DE3021824A1

DE3021824A1 - Heizungsanlage mit waermepumpe

Info

Publication number: DE3021824A1
Application number: DE19803021824
Authority: DE
Inventors: Johann 8201 Bad Feilnbach Schmuck
Original assignee: Motorenfabrik Hatz GmbH and Co KG
Current assignee: SCHMUCK, JOHANN, 8201 BAD FEILNBACH, DE
Priority date: 1980-06-11
Filing date: 1980-06-11
Publication date: 1981-12-17
Also published as: FR2484540A1; GB2077852A; JPS5714134A; IT1136716B; IT8122257A0

Description

Heizungsanlage mit Wärmepumpe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizungsanlage mit einer Wärmepumpe, deren Kompressor von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird, wobei die Verlustwärme der Brennkraftmaschine über mindestens einen Wärmetauscher auf den Wärmeträger im Heizungsnetz der Anlage übertragen wird.

Bei bekannten Anlagen dieser Art ist der Wärmetauscher als selbständiges, separates Bauelement angeordnet und über freiliegende Leitungen mit dem Heizungsnetz und dem Gehäuseteil der Brennkraftmaschine verbunden, an dem die Verlustwärme abgenommen wird. Da Heizungsanlagen oft mehrmals stündlich automatisch an- und abgeschaltet werden, müssen besonders im Leitungsteil zwischen Brennkraftmaschine und Wärmetauscher bekannte Dehnungskompensatoren (z.B. elastische Wellrohre) eingebaut sein, um mehrmaligen Wechsel zwischen thermischer Dehnung und Abkühlung im Leitungssystem zu ermöglichen. Außerdem ist eine Vielzahl von Anschlußstellen in den Leitungen zwischen Brennkraftmaschine und Heizungsnetz erforderlich.

Derartige Anlagen sind deshalb sehr nachteilig. Zunächst einmal ist die Anschaffung der Dehnungskompensatoren teuer und ihre Lebensdauer begrenzt. Außerdem müssen die vielen Anschlußstellen sehr sorgfälltig abgedichtet werden, damit die die Anlage aufnehmenden Umräume, meist Hauskeller, nicht durch im Heizungsnetz oder an der Brennkraftmaschine entweichende Medien verunreinigt werden. Schließlich ist auch die Wartung und Reinigung

130051/0251

Blatt 4- zum Brief vom 10.06.80 _an DPA

des Wärmetauschers selbst sehr umständlich und kostspielig, weil dabei viele Leitungen abgenommen und wieder angeschlossen werden müssen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile der bekannten Anlagen zu beseitigen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß derjenige Gehäuseteil der Brennkraftmaschine, an dem die Verlustwärme abgenommen wird, in der Weise gestaltet ist, daß er zugleich als Aufnahme für den Wärmetauscher dient. Diese erfindungsgemäße Gestaltung ermöglicht den Aufbau einer Heizungsanlage, die Minimum an freiliegenden Leitungen zwischen Heizungsnetz und Brennkraftmaschine erfordert. Die an einem Gehäuseteil der Brennkraftmaschine anfallende Verlustwärme wird dem im gleichen Gehäuseteil untergebrachten Wärmetauscher praktisch in voller Höhe zugeführt, sodaß sich ein hoher Wirkungsgrad des Wärmetausches ergibt. Es sind auch keine freiliegenden Anschlußstellen oder Dehnungskompensatoren zwischen Brennkraftmaschine und Wärmetauscher erforderlich, sodaß sich außerdem ein wirtschaftlicher Aufbau und ein umweltfreundlicher Betrieb ergibt.

Bei Heizungsanlagen wird häufig die Abgaswärme der Brennkraftmaschine als Verlustwärme verwendet und über den Wärmetauscher auf den Wärmeträger im Heizungsnetz übertragen. Hierbei ist es gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, den den Abgaskanal aufweisenden Zylinderkopf der Brennkraftmaschine und die Aufnahme für den Wärmetauscher derart zu einem einzigen Gehäusestück zu formen, daß die Abgase der Brennkraftmaschine aus dem Abgaskanal unmittelbar zu dem im gleichen Ge-

130051/Q2S1.

