are in particular with regard to the efficient integration of a coolant circuit in the overall system
  • the invention has for its object to provide a heat supply device in which the disadvantages mentioned do not occur.
  • a heat supply device of the type mentioned is in particular further developed in such a way that the cooling circuit section is thermally connected both to the working medium circuit and to the heating circuit section.
  • the cooling circuit section is thermally connected both to the working medium circuit and to the heating circuit section.
  • Heat supply device especially in view of the integration of the coolant circuit possible.
  • Heating circuit section is thermally connected via a second heat exchanger.
  • working medium of the working medium circuit and, on the other hand, coolant of the cooling circuit section, wherein the working medium and the working medium
  • Heat circuit section exchange heat.
  • the first heat exchanger in the cooling circuit section - viewed in the flow direction of the coolant - is arranged upstream of the second heat exchanger.
  • the coolant thus preferably comes into thermal contact first with the working medium and then with the heating medium.
  • the first heat exchanger in the working medium circuit - viewed in the flow direction of the working medium - arranged upstream of an evaporator and is designed as a preheater for the working medium.
  • the working fluid circuit has so far preferred - especially in the flow direction of the working medium seen in the order given - a working media conveyor, which may be designed in particular as a feed pump, the evaporator, an expansion device, and a capacitor.
  • the working fluid is conveyed through the working media conveyor to the evaporator, where it absorbs heat and is preferably evaporated.
  • the heated and preferably vaporized working fluid continues to flow to the expansion device where it is expanded while performing mechanical work on the expansion device.
  • the relaxed working fluid continues to flow to the condenser where it is cooled and preferably re-liquefied, with the cooled and preferably liquefied working fluid flowing back to the working fluid conveyor so that the working fluid circuit is closed.
  • the working media cycle is preferably set up for an organic Rankine
  • Circular process Order to Price (Organic Rankine Cycle - ORC).
  • the working medium for example, ethanol, an ethanol-water mixture, or other organic working medium, for example, a fluorohydrocarbon or a chlorofluorohydrocarbon may be used.
  • a coolant and / or as a heating medium preferably water - optionally with additives - are used.
  • the first heat exchanger which is designed as a preheater for the working medium, is now preferably arranged in particular fluidically between the working media conveyor on the one hand and the evaporator on the other hand, so that the working fluid flows from the working media conveyor initially through the first heat exchanger, where it is preheated , where it then flows through the evaporator.
  • the first heat exchanger which is designed as a preheater for the working medium
  • the coolant can deliver heat to the working fluid, so that the coolant is cooled, the heat in the working fluid circuit is useful for performing the thermodynamic cycle.
  • the heating circuit section is preferably provided that the heating circuit section
  • Working medium is connected in the condenser by means of the heating circuit through the operating medium flowing through the heating medium.
  • the heating circuit section is so in particular registered condensation heat of the working medium, which is obtained in the condenser, which is cooled by the heating medium of the heating circuit section.
  • this heat of condensation can be used in the Nutz Son cycle as useful heat.
  • the working medium in the condenser is cooled exclusively by the heating medium.
  • the second heat exchanger in the heating circuit section - viewed in the flow direction of the heating medium - arranged upstream of the condenser and is designed to preheat the heating medium prior to its entry into the condenser.
  • the coolant flowing in the cooling circuit section can release heat to the heating medium flowing in the heating circuit section and preheat the same before it enters the condenser.
  • the coolant is cooled while the waste heat is supplied as useful heat to the heating circuit section and thus the useful heat cycle.
  • the first heat exchanger is preferably along the
  • an emergency cooling device may be provided.
  • the first heat exchanger is designed as a condenser in the working medium circuit.
  • the coolant in the condenser serves to cool the working medium and thus absorbs heat in the condenser.
  • the condenser is preferably cooled exclusively by the coolant flowing in the cooling circuit section.
  • the second heat exchanger is as
  • Heating heat exchanger formed in the heating circuit section is the only heating heat exchanger in the heating circuit section.
  • the coolant thus emits heat originating from the cooling circuit and preferably also the heat removed from the condenser in the second heat exchanger to the heating medium of the heating circuit section. This makes it possible, the heating circuit section a large
  • Heat supply device built-in heat exchanger can be reduced in an advantageous manner, because - except the evaporator - only the capacitor and the second
  • Heat exchanger requires because the condenser is also the first heat exchanger.
  • an emergency cooling device may be provided to the vehicle.
  • Coolant in any operating condition to be able to extract a sufficient amount of heat to ensure safe operation of the cooling circuit.
  • the coolant in the cooling circuit section flows through the first heat exchanger and then the second heat exchanger, wherein it initially absorbs heat from the working medium in the first heat exchanger designed as a condenser of the working medium circuit and
  • the working fluid circuit is thermally connected to an internal combustion engine such that waste heat of the Internal combustion engine in the working fluid circuit for the thermodynamic see cycle process is available.
  • the waste heat of the internal combustion engine in particular from exhaust gas thereof and / or originate from a coolant circuit of the internal combustion engine.
  • the evaporator of the working fluid circuit can be flowed through by exhaust gas of the internal combustion engine and / or by coolant from the coolant circuit of the internal combustion engine.
  • Heat supply device is preferably designed as a combined heat and power plant, or it is part of a combined heat and power plant.
  • the cooling circuit section is part of a coolant circuit of the internal combustion engine.
  • the coolant used for cooling the internal combustion engine and heated in the internal combustion engine is preferably used along the
  • Cooling circuit section guided so that it the first heat exchanger and the second
  • Heat exchanger and the second heat exchanger sufficiently cooled - is returned to the internal combustion engine, where it is in turn used for their cooling. It requires preferably at least in most operating points of
  • the cooling circuit section is in this case in the coolant circuit of
  • the internal combustion engine is preferably drive-connected with a first electric machine for generating electrical power.
  • electric power can be generated by driving the electric machine, which is preferably designed as a generator, and fed to a pickup, which preferably at the same time reduces the useful heat from the heating circuit section.
  • the expansion device of the working fluid circuit is mechanically operatively connected to an internal combustion engine.
  • an internal combustion engine whose waste heat in the working medium circuit is used to carry out the thermodynamic cycle.
  • the expansion device can in particular with a crankshaft of the
  • Internal combustion engine - preferably via a gear drive - be operatively connected to support the internal combustion engine and to supply her in particular additional torque.
  • the expansion device is drive-connected with a second electric machine for generating electrical power.
  • the waste heat of the internal combustion engine can be additionally used to provide electrical power to a customer.
  • the heating circuit section has a flow connection and a return connection, which are adapted to a
  • Cooling circuit portion having an emergency cooling device which is adapted to cool the coolant in the cooling circuit section in an emergency cooling operating condition.
  • An emergency cooling operating state is in particular an operating state in which in the first
  • Heat exchanger and / or in the second heat exchanger not enough heat is removed from the coolant to a safe function of the coolant circuit to
  • the integration of the emergency cooling device in the cooling circuit section is advantageous insofar as this means that only two connections are made available to the consumer, namely the flow connection and the return connection for connecting the useful heat cycle, wherein the cooling via the coolant Circulation and in particular the recooling of the coolant circuit including the emergency cooling completely integrated into the heat supply device and thus by the provider of
  • Heat supply device can be supplied from one source.
  • the emergency cooling device may be integrated in the useful heat circuit - but then on the side of the consumer - or in the heating circuit section.
  • An emergency cooling of the coolant can then be achieved by cooling the heating medium upstream of the second heat exchanger by the emergency cooling device so that a sufficient amount of heat can be removed from the cooling circuit section in the subsequent second heat exchanger.
  • the emergency cooling device is preferably in particular as liquid flowed through
  • bypassing of the expansion device has. That the bypass path is controllable means in particular that a flow cross-section of the bypass path is variable, in particular controllable or controllable.
  • a flow cross-section of the bypass path is variable, in particular controllable or controllable.
