DE102007043373A1 - Verdampfer für eine Dampfkreisprozessvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für eine Dampfkreisprozessvorrichtung, umfassend - ein Gehäuse; - eine Heiz-Kanalstruktur für ein flüssiges oder gasförmiges Heizmedium zum Erhitzen des Verdampfers; - ein Einlassreservoir, das in Verbindung mit einem Flüssigkeitseinlass für das Arbeitsmittel der Dampfkreisprozessvorrichtung steht, wobei das Einlassreservoir eine ionische Flüssigkeit enthält, die einen Schmelzpunkt unterhalb des Gefrierpunkts des Arbeitsmittels und eine Zersetzungstemperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels aufweist; - Verdampfungskanäle, die die Heiz-Kanalstruktur durchqueren und die jeweils an einem Ende mit dem Einlassreservoir in fluidischer Verbindung stehen und jeweils am anderen Ende in eine Dampfsammelleitung münden, die oberhalb des Einlassreservoirs angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für eine Dampfkreisprozessvorrichtung sowie ein Verfahren für dessen Betrieb, insbesondere zur Abwärmenutzung von Verbrennungskraftmaschinen.
  • Verdampfer für Dampfkreisprozessvorrichtungen dienen der Zuführung thermischer Energie zu einem flüssigen, unter Druck stehenden Arbeitsmittel, um dieses in die Dampfphase zu überführen. Nachfolgend wird der Dampf des Arbeitsmittels in einem Expander unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt und kondensiert anschließend in einem Kondensator auf einem niedrigeren Temperaturniveau, wobei das sodann verflüssigte Arbeitsmittel in ein Reservoir gelangt oder unmittelbar über die Speisepumpe dem Kreislauf der Dampfkreisprozessvorrichtung erneut zugeführt wird.
  • Mögliche Wärmequellen zum Betreiben des Verdampfers eines Dampfmotors stellen separate Brennereinheiten im Fall einer Kraftwärmekopplungseinrichtung oder die Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine dar. Dabei kommt insbesondere der Abgasstrom eines Otto- oder Dieselmotors in Betracht. Alternativ kann der Wärmeeintrag durch die Kühlflüssigkeit der Verbrennungskraftmaschine erfolgen. Bevorzugt werden daher Dampfkreisprozessvorrichtungen mit Verbrennungskraftmaschinen als Hybridantriebe für Fahrzeuge verwendet. Neben Straßenfahrzeugen ist deren Einsatz für großbauende Antriebsmaschinen, beispielsweise von Schienenfahrzeugen oder Schiffen, vorteilhaft.
  • Ein Beispiel für einen Verdampfer einer Dampfkreisprozessvorrichtung ist der DE 69703334 T2 zu entnehmen. Offenbart wird ein oxidationsbeständiger Aufbau mittels keramischer Materialien, wobei ein heißer Abgasstrom durch ein poröses Keramikmaterial strömt, das ein System aus Keramikröhren umgibt, in denen das Arbeitsmittel verdampft.
  • Neben der effizienten Ausnutzung der durch die Wärmequelle zur Verfügung gestellten thermischen Energie besteht für einen Verdampfer einer Dampfkreisprozessvorrichtung insbesondere bei der Verwendung als Teil eines Fahrzeugantriebs eine Vielzahl zusätzlicher Anforderungen. Dies ist zum einen die Forderung nach einer Steuerung des erzeugten Dampfvolumens und der Dampftemperatur, zum anderen sind zusätzlich Sicherheitsaspekte, etwa der sichere Einschluss des Arbeitsmediums, zu beachten. Bei Fahrzeugen tritt zusätzlich ein ständiger Wechsel zwischen Stillstand und Betrieb und eine ständige Variation des thermischen Leistungseintrags am Verdampfer auf. Ferner muss ein Hochfahren der Dampfkreisprozessvorrichtung auch bei tiefen Temperaturen aus dem Stillstand möglich sein.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdampfer für eine Dampfkreisprozessvorrichtung anzugeben, der für die Verwendung in einem Fahrzeugantrieb geeignet ist, das heißt der Verdampfer muss insbesondere frostsicher ausgelegt sein und sollte eine Prozessführung mit hohem Wirkungsgrad erlauben. Zusätzlich sollte er dazu dienen, Leistungsspitzen des thermischen Wärmeeintrags abzufangen, die bei der Abgaswärmenutzung von Kraftfahrzeugen auftreten können.
