DE60214737T2

DE60214737T2 - Integriertes mikrokombiniertes wärme- und energiesystem

Info

Publication number: DE60214737T2
Application number: DE60214737T
Authority: DE
Inventors: Thompson William Gahanna HANNA; Donald Worthington ANSON; Henry George Dublin STICKFORD; Gordon John Somerset COLL
Original assignee: Energetix Genlec Ltd
Current assignee: Energetix Genlec Ltd
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2022-08-03
Also published as: RU2004107997A; ATE339596T1; US20030029169A1; CN1568398A; US6598397B2; HU225481B1; DK1421259T3; NO20041029L; EP1421259A1; EP1421259B1; DE60214737D1; ES2272772T3; HUP0401939A2; RU2298666C2; HK1067683A1; NO321439B1; US20040083732A1; WO2003014534A1; CA2494184A1; CN1317486C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Blockheizsystem für die Versorgung mit elektrischem Strom, Raumwärme (SH) und Haushaltswarmwasser (DHW) und insbesondere auf ein kleineres Rankine-Blockheizsystem, das mit einem Spiral-Expander und einem organischen Arbeitsfluid arbeitet, siehe z.B. WO-A-01/055561.
Das Konzept eines Blockheizsystems oder eines Systems zur kombinierten Wärme- und Krafterzeugung (CHP) ist bereits seit einiger Zeit bekannt als ein Weg zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades in Energieerzeugungssystemen. Bei einem typischen CHP-System sind es Wärme (gewöhnlich in Form von heißer Luft oder heißem Wasser) und Elektrizität, die als die beiden Formen von Energie erzeugt werden. In einem solchen System kann die von einem Verbrennungsprozess erzeugte Wärme einen elektrischen Generator antreiben und auch Wasser aufheizen, wobei dieses häufig in Dampf zur Beheizung von Gebäuden oder für Prozesswärme umgewandelt wird. Neueste CHP-Systeme sind verhältnismäßig groß aufgebaut und erzeugen Wärme und Energie in Form von Strom für entweder eine große Anzahl von Verbrauchern oder große industrielle Konzerne. Bisher war es aus ökonomischen Gründen nicht möglich, solche Anlagen für die Benutzung durch einzelne oder wenige Verbraucher zu verkleinern. Die angestiegenen Brennstoffkosten haben jedoch die Vorteile von zentral erzeugter Energie gemindert. Aus diesem Grunde besteht ein großes Marktpotential für große Stückzahlen verhältnismäßig autonomer, nutzernaher Erzeuger von Wärme und Elektrizität. In älteren, bestehenden Wärmetransportsystemen, zum Beispiel solche, in denen Fluid führende Rohrsysteme vorhanden sind, kann die Anwendung eines solchen Systems nach dem CHP-Prinzip besonders vorteilhaft sein, da es nicht erforderlich ist, den Gebäudeaufbau durch Einsetzen eines neuen Rohrsystems zu beeinträchtigen. Auf ähnliche Weise kann die Vielseitigkeit eines CHP-Systems die strukturelle Redundanz reduzieren.
Der Markt für örtliche Wärmeerzeugung in Europa und im Vereinigten Königreich (UK) sowie in gewissen Teilen der Vereinigten Staaten erfordert, dass eine ein zelne Einheit für Einfamilienhäuser und kleine Geschäftsgebäude Wärme sowohl für die Raumheizung (wie für ein Warmwassersystem mit Radiator) als auch für Haushaltswarmwasser (wie für eine Dusche oder einen Zapfhahn an einem Waschbecken oder einer Badewanne) als Anforderungs- oder Sofortliefersystem zur Verfügung hält. Es werden gelegentlich existierende Kombinationen benutzt, bei denen die Wärme für die Warmwasserversorgung in einem Kombinationssystem aus einem Speichertank und einer Boilerschleife zugeführt wird. Bei einer Lösung zirkuliert das Raumheizwasser durch die Boilerschleife, die als Heizelement für das Wasser im Speichertank dient. Da zur sofortigen Warmwasserversorgung von einer oder mehreren Duschen in einem Einfamilienhaushalt (z.B. ein Einzelhaus oder eine große Wohnung) eine Speicherkapazität von etwa 120 bis 180 Litern (etwa 30 bis 50 Galonen) erforderlich ist, muss der Speichertank verhältnismäßig groß sein muß, und zwar in vielen Fällen zu groß, um thermische Anforderungen von bis zu 25 kW (kW_t) für das gespeicherte Wasser und damit den Spitzenbedarf einer Dusche, zu erfüllen. In neueren und kleineren Häusern ist jedoch häufig nicht genügend Raum für ein solches Speichertankvolumen vorhanden. Zusätzlich zu dem Erfordernis einer kurzzeitigen Warmwasserkapazität von bis zu 25 kW_t sind in der kalten Jahreszeit bis zu 10 kW_t für die Raumheizung erforderlich, um ein Gebäude mittlerer Größe zu beheizen.
Auch wenn aus Raumgründen Systeme mit Raumheizung und Warmwasserversorgung in einem einzigen Heizsystem vorgesehen sind, wird das CHP-Prinzip nicht angewendet. In dem gegebenen Beispiel ist anzunehmen, dass der elektrische Leistungsbedarf bei einem Heizbedarf von 35 kW_t zwischen 3 und 5 Kilowatt (kW_e) liegt. Bisher war es üblich, zur Bereitstellung der beiden Energieformen, wie vorher diskutiert, ein großes zentrales Elektrizitätswerk zu haben, das die Elektrizität in einem gemeinsamen Netz für Tausende oder sogar Millionen von Nutzern zur Verfügung stellt, wobei die Produktion von Wärme und Warmwasser in der Nähe des Endabnehmers oder auf individueller oder Kleingruppen-Basis erfolgte. Bei dieser traditionellen Vorgehensweise hat der Endverbraucher nur einen geringen Einfluss auf die Kosten der Energieerzeugung, weil solche Kosten von den vorhandenen Tarifen und den Bedürfnissen anderer Verbraucher abhängen, er zahlt darüber hinaus aufgrund des inhärenten schlechten Wirkungsgrades eines solchen Systems mehr Geld, das nicht die Synergien zulässt, die Abfallwärme bieten, um entweder zusätzliche Elektrizität oder Wärme zu erzeugen.
Große Blockheizsysteme (im Bereich von Megawatt oder mehr) sind, obwohl sie eine Reduzierung der erwähnten schlechten Wirkungsgrade von zentralen Energieerzeugungssystemen vermeiden, nicht geeignet, um auf kleiner Basis (unter wenigen Hundert kW) Wärme und Strom zu erzeugen, besonders im Bereich von wenigen kW_e und darunter (Mikrosysteme) bis zu einigen Dutzend kW_e (Minisysteme). Dies liegt in erster Linie daran, dass große Antriebssysteme nicht beliebig verkleinert werden können, da ein vernünftiger elektrischer Wirkungsgrad häufig nur mit lastabhängigen variablen Systemen, engeren Maßtoleranzen der Hauptkomponenten und den damit verbundenen hohen Kapitalkosten erreicht werden können. Stellvertretend in dieser Klasse sind Gasturbinen, die bei kleiner Größe teuer sind, wobei der Wirkungsgrad darunter leidet, wenn sie unter variablen elektrischen Lastanforderungen arbeiten. Anordnungen, die den Wirkungsgrad erhöhen, wie Wiedergewinnungssysteme, neigen dazu, die in den Warmwasser- oder Raumheizungsschleifen verfügbare Wärme zu reduzieren, so dass die Benutzung auf Fälle mit hohem Wärme/Strom-Verhältnis (QP-Verhältnis) beschränkt ist. Eine Unterklasse der Antriebe mit Gasturbinen ist die Mikroturbine, die einen Hochgeschwindigkeits-Generator aufweist, der an einer Leistungselektronik angeschlossen ist, und die eine mögliche Lösung von Blockheizsystemen kleiner Größe darstellt. Andere Nachteile von großen Blockheizsystemen bestehen in der begrenzten Lebensdauer, was zu hohen Wartungskosten führt. Diese Klasse schließt Antriebe mit konventionellen Verbrennungsmaschinen ein, bei denen Lärm, Abgase, Schmieröl- und Zündkerzenwechsel sowie die damit verbundenen Wartungs- und Verpackungserfordernisse solche Anlagen in Wohnhäusern oder kleineren Geschäftsgebäuden nicht wünschenswert erscheinen lassen. Diese Klasse von Antriebsmaschinen schließt auch nicht eine ausreichende Menge von Wärme für Situationen ein, die ein hohes Wärme/Strom-Verhältnis (Q/P-Verhältnis) erfordern, wie es in einem Einfamilienhaushalt zu erwarten ist. Andere Antriebskonfigurationen wie Dampfturbinen, die im allgemeinen ein hohes Q/P-Verhältnis erfordern, sind sogar noch weniger geeignet, Schwankungen im Elektrizitätsbedarf zu verkraften als Gasturbinen. Zusätzlich bedeutet die Dampfantriebslösung einen langsamen Systemanlauf und hohe anfängliche Systemkosten, was bei kleinen Anlagen nachteilig ist.
Im Hinblick auf diese Grenzen des Standes der Technik haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass ein autonomes System gebraucht wird, bei dem Elektrizitätserzeugung und Wärmeerzeugung in einem dezentralen Kraftwerk integriert sind, das kompakt und effizient ist und einen vertretbaren Aufwand erfordert.
