DE102009050263A1 - System mit einem Rankine-Kreislauf - Google Patents

System mit einem Rankine-Kreislauf Download PDF

Info

Publication number
DE102009050263A1
DE102009050263A1 DE102009050263A DE102009050263A DE102009050263A1 DE 102009050263 A1 DE102009050263 A1 DE 102009050263A1 DE 102009050263 A DE102009050263 A DE 102009050263A DE 102009050263 A DE102009050263 A DE 102009050263A DE 102009050263 A1 DE102009050263 A1 DE 102009050263A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
working medium
heat exchanger
rankine
rankine cycle
partial flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102009050263A
Other languages
English (en)
Inventor
Jürgen Grünwald
Roland Burk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Behr GmbH and Co KG filed Critical Behr GmbH and Co KG
Priority to DE102009050263A priority Critical patent/DE102009050263A1/de
Publication of DE102009050263A1 publication Critical patent/DE102009050263A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02Profiting from waste heat of exhaust gases
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23Layout, e.g. schematics
    • F02M26/28Layout, e.g. schematics with liquid-cooled heat exchangers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23Layout, e.g. schematics
    • F02M26/25Layout, e.g. schematics with coolers having bypasses
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend zumindest ein Abgassystem (2), insbesondere mit einer Abgasrückführung (2a), mit einem ersten Arbeitsmedium und zumindest einen Rankine-Kreislauf (3) mit einem zweiten Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem (2) durch einen ersten Wärmeübertrager (4) und zumindest einen zweiten Wärmeübertrager (5) thermisch an den Rankine-Kreislauf (3) koppelbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System, insbesondere für Kraftfahrzeuge, aufweisend ein Abgasrückführsystem und einen Rankine-Kreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Zunehmend wird der Einsatz von Systemen zur Wärmerückgewinnung, etwa von Clausius-Rankine Prozessen angedacht.
  • Der Clausius-Rankine Prozess ist seit langem als geschlossener Dampfkraftprozess bekannt. Eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch wird unter Druck verdampft, in der Regel auch überhitzt und einer Expansionsmaschine zugeführt, die mechanische Arbeit leistet. Das entspannte Arbeitsmittel wird unter Wärmeabgabe vollständig kondensiert und mittels Pumpe wieder auf Verdampfungsdruck gebracht.
  • Aufgrund der jüngeren Anstrengungen beim Klimaschutz und der Verknappung fossiler Energieträger ist diese Technologie in jüngerer Zeit wieder verstärkt für den Einsatz in Kraftfahrzeugen im Gespräch.
  • Um einen möglichst hohen Anteil der Abwärme eines Fahrzeuges für den Prozess zu gewinnen und dessen Leistung zu erhöhen, werden verschiedene Wärmequellen im Fahrzeug genutzt, insbesondere die Abwärme des Motorkühlkreislaufes oder des Abgassystems. Aufgrund seiner hohen Temperatur stellt das Abgassystem eine bevorzugte Wärmequelle dar, wobei insbesondere die Abgasrückfürung (AGR) in Frage kommt, da der zum Motor zurückgeführte Abgasteilstrom nach Stand der Technik einen Kühlungsbedarf aufweist, was üblicherweise in wenigstens einem Abgasrückführkühler (AGR-Kühler) bewerkstelligt wird.
  • Die JP 2007332853 A offenbart ein Abwärmerückgewinnungssystem, wobei genau ein Heizer die vom Abgas aufgenommene Abwärme an einen Rankine Kreislauf abgibt. Das Medium im Rankine Kreislauf verdampft und expandiert anschließend in einer Expansionsmaschine, um thermische in mechanische Energie umzuwandeln.
  • 1 zeigt ein schematisches Temperatur-Enthalpie Diagramm für ein derartiges System, in dem durch einen Wärmeübertrager Wärme, beispielsweise die Wärme eines Abgases, auf einen Rankine Kreislauf übertragen wird. Hierbei zeigt die durchgezogene Linie den Temperaturverlauf des Rankine-Mediums und die strichlierte Linie den Temperaturverlauf des Abgases.
