CH627524A5 - Verfahren und anlage zur waermenutzung durch waermeentzug aus mindestens einem stroemenden waermetraeger. - Google Patents

Verfahren und anlage zur waermenutzung durch waermeentzug aus mindestens einem stroemenden waermetraeger. Download PDF

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmenutzung durch Wärmeentzug aus mindestens einem strömenden Wärmeträger mittels mindestens eines Dampfkraftkreislaufs, in dem zur Erzeugung von mechanischer Energie ein Arbeitsmittel vorgewärmt, mindestens teilweise verdampft und arbeitsleistend entspannt, sowie kondensiert wird, insbesondere zur Abwärmeverwertung bei Dieselbrennkraftmaschinen.
Zur Verwertung der Abwärme von Dieselbrennkraftmaschinen ist es bekannt (CH-PS 586 349), einen Teil der in den Abgasen und/oder im Kühlwasser enthaltenen Wärme mit Hilfe eines oder mehrerer Dampfkraftkreisläufe nutzbar zu machen. Die Abwärme der Maschine dient dabei dazu, das Arbeitsmittel des oder der - auf unterschiedlichen Druckoder Temperaturniveaus liegenden - Dampfkraftkreisläufe zu verdampfen und gegebenenfalls zu überhitzen; der Dampf wird anschliessend in einer oder mehreren Turbinen entspannt und leistet dabei mechanische Arbeit.
Weiterhin ist es auch schon vorgeschlagen worden, zusätzlich einen ähnlichen Kreislauf zur Rekuperation der Ladeluft-Kompressionswärme vorzusehen, die in einem gegebenenfalls vorhandenen Ladeluftkühler genutzt wird; diesem Vorschlag ist darüberhinaus die Anregung zu entnehmen, in mindestens einem der erwähnten Dampfkraftkreisläufe einen Wärmeverbraucher, z.B. eine Raumheizung, vorzusehen (DE-OS 27 52 283).
Während bei den Anlagen mit einem zusätzlichen Wärmeverbraucher im Dampfkreislauf diesem und damit der Erzeugung relativ hochwertiger mechanischer Energie ein Teil des in ihm nutzbaren Wärmeinhalts entzogen und als relativ niederwertige Heizenergie verbraucht wird, kann aus den anderen beschriebenen Anlagen, besonders bei gasförmigen Wärmeträgermedien, mit vertretbarem, anlagemässigem Aufwand für die Wärmetauscher und die Gasleitungen die Abwärme nur unvollständig zurückgewonnen werden.
Dieser Nachteil, der besonders bei Anlagen mit - durch die zur Verfügung stehende Abwärme begrenztem - relativ niedrigem Temperatur- und Druckniveau ins Gewicht fällt, kann mit Hilfe des Diagramms der Fig. 5 folgendermassen erläutert werden:
Das erwähnte Diagramm zeigt - in willkürlichen Einheiten aufgetragen - auf der Ordinate Temperaturen t und auf der Abszisse Wärmemengen Q, beispielsweise für eine Rückgewinnung der Kompressionswärme aus der Ladeluft eines Dieselmotors mit Hilfe eines Dampfkraftkreislaufs.
Dieser ist in seiner Ausbildung bezüglich des Drucks dadurch festgelegt, dass am sogenannten Pinch-Point P bzw. P' ein ausreichendes Temperaturgefälle für einen wirksamen Wärmeübergang bzw. -fluss zwischen dem wärmeabgebenden Gas (Temperaturverlauf Kurve a) und dem wärmeaufnehmenden Arbeitsmittel (Temperaturverlauf Kurve b) gegeben ist. Die durch den Dampf kraftkreislauf zirkulierende Arbeitsmittelmenge ist dabei dadurch bestimmt, dass die zwischen dem Pinch-Point und dem Ende der Verdampfung zur Verfügung stehende Abwärme Qv mindestens ausreichen muss, die bis auf Verdampfungstemperatur t3 vorgewärmte Arbeitsmittelmenge in Sattdampf umzuwandeln. Durch den Wärmebedarf für diese Verdampfung wird die Ladeluft während der Verdampfung des Arbeitsmittels von ihrer Anfangstemperatur ti auf die Temperatur 12 abgekühlt.
