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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Dampfkreisprozess enthaltend
- (a) eine Speisewasserpumpe zur Erzeugung eines erhöhten Drucks
in einem in dem Dampfkreisprozess verwendeten Arbeitsmedium,
- (b) eine Wärmeübertrageranordnung
zur Übertragung
von Wärme
und/oder Abwärme
aus auf das Arbeitsmedium, so dass das Arbeitsmedium von einem niedrigeren
Temperaturniveau auf ein höheres
Temperaturniveau erwärmt
wird, und
- (c) einen Expander zum Expandieren des Arbeitsmediums unter
Arbeitsleistung,
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Solche
Dampfkreisprozesse dienen der Erzeugung von Arbeit aus Wärmeenergie.
Die Arbeit kann zum Beispiel an einer Welle verrichtet werden, mit
der Maschinen oder Kraftfahrzeuge angetrieben werden. Sie kann aber
auch zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines Generators
dienen.
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Stand der Technik
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Unter
dem Begriff „Clausius-Rankine-Dampfkreisprozess„ ist ein
Kreisprozess bekannt bei dem ein externer Brenner Wärme erzeugt.
Die Wärme
wird in einem Wärmeübertrager
auf ein Arbeitsmedium, üblicherweise
Wasser, übertragen. Das
Arbeitsmedium wird mit einer Speisewasserpumpe in dem Kreislauf
umgepumpt. In einem Expander, etwa einem Kolbenexpander, wird das
Wasser entspannt. Dabei wird eine Welle angetrieben. In einem Kondensator
kondensiert das Wasser und steht erneut zur Wärmeaufnahme zur Verfügung.
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Übliche Arbeitsmedien
sind Wasser oder wässrige
Lösungen.
Ein Kalina-Prozess ist ein Kreislauf, bei dem das Arbeitsmedium
aus mehreren Komponenten, insbesondere auch organischen Komponenten
besteht. Wichtig ist bei allen Kreisläufen, dass das Arbeitsmedium
sich nicht zersetzt und den Umgebungsbedingungen genügt. Diese
Umgebungsbedingungen sind unter anderem das maximale obere und das
minimale untere Temperaturniveau. Wasser ist als Arbeitsmedium nicht
für alle
Umgebungsbedingungen geeignet, zum Beispiel da es bei niedrigen Temperaturen
gefriert.
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Der
Wirkungsgrad eines Kreisprozesses steigt mit der Differenz zwischen
dem oberen und dem unteren Temperaturniveau. Es ist deshalb ein hohes
oberes und ein niedriges unteres Temperaturniveau zur Erreichung
eines hohen Wirkungsgrades erstrebenswert.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung einen Kreisprozess mit einem alternativen
Arbeitsmedium zu finden, dass für
andere Umgebungsbedingungen geeignet ist und eine Erhöhung des
Wirkungsgrads erlaubt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
das Arbeitsmedium ein C1 bis C4 Alkohol ist
und das höhere
Temperaturniveau oberhalb von 170°C
liegt.
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Die
Verwendung von Alkoholen mit niedrigem Schmelzpunkt erlaubt die
Verwendung auch bei Temperaturen unterhalb von 0°C, also unterhalb des Gefrierpunkts
von Wasser. Durch die ebenfalls niedrige Verdampfungstemperatur
kann mit Alkoholen eine Verdampfung bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen,
zum Beispiel in Kühlwasser,
erreicht werden. Die Verwendung von Alkoholen oder Alkoholgemischen
auch bei Temperaturen oberhalb von 170° schafft damit einen besonders
guten Wirkungsgrad der Anordnung. Die Erfindung basiert auf der überraschenden
Erkenntnis, dass niederkettige Alkohole auch oberhalb von 170° für die Anwendung
in einem Dampfkreisprozess ausreichend stabil sind. Es ist also
möglich
zum Beispiel Kühlwasserwärme bei leicht
angehobener Kühlwassertempertur
von 110°C durch
Verdampfung des Arbeitsmediums vollständig aufzunehmen. Das Arbeitsmedium
kann dennoch im Abgas auf dort herrschende hohe Abgastemperaturen
von zum Beispiel 400°C überhitzt
werden.
