CH705180B1 - Verfahren zur Effizienzsteigerung eines Antriebs sowie Effizienzsteigerungsvorrichtung. - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Effizienzsteigerung (4) eines Antriebs (2) und eine Effizienzsteigerungsvorrichtung (4) eines Antriebs (2) eines Strom- und Wärmeerzeugers (1) offenbart, wobei die Abwärme der Stromerzeugung aus einer primären Abgasleitung (3) mittels Kraft-Wärme-Kopplung nutzbar ist. Nach der Abkühlung des aus dem Antrieb (2) ausgetretenen Abgases der primären Abgasleitung (3) durch mindestens eine Kühlvorrichtung (40) und Zuführung des abgekühlten Abgases in eine Saugleitung (41) wird das Abgas mittels einer Saugvorrichtung (42) aus der Saugleitung (41) gesaugt oder gepumpt. Der kalte Abgasstrom wird unter Energieaufwand durch die Saugvorrichtung (42) mittels Unterdruck abgepumpt, wobei die Effizienzsteigerung des Antriebs (2) grösser ist als der Energieeintrag für die Saugvorrichtung (42).

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Effizienzsteigerung eines Antriebs, wobei mittels einer Saugvorrichtung Abgas des Antriebs mit einem Unterdruck beaufschlagt wird, sowie eine Effizienzsteigerungsvorrichtung, umfassend eine Saugvorrichtung zum Absaugen von Abgasen eines Antriebs mit einer primären Abgasleitung.

Stand der Technik

[0002] Vorrichtungen zur Steigerung der Effizienz und damit des Gesamtwirkungsgrades von Antrieben von Strom- und Wärmeerzeugern, beispielsweise von Blockheizkraftwerken (BHKW), sind wünschenswert. Neben mechanischer Energie, welche in elektrischen Strom umgewandelt wird, wird gleichzeitig Wärme zur Warmwasserbereitung und zur Heizung mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mittels Blockheizkraftwerken gewonnen. Die Optimierung bekannter Antriebe ist ein intensiv bearbeitetes Gebiet und wird in Zukunft zur Einsparung von Brennstoffen an Bedeutung gewinnen.

[0003] Einsetzbare Antriebe sind neben Gasturbinen beispielsweise auch verschiedene Verbrennungsmotoren. Während Alternativen zu Verbrennungsmotoren gesucht werden, wird mit Hochdruck an der Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren gearbeitet, wodurch steigende Motorenleistungen sowie umweltschonende Motoren geschaffen werden sollen, welche Einsatz als Antrieb von Strom- und Wärmeerzeugern finden sollen.

[0004] Neben der Schaffung neuer Antriebe ist es oft aus Kostengründen gewünscht, einfache Vorrichtungen zu bauen, welche an bestehende Antriebe ankoppelbar sind, um eine schnelle und kostengünstige Aufrüstung bestehender Strom- und Wärmeerzeuger zu gewährleisten. Da die Schonung der Umwelt mehr und mehr in den Vordergrund gerückt wird, sind Vorrichtungen interessant, welche die Effizienz und damit den Wirkungsgrad erhöhen und damit die zu verbrennende Treibstoffmenge bei gleicher Leistung verringern. Das Ziel ist es, die durch den Antrieb umwandelbare Stromproduktion zu erhöhen und die Wärme des Abgases des Antriebs optimiert zu nutzen, wobei der Bedarf an Primärenergie gleich bleiben oder sogar verringert werden soll.

[0005] In der DE 1 037 759 wird eine Saugvorrichtung in Form eines den Abgasstrang verschliessenden Rootsgebläses eingesetzt, welches direkt an der primären Abgasleitung möglichst nahe am Zylinderauslass des Motors angeordnet werden muss. Ziel ist es einen Unterdruck direkt in der primären Abgasleitung bei allen Drehzahlen des Antriebs zu erreichen. Es kann anscheinend nicht zwingend gewährleistet werden, dass ein Unterdruck erreicht wird. Das Laufrad des verwendeten Verdrängergebläses muss die primäre Abgasleitung zu jeder Zeit abschliessen. Selbst bei Erfüllung aller geforderten Merkmale ist die erreichbare Effizienzsteigerung noch nicht auf dem gewünschten Niveau, was nicht nur durch Verwendung eines anderen Gebläses verbessert werden konnte.