Diese Anforderungen werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, in der ein neues Mikro-Blockheizsystem beschrieben wird. In dem Mikro-Blockheizsystem liefert eine kompakte Antriebsmaschine sowohl elektrische Ausgangsleistung durch einen mit einer Wärmequelle gekoppelten Generator als auch Wärmeausgangsleistung zur Lieferung warmer Luft und von Warmwasser in Gebäuden. Ein Mikro-Blockheizsystem unterscheidet sich von einem traditionellen Blockheizsystem in der Größe: bei dem Blockheizsystem ist die elektrische Ausgangsleistung verhältnismäßig niedrig, nämlich im niedrigen kW_e-Bereich oder sogar darunter. Das System der vorliegenden Erfindung hat ein schnelles Ansprechverhalten auf Warmwasseranforderungen, da die zur Speicherung von Wasser erforderliche Tankgröße deutlich reduziert ist oder sogar entfallen kann. Die Größe des beschriebenen Mikro-Blockheizsystems kann dem einzelnen Benutzer angepasst werden, z.B. kann ein System für einen Einfamilienhaushalt ausgelegt werden zur Erzeugung von etwa 3 bis 5 kW_e, 10 kW_t Raumheizung und 25 kW_t Warmwasser. Für kleine kommerzielle Anwendungen oder für Mehrfamilienhäuser (wie eine Gruppe von Wohnungseinheiten) kann das System entsprechend vergrößert werden. Das Wärme/Strom-Verhältnis (Q/P-Verhältnis) ist ein wichtiger Parameter beim Entwurf des Systems. Für die meisten Wohnhäuser und kleinen Geschäftshäuser ist ein Q/P-Verhältnis im Bereich von 7:1 bis 11:1 zu bevorzugen, da wesentlich kleinere Verhältnisse zu einer nutzlosen Elektrizitätserzeugung führen, und wesentlich größere Verhältnisse für viele Fälle unpraktisch sind, ausgenommen für kaltes Klima (wo das Erfordernis der Heizung konstant und nicht saisonabhängig ist). Da die Erzeugung von Elektrizität (durch z.B. einen Generator oder eine Brennstoffzelle) ein Nebenprodukt des Wärmeerzeugungsprozesses einer Antriebsmaschine ist, wird kein zusätzliches Kohlendioxid und keine damit verbundene atmosphärische Verschmutzung erzeugt, so dass das System gemäß der vorliegenden Erfindung strikteren Emissionskontrollanforderungen entspricht.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Blockheizsystem vorgeschlagen. Das Blockheizsystem enthält ein organisches Arbeitsfluid, eine Wärmequelle, die in der Lage ist, das organische Arbeitsfluid zu überhitzen, einen ersten Arbeitskreis zum Transportieren des organischen Arbeitsfluids und einen Generator zum Erzeugen von Elektrizität. Mindestens ein Teil des ersten Arbeitskreises, der einen Spiral-Expander, einen Kondensator und eine Pumpe enthält, steht in thermischer Verbindung mit der Wärmequelle. Die Pumpe zirkuliert das organische Arbeitsfluid durch den ersten Arbeitskreis. Vorzugsweise ist die Wärmequelle ein Brenner, der derart in thermischer Verbindung mit einem Verdampfer steht, dass die durch den Brenner gelieferte Wärme das organische Arbeitsfluid überhitzt, wenn es durch den Verdampfer strömt. Im vorliegenden Kontext bedeutet der Ausdruck „thermische Verbindung" in weitem Maße alle Fälle von thermischen Wechselbeziehungen aufgrund der Kopplung zwischen Systemkomponenten, während der engere Ausdruck „Wärmeaustauschverbindung" (wie nachfolgend beschrieben) die speziellere Beziehung zwischen direkten, nebeneinander liegenden Wärmeaustauschkomponenten bezeichnet, die speziell für diesen Zweck konstruiert sind. Aufgrund der Natur des organischen Arbeitsfluids verbleibt dieses, bevor es in den Spiral-Expander eintritt und bis nach seinem Austritt, im überhitzten Zustand. Die hohe Dampfdichte und die guten Wärmeübertragungseigenschaften des überhitzten organischen Arbeitsfluids stellen sicher, dass aus dem Fluid die maximale Wärme und Leistung extrahiert werden können, ohne einen großen Expander benutzen zu müssen.
Das Blockheizsystem kann so ausgebildet sein, dass das organische Arbeitsfluid direkt oder indirekt beheizt wird. Im ersten Fall ist die Beziehung zwischen dem Brenner und dem das organische Arbeitsfluid enthaltenden Verdampfer derart, dass die Flamme des Verbrennungsprozesses im Brenner direkt auf die das Fluid führende Rohr oder einen Behälter (auch als Brennkammer bezeichnet) auftrifft, welcher Behälter zumindest einen Teil des das organische Arbeitsfluid führenden Leitungssystems enthält, derart, dass ein Teil des Leitungssystems, in dem das organische Arbeitsfluid überhitzt wird, als Verdampfer betrachtet wird. Im zweiten Fall gibt die Flamme im Verbrennungsprozess des Brenners einen Teil ihrer Wärme an eine Leitung ab, die einen Sekundärkreis bildet, der wiederum ein Wärmeübertragungsfluid zu einem Zwischenschleifen-Wärmetauscher transportiert. Das Wärmetauscherfluid kann Wasser, eine Mischung aus Wasser und einem Frostschutzzusatz (wie Propylenglykol) oder ein organisches Fluid sein, wie das des organischen Arbeitsfluids des ersten Arbeitskreises. Die erste Schleife des Zwischenschleifen-Wärmetauschers ist fluidmäßig mit dem das organische Arbeitsfluid führenden ersten Arbeitskreis verbunden, während die zweite Schleife fluidmäßig mit dem das Wärmetauscherfluid führenden zweiten Arbeitskreis verbunden ist. Vorzugsweise ist der Zwischenkreis-Wärmetauscher zwischen der Pumpe und dem Spiral-Expander des ersten Arbeitskreises angeordnet, so dass er als Verdampfer für das organische Arbeitsfluid wirkt. Die letztere Ausbildung kann auch eine Vorheizvorrichtung für eine Raumheizungsschleife enthalten, die in Wärmeaustauschverbindung mit dem Kondensator der zweiten Schleife steht, so dass ein Teil der in dem Wärmetauscherfluid nach der Abgabe eines Teiles seiner Wärme an das organische Arbeitsfluid in dem Zwischenschleifen-Wärmetauscher noch vorhandenen Wärme dazu verwendet werden kann, ein Fluid in einer externen Raumheizungsschleife vorzuheizen.
Ebenso wie bei der vorherigen Ausführung kann der Brenner innerhalb eines Behälters angeordnet sein. In beiden Ausbildungen kann der Behälter einen Abgaskanal enthalten, um Verbrennungsprodukte (in erster Linie Abgas) abzuführen, einen Abgaslüfter zur weiteren Verbesserung der Abfuhr und einen Abgas-Wärmetauscher, der neben (vorzugsweise innerhalb) dem Abgaskanal angeordnet ist, um die im Abgas verbleibende Wärme für die zusätzliche Heizung in anderen Teilen des Blockheizsystems auszunutzen. Der Abgas-Wärmetauscher kann darüber hinaus eine Abgas-Rückführeinheit enthalten, um zusätzlich die Wärmeübertragung vom Abgas zu verbessern. In der ersten Ausbildung kann die durch den Abgas-Wärmetauscher aufgenommene Wärme verschiedenen Stellen innerhalb entweder des ersten Arbeitskreises oder der Raumheizschleife zugeführt werden, um eine zusätzlich Vorheizung des organischen Arbeitsfluids bzw. des Raumheizfluids vorzunehmen. Zusätzlich kann jede der beiden Ausführungsformen angepasst werden, um Wärme mit einer externen Warmwasserschleife auszutauschen. Der Wärmeaustausch kann außerdem in einem Wärmetauscher stattfinden, der ähnlich wie der Kondensator aufgebaut ist, so dass zwei einzelne Schleifen nebeneinander angeordnet sind, um die Übertragung von Wärme zwischen entsprechenden durchströmenden Fluids zu verbessern, oder er kann in einem Speichertank (wie z.B. einem Warmwasserspeichertank) in der Weise stattfinden, dass das darin gespeicherte Fluid (vorzugsweise Wasser) auf einer angehobenen Temperatur gehalten wird, um eine Zufuhr von Wasser an einen Warmwasserhahn, eine Badewanne oder eine Dusche zu ermöglichen. In dem Fall der Verwendung eines Speichertanks kann eine zusätzliche Beheizung der Tankflüssigkeit durch ein Heizelement erfolgen, dem vom Generator Leistung zugeführt wird. Ist kein Tank vorhanden, kann die Wärme für die Warmwasserschleife von einer Verbindung mit dem Kondensator des ersten Arbeitskreises (in der Lösung mit Direktbeheizung) genommen werden oder von dem Wärmetauscherfluid, das (im Falle der indirekten Heizung) durch den zweiten Arbeitskreis strömt. Außerdem, sowohl im Falle der Direktheizung als auch der indirekten Heizung, kann ein überdimensionierter oder mehrstufiger Brenner benutzt werden, wenn es erwünscht ist, die Möglichkeit einer Warmwasserversorgung in einem vereinfachten Niedrigkostensystem aufrecht zu erhalten. Die sofortige Beheizung kann die Maße eines großen Speichertanks verringern oder ihn sogar überflüssig machen und dennoch die Möglichkeit schaffen, sofort verfügbares Warmwasser bereit zu stellen, wenn dies gewünscht wird.
Die Arbeitsbedingungen, einschließlich Maximaltemperatur und Maximaldruck, des ersten Arbeitskreises des Blockheizsystems sind so ausgelegt, dass sie innerhalb des Arbeitsbereiches des organischen Arbeitsfluids liegen. Eine Steuereinheit kann vorgesehen sein, um, falls erforderlich, eine Änderung der Arbeitsparameter innerhalb des Systems zu überwachen. Schalter, Sensoren und Ventile können in dem System vorgesehen sein, damit die Steuereinheit ihre Funktion ausführen kann. Um zum Beispiel den Expander vor einem Überdrehen während des Hochlaufens oder bei Abschaltvorgängen zu schützen oder bei niedriger (oder gar nicht vorhandener) Netzlast, kann die Steuereinrichtung direkt Ventile an der Betätigung blockieren oder überbrücken, um auf diese Weise das überhitzte organische Arbeitsfluid zu veranlassen, an dem Expander im Bypass vorbei zu fließen. Die Steuereinheit kann außerdem durch den Thermostaten mit benutzerdefinierten Bedingungen integriert werden.
