DE102009042584A1

DE102009042584A1 - Wärmeübertrager und System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102009042584A1
Application number: DE102009042584A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr.-Ing. Pantow; Johannes Diem; Peter Dr.-Ing. Geskes; Klaus Dipl.-Ing. Irmler; Rainer Dipl.-Ing. Lutz; Michael Dipl.-Ing. Schmidt
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2011-04-21
Also published as: WO2011036229A3; WO2011036229A2

Abstract

Bei einem Wärmeübertrager (1), insbesondere Verdampfer (12) für ein System (2) zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors (27, 28) mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend vorzugsweise ein Gehäuse, vorzugsweise einen ersten Strömungskanal zum Durchleiten eines ersten Fluides, einen zweiten Strömungskanal (3) zum Durchleiten eines zweiten Fluides, sollen auch bei tiefen Temperaturen außerhalb des Betriebes und einem damit verbundenen festen Aggregatzustand des Arbeitsmediums, insbesondere Eis, Schäden an dem Wärmeübertrager (1) vermieden werden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der zweite Strömungskanal (3) wenigstens ein Ausdehnvolumen (4) aufweist, um Volumenvergrößerungen des zweiten Fluides bei einer Wandlung des Aggregatzustandes des zweiten Fluides von einem flüssigen Aggregatzustand in einen festen Aggregatzustand, insbesondere ein Gefrieren, aufzunehmen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7, ein Verfahren zum Betreiben eines System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 8, 10 und 12 sowie einen Verbrennungsmotor mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Verbrennungsmotoren werden in verschiedenen technischen Anwendungen zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie eingesetzt. In Kraftfahrzeugen, insbesondere in Lastkraftwagen, werden Verbrennungsmotoren eingesetzt, um das Kraftfahrzeug fortzubewegen. Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren kann durch den Einsatz von Systemen zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses erhöht werden. Das System wandelt dabei Abwärme des Verbrennungsmotors in mechanische Energie um. Das System umfasst einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, z. B. Wasser, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmedium, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums und einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium. Durch den Einsatz derartiger Systeme in einem Verbrennungsmotor kann bei einem Verbrennungsmotor mit einem derartigen System als Bestandteil des Verbrennungsmotors der Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht werden.
Bei einem Einsatz eines Verbrennungsmotors mit diesem System in einem Kraftfahrzeug, d. h. bei einer mobilen Anwendung des Verbrennungsmotors, ist das System mit dem Arbeitsmedium den Temperaturschwankungen der Umgebung ausgesetzt. Damit wird das Arbeitsmedium bei einem Stillstand des Kraftfahrzeuges und bei Außentemperaturen unter 0°C auf Temperaturen von weniger als 0°C abgekühlt.
Der Einsatz von Wasser als Arbeitsmedium in dem System zur Nutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses ist in der Stationärtechnik weit verbreitet. Wasser weist für den Dampfprozess günstige Stoffeigenschaften auf. Bei der Verwendung in dem Kraftfahrzeug könnte dabei die Wärme, beispielsweise aus dem Abgas des Verbrennungsmotors, gut genützt werden. Wasser gefriert jedoch bei einer Temperatur von weniger als 0°C, so dass es hier zu einer Gefährdung von Komponenten, insbesondere des Verdampfers, des Systems kommen kann. Außerdem ist nach dem Einfrieren des Wassers im System das System aus dem eingefrorenen Zustand des Wassers wieder hochzufahren.
Neben Wasser können auch anderen Arbeitsmedien in dem System zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann R245fa in dem System in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. R245fa ist jedoch mit Nachteilen bei der Verwendung in dem System für Kraftfahrzeuge verbunden. R245fa zersetzt sich bei einer Temperatur von mehr als 250°C in giftige Produkte. Bei einem Leck an dem System können dadurch Personen gefährdet werden. Das Abgas von Verbrennungsmotoren weist Temperaturen von bis zu 650°C auf, so dass es dadurch im Allgemeinen zu einer Temperatur in dem Arbeitsmedium R245fa von mehr als 250°C kommt. Höherer Temperaturen von mehr als 250°C können nur aufwendig mit einem dynamischen Gleichgewicht in dem System erreicht werden, wobei bei einer Störung dieses Gleichgewichtes z. B. durch Ausfall einer Speisepumpe, auch die Gefahr der Überhitzung des Arbeitsmediums R245fa besteht.
Außerdem kann beispielsweise als Arbeitsmedium auch Dimethylpyridin mit Wasser eingesetzt werden. Durch den Zusatz von Dimethylpyridin zum Wasser wird das Einfrieren des Wassers bis zu Temperaturen von –40°C verhindert. Der Nachteil des Arbeitsmediums Wasser mit Dimethylpyridin liegt darin, dass Dimethylpyridindämpfe entzündlich sind und zum Anderen Wechselwirkung zwischen den verwendeten Werkstoffen des Kreislaufes und Dimethylpyridin nicht ausreichend bekannt sind, so dass die Gefahr der Korrosion, insbesondere bei einer längerfristigen Wirkung des Dimethylpyridins auf die Werkstoffe, besteht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Wärmeübertrager, ein System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, ein Verfahren zum Betreiben eines System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses sowie einen Verbrennungsmotor mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses zur Verfügung zu stellen, das auch bei tiefen Temperaturen außerhalb des Betriebes und einem damit verbundenen festen Aggregatzustand des Arbeitsmediums, insbesondere Eis, Schäden vermeidet und ein zuverlässige Inbetriebnahme ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmeübertrager, insbesondere Verdampfer für ein System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend vorzugsweise ein Gehäuse, vorzugsweise einen ersten Strömungskanal zum Durchleiten eines ersten Fluides, einen zweiten Strömungskanal zum Durchleiten eines zweiten Fluides, wobei der zweite Strömungskanal wenigstens ein Ausdehnvolumen aufweist, um Volumenvergrößerungen des zweiten Fluides bei einer Wandlung des Aggregatzustandes des zweiten Fluides von einem flüssigen Aggregatzustand in einen festen Aggregatzustand, insbesondere ein Gefrieren, aufzunehmen.
Befindet sich in dem Wärmeübertrager in dem zweiten Strömungskanal das zweite Fluid in einem flüssigen Aggregatzustand und wird das zweite Fluid als Flüssigkeit weiter abgekühlt, kommt es zu einer Wandlung des zweiten Fluides in dem zweiten Strömungskanal von einem flüssigen in einen festen Aggregatzustand. Bei der Verwendung als Wasser als zweitem Fluid gefriert das Wasser mit einer damit verbundenen Volumenausdehnung des Wassers von im Wesentlichen 8,9%. Der Wärmeübertrager, der wenigstens teilweise vorzugsweise aus Metall, z. B. Stahl, insbesondere Edelstahl oder Aluminium besteht, kann das Ausdehnen des Wassers aufgrund der Streckgrenze des Werkstoffes Metall nicht ausreichend aufnehmen, so dass bei einem Gefrieren des Wassers der Wärmeübertrager Schaden erleidet. Aufgrund der konstruktiven Lösung von Ausdehnvolumen in dem Wärmeübertrager kann sich beim Ausdehnen des gefrierenden Wassers das Eis in das Ausdehnvolumen ausdehnen, so dass dadurch auf den Wärmeübertrager aufgrund des sich ausdehnenden, gefrierenden Wassers nur sehr geringe Kräfte wirken, weil die Volumenzunahme von dem Ausdehnvolumen innerhalb des zweiten Strömungskanals aufgenommen werden kann. Damit kann in vorteilhafter Weise der Wärmeübertrager auch dann eingesetzt werden, wenn sich in dem zweiten Strömungskanal das zweite Fluid befindet und dieses bei einer Wandlung von dem flüssigen in den festen Aggregatzustand ausdehnt, ohne dass dadurch der Wärmeübertrager beschädigt oder zerstört wird.
Insbesondere weist der Wärmeübertrager wenigstens eine Einlassöffnung zum Einleiten des zweiten Fluides und wenigstens eine Auslassöffnung zum Ausleiten des zweiten Fluides auf und wenigstens ist eine Einlassöffnung und/oder wenigstens eine Auslassöffnung unterhalb des wenigstens einen Ausdehnvolumens, insbesondere in der vertikalen Ausrichtung an einem unteren Ende des wenigstens einen Ausdehnvolumens ausgebildet ist, so dass das zweite Fluid in einem flüssigem Aggregatzustand aus dem wenigstens einen Ausdehnvolumen außerhalb der Nutzung durch die wenigstens eine Einlassöffnung und/oder die wenigstens eine Auslassöffnung ausleitbar ist, insbesondere mittels Schwerkraft, und/oder sämtliche Ausdehnvolumen die gleiche vertikale Ausdehnung aufweisen.