Da die für eine Verdampfung, besonders von Wasser, benötigte Energie relativ zu derjenigen für die Vorwärmung des Wassers bis auf die Verdampfungstemperatur t3 sehr gross ist, kann nur eine relativ kleine Arbeitsmittelmenge in dem Nutzleistung erzeugenden Dampf kraftkreislauf zirkulieren. Die Vorwärmung dieser flüssigen Arbeitsmittelmenge von ihrer Kondensattemperatur t6 auf die Verdampfungstemperatur t3 benötigt daher nur eine relativ geringe Wärmemenge Qs, was in Fig. 5 durch den gestrichelt dargestellten Kurvenzweig c verdeutlicht ist. Diese Vorwärmung bewirkt dabei eine Abkühlung des primärseitigen Gases lediglich auf eine Zwischentemperatur t4.
Da das wärmeabgebende Gas - unter Berücksichtigung eines ausreichenden Temperaturgefälles für den mit vertretbarem Aufwand erreichbaren Wärmeübergang von dem primärseitigen Gas auf das Kondensat des Dampfkraftkreislaufs - an sich auf eine Temperatur ts abgekühlt werden könnte, fliesst in dem beschriebenen, bisherigen System mit dem ungenügend abgekühlten Gas somit eine Wärmemenge Qz ungenutzt aus dem System ab, so dass die Energierückgewinnung nur mangelhaft ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Energierückgewinnung mit Hilfe von mechanische Energie erzeugenden Dampfkraftkreisläufen bei Dieselbrennkraftmaschinen zu verbessern und insbesondere den gasförmigen Abwärmeträgern, z.B. den Abgasen und der komprimierten Ladeluft, mehr Wärme zu entziehen, als mit konventionellen Mitteln möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in den Dampf kraftkreislauf vor der Vorwärmung eine zusätzliche Menge flüssigen Arbeitsmittels aus einem Heizkreislauf eingespeist wird, welches nach der Vorwärmung aus dem Dampfkraftkreislauf wieder ausgeschieden und mindestens einem Wärmeverbraucher zugeführt wird.
Mit Hilfe des neuen Verfahrens wird die durch die Abwärme der Brennkraftmaschine vorgewärmte Arbeitsmittelmenge (Temperaturverlauf Kurve d) relativ zu der in dem Dampfkraftkreislauf zirkulierenden Menge vervielfacht,
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wodurch die den Abwärmeträgern bei der Vorwärmung entzogene Wärmemenge, und zwar um den Wert Qz (Fig. 5), ebenfalls vergrössert wird; diese zusätzlich rückgewonnene Energie wird vorzugsweise zu Heizzwecken ausgenützt. Sie wird aber nicht - wie bei den bisherigen Anlagen mit einem Wärmeverbraucher im eigentlichen Dampfkraftkreislauf -der als mechanische Energie zu verwertenden Energie entzogen, sondern beeinträchtigt die Energie, die dem Dampfkraftkreislauf zur Verfügung gestellt werden kann, überhaupt nicht, da sie, wie vorstehend erläutert, in diesem gar nicht verwertet werden kann. Diese Heizenergie, die beispielsweise für Raumheizungen oder für Bunkerheizung auf Schiffen dient, steht daher im Gegensatz zu der bei den bisherigen Anlagen frei zur Verfügung, ohne dass dafür Brennstoff verbraucht oder eine Reduktion der Dampfmenge zu mechanischen Leistungserzeugung in Kauf genommen werden muss.
