DE102008032186B4

DE102008032186B4 - Gesteuerter Dampfkreisprozess

Info

Publication number: DE102008032186B4
Application number: DE200810032186
Authority: DE
Inventors: Michael Bucher
Original assignee: Amovis GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2028-07-10
Also published as: DE102008032186A1

Abstract

Anordnung zur Erzeugung von Arbeitsmittel-Dampf enthaltend
(a) eine einstellbare Speisewasserpumpe mit einem Stellorgan zum Einstellen des von der Speisewasserpumpe geförderten Arbeitsmittel-Volumenstroms,
(b) einen hinter der Speisewasserpume angeordneten, wärmebeaufschlagten Dampferzeuger, und
(c) eine Regeleinrichtung zur Regelung des geförderten Volumenstroms in Abhängigkeit der Temperatur des in dem Dampferzeuger erzeugten Dampfes,
dadurch gekennzeichnet, dass
(e) die Regeleinrichtung ein von dem in dem Dampferzeuger erzeugten Dampf beaufschlagtes Element mit temperaturabhängig veränderlichem Volumen oder veränderlicher Länge umfasst, dessen Volumen- oder Längenänderung bei einer Temperaturänderung auf das Stellorgan übertragen wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Arbeitsmittel-Dampf enthaltend

(a) eine einstellbare Speisewasserpumpe mit einem Stellorgan zum Einstellen des von der Speisewasserpumpe geförderten Arbeitsmittel-Volumenstroms,
(b) einen hinter der Speisewasserpume angeordneten, wärmebeaufschlagten Dampferzeuger, und
(c) eine Regeleinrichtung zur Regelung des geförderten Volumenstroms in Abhängigkeit der Temperatur des in dem Dampferzeuger erzeugten Dampfes.