  • Die voranstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs und des unabhängigen Verfahrensanspruchs gelöst.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Ausgestaltung eines Verdampfers, der in der Flüssigphase zusätzlich zum Arbeitsmittel, das im Verdampfer in den Dampfzustand überführt wird, eine ionische Flüssigkeit umfasst. Hierbei wird die ionische Flüssigkeit so gewählt, dass deren Zersetzungstemperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels für den Dampfkreisprozess liegt. Ferner wird der Schmelzpunkt der ionischen Flüssigkeit so eingestellt, dass diese als Frostschutzmittel dient, das heißt der Schmelzpunkt muss tiefer als der Gefrierpunkt des Arbeitsmittels liegen.
  • Ionische Flüssigkeiten zeichnen sich aufgrund einer schlechten Ionenkoordination durch einen niedrigen Schmelzpunkt aus, wobei die Bildung eines stabilen Kristallgitters bereits bei tiefen Temperaturen unterbunden wird. Eine weitere charakteristische Eigenschaft ionischer Flüssigkeiten ist deren nicht messbarer Dampfdruck unterhalb der Zersetzungstemperatur. Ferner ist durch die Wahl der Kationen/Anionenpaarung einer ionischen Flüssigkeit die Schmelztemperatur und die Zersetzungstemperatur in einem weiten Bereich einstellbar, sodass in Abhängigkeit des verwendeten Arbeitsmittels des Dampfkreisprozesses und dem Temperaturniveau der Wärmequelle eine geeignete ionische Flüssigkeit ausgewählt werden kann.
  • Geeignete Kationen zur Ausbildung einer ionischen Flüssigkeit umfassen beispielsweise alkyliertes Imidazolium, Pyridinum, Ammonium oder Phosphonium. Als Anionen können einfache Halogenide verwendet werden, wobei die Wahlmöglichkeiten von komplexeren, anorganischen Ionen, wie Tetrafluoroborate, bis zu organischen Ionen wie Trifluoromethansulfonimid reichen.
  • Typisch für ionische Flüssigkeiten ist die Auswahlmöglichkeit ihrer physikalisch/chemischen Eigenschaften durch die Wahl der Kationen/Anionenpaarung, sodass es möglich ist, eine ionische Flüssigkeit so maßzuschneidern, dass ein tiefer Schmelzpunkt im Sinne einer Frostschutzwirkung entsteht. Dies gelingt typischerweise durch eine entsprechende Wahl eines organischen Kations. Durch die Auswahl eines geeigneten anorganischen Anions kann typischerweise Einfluss auf die Mischfähigkeit mit weiteren Komponenten, beispielsweise Wasser oder anderen organischen Substanzen, Einfluss genommen werden, sodass es möglich ist, die ionische Flüssigkeit vorteilhaft so anzupassen, dass diese eine Mischung mit dem Arbeitsmedium eingeht. Denkbar ist jedoch auch, dass das Arbeitsmedium in Form einer kolloidalen Mischung in der ionischen Flüssigkeit eingeschlossen wird, wobei auch für diesen Fall durch einen entsprechend tief gewählten Schmelzpunkt der ionischen Flüssigkeit die Frostsicherheit sichergestellt werden kann.