Eine Anlage zur Durchführung des neuen Verfahrens mit mindestens einem Vorwärmer, einem Verdampfer, einer arbeitsleistenden Entspannungsmaschine, einem Kondensator und einer Pumpe, die zu einem Dampfkraftkreislauf zusammengeschlossen sind, zeichnet sich dadurch aus, dass an den Vorwärmer parallel zu dem Dampfkraftkreislauf ein Heizkreislauf angeschlossen ist, der mindestens einen Wärmeverbraucher enthält.
Bei den eingangs diskutierten Anlagen, bei denen mehrere Dampfkraftkreisläufe unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus vorhanden sind, kann der anlageseitige Aufwand durch die Durchführung des neuen Verfahrens vereinfacht und reduziert werden, wenn mindestens die Vorwärmer der Dampfkraftkreisläufe bezüglich des Arbeitsmittelflusses partiell hintereinander geschaltet sind, wenn ferner der Heizkreislauf parallel zu dieser Serienschaltung angeordnet ist, und wenn für die Aufteilung des Arbeitsmittels auf die verschiedenen Kreisläufe einstellbare Drosselorgane oder in ihrer Förderleistung einstellbare Fördermittel für den Arbeitsmittelstrom vorgesehen sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt schematisch eine Anlage zur Durchführung des neuen Verfahrens mit einem Dampfkraftkreislauf, in dem wegen des relativ niedrigen Temperaturniveaus des Wärmeträgermediums, beispielsweise der zu kühlenden Ladeluft, lediglich Sattdampf benutzt wird;
Fig. 2 stellt eine Variante von Fig. 1 dar;
Fig. 3 gibt eine von den Abgasen der Maschine beheizte Anlage wieder, in der überhitzter Dampf erzeugt und verwertet wird;
Fig. 4 schliesslich ist eine Anlage mit zwei verschiedenen Dampfkraftkreisläufen unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus;
Fig. 5 stellt ein Temperatur/Wärmefluss-Diagramm dar.
Ein Wärmetauscher 1 (Fig. 1) wird primärseitig, wie durch Pfeile angedeutet, von links nach rechts von einem Wärmeträgermedium durchsetzt, dem möglichst viel Wärme entzogen werden soll. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sei dieses Wärmeträgermedium beispielsweise die komprimierte Ladeluft eines Dieselmotors, der die Kompressionswärme bei ihrem Eintritt in den Motor soweit wie möglich wieder entzogen werden muss.
Die der Ladeluft zu entziehende Wärme wird über drei verschiedene sekundärseitige Wärmetauscherflächen abgeführt, die von unterschiedlichen Medien bzw. unterschiedlichen Mengen eines Mediums durchströmt werden. In Richtung des Ladeluftstromes ist zunächst eine als direkter oder indirekter Verdampfer dienende Wärmetauscher- oder Heizfläche 2 vorhanden, in der das zu verdampfende Arbeitsmittel eines noch näher zu bezeichnenden Dampfkraftkreislaufs 3 entweder verdampft oder so weit aufgeheizt wird, dass es in einem anschliessenden Gefäss 4 durch Entspannung verdampft werden kann oder via weiterem Wärmetauscher ein drittes Medium zum Verdampfen bringt.
Das Arbeitsmittel des Dampfkraftkreislaufs 3, im allgemeinen Wasser, wird mindestens nahezu bis auf seine Verdampfungstemperatur vorgewärmt in einem Vorwärmer 5, der in Strömungsrichtung der Ladeluft durch den Wärmetauscher 1 auf die Fläche 2 folgt.
Zusätzlich ist in dem Wärmetauscher 1 eine dritte Wärme-tauscherfläche 6 vorgesehen, die sekundärseitig nicht vom Arbeitsmittel des Dampfkraftkreislaufs 3, sondern von einem Kühlmittel durchsetzt wird. Der Kühler 6 liegt sekundärseitig z.B. parallel zu einem die Kondensationswärme aus einem Kondensator 7 des Dampfkraftkreislaufs 3 abführenden Kühlwassersystem, wobei die Mengenaufteilung zwischen beiden durch einstellbare Drosselorgane 8 und 9 sichergestellt wird. Der Kühler 6 hat die Aufgabe, einen zusätzlichen, nicht rekuperierbaren Wärmeentzug aus der Ladeluft zu bewirken.
