| Patentansprüche
1. Wärmekraftanlage mit einer Einrichtung zum Erzeugen von Kom- pressionswärme, umfassend einen Pumpenkreis (5, 5') mit einer
Pumpe (7, 7') zum Fördern einer Flüssigkeit, insbesondere von öl (4) durch eine Drossel (10, 10'), und mit einem Wärmetauscher (20, 20') zum übertragen von Wärme aus der erwärmten Flüssigkeit auf ein zu erwärmendes, durch den Wärmetauscher (20, 20') geförder- tes Fluid, wobei die Anlage (1 , 1') einen Flüssigkeitsbehälter (2, 2') umfasst und der Pumpenkreis (5, 5') als offener Kreislauf ausgebildet ist, indem die durch die Drossel (10, 10') zu pumpende Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter (2, 2') abgezogen und die durch die Drossel (10, 10') geförderte erwärmte Flüssigkeit in den Flüs- sigkeitsbehälter (2, 2') zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher in einen als offener Kreislauf ausgebildeten Wärmetauscherkreis (21 , 21 ') mit einer Pumpe (22, 22') zum Fördern von durch den Pumpenkreis (5, 5') erwärmter Flüssigkeit (4, 4') durch den Wärmetauscher (20, 20') eingeschaltet ist, wobei die im Flüssigkeitsbehälter befindliche Ansaugöffnung und die auslaufseitige öffnung des Wärmetauscherkreises (21 , 21 ') angeordnet sind, damit durch den Betrieb der Pumpe (22, 22') des Wärmetauscherkreises (21 , 21') die in dem Flüssigkeitsbehälter (2, 2') befindliche Flüssigkeit (4, 4') durchmischt wird.
2. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich der Wärmetauscher (20, 20') unter Flüssigkeitsbedeckung in dem Flüssigkeitsbehälter (2, 2') befindet,
3. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugöffnung und die auslaufseitige öffnung des Wärmetauscherkreises (20, 20') bezogen auf die Länge bzw. den Durchmesser des Flüssigkeitsbehälters (2, 2') im Bereich gegenüberliegender Wände bzw. Wandabschnitten angeordnet sind.
4. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (7, 7') des Pumpenkreises (5, 5') und die Pumpe (22, 22') des Wärmetauscherkreises (21 , 21 ') unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
5. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Plattenwärmetauscher (20, 20') ist.
6. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an die Drossel (10) ausgangsseitig eine Fallleitung (11 ) angeschlossen ist, die im Bereich des Bodens (12) des Flüssigkeitsbehälters (2) in diesen mündet.
7. Wärmekraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fallleitung (11 ) in einen Verteiler (13) mündet, aus dem die erwärmte Flüssigkeit über eine gewisse flächige Erstreckung aus und in den Flüssigkeitsbehälter (2) eintritt.
8. Wärmekraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (13) ein endseitig verschlossenes Rohrstück mit mehreren oberseitig in dieses eingebrachten Austrittsbohrungen
(14) ist.
9. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Fördern der Flüssigkeit (4, 4') eine Hydraulikpumpe (7, T), etwa eine Kolbenpumpe, Zahnradpumpe oder Flügelzellenpumpe eingesetzt ist.
10. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (10, 10'), durch die die Flüssig- keit des Pumpenkreises (5, 5') gefördert wird, bezüglich ihrer öffnungsweite einstellbar ist.
11. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in eine sich zwischen der Pumpe (7) des Pumpenkreises (5) und der Drossel (10) erstreckende Druckleitung
(9) ein Filter (15) angeordnet ist.
12. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in eine sich zwischen der Pumpe (7') des Pumpenkreises (5') und der Drossel (10') erstreckende Druckleitung in Förderrichtung des öls (4) ein Sicherheitsventil (28), ein Rück- schlagventil (29) und eine Druckmesseinrichtung (30) angeordnet sind.
13. Wärmekraftanlage nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Pumpe (7') des Pumpenkreises (5'), die Druckleitung (9') einschließlich der darin gegebenenfalls eingesetzten Aggregate (28, 29, 30) sowie die Drossel (10') unter Flüssigkeitsbedeckung in dem Flüssigkeitsbehälter angeordnet sind.
14. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlage (1 , 1') ein Steuergerät (16, 16') zum Steuern der Pumpe (7, 7') des Pumpenkreises (5, 5') in Abhängigkeit von der Temperatur der in dem Flüssigkeitsbehälter (2, 2') befindlichen Flüssigkeit (4, 4') zugeordnet ist.
15. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (7, 7') des Pumpenkreises (5, 5') und die Pumpe (22, 22') des Wärmetauscherkreises (21 , 21') elektromotorisch betrieben sind.
