DE3341891A1

DE3341891A1 - Einrichtung zur waermeerzeugung

Info

Publication number: DE3341891A1
Application number: DE19833341891
Authority: DE
Inventors: Werner 7300 Esslingen Länder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-11-19
Filing date: 1983-11-19
Publication date: 1985-05-30

Description

7 300 Esslingen L62.32D2/m

Einrichtung zur Wärmeerzeugung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Wärmeerzeugung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wird eine Brennkraftmaschine zur Wärmeerzeugung, z.B. für eine Zentralheizung, benutzt, so kann die Wellenenergie zum Antrieb einer Wärmepumpe benutzt werden. Wo eine solche Wärmepumpe jedoch zu teuer ist, besteht das Problem, die Wellenenergie der Brennkraftmaschine in Wärme umzuwandeln und die Wärme verlustarm einem Wärmeverbraucher, z.B. einem Heizkörper oder dergleichen, zuzuführen.

Man kennt zur Wärmeerzeugung mechanische Bremsen, z.B. den Pronyschen Zaum, oder sogenannte Wasserwirbelbremsen; jedoch besteht bei mechanischen Bremsen die Gefahr schneller Abnutzung, und bei Wasserwirbelbremsen entstehen häufig Leckverluste an den Wellendichtungen, die ein ständiges Nachfüllen des Heizkreislaufes erforderlich machen.

Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, hier eine Verbesserung zu schaffen.

Nach der Erfindung wird dies erreicht durch die im Anspruch angegebenen Maßnahmen. Zweckmässig wird der Stator mit einem Flüssigkeitsdurchlaß versehen. Dieser kann dann mittels stationärer Verbindungselemente mit dem Wärmekreislauf der Einrichtung verbunden werden, so daß die Gefahr von Leckverlusten auch bei lang dauernder Benutzung ausscheidet. Man erhält hierdurch einen sehr sicheren Betrieb. Die Flüssigkeit im Flüssigkeit sdurchlaß der Induktionsmaschine nimmt die durch den Induktor induzierte Wärme (Kurzschlußströme, Wirbelstromverluste etc.) direkt auf, so daß man eine Umwandlung der mechanischen

Energie in Wärmeenergie mit sehr hohem Wirkungsgrad erhält, wobei der Aufbau der Einrichtung außerordentlich einfach ist. Außerdem hat eine solche Induktionsmaschine eine sehr günstige Kennlinie, denn wenn bei Belastung, z.B. durch einen angeschlossenen elektrischen Generator, die Drehzahl der Brennkraftmaschine sinkt, nimmt automatisch auch die Bremsleistung der Induktionsmaschine ab, so daß die Brennkraftmaschine entsprechend entlastet wird, wobei aber die Induktionsmaschine immer mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet. Außerdem kann bei einer solchen Induktionsmaschine das Bremsmoment sehr leicht verändert werden, wenn der Induktor in üblicher Weise mit einer Erregerwicklung versehen wird. Alternativ kommen für einfache Ausführungen auch Motoren mit permanentmagnetischer Erregung in Frage.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung von Wärme,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Induktionsmaschine, wobei Teile weggeschnitten dargestellt sind,

Fig. 3 einen Schnitt, gesehen längs der Linie III-III der Fig. 2, aber ohne den Rotor,

Fig. 4 eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Induktionsmaschine analog Fig. 2, wobei ebenfalls Teile weggeschnitten dargestellt sind, gesehen längs der Linie IV-IV der Fig. 5, und

Fig. 5 einen Schnitt, gesehen längs der Linie V-V der Fig. 4, wobei der Rotor nicht dargestellt ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung zur Erzeugung von Wärme hat als Antriebsaggregat eine Brennkraftmaschine 10, z.B. einen langsamlaufenden Einzylinder-Dieselmotor, einen langsamlaufenden Gasmotor, oder dergleichen. Diese Brennkraftmaschine 10 ,treibt über eine Kupplung 11 eine Induktionsmaschine 12 an, z.B. von der in den Fig. 2-5 dargestellten Art, und ferner einen elektrischen Generator 13, z.B. eine Kraftfahrzeug-Lichtmaschine bekannter Bauart. Der Generator 13 speist eine Pufferbatterie 14, welche ihrerseits über einen Wechselrichter 15 Verbraucher 16 mit elektrischer Energie versorgen kann.