Blatt V zumBriefvom¹"·^·⁰" an

10.05.80 _an DFA IHATZ

häüseteil gelagerten Wärmetauscher gelangen und erst nach dessen Durchfließen den Zylinderkopf verlassen.

Eine einfache Ausgestaltung dieses Erfxndungsgedankens ergibt sich, wenn im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine mindestens ein den Wärmetauscher umgebender .Kanal vorgesehen ist, durch den der Wärmeträger aus dem Heizungsnetz geleitet wird und dabei den von Abgasen durchflossenen Wärmetauscher umspült. Eine derartige Ausführungsform ist anwendbar unabhängig von der Art des als Wärmeträger im Heizungsnetz verwendeten Medium und auch von der Art der zum Antrieb verwendeten Brennkraftmaschine. Es kann hier folglich auch eine luftgekühlte Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen. \-_.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist möglich bei Anlagen mit Wasser als Wärmeträger und bei mit Wasser gekühlten Brennkraftmaschinen. In einem solchen Falle ist im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine mindestens ein den Wärmetauscher umgebender Kanal vorzusehen, durch den das Wasser geleitet wird und dabei den von Abgasen durchflossenen Wärmetauscher umspült, wobei das nach Umspülung des Wärmetauschers erwärmte Wasser dem Heizungsnetz zugeleitet wird.

Eine zweckmäßige bauliche Weitergestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Wärmetauscher als eine in sich geschlossene Einheit ausgebildet und von außen auswechselbar in der Aufnahme im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist ein zu Reinigungs- bzw. Wartungszwecken notwendiger Aus- und Einbau des Wärmetauschers sehr leicht ausführbar«

Blatt 6 zum Brief vom 10.06.8C _an

In der nachstehenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Wärmepumpe mit Kompressor und ihn antreibender Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,

Fig. 2 den Zylinder und Zylinderkopf der Brennkraftmaschine im teilweisen senkrechten Längsschnitt,

Fig. 3 wagrechten Querschnitt durch den Zylinderkopf nach Linie A-A der Fig.2, und

Fig. 4 senkrechten Querschnitt durch den Zylinderkopf nach Linie B-B der Fig.3.

Die in Fig.1 schematisch dargestellte Wärmepumpe umfaßt einen zweizylindrigen Kompressor 10 für das Kältemittel in ihrem Kreislauf, wobei die Antriebswelle 10a des Kompressors 10 durch die Abtriebswelle, d.h. die Kurbelwelle 12a einer wassergekühlten Brennkraftmaschine 12 bekannter Art, z.B. einer einzylindrigen Einspritzbrennkraftmaschine angetrieben wird. In einem dem Kompressor 10 vorgeschalteten Verdampfer 14 wird das flüssige Kältemittel mit etwa 2°G Temperatur zum Verdampfen gebracht und nimmt dabei -wie mit Pfeil E angedeutet- die Wärme aus dem ihn umgebenden Medium, beispielsweise Grundwasser oder Luft auf und verdampft hierbei. Der Kältemitteldampf wird dann in einer Saugleitung 16 zum Kompressor 10 geleitet. Während der Kompressionsphase wird der Kältemitteldampf verdichtet und dabei erhitzt, um anschließend durch eine Leitung 18 zu einem Kondensator 20 geführt zu werden. Der im Kompressor 10 auf etwa 60⁰C erhitzte Kältemitteldampf durchfließt den Kondensator 20 in einer Leitung 20a, gibt dabei den größten Teil seiner Wärme ab und wird wieder flüssig. Das verflüssigte, abgekühlte Kältemittel wird über ein Expansionsventil 26 geleitet, dehnt sich aus und nimmt seine ursprüngliche Temperatur von etwa 2⁰C wieder an. Es fließt dann

130051/025t

HATZ

Blatt 7 zum Brief vom 10,06,80 an DPA

zurück zum Verdampfer 14, um hier einen neuen Kreislauf in der Wärmepumpe zu beginnen.

