DE3816483A1

DE3816483A1 - Einheit aus einer verbrennungsmaschine und einem mit diesem gekoppelten generator

Info

Publication number: DE3816483A1
Application number: DE3816483A
Authority: DE
Inventors: Alfons Werner
Original assignee: EPI GES fur WAERMETECHNIK und
Current assignee: EPI GES fur WAERMETECHNIK und
Priority date: 1988-05-13
Filing date: 1988-05-13
Publication date: 1989-11-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einheit nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1.

Eine solche Einheit stellt eine Energieversorgungsanlage im Sinne eines Blockheizkraftwerkes dar, das je nach Verwendungs fall als stationäre oder auch als verfahrbare Anlage benutzt werden kann. Für den letzteren Verwendungsfall kommen insbe sondere kleinere, vorfertigbare Blockeinheiten in Betracht, die als Ganzes gehandhabt und transportiert werden können.

Bei einer solchen Energieversorgungsanlage ist schon vorge schlagen worden, die Abwärme der Einheit auszunutzen. Hierzu kann ein Kühlmittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher zur Rückgewin nung der Wärmeenergie des Kühlmittels der Verbrennungsmaschine nach Aufheizung durch die Verbrennungsmaschine und ein Luft/ Flüssigkeits-Wärmetauscher zur Rückgewinnung der Wärmeenergie der Luft nach Aufheizung durch die Einheit dienen. Die rückge wonnene Wärmeenergie kann durch Zuführung zu einem Verbraucher nutzbar gemacht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einheit der eingangs bezeichneten Art die Ausnutzung der vorhandenen Ener gie zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An spruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist es möglich, die durch den Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher zurückgewonnene Wärme energie wahlweise in einem Kreislauf mit dem Kühlmittel/Flüs sigkeits-Wärmetauscher oder separat dem Verbraucher zuzuführen. Hierdurch ergeben sich Möglichkeiten einer gezielten Energie ausnutzung. Für den Fall, daß die Betriebstemperatur der Ver brennungsmaschine verhältnismäßig niedrig ist, der Verbraucher eine große Wärmemenge abnimmt und/oder eine hohe Betriebstem peratur angestrebt wird, kann die durch den Luft/Flüssig keits-Wärmetauscher zurückgewonnene Wärmeenergie zumindest dem Kühlmittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher und/oder dem Verbraucher zugeführt werden. Es ist auch möglich, die mit dem Luft/Flüs sigkeits-Wärmetauscher und mit dem Kühlmittel/Flüssigkeits- Wärmetauscher aufgenommene Wärmeenergie in einem Kreislauf dem Verbraucher zuzuführen, wobei je nach Betriebszustand der Verbrennungsmaschine bzw. der Einheit und auch je nach Wärmeaufnahme des Verbrauchers das dem Kühlmittel/Flüssigkeits- Wärmetauscher zuführbare Wärmetauschermedium eine Vorwärmung oder auch eine Abkühlung erfahren kann zur Vor- bzw. zusätz lichen Erwärmung der Abkühlung der Verbrennungsmaschine.

Die Möglichkeit der Vorwärmung ist insbesondere dann interes sant, wenn der Wärmebedarf des Verbrauchers höher ist als die Wärmemenge, die durch den Kühlmittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher zur Verfügung stellbar ist (Anspruch 2).

Dies läßt sich durch ein Umschaltventil gemäß Anspruch 3 er reichen, daß die wahlweise Zuschaltbarkeit des Luft/Flüssig keits-Wärmetauschers ermöglicht.

Je nach Energiehaushalt des Verbrauchers kann dann, wenn die Energieaufnahme des Verbrauchers gering ist bzw. letzterer gesättigt ist, der Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher als Kühler dienen, und zwar sowohl über den Kühlmittel/Flüssigkeits- Wärmetauscher für des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf der Verbrennungsmaschine. (Ansprüche 4 bis 7)

Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, eine Abgas- Wärmerückgewinnung in den Kreislauf einzubeziehen (Ansprüche 8 bis 10).

In den Ansprüchen 11 bis 13 sind Merkmale enthalten, die sich auf eine wenigstens teilweise Kapselung der Einheit beziehen, wodurch sowohl Wärme- als auch Schallschutz-Maßnahmen er reichbar sind und darüber hinaus eine Modulbauweise ermöglicht ist, die Vorfertigung und einfache Montage und Wartung ermög licht.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Wärmerückgewinnungskreislauf für eine Einheit aus einer Verbrennungsmaschine und einen mit dieser gekop pelten Generator in schematischer Darstellung;

Fig. 2 den Wärmerückgewinnungskreislauf in abgewandelter Aus gestaltung mit zusätzlicher Wärmerückgewinnung aus dem Abgas der Verbrennungsmaschine;

Fig. 3 die Einheit in Blockbauweise.

