DE102006043491A1 - Steam cycle process with improved energy utilization - Google Patents

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Abstract

Ein Dampfkreisprozess, enthaltend eine Speisewasserpumpe (16; 128) zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in einem in dem Dampfkreisprozess (10; 110) verwendeten Arbeitsmedium, einen Wärmeübertrager (12; 132), zur Übertragung von Abwärme aus einem Primärprozess auf das Arbeitsmedium, einen Expander (14; 138) zum Expandieren des Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung, und einen Kondensator (18; 136) zum Kondensieren des Arbeitsmediums, ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (20, 138) zum Erfassen des Drucks oder der Temperatur am Kondensator vorgesehen sind, und eine Regelschleife (22; 140) vorgesehen ist, mit der die Speisewasserpumpe mit den so erfassten Druck- oder Temperaturwerten als Führungsgröße auf einen Druck regelbar ist, bei dem die Expanderleistung maximal ist.A steam cycle process comprising a feedwater pump (16; 128) for generating an elevated pressure in a working fluid used in the steam cycle (10; 110), a heat exchanger (12; 132) for transferring waste heat from a primary process to the working fluid, an expander (14, 138) for expanding the working fluid under working power, and a condenser (18, 136) for condensing the working fluid, characterized in that means (20, 138) for detecting the pressure or the temperature at the condenser are provided Regulation loop (22; 140) is provided, with which the feedwater pump with the pressure or temperature values thus detected is controllable as a reference variable to a pressure at which the Expanderleistung is maximum.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft Dampfkreisprozess enthaltend

  • (a) eine Speisewasserpumpe zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in einem in dem Dampfkreisprozess verwendeten Arbeitsmedium,
  • (b) einen Wärmeübertrager, zur Übertragung von Abwärme aus einem Primärprozess auf das Arbeitsmedium,
  • (c) einen Expander zum Expandieren des Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung, und
  • (d) einen Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums.
The invention relates to steam cycle process containing
  • (a) a feedwater pump for generating an elevated pressure in a working medium used in the steam cycle process,
  • (b) a heat exchanger for transferring waste heat from a primary process to the working medium,
  • (c) an expander for expanding the working fluid under working power, and
  • (d) a condenser for condensing the working medium.

Derartige Dampfkreisprozesse sind als Clausius-Rankine-Kreisprozess oder auch als Kalina-Kreisprozess bekannt. In einem solchen Kreisprozess wird ein Arbeitsmedium mittels einer Speisewasserpumpe umgepumpt. In einem Wärmeübertrager wird Wärme auf das Arbeitsmedium übertragen. Das unter hohem Druck stehende, heiße Arbeitsmedium, zum Beispiel Wasserdampf oder ein Wasserdampf-Gasgemisch, wird in einem Expander auf ein niedrigeres Druckniveau expandiert. Dabei wird Arbeit frei, die von einer Welle zum Beispiel auf einen Generator übertragen werden kann. Das entspannte, heiße Gas wird in einem Kondensator gekühlt und steht dann dem Kreisprozess wieder zur Verfügung. Der thermodynamische Wirkungsgrad ηe wird bestimmt nach ηe = 1-Tu/To, wobei Tu das untere Temperaturniveau ist, auf das das Arbeitsmedium im Kondensator abgekühlt wird und To das obere Temperaturniveau, auf welches das Arbeitsmedium im Wärmeübertrager erhitzt wird.Such steam cycle processes are known as Clausius-Rankine cycle or as Kalina cycle. In such a cycle process, a working fluid is circulated by means of a feedwater pump. Heat is transferred to the working medium in a heat exchanger. The high pressure, hot working medium, for example water vapor or a water vapor-gas mixture, is expanded in an expander to a lower pressure level. This frees up work that can be transmitted from a wave, for example, to a generator. The relaxed, hot gas is cooled in a condenser and is then available to the cycle again. The thermodynamic efficiency η e is determined according to η e = 1-T u / T o , where T u is the lower temperature level to which the working fluid in the condenser is cooled and T o is the upper temperature level to which the working fluid is heated in the heat exchanger ,

Es versteht sich, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann, wenn der Temperaturunterschied zwischen den beiden Temperaturen groß ist. Bei der Nutzung der Abwärme von Primärprozessen ist die obere Temperatur im allgemeinen vergleichsweise gering und nicht beeinflussbar. Die untere Temperatur wird durch die Temperatur des Kühlmediums im Kondensator bestimmt. Bei Schiffsmotoren ist das Kühlmedium üblicherweise Wasser aus dem Gewässer, in dem sich das Schiff bewegt. Bei Fahrzeugmotoren wird die Temperatur des Kühlmediums durch die Lufttemperatur der Umgebung bestimmt. Diese Temperaturen sind üblicherweise nicht beeinflussbar. Der Wirkungsgrad ist daher im allgemeinen vorgegeben.It It is understood that a particularly high efficiency can be achieved can if the temperature difference between the two temperatures is great. When using the waste heat of primary processes the upper temperature is generally relatively low and not influenceable. The lower temperature is determined by the temperature of the cooling medium determined in the condenser. In marine engines, the cooling medium is common Water from the water, in which the ship moves. In vehicle engines, the temperature of the cooling medium determined by the ambient air temperature. These temperatures usually are not influenced. The efficiency is therefore generally predetermined.