Der Dampfkraftkreislauf 3 wird vervollständigt durch eine Pumpe 10 und eine Turbine 11, die einen Generator 17 antreiben.
Zur Durchführung des neuen Verfahrens ist, dem Dampf-kraftkreislauf 3 bezüglich des Vorwärmers 5 parallel geschaltet, ein Heizkreislauf 12 vorgesehen, durch das, von einer Pumpe 13 umgewälzt, das gleiche, flüssige Arbeitsmittel wie im Kreislauf 3 zirkuliert. Das Arbeitsmittel aus dem Kreislauf 12 wird an der Stelle 14 in den Kreislauf 3 eingespeist und an der Stelle 15 wieder auf die beiden Kreisläufe 3 und 12 verteilt, wobei die Aufteilung durch die Auslegung der beiden Kreisläufe 3 und 12 hinsichtlich der Strömungswider-stände und die Förderleistung der in ihnen vorhandenen Pumpen 10 und 13 bestimmt ist. Auslegung und Förderleistung der Pumpen sind - bei allen Ausführungsbeispielen -auf optimale Abwärmeverwertung bei Vollast-Leistung der Brennkraftmaschine abgestimmt und der Einfachheit der Systeme wegen für einen Teillastbetrieb nicht regelbar, sondern werden nur einmal eingestellt.
Die aus dem Kreislauf 3 ausgeschiedene Arbeitsmittelmenge, die in sehr vielen Fällen ein Mehrfaches der in ihm verbleibenden Menge beträgt, durchfliesst als primärseitiges, d. h. wärmeabgebendes Medium einen Wärmetauscher 16, dessen sekundärseitiges Medium Heizzwecken, beispielsweise zur Raumheizung oder - auf Schiffen - zur Bunkerheizung - dient.
Die Anlage nach Fig. 2 unterscheidet sich nur geringfügig von derjenigen nach Fig. 1. Zum einen fehlt bei ihr der Kühler 6 und zum anderen ist die Ankuppelung des Heizkreislaufes 12 an den Vorwärmer 5 etwas unterschiedlich aufgebaut. Bei diesem Beispiel fliessen die an der Stelle 14 zusammengeführten Arbeitsmittelmengen beider Kreisläufe 3 und 12 gemeinsam einem Mischer 20 zu, in den auch das vom Vorwärmer 5 aufgewärmte Arbeitsmittel eingespeist wird; von diesem Mischer 20 aus fliesst die im Dampfkraftkreislauf benötigte Menge in die Wärmetauscherfläche 2, während das restliche Arbeitsmittel zu einem Verzweigungspunkt 21 gelangt, an dem es gemäss der Förderleistung einer zusätzlichen Pumpe 22 auf den Vorwärmer 35 und den Wärmetauscher 16 verteilt wird. Da das Arbeitsmittel den Mischer 20 - bei gleichbeibenden sonstigen Verhältnissen -mit einer tieferen Temperatur als derjenigen am Punkt 15 des ersten Beispiels verlässt, wird in der Fläche 2 der Wärmeübergang durch das höhere zur Verfügung stehende Temperaturgefälle verbessert, so dass die gesamte Wärmetauscherfläche für einen gleichen Wärmeentzug aus der Ladeluft
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Der Wärmetauscher 31 der Anlage nach Fig. 3 ist primärseitig von den wesentlich heisseren Abgasen des Motors beaufschlagt; der von ihm mit Energie versorgte Dampfkraftkreislauf 33 liegt daher in seinem Dampfbereich auf wesentlich höherem Druck- und Temperaturniveau als der Dampfkraftkreislauf 3 der Fig. 1 und 2. Bei der Anlage nach Fig. 3 wird dem Sattdampf enthaltenden Gefäss 34 zusätzlich vor der Turbine 11 ein Überhitzer 36 nachgeordnet, der primärseitig in Strömungsrichtung der Abgase in einem Wärmetauscher 31 der Wärmetauscher- oder Heizfläche 32 vorangestellt ist.