Der allgemein mit 1 bezeichnete Wärmerückgewinnungskreislauf ist an einen lediglich angedeuteten Verbraucher 3 wie eine Heizeinrichtung, ein Speicher (z. B. einem Erdspeicher) od. dgl. angeschlossen und er weist in Strömungsrichtung 4 hintereinander zwei Paar Parallelleitungsabschnitte 5, 5.1 und 6, 6.1 auf, an deren in Strömungsrichtung 4 jeweils erster Abzweigung jeweils ein elektrisch ansteuerbares Ventil 7, 8 angeordnet ist, das jeweils zwei Ausgänge 9, 9.1 bzw. 11, 11.1 zur wahlweisen Einschaltung der Parallelleitungsabschnitte 5, 5.1, 6 und/oder 6.1 aufweisen. Der Parallelleitungsabschnitt 5 führt zu einem Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 12, der einem durch den Pfeil 13 angedeuteten und durch einen vorzugsweise elektrisch angetriebenen Ventilator 14 erzeugten Luftstrom ausgesetzt ist, der die nicht dargestellte Verbrennungsmaschine und den nicht dargestellten Generator bestreicht.

Der Parallelleitungsabschnitt 6 führt zu einem Kühlmittel/ Flüssigkeits-Wärmetauscher 15, durch den hindurch eine Kühl mittel-Kreislaufleitung 16 der Verbrennungsmaschine zwecks Wärmetausch hindurchgeführt ist.

Den Parallelleitungsabschnitten 5 und 6 ist jeweils ein andeu tungsweise dargestelltes Sicherheitsventil oder Sicherheits detektor 17 zugeordnet.

Die einander zugehörigen Parallelleitungsabschnitte 5, 5.1; 6, 6.1 sind an in Strömungsrichtung 4 sekundären Zweigstellen 19, 20 wieder miteinander verbunden. Eine Pumpe 21 befindet sich im Wärmerückgewinnungskreislauf 1 zwischen dem Verbraucher 3 und dem ersten Ventil 7. Dem Wärmerückgewinnungskreislauf 1 ist ein Ausdehnungsgefäß 22 zugeordnet, das durch einen Leitungsab schnitt 23 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen der Zweigstelle 20 und dem Verbraucher 3 an den Wärmerückgewin nungskreislauf 1 angeschlossen ist. Der Leitungsabschnitt 23 ist mit einem Sicherheitsventil 24 verbunden. Im Wärmerückge winnungskreislauf 1 sind ferner zwischen dem Leitungsabschnitt 23 und dem Verbraucher 3 sowie vor und hinter der Pumpe 21 manuell betätigbare Sperrventile 25 zugeordnet. Für den An schluß des Verbrauchers 3, des Luft/Flüssigkeits-Wärmetau schers 12 und des Kühlkreislaufs der Verbrennungsmaschine sind andeutungsweise dargestellte Anschlüsse 26 in den jeweiligen Leitungsabschnitten vorgesehen. Solche Anschlüsse können auch im Parallelleitungsabschnitt 6 vorgesehen sein, jedoch ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Kühlmittel/Flüssigkeits- Wärmetauscher 15 mit dem Wärmerückgewinnungskreislauf 1 ohne besondere Anschlüsse als Baueinheit verbunden.

Zur Ermittlung der jeweiligen Temperatur der im Wärmerückge winnungskreislauf 1 strömenden Wärmetauschermediums, hier eine Flüssigkeit, insbesondere der den Kühlmittel/Flüssigkeits- Wärmetauscher 15 verlassenden Flüssigkeit und der Temperatur der zum Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 12 führbaren Flüssig keit ist in Strömungsrichtung vor dem Ventil 7 und im Kühl mittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher 15 verlassenden Parallel leitungsabschnitt 6 jeweils ein Temperaturmesser 27, 28 vor gesehen, die durch Signalleitungen mit einer nicht darge stellten elektrischen Steuereinrichtung verbunden sind, die ebenfalls durch Signalleitungen mit den die Ventile 7, 8 an steuernden Antrieben, hier Elektromagnete 29, 31 verbunden sind.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht es, wahlweise die vom Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 12 und/oder die vom Kühl mittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher 15 aufgenommene Wärme in den Wärmerückgewinnungskreislauf 1 einzubeziehen bzw. dem Verbrau cher 3 zuzuführen. Hierdurch läßt sich je nach Wärmehaushalt im Verbraucher 3 und/oder im Kühlmittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher 15 eine Zu- oder Abschaltung des Luft/Flüssigkeits-Wärmetau schers 12 und/oder Kühlmittel/Flüssigkeits-Wärmetauschers 15 vom Wärmerückgewinnungskreislauf 1 bzw. vom Verbraucher 3 und damit eine Vorwärmung oder Kühlung des Kühlmittels und somit der Verbrennungsmaschine erreichen.

Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, an Stelle von Um schaltventilen 7, 8 in Stufen oder stufenlos steuerbare Ven tile einzusetzen, so daß auch Teilmengen der jeweiligen Strö mung steuerbar bzw. regelbar sind. Beim vorliegenden bevorzug ten Ausführungsbeispiel ist das die Parallelleitungsabschnitte 6, 6.1 steuernde Ventil 8 ein Regelventil.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unterscheidet sich vom vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, daß zusätzlich eine Abgaswärmerückgewinnung in den Wärmerückgewinnungskreis lauf 1 einbezogen ist. Es ist die vorhandene Abgasleitung 41 der Verbrennungsmaschine mit zwei von einer Abzweigung 42 ausgehenden Abgas-Leitungsabschnitten 43, 44 dargestellt, mit jeweils einer Drosselklappe 45, 46 in den Leitungsabschnitten 43, 44, die durch einen Antriebsmotor 47 verstellbar sind. Dem einen Abgas-Leitungsabschnitt 44 ist in Abgasströmungsrichtung 48 hinter der Drosselklappe 46 ein Wärmetauscher 51 zugeordnet, der durch einen Parallelleitungsabschnitt wahlweise mit dem Wärmerückgewinnungskreislauf 1 zu verbinden ist. Beim vorlie genden Ausführungsbeispiel ist der mit 52 bezeichnete Paral lelleitungsabschnitt parallel zu den Parallelleitungsabschnit ten 5 und 6 angeordnet, d. h. der Wärmetauscher 51 ist unabhängig vom Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 12 und/oder Kühlmittel/ Flüssigkeits-Wärmetauscher 15 mit dem Wärmerückgewinnungskreis lauf 1 verbindbar. In diesem Wärmerückgewinnungskreislauf 1 sind in Strömungsrichtung 4 vor und hinter dem Verbraucher 3 jeweils ein Abzweig bzw. Verteilerstück 53, 54 eingesetzt, wobei der den Wärmetauscher 51 enthaltende Parallelleitungs abschnitt 52 parallel zum übrigen Abschnitt des Wärmerückge winnungskreislaufs 1 an die Verteilerstücke 53, 54 ange schlossen ist. Dem Parallelleitungsabschnitt 52 ist eine eigene Pumpe 55 zwischen dem Verteilerstück 53 und dem Wärmetauscher 51 zugeordnet, und zwar mit vor und hinter der Pumpe 55 ange ordneten Sperrventilen 25. Wie schon der Luft/Flüssigkeits- Wärmetauscher 12 ist auch der Wärmetauscher 51 über besondere Anschlüsse 26 im Parallelleitungsabschnitt 52 angeschlossen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 kann durch Einschaltung des Parallelleitungsabschnitts 52 vom Wärmetauscher 51 auf genommene Abgaswärme in den Wärmerückgewinnungskreislauf 1 aufgenommen werden, wobei sie dem Verbraucher zugeführt wird, wenn dieser Wärmebedarf hat. Andererseits kann diese Abgaswärme auch dem Kühlmittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher 15 zwecks Wärme abgabe bzw. Vorwärmung oder dem Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 12 zwecks Wärmeabgabe zugeführt werden. Dem den Wärmetauscher 51 verlassenden Teil des Parallelleitungsabschnitts 52 und/oder dem Wärmetauscher 51, sind ein oder zwei Temperaturmesser 30 zugeordnet und nach dessen Signalen der Parallelleitungsabschnitt 52 mittels der Pumpe 55 zugeschaltet wird, und zwar vorzugs weise dann, wenn die jeweilige Temperatur einen vorbestimmten Wert übersteigt.

