| 1. | Verfahren zur Umwandlung elektriεcher Energie in Nutzwärme, bei dem in einem thermiεch isolierten mit Öl gefüllten Behälter (8) mittels mindestens einem in dem Ölbad angeordneten Unterölelektromotors (24), der eine Hydraulikpumpe (2) antreibt, und mindestens einem der Hydraulikpumpe (21) nachgeschalteten Steuerventilε (23), die dem Motor zugeführte Energie in in dem Öl geεpeicherte Wärme umgewandelt wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, bei dem daε auε dem Spalt zwischen Stator und Rotor deε Unterölelektromotorε (24) austretende Öl von der Hydraulikpumpe (21) angeεaugt und unter Druck durch daε Steuerventil (23) wieder in daε Ölbad gepreßt wird, wobei das Öl beim Durchgang durch daε Steuerventil erwärmt wird. |
| 3. | Verfahren nach Anεpruch 1 oder 2, bei dem der Unterölelektromotor mit 1500 Umdrehungen pro Minute betrieben wird. |
| 4. | Verfahren nach einem der vorangegangenen Anεprüche bei dem daε Öl mit einem Druck von 170 bar ungewälzt wird. |
| 5. | Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Öl vor dem Eintritt in die Hydraulikpumpe (21) gefiltert wird. |
| 6. | Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem ein Hydrauliköl auf sythetischer Esterbaεis verwendet verwendet wird. |
| 7. | Heizanlage zur Erzeugung von Brauchwasser und/oder Heizungswasser mit einem Wärmeerzeuger (1), der ein thermisch isoliertes Gehäuse (8), das mit Öl gefüllt ist, aufweist, in dem eine Hydraulikpumpe (21) angeordnet ist, die über einen Unterölelektromotor (24) angetrieben wird und der ein Steuerventil (23) nachgeschaltet ist, wobei die Hydraulikpumpe (21) das aus dem Spalt zwischen Stator und Rotor austretende Öl ansaugt und unter Druck über das Steuerventil (23) wieder an das Ölbad abgibt und das Steuerventil (23) viεkositätsabhängig den Ölstrom regelt und beim Austritt das Öl aufgrund eines vorgegebenen Austrittsquerschnitts erwärmt, mindestens einem Wärmespeicher (4), der in seinem inneren mindeεtenε einen Wärmetauεcher (7) aufweiεt, der über eine Olvorlaufleitung (2) und eine Olrücklaufleitung (3) mit dem Wärmeerzeuger (1) verbunden ist, und mindestenε eine Umwälzpumpe (13), die Öl aus dem Gehäuεe (8) deε Wärmeerzeugers (1) durch die Ölleitung (2, 3) und den Wärmetauscher (7) pumpt, Brauchwasserleitungen (17, 18) und/oder Heizungswasserleitungen (10, 11), die mit dem Wärmespeicher (4) verbunden sind und die in dem Wärmespeicher (4) zugeführte Wärme abführen, und Regeleinrichtungen (19, 20) die in Abhängigkeit der abgeführten Wärme, den Wärmeerzeuger (1) steuert. |
| 8. | Heizanlage nach Anspruch 7, bei der der Unterölelektromotor (24) Drallelemente aufweist ;.*:: c→→. v. ERSATZBLATT Transport des Öls durch den Spalt zwischen Stator und Rotor begünstigen. |
| 9. | Heizanlage nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Ölleitungen (2, 3) wenigstenε im Bereich deε Wärmetauεchers (7) Einrichtungen (6) aufweist, die für einen turbulenten Durchfluß des Öls in diesem Bereich sorgen. |
| 10. | Heizanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche 7 bis 9, der die Einrichtungen (6) für den turbulenten Durchfluß mit Abstand zueinander angeordnet Quetschungen der Öllteiung umfaßt, so daß im inneren der Ölleitung der Querschnitt durch Stromschnellen verringert ist. ERSATZBLATT. |
Energie in Nutzwärme
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von elektrischer Energie in Nutzwärme sowie eine Heizanlage zur Erzeugung von Brauchwasser und
Heizungswasser unter Verwendung und Einsatz eines Hydrosystems .