Die Benutzung eines organischen Arbeitsfluid anstelle eines mehr verbreiteten Fluids (wie z.B. Wasser) ist wichtig, falls ein Fluid-Transport oder sogar eine Benutzung von Teilen des Systems unter dem Gefrierpunkt erfolgen soll (unterhalb von 0°C = 32°F). Mit einem wassergefüllten System könnten Beschädigungen und eine Unterbrechung der Arbeitsfähigkeit nach längerem Aussetzen durch Frost-Temperaturen auftreten. Zusätzlich hat die Benutzung eines organischen Arbeitsfluids anstelle von Wasser den Vorteil, dass Korrosionsprobleme aufgrund von Wasser und Sauerstoff im System sowie Probleme, die wegen der Dimensionierung des Expanders auftreten oder aufgrund anderer Probleme, die mit Fluids niedriger Dampfdichte zusammen hängen, vermieden werden. Das organische Arbeitsfluid ist vorzugsweise entweder ein Halogencarbon-Kühlmittel oder ein in natürlicher Form auftretender Kohlenwasserstoff. Beispiele für die zuerst genannte Möglichkeit enthalten R-245fa, während Beispiele für die zuletzt genannte Möglichkeit einige der Alkane wie Isopentan enthalten. Andere bekannte Arbeitsfluids und Kühlmittel sind unabhängig von ihren attraktiven thermodynamischen Eigenschaften aus anderen Gründen ausgeschlossen. Zum Beispiel ist R-11 eines aus der Klasse der Kühlmittel, das im größten Teil der Welt aus Umweltgründen verbannt ist. Ähnlich nachteilig ist R-123, obwohl umweltmäßig weniger zu beanstanden als R-11, da es unter bestimmten Bedingungen von Mikro-Blockheizsystemen zu Auflösungserscheinungen neigt. Die Notwendigkeit, den Kondensator bei ausreichend hohen Temperaturen zu betreiben, um eine nützliche Warmwasser-Raumheizung zu ermöglichen, und die Notwendigkeit eines ausreichenden Dampfexpansionsverhältnisses (von 5 bis 7 oder 8) begrenzt die Verwendbarkeit von Fluids mit sonst nützlichen Eigenschaften. Die Notwendigkeit, eine ausreichende Dampfdichte am Expandereinlass zu haben, hat außerdem einen direkten Einfluss auf die Auswahl des Fluids und des Durchmessers der Spiralen der Expander, was die Kosten der Spiral-Expander beeinflusst. Bei vielen Fluids führt die Kondensationstemperatur und die Notwendigkeit einer signifikanten Expansion zu sehr hohen Einlassdrücken der Spiral-Expander (was die Pumpleistung erhöht) oder zu überkritischen Zuständen am Einlass, was zu Schwierigkeiten beim Entwurf der Verdampfer und deren Steuerung führt. Die gleichen Bedingungen sind wichtig, wenn andere natürliche (Kohlenwasserstoff-) Fluide herangezogen werden. Während Pentan, Butan und Propan zum Beispiel alle als potentielle Arbeitsfluide betrachtet werden, haben die Erfinder herausgefunden, dass von den natürlich auftretenden Kohlenwasserstoffen Isopentan ausgezeichnete Fluideigenschaften für die Anwendung in Mikro-Blockheizsystem bietet.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Blockheizsystem vorgeschlagen, das mit einem organischen Arbeitsfluid arbeitet. Das System enthält eine Wärmequelle, einen ersten Arbeitskreis zum Transportieren des organischen Arbeitsfluids und einen Generator; der mit einem Spiral-Expander gekoppelt ist, um Elektrizität zu erzeugen. Der erste Arbeitskreis enthält einen Spiral-Expander, der dazu ausgelegt ist, das organische Arbeitsfluid zu empfangen, einen Kondensator in Fluid-Verbindung mit dem Spiral-Expander und eine Pumpe zum Zirkulieren des organischen Arbeitsfluids. Der erste Arbeitskreis steht derart mit der Wärmequelle in thermischer Verbindung, dass die von dieser übertragene Wärme das organische Arbeitsfluid in überhitzten Dampf verwandelt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein indirekt beheiztes Mikro-Blockheizsystem vorgeschlagen, dass eine Wärmequelle, erste und zweite Fluid-Zirkulationsschleifen und einen Wärmetauscher zwischen den Schleifen enthält. Das indirekt beheizte Mikro-Blockheizsystem hat den Vorteil einer günstigen Systemflexibilität und Systemsicherheit. Mehrere Fluid-Zirkulationsschleifen sind derart vorgesehen, dass die Wärmequelle (z.B. ein Brenner) in einer zweiten Fluid-Zirkulationsschleife angeordnet ist, die in thermischer Verbindung mit einer ersten Fluid-Zirkulationsschleife steht, aber fluidmäßig von dieser isoliert ist. Die zweite Fluid-Zirkulationsschleife enthält einen Rohrstrang, der dazu benutzt wird, ein Wärmetauscherfluid zu transportieren. Dieser Rohrstrang ist vorzugsweise zu einer Spule geformt und mit Rippen versehen, um die Wärmeübertragung zwischen der Wärmequelle und dem Wärmetauscherfluid zu maximieren. Mindestens eine Pumpe wird für die Zirkulation des Wärmetauscherfluids benutzt. Die zweite Fluid-Zirkulationsschleife enthält darüber hinaus einen parallelen Satz von Unterschleifen, von denen eine durch einen Warmwasser-Wärmetauscher führt, um Wasser aus dem Wassernetz aufzuheizen, während eine andere als Vermittler zwischen der Wärmequelle und dem organischen Arbeitsfluid, das durch die erste Fluid-Zirkulationsschleife fließt, durch einen Zwischenschleifen-Wärmetauscher führt. Zusätzlich dazu, dass das organische Arbeitsfluids durch den Zwischenschleifen-Wärmetauscher geschickt wird, enthält die erste Fluid-Zirkulationsschleife einen Spiral-Expander, der mit einem Generator verbunden ist, einen Raumheizungs-Wärmetauscher und eine Zirkulationspumpe. Bei der Zuführung von Wärme wird das organische Arbeitsfluid überhitzt, dann in dem Spiral-Expander expandiert, um den Generator anzutreiben und damit elektrische Leistung zu erzeugen. Das den Spiral-Expander verlassende organische Arbeitsfluid, das nun einen niedrigeren Druck hat, aber immer noch überhitzt ist, gelangt in den Raumheizungs-Wärmetauscher, durch den ein anderes Fluid, normalerweise Luft oder Wasser, hindurchfließt und das durch das organische Arbeitsfluid aufgeheizt wird. Dieses Raumheizungsfluid zirkuliert dann durch Radiatoren oder durch ähnliche Raumheizungseinheiten eines Gebäudes. Die Zirkulationspumpe führt das kondensierte organische Arbeitsfluid zum Zwischenschleifen-Wärmetauscher zurück, wo es den Vorgang wiederholen kann.
Es ist wahlweise möglich, eine Vorheizeinrichtung für die Raumheizungsschleife in Wärmeaustauschverbindung mit der zweiten Fluid-Zirkulationsschleife vorzusehen, und zwar in der Art, dass eine zusätzliche Raumheizung erfolgen kann. Zusätzlich kann, wie bei dem vorhergehenden Aspekt der Erfindung, die Wärmequelle einen Brenner enthalten, der innerhalb eines Brennkammer-Behälters angeordnet ist. Der Behälter kann einen Abgaskanal, einen Abgaslüfter und einen Abgas-Wärmetauscher aufweisen, der neben dem Abgaskanal angeordnet ist. Der Abgas-Wärmetauscher kann außerdem eine Abgas-Rückführeinheit aufweisen, um die Wärmeübertragung vom Abgas zu verbessern. Die Restwärme, die sonst aus dem Kanal in die Atmosphäre abgegeben würde, wird ausgenutzt und anderen Teilen des Systems zugeführt. Zum Beispiel kann der Abgas-Wärmetauscher in die erste Unterschleife der zweiten Fluid-Zirkulationsschleife integriert werden, um eine zusätzliche Aufheizung des Warmwasser-Wärmetauschers zu ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein direkt beheiztes Blockheizsystem geschaffen worden, das dazu ausgebildet ist, ein organisches Arbeitsfluid zirkulieren zu lassen. Das direkt beheizte Mikro-Blockheizsystem ist im Hinblick auf die Systemkosten und den einfachen Aufbau von Vorteil. Das System enthält einen Rohrstrang, der den Fließpfad eines organischen Arbeitsfluids definiert, ein organisches Arbeitsfluid innerhalb des Rohrstrangs, einen Verdampfer, der in dem Fließpfad des organisches Arbeitsfluids angeordnet ist, einen Brenner in thermischer Verbindung mit dem Verdampfer in der Weise, dass die auf den Verdampfer übertragene Wärme das organische Arbeitsfluid überhitzt, einen Spiral-Expander, der in dem Fließpfad des organischen Arbeitsfluids in der Weise angeordnet ist, dass das überhitzte organische Arbeitsfluid, das durch den Spiral-Expander strömt, beim Austreten aus dem Spi ral-Expander überhitzt bleibt, einen mit dem Spiral-Expander gekuppelten Generator zur Erzeugung von Elektrizität, einen Kondensator und eine Pumpe, die in dem Fließpfad des organischen Arbeitsfluids zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer angeordnet ist. Der Kondensator enthält eine Primärschleife, die in dem Fließpfad des organischen Arbeitsfluids in der Weise angeordnet ist, dass die Primärschleife in Fluidverbindung mit dem Spiral-Expander steht, während eine Sekundärschleife in Wärmeaustauschverbindung mit der Primärschleife steht. Die Sekundärschleife ist so ausgebildet, dass sie mindestens einen Teil der Wärme überträgt, die in dem organischen Arbeitsfluid enthalten ist, das durch die Primärschleife zu einer externen Schleife, wie einer Raumheizeinrichtung, fließt.