Wird der Wärmeübertrager, beispielsweise als Verdampfer in einem System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses eingesetzt, verflüssigt sich das Arbeitsmedium des Systems, welches durch den zweiten Strömungskanal geleitet wird, außerhalb des Betriebes vollständig. Damit verbleibt in dem Wärmeübertrager im zweiten Strömungskanal das zweite Fluid als Flüssigkeit. Dabei sollen in diesem abgeschalteten Zustand und im flüssigen Aggregatzustand des Arbeitsmediums das Ausdehnvolumen frei sein von dem Arbeitsmedium, damit bei einem Gefrieren des Arbeitsmediums das Ausdehnvolumen innerhalb des zweiten Strömungskanals als Volumen zur Verfügung steht, in das sich das Arbeitsmedium im festen Aggregatzustand, insbesondere Eis, ausdehnen kann. Hierzu ist die Einlassöffnung oder die Auslassöffnung an dem Wärmeübertrager entsprechend ausgerichtet, so dass nach dem Verflüssigen des zweiten Fluides sich in dem Ausdehnvolumen im Wesentlichen kein zweites Fluid, insbesondere ein Arbeitsmedium des Systems, befindet. Bei einem Einsatz des Wärmeübertragers in einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors ist das Arbeitsmedium in dem System unter Vakuum eingesetzt, so dass Gaskräfte oder atmosphärische Druckkräfte in der Umgebung des Systems zum Ablaufen des Arbeitsmediums aus dem Wärmeübertrager keine Rolle spielen.
In einer weiteren Ausgestaltung beträgt das Volumen des wenigstens einen Ausdehnvolumens wenigstens 7%, 8,9% oder 10% des Volumens des zweiten Strömungskanals außerhalb des wenigstens einen Ausdehnvolumens, der dem wenigstens einen Ausdehnvolumen zugeordnet ist und/oder der zweite Strömungskanal wenigstens einen, vorzugsweise mehrere, im Wesentlichen vertikale Kanalabschnitte aufweist und das wenigstens eine Ausdehnvolumen am oberen Ende des wenigstens einen vertikalen Kanalabschnittes angeordnet ist und/oder die vertikale Ausdehnung des wenigstens einen Ausdehnvolumens wenigstens 7%, 8,9% oder 10% der vertikalen Ausdehnung des wenigstens einen vertikalen Kanalabschnittes beträgt und/oder jedem vertikalen Kanalabschnitt ein Ausdehnvolumen zugeordnet ist. Das Volumen oder die Vertikalausdehnung des wenigstens einen Ausdehnvolumens ist somit ausreichend, damit sich beim Gefrieren von Wasser als zweitem Fluid sich das gefrierende Wasser in dem Ausdehnvolumen ausreichend ausdehnen kann, so dass dadurch der Wärmeübertrager nicht beschädigt wird.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist der zweite Strömungskanal zwischen zwei Platten als Doppelplatte ausgebildet und zwischen zwei Doppelplatten ist der erste Strömungskanal ausgebildet, insbesondere sind die beiden Doppelplatten mit Rippen in dem ersten Strömungskanal miteinander verbunden und/oder je zwei vertikale Kanalabschnitte sind mittels eines U-förmigem Kanalabschnitt miteinander verbunden und vorzugsweise weist die Geometrie des Strömungsraumes des U-förmigen Kanalabschnitt eine Fase oder einen Radius bzw. eine Krümmung auf. Die Platten weisen längliche Ausnehmungen auf, so dass sich beim Aufeinanderlegen der beiden Platten zwischen den Platten in dem Bereich der aufeinanderliegenden länglichen Ausnehmungen der zweite Strömungskanal ausbildet. Die länglichen Ausnehmungen in den Platten werden dabei beispielsweise mittels Prägen, Ätzen, Stanzen oder Walzen hergestellt. Auch U-förmige Kanalabschnitte des zweiten Strömungskanals werden durch entsprechend U-förmige Ausnehmungen in den Platten hergestellt. Dies gilt auch für andere Geometrien von zweiten Strömungskanälen in analoger Weise.
Vorzugsweise weist der Wärmeübertrager mehrere, übereinander angeordnete Doppelplatten auf und/oder die Doppelplatten sind im Wesentlichen vertikal ausgerichtet. Eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung der Doppelplatten und/oder eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung der vertikalen Kanalabschnitte bedeutet, dass die Doppelplatten und/oder die vertikalen Kanalabschnitte mit einer Abweichung von weniger als 45° zu einer Vertikalen ausgerichtet sind. Bei einem Einsatz des Wärmeübertragers in Kraftfahrzeugen ist somit gewährleistet, dass auch bei einer Fahrt oder einem Einsatz im hügeligen Gelände sowie bei Kurvenfahrten aus den vertikalen Kanalabschnitten des Wärmeübertrages das zweite Fluid nicht ablaufen kann.
In einer Variante nimmt die Querschnittsfläche des zweiten Strömungskanals in Richtung zu dem wenigstens einen Ausdehnvolumen, vorzugsweise stetig, zu und/oder die vertikalen Kanalabschnitte des zweiten Strömungskanals zu dem wenigstens einen Ausdehnvolumen sind konisch ausgebildet und die Querschnittsfläche des vertikalen Kanalabschnittes nimmt nach oben zu, insbesondere beträgt ein Öffnungswinkel der vertikalen Kanalabschnitte wenigstens 3° oder 5°. Bei einem Gefrieren von Wasser in dem zweiten Strömungskanal können Reibungskräfte die Ausdehnung der Eissäule in die Ausdehnvolumen behindern, so dass es trotz des Vorhandenseins von ausreichenden Ausdehnvolumen zu einer Zerstörung des Wärmeübertragers kommen kann. Um dies zu verhindern, sind die vertikalen Kanalabschnitte konisch ausgebildet und/oder der zweite Strömungskanal weist in Richtung zu dem wenigsten einen Ausdehnvolumen eine zunehmende Querschnittsfläche auf, so dass aufgrund der auftretenden Druckkräfte zwischen der Eissäule und der Wandung des Wärmeübertragers an dem zweiten Strömungskanal die Eissäule in Richtung zu den Ausdehnvolumen gedrückt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der zweite Strömungskanal eine Querschnittsfläche auf, die das Auftreten von Kapillarkräften innerhalb des Strömungskanals verhindert. Dadurch soll verhindert werden, dass aufgrund von Kapillarkräften sich insbesondere in den Ausdehnvolumen Wasser auch in einem abgeschalteten Zustand befindet.
In einer weiteren Ausgestaltung liegt die Querschnittfläche des zweiten Strömungskanals im Bereich von 0,5 mm² bis 5 mm², insbesondere in einem Bereich zwischen 1 mm² und 3 mm².
Erfindungsgemäßes System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium, wobei der Verdampfer als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebener Wärmeübertrager ausgebildet ist und/oder das System ein erstes Ventil und eine erste Bypassleitung umfasst und die Expansionsmaschine mittels des ersten Ventils und der ersten Bypassleitung von dem Kreislauf entkoppelbar ist und/oder das System ein zweites Ventil und eine zweite Bypassleitung umfasst und der Kondensator mittels des zweiten Ventils und der zweiten Bypassleitung von dem Kreislauf entkoppelbar ist und/oder das System ein drittes Ventil und eine dritte Bypassleitung umfasst und der Auffang- und Ausgleichsbehälter mittels des dritten Ventils und der dritten Bypassleitung von dem Kreislauf entkoppelbar ist und/oder das System ein viertes Ventil und eine vierte Bypassleitung umfasst und mittels des vierten Ventils und der vierten Bypassleitung die Expansionsmaschine, der Kondensator und der Auffang- und Ausgleichsbehälter von dem Kreislauf entkoppelbar sind und/oder das System ein fünftes Ventil und eine fünfte Bypassleitung umfasst und mittels des fünften Ventils und der fünften Bypassleitung die Expansionsmaschine und der Kondensator von dem Kreislauf entkoppelbar sind und/oder das System eine Einrichtung zum Durchleiten eines Spülfluides, z. B. Druckluft oder eine Spülflüssigkeit, durch den Verdampfer und/oder den Kondensator und/oder wenigstens eine Bypassleitung und/oder die Leitungen des Kältekreises aufweist und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter unterhalb des Verdampfers und/oder der Expansionsmaschine und/oder dem Kondensator, insbesondere an der tiefsten Stelle des Kreislaufes, angeordnet ist, so dass sich nach dem Abschalten des Systems das flüssige Arbeitsmedium im Wesentlichen vollständig in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter sammelt zur Entleerung des Verdampfers und/oder der Expansionsmaschine und/oder des Kondensators und/oder ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist. Mittels des wenigstens einen Ventils ist die wenigstens eine Komponente auch in den Kreislauf einkoppelbar oder Zwischenstellungen einstellbar.