  • Bevorzugt werden die physikalischen Eigenschaften der erfindungsgemäß verwendeten ionischen Flüssigkeit so eingestellt, dass deren Schmelzpunkt bei –30°C und tiefer liegt und die Zersetzungstemperatur einen Wert höher als 200°C und bevorzugt höher als 300°C und insbesondere höher als 350°C annimmt.
  • Darüber hinaus wird aus Gründen der Umweltverträglichkeit eine nicht toxische und unfallsichere ionische Flüssigkeit bevorzugt. Ein Beispiel hierfür ist die Auswahl des Kations aus der durch 1-Ethyl-3-Methyl-Imidazolium, 1-Butyl-3-Methyl-Imidazolium und Tris-(2-Hydroxyethyl)-Methylammonium gebildeten Gruppe. Dies kann mit einem Anion aus folgender Auswahl kombiniert werden: Cl–, HSO4 –, CH3SO3 –, AlCl4 –, SCN–, CH3CO2 –, MeOSO3 und EtOSO3 –.
  • Die ionische Flüssigkeit ist erfindungsgemäß ein Teil der Flüssigphase des Verdampfers und verbleibt in einem Sumpf, der nachfolgend als Einlassreservoir bezeichnet wird. Zusätzlich zur ionischen Flüssigkeit wird beim Betrieb des Verdampfers das zu verdampfende Arbeitsmittel für den Dampfkreisprozess der Flüssigphase im Einlassreservoir zugeführt. Alternativ erfolgt ein Zustrom einer Mischung aus Arbeitsmittel und ionischer Flüssigkeit. Diese Mischung kann ferner zusätzliche Additive enthalten.
  • Der Verdampfer ist so gestaltet, dass die Dampferzeugung vorzugsweise in Verdampfungskanälen erfolgt, die zum einen Teil von der Flüssigphase, zum anderen Teil vom Dampf des Arbeitsmittels ausgefüllt sind. Am vom Einlassreservoir abgewandten, oberen Ende dieser Verdampfungskanäle ist eine Dampfsammelleitung angeordnet, die zur Abführung der Dampfphase dient.
  • Die wesentlichen Vorteile, die sich aus der erfindungsgemäßen Bevorratung eines Volumenanteils an ionischer Flüssigkeit in der Flüssigphase des Verdampfers ergeben, werden im Folgenden dargelegt:
    Der erste, bereits genannte Vorteil ist in der Frostschutzsicherheit zu sehen. Demnach kann ein Rest der Flüssigphase im Verdampfer auch beim Stillstand der zugeordneten Dampfkreisprozessvorrichtung verbleiben und die Umgebungstemperatur unterhalb des Gefrierpunkts des eigentlichen Arbeitsmittels abfallen. Das Arbeitsmittel kann demnach ausschließlich im Hinblick auf die sich aus der Führung des Dampfkreisprozesses ergebenden Anforderungen gewählt werden, ohne den zusätzlichen Aspekt der Frostsicherheit zu berücksichtigen.
  • Als weiterer Vorteil der Erfindung ist die Vorwärmung des Arbeitsmittels durch die ständig in der Flüssigphase des Sumpfs im Verdampfer bleibende ionische Flüssigkeit zu sehen. Demnach wirkt die ionische Flüssigkeit wie ein Wärmetauscher zur Vorwärmung des Arbeitsmittels und erhöht den Wirkungsgrad des Dampfkreisprozesses, indem die mittlere Temperatur der Wärmezufuhr im Verdampfer erhöht wird. Zugleich dient das Volumen an ionischer Flüssigkeit im Einlassreservoir des Verdampfers als thermischer Puffer, sodass Fluktuationen im Wärmeeintrag in ihrer Wirkung auf die Dampferzeugung abgeschwächt werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die ionische Flüssigkeit als Schmiermittel insbesondere für die bewegten Komponenten des Expanders verwendet werden kann. Wird demnach über einen Flüssigkeitsauslass vom Verdampfer ein Teil der Flüssigphase, die reich an ionischer Flüssigkeit ist, aus dem Verdampfer entnommen, so kann dieser zu Schmierzwecken in eine Schmiermittelleitung eingebracht und zu den weiteren Komponenten der Dampfkreisprozessvorrichtung geführt werden. Hierbei ist von Vorteil, dass während des Betriebs die am Flüssigkeitsauslass am Verdampfer entnommene Flüssigphase sich auf einem angehobenem Temperaturniveau befindet. Wird diese als Schmiermittel dem Expander zugeleitet, so führt dies nicht zu einer unerwünschten Abkühlung durch den Schmiermittelstrom. Darüber hinaus kann ein Anteil der Flüssigphase aus dem Verdampfer entnommen werden, um weitere Komponenten der Dampfkreisprozessvorrichtung vorzuwärmen.
