DE102005063056B4

DE102005063056B4 - ORC-Motor

Info

Publication number: DE102005063056B4
Application number: DE102005063056A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Priebe
Original assignee: DEUTSCHE ENERGIE HOLDING GmbH; En Holding Deutsche GmbH
Current assignee: PRIEBE, KLAUS-PETER, DE
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2025-12-30
Also published as: DE102005063056A1; DE202005021603U1

Abstract

Verbrennungskraftmaschine mit zwei die Abgas- und Motorabwärme nutzenden Dampfkreisläufen, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Abgaswärme in einem ersten Dampfkreislauf ein Arbeitsmedium zur Verdampfung gebracht wird und der Turbinenabdampf des ersten Dampfkreislaufes mit der Kälteleistung einer mit der Motorabwärme betriebenen Kältemaschine wieder kondensiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur besseren Ausnutzung der Abwärme aus dem Abgasstrang, der Motorkühlung, der Ölkühlung und ggf. der Ladeluftkühlung eines Verbrennungsmotors mit einer Dampfturbine und einer Kälte erzeugenden Vorrichtung zur Absenkung der Kondensationstemperatur des Dampfkreislaufes.
Die eingesetzte Primärenergie einer Verbrennungskraftmaschine wird zu etwa 33 bis 40% in mechanische Energie bzw. bei Generatorantrieb in elektrische Energie umgesetzt. Etwa 35% der Primärenergie werden neben Strahlungsverlusten über Kühler der Umwelt zugeführt und weitere etwa 30% der Primärenergie über den Abgasstrang an die Umwelt abgegeben.
Die Abwärmen einer Verbrennungskraftmaschine fallen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus von etwa 450°C und etwa 100°C an. Es steht einmal der Abgasstrang zur Wärmeauskoppelung mit 400 bis 500°C je nach Motorart zur Verfügung und einmal die Abwärme aus der Motorkühlung, der Ölkühlung und ggf. der Ladeluftkühlung mit etwa 99°C.
Der Stand der Technik ist dadurch gegeben, dass bei großen Verbrennungskraftmaschinen die Abwärme des Abgases genutzt wird, um in einem weiteren Kreislauf die Abwärme des Abgases zu nutzen, um ein Arbeitsmedium zu verdampfen, über eine geeignete Strömungs- oder Kolbenmaschine zu entspannen und wieder zu kondensieren. Bekannt sind Vorrichtungen, die als Verdrängermaschine eine Kolbenexpansionsmaschine oder als Strömungsmaschinen einen Schraubenmotor oder eine Turbine benutzen.
Bei diesem Verfahren wird bisher vorzugsweise Wasser als Arbeitsmedium eingesetzt, dass unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit und des Einsatzes möglichst weniger Nebenaggregate der Anlage bei hohen Temperaturen von 100°C wieder zur Kondensation gebracht wird.
Gemäß dem Stand der Technik kann diese Wärme noch einmal genutzt werden, um beispielsweise ein Kältemittel zu verdampfen und bei Umgebungstemperatur zu kondensieren. Diese Anlagen bauen im Regelfall aufwendig mit vielen Teilen und Nebenaggregaten.
Damit kann nur ein Teil des nach Carnot möglichen Wirkungsgrades erreicht werden. Die über die Kühler an die Umwelt abgegebene Wärme wird bei diesen Prozessen im Regelfall nicht genutzt.
Zum Stand der Technik sei hier auf die DE-28 47 028-C2 , die EP-1 053 438-B1 oder die US-4 803 958 verwiesen, deren Abwärme einem weiteren Wärmekreislauf zur Verfügung gestellt wird, um damit ein Arbeitsmittel zu verdampfen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der die oben erwähnten beiden Temperaturstufen der Motorabwärme von ca. 450°C und 100°C optimal nutzbar sind.
Mit einer Verbrennungskraftmaschine der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Somit wird die Abgaswärme zur Verdampfung eines ersten Arbeitsmediums genutzt und die Abwärme des Motors, die durch die Motorkühlung etc. zur Verfügung gestellt wird, über eine andere Vorrichtung genutzt, um die Kondensationstemperatur des dem Motor nachgeschalteten Dampfkreislaufes deutlich abzusenken.
Hiermit wird erreicht, dass der Carnot'sche Wirkungsgrad theoretisch von 1 – 373/673 = 0,446auf 1 – 273/673 = 0,594erhöht wird, sofern die Absenkung der Kondensationstemperatur auf 0°C realisiert wird.
Zur Absenkung der Kondensationstemperatur steht die über die Kühler abzuführende Wärme zur Verfügung. Da keine mechanische oder elektrische Energie verbrauchenden Aggregate wie elektrisch angetriebene Wärmepumpen zur Absenkung der Kondensationstemperatur eingesetzt werden sollen, kommen im Grundsatz zur Lösung der gestellten Aufgabe nur Absorptionswärmepumpen oder Sorptionswärmepumpen oder Dampfstrahlwärmepumpen in Frage.
Die genannten Kältemaschinen wie Absorptionswärmepumpen benutzen Arbeitsmedien wie Ammoniak-Wasser- oder Lithium-Bromid-Wasser-Lösungen und sind relativ aufwendig zu bauen.
Hier ist die Dampfstrahlpumpe auf Grund des einfachen Aufbaues und der kleinen Anzahl von Nebenaggregaten sowie ihrer Baugröße zur Kälteerzeugung die Vorrichtung der Wahl.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung der Abgas- und Motorabwärme zur Stromerzeugung besteht damit aus zwei Dampfkreisläufen:

– einem ersten Dampfkreislauf, dessen Dampf in dem Abgaswärmetauscher (3) erzeugt wird, dieser Dampf in dem Turbogenerator (4) entspannt und in dem Kondensationswärmetauscher (6) kondensiert und mit der Speisepumpe (1) wieder dem Abgaswärmetauscher flüssig zugeführt wird.
– Einem zweiten Dampfkreislauf, dessen Dampf in den Motorwärmewärmetauscher (7) erzeugt wird und als Treibdampf in dem Dampfstrahlrohr (8) den Saugdampf aus dem Kondensatorwärmetauscher (6) mitnimmt und der Mischdampf in dem Wärmetauscher Umwelt kondensiert und über die Speisepumpe und das Dreiwegeventil wieder dem Motorwärmewärmetauscher und dem Kondensatorwärmetauscher flüssig zugeführt wird.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung genutzt, um mit einer Verbrennungskraftmaschine in einem Motor- und Dampfprozess stationär noch mehr Strom zu erzeugen, kann der zusätzlich erzeugte Strom in das Netz eingespeist werden.
Wird die Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb eines Fahrzeuges genutzt, so wird die Vorrichtung durch einen mit der Motorwelle verbundenen Elektromotor ergänzt, der den im Generator erzeugten Strom zusätzlich für die mechanische Leistung der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung stellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Zeichnung 1 mit folgenden Bezugszeichen dargestellt:

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Abgasrohr
3: Wärmetauscher im Abgasrohr
4: Turbogenerator
5: Speisepumpe 1
6: Kondensatorwärmetauscher
7: Wärmetauscher Motorabwärme
8: Dampfstrahlrohr
9: Speisepumpe 2
10: Wärmetauscher Umwelt
11: Dreiwegeventil
12: Elektromotor-Generator

Claims

Verbrennungskraftmaschine mit zwei die Abgas- und Motorabwärme nutzenden Dampfkreisläufen, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Abgaswärme in einem ersten Dampfkreislauf ein Arbeitsmedium zur Verdampfung gebracht wird und der Turbinenabdampf des ersten Dampfkreislaufes mit der Kälteleistung einer mit der Motorabwärme betriebenen Kältemaschine wieder kondensiert wird.
Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmaschine in dem 1. Dampfkreislauf eine Dampfkolbenmaschine oder ein Dampfschraubenmotor oder eine Turbine eingesetzt wird.
Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass als mit der Motorabwärme betriebene Kältemaschine eine Absorptionswärmepumpe, eine Sorptionswärmepumpe oder eine Dampfstrahlwärmepumpe genutzt wird.
Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Abgaswärme erzeugte Dampf des ersten Dampfkreislaufes nach dem Turbogenerator mit der Saugdampftemperatur des zweiten Dampfkreislaufes mit einem Dampfstrahlrohr kondensiert wird und der für das Dampfstrahlrohr notwendige Treibdampf mit der Motorabwärme erzeugt und der entstehende Mischdampf gegen die Umwelt kondensiert wird.
Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Motorabwärme des zweiten Dampfkreislaufes derart genutzt wird, dass die Ölkühlung und die Wasserkühlung und die Ladeluftkühlung in den Motorwärmewärmetauschern so aufeinander folgen, dass der erzeugte Treibdampf das höchst mögliche Druck- und Temperaturniveau aufweist.
Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass je nach Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine mit dem Dreiwegeventil des 2. Dampfkreislaufes die Saugdampfmenge des 2. Dampfkreislaufes je nach gewünschter Kondensationstemperatur in dem 1. Dampfkreislauf gesteuert werden kann.
Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzlich erzeugte Strom in das Netz eingespeist werden kann.
Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass im Fall des Antriebes eines Fahrzeuges durch die Verbrennungskraftmaschine ein zusätzlicher Elektromotor den Antriebsstrang des Fahrzeuges antreibt.