DE9201493U1

DE9201493U1 - Energiesparende Kraft-Wärmekopplung

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Publication number: DE9201493U1
Application number: DE9201493U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-02-06
Filing date: 1992-02-06
Publication date: 1992-06-11
Anticipated expiration: 2002-02-07

Description

PATENTANWÄLTE
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Energiesparende Kraft-wärmekopplung

Die Erfindung betrifft eine energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage mit Verbrennungsmotor, Generator, Dampfkreislauf und Wärmerückgewinn.

Solche bekannten Kraft-Wärmekopplungen sollen hinsichtlich ihres Wirkungsgrades verbessert werden.

Mit einer solchen Kraft-Wärmekopplung soll der Wirkungsgrad vor allen Dingen bei Anlagen, die unabhängig vom Stromnetz arbeiten, verbessert werden. Das Gebiet betrifft auch schwere Dieselmotoren. In diesem Zusammenhang sollen eigene Kühler und Lüfter der Aggregate eingespart werden.

Erreicht wird diese Wirkungsgradverbesserung durch einen Kältemittelkreislauf mit Kompressor, Verdampfer, Regelschalter und Durchführung durch den Verdampfer, wobei das als Kühlmittel insbesondere verwendete Frigen (Freon) bei seiner Rückführung in den gasförmigen Zustand aus einem kombinierten Heißwasserspeicher/Kondensator in einem Entspannungsventil entspannt wird, den mit dem Verbrennungsmotor kombinierten Verdampfer im gasförmigen Zustand durchströmt und dort die Abgaswärme des Verbrennungsmotors aufnimmt und ggf. zusätzlich die Wärme aus dem Rückstrom des Abhitzekessels aufnimmt, dann in den flüssigen Zustand unter Erwärmen komprimiert wird und seine Wärme im Speisewasservorwärmer an das Speisewasser abgibt, flüssig wird und dann durch einen Filtertrockner, wo es gespeichert wird, und nach Abruf über das Entspannungsventil in den Verdampfer gegeben wird.

Vorzugsweise ist eine elektromagnetische Kupplung für das Einschalten des Kompressors zur Vermeidung einer Vereisung gasgesteuert durch einen Regler vorgesehen und regelt damit den Wärmerückgewinnungskreislauf.

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Zweckmäßig saugt der Kompressor gasförmiges Kältemittel aus dem Verdampfer unter geringem Druck an.

Zweckmäßig besteht der Dampfkreislauf aus dem Speisewasservorwärmer/Heißwasserspeicher; einem Abhitzekessel/Umformer, einem diesem nachgeschalteten Dampfmotor und einem Abgaswärmeaustauscher zur Kondensation, wobei die entstehende Wärme aus dem Verdampfer abgegeben wird sowie einer Rückführleitung mit Pumpe zum Heißwasserspeichern.

Günstig kann der Abgaskreislauf wie folgt aufgebaut sein. Motor mit geringem Kraftstoffverbrauch. Isolierte Abgasleiter.

Hochdruckabhitzekessel, wo Hochdruckdampf, insbesondere von 25 - 30 bar und einer Temperatur von 250-300⁰C zum Antrieb des Dampfmotors erzeugt wird,

wobei Motor wie Dampfmotor je einen Generator treiben; Filter, wo die Rauchgase auf 40⁰C abgekühlt sind; Wärmeaustauscher; Motorkühler und schließlich Verdampfer.

Der Dampfmotor kann ein Spillings-Dampfmotor von mehr als 10 kw sein.

Zur Erreichung des günstigen Wirkungsgrades sind sämtliche Leitungen des Systems einschließlich des Heißwasserbehälters, Wärmeaustauschers, bestmöglichst isoliert, um die Wärmeverluste gering zu halten.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden:

Diese zeigt ein Schema einer solchen Anlage. Die miteingereichte bunte Zeichnung dient der Übersichtlichkeit

-3-des Sachverhaltes.

Der Verbrennungsmotor (1); Diesel, Rapsölmetylester,Benzin, usw.

treibt einen Generator (2) an.

Es sollte ein Motor mit einem niedrigen Kraftstoffverbrauch sein.

Die ca. 500-600 'Grad- C.Jieißen Abgase des Motors werden über die isolierte Leitung (3) zu einem Umformer (4) geleitet und erzeugen dort Hochdruckdampf mit ca. 100-150 bar und einer Themperatur von ca. 140-180 ¹C zum antrieb eines Dampfmotores (5) ebenfals mit Generator (2).

Die auf ca. 40 ¹C abgekühlten Auspuffgase werden über den Filter (6) gereinigt und durch den Wärmetauscher (?), dem Motorkühler (8) und dem Verdampfer (9) geleitet und übertragen dadurch Wärme vom Wärmetauscher (7) und Motorkühler (8) zum Verdampfer (9) der diese aufnimmt.