Darstellung der Erfindung

[0006] Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Effizienzsteigerungsvorrichtung zu schaffen, mit welchem der Wirkungsgrad des Antriebs von Strom- und Wärmeerzeugern insbesondere von stationären BHKW mit einfachen Mitteln deutlich erhöht wird.

[0007] Diese Aufgabe wird durch zwei Schritte gelöst, indem erstens das Abgas aus einer primären Abgasleitung in einer Kühlvorrichtung stark abgekühlt wird, bevor es in eine Saugleitung geführt und dort mittels einer Saugvorrichtung abgesaugt wird, wobei ein Unterdruck in der Saugleitung resultiert, welcher unterhalb des Atmosphärendruckes liegt.

[0008] Zur Lösung dieser Aufgabe sind keine teuren, komplexen oder elektronischen Bauteile nötig, wodurch der Anreiz zur Anschaffung und Inbetriebnahme der Vorrichtung zur Effizienzsteigerung bekannter Antriebe hoch ist. Da beim Betrieb vieler Antriebe bereits weitere Energieumwandlungsprozesse durchgeführt werden, bei welchen das Abgas zum Teil stark abgekühlt wird, muss lediglich ein Einbau der auf den Antrieb abgestimmten Saugvorrichtung erfolgen.

[0009] Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann einfach mit bestehenden Antrieben unter anderem in Form von Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen verbunden werden und kann aus bekannten industriell gefertigten Produkten zusammengesetzt sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben. <tb>Fig. 1a<SEP>zeigt eine schematische Darstellung eines Strom- und Wärmeerzeugers, umfassend einen Antrieb und eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Effizienzsteigerung, gekoppelt an die primäre Abgasleitung des Antriebs, während <tb>Fig. 1b<SEP>eine schematische Ansicht der erfindungsgemässen Effizienzsteigerungsvorrichtung mit Druck- und Temperaturangaben der unterschiedlichen Abgasleitungen zeigt. <tb>Fig. 2<SEP>zeigt eine weitere Ausführungsform der Effizienzsteigerungsvorrichtung mit einem Abgasnachkühler an einem Antrieb, der einen zusätzlichen Ladeluftkühler aufweist.

Beschreibung

[0011] In Fig. 1a wird ein stationärer Strom- und Wärmeerzeuger 1 in Form eines Blockheizkraftwerks dargestellt, welcher einen Antrieb 2 umfasst, der einen nicht dargestellten Stromerzeuger antreibt. Der hier gezeigte Antrieb 2 in Form eines Kolbenmotors 2 weist einen Turbolader 20 auf, welcher aus einer Turbine und einem Verdichter besteht. Durch das Zuführen von Luft mit erhöhtem Druck wird der Füllungs- oder Liefergrad verbessert und letztlich die Leistung des Verbrennungsmotors 2 durch den Turbolader 20 erhöht. Der Effekt der im Folgenden beschriebenen Effizienzsteigerung ist an einem solchen Antrieb 2 maximal.

[0012] Der Antrieb 2 stösst Abgase in Form eines heissen Gasstromes aus einer primären Abgasleitung 3 aus. Neben der Gewinnung mechanischer Energie, welche in elektrischen Strom umgewandelt wird, ist die Abwärme aus der Stromerzeugung des Antriebs 2 aus der Abgasleitung 3 mittels Kraft-Wärme-Kopplung nutzbar. Der Antrieb 2 kann von einem beliebigen Verbrennungsmotor 2, beispielsweise von Saug-, Kompressor- oder Turbomotor, oder einer Gasturbine gebildet werden, wobei unterschiedliche Brennstoffe wie Öle (Heizöl, Pflanzenöl, Diesel), Gase (Erdgas, Biogas) oder auch Biomasse (Holzschnitzel, Pellets) einsetzbar sind.