Stand der Technik
Es ist bekannt die Abwärme von Verbrennungsmotoren in Dampfkreisprozessen zu nutzen. In einem solchen Dampfkreisprozess wird ein Arbeitsmittel mittels einer Speisewasserpumpe umgepumpt und in einem Wärmetauscher überhitzt. Bei einer solchen Abwärmenutzung wird die Speisewasserpumpe des Dampfkreisprozesses mechanisch angetrieben. Die Drehzahl der Speisewasserpumpe ist dann an die Drehzahl des Verbrennungsmotors gekoppelt.
Es ist bekannt, den Fördervolumenstrom der Speisewasserpumpe an das Wärmeangebot anzupassen. Das Wärmeangebot hängt von der Last ab. Bei Bergauffahrt eines Kraftfahrzeug ist das Wärmeangebot hoch. Bei Konstantfahrt ist das Wärmeangebot gering. Für eine solche Anpassung wird der Fördervolumenstrom von der Motordrehzahl entkoppelt. Die Speisewasserpumpe weist ein Stellglied auf, welches die Förderleistung in Abhängigkeit des gewünschten Volumenstroms bei gleicher Drehzahl variiert.
Der erforderliche Volumenstrom ergibt sich bei einem Dampfkreisprozess aus dem Verhältnis der vorhandenen, nutzbaren Energie und der gewünschten Überhitzungstemperatur. Bekannte Anordnungen verwenden einen Temperaturfühler und eine elektronische Temperaturregelung. Ein an dem Stellglied an der Speisewasserpumpe vorgesehener Aktuator wird nach Maßgabe der jeweiligen Temperatur eingestellt. Die Temperaturregelung erfordert eine entsprechende Schaltung.
DE 10 2006 043 491 A1 offenbart einen Dampfkreisprozess mit verbesserter Energieausnutzung. Die bekannte Anordnung erfasst den Druck oder die Temperatur am Kondensator und regelt in einer Regelschleife die Speisewasserpumpe derart, dass die Expanderleistung des Dampfkreisprozesses maximal ist.
DE 102 29 250 B4 offenbart einen Dampfkreisprozess mit Leistungssteuerung. Der Dampfkreisprozess umfasst Mittel zur Einstellung des Massenstroms in dem Dampferzeuger auf einen gewünschten Wert und Mittel zur Optimierung des Wirkungsgrads, so dass sich eine gewünschte Leistung der Expansionsmaschine einstellt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu vereinfachen und störunanfälliger zu machen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Regeleinrichtung ein von dem in dem Dampferzeuger erzeugten Dampf beaufschlagtes Element mit temperaturabhängig veränderlichem Volumen oder veränderlicher Länge umfasst, dessen Volumen- oder Längenänderung bei einer Temperaturänderung auf das Stellorgan übertragen wird.
Dadurch kann die gesamte elektronische Regelung entfallen. Die mechanische Kopplung erfolgt direkt und ohne Messung und Auswertung der Temperatur. Erfindungsgemäß erfolgt eine Zunahme des Fördervolumenstroms bei steigender Temperaturdifferenz.
Das thermostatische System weist einen Fühler mit einer Füllung auf, welcher direkt an die Stelle, an der die Temperatur geregelt werden soll, eingebaut wird. Es kann ferner ein Kapillarrohr vorgesehen sein, sowie ein thermostatisches Element. In der Füllung in dem Fühler und dem daran angeschlossenen Kapillarrohr ergibt sich eine temperaturabhängige Volumenänderung. Die Volumenänderung wirkt auf das thermostatische Element und verursacht durch eine Membran eine Längenänderung. Die Längenänderung kann die Spannung einer Feder verändern und wirkt darüber auf das Stellorgan. Durch Veränderung der Vorspannung der Feder kann die geregelte Temperatur eingestellt werden. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wirkt die durch die Längenänderung verursachte Kraft direkt auf das Stellorgan an der Speisewasserpumpe.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Übersetzung eingesetzt. Mit dieser Übersetzung kann der Temperaturbereich, der für die Verstellung des Stellorgans an der Speisewasserpumpe erforderlich ist, klein gehalten werden.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Dampfkreislauf zur Abwärmenutzung von Verbrennungsmotoren.
2 zeigt eine Flügelzellenpumpe mit einstellbarem Fördervolumen.
3 zeigt ein thermostatisches Element.
4 ist eine schematische Darstellung einer Speisewasserpumpe mit Temperaturregelung über einen Temperaturfühler.