  • its control can be changed in a preferred manner performed by the working fluid at the expansion device, mechanical work, in particular also be reduced to zero by the entire working fluid is guided around the expansion device.
  • the heat supply device optionally exclusively for the provision of useful heat, and to dispense with a provision of mechanical and / or electrical power via the expansion device.
  • the controllability of the mechanical work performed on the expansion device by the working medium represents an additional degree of freedom for operating the heat supply device.
  • the proportionate distribution of the provided power in the form of force on the one hand and heat on the other can be varied, preferably regulated.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first exemplary embodiment of a
  • Heat supply device and Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a
  • Heat supply device 1 which is a system 3 for performing a
  • Thermodynamic cycle process in particular for carrying out an organic Rankine cycle (Organic Rankine Cycle - ORC) has.
  • the system 3 has a
  • Working medium circuit 5 in which a particular organic working fluid flows, at which the thermodynamic cycle is performed.
  • This may be, for example, ethanol, an ethanol-water mixture, or another organic
  • Working medium in particular a fluorohydrocarbon or a
  • the heat supply device 1 also has a cooling circuit section 7 of a coolant circuit 9 and a heating circuit section 11 of a useful heat circuit 13, wherein the cooling circuit section 7 and the heating circuit section 11 are fluidly separated from each other. It is provided that the cooling circuit section 7 is thermally connected both with the working fluid circuit 5 and with the heating circuit section 11. In this way, the cooling circuit section 7 and in particular also the coolant circuit 9 can be integrated into the heat supply device 1 in a particularly efficient manner.
  • the working medium circuit 5 has - in particular along the flow direction of the
  • Working media conveyor 15, an evaporator 17, an expansion device 19 and a capacitor 21 The working medium preferably flows in liquid form from the working medium conveyor 15 to the evaporator 17, where it absorbs heat and is preferably evaporated. The vaporous working medium then flows on to the expansion device 19, in which it is expanded, thereby performing mechanical work on the expansion device 19.
  • the expansion device can, for example, as
  • Turbomachine in particular as a turbine, as a displacement machine, in particular as a reciprocating piston engine, as a scroll expander, as Roots expander, as a screw expander, or be designed in another suitable manner. From the expansion device 19, the expanded working fluid continues to flow to the
  • Capacitor 21 in which it gives off heat, cooled and in particular is condensed again into the liquid phase. From the condenser 21 then passes the liquid working medium back to the working media conveyor 15, so that the working medium circuit 5 is closed.
  • the working fluid circuit 5 is thermally connected to an internal combustion engine 25 such that waste heat of the internal combustion engine 25 in the working fluid circuit 5 is used for the thermodynamic cycle.
  • the evaporator 17 is flowed through by exhaust gas of the internal combustion engine 25, so that waste heat from the exhaust gas of the internal combustion engine 25 can be used in the evaporator 17 for heating and in particular evaporation of the working medium.
  • the internal combustion engine 25 is in turn preferably drive-connected to a first electric machine 26, so that the first electric machine 26 can be driven by the internal combustion engine 25, so that electric power can be generated by means of the internal combustion engine 25 via the first electric machine 26 ,
  • the expansion device 19 is preferably drive-connected with a second electric machine 23, so that the second electric machine 23 through the
  • Expansion device 19 is driven.
  • the second electric machine 23 is preferably designed as a generator and set up for generating electrical power.
  • the expansion device 19 with an internal combustion engine - in particular with the internal combustion engine 25 - be mechanically operatively connected so that they support in particular the internal combustion engine and an additional torque - preferably in a crankshaft of the internal combustion engine - can initiate.
  • the heat supply device 1 is preferably part of a combined heat and power plant or is itself a combined heat and power plant, which for a customer electrical power - preferably both from the internal combustion engine 25 associated first electric machine 26 and from the expander 19 associated second electric machine 23 - and heat provides over the heating circuit section 11 for the Nutz locker cycle 13. This may in particular be a heat-led combined heat and power plant.
  • the cooling circuit section 7 is preferably thermally connected to the working medium circuit 5 via a first heat exchanger 27 and to the heating circuit section 11 via a second heat exchanger 29. In this case, the first heat exchanger 27 is preferably along the
  • the first heat exchanger 27 in the working medium circuit 5 - seen in the flow direction of the working medium - upstream of the evaporator 17 and in particular downstream of the working media conveyor 15 is arranged as a preheater for the working medium.
  • the heating circuit section 11 is fluidically connected to the condenser 21 of the working medium circuit 5 for cooling the working medium in the condenser 21 by means of a heating medium flowing through the heating circuit section 11.
  • the second heat exchanger 29 is arranged in the heating circuit section 11 - viewed along the flow direction of the heating medium - upstream of the condenser 21 and arranged for preheating the heating medium prior to its entry into the condenser 21st
  • the cooling circuit section 7 is preferably part of the coolant circuit 9, which is the coolant circuit of the internal combustion engine 25, via which the internal combustion engine 25 is cooled.
  • a particularly high amount of heat can be supplied to the working medium circuit 5, because not only is waste heat from the exhaust gas of the internal combustion engine 25 introduced into the evaporator 17, but also heat from the coolant circuit 9 of the internal combustion engine 25 is fed via the first heat exchanger 27 upstream of the evaporator 17 in the working medium circuit 5 for preheating the working medium.
  • the first heat exchanger 27 upstream of the evaporator 17 in the working medium circuit 5 for preheating the working medium.
  • Condensation heat used in the condenser 21 efficiently to heat the heating medium in the heating circuit section 1 1 for the Nutzamide cycle 13, wherein the
  • the system 3 not only has a very high electrical power yield due to the large, registered in the working medium circuit 5 amount of heat, but it also results in a particularly efficient use of heat for the Nutz locker cycle 13th
  • the coolant is first a part of his recorded in the internal combustion engine 25 heat in the first heat exchanger 27 to the working fluid circuit 5 and then another part of its heat in the second heat exchanger 29 to the heating circuit section 1 1 and thus to the Nutztage cycle 13 from.
  • the heat supply device 1 is designed so that the
  • Heat release in the first heat exchanger 27 and in the second heat exchanger 29 is sufficient to cool the coolant for a sufficient cooling function of the internal combustion engine 25. This is preferably true for at least most operating conditions of the
  • Heat supply device 1 In the event that the coolant in the heat exchangers 27, 29 can not be withdrawn enough heat, preferably an emergency cooling device 31 - preferably in the form of another heat exchanger - is provided, which here in the
  • Nutzconce cycle 13 is arranged. Thus, it is possible to indirectly withdraw additional heat from the coolant flowing in the coolant circuit 9, mediated via the second heat exchanger 29 by cooling the useful heat circuit 13 with the emergency cooling device 31.
  • the emergency cooling device 31 is arranged in the coolant circuit 9 instead of in the useful heat circuit 13.
  • a direct cooling of the coolant by means of
  • FIG. 1 also shows a heating medium conveying device 33, which is preferably designed as a pump and in particular for conveying the heating medium along the
  • a coolant delivery device 35 which is preferably designed as a pump, is preferably also arranged in the coolant circuit 9 is, and in particular the promotion of the coolant along the coolant circuit 9 is used.
  • FIG. 1 schematically shows a first system boundary 37, which preferably the
  • the heating circuit section 11 preferably has a flow connection 39 and a return connection 41 for connecting the useful heat circuit 13 on the side of the consumer. Furthermore, an electrical connection 43 for removing the electrical power generated by the second electric machine 23 and / or the first electric machine 26 is illustrated schematically here. In order to be able to remove heat and / or electrical power, the consumer only needs to connect the useful heat circuit 13 to the flow connection 39 and the return connection 41, and optionally to establish an electrical connection to the electrical connection 43.