Der Dampfmotorantriebskreislauf: (10-15)

Das im Heißwasserspeicher (13) mit ca. 70¹C und unter einem Druck von ca. 80-100 bar gespeicherte Heißwasser gelangt über die Leitung 15 und

das Rückschlagventil (R) zum Umformer (4) wird dort in Dampf mit 140-180¹C und 100-150 bar Druck verwandelt und treibt den Dampfmotor (5)

Der fast drucklose und noch ca 70'&bgr; heiße Dampf wird über die isolierte

Leitung (1Q) durch den Wärmetauscher (75 geleitet und kondensiert dort.

Die durchströmende Abluft des Motors nimmt die dabei entstehende Wärme auf und gibt sie an den Verdampfer (9) ab.

Das entstandene Wasser wird mit der Pumpe (12) mit einem Druck von ca.

80 bar wieder in den Heißwasserspeicher (13) zurückgepumpt nachdem es

im Sammelbehälter (11) gesammelt wurde.

Der Wärmerückgewinnungskreislauf: (22)

Der Kompressor (16) saugt gasförmiges Kältemittel unter

geringem Druck aus

dem Verdampfer (9) an, verdichtet es auf ca. 16-20 bar . Das Kältemittel durchströmt den Kondensator (14) der sich im Heißwasserspeicher (13) befindet und erwärmt das Wasseer auf ca. 70'C. Diese Wärmeabgabe bewirkt eine verflüssigung des Kältemittels das immer noch unter 16-20 bar Druck steht.

Das flüssige Kältemittel fließt dann durch den Filtertrockner (17), wo es gereinigt und zugleich für die Abgabe in den Verdampfer (9) gespeicheri wird.

Das Entspannung^ ventil (18) drosselt den durchfluß des Kältemittels das noch-immer unter Druck steht; dadurch verringern sich Druck und Themperatur. Somit kann es im Verdampfer (9) wieder Wärme aufnehme &eegr; wo es wieder gasförmig wird.

Mit hilfe der elektromagnetischen Kupplung (21) des Kompressors (16) und des Themperaturfühlers (19) und des Regelschalters (20) wird der Wärmerückgewinnungskreislauf überwacht und geregelt. Als Kältemittel wird Frigen verwendet werden jedoch ist ein Umweltfreundlicheres Kältemittel genauso anzuwenden.

Sämmtliche Leitungen des Wärmerückgewinnungskreislaufes werden isoliert sowie der Heißwasserbehälter, der Wärmetauscherzusammenbau und die Leitungen um die Wär.never]uste bögliebst gering zu halten.

Besonders wichtig für die Kraft-Wärmekopplung ist der mit Frigen betriebene Kreislauf. Das Frigen wird bei 18 entspannt, ist dann gasförmig, durchströmt einen Verdampfer 9 und nimmt dort die Wärme der Abgase aus dem Verbrennungsmotor, aber auch die Abwärme aus dem Rückstrom (nach Durchströmen des Abhitzekessels 4) auf. Das Frigen wird durch den angedeuteten Kompressor 16 komprimiert, erwärmt sich dabei und wird flüssig. Das Frigen gibt andererseits im Speisewasservorwärmer seine Wärme an das Speisewasser 13 über einen im Speisewasser angeordneten Kondensator 14 ab, verdampft dann durch einen Filtertrockner 17 und geht über das erwähnte Entspannungsventil.

Temperaturfühler 19 und Regelschalter 20 steuern den Temperaturkreislauf. Eine elektromagnetische Kupplung 21 des Kompressors wird gesteuert und überwacht. Diese Kupplung dient dazu, den Kompressor ein- bzw. auszuschalten, damit nicht etwa eine Vereisung eintreten kann. In der Fachsprache der Landtechnik insbesondere wird der Verdampfer 9 auch als "Klimaanlage" bezeichnet.

Gerade auch in dem Frigen- oder Kältemittelkreislauf sind sämtliche Leitungen ausgezeichnet isoliert und ermöglichen so eine bestmögliche Ausnützung der im flüssigen Kraftstoff vorhandenen Energie.

Nicht nur die Leitungen, sondern auch die Wärmeaustauscher und Kessel sind bestmöglich isoliert, um die im flüssigen Kraftstoff vorhandene Energie bestmöglich auszunützen.

Die derzeitige Energieverteilung mit 32% Nutzarbeit, 29% Abgasenergie, 32% Kühlenergie und 7% Strahlung wird beim Anmeldungsgegenstand klar überschritten.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung kann beispielsweise Strom unabhängig vom Stromnetz ohne weiteres erzeugt werden. Die Anwendung auf schwere Dieselmotoren ist in Betracht gezogen.

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Als Kessel können Hochdruckröhrenkessel verwendet werden. Der sogenannte Spillings-Dampfmotor, den es ab 10 Kw gibt und der an sich keinen Teil der Erfindung (suigeneres) ist, kann verwendet werden.

Eingespart werden kann ein eigener Kühler bzw. Lüfter.

Auf der Darstellung ist der Dampfmotor aus Platzgründen innerhalb des Kessels skizziert. Dort gehört er in der Praxis natürlich nicht hin.