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Der
Carnot'sche Wirkungsgrad
ist: ηC = 1 – Tu/To mit To = oberes Temperaturniveau und Tu = unteres Temperaturniveau. Bei einem oberen
Temperaturniveau von 170°C
und einem unteren Temperaturniveau von 110°C liegt der Wirkungsgrad bei
13,5%, bei einer Erhöhung
des oberen Temperaturniveaus auf z.B. 400°C hingegen bei 44%. Dies ist
eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads.
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Der
Dampfkreisprozess kann ein Kalinaprozess, ein Clausius-Rankine-Prozess
oder jeder andere geeignete Dampfkreisprozess sein. Vorzugsweise
umfasst die Wärmeübertrageranordnung
Mittel zur Abgaswärmenutzung
eines primären
Verbrennungsprozesses. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
umfasst die Wärmeübertrageranordnung zusätzlich Mittel
zur Nutzung der Abwärme
eines Kühlkreislaufs.
Die Wärmeübertrageranordnung kann
auch weitere Wärmequellen
zum Vorwärmen des
Arbeitsmediums nutzen. Dies ermöglicht
eine hohe Prozesstemperatur bei geringem Bedarf an Kraftstoffen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Arbeitsmedium
mit einem Schmiermittel versetzt.
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Das
Arbeitsmedium kann zusätzlich
zu dem Alkohol auch Wasser und/oder Methylpyridin enthalten. Wasser
und Methylpyridin bilden ein Azeotrop mit einem eigenen Verdampfungspunkt.
In diesem Azeotrop lösen
sich polare und unpolare Stoffe, insbesondere auch Schmiermittel.
Der Einsatz von Alkohol und Methylpyridin dient unter anderem dem Frostschutz.
Alkohol verdampft bei einer niedrigeren Temperatur als das Azeotrop
Wasser/Methylpyridin. Er kann zur Aufnahme der Kühlwasserwärme im Niedertemperaturbereich
verwendet werden. Das Wasser/Methylpyridin-Azeotrop hat einen höheren Verdampfungspunkt
und eignet sich besonders zur Aufnahme der Abgaswärme oder
anderer Wärmequellen
im oberen Temperaturbereich.
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Weiterhin
kann ein Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums vorgesehen
sein. Alternativ ist der Dampfkreisprozess als offener Prozess ausgelegt,
wie dies zum Beispiel in der chemischen Industrie der Fall sein
kann.
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Von
den als Arbeitsmedium verwendeten Alkoholen werden Ethanol und noch
mehr Methanol als Alkohol bevorzugt.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird dem Arbeitsmedium ein Schmiermittel
hinzugefügt bei
dem die Kondensationstemperatur des Schmiermittels oberhalb der
Dampfaustrittstemperatur liegt. Dann wird das Schmiermittel mit
verdampft und kondensiert im bei der Entspannung im Expander als erstes
aus. Der Expander kann auf diese Weise ohne separaten Ölkreislauf
geschmiert werden.
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Ein
Teil des Abdampfes kann in das Kurbelgehäuse des Expanders leitbar sein.
Dann wird der Kurbeltrieb durch das auskondensierende Schmiermittel
geschmiert. Durch eine Verbindung mit dem Kondensator kann das übrige Schmiermittel
anschließend
wieder dem Kreislauf zugeführt
werden. Ausgestaltungen der Erfindungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein
Ausführungsbeispiel
ist nachstehend unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch einen Dampfkreisprozess, der mit Methanol als Arbeitsmedium
arbeitet.
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2 zeigt
schematisch einen Kalina-Prozess, der mit einer Ethanol:Alkohol-Mischung als Arbeitsmedium
arbeitet
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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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. Alternativ wird der Wärmeübertrager
vom Abgas eines eigens für
diesen Zweck vorgesehenen externen Brenners beaufschlagt. Der Kreisprozess
umfasst weiterhin eine Speisewasserpumpe 16 und einen Kondensator 18.
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Der
Wärmeübertrager 12 ist
von Arbeitsmedium in Form von Methanol bzw. Methanoldampf durchflossen.
Dem Methanol ist ferner ein Schmiermittel beigefügt. Das Arbeitsmedium steht
dabei unter einem erhöhten
Druck, welcher von einer Pumpe 16 erzeugt wird. Dem Methanol
oder Methanoldampf wird eine Wärmemenge ΦH aus der Abwärme zugeführt. Dadurch wird der Dampf
stark überhitzt,
d.h. auf eine hohe Temperatur bei ca. 400°C und ein höheres Druckniveau von etwa
4 bar gebracht. Die innere Energie steigt.