  • the emergency cooling device 31 is part of the facilities provided by the customer. It is possible that the internal combustion engine 25 is part of the heat supply device 1 and in particular supplied by the provider of the heat supply device 1. But it is also possible that the heat supply device 1 has a second system boundary 45, wherein the internal combustion engine 25 is not part of the heat supply device 1. This can then be from another supplier or from the buyer of the
  • Heat supply device 1 is provided and via suitable connections with the
  • Evaporator 17 are connected, wherein at the same time the cooling circuit section 7 can be integrated by means of suitable connections in the coolant circuit 9.
  • the working medium circuit 5 preferably has a controllable bypass path 47, which is set up to at least partially bypass the expansion device 19.
  • a controllable valve device 49 is preferably arranged in the bypass path 47, via which a flow cross section through the bypass path 47 can be changed continuously or discretely , wherein the bypass path 47 is preferably also completely lockable.
  • the bypass path 47 is preferred by the working medium on the Expander 19 made mechanical work adjustable.
  • Passage cross section can be controlled or regulated, in particular by
  • a proportion of along the bypass path 47 flowing working fluid on the one hand and a proportion of over the expander 19 flowing working fluid on the other hand can be set variably.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the
  • Heat supply device 1 The same and functionally identical elements are provided with the same reference numerals, so that reference is made to the preceding description.
  • first embodiment according to Figure 1 is in the second
  • the first heat exchanger 27 is formed as the capacitor 21; the condenser 21 thus also serves as the first heat exchanger 27 and is penetrated by the coolant flowing through the cooling circuit section 7.
  • the second heat exchanger 29 is as - in particular single - heating heat exchanger in the
  • Heating circuit section 11 is formed.
  • the incoming from the internal combustion engine 25, hot coolant is first in the condenser 21 additional heat from the working fluid circuit 5, namely the heat of condensation of the working fluid supplied, which in such addition to the heating by the heat dissipated by the engine 25 waste heat further heated coolant flows to the second heat exchanger 29 and there gives off heat to the heating circuit section 11 and the Nutztage circuit 13.
  • the heat supply device 1 is preferably designed so that the heat release in the second heat exchanger 29 is sufficient to sufficiently cool the coolant for efficient cooling of the internal combustion engine 25.
  • the second exemplary embodiment according to FIG. 2 has a particularly simple structure and, in particular in comparison with the first exemplary embodiment according to FIG. 1, saves one
  • Heat exchanger so that it is also very inexpensive. Furthermore, it can be compact build, not only because of the saving of a heat exchanger, but also because of the design-related reduced performance of the system 3, which on the higher
  • the emergency cooling device 31 is arranged in the cooling circuit section 7.
  • the emergency cooling device 31 can be operated more easily in the coolant circuit 9 due to the increased graveness, that is to say the temperature difference between a primary inlet temperature and a secondary outlet temperature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmebereitstellungseinrichtung (1), mit einem System (3) zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses, das einen Arbeitsmedienkreislauf (5) aufweist; zumindest einem Kühlkreislaufabschnitt (7) für einen Kühlmittel-Kreislauf (9); zumindest einem Heizkreislaufabschnitt (11) für einen Nutzwärme-Kreislauf (13), wobei der Kühlkreislaufabschnitt (7) und der Heizkreislaufabschnitt (11) strömungstechnisch voneinander getrennt sind. Dabei ist vorgesehen, dass der Kühlkreislaufabschnitt (7) sowohl mit dem Arbeitsmedienkreislauf (5) als auch mit dem Heizkreislaufabschnitt (11) thermisch verbunden ist.

Description

Wärmebereitstellungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Wärmebereitstellungseinrichtung.
Eine solche Wärmebereitstellungseinrichtung weist ein System zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses auf, das einen Arbeitsmedienkreislauf aufweist. Die
Wärmebereitstellungseinrichtung weist außerdem zumindest einen Kühlkreislaufabschnitt auf, der eingerichtet ist zur Einbindung in einen Kühlmittel-Kreislauf, sowie außerdem zumindest einen Heizkreislaufabschnitt, der eingerichtet ist zur Einbindung in einen Nutzwärme-Kreislauf, wobei der Kühlkreislaufabschnitt und der Heizkreislaufabschnitt strömungstechnisch voneinander getrennt sind. Es handelt sich hierbei also insbesondere um separate Fluidkreisläufe die - je nach Anwendung - auch mit verschiedenen Wärmetransportmedien betrieben werden können, wobei aufgrund der strömungstechnischen Trennung der Kreislaufabschnitte keine Vermischung der verschiedenen Wärmetransportmedien zu befürchten ist. Eine solche
Wärmebereitstellungseinrichtung kann insbesondere in einem Blockheizkraftwerk Anwendung finden, und ganz allgemein dort, wo für einen Abnehmer mechanische und/oder elektrische Leistung sowie zugleich Wärme bereitgestellt werden soll. Dabei kommen insbesondere wärmegeführte Blockheizanlagen für die Anwendung der Wärmebereitstellungseinrichtung in Frage. Wärmebereitstellungseinrichtungen der hier angesprochenen Art sind insbesondere in Hinblick auf die effiziente Einbindung eines Kühlmittel-Kreislaufs in das Gesamtsystem
verbesserungsfähig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmebereitstellungseinrichtung zu schaffen, bei welcher die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Wärmebereitstellungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen. Eine Wärmebereitstellungseinrichtung der angesprochenen Art wird insbesondere derart weitergebildet, dass der Kühlkreislaufabschnitt sowohl mit dem Arbeitsmedienkreislauf als auch mit dem Heizkreislaufabschnitt thermisch verbunden ist. Auf diese Weise ist es möglich, einen Kühlmittel-Kreislauf über den Kühlkreislaufabschnitt auf zweifache Weise in den Betrieb der Wärmebereitstellungseinrichtung einzubeziehen, indem der Kühlkreislaufabschnitt insbesondere sowohl mit dem Arbeitsmedienkreislauf als auch mit dem Heizkreislaufabschnitt Wärme austauschen kann. Dadurch ist eine besonders effiziente Ausgestaltung der
Wärmebereitstellungseinrichtung insbesondere mit Blick auf die Einbindung des Kühlmittel- Kreislaufs möglich.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlkreislaufabschnitt mit dem Arbeitsmedienkreislauf über einen ersten Wärmetauscher und mit dem
Heizkreislaufabschnitt über einen zweiten Wärmetauscher thermisch verbunden ist. Dabei strömt in dem ersten Wärmetauscher einerseits Arbeitsmedium des Arbeitsmedienkreislaufs und andererseits Kühlmittel des Kühlkreislaufabschnitts, wobei das Arbeitsmedium und das
Kühlmittel strömungstechnisch voneinander getrennt, jedoch in thermischem Kontakt miteinander sind, sodass ein Wärmeaustausch möglich ist. Entsprechend strömt in dem zweiten Wärmetauscher ein Heizmedium, welches den Heizkreislaufabschnitt durchsetzt, einerseits, sowie das Kühlmittel des Kühlkreislaufabschnitts andererseits, wobei das Heizmedium und das Kühlmittel in dem zweiten Wärmetauscher strömungstechnisch voneinander getrennt, jedoch thermisch in Kontakt miteinander sind, sodass ein Wärmeaustausch zwischen dem Heizmedium und dem Kühlmittel möglich ist. Auf diese Weise kann das Kühlmittel sowohl mit dem
Arbeitsmedium des Arbeitsmedienkreislaufs als auch mit dem Heizmedium des
Heizkreislaufabschnitts Wärme austauschen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der erste Wärmetauscher in dem Kühlkreislaufabschnitt - in Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen - stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers angeordnet ist. Das Kühlmittel tritt also bevorzugt zuerst mit dem Arbeitsmedium und danach mit dem Heizmedium in thermischen Kontakt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Wärmetauscher in dem Arbeitsmedienkreislauf - in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen - stromaufwärts eines Verdampfers angeordnet und als Vorwärmer für das Arbeitsmedium ausgebildet ist. Der Arbeitsmedienkreislauf weist insoweit bevorzugt - insbesondere in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen in der angegebenen Reihenfolge - eine Arbeitsmedien- Fördereinrichtung, die insbesondere als Speisepumpe ausgebildet sein kann, den Verdampfer, eine Expansionseinrichtung, und einen Kondensator auf. In für sich genommen bekannter Weise wird aber das Arbeitsmedium durch die Arbeitsmedien-Fördereinrichtung zu dem Verdampfer gefördert, wo es Wärme aufnimmt und vorzugsweise verdampft wird. Das erwärmte und bevorzugt verdampfte Arbeitsmedium strömt weiter zu der Expansionseinrichtung, in der es entspannt wird, wobei es mechanische Arbeit an der Expansionseinrichtung leistet. Das entspannte Arbeitsmedium strömt weiter zu dem Kondensator, wo es gekühlt und vorzugsweise wieder verflüssigt wird, wobei das gekühlte und vorzugsweise verflüssigte Arbeitsmedium zurück zu der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung strömt, sodass der Arbeitsmedienkreislauf geschlossen ist. Der Arbeitsmedienkreislauf ist bevorzugt eingerichtet für einen organischen Rankine-
Kreisprozess (Organic Rankine Cycle - ORC). Als Arbeitsmedium kann beispielsweise Ethanol, ein Ethanol-Wassergemisch, oder ein anderes organisches Arbeitsmedium, beispielsweise ein Fluorkohlenwasserstoff oder ein Fluorchlorkohlenwasserstoff verwendet werden. Als Kühlmittel und oder als Heizmedium kann bevorzugt Wasser - gegebenenfalls mit Additiven - verwendet werden.
