DE2744615A1 - Heat pump driven by diesel engine - uses waste heat of exhaust to preheat source and condenses pollutants out of exhaust - Google Patents
Heat pump driven by diesel engine - uses waste heat of exhaust to preheat source and condenses pollutants out of exhaustInfo
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Abstract
Description
Verfahren zur Entgiftung der Abgase und Process for the detoxification of the exhaust gases and
Nutzbarmachung der Abwärme eines Dieselmotors als Antrieb für eine Wärmepumpenanlage Zur Gewinnung von Heizwärme aus umgebenden Wärmequellen steht ein als "Wärmepumpe" bekannter Kreisprozeß zur Verfügung. Utilizing the waste heat from a diesel engine as a drive for a Heat pump system For the extraction of heating energy from surrounding heat sources a cycle known as a "heat pump" is available.
Hiernach wird ein Kältemittel, das durch adiabatische Verdampfung auf eine niedrige Temperatur gebracht worden ist, mit der umgebenden Wärmequelle in Wärmetausch gebracht. Das erwärmte Kältemittel wird durch Verdichten mittels eines Kompressors auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, worauf es unter Verflüssigung in einem Wärmetauscher Wärme an einen Heizkreislauf abgibt. Ein Verfahren, welches sich diesen Kreisprozeß zunutze macht, ist in den Patentanmeldungen P 26 34 233.6-13 und P 27 15 075.0 beschrieben.According to this, a refrigerant is produced by adiabatic evaporation has been brought to a low temperature with the surrounding heat source brought into heat exchange. The heated refrigerant is compressed by means of a compressor brought to a higher temperature level, whereupon it liquefies gives off heat to a heating circuit in a heat exchanger. A procedure which makes use of this circular process, is in the patent applications P 26 34 233.6-13 and P 27 15 075.0.
Zum Antrieb des Kompressors muß Arbeit geleistet werden. Work must be done to drive the compressor.
Das kann z.B. durch einen Elektromotor geschehen. Die Verwendung von elektrischer Energie zum Antrieb solcher Kompressoren ist aber eine grundsätzlich schlechte Lösung. Für jede so verbrauchte KWh Strom gehen nämlich bei der Stromerzeugung in den Kraftwerken und bei seiner Verteilung in den Netzen ungefähr zwei weitere KWh an Primärenergie verloren. Das führt im Ergebnis dazu, daß die Vorteile des Wärmepumpenverfahrens durch die verlustreiche Erzeugung und Verteilung des für len Kompressorantrieb benötigten Stromes gesamtwirtscrl.lftlich gesehen weitgegend wieder verlorengehen. Wenn sich, wa,s zu erwarten ist, Wärmepumpenverfahren mehr und mehr durchsetzen, so würde das letztendlich zu einem so hohen Gesamt-Stromverbrauch der Wärmepumpenanlagen führen, daß zusätzliche Kraftwerke für die Dekkung des so entstehenden Mehrbedarfs gebaut werden müssten.This can be done, for example, by an electric motor. The usage of However, electrical energy to drive such compressors is fundamental bad solution. For every KWh of electricity consumed in this way go into electricity generation in the power plants and in its distribution in the networks about two more KWh of primary energy lost. As a result, the advantages of the Heat pump process through the lossy generation and distribution of the for len Compressor drive required electricity again for the most part economically seen get lost. If what is to be expected, heat pump processes more and more enforce, it would ultimately lead to such a high total power consumption Heat pump systems lead to additional power plants to cover the resulting Would have to be built if required.
