DE102007056113A1

DE102007056113A1 - Wärmerückgewinnungssystem und Verfahren

Info

Publication number: DE102007056113A1
Application number: DE102007056113A
Authority: DE
Inventors: Jon Evanston Horek; Michael J. Racine Wilson; Mark Franksville Voss
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2008-07-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Abgaswärmerückgewinnungswärmetauscher bereit, umfassend ein Gehäuse, aufweisend einen Arbeitsfluideinlass, einen Arbeitsfluidauslass, einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass, einen Abgasströmungspfad, der sich durch das Gehäuse zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass erstreckt und einen Arbeitsfluidströmungspfad, der sich durch das Gehäuse zwischen dem Arbeitsfluideinlass und dem Arbeitsfluidauslass erstreckt und aufweisend einen ersten Teil und einen zweiten Teil. Eine Strömung des Arbeitsfluids entlang des ersten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads kann im Wesentlichen entgegengesetzt zu einer Strömung des Abgases entlang des Abgasströmungspfads sein und die Strömung des Arbeitsfluids entlang des zweiten Teils des Arbeitsfluidströmungspfadbgases entlang des Abgasströmungpfads sein.

Description

QUERVERWEIS ZU VERBUNDENEN ANMELDUNGEN
Die vorliegenden Anmeldung beansprucht die Vorteile der mitanhängigen vorläufigen US-Patentanmeldung 60/859,192, eingerecht am 15. November 2006 und der vorläufigen US-Patentanmeldung 60/860,272, eingereicht am 21. November 2006, der Inhalt dieser Beiden wird hier durch Verweisung mit einbezogen.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmerückgewinnungssysteme und insbesondere auf ein Abgasabwärmerückgewinnungssystem und ein Verfahren dieses zu betreiben.
ZUSAMMENFASSUNG
In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ein Wärmerückgewinnungssystem zum Einsatz in einem Fahrzeug bereit, um Abwärmeenergie, die während des Motorbetriebs erzeugt wird, in elektrische Energie umzuwandeln. Das Wärmerückgewinnungssystem kann zwei oder drei Wärmetauscher, die in einem Gehäuse enthalten sind und entlang eines Strömungspfades angeordnet sind, umfassen.
In einigen Ausführungsformen bewegt sich Abgas des Fahrzeugmotors und ein Arbeitsfluid durch einen ersten Wärmetauscher, entlang eines im Wesent lichen gegengerichteten Strömungspfad. Das Abgas des Fahrzeugmotors und das Arbeitsfluid können sich entlang von im Wesentlichen parallelen Strömungspfaden durch einen zweiten Wärmetauscher und/oder einen dritten Wärmetauscher bewegen.
Das Wärmerückgewinnungssystem kann ebenfalls eine Ventilanordnung zur Regelung der Strömung des Arbeitsfluids entlang des Strömungspfades umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Ventilanordnung betriebsbereit sein, um den Strömungspfad des Arbeitsfluids zu ändern, basierend auf einer Charakteristik (beispielsweise, einer Temperatur, eines Drucks, eines Volumens, etc.) des Abgases, das in das Wärmerückgewinnungssystem eintritt.
In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ein Wärmerückgewinnungssystem zur Benutzung mit einem Fahrzeug bereit. Das Wärmerückgewinnungssystem kann ein Volumen eines Arbeitsfluids, ein Gehäuse, das einen ersten Wärmetauscher, einen zweiten Wärmetauscher und einen dritten Wärmetauscher umgibt und ein Strömungspfad, der sich zwischen dem ersten, zweiten und dritten Wärmetauscher erstreckt, umfassen. In einigen Ausführungsformen kann der Strömungspfad ein erster Strömungspfad sein und das Wärmerückgewinnungssystem kann einen zweiten Strömungspfad umfassen, wobei ein erster Abschnitt dieses im Wesentlichen parallel zu dem ersten Strömungspfad und ein zweiter Abschnitt dieses im Wesentlichen nicht parallel oder entgegen des ersten Strömungspfades sein kann.
In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ein Wärmerückgewinnungssystem bereit, umfassend ein Volumen eines Arbeitsfluids und einen ersten Wärmetauscher, einen zweiten Wärmetauscher und einen dritten Wärmetauscher, verbunden in einer einzigen integralen Einheit. Das Wärmerückgewinnungssystem kann ebenfalls einen Strömungspfad umfassen, der sich zwischen dem ersten, zweiten und dritten Wärmetauscher erstreckt.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmerückgewinnungssystems bereit, umfassend die Schritte des Führens eines Arbeitsfluids und eines Motorenabgas des Fahrzeugs durch einen ersten Wärmetauscher entlang eines im Wesentlichen gegengerichteten Strömungspfades und des Führens des Arbeitsfluids und des Abgases durch einen zweiten Wärmetauscher und einen dritten Wärmetauscher entlang eines im Wesentlichen parallelen Strömungspfades. Das Verfahren kann ebenfalls den Schritt der Regelung der Strömung des Arbeitsfluids in Abhängigkeit zu einer Änderung einer Charakteristik (beispielsweise einer Temperatur, eines Drucks, einer Strömungsrate, etc.) des Abgases, das sich durch das Wärmerückgewinnungssystem bewegt, umfassen.
In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ein Wärmerückgewinnungssystem zur Verwendung mit einem Fahrzeug bereit. Das Wärmerückgewinnungssystem kann ein Arbeitsfluid aufnehmen und kann einen ersten Wärmetauscher, eine Turbine und ein Gehäuse umfassen, das einen zweiten Wärmetauscher und einen Kondensator umfassen kann. Das Gehäuse kann ebenfalls einen dritten Wärmetauscher und eine Entlüftungsanordnung zum Ablassen von Dampf des Arbeitsfluid umfassen. In einigen Ausführungsformen bewegt sich das erste Arbeitsfluid durch das Gehäuse, entlang eines ersten Strömungspfads und ein zweites Arbeitsfluid bewegt sich durch das Gehäuse, entlang eines zweiten Strömungspfads, wobei ein Teil dieses im Wesentlichen entgegen zum ersten Strömungspfad vorliegt.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Wärmerückgewinnungssystem bereit, das einen Strömungspfad umfasst, der sich durch einen ersten Wärmetauscher, eine Turbine, eine Pumpe und ein Gehäuse, das einen zweiten Wärmetauscher und einen dritten Wärmetauscher umfasst, erstreckt. In einigen Ausführungsformen bewegt sich ein Arbeitsfluid entlang des Strömungspfads, der in dem Gehäuse vorhanden ist, nachdem es sich durch den zweiten Wärmetauscher bewegt, bewegt es sich durch eine Pumpe und tritt wieder in das Gehäuse ein, bevor es zum zweiten Wärmetauscher zurückkehrt.
In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ein Wärmerückgewinnungssystem bereit, das einen Strömungspfad, in dem ein Arbeitsfluid untergebracht ist und welcher sich durch einen ersten Wärmetauscher, eine Turbine, eine Pumpe erstreckt und ein Gehäuse, das einen zweiten Wärmetauscher und eine Entlüftungsanordnung umfasst, umfasst. Die Entlüftungsanordnung kann betriebsbereit sein, um Dampf des Arbeitsfluids abzulassen, bevor das Arbeitsfluid in die Pumpe eintritt.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmerückgewinnungssystems, umfassend die Schritte des Führens eines Arbeitsfluids und von Motorenabgas eines Fahrzeugs durch einen ersten Wärmetauscher, des Führens des Arbeitsfluids vom ersten Wärmetauscher durch eine Turbine, um elektrische Energie zu erzeugen und des Führens des Arbeitsfluids von der Turbine in ein Gehäuse, das einen zweiten Wärmetauscher und einen Kondensator umfasst, bereit. Das Verfahren kann ebenfalls die Schritte des Führen des Arbeitsfluids durch einen dritten Wärmetauscher und durch eine Entlüftungsanordnung, die vom Gehäuse umfasst ist und des Ablassens von Dampf des Arbeitsfluids umfassen.
In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung einen Abgasabwärmerückgewinnungswärmetauscher bereit, umfassend ein Gehäuse, einen Arbeitsfluideinlass, einen Arbeitsfluidauslass zum Verteilen eines überhitzten Dampfes, einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass, einen Abgasströmungspfad, der sich durch das Gehäuse zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass erstreckt und einen Arbeitsfluidströmungspfad, der sich durch das Gehäuse zwischen dem Arbeitsfluideinlass und dem Arbeitsfluidauslass erstreckt. Der Arbeitsfluidströmungspfad kann einen ersten Abschnitt, der benachbart zum Arbeitsfluideinlass ist und einen zweiten Abschnitt, der beabstandet vom Arbeitsfluideinlass ist, umfassen. Eine Strömung des Arbeitsfluids entlang des ersten Abschnitts des Arbeitsfluidströmungspfads kann im Wesentlichen entgegen zur Strömung des Abgases entlang des Abgasströmungspfads, benachbart zum ersten Abschnitt des Arbeitsfluidströmungspfads, sein, zum Aufnehmen von Wärme von der Strömung des Abgases, die sich entlang des Abgasströmungspfads bewegt. Die Strömung des Arbeitsfluids entlang des zweiten Abschnitts des Arbeitsfluidströmungspfads kann im Wesentlichen parallel zur Strömung des Abgases entlang des Abgasströmungspfades, benachbart zum zweiten Abschnitt des Arbeitsfluidströmungspfads, sein.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Abgasabwärmerückgewinnungswärmetauscher bereit, umfassend einen Verdampfer, der betriebsbereit ist, um einen Arbeitsfluidstrom zu verdampfen, einen Überhitzer, der betriebsbereit ist, um den Arbeitsfluidstrom, erhalten vom Verdampfer, zu überhitzen, einen Vorwärmer, der betriebsbereit ist, um Wärme von einem Abgasstrom, nachdem der Abgasstrom den Überhitzer verlassen hat, zum Arbeitsfluidstrom, bevor der Arbeitsfluidstrom in den Verdampfer tritt, zu übertragen und ein Gehäuse umfassend den Verdampfer, den Überhitzer und den Vorwärmer. Das Gehäuse kann einen Arbeitsfluideinlass, der mit dem Vorwärmer verbunden ist, um den Vorwärmer mit der Arbeitsfluidströmung zu beschicken, einen Arbeitsfluidauslass zum Ablassen von überhitzen Arbeitsfluiddampf aus dem Überhitzer, einen Abgaseinlass zur Versorgung des Verdampfers mit Abgas und einen Abgasauslass zum Auslassen von Abgas umfassen.
