DE102005063056B4 - ORC engine - Google Patents
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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.Internal combustion engine with two the exhaust and engine waste heat using steam cycles, characterized in that with the exhaust heat in a first steam cycle a working medium is brought to the evaporation and the turbine exhaust of the first steam cycle with the cooling capacity of one operated with the engine waste heat refrigeration machine is condensed again.
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.The The invention relates to a method for better utilization of the waste heat the exhaust system, the engine cooling, the oil cooling and if necessary, the charge air cooling an internal combustion engine with a steam turbine and a cold generating Device for lowering the condensation temperature of the steam cycle.
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.The used primary energy an internal combustion engine is about 33 to 40% in mechanical Energy or converted at generator drive into electrical energy. About 35% of the primary energy are fed in addition to radiation losses via cooler the environment and another about 30% of the primary energy over the Exhaust system discharged to the environment.
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.The waste heat an internal combustion engine fall at different temperature levels from about 450 ° C and about 100 ° C at. It stands once the exhaust line for heat extraction with 400 bis 500 ° C each according to engine type available and once the waste heat from the engine cooling, the oil cooling and if necessary, the charge air cooling with about 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.Of the State of the art is given by the fact that in large internal combustion engines the waste heat the exhaust gas is used to in another circuit the waste heat of the Use exhaust gas to vaporize a working medium, via a suitable Flow or piston machine to relax and condense again. Devices are known, the as a displacement machine a piston expansion machine or as turbomachines a screw motor or use a turbine.
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.at This method is hitherto preferably water as the working medium used that under consideration the economy and the use of as few ancillary components the plant at high temperatures of 100 ° C brought back to condensation becomes.
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.According to the state The technology can use this heat be used again, for example, a refrigerant to evaporate and to condense at ambient temperature. These As a rule, systems are complex with many parts and ancillary units.
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.In order to can only reach a part of the possible Carnot efficiency become. The over the cooler heat given off to the environment is usually not used in these processes.
Zum
Stand der Technik sei hier auf die
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.task The invention is to provide a solution with which the above two Temperature levels of engine waste heat from about 450 ° C and 100 ° C are optimally usable.
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.With an internal combustion engine of the type described is This object by the characterizing features of the claim 1 solved. Thus, the exhaust heat used for the evaporation of a first working medium and the waste heat of Motors by the engine cooling etc. available is put over another device used the condensation temperature significantly lower the downstream of the engine steam cycle.
Hiermit
wird erreicht, dass der Carnot'sche Wirkungsgrad
theoretisch von
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.to Lowering the condensation temperature is the heat to be dissipated via the radiator. There no mechanical or electrical energy consuming aggregates like electrically driven heat pumps to be used to lower the condensation temperature, come in principle to the solution the task only absorption heat pumps or sorption heat pumps or steam jet heat pumps in Question.
Die genannten Kältemaschinen wie Absorptionswärmepumpen benutzen Arbeitsmedien wie Ammoniak-Wasser- oder Lithium-Bromid-Wasser-Lösungen und sind relativ aufwendig zu bauen.The mentioned chillers like absorption heat pumps use working media such as ammonia-water or lithium-bromide-water solutions and are relatively expensive to build.
Hier ist die Dampfstrahlpumpe auf Grund des einfachen Aufbaues und der kleinen Anzahl von Nebenaggregaten sowie ihrer Baugröße zur Kälteerzeugung die Vorrichtung der Wahl.Here is the steam jet pump due to the simple structure and the small number of accessories and their size for refrigeration the device of choice.
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.
- A first steam cycle, whose vapor in the exhaust gas heat exchanger (
3 ), this steam in the turbogenerator (4 ) and in the condensation heat exchanger (6 ) condensed and with the feed pump (1 ) is fed back to the exhaust gas heat exchanger liquid. - - A second steam cycle, whose vapor enters the engine heat exchanger (
7 ) is generated and as motive steam in the steam jet pipe (8th ) the suction steam from the condenser heat exchanger (6 ) entrains and the mixed steam is condensed in the heat exchanger environment and fed via the feed pump and the three-way valve again the engine heat exchanger and the condenser heat exchanger liquid.
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.Becomes the device according to the invention used to work with an internal combustion engine in an engine and steam process stationary To generate even more electricity, the additionally generated electricity in the Network are fed.
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.Becomes the internal combustion engine used to drive a vehicle, so the device is connected by an electric motor connected to the motor shaft added, the power generated in the generator in addition to the mechanical power of Internal combustion engine provides.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Zeichnung 1 mit folgenden Bezugszeichen dargestellt:The inventive device is shown in the drawing 1 with the following reference numerals:
- 11
- VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
- 22
- Abgasrohrexhaust pipe
- 33
- Wärmetauscher im Abgasrohrheat exchangers in the exhaust pipe
- 44
- Turbogeneratorturbogenerator
- 55
-
Speisepumpe
1 feed pump1 - 66
- KondensatorwärmetauscherCondenser heat exchanger
- 77
- Wärmetauscher Motorabwärmeheat exchangers engine heat
- 88th
- Dampfstrahlrohrsteam lance
- 99
-
Speisepumpe
2 feed pump2 - 1010
- Wärmetauscher Umweltheat exchangers environment
- 1111
- DreiwegeventilThree-way valve
- 1212
- Elektromotor-GeneratorElectric motor-generator
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