Stand der TechnikState of the art

Bekannte Kraftwerke sind so ausgelegt, dass sie bei konstanter Leistung arbeiten. Die Speisewasserpumpe arbeitet entsprechend bei konstantem Druck. Auch die Temperatur im Wärmeübertrager ist konstant. Wenn sich die Temperatur des Kühlmittels, zum Beispiel durch Absenkung der Flusswassertemperatur im Winter, ändert, hat dies keine Auswirkungen auf den Wirkungsgrad.Known Power plants are designed to operate at constant power. The feedwater pump operates accordingly at constant pressure. Also the temperature in the heat exchanger is constant. When the temperature of the coolant, for example, through Lowering the river water temperature in winter, changes, this has no effect on the efficiency.

Erdwärme und Abwärme aus Kraftwerken hat im allgemeinen eine vergleichsweise geringe Temperatur. Wie aus der obigen Formel erkennbar, führt dies zu einem geringen Wirkungsgrad. Zur Erhöhung des Wirkungsgrads bei der Abwärmenutzung wird daher im Kalina-Prozess ein Arbeitsmedium verwendet, das wenigstens zwei Komponenten enthält. Eine dieser Komponenten hat einen besonders niedrigen Siedepunkt. Das Arbeitsfluid wird durch einen Wärmetauscher geleitet. In dem Wärmetauscher wird dem Arbeitsmedium Wärme zugeführt. Dabei verdampft die Komponente mit dem niedrigeren Siedepunkt bereits bei vergleichsweise geringen Temperaturen. In einem Phasentrenner wird der flüssige Teil des Arbeitsmediums abgetrennt. Der gasförmige Teil wird in einem Expander unter Arbeitsleistung expandiert. Anschließend werden die Komponenten kondensiert bzw. gekühlt und wieder zusammengeführt. Auch diese Anordnungen arbeiten bei konstanter Leistung.Geothermal and waste heat from power plants generally has a comparatively low temperature. As can be seen from the above formula, this leads to a low Efficiency. To increase the efficiency in the waste heat utilization is therefore used in the Kalina process, a working medium that at least contains two components. A These components have a particularly low boiling point. The Working fluid is passed through a heat exchanger directed. In the heat exchanger is the working medium heat fed. The component with the lower boiling point already evaporates at comparatively low temperatures. In a phase separator becomes the liquid Part of the working medium separated. The gaseous part is in an expander expanded under work performance. Subsequently, the components condensed or cooled and merged again. Also these arrangements operate at constant power.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung einen Dampfkreisprozess mit verbesserter Energieausnutzung zu schaffen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Dampfkreisprozess der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass

  • (e) Mittel zum Erfassen des Drucks oder der Temperatur am Kondensator vorgesehen sind, und
  • (f) eine Regelschleife vorgesehen ist, mit der die Speisewasserpumpe mit den so erfassten Druck- oder Temperaturwerten als Führungsgröße auf einen Druck regelbar ist, bei dem die Expanderleistung maximal ist.
It is an object of the invention to provide a steam cycle process with improved energy efficiency. According to the invention the object is achieved with a steam cycle of the type mentioned fact that
  • (E) means are provided for detecting the pressure or the temperature at the condenser, and
  • (F) a control loop is provided, with which the feedwater pump is controlled with the pressure or temperature values thus detected as a reference variable to a pressure at which the Expanderleistung is maximum.

Für ein vorgegebenes Medium ist die Temperatur, bei der ein Medium kondensiert, druckabhängig. Bei geringerem Druck liegt diese Temperatur niedriger, als bei höherem Druck. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Wirkungsgrad erhöht werden kann, wenn Temperaturschwankungen bei dem Kühlmedium derart ausgenutzt werden, dass das obere Druckniveau auf einen Wert eingestellt wird, bei dem die Kühlleistung des Kühlmediums optimal ausgenutzt werden kann. Mit anderen Worten: Die Förderleistung der Speisewasserpumpe wird so eingestellt, dass das Arbeitsmedium gerade noch kondensiert. Dann wird eine maximale Temperaturdifferenz und der damit verbundene maximale Wirkungsgrad erreicht.For a given Medium is the temperature at which a medium condenses, depending on the pressure. at lower pressure, this temperature is lower than at higher pressure. The invention is based on the finding that the efficiency elevated can be when temperature fluctuations in the cooling medium be exploited such that the upper pressure level to a value is set at which the cooling capacity of the cooling medium can be optimally exploited. In other words, the delivery rate the feed water pump is adjusted so that the working fluid just condensed. Then a maximum temperature difference and achieved the associated maximum efficiency.