In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegenden Erfindung ein Wärmerückgewinnungssystem bereit, umfassend eine Turbine und einen Abgasrückgewinnungswärmetauscher. Der Abgaswärmerückgewinnungstauscher kann ein Gehäuse umfassen, dass einen Arbeitsfluideinlass, einen Arbeitsfluidauslass, einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass, einen Abgasströmungspfad, der sich durch das Gehäuse zwischen dem Abgaseinlass und den Abgasauslass erstreckt und einen Arbeitsfluidströmungspfad, der sich durch das Gehäuse zwischen dem Arbeitsfluideinlass und dem Arbeitsfluidauslass erstreckt, aufweisen. Der Arbeitsfluidströmungspfad kann einen ersten Abschnitt, der benachbart zum Ar beitsfluideinlass vorliegt und einen zweiten Abschnitt, der beabstandet vom Arbeitsfluideinlass vorliegt, umfassen. Eine Arbeitsfluidströmung entlang des ersten Abschnitts des Arbeitsfluidströmungspfads kann im Wesentlichen entgegen einem Abgasstrom entlang des Abgasströmungspfads, der benachbart zum ersten Abschnitt des Arbeitsströmungspfads vorliegt, sein, um Wärme von der Abgasströmung, die sich entlang der Abgasströmungspfads bewegt, aufzunehmen. Die Arbeitsfluidströmung entlang des zweiten Abschnitts des Arbeitsfluidströmungspfads kann im Wesentlichen parallel zur Abgasströmung entlang des Abgasströmungspfads, der benachbart zum zweiten Abschnitt des Arbeitsfluidströmungspfads vorliegt, sein. Das Wärmerückgewinnungssystem kann ebenfalls einen Wärmeübertragungskreislauf umfassen, der sich zwischen einen Turbinenauslass und den Arbeitsfluidströmungspfad erstreckt.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Rückgewinnung von Verlustwärme vom Abgas bereit. Das Verfahren kann die Schrittes des Führen eines Abgasstroms entlang eines Abgasströmungspfades durch ein Gehäuse eines Abgasrückgewinnungswärmetauschers zwischen einem Abgaseinlass, der in dem Gehäuse definiert ist und einem Abgassauslass, der in dem Gehäuse definiert ist, des Führens einer Arbeitsfluidströmung entlang eines Arbeitsfluidströmungspfads durch das Gehäuse zwischen einem Arbeitsfluideinlass, der in dem Gehäuse definiert ist und einem Arbeitsfluidauslass, der in dem Gehäuse definiert ist und des Übertragens vom Wärme des Abgases, dass sich entlang des Abgasströmungspfades bewegt zu dem Arbeitsfluid, dass sich entlang eines ersten Abschnitts des Arbeitsfluidströmungspfads in einer Richtung im Wesentlichen entgegen der Abgasströmung entlang des benachbarten Abgasströmungspfades zum Vorheizen des Arbeitsfluids bewegt, umfassen. Das Verfahren kann ebenso die Schritte des Führens des vorerwärmten Arbeitsfluids von dem ersten Abschnitt des Arbeitsfluidströmungspfads zu einem zweiten Abschnitt des Arbeitsfluidströmungspfads und des Übertragens von Wärme vom Abgas, das sich entlang des Abgasströmungspfads bewegt, zu dem vorerwähnten Arbeitsfluid, dass sich entlang des zweiten Abschnitts des Strömungspfads in eine Richtung im Wesentlichen parallel zum Abgasstrom entlang des benachbarten Abgasströmungspfads bewegt, um die Arbeitsfluidströmung zu überhitzen, die aus dem Gehäuse durch den Arbeitsfluidauslass austritt.
In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung einen integrierten Wärmetauscher, umfassend einen Rekuperator, der einen ersten Durchlauf und einen zweiten Durchlauf, der benachbart zum ersten Durchlauf ist, aufweist, um Wärme von einem Arbeitsfluid, dass sich entlang des ersten Durchlaufs bewegt zum Arbeitsfluid, dass sich entlang des zweiten Durchlaufs bewegt zu übertragen und einen Kondensator, der benachbart zum Rekuperator angeordnet ist, um das Arbeitsfluids vom ersten Durchlauf des Rekuperators aufzunehmen und aufweisend einen ersten Kühlmittelstromdurchlauf zum Erhalt von Wärme vorn Arbeitsfluid, dass durch den Kondensator zum Kondensieren der Arbeitsfluidströmung durch den Kondensator strömt. Der integrierte Wärmetauscher kann ebenfalls einen Unterkühler umfassen, der benachbart zum Kondensator angeordnet ist, um das kondensierte Arbeitsfluid vom Kondensator aufzunehmen und aufweisend einen zweiten Kühlmittelströmdurchlauf und ein Gehäuse, umfassend den Rekuperator, den Unterkühler und den Kondensator und umfassend einen Arbeitsfluideinlass, einen Arbeitsfluidauslass, einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, wobei der erste Kühlmittelstromdurchlauf sich durch das Gehäuse erstreckt und zwischen denn Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass kommuniziert.
Weitere Aspekte der Erfindung werden deutlich werden durch die Betrachtung der detaillierten Beschreibung und der sich anschließenden Abbildungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Wärmerückgewinnungssystems gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Teils des Wärmerückgewinnungssystems, das in 1 gezeigt ist.
3 ist ein Diagramm, dass die Leistungswerte eines Wärmerückgewinnungssystems entlang einer Länge eines Teils des Wärmerückgewinnungssystems aus 1 zeigt.
4 ist eine schematische Darstellung eines Wärmerückgewinnungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Teils des Wärmerückgewinnungssystems, das in 4 gezeigt ist, umfassend ein Gehäuse, das Teile eines Rekuperators, eines Kondensators und eines Receivers umgibt.
6 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Teils des Wärmerückgewinnungssystems, das in 4 gezeigt ist, umfassend das Gehäuse und Teile des Rekuperators, des Kondensators und des Receivers.
7 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Teils des Wärmerückgewinnungssystems, das in 4 gezeigt ist, umfassend das Gehäuse und einen Teil des Receivers.
8 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Teils des Wärmerückgewinnungssystems, das in 4 gezeigt ist, umfassend das Gehäuse und einen Teil des Receivers.
9 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Teils des Wärmerückgewinnungssystems, das in 4 gezeigt ist, umfassend das Gehäuse und Teile des Unterkühlers und des Receivers.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bevor irgendeine Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben wird, soll verstanden werden, dass die Erfindung nicht durch ihre Applikation bezüglich der Details der Konstruktion und der Anordnung der Komponenten, wie sie in der folgenden Beschreibung oder gezeigt in den folgenden Zeichnungen dargelegt sind, beschränkt wird. Die Erfindung ist für weitere Ausführungsformen geeignet und kann genutzt werden oder kann ausgeführt werden auf unterschiedliche Art und Weise. Ebenfalls soll verstanden werden, dass die Phraseologie und Terminologie zum Zwecke der Beschreibung vorliegend verwendet wird und soll diese nicht als Begrenzung betrachtet werden. Die Verwendung von „einschließlich", „umfassend" und „aufweisend" und Variationen hiervon meint, dass die Einheiten, die daran anschließend aufgeführt werden und Äquivalente hiervon, ebenso wie zusätzliche Einheiten, umfasst werden.
Sofern nicht ausdrücklich oder anderweitig beschränkt werden die Begriffe „befestigt", „verbunden", „gestützt" und „gekoppelt" und Variationen hiervon breit verwendet und umfassen diese sowohl direkte, als auch indirekte Befestigungen, Verbindungen, Abstützungen und Kopplungen. „Verbunden" und „gekoppelt" sind ferner nicht beschränkt auf physikalische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen.
Ebenfalls soll verstanden werden, dass die Phraseologie und Terminologie, die hierin mit Bezug zur Einheiten- oder Elementorientierung (wie zum Beispiel Begriffe wie „zentral", „obere", „untere", „vorne", „hinten" und Ähnliche) werden nur verwendet, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen und indizieren oder implizieren diese alleine nicht, dass das benannte Gerät oder Element eine besondere Orientierung aufweisen muss. Darüber hinaus werden Begriffe wie „erste", „zweite" und „dritte" vorliegend zum Zwecke der Beschreibung verwendet und ist damit nicht beabsichtigt eine relative Wichtigkeit oder Signifikanz zu indizieren oder implizieren.
Die 1 und 2 zeigen ein Wärmerückgewinungssystem 10 zur Verwendung mit einem Fahrzeug, das einen internen Verbrennungsmotor (zum Beispiel einen Dieselmotor) aufweist. In anderen Ausführungsformen kann das Wärmerückgewinnungssystem 10 in anderen (zum Beispiel nicht fahrzeugbezogenen) Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in solchen wie Elektronikkühlungen, Industrieanlagen, Gebäudeheizungen und Klimaanlagen und ähnliche.
In einigen Ausführungsformen wird ungefähr 40% der Energie, die durch Treibstoffverbrennung im Fahrzeugmotor erzeugt wird, durch das Fahrzeugabgassystem geführt. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird, kann das Wärmerückgewinnungssystem 10 oder ein Teil des Wärmerückgewinnungssystems 10 der vorliegenden Erfindung entlang des Fahrzeugabgassystems positioniert werden und kann als ein Ranking-Kreislauf oder als Teil eines Ranking-Kreislaufes betrieben werden, um Verlustenergie, die während des Motorsbetriebs entsteht in elektrische Energie umzuwandeln, um dadurch den Gesamtenergiewirkungsgrad des Fahrzeugs zu verbessern.
Das Wärmerückgewinnungssystem 10 kann einen Wärmeübertragungskreislauf 12 umfassen, der ein erstes Volumen oder ein Arbeitsfluid (zum Beispiel R245fa, Wasser, CO₂, ein organisches Kühlmittel und Ähnliches) (gezeigt durch die Pfeile 14 in den 1 und 2) umfasst. In der dargestellten Ausführungsform der 1 bis 3 erstreckt sich der Wärmeübertragungskreislauf 12 zwischen einem Rekuperator 16, einem ersten Wärmetauscher oder Vorwärmer 18, einem zweiten Wärmetauscher oder Verdampfer 20, einem dritten Wärmetauscher oder Vorwärmer 22, einer Turbine 24 und einem Kondensators 26 und verbindet diese strömungsfähig. In einigen Ausführungsformen kann der Wärmeübertragungskreislauf 12 ebenfalls eine oder mehrere Pumpen umfassen, die entlang des Wärmeübertragungskreislaufs 12 angeordnet sind, zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitsdrucks in dem Wärmeübertragungskreislauf 12 oder eines Teils des Wärmeübertragungskreislaufes 12.