Zusätzlich kann das direkt beheizte Mikro-Blockheizsystem eine Steuereinheit, Ventile, eine Brennkammer und Abgasmerkmale enthalten, die ähnlich den vorherigen Aspekten sind. Ebenso kann wie bei den bereits beschriebenen Aspekten das organische Arbeitsfluid vorzugsweise entweder ein natürlich vorkommender Kohlenwasserstoff (wie Isopentan) oder ein Halogencarbon-Kühlmittel sein wie zum Beispiel R-245fa. Darüber hinaus kann die Wärmequelle, die ein Brenner sein kann, überdimensioniert ausgelegt sein, um zusätzliche Wärme bei Variationen des Systems zur Verfügung stellen zu können, wenn kein Speichertank für die Warmwasserversorgung vorgesehen ist. In diesem Fall kann der Brenner entweder größer oder mehrstufig sein, so dass jede Stufe einem besonderen Teil der externen Heizkreise zugeordnet ist, wie zum Beispiel den Raumheizkreisen oder den Warmwasserkreisen. Darüber hinaus können die externen Heizkreise mit dem Blockheizsystem in einer einzigen Verbindung mit dem Kondensator gekoppelt werden, so dass verzweigte Pfade entsprechend den Raumheizungskreisen und den Warmwasserkreisen dargestellt werden können.
Es wird ein Blockheizsystem zur Wärme- und Stromerzeugung gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Mikro-Blockheizsystem enthält eine Elektrizität erzeugende Schleife und eine Verbindung zu einer externen Heizschleife. Die Elektrizität erzeugende Schleife enthält einen Brenner zum Anheben der Temperatur des organischen Arbeitsfluids in der Weise, dass das organische Arbeitsfluid überhitzt wird, einen Spiral-Expander, dem der überhitzte Dampf so zugeführt wird, dass das Arbeitsfluid auch nach dem Durchlauf im überhitzten Zustand verbleibt, einen mit dem Spiral-Expander gekoppelten Generator zum Erzeugen von Elektrizität, einen Kondensator, der in Fluidverbindung mit dem Spiral-Expander steht, und eine Pumpe zum Zirkulieren des organischen Arbeitsfluids. Die Verbindung ist in dem Kondensator angeordnet und derart ausgebildet, dass die externe Heizschleife in thermischer Verbindung mit dem Kondensator steht. Die externe Heizschleife kann entweder eine Warmwasserschleife, eine Raumheizungsschleife oder beides sein. Wie bei den bisher beschriebenen Aspekten der Erfindung können auf ähnliche Weise eine Steuereinheit, eine Brennkammer und damit in Verbindung stehende Merkmale vorgesehen sein.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Erzeugen von Haushaltswarmwasser, Raumheizung und Elektrizität in Verbindung mit einem Rankine-Zyklus mit einem organischen Arbeitsfluid geschaffen. Das System enthält einen im wesentlichen geschlossenen Fluid-Arbeitskreis, der dazu ausgebildet ist, das organische Arbeitsfluid durch das System zu transportieren, einen Brenner zum Erzeugen der notwendigen Wärme zum Überhitzen des organischen Arbeitsfluids und eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebsablaufs des Systems. Der im wesentlichen geschlossene Fluid-Arbeitskreis wird zumindest teilweise durch ein spulenförmiges Rohrsystem gebildet, das als Wärmeübertragungselement für das organische Arbeitsfluid dient und als Komponenten einen Spiral-Expander, einen Generator, einen Kondensator und eine Pumpe enthält. Der Ausdruck „Rohrsystem" kann austauschbar mit dem Ausdruck „Rohrstrang" benutzt werden und beschreibt einen geschlossenen hohlen Behälter zum Transport von Fluiden. Der Brenner ist in thermischer Verbindung mit dem im wesentlichen geschlossenen Fluid-Arbeitskreis in Form des spulenförmigen Rohrsystems. Der Spiralverdichter ist so ausgebildet, dass er das überhitzte organische Arbeitsfluid akzeptiert. Der Kondensator ist ausgebildet, um zumindest einen Teil der in dem organischen Arbeitsfluid verbleibenden Wärme zu extrahieren, nachdem das organische Arbeitsfluid den Spiral-Expander durchlaufen hat. Die Pumpe verdichtet und zirkuliert das organische Arbeitsfluid.
Gemäß einem weiteren, zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein indirekt beheiztes Blockheizsystem vorgeschlagen, das eine Wärmequelle, ein passives Wärmeübertragungselement in thermischer Verbindung mit der Wär mequelle, einen ersten Arbeitskreis, einen Generator und einen zweiten Arbeitskreis hat. Der erste Arbeitskreis ist dazu ausgebildet, ein organisches Arbeitsfluid zu transportieren und ist neben einem Ende des passiven Wärmeübertragungselementes derart angeordnet, dass die von dem passiven Wärmeübertragungselement übertragene Wärme den Energieinhalt des organischen Arbeitsfluid erhöht. Der erste Arbeitskreis besteht aus mindestens einem Spiral-Expander, der dazu ausgebildet ist, das organische Arbeitsfluid zu empfangen, einem Kondensator in Fluid-Verbindung mit dem Spiral-Expander und einer Pumpe, die dazu ausgebildet ist, das organische Arbeitsfluid zu zirkulieren. Der Kondensator ist ausgebildet, um mindestens einen Teil der überschüssigen Wärme, die im organischen Arbeitsfluid enthalten ist, an eine externe Heizschleife zu übertragen. Wie bei den oben bereits beschriebenen Aspekten ist der Generator mit dem Spiral-Expander gekoppelt, um Elektrizität aufgrund der Bewegung des Spiralelementes zu erzeugen. Der zweite Arbeitskreis ist dazu ausgebildet, ein Wärmeaustauschfluid zu transportieren und ist neben einem Ende des passiven Wärmeübertragungselementes derart angeordnet, dass die davon übertragene Wärme den Energieinhalt des Wärmetauscherfluids erhöht. Der zweite Arbeitskreis besteht aus mindestens einer Brennkammer, die neben der Wärmequelle derart angeordnet ist, dass das Abgas abgeführt werden kann. Die Details bezüglich der Brennkammer sind ähnlich wie die, die in Verbindung mit den bisher beschriebenen Aspekten beschrieben wurden, mit der Ausnahme, dass ein Ende des passiven Wärmeübertragungselementes (das vorzugsweise ein Wärmeleitrohr ist) innerhalb der Brennkammer angeordnet ist, so dass das Ende die Wärme von der Wärmequelle absorbiert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Blockheizsystem vorgeschlagen, das eine Wärmequelle, ein passives Wärmeübertragungselement in thermischer Verbindung mit der Wärmequelle, und einen ersten Arbeitskreis hat. Der erste Arbeitskreis ist dazu ausgebildet, ein organisches Arbeitsfluid zu transportieren und ist neben einem Ende des passiven Wärmeübertragungselementes derart angeordnet, dass die von dem passiven Wärmeübertragungselement übertragene Wärme das organische Arbeitsfluid überhitzt. Der erste Arbeitskreis besteht aus mindestens einem Spiral-Expander, der dazu ausgebildet ist, das organische Arbeitsfluid zu empfangen, einem Kondensator in Fluid-Verbindung mit dem Spiral-Expander und einer Pumpe, die dazu ausgebil det ist, das organische Arbeitsfluid zu zirkulieren. Ein Generator ist mit dem Spiral-Expander gekoppelt, um Strom abhängig von der Expansion des organischen Arbeitsfluids zu erzeugen. Der Kondensator ist ausgebildet, um mindestens einen Teil der überschüssigen Wärme, die im organischen Arbeitsfluid enthalten ist, an eine externe Heizschleife zu übertragen. Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel ist das passive Wärmeübertragungselement vorzugsweise ein Wärmeleitrohr, das auf ähnliche Weise in die Brennkammer integriert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen von Wärme und elektrischer Leistung mittels eines Blockheizsystems vorgeschlagen. Das Verfahren enthält den Schritt der Ausbildung eines ersten Arbeitskreises zum Transportieren eines organischen Arbeitsfluids, den Schritt der Überhitzung des organischen Arbeitsfluids durch eine Wärmequelle, die in thermischer Verbindung mit dem ersten Arbeitskreis steht, Expandieren des überhitzten organischen Arbeitsfluids in einem Spiral-Expander, Antreiben eines mit dem Spiral-Expander gekoppelten Generators, um Elektrizität zu erzeugen, Kühlen des organischen Arbeitsfluids in einem Kondensator derart, dass mindestens ein Teil der Wärme des organischen Arbeitsfluids, das den Kondensator passiert, auf eine externe Heizschleife übertragen wird, Benutzen mindestens eines Teils der Wärme, die auf die externe Heizschleife übertragen wurde, um eine Raumheizung vorzunehmen, und Rückführen des organischen Arbeitsfluids, das aus dem Kondensator kommt, zu einer Position im ersten Arbeitskreis in der Art, dass es zusätzliche Wärme von der Wärmequelle erhalten kann.
