DE102006052906A1 - Working medium for steam cycle processes - Google Patents
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Abstract
Dampfkreisprozess, enthaltend eine Speisewasserpumpe zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in einem in dem Dampfkreisprozess verwendeten Arbeitsmedium, eine Wärmeübertrageranordnung zur Übertragung von Wärme und/oder Abwärme auf das Arbeitsmedium, so dass das Arbeitsmedium von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau erwärmt wird, und einen Expander zum Expandieren des Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium ein C<SUB>1</SUB>- bis C<SUB>4</SUB>-Alkohol oder ein Gemisch aus Wasser und/oder mehreren dieser Alkohole ist und das höhere Temperaturniveau oberhalb von 170°C liegt.Steam cycle process comprising a feedwater pump for generating an elevated pressure in a working medium used in the steam cycle, a heat transfer arrangement for transferring heat and / or waste heat to the working medium so that the working medium is heated from a low temperature level to a higher temperature level, and an expander for expanding the working fluid under working performance, is characterized in that the working medium is a C <SUB> 1 </ SUB> to C <SUB> 4 </ SUB> alcohol or a mixture of water and / or more of these alcohols, and the higher temperature level is above 170 ° C.
Description
Technisches GebietTechnical area
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,
- (a) a feedwater pump for generating an elevated pressure in a working medium used in the steam cycle process,
- (B) a heat exchanger assembly for the transfer of heat and / or waste heat from the working medium, so that the working fluid is heated from a lower temperature level to a higher temperature level, and
- (c) an expander for expanding the working fluid under working power,
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.Such Steam cycle processes serve to generate work from heat energy. The work can be done, for example, on a wave, with the machinery or motor vehicles are driven. But she can also for the generation of electrical energy by means of a generator serve.
Stand der TechnikState of the art
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.Under The term "Clausius Rankine steam cycle" is a Circular process known in which an external burner generates heat. The heat is in a heat exchanger on a working medium, usually Water, transfer. The Working fluid is in the circuit with a feedwater pump circulated. In an expander, such as a piston expander, that will Water relaxes. In this case, a shaft is driven. In a condenser condenses the water and is available again for heat absorption.
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.Usual working media are water or watery Solutions. A Kalina process is a cycle in which the working medium from several components, especially organic components consists. It is important for all circuits that the working medium does not decompose and meets the environmental conditions. These Ambient conditions include the maximum upper and lower limits minimum lower temperature level. Water is not as a working medium for all Environmentally suitable, for example because it is at low temperatures freezes.
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.Of the Efficiency of a cycle increases with the difference between the upper and the lower temperature level. It is therefore a high one upper and a lower lower temperature level to achieve a high degree of efficiency desirable.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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.It is an object of the invention to find a cycle with an alternative working medium that is suitable for other environmental conditions and allows an increase in the efficiency. According to the invention the object is achieved in that the working medium is a C 1 to C 4 alcohol and the higher temperature level is above 170 ° C.
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.The Use of low melting point alcohols allows the Use even at temperatures below 0 ° C, ie below freezing of water. Due to the low evaporation temperature can evaporate with alcohols at comparatively low temperatures, for example in cooling water, be achieved. The use of alcohols or alcohol mixtures even at temperatures above 170 ° creates a special good efficiency of the arrangement. The invention is based on the surprising Recognition that low-chain alcohols are also above 170 ° for the application are sufficiently stable in a steam cycle. So it is possible for example, cooling water heat at light raised cooling water temperature from 110 ° C through Completely absorb evaporation of the working medium. The working medium can still in the exhaust gas to prevailing high exhaust gas temperatures of for example 400 ° C overheated become.
Der
Carnot'sche Wirkungsgrad
ist:
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.Of the Steam cycle process can be a Kalina process, a Clausius Rankine process or any other suitable steam cycle process. Preferably includes the heat exchanger assembly Means for exhaust heat utilization a primary Combustion process. In a further embodiment of the invention the heat exchanger arrangement additionally comprises means to use the waste heat a cooling circuit. The heat exchanger arrangement can also other heat sources to preheat the Use working medium. this makes possible a high process temperature with low fuel requirements.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Arbeitsmedium mit einem Schmiermittel versetzt.In a preferred embodiment of the invention, the working fluid with a lubricating tel.
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.The Working medium can additionally to the alcohol also contain water and / or methylpyridine. water and methylpyridine form an azeotrope with its own vaporization point. Solve in this azeotrope polar and non-polar substances, in particular also lubricants. The use of alcohol and methylpyridine serves among other things to protect against freezing. Alcohol evaporates at a lower temperature than the azeotrope Water / methyl pyridine. It can absorb the cooling water heat in the low temperature range be used. The water / methylpyridine azeotrope has a higher evaporation point and is particularly suitable for absorbing the exhaust heat or other heat sources in the upper temperature range.
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.Farther For example, a condenser may be provided to condense the working fluid be. Alternatively, the steam cycle is designed as an open process, as is the case for example in the chemical industry can.
Von den als Arbeitsmedium verwendeten Alkoholen werden Ethanol und noch mehr Methanol als Alkohol bevorzugt.From The alcohols used as the working medium are ethanol and still more methanol is preferred than alcohol.
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.In In one embodiment of the invention, the working fluid is a lubricant added at the condensation temperature of the lubricant above the Steam outlet temperature is. Then the lubricant is with evaporates and condenses in the expansion in the expander first out. The expander can work this way without a separate oil circuit be lubricated.
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.One Part of the exhaust steam can be conducted into the crankcase of the expander. Then the crank mechanism by the auskondensierende lubricant lubricated. By connecting to the condenser, the remaining lubricant can subsequently returned to the circuit become. Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. One embodiment is explained below with reference to the accompanying drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
In
Der
Wärmeübertrager
In
einem Expander, zum Beispiel einem Kolbenexpander, Turbine oder
dergleichen
Der
entspannte Methanoldampf wird dann einem Kondensator
Der
beschriebene Kreisprozess ist ein typischer Clausius-Rankine-Kreisprozess.
Der Carnot-Wirkungsgrad (s.o.) wird durch die obere Temperatur To im Wärmeübertrager
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
Durch die Verwendung von Methanol ist es möglich, die eine niedrige Verdampfungstemperatur bei ausreichendem Druck zu erreichen.By The use of methanol makes it possible to use a low evaporation temperature to achieve sufficient pressure.
In
Der
Dieselmotor ist allgemein mit
Die
soweit beschriebenen Komponenten sind bekannte Komponenten eines
Motor-Antriebssystems.
Im Gegensatz zu herkömmlichen
Antriebssystemen wird nun der Kühlkreislauf
Die
Wasser-Alkohol-Lösung
nimmt zunächst von
dem mit etwa 110°C
betriebenen Kühlkreislauf des
Motors Wärme über einen
Plattenwärmetauscher
Das
ca. 110°C
heiße
Kühlwasser
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.In a second 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 whole Working fluid with both components then reaches about 400 ° C and that entire working medium has evaporated and overheated. A phase separator is not required in contrast to a pure Kalina process.
Das
unter einem Druck von 15 bar stehende Gas wird einer Expansionsmaschine
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.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. The use of ethanol allows a particularly low evaporation temperature and therefore a higher one Efficiency.
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