Der erste Wärmetauscher, der als Vorwärmer für das Arbeitsmedium ausgebildet ist, ist nun bevorzugt insbesondere strömungstechnisch zwischen der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung einerseits und dem Verdampfer andererseits angeordnet, sodass das Arbeitsmedium von der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung aus zunächst durch den ersten Wärmetauscher strömt, wo es vorgewärmt wird, wobei es anschließend durch den Verdampfer strömt. In dem ersten
Wärmetauscher kann das Kühlmittel Wärme an das Arbeitsmedium abgeben, sodass das Kühlmittel gekühlt wird, wobei die Wärme in dem Arbeitsmedienkreislauf für die Durchführung des thermodynamischen Kreisprozesses nutzbar ist.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass der Heizkreislaufabschnitt
strömungstechnisch mit dem Kondensator des Arbeitsmedienkreislaufs zur Kühlung des
Arbeitsmediums in dem Kondensator mittels des den Heizkreislaufabschnitt im Betrieb durchströmenden Heizmediums verbunden ist. In den Heizkreislaufabschnitt wird also insbesondere Kondensationswärme des Arbeitsmediums eingetragen, die in dem Kondensator anfällt, der durch das Heizmedium des Heizkreislaufabschnitts gekühlt wird. Dabei kann diese Kondensationswärme in dem Nutzwärme-Kreislauf als Nutzwärme verwendet werden.
Bevorzugt wird das Arbeitsmedium in dem Kondensator ausschließlich durch das Heizmedium gekühlt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher in dem Heizkreislaufabschnitt - in Strömungsrichtung des Heizmediums gesehen - stromaufwärts des Kondensators angeordnet und zur Vorwärmung des Heizmediums vor dessen Eintritt in den Kondensator ausgebildet ist. Auf diese Weise kann das in dem Kühlkreislaufabschnitt strömende Kühlmittel Wärme an das in dem Heizkreislaufabschnitt strömende Heizmedium abgeben und dieses vorwärmen, bevor es in den Kondensator eintritt. Das Kühlmittel wird dabei gekühlt, wobei dessen Abwärme als Nutzwärme dem Heizkreislaufabschnitt und damit dem Nutzwärme-Kreislauf zugeführt wird. Bei dieser Ausgestaltung ist bevorzugt der erste Wärmetauscher - entlang der
Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Kühlkreislaufabschnitt gesehen - stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers angeordnet. Es ist nämlich günstig, Wärme aus dem Kühlmittel auf einem ersten, höheren Temperaturniveau über den ersten Wärmetauscher in den
Arbeitsmedienkreislauf einzutragen und danach weitere Wärme aus dem Kühlmittel auf einem zweiten, niedrigeren Temperaturniveau zur Vorwärmung des Heizmediums stromaufwärts des Kondensators zu nutzen. Auf diese Weise kann Wärme aus dem Kühlmittel äußerst effizient einerseits für den thermodynamischen Kreisprozess und dabei mittelbar zur Bereitstellung von mechanischer und/oder elektrischer Leistung verwendet werden, wobei zugleich Wärme aus dem Kühlmittel als Nutzwärme dem Heizkreislaufabschnitt und damit dem Nutzwärme-Kreislauf zugeführt werden kann. Dabei zeigt sich, dass zumindest in einer Vielzahl von
Betriebszuständen eine Kühlung des Kühlmittels in dem ersten Wärmetauscher einerseits und in dem zweiten Wärmetauscher andererseits ausreichend ist, sodass es keiner weiteren Kühlung des Kühlmittels bedarf. Die aus dem Kühlmittel-Kreislauf zur Gewährleistung von dessen
Funktionsfähigkeit abzuführende Wärme kann also vollständig einerseits in dem
Arbeitsmedienkreislauf und andererseits in dem Nutzwärme-Kreislauf genutzt werden. Für
Betriebszustände, in denen eine größere Wärmemenge aus dem Kühlkreislauf abgeführt werden muss, als dies in dem ersten Wärmetauscher und in dem zweiten Wärmetauscher möglich ist, kann eine Notkühleinrichtung vorgesehen sein. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Wärmetauscher als Kondensator in dem Arbeitsmedienkreislauf ausgebildet ist. In diesem Fall dient das Kühlmittel in dem Kondensator zur Kühlung des Arbeitsmediums und nimmt demnach in dem Kondensator Wärme auf. Dies erscheint zunächst kontraintuitiv, erweist sich aber bei näherer Betrachtung als sowohl thermodynamisch als auch bezüglich der Konzeption der
Wärmebereitstellungseinrichtung insgesamt besonders günstig. Der Kondensator ist in diesem Fall bevorzugt ausschließlich durch das in dem Kühlkreislaufabschnitt strömende Kühlmittel gekühlt. Alternativ oder zusätzlich, besonders bevorzugt zusätzlich, ist der zweite Wärmetauscher als
Heizwärmetauscher in dem Heizkreislaufabschnitt ausgebildet. Ganz besonders bevorzugt ist der zweite Wärmetauscher der einzige Heizwärmetauscher in dem Heizkreislaufabschnitt. Das Kühlmittel gibt also aus dem Kühlkreislauf stammende Wärme sowie bevorzugt auch die aus dem Kondensator abgeführte Wärme in dem zweiten Wärmetauscher an das Heizmedium des Heizkreislaufabschnitts ab. Dadurch ist es möglich, dem Heizkreislaufabschnitt eine große
Wärmemenge auf einem hohen Temperaturniveau zuzuführen, wobei zugleich dem Kühlmittel eine ausreichend große Wärmemenge entzogen werden kann, sodass ein sicherer Betrieb des Kühlmittel-Kreislaufs gewährleistet ist. Zugleich kann die Anzahl der in der
Wärmebereitstellungseinrichtung verbauten Wärmetauscher in vorteilhafter Weise reduziert werden, weil es - außer dem Verdampfer - lediglich des Kondensators und des zweiten
Wärmetauschers bedarf, weil der Kondensator zugleich der erste Wärmetauscher ist.
Gegebenenfalls kann allerdings noch eine Notkühleinrichtung vorgesehen sein, um dem
Kühlmittel in jedem Betriebszustand eine ausreichende Wärmemenge entziehen zu können, um einen sicheren Betrieb des Kühlkreislaufs zu gewährleisten.