[0013] Neben der primären Erzeugung von Strom durch den Antrieb 2 wird die Abwärme des Volumenstroms der heissen Abgase durch die Effizienzsteigerungsvorrichtung 4 genutzt. Die erfindungsgemässe Vorrichtung 4 ist insbesondere zur Effizienzsteigerung von statischen Antrieben 2 in Form von Verbrennungsmotoren, Gasturbinen oder Heizkesseln einsetzbar. Es ist aber auch möglich, die Effizienzsteigerungsvorrichtung 4 in mobilen Strom- und Wärmeerzeugern 1 und deren mobilen Antrieben 2 einzusetzen.

[0014] Die erfindungsgemässe Effizienzsteigerungsvorrichtung 1 wird mit der primären Abgasleitung 3 des Antriebs 2, beispielsweise des Kolbenmotors 2, verbunden und umfasst neben einer Kühlvorrichtung 40 eine Saugleitung 41, eine Saugvorrichtung 42 und einen Auslass 43.

[0015] Aus der primären Abgasleitung 3 kann ein heisser Abgasstrom direkt in die Kühlvorrichtung 40 einströmen. Die hier gezeigte Kühlvorrichtung ist ein Wärmetauscher 40, welcher durch Kühlmittelleitungen 400 fliessendes Kühlmittel betrieben wird. Als Kühlmittel können Luft, Wasser, Öl, Eis oder andere bekannte Kältemittel verwendet werden. Vorteilhaft ist die Ausgestaltung eines Kühlmittelkreislaufes, durch welchen Kühlmittel zum Wärmetauscher 40 hin und von diesem weggeführt wird. Innerhalb der Kühlvorrichtung 40 wird das Volumen des heissen Abgasstromes auf Temperaturen unterhalb von 100°, insbesondere auf Temperaturen kleiner 25 °C abgekühlt. Durch die Kühlung des Abgases nimmt der Volumenstrom des gekühlten Abgases innerhalb der Kühlvorrichtung 40 weiter ab.

[0016] Das Abgas wird bei Nutzung der Abwärme damit deutlich heruntergekühlt und nach Durchgang durch die Kühlvorrichtung 40 in eine direkt anschliessende Saugleitung 41 abgegeben. Eine an die Saugleitung 41 gekoppelte Saugvorrichtung 42 erzeugt einen Unterdruck in der Saugleitung 41 und saugt damit die abgekühlten Abgase durch die Saugleitung 41, die Saugvorrichtung 42 querend bis zu einem Auslass 43 ab, wo das Abgas in die Umgebungsluft abgegeben wird.

[0017] Nachdem der Antrieb 2 bereits Elektrizität erzeugt hat, strömt der heisse Abgasstrom aus der primären Abgasleitung 3 mit primärer Abgastemperatur T1 von 400 °C bis 1000 °C und einem primären Abgasdruck p1 von etwa 1.05 bar und damit mit einem primären Abgasdruck p1 in Höhe einiger Millibar über dem mittleren Luftdruck auf Meereshöhe direkt in die Kühlvorrichtung 40.

[0018] Beim Abkühlen des heissen Abgasstromes in der Kühlvorrichtung 40 wird ein kalter Abgasstrom mit einer sekundären Abgastemperatur T2 von kleiner 100 °C, insbesondere kleiner 25 °C erzeugt. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen heissem und kaltem Abgasstrom weist der kalte Abgasstrom ein deutlich geringeres Volumen auf, welches in die Saugleitung 41 geleitet wird bzw. in die Saugleitung 41 strömt.