16. Verfahren zum Erzeugen von Kompressionswärme und zum übertragen der erzeugten Kompressionswärme auf ein zu erwärmendes Fluid, dadurch gekennzeichnet, dass zum übertragen von Wärme aus der durch die Kompressionswärme erwärmten Flüssigkeit auf das zu erwärmende Fluid ein erster Wärmetauscherkreis (21 , 21') zum Fördern von durch die Kompressionswärme erwärmter Flüssigkeit (4, 4') sowie ein zweiter Wärmetauscherkreis zum Fördern des zu erwärmenden Fluids betrieben wird, welche beiden Wärmetauscherkreise zum übertragen von Wärme aus der Flüssigkeit des ersten Wärmetauscherkreises (21 , 21 ') auf das Fluid des zweiten Wärmetauscherkreises durch einen Wärmetauscher (20, 20') gefördert werden und die Förderung des ersten Wärmetauscherkreis (21 , 21 ') dergestalt erfolgt, dass durch den Betrieb dieses Wärme- tauscherkreises (21 , 21 ') die durch die Kompressionswärme erwärmte Flüssigkeit durchmischt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchmischen der durch die Kompressionswärme erwärmten Flüssigkeit im Wege eines Umwälzprozesses erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die sich im Zuge der Durchmischung einstellende Umwälz- Strömung als turbulente Strömung ausgebildet wird. |
Wärmekraftanlage
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftanlage mit einer Einrichtung zum Erzeugen von Kompressionswärme, umfassend einen Pumpenkreis mit einer Pumpe zum Fördern einer Flüssigkeit, insbesondere von öl durch eine Drossel, und mit einem Wärmetauscher zum übertragen von Wärme aus der erwärmten Flüssigkeit auf ein zu erwärmendes, durch den Wärmetauscher gefördertes Fluid, wobei die Anlage einen Flüssigkeitsbehälter umfasst und der Pumpenkreis als offener Kreislauf ausgebildet ist, indem die durch die Drossel zu pumpende Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbe- hälter abgezogen und die durch die Drossel geförderte erwärmte Flüssigkeit in den Flüssigkeitsbehälter zurückgeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Kompressionswärme und zum übertragen der erzeugten Kompressionswärme auf ein zu erwärmendes Fluid.
In DE 31 00 810 A1 ist eine solche Wärmekraftanlage und ein solches Verfahren beschrieben. Bei der in diesem Dokument beschriebenen Anlage wird in den Pumpenkreislauf öl mittels einer elektrischen Pumpe gefördert. Der Pumpenkreislauf ist in sich geschlossen. Lediglich zum Aus- gleich ist dieser Kreislauf über eine Belüftungsleitung mit einem ölaus- gleichsbehälter verbunden. Das aus einem ölsammelbehälter über eine Saugleitung angesaugte öl wird über eine Druckleitung durch eine Drossel gefördert. Infolge der Komprimierung des öls wird dieses erwärmt, so dass das die Drossel verlassende öl gegenüber dem von der Pumpe ge- förderten öl eine höhere Temperatur aufweist. An den Ausgang der Drossel ist ein Heizschlangensystem als Wärmetauscher angeschlossen. Das Heizschlangensystem befindet sich in einem Stahlbehälter, in den über einen Zulauf Wasser zugeführt und über einen Ablauf Wasser abgezogen werden kann. Der Kaltwasserzulauf befindet sich im Bereich des Bodens des Stahlbehälters; der Ablauf ist im Bereich des oberen Abschlusses angeordnet. Das in den Stahlbehälter eingebrachte Kaltwasser wird von der von dem Heizschlangensystem infolge des Durchströmens des erwärmten öls abgegebenen Wärme erwärmt. Folglich kann über dem Wasserablauf erwärmtes Wasser abgezogen werden. Ein Regler dient der Temperatur- erfassung des in dem Stahlbehälter befindlichen Wassers und steuert in
Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur die Pumpe an.
Auf JP 56119490 A ist eine Wärmekraftanlage bekannt, bei der der Pumpenkreis als offener Kreislauf ausgebildet ist. Ein mit öl gefüllter Flüssig- keitsbehälter dient als ölausgleichsbehälter und als Behälter zum Anordnen eines Wärmetauschers. Als Wärmetauscher dient ein Heizschlangensystem, welches zum übertragen von Wärme aus der durch die Kompressionswärme erwärmten Flüssigkeit von dem zu erwärmenden Fluid durchströmt ist. Bei dieser Anlage wird über den Wärmetauscher der durch die Kompressionswärme erwärmten, in dem Flüssigkeitsbehälter befindlichen Flüssigkeit Wärme entzogen. Mit Ausnahme einer Ansaugöffnung und einer Auslauföffnung befinden sich die Aggregate des Pumpenkreises außerhalb des Flüssigkeitsbehälters. Eine Erwärmung des in dem Wärmetauscher geförderten, zu erwärmenden Fluids erfolgt in nennenswertem Maße nur, wenn der Pumpenkreis in Betrieb ist. Daher arbeitet die in diesem Dokument beschriebene Anlage nicht sehr effizient.
Aus DE 43 41 209 C1 ist eine weitere Wärmekraftanlage bekannt geworden. Diese Wärmekraftanlage ist prinzipiell konzipiert wie die in DE 31 00 810 A1 beschriebene, unterscheidet sich von dieser jedoch dadurch, dass sich die Aggregate des Pumpenkreises in dem Flüssigkeitsbehälter befinden und an diesen ein Wärmetauscherkreis angeschlossen ist. Als Wärmetauscher dient ein Rohrheizschlangensystem, das in einem Wasserbehälter mit dem zu erwärmenden Wasser angeordnet ist. Eine Erwärmung des Brauchwassers erfolgt daher bei dieser Anlage wie bei der in DE 31 00 810 A1 beschriebenen. Als nachteilig wird bei dieser Anlage die nur relativ langsame Erwärmung des Brauchwassers sowie durch die Konzeption der Anlage bedingte Baugröße angesehen.
Auch wenn mit den vorbeschriebenen Wärmekraftanlagen elektrische Energie in Wärmeenergie gewandelt werden kann, besteht der Wunsch, vor allem den Wirkungsgrad dieser Wärmekraftanlagen zu verbessern und wenn möglich die Baugröße zu verringern.
Ausgehend von der als nächstkommend angesehenen JP 56119490 A liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Wärmekraftanlage dergestalt zu verbessern, dass ihr Wirkungsgrad ver-
bessert ist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren zum Erzeugen von Kompressionswärme und zum übertragen der erzeugten Kompressionswärme auf ein zu erwärmendes Fluid entsprechend zu verbessern.
Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine eingangs genannte, gattungsgemäße Wärmekraftanlage gelöst, bei der der Wärmetauscher in einen als offener Kreislauf ausgebildeten Wärmetauscherkreis mit einer Pumpe zum Fördern von durch den Pumpenkreis er- wärmter Flüssigkeit durch den Wärmetauscher eingeschaltet ist, wobei die im Flüssigkeitsbehälter befindliche Ansaugöffnung und die auslaufseitige öffnung des Wärmetauscherkreises angeordnet sind, damit durch den Betrieb der Pumpe des Wärmetauscherkreises die in dem Flüssigkeitsbehälter befindliche Flüssigkeit durchmischt wird.
Die verfahrensbezogene Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
Bei einer solchen Wärmekraftanlage ist ein Wärmetauscher (Wärme- übertrager) eingesetzt, bei dem zum Bewirken der Wärmeübertragung von der durch die Kompressionswärme erwärmten Flüssigkeit auf das zu erwärmende Fluid, beispielsweise Brauchwasser ein Wärmetauscher eingesetzt ist, bei dem beide Fluide - erwärmte Flüssigkeit und zu erwärmendes Fluid - zum Bewirken der Wärmeübertragung aktiv gefördert werden. Von Vorteil bei Einsatz eines solchen Wärmetauschers ist nicht nur die besonders effektive Wärmeübertragung, sondern auch die Tatsache, dass der Wärmetauscher zum Fördern der durch die Kompressionswärme erwärmten Flüssigkeit in einen offenen Wärmetauscherkreis unter Verwendung der in dem Flüssigkeitsbehälter der Anlage befindlichen Flüssigkeit, insbesondere öl eingeschaltet ist. Den Betrieb dieses Wärmetauscherkreises macht man sich zunutze, um durch Ansaugen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter und Ausstoßen bzw. Zurückgeben derselben in den Flüssigkeitsbehälter die darin enthaltene Flüssigkeit zu durchmischen. Dieses hat zur Folge, dass sich die am Ausgang des Wärmetauschers in den Flüssigkeitsbehälter der Anlage aus dem Wärmetauscherkreis zurückgeführte kühlere Flüssigkeit mit der übrigen, in dem Flüssigkeitsbehälter befindlichen Flüssigkeit durchmischt. Dabei ist der Wärmetauscherkreis
- A -
zweckmäßigerweise dergestalt mit seinem Ein- und Ausgang innerhalb des Flüssigkeitsbehälters angeordnet, damit in den Durchmischungspro- zess möglichst die gesamte, in dem Flüssigkeitsbehälter enthaltene Flüssigkeit einbezogen ist. Bei einem Betrieb des Wärmetauscherkreises kann also die gesamte in der Flüssigkeit des Flüssigkeitsbehälters gespeicherte Wärme genutzt werden. Einer Ausbildung von kühleren Flüssigkeitsbereichen innerhalb des Flüssigkeitsbehälters, aus denen Flüssigkeit zum Beaufschlagen des Wärmetauschers abgesaugt werden könnte, ist daher vermieden. Daher braucht der Pumpenkreis zum Bewirken eines wirksa- men Wärmeüberganges auf das in dem Wärmetauscher zu erwärmende Fluid nicht nur in zeitlichen Abständen betrieben zu werden, typischer Weise erst dann, wenn die Temperatur der durch die Kompressionswärme erwärmten Flüssigkeit in dem Behälter einen unteren Schwellwert unterschritten hat, um diese wieder auf ihre obere Schwellwerttemperatur zu erwärmen. Somit hat das Vorsehen des Wärmetauscherkreises zum Fördern von erwärmter Flüssigkeit durch den Wärmetauscher nicht nur Vorteile hinsichtlich einer verbesserten Wärmeübertragung, sondern auch hinsichtlich des Ausnutzens der durch den Betrieb des Pumpenkreises erzeugten Wärme. Zum Abziehen von Wärme aus der Flüssigkeit braucht lediglich der Wärmetauscherkreis zu arbeiten. Eine zu diesem Zweck beispielsweise eingesetzte Umwälzpumpe arbeitet jedoch verglichen mit einer solchen für den Pumpenkreis benötigten mit erheblich weniger Energie. Mit anderen Worten: Durch die für die Gewinnung der Kompressionswärme verwendete Flüssigkeit bereitgestellte Speicherkapazität wird ins- gesamt, zumindest weitestgehend und nicht nur lokal bei abgeschaltetem Pumpenkreis genutzt. Damit bestimmt bei dieser Wärmekraftanlage auch die Menge der in dem Pumpenkreis, dem Wärmetauscherkreis und in dem Flüssigkeitsbehälter enthaltene Flüssigkeit die Wärmespeicherkapazität die Frequenz, mit der die Pumpe des Pumpenkreises zum Anheben der Temperatur der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter betrieben werden muss. In dem Flüssigkeitsbehälter enthaltene Flüssigkeit weist somit unabhängig vom Betrieb des Pumpenkreises eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf. Als Wärmetauscher kann beispielsweise ein Plattenwärmetauscher eingesetzt sein.
Die Durchmischung der in dem Flüssigkeitsbehälter enthaltenen Flüssigkeit durch den Betrieb des Wärmetauscherkreises wird unterstützt davon,
dass auf der einen Seite Flüssigkeit angesaugt und auf der anderen Seite Flüssigkeit ausgestoßen wird und dadurch innerhalb des Flüssigkeitsbehälters eine für die Durchmischung gewünschte Umwälzströmung rascher ausgebildet wird.