Wie bereits deutlich geworden ist, durchströmt auch in diesem Fall bevorzugt das Kühlmittel in dem Kühlkreislaufabschnitt zunächst den ersten Wärmetauscher und danach den zweiten Wärmetauscher, wobei es zunächst in dem als Kondensator des Arbeitsmedienkreislaufs ausgebildeten ersten Wärmetauscher Wärme von dem Arbeitsmedium aufnimmt und
anschließend Wärme in dem zweiten Wärmetauscher an das Heizmedium des
Heizkreislaufabschnitts abgibt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Arbeitsmedienkreislauf mit einer Brennkraftmaschine thermisch derart verbunden ist, dass Abwärme der Brennkraftmaschine in dem Arbeitsmedienkreislauf für den thermodynami sehen Kreisprozess nutzbar ist. Dabei kann die Abwärme der Brennkraftmaschine insbesondere aus Abgas derselben und/oder aus einem Kühlmittel-Kreislauf der Brennkraftmaschine stammen. Insbesondere kann der Verdampfer des Arbeitsmedienkreislaufs von Abgas der Brennkraftmaschine und/oder von Kühlmittel aus dem Kühlmittel-Kreislauf der Brennkraftmaschine durchströmt sein. Eine solche Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, weil einem Abnehmer sowohl mittels der
Brennkraftmaschine bereitgestellte mechanische und/oder elektrische Leistung als auch
Nutzwärme über den Nutzwärme-Kreislauf zugeführt werden kann. Die
Wärmebereitstellungseinrichtung ist dabei bevorzugt als Blockheizkraftwerk ausgebildet, oder sie ist Teil eines Blockheizkraftwerks.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kühlkreislaufabschnitt Teil eines Kühlmittel-Kreislaufs der Brennkraftmaschine ist. Insbesondere wird bevorzugt das zur Kühlung der Brennkraftmaschine verwendete und in der Brennkraftmaschine erwärmte Kühlmittel entlang des
Kühlkreislaufabschnitts geführt, sodass es den ersten Wärmetauscher und den zweiten
Wärmetauscher durchströmt, wobei es anschließend - insbesondere durch den ersten
Wärmetauscher und den zweiten Wärmetauscher in ausreichender Weise gekühlt - zu der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird, wo es wiederum zu deren Kühlung verwendet wird. Dabei bedarf es bevorzugt zumindest in den meisten Betriebspunkten der
Wärmebereitstellungseinrichtung keiner weiteren Kühlung des Kühlmittels der
Brennkraftmaschine. Es ist aber möglich, dass eine Notkühleinrichtung vorgesehen ist, um in jedem Fall eine ausreichende Wärmemenge aus dem Kühlmittel-Kreislauf abführen zu können. Der Kühlkreislaufabschnitt ist in diesem Fall also in den Kühlmittel-Kreislauf der
Brennkraftmaschine eingebunden und stellt einen Teil desselben dar.
Alternativ oder zusätzlich ist die Brennkraftmaschine bevorzugt mit einer ersten elektrischen Maschine zur Erzeugung elektrischer Leistung antriebswirkverbunden. Auf diese Weise kann mittels der Brennkraftmaschine durch Antrieb der vorzugsweise als Generator ausgebildeten elektrischen Maschine elektrische Leistung erzeugt und einem Abnehmer zugeführt werden, der vorzugsweise zugleich die Nutzwärme aus dem Heizkreislaufabschnitt abnimmt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Expansionseinrichtung des Arbeitsmedienkreislaufs mit einer Brennkraftmaschine mechanisch wirkverbunden ist. Dabei kann es sich insbesondere um genau diejenige Brennkraftmaschine handeln, deren Abwärme in dem Arbeitsmedienkreislauf zur Durchführung des thermodynamischen Kreisprozesses genutzt wird. Die Expansionseinrichtung kann insbesondere mit einer Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine - vorzugsweise über einen Rädertrieb - wirkverbunden sein, um die Brennkraftmaschine zu unterstützen und ihr insbesondere zusätzliches Drehmoment zuzuführen.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass die Expansionseinrichtung mit einer zweiten elektrischen Maschine zur Erzeugung elektrischer Leistung antriebswirkverbunden ist. Auf diese Weise kann die Abwärme der Brennkraftmaschine zusätzlich genutzt werden, um elektrische Leistung für einen Abnehmer bereitzustellen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Heizkreislaufabschnitt einen Vorlaufanschluss und eine Rücklaufanschluss aufweist, die eingerichtet sind, um einen
Nutzwärme-Kreislauf insbesondere eines Abnehmers anzuschließen. Auf diese Weise kann dem Abnehmer Nutzwärme aus dem Heizkreislaufabschnitt für den Nutzwärme-Kreislauf zugeführt werden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass auf Seiten des Abnehmers ansonsten keine weiteren Fluidanschlüsse vorgesehen sind, sodass dieser lediglich den Nutzwärme-Kreislauf einerseits mit dem Vorlaufanschluss und andererseits mit dem Rücklaufanschluss verbinden muss. Dies stellt aus Sicht des Abnehmers eine äußerst einfache Infrastruktur dar, die schnell und ohne umständliche zusätzliche Maßnahmen lediglich durch Anschließen des Nutzwärme- Kreislaufs an den Vorlaufanschluss und den Rücklaufanschluss in Betrieb genommen werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass der
Kühlkreislaufabschnitt eine Notkühleinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um das Kühlmittel in dem Kühlkreislaufabschnitt in einem Notkühl-Betriebszustand zu kühlen. Ein Notkühl- Betriebszustand ist aber insbesondere ein Betriebszustand, in welchem in dem ersten
Wärmetauscher und/oder in dem zweiten Wärmetauscher nicht genügend Wärme aus dem Kühlmittel abgeführt wird, um eine sichere Funktion des Kühlmittel-Kreislaufs zu
gewährleisten. Dabei ist die Einbindung der Notkühleinrichtung in den Kühlkreislaufabschnitt insoweit vorteilhaft, als gerade dies bedeutet, dass für den Abnehmer nur noch zwei Anschlüsse zur Verfügung gestellt werden, nämlich der Vorlaufanschluss und der Rücklaufanschluss zum Anschließen des Nutzwärme-Kreislaufs, wobei die Kühlung über den Kühlmittel-Kreislauf und insbesondere die Rückkühlung des Kühlmittel-Kreislaufs inklusive der Notkühlung vollständig in die Wärmebereitstellungseinrichtung integriert und somit durch den Bereitsteller der
Wärmbereitstellungseinrichtung aus einer Hand geliefert werden können.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Notkühleinrichtung in dem Nutzwärme-Kreislauf - dann allerdings auf Seiten des Abnehmers - oder in den Heizkreislaufabschnitt integriert ist. Eine Notkühlung des Kühlmittels kann dann dadurch erreicht werden, dass das Heizmedium stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers durch die Notkühleinrichtung so weit gekühlt wird, dass in dem nachfolgenden zweiten Wärmetauscher eine ausreichende Wärmemenge aus dem Kühlkreislaufabschnitt abgeführt werden kann.
Die Notkühleinrichtung ist vorzugsweise als insbesondere flüssigkeitsdurchströmter
Wärmetauscher ausgebildet.