Das System umfasst einen in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Wärmeübertrager als Verdampfer des Systems. Damit kann das System mit dem Arbeitsmedium Wasser auch bei Temperaturen von unter 0°C eingesetzt werden. Das Gefrieren des Wassers in dem Verdampfer zerstört den Verdampfer nicht, so dass dadurch auch bei einem Einsatz des Systems in Kraftfahrzeugen problemlos Wasser als Arbeitsmedium im System eingesetzt werden kann. Durch den Einsatz von Ventilen, die als 3/2-Wegeventile ausgebildet sind, und Bypassleitungen können einzelne Komponenten von dem Kreislauf entkoppelt und wieder eingekoppelt werden. Bei einem Hochfahren des Systems nach einem Einfrieren des Arbeitsmediums, kann somit der Kreislauf mit wenigen Komponenten betrieben werden, beispielsweise nur dem Verdampfer und der Pumpe. Die anderen Komponenten, z. B. die Expansionsmaschine und/oder der Kondensator und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter und/oder der Kondensator, können schrittweise dazugeschaltet werden, so dass dadurch diese übrigen Komponenten schrittweise erwärmt und in Betrieb genommen werden können. Vorzugsweise wird dabei die Expansionsmaschine als letzte Komponente in Betrieb genommen, so dass dadurch in die Expansionsmaschine ausschließlich Arbeitsmedium in einem dampfförmigen Aggregatzustand eintritt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Expansionsmaschine eine Turbine oder eine Hubkolbenmaschine.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das System neben einem Verdampfer auch einen Überhitzer und der Überhitzer ist in einer Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach dem Verdampfer angeordnet. Vorzugsweise sind der Verdampfer und der Überhitzer ein Bauteil.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das System einen Rekuperator, mittels dem Wärme aus dem Arbeitsmedium nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine an das Arbeitsmedium vor dem Verdampfer übertragbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Einrichtung zum Durchleiten des Spülfluides ein Druckluftbehälter mit entsprechenden Ventilen und einer Druckluftleitung zum Einleiten der Druckluft in den Kreislauf sowie vorzugsweise einen Kompressor zur Erzeugung von Druckluft.
In einer weiteren Ausgestaltung wird als Spülfluid eine gefriersichere Flüssigkeit, insbesondere Wasser mit einem Frostschutzmittel, eingesetzt. Das System weist hierzu einen Behälter mit dem Spülfluid auf. Das Spülfluid wird durch eine Pumpe, insbesondere auch durch die Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, durch den Verdampfer gepumpt. Hierzu ist mittels eines Ventils in der Leitung zwischen der Pumpe und dem Auffang- und Ausgleichsbehälter das Spülfluid von dem Behälter mit dem Spülfluid in die Leitung einleitbar und wird anschließend von der Pumpe durch den Verdampfer gefördert, so dass mittels eines weiteren Ventils, das in der Leitung nach dem Verdampfer angeordnet ist, das Spülfluid wieder in den Behälter mit dem Spülfluid zurückgeleitet werden kann. Bei einem derartigen Spülen des Verdampfers sowie der Leitungen tritt in das Spülfluid auch eine geringere Menge an Wasser in das Spülfluid mit ein. Dadurch wird beispielsweise die Gefriertemperatur des Spülfluides erhöht, weil der Wasseranteil erhöht wird. Aus diesem Grund ist es erforderlich, innerhalb gewisser Serviceintervalle das Spülfluid in den Behälter mit dem Spülfluid auszuwechseln. Die übrigen Komponenten dieses Systems bei einer derartigen Spülung des Verdampfers, d. h. die Expansionsmaschine und der Kondensator sind dabei dahingehend angeordnet, dass nach dem Abschalten des Systems aufgrund von Schwerkraft das Wasser aus der Expansionsmaschine und dem Kondensator in den Auffang- und Ausgleichsbehälter einläuft, so dass in der Expansionsmaschine und dem Kondensator kein Wasser vorhanden ist.
Der Verdampfer des Systems weist meanderförmige Strömungskanäle für das Arbeitsmedium auf, die vertikale Kanalabschnitte aufweisen, die jeweils mittels U-förmiger Kanalabschnitte miteinander verbunden sind. Ein derartiger Verdampfer läuft nach dem Abschalten nicht selbsttätig aufgrund von Schwerkraft leer, so dass ein Spülen erforderlich ist. Verdampfer mit im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Kanalabschnitte haben den Nachteil, dass diese während des Betriebes des Systems im Wesentlichen vollständig austrocknen können, womit Leistungsreduzierungen und erhöhte Belastungen aufgrund von Thermospannungen verbunden sind.
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, insbesondere eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Systems, umfassend einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium, wobei nach dem Abschalten des Systems das Arbeitsmedium im Wesentlichen vollständig in den Auffang- und Ausgleichsbehälter eingeleitet wird, so dass in dem Verdampfer, der Expansionsmaschine, dem Kondensator und den Leitungen im Wesentlichen kein Arbeitsmedium enthalten ist (was bedeutet, dass wenigstens 90%, 95%, 98% oder 99% des Arbeitsmediums in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter enthalten sind) oder nach dem Abschalten des Systems das Arbeitsmedium, abgesehen von dem Verdampfer, im Wesentlichen vollständig in den Auffang- und Ausgleichsbehälter eingeleitet wird (was bedeutet, dass in der Expansionsmaschine, dem Kondensator und den Leitungen weniger als 10%, 5%, 2% oder 1% des Arbeitsmediums enthalten sind), so dass in der Expansionsmaschine, dem Kondensator und den Leitungen im Wesentlichen kein Arbeitsmedium enthalten ist.
Wird das Arbeitsmedium nach dem Abschalten des Systems auch aus dem Verdampfer in den Auffang und Ausgleichsbehälter eingeleitet, weist der Verdampfer horizontale Kanalabschnitte auf, die im Allgemeinen mittels U-förmigen Kanalabschnitten miteinander verbunden sind. Bei einer derartigen Ausrichtung des Strömungskanals des Arbeitsmediums kann der Verdampfer mittels Schwerkraft entleert werden. Weist der Verdampfer vertikale Kanalabschnitte auf, kann der Verdampfer nur mittels eines Durchspülens mit Spülfluid von dem Arbeitsmedium entleert werden. Nach dem Abschalten des Systems befindet sich somit das gesamte Arbeitsmedium im Wesentlichen in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter. Damit können aufgrund eine Änderung des Aggregatzustandes des Arbeitsmediums von flüssig auf fest mit einer damit verbundenen Volumenvergrößerung in dem System keine Schäden auftreten, abgesehen von dem Auffang- und Ausgleichsbehälter. Der Auffang- und Ausgleichsbehälter ist dabei dahingehend konstruiert, dass dieser bei einer Volumenvergrößerung bei der Änderung des Aggregatzustandes des Arbeitsmediums von flüssig auf fest dieses Volumenvergrößerung ohne Beschädigungen aushält. Vorzugsweise weist der Auffang- und Ausgleichsbehälter außenseitig eine thermische Isolierung auf, so dass auch bei einem kurzzeitigen Stillstand des Systems und von Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser bei einer Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium aufgrund der thermischen Isolierung das Arbeitsmedium Wasser in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter nicht einfriert. Zum Hochfahren des Systems ist in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter vorzugsweise eine Heizeinrichtung, insbesondere eine elektrische Heizeinrichtung eingebaut, um das Arbeitsmedium zu erwärmen und dadurch von dem festen Aggregatzustand in den flüssigen Aggregatzustand umzuwandeln, damit das Arbeitsmedium wieder von der Pumpe gefördert werden kann.
In einer Variante wird das Arbeitsmedium mittels Schwerkraft in den Auffang- und Ausgleichsbehälter geleitet oder das Arbeitsmedium wird mittels eines Spülfluides, z. B. eine Spülflüssigkeit oder Druckluft, in den Auffang- und Ausgleichsbehälter geleitet.
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, insbesondere eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Systems, umfassend einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium, wobei bei der Inbetriebnahme des Systems Arbeitsmedium in dem Verdampfer in einem festen Aggregatzustand, insbesondere Eis, erwärmt und/oder verdampft wird und mit dem erwärmten und/oder verdampften Arbeitsmedium übrige Komponenten, insbesondere der Verdampfer und/oder der Kondensator und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter, des Systems erwärmt werden, indem das Arbeitsmedium zu den übrigen Komponenten geleitet wird.