Zusätzlich enthält das Verfahren den Schritt, das organische Arbeitsfluid im Expansionsschritt in einem überhitzten Zustand zu halten. Als zusätzlichen Schritt kann das Verfahren wahlweise mindestens einen Teil der Wärme nutzen, die zur externen Heizschleife transferiert wurde, um eine Haushalts-Warmwasserschleife zu beheizen. Ein alternativer Satz von Schritten kann benutzt werden, einen zweiten Arbeitskreis so zu konfigurieren, dass dieser ein Wärmeaustauscherfluid zu einer Warmwasserschleife transportiert, wobei die Warmwasserschleife von der Raumheizungsschleife entkoppelt und die Raumheizungsschleife thermisch mit dem Kondensator gekoppelt ist. Der zweite Arbeitskreis wird durch einen Fließpfad in Form einer Rohrschleife definiert, die in thermischer Verbindung mit der Wärmequelle steht. Der zweite Arbeitskreis steht in Wärmeaustauschverbindung mit mindestens einer Warmwasserschleife wie zum Beispiel einem Wärmetauscher oder einem Wasserspeichertank. Der zweite Arbeitskreis ist ausgebildet, um mindestens einen Teil der Wärme, die auf das Wärmetauscherfluid übertragen wurde, zur Beheizung eines Fluids (z.B. Wasser) in der Warmwasserschleife zu verwenden. Vorzugsweise wird das organische Arbeitsfluid im Überhitzungsschritt auf etwa 5,6 bis 16,7°C (10 bis 30°F) über seinen Siedepunkt erhitzt und auf einen Maximaldruck von etwa 1,38 bis 3,10 MPa (200 bis 450 lbs/Zoll² ) im Rückführschritt (beim Pumpen) verdichtet. Zusätzlich erzeugt der Überhitzungsschritt eine Maximaltemperatur von etwa 121 bis 177°C (250 bis 350°F) in dem organischen Arbeitsfluid. Darüber hinaus wird der Expansionsschritt in der Weise durchgeführt, dass die elektrische Ausgangsleistung des Generators bis zu 10 kW beträgt, während der Kühlschritt derart durchgeführt wird, dass die thermische Ausgangsleistung, die der externen Heizschleife zugeführt wird, bis zu 60 kW beträgt. Die Wärmequelle kann entweder direkt oder indirekt das organische Arbeitsfluid beheizen. Ein zusätzlicher Schritt kann darin bestehen, dass ein Satz von Ventilen betätigt wird, die so ausgebildet sind, dass sie das organische Arbeitsfluid im Bypass um den Spiral-Expander aufgrund einer voreingestellten Bedingung herumführen; bei dieser Bedingung kann es sich um einen Netzausfall, einen Anlaufübergang oder einen Abschaltvorgang handeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Erzeugung von Elektrizität und Raumheizung durch die Expansion eines organischen Arbeitsfluids im überhitzten Zustand vorgeschlagen. Das System enthält ein organisches Arbeitsfluid, einen Fließpfad zum Transport des organischen Arbeitsfluids, eine in dem Fließpfad angeordnete Brennkammer, einen in dem Fließpfad angeordneten Spiral-Expander zum Empfangen und Abgeben des organischen Arbeitsfluids im überhitzten Zustand, einen mit dem Spiral-Expander gekoppelten Generator zum Erzeugen von Elektrizität, einen in Fluidverbindung mit dem Spiral-Expander stehenden Kondensator und eine Pumpe zum Zirkulieren des organischen Arbeitsfluids durch den Fließpfad. Die Brennkammer enthält einen Brenner, ein neben dem Brenner angeordnetes Wärmeübertragungselement zum Transportieren des organischen Arbeitsfluids und einen Abgaskanal zum Abführen der durch den Brenner erzeugten Verbrennungsprodukte in die Atmosphäre. Wie bei den vorherigen Aspekten kann die Kopplung zwischen dem Kondensator und einer externen Heizschleife dazu benutzt werden, einen Wärmeaustausch mit der Raumheizschleife durchzuführen. Darüber hinaus können Systemregeleinrichtungen wie eine Steuereinheit, Schalter und Ventile vorgesehen sein, sowie zusätzliche Wärmetauscheinrichtungen, die an den Abgaskanal oder den Kondensator angekoppelt sind, wie bereits in Verbindung mit den vorhergehenden Aspekten beschrieben wurde.
Die folgende detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist am besten zu verstehen, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gesehen wird, in denen gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines integrierten Mikro-Blockheizsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine indirekt beheizte Ausführung mit einem Speichertank, einer Raumheizung und einer Warmwasserversorgung zeigt;
2 eine schematische Darstellung eines integrierten Mikro-Blockheizsystems mit indirekter Beheizung ohne Speichertank und sowohl mit Raumheizung als auch mit Warmwasserversorgung;
3 eine schematische Darstellung eines integrierten Mikro-Blockheizsystems mit direkter Beheizung ohne Speichertank und sowohl mit Raumheizung als auch mit Warmwasserversorgung;
4 eine schematische Darstellung eines integrierten Mikro-Blockheizsystems mit direkter Beheizung mit Speichertank und sowohl mit Raumheizung als auch mit Warmwasserversorgung;
5 eine schematische Darstellung eines integrierten Mikro-Blockheizsystems mit direkter Beheizung ohne Speichertank und mit Raumheizung;
6 die Integration eines Wärmeleitrohres in eine indirekt beheizte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Wesentliche ein gemeinsamer Wärmetauscher sowohl für Raumheizung als auch für Warmwasserversorgung ist;
7 die Integration eines Wärmeleitrohres in eine direkt beheizte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Wesentliche ein gemeinsamer Wärmetauscher sowohl für die Raumheizung als auch für die Warmwasserversorgung ist;
8 Details eines Abgas-Wärmetauschers einschließlich Einzelheiten einer Abgas-Rückführeinheit.
In 1 ist eine Ausführungsform des Mikro-Blockheizsystems 1 gezeigt, das ein indirekt beheiztes, Zweischleifensystem ist und einen ersten (oder primären) Arbeitskreis 100 und einen zweiten Arbeitskreis 150 enthält. Ein Vorteil des indirekt beheizten Systems besteht darin, dass ein Boiler (oder Verdampfer) des ersten Arbeitskreises nicht überhitzt werden und damit ausbrennen kann. Der erste Arbeitskreis 100 enthält einen Expander 101, einen Kondensator 102, eine Pumpe 103 und einen Teil eines Zwischenschleifen-Wärmetauschers 104. Ein organisches Arbeitsfluid (wie natürlich vorkommende Kohlenwasserstoffe oder Halogencarbon-Kühlmittel, nicht gezeigt) zirkuliert durch die Schleife, durch den fluid-verbundenen Expander 101, Kondensator 102, die Pumpe 103 und einen Zwischenschleifen-Wärmetauscher 104. Ein Rohrstrang 110 wird benutzt, die verschiedenen Komponenten des ersten Arbeitskreises 100 zu verbinden, während die Pumpe 103 den Druck liefert, um das organische Arbeitsfluid dem Zwischenschleifen-Wärmetauscher 104 zuzuführen, wodurch der erste Arbeitskreis 100 komplettiert wird. Ein Generator 105 (vorzugsweise ein Induktionsgenerator) ist mit dem Expander 101 gekoppelt, so dass die von dem Expander 101 ausgeübte Bewegung Elektrizität erzeugt. Während der Expander 101 beliebiger Art sein kann, ist er vorzugsweise ein Spiral-Expander. Der Spiral-Expander kann konventioneller Bauart mit einer einzigen Spirale sein, wie es Stand der Technik ist. Eine Ölpumpe 108 wird benutzt, die Spirale zu schmieren. Das Vorhandensein von Öl verbessert die Dichtung zwischen den ineinandergreifenden stationären und umlaufenden Windungen, die die bogenförmigen Kammern (nicht ge zeigt) der Spirale bilden. Ein Pegelanzeigeschalter 120 mit einem hohen Pegel 120A und einem niedrigen Pegel 120B ist am Ausgang des Kondensators 103 angeordnet. Eine Steuereinheit wird benutzt, um den Systemablauf zu regeln. Sie misst Parameter wie zum Beispiel Temperaturen des organischen Arbeitsfluids an verschiedenen Punkten innerhalb des ersten Arbeitskreises und Pegelinformationen, die vom Pegelanzeigeschalter 120 geliefert werden. Durch eine geeignete Programmlogik können Ventile (derzeit nicht gezeigt) abhängig von vorbestimmten Zuständen geöffnet und geschlossen werden, zum Beispiel abhängig von einem elektrischen Netzausfall. Der Generator 105 ist vorzugsweise ein Asynchrongenerator, der somit einen einfachen Betrieb mit niedrigen Betriebskosten des Systems 1 zulässt, da komplexe Generatorgeschwindigkeits-Regeleinrichtungen und damit verbundene Vernetzungen nicht erforderlich sind. Ein Asynchrongenerator liefert jederzeit die maximal mögliche Leistung ohne Regelung, da seine Drehmomentbedarf schnell ansteigt, wenn der Generator 105 die Systemfrequenz überschreitet. Der Generator 105 kann für eine kommerzielle Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz ausgelegt sein, während er in der Nähe von 150 oder weniger Umdrehungen pro Minute der Synchrondrehzahl (3000 oder 3600 Upm) bleibt.
Eine externe Heizschleife 140 (die vorzugsweise als Raumheizschleife gezeigt ist) kann mit dem ersten Arbeitskreis 100 über Verbindungselemente (nicht gezeigt) an den Kondensator 102 gekoppelt sein. Wahlweise kann eine Vorheizspule 145 in die externe Heizschleife 140 derart eingefügt sein, dass das hindurchfließende Wasser-Fluid (typischerweise Wasser) eine zusätzliche Temperaturerhöhung aufgrund ihrer Wärmetauscherbeziehung mit dem Wärmetauscherfluid erhält, das durch den zweiten Arbeitskreis 150 strömt (wird nachfolgend noch im Detail beschrieben). Das hydraulische Fluid, das durch die externe Heizschleife 140 strömt, wird durch eine konventionelle Pumpe 141 zirkuliert und als Raumheizung über Radiator 148 oder eine ähnliche Einrichtung abgegeben. Zum Beispiel kann das hydraulische Fluid den Kondensator 102 mit etwa 50°C verlassen und mit einer niedrigen Temperatur von nur 30°C zurückkehren. Die Kapazität des Systems 1 beträgt bis zu 60 kW_t, es liegt jedoch innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung, dass Einheiten größerer oder kleinerer Kapazität realisiert werden, falls erforderlich. Ein Mikro-Blockheizsystem hat die Eigenschaft, Wärme zusätzlich zu Elektrizität zu erzeugen. Überschüssige Wärme so wohl von der Wärmequelle als auch vom expandierten Arbeitsfluid kann externen Warmwasserschleifen oder Raumheizschleifen zugeführt werden. Der Wärmeaustauschprozess wird vorzugsweise entweder in Gegenstrom-Wärmetauschern (entweder für die Warmwasserschleife oder die Raumheizschleife oder für beide) oder in einem konventionellen Warmwasserspeichertank (für die Warmwasserschleife) durchgeführt. Obgleich die Ausführungsformen in den Figuren Wärmetauscher für Warmwasserschleifen und Raumheizschleifen in paralleler Anordnung zeigen (in einigen Fällen aus derselben Wärmetauschereinrichtung gespeist, wie später noch gezeigt wird), ist für den Fachmann zu erkennen, dass innerhalb des Geistes der vorliegenden Offenbarung serielle oder sequentielle Wärmetauscherlösungen verwendet werden können.