Schließlich ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der
Arbeitsmedienkreislauf einen ansteuerbaren Umgehungspfad zur zumindest teilweisen
Umgehung der Expansionseinrichtung aufweist. Dass der Umgehungspfad ansteuerbar ist bedeutet insbesondere, dass ein Durchströmungsquerschnitt des Umgehungspfads variabel, insbesondere Steuer- oder regelbar ist. Über den ansteuerbaren Umgehungspfad und
insbesondere dessen Ansteuerung kann in bevorzugter Weise die durch das Arbeitsmedium an der Expansionseinrichtung geleistete, mechanische Arbeit verändert, insbesondere auch bis auf Null reduziert werden, indem das gesamte Arbeitsmedium um die Expansionseinrichtung herumgeführt wird. Somit ist es möglich, die Wärmebereitstellungseinrichtung gegebenenfalls ausschließlich zur Bereitstellung von Nutzwärme zu nutzen, und auf eine Bereitstellung von mechanischer und/oder elektrischer Leistung über die Expansionseinrichtung zu verzichten. Die Steuer- oder Regelbarkeit der an der Expansionseinrichtung durch das Arbeitsmedium geleisteten mechanischen Arbeit stellt einen zusätzlichen Freiheitsgrad zum Betreiben der Wärmebereitstellungseinrichtung dar. Dabei kann insbesondere die anteilige Aufteilung der bereitgestellten Leistung in Form von Kraft einerseits und Wärme andererseits variiert, vorzugsweise geregelt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausfuhrungsbeispiels einer
Wärmebereitstellungseinrichtung, und Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer
Wärmebereitstellungseinrichtung. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer
Wärmebereitstellungseinrichtung 1 , die ein System 3 zur Durchführung eines
thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere zur Durchführung eines organischen Rankine Kreisprozesses (Organic Rankine Cycle - ORC) aufweist. Das System 3 weist einen
Arbeitsmedienkreislauf 5 auf, in welchem ein insbesondere organisches Arbeitsmedium strömt, an welchem der thermodynamische Kreisprozess durchgeführt wird. Dabei kann es sich beispielsweise um Ethanol, ein Ethanol-Wasser-Gemisch, oder ein anderes organisches
Arbeitsmedium, insbesondere einen Fluorkohlenwasserstoff oder einen
Fluorchlorkohlenwasserstoff handeln. Die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 weist außerdem einen Kühlkreislaufabschnitt 7 eines Kühlmittel-Kreislaufs 9 sowie einen Heizkreislaufabschnitt 11 eines Nutzwärme-Kreislaufs 13 auf, wobei der Kühlkreislaufabschnitt 7 und der Heizkreislaufabschnitt 11 strömungstechnisch voneinander getrennt sind. Dabei ist vorgesehen, dass der Kühlkreislaufabschnitt 7 sowohl mit dem Arbeitsmedienkreislauf 5 als auch mit dem Heizkreislaufabschnitt 11 thermisch verbunden ist. Auf diese Weise können der Kühlkreislaufabschnitt 7 und insbesondere auch der Kühlmittel- Kreislauf 9 besonders effizient in die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 eingebunden sein.
Der Arbeitsmedienkreislauf 5 weist - insbesondere entlang der Strömungsrichtung des
Arbeitsmediums in dem Arbeitsmedienkreislauf 5 gesehen in dieser Reihenfolge - eine
Arbeitsmedien-Fördereinrichtung 15, einen Verdampfer 17, eine Expansionseinrichtung 19 sowie einen Kondensator 21 auf. Das Arbeitsmedium strömt vorzugsweise in flüssiger Form von der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung 15 zu dem Verdampfer 17, wo es Wärme aufnimmt und bevorzugt verdampft wird. Das dampfförmige Arbeitsmedium strömt dann weiter zu der Expansionseinrichtung 19, in welcher es entspannt wird, wobei es mechanische Arbeite an der Expansionseinrichtung 19 leistet. Die Expansionseinrichtung kann beispielsweise als
Strömungsmaschine, insbesondere als Turbine, als Verdrängermaschine, insbesondere als Hubkolbenmaschine, als Scroll-Expander, als Roots-Expander, als Schraubenexpander, oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein. Von der Expansionseinrichtung 19 strömt das entspannte Arbeitsmedium weiter zu dem
Kondensator 21, in welchem es Wärme abgibt, gekühlt und insbesondere wieder in die flüssige Phase kondensiert wird. Von dem Kondensator 21 gelangt dann das flüssige Arbeitsmedium zurück zu der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung 15, sodass der Arbeitsmedienkreislauf 5 geschlossen ist.
Bevorzugt ist der Arbeitsmedienkreislauf 5 mit einer Brennkraftmaschine 25 thermisch derart verbunden, dass Abwärme der Brennkraftmaschine 25 in dem Arbeitsmedienkreislauf 5 für den thermodynamischen Kreisprozess nutzbar ist. Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, dass der Verdampfer 17 von Abgas der Brennkraftmaschine 25 durchströmt wird, sodass Abwärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 25 in dem Verdampfer 17 zur Erwärmung und insbesondere Verdampfung des Arbeitsmediums genutzt werden kann. Die Brennkraftmaschine 25 ist ihrerseits bevorzugt mit einer ersten elektrischen Maschine 26 antriebswirkverbunden, sodass die - bevorzugt ebenfalls als Generator ausgebildet ist - erste elektrischen Maschine 26 durch die Brennkraftmaschine 25 antreibbar ist, sodass mittels der Brennkraftmaschine 25 über die erste elektrische Maschine 26 elektrische Leistung erzeugbar ist.
Die Expansionseinrichtung 19 ist vorzugsweise mit einer zweiten elektrischen Maschine 23 antriebswirkverbunden, sodass die zweite elektrische Maschine 23 durch die
Expansionseinrichtung 19 antreibbar ist. Dabei ist die zweite elektrische Maschine 23 bevorzugt als Generator ausgebildet und zur Erzeugung elektrischer Leistung eingerichtet. Alternativ oder zusätzlich kann die Expansionseinrichtung 19 auch mit einer Brennkraftmaschine - insbesondere mit der Brennkraftmaschine 25 - mechanisch wirkverbunden sein, sodass sie insbesondere die Brennkraftmaschine unterstützen und ein zusätzliches Drehmoment - vorzugsweise in eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine - einleiten kann.
Die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 ist bevorzugt Teil eines Blockheizkraftwerks oder stellt selbst ein Blockheizkraftwerk dar, welches für einen Abnehmer einerseits elektrische Leistung - vorzugsweise sowohl aus der der Brennkraftmaschine 25 zugeordneten ersten elektrischen Maschine 26 als auch aus der der Expansionseinrichtung 19 zugeordneten zweiten elektrischen Maschine 23 - und Wärme über den Heizkreislaufabschnitt 11 für den Nutzwärme-Kreislauf 13 bereitstellt. Dabei kann es sich insbesondere um ein wärmegeführtes Blockheizkraftwerk handeln. Der Kühlkreislaufabschnitt 7 ist bevorzugt mit dem Arbeitsmedienkreislauf 5 über einen ersten Wärmetauscher 27 und mit dem Heizkreislaufabschnitt 1 1 über einen zweiten Wärmetauscher 29 thermisch verbunden. Dabei ist bevorzugt der erste Wärmetauscher 27 - entlang der
Strömungsrichtung eines den Kühlkreislaufabschnitt 7 durchströmenden Kühlmittels gesehen - stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 29 angeordnet.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 ist der erste Wärmetauscher 27 in dem Arbeitsmedienkreislauf 5 - in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen - stromaufwärts des Verdampfers 17 und insbesondere stromabwärts der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung 15 als Vorwärmer für das Arbeitsmedium angeordnet. Zugleich ist der Heizkreislaufabschnitt 1 1 strömungstechnisch mit dem Kondensator 21 des Arbeitsmedienkreislaufs 5 zur Kühlung des Arbeitsmediums in dem Kondensator 21 mittels eines den Heizkreislaufabschnitt 11 durchströmenden Heizmediums verbunden. Der zweite Wärmetauscher 29 ist in dem Heizkreislaufabschnitt 11 - entlang der Strömungsrichtung des Heizmediums gesehen - stromaufwärts des Kondensators 21 angeordnet und eingerichtet zur Vorwärmung des Heizmediums vor dessen Eintritt in den Kondensator 21.