In einigen Ausführungsformen, wie in der gezeigten Ausführungsformen in den 1 bis 3, können der Vorwärmer 18, der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 umschlossen oder zumindest teilweise umschlossen in einem einzelnen integralen Gehäuse 32 vorliegen. In anderen Ausführungsformen können zwei ausgewählt aus dem Vorwärmer 18, dem Verdampfers 20 und dem Überhitzer 22 durch das Gehäuse 32 umschlossen oder zumindest teilweise umschlossen vorliegen. In weiteren Ausführungsformen kann jeweils der Vorwärmer 18, der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 in einem separaten Gehäuse vorliegen. In solchen Ausführungsformen können der Vorwärmer 18, der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 zusammen an einer einzigen Örtlichkeit des Fahrzeugs gruppiert werden oder alternativ der Vorwärmer 18, der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 können an verschiedenen Orten im Fahrzeug verteilt werden, zum Beispiel unter dem Fahrzeugrahmen, im Motorraum des Fahrzeugs, im Kofferraum des Fahrzeugs und in Fahrzeugsinnenraum.
Alternativ oder zusätzlich können der Vorwärmer 18, der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 in einer integralen Einheit verbunden sein und/oder zusammengebaut als eine Einheit vor der Installation in ein Fahrzeug oder Gebäude werden. In weiteren Ausführungsformen können zwei ausgewählt aus dem Vorwärmer 18, dem Verdampfer 20 und dem Überhitzer 22 in einer integralen Einheit verbunden werden und/oder zusammengebaut werden als Einheit vor der Installation in einem Fahrzeug oder einem Gebäude.
Wie in 2 gezeigt können in den Ausführungsformen, in denen der Vorwärmer 18, der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 in dem Gehäuse 32 eingefasst sind, der Vorwärmer 18, der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 integral ausgebildet sein, so dass jeweils der Vorwärmer 18, der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 einen Abschnitt eines integralen Hauptwärmetauschers 34 definieren. In einigen solchen Ausführungsformen kann das Arbeitsfluid 14 verdampft und überhitzt werden, während es sich durch den Hauptwärmetauscher 34 bewegt.
In einigen Ausführungsformen kann der Hauptwärmetauscher 34 eine Block-Plattenkonfiguration aufweisen, die einen ersten Strömungspfad 38 für das Arbeitsfluid 14 und einen zweiten Strömungspfad 42 für das Abgas (dargestellt durch die Pfeile 44 in den 1 und 2) vom Fahrzeugmotor definieren. In der dargestellten Ausführungsformen in dem 1 bis 3 ist der Hauptwärmetauscher 34 ein Wärmetauscher aus rostfreiem Stahl, der drei Arbeitsfluiddurchläufe und drei Abgasdurchläufe, eine 6,5 mm rechteckige Wellenrippe an einer Luftseite und eine 3,0 mm lancierte Offset-Rippe an einer Arbeitsfluidseite aufweist.
In einigen Ausführungsformen, umfassend die Ausführungsformen, in denen der Vorwärmer 18, der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 in dem Gehäuse 32 eingefasst sind, in den Ausführungsformen, in denen der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 in einer einzelnen integralen Einheit verbunden sein können oder zusammengebaut als eine Einheit vor der Installation und in Ausführungsformen, in denen der Vorwärmer 18, der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 rund um das Fahrzeug verteilt sind, kann einer oder mehrere ausgewählt aus dem Vorwärmer 18, dem Verdampfer 20 und dem Überhitzer 22 eine unterschiedliche Konfiguration (zum Beispiel in Form, in Größe und in Orientierung, Rippe und Rohr, Rohr-in Rohr und Ähnliches) aufweisen und können hergestellt sein aus anderen Materialien (zum Beispiel aus Aluminium, aus Eisen und aus anderen Metallen, aus Verbundmaterial und Ähnlichem), die andere Wärmeübertragungskoeffizienten aufweisen.
In der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen ist ein erster Teil des Hauptwärmetauschers 34 als Gegenstromwärmetauscher konfiguriert und ein zweiter Teil des Hauptwärmetauschers 34 ist als Parallelstromwärmetauscher konfiguriert. In der dargestellten Ausführungsform ist insbesondere der Vorwärmer 18 als Gegenstromwärmetauscher konfiguriert und der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 sind als Parallelstromwärmetauscher konfiguriert.
In anderen Ausführungsformen können alle oder im Wesentlichen alle Teile des Hauptwärmetauschers 34 als Parallelstromwärmetauscher konfiguriert sein oder alternativ können alle oder im Wesentlichen alle Teile des Hauptwärmetauscher 34 als Gegenstromwärmetauscher konfiguriert sein. In weiteren Ausführungsformen kann der Vorwärmer 18 eine Parallelstromkonfiguration aufweisen und der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 können eine Gegenstromkonfiguration aufweisen. In noch weiteren Ausführungsformen können jeweils der Vorwärmer 18, der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 unterschiedliche Strömungskonfigurationen aufweisen.
In der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen fließt das Arbeitsfluid 14 in den Vorwärmer 18 durch einen Einlass 48 im Vorwärmer 18 bei einer Temperatur zwischen ca. 110° Grad Celsius und ca. 130° Grad Celsius und Abgas 44 fließt in den Vorwärmer mit einer Temperatur zwischen ca. 240° Grad Celsius und ca. 260° Grad Celsius. In anderen Ausführungsformen kann das Arbeitsfluid 14 andere Temperaturen aufweisen in Abhängigkeit von den Strömungscharakteristiken (zum Beispiel der Strömungsrate, der Temperatur, dem Druck, etc.) des Abgases 44, dem jeweilig ausgewählten Arbeitsfluid 14 und dessen Charakteristiken (zum Beispiel dessen Siedepunkttemperatur, dessen chemische Aufschlusstemperatur, etc.), der Mengendurchflussrate des Arbeitsfluids 14 durch den Wärmeübertragungskreislauf 12 und Ähnliches.
Vom Einlass 48 bewegt sich das Arbeitsfluid 14 durch den ersten Strömungspfad 38 durch den Vorwärmer 18 in Richtung eines Auslasses 50 des Vorwärmers 18. Abgas 44 bewegt sich durch den zweiten Strömungspfad 42 des Vorwärmers 18 in Richtung eines Abgasauslasses 52. Während sich das Arbeitsfluid 14 und das Abgas 44 durch den Vorwärmer 18 jeweils entlang des ersten und zweiten Strömungspfads 38, 42 bewegen, überträgt der Vorwärmer 18 Wärmeenergie vorn Abgas 44 zum Arbeitsfluid 14.
Vom Auslass 48 des Vorwärmers 18 bewegt sich das Arbeitsfluid 14 entlang des ersten Strömungspfads 38 und durch einen Bypass 56 zu einem Einlass 58 des Verdampfers 20. In der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen fließt das Arbeitsfluid 14 in den Verdampfer 20 durch den Einlass 58 bei einer Temperatur zwischen ca. 140° Grad Celsius und ca. 160° Grad Celsius und das Abgas 44 fließt in dem zweiten Strömungspfad 42 durch einen Einlass 62 in den Verdampfer 20 bei einer Temperatur zwischen ca. 570° Grad Celsius und ca. 590° Grad Celsius.
In einigen Ausführungsformen beträgt die Temperatur des Arbeitsfluids 14 am Einlass 62 ca. 150° Grad Celsius. In anderen Ausführungsformen kann das Arbeitsfluid 14 andere Temperaturen aufweisen, abhängig von der Strömungscharakteristik (zum Beispiel der Strömungsrate, der Temperatur, dem Druck, etc.) des Abgases 44, des jeweilig ausgewählten Arbeitsfluids 14 und dessen Charakteristiken (zum Beispiel dessen Siedepunktemperatur, dessen chemische Aufschlusstemperatur, etc.), der Massendurchflussrate des Arbeitsfluid 14 durch den Wärmeübertragungskreislauf 12 und Ähnliches.
Nachdem das Arbeitsfluid 14 vor dem Eintritt in den Verdampfer 20 erhitzt wurde, wird der Temperaturgradient am Einlass 58 des Verdampfers 20 signifikant reduziert (zum Beispiel in einigen Ausführungsformen um beispielsweise ungefähr 10% oder zwischen ca. 30° Grad Celsius und ca. 40° Grad Celsius). In einigen Ausführungsformen kann der Temperaturgradient am Einlass 58 zwischen dem ersten Arbeitsfluid 14 und dem Abgas 44 um bis zu 32° Grad Celsius reduziert werden. Auf diese Art und Weise kann der thermische Stress, dem der Hauptwärmetauscher 34 ausgesetzt ist und insbesondere der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22 minimiert werden und die Ermüdungshaltbarkeit des Wärmerückgewinnungssystems 10 kann dadurch verbessert werden.
Weiterhin mit Bezug auf die in den 1 bis 3 gezeigte Ausführungsform; das Arbeitsfluid 14 und das Abgas 44 bewegen sich anschließend entlang von im Wesentlichen parallelen Abschnitten jeweils des ersten und zweiten Strömungspfads 38, 42 in Richtung des Überhitzers 22. Das Arbeitsfluid 14 kann in einen Einlass 62 des Überhitzers 22 bei einer Temperatur zwischen ca. 160° Grad Celsius und ca. 180° Grad Celsius einfließen und das Abgas 44 kann in einen Einlass 64 des Überhitzers 22 mit einer Temperatur zwischen ca. 490° Grad Celsius und ca. 460° Celsius einfließen. In anderen Ausführungsformen kann das Arbeitsfluid 14 andere Temperaturen aufweisen, in Abhängigkeit der Strömungscharakteristiken (zum Beispiel der Strömungsrate, der Temperatur, dem Druck, etc.), des jeweilig ausgewählten Arbeitsfluids 14 und dessen Charakteristiken (zum Beispiel dessen Siedepunkttemperatur, dessen chemische Aufschlusstemperatur, etc.), der Mengendurchflussrate des Arbeitsfluids 14 durch den Wärmeübertragungskreislauf 12 und Ähnliches. In ähnlicher Weise kann das Abgas 44 in anderen Ausführungsformen andere Temperaturen aufweisen, in Abhängigkeit zu dessen Strömungscharakteristiken (zum Beispiel der Strömungsrate, der Temperatur, dem Druck, etc.), des jeweils ausgewählten Arbeitsfluids 14 und dessen Charakteristiken (zum Beispiel dessen Siedepunktemperatur, dessen chemische Aufschlusstemperatur, etc.), der Mengendurchflussrate des Arbeitsfluids 14 durch den Wärmeübertragungskreislauf 12 und Ähnliches.