Der zweite Arbeitskreis 150 enthält zwei parallele Unterschleifen 150A, 150B. Wärme wird den beiden parallelen Unterschleifen 150A und 150B durch einen Brenner 151 zugeführt, der mit Brennstoff aus einer Gasleitung 150 und einem variablen Gasregelventil 153 gespeist wird. Rohrstränge 160 (die die parallelen Unterschleifen bilden) passieren eine Brennkammer 154, in der die Wärme aus der Verbrennung von Brennstoff im Brenner 151 an das durch den Rohrstrang 160 fließende Wärmetauscherfluid (nicht gezeigt) abgegeben wird. Der Rohrstrang 160, der einen mit Rippen versehenen Rohrabschnitt 161 innerhalb der Brennkammer 154 enthält, verzweigt sich in die erste parallele Unterschleife 150A, die das in der Brennkammer 154 erhitzte Wärmetauscherfluid zum Zwischenschleifen-Wärmetauscher 104 transportiert, um die Wärme zum Aufheizen des organischen Arbeitsfluids abzugeben, das durch den ersten Arbeitskreis 100 fließt. Blockventile (nicht gezeigt) könnten verwendet werden, den Fluss zwischen den Unterschleifen zu regulieren, durch das Leerlaufen der Pumpe in der inaktiven Unterschleife wird jedoch ein signifikanter Fluss in der Unterschleife verhindert, ohne dass zusätzliche Ventile erforderlich sind. Die zweite parallele Unterschleife 150B transportiert das Wärmetauscherfluid zum Warmwasser-Wärmetauscher 180, um das Haushaltswarmwasser aufzuheizen. Eine Seite des Warmwasser-Wärmetauschers 180 (der ein Wasserspeichertank sein kann) enthält die Spule 180A, die dazu ausgebildet ist, das Wärmetauscherfluid zu transportieren, und auf der anderen Seite die Hülle 180B, um das Haushaltswarmwasser (nicht gezeigt) von einem Kaltwassereinlass 191A über die Spule 180A dem Warmwasserauslass 191B zuzuführen. Üblicherweise kommt das Kaltwas ser entweder von einer Quelle oder einer öffentlichen Wasserversorgung. Auf ähnliche Weise kann der Temperatursensor 171B die Temperatur des aus dem Warmwasser-Wärmetauscher 180 kommenden Warmwassers messen. Der Sensor ist außerdem mit einem Regler 130 (der später im Detail beschrieben wird) verbunden. Die Brennkammer 154 enthält einen Abgaskanal 155, eine Abgas-Rückführeinrichtung 160 mit einem Abgas-Wärmetauscher 157 und einen Lüfter 158. Obgleich der Lüfter vorzugsweise als Sauglüfter gezeigt ist, ist für den Fachmann klar, dass es auch ein Drucklüfter sein kann, wenn er an geeigneter Stelle gegenüber der Brennkammer 154 angeordnet ist. Temperatursensor 171A ist am Ausgang der Brennkammer 154 für den zweiten Arbeitskreis 150 angeordnet, um die Temperaturbedingungen des Wärmetauscherfluids zu messen, und zwar in ähnlicher Weise wie dies mit dem Temperatursensor 171B erfolgt. Pumpen 185A, 185B des zweiten Arbeitskreises werden verwendet, um das Wärmetauscherfluid durch den zweiten Arbeitskreis 150 zu zirkulieren, wobei die Pumpe 185B das Wärmetauscherfluid durch den Warmwasserheizer 180 zirkuliert, während die Pumpe 185A das Wärmetauscherfluid durch den Zwischenschleifen-Wärmetauscher 104 zirkuliert. Der Abgas-Wärmetauscher 157 und eine Abgas-Rückführeinrichtung (EGR) 156 empfangen heiße Abgase vom Brenner 151 und führen sie in einem internen Wärmetauschprozess zurück, wodurch die Temperatur der Abgase gesenkt wird, bevor sie durch den Lüfter 158 in die Atmosphäre abgeführt werden. Die durch das Abgas in dem Abgas-Wärmetauscher 157 abgegebene Wärme wird verwendet, anderen Teilen des Systems 1 zusätzliche Wärme zuzuführen. In der vorliegenden Zeichnung wird diese zusätzliche Wärme dazu verwendet, die Temperatur des Wärmetauscherfluids zu erhöhen, das in dem zweiten Arbeitskreis 150 fließt.
Eine Steuereinheit, die eine programmierbare logische Steuereinheit (PLC) oder ein konventioneller Mikroprozessor (nicht gezeigt) sein kann, kann verwendet werden, um die Systemsteuerung im einzelnen durchzuführen. Alle Pumpen können für eine variable Drehzahl ausgebildet sein und sprechen auf Eingangssignale der Steuereinheit 130 an. Wird ein Signal für Wärmeanforderung empfangen, zündet der Brenner 151 den Brennstoff, während die geeignete Zirkulationspumpe 185B oder 185A eingeschaltet wird. Für die Warmwasserversorgung liefert der Schalter 190 in Verbindung mit dem Temperatursensor 171B Eingangssignale für die Steuereinheit 130. Strömungsschalter 190 wählt den Warmwasserbetrieb, während der Einstellpunkt für die Warmwasserheizung mit dem Temperatursensor 171A eingestellt wird. Der Gasfluss des Brenners und der Strom durch die Warmwasserpumpe 185B werden geregelt, um die gewünschte Temperatur bei 171B zu erzielen, entsprechend der durch den Benutzer am Warmwasserthermostaten (nicht gezeigt) voreingestellten Temperatur.
Im Betrieb des Systems fließt das aufgeheizte Wärmetauscherfluid am Sensor 171A vorbei, der in der Lage ist, der Steuereinheit 130 ein gültiges Signal zu geben, so dass die Zündrate des Brenners 151 und der Fluss durch die Pumpe 185B sowohl für einen sicheren Betrieb als auch auf die gewünschte Ausgangsleistung eingestellt werden können. Beim Starten des Systems muss der Steuereinheit 130 jedoch ein initialisierender Zustand signalisiert werden, der bis zu dem Zeitpunkt als sicherer Betriebszustand verwendet wird, an dem das Wärmetauscherfluid an dem Temperatursensor 171A vorbeifließt. Es ist wünschenswert, beim Anlauf einen minimalen Fluss des Wärmetauscherfluids zu haben, so dass das Fluid so schnell wie möglich aufheizt. Es ist jedoch ein gewisser Fluss notwendig, um eine lokale Überhitzung des Fluids in der Brennkammer 154 zu vermeiden und der Steuereinheit 130 eine Anzeige zu geben, dass der Brenner tatsächlich gezündet hat. Der Gasfluss ist so eingestellt, dass sich die längstmögliche Laufzeit für das System ergibt, entsprechend der gemessenen Außentemperatur und der Änderungsrate der Innentemperatur. Die Pumpe 185B arbeitet, um die Brennkammer 154 mit Wärmetauscherfluid mit einem vom Werk eingestellten Wert des Temperatursensors 171A zu versorgen. Sobald der Temperatursensor 171A etwa 50 % des am Thermostaten eingestellten Punktes erreicht hat, wird die Geschwindigkeit der Pumpe 185B erhöht, bis der Temperaturwert am Temperatursensor 171A den eingestellten Punkt erreicht, so dass zu dieser Zeit der Brenner 151 und die Pumpe 185B im modulierten Betrieb für konstante Werte der Temperatursensoren 171A und 171B betrieben werden. Wenn der Fluss-Schalter 190 einen Fluss von Null anzeigt, werden der Brenner 151 und die Pumpe 185B abgeschaltet. Ein kleiner Ausgleichsbehälter (nicht gezeigt) kann in dem zweiten Arbeitskreis 150 angeordnet sein, um Differenzen der Wärmeausdehnungen bei moderat hohen Drücken des Wärmetauscherfluids zu ermöglichen.
Wenn der Benutzer Wärme anfordert, was durch den Raumthermostaten (nicht gezeigt) angezeigt wird, wird der Brenner 151 mit 50 % seiner Kapazität betrieben, um das System 1 aufzuwärmen. Die Pumpe 185A wird mit einer Geschwindigkeit betrieben, die mit den Strömungsanforderungen entsprechend der anfänglichen Brennerzündrate und dem Ansprechverhalten des Systems zusammenpasst. Die Steuereinheit 130 spricht auf die Anforderung des Benutzers und auf den vom Benutzer eingestellten Punkt für die Raumtemperatur an. Das Zünden des Brenners 151 und der Pumpenstrom der Pumpe 185A werden in Teilen gesteuert sowie konventionell durch die Raumtemperatur und den eingestellten Punkt und die Außentemperatur (Sensor nicht gezeigt) geregelt. Die Pumpe 103 des ersten Arbeitskreises läuft schnell genug, um den Flüssigkeitspegel des organischen Arbeitsfluids zwischen dem niedrigen Pegel 120B und dem hohen Pegel 120A der Schaltereinstellungen zu halten. Die Steuereinheit 130 instruiert die Pumpe 103 zu starten oder schneller zu laufen, wenn der Flüssigkeitspegel des organischen Arbeitsfluids oberhalb des Pegels 120 liegt, oder anzuhalten, wenn der Pegel unter den Pegel 120B abfällt.