Der Kühlkreislaufabschnitt 7 ist dabei bevorzugt Teil des Kühlmittel-Kreislaufs 9, welcher der Kühlmittel-Kreislauf der Brennkraftmaschine 25 ist, über welchen die Brennkraftmaschine 25 gekühlt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 gemäß Figur 1 kann dem Arbeitsmedienkreislauf 5 eine besonders hohe Wärmemenge zugeführt werden, weil nicht nur Abwärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 25 in den Verdampfer 17 eingetragen wird, sondern zusätzlich auch Wärme aus dem Kühlmittel-Kreislauf 9 der Brennkranmaschine 25 über den ersten Wärmetauscher 27 stromaufwärts des Verdampfers 17 in den Arbeitsmedienkreislauf 5 zur Vorwärmung des Arbeitsmediums eingespeist wird. Zugleich wird die
Kondensationswärme in dem Kondensator 21 effizient genutzt, um das Heizmedium in dem Heizkreislaufabschnitt 1 1 für den Nutzwärme-Kreislauf 13 zu erhitzen, wobei dem
Heizkreislaufabschnitt 1 1 und damit auch dem Nutzwärme-Kreislauf 13 noch weitere Abwärme aus dem Kühlmittel-Kreislauf 9 über den zweiten Wärmetauscher 29 zugeführt wird. Somit hat das System 3 nicht nur eine sehr hohe elektrische Leistungsausbeute aufgrund der großen, in den Arbeitsmedienkreislauf 5 eingetragenen Wärmemenge, sondern es ergibt sich auch eine besonders effiziente Wärmenutzung für den Nutzwärme-Kreislauf 13. Das Kühlmittel gibt zunächst einen Teil seiner in der Brennkraftmaschine 25 aufgenommenen Wärme in dem ersten Wärmetauscher 27 an den Arbeitsmedienkreislauf 5 und danach einen weiteren Teil seiner Wärme in dem zweiten Wärmetauscher 29 an den Heizkreislaufabschnitt 1 1 und damit an den Nutzwärme-Kreislauf 13 ab.
Vorzugsweise ist dabei die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 so ausgelegt, dass die
Wärmeabgabe in dem ersten Wärmetauscher 27 und in dem zweiten Wärmetauscher 29 ausreicht, um das Kühlmittel für eine hinreichende Kühlfunktion der Brennkraftmaschine 25 zu kühlen. Dies gilt bevorzugt zumindest für die meisten Betriebszustände der
Wärmebereitstellungseinrichtung 1. Für den Fall, dass dem Kühlmittel in den Wärmetauschern 27, 29 nicht genug Wärme entzogen werden kann, ist bevorzugt eine Notkühleinrichtung 31 - vorzugsweise in Form eines weiteren Wärmetauschers - vorgesehen, welche hier in dem
Nutzwärme-Kreislauf 13 angeordnet ist. Damit ist es möglich, dem in dem Kühlmittel-Kreislauf 9 strömenden Kühlmittel indirekt, vermittelt über den zweiten Wärmetauscher 29 durch Kühlung des Nutzwärme-Kreislaufs 13 mit der Notkühleinrichtung 31 , zusätzliche Wärme zu entziehen.
Alternativ ist es auch bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel möglich, dass die Notkühleinrichtung 31 statt in dem Nutzwärme-Kreislauf 13 in dem Kühlmittel-Kreislauf 9 angeordnet ist. In diesem Fall ist eine direkte Kühlung des Kühlmittels mittels der
Notkühleinrichtung 31 möglich. Die Anordnung der Notkühleinrichtung 31 in dem Nutzwärme- Kreislauf 13 oder speziell in dem Heizkreislaufabschnitt 11 hat allerdings den zusätzlichen Vorteil, dass das Heizmedium stromaufwärts des Kondensators 21 gekühlt werden kann, falls das Heizmedium stromaufwärts des Kondensators 21 zu warm wird, was sich letztlich negativ auf die Leistungsausbeute in dem System 3 auswirken würde. Die Notkühl einrichtung 31 kann dann verwendet werden, um das Heizmedium zu kühlen und so zu gewährleisten, dass die dem Arbeitsmedienkreislauf 5 zuführbare Abwärme der Brennkraftmaschine 25 in größtmöglichem Umfang in elektrische und/oder mechanische Leistung gewandelt werden kann. In Figur 1 ist auch noch eine Heizmedien-Fördereinrichtung 33 dargestellt, die vorzugsweise als Pumpe ausgebildet ist und insbesondere der Förderung des Heizmediums entlang des
Nutzwärme-Kreislaufs 13 dient. Entsprechend ist bevorzugt auch in dem Kühlmittel-Kreislauf 9 eine Kühlmittel-Fördereinrichtung 35 angeordnet, welche vorzugsweise als Pumpe ausgebildet ist, und die insbesondere der Förderung des Kühlmittels entlang des Kühlmittel-Kreislaufs 9 dient.
In Figur 1 ist schematisch eine erste Systemgrenze 37 dargestellt, welche bevorzugt die
Wärmebereitstellungseinrichtung 1 von durch einen Abnehmer derselben, insbesondere einen Abnehmer der elektrischen und/oder mechanischen Leistung sowie der Wärme der
Wärmebereitstellungeinrichtung 1 , bereitgestellten Einrichtungen trennt. Dabei weist der Heizkreislaufabschnitt 11 bevorzugt einen Vorlaufanschluss 39 sowie einen Rücklaufanschluss 41 zum Anschluss des Nutzwärme-Kreislaufs 13 auf Seiten des Abnehmers auf. Weiterhin ist hier schematisch ein elektrischer Anschluss 43 zur Abnahme der durch die zweite elektrische Maschine 23 und/oder die erste elektrische Maschine 26 erzeugten elektrischen Leistung dargestellt. Um Wärme und/oder elektrische Leistung abnehmen zu können, muss der Abnehmer nur den Nutzwärme-Kreislauf 13 mit dem Vorlaufanschluss 39 und dem Rücklaufanschluss 41 verbinden, sowie gegebenenfalls eine elektrische Verbindung zu dem elektrischen Anschluss 43 herstellen.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Notkühleinrichtung 31 Teil der von dem Abnehmer bereitgestellten Einrichtungen. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine 25 Teil der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 ist und insbesondere von dem Anbieter der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 mitgeliefert wird. Es ist aber auch möglich, dass die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 eine zweite Systemgrenze 45 aufweist, wobei die Brennkraftmaschine 25 nicht Teil der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 ist. Diese kann dann von einem anderen Anbieter oder von dem Abnehmer der
Wärmebereitstellungseinrichtung 1 bereitgestellt und über geeignete Anschlüsse mit dem
Verdampfer 17 verbunden werden, wobei zugleich der Kühlkreislaufabschnitt 7 mittels geeigneter Anschlüsse in den Kühlmittel-Kreislauf 9 eingebunden werden kann.