[0019] Die Saugvorrichtung 42 erzeugt in der Saugleitung 41 einen Unterdruck p2, wodurch der kalte Abgasstrom durch die Saugvorrichtung 42 bis zum Auslass 43 gepumpt und dort in die Umgebungsluft mit einem Auslassdruck p3 grösser als der Atmosphärendruck ausgelassen wird. Der von der Saugvorrichtung 42 erzeugte Unterdruck p2 liegt bei etwa 50 hPa bis 900 hPa unterhalb des Druckes p1. Es werden elektrisch betriebene und steuerbare Saugvorrichtungen 42 unter anderem in Form von Gebläsen, insbesondere in Form eines Seitenkanalgebläses bzw. -verdichters oder eines Radialgebläses oder Turboverdichters verwendet. Die Saugvorrichtung 42 muss Gasgemische absaugen und verdichten können, wobei Unterdrücke p2 von einigen zehn bis zu einigen hundert Hektopascal unterhalb des mittleren Atmosphärendruckes angestrebt werden. Die Gebläse zeichnen sich durch ihre Robustheit, Wartungsfreiheit und Umweltfreundlichkeit aus. Obwohl zusätzliche elektrische Energie zum Betrieb der Saugvorrichtung eingesetzt werden muss, ist eine Effizienzsteigerung erreichbar. Um dies zu optimieren, wird die aufgenommene Leistung des Gebläses 42 dem Betriebszustand des Antriebs 2 angepasst. Dies kann beispielsweise mit einer Frequenz-Regelung des Gebläses 42 bewerkstelligt werden.

[0020] In Fig. 2 wird ein Blockheizkraftwerk gemäss Fig. 1a gezeigt, wobei ein zusätzlicher Ladeluftkühler 21 des Antriebs 2 vorgesehen ist. Ein zusätzlicher Nachkühler 13 ist ein weiterer Bestandteil der Effizienzsteigerungsvorrichtung 4 und erlaubt einen weiteren Schritt der Energienutzung des aus dem Auslass 43 entweichenden Abgasstromes.

[0021] Die Kühlvorrichtung 40 kann als einfacher Kühler, als mindestens ein Wärmetauscher, als Wärmepumpe oder als Gegenstromwärmetauscher ausgeführt sein. Mit dem Gegenstromwärmetauscher kann mittels Kühlmittel Thermoöl, Wasserdampf oder Luft ein Temperaturniveau bis über 400 °C im Kühlmittel erzeugt werden. Dadurch steht auch einer weiteren thermodynamischen Nutzung nichts im Wege.

[0022] Die Kühlvorrichtung 40 kann aus mehreren hintereinander geschalteten Wärmetauschern bestehen, wobei entweder verschiedene Medien erwärmt werden oder aber das gleiche Medium verschiedenen Zwecken zugeführt wird.

[0023] Nutzt eine Wärmepumpe alle anfallende Niedertemperaturabwärme des Antriebs 2, z.B. den temperaturmässig anderweitig schlecht nutzbaren Anteil der Abwärme der Kühlvorrichtung 40, eines Ladeluftkühlers 21, der Motorblockabstrahlung sowie der Abwärme der Rückkompression an einem Abgasnachkühler 13 als zusätzlicher Wärmetauscher, wie in Fig. 2 dargestellt, kann nicht nur auf eine aufwändige Erd- oder Umgebungswärme-Beschaffung (Tiefenbohrung, Erdregister, Luftwärmetauscher) verzichtet werden, sondern sowohl die Arbeitszahl der Wärmepumpe als auch der Wärme- und Gesamtwirkungsgrad des Antriebs 2 nochmals erhöht werden.

[0024] Es ist auch möglich, die erfindungsgemässe Vorrichtung 4 bzw. deren Kühlvorrichtung 40 mit einer thermisch angetriebenen Kältemaschine zu verbinden, sodass wahlweise Nutzkälte erzeugt werden kann oder die erzeugte Kälte zur weiteren Kühlung der Kühlvorrichtung 40 eingesetzt wird, wodurch die Wirkung der erfindungsgemässen Vorrichtung weiter gesteigert wird. Dieser wahlweise Nutzen ist besonders geeignet für Biogasanlagen oder Kühltransport-Fahrzeuge, wo der Antrieb 2 in Form eines Verbrennungsmotors unabhängig des Wärmebedarfs und auch des Kältebedarfs laufen muss, und wahlweise die Kälteerzeugung oder die gesteigerte mechanische Effizienz erwünscht ist.