Durch den Kondensator 20 wird in einer getrennten Leitung 22 das verbrauchte, abgekühlte Heizwasser aus einer Heizungsanlage, z.B. einer Hausbeheizung 24 geleitet und nimmt die vom Kältemittel abgegebene Wärme auf. Das nach dem Durchlauf des Kondensators 20 erwärmte Heizwasser wird zu einer Anschlußstelle 12b an der Brennkraftmaschine 12 geleitet und zwecks Kühlung dieser Maschine in ihr nur strichpunktiert angedeutetes Kühlleitungssystem eingegeben. Am Ende dieses Kühldurchlaufs wird das erhitzte Wasser über einen zusätzlichen Wärmetauscher 28 geleitet und mit Hilfe der aus den Verbrennungsabgasen herrührenden Verlustwärme noch weiter erhitzt. Das hocherhitzte Wasser wird dann zu einer anderen Anschlußstelle 12c an der Maschine 12 geleitet, um hier das Kühlleitungssystem zu verlassen. In einer Leitung 30 wird das hocherhitzte Wasser in die Hausbeheitzungsanlage 24 geleitet, welche den größten Teil der erhaltenen Wärme in mit Pfeil H angedeuteter Richtung zu Hausbeheizungszwecken abgibt.

Die Einzelheiten des in Fig.1 nur schematisch angedeuteten Kühlleitungssystems der Maschine 12 und des zusätzlichen Wärmetauschers 28 gehen aus der nachstehenden Beschreibung und den weiteren Figuren hervor. Hier ist die Zylinder- und Zylinderkopf-Anordnung der Maschine 12 im Schnitt dargestellt. Der Zylinder 32 nimmt eine senkrecht stehende Zylinderbüchse 34 auf, in der ein Kolben 36 geführt ist. Die mit dem Kolben gekuppelte Pleuelstange 38 greift in bekannter Weise an der Kurbelwelle 12a der Maschine 12 an. Am Zylinder 32 ist mit Hilfe von vier Schraubenbolzen 40 ein Zylinderkopf 42 bef ^es*ÄSTk»n jfl, Y^-Wfc^P ^e*ⁿ Ansaugventil ^» ^ein Aus-

8 zum Brief vom 10.06.80 _an DPA

laßventil 46 und eine Kraftstoff-Einspritzdüse 48 in bekannter Weise angeordnet sind. Jedes Ventil wird über einen zugeordneten Kipphebel 50 betätigt, der durch eine Stösselstange 52 in ebenfalls bekannter Weise von einem nicht dargestellten Steuerantrieb gesteuert wird. Ein Zylinderkopfdeckel 54 schließt die beiden Kipphebel 50 nach außen ab. Die Verbrennungsluft wird in einem Kanal 42a zum Ansaugventil 44 geleitet, während die über Auslaßventil ausströmenden Abgase durch den Auslaßkanal 42b abgeleitet werden.

Die Arbeitsweise einer Viertakt-Einspritzbrennkraftmaschine der beschriebenen Art ist bekannt und soll hier deshalb nicht im einzelnen erläutert werden.

Zwischen den Gehäuseteilen' 32 und 34 ist ein schmaler Ringraum vorgesehen, der mit der vorstehend erwähnten Wasser-Anschlußstelle 12a leitungsmäßig verbunden ist, die im unteren Bereich der Gehäuseteile 32,34 angeordnet ist. Zwei Querbohrungen 58 stellen die Leitungsverbindung zwischen dem Ringraum 56 und zwei Bohrungen 60 dar, deren $ ede in einem seitlichen Flansch 32f des Gehäuseteiles 32 sitzt. Zwecks Kühlung des Zylinders 32,34 und des Zylinderkopfes 42 geht das Wasser in den Räumen 56»60 nach oben und tritt über zwei Durchlaßöffnungen 42d des Kopfes 42 aus den Bohrungen 60 in die Kühlkanäle 42k innerhalb des Zylinderkopfes 42 über.