In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Arbeitsfluid wenigstens zwei Komponenten unterschiedlicher Siedepunkte, und ein Phasentrenner zum Trennen der Komponenten ist zwischen dem Wärmetauscher und dem Expander vorgesehen, so dass nur der gasförmige Anteil des Arbeitsfluids dem Expander zugeführt wird. Das ist ein Kalina-Kreisprozess.In one embodiment of the invention, the working fluid comprises at least two components of different boiling points, and a phase centers For separating the components, it is provided between the heat exchanger and the expander so that only the gaseous portion of the working fluid is supplied to the expander. This is a Kalina cycle.

Die Erfindung nutzt den Effekt, dass die Leistung eines sekundären Kreisprozesses zur Abwärmenutzung schwanken darf, zur Verbesserung des Wirkungsgrads.The Invention uses the effect that the performance of a secondary cycle process for waste heat utilization may fluctuate, to improve the efficiency.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand des Unteranspruchs. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.refinements The invention are the subject of the subclaim. An embodiment is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 ist eine schematische Darstellung eines Clausius-Rankine-Dampfkreisprozesses zur Abgaswärmenutzung. 1 is a schematic representation of a Clausius Rankine steam cycle process for exhaust heat recovery.

2 ist ein Diagramm, das den Verlauf der Temperatur in Abhängigkeit von der Entropie bei einem Dampfkreisprozess aus 1 veranschaulicht. 2 is a diagram that shows the course of temperature as a function of entropy in a steam cycle 1 illustrated.

3 ist eine schematische Darstellung eines Kalina-Kreisprozesses zur Abgaswärmenutzung. 3 is a schematic representation of a Kalina cycle process for waste heat recovery.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

In 1 ist ein allgemein mit 10 bezeichneter Clausius-Rankine-Kreisprozess illustriert. Der Dampfkreisprozess 10 umfasst eine Expansionsmaschine 14 und einen Wärmeübertrager 12. Der Wärmeübertrager 12 wird von der Abwärme eines Primärprozesses beaufschlagt. Solche Primärprozesse können Kraftwerke oder Fahrzeuge, wie Schienenfahrzeuge, Lastkraftwagen, Schiffe oder sonstige Maschinen sein, die Abwärme erzeugen. Der Kreisprozess umfasst weiterhin eine regelbare Speisewasserpumpe 16 und einen Kondensator 18.In 1 is a common with 10 designated Clausius-Rankine cycle illustrates. The steam cycle process 10 includes an expansion machine 14 and a heat exchanger 12 , The heat exchanger 12 is acted upon by the waste heat of a primary process. Such primary processes can be power plants or vehicles, such as rail vehicles, trucks, ships or other machines that produce waste heat. The cycle also includes a controllable feedwater pump 16 and a capacitor 18 ,

Der Wärmeübertrager 12 ist von Arbeitsmedium in Form von Speisewasser bzw. Speisewasserdampf durchflossen. Das Arbeitsmedium steht dabei unter einem erhöhten Druck, welcher von einer Pumpe 16 erzeugt wird. Dem Wasser oder Wasserdampf wird eine Wärmemenge ΦH aus der Abwärme zugeführt. Dadurch wird der Wasserdampf stark überhitzt, d.h. auf eine hohe Temperatur und ein höheres Druckniveau gebracht. Die innere Energie steigt. In einem Expander, zum Beispiel einem Kolbenexpander, Turbine oder dergleichen 14 wird der Wasserdampf entspannt. Dabei sinkt der Druck wieder auf ein niedrigeres Druckniveau. Bei dieser Entspannung wird Arbeit frei, die über eine Welle zum Beispiel an einem Generator für elektrische Energie nutzbar gemacht werden kann.The heat exchanger 12 is traversed by working fluid in the form of feedwater or feedwater vapor. The working fluid is under an increased pressure, which of a pump 16 is produced. The water or water vapor is a quantity of heat Φ H supplied from the waste heat. As a result, the water vapor is greatly overheated, that is brought to a high temperature and a higher pressure level. The inner energy increases. In an expander, for example a piston expander, turbine or the like 14 the steam is released. The pressure drops back to a lower pressure level. In this relaxation work is released, which can be harnessed via a shaft, for example, to a generator for electrical energy.