Während sich das Arbeitsfluid 14 und das Abgas 44 durch den Überhitzer 22 bewegen, überträgt der Überhitzer 22 Wärmeenergie vom Abgas 44 zum Arbeitsfluid 14, wobei dadurch die Temperatur des Arbeitsfluids 14, das den Überhitzer 22 durch einen Auslass 66 im Überhitzer 22 verlässt, erhöht. Auf diese Weise wird in einigen Ausführungsformen die Temperatur des Arbeitsfluids 14 auf zwischen ca. 220° Celsius und ca. 230° Celsius erhöht. In einigen Ausführungsformen beträgt die Temperatur des Arbeitsfluids 14 am Auslass 66 ca. 227° Celsius. In anderen Ausführungsformen kann das Arbeitsfluid 14 andere Temperaturen aufweisen, abhängig von den Strömungscharakteristiken (zum Beispiel der Strömungsrate, der Temperatur, dem Druck, etc.), des jeweilig ausgewählten Arbeitsfluids 14 und dessen Charakteristiken (zum Beispiel dessen Siedepunkttemperatur, dessen chemische Aufschlusstemperatur, etc.), der Mengendurchfluss rate des Arbeitsfluids 14 durch den Wärmeübertragungskreislauf 12 und Ähnliches.
In einigen Ausführungsformen, wie zum Beispiel der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen, in der der Überhitzer 22 eine Parallelstromkonfiguration aufweist, kann der Überhitzer 22 die Temperatur des Arbeitsfluids 14 drücken, so dass die Temperatur des Arbeitsfluid 14, das den Überhitzer 22 verlässt, innerhalb eines relativ schmalen Temperaturbereichs (zum Beispiel zwischen ca. 220° Celsius und ca. 230° Celsius) erhalten wird, ungeachtet eventueller Schwankungen in der Abgastemperatur, der Abgasströmungsrate und der Umgebungstemperaturen, wobei dabei der Wirkungsgrad der Turbine 24 verbessert und das Arbeitsfluid 14 vom erreichen einer chemischen Aufschlusstemperatur (zum Beispiel ca. 260° Celsius für R245fa) geschützt wird.
In einigen Ausführungsformen können eine oder zwei ausgewählt aus der Abgastemperatur, des Abgasdruckes und der Abgasströmungsrate, beruhend auf dem Fahrzeugmotorenzustand, signifikant variieren, umfassend der Menge an Treibstoff, die an den Motor zu einer bestimmten Zeit abgegeben wird. In einigen solcher Ausführungsformen kann der Überhitzer 22 über dimensioniert werden (zum Beispiel zumindest ca. 25% über den normalen Betriebsanforderungen), so dass, wenn der Gasfluss unterbrochen wird (zum Beispiel wenn die Treibstoffversorgung zum Fahrzeugmotor unterbrochen wird), im Wesentlichen das gesamte Arbeitsfluids 14, das sich entlang des ersten Strömungspfads 38 durch den Verdampfer 20 und den Überhitzer 22 bewegt, verdampft wird, bevor es in die Turbine 24 eintritt.
Vom Überhitzer 22 bewegt sich das Abgas 44 durch das Fahrzeugabgassystem und wird in die Atmosphäre mit einer reduzierten Temperatur ausgelassen und das Arbeitsfluid 14 wird durch die Turbine 24 zur Erzeugung von elektrischer Energie geführt. Während der Bewegung durch die Turbine 24 wird die Temperatur und der Druck des Arbeitsfluid 14 reduziert und in einigen Ausführungsfor men kondensiert zumindest einiges des Arbeitsfluids 14 in einen flüssigen Zustand. Das Arbeitsfluid 14 wird dann durch einen ersten Strömungspfad 70 des Rekuperators 16 in Richtung des Kondensators 26 geführt, wo dass Arbeitsfluid 14 in einen flüssigen Zustand kondensiert wird, bevor es durch einen zweiten Strömungspfad 72 des Rekuperators 16 geführt wird.
In einigen Ausführungsformen kann sich zumindest einiges des Arbeitsfluids 14 direkt von der Turbine 24 zum Kondensator 26 bewegen, den ersten Strömungspfad 70 des Rekuperators 16 umgehend und zumindest einiges des Arbeitsfluids 14 kann den zweiten Strömungspfad 72 des Rekuperators 16 umgehen. In noch weiteren Ausführungsformen kann das Wärmerückgewinnungssystem 10 ohne einen Rekuperator 16 betrieben werden.
In den Ausführungsformen des Wärmerückgewinnungssystems 10, die einen Rekuperator 16 aufweisen, wie in der Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, bewegt sich das Arbeitsfluid 14 durch den ersten Strömungspfad 70 und weist eine erhöhte Temperatur (beispielweise zwischen ca. 160° Celsius und ca. 180° Celsius) auf und überträgt Wärmeenergie zum Arbeitsfluid 14, das sich durch den zweiten Strömungspfad 72 bewegt, das eine niedrigere Temperatur aufweist (zum Beispiel zwischen ca. 50° Celsius und ca. 60° Celsius). Nachdem das Arbeitsfluid 14 in dem Rekuperator 16 erhitzt wird, wird das Arbeitsfluid 14 zum Vorwärmer 18 zurückgeführt und durch den Wärmeübertragungskreislauf 12, wie oben beschrieben wiederaufbereitet.
In einigen Ausführungsformen kann das Arbeitsfluid 14 einen Druck zwischen ca. 3400 kPa und ca. 3550 kPa zwischen dem Vorwärmer 18 und der Turbine 24 aufweisen und das Abgas 44 kann einen Druck zwischen ca. 245 kPa und ca. 285 kPa aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann das Arbeitsfluid 14 andere Temperaturen und Drücke, als die oben mit Bezug auf die gezeigte Ausführungsform in den 1 bis 3 erwähnten, aufweisen, abhängig von zumindest der Abgastemperatur und Druck, dem jeweiligen Arbeitsfluid 14 oder der Konfiguration (beispielsweise der Form, der Größe und der Orientierung) des Vorwärmers 18, des Verdampfers 20 und des Überhitzers 22. In ähnlicher Weise kann das Abgas 44 andere Temperaturen und Drücke aufweisen, als die oben mit Bezug auf die gezeigte Ausführungsform in den 1 bis 3 erwähnten, in Abhängigkeit von zumindest der chemischen Aufschlusstemperatur des Arbeitsfluids 14, der Mengendurchflussrate des Treibstoffs zum Fahrzeugmotor, dem Typ und der Konstruktion des Fahrzeugsmotors oder der Konfiguration (z. B. der Form, der Größe und der Orientierung) des Vorwärmers 18, des Verdampfers 20 und des Überhitzers 22.
Die Konfiguration (beispielsweise die Größe, die Form, die Orientierung, etc.) eines jeden Elements des Wärmerückgewinnungssystems 10 (z. B. der Vorwärmer 18, der Verdampfer 20 und der Überhitzer 22) und die Strömungspfade (z. B. Parallelstrom, Gegenstrom, etc.), die sich durch jedes Element des Wärmerückgewinnungssystem 10 erstrecken, können derart gestaltet werden, um sicherzustellen, dass die Temperatur des Arbeitsfluids 14 nicht über die chemische Aufschlusstemperatur des Arbeitsfluids 14 steigt und um sicherzustellen, dass Hot Spots 78 längs des ersten Strömungspfads 38 keine Temperatur über der chemischen Aufschlusstemperatur des Arbeitsfluids 14 erreichen. In ähnlicher Weise kann die Anzahl, die Form, die Größe und die Orientierung von Rippen und die Wärmeübertragungskoeffizienten eines jeden Elements des Wärmerückgewinnungssystems 10 ausgewählt sein, um sicherzustellen, dass die Temperatur des Arbeitsfluids 14 nicht die chemische Aufschlusstemperatur des Arbeitsfluids 14 während des Betriebs des Wärmerückgewinnungssystems 10 erreicht.
In der gezeigten Ausführungsform in den 1 bis 3 umfasst das Wärmerückgewinnungssystem 10 einen einzelnen Vorwärmer 18, der entlang des Wärmeübertragungskreislaufs 12 positioniert ist. Allerdings kann das Wärmerückgewinnungssystem 10 in einigen Ausführungsformen einen zweiten Vorwärmer 18 umfassen, der stromaufwärts vom Verdampfer 20 entlang des Wärmeübertragungskreislaufs 12 positioniert ist. In diesen Ausführungsformen überträgt der zweite Vorwärmer 18 Wärmeenergie vom Abgas 44 zum Arbeitsfluid 14, so dass das Abgas 44 den Verdampfer 20 mit einer reduzierten Temperatur betritt, dadurch wird die Wandtemperatur des Verdampfers 20 gesenkt und hilft dies sicherzustellen, dass die Temperatur des Arbeitsfluids 14, das sich durch den Verdampfer 20 bewegt, nicht die chemische Aufschlusstemperatur des Arbeitsfluids 14 erreicht.
In einigen Ausführungsformen tritt das Arbeitsfluid 14 aus dem zweiten Vorwärmer 18 in einem flüssigen Zustand, mit wenig oder keinem Dampf aus, wobei dadurch die Flüssigkeitsströmung durch den Wärmeübertragungskreislauf 12 zum Verdampfer 20 verbessert wird. In einigen Ausführungsformen tritt zumindest einiges des Arbeitsfluids 14 aus dem Vorwärmer 18 in einem dampfförmigen Zustand aus.
In einigen Ausführungsformen kann das Wärmerückgewinnungssystem 10 einen Kontroller umfassen. In einigen solcher Ausführungsformen kann das Wärmerückgewinnungssystem 10 ebenfalls einen Sensor, der benachbart oder stromauf vom Einlass 58 des Verdampfers 20 positioniert ist, zum Messen einer Temperatur oder eines Druckes des Arbeitsfluids 14, zumindest einen alternativen Strömungspfad, der längs des Wärmübertragungskreislaufes 12 angeordnet ist und eine Ventilanordnung zur Regelung der Strömung des Arbeitsfluids entlang des ersten Strömungspfades 38 und entlang des alternativen Strömungspfades umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Ventilanordnung eines oder mehrerer magnetgeregelter Ventile umfassen.
In diesen Ausführungsformen kann der Kontroller die Ventilanordnung steuern, um das Arbeitsfluid 14 durch den alternativen Strömungspfad zurückführen, den Vorwärmer 18 umgehend, wenn der Sensor eine Temperatur außerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs misst. Auf diese Art und Weise kann der Kontroller ein Arbeitsfluid 14 mit relativ niedriger Temperatur zum Einlass 58 des Verdampfers 20 führen, so dass das Arbeitsfluid 14, das den Verdampfer 20 betritt nicht über eine Temperatur oberhalb der chemischen Aufschlusstemperatur des Arbeitsfluids 14 erhitzt wird.