5 ist eine schematische Darstellung einer Speisewasserpumpe mit Temperaturregelung über ein Bimetall.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 illustriert schematisch einen Dampfkreisprozess, der allgemein mit 10 bezeichnet ist. In dem Dampfkreisprozess 10 wird das Arbeitsmittel Wasser bzw. Wasserdampf aus einem Reservoir 12 umgepumpt. Zu diesem Zweck ist eine Speisewasserpumpe 14 vorgesehen. Die Speisewasserpumpe 14 ist in 2 im Detail dargestellt. Hinter der Speisewasserpumpe 14 ist ein Dampferzeuger 16 vorgesehen. Der Dampferzeuger 16 ist ein Wärmetauscher, der dem Abgas eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors ausgesetzt wird. Dadurch wird die im Abgas enthaltene Wärmeenergie auf das Arbeitsmittel übertragen. Der aus dem Dampferzeuger 16 austretende, heiße und komprimierte Dampf wird einer Expansionsmaschine 18 zugeführt. In der Expansionsmaschine 18 wird der Dampf auf ein niedrigeres Druckniveau unter Arbeitsleistung entspannt. Die geleistete Arbeit kann als Hilfsantrieb, über einen Generator für elektrische Energie oder auf andere nützliche Weise genutzt werden. Anschließend wird der Dampf in einem Kondensator 20 kondensiert und wieder dem Reservoir 12 zugeführt.
Wenn der Verbrennungmotor viel Abwärme erzeugt, steht mehr Energie zur Verfügung. Dann wird der Dampf im Dampferzeuger auf höhere Temperaturen erhitzt als bei geringerer Last. Es gibt eine optimale Dampftemperatur, bei der ein besonders guter Wirkungsgrad des Dampfkreisprozesses erreicht wird. Das Fördervolumen der Speisewasserpumpe 14 wird entsprechend so geregelt, dass die Temperatur an einer hinter dem Dampferzeuger angeordneten Temperaturfühleranordnung 28 diesen Wert annimmt.
Die Temperaturfühleranordnung 28 ist in 3 im Detail dargestellt. Hierbei handelt es sich um ein hermetisch verschlossenes, thermostatisches Element mit einem Fühler 26 und einem Wellrohr 24. Der Fühler 26 steht im Kontakt mit dem im Dampfkreislauf 10 umlaufenden Arbeitsmittel. In dem Fühler 26 ist eine Füllung vorgesehen. Die Füllung ist eine Flüssigkeit mit temperaturabhängigem Volumen. Der Fühler 26 ist über ein Kapillarrohr 22 mit einem Wellrohr 24 verbunden. Wenn die Temperatur am Fühler 26 steigt, dehnt sich die darin befindliche Füllung aus und übt über das Kapillarrohr 22 eine Kraft auf das Wellrohr 24 aus. Derartige Fühleranordnungen sind beispielsweise von der Firma Danfoss kommerziell erhältlich, wo sie für andere Zwecke hergestellt werden (http://ch.ic.danfoss.com/TechnicalInfo/literature/manuals/04/PD500A403.pdf).
Das Wellrohr 24 ist an einen Verstellzylinder 30 der Speisewasserpumpe 14 gekoppelt. Dies ist in 2 dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Speisewasserpumpe 14 von einer Flügelzellenpumpe gebildet. Ein Rotor 32 rotiert um eine Achse 34 innerhalb eines Stators 36. Flügelzellen 38 bilden Kammern 44 in dem Zwischenraum zwischen Rotor 32 und Stator 36. Das an einem Einlass 40 eintretende Arbeitsmittel wird komprimiert und tritt mit erhöhtem Druck am Auslass 42 wieder aus. Dies ist bekannte Technik und braucht daher nicht näher beschrieben werden.
Durch den Verstellzylinder 30 kann das Volumen jeder Kammer 44 zwischen den Flügeln 38 verändert werden. Die Lage des Stators 36 und damit die Exzentrizität des Rotors 32 ist durch Verschieben des Stators 36 veränderlich. Bei großer Exzentrizität wird der Fördervolumenstrom erhöht. Bei kleinerer Exzentrizität wird der Fördervolumenstrom verringert. Eine Pumpe mit veränderlicher Exzentrizität ist allgemein bekannt und beispielsweise beschrieben unter http://www.boschrexroth.com/RDSearch/rd/10000_1199/r_10515/rd10515_2005-10.pdf. Die Pumpe selber und deren Aufbau braucht daher hier nicht weiter im Detail erläutert werden.