Der entspannte Wasserdampf wird dann einem Kondensator 18 zugeführt, in welchem er kondensiert wird, damit das Wasser für den Kreisprozess weiter zur Verfügung steht. Dabei wird die Wärmemenge Φc frei, die zum Beispiel für Wärmezwecke genutzt werden kann. Das kondensierte Wasser wird erneut der Pumpe 16 zugeführt.The relaxed water vapor then becomes a condenser 18 in which it is condensed, so that the water for the cycle continues to be available. In this case, the amount of heat Φ c is released, which can be used for example for heat purposes. The condensed water is returned to the pump 16 fed.

Der beschriebene Kreisprozess ist ein typischer Clausius-Rankine-Kreisprozess. Der Carnot-Wirkungsgrad (s.o.) wird durch die obere Temperatur To im Wärmeübertrager 12 und die untere Temperatur Tu im Kondensator 18 bestimmt. Die Temperaturdifferenz ist durch die Temperatur der Abwärme begrenzt, die üblicherweise weit unterhalb von Verbrennungstemperaturen liegt. Zur Erhöhung des Wirkungsgrads wird daher der durch die Pumpe 16 geförderte Massenstrom an die Kondensatortemperatur angepasst. Die Kondensatortemperatur wird über einen Messfühler ermittelt. Der Messwert wird durch eine schematisch dargestellte Regelschleife an die Motorsteuerung M der Speisewasserpumpe 16 gegeben. Diese regelt die Pumpleistung derart, dass ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird.The described cycle is a typical Rankine cycle. The Carnot efficiency (see above ) is determined by the upper temperature T o in the heat exchanger 12 and the lower temperature T u in the condenser 18 certainly. The temperature difference is limited by the temperature of the waste heat, which is usually far below combustion temperatures. To increase the efficiency is therefore due to the pump 16 promoted mass flow adapted to the condenser temperature. The condenser temperature is determined by a sensor. The measured value is transmitted to the engine control M of the feedwater pump by means of a control loop shown schematically 16 given. This regulates the pump power in such a way that an optimal efficiency is achieved.

In 2 sind die Auswirkungen der Regelung anhand eines T-S-Diagramms (Temperatur T, aufgetragen über die Entropie S) dargestellt.In 2 the effects of the control are shown on the basis of a TS diagram (temperature T, plotted on the entropy S).

Vor der Erwärmung ist das Arbeitsmedium flüssig und hat die Temperatur Tu. Dies entspricht dem mit A bezeichneten Zustand. Bei Erwärmung im Wärmeübertrager wird zunächst die Flüssigkeit erwärmt und nimmt Energie auf. Bei der Siedetemperatur PS beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen. Dies ist der Zustand B. Die Temperatur bleibt dabei zunächst konstant, bis das Arbeitsmedium vollständig in den gasförmigen Zustand übergegangen ist. Dieser Zustand ist in dem Diagramm mit C bezeichnet. Dem nun gasförmige Arbeitsmedium wird nun weiter Wärmeenergie zugeführt, was zu einem erneuten Temperaturanstieg führt. Wenn die Temperatur To der Abwärme erreicht ist, ist kein weiterer Wärmeübergang möglich. Der Zustand D ist erreicht. Das unter Druck stehende und heiße Gas wird in einem Expander auf den Zustand E entspannt und in dem Kondensator 18 gekühlt, bis es bei der niedrigen Temperatur wieder vollständig kondensiert ist. Der Zustand D wird auch durch den von der Pumpe 16 erzeugten Druck bestimmt. Unterhalb eines Schwellwerts ist eine Entspannung unabhängig von der Temperatur des Kondensators immer nur bis zur Grenze des Nassdampfgebiets möglich, die durch die Kurve 24 repräsentiert ist. Bei kleineren Temperaturen ist das Arbeitsmedium flüssig und leistet keine Arbeit mehr.Before heating, the working medium is liquid and has the temperature Tu. This corresponds to the state designated A. When heated in the heat exchanger, the liquid is first heated and absorbs energy. At the boiling temperature PS, the working medium begins to evaporate. This is state B. The temperature initially remains constant until the working medium has completely changed over to the gaseous state. This condition is indicated by C in the diagram. The now gaseous working fluid is now further heat energy supplied, resulting in a renewed increase in temperature. When the temperature T o of the waste heat is reached, no further heat transfer is possible. The state D is reached. The pressurized and hot gas is expanded in an expander to the state E and in the condenser 18 cooled until completely condensed again at the low temperature. State D is also affected by that of the pump 16 determined pressure generated. Below a threshold value, a relaxation independent of the temperature of the condenser is always possible only up to the limit of the wet steam area that passes through the curve 24 is represented. At lower temperatures, the working fluid is fluid and does not work anymore.