Zum Erzielen einer besonders wirksamen Durchmischung ist gemäß einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Ansaugöffnung des Wärmetauscherkreises und die auslaufseitige öffnung desselben mit einem zum Ausbilden der gewünschten Umsetzung ausreichend großen Abstand zueinander bezogen auf die Länge bzw. den Durchmesser des Flüssigkeitsbehälters angeordnet sind und/oder strömungstechnisch so ausgerichtet sind, dass sich die gewünschte Umwälzung einstellt. Die Ansaugöffnung und die auslaufseitige öffnung müssen nicht notwendigerweise die körperliche Ansaugöffnung und Auslauföffnung des Wärmetauschers selbst bezüglich dieses Wärmetauscherkreises sein. Vielmehr wird man bevorzugt an den körperlichen Ansaugstutz des Wärmetauschers sowie an den auslaufseitigen Stutzen jeweils ein Rohrstück oder ein Schlauchstück anschließen, um die in Bezug auf die Durchmischung relevanten öffnungen des Wärmetauscherkreises an die diesbezüglich vorgesehenen Positionen innerhalb des Flüssigkeitsbehälters anordnen zu können. Ausgenutzt werden kann auch der Pralleffekt von Wänden des Flüssigkeitsbehälters dergestalt, dass die auslaufseitige öffnung des Wärmetauscherkreises in einem bestimmten Winkel zur benachbarten Wand des Flüssigkeitsbehälters angeordnet sein kann, um auf diese Weise das Ausbilden der Umwälzströmung zu unterstützen.
Neben dem vorbeschriebenen offenen Wärmetauscherkreis, in den die in dem Flüssigkeitsbehälter befindliche, durch die Kompressionswärme unmittelbar erwärmte Flüssigkeit eingebunden ist, durchströmt den Wärme- tauscher ein zweiter Wärmetauscherkreis, in dem das zu erwärmende Fluid, beispielsweise Brauchwasser, etwa das Wasser für eine Gebäudeheizungsinstallation gefördert wird. Bei der Konzeption dieser Wärmekraftanlage braucht das zu erwärmende Brauchwasser aufgrund des Vorhandenseins der in dem Flüssigkeitsbehälter befindlichen Flüssigkeit als Wärme- Speicher keinen eigenen Wärmespeicher. Daher kann dieser Wärmetauscherkreis unmittelbar in eine Brauchwassereinrichtung, beispielsweise an den Vor- und Rücklauf einer Heizungsanlage eingeschaltet sein. Im Falle
des Anschließens der Wärmekraftanlage mit seinem der zu erwärmenden Flüssigkeit zugeordneten Wärmetauscherkreis an eine Gebäudeheizungsinstallation stellt der die nach Durchströmen des Wärmetauschers erwärmte Flüssigkeit ausgebende Ausgang des Wärmetauschers den Vorlauf und der Eingang dieses Wärmetauscherkreises den Rücklauf dar.
Als Flüssigkeit des Pumpenkreislaufes wird typischerweise ein öl verwendet. Eingesetzt werden können beispielsweise Hydrauliköle oder öle die als so genannte Thermoöle bezeichnet werden. Bei der Wahl des zu ver- wendenden öles - gleiches gilt für unter Umständen andere eingesetzte Flüssigkeiten auch - wird man ein solches öl einsetzen, welches auch bei der vorgesehenen erwärmten Temperatur noch eine ausreichende Viskosität aufweist, damit der zur Erzeugung der Kompressionswärme benötigte Druck pumpenseitig aufgebaut werden kann. Der Pumpenkreis dieser Wärmekraftanlage wird mit Drücken von 250 bar oder mehr betrieben. In Abhängigkeit von der Pumpenleistung können auch Drücke von 450 bar oder mehr realisiert werden. Als Pumpen zum Betrieb des Pumpenkreises werden typischerweise Zahnradpumpen oder Kolbenpumpen verwendet, die elektromotorisch angetrieben sind. Auch ein Einsatz von Flügelzellen- pumpen ist möglich. Soll der Pumpenkreis mit sehr hohem Druck betrieben werden, wird man hierfür bevorzugt Kolbenpumpen verwenden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist an den Ausgang der Drossel eine Fallleitung angeschlossen, durch die die erwärmte Flüssigkeit, beispiels- weise das erwärmte öl bis in den Bereich des Bodens des Flüssigkeitsbehälters gefördert wird. Dieses hat zum Vorteil, dass das aus dem Pumpenkreis austretende öl bzw. deren kinetische Energie ebenfalls zur Durchmischung der in dem Flüssigkeitsbehälter enthaltenen Flüssigkeit beiträgt bzw. den Umwälzprozess, erzeugt durch den Betrieb des Wärme- tauscherkreises, unterstützt. Die Fallleitung kann in einen Verteiler münden, so dass die durch den Pumpenkreis geförderte, erwärmte Flüssigkeit an mehreren Stellen im Bereich des Bodens des Flüssigkeitsbehälters austritt. Hierdurch erfolgt eine raschere Durchmischung der aus der Fallleitung relativ wärmeren erwärmten Flüssigkeit mit der in dem Flüssigkeits- behälter befindlichen.
Zur weiteren Optimierung der Wärmekraftanlage ist es zweckmäßig, den
Flüssigkeitsbehälter und auch den Deckel nach außen hin gegenüber einem Wärmeverlust zu isolieren. Derartige wärmeisolierungstechnische Maßnahmen sind hinlänglich bekannt. Zudem kann es vorteilhaft sein, die Pumpenantriebe, die typischerweise durch Elektromotoren realisiert sein dürften, gegenüber Schall zu kapseln. Die Geräuschentwicklung einer solchen in Betrieb befindlichen Wärmekraftanlage kann dann unter derjenigen eines herkömmlichen Brenners, der bei Heizungssystem eingesetzt ist, liegen.