4 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung, bei welcher die Exzentrizität der Pumpe mittels des Kapillarrohrs 22 verändert wird. Durch die Wärmeleitung zwischen dem Arbeitsmedium und dem Kapillarrohr 22 erfolgt eine temperaturhabhängige Ausdehnung der sich im Kapillarrohr befindlichen Kapillarrohrfüllung. Ein Kolben 46 ist in einer Kammer 48 beweglich geführt. Zwischen Kolben 46 und Kammer 48 ist eine Dichtung vorgesehen. Wenn sich die Temperatur des Arbeitsmittels und damit der Füllung in dem Kapillarrohr 22 erhöht, dehnt sich die Füllung aus und schiebt den Kolben 46 nach rechts in 4. Der Kolben 46 ist über eine Verbindung 50 fest mit dem Stator 36 verbunden. Wenn sich der Kolben nach rechts bewegt, wird der Stator 36 ebenfalls nach rechts bewegt. Man erkennt in der schematischen Darstellung in 4, dass sich die Exzentrizität dann vergrößert. Das Fördervolumen steigt. Ein größeres Fördervolumen des Arbeitsmittelstroms durch den Dampferzeuger 16 führt zu einer Verringerung der Arbeitsmitteltemperatur an der Temperaturfühleranordnung 28. Entsprechend wird die Temperatur auf einen gewünschten Wert geregelt. Umgekehrt führt ein Absinken der Temperatur an der Temperaturfühleranordnung 28 zu einer Volumenverringerung im Kapillarrohr 22. Der Kolben 46 bewegt sich nach links in 4. Die Exzentrizität wird verringert. Der geförderte Volumenstrom wird dann kleiner. Dies führt zu einer Erhöhung der Arbeitsmitteltemperatur am Ausgang des Dampferzeugers 16.
Anders ausgedrückt: Wenn sich nun die Temperatur am Fühler 26 erhöht, wirkt eine Kraft am Stator, mit der das Fördervolumen bei gleicher Drehzahl vergrößert wird. Durch den höheren Fördervolumenstrom kann im Dampferzeuger mehr Energie aufgenommen werden und die Temperatur bleibt gleich oder sinkt. Auf diese Weise wird die Temperatur auf einen ausgewählten Wert geregelt. Die Anordnung erfordert dabei keine elektrischen Regelschaltungen.
Während die Erfindung anhand einer Flügelzellenpumpe mit einer Kapillarleitung beschrieben wurde, versteht es sich, dass auch andere Pumpen und Mechanismen zur Kraftübertragung verwendet werden können.
5 zeigt als alternatives Ausführungsbeispiel die Kraftübertragung mittels eines Bimetalls. Das Arbeitsmittel des Dampfkreisprozesses 10 steht hinter dem Dampferzeuger 16 mit Bimetallstreifen 52 und 54 in Kontakt. Die Bimetallstreifen sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel hohlgebohrt. Dies führt zu einer Bewegung. Über eine Verbindung 56 wird die Bewegung bei einer Temperaturänderung über eine Führung 58 auf einen Kolben 60 übertragen. Die Speisewasserpumpe 14 ist in gleicher Weise aufgebaut, wie in 4. Entsprechend führt eine Bewegung des Kolbens 60 nach rechts zu einer Erhöhung des Fördervolumens und nach links zu einer Verringerung des Fördervolumens.
Statt der Veränderung der Exzentrizität bei Flügelzellen, kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch die temperaturbedingte Längenveränderung des Stellglieds auch zur Verstellung der Schrägscheibe einer Kolbenpumpe, wie sie etwa aus http://www.log-hydraulik-intern.de/pdfs/deutsch/Pvplus_M_V_N_0999_de.pdf bekannt ist, genutzt werden.

Claims

Anordnung zur Erzeugung von Arbeitsmittel-Dampf enthaltend (a) eine einstellbare Speisewasserpumpe mit einem Stellorgan zum Einstellen des von der Speisewasserpumpe geförderten Arbeitsmittel-Volumenstroms, (b) einen hinter der Speisewasserpume angeordneten, wärmebeaufschlagten Dampferzeuger, und (c) eine Regeleinrichtung zur Regelung des geförderten Volumenstroms in Abhängigkeit der Temperatur des in dem Dampferzeuger erzeugten Dampfes, dadurch gekennzeichnet, dass (e) die Regeleinrichtung ein von dem in dem Dampferzeuger erzeugten Dampf beaufschlagtes Element mit temperaturabhängig veränderlichem Volumen oder veränderlicher Länge umfasst, dessen Volumen- oder Längenänderung bei einer Temperaturänderung auf das Stellorgan übertragen wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element mit temperaturabhängig veränderlichem Volumen oder veränderlicher Länge einen Thermofühler umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapillarleitung zur Übertragung der Volumenänderung auf das Stellorgan vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element mit temperaturabhängig veränderlichem Volumen oder veränderlicher Länge von einem Bimetall gebildet ist.