  • Die Verdampfung eines Fluids, bestehend aus ausschließlich einer Substanz oder eines azeotropen Gemisches, findet unter näherungsweise isobaren Bedingungen und gleichzeitig näherungsweise isotherm statt. Daraus ergibt sich folgender Temperaturverlauf für das Rankine-Medium:
    Temperaturanstieg während der Vorwärmphase 101, konstante Temperatur während der Verdampfung 102 und wiederum Temperaturanstieg in der Überhitzungsphase 103. Sofern das wärmeabgebende Fluid über der gesamten Wärmeübertragungsphase einphasig bleibt, ergibt sich ein annähernd linearer Temperaturabfall desselben. Daraus resultieren folgende Nachteile:
    Der Wärmeübergang wird beim Übergang von der Vorwärmphase 101 zur Verdampfung 102 behindert, da in diesem Bereich die größtmögliche Annäherung der Temperaturen der wärmeaustauschenden Fluide erfolgt. Diese Annäherung wird auch als „pinch point” 104 bezeichnet. Zur Überwindung dieses Bereiches wird daher eine große Wärmeübertragungsfläche benötigt.
  • Wie aus 1 gefolgert werden kann, stellt der „pinch-point” 104 auch ein Limit für den maximalen Massenstrom des Rankine-Mediums dar, wobei die Pfeilrichtung 105 höhere Massenströme bedeutet. Somit ist eine schlechte Ausnutzung der Wärmequelle gegeben, da der „pinch-point” 104 die maximal übertragbare Wärmemenge limitiert, selbst wenn die Abgasaustrittstemperatur noch erheblich über der Rankine-Medium Eintrittstemperatur liegt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik, ist es Aufgabe der Erfindung, die Effizienz von Wärmeübertragern bei der Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung zu verbessern, die spezifische Wärmeübertragerfläche zu reduzieren und die mögliche Leistung des Dampfkraftprozesses, insbesondere des Rankine Prozesses zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß eines Grundgedankens der Erfindung weist ein System zur Abwärmenutzung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, ein Abgassystem, insbesondere mit einer Abgasrückführung, mit einem ersten Arbeitsmedium und zumindest einen Rankine-Kreislauf mit einem zweiten Arbeitsmedium auf, wobei das Abgassystem durch einen ersten Wärmeübertrager und zumindest einen zweiten Wärmeübertrager thermisch an den Rankine-Kreislauf koppelbar ist.
  • Durch die Koppelung des Abgassystems an den Rankine-Kreislauf durch mindestens zwei Wärmeübertrager werden die lokalen Wärmekapazitätenströme des Abgases an die lokalen Wärmekapazitätenströme des Rankine-Mediums besser angeglichen. Somit wird ebenfalls eine verstärkte Angleichung des Temperaturgangs beider Ströme erzielt. Dadurch kann die eingangs erwähnte „pinch-point” Problematik entschärft, die Wärmeübertragerfläche reduziert und in Folge auch Kosten und Gewicht eingespart werden.
  • In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist im Abgassystem abströmseitig des ersten Wärmeübertragers eine Verzweigungsstelle vorgesehen, die das erste Arbeitsmedium in einen ersten und zweiten Teilstrom aufteilt, wobei der erste Teilstrom bevorzugt durch den zweiten Wärmeübertrager und der zweite Teilstrom an die Umgebung abgegeben wird. Durch die Aufteilung des Abgasstromes in einen ersten und zweiten Teilstrom, ist die Temperatur des zweiten Teilstromes, der an die Umgebung abgegeben wird, immer noch hoch genug, um in relevanten Betriebspunkten die Funktionsfähigkeit der meisten Abgasreinigungsverfahren, insbesondere nach einer instationären Aufwärmehase, sicher zu stellen.
  • Der Rankine-Kreislauf weist zumindest einen Kondensator, eine Pumpe und eine Expansionsmaschine auf, wobei die Expansionsmaschine bevorzugt als volumetrische Expansionsmaschine ausgebildet ist.