Die Wärmekraftanlage kann für unterschiedliche Zwecke verwendet werden, je nachdem, welchem Kreislauf der in dem Flüssigkeitsbehälter angeordnete Wärmetauscher zugeordnet ist. So eignet sich diese Wärmekraftanlage zum Einsatz im Rahmen einer sanitären Gebäudeinstallation zum Bereitstellen von Warmwasser, sei es für Heizungszwecke oder zum Gebrauch. Die Wärmekraftanlage kann ebenfalls im Zusammenhang mit einer Kühleinrichtung, beispielsweise im Rahmen einer Gebäudeklimatisierung, bei Großkühlräumen oder Kühltheken eingesetzt werden. In einem solchen Fall wird durch den Wärmetauscher das für diese Zwecke eingesetzte Fluid erwärmt (verdampft) und dadurch in seine gasförmige Phase gebracht, damit dieses an anderer Stelle wiederum in einem Wärmetauscher kondensiert und in diesem Zuge Wärme aus der Umgebung aufnimmt und diese sodann kühlt.
Bei der beschriebenen Wärmekraftanlage können in dem Flüssigkeitsbe- hälter ein oder auch mehrere Wärmetauscher angeordnet sein. Somit ist es möglich, mit ein und demselben Pumpenkreislauf Fluide unterschiedlicher Installationen, die zu diesem Zweck durch unterschiedliche in dem Flüssigkeitsbehälter befindliche Wärmetauscher geführt werden, zu erwärmen.
Soll eine solche Wärmekraftanlage mit einem größeren Flüssigkeitsbehälter ausgelegt werden, ist es ebenfalls möglich, mehrere Pumpenkreise vorzusehen, über die Kompressionswärme erzeugt werden kann. Jedem Pumpenkreis ist eine eigenständige Pumpe zugeordnet. Die Pumpenkrei- se können gleichzeitig oder auch unabhängig voneinander betrieben werden. Auch ist es möglich, mit einer dem Pumpenkreis zugehörigen Pumpe mehrere parallel zueinander angeordnete Drosseln mit öl zu beschicken
oder auch in einem Pumpenkreis mehrere hintereinander geschaltete Pumpen anzuordnen.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 : in einer schematisierten Darstellung eine Wärmekraftanlage, gezeigt in einem Längsschnitt durch einen der Wärmekraftanlage zugehörige Flüssigkeitsbehälter und
Fig. 2: eine Wärmekraftanlage in einer schematisierten Darstellung entsprechend derjenigen der Figur 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Eine Wärmekraftanlage 1 umfasst einen Flüssigkeitsbehälter 2. Der Flüssigkeitsbehälter 2 ist oberseitig durch einen Deckel 3 verschlossen. Der Flüssigkeitsbehälter 2 und der Deckel 3 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Wärmeisolationsgründen zweischalig aufgebaut. Der Flüssigkeitsbehälter 2 ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die bei dem darge- stellten Ausführungsbeispiel ein Hydrauliköl 4 ist. Der Füllstand bzw. der Flüssigkeitsspiegel ist in dieser Figur mit dem Bezugszeichen F gekennzeichnet. Das öl wird zum Generieren von Kompressionswärme durch einen Pumpenkreis 5 gefördert. Dem Pumpenkreis 5 zugehörig ist eine durch einen Elektromotor 6 angetriebene Hydraulikpumpe 7, die über ei- nen Saugeinlass 8 öl 4 aus dem Flüssigkeitsbehälter 2 ansaugt und über eine Druckleitung 9 einer im übrigen nicht näher dargestellten Drossel 10 zuführt. Bei der Drossel 10 handelt es sich um ein Bauteil, in dem das über die Druckleitung 9 geförderte öl 4 komprimiert und dadurch erwärmt wird. Somit handelt es sich um ein Bauteil zum Reduzieren der freien Strömungsquerschnittsfläche der Druckleitung 9 zum Erzielen der gewünschten Komprimierung und der damit verbundenen Wärmebildung (Kompressionswärme). Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Drossel 10 bezüglich ihres Durchströmungsquerschnitts einstellbar. An den Ausgang der Drossel 10 ist eine Fallleitung 11 angeschlossen, über die das erwärmte öl 4 bis in den Bereich des Bodens 12 des Flüssigkeitsbehälters 2 gefördert wird. Die Fallleitung 11 mündet in einen Verteiler 13, über den das erwärmte öl über eine gewisse Erstreckung des Bodens
verteilt in den Flüssigkeitsbehälter 2 eingebracht wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Verteiler 13 um ein end- seitig verschlossenes Rohrstück, in dessen Oberseite mehrere ölaustritts- bohrungen 14 eingebracht sind.
In die Druckleitung 9 des dargestellten Ausführungsbeispiels sind ein ölfil- ter 15 sowie ein Manometer M als Drucksensor eingeschaltet. Der ölfilter 15 ist von der Oberseite des Deckels 3 her zugänglich. Durch den ölfilter
15 soll ein unerwünschtes Verstopfen der Drossel 10 vermieden werden. Das Manometer M dient zum überwachen des Betriebs des Pumpenkreises 5.