Die Länge des mit Rippen versehenen Rohrabschnitts 161 des Rohrstranges 160, das sich innerhalb der Brennkammer 154 befindet, kann minimiert werden durch sorgfältige Auswahl der Pumpengrößen, der Steuerpunkte und der Rohrmaße. Unter Bezug auf 8 in Verbindung mit 1 sind Details der EGR-Einheit (Abgas-Rückführeinheit) 156 für das Mikro-Blockheizsystem 1 gezeigt. Im wesentlichen funktioniert die EGR-Einheit 156 in Verbindung mit dem Abgaskanal 155 und ist ein integraler Teil des Abgas-Wärmetauschers 157. Der heiße Abgasstrom wird axial durch die EGR-Einheit 156 geführt, die vorzugsweise zwischen dem Brenner 151 und dem Abgaskanal 155 angeordnet ist. Ein ringförmiger Rückführkanal 156B erlaubt einen Teil des Abgases im Gegenstrom zu passieren, bis er am Einlass 156A wieder eingelassen wird. Die Wände der EGR-Einheit 156 werden durch das Wärmetauscherfluid gekühlt, das durch den Abgas-Wärmetauscher 157 strömt, und als Ergebnis wird das in der Einlassebene 156A rückgeführte Gas teilweise gekühlt. Dieser temperaturbehandelte Gasstrom, der die Ebene 156B verlässt, tritt in die zweite Wärmeübertragungssektion ein, die durch den gerippten Rohrabschnitt 161 des Rohrstranges des zweiten Arbeitskreises (nicht gezeigt) definiert ist, wobei eine zusätzliche Kühlung des Gases stattfindet. In einer kompakteren Anordnung würde der innere ringförmige Kanal der EGR-Einheit 156 durch eine Anordnung von feinen Rohren (nicht gezeigt) ersetzt, von denen jedes eine Stromdüse für das heiße Gas am Einlassende hat. Obwohl eine solche Maßnahme eine größere Fluidmenge erfordern würde, was die Ansprechzeit des Systems erhöht, können bedeutende Vorteile erreicht werden, einschließlich der Anwendung der EGR-Einheit 156 auf einen Verdampfer, in dem ein organisches Arbeitsfluid in der Weise verwendet wird, dass das Fluid niemals der vollen Temperatur des Abgases ausgesetzt wird, und die endgültige Wärme-Rückgewinnung wird nicht reduziert durch irgendeine Form von zusätzlicher Rauchgasverdünnung, insbesondere kalter Luft. Der Hauptvorteil der EGR-Einheit 156 besteht darin, dass sie schädliche Gasnebenprodukte (wie NO_x) reduziert. Ein zusätzlicher Vorteil der EGR-Einheit 156 besteht darin, dass die höchste Temperatur der der gerippte Rohrabschnitt 161 ausgesetzt ist, reduziert wird, so dass einfachere, preiswertere Komponenten verwendet werden können, die die gleiche Lebensdauer wie teurere Materialien erreichen.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform eines indirekt beheizten Mikro-Blockheizsystems 2 gezeigt. Ein zweiter Arbeitskreis 250 enthält keine parallele Unterschleifen. Stattdessen führt eine einzige Schleife direkt von der Brennkammer 254 zum Zwischenschleifen-Wärmetauscher 204. Warmwasserbereitung, wie sie durch die zweite Unterschleife 150B in der Ausführungsform nach 1 vorhanden war, ist nun in die externe Heizschleife 240 integriert. Diese externe Schleife, die sowohl der Warmwasserversorgung als auch der Raumbeheizung dient, kann nach der Ankopplung an den Kondensator 202 verzweigt werden mittels Ventilen 247A, 247B, die, falls erforderlich, die Raumheizradiatoren 248 oder den Warmwasser-Wärmetauscher 280 versorgen. Der Warmwasser-Wärmetauscher 280 kann entweder ein Wassertank zum Speichern von warmem Wasser sein (wie in Verbindung mit dem vorherigen Aspekt beschrieben wurde) oder ein Doppelstrom-Gegenstromwärmetauscher. Nachdem das Fluid (üblicherweise Wasser) entweder den Raumheizungs- oder Warmwasser-Wärmetauscher oder beide passiert hat, wird es durch die Heizschleife 240 zu dem Kondensator 202 zurückgeführt, um den Zyklus erneut zu beginnen. Vor dem Eintritt in den Kondensator 202 kann das Fluid vorgeheizt werden, indem es thermisch den daneben liegenden zweiten Arbeitskreis 250 in einer Vorheizeinrichtung 245 passiert.
In den 3 und 4 ist ein direkt beheiztes Mikro-Blockheizsystem gezeigt. Dieses System hat den Vorteil der einfachen Konstruktion mit entsprechend niedrigeren Kosten. In der vorliegenden Ausführungsform hat das System 3 keinen zweiten Arbeitskreis. Der Zwischenschleifen-Wärmetauscher der vorherigen Ausführungsform, der als Wärmequelle für die ersten Arbeitskreise der vorherigen Ausführungsformen diente, wird durch eine Brennkammer 304 ersetzt, in der die Verbrennung von Brennstoff vom Gasanschluss 352 durch das Ventil und den Brenner 351 und auch die Verdampfung des organischen Arbeitsfluids stattfindet. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen wird das organische Arbeitsfluid überhitzt. Der Generator 305 ist wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen asynchron mit einer Last verbunden, vorzugsweise mit der Kundenseite des Elektrizitätszählers des Stromnetzes. Die auf den Spiral-Expander 301 durch das Netz ausgeübte Last stellt sicher, dass die mechanische Drehzahl des Spiral-Expanders 301 innerhalb seiner strukturellen Grenzen bleibt. Blockventil 307A und Bypass-Ventil 307B sind im Fließpfad des organischen Arbeitsfluids angeordnet, der durch den Rohrstrang 310 (von dem der Kanal 361 ein Teil ist) definiert ist. Diese Ventile sprechen auf ein Signal der Steuereinheit 330 an, das anzeigt, wenn keine Last an dem System anliegt (wie bei einem Netzausfall), so dass der überhitzte Dampf um den Expander im Bypass herumfließen kann, und damit ein Überdrehen des Spiral-Expanders verhindert. In diesem Zustand wird der umgeleitete überhitzte Dampf in den Einlass des Kondensators 302 geleitet. Unter normalen Betriebsbedingungen, bei denen Last am System hängt, tritt der überhitzte Dampf in den Spiral-Expander 301 ein und bewirkt, dass die umlaufende Spirale gegenüber der eingreifenden festen Spirale umläuft. Sobald der überhitzte Dampf durch Zunahme des Volumens der gekrümmten Kammern expandiert, wird die hierdurch erzeugte Bewegung in den umlaufenden Spiralen auf den Generator 305 übertragen, und zwar durch eine Welle oder eine integrale Rotor-Stator-Kombination des Spiral-Expanders 301. Abhängig von der Art des im System verwendeten Öls (und zwar abhängig davon, ob das Öl mit dem organischen Arbeitsfluid mischbar ist oder nicht), enthält der Spiral-Expander 301 vorzugsweise eine Ölpumpe 308, um das in der Spirale vorhandene Öl im überhitzten Dampf zu zirkulieren. Die Arbeitsweisen des Abgaskanals 355 und des Lüfters 368 sind denen des vorhergehenden Aspektes ähnlich, die EGR-Einheit 356 und der Abgas-Wärmetauscher 357 erzeugen jedoch keine zusätzliche Wärme, um das Wärmetauscherfluid, das durch die zweiten Arbeitskreise 150, 250 der vorhergehenden Ausführungsformen strömt, zu erhitzen, sondern sie können verwendet werden, um zusätzliche Wärme verschiedenen Stellen innerhalb des Systems 3 zuzuführen. Zum Beispiel kann zusätzliche Wärme dem organischen Arbeitsfluid zugeführt werden, das am Punkt A aus der Pumpe 385 kommt. Auf ähnliche Weise kann sie verwendet werden, zusätzliche Wärme an den Punkten B oder C der externen Heizschleife 340 zuzuführen. Die genauen Orte der Wärmeaustauschpunkte A, B oder C werden durch die Art und die Eigenschaften des organischen Arbeitsfluids bestimmt. Es wird bemerkt, dass der Warmwasser-Wärmetauscher 380 entweder als konventioneller Zweistrom-Gegenstrom-Wärmetauscher oder als Wasserspeichertank ausgebildet sein kann, wie es in Verbindung mit den vorhergehenden Aspekten beschrieben wurde. In Fällen, wo keiner (oder nur ein kleiner) Speichertank verwendet wird (z.B. wenn die Raumheizung Vorrang hat), kann zusätzliche Wärmeerzeugung erforderlich sein, um eine schnell ansprechende Warmwasserversorgung zu gewährleisten. Eine weitere Lösung ist die Verwendung eines größeren oder mehrstufigen Brenners (nicht gezeigt). Dies kann zu einer schnellen Ansprechzeit für sofortige oder baldige Abgabe von warmem Wasser (wie für Duschen, Bäder oder andere Warmwasserzapfstellen) führen. Unter Bezug insbesondere auf 4 ist eine Variante des direkt beheizten Mikro-Blockheizsystems nach 3 gezeigt. In diesem Fall enthält das System speziell einen Speichertank 480. Bei dieser Lösung kann die Warmwasserversorgung eingeschlossen werden, ohne die Brennerkapazität zu erhöhen. Zusätzlich kann einem Heizelement 480C des Speichertanks Energie vom Generator 405 zugeführt werden. Schließlich können die Nachteile zwischen der Größe des Speichertanks und der Größe oder der Anzahl von Brennern 451 in der Weise ausgeglichen werden, dass die Arbeitsweise und die Größenanforderungen an das System optimiert werden.
Unter Bezug auf 5 ist ein direkt beheiztes Mikro-Blockheizsystem 5 gezeigt. Dieses zeigt das einfachste System, indem es auf die ausschließliche Erzeugung von Elektrizität und Raumwärme gerichtet ist. Dadurch, dass die Warmwasserversorgung nicht eingeschlossen ist, kann ein Speichertank vermieden werden, ohne die Funktion des Systems zu beeinträchtigen oder die Brennerkapazität erhöhen zu müssen. In anderen Aspekten ist das System denen der vorher beschriebenen direkt beheizten Ausführungsformen ähnlich, einschließlich der Arbeitsweise der Wärmequellenkomponenten 551, 552, 553 und der Abgaskompo nenten 555, 556, 557 und 558, der Strömungspfadkomponenten 501, 502, 503, 504, 507A, 507B und 508 des organischen Arbeitsfluids sowie des Generators 505 und der Mess- und Steuereinrichtungen 520, 530.
