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DE10112671A1 - Vorrichtung zur Erwärmung von Brauchwasser und zur Erzeugung von elektrischer Energie - Google Patents

Vorrichtung zur Erwärmung von Brauchwasser und zur Erzeugung von elektrischer Energie

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DE10112671A1
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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Erwärmung von Brauchwasser und zur Erzeugung von elektrischer Energie mit einem Energiewandler zur Umwandlung der Brennenergie eines Wandlerbrenners in elektrische Energie vorgeschlagen, wobei die Abwärme des Wandlerbrenners dem Brauchwasser zuführbar ist, die einen verbesserten Wirkungsgrad beim Betrieb des Energiewandlers gewährleistet. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Heizungsbrenner und der Wandlerbrenner in getrennten Brennräumen (3, 5) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung von Brauchwasser und zur Erzeugung von elektrischer Energie.
Stand der Technik
Bislang wurden bereits Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie und Heizenergie bekannt, in denen ein Brennwertkessel mit einem Stirling-Generator kombiniert wird (vgl. DE 40 16 238). Weiterhin wird in der DE 199 32 748 eine solche Vorrichtung beschrieben, bei der zur besseren Energieausnutzung zwei Brenner vorgesehen sind, deren Brennwärme über ein gemeinsames Wärmeübertragungssystem dem Brauchwasser zugeführt wird. Einer dieser beiden Brenner ist hierbei dem wärmeaufnehmenden Teil eines Energiewandlers, zum Beispiel eines Stirlings-Generators zugewandt und dient dazu, die zur Erzeugung elektrischer Energie erforderliche Wärme aufzubringen, wenn kein wesentlicher Heizwasserbedarf vorliegt. Dabei ist die Wärmeleistung dieses Brenners der Leistung des Energiewandlers angepasst, während die Wärmeleistung des zweiten Brenners, d. h. des Heizungsbrenners oder des sogenannten Boosterbrenners an die maximal erforderliche Heizleistung angepasst ist.
Nachteilig bei dieser Ausführung ist jedoch der Umstand, dass die beiden Brenner in einem Brennraum angeordnet sind, so dass bei alleinigem Betrieb des für den Energiewandler vorgesehenen Brenners aufgrund einer zu großen Wärmeableitung die Gefahr besteht, dass am energieaufnehmenden Teil des Energiewandlers nicht die für einen optimalen Wirkungsgrad erforderliche Temperatur erreicht wird.
Vorteile der Erfindung
Demgegenüber hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art vorzuschlagen, bei der ein verbesserter Wirkungsgrad beim Betrieb des Energiewandlers gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass der für den Energiewandler vorgesehene Wandlerbrenner und der für die Heizung des Brauchwassers vorgesehene Heizungsbrenner in separaten Brennräumen angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Umgebung des Wandlerbrenners hinsichtlich der räumlichen und thermischen Ausgestaltung besser an die für den Betrieb des Energiewandlers erforderlichen Verhältnisse angepasst werden.
Vorteilhafterweise wird hierbei der wärmeaufnehmende Teil des Energiewandlers unmittelbar im Brennraum des Wandlerbrenners angeordnet, so dass eine optimale Wärmeübertragung zwischen dem Wandlerbrenner und dem Energiewandler sichergestellt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird insbesondere auch das Wärmeübertragungssystem zur Nutzung der Abwärme des Wandlerbrenners so ausgebildet, dass die Nutzung der Abwärme des Wandlerbrenners im Bettiebszustand des Wandlerbrenners ohne wesentliche Beeinträchtigung der Temperatur im Brennraum des Wandlerbrenners möglich ist. Dies ist beispielsweise dadurch realisierbar, dass der Abgasstrom des Wandlerbrenners aus dem Brennraum des Wandlerbrenners über ein entsprechendes Leitungssystem abgeleitet und einem nachgeschalteten, beispielsweise im zu erwärmenden Brauchwasser angeordneten Wärmetauschers zugeführt wird. Durch die im Betriebszustand des Brenners vorliegende Abgasströmung wird somit eine Kühlung des Brennraums für den Wandlerbrenner durch den Wärmetauscher im Wesentlichen unterbunden.
Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber der oben angeführten Ausführung gemäß dem Stand der Technik dar, bei der beide Brenner über ein gemeinsames und dementsprechend groß dimensioniertes Wärmeübertragungssystem mit dem Brauchwasser thermisch in Verbindung standen, wodurch sich bei bestimmten Betriebsarten eine zu große Kühlung und somit eine unerwünscht niedrige Temperatur am wärmeaufnehmenden Teil des Energiewandlers ergab.
Vorzugsweise wird zur Verbesserung dieser Ausführungsform der Wärmetauscher bzw. das Wärmeübertragungssystem zur Nutzung der Wärme des Wandlerbrenners durch Erwärmung des Brauchwassers an die maximal mögliche Leistung des Wandlerbrenners angepasst. Hierdurch wird die thermische Entkopplung des Brennraums des Wandlerbrenners von dem Wärmetauscher zur Nutzung der Abwärme verbessert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als Energiewandler ein Stirling-Generator vorgesehen. Ein Stirling- Generator ist mit unterschiedlichsten Brennstoffen zu betreiben.
Vorteilhafterweise wird der Wärmetauscher zur Nutzung der Abwärme des Wandlerbrenners in einen Wärmetauscher für den Heizungsbrenner zur Erwärmung des Brauchwassers integriert. Zum einen wird hierdurch der Fertigungsaufwand reduziert, wobei zum anderen ein guter Wirkungsgrad in der Nutzung der Abwärme des Wandlerbrenners gewährleistet wird.
Die Integration beider Wärmetauscher in eine Baueinheit wird vorzugsweise dadurch bewerkstelligt, dass ein Zufluss für das Abgas des Wandlerbrenners in die Leitungsführung für das Abgas des Heizungsbrenners vorgesehen ist. Auf diese Weise ist ein separater Wärmetauscher für die Abgaswärmenutzung des Wandlerbrenners entbehrlich.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird der Zufluss für das Abgas des Wandlerbrenners innerhalb des aktiven wärmetauschenden Bereichs des Wärmetauschers für den Heizungsbrenner angeordnet. Hierdurch kann der für die Wärmeübertragung aus dem Abgas des Wandlerbrenners vorgesehene Bereich des Wärmetauschers kleiner gewählt werden. Insbesondere kann der Zuflussort so angeordnet werden, dass die verbleibende Austauschfläche des Wärmetauschers an die Wärmeleistung des Wandlerbrenners angepasst ist.
Durch diese Anordnung des Zuflusses findet die Wärmeübertragung aus dem Abgas des Wandlerbrenners in einem hinteren Abschnitt bezogen auf die Strömungsrichtung im Wärmetauscher statt, wo in der Regel bereits niedrigere Temperaturen vorliegen, so dass die Wärmeentkopplung des Brennraums des Wandlerbrenners weiter verbessert wird.
Vorteilhafterweise wird auch der wärmeabgebende Teil des Energiewandlers mit dem Brauchwasser thermisch verbunden. Dies wird in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung durch, z. B. hydraulische, Verbindungsleitungen bewerkstelligt. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Bauweise, in der eine Wärmezelle mit dem Heizungsbrenner und einem Brauchwassertank als separate Baueinheit zu einer den Energiewandler umfassende Baueinheit ausgeführt werden kann, wobei beide Baueinheiten mittels Fluidleitungen verbunden werden.
Durch die thermische Verbindung des wärmeabgebenden Teils des Energiewandlers mit dem Brauchwasser wird die bei einer Wärmekraftkopplung zwangsweise anfallende Abwärme ebenfalls zur Erhitzung des Brauchwassers genutzt, wodurch sich ein besonders guter Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung ergibt.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figur nachfolgend näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt
  • - eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In einem gemeinsamen Wärmezellengehäuse 1 befindet sich die Hauptwärmezelle 2, in deren oberen Bereich der nicht näher dargestellte Heizungsbrenner bzw. Boosterbrenner in einem Heizbrennraum 3 angeordnet ist.
Ein Stirling-Generator 4 ist als von der Hauptwärmezelle 2 separate Baueinheit neben der Hauptwärmezelle 2 angeordnet und umfasst einen, wiederum nicht näher dargestellten Wandlerbrenner in einem Wandlerbrennraum 5, der das wärmeaufnehmende Teil 6 des Stirling-Generators 4 umgibt.
Die Abgasführung des Wandlerbrenners aus dem Wandlerbrennraum 5 ist über eine Zuflussleitung 7 mit einem Wärmetauscher 8 der Hauptwärmezelle 2 verbunden. Dort wird der Abgasstrom des Wandlerbrenners aus dem Wandlerbrennraum 5 mit dem Abgasstrom des Boosterbrenners aus dem Heizbrennraum 3 zusammengeführt und über eine Abgasleitung 9 abgeführt.
Die Höhe H, auf der die Zuflussleitung 7 in den Wärmetauscher 8 eingeführt wird, definiert den für die Abgasnutzung des Wandlerbrenners aktiven Bereich des Wärmetauschers 8.
Der nicht näher dargestellte wärmeabgebende Teil des Stirling- Generators 4 ist auf ebenfalls nicht dargestellte Weise hydraulisch mit dem Brauchwasser der Hauptwärmezelle 2 thermisch verbunden, so dass auch die Abwärme des Stirling- Generators 4 zur Brauchwassererwärmung nutzbar ist.
Bezugszeichenliste
1
Wärmezellengehäuse
2
Hauptwärmezelle
3
Heizbrennraum
4
Stirling-Generator
5
Wandlerbrennraum
6
wärmeaufnehmender Teil
7
Zuflussleitung
8
Wärmetauscher
9
Abgasleitung