In einigen Ausführungsformen kann das Wärmerückgewinnungssystem 10 andere Ventilanordnungen und andere alternative Strömungspfade, die um den Wärmeübertragungskreislauf angeordnet sind, aufweisen, um selektiv eines oder mehrere Elemente des Wärmerückgewinnungssystems 10 oder Teile eines oder mehrere Elemente des Wärmerückgewinnungssystem 10 zu umgehen, in Reaktion zu Änderungen der Charakteristiken (z. B. der Temperatur, des Drucks, der Flussrate, etc.) des Abgases 44, das sich durch das Wärmerückgewinnungssystem 10 bewegt.
Die 4 bis 9 zeigen eine alternative Ausführungsform eines Wärmerückgewinnungssystems 210 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Wärmerückgewinnungssystem 210, das in den 4 bis 9 gezeigt ist, ist in vielfacher Art ähnlich zu den gezeigten Ausführungsformen der 1 bis 3, die oben beschrieben wurden. Dementsprechend wird mit Ausnahme der sich gegenseitig widersprechenden Merkmale und Elemente zwischen der Ausführungsform aus den 4 bis 9 und der Ausführungsformen der 1 bis 3 auf die obige Beschreibung bezüglich der Ausführungsformen der 1 bis 3 für eine vollständigere Beschreibung der Merkmale und Elemente (und der Alternativen zu den Merkmalen und Elementen) der Ausführungsform der 4 bis 9 verwiesen. Merkmale und Elemente in der Ausführungsform der 4 bis 9, die Merkmalen und Elementen in den Ausführungsformen der 1 bis 3 entsprechen, sind mit der 200er Zahlenfolge nummeriert.
Wie in den 4 bis 9 gezeigt, kann das Wärmerückgewinnungssystem 210 einen Wärmeübertragungskreislauf 212 umfassen, der ein Volumen eines ersten Arbeitsfluids (z. B. R245fa, Wasser, CO₂, ein organisches Kühlmittel und Ähnliches) (dargestellt durch die Pfeile 214 in den 4, 5, 6 und 9) aufweisen. In der in den 4 bis 9 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der Wärmeübertragungskreislauf 212 zwischen und flüssigkeitsverbunden einem ersten Wärmetauscher oder Rekuperator 216, einem Vorwärmer 218, einem Verdampfer 220, einem Überhitzer 222, einer Turbine 224, einem zweiten Wärmetauscher oder Kondensator 226, einer Dampfkammer oder Receiver 228, einem dritten Wärmetauscher oder Vorkühler 230 und einer Pumpe 331.
In einigen Ausführungsformen, solche wie die in den 4 bis 9 dargestellte Ausführungsform, können der Rekuperator 216, der Kondensator 226, der Receiver 228 und der Vorkühler 230 von einem einzelnen integralen Gehäuse 236 umschlossen oder zumindest teilweise umschlossen werden. In anderen Ausführungsformen können zwei oder drei ausgewählt aus dem Rekuperator 216, dem Kondensator 226, dem Receiver 228 und dem Vorkühler 230 von dem Gehäuse 236 umfasst oder zumindest teilweise umfasst werden. In noch anderen Ausführungsformen können jeweils der Rekuperator 216, der Kondensator 226, der Receiver 228 und der Vorkühler 230 separat in einem Gehäuse angeordnet werden. In solchen Ausführungsformen können der Rekuperator 216, der Kondensator 226, der Receiver 228 und der Vorkühler 230 an einer einzelnen Position am Fahrzeug oder im Gebäude zusammen gruppiert werden oder alternativ können der Rekuperator 216, der Kondensator 226, der Receiver 228 und der Vorkühler 230 an unterschiedlichen Positionen um das Fahrzeug (z. B. unter dem Fahrzeugrahmen, im Fahrzeugmotorenraum, im Kofferraum des Fahrzeugs und im Fahrgastinnenraum) oder einem Gebäude verteilt werden.
Alternativ oder zusätzlich können der Rekuperator 216, der Kondensator 226, der Receiver 228 und der Vorkühler 230 in einer einzelnen integralen Einheit verbunden sein und/oder als eine Einheit vor der Installation in einem Fahrzeug oder einem Gebäude zusammengebaut werden. In anderen Ausführungsformen können zwei oder drei ausgewählt aus dem Rekuperator 216, dem Kondensator 226, dem Receiver 228 und dem Vorkühler 230 in einer einzelnen integralen Einheit verbunden sein und/oder als Einheit vor der Installation in einem Fahrzeug oder einem Gebäude zusammengebaut sein.
Zusätzlich kann in einigen Ausführungsformen der Vorwärmer 218, der Verdampfer 220 und der Überhitzer 222 in einem weiteren einzelnen integralen Gehäuse 232 umfasst oder zumindest teilweise umfasst werden, wie oben mit Bezug auf die in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform beschrieben wurde. In weiteren Ausführungsformen können zwei ausgewählt aus dem Vorwärmer 218, dem Verdampfer 220 und dem Überhitzer 222 in einem Gehäuse 232 umfasst oder zumindest teilweise umfasst werden. In noch anderen Ausführungsformen können jeweils der Vorwärmer 218, der Verdampfer 220 und der Überhitzer 222 separat in einem Gehäuse angeordnet sein. In solchen Ausführungsformen können der Vorwärmer 218, der Verdampfer 220 und der Überhitzer 222 an einem einzelnen Ort an einem Fahrzeug oder in einem Gebäude zusammen gruppiert sein oder alternativ können der Vorwärmer 218, der Verdampfer 220 und der Überhitzer 222 an unterschiedlichen Orten an dem Fahrzeug (z. B. unter dem Fahrzeugrahmen, im Fahrzeugmotorraum, im Fahrzeugkofferraum und in der Fahrzeugfahrgastzelle) oder im Gebäude verteilt werden.
Alternativ oder zusätzlich können der Vorwärmer 218, der Verdampfer 220 und der Überhitzer 222 in einer einzelnen integralen Einheit verbunden sein und/oder als Einheit vor der Installation in ein Fahrzeug oder einem Gebäude zusammengebaut sein. In anderen Ausführungsformen können zwei ausgewählt aus dem Vorwärmer 218, dem Verdampfer 220 und dem Überhitzer 222 in einer einzelnen integralen Einheit verbunden sein und/oder als Einheit vor der Installation in einem Fahrzeug oder einem Gebäude zusammengebaut sein.
In Ausführungsformen, solche wie die gezeigte Ausführungsform in den 4 bis 9, in denen der Rekuperator 216, der Kondensator 226, der Receiver 228 und der Vorkühler 230 in einer einzelnen integralen Einheit verbunden sind und/oder in einem einzelnen integralen Gehäuse 236, kann das Gehäuse 236 aus einer Anzahl von benachbarten oder geschichteten Platten 240 geformt sein, die einen ersten Strömungspfad 246 für das erste Arbeitsfluid 214 und einen zweiten Strömungspfad 250 für das zweite Arbeitsfluid oder Kühlmittel (dargestellt durch die Pfeile 254 in 6) definieren.
In einigen Ausführungsformen, wie zum Beispiel die in den 4 bis 9 dargestellte Ausführungsform, kann das Gehäuse 236 hergestellt sein aus Aluminiumblechen, die gestanzt, geschnitten, gegossen, gewalzt oder auf ähnliche Art und Weise geformt werden, damit diese eine erwünschte Form aufweisen. In weiteren Ausführungsformen kann das Gehäuse 236 aus anderen Materialien (beispielsweise aus Stahl, Eisen und anderen Metallen, Verbundwerkstoffen und Ähnliches) hergestellt werden und kann durch die Verwendung von anderen konventionellen Formtechniken geformt werden.
In der in den 4 bis 9 dargestellten Ausführungsform umfasst das Gehäuse 236 erste, zweite, dritte, vierte und fünfte gestapelte Platten 240A, 240B, 240C, 240D, 240E, die zusammen den Rekuperator 216, den Kondensator 226, den Receiver 228 und den Vorkühler 230 zumindest teilweise umschließen. In anderen Ausführungsformen kann das Gehäuse 236 zwei, drei, vier, oder mehr gestapelte Platten 240 umfassen, die zusammen zumindest einen ausgewählt aus dem Rekuperator 216, dem Kondensator 226, dem Receiver 228 und dem Vorkühler 230 zusammen umschließen oder zumindest teilweise umschließen.
In den 5 bis 9 ist eine Strömung in die Seite hinein mit einem Kreuz in einem Kreis dargestellt und eine Strömung aus der Seite heraus ist mit einem schwarzen Punkt dargestellt. Während des Betriebs des Wärmerückgewinnungssystems 210 verlässt das erste Arbeitsfluid 214 die Turbine 224 und betritt den Rekuperator 216 durch einen Rekuperatoreinlass 268 bei einer Temperatur zwischen ca. 160 Grad Celsius und ca. 180 Grad Celsius. Das erste Arbeitsfluid 214 bewegt sich dann entlang des ersten Strömungspfads 246 durch einen ersten Bewegungspfad 272 des Rekuperators 216. In einigen Ausführungsformen tritt das erste Arbeitsfluid 214 in den Einlass 268 mit ca. 170 Grad Celsius ein. In anderen Ausführungsformen kann das erste Arbeitsfluid 214 in den Einlass 268 bei anderen Temperaturen eintreten, abhängig von den Strömungscharakteristiken (z. B. der Strömungsrate, der Temperatur, des Drucks, etc.) des ersten Arbeitsfluids 214, dem jeweilig ausgewählten ersten Arbeitsfluid 214 und dessen Charakteristiken (z. B. dessen Siedepunkttemperatur, dessen chemische Aufschlusstemperatur etc.), dem Mengendurchfluss des ersten Arbeitsfluids 214 durch den Wärmeübertragungskreislauf 212 und Ähnliches.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Rekuperator 216 einen Diffuser 274, der nach außen divergierende Wände aufweist. In diesen Ausführungsformen bewegt sich das erste Arbeitsfluid 214 entlang des ersten Strömungspfads 246, betritt den Einlass 268 des Rekuperators 216 und bewegt sich durch den Diffuser 274, wo die nach außen divergierenden Wände (nicht gezeigt) des Diffuser 274 die Strömungsrate des ersten Arbeitsfluids 214 verlangsamen, wobei zumindest teilweise der dynamische Druck des ersten Arbeitsfluids 214 in einen statischen Druck umgewandelt wird.