Der Arbeitsmedienkreislauf 5 weist bevorzugt einen ansteuerbaren Umgehungspfad 47 auf, der eingerichtet ist zur zumindest partiellen Umgehung der Expansionseinrichtung 19. Dabei ist in dem Umgehungspfad 47 bevorzugt eine ansteuerbare Ventileinrichtung 49 angeordnet, über die ein Durchflussquerschnitt durch den Umgehungspfad 47 - kontinuierlich oder diskret - veränderbar ist, wobei der Umgehungspfad 47 bevorzugt auch vollständig sperrbar ist. Mittels des Umgehungspfads 47 ist bevorzugt die durch das Arbeitsmedium an der Expansionseinrichtung 19 geleistete mechanische Arbeit einstellbar. Dabei ist es bevorzugt auch möglich, das gesamte Arbeitsmedium entlang des Umgehungspfads 47 zu führen, sodass durch den Arbeitsmedienkreislauf 5 nur noch Wärme in dem Kondensator 21 bereitgestellt wird, jedoch keine mechanische und/oder elektrische Leistung mehr erzeugt wird. Dazu ist vorzugsweise ein zu der Expansionseinrichtung 19 führender Abschnitt des
Arbeitsmedienkreislaufs 5 mittels einer Sperrventileinrichtung 51 sperrbar. Es ist möglich, dass auch die Sperrventileinrichtung 51 kontinuierlich oder diskret zur Variation eines
Durchtrittsquerschnitts ansteuerbar oder regelbar ist, wobei sich insbesondere durch
gemeinsames Ansteuern der Sperrventileinrichtung 51 einerseits und der Ventileinrichtung 49 andererseits ein Anteil an entlang des Umgehungspfads 47 strömendem Arbeitsmedium einerseits sowie ein Anteil an über die Expansionseinrichtung 19 strömendem Arbeitsmedium andererseits variabel einstellen lässt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der
Wärmebereitstellungseinrichtung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist bei dem zweiten
Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 der erste Wärmetauscher 27 als der Kondensator 21 ausgebildet; der Kondensator 21 dient also zugleich als erster Wärmetauscher 27 und wird von dem Kühlmittel, welches durch den Kühlkreislaufabschnitt 7 strömt, durchsetzt. Der zweite Wärmetauscher 29 ist als - insbesondere einziger - Heizwärmetauscher in dem
Heizkreislaufabschnitt 11 ausgebildet. Dabei wird dem von der Brennkraftmaschine 25 heranströmenden, heißen Kühlmittel zunächst in dem Kondensator 21 zusätzliche Wärme aus dem Arbeitsmedienkreislauf 5, nämlich die Kondensationswärme des Arbeitsmediums, zugeführt, wobei das derart zusätzlich zu der Erwärmung durch die von der Brennkraftmaschine 25 abgeführte Abwärme weiter erwärmte Kühlmittel zu dem zweiten Wärmetauscher 29 strömt und dort Wärme an den Heizkreislaufabschnitt 11 und an den Nutzwärme-Kreislauf 13 abgibt. Dabei ist die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 bevorzugt so ausgelegt, dass die Wärmeabgabe in dem zweiten Wärmetauscher 29 ausreicht, um das Kühlmittel für eine effiziente Kühlung der Brennkraftmaschine 25 ausreichend zu kühlen.
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist besonders einfach aufgebaut und spart insbesondere im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 einen
Wärmetauscher ein, sodass es auch besonders kostengünstig ist. Weiterhin kann es kompakt bauen, nicht nur wegen der Einsparung eines Wärmetauschers, sondern zusätzlich auch wegen der konstruktionsbedingt verringerten Leistung des Systems 3, welche auf das höhere
Temperaturniveau des heißen Kühlmittels an dem Kühlmitteleingang des Kondensator 21 und damit das heißere Temperaturniveau des Arbeitsmediums an dem Arbeitsmedien-Ausgang des Kondensators 21 zurückzuführen ist.
Weiterhin ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 die Notkühleinrichtung 31 in dem Kühlkreislaufabschnitt 7 angeordnet. Dabei kann die Notkühleinrichtung 31 aufgrund der erhöhten Grädigkeit, das heißt der Temperatur-Differenz zwischen einer Primär-Eintrittstemperatur und einer Sekundär- Austrittstemperatur, in dem Kühlmittel-Kreislauf 9 einfacher betrieben werden.
Für den Abnehmer ergibt sich zusätzlich der Vorteil, dass er die Notkühleinrichtung 31 nicht bereitstellen muss. Diese kann vielmehr von dem Anbieter der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 - und damit quasi aus einer Hand - bereitgestellt werden. Insbesondere dann, wenn auch die Brennkraftmaschine 25 durch den Anbieter der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 - insbesondere als Teil der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 - bereitgestellt wird, ergibt sich für den Abnehmer der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 die sehr komfortable Situation, zur Inbetriebnahme der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 lediglich den Nutzwärme- Kreislauf 13 mit dem Vorlaufanschluss 39 sowie dem Rücklaufanschluss 41 verbinden zu müssen, wobei gegebenenfalls auch die elektrische Verbindung mit dem elektrischen Anschluss 43 geschlossen wird.
Insgesamt zeigt sich, dass mit der hier vorgeschlagenen Wärmebereitstellungseinrichtung 1 eine äußerst effiziente Einbindung eines Kühlkreislaufabschnitts und insbesondere eines Kühlmittel- Kreislaufs 9 - vorzugsweise einer Brennkraftmaschine - in die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 bereitgestellt werden kann.

Claims
Wärmebereitstellungseinrichtung (1), mit
- einem System
(3) zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses, das einen Arbeitsmedienkreislauf (5) aufweist;
- zumindest einem Kühlkreislaufabschnitt (7) für einen Kühlmittel-Kreislauf (9);
- zumindest einem Heizkreislaufabschnitt (1 1) für einen Nutzwärme-Kreislauf (13), wobei
- der Kühlkreislaufabschnitt (7) und der Heizkreislaufabschnitt (1 1) strömungstechnisch voneinander getrennt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislaufabschnitt (7) sowohl mit dem
Arbeitsmedienkreislauf (5) als auch mit dem Heizkreislaufabschnitt (11) thermisch verbunden ist.
Wärmebereitstellungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislaufabschnitt (7) mit dem Arbeitsmedienkreislauf (5) über einen ersten
Wärmetauscher (27) und mit dem Heizkreislaufabschnitt (11) über einen zweiten
Wärmetauscher (29) thermisch verbunden ist.
Wärmebereitstellungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) der erste Wärmetauscher (27) in dem Arbeitsmedienkreislauf (5) - in
Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen - stromaufwärts eines Verdampfers (17) als Vorwärmer für das Arbeitsmedium angeordnet ist, und/oder dass b) der Heizkreislaufabschnitt (1 1) strömungstechnisch mit einem Kondensator (21) des Arbeitsmedienkreislaufs (5) zur Kühlung des Arbeitsmediums in dem Kondensator (21) mittels eines den Heizkreislaufabschnitt (11) durchströmenden Heizmediums verbunden ist, und/oder dass c) der zweite Wärmetauscher (29) in dem Heizkreislaufabschnitt (11) - in
Strömungsrichtung des Heizmediums gesehen - stromaufwärts des Kondensators (21) zur Vorwärmung des Heizmediums vor dessen Eintritt in den Kondensator (21) angeordnet ist.
4. Wärmebereitstellungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) der erste Wärmetauscher (27) als Kondensator (21 ) in dem Arbeitsmedienkreislauf (5) ausgebildet ist, und/oder dass b) der zweite Wärmetauscher (29) als Heizwärmetauscher in dem
Heizkreislaufabschnitt (11) ausgebildet ist.
5. Wärmebereitstellungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmedienkreislauf (5) mit einer Brennkraftmaschine (25) thermisch derart verbunden ist, dass Abwärme der Brennkraftmaschine (25) in dem
Arbeitsmedienkreislauf (5) für den thermodynami sehen Kreisprozess nutzbar ist, wobei vorzugsweise a) der Kühlkreislaufabschnitt (7) Teil eines Kühlmittel-Kreislaufs (9) der
Brennkraftmaschine (25) ist, und/oder wobei b) die Brennkraftmaschine (25) mit einer ersten elektrischen Maschine (26) zur
Erzeugung elektrischer Leistung antriebswirkverbunden ist.
6. Wärmebereitstellungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmedienkreislauf (5) eine Expansionseinrichtung (19) aufweist, die a) mit einer Brennkraftmaschine (25) mechanisch wirkverbunden und/oder b) mit einer zweiten elektrischen Maschine (23) zur Erzeugung elektrischer Leistung antriebswirkverbunden ist. Wärmebereitstellungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislaufabschnitt (1 1) einen Vorlaufanschluss (39) und einen Rücklaufanschluss (41) zum Anschließen eines Nutzwärme-Kreislaufs (13) aufweist.
Wärmebereitstellungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislaufabschnitt (7) eine Notkühleinrichtung (31 ) aufweist, die eingerichtet ist, um das Kühlmittel in dem Kühlkreislaufabschnitt (7) in einem Notkühl- Betriebszustand zu kühlen.
Wärmebereitstellungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmedienkreislauf (5) einen ansteuerbaren Umgehungspfad (47) zur zumindest partiellen Umgehung der Expansionseinrichtung (19) aufweist.
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