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Erwärmung von Brauchwasser mit einem Heizungsbrenner und zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines Energiewandlers durch Umwandlung der Brennenergie eines Wandlerbrenners in elektrische Energie, wobei die Abwärme des Wandlerbrenners dem Brauchwasser zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungsbrenner und der Wandlerbrenner in getrennten Brennräumen (3, 5) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeaufnehmende Teil (6) des Energiewandlers (4) im Brennraum (5) des Wandlerbrenners angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Brennraum (5) des Wandlerbrenners nachgeschalteter Wärmetauscher (8) zur Nutzung der Abwärme des Wandlerbrenners vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Wärmetauschers zur Nutzung der Abwärme des Wandlerbrenners an die maximale Leistung des Wandlerbrenners angepasst ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler ein Stirling-Generator (4) ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (8) zur Nutzung der Abwärme des Wandlerbrenners aus dem Wandlerbrennraum (5) in einen Wärmetauscher (8) für den Heizungsbrenner zur Erwärmung des Brauchwassers integriert ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Zufluss (7) für das Abgas den Wandlerbrenners in die Leitungsführung für das Abgas des Heizungsbrenners vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Zufluss (7) innerhalb des aktiven wärmetauschenden Bereichs des Wärmetauschers (8) für den Heizungsbrenner angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Zuflussort (H) an die Wärmeleistung des Wandlerbrenners angepasst ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein wärmeabgebender Teil des Energiewandlers mit dem Brauchwasser thermisch verbunden ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmezelle mit dem Heizungsbrenner und einem Brauchwassertank und der Energiewandler (4) als getrennte Baueinheiten ausführt sind, die mittels Fluidleitungen (7) verbunden sind.
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