Jedenfalls läßt sich feststellen, daß der elektrische Antrieb von Wärmepumpen-Kb pressoren gesamtwirtschaftlich nur zu einem geringfügig niedrigeren Verbrauch an Primärenergie führt und zudem andere unerwünschte Auswirkungen hätte. Aus diesem Grunde sind bereits seit längerem Überlegungen angestellt worden, wie solche Kompressoren direkt durch Verbrennungsmotoren angetrieben werden könnten. Dafür bietet sich insbesondere der Dieselmotor an, dessen Brennstoffverbrauch pro geleisteter Arbeitseinheit aus konstruktiven Gründen bekanntlich sehr viel geringer ist als z.B. derjenige eines Otto-Motors. So könnte der Brennstoffverbrauch eines freistehenden Einfamilienhauses mit ca 170 qm Wohnfläche von bisher ca 80001 pro Jahr (Heizöl) nach der Umstellung auf eine Wärmepumpenvollheizung bei Verwendung eines Dieselmotors als Kompressorantrieb auf ca 20001 Dieselöl gesenkt werden. Die Verwendung von Dieselmotoren für diesen Zweck scheiterte aber bislang an den damit verbundenen Abgasproblemen. Bei der Verbrennung von Dieselöl entstehen nämlich u.a. auch Stickoxide und Schwefeldioxid, welche als Giftgase angesehen werden und deren Erzeugung deshalb gerade in Wohngeieten unerwünscht ist. Von beiden Giftgasen entstehen bei der Verbrennung vonlkg Dieselöl, je nuch dessen Herkunft und Verarbeitungstechnik bei der Fraktionierung, zwischen 10 und 30g, also zwischen 1 und 3% des Kraftstoffverbrauchs. In any case, it can be stated that the electric drive of Heat pump Kb pressoren macroeconomically only at a slightly lower rate Consumption of primary energy and would also have other undesirable effects. For this reason, considerations have been made for a long time as to how such compressors could be driven directly by internal combustion engines. The diesel engine is particularly suitable for this, its fuel consumption per Work unit performed is known to be much lower for structural reasons is than e.g. that of a gasoline engine. So could the fuel consumption of a detached single-family house with approx. 170 square meters of living space from approx. 80001 per Year (heating oil) after the changeover to full heat pump heating when used of a diesel engine as a compressor drive can be reduced to approx. 20001 diesel oil. the The use of diesel engines for this purpose has so far failed because of the result associated exhaust problems. The combustion of diesel oil produces, among other things, also nitrogen oxides and sulfur dioxide, which are considered poisonous gases and their Generation is therefore undesirable, especially in residential areas. From both Poison gases arise when burning 1kg of diesel oil, depending on its origin and processing technique during fractionation, between 10 and 30g, i.e. between 1 and 3% of the fuel consumption.
Weil für dieses Abgasproblem bisher keine von den Investitionskosten her vertretbare Lösung mDglich schien, ist für diesen Zweck insbesondere auf die Entwicklung von gasbe triebenen Otto-Motoren ausgewichen worden. Dies deshalb, weil deren Abgase nahezu frei von Sch@istoffen aus dem ungefährlichen CO2 und Wasserdampf bestehen i id daher gefahrlos an die Umwelt abgegeben werden können. I,sbei ist der Br@@nstoffverbbrauch vor Ottu-Motoren pro geleisteter Arbeitseinheit um bi zu 50% höher, weshalb der Dieselmotor bei Wegfall der Abgasprobleme fraglos vorzuziehen wäre. Hinzu kommt noch, daß die Lagerung von Flüssiggas aus offensichtlichen Gründen sowohl gefährlich, als auch technisch aufwendig und damit kostspielig ist. Because so far none of the investment costs for this exhaust gas problem A justifiable solution that seemed possible for this purpose is in particular due to the Development of gas-powered Otto engines has been avoided. This is because Their exhaust gases are almost free of harmful substances from the harmless CO2 and water vapor exist i id can therefore be safely released into the environment. I, sbei is the fuel consumption before gasoline engines per unit of work performed by up to 50% higher, which is why the diesel engine is unquestionably preferable if there are no emissions problems were. On top of that, the storage of liquefied petroleum gas for obvious reasons is both dangerous and technically complex and therefore expensive.
Lr Erfindung lregt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem die Abgase eines zum Betrieb eines Wärme pumpen-Kompressors benutzten Dieselmotors entgiftet und zudem dessen Abwärme nutzbar gemacht werden können. The invention is based on the object of specifying a method with which the exhaust gases used to operate a heat pump compressor Diesel engine is detoxified and its waste heat can also be made usable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verfariren nach Anspruch 1 gelöst. This object is achieved according to the invention with the method according to claim 1 solved.
zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst das Wärmepumpenverfahren gemäß der Patentanmeltiung p 27 15 075.0 kurz wie folgt beschrieben: Aus einem mit Wasser gefüllten Becken von z.B. 50m3 Inhalt wird mittels eines in das Becken eingetauchten Verdampfers während einer ersten Tageszeit nach dem Wärmepumpenprinzip Wärme entnommen und zunächst in ein kleineres Sekundärbecken abgegeben. for a more detailed explanation of the method according to the invention is first the heat pump method according to patent application p 27 15 075.0 briefly as follows described: From a basin filled with water with a capacity of 50m3, for example, a an evaporator immersed in the basin for a first time of the day heat is taken from the heat pump principle and initially transferred to a smaller secondary basin submitted.