Zum Steuern des Pumpenkreises 5 dient ein Steuergerät 16. Als Sensor ist an das Steuergerät 16 ein Temperaturfühler 17 angeschlossen, der die Temperatur des öls 4 in dem Flüssigkeitsbehälter 2 erfasst. Der Elektromotor 6 ist über eine Signalleitung 18 an das Steuergerät 16 angeschlossen. über eine weitere Signalleitung 19 ist die hinsichtlich ihrer durchströmbaren Querschnittsfläche einstellbare Drossel 10 an das Steuergerät
16 angeschlossen. In Abhängigkeit von der erfassten Temperatur und ggf. von weiteren Eingangsgrößen (in der Figur nicht dargestellt, wie beispielsweise ein Druckmesssignal des Manometers M) wird durch das Steuergerät 16 der Elektromotor 6 zum Antreiben der Hydraulikpumpe 7 angesteuert. Die Hydraulikpumpe 7 ist ausgelegt, in der Druckleitung 9 einen Betriebsdruck von 250 bar und mehr aufzubauen, welcher Druck eingangsseitig an der Drossel 10 ansteht. Der Pumpenkreis 5 arbeitet bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem vorgenannten Betriebsdruck. Der Querschnitt der Drossel 10 wird eingestellt, um den Druck und somit die zu generierende Kompressionswärme zu bestimmen. Ist die Wärmekraftanlage 1 nach einer ersten Installation eingestellt, braucht grundsätzlich der Drosselquerschnitt nicht mehr geändert zu werden. Das Manometer 11 kann ebenfalls an das Steuergerät 16 angeschlossen sein. Wird über das Manometer M ein zu hoher Druck innerhalb der Druckleitung 9 detektiert, kann dieses die Folge einer Verstopfung der Drossel 10 sein. Entsprechend kann dann von dem Steuergerät 16 die Drossel 10 zum Erweitern ihres Querschnittes angesteuert werden, um auf diese Weise eine Verschmutzung herauszuspülen. Anschließend wird die Drossel 10 wieder auf ihren zum Generieren der Kompressionswärme vorge-
sehenen Querschnitt eingestellt. In gleicher Weise kann eine Einstellung und/oder überwachung eines Sicherheitsventiles vorgenommen werden.
Bei dem in Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist als Drossel eine solche gewählt worden, dessen freie Querschnittsfläche einstellbar ist. Gleichermaßen lässt sich eine Wärmekraftanlage mit einer Drossel mit konstanter Querschnittsfläche ausbilden.
Dem Pumpenkreis 5 der Wärmekraftanlage 1 ist ferner ein in den Figuren nicht dargestelltes überdruckventil als Sicherheitsventil zugeordnet. Ein solches Sicherheitsventil kann hinsichtlich des überdruckschwellwertes einstellbar ausgestaltet sein. Ein solche Einstellbarkeit kann mittels eines ansteuerbaren Aktors erfolgen, der wiederum von dem Steuergerät 16 angesteuert wird. Bei einem Erhöhen des Betriebsdruckes wird dann ent- sprechend auch der überdruckschwel I wert des Sicherheitsventils verstellt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sicherheitsventil nicht einstellbar und Teil der Drossel 10 und öffnet bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bei 280 bar. Angeschlossen an dieses Sicherheitsventil ist eine Bypass-Leitung über die das durch das überdruckventil strömende öl 4 in den Flüssigkeitsbehälter 2 zurückgeführt wird.
In den Flüssigkeitsbehälter 2 ist ein Plattenwärmetauscher 20 eingesetzt. Der Wärmetauscher 20 ist vollständig in das in den Flüssigkeitsbehälter 2 befindliche öl 4 eingetaucht. Der Plattenwärmetauscher 20 ist eingeschal- tet einerseits in einen ersten Wärmetauscherkreis 21. Durch diesen ersten Wärmetauscherkreis 21 wird das in dem Flüssigkeitsbehälter 2 befindliche, durch den Pumpenkreis 5 erwärmte öl gefördert. Der Wärmetauscherkreis 21 umfasst eine Tauchpumpe 22, die durch einen Elektromotor 23 angetrieben ist. An den Ausgang der Tauchpumpe 22, aus der das bei einem Betrieb derselben geförderte öl austritt, ist eine Druckleitung 24 und diese wiederum an den einen Eingang des Plattenwärmetauschers 20 angeschlossen. Dem Wärmetauscherkreis 21 zugehörig ist ferner ein Auslaufrohr 25, das an den Ausgang dieses dem Wärmetauscherkreis 21 zugehörigen Durchströmungspfades des Wärmetauschers 20 angeschlos- sen ist. Die Tauchpumpe 22 und die auslaufseitige öffnung des Auslaufrohres 25 sind bezogen auf die in Figur 1 erkennbare Länge des Flüssigkeitsbehälters 2 mit Abstand zueinander angeordnet, damit bei einem Be-
trieb des Wärmetauscherkreises 21 sich innerhalb des Flüssigkeitsbehälters eine Umwälzströmung ausbildet.
Der Plattenwärmetauscher 20 ist mit seinem zweiten Durchströmungspfad in einen zweiten Wärmetauscherkreis eingeschaltet. Dieser zweite Wärmetauscherkreis ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Teil einer in den Figuren nicht näher dargestellten Heizungsinstallation eines Gebäudes. Der Vorlauf 26, mit dem erwärmtes Wasser den Heizkörpern der Heizeinrichtung zugeführt werden soll, ist an den diesbezüglichen Aus- gang des Plattenwärmetauschers 20 angeschlossen. An den Eingang des zweiten Wärmetauscherkreises ist der Rücklauf 27 der Heizeinrichtung angeschlossen. Bei dem Plattenwärmetauscher 20 des dargestellten Ausführungsbeispiels handelt es sich um einen Gegenströmer.