Wie aus Fig. 3 deutlich zu entnehmen ist, sind die Verbren nungsmaschine 61 und ein Generator 62 auf einem Grundgestell 63 befestigt und sie bilden mit den übrigen Teilen des Wärmerück gewinnungskreislaufs 1 eine allgemein mit 64 bezeichnete Bau einheit bzw. einen Block, die durch eine lösbar befestigte Tunnelwand 65 vorzugsweise aus wärme- und/oder schalldämmen den Material mit endseitigen Durchgangsöffnungen 66, 67 über deckt ist. Die Tunnelwand 65 dämmt in der Querrichtung des Tunnels 68 sowohl den von der Baueinheit 64 abgegebenen Schall als auch die abgegebene Wärme. Der hier nicht dargestellte Ventilator 14 ist im Tunnel 68 vorzugsweise hinter der Verbren nungsmaschine 61 angeordnet und erzeugt eine mit 69 verdeut lichte Luftströmung. Die Tunnelwand 65 kann wie angedeutet in einzelne Abschnitte 65.1 . . . 65.4 unterteilt sein, die ent sprechenden Teilabschnitten oder Modulen der Baueinheit 64 je weils zugeordnet sind, was Vorfertigung, Transport, Montage und Wartung wesentlich vereinfacht.

Claims

1. Einheit (1) aus einer Verbrennungsmaschine (61) und einem mit diesem gekoppelten Generator (62),
mit einem Kühlmittelkreislauf (16) der Verbrennungsmaschi ne (61),
mit einer Umwälzeinrichtung (14) zur zwangsweisen Umwälzung von Luft über die Einheit,
mit einem Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (12) zur Rückge winnung der Wärmeenergie der Luft nach Aufheizung durch die Einheit (1) und
mit einem Kühlmittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher (15) zur Rückgewinnung der Wärmeenergie des Kühlmittels nach Aufhei zung durch die Verbrennungsmaschine (61),
wobei rückgewonnene Wärmeenergie einem Verbraucher (3) zu führbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (12) wahlweise in Reihe mit dem Kühlmittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher (15) und in Strömungsrichtung (4) des Flüssigkeitskreislaufes (1) vor diesem schaltbar ist und daß ein Bypaß (6.1) zum Kühlmittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher (15) abhängig von der Flüssigkeits-Austrittstemperatur (28) des Kühlmittel/ Flüssigkeits-Wärmetauschers (15) durchströmbar ist.

2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (12) zuschaltbar ist, wenn der Wärmebedarf des Verbrauchers (3) im Flüssig keitskreislauf (1) höher ist als die Wärmemenge, die durch den Kühlmittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher (15) zur Verfügung stellbar ist.

3. Einheit nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Magnet-Ventil (7) im Flüssigkeitskreislauf (1), dessen einer Ausgang (9) mit dem Flüssigkeitseintritt des Luft/ Flüssigkeits-Wärmetauschers (12) und dessen anderer Ausgang (9.1) mit dem Kühlmittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher (15) verbindbar ist und das beim Unterschreiten eines vorge gebenen Wertes der Temperatur (27) am Eingang der erste Ausgang (9) öffnet.

4. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Magnet-Ventil (8) im Wärmerückgewinnungskreis (1), dessen einer Ausgang (11) mit dem Eingang des Kühlmittel/ Flüssigkeits-Wärmetauschers (15) und dessen anderer Ausgang (11.1) mit dem Bypaß (6.1) verbindbar ist.

5. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (12) zuschaltbar ist, wenn der Verbraucher (3) keine Wärmeenergie vom Kühl mittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher (15) mehr aufnehmen kann.

6. Einheit nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnet-Ventil (7) den ersten Ausgang ferner öff net, wenn die Temperatur (27) am Eingang einen vorgege benen Wert überschreitet.

7. Einheit nach Anspruch 3 bis 5 bzw. 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnet-Ventil (7) den ersten Ausgang (9) ferner öffnet, wenn die Temperatur im Kühlmittelkreislauf (16) nach dem Kühlmittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher (15) einen vorgegebenen Wert von etwa mindestens 90°C überschreitet.

8. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Ab- und/oder Rauchgas/Flüssigkeits-Wärmetauscher (51) parallel zum Kühlmittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher (15).

9. Einheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ab- und/oder Rauchgas/Flüssigkeits-Wärmetauscher (51) auch parallel zum Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (12) angeordnet ist.

10. Einheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem den Ab- und/oder Rauchgas/Flüssigkeits-Wärmetau scher (51) enthaltenden Parallelleitungsabschnitt (52) eine separate Umwälzpumpe (55) zugeordnet ist.

11. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (1) einschließlich der Wärmetauscher (12, 15, 51) und der Umwälzeinrichtung (14) von einer Wärme- und/oder Schallschutz-Verkleidung (65) umgeben ist, wobei ein Durchgangsweg (68) für die Luft freigehalten ist.

12. Einheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (65) die Form eines Tunnels hat.

13. Einheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (65) zumindest teilweise lösbar gehalten ist.