In einigen Ausführungsformen kann der Rekuperator 216 oder das Gehäuse 236 Vorsprünge oder Nasen aufweisen, die sich nach außen von einer äußeren Wand erstrecken. Die Nasen können benachbart zum Einlass 268 des Rekuperators 216 angeordnet sein oder alternativ an einer anderen Position an dem Gehäuse 236 oder des Rekuperators 216. In einigen Ausführungsformen können die Nasen vom Rekuperator 216 oder dem Gehäuse 236 abgenommen werden, nachdem der Rekuperator 216 und/oder das Gehäuse 236 an einem Fahrzeug oder einem Gebäude gesichert ist/sind oder alternativ, nachdem der Rekuperator 216 gesichert ist (z. B. hart gelötet, gelötet, geschweißt oder auf andere Weise verbunden) an einem oder mehreren ausgewählt aus dem Kondensator 226, dem Verdampfer 220, dem Vorkühler 230 und/oder dem Gehäuse 236. Alternativ oder zusätzlich können die Nasen bei der Verbindung des Rekuperators 216 und/oder die Verbindung des Gehäuses 236 unterstützen.
In der in den 4 bis 9 dargestellten Ausführungsform bewegt sich das erste Arbeitsfluid 214 aus dem ersten Bewegungspfad 272 des Rekuperators 216 und in den Kondensator 226 durch einen Kondensatoreinlass 276 und das zweite Arbeitsfluid 254 (z. B. Wasser, eine Wasser/Glykolmischung, Luft, CO₂, ein organisches Kühlmittel und Ähnliches) bewegt sich entlang des zweiten Strömungspfads 250 durch den Kondensator 226. Während das erste Arbeitsfluid 214 sich entlang des ersten Strömungspfads 246 vom Einlass 276 in Richtung eines Auslasses 278 bewegt, überträgt der Kondensator 226 Wärmeenergie vom ersten Arbeitsfluid 214 zum zweiten Arbeitsfluid 254. In einigen Ausführungsformen wandelt der Kondensator 226 zumindest einen Teil des ersten Arbeitsfluids 214 von einem dampfförmigen Zustand in einen flüssigen Zustand um. Der Kondensator 226 kann ebenfalls einen Schlitz oder eine Aussparung 280 umfassen, die sich durch zumindest einen Teil des Gehäuses 232 erstreckt und die zum Detektieren oder Überwachen der Dichtheit verwendet werden kann.
In der in den 4 bis 9 dargestellten Ausführungsform, ist der Kondensator 226 als ein Kreuzstromwärmetauscher konfiguriert, so dass der erste Strömungspfad 246 oder ein Teil des ersten Strömungspfads 246 gegenüber oder entgegen des zweiten Strömungspfads 250 oder eines Teils des zweiten Strömungspfads 250 ist. In anderen Ausführungsformen kann der Kondensator 226 andere Konfigurationen und Anordnungen aufweisen, solche wie zum Beispiel eine Parallelstrom- oder Gegenstromkonfiguration.
In einigen Ausführungsformen, wie z. B. die dargestellte Ausführungsform in den 4 bis 9, kann der zweite Strömungspfad 250 ein geschlossener Kreislauf sein und das zweite Arbeitsfluid 254 kann durch den Kondensator 226 kontinuierlich wieder aufbereitet werden. In anderen Ausführungsformen kann der zweite Strömungspfad 250 zur Atmosphäre hin geöffnet sein.
Vom Auslass 278 des Kondensators 226 bewegt sich das Arbeitsfluid 214 entlang des ersten Strömungspfads 246 durch einen Einlass 282 in den Receiver 228. Während das erste Arbeitsfluid 214 sich durch den Receiver 228 bewegt, kann Dampf vorn ersten Arbeitsfluid 214 separiert werden und durch ein oder mehrere Entlüftungen im Receiver 228 entweichen. In einigen Ausführungsformen können die Entlüftungen zeitlich festgelegt oder programmiert sein (z. B. die Entlüftungen können magnetgeregelte Ventile umfassen), um sich bei vorbestimmten Intervallen zu öffnen oder alternativ können die Entlüftungen geöffnet werden, wenn einer oder mehrere Sensoren feststellen, dass die Temperatur und/oder der Druck des ersten Arbeitsfluids 214, das sich durch den Receiver 228 bewegt, außerhalb eines vorbestimmten Temperatur- und/oder Druckbereiches vorliegt. In Ausführungsformen, in welchen der Receiver 228 Entlüftungen umfasst, können die Entlüftungen eine Kavitation des ersten Arbeitsfluids 214 innerhalb der Pumpe 231 verhindern.
Nach der Bewegung durch den Receiver 228 bewegt sich das erste Arbeitsfluid 214 weiter entlang des ersten Strömungspfads 246 durch einen Einlass 284 in den Vorkühler 230 in Richtung eines Auslasses 290. In einigen Ausführungsformen umfasst der Vorkühler 230 einen Strömungspfad 286 für ein zweites Arbeitsfluid (z. B. Wasser, eine Wasser-/Glykolmischung, Luft, CO₂, ein organisches Kühlmittel und Ähnliches) 292 zur Kühlung des ersten Arbeitsfluids 214, während das erste und zweite Arbeitsfluid 214, 292 sich durch den Vorkühler 230 bewegen.
In einigen solcher Ausführungsformen ist das zweite Arbeitsfluid 292 des Vorkühlers 230 und das zweite Arbeitsfluid 254 des Kondensators 226 das Gleiche. In diesen Ausführungsformen kann der Strömungspfad 286 des Vorkühlers 230 mit dem Kondensator 226 verbunden sein, so dass das zweite Arbeitsfluid 254 sich sowohl durch den Vorkühler 230 als auch durch den Kondensator 226 bewegt. In anderen Ausführungsformen können im Vorkühler 230 und im Kondensator 226 unterschiedliche Arbeitsfluide eingesetzt werden und die Strömungspfade 286, 292 des Kondensators 226 und des Vorkühlers 230 können abgetrennt sein.
In anderen Ausführungsformen kann das Wärmerückgewinnungssystem 210 Isolierungen umfassen, die zwischen zwei oder mehreren ausgewählt aus dem Rekuperator 216, dem Kondensator 226, dem Receiver 228 und dem Vorkühler 230 oder zwischen den Platten 240 des Gehäuses 236 angeordnet sind. In einigen solcher Ausführungsformen kann das Wärmerückgewinnungssystem 210 eine Platte 240 umfassen, die einen hohlen Innenraum oder einen im Wesentlichen hohlen Innenraum aufweist, der zwischen der ersten und der dritten Platte 240A, 240C und zwischen dem Vorkühler 230 und dem Kondensator 226 positioniert ist, um eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Arbeitsfluid 214 im Vorkühler 230 und dem zweiten Arbeitsfluid 254 im Kondensator 226 zu verhindern und/oder zu reduzieren oder alternativ eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Arbeitsfluid 214 im Vorkühler 230 und dem ersten Arbeitsfluid 214 im Kondensator 226 zu verhindern und/oder zu reduzieren. In einigen Ausführungsformen kann der hohle Innenraum einer solchen Platte 240, Rippen umfassen und kann ein Luftvolumen aufnehmen. In anderen Ausführungsformen kann der hohle Innenraum einer solchen Platte 240 andere strukturelle Abstützungen umfassen und kann weitere Isolierungsmaterialien umfassen oder alternativ kann Luft aus dem hohlen Inneren evakuiert werden, um eine Übertragung von Wärme von einer Seite der Platte 240 zu einer gegenüberliegenden Seite der Platte 240 zu verhindern.
Während das erste Arbeitsfluid 214 sich durch den Vorkühler 230 bewegt, überträgt der Vorkühler 230 Wärmeenergie vom ersten Arbeitsfluid 214 zum zweiten Arbeitsfluid 292, um das erste Arbeitsfluid 214 auf eine Temperatur unterhalb der Sättigungstemperatur des ersten Arbeitsfluids 214 zu senken, so dass das erste Arbeitsfluid 214 eine ausreichende Haltedruckhöhe vor dem Eintritt in die Pumpe 231 aufweist. In einigen Ausführungsformen kühlt der Vorkühler 230 ebenfalls das erste Arbeitsfluid 214 um eine Kavitation des ersten Arbeitsfluids 214 zu verhindern, während sich das erste Arbeitsfluid 214 durch die Pumpe 231 bewegt.
In der in den 4 bis 9 gezeigten Ausführungsform ist der Vorkühler 230 als ein einzelner Durchlaufwärmetauscher mit einem ersten und einem zweiten Arbeitsfluid 214, 292, die sich entlang eines kreuzgeführten Strömungspfades bewegen, konfiguriert. In anderen Ausführungsformen kann der Vorkühler 230 als ein Mehrfachdurchlaufwärmetauscher konfiguriert sein und das erste und zweite Arbeitsfluid 214, 292 kann sich entlang eines kreuzgeführten Strömungspfades, eines gegen geführten Strömungspfades oder eines im Wesentlichen parallel geführten Strömungspfades bewegen.
Vom Auslass 290 des Vorkühlers 230 bewegt sich das erste Arbeitsfluid 214 entlang des ersten Strömungspfads 246 in Richtung der Pumpe 231. In der in den 4 bis 9 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich der erste Strömungspfad 246 nach oben von der ersten Platte 240A durch die zweite, dritte und vierte Platte 240B, 240C, 240D und aus dem Gehäuse 236 durch eine Öffnung 294 in der fünften Platte 240E. In anderen Ausführungsformen kann der erste Strömungspfad 246 andere Orientierungen aufweisen, kann eine Strömung durch das Gehäuse 236 und kann das Gehäuse 236 durch eine Öffnung 294 in irgendeiner der ersten, zweiten, dritten oder vierten Platte 240A, 240B, 240C, 240D verlassen.
In Ausführungsformen, wie die Ausführungsform, die in den 4 bis 9 gezeigt ist, in denen das Wärmerückgewinnungssystem 210 eine Pumpe 231 umfasst, arbeitet die Pumpe 231, um den Druck des ersten Arbeitsfluids 214 innerhalb eines erwünschten Druckbereichs aufrecht zu erhalten, während das erste Arbeitsfluid 214 durch den ersten Strömungspfad 246 fließt. Wie in den 4 bis 9 gezeigt, kann die Pumpe 231 außerhalb und benachbart zum Gehäuse 236 angeordnet werden. Alternativ kann die Pumpe 231 gesichert werden an oder integral ausgebildet werden mit dem Gehäuse 236, so dass das Gehäuse 236 und die Pumpe 231 verbunden werden können als eine einzelne integrale Einheit und/oder als eine Einheit vor der Installation in ein Fahrzeug oder ein Gebäude zu sammengebaut werden. In anderen Ausführungsformen kann die Pumpe 231 innerhalb des Gehäuses 231 angeordnet werden.