Die Wärmekraftanlage 1 arbeitet wie folgt:
In einem ersten Aufwärmschritt wird die Hydraulikpumpe 7 des Pumpenkreises 5 betrieben und zwar so lange, bis das öl 4 in dem Flüssigkeitsbehälter 2 eine in Abhängigkeit von der benötigten Wärme voreingestellte Temperatur erreicht hat. Diese kann je nach Einsatzzweck der Wärme- kraftanlage zwischen beispielsweise 60 0 C und 110 0 C liegen. Aufgrund der Wärmeisolierung des Flüssigkeitsbehälters 2 vermag die auf diese Weise bereitgestellte Wärme über einen langen Zeitraum in dem Flüssigkeitsbehälter 2 zu verbleiben, wenn die Wärme nicht über den Wärmetauscher 20 abgezogen wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich in dem Flüssigkeitsbehälter 2 etwa 60 Liter öl, so dass durch diese Menge ein nicht unerheblicher Wärmespeicher bereitgestellt ist. In Abhängigkeit von der über den Wärmetauscher 20 dem in dem Flüssigkeitsbehälter 2 enthaltenen öl 4 entnommenen Wärme sinkt die Temperatur des öls 4 in dem Flüssigkeitsbehälter 2. Das Steuergerät 16 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dergestalt programmiert, dass ein Absinken der Temperatur des öls 4 in dem Flüssigkeitsbehälter 2 unter einen bestimmten unteren Schwellwert toleriert wird, bevor die Hydraulikpumpe 7 zum Betreiben des Pumpenkreises 5 zum Generieren neuer Kompressionswärme eingeschaltet wird. Erreicht das in dem Flüssigkeitsbehälter 2 be- findliche öl 4 die am Steuergerät 16 voreingestellte Temperatur wird die Hydraulikpumpe 7 bzw. der die Hydraulikpumpe 7 treibende Elektromotor 6 abgeschaltet. Der Pumpenkreis 5 wird somit in Abhängigkeit von der
entnomnnenen Wärme betrieben. Da bei einem Betrieb des Pumpenkreises 5 das öl 4 in dem Flüssigkeitsbehälter 2 rascher erwärmt wird als dieses über den Plattenwärmetauscher 20 abgezogen werden kann, wird der Pumpenkreis 5 diskontinuierlich betrieben.
Bei einem Betrieb der Wärmekraftanlage 1 erfolgt die Steuerung des Pumpenkreises 5 unabhängig von der Steuerung des ersten Wärmetauscherkreises 21 , mit dem das durch den Pumpenkreis 5 erwärmte öl 4 durch den Wärmetauscher 20 gefördert wird. Da bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Wärmetauscher 20 unmittelbar in den Vor- und Rücklauf 26, 27 einer Gebäudeheizung eingeschaltet ist, wird der erste Wärmetauscherkreis 21 kontinuierlich betrieben. Folglich treibt bei einem Heizbetrieb der Elektromotor 23 die Tauchpumpe 22 ununterbrochen an.
Durch die Anordnung des Wärmetauschers 20 in der in Figur 1 gezeigten Anordnung innerhalb des Behälters 2 und die Ausbildung und Anordnung der Tauchpumpe 22 sowie des Auslaufrohrs 25 bildet sich innerhalb des Flüssigkeitsbehälters 2 in dem darin befindlichen öl 4 eine Umwälzströmung aus, wie diese schematisiert durch die Blockpfeile in Figur 1 darge- stellt ist. Damit wird das in dem Flüssigkeitsbehälter 2 befindliche öl kontinuierlich durchmischt mit dem Ergebnis, dass durch den Wärmeentzug über den Wärmetauscher 20 die Wärme dem in dem Flüssigkeitsbehälter 2 befindlichen öl 4 nicht nur lokal sondern aus der gesamten in dem Flüssigkeitsbehälter 2 befindlichen ölmenge entnommen wird. Das Vorsehen der innerhalb des öls 4 in dem Flüssigkeitsbehälter 2 befindlichen Einbauten unterstützen den Mischungsvorgang, da sich an diesen Turbulenzen einstellen und hierdurch das Ausbilden einer lediglich laminaren Umwälzströmung vermieden ist. Gleichwohl ist vorgesehen, dass der erste Wärmetauscherkreis 21 mit einem solchen Fördervolumen arbeitet, dass sich auch aus diesem Grunde eine lediglich laminare Umwälzströmung nicht einstellen wird. Die in dem öl 4 gespeicherte Wärme ist daher insgesamt nutzbar. Infolge dieser Durchmischung vermischt sich das aus dem Auslaufrohr 25 austretende relativ kühlere öl rasch mit dem umgebenden wärmeren öl. Gleiches gilt bei einem gleichzeitigen Betrieb des Pumpen- kreises 5, wenn öl 4 mit einer höheren Temperatur in die Umwälzströmung durch die Fallleitung 11 eingebracht wird. Zum Unterstützen des Verteilungsprozesses der generierten Kompressionswärme dient der an
die Fallleitung 11 angeschlossene Verteiler 13. Sollte es für erforderlich angesehen werden, können innerhalb des Flüssigkeitsbehälters 2 ebenfalls andere strömungsleitende bzw. strömungslenkende Strukturen angeordnet sein. Die durch den Elektromotor 23 angetriebene Tauchpumpe 22 arbeitet mit einem Durchsatz von etwa 20 bis 30 Litern pro Minute je nach Einstellung. Somit erfolgt bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel einer Wärmekraftanlage 1 ein Umwälzen des in dem Flüssigkeitsbehälter 2 enthaltenen öls (60 I) innerhalb von 2-3 Minuten. Mit welchem Durchsatz die Tauchpumpe betrieben wird, wird ein Fachmann anhand der weiteren Parameter der Wärmekraftanlage und der benötigten Wärme einstellen. Als wesentliche Parameter zum Bestimmen des Durchsatzes des durch die Tauchpumpe geförderten Wärmetauscherkreises dürfte die in dem Flüssigkeitsbehälter enthaltene ölmenge und der vorgesehene Wärmeaustrag über den Wärmetauscher sein.