In bekannten Hydrosystemen wird Energie umgewandelt und transportiert. Hydrosysteme als solches haben große
Vorteile gegenüber anderen Systemen zur Energieumwandlung, da sie eine sehr hohe Energiedichte erlauben. Die elektrische Energie wird mittels einer Motor-Pumpengruppe in hydraulische Energie umgewandelt. Bei der Energieumwandlung und dem Energietransport entstehen
Verluste, so daß bei der Umwandlung von mechanischer und hydraulischer Energie in Wärme die Temperatur der Hydroflüssigkeit sich erhöht. Die letztlich erreichbare Temperatur der Hydroflüssigkeit wird beeinflußt von der Wärmezufuhr und der Wärmeabfuhr, wobei die Wärmezufuhr durch eine warme Umgebung, Verlustleistungen aus inneren Leckagen, Verlustleistungen aus Drosseln und Verlustleistungen durch Durchflußwiderstände erfolgt.
Bei bekannten Hydrosystemen wird aus einem großen Tank Öl mittels einer motorbetriebenen Pumpe zu einem Hydrosystem geführt und das von dem System zurückgeführte erwärmte Öl über einen Wärmetauscher wieder in den Öltank eingeführt.
ERSATZBLATT
Durch den Wärmetauscher wird die in dem Öl enthaltene Wärme aus dem Hydrosystem abgeführt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die im Hinblick auf den Wirkungsgrad hinsichtlich der eingesetzten und abgenommenen Energie gegenüber den bekannten Verfahren und Vorrichtungen verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Bei dem Verfahren zur Umwandlung von elektrischer Energie in Nutzwärme wird in einem thermisch isolierten, mit Öl gefüllten Behälter mindestens ein Unterölelektromotor, der eine Hydraulikpumpe antreibt und mindestens ein der Hydraulikpumpe nachgeschaltetes Steuerventil angeordnet. Alle diese Einrichtungen befinden sich vollständig in dem Ölbad. Der Unterölelektromotor treibt dabei die Hydraulikpumpe an, so daß das Öl aus dem Ölbad angesaugt und durch das Steuerventil wieder an das Ölbad abgegeben wird. Durch die Umwälzung des Öls wird die dem Motor zugeführte elektrische Energie zuerst in hydraulische und mechanische Energie und dann in Wärme umgewandelt, die in dem Öl gespeichert wird. Durch die Anordnung unter Öl gelangt das Öl auch in den Spalt zwischen Rotor und Stator.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das aus dem Spalt zwischen dem Stator und Rotor des Unterölelektromotors austretende Öl von der Hydraulikpumpe angesaugt und unter Druck durch das Steuerventil wieder in das Ölbad gepreßt. Das Steuerventil wirkt als Stromregelventil, das in Abhängigkeit von der durch die Temperatur beeinflußten Viskosität des Öls den Ölstrom regelt. Beim Austritt des Öls durch eine auf die Betriebsparameter abces -irr-ir e
ERSATZBLATT
Austrittsöffnung wird das Öl aufgrund der Reibungsverluste erwärmt, und steht als im Öl gespeicherte Nutzwärme zur Verfügung. Durch diese besondere Ausgestaltung wird ein Optimum an Wärme in dem Steuerventil erzeugt.
Durch das erfindungεgemäße Verfahren wird jegliche, in dem offenen Kreislauf erzeugte Verlustwärme an das Öl übertragen und steht zur Weiterverarbeitung zur Verfügung. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Unterölelektromotor mit 1000 bis 3000, bevorzugt mit 1500 Umdrehungen pro Minute betrieben. Das Öl wird mit einem Druck von 160 bis 250, bevorzugt 170 bar umgewälzt.
Vorteilhafterweise wird das Öl vor dem Eintritt in die Hydraulikpumpe gefiltert, um Verunreinigungen aus dem Kreislauf zu entfernen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird aus Umweltgründen ein Hydrauliköl auf synthetischer Esterbasis verwendet, da dieses Öl biologisch abbaubar und nicht mit Wasser verbindbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit das Öl in einer Unterölanlage in einem offenem Kreislauf umgewälzt und dabei aufgrund der Bewegung sowie der bei den einzelnen Bauteilen entstehenden Verlustwärme derart erwärmt, daß die in dem Öl als Wärme gespeicherte Energie an Heizsysteme abgegeben werden kann. Dabei wird das Öl, das aus dem Spalt zwischen Stator und Rotor des Unterölelektromotors austritt, von der dem Unterölelektromotor angetriebenen Pumpe angesaugt und über ein Steuerventil wieder in das Ölbad zurückgegeben. Dieses Verfahren bewirkt nahezu eine vollständige Umwandlung der elektrischen Energie in Wärme.