Die Brennkraftmaschine 10 hat einen ersten Kühlkreislauf 17 im Zylinderkopf und einen zweiten Kühlkreislauf 18 im Auspuffwärmetauscher. Diese Kreisläufe können beim Anlauf durch einen - nicht dargestellten - Thermostaten kurzgeschlossen werden, um eine rasche Erwärmung der Brennkraftmaschine auf ihre Betriebstemperatur zu ermöglichen. Die Induktionsmaschine 12 hat einen Flüssigkeitszulauf 21 und einen Ablauf 22. Vom Ablauf 22 führt eine Verbindung 23 zum ersten Kühlkreislauf 17. Von diesem führt eine Verbindung 24 zum zweiten Kühlkreislauf 18, und von dort führt eine Verbindung 25 über einen Vorlauftemperaturfühler 26 zu einem Wärmetauscher 27, der seinerseits über eine Pumpe 28 mit dem Zulauf 21 der Induktionsmaschine 12 verbunden ist.

Im Sekundärkreis des Wärmetauschers 27 liegen eine Pumpe 31 und ein Wärmeverbraucher 32, z.B. ein oder mehrere Heizkörper. Naturgemäß können die Heizkörper 32 bei Bedarf auch direkt anstelle des Wärmetauschers 27 in den ersten Heizkreislauf eingefügt werden.'

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Ein Verteilregler 33 erhält über eine Leitung 34 Temperaturinformation vom Vorlauftemperaturfühler 26 und steuert dementsprechend die Induktionsmaschine 12 und den Generator 13 so, daß bei hoher Vorlauftemperatur die Bremsleistung der Induktionsmaschine 12 reduziert und dafür die Leistung des Generators 13 erhöht wird, während umgekehrt bei niedriger Vorlauftemperatur in der Leitung 25 die Bremsleistung der Induktionsmaschine 12 erhöht und die elektrische Leistung des Generators 13 reduziert wird. Außerdem kann die Leistung der Brennkraftmaschine 10 in.der üblichen Weise durch Verändern der Einspritzmenge oder dergleichen an den Wärmebedarf angepaßt werden.

Die Figuren 2 und 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Induktionsmaschine, hier in Innenläuferbauart. Naturgemäß kann in gleicher Weise auch eine Maschine der Außenläuferbauart, ein Flachmotor, etc. verwendet werden, und es ist ggf. auch Erzeugung der Wärme im Rotor möglich, wenn geeignete Anschlüsse für Zu- und Abfuhr zur Verfügung stehen. Bevorzugt wird aber die Wärmeabfuhr aus dem Stator, da hier die Gefahr von Leckverlusten am geringsten ist.

Der als Induktor dienende Rotor 35 der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Induktionsmaschine 12 ist beispielhaft als Doppel-T-Anker mit einer Erregerwicklung 36 dargestellt, die z.B. über (nicht dargestellte) Schleifringe oder über einen rotierenden Transformator bekannter Bauart mit einem Erregerstrom der jeweils erforderlichen Größe beaufschlagt werden kann. Dieser Erregerstrom wird z.B. vom Regler 33 gesteuert, kann aber naturgemäß auch in sonstiger Weise eingestellt werden, z.B. so, daß bei Verringerung der Einspritzmenge in der Brennkraftmaschine 10 auch der Erregerstrom reduziert wird. Der Rotor 35 ist über die Kupplung 11 mit der Brennkraftmaschine 10 gekuppelt. Seine Lagerung ist von bekannter Bauart und daher nicht dargestellt.