Von der Pumpe 231 bewegt sich das erste Arbeitsfluid 214 entlang des ersten Strömungspfads 246 in Richtung eines Einlasses 296 zum zweiten Bewegungspfad 270 des Rekuperators 216. In der in den 1 bis 9 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der erste Strömungspfad 246 durch eine Öffnung in der fünften Platte 240E und nach unten durch die vierte und fünfte Platte 240D, 240E, vor denn Eintritt in den zweiten Bewegungspfad 270, der sich durch die dritte Platte 240C des Gehäuses 236 erstreckt. In anderen Ausführungsformen kann der zweite Bewegungspfad 240 des Rekuperators 216 andere Lagen aufweisen, solche wie zum Beispiel in der ersten, zweiten, vierten oder fünften Platte 240A, 240B, 240E und der Strömungspfad 246 kann andere Orientierungen aufweisen und kann das Gehäuse 236 durch eine Öffnung 294 in irgendeiner der ersten, zweiten, dritten, oder fünften Platte 240A, 240B, 240C, 240D betreten.
Während das Arbeitsfluid 214 sich durch den Rekuperator 216 bewegt, überträgt der Rekuperator 216 Wärmeenergie vom ersten Arbeitsfluid 214, das sich durch den ersten Bewegungspfad 272 des Rekuperators 216 bewegt zum ersten Arbeitsfluid 214, das sich durch den zweiten Bewegungspfad 270 des Rekuperators 216 bewegt, übertragen, um die Temperatur und/oder den Druck des ersten Arbeitsfluids 214, das in den Vorwärmer 218 tritt, zu erhöhen. Alternativ oder zusätzlich verbessert der Rekuperator 216 den Wirkungsgrad des Wärmerückgewinnungssystems 210 durch Speicherung von Wärmeenergie.
In der in den 4 bis 9 gezeigten Ausführungsform ist der Rekuperator 216 als ein Mehrfachdurchlaufwärmetauscher konfiguriert mit dem ersten und zweiten Bewegungspfad 272, 270, die orientiert sind, um eine kreuzgerichtete Strömung bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen kann der Rekuperator 216 als ein Einzeldurchlaufwärmetauscher konfiguriert sein und der erste und zweite Bewegungspfad 272, 270 können orientiert sein, um eine Parallelströmung oder eine gegengerichtete Strömung bereitzustellen.
In der in den 4 bis 9 gezeigten Ausführungsform bewegt sich das erste Arbeitsfluid 214 entlang des ersten Strömungspfads 246 vom zweiten Bewegungspfad 270 des Rekuperators 216 durch den Vorwärmer 218, den Verdampfer 220 und den Überhitzer 222, bevor dieses zur Turbine 224 zurückgeführt wird. In anderen Ausführungsformen kann das erste Arbeitsfluid 214 oder zumindest ein Teil des ersten Arbeitsfluids 214 einen oder mehrere ausgewählt aus dem Vorwärmer 218, dem Verdampfer 220 und dem Überhitzer 222 umgehen. In noch weiteren anderen Ausführungsformen kann das Wärmerückgewinnungssystem 210 lediglich einen oder alternativ lediglich zwei ausgewählt aus dem Vorwärmer 218, dem Verdampfer 220 und dem Überhitzer 222 umfassen.
In einigen Ausführungsformen, solchen wie die dargestellte Ausführungsform in den 4 bis 9, in welchen der Rekuperator 216, der Kondensator 226, der Receiver 228 und der Vorkühler 230 in einem einzelnen Gehäuse 236 umfasst sind, verbunden in einer einzelnen integralen Einheit und/oder als eine Einheit vor der Installation zusammengebaut in einem Fahrzeug oder einem Gebäude kann der Vorkühler 230 am Boden oder am untersten Teil des Gehäuses 236 angeordnet werden, der Rekuperator 260 kann an einem Ende des Gehäuses 236 angeordnet werden, der Receiver 228 kann am gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 236 angeordnet werden und der Kondensator 226 kann an einem zentralen Teil des Gehäuses 236 angeordnet werden. In anderen Ausführungsformen können der Rekuperator 216, der Kondensator 226, der Receiver 228 und der Vorkühler 230 andere Orientierungen und Lagen innerhalb des Gehäuses 236 aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere ausgewählt aus dem Rekuperator 216, dem Kondensator 226, dem Receiver 228 und dem Vorkühler 230 außerhalb des Gehäuses angeordnet werden.
Die Ausführungsformen, die oben beschrieben sind und in den Figuren dargestellt sind, stellen lediglich Beispiele dar und sollen keine Beschränkung des Konzepts und der Prinzipien der vorliegenden Erfindung intendieren. Als solches wird ein Durchschnittsfachmann erkennen können, dass unterschiedliche Veränderungen in den Elementen und deren Konfiguration und Anordnungen möglich sind, ohne vom Sinn und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel, während hierin auf ein Wärmerückgewinnungssystem 10 verwiesen wird, das eine Turbine 24 aufweist, die betrieben werden kann, um Wärmeenergie vom Motorenabgas 44 zurückzugewinnen, kann die vorliegende Erfindung ebenso oder alternativ verwendet werden, mit anderen Geräten, beispielsweise einem thermoelektrischen (z. B. ein Festkörperelektronisches) Gerät.

Claims

Ein Abgasrückgewinnungswärmetauscher umfassend: ein Gehäuse, das einen Arbeitsfluideinlass, einen Arbeitsfluidauslass zur Abgabe von überhitztem Dampf, einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass aufweist; einen Abgasströmungspfad, der sich durch das Gehäuse zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass erstreckt; und einen Arbeitsfluidströmungspfad, der sich durch das Gehäuse zwischen dem Arbeitsfluideinlass und dem Arbeitsfluidauslass erstreckt und aufweisend einen ersten Teil, benachbart zum Arbeitsfluideinlass und einen zweiten Teil, beabstandet vom Arbeitsfluideinlass, eine Strömung des Arbeitsfluids entlang des ersten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads liegt im Wesentlichen entgegen zu einer Strömung des Abgases entlang des Abgasströmungspfads, benachbart zum ersten Teil des Arbeitsfluidströmungspfads vor, um Wärme von der Strömung des Abgases, das sich entlang des Abgasströmungspfads bewegt, zu erhalten, wobei die Strömung des Arbeitsfluids entlang des zweiten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads im Wesentlichen parallel zu der Strömung des Abgases entlang des Abgasströmungspfads, benachbart zum zweiten Teil des Arbeitsfluidströmungspfads vorliegt.
Der Abgaswärmerückgewinnungswärmetauscher aus Anspruch 1, wobei Wärme, die von der Strömung des Abgases, das sich entlang des Abgasströmungspfads bewegt, zum Arbeitsfluid, das sich entlang des zweiten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads bewegt, übertragen wird, wobei das Arbeitsfluid verdampft und überhitzt, bevor das Arbeitsfluid das Gehäuse durch den Arbeitsfluidauslass verlässt.
Der Abgaswärmerückgewinnungswärmetauscher aus Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse im Wesentlichen einen Verdampfer, anwendbar zum Verdampfen von zumindest einem Teil der Strömung des Arbeitsfluids, das sich entlang des zweiten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads bewegt, einen Überhitzer, anwendbar zum Überhitzen des Stroms des Arbeitsfluids, das sich entlang des zweiten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads bewegt und einen Vorheizer, der entlang des ersten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads angeordnet ist und anwendbar ist zum Übertragen von Wärme von der Strömung des Abgases zur Strömung des Arbeitsfluids, das sich entlang des ersten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads bewegt, bevor das Arbeitsfluid den Verdampfer betritt, umhüllt.
Der Abgasrückgewinnungswärmetauscher aus Anspruch 3, wobei Wärme von der Abgasströmung zur Arbeitsfluidströmung in zumindest dem Verdampfer oder dem Überhitzer übertragen wird, bevor die Abgasströmung den Vorwärmer betritt.
Der Abgaswärmerückgewinnungswärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich ein Bypass äußerlich vom Gehäuse zwischen einem Auslass des Vorheizers und einem Auslass des Verdampfers erstreckt, wobei der Arbeitsfluidströmungspfad sich durch den Bypass erstreckt.
Der Abgaswärmerückgewinnungswärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher anwendbar ist zur Reduzierung einer Temperaturdifferenz zwischen der Strömung des Abgases, benachbart zum Abgaseinlass und des Arbeitsfluids im Arbeitsfluidströmungspfad, benachbart zum Abgaseinlass.
Ein Abgaswärmerückgewinnungswärmetauscher umfassend: einen Verdampfer, anwendbar zum Verdampfen einer Strömung von Arbeitsfluid; einen Überhitzer, anwendbar zum Überhitzen der Strömung des Arbeitsfluids, erhalten vom Verdampfer; ein Vorwärmer, anwendbar zum Übertragen von Wärme von einer Strömung von Abgas, nachdem die Abgasströmung den Überhitzer verlassen hat, zu der Strömung des Arbeitsfluids, bevor die Strömung des Arbeitsfluids den Verdampfer betritt; und ein Gehäuse, das den Verdampfer, den Überhitzer und den Vorheizer umhüllt und aufweisend einen Arbeitsfluideinlass, kommunizierend mit dem Vorheizer, zur Bereitstellung der Strömung des Arbeitsfluids zu dem Vorheizer, einen Arbeitsfluidauslass zum Auslassen von überhitztem Arbeitsfluiddampfes vom Überhitzer, einen Abgaseinlass für die Bereitstellung von Abgas an den Verdampfer und einen Abgasauslass zum Ablassen des Abgases.
Der Abgaswärmerückgewinnungswärmetauscher aus Anspruch 7, weiterhin umfassend einen Arbeitsfluidströmungspfad, der sich durch das Gehäuse zwischen dem Arbeitsfluideinlass und dem Arbeitsfluidauslass erstreckt, wobei die Strömung des Arbeitsfluids, die sich entlang des Arbeitsfluidströmungspfads bewegt, zumindest durch den Verdampfer oder den Vorheizer, im Wesentlichen entgegen der Strömung des Abgases durch zumindest den Verdampfer oder den Überhitzer vorliegt.
Der Abgaswärmerückgewinnungswärmetauscher aus Anspruch 8, wobei die Strömung des Arbeitsfluids entlang eines Teils des Arbeitsfluidströmungspfads, die sich durch den Vorheizer erstreckt, im Wesentlichen parallel zu der Strömung des Abgases durch den Vorheizer ist.
Der Abgaswärmerückgewinnungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei ein Bypass sich äußerlich vom Gehäuse entlang eines Arbeitsfluidströmungspfads zwischen dem Vorheizer und dem Verdampfer erstreckt.
Der Abgaswärmerückgewinnungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Vorheizer zur Reduzierung einer Temperaturdifferenz zwischen der Strömung des Abgases und der Strömung des Arbeitsfluids einsetzbar ist, bevor die Strömung des Arbeitsfluids durch den Verdampfer geführt wird.