  • Die Flüssigkeitszuführung zum erfindungsgemäßen Verdampfer kann auf unterschiedliche Art und Weise gestaltet werden. Gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante tritt über einen Flüssigkeitseinlass am Verdampfer das Arbeitsmittel ein oder es wird eine Mischung aus Arbeitsmittel und zusätzlichen Additiven, beispielsweise Schmierstoffen, die in die Dampfphase übergehen, zugeführt. Demnach bleibt die ursprünglich in den Verdampfer aufgenommene Menge an ionischer Flüssigkeit während des Betriebs unverändert und es erfolgt lediglich ein Nachströmen des Arbeitsmittels in flüssiger Form und ein ständiges Verdampfen entsprechend des thermischen Leistungseintrags. Durch den Zustrom des Arbeitsmittel zum Verdampfer und die Verdampfung wird die ionische Flüssigkeit ständig gekühlt, sodass diese dauerhaft unterhalb ihrer Zersetzungstemperatur verbleibt.
  • Alternativ tritt in den Verdampfer eine Flüssigkeitsmischung ein, die neben dem Arbeitsmittel auch eine ionische Flüssigkeit umfasst. Durch das Abdampfen des Arbeitsmittels im Verdampfer würde sich die ionische Flüssigkeit in der Flüssigphase im Einlassreservoir anreichern, sodass eine ständige Durchströmung des Einlassreservoirs durch einen Flüssigkeitsabzug an einem Flüssigkeitsauslass des Verdampfers realisiert werden muss. Bevorzugt wird die Flüssigphase, welche reich an ionischer Flüssigkeit ist, vor der Rückführung in ein Reservoir durch einen Rekuperator geleitet, der zur Vorwärmung der in den Verdampfer eintretenden Flüssigkeitsmischung verwendet wird.
  • Der Wärmeeintrag zum Verdampfer wird so eingestellt, dass der Bereich, in dem sich die Flüssigphase mit der ionischen Flüssigkeit befindet, nicht über die Zersetzungstemperatur derselben erwärmt wird. Dies gelingt dadurch, dass das Heizmedium im Bereich der Dampfsammelleitung in den Verdampfer eingeführt wird und im Verhältnis zu den Dampfkanälen, in denen das Arbeitsmittel verdampft wird und die ionische Flüssigkeit zurückbleibt, im Gegenstromprinzip geführt wird.
  • Ferner ist es wünschenswert, im Falle eines zu hohen Wärmeeintrags einen Teil der thermischen Leistung des Heizmediums abzuführen. Wird zur Erwärmung des Verdampfers ein erhitztes Gas aus einer Brennereinheit oder der Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine als Heizmedium genutzt, so bietet sich die Verwendung einer Überströmklappe an, die zwischen dem Einlass und dem Auslass der Heiz-Kanalstruktur angeordnet ist und die steuerbar eine Verbindung zu einer Bypassleitung freigibt, die zur Ableitung eines Überschusses an gasförmigem Heizmedium verwendet werden kann.