Zweckmäßig werden die übrigen Komponenten schrittweise aufeinanderfolgend erwärmt und/oder nach dem Erreichen der Betriebstemperatur des Systems wird die Expansionsmaschine in Betrieb genommen, indem gasförmiges Arbeitsmedium durch die Expansionsmaschine geleitet wird. Die übrigen Komponenten des Systems, nämlich der Verdampfer und/oder die Expansionsmaschine und/oder der Kondensator und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter, werden schrittweise aufeinanderfolgend erwärmt, indem mittels Ventilen und Bypassleitungen zunächst nur eine Komponente in den Kreislauf zugeschaltet wird und anschließend sukzessive und schrittweise weitere Komponenten zugeschaltet werden.
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, insbesondere eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Systems, umfassend einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium, wobei bei der Inbetriebnahme des Systems Arbeitsmedium außerhalb des Verdampfers, insbesondere in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter, in einem festen Aggregatzustand, insbesondere Eis, erwärmt und/oder verdampft wird und mit dem erwärmten und/oder verdampften Arbeitsmedium übrige Komponenten, insbesondere der Verdampfer und/oder der Kondensator und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter, des Systems erwärmt werden, indem das Arbeitsmedium zu den übrigen Komponenten geleitet wird.
Vorzugsweise wird das Arbeitsmedium mit elektrischer Energie und/oder Abwärme des Verbrennungsmotors erwärmt und verdampft.
In einer weiteren Ausführungsform werden die übrigen Komponenten schrittweise aufeinanderfolgend erwärmt und/oder nach dem Erreichen der Betriebstemperatur des Systems wird die Expansionsmaschine in Betrieb genommen, indem gasförmiges Arbeitsmedium durch die Expansionsmaschine geleitet wird.
Erfindungsgemäße Verbrennungsmotor, insbesondere Hubkolbenverbrennungsmotor, mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen von der Abwärme des Verbrennungsmotors erwärmbaren Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium, wobei das System als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes System ausgebildet ist und/oder ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist von dem System als Bestandteil des Verbrennungsmotors die Abwärme des Abgashauptstromes des Verbrennungsmotors und/oder die Abwärme der Abgasrückführung und/oder die Abwärme der komprimierten Ladeluft und/oder die Wärme eines Kühlmittels des Verbrennungsmotors nutzbar. Von dem System wird somit die Abwärme des Verbrennungsmotors in mechanische Energie umgewandelt und dadurch der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors in vorteilhafter Weise erhöht. Vorzugsweise umfasst das System mehrere Verdampfer.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das System einen Generator. Der Generator ist von der Expansionsmaschine antreibbar, so dass das System damit elektrische Energie oder elektrischen Strom zur Verfügung stellen kann.
In einer weiteren Ausgestaltung wird als Arbeitsmedium des Systems Wasser als Reinstoff, R245fa, Ethanol (Reinstoff oder Gemisch von Ethanol mit Wasser), Methanol (Reinstoff oder Gemisch von Methanol und Wasser) längerkettige Alkohole C5 bis C10, längerkettige Kohlenwasserstoffe C5 (Pentan) bis C8 (Oktan), Pyridin (Reinstoff oder Gemisch von Pyridin mit Wasser), Methylpyridin (Reinstoff oder Gemisch von Methylpyridin mit Wasser), Trifluorethanol (Reinstoff oder Gemisch von Trifluorethanol mit Wasser), Hexafluorbenzol, eine Wasser/Ammoniaklösung und/oder ein Wasser-Ammoniak-Gemisch eingesetzt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird als Spülfluid Druckluft, eine Spülflüssigkeit oder gasförmiger Stickstoff unter Druck eingesetzt.
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 eine stark vereinfachte Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors aus dem Stand der Technik,
2 einen Schnitt eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 einen Schnitt des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
4 eine Detailansicht eines U-förmigen Kanalabschnittes des Wärmeübertragers gemäß 3,
5 eine stark vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors in einem ersten Ausführungsbeispiel,
6 eine stark vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors in einem zweiten Ausführungsbeispiel und
7 eine stark vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors in einem dritten Ausführungsbeispiel.
In 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Verbrennungsmotor 27 als Hubkolbenverbrennungsmotor 28 dargestellt, der ein System 2 zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors 27 mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses aufweist. Der Verbrennungsmotor 27 weist einen Abgasturbolader 30 auf. Der Abgasturbolader 30 verdichtet Frischluft 29 in eine Ladeluftleitung 32 und ein in die Ladeluft 32 eingebauter Ladeluftkühler 33 kühlt die Ladeluft vor der Zuführung zu dem Verbrennungsmotor 27 ab. Durch eine Abgasleitung 34 wird Abgas vom Verbrennungsmotor 27 abgleitet und anschließend in einem Verdampfer 12 abgekühlt. Darauffolgend wird das Abgas in den Abgasturbolader 30 eingeleitet, um den Abgasturbolader 30 anzutreiben und anschließend als Abgas 31 an die Umgebung abgegeben. Das System 2 weist Leitungen 10 mit einem Arbeitsmedium auf. In dem Kreislauf mit dem Arbeitsmedium ist eine Expansionsmaschine 13, ein Kondensator 14, ein Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 sowie eine Pumpe 11 neben dem Verdampfer 12 integriert. Von der Pumpe 11 wird das flüssige Arbeitsmedium auf ein höheres Druckniveau in dem Kreislauf angehoben und anschließend verdampft das flüssige Arbeitsmedium in dem Verdampfer 12 und leistet anschließend in der Expansionsmaschine 13 mechanische Arbeit, indem das gasförmige Arbeitsmedium expandiert und darauffolgend einen geringen Druck aufweist. In dem Kondensator 14 wird das gasförmige Arbeitsmedium verflüssigt und anschließend wieder dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 zugeführt. Bei einer Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium kann das System 2 nicht bei Temperaturen von weniger als 0°C in nachteiliger Weise eingesetzt werden, weil bei einem Abschalten des Systems das Wasser gefriert und aufgrund einer Volumenvergrößerung des Wassers damit das System 2 beschädigt wird.
In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 dargestellt. Der Wärmeübertrager 1 besteht aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten Doppelplatten (nicht dargestellt) aus Edelstahl oder Aluminium. Die Doppelplatten bestehen somit aus zwei einzelnen Platten (nicht dargestellt) und in jede dieser Platten sind dabei Ausnehmungen eingearbeitet, deren Geometrie der Geometrie eines zweiten Strömungskanals 3 des Wärmeübertragers 1 entspricht. Aufgrund des Aufeinanderliegens dieser Einzelplatten (nicht dargestellt) ergibt sich somit ein mäanderförmiger zweiter Strömungskanal 3 mit vertikalen Kanalabschnitten 6, die an U-förmigen Kanalabschnitten 7 des zweiten Strömungskanals 3 miteinander verbunden sind. Die Doppelplatten des Wärmeübertragers 1 sind dabei mittels nicht dargestellter Rippen miteinander verbunden, so dass sich zwischen den Doppelplatten ein erster Strömungskanal zum Durchleiten eines ersten Fluides (nicht dargestellt) ergibt. Die vertikalen Kanalabschnitte 6 sind dabei im Wesentlichen vertikal ausgerichtet, d. h. mit einer Abweichung von weniger als 45° zu einer Vertikalen. Damit sind bei einem Einsatz des Wärmeübertragers 1 in Kraftfahrzeugen bei einer schiefen Lage des Kraftfahrzeuges, beispielsweise in einem hügligen Gelände, auch eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung der vertikalen Kanalabschnitte 6 jederzeit gewährleistet.