Aus diesem wird die Wärme dann während einer zweiten Tageszeit ebenfalls nach dem Wärmepumpenprinzip für den unmittelbaren Heizzweck entnommen. In dem größeren Becken k@@mt es insbesondeine während längerer Kälteperi@den im Winter durch fortgesetzte Wär@eentnahme zu Eisbildung an der Verdampferoberfläche.From this, the heat is then also generated during a second time of the day Taken according to the heat pump principle for direct heating purposes. In the bigger one Basin k @@ mt it especially during longer cold spells in winter through continued Heat removal to ice formation on the evaporator surface.
Es bilJet sich so ein Wasser-Eis-Gemisch, dessen Temperatur OOC beträgt. Die Flüssigphase des Gemisches läßt sich z.B.A water-ice mixture is formed, the temperature of which is OOC. The liquid phase of the mixture can be e.g.
im Pumpverfahren bequem mit umgebenden Wärmequellen in Wärmetausch bringen, wenn diese eine Temperatur von über 0°C haben, was z.B. auch im Winter bezüglich der Außenluf in den dichtbesiedelten Gebieten der Erde häufig der Fall ist.Conveniently in heat exchange with surrounding heat sources in the pumping process bring when they have a temperature of over 0 ° C, which e.g. also in winter this is often the case with regard to the external air in the densely populated areas of the world is.
Die Verwendung eines Dieselmo@ors zum Antrieb des Wärmepumpenkompressors wird erfindungsgemäß wie folgt ermöglicht: Die Abgase des Dieselmotors werden mittels einer keramisc@en oder metallischen Rohrleitung zunächst mit dem Wasser des Sekundärbeckens in Wärmetausch gebracht, dessen Temperatur gemäß der Beschreibung in der Patentanrnldung P 27 15 075.0 bei ca + 200C liegen kann. Die Ter1.eratur der Abgase liegt je nach Konstruktion und jeweiligem Belastungsgrad des Motors zwischen 250 und 4000C, so daß durch die Wandungen der erwähnten Rohrleitung eine intensive Wä@meabgabe an das Beckenwasser erfolgt. The use of a diesel engine to drive the heat pump compressor is made possible according to the invention as follows: The exhaust gases of the diesel engine are by means of a ceramic or metallic pipe with the water from the secondary pool brought into heat exchange, its temperature as described in the patent application P 27 15 075.0 can be at approx. + 200C. The temperature of the exhaust gases depends on Construction and the respective degree of load of the motor between 250 and 4000C, see above that through the walls of the pipeline mentioned an intense heat output the pool water takes place.
Nachdem die Abgase so auf z.B. + @0°C dbgekühlt worden sind, werden sie über eine Fortsetzung der erwähnter Rohrleitung durch das größere Primärbecken geleitet, wo sie in Wärmetausch mit dem erwähnten Wasser-Eis-Gemisch treten. Bei ausreichender Länge dieser gleichzeitig als Auspuff wirkenden Wärmetauscherleit@ @ kann dabei nahezu die gesamte über 0°C liegende Restwärme dtj Abgase für den Wärmepumpenprozeß ges)nnen werden.After the exhaust gases have been cooled to e.g. + @ 0 ° C db they via a continuation of the aforementioned pipeline through the larger primary basin directed, where they enter into heat exchange with the aforementioned water-ice mixture. at sufficient length of this heat exchanger duct, which also acts as an exhaust pipe @ @ can almost all of the residual heat above 0 ° C dtj exhaust gases for the heat pump process be healthy.
Nach Verbrennung von 1kg Dieselöl haben sich Abgase in folgender Menge und Zusammensetzung gebildet ca 31009 Kohlendioxid, ca 11509 Wasserdampf, ca 609 Kohlenmonoxid, ca 20g Schwefeldioxid, ca lOg Stickoxide, weitere Bestandteile in Spuren. After burning 1kg of diesel oil, the exhaust gases are as follows Amount and composition formed approx. 31009 carbon dioxide, approx. 11509 water vapor, approx. 609 carbon monoxide, approx. 20g sulfur dioxide, approx. 10g nitrogen oxide, other components in traces.