Die Aufgabe für die Heizanlage zur Erzeugung von Brauchwasser und Heizungswasser wird gemäß den Merkιτ * ä_.e: des Anspruchs 7 gelöst. Weitere vorteilhafte
ERSATZBLATT
Ausgestaltungen sind in den entsprechenden rückbezogenen
Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Heizanlage weist einen Wärmeerzeuger auf, der ein thermisch isoliertes Gehäuse, das mit Öl gefüllt ist, umfaßt, in dem eine Hydraulikpumpe angeordnet ist, die über einen Unterölelektromotor angetrieben und der ein Steuerventil nachgeschaltet ist. Die Hydraulikpumpe saugt das aus dem Spalt zwischen Stator und Rotor des
Unterölelekromotors austretende Öl an und gibt das Öl unter Druck über das Steuerventil wieder an das Ölbad ab. Dabei regelt das Steuerventil viskositätεabhängig den Ölstrom. Das durch eine definierte Auεtrittsöffnung austretende Öl wird beim Austritt erwärmt. Der Querschnitt des
Steuerventils richtet sich nach der Dimensionierung der Anlage, um eine optimale Erwärmung zu erzielen. Bei der Hydraulikpumpe handelt es sich um eine übliche Hydraulikpumpe, die über eine Kupplung mit dem Unterölelektromotor verbunden ist. Unterölmotoren als solche sind bekannt und werden beispielsweise bei der Umwandlung von elektrischer Energie in hydraulische Energie eingesetzt. So ist die Verwendung eines Unterölmotors bei einem Hydraulikaufzug in einem Gebäude bekannt. Bei Unterölmotoren wird eine Zwangszirkulation des Öls in dem Spalt zwischen Rotor und Stator herbeigeführt, wobei das Öl über die Statorpakete geleitet wird. Es entsteht also sowohl im "Luftspalt" als auch auf der Statorpaketseite eine Öldurchflutung, die eine gleichmäßige Wärmeabfuhr ermöglicht und eine Destillation des Öls im Spalt zwischen Stator und Rotor ausschließt. Bei richtiger Dimensionierung kann durch die bessere Wärmeleitfähigkeit des Öls eine Leistungserhöhung erreicht werden, was eine höhere magnetische und elektrische Ausnutzung von Eisenpaket bzw. Wicklungen voraussetzt.
Die erfindungsgemäß ausgestaltete Heizanlage umfaßt weiterhin mindestens einen Wärmespeicher, der in seinen-' inneren wenigstens einen Wärmetauscher aufweis-,, e über
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eine Ölvorlauf- und Ölrücklaufleitung mit dem Wärmeerzeuger verbunden ist. Außerdem umfaßt die Heizanlage mindestens eine Umwälzpumpe, die Öl aus dem Gehäuse des Wärmeerzeugers durch die Ölleitungen und den Wärmetauscher pumpt. Diese Einrichtungen sind in bekannter Weise erforderlich, um die von dem Öl aufgenommene Wärme an ein anderes Medium anzugeben. Dazu weist die Heizanlage außerdem Brauch- und/oder Heizungswasserleitungen auf, die mit dem Wärmespeicher verbunden sind und die dem Wärmespeicher zugeführte Wärme abführen. Darüberhinaus sind Regeleinrichtungen, die in Abähngigkeit der abgeführten Wärme, den Wärmeerzeuger steuern, vorgesehen. Die Regeleinrichtungen schalten üblicherweise bei einer bestimmten Maximaltemperatur den Wärmeerzeuger ab und bei Absinken unter einen unteren Grenzwert wieder ein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Motor Drallelemente auf, die den Transport des Öls durch den Spalt zwischen Stator und Rotor begünstigen. Damit wird durch spezielle Schnitte der Rotor- und Statorpakete die Drehmomentkennlinie des Unterölelektromotors verändert, so daß im Nennpunkt ein guter Wirkungsgrad beibehalten wird, um die Verluste und damit die partielle Erwärmung in diesem Bereich klein zu halten. Die Drallelemente sorgen für einen guten Durchfluß zwischen Stator und Rotor und wirken einer Verharzung des Öls entgegen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Heizanlage befinden sich in den Ölleitungen wenigstens im Bereich des Wärmetauschers Einrichtungen, die für einen turbulenten Durchfluß des Öls in diesem Bereich sorgen. Dadurch wird die Wärmeabgabe des Öls in dem Wärmetauscher wesentlich verbessert, da die erwärmten Ölmoleküle aus dem inneren des Ölstroms leichter nach außen zur Wärmeabgabe gelangen können. Der turbulente Durchfluß kann durch verschiedene Maßnahmen, wie beispielsweise in dem Rohr angebrachte Tubulatoren, die dem Öl einen Drall verm.iitelr. oder durch andere dem Fachmann geläufige M≤ßna "- j r •--.r ■ eicr.->.