Am oberen Ende der vertikalen Kanalabschnitte 6 ist ein Ausdehnvolumen 4 ausgebildet. Das Ausdehnvolumen 4 dient dazu, damit sich bei einer Volumenvergrößerung des zweiten Fluides in dem zweiten Strömungskanal 3 bei einer Volumenänderung von einem flüssigen in einen festen Aggregatzustand sich das zweite Fluid in dem festen Aggregatzustand in das Ausdehnvolumen 4 ausdehnen kann, so dass dadurch an dem Wärmeübertrager 1 keine Schäden auftreten. Die vertikale Ausdehnung des Ausdehnvolumens 4 beträgt dabei 8,9% der vertikalen Ausdehnung der vertikalen Kanalabschnitte 6 außerhalb des Ausdehnvolumens 4. Der Wärmeübertrager 1 umfasst eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung (nicht dargestellt) zum Ein- und Ausleiten des zweiten Fluides in den zweiten Strömungskanal 3. Die Einlassöffnung und/oder die Auslassöffnung ist dabei in ihrer vertikalen Ausrichtung unterhalb des Ausdehnvolumens 4 ausgebildet, so dass, wenn durch den zweiten Strömungskanal 3 kein zweites Fluid durchgeleitet wird, das zweite Fluid in einem flüssigen Aggregatzustand zwar aus dem zweiten Strömungskanal 3 teilweise abläuft, wobei die Ausdehnvolumen 4 auch den zweiten Strömungskanal 3 mit ausbilden, jedoch das zweite Fluid in einem flüssigen Aggregatzustand aus den Ausdehnvolumen 4 herausläuft. Vorzugsweise ist die Ein- oder Auslassöffnung unmittelbar unterhalb dem Ausdehnvolumen 4 angeordnet, so dass das zweite Fluid, z. B. Wasser, in dem gesamten zweiten Strömungskanal 3 gemäß der Darstellung in 3 verbleibt, nur jedoch nicht in den Ausdehnvolumen 4. Bei einem Gefrieren des Wassers in dem zweiten Strömungskanal 3 kann sich somit das Wasser in die Ausdehnvolumen 4 ausdehnen, bei der verbundenen Volumenvergrößerung des Wassers von 8,9% beim Gefrieren, so dass dadurch in vorteilhafter Weise beim Gefrieren des Wassers in dem zweiten Strömungskanal 3 an dem Wärmeübertrager 1 kein Schaden entsteht.
In 3 und 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 beschrieben. Die vertikalen Kanalabschnitte 6 des Wärmeübertragers 1 sind konisch ausgebildet, wobei die Querschnittsfläche der vertikalen Kanalabschnitte 6 in Richtung zu den Ausdehnvolumen 4 stetig zunimmt. Bei einem Gefrieren des Wassers in den vertikalen Kanalabschnitten 6 können Reibungskräfte zwischen der Eissäule und der Wandungen des Wärmeübertrages 1, welche den zweiten Strömungskanal 3 begrenzen, eine Ausdehnung der Eissäule in die Ausdehnvolumen 4 behindern oder ausschließen. Dies könnte zu einer Beschädigung des Wärmeübertragers 1 führen. Aufgrund der konischen Ausbildung der vertikalen Kanalabschnitte 6 führen die auftretenden Druckkräfte zwischen der Eissäule und den Wandungen an dem zweiten Strömungskanal 3 zu Kräften, welche die Eissäule in Richtung zu den Ausdehnvolumen 4 bewegen, so dass dadurch in vorteilhafter Weise die Eissäule sich in das Ausdehnvolumen 4 hineinbewegt und damit eine Beschädigung des Wärmeübertrags 1 vermieden werden kann. Im Bereich der U-förmigen Kanalabschnitte 7 weist der zweite Strömungskanal 3 Fasen 8 (4) auf. Aufgrund der Fasen 8 wird eine horizontale Ausdehnung des Eises in den U-förmigen Kanalabschnitten 7 in vertikal nach oben gerichtete Ausdehnung in den vertikalen Kanalabschnitten 6 umgewandelt, so dass die Ausdehnung in den U-förmigen Kanalabschnitten 7 mittelbar durch die vertikalen Kanalabschnitte 6 sich auch in die Ausdehnvolumen 4 ausdehnen kann. In den Ausdehnvolumen 4 sind ferner Zuganker 5 ausgebildet. Vorzugsweise sind die Zuganker 5 dabei in einer Verlängerung der Zwischenräume zwischen den vertikalen Kanalabschnitten 6 in den Ausdehnvolumen 4 ausgerichtet. In den Ausdehnvolumen 4 treten bei einer Verwendung des Wärmeübertragers 1 in einem System 2 hohe Drücke auf. Diese hohen Drücke führen zu hohen Kräften, die die Festigkeit des Wärmeübertragers im Bereich der Ausdehnvolumen 4 beeinträchtigen oder gefährden könnten. Zuganker 5 können somit eine Beschädigung des Wärmeübertrages 1 in den Ausdehnvolumen 4 aufgrund der dort auftretenden hohen Kräfte verringern oder ausschließen. Die Zuganker 5 sind dabei außerhalb einer Verlängerung der vertikalen Kanalabschnitte 6 in den Ausdehnvolumen 4 angeordnet, so dass die Zuganker 5 die Ausdehnung der Eissäule von den vertikalen Kanalabschnitten 6 in das Ausdehnvolumen 4 nicht behindern.
In 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 2 zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors 27 dargestellt. Das System 2 umfasst einen von den Leitungen 10 gebildeten Kreislauf mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 als Verdampfer 12, die Expansionsmaschine 13, den Kondensator 14 und den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 sowie die Pumpe 11 als Hochdruckpumpe. Ein Rückschlagventil 37 verhindert, dass Wasser als Arbeitsmedium von dem Wärmeübertrager 1 in der Leitung 10 in Richtung zu der Pumpe 11 zurückströmt. Der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 ist dabei so ausgeführt, dass in ihm Wasser gefrieren kann, ohne dass dabei der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 zerstört oder beschädigt wird. Das Wasser als Arbeitsmedium des Systems 2 strömt dabei durch den zweiten Strömungskanal des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1. In den Wärmeübertrager 1 wird heißes Abgas 35 in den ersten Strömungskanal des Wärmeübertragers 1 eingeleitet, kühlt dabei in dem Wärmeübertrager 1 ab und als gekühltes Abgas 36 aus dem Wärmeübertrager 1 wieder ausgeleitet. Mittels des heißen Abgases 35 wird das Wasser in dem Verdampfer 12 verdampft. In dem Kreislauf des Systems 1 fördert die Pumpe 11 das Wasser von dem Auffang- und dem Ausgleichsbehälter 15 zu dem Verdampfer 12 und dabei wird von der Pumpe 11 das Wasser auf ein hohes Druckniveau, z. B. 100 bis 400 bar, angehoben. In dem Verdampfer 12 verdampft das Wasser und leistet anschließend in der Expansionsmaschine 13 Arbeit. Nach dem Durchströmen des Dampfes durch die Expansionsmaschine 13 kondensiert das Wasser in dem Kondensator 14 wieder zu Wasser und wird anschließend in den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 eingeleitet, um von dort wieder von der Pumpe 11 angesaugt zu werden.
Das System 2 umfasst ferner ein erstes Ventil 16 als 3/2-Wegeventil und eine erste Bypassleitung 17 zum Entkoppeln und Einkoppeln der Expansionsmaschine 13 von dem Kreislauf sowie außerdem ein zweites Ventil 18 sowie eine zweite Bypassleitung 19 zum Entkoppeln und Einkoppeln des Kondensators 14 von dem Kreislauf des Systems 2. Außerdem ermöglicht ein drittes Ventil 20 und eine dritte Bypassleitung 21 das Entkoppeln und Einkoppeln des Auffang- und Ausgleichsbehälters 15 von dem Kreislauf. Im normalen Betrieb des Systems 2, d. h. bei der Umwandlung von Abwärme des heißen Abgases 35 mittels des Systems 2 in mechanische Energie an der Expansionsmaschine 13, sind die drei Bypassleitungen 17, 19 und 21 mittels der Ventile 16, 18 und 20 geschlossen.
Der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 ist an der tiefsten Stelle des Systems 2 angeordnet. Nach dem Abschalten des Systems 2, beispielsweise einem Abschalten eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor 27 und dem System 2 gemäß 5, strömt aufgrund von Schwerkraft das gesamte Wasser als Arbeitsmedium in den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 aufgrund der Schwerkraft. Der Kreislauf des Systems 2 befindet sich dabei im Vakuum, so dass die Luft der Umgebung keinen Einfluss hat. Bei einem Einsatz des Systems 2 in einem Kraftfahrzeug kann somit bei länger anhaltenden Temperaturen unter 0°C das gefrierende Wasser in dem System 2 keinen Schaden anrichten. Aufgrund der konstruktiven Ausbildung des Wärmeübertragers 1 und des Sammelns des gesamten Wassers in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15, abgesehen von dem Wasser in dem Wärmeübertrager 1, können somit dem System 2 aufgrund von gefrierendem Wasser keine Schäden entstehen.
Im Normalbetrieb des Systems 2, d. h. bei einer Umwandlung von Wärme des heißen Abgases 15 in mechanische Energie an der Expansionsmaschine 3, sind sämtliche Ventile 16, 18 und 20 dahingehend geschaltet, dass die Expansionsmaschine 13, der Kondensator 14 und der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 in den Kreislauf eingekoppelt sind.