  • Darüber hinaus wird für eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdampfers, der von einem Abgasstrom beaufschlagt wird, in der Heizgasführung ein Katalysator und/oder ein Partikelfilter vorgesehen. Bevorzugt wird dieser innerhalb des Gehäuses des Verdampfers angeordnet, sodass der Katalysator beziehungsweise der Partikelfilter beim Systemstart schnell auf Temperatur gebracht wird und die Abwärme der katalytischen Reaktion wenigstens zum Teil im Verdampfer verwertet wird.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausgestaltungsbeispiele und in Verbindung mit Figuren genauer erläutert, welche im Einzelnen Folgendes darstellen:
  • 1 zeigt in einer Prinzipienskizze einen erfindungsgemäßen Verdampfer als Teil einer Dampfkreisprozessvorrichtung.
  • 2 zeigt schematisch vereinfacht eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verdampfers.
  • In 1 ist schematisch vereinfacht eine Dampfkreisprozessvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Verdampfer 1 dargestellt. Dieser umfasst in einem Einlassreservoir 7 eine ionische Flüssigkeit, die mit dem eigentlichen, für die Verdampfung vorgesehenen Arbeitsmittel vermischt ist. Der Zustrom zum Einlassreservoir 7 erfolgt über einen Flüssigkeitseinlass 6, dem über eine Speisepumpe 5 eine das Arbeitsmittel umfassende Betriebsflüssigkeit zugeführt wird. Gemäß einer ersten Ausgestaltung enthält die Betriebsflüssigkeit ausschließlich in die Dampfphase übergehende Bestandteile. Dies sind insbesondere das Arbeitsmittel sowie eventuell zusätzliche Additive, beispielsweise Schmiermittel, die mit dem Dampfstrom mitgerissen werden und der Schmierung des Expanders 2 dienen.
  • Gemäß einer Ausgestaltungsalternative wird als Betriebsflüssigkeit dem Verdampfer 7 eine Mischung aus der nicht verdampfenden ionischen Flüssigkeit und dem verdampfbaren Anteil, insbesondere dem Arbeitsmittel, zugeführt. Für diesen Fall ist ein ständiges Durchströmen des Einlassreservoirs 7 und damit ein Flüssigkeitsauslass 12 und eine Flüssigkeitsrückführung 23 zum Reservoir 4 notwendig. Für den Fall einer Durchströmung des Einlassreservoirs 7 tritt am Flüssigkeitseinlass 6 eine Betriebsflüssigkeit ein, die reich an Arbeitsmittel ist. Die am Flüssigkeitsauslass 12 austretende Flüssigkeit weist aufgrund der Abdampfung des Arbeitsmittels in den Verdampfungskanälen 8 einen erhöhten Massenanteil an ionischer Flüssigkeit auf.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Flüssigkeitsabzug aus dem Einlassreservoir 7 mit einer Schmiermittelleitung 13 verbunden. Diese kann insbesondere zur Zuführung von Schmiermittel zum Expander 2 dienen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, die Wärmeenergie der aus dem Verdampfer 1 zurückgeführten Betriebsflüssigkeit zur Vorwärmung der zugeführten Betriebsflüssigkeit zu nutzen. Hierzu ist in 1 ein Wärmetauscher 14, der der Speisepumpe 5 nachfolgt, skizziert.
  • Als im Verdampfer 1 in die Dampfphase überführtes Arbeitsmittel kann ein einkomponentiges Arbeitsmittel, im einfachsten Fall Wasser, zur Ausführung eines Clausius-Rankine-Zykluses verwendet werden, demnach verdampft das Arbeitsmittel isotherm, während die erfindungsgemäß verwendete ionische Flüssigkeit in der Flüssigphase im Verdampfer 1 verbleibt.