Der Zylinderkopf 42 ist derart gestaltet, daß er zugleich als

senkrecht / Aufnahme für den Wärmetauscher 28 dient. Ein zur Zylinderachse ' stehender und wagrecht langgestreckter Kanal 42t ist von den rohrförmig gestalteten Wandungen 42w des Kopfes 42 begrenzt und über Zwischenwände 42z mit dem Kopf 42 zu einer einzigen Gehäuseeinheit geformt. Ein Verbindungskanal 42v ist zwischen den

130051/0251

Blatt 9 zürn Brief vom1 Ö . 06 .80 an DPA

;y:V^r^^Z ---τ-"--;--- - ~~ — 3021824

Wandungen 42w und 42z gebildet und verläuft parallel zürn Kanal 42t. Der Kanal 42v steht über einen kanalförmigen und unterhalb des Auslaßkanals 42b verlaufenden Durchbruch 42s mit dem Kühlkanal 42k in Leitungsverbindung, sodaß das Wasser aus dem Kühlleitungssystem im Zylinderkopf 42 in den Verbindungskanal 42v und über dessen MündungalÖffnung 42w weiter in den Bingkanal 42t überströmenkann.

Die rohrförmige Wandung 52w des Kopfes 42 ist an beiden Seiten zu ringförmigen Aufnahmeflanschen 42f geformt, in welchen der Wärmetauscher 28 angeordnet ist. Er besteht aus einer Vielzahl von dünnen Röhrchen 28a, die an ihren Enden in zwei Halteplatten 28b zusammengehalten sind. Der Wärmetauscher 28 kann auf diese Weise als eine in sich geschlossenen Einheit in die Aufnahmen 42f durch eine seitliche Öffnung 42o im Zylinderkopf 42 eingeführt werden, die durch einen Deckel 62 verschließbar ist. Der Abgas-Auslaßkanal 42b des Kopfes 42 mündet dagegen in eine Kammer 42bb zwischen der Aufnahme 42f und dem Deckel 62, sodaß die über das Auslaßventil 46 ausströmenden heißen Verbrennungsabgase aus der Kammer 42bb durch das Innere der dünnen Wärmetauscher-Röhrchen 28a hindurchfließen und auf der anderen Seite wieder austreten, um dann über ein Auslaßrohr 64 einer geeigneten Auslaßstelle zugeleitet zu werden.

Beim Durchströmen des Wärmetauschers 28, d.h. seiner Röhrchen 28a, geben die mit einer Temperatur von etwa 40O⁰C aus dem Zylinder ausströmenden Abgase einen großen Teil ihrer Wärme, die als Verlustwärme beim Verbrennungsvorgang anfällt, an das die Röhrchen 28a umgebende Wasser ab, sodaß die Abgase am Ausgangsrohr hur noch eine Wärme von etwa 150⁰C besitzen. Das durch die Abgase

Λ.-," λ ; ; :: 130i5l/025i

Blatt 10 zum Brief vom 10.06.80 an DPA

heißerwärmte Wasser tritt aus dem Kanal 42t durch eine Öffnung 42tt aus und wird über das Anschlußrohr 12c zu der Haüsbeheizungsanlage 2A- geleitet, um seine Wärme zu Hausbeheizung in bekannter Weise abzugeben·