Bei einer Inbetriebnahme des Systems 2 in einem eingefrorenen Zustand des Wassers ist das System 2 hochzufahren. Hierzu sind beim Hochfahren zunächst sämtliche Ventile 16, 18 und 20 dahingehend geschaltet, dass die Expansionsmaschine 13, der Kondensator 14 und der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 von dem Kreislauf entkoppelt sind. Der Kreislauf umfasst somit lediglich den Wärmeübertrager 1 und die Pumpe 11. Aufgrund des Durchströmens des Wärmeübertragers 1 mit heißem Abgas 35 wird das als Eis vorliegende Arbeitsmedium in dem Wärmeübertrager 1 erwärmt, verflüssigt und verdampft anschließend. Aufgrund der verbundenen Volumenvergrößerung des Wassers bzw. Arbeitsmediums strömt das Arbeitsmedium Wasser aufgrund des Rückschlagventils 37 in der Leitung 10 in Richtung der Expansionsmaschine. Aufgrund der Schaltung des Ventils 16 strömt jedoch zunächst in die Expansionsmaschine 13 kein flüssiges Arbeitsmedium oder Dampf. Zunächst wird somit durch den Kreislauf, bestehend nur aus der Pumpe 11 und dem Wärmeübertrager 1, Wasser und/oder Wasserdampf geleitet. Die Leitungen 10 bzw. auch die Bypassleitungen 17, 19 und 21 können dabei auch eine elektrische Heizeinrichtung (nicht dargestellt) aufweisen, um das Risiko des Einfrierens der Leitungen 10 und/oder der Bypassleitungen 17, 19 und 21 zu reduzieren. Nach dem Erreichen bzw. dem Erwärmendes Wassers als Arbeitsmedium auf eine vorgegebene Temperatur werden die übrigen Komponenten des Systems 2 schrittweise zugeschaltet. Beispielweise kann als erstes durch den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 das Wasser und/oder der Wasserdampf durchgeleitet werden, indem das dritte Ventil 20 in eine Stellung gebracht wird, so dass auch durch den Auffang- und/oder Ausgleichsbehälter 15 das Wasser und/oder der Wasserdampf strömt. Die Ventile 16, 18 und 20 können dabei auch langsam geöffnet werden oder in entsprechende Stellungen gebracht werden, so dass nur zunächst eine geringe Menge des Wassers durch die entsprechende Komponente strömt. Nach dem Erwärmen des Auffang- und Ausgleichsbehälters 15, so dass das darin gefrorene Wasser sich wieder verflüssigt, kann anschließend der Kondensator 15 mittels des zweiten Ventils 18 in den Kreislauf integriert werden. Nach Erreichen der Betriebstemperatur des Arbeitsmediums Wasser wird als letztes die Expansionsmaschine 13 in den Kreislauf eingekoppelt. Damit ist das System 2 vollständig hochgefahren und kann wieder Wärme des heißen Abgases mittels der Expansionsmaschine 13 in mechanische Energie umwandeln. Darüber hinaus kann auch der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 mit einer elektrischen Heizeinrichtung ausgestattet sein, um den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15, d. h. das darin angeordnete Eis, aufzutauen.
In 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 2 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel des Systems 2 gemäß 5 beschrieben. Das System 2 weist als Mittel zum Entkoppeln von Komponenten des Systems 2 lediglich ein viertes Ventil 22 und eine vierte Bypassleitung 23 auf. Mittels des vierten Ventils 22 und der vierten Bypassleitung 23 können die Expansionsmaschine 13, der Kondensator 14 und der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 gemeinsam entkoppelt und eingekoppelt werden. Im Normalbetrieb des Systems 2 ist das vierte Ventil 22 dahingehend geschaltet, dass in den Kreislauf auch die Expansionsmaschine 13, der Kondensator 14 und der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 eingekoppelt und integriert sind. Beim Hochfahren des Systems 2 bei einem eingefrorenen Wasser als Arbeitsmedium ist das vierte Ventil 22 dahingehend geschaltet, dass der Kreislauf lediglich von dem Wärmeübertrager 1 und der Pumpe 11 gebildet wird. Nach Erreichen der Betriebstemperatur des Arbeitsmediums Wasser wird dabei das vierte Ventil 22 dahingehend geschaltet, dass die Expansionsmaschine 13, der Kondensator 14 und der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 wieder in den Kreislaufeingekoppelt werden, insbesondere langsam indem in Zwischenstellungen des Ventils 22 Arbeitsmedium sowohl durch die Bypassleitung 23 als durch die Expansionsmaschine 13, den Kondensator 14 und den Auffang- und Ausgleichsbehälter strömt. Vorzugsweise weist dabei der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 eine elektrische Heizeinrichtung auf, so dass bereits beim Einkoppeln der Komponenten 13, 14 und 15 beim Hochfahren des Systems 2 das Wasser in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 bereits aufgetaut ist. Dabei kann der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 auch dahingehend ausgebildet sein, dass beim Hochfahren des Systems 2 und dem Einleiten von Dampf in den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 der Dampf einerseits das gefrorene Eis in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 erwärmt und andererseits der in den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 eingeleitete Dampf oder Wasser das gefrorene Eis umströmt und in die Leitung 10 zu der Pumpe 11 strömen kann.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Wärmeübertrager 1 horizontale Kanalabschnitte auf und die Ein- oder Auslassöffnung des Wärmeübertragers 1 in den zweiten Strömungskanal für das Arbeitsmedium Wasser ist dabei an der tiefsten Stelle des Wärmeübertragers 1 ausgebildet, so dass nach dem Abschalten des Systems 2 auch der Wärmeübertrager 1 vollständig von dem Wasser entleert wird. Ansonsten entspricht das nicht dargestellte Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 5. Nach dem Abschalten des Systems 2 entleert sich somit bzw. sammelt sich das gesamte Wasser in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15, weil dieser an der tiefsten Stelle des Systems 2 angeordnet ist. Zum Hochfahren des Systems 2 braucht somit im Wesentlichen kein Wasser in dem zweiten Strömungskanal 3 des Wärmeübertragers 1 aufgetaut und erwärmt werden. Hierzu wird lediglich das Wasser in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15, beispielsweise mittels einer elektrischen Heizeinrichtung oder Abwärme des Verbrennungsmotors, erwärmt. Abweichend oder ergänzend hierzu könnte beispielsweise auch an dem Wärmeübertrager 1 in einem gesonderten Behälter Wasser in einem gefrorenen Zustand angeordnet sein, das jedoch beim Gefrieren keinen Schaden in dem Behälter verursacht. Beim Hochfahren des Systems 2 sind in analoger Weise zu dem ersten Ausführungsbeispiel zunächst nur der Wärmeübertrager 1 und die Pumpe 11 oder ergänzend auch der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 in den Kreislauf eingekoppelt. Nach dem Erwärmen und/oder Auftauen des Wassers oder dem Erreichen einer Betriebstemperatur werden sukzessive die der Kondensator 14, der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 und die Expansionsmaschine 13 mittels der Ventile 16, 18 und 20 eingekoppelt.
In 7 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Systems 2 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 5 beschrieben. Das System 2 umfasst ein fünftes Ventil 24 und eine fünfte Bypassleitung 25 zum Entkoppeln und Einkoppeln der Expansionsmaschine 13 und des Kondensators 14. Mittels einer Einrichtung 26, nämlich einem Druckluftbehälter, kann Luft als Spülfluid in das System 2 eingeleitet werden.