  • Wird stattdessen ein zwei- oder mehrkomponentiges Arbeitsmittel verwendet, ein Beispiel hierfür ist eine Mischung aus Wasser und Aceton, so kann ein Kalina-Zyklus ausgeführt werden, der im Hinblick auf eine Wirkungsgradsteigerung, insbesondere bei einer Wärmequelle 10 niedriger Temperatur zu einer Wirkungsgradsteigerung führt. Für diesen Fall verdampft das mehrkomponentige Arbeitsmittel nicht-isotherm, sondern weist eine konzentrationsabhängige Siedetemperatur auf.
  • Weitere Komponenten zur Ausführung eines Kalina-Zykluses, beispielsweise ein Austreiber zur Abscheidung einer Flüssigphase von der Dampfphase, der dem Verdampfer 1 nachfolgt, sind in 1 nicht dargestellt. Beispielsweise können Komponenten vorgesehen sein, um über Konzentrationsänderungen im dampfförmigen Arbeitsmittel, das zur Verflüssigung dem Kondensator 3 zugeführt wird, den Siededruck abzusenken.
  • Weiterhin sind in 1 zur Vereinfachung der Darstellung die zur Einstellung eines bestimmten Füllgrads der Flüssigphase im Verdampfer 1 notwendigen Einrichtungen nicht gezeigt. Hierzu wird bevorzugt eine Füllstandsregeleinrichtung verwendet, die den Pegel der Flüssigphase im Verdampfer so einstellt, dass die Verdampfungskanäle beim Betrieb teils mit Flüssigkeit, teils mit der Dampfphase des Arbeitsmittels gefüllt sind. Weiterhin sind die für diese Einstellung notwendigen Ventileinrichtungen nicht dargestellt. Dies trifft auch auf die Steuerungskomponenten für den Volumenstrom in der Flüssigkeitsrückführung 23 und der Schmiermittelleitung 13 zu.
  • In 2 ist schematisch vereinfacht der Aufbau eines erfindungsgemäßen Verdampfers 1 dargestellt. Gezeigt ist wiederum das Einlassreservoir 7, in dem sich die ionische Flüssigkeit vermischt mit dem Arbeitsmittel befindet. Der Zustrom zum Einlassreservoir 7 erfolgt über den Flüssigkeitseinlass 6, wobei entweder Arbeitsmittel oder eine Mischung aus Arbeitsmittel und ionischer Flüssigkeit einströmt. Im Fall der Durchströmung des Einlassreservoirs 7 erfolgt der Abzug der Betriebsflüssigkeit über den Flüssigkeitsauslass 12.
  • Vom Einlassreservoir 7 geht eine Vielzahl von Verdampfungskanälen 8.1, 8.2, ..., 8.n aus, die beim Betrieb bis zu einem bestimmten Flüssigkeitsstand gefüllt sind. Der obere Teil der Verdampfungskanäle dient beim Betrieb des Verdampfers dem Dampfabzug und der weiteren Überhitzung des Dampfs des Arbeitsmittels. Dieser wird in einer Dampfsammelleitung 9, in die die Vielzahl der Dampfkanäle 8.1–8.n mündet, gesammelt, und über einen Dampfauslass 24 dem Expander 2 zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt. Zur Zuführung thermischer Energie zu den Verdampfungskanälen 8.1–8.n wird eine Heiz-Kanalstruktur 11 verwendet. Diese führt das Heizmedium im Verdampfer, wobei als Heizmedium entweder eine flüssige Phase, beispielsweise die Kühlflüssigkeit einer Verbrennungskraftmaschine, oder ein gasförmiges Heizmedium, beispielsweise der Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, Verwendung finden kann.