  • In einer alternativen Ausgestaltung ist im Rankine-Kreislauf der erste Wärmeübertrager abströmseitig des zweiten Wärmeübertragers und zuströmseitig des Expanders angeordnet. Somit wird durch den zweiten Wärmeübertrager eine Vorwärmung und im ersten Wärmeübertrager eine Verdampfung und Überhitzung des Rankine-Mediums erzielt. Somit wird insgesamt eine bessere Angleichung der Wärmekapazitätenströme der beiden Arbeitsmedien erzielt.
  • Alternativ ist in einer weiteren Ausführungsform der erste und der zweite Wärmeübertrager zu einer Baueinheit integriert. Somit kann neben den bereits angeführten Vorteilen zusätzlich auch noch Bauraum eingespart werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist im Abgassystem abströmseitig des zweiten Wärmeübertragers eine Verzweigungsstelle vorgesehen, die den ersten Teilstrom mit dem zweiten Teilstrom zusammenführt. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn in gewissen Betriebsbereichen keine Abgasrückführung notwendig ist. Durch die Verzweigungsstelle kann der erste Teilstrom direkt in den zweiten Teilstrom geführt und an die Umgebung abgegeben werden. Die Abgasrückführung kann durch entsprechende Vorrichtungen, beispielsweise ein Ventil, versperrt werden.
  • Alternativ ist es in Betriebsbereichen in denen keine Abgasrückführung benötigt wird auch möglich, dass im Rankine Kreislauf eine Bypassleitung um den zweiten Wärmeübertrager vorgesehen ist, so dass das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes gänzlich durch die Bypassleitung geleitet werden kann Hierzu sind Mittel vorgesehen, die es ermöglichen, den Strömungszweig durch den zweiten Wärmeübertrager bei Bedarf zu versperren.
  • Das System eignet sich besonders für anorganische Rankine-Medien einschließlich der Zugabe von Additiven, insbesondere eignet es sich für das Rankine-Medium Wasser. Alternativ können jedoch auch organische Medien verwendet werden, so dass der Kreislauf als Organischer Rankine Kreislauf (ORC) betrieben wird.
  • Erfindungsgemäß ist weiter ein Verfahren zum Betreiben zumindest einer Expansionsmaschine eines Rankine-Kreislaufes mit folgenden Verfahrensschritten vorgesehen:
    • – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes wird in einem Kondensator verflüssigt,
    • – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes wird mittels einer Pumpe auf einen höheren Druck gebracht,
    • – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes wird in einem zweiten Wärmeübertrager vorgewärmt,
    • – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes wird in einem ersten Wärmeübertrager verdampft und überhitzt,
    • – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes durchströmt eine Expansionsmaschine und verrichtet Arbeit.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist es möglich, dass das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes zuströmseitig des zweiten Wärmeübertragers in einen ersten Teilstrom durch den zweiten Wärmeübertrager und einen zweiten Teilstrom durch die Bypassleitung aufgeteilt wird. Eine derartige Alternative hat den Vorteil, dass durch eine Verringerung des Massenstroms durch den zweiten Wärmeübertrager die Temperaturgänge des ersten und zweiten Arbeitsmediums angeglichen werden können. Somit kann ein Auftreten eines „pinch-points” in der Vorwärmphase verhindert werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung werden der erste und zweite Teilstrom des Rankine-Kreislaufs abströmseitig des zweiten Wärmeübertragers zusammengeführt und durch den ersten Wärmeübertrager geleitet.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Weitere wichtige Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und den Zeichnungen.