[0025] Bei den Versuchen wurden Temperaturverhältnisse der primären Abgastemperatur T1 zur sekundären Abgastemperatur T2 (T1/T2) zwischen 10/1 und 40/1 erreicht. Dabei mussten die eingesetzten Kühlvorrichtungen 40 das Abgas entsprechend von den primären Abgastemperaturen T1 zwischen etwa 1000 °C auf die abgekühlten sekundären Abgastemperaturen T2 zwischen 0 °C und 100 °C vor dem Absaugen kühlen können.

[0026] Die erreichbare Effizienzsteigerung des Antriebs 2 ist grösser als der Energieeintrag für die Saugvorrichtung 42. Es können Wirkungsgradsteigerungen von 5% bis 20% durch den Betrieb der erfindungsgemässen Effizienzsteigerungsvorrichtung 4 erreicht werden, wobei die grösste Steigerung bei mit Turboladern versehenen Verbrennungsmotoren 2 erreichbar ist.

[0027] Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der Effizienzsteigerungsvorrichtung 4 an stationär betriebenen Gasmotoren 2. Versuche mit einem 83-kWe-Turbomotor 2 und der damit an der primären Abgasleitung 3 gekoppelten Effizienzsteigerungsvorrichtung 4 bei nur 70 hPa Saug-Unterdruck haben auf einem Prüfstand einen verringerten Treibstoffverbrauch bei gleicher Leistung von 7.5% gezeigt. Mit kWe wird hier die elektrische Einspeiseleistung des Antriebs 2 quantifiziert.

[0028] Da stationäre Gasmotoren dauerhaft im Betrieb sind, reicht eine solche erreichbare Treibstoffeinsparung oder Mehrleistung bei gleichem Verbrauch aus, um die Anschaffungskosten der Effizienzsteigerungsvorrichtung 4 bereits in deutlich weniger als einem Jahr Betrieb zu amortisieren.

[0029] Es wurde bei den Versuchen ein Seitenkanalgebläse «Dutair» mit 4.5 kWe maximaler Antriebsleistung eingesetzt, welches mit einem Frequenzumformer geregelt war. Bei einem Massenstrom von 590 kg/h und einer sekundären Abgastemperatur T2 von 17 °C bei einer Umgebungstemperatur von 23.5 °C, gekühlt durch eine Heizwärmepumpe 40, wurde ein Unterdruck p2 von 70 bis 80 hPa erzeugt.

[0030] Bei einer zusätzlichen Einspeiseleistung von 9 kWe (+ 11%) wurde eine Stromaufnahme der Saugvorrichtung von 4.5 kWe gemessen. Der Netto-Nutzen betrug demnach 4.5 kWe (+ 5.4%). Untersuchungen zeigen aber, dass der Netto-Nutzen bei höheren Unterdrücken p2 von mehreren Hundert hPa noch deutlich gesteigert wird.

[0031] Allerdings muss dann der bestehende Antrieb 2 deutlich modifiziert werden, insbesondere der Abgasturbolader grösser ausgelegt werden.

Bezugszeichenliste

[0032] <tb>1<SEP>Strom- und Wärmeerzeuger (stationäres BHKW) <tb>2<SEP>Antrieb <tb><SEP>20 Turbolader <tb><SEP>21 Ladeluftkühler <tb>3<SEP>Abgasleitung (primär) <tb>4<SEP>Effizienzsteigerungsvorrichtung <tb><SEP>40 Kühlvorrichtung (z.B. Wärmetauscher/Kühler) <tb><SEP><SEP>400 Kühlmittelleitung <tb><SEP>41 Saugleitung <tb><SEP>42 Saugvorrichtung <tb><SEP>43 Auslass <tb>13<SEP><SEP>Abgasnachkühler <tb><SEP><SEP> <tb>p1<SEP>primärer Abgasdruck (über Atmosphärendruck) <tb>T1<SEP>primäre Abgastemperatur <tb>p2<SEP>Unterdruck <tb>T2<SEP>sekundäre Abgastemperatur <tb>p3<SEP>Auslassdruck (über Atmosphärendruck)

Claims (11)