In den 6 und 7 sind Variationen der indirekt beheizten und direkt beheizten Blockheizsysteme der vorherigen Aspekte gezeigt. Insbesondere in 6 ist ein passives Wärmeübertragungselement, insbesondere in der Form eines Wärmeleitrohres 675 gezeigt, das zwischen dem ersten Arbeitskreis 600 und dem zweiten Arbeitskreis 650 angeordnet ist, um eine Wärmeübertragung zwischen diesen Arbeitskreisen und der Wärmequelle durchzuführen. Insbesondere in 7 ist ein Wärmeleitrohr 775 gezeigt, das innerhalb des Strömungspfades des ersten Arbeitskreises angeordnet ist, der auch einen Spiral-Expander 701, einen Kondensator 702 und eine Pumpe 703 enthält. In jeder der beiden Ausführungen besteht das Wärmeleitrohr aus einem evakuierten und abgedichteten Behälter, der eine geringe Menge eines Arbeitsfluids enthält, wie zum Beispiel Wasser oder Methanol. Wird ein Ende des Wärmeleitrohrs (typischerweise als das Verdampferende bezeichnet) beheizt, so verdampft das Arbeitsfluid schnell aufgrund des niedrigen Innendrucks des Fluids. Der Dampf wandert zu dem entgegengesetzten Ende niedrigen Drucks (üblicherweise als Kondensatorende bezeichnet) und gibt seine latente Wärme ab. Vorzugsweise erlauben Schwerkraft und Kapillarwirkung, dass das kondensierte Fluid sich zurück zum Verdampferende bewegt, so dass der Zyklus dann wiederholt wird. Hat das Fluid eine große Verdampfungswärme, so kann eine signifikante Wärmemenge transferiert werden, auch wenn der Temperaturunterschied zwischen den entgegengesetzten Enden nicht groß ist. Andernfalls ist die Arbeitsweise ähnlich denen der vorherigen Aspekte.
In 8 sind Details des Abgas-Wärmetauschers 157 und der Abgas-Rückführeinheit 156 gezeigt. Die Brennkammer 154 (nicht maßstabsgerecht gezeichnet) enthält den größten Teil der Wärmequelleneinrichtung, einschließlich des Brenners 151, um sicherzustellen, dass das Abgas und verwandte Verbrennungsprodukte in den Abgaskanal 155 kommen, so dass sie der Atmosphäre zugeführt werden können. Ein Sauglüfter, der an anderer Stelle gezeigt ist, kann verwendet werden, die Verbrennungsprodukte vollständig abzuführen. Die Abgas-Rückführeinheit 156 ist ein Kanal mit koaxial angeordneten Ringen, die die Abgase, die den Brenner 151 durch den inneren Ringraum 156A verlassen, und einen Teil des Gasflusses in dem äußeren Ringraum 156B zurückführen. Während der Zeit, in der ein Teil des Gases durch den äußeren Ringraum 156B rezirkuliert, gibt dieser einen Teil seiner Wärme an den Abgaskanal-Wärmetauscher 157 ab, der als gewendelter Kanal gezeigt ist. Von hier kann der gewendelte Kanal des Wärmetauschers 157 an anderen Orten (an anderer Stelle gezeigt) des Systems angeschlossen werden, wo er benutzt werden kann, zusätzliche Wärme zuzuführen.
Nachdem die Erfindung im Detail und unter Bezug auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird klar, dass Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne sich vom Inhalt der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung zu entfernen.

Claims

Blockheizsystem, das mit einem organischem Arbeitsfluid arbeitet; mit einer Wärmequelle; mit einem ersten Arbeitskreis (100) zum Transportieren des organischen Arbeitsfluids, wobei der erste Arbeitskreis derart mit der Wärmequelle in thermischer Verbindung steht, dass die von dieser übertragene Wärme das organische Arbeitsfluid überhitzt, und wobei der erste Arbeitskreis (100) enthält: einen Spiral-Expander (101), dem das organische Arbeitsfluid derart zugeführt wird, dass es nach Passieren des Spiral-Expanders (101) überhitzt bleibt, einen Kondensator (102), der in Fluidverbindung mit dem Spiral-Expander (101) steht, und eine Pumpe (103) zum Zirkulieren des organischen Arbeitsfluids durch den ersten Arbeitskreis (100); und mit einem Generator (105), der mit dem Spiral-Expander (101) gekoppelt ist, um Elektrizität zu erzeugen.
Blockheizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle ein Brenner (151) ist, der in thermischer Verbindung mit einem Verdampfer steht.
Blockheizsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (151) und der Verdampfer in einem gemeinsamen Behälter untergebracht sind und dass der Behälter einen Abgaskanal (155) aufweist.
Blockheizsystem nach Anspruch 3, weiter gekennzeichnet durch einen neben dem Abgaskanal (155) angeordneten Wärmetauscher (157), der vorzugsweise eine Abgas-Rückführeinheit (156) aufweist.
Blockheizsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der von dem Abgaskanal (155) durch den Wärmetauscher (157) abgezogenen Wärme in thermische Verbindung mit zumindest einem Zirkulationsfluid gebracht wird, um hierdurch die Temperatur des Fluids zu erhöhen.
Blockheizsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Verbindung zwischen dem Brenner (151) und dem ersten Arbeitskreis (100) über einen Zwischenschleifen-Wärmetauscher (104) erfolgt, der zwischen der Pumpe und dem Spiral-Expander angeordnet ist.
Blockheizsystem nach Anspruch 2, weiter gekennzeichnet durch einen zweiten Arbeitskreis, der neben dem Brenner angeordnet ist, und dass der zweite Arbeitskreis (150) mindestens eine Rohrschleife enthält, die zum Durchtransport eines Wärmetauscherfluids ausgebildet ist.
Blockheizsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (151) innerhalb einer Brennkammer angeordnet ist, die in thermischer Verbindung mit dem zweiten Arbeitskreis (150) steht, und dass die Brennkammer einen mit dem Brenner in Verbindung stehenden Abgaskanal enthält.
Blockheizsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein an den Abgaskanal (155) angeschlossener Abgaslüfter (158) zur Verbesserung der Abführung der Abgase aus der Brennkammer vorgesehen ist oder dass der Abgaskanal (155) außerdem eine Abgas-Rückführeinheit (156) aufweist; mit der mindestens ein Teil der im Abgas enthaltenen Restwärme auf das Wärmetauscherfluid übertragen wird.
Blockheizsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherfluid in dem zweiten Arbeitskreis (150) eine Mischung aus Wasser und einem Frostschutzzusatz enthält und/oder dass das Wärmetauscherfluid in dem zweiten Arbeitskreis ein organisches Wärmeübertragungsfluid enthält.
Blockheizsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle und der erste Arbeitskreis (100) so ausgebildet sind, dass der maximale Arbeitsdruck des organischen Arbeitsfluids im ersten Arbeitskreis etwa 1,38 bis 3,10 MPa (200 bis 450 psi) und die maximale Arbeitstemperatur etwa 121 bis 177 °C (250 bis 350 °F beträgt.
Blockheizsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Arbeitfluid ein Halogencarbon- Kühlmittel enthält, wobei das Halogencarbon-Kühlmittel vorzugsweise R-245fa enthält.
Blockheizsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitfluid mindestens einen in der Natur auftretenden Kohlenwasserstoff enthält, vorzugsweise mit der allgemeinen Formel C_nH_2n+2 wie beispielsweise Isopentan.
Blockheizsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (102) so ausgebildet ist, dass er in einer Wärmeaustauschverbindung mit einer Raumheizungsschleife steht.
Blockheizsystem nach Anspruch 14, weiter gekennzeichnet durch eine Raumheizungsschleifen-Vorheizeinrichtung, die in einer Wärmeaustauschverbindung mit einem zweiten Arbeitskreis (150) steht, der dazu ausgebildet ist, das Wärmetauscherfluid hindurch zu transportieren.
Blockheizsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Arbeitskreis (100) so ausgebildet ist, dass die durch den Generator (105) erzeugte elektrische Energie bis zu 10 kW beträgt und/oder dass das System so ausgebildet ist, dass ein Teil der durch den Generator (105) erzeugten elektrischen Energie zur Versorgung der Pumpe verwendet wird und/oder dass der Kondensator (102) in der Lage ist, bis zu 60 kW an thermischer Energie zu übertragen.
Blockheizsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, weiter gekennzeichnet durch eine Steuerung (130), die dazu ausgebildet ist, das Maß der Überhitzung des organischen Arbeitsfluids zu überwachen und selektiv zu verändern.
Blockheizsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (130) so ausgebildet ist, dass sie Temperatursignale in dem Verdamp fer und in dem Spiral-Expander vergleicht, um das Maß der Überhitzung des organischen Arbeitsfluid zu bestimmen.
Blockheizsystem nach Anspruch 18, weiter gekennzeichnet durch mindestens einen Schalter (120), der auf einen Pegel des organischen Arbeitsfluids am Ausgang des Kondensators (102) anspricht und mit der Steuerung gekoppelt ist.
Blockheizsystem nach Anspruch 18 oder 19, weiter gekennzeichnet durch einen Satz von Ventilen, die bei einer vorbestimmten Bedingung einen Bypass des organischen Arbeitsfluids um den Spiral-Expander (101) ermöglichen, wobei diese vorbestimmte Bedingung ein Netzausfall, ein Anlaufübergang oder Abschaltübergang sein kann.
Blockheizsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blockheizsystem so ausgebildet ist, dass es in Wärmeaustauschverbindung mit einer Warmwasserschleife (140) steht und/oder zur Erzeugung von Warmwasser, Raumwärme und Elektrizität nach einem Rankine-Zyklus dient.
Blockheizsystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschverbindung zwischen dem Blockheizsystem und der Haushaltswarmwasserschleife in einem Speichertank (180) stattfindet, der in einem zweiten Arbeitskreis (150) angeordnet ist, und dass der zweite Arbeitskreis (150) zur Durchleitung eines Wärmetauscherfluids ausgebildet ist.
Blockheizsystem nach Anspruch 22, weiter gekennzeichnet durch ein in dem Wasserspeichertank (180) angeordnetes Heizelement, das durch die von dem Generator (105) erzeugte Elektrizität beheizt wird.
Blockheizsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschverbindung zwischen dem Blockheizsystem und der Haushaltswarmwasserschleife in dem Kondensator (102) stattfindet.