Wenn die Temperatur des Kondensators geringer wird, wird bei der vorliegenden Anordnung die Förderleistung der Pumpe 16 erhöht. Das hat zur Folge, dass das Arbeitsmedium auf einen energiereicheren Punkt D erwärmt wird. Man erkennt jedoch, dass eine Entspannung auf die niedrigere Temperatur Tu' (Zustand E') möglich ist und mehr nutzbare Arbeit geleistet wird. Diese Arbeit wird durch die schraffierte Fläche 26 repräsentiert. Der Wirkungsgrad wird erhöht. Durch die Regelung 22 kann die Förderleistung der Pumpe 16 immer optimal an die Kondensatortemperatur oder den zugehörigen, niedrigeren Druck angepasst werden.When the temperature of the condenser becomes lower, in the present arrangement, the capacity of the pump 16 elevated. This has to Fol ge that the working fluid is heated to a higher energy point D. However, it recognizes that a relaxation to the lower temperature T u '(state E') is possible and more usable work is done. This work is by the hatched area 26 represents. The efficiency is increased. By the scheme 22 can change the delivery rate of the pump 16 always optimally adapted to the condenser temperature or the associated, lower pressure.

Die Anordnung ist besonders dann sinnvoll, wenn der Kreisprozess in Maschinen eingesetzt wird, bei denen das Kühlmedium im Kondensator Temperaturschwankungen unterliegt. Das ist zum Beispiel bei luftgekühlten Fahrzeugen der Fall, da sich die Außenlufttemperatur mit der Jahres- und Tageszeit und der geographischen Lage ändert. Auch bei Schiffen ist dies der Fall, da sich die Wassertemperatur je nach Gewässer und Jahreszeit ändert. Der Wirkungsgrad kann so bei diesen Anwendungen wesentlich erhöht werden.The Arrangement is particularly useful when the cycle in Machinery is used, in which the cooling medium in the condenser temperature fluctuations subject. This is the case, for example, with air-cooled vehicles. because the outside air temperature changes with the year and time of day and the geographical location. Also This is the case with ships, as the water temperature varies according to waters and season changes. The efficiency can be significantly increased in these applications.

In 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine Regelschleife in einen Kalina-Kreisprozess integriert ist. Der Kreisprozess ist zum Beispiel in einem Motors für Personenkraftwagen integriert.In 3 an embodiment is shown in which a control loop is integrated into a Kalina cycle. The cycle is integrated, for example, in an engine for passenger cars.

Der Dieselmotor ist allgemein mit 110 bezeichnet. Der Dieselmotor 110 treibt eine Antriebswelle 112 an. Die Funktionsweise eines Dieselmotors ist übliche Technik und braucht daher nicht näher erläutert werden. Der Dieselmotor 110 arbeitet in einem typischen Leistungsbereich von 100 kW. Er erzeugt Abwärme im Bereich von 250 kW. Die entstehende Abwärme wird einerseits über ein erstes Kühlsystem 114 bzw. 116 an Kühlwasser abgegeben. Andererseits wird heißes Abgas erzeugt, wovon ein Teilstrom zur Vermeidung von Emissionsbildung über eine Abgasrückführung 118 dem Motor erneut zugeführt wird. Dies ist durch eine gestrichelte Linie 120 repräsentiert.The diesel engine is common with 110 designated. The diesel engine 110 drives a drive shaft 112 at. The operation of a diesel engine is common technique and therefore need not be explained in more detail. The diesel engine 110 works in a typical power range of 100 kW. It generates waste heat in the range of 250 kW. The resulting waste heat is on the one hand via a first cooling system 114 respectively. 116 delivered to cooling water. On the other hand, hot exhaust gas is generated, of which a partial flow to avoid emission via an exhaust gas recirculation 118 the motor is supplied again. This is indicated by a dashed line 120 represents.

Die soweit beschriebenen Komponenten sind bekannte Komponenten eines Motor-Antriebssystems. Im Gegensatz zu herkömmlichen Antriebssystemen wird nun der Kühlkreislauf 114 bzw. 116 von einem weiteren Kreislauf gekühlt. In diesem Kreislauf wird eine Mehrkomponentenlösung als Arbeitsfluid mit einer Pumpe 128 auf einem erhöhten Druckniveau von etwa 15 bar umgepumpt. Das Arbeitsfluid besteht im vorliegenden Fall aus einer Trägersubstanz, nämlich Wasser, in die ein Gas, nämlich Ammoniak gelöst ist. Das Massenverhältnis Wasser:Ammoniak beträgt 65:35.The components described so far are known components of a motor drive system. In contrast to conventional drive systems now the cooling circuit 114 respectively. 116 cooled by another circuit. In this cycle is a multi-component solution as working fluid with a pump 128 pumped at an elevated pressure level of about 15 bar. The working fluid in the present case consists of a carrier substance, namely water, in which a gas, namely ammonia, is dissolved. The mass ratio water: ammonia is 65:35.