Der Flüssigkeitsbehälter 2 ist quasi vollständig mit öl 4 befüllt. Der Deckel 3 verfügt über eine Entlüftungsöffnung E. Vorhandenes Wasser, beispielsweise Kondenswasser kann ohne weiteres aus der Entlüftungsöffnung 23 heraus verdampfen. Mit Ausnahme des Plattenwärmetauschers 20 sind sämtliche Aggregate an dem Deckel 3 angeordnet. Durch Entfernen des Deckels 3 erhält man daher Zugang zu sämtlichen Aggregaten. Zur erleichterten Abnahme des Deckels 3 mit den daran befindlichen Aggregaten ist die die Tauchpumpe 22 mit dem Plattenwärmetauscher 20 verbindende Druckleitung 24 flexibel oder weist einen flexiblen Abschnitt auf.
In einer Weiterbildung der vorbeschriebenen Wärmekraftanlage ist vorgesehen, in den Flüssigkeitsbehälter 2 mehrere Wärmetauscher, vorzugsweise in einer parallelen Anordnung zueinander einzubringen, die dersel- ben oder auch unterschiedlichen Installationen zugehörig sind. Auf diese Weise kann mit einer einzigen Wärmekraftanlage Wärme beispielsweise nicht nur für eine Heizung, sondern auch Warmwasser für den Gebrauch und/oder eine Klimatisierungsanlage betrieben werden.
Die Pumpe kann mit dem Ventilaggregat bzw. einer Drossel eine bauliche Einheit ausbilden. Diese kann auch seitlich bezüglich des Flüssigkeitsbehälters angeordnet sein. Bildet das Ventilaggregat oder die Drossel mit der
Pumpe eine bauliche Einheit, kann es zweckmäßig sein, diesen Block flüssigkeitsbedeckt innerhalb des Flüssigkeitsbehälters anzuordnen. Dieses hat zum Vorteil, dass Wärmeverluste auf ein Minimum reduziert sind. Des Weiteren hat das Anordnen des Druckteils innerhalb der Flüssigkeit sicherheitstechnische Vorteile.
Figur 2 zeigt eine weitere Wärmekraftanlage 1 ', die prinzipiell aufgebaut ist wie die Wärmekraftanlage 1 der Figur 1. Gleiche Bauelemente sind daher mit gleichen Bezugszeichen, ergänzt um ein "Apostroph" gekennzeichnet. Im Unterschied zu der Wärmekraftanlage 1 sind in die Druckleitung 9' im Anschluss an die Pumpe T ein Sicherheitsventil 28, ein Rückschlagventil 29 sowie ein Drucksensor, beispielsweise als Manometer 30 ausgebildet, eingeschaltet. Die gesamte Druckleitung 9' mit den darin befindlichen Aggregaten 28, 29, 30 einschließlich der Drossel 10' sind ölbedeckt. Von Vorteil sind nicht nur die vorbeschriebenen sicherheitsrelevanten Aspekte einer solchen Anordnung, sondern auch, dass bei einem Betrieb des Pumpenkreises 5' innerhalb der Leitung 9' bzw. der Aggregate 7', 28, 29, 10' entstehende Wärme zusätzlich dem in dem Flüssigkeitsbehälter 2' befindlichen öl 4' zugeführt wird. Bei der Wärmekraftanlage 1 ' der Figur 2 ist auslaufseitig an die Drossel 10' ein Auslaufrohr 31 angeschlossen, welches in Richtung der sich bei einem Betrieb des ersten Wärmetauschkreises 21 ' einstellenden Umwälzströmung gerichtet ist. Der Aufbau der Umwälzströmung zum Erzielen der gewünschten öldurchmischung kann somit bei einem Betrieb des Pumpenkreises 5 unterstützt werden.
Mit dem Manometer 30 als Drucksensor kann ein ordnungsgemäßer Betrieb der Drossel 10' überwacht werden. Ist die Pumpe außer Betrieb, müsste die dem Rückschlagventil 29 nachgeschaltete Förderstrecke der Druckleitung 9' drucklos werden, mithin müsste ein erkennbarer Druckab- fall feststellbar sein. Erfolgt dieses nicht, lässt dieses auf einen Drosseldefekt schließen. Ist eine solche überwachung gewünscht, ist das Manometer 30 an das Steuergerät 16' angeschlossen.
In einer in den Figuren nicht dargestellten Ausgestaltung einer Wärme- kraftanlage mündet das der Drossel nachgeschaltete Auslaufrohr unmittelbar in die Druckleitung des durch die Tauchpumpe geförderten Wärmetauscherkreises.
Bezugszeichenliste
1 , r Wärmekraftanlage F Flussigkeitsspiegel
2, 2' Flüssigkeitsbehälter M Manometer/Drucksensor
3 Deckel
4, 4' Hydrauliköl
5, 5' Pumpenkreis
6 Elektromotor
7, 7' Hydraulikpumpe
8 Saugeinlass
9, 9' Druckleitung, 10' Drossel
11 Fallleitung
12 Boden
13 Verteiler
14 ölausthttsbohrung
15 ölfilter, 16' Steuergerät
17 Temperaturfühler
18 Signalleitung
19 Signalleitung, 20' Plattenwärmetauscher, 21 ' erster Wärmetauscherkreis, 22' Tauchpumpe
23 Elektromotor, 24' Druckleitung, 25' Auslaufrohr
26 Vorlauf
27 Rücklauf
28 Sicherheitsventil
29 Rückschlagventil
30 Drucksensor, Manometer
31 Auslaufrohr
E Entlüftungsöffnung