Ein Wärmerückgewinnungssystem umfassend: eine Turbine; einen Abgaswärmerückgewinnungswärmetauscher umfassend ein Gehäuse, das einen Arbeitsfluideinlass, einen Arbeitsfluidauslass, einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass aufweist; einen Abgasströmungspfad, der sich durch das Gehäuse zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass erstreckt; und einen Arbeitsfluidströmungspfad, der sich durch das Gehäuse zwischen dem Arbeitsfluideinlass und dem Arbeitsfluidauslass erstreckt und aufwei send einen ersten Teil, benachbart zum Arbeitsfluideinlass und einen zweiten Teil, beabstandet vom Arbeitsfluideinlass, eine Strömung des Arbeitsfluids entlang des ersten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads liegt im Wesentlichen entgegen zu einer Strömung des Abgases entlang des Abgasströmungspfads, benachbart zu dem ersten Teil des Arbeitsfluidströmungspfads vor, um Wärme von der Strömung des Abgases, das sich entlang des Abgasströmungspfads bewegt, zu erhalten, die Strömung des Arbeitsfluids entlang des zweiten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads liegt im Wesentlichen parallel zu der Strömung des Abgases entlang des Abgasströmungspfads, benachbart zum zweiten Teil des Arbeitsfluidströmungspfads vor; und einen Wärmeübertragungskreislauf, der sich zwischen einem Turbinenauslass und dem Arbeitsfluidströmungspfad erstreckt.
Das Wärmerückgewinnungssystem aus Anspruch 12, wobei die Wärme, die von der Strömung des Abgases, das sich entlang des Abgasströmungspfads bewegt zum Arbeitsfluid, das sich entlang des zweiten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads bewegt, übertragen wird, das Arbeitsfluid verdampft und überhitzt, bevor das Arbeitsfluid das Gehäuse durch den Arbeitsfluidauslass verlässt.
Das Wärmerückgewinnungssystem aus Anspruch 12 oder 13, wobei das Gehäuse im Wesentlichen umschließt, einen Verdampfer, anwendbar zum Verdampfen von zumindest eines Teils der Strömung des Arbeitsfluids, das sich entlang des zweiten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads bewegt, ein Überhitzer, anwendbar zum Überhitzen der Strömung des Arbeitsfluids, das sich entlang des zweiten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads bewegt und einen Vorhitzer, angeordnet entlang des ersten Abschnitts des Arbeitsfluidströmungspfads und der anwendbar ist zum Übertragen der Wärme von der Strömung des Abgases zu der Strömung des Arbeitsfluids, die sich entlang des ersten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads bewegt, bevor das Arbeitsfluid in den Verdampfer tritt.
Das Wärmerückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei Wärme von der Abgasströmung zur Arbeitsfluidströmung im Verdampfer und im Überhitzer übertragen wird, bevor die Abgasströmung in den Vorwärmer tritt.
Das Wärmerückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei ein Bypass, der sich äußerlich vom Gehäuse zwischen einem Auslass des Vorwärmers und einem Einlass des Verdampfers erstreckt, wobei sich der Arbeitsfluidströmungspfad durch den Bypass erstreckt.
Das Wärmerückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der Wärmetauscher anwendbar ist zur Reduzierung einer Temperaturdifferenz zwischen der Strömung des Abgases, benachbart zum Abgaseinlass und dem Arbeitsfluid im Arbeitsfluidströmungspfad, benachbart zum Abgaseinlass.
Das Wärmerückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei ein integrierter Wärmetauscher entlang des Wärmeübertragungskreislaufes angeordnet ist und umfasst: einen Rekuperator, der einen ersten Durchlauf und einen zweiten Durchlauf, benachbart zum ersten Durchlauf zur Übertragung von Wärme vom Arbeitsfluid, das sich entlang des ersten Durchlaufs bewegt zum Arbeitsfluid, das sich entlang des zweiten Durchlaufs bewegt, aufweist; ein Kondensator, der benachbart zum Rekuperator angeordnet ist, zum Erhalten des Arbeitsfluid vom ersten Durchlauf des Rekuperators und aufweisend einen ersten Kühlmittelstromdurchlauf zum Erhalt von Wärme vom Arbeitsfluid, das sich durch den Kondensator bewegt, um das Arbeitsfluid, das sich durch den Kondensator bewegt, zu kondensieren; ein Gehäuse, das den Rekuperator und den Kondensator umgibt und einen Arbeitsfluideinlass, einen Arbeitsfluidauslass, einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass umfasst, wobei der erste Kühlmittelströmungspfad sich durch das Gehäuse zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass erstreckt.
Das Wärmerückgewinnungssystem aus Anspruch 18, wobei der integrierte Wärmetauscher einen Vorkühler, der benachbart zum Kondensator positioniert ist, umfasst, um das kondensierte Arbeitsfluid vom Kondensator zu erhalten und aufweisend einen zweiten Kühlmittelstromdurchlauf und wobei das Gehäuse den Vorkühler umgibt.
Ein Verfahren zur Abwärmerückgewinnung von einem Abgas, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Führen eines Stroms von Abgas entlang eines Abgasströmungspfads durch ein Gehäuse eines Abgasrückgewinnungswärmetauschers zwischen einem Abgaseinlass, der im Gehäuse definiert ist und einem Abgasauslass, der im Gehäuse definiert ist; Führen eines Stroms eines Arbeitsfluid entlang eines Arbeitsfluidströmungspfads durch das Gehäuse zwischen einem Arbeitsfluideinlass definiert im Gehäuse und einem Arbeitsfluidauslass, definiert in dem Gehäuse; Übertragen von Wärme vom Abgas, das sich entlang des Abgasströmungspfads bewegt zum Arbeitsfluid, das sich entlang eines ersten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads bewegt, in einer Richtung, die im Wesentlichen entgegensetzt zur Strömung des Abgases, das sich entlang des be nachbarten Abgasströmungspfads bewegt, zum Vorheizen des Arbeitsfluids; Führen des vorerwärmten Arbeitsfluids vom ersten Teil des Arbeitsfluidströmungspfads zu einem zweiten Teil des Arbeitsfluidströmungspfads; und Übertragen von Wärme vom Abgas, das sich entlang des Abgasströmungspfads bewegt zum vorerwärmten Arbeitsfluid, dass sich entlang des zweiten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads bewegt, in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Strömung des Abgases, das sich entlang des benachbarten Abgasströmungspfads bewegt, zum Überhitzen der Strömung des Arbeitsfluids, das das Gehäuse durch den Arbeitsfluidauslass verlässt.
Das Verfahren aus Anspruch 20, wobei das Übertragen von Wärme vom Abgas, das sich entlang des Abgasströmungspfads bewegt zum vorerwärmten Fluid, das sich entlang des zweiten Teils des Strömungspfads bewegt, ein Verdampfen des Arbeitsfluids, benachbart zu einem Einlass zum zweiten Teil des Arbeitsfluidströmungspfads umfasst.
Das Verfahren aus Anspruch 20 oder 21, wobei das Führen der Strömung des Arbeitsfluids entlang des Arbeitsfluidströmungspfads durch das Gehäuse, ein Führen des Arbeitsfluids durch einen Verdampfer zum Verdampfen von zumindest einem Teil der Strömung des Arbeitsfluids, das sich entlang des zweiten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads bewegt und einen Überhitzer zum Überhitzen von zumindest einem Teil der Strömung des Arbeitsfluids, das sich entlang des zweiten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads bewegt, nachdem Führen des Arbeitsfluids durch einen Vorerhitzer, umfasst.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei das Führen der Strömung von Abgas entlang des Abgasströmungspfads durch das Gehäuse ein Übertragen von Wärme von der Abgasströmung zur Arbeitsfluidströmung zumindest im Verdampfer oder im Überhitzer umfasst, bevor die Abgasströmung in den Vorerhitzer tritt.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei das Führen der Strömung des Arbeitsfluids entlang des Arbeitsfluidströmungspfads ein Führen des Arbeitsfluids durch einen Bypass, der sich äußerlich vom Gehäuse und zwischen einem Auslass des Vorerhitzers und einem Einlass des Verdampfers erstreckt, umfasst.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, weiterhin umfassend ein Reduzieren einer Temperaturdifferenz zwischen der Abgasströmung und der Arbeitsfluidströmung im Vorerhitzer, bevor das vorerwärmte Arbeitsfluid vom ersten Teil des Arbeitsfluidströmungspfads zum zweiten Teil des Arbeitsfluidströmungspfads geführt wird.
Ein integrierter Wärmetauscher umfassend: einen Rekuperator, der einen ersten Durchlauf und einen zweiten Durchlauf, benachbart zum ersten Durchlauf zur Übertragung von Wärme von einem Arbeitsfluid, dass sich entlang des ersten Durchlaufs bewegt zu dem Arbeitsfluid, das sich entlang des zweiten Durchlaufs bewegt, aufweist; einen Kondensator, der benachbart zum Rekuperator positioniert ist, um das Arbeitsfluid vom ersten Durchlauf des Rekuperators aufzunehmen und aufweisend einen ersten Kühlmittelstromdurchlauf zum Aufnehmen von Wärme vom Arbeitsfluid, das durch den Kondensator fließt, um das Arbeitsfluid, das durch den Kondensator fließt, zu kondensieren; einen Vorkühler, der benachbart zum Kondensator positioniert ist, um das kondensierte Arbeitsfluid vom Kondensator aufzunehmen und aufweisend einen zweiten Kühlmittelstromdurchlauf; und ein Gehäuse, das den Rekuperator, den Vorkühler und den Kondensator umgibt und umfassend einen Arbeitsfluideinlass, einen Arbeitfluidauslass, einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, wobei der erste Kühlmittelstromdurchlauf sich durch das Gehäuse erstreckt und zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass kommuniziert.
Der integrierte Wärmetauscher aus Anspruch 26, weiterhin umfassend eine Mehrzahl von gestapelten Platten, die zumindest teilweise das Gehäuse definieren.
Der integrierte Wärmetauscher aus Anspruch 27, wobei eine aus der Mehrzahl der gestapelten Platten zumindest teilweise den ersten Kühlmittelstromdurchlauf und den zweiten Kühlmittelstromdurchlauf definiert.
Der integrierte Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei sich ein Arbeitsfluidströmungspfad zwischen dem Arbeitsfluideinlass und dem Arbeitsfluidauslass erstreckt und wobei der Arbeitsfluidströmungspfad sich durch die eine aus der Mehrzahl der gestapelten Platten erstreckt.