Wie Fig. 3 weiterhin erkennen lässt, wird in der Heizfläche 32 nur eine teilweise Verdampfung des von der Stelle 15 kommenden, im Kreislauf 33 zirkulierenden Arbeitsmittels durchgeführt, so dass ein Dampf/Wasser-Gemisch über Düsen 37 in das Gefäss 34 eingespritzt wird. Die nur teilweise Verdampfung in der Tauscherfläche 32 verbessert zum einen infolge der verbleibenden Restfeuchte den Wärmeübergang auf das Arbeitsmittel und verhindert zum anderen, dasss sich evtl. zugesetzte Korrosionsschutzmittel an den trockenen Wänden der Tauscherfläche 32 festsetzen können. Die verbleibende Feuchte bewirkt also, dass evtl. aus dem Dampf ausgeschiedene Korrosionsschutzmittel wieder in Lösung gehen und von den Wänden abgespült werden.
Der Wasserraum des Gefässes 34 steht über eine Umwälzpumpe 38 mit dem Arbeitsmittelfluss am Eintritt in den Vorwärmer 35 in Verbindung; die Pumpe 38 hat die Funktion, die Druckverluste in den Zirkulationssystemen 25,32,34 auszugleichen.
Der Sinn der Wasserbeimischung aus dem Gefäss 34 besteht primär darin, die Temperatur des Arbeitsmittels am Eintritt in den Vorwärmer 35 über einen - zur Vermeidung von Korrosionen auf der Gasseite - notwendigen Minimal-wert zu halten; weiterhin wird durch diese Wasserzirkulation der Tauscherfläche 32 immer ausreichend flüssiges Arbeitsmittel zur Verfügung gestellt, so dass in ihr die erwähnte, erforderliche Restfeuchte gewährleistet bleibt.
Die Aufteilung des Arbeitsmittels am Verzweigungspunkt 15 ist wiederum durch die - auf Voll-Last des Motors abgestimmte - Förderleistung der Pumpen 10,13 und 38 bestimmt.
Das Anlageschema nach Fig. 4 stellt eine Anlage dar, bei der ein ladeluftbeheizter Dampfkraftkreislauf niedrigen Druck- und Temperaturniveaus - ähnlich demjenigen nach Fig. 2 - und ein abgasbeheizter Dampfkraftkreislauf höheren
Drucks und höherer Temperatur miteinander kombiniert sind, wobei beiden die Turbine 41, in die der Dampf des Kreislaufs 3 an eine Zwischenstelle geeigneten Drucks eingespeist wird, der Kondensator 7 und die Speisepumpe 10 gemeinsam sind.
Von der Pumpe 10 gefördert, durchstömt die - abgesehen von der relativ geringen, mit Hife der Pumpe 38 durch die Elemente 35,32 und 34 zirkulierende Wassermenge -gesamte Arbeitsmittelmenge der drei Teilkreisläufe 3,33 und 12 zunächst den Vorwärmer 5; an der Stelle 15 wird ihr die im Kreislauf 3 benötigte Menge entzogen, während der Rest einer Einspeise- und Verzweigungsstelle 44 zufliesst. An dieser wird dem Strom, der zu dem arbeitsmittelseitig dem Vorwärmer 5 in partieller Serienschaltung nachgeordneten Vorwärmer 35 fliesst, zum einen das im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Zirkulationswasser aus dem Gefäss 34 hinzugefügt und zum anderen eine Teilmenge entzogen, die über einen Bypass 50 direkt in den Heizkreislauf 16 geführt und durch ein einstellbares Drosselorgan 51 gesteuert wird. Mit Hilfe dieses Bypasses ist es möglich - wiederum wegen Korrosion -, den Wärmeentzug aus den Abgasen im Vorwärmer 15 zu beschränken.