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Systems zur Abwärmenutzung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Temperatur-Enthalpiestrom Diagramms gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 eine erste Ausführungsform eines Systems zur Abwärmenutzung eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Temperatur-Enthalpiestrom Diagramms gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine zweite Ausführungsform eines Systems zur Abwärmenutzung eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine dritte Ausführungsform eines Systems zur Abwärmenutzung eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine schematische Darstellung eines Temperatur-Enthalpie Diagramms gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur Abwärmenutzung. Das System 1 weist ein Abgassystem 2 mit einer Abgasrückführung 2a und einen Rankine-Kreislauf 3 auf, die durch einen ersten 4 und zweiten Wärmeübertrager 5 thermisch aneinander gekoppelt sind. Abgase eines Verbrennungsmotors 14 werden hierbei zuerst durch den ersten Wärmeübertrager 4 geleitet. Abströmseitig des ersten Wärmeübertragers 4 weist das Abgassystem eine Verzweigungsstelle 6 auf, die den Abgasstrom in einen ersten Teilstrom 7 und einen zweiten Teilstrom 8 aufteilt. Der zweite Teilstrom 8 wird beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Abgasreinigungssystem geleitet und anschließend an die Umgebung abgeführt. Der erste Teilstrom 7 wird zuerst durch einen zweiten Wärmeübertrager 5 und anschließend in nicht näher dargestellter Weise durch die Abgasrückführung 2a an den Verbrennungsmotor 14 zurückgeführt.
  • Der Rankine-Kreislauf 3 weist neben dem ersten 4 und zweiten Wärmeübertrager 5 eine Kondensator 9, eine Pumpe 10 und eine Expansionsmaschine 11 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel als volumetrische Expansionsmaschine ausgeführt ist. In der Expansionsmaschine wird das Arbeitsmedium des Rankine Kreislaufes entspannt und verrichtet mechanische Arbeit, welche bevorzugt dem Antriebsstrang (mit oder ohne zwischengeschaltetem Übersetzungsgetriebe) zugeführt wird. Beliebige andere Anwendungen und Aggregate im Fahrzeug, die mechanische Antriebsleistung benötigen, sind ebenfalls mit oder ohne Übersetzungsstufe denkbar, etwa ein Generator zur Stromerzeugung.
  • Die Erfindung funktioniert nun wie folgt: Im Rankine Kreislauf 3 durchläuft das Arbeitsmedium Wasser zuerst den zweiten Wärmeübertrager 5 und anschließend den ersten Wärmeübertrager 4, wobei im zweiten Wärmeübertrager 5 die Vorwärmung bis auf Siedetemperatur bewerkstelligt wird, während der nachfolgende erste Wärmeübertrager 4 die Verdampfung und Überhitzung des Rankine Arbeitsmediums vollzieht. Der erste Wärmeübertrager 4 ist mit seiner Abgasseite stromaufwärts der Verzweigungsstelle 6, also relativ nah zum Verbrennungsmotor 14, angeordnet. Der hohe Massenstrom des an dieser Stelle noch nicht aufgeteilten Abgasstromes bewirkt einen hohen Wärmekapazitätenstrom, dieser führt zu einem verhältnismäßig schwachen Temperaturgradienten des Abgases bezogen auf seine abgegebene Wärmemenge (siehe 3, Bereich 102 und 103). Dies gleicht die lokalen Temperaturgänge beider Ströme näher an, da die Verdampfung des Rankine Arbeitsmediums näherungsweise isotherm erfolgt. Der geringere Massenstrom des ersten Teilstroms 7 durch den zweiten Wärmeübertrager 5 bewirkt einen geringeren Wärmekapazitätenstrom und führt zu einem steileren Temperaturgradienten des Abgases (siehe 3, Bereich 101). Dies gleicht die lokalen Temperaturgänge beider Ströme ebenfalls näher an, da auch die Medienseite des Rankine Kreislaufs aufgrund der Unterkühlung einphasig vorliegt und einen steilen Temperaturgradienten aufweist. Die ein gangs genannten Nachteile der „pinch-point” Problematik, insbesondere eine größere Wärmeübertragungsfläche zwischen den beiden Kreisläufen, können somit verringert werden, auch der Ausnutzungsgrad der Abgaswärme aus dem Abgasrückführsystem wird dadurch erhöht.