Der Stator 38 hat, wie dargestellt, ein Blechpaket 39, in das hohle Kurzschlußstäbe 40 eingesetzt sind, die an beiden Enden

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mit je einem hohlen Kurzschlußring 41 bzw. 42 verbunden sind, der jeweils durch einen mit Schrauben 43 befestigten Deckel 44 bzw. 45 verschlossen ist. Am Kurzschlußring 41 ist der Zulaufanschluß 21 vorgesehen, am Kurzschlußring 42 der Ablaufanschluß 22. Wie dargestellt, liegen sich diese beiden Anschlüsse etwa diagonal gegenüber.

Wenn sich also der Rotor 35 dreht, erzeugt er Kurzschlußströme in den Kurζschlußstäben 40 und den Kurzschlußringen 41, 42. Flüssigkeit, z.B. Wasse-r, . strömt vom Zulauf 21 durch einen Ringkanal 47 im Kurzschlußring 41, die hohlen Stäbe 40, sowie einen Ringkanal 48 im Kurzschlußring 42 zum Flüssigkeitsablauf 22, und wird dabei durch die von den KurζSchlußringen und KurζSchlußstaben abgegebene Wärme erwärmt. Anschließend durchströmt diese bereits erwärmte Flüssigkeit die Kühlkreisläufe 17 und 18 der Brennkraftmaschine 10, wird dort noch weiter auf die gewünschte Vorlauftemperatur erwärmt, und strömt zum Wärmetauscher 27, wo sie die Wärme an den Sekundärkreislauf und damit den Verbraucher 32 abgibt. Alternativ kann auch anstelle des Wärmetauschers 27 direkt ein Verbraucher angeschlossen sein.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine vereinfachte Bauart einer Induktionsmaschine 12'. Gleiche oder gleichwirkende Teile wie in den vorhergehenden Figuren werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie dort und werden gewöhnlich nicht nochmals beschrieben.

Der Rotor 35 ist identisch aufgebaut wie bei FJg. 2 und 3. Der Stator ist in Form eines hohlen Mantels 50 aufgebaut, z.B. aus Stahl oder aus Messing, Kupfer oder dergleichen. An seinem in Fig. 5 rechten Ende ist dieser Mantel 50 durch einen angeschweißten Deckel 51 verschlossen, an seinem linken Ende durch einen aufgeschraubten Deckel 52. Der Mantel 50 hat links hinten, bezogen auf Fig. 5, seinen Zulauf 21, und rechts vorne seinen Ablauf 22.

Der Hohlraum 54 im Mantel 50 wird von der zu erwärmenden Flüssigkeit des Heizkreislaufs durchströmt. Die durch den Rotor 35 im Mantel 50 induzierten Kurzschluß- und Wirbelströme erwärmen diesen Mantel und damit die ihn durchströmend' Flüssigkeit. Im Mantel 50 werden zweckmässig Leitbleche angeordnet, da dort sonst die Flüssigkeit etwa mit der Drehzahl des Rotors 35 rotieren kann.

Naturgemäß ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Z.B. könnten bei der Induktionsmaschine nach Fig. 2 und 3 Kühlschlangen direkt auf die Deckel 44 und 45 aufgelötet werden, und man könnte dann auf diese Weise die Wärme von den Kurzschlußringen 41, 42 abführen. Die Bauart gemäß Fig. 4 und 5 wird aber wegen ihrer großen Einfachheit bevorzugt.

Ebenso kann es in vielen Fällen sehr vorteilhaft sein, bei dem Kreislauf nach Fig. 1 die Induktionsmaschine 12 nicht - wie dargestellt - im Zulauf der Brennkraftmaschine anzuordnen, sondern zwischen der Brennkraftmaschine 10 und dem Vorlauftemperaturfühler 26. Die Induktionsmaschine 12 erhöht dann die Temperatur des aus der Brennkraftmaschine austretenden Kühlmittels weiter. Man kann so ggf. besser auf den optimalen Kühltemperaturbereich der Brennkraftmaschine 10 Rücksicht nehmen, der häufig zwischen 40 und 60° C liegt.