Der Hauptstrom des Arbeitsmittels gelangt daraufhin durch den Vorwärmer 15 zur Verzweigung 45, an der die für den Dampfkraftkreislauf 33 und für den Heizkreislauf 12 benötigten Teilmengen voneinander getrennt und den Wärmetauschern 32 bzw. 6 zugeleitet werden.
Die Druckerhöhung und Zirkulation wird in den kombinierten Kreisläufen allein von der Pumpe 10 bewirkt, wofür die Einspeisestelle 14 des flüssigen Arbeitsmittels aus dem Kreislauf 12 in die Dampfkraftkreisläufe 3 und 33 auf der Saugseite der Pumpe 10 angeordnet ist. Die Aufteilung in den verschiedenen Verzweigungspunkten 15 bzw. 45 wird mit Hilfe von einstellbaren Drosselorganen 18 und 19 bzw. 48 und 49 durchgeführt, während im Heizkreislauf 12 vor der Einspeisestelle 14 für den Abbau des relativ hohen Druckes ein Gegendruck-Drosselorgan 43 anstelle der Pumpe 13 eingesetzt ist.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt; insbesondere ist sie nicht auf die Wärmerückgewinnung bei Dieselmotoren und auf die Verwendung von gasförmigen Wärmeträgermedien auf der Primärseite der Wärmetauscher 1 und 31 beschränkt, obwohl gerade für derartige Medien die Anwendung der Erfindung besonders vorteilhaft ist, weil dadurch der Wärmeentzug aus ihnen ohne eine erhebliche Vergrösserung der Wärmetauscherflächen möglich wird.
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627524 PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Wärmenutzung durch Wärmeentzug aus mindestens einem strömenden Wärmeträger mittels mindestens eines Dampfkraftkreislaufs, in dem zur Erzeugung von mechanischer Energie ein Arbeitsmittel vorgewärmt, mindestens teilweise verdampft und arbeitsleistend entspannt, sowie kondensiert wird, insbesondere zur Abwärmeverwertung bei Dieselbrennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass in den Dampfkraftkreislauf (3,33) vor der Vorwärmung eine zusätzliche Menge flüssigen Arbeitsmittels aus einem Heizkreislauf (12) eingespeist wird, welches nach der Vorwärmung aus dem Dampfkraftkreislauf (3,33) wieder ausgeschieden und mindestens einem Wärmeverbraucher
( 16) zugeführt wird.
2. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einem Vorwärmer, einem Verdampfer, einer arbeitsleistenden Entspannungsmaschine, einem Kondensator und einer Pumpe, die zu einem Dampfkreislauf zusammengeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Vorwärmer (5,35) parallel zu dem Dampfkraftkreislauf (3,33) ein Heizkreislauf (12) angeschlossen ist, der mindestens einen Wärmeverbraucher (16) enthält.
3. Anlage nach Anspruch 2, bei der mindestens zwei Dampfkraftkreisläufe unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus mit je einem Vorwärmer und je einem Verdampfer vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmer (5,35) der Dampfkraftkreisläufe (3,33) bezüglich eines Teils des Arbeitsmittelflusses hintereinander geschaltet sind, dass ferner der Heizkreislauf (12) parallel zu dieser partiellen Serienschaltung angeordnet ist, und dass für die Aufteilung des Arbeitsmittels auf die verschiedenen Kreisläufe (3,33,12) einstellbare Drosselorgane (18,19,48,49,51) und/oder in ihrer Förderleistung einstellbare Fördermittel (10,13,22) für den Arbeitsmittelstrom vorgesehen sind.
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