1. Verfahren zur Effizienzsteigerung eines Antriebs (2), ausgebildet als Verbrennungsmotor oder Gasturbine, wobei mittels einer Saugvorrichtung (42) Abgas des Antriebs (2) mit einem Unterdruck (p2) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die heissen Abgase mit primärer Abgastemperatur (T1) nach Austritt aus dem Antrieb (2) und Eintritt in eine primäre Abgasleitung (3) zuerst durch eine Kühlvorrichtung (40) geführt werden, wo sie auf eine sekundäre Abgastemperatur (T2) von weniger als 100 °C abgekühlt werden, bevor die abgekühlten Abgase nach Austritt aus der Kühlvorrichtung (40) in eine Saugleitung (41) strömen und mit Hilfe der Saugvorrichtung (42) mittels eines Unterdrucks (p2), welcher zwischen 50 hPa und 900 hPa unterhalb des mittleren Atmosphärendruckes liegt, aus der Saugleitung (41) herausgesaugt und durch einen Auslass (43) abgegeben werden.

2. Verfahren zur Effizienzsteigerung nach Anspruch 1, wobei die Saugleitung (41) direkt an die Kühlvorrichtung (40) und von der primären Abgasleitung (3) örtlich beabstandet angeschlossen ist.

3. Verfahren zur Effizienzsteigerung nach Anspruch 1, wobei das Abgas in der Kühlvorrichtung (40) auf eine sekundäre Abgastemperatur (T2) kleiner als 25 °C abgekühlt wird.

4. Verfahren zur Effizienzsteigerung nach Anspruch 1, wobei die Abgase nach Austritt aus dem Auslass (43) und Durchströmung durch einen Abgasnachkühler (13) in die Umgebungsluft abgegeben werden.

5. Verfahren zur Effizienzsteigerung nach Anspruch 1, wobei Temperaturverhältnisse in der primären Abgastemperatur T1 zur sekundären Abgastemperatur T2 zwischen 10/1 und 40/1 erreicht werden, bevor das abgekühlte Abgas abgesaugt wird.

6. Effizienzsteigerungsvorrichtung (4) zur Durchführung des Verfahrens gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Saugvorrichtung (42) zum Absaugen von Abgasen eines Antriebs (2) mit einer primären Abgasleitung (3), dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Abgasleitung (3) in eine Kühlvorrichtung (40) mündet, in welcher Abgas auf eine sekundäre Abgastemperatur (T2) unterhalb von 100 °C kühlbar ist und das gekühlte Abgas mittels der Saugvorrichtung (42), welche von der primären Abgasleitung (3) durch die Kühlvorrichtung (40) und eine anschliessende Saugleitung (41) beabstandet angeordnet ist, aus der Saugleitung (41) unter einem Unterdruck (p2), der geringer als der mittlere Atmosphärendruck heraussaugbar ist, und durch einen Auslass (43) der Effizienzsteigerungsvorrichtung (4) abgebbar ist.

7. Effizienzsteigerungsvorrichtung (4) nach Anspruch 6, wobei die Saugvorrichtung (42) von einem elektrisch angetriebenen und steuerbaren Gebläse, insbesondere einem Seitenkanalgebläse oder einem Radialgebläse oder einem Turboverdichter gebildet ist.

8. Effizienzsteigerungsvorrichtung (4) nach Anspruch 6, wobei die Kühlvorrichtung (40) als Kühler, als mindestens ein Wärmetauscher, als Wärmepumpe oder als Gegenstromwärmetauscher ausgeführt ist.

9. Effizienzsteigerungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein Abgasnachkühler (13) an den Auslass (43) anschliessend angeordnet ist.

10. Verwendung einer Effizienzsteigerungsvorrichtung (4) nach Anspruch 6 zur Effizienzsteigerung eines Antriebs (2), wobei der Antrieb (2) ein Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine ist.

11. Verwendung einer Effizienzsteigerungsvorrichtung (4) nach Anspruch 6 zur Effizienzsteigerung eines Antriebs (2), wobei der Antrieb (2) Teil eines stationär ausgeführten Strom- und Wärmeerzeugers (1), insbesondere eines Blockheizkraftwerks, ist.