Bringt man diese Gase in oben beschriebener Weise in Wä!-metausch mit den Speicherbecken, so w>ndensiert zunächst dej Wasserdampf. Sowohl die Stickoxide als auch das Schwefeldioxid gehen sodann, insbesondere bei weiterer Abkühlung im kälteren Primärbecken, in dem sich bildenden Wassernebel bzw. If you bring these gases into heat exchange in the manner described above with the storage basin, the water vapor initially dissolves. Both the nitrogen oxides as well as the sulfur dioxide then go, especially with further cooling in the colder primary basin, in which water mist or
-kondensat in Lösung. Dabei bildet sich aus den Stickox den mit Was ,r ein Gemisch aus Salpetersaure HNO und salpetriger Säure HNO2. Ferner geht ds SO2 wegen seiner hohen Wasserlöslichkeit (106,69/ 1 Wasser bei OOC) im wesentlichen vollständig in Lösung, wobei eine teilweise Umsetzung in schweflige Säure t 2S03 stattfindet. Wegen der sehr hohen Wasserbildung und der geringen Endtemperatur aufgrund des Wärmetduschvorganges werden sowohl die Säurebildung als auch die Lösung von nicht umgesetzten Restgasen im Wasser praktisch 100X betragen. condensate in solution. In the process, the nitrogen ox is formed into the one with what , r a mixture of nitric acid HNO and nitrous acid HNO2. Furthermore, ds SO2 because of its high solubility in water (106.69 / 1 water at OOC) essentially completely in solution, with a partial conversion into sulfurous acid t 2S03 takes place. Because of the very high water formation and the low final temperature due to of the heat shower process, both the acid formation and the dissolution of unreacted residual gases in the water are practically 100X.
Dabei ist bei der Leitungsführung darauf zu achten, dan die sich bildenden Kondensate in Strömungsrichtung der Auspuffgase im freien Gefälle ablaufen können, damit es nicht zum Rückstau von Kondensaten kommt. Wegen der stark oxidierenden Wirkung von Salpetersäure, welche bekanntlich selbst Edelmetalle angreift, muß entweder geeignetes keramisches Material für die Abgasleitung verwendet werden oder aber Aluminium, welches sich gegenüber Salpetersäure in allen Konzentrationen ziemlich indifferent verhält. Care must be taken when routing the cables that the forming condensates drain in the direction of flow of the exhaust gases in a free gradient so that there is no backflow of condensate. Because of the strong oxidizing Effect of nitric acid, which is known to attack even precious metals, must either suitable ceramic material can be used for the exhaust pipe or else Aluminum, which is quite different from nitric acid in all concentrations behaves indifferently.
Das so gewonnenene schwachsaure Kondensat kann den Hausabwässern zug schlagen und mit diesen in die Kanalisation geleitet werden. Hausabwässer enthalten nämlich in großen Mengen Seifen- und Detergentienlaugen, welche aufgrund ihrer alkalischen Wirkung die Abwasseraufbtreitung in den Kläranlagen erschweren. Die alkalische Wirkung wird durch den Zuschlag schwacher Säuren ganz oder teilweise neutralisiert. The weakly acidic condensate obtained in this way can be used as domestic waste water hit the train and lead with these into the sewerage system. Contains domestic sewage namely in large quantities soapy water and detergent solutions, which due to their alkaline Effect make the wastewater treatment in the sewage treatment plants more difficult. The alkaline effect is completely or partially neutralized by the addition of weak acids.
In dem Abgas-Kondensat sind aber nicht nur die Stick-und Schwefeloxide gelöst oder in Form ihrer Säuren gebunden, sondern auch noch andere zum Teil als schädlich bekannte, in den Dieselabgasen enthaltene Stoffe, wie z.B. das wegen seiner krebserreyenden Wirkung gefürchtete 3,4 Benzpyren, welches auf die oben beschriebene Weise im wesentlichen vollständig aus den schließlich ins Freie gelangenden gereinigten Abgasen entfernt wird. However, not only nitrogen and sulfur oxides are in the exhaust gas condensate dissolved or bound in the form of their acids, but also others in part as known harmful substances contained in diesel exhaust fumes, such as that because of its carcinogenic effect dreaded 3.4 benzopyrene, which on the manner described above essentially completely from the finally into the open cleaned exhaust gases that arrive is removed.