Die wässrige Ammoniaklösung nimmt zunächst von dem mit etwa 90°C betriebenen Kühlkreislauf des Motors Wärme über einen Plattenwärmetauscher 132 auf. In diesem Plattenwärmetauscher wird der erste Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 110 gekühlt. Das ca.90°C heiße Kühlwasser 114 wird dabei auf etwa 83°C gekühlt. Das Arbeitsfluid erwärmt sich bei diesem Wärmeübergang auf annähernd 90°C. Dadurch wird ein Teil des gelösten Ammoniak-Gases verdampft. Die Wärmeaufnahme des Arbeitsfluids ist infolge des teilweisen Verdampfen des Ammoniaks aus dem Arbeitsfluid derart groß, das mit kleinen Volumenströmen die gesamte anfallende Abwärme des Kühlsystems in das Arbeitsfluid übertragen werden kann.The aqueous ammonia solution first takes heat from the engine's cooling circuit, which is operated at about 90 ° C., via a plate heat exchanger 132 on. In this plate heat exchanger, the first cooling circuit of the internal combustion engine 110 cooled. The approx. 90 ° C hot cooling water 114 is cooled to about 83 ° C. The working fluid heats up to approximately 90 ° C during this heat transfer. As a result, a part of the dissolved ammonia gas is evaporated. The heat absorption of the working fluid is so large due to the partial evaporation of the ammonia from the working fluid that can be transferred with small volume flows, the entire accumulating waste heat of the cooling system in the working fluid.

Bei einem zweiten Wärmeübergang wird dem Arbeitsfluid die Wärme des Abgases der Abgasrückführung 118 zugeführt. Der Wärmeübergang liegt im Bereich von 17 kW. Die Temperatur des rückgeführten Abgases sinkt dabei erheblich, so dass auch durch diese Maßnahme die Spitzentemperatur der Verbrennung im Verbrennungsmotor und damit die Stickoxid-Emissionen gesenkt werden. Die mittlere Temperatur des Arbeitsfluids liegt dann bei etwa 110°C.In a second heat transfer, the working fluid is the heat of the exhaust gas of the exhaust gas recirculation 118 fed. The heat transfer is in the range of 17 kW. The temperature of the recirculated exhaust gas drops significantly, so that the peak temperature of the combustion in the internal combustion engine and thus the nitrogen oxide emissions are reduced by this measure. The mean temperature of the working fluid is then about 110 ° C.

In einem dritten Wärmetauscher wird nun ein der Teil der Abgaswärme auf das Arbeitsfluid übertragen, der die gewünschte Endtemperatur des Arbeitsfluids herbeiführt. Die Temperatur des Arbeitsfluids erreicht dann 150°C und ein Großteil des ursprünglich im Wasser gelösten Ammoniaks ist ausgedampft.In a third heat exchanger now becomes one of the part of the exhaust heat transferred to the working fluid, the one you want End temperature of the working fluid causes. The temperature of the working fluid is reached then 150 ° C and much of it of the original dissolved in water Ammonia has evaporated.

In einem Phasentrenner 134 wird anschließend die flüssige Phase des Arbeitsfluids, im wesentlichen Wasser, von der Gasphase – überwiegend Ammoniak – getrennt. Das flüssige Wasser wird problemlos mit 150° auf ein niedrigeres Druckniveau von etwa 2 bar gebracht und direkt einem z.B. luftgekühlten Kühler zugeführt. Das unter einem Druck von 15 bar stehende Gas wird einer Expansionsmaschine 138, z.B. einer Rotationskolbenmaschine, Kolbenmaschine, Schraubenmaschine oder einer Turbine zugeführt und dort auf einen Druck von 2 bar entspannt. Die dabei frei werdende, nutzbare Arbeit liegt im Bereich von bis zu 10 kW und kann der Welle 112 zugeführt werden. Bei der Entspannung wird nicht nur das Druckniveau, sondern auch die Temperatur dieser Komponente des Arbeitsfluids gesenkt. Das kalte Arbeitsfluid wird dann ebenfalls dem Kühler zugeführt. Dort löst es sich in dem heißen Trägermedium, wobei u.U. Lösungswärme frei wird. Von dem Kühler aus wird das gekühlte Arbeitsfluid über die Pumpe 128 wieder dem Kreislauf zugeführt wird. Der Kühler kann auch zeiteilig ausgeführt werden, da die Vorgänge „Mischen„ bzw. „Kühlen„ des Arbeitsfluids unterschiedliche Anforderungen an die Bauteilauslegung stellen. So kann z.B. eine Mischstrecke unterhalb des Kühlers angeordnet sein um eine möglichst gute Mischung der Arbeitsfluidströme zu erreichen und um sie dann möglichst gut vermischt dem Kühler 136 zuzuführen.In a phase separator 134 Then, the liquid phase of the working fluid, essentially water, from the gas phase - mainly ammonia - separated. The liquid water is easily brought at 150 ° to a lower pressure level of about 2 bar and fed directly to eg an air-cooled cooler. The gas under a pressure of 15 bar becomes an expansion machine 138 , For example, a rotary piston machine, piston machine, screw machine or a turbine supplied and there relaxed to a pressure of 2 bar. The resulting work that can be freed up is in the range of up to 10 kW and can be used by the shaft 112 be supplied. In the relaxation not only the pressure level, but also the temperature of this component of the working fluid is lowered. The cold working fluid is then also supplied to the radiator. There, it dissolves in the hot carrier medium, which may heat up the solution. From the radiator, the cooled working fluid is transferred via the pump 128 is returned to the circuit. The cooler can also be carried out in a timely manner, since the operations "mixing" and "cooling" of the working fluid make different demands on the component design. Thus, for example, a mixing section can be arranged below the cooler in order to achieve the best possible mixing of the working fluid streams and to then mix them as well as possible with the cooler 136 supply.