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werden. Vorzugsweise werden mit Abstand zueinander angeordnete Quetschungen der Ölleitungen vorgesehen, so daß im inneren der Ölleitung der Querschnitt sich durch diese Stromschnellen verringert und damit ein turbulenter Ölstrom erzeugt wird. Damit wird eine optimale Wärmeübertragung von dem Öl zu dem Medium in dem Wärmespeicher erreicht.
Zur Vermeidung von Verunreinigungen weist die Heizanlage zusätzlich noch ein vor der Hydraulikpumpe angeordnetes Filter auf.
Die erfindunggeraäß ausgestaltete Heizanlage hat einen Wirkungsgrad von größer 98%. Es ist somit möglich, mittels elektrischer Energie eine Brauchwasser- und
Heizungswassererwärmung durchzuführen, die beispielsweise über den Wirkungsgrad von elektrischen Heizungen liegt. Die erfindungsgemäße Einrichtung zeichnet sich durch eine einfache und störunanfällige Umwandlung der Primärenergie Elketrizität in Wärme aus. Alle Restwärmequellen werden in der Anlage konsequent genutzt, so daß im Hinblick auf die Wärme ein vollkommen geschlossener Kreislauf entsteht. Die lange Temperaturstandzeit des Hydrauliköls sichert dazu eine hohe Temperaturkonstanz bei großer Wiederholgenauigkeit und großer Heizreεerve, auch bei niedrigen Außentemperaturen.
In Abhängigkeit von dem erforderlichen Energiebedarf ist eε mögich, mehrere derartige Einheiten in einem Gehäuεe Unteröl anzuordnen. So können die Anlagen beiεpielsweiεe 2, 3 oder 4 Wärmeerzeugungssyεteme umfassen, die, wie vorstehend beschrieben, einen Unterölelektromotor, eine Hydraulikpumpe und ein der Hydraulikpumpe nachgeschaltetes Steuerventil aufweisen. Derart ausgestaltete Anlagen können noch leiεtungεfähiger sein und eventuell einen noch besεeren Wirkungsgrad haben.
ERSATZBLATT
Nachfolgend wird die Erf indung anhand eines
Ausführungsbeiεpiel in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen erläutert . Eε stel len dar :
Figur 1 ein Funktionεεchema eines hydraulischen
Wärmeerzeugers;
Figur 2 ein Hydraulikschema des Wärmeerzeugers sowie schematisch die Hydraulikpumpe und den Unterölelektromotor; und
Figur 3 eine Darstellung des Stators und Rotors des Unterölelektromotors .
Wie aus Figur 1 erεichtlich, umfaßt die Heizanlage den Wärmeerzeuger 1, der über eine Vorlaufleitung 2 und einer Rücklaufleitung 3 für Hydrauliköl mit einem Wärmeεpeicher 4 verbunden ist. In der Hydrauliköl-Vorlaufleitung 2 befindet sich noch eine Umwälzpumpe 5 zur Erzeugung eines
Zwangsumlaufs des Hydrauliköls. Mit der Bezugεziffer 6 εind in der Wärmetauscherschlange 7 Quetεchungen der Rohrleitung angedeutet, die für die turbulente Strömung deε Öls in den Rohrleitungen in diesem Bereich sorgen. Der Wärmeerzeuger 1 sowie der Wärmespeicher 4 weisen ein thermisch isoliertes Gehäuse 8 bwz. 9 auf.
An dem Wärmespeicher 4, der mit Wasser gefüllt ist, sind eine Vorlaufleitung 10 und eine Rücklau leitung 11 für ein Heizungssyεtem angeεchlossen. Das Heizungssystem umfaßt in üblicherweise noch ein Mischventil 12, eine Umwälzpumpe 3 und einen oder mehrere Wärmeverbraucher 14. Aus Sicherheitsgründen befindet sich in der Vorlaufleitung 10 noch ein Ausdehnungsbehälter 15.
Zusätzlich ist in dem Wärmespeicher 4 noch ein weiterer Wärmetauscher 16 für Brauchwasser angeordnet, der an einer Kaltwasserleitung 17 und einer Brauch asserleitunα 18, die in das erwärmte Wasser führen, angeschlosse* ** . . <=-
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An dem Wärmeεpeicher 4 befinden εich außerdem ein Thermometer 19 und ein Regler 20, wobei der Regler 20 in üblicherweise für eine Abschaltung des Wärmeerzeugerε εorgt, wenn die Temperatur in dem Wärmespeicher einen vorgegebenen Wert erreicht hat, und einschaltet, wenn die Temperatur des Wasser in dem Wärmespeicher unter einen vorgegenen Wert sinkt.