Schließlich ist noch zu erwähnen, iaß die Motorabwärme, die in das zur Motorkühlung verwendete Wasser einfließt, durch Einleiten dieses Kühlwassers direkt in den Heizkreislauf oder durch Wärmetausch mit dem Heizkreislauf ebenfalls voll Heizzwecken zugeführt werden kann. Finally, it should be mentioned that the engine waste heat that is in the water used for engine cooling flows in by introducing this cooling water directly into the heating circuit or by exchanging heat with the heating circuit as well can be fed to full heating purposes.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also a) die Entfernung von Stick- und Schwefeloxiden sowie anderer Schadstoffe aus den Dieselabgasen, b) die Rückgewinnung nahezu aller in den Abgasen enthaltener Abwärme, einschl. der bei den Lösungs- und Umwandlungsprozessen, gemäß a) freiwerdenden Wärme, c) eine umweltfreundliche Verwendung bzw. abwassertechnisch vorteilhafte Ableitung der die Giftstoffe enthaltenden Kondensate in die allgemeine Abwasserbeseitigung, und d) die vollständige Rückgewinnung der ins Kühlwasser des Motors einfließenden Abwärme. The method according to the invention thus enables a) removal of nitrogen and sulfur oxides as well as other pollutants from diesel exhaust gases, b) the recovery of almost all waste heat contained in the exhaust gases, including the in the dissolution and conversion processes, according to a) heat released, c) a environmentally friendly use or derivation of the which is advantageous in terms of wastewater technology Condensates containing toxins in general sewage disposal, and d) the complete recovery of the waste heat flowing into the engine's cooling water.
Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine umweltfreundliche Verwendung von Dieselmotoren für den Wärmepumpenantrieb ermöglicht. Zudem steht dem Gesamtsystem wegen der nahezu restlosen Verwertung aller Motorabwärme im wesentlichen der gesamte Energieinhalt des Dieseltreibstoffes mit einem Betrag von mehr als 10 000kcal/kg zur Verfügung. Die Arbeitsweise eines solchen Systems läßt sich so einstellen, daß die beiden Stufen des Wärmepumpenprozesses mit einer Leistungsziffer von jeweils über 3,0 stattfinden. Overall, the method according to the invention is environmentally friendly Allows the use of diesel engines for the heat pump drive. It also stands the overall system because of the almost complete utilization of all waste heat from the engine the total energy content of diesel fuel with an amount greater than 10 000kcal / kg available. The mode of operation of such a system can be set in such a way that that the two stages of the heat pump process with a coefficient of performance of each over 3.0 take place.
Selbst unter hochwinterlichen Bedingungen wird damit erreicht, daß die in den eigentlichen Heizwasserkreislauf gelangende Wärmemenge pro kg eingesetzten Kraftstoffes ca 15 000kcal beträgt, im Jahresdurchschnitt etwa 17 000 - 18 OOOkcal. Zum Vergleich: bei konventionellen Ölheizungen sind es maximal 6ü00kcal, im Betrieb während der sog. Übergangszeiten sinkt diese Ausbeute bei den Ölheizungen sogar noch, während sie bei der Wärmepumpenheizung zunimmt. Even under very winter conditions it is achieved that the amount of heat used per kg in the actual heating water circuit Fuel is about 15,000 kcal, the annual average is about 17,000 - 18,000 kcal. For comparison: with conventional oil heating it is a maximum of 600 kcal in operation During the so-called transition periods, this yield even sinks with oil heating still while they increases in heat pump heating.
Die Leistungsziffer eines solchen Wärmepumpensystems kann noch dadurch erhöht werden, daß die Motorabgase, bevor sie in Wärmetausch mit dem Wasserspeicher gelangen, mit dem Rücklaufwasser der Heizung zunächst in direkten Wärmetausch gebracht werden und das Heizwasser erst dann im eigentlichen Wärmepumpenverfahren auf die letztendlich gewünschte bzw. je nach Außentemperatur erforderliche Vorlauftemperatur gebracht wird. The coefficient of performance of such a heat pump system can still be due to this be increased that the engine exhaust before they are in heat exchange with the water storage tank get, first brought into direct heat exchange with the return water of the heating and the heating water is only then transferred to the actual heat pump process Ultimately desired or required flow temperature depending on the outside temperature is brought.
Claims (6)
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Publication number | Publication date |
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DE2744615C3 (en) | 1983-11-17 |
DE2744615B2 (en) | 1980-01-03 |
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