  • Vorteilhafterweise ist die Heiz-Kanalstruktur 11 so angelegt, dass diese zunächst jenen Teil der Verdampfungskanäle 8.1–8.n thermisch beaufschlagt, in dem das Arbeitsmittel bereits dampfförmig vorliegt. Es erfolgt demnach eine weitere Überhitzung der Dampfphase. Nachfolgend wird im Sinne des Gegenstromprinzips das Heizmedium in Richtung der kälteren Bereiche des Verdampfers 1 geleitet, in denen sich auch das Einlassreservoir 7 befindet. Besonders bevorzugt wird eine mäanderförmige Führung der Heiz-Kanalstruktur 11, entsprechend zur vereinfachten Darstellung in 2. Durch eine solchermaßen angelegte Heiz-Kanalstruktur 11 kann der Verdampfer 1 mit einem heißen Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine betrieben werden, wobei die Temperatur im Einlass für das Heizmedium 16 über der Zersetzungstemperatur der ionischen Flüssigkeit liegen kann. Dieser wird jedoch beim Betrieb des Verdampfers durch die gewählte Führung der Heiz-Kanalstruktur 11 und aufgrund des Zustroms von kühlem, flüssigen Arbeitsmittel und durch dessen Abdampfskühlung unterhalb der Zersetzungstemperatur gehalten.
  • Entsprechend wird der Flüssigkeitspegel so in den Verdampfungskanälen 8.1–8.n eingestellt, dass die Flüssigphase mit der ionischen Flüssigkeit nicht in Bereiche gelangt, die auf einer Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur der ionischen Flüssigkeiten liegen.
  • Ferner wird bevorzugt zum Abfangen von Leistungsspitzen im Wärmeeintrag durch das Heizmedium eine Vorrichtung vorgesehen, die das Heizmedium für den Überlastfall wenigstens an Teilen der Heiz-Kanalstruktur vorbei zum Auslass 17 für das Heizmedium führt. Im Fall eines gasförmigen Heizmediums kann beispielsweise die in 1 skizzierte Überströmklappe 21 verwendet werden, die beim Öffnen den Zugang zu einer Bypassleitung 22 freigibt.
  • Ferner ist in der in 2 dargestellten bevorzugten Ausgestaltung eine Reinigungskammer 18 der Heiz-Kanalstruktur 11 vorgelagert. Diese befindet sich innerhalb des Gehäuses 15 des Verdampfers 1. In der Reinigungskammer 18 sind zur Reinigung als eines als Heizmedium verwendeten Abgasstroms eine Anordnung aus Katalysatoren 19.1, 19.2 und Partikelfiltern 20.1 und 20.2 vorgesehen. Eine solche Anordnung innerhalb des Gehäuses 15 des Verdampfers 1 ist aus thermischen Gründen vorteilhaft. Der Katalysator gelangt nach dem Start schneller auf seine Betriebstemperatur. Ferner kann die Abwärme der katalytischen Reaktion sowie die bei einer thermischen Reinigung eines Partikelfilters 20.1, 20.2 entstehende Wärme zum Betrieb des Verdampfers 1 verwendet werden. Entsteht bei einer Filterreinigung eine zu hohe Wärmeleistung, so kann diese wiederum über die Überströmklappe 21 und die Bypassleitung 22 am Hauptteil der Heiz-Kanalstruktur 11 vorbeigeleitet werden. Gemäß einer Ausgestaltungsvariante kann die Reinigungskammer 18 in die Heiz-Kanalstruktur 11 integriert werden.
  • Der erfindungsgemäße Verdampfer wird aus einem Material hergestellt, das gegenüber der Mischung aus Arbeitsmittel und ionischer Flüssigkeit hinreichend korrosionsfest ist. Als bevorzugte Materialien kommen insbesondere keramische Werkstoffe und Edelstahl in Betracht. Weitere Modifikationen der Erfindung können im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche ausgeführt werden.