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In
einem Expander, zum Beispiel einem Kolbenexpander, Turbine oder
dergleichen 14 wird der Methanoldampf 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.
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Der
entspannte Methanoldampf wird dann einem Kondensator 18 zugeführt, in
welchem er kondensiert wird, damit das Methanol für den Kreisprozess
weiter zur Verfügung
steht. Dabei wird die Wärmemenge Φc frei, die zum Beispiel für Wärmezwecke genutzt
werden kann. Das kondensierte Methanol wird erneut der Pumpe 16 zugeführt.
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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.
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Vor
der Erwärmung
ist das Methanol flüssig und
hat die Temperatur Tu. Bei Erwärmung im
Wärmeübertrager
wird zunächst
die Flüssigkeit
erwärmt und
nimmt Energie auf. Bei der Siedetemperatur beginnt das Arbeitsmedium
zu verdampfen. Die Temperatur bleibt dabei zunächst konstant, bis das Arbeitsmedium
vollständig
in den gasförmigen
Zustand übergegangen
ist. 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. Das unter Druck stehende
und heiße
Gas wird in einem Expander entspannt und in dem Kondensator 18 gekühlt, bis
es bei der niedrigen Temperatur wieder vollständig kondensiert ist.
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Durch
die Verwendung von Methanol ist es möglich, die eine niedrige Verdampfungstemperatur bei
ausreichendem Druck zu erreichen.
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In 2 ist
ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem ein Kalina-artiger Kreisprozess verwendet wird.
Der Kreisprozess ist zum Beispiel in einem Motors für Personenkraftwagen
integriert.
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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. In dem Dieselmotor wird Abwärme erzeugt, die einerseits über ein
erstes Kühlsystem 114 bzw. 116 an
Kühlwasser
abgegeben wird. 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.
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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 4 bar umgepumpt. Das Arbeitsfluid besteht im vorliegenden
Fall aus einer Trägersubstanz,
nämlich
Wasser, in die Alkohol gelöst ist.
Das Massenverhältnis
Ethanol:Wasser ist abhängig
von den Wärmeströmen Kühlwasser-Abgas und liegt bei
Dieselmotoren im Bereich von 40:60.
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Die
Wasser-Alkohol-Lösung
nimmt zunächst von
dem mit etwa 110°C
betriebenen Kühlkreislauf des
Motors Wärme über einen
Plattenwärmetauscher 132 auf.
In diesem Plattenwärmetauscher
wird der erste Kühlkreislauf
des Verbrennungsmotors 110 gekühlt.
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Das
ca. 110°C
heiße
Kühlwasser 114 wird dabei
auf etwa 105°C
gekühlt.
Das Arbeitsfluid erwärmt
sich bei diesem Wärmeübergang
auf annähernd
110°C. Dadurch
wird ein großer
Teil des gelösten
Alkohols verdampft. Die Wärmeaufnahme
des Arbeitsfluids ist infolge des Verdampfen des Alkohols aus dem
Arbeitsfluid derart groß,
das mit kleinen Volumenströmen
die gesamte anfallende Abwärme
des Kühlsystems
in das Arbeitsfluid übertragen
werden kann.
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In
einem zweiten Wärmetauscher
wird nun ein der Teil der Abgaswärme
auf das Arbeitsfluid übertragen,
der die gewünschte
Endtemperatur des Arbeitsfluids herbeiführt. Die Temperatur des gesamten
Arbeitsfluids mit beiden Komponenten erreicht dann etwa 400°C und das
gesamte Arbeitsmedium ist verdampft und überhitzt. Ein Phasentrenner
ist im Gegensatz zu einem reinen Kalina-Prozess nicht erforderlich.
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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 z.B. 0,5 bar entspannt. Die dabei frei
werdende, nutzbare Arbeit kann der Welle 112 zugeführt werden.
Anschließend
wird der Abdampf im Kondensator 136 kondensiert und über die
Pumpe 128 wieder dem Kreislauf zugeführt.
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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.
Die Verwendung von Ethanol erlaubt eine besonders niedrige Verdampfungstemperatur
und daher einen höheren
Wirkungsgrad.