Die von dem Kühlsystem 136 aufzubringende Kühlleistung ist trotz der Wärmeaufnahme aus dem Abgas gegenüber einem konventionellen Antriebssystem, das ohne den zweiten Kreislauf arbeitet, ähnlich.The of the cooling system 136 applied cooling power is similar despite the heat absorption from the exhaust gas compared to a conventional drive system that operates without the second circuit.

Die hier beispielhaft genannten Werte für die Leistung des Verbrennungsmotors und die Wärmeübergänge können selbstverständlich an die verschiedenen Anwendungsfälle angepasst werden. So können weitere Wärmequellen, wie etwa eine Ölkühlung, eine Ladeluftkühlung oder dergleichen, in den zweiten Kreislauf integriert werden. Es können auch Lösungen mit anderen und/oder weiteren Komponenten verwendet werden, die in Art und Anteil an die jeweiligen Wärmequellen angepasst sind. Ziel ist es dabei, einen möglichst guten Wärmeübergang und eine hohe Aufnahme an Verdampfungsenthalpie zu ermöglichen. Dadurch können alle Komponenten kompakt ausgebildet werden. Die Antriebsleistung wird erhöht. Der Wirkungsgrad des gesamten Antriebs wird ebenfalls erhöht. Dadurch reduziert sich bei gleicher benötigter Gesamtleistung der Schadstoffausstoß.The here exemplified values for the performance of the internal combustion engine and the heat transfers can of course the different use cases be adjusted. So can additional heat sources, like oil cooling, a Intercooling or the like, are integrated into the second cycle. It can also solutions used with other and / or other components that are adapted in nature and proportion of the respective heat sources. The goal is to get one as possible good heat transfer and to allow a high absorption of enthalpy of vaporization. Thereby can All components are made compact. The drive power is elevated. The efficiency of the entire drive is also increased. Thereby reduces with the same required Total output of pollutant emissions.

Die thermodynamisch mittlere Temperatur des vom Fahrtwind gekühlten Kühlers liegt bei etwa 110°C und ist damit höher, als bei gewöhnlichen Kühlkreisläufen mit etwa 90°C. Dies führt zu einer Verringerung der erforderlichen Kühlfläche. Dadurch kann die Baugröße des Kühlers reduziert werden. Durch die Verwendung einer Komponente mit niedrigen Siedepunkt (Ammoniak) ist die höchste Temperatur mit etwa 150°C niedriger, als dies bei bekannten Einstoff-Systemen wie z.B. Wasser der Fall ist. Diese müssen bei etwa 500°C arbeiten, um einen ausreichenden Wirkungsgrad zu erreichen. Durch die niedrigere untere Temperatur von bis zu 10°C ist die minimale Temperatur des Kreisprozesses erheblich niedriger als bei einem im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Einstoff System. Zum Vergleich: Ein mit Wasser arbeitendes Einstoff-System hat beispielsweise eine niedrigste Temperatur von 100°C bei 1 bar. Durch diese geringere unterste Temperatur wird ein guter thermischer Wirkungsgrad erreicht.The thermodynamic mean temperature of the cooled by the wind chiller at about 110 ° C and is higher, as with ordinary cooling circuits with about 90 ° C. this leads to to a reduction of the required cooling surface. This can reduce the size of the radiator become. By using a low boiling point component (Ammonia) is the highest Temperature with about 150 ° C lower than in known single-component systems, such as e.g. water the case is. These must at about 500 ° C work to achieve sufficient efficiency. By the lower lower temperature of up to 10 ° C is the minimum temperature the cycle significantly lower than in the first embodiment described one-substance system. For comparison: A working with water Single-fluid system For example, has a lowest temperature of 100 ° C at 1 bar. This lower lowest temperature becomes a good thermal Efficiency achieved.