Im Normalbetrieb des Systems 2 bzw. in einem hochgefahrenen Zustand des Systems 2 sind die Ventile 16, 18 und 24 dahingehend geschaltet, dass die Expansionsmaschine 13, der Kondensator 14 und der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 in den Kreislauf eingekoppelt sind. Beim Herunterfahren des Systems 2, d. h. beim Abschalten des Durchleitens von heißem Abgas 35 durch den Wärmeübertrager 1 bzw. den Verdampfer 12, wird als erstes mittels des Ventils 16 die Expansionsmaschine 13 aus dem Kreislauf entkoppelt, damit in der Expansionsmaschine 13 eine möglichst geringe Menge an Wasserdampf verbleibt. Die Pumpe 11 bleibt anschließend in Betrieb, damit sich der Verdampfer 12 und der Kondensator 14 gleichmäßig mit dem Arbeitsmedium füllt. Dies ist wichtig für das nachfolgende Entleeren bzw. Spülen des Systems 2 mit dem Spülfluid. Ist das System 2 gleichmäßig gefüllt, abgesehen von der Expansionsmaschine 13, wird die Pumpe 11 abgestellt. Anschließend wird durch die Einrichtung 26 Druckluft in den Kreislauf, d. h. in die Leitung 10 zwischen dem Ventil 24 und dem Ventil 16, eingeleitet. Die Ventile 16, 18 und 24 werden dabei dahingehend geschaltet, dass die Komponenten 13, 14, 12, die Leitungen 10 und die Bypassleitungen 17, 19 und 25 schrittweise entleert werden. Als Erstes wird der Verdampfer 12 sowie die Leitung 10 vom Verdampfer 12 zu dem Auffang- und Ausgleichsbehälter entleert, indem das Ventil 24 geöffnet und das Ventil 16 für die Druckluft geschlossen ist. Bei dem derartigen Entleeren ist dabei am Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 eine Entlüftung aktiv oder passiv vorgesehen. Anschließend wird die Bypassleitung 25, der Kondensator 14 und die Bypassleitung 17, 19 entleert. Möglicherweise wird je nach Einbausituation auch die Expansionsmaschine 13 mit Druckluft entleert. Dies ist möglichst nicht als letzter Prozessschritt durchzuführen, sondern möglichst als erster, da sonst die Gefahr besteht, dass sich das ausgeblasene Arbeitsmedium in nachfolgenden Komponenten niederschlägt. Nach dem Ausführen dieser Prozessschritte ist somit das System 2 vollständig entleert und lediglich in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 befindet sich das Wasser. Der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 ist dabei dahingehend ausgebildet, dass Eis bzw. gefrierendes Wasser den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 nicht beschädigt.
Zu Beginn des Hochfahrens des Systems 2 mit Eis bzw. gefrorenem Wasser in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 wird zunächst heißes Abgas 35 durch den Verdampfer 12 geleitet. Dadurch erwärmt sich der Wärmeübertrager 1. Das Eis in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 wird von einer elektrischen Heizeinrichtung (nicht dargestellt) erwärmt und verflüssigt und anschließend mittels der Pumpe 11 das Wasser in den Verdampfer 12 geleitet. Dabei ist das Ventil 24 dahingehend geschaltet, dass in den Kreislauf lediglich der Wärmeübertrager 1 der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 und die Pumpe 11 eingekoppelt sind. Die übrigen Komponenten, nämlich die Expansionsmaschine 13 und der Kondensator 14 sind entkoppelt. Mittels der elektrischen Heizeinrichtung braucht das Eis lediglich geschmolzen zu werden. Nach dem Schmelzen des Eises zu Wasser, kann mittels der Pumpe 11 das Wasser in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 und somit das gesamte Wasser als Arbeitsmedium mit dem Verdampfer 12 auf Temperatur gebracht werden. Nach dem Erreichen der Betriebstemperatur oder einer vorgegebenen Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur, z. B. bei einem Erreichen des Wassers einer Temperatur zwischen 40°C und 70°C, werden die Ventile 16, 18 und 24 dahingehend geschaltet, dass zusätzlich neben dem Wärmeübertrager 1, der Pumpe 11 und dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 auch der Kondensator 14 in den Kreislauf eingekoppelt wird. Nach dem Erwärmen des Kondensators 14 auf eine vorgegebene Temperatur oder die Betriebstemperatur wird das System 2 solange betrieben, bis die Betriebstemperatur des Systems 2 erreicht ist, so dass der Verdampfer 12 ausreichend heißen Dampf liefert, der in der Expansionsmaschine 13 verwendet werden kann. Der Dampfgehalt des Arbeitsmediums, der den Wärmeübertrager 1 bzw. den Verdampfer 12 verlässt, muss dabei ausreichend hoch sein, beispielsweise ein Dampfgehalt von mehr als 95%. Anschließend wird mittels des Ventils 16 auch die Expansionsmaschine 13 in den Kreislauf eingekoppelt, so dass sich das System 2 in einer normalen Betriebsstellung befindet. Beim anschließenden Herunterfahren des Systems 2 werden die oben beschriebenen Prozessschritte beschrieben, in denen das Wasser mittels Druckluft in den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 eingeblasen wird.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 und dem erfindungsgemäßen System 2, dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 27 wesentliche Vorteile verbunden. Der Verbrennungsmotor 27 mit dem System 2, beispielsweise bei einem Einsatz in einem Lastkraftwagen, kann dabei dahingehend mit dem System 2 mit Wasser als Arbeitsmedium betrieben werden, dass bei Temperaturen von unter 0°C an dem System 2 keine Schäden auftreten. Damit können die mit der Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium verbundenen Vorteile in dem System 2 in vorteilhafter Weise genutzt werden, ohne dass dabei Schäden an dem System 2 auftreten. Die mobile Anwendung in Kraftfahrzeugen von Verbrennungsmotoren 27 mit dem System 2, das mit Wasser als Arbeitsmedium betrieben wird, ist damit problemlos möglich.
Bezugszeichenliste

1: Wärmeübertrager
2: System
3: Zweiten Strömungskanal
4: Ausdehnvolumen
5: Zuganker
6: Vertikale Kanalabschnitte
7: U-förmige Kanalabschnitte
8: Fase
9: System
10: Leitung
11: Pumpe
12: Verdampfer
13: Expansionsmaschine
14: Kondensator
15: Auffang- und Ausgleichsbehälter
16: Erstes Ventil zum Entkoppeln der Expansionsmaschine
17: Erste Bypassleitung zum Entkoppeln der Expansionsmaschine
18: Zweites Ventil zum Entkoppeln des Kondensators
19: Zweite Bypassleitung zum Entkoppeln des Kondensators
20: Drittes Ventil zum Entkoppeln des Auffang- und Ausgleichsbehälters
21: Dritte Bypassleitung zum Entkoppeln des Auffang- und Ausgleichsbehälters
22: Viertes Ventil zum Entkoppeln der Expansionsmaschine, des Kondensators und des Auffang- und Ausgleichsbehälters
23: Vierte Bypassleitung zum Entkoppeln Expansionsmaschine, des Kondensators und des Auffang- und Ausgleichsbehälters
24: Fünftes Ventil zum Entkoppeln der Expansionsmaschine und des Kondensators
25: Fünfte Bypassleitung zum Entkoppeln der Expansionsmaschine und des Kondensators
26: Einrichtung zum Durchleiten eines Spülfluides
27: Verbrennungsmotor
28: Hubkolbenverbrennungsmotor
29: Frischluft
30: Abgasturbolader
31: Abgas
32: Ladeluftleitung
33: Ladeluftkühler
34: Abgasrückführleitung
35: Heißes Abgas
36: Gekühltes Abgas
37: Rückschlagventil

Claims

Wärmeübertrager (1), insbesondere Verdampfer (12) für ein System (2) zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors (27, 28) mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend – vorzugsweise ein Gehäuse, – vorzugsweise einen ersten Strömungskanal zum Durchleiten eines ersten Fluides, – einen zweiten Strömungskanal (3) zum Durchleiten eines zweiten Fluides, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (3) wenigstens ein Ausdehnvolumen (4) aufweist, um Volumenvergrößerungen des zweiten Fluides bei einer Wandlung des Aggregatzustandes des zweiten Fluides von einem flüssigen Aggregatzustand in einen festen Aggregatzustand, insbesondere ein Gefrieren, aufzunehmen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) wenigstens eine Einlassöffnung zum Einleiten des zweiten Fluides und wenigstens eine Auslassöffnung zum Ausleiten des zweiten Fluides aufweist und wenigstens eine Einlassöffnung und/oder wenigstens eine Auslassöffnung unterhalb des wenigstens einen Ausdehnvolumens (4), insbesondere in der vertikalen Ausrichtung an einem unteren Ende des wenigstens einen Ausdehnvolumens (4), ausgebildet ist, so dass das zweite Fluid in einem flüssigem Aggregatzustand aus dem wenigstens einen Ausdehnvolumen außerhalb der Nutzung durch wenigstens eine Einlassöffnung und/oder durch wenigstens eine Auslassöffnung ausleitbar ist und/oder sämtliche Ausdehnvolumen (4) die gleiche vertikale Ausdehnung aufweisen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des wenigstens einen Ausdehnvolumens (4) wenigstens 7%, 8,9% oder 10% des Volumens des zweiten Strömungskanals (3) außerhalb des wenigstens einen Ausdehnvolumens (4) beträgt, der dem wenigstens einen Ausdehnvolumen (4) zugeordnet ist und/oder der zweite Strömungskanal (3) wenigstens einen, vorzugsweise mehrere, im Wesentlichen vertikale Kanalabschnitte (6) aufweist und das wenigstens eine Ausdehnvolumen (4) am oberen Ende des wenigstens einen vertikalen Kanalabschnittes (6) angeordnet ist und/oder die vertikale Ausdehnung des wenigstens einen Ausdehnvolumens (4) wenigstens 7%, 8,9% oder 10% der vertikalen Ausdehnung des wenigstens einen vertikalen Kanalabschnitts (6) beträgt und/oder jedem vertikalen Kanalabschnitt (6) ein Ausdehnvolumen (4) zugeordnet ist.
Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (3) zwischen zwei Platten als Doppelplatte ausgebildet ist und zwischen zwei Doppelplatten der erste Strömungskanal ausgebildet ist, insbesondere die beiden Doppelplatten mit Rippen in dem ersten Strömungskanal miteinander verbunden sind und/oder je zwei vertikale Kanalabschnitte (6) mittels eines U-förmiger Kanalabschnittes (7) mit einander verbunden sind und vorzugsweise in dem U-förmigen Kanalabschnitt die Geometrie des Strömungsraumes eine Fase oder einen Radius aufweist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) mehrere, übereinander angeordnete Doppelplatten aufweist und/oder die Doppelplatten im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind.
Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des zweiten Strömungskanals (3) in Richtung zu dem wenigstens einen Ausdehnvolumen (4), vorzugsweise stetig, zunimmt und/oder die vertikalen Kanalabschnitte (6) des zweiten Strömungskanals (3) zu dem wenigstens einen Ausdehnvolumen (4) konisch ausgebildet sind und die Querschnittsfläche des vertikalen Kanalabschnittes (6) nach oben zunimmt, insbesondere ein Öffnungswinkel der vertikalen Kanalabschnitte wenigstens 3° oder 5° beträgt.
System (2) zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors (27, 28) mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend – einen Kreislauf mit Leitungen (10) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, – eine Pumpe (11) zum Fördern des Arbeitsmediums, – einen Verdampfer (12) zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, – eine Expansionsmaschine (13), – einen Kondensator (14) zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, – vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) für das flüssige Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (12) als ein Wärmeübertrager (1) gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist und/oder das System (2) ein erstes Ventil (16) und eine erste Bypassleitung (17) umfasst und die Expansionsmaschine (13) mittels des ersten Ventils (16) und der ersten Bypassleitung (17) von dem Kreislauf entkoppelbar ist und/oder das System (2) ein zweites Ventil (18) und eine zweite Bypassleitung (19) umfasst und der Kondensator (14) mittels des zweiten Ventils (18) und der zweiten Bypassleitung (19) von dem Kreislauf entkoppelbar ist und/oder das System (2) ein drittes Ventil (20) und eine dritte Bypassleitung (21) umfasst und der Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) mittels des dritten Ventils (20) und der dritten Bypassleitung (21) von dem Kreislauf entkoppelbar ist und/oder das System (2) ein viertes Ventil (22) und eine vierte Bypassleitung (23) umfasst und mittels des vierten Ventils (22) und der vierten Bypassleitung (23) die Expansionsmaschine (13), der Kondensator (14) und der Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) von dem Kreislauf entkoppelbar sind und/oder das System (2) ein fünftes Ventil (24) und eine fünfte Bypassleitung (25) umfasst und mittels des fünften Ventils (24) und der fünften Bypassleitung (25) die Expansionsmaschine (13) und der Kondensator (14) von dem Kreislauf entkoppelbar sind und/oder das System (2) eine Einrichtung (26) zum Durchleiten eines Spülfluides, z. B. Druckluft oder eine Spülflüssigkeit, durch den Verdampfer (12) und/oder den Kondensator (14) und/oder wenigstens eine Bypassleitung (17, 19, 21, 23, 25) und/oder die Leitungen (10) des Kältekreises aufweist und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) unterhalb des Verdampfers (12) und/oder der Expansionsmaschine (13) und/oder dem Kondensator (14), insbesondere an der tiefsten Stelle des Kreislaufes, angeordnet ist, so dass sich nach dem Abschalten des Systems (2) das flüssige Arbeitsmedium im Wesentlichen vollständig in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) sammelt zur Entleerung des Verdampfers (12) und/oder der Expansionsmaschine (13) und/oder des Kondensators (14) und/oder ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 8 bis 14 ausführbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines System (2) zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors (27, 28) mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, insbesondere eines Systems gemäß Anspruch 7, umfassend – einen Kreislauf mit Leitungen (10) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, – eine Pumpe (11) zum Fördern des Arbeitsmediums, – einen Verdampfer (12) zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, – eine Expansionsmaschine (13), – einen Kondensator (14) zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, – vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) für das flüssige Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschalten des Systems (2) das Arbeitsmedium im Wesentlichen vollständig in den Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) eingeleitet wird, so dass in dem Verdampfer (12), der Expansionsmaschine (13), dem Kondensator (14) und den Leitungen (14) im Wesentlichen kein Arbeitsmedium enthalten ist. Oder nach dem Abschalten des Systems (2) das Arbeitsmedium, abgesehen von dem Verdampfer (12), im Wesentlichen vollständig in den Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) eingeleitet wird, so dass in der Expansionsmaschine (13), dem Kondensator (14) und den Leitungen (10) im Wesentlichen kein Arbeitsmedium enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium mittels Schwerkraft in den Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) geleitet wird oder das Arbeitsmedium mittels eines Spülfluides, z. B. eine Spülflüssigkeit oder Druckluft, in den Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) geleitet wird.
Verfahren zum Betreiben eines System (2) zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors (27, 28) mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, insbesondere eines Systems (2) gemäß Anspruch 7, umfassend – einen Kreislauf mit Leitungen (10) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, – eine Pumpe (11) zum Fördern des Arbeitsmediums, – einen Verdampfer (12) zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, – eine Expansionsmaschine (13), – einen Kondensator (14) zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, – vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) für das flüssige Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Inbetriebnahme des Systems (2) Arbeitsmedium in dem Verdampfer (12) in einem festen Aggregatzustand, insbesondere Eis, erwärmt und/oder verdampft wird und mit dem erwärmten und/oder verdampften Arbeitsmedium übrige Komponenten (10, 12, 13, 14, 15), insbesondere der Verdampfer (12) und/oder der Kondensator (14) und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter (15), des Systems (2) erwärmt werden, indem das Arbeitsmedium zu den übrigen Komponenten (10, 12, 13, 14, 15) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die übrigen Komponenten (10, 12, 13, 14,15) schrittweise aufeinanderfolgend erwärmt werden und/oder nach dem Erreichen der Betriebstemperatur des Systems (2) die Expansionsmaschine (13) in Betrieb genommen wird, indem gasförmiges Arbeitsmedium durch die Expansionsmaschine (13) geleitet wird.
Verfahren zum Betreiben eines System (2) zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors (27, 28) mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, insbesondere eines Systems (2) gemäß Anspruch 7, umfassend – einen Kreislauf mit Leitungen (10) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, – eine Pumpe (11) zum Fördern des Arbeitsmediums, – einen Verdampfer (12) zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, – eine Expansionsmaschine (13), – einen Kondensator (14) zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, – vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) für das flüssige Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Inbetriebnahme des Systems (2) Arbeitsmedium außerhalb des Verdampfers (12), insbesondere in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter (15), in einem festen Aggregatzustand, insbesondere Eis, erwärmt und/oder verdampft wird und mit dem erwärmten und/oder verdampften Arbeitsmedium übrige Komponenten (10, 12, 13, 14), insbesondere der Verdampfer (12) und/oder der Kondensator (14) und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter (15), des Systems (2) erwärmt werden, indem das Arbeitsmedium zu den übrigen Komponenten (10, 12, 13, 14) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium mit elektrischer Energie und/oder Abwärme des Verbrennungsmotors (27, 28) erwärmt und verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die übrigen Komponenten (10, 12, 13, 14) schrittweise aufeinanderfolgend erwärmt werden und/oder nach dem Erreichen der Betriebstemperatur des Systems (2) die Expansionsmaschine (13) in Betrieb genommen wird, indem gasförmiges Arbeitsmedium durch die Expansionsmaschine (13) geleitet wird.
Verbrennungsmotor (27), insbesondere Hubkolbenverbrennungsmotor (28), mit einem System (2) zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors (27) mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend – einen Kreislauf mit Leitungen (10) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, – eine Pumpe (11) zum Fördern des Arbeitsmediums, – einen von der Abwärme des Verbrennungsmotors (27) erwärmbaren Verdampfer (12) zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, – eine Expansionsmaschine (13), – einen Kondensator (14) zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, – vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) für das flüssige Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass das System (2) gemäß Anspruch 7 ausgebildet ist und/oder ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 8 bis 14 ausführbar ist.