Für einfachere Anlagen kann der Induktor 35, 36 auch mit eine Permanentmagneten ausgerüstet sein, um die Kosten für die elektrische Erregung des Rotors einzusparen.

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Claims

PATENTANWALTRAIBLE TELEFOIM-(O711>.85484S « ΡΔΤΡΜΤΔΜΝΛ/ΔΙ Τ

7OOO STUTTGART 1 TELEGRAMME: ABELPAT STUTTGART mi UIN IMINVVMUI

LENBACHSTRASSE 32 POSTSCHECK STUTTGART 744ΟΟ-7Ο8 |~M m ΙΚΙΛ LJAMO Γ3 Λ I CTD I CT

LANDESGiROKAssESTUTTGART 2915 076 LJIM ~IIno. MAIno r<Altz5Ltl

ZUGELASSENER VERTRETER BEIM EUROR PATENTAMT EUROPEAN PATENT ATTORNEY

Werner Länder STUTTGART, den 2.11.1983

Esslingen anwaltsakte: L6 2.32D2/m

Ansprüche

Einrichtung zur Wärmeerzeugung, insbesondere Heizeinrichtung, mit einer Brennkraftmaschine (10), insbesondere einem langsamlaufenden Dieselmotor, und einem von dieser Brennkraftmaschine (10) angetriebenen Umformgerät zur Umformung von an der Welle der Brennkraftmaschine abgegebener mechanischer Energie in Wärme,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Umformgerät als eine einen Rotor (35) und einen Stator (38; 50) aufweisende Induktionsmaschine (12; 12") ausgebildet ist, bei der Rotor oder Stator als Induktor ausgebildet ist und das entsprechende Gegenstück, also Stator oder Rotor, mit mindestens einem Flüssigkeitsdurchlaß versehen ist, wobei dieser mindestens eine Flüssigkeitsdurchlaß Bestandteil eines Wärmekreislaufs der wärmeerzeugenden Einrichtung ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Flussigkeitsdurchlaß (40; 54) mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine (10) in Reihe geschaltet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Flüssigkeitsdurchströmrichtung gesehen der mindestens eine Flüssigkeitsdurchlaß (40; 54) der Induktionsmaschine (12; 12') dem Kühlkreislauf (17, 18) der Brennkraftmaschine (10) vor- oder nachgeschaltet ist.
4. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor als durch einen Stromfluß variabel erregbares Polrad (35) ausgebildet ist.

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5. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsdurchlaß in Form einer Kühlspirale an einer Stirnfläche des Stators, insbesondere einem Kurzschlußring desselben, ausgebildet ist.
6. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsdurchlaß in KurζSchlußstäben (40) einer im Stator vorgesehenen Kurzschlußwicklung ausgebildet ist.
7. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator in Form eines im Bereich des Magnetfelds des Induktors (35) angeordneten hohlen Mantels (50) ausgebildet ist, der mit Anschlüssen (21, 22) für Zu- und Abfuhr des Wärmemediums versehen ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (50) auf seiner Innenseite zur Erzielung einer gleichmässigen Wärmeabfuhr mit Flussigkeitsleitelementen versehen ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (21, 22) für Zu- und Abfuhr des Kühlmittels, bezogen auf die Längsachse der Induktionsmaschine, gegeneinander versetzt sind.
10. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Brennkraftmaschine (10) auch ein Generator (13) gekuppelt ist, und daß ein Temperaturregler (26, 33) vorgesehen ist, welcher bei zu hoher Vorlauftemperatur die Erregung des Induktors (35) der Induktionsmaschine (12) reduziert und die abgegebene Leistung des elektrischen Generators (13) erhöht, um ein Arbeiten der Brennkraftmaschine (10) mit etwa konstanter Last zu ermöglichen.