Der Wirkungsgrad wird nun weiter verbessert, indem auf die oben beschriebene Weise eine Regelung der Pumpe 128 in Abhängigkeit vom Druck im Kühler 136 erfolgt. Ein Drucksensor 138 ermittelt den Druck bei dem das Arbeitsmittel kondensiert. Über eine Regelung 140 wird dann die Pumpe 128 gesteuert. Wie bei Einstoff-Systemen kann eine erhebliche Erhöhung des mittleren Wirkungsgrads erreicht werden, wenn das Kühlmittel im Kühler Temperaturschwankungen unterliegt.The efficiency is now further improved by, in the manner described above, a control of the pump 128 depending on the pressure in the radiator 136 he follows. A pressure sensor 138 determines the pressure at which the working fluid condenses. About a scheme 140 then becomes the pump 128 controlled. As with single-component systems, a significant increase in the average efficiency can be achieved if the coolant in the cooler is subject to temperature fluctuations.

Claims (3)

Dampfkreisprozess enthaltend (a) eine Speisewasserpumpe (16; 128) zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in einem in dem Dampfkreisprozess (10; 110) verwendeten Arbeitsmedium, (b) einen Wärmeübertrager (12; 132), zur Übertragung von Abwärme aus einem Primärprozess auf das Arbeitsmedium, (c) einen Expander (14; 138) zum Expandieren des Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung, und (d) einen Kondensator (18; 136) zum Kondensieren des Arbeitsmediums, dadurch gekennzeichnet, dass (e) Mittel (20, 138) zum Erfassen des Drucks oder der Temperatur am Kondensator vorgesehen sind, und (f) eine Regelschleife (22; 140) vorgesehen ist, mit der die Speisewasserpumpe mit den so erfassten Druck- oder Temperaturwerten als Führungsgröße auf einen Druck regelbar ist, bei dem die Expanderleistung maximal ist.Steam cycle process comprising (a) a feed water pump ( 16 ; 128 ) for generating an increased pressure in one in the steam cycle ( 10 ; 110 ) used working medium, (b) a heat exchanger ( 12 ; 132 ), for the transfer of waste heat from a primary process to the working medium, (c) an expander ( 14 ; 138 ) for expanding the working fluid under working power, and (d) a condenser ( 18 ; 136 ) for condensing the working medium, characterized in that (e) means ( 20 . 138 ) are provided for detecting the pressure or the temperature at the capacitor, and (f) a control loop ( 22 ; 140 ) is provided, with which the feedwater pump is controlled with the pressure or temperature values detected as a reference variable to a pressure at which the Expanderleistung is maximum. Dampfkreisprozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid wenigstens zwei Komponenten unterschiedlicher Siedepunkte umfasst, und ein Phasentrenner (134) zum Trennen der Komponenten zwischen dem Wärmetauscher (132) und dem Expander (138) vorgesehen ist, so dass nur der gasförmige Anteil des Arbeitsfluids dem Expander zugeführt wird.Steam cycle process according to claim 1, characterized in that the working fluid comprises at least two components of different boiling points, and a phase separator ( 134 ) for separating the components between the heat exchanger ( 132 ) and the expander ( 138 ) is provided, so that only the gaseous portion of the working fluid is supplied to the expander. Verfahren zum Regeln eines Dampfkreisprozesses nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem (a) ein Arbeitsmedium auf einen erhöhten Druck gebracht wird; (b) Wärmeenergie auf das übertragen wird, (c) das Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung expandiert wird, und (d) das Arbeitsmedium wieder kondensiert wird; dadurch gekennzeichnet, dass (e) ein den Druck oder die Temperatur repräsentierender Wert des Arbeitsmediums nach dem kondensieren erfasst wird und (f) der erhöhte Druck, auf den das Arbeitsmedium gebracht wird, mit dem so erfassten Messwert als Führungsgröße auf eine maximale Arbeitsleistung geregelt wird.Method for regulating a steam cycle process one of the preceding claims, in which (a) bringing a working fluid to an elevated pressure; (B) Thermal energy transferred to that becomes, (c) the working medium expands under work performance will, and (d) the working medium is recondensed; thereby marked that (e) the pressure or the temperature representing Value of the working fluid after condensing is detected and (F) the increased Pressure on which the working medium is brought, with the thus detected Measured value as a reference variable to one maximum work performance is regulated.
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