Rückschlagventile R sind in der Anlage verteilt. Die elektromagnetische Kompressorkupplung 21, die eine Vereisung zu vermeiden hat und den Kompressor ein- und ausschaltet, wird abhangig von einem Regler 20 aufgrund des Messens einer Sonde im Verdampfer gesteuert. Bei W in der zeichnung ist noch die Wassereinspeisung in den Speisewasservorwärmer 13 gezeigt. Der Kompressor 16 kann vom Motor 1 aus getrieben werden.

In der bunten Darstellung Kraftwärmekupplung ist jedes Fluid und jeder Zustand des Fluides mit einer besonderen Farbe gekennzeichnet.

Hierbei ist

a = Auspuffgase vom Motor

b = vorgeheiztes Wasser zum Hochdruckheizkessel c = Hochdruckdampf zum Dampfmotorantrieb d = gefilterte Auspuffgase

e = verbrauchter und druckloser Dampf f = Kühlwasser des Motors (Verbrennungsmotor) g = druckloses Kältemittel

h = unter Druck stehendes Kältemittel i = kondensierter Dampf (rückgeführtes Wasser) R = Rückschlagventile;

0 = Oberdruckventil;

-fo-

W = Wasserfüllanschluß

1 = Verbrennungsmotor

2 = Generator

3 = Auspuffgase

4 = Hochdruckheizkessel

5 = Dampfmotor

6 = Abgasfilter

7 = wärmetauscher

8 = Motorkühler

9 = Verdampfer

10 = druckloser verbauchter Dampf

11 = Sammelbehälter

12 = Pumpe

13 = Heißwasserspeicher

14 = Kondensator

15 = Heißwasserleitung

16 = Kompressor

17 = Filtertrockner

18 = Entspannungsventil

19 = Temperaturfühler

20 = Regelschalter

21 = elektromagnetische Kompressorkupplung

Claims

G 92 Ol 493.3 Josef Haslbeck H 1882 Lw/pk ANSPRÜCHE

1. Energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage mit Verbrennungsmotor, Generator, Dampfkreislauf und Wärmerückgewinnung, gekennzeichnet durch einen Kältemittelkreislauf mit Kompressor (16), Verdampfer (9), Regelschalter (20) und Durchführung durch den Verdampfer (9), wobei der Kühlmittelkreislauf, insbesondere Frigenkreislauf, bei der Rückführung in den gasförmigen Zustand aus einem kombinierten Heißwasserspeicher/Kondensator (13; 14) über ein Entspannungsventil (18) gelegt ist; der Kreislauf weiter über den mit dem Verbrennungsmotor (1) kombinierten Verdampfer (9) im gasförmigen Zustand geht und dort Wärmeaustauscher für die Abgaswärme vom Verbrennungsmotor zusätzlich zur Wärme aus dem Rückstrom des Abhitzekessels (4) vorgesehen sind, der Kreislauf dann über den Kompressor (16) gelegt ist, wo die Wärme im Speisewasservorwärmer an das Speisewasser (13) abgegeben wird,
und dann durch einen Filtertrockner (17) und nach Abruf über das Entspannungsventil (18) in den Verdampfer (9) gelegt ist.

2. Energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektromagnetische Kupplung (21) für das Einschalten des Kompressors (16) zur Vermeidung einer Vereisung gasgesteuert durch den Regler (20), vorgesehen ist und damit den Wärmerückgewinnungskreislauf regelt.

3. Energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, daß der Kompressor (16) gasförmiges Kältemittel aus dem Verdampfer (9) unter geringem Druck ansaugt.

4. Energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet , daß der Dampfkreislauf besteht aus

dem Speisewasservorwärmer/Heißwasserspeicher (13); einem Abhitzekessel/Umformer (4);

einem diesem nachgeschalteten Dampfmotor (5); einem Abgaswärmeaustauscher (7) zur Kondensation, wobei die entstehende Wärme an den Verdampfer abgegeben wird sowie einer Rückführleitung mit Pumpe (12) zum Heißwasserspeicher (13).

5. Energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgenden Aufbau des Abgaskreislaufs:

Motor (1) mit geringem Kraftstoffverbrauch; isolierte Abgasleitung (3);

Hochdruckabhitzekessel (4), wo Hochdruckdampf von insbesondere 25 - 30 bar und einer Temperatur von 250-300⁰C zum Antrieb des Dampfmotors (5) erzeugt wird, wobei Motor (1) wie Dampfmotor

(5) je einen Generator (2) treiben; Filter (6), wo die Rauchgase auf ca. 40⁰C abgekühlt sind; Wärmeaustauscher (7);

Motorkühler (8) und

Verdampfer (9).

6. Energiesparende Kraft-Wärmekopplungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Dampfmotor ein Spillings-Dampfmotor (5) ist.

7. Energiesparende Kraft-wärmekopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet , daß sämtliche Leitungen des Systems bestmöglichst isoliert sind.