Figur 2a zeigt das Hydraulikschema in dem Wärmeerzeuger mit einer Hydraulikpumpe 21, die mit einem Druckbegrenzungsventil 22 verbunden ist, daε auε Sicherheitsgründen in der Anlage eingebaut ist und einen konstanten Druck von 170 bar gewährleistet. Von dem
Druckbegrenzungsventil gelangt das von der Pumpe geförderte Öl zu dem Steuerventil 23, das in Abhängigkeit von der Viskoεität des Öls den Strom deε Öls regelt. Durch die besondere Ausgestaltung der Austrittsöffnung deε Stromregelventilε in Abhängigkeit von dem Druck in dem Syεtem wird die bei dem Durchtritt durch die Öffnung entεtehende Reibung in Wärme umgewandelt. Daε erwärmte Öl gelangt nach dem Auεtritt auε dem Stromregelventil 23 wieder in den Öltank T, von wo es einerseits durch die Umwälzpumpe 5 zu dem Verbraucher 30 gepumpt wird um dann abgekühlt wieder in den Tank T zurückgelangen, und andererseitε von der Hydraulikpumpe 21, nachdem das Öl durch den Spalt zwischen Stator und Rotor des Unterölelektromotors 24 geεtrömt ist, wieder durch das Steuerventil 23 gepreßt zu werden.
Figur 2b zeigt in schematischer Darstellung den Unterölelektromotor 24, der die Hydraulikpumpe 21 antreibt. In dem Bereich 25 des Unterölelektromotors 24 gelangt in das Öl von der einen durch eine Speil gekennzeichneten Seite in den Spalt zwischen Stator und Rotor deε Unterölelektromotors 20, um dann mit Drall an der mit der Bezugεziffer 26 bezeichneten Stelle zwischen Stator und Rotor wieder auszutreten. Das dort austretenoe 0. :■". '<: üoer
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ein Filter 27 von der Hydraulikpumpe angesaugt und über die
Leitung 28 über das Druckbegrenzungsventil 22 dem
Steuerventil 23 zugeführt. Wie aus diesem Hydraulikschema ersichtlich, handelt es εich bei der wärmeerzeugenden Anlage um einen offenen Hydraulikkreiε, da daε aus dem Steuerventil 23 austretende Öl wieder in den Tank T gelangt und von dort zwei verschiedene Wege nehmen kann. Mit der Halterung 28 kann die Einheit am Gehäuse befestigt werden. Als Öl wird ein handelεüblicheε εynthetiεcheε Öl auf Esterbasiε verwendet.
Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeiεpiel hat eε εich gezeigt, daß bei einer Drehgeschwindigkeit von 1500 Umdrehungen pro Minute und einem Betriebsdruck von 170 bar und bei einem Austrittsquerschnitt aus dem Stromregelventil von 3,22 mm eine optimale Leistung bei einem Wirkunsgrad von über 98 % erzielt werden kann.
Figur 3 zeigt die Draufsicht auf einen Unterölelektromotor 24, der teilweise aufgebrochen und im Schnitt dargestellt ist, um die Drallelemente 31 zu zeigen. Die Hydraulikpumpe 21 iεt über eine in dem Bereich 32 angeordnete Kupplung mit dem Unterölelektromotor 24 verbunden. Wie auε der Figur ersichtlich, tritt das Öl durch an der Stirnseite 33 angeordnete Öffnungen 34 in den Motor ein und gelangt in den Spalt zwischen Stator 35 und Rotor 36. Die Drallelemente 31 sind im wesentlichen als schräg verlaufende Stege ausgebildet, zwischen denen Nuten 37 für das Öl verlaufen. Das an der Stirnseite eintretende Öl wird durch die Drehbewegung des Rotors 36 über die εchräg verlaufenden Nuten 37 zu den Austrittsöffnungen 26 befördert. Dort tritt es aus dem Unterölelektromotor 24 aus und wird, wie in Figur 2 beschrieben, von der g Hydraulikpumpe 21 angesaugt und weiter befördert. In Figur 3 sind mit den Bezugsziffern 40 daε Motorgehäuse, 38 das Wicklungεpaket und 39 die Motorwelle bezeichnet. Bei der Hydraulikpumpe 21 ist mit 41 die Saugseite und m: ** : 42 die Druckseite gekennzeichnet.
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