Die Vorteile, welche sich aus der Gestaltung des Zylinderkopfes 42 als gleichzeitige Aufnahme für den Wärmetauscher 28 ergeben, sind bereits einleitend ausführlich erwähnt. Es sei deshalb nur noch hinzugefügt, daß -abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel- eine gemeinsame Gehäuseeinheit für Zylinderkopf und Wärmetauscher auch dann anwendbar wäre, wenn der Wärmeträger in der Heiζzungsanlage und das Kühlmittel für die Brennkraftmaschine nicht gleichartig (Wasser) sind. Außerdem könnte der zusätzliche Wärmetauscher (28) in ähnlicher Weise auch mit einem anderen Gehäuseteil als nur Zylinderkopf zu einer einzigen Einheit geformt werden, falls es bei bestimmten Brennkraftmaschinen angezeigt erscheint, die Verlustwärme an einer anderen Stelle als im Zylinderkopf abzunehmen und dort in den zusätzlichen Wärmetauscher einzugeben. Es wäre beispielsweise denkbar, das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine zugleich als Wärmetauscher-Aufnahme auszubilden, falls die Verlustwärme des dort gespeicherten heBen Schmieröls über den Wärmetauscher dem Heizwasser oder einem anderen Medium in der Hausbeheizungsanlage zugeführt werden sollte.

130051/0251

Claims

Pate ή ta η s ρ r ü c h e :

(1.iHeizungsanlage mit einer Wärmepumpe, deren Kompressor von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird, wobei die Verlustwärme der Brennkraftmaschine über mindestens einen Wärmetauscher auf den Wärmeträger im Heizungsnetz der Anlage übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Gehäuseteil (42) der Brennkraftmaschine (12)y an dem die Verlustwärme abgenommen wird, in der Weise gestaltet ist, daß er zugleich als Aufnahme für den Wärmetauscher(28) dient.
2. Anlage nach Anspruch 1 mit einer Brennkraftmaschine, deren Abgaswärme über den Wärmetauscher dem Wärmeträger im Heizungshetz zugegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der den Abgaskanal (42b) aufweisende Zylinderkopf (42) der Brennkraftmaschine (12) und die Aufnahme (42f) für den Wärmetauscher (28) derart zu einem einzigen Gehäusestück geformt sind, daß die Abgase der Brennkraftmaschine aus dem Abgaskanal unmittelbar zu dem im gleichen Gehäuseteil gelagerten Wärmetauscher geleitet werden und erst nach/dessen Durchfließen den Zylinderkopf verlassen.
3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderkopf>(42) der Brennkraftmaschine (12) mindestens ein dön Wärmetauscher ί28) umgebender Kanal (42t) vorgesehen ist, durch den der Wärmeträger aus dem Heizungsnetz (24) geleitet wird und dabei den von Abgasen durchflossenen Wärmetauscher umspülty ,

130051/0251

Blatt ² zum Brief vom 10,06.80 „„■ DPA
4-, Anlage nach Anspruch 2, mit Wasser als Wärmeträger im Heizungsnetz und mit einer durch Wasser gekühlten Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderkopf (4-2) der Brennkraftmaschine (12) mindestens ein den Wärmetauseher (28) umgebender Kanal (42t) vorgesehen ist, durch den das Wasser geleitet wird und dabei den von Abgasen durchflossenen Wärmetauscher umspült, wobei das nach Umspülung des Wärmetauschers erwärmte Wasser dem Heizungsnetz (24-) zugeleitet wird.
5. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetaucher (28) als eine in sich geschlossene Einheit ausgebildet und von außen auswechselbar in der Aufnahme (4-2f) im Zylinderkopf (4-2) der Brennkraftmaschine (12) angeordnet ist.
6. Anlage nach Anspruch 6 mit einem Wärmetauscher, der aus einer Vielzahl von parallelen und an ihren Enden in runden Haltern offen zusammengefassten Rohren besteht, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Halter (28b) in der im Zylinderkopf (42) der Brennkraftmaschine (12) ausgebildeten Aufnahme (4-2f) eine Lagerbohrung vorgesehen ist, in welcher der Halter abdichtend sitzt.

130051/0251