    • 1
    Verdampfer
    2
    Expander
    3
    Kondensator
    4
    Reservoir
    5
    Speisepumpe
    6
    Flüssigkeitseinlass
    7
    Einlassreservoir
    8, 8.1, 8.2, ..., 8.n
    Verdampfungskanal
    9
    Dampfsammelleitung
    10
    Wärmequelle
    11
    Heiz-Kanalstruktur
    12
    Flüssigkeitsauslass
    13
    Schmiermittelleitung
    14
    Wärmetauscher
    15
    Gehäuse
    16
    Einlass für das Heizmedium
    17
    Auslass für das Heizmedium
    18
    Reinigungskammer
    19.1, 19.2
    Katalysator
    20.1, 20.2
    Partikelfilter
    21
    Überströmklappe
    22
    Bypassleitung
    23
    Flüssigkeitsrückführung
    24
    Dampfauslass
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 69703334 T2 [0004]

Claims (11)

  1. Verdampfer für eine Dampfkreisprozessvorrichtung, umfassend 1.1 ein Gehäuse (15); 1.2 eine Heiz-Kanalstruktur (11) für ein flüssiges oder gasförmiges Heizmedium zum Erhitzen des Verdampfers (1); 1.3 ein Einlassreservoir (7), das in Verbindung mit einem Flüssigkeitseinlass (6) für das Arbeitsmittel der Dampfkreisprozessvorrichtung steht, wobei das Einlassreservoir eine ionische Flüssigkeit enthält, die einen Schmelzpunkt unterhalb des Gefrierpunkts des Arbeitsmittels und eine Zersetzungstemperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels aufweist; 1.5 Verdampfungskanäle (8.1,..., 8.n), die die Heiz-Kanalstruktur(11) durchqueren und die jeweils an einem Ende mit dem Einlassreservoir in fluidischer Verbindung stehen und jeweils am anderen Ende in eine Dampfsammelleitung münden, die oberhalb des Einlassreservoirs angeordnet ist.
  2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer einen Flüssigkeitsauslass (11) am Einlassreservoir (7) umfasst.
  3. Verdampfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsauslass (11) in fluidischer Verbindung zu einem dem Verdampfer vorgeschalteten Wärmetauscher (14) der Dampfkreisprozessvorrichtung steht.
  4. Verdampfer nach wenigstens einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsauslass (11) in fluidischer Verbindung zu einer Schmiermittelleitung (13) für einen Expander (2) der Dampfkreisprozessvorrichtung steht.
  5. Verdampfer nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer eine Füllstandsregeleinrichtung umfasst, die den Füllstand der Flüssigkeitsphase im Einlassreservoir (7) und/oder den Verdampfungskanälen (8.1, ..., 8.n) steuert oder regelt.
  6. Verdampfer nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz-Kanalstruktur (11) mäanderförmig angelegt ist.
  7. Verdampfer nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungskanäle (8.1, ..., 8.n) und die Heiz-Kanalstruktur nach dem Gegenstromprinzip ausgebildet sind.
  8. Verdampfer nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Heiz-Kanalstruktur (11) wenigstens eine steuerbare Überströmklappe (21) zu einer Bypassleitung (22) vorgesehen ist.
  9. Verdampfer nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (15) wenigstens ein Katalysator (19.1, 19.2) und/oder wenigstens ein Partikelfilter (20.1, 20.2) angeordnet ist.
  10. Verfahren zum Betrieb eines Verdampfers für eine Dampfkreisprozessvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigphase im Verdampfer ein Arbeitsmittel zum Betrieb des Dampfkreisprozesses und eine ionische Flüssigkeit umfasst, die einen Schmelzpunkt unterhalb des Gefrierpunkts des Arbeitsmittels und eine Zersetzungstemperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des Verdampfers dem Verdampfer eine Flüssigphase mittels einer Speisepumpe (5) zugeführt wird, wobei die Zuführung durch einen Flüssigkeitseinlass (6) zu einem Einlassreservoir (7) erfolgt, das in fluidischer Verbindung zu Verdampfungskanälen (8.1, ..., 8.n) steht, die in einer Dampfsammelleitung (9) münden und wobei durch eine Entnahme der Flüssigphase über einen Flüssigkeitsausgleich eine ständige Durchströmung des Einlassreservoirs (7) erfolgt.
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