  • Weiterhin gewährleistet dieses Prinzip, insbesondere die Aufteilung des Abgasstromes in einen ersten 7 und zweiten Teilstrom 8 eine stärkere Abkühlung des Abgases in Teilstrom 7 das an den Verbrennungsmotor 14 rückgeführt wird. Der Vorteil einer tieferen Abgasrückführ-Temperatur liegt in der Erhöhung der motorischen Effizienz und Verringerung primärer Emissionen. Eventuell kann auch auf einen nachfolgenden Niedertemperatur- Abgaskühler verzichtet werden, da mit dem erfindungsgemäßen Prinzip die Zieltemperatur der Abgasrückführung auch ohne zweiten Kühler erreicht werden kann.
  • Dieses Prinzip gewährleistet zudem, dass aufgrund der Nutzung der Wärme der Abgasrückführung die Temperatur in Teilstrom 8 nicht so sehr absinkt, als dies der Fall wäre, wenn die gesamte Wärme für Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung des Rankine-Mediums aus dem Abgas stromauf der Abzweigung 6 oder zum Teil auch aus Teilstrom 8 entnommen werden würde. Dies ist wichtig für Abgasreinigungsverfahren in Teilstrom 8, welche zur Funktion möglichst hohe Temperaturen benötigen.
  • 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Systems zur Abwärmenutzung gemäß vorliegender Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass im Abgasrückführsystem 2 abströmseitig des zweiten Wärmeübertragers 5 eine Verzweigungsstelle 12 vorgesehen ist, so dass der erste Teilstrom 7 mit dem zweiten Teilstrom 8 wieder zusammengeführt werden kann. Eine derartige Ausführungsform eignet sich insbesondere dann, wenn keine Abgasrückrührung zum Verbrennungsmotor 14 benötigt wird. Beispielsweise kann die Abgasrückführung zur Brennkraftmaschine durch ein nicht dargestelltes Ventil versperrt werden. Es stehen dann trotzdem beide Wärmeübertrager 4 und 5 für das Rankine-Arbeitsmedium zur Verfügung.
  • Eine alternative Lösungsmöglichkeit besteht in einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 5 darin, den Rankine Kreislauf 3 wahlweise durch den zweiten Wärmeübertrager 5 oder bei Abschaltung der Abgasrückführung das gesamte Arbeitsmedium des Rankine Kreislaufes über eine Bypassleitung 13 direkt in den ersten Wärmeübertrager 4 zu leiten. Hierzu sind an einer Verzweigungsstelle 15 zuströmseitig des zweiten Wärmeübertragers 5 Mittel vorgesehen (nicht dargestellt), die es ermöglichen, das gesamte Arbeitsmedium durch die Bypassleitung 13 zu leiten.
  • 6 zeigt in einem Temperatur-Enthalpie Diagramm einen weiteren Vorteil der vorliegenden Erfindung. Nimmt man eine größere Wärmeübertragerfläche der beiden Kreisläufe in Kauf, so erlaubt die erfindungsgemäße Prozessführung, insbesondere die Anordnung von Wärmeübertrager 4 aus 2 stromauf der Abzweigung 6 unter Ausnutzung des gesamten Massenstromes des ersten Arbeitsmediums (Abgas), eine Anhebung des Druck- beziehungsweise Temperaturniveaus 106 im Nassgebiet 102, was den Gesamtwirkungsgrad des Prozesses durch weitere Annäherung an den idealen Carnot-Prozess signifikant erhöht.
  • Bei der Prozessführung gemäß dem Stand der Technik wird die Möglichkeit des Anhebens von Verdampfungsdruck beziehungsweise Temperatur aufgrund des „pinch-point” versperrt.
  • 7 zeigt das Auftreten eines weiteren „pinch-points” 104 in der Vorwärmphase 101; nämlich dann, wenn die beiden Temperaturgänge des ersten (Abgas) und zweiten Arbeitsmediums (Wasser) unterschiedliche Temperaturgänge aufweisen, insbesondere wenn die Temperatur des Rankine-Mediums nach der Pumpe 10 in 2 nahe bei der Temperatur des über Wärmeübertrager 5 in 2 gekühlten ersten Arbeitsmediums (Abgas) liegt. Um das Auftreten eines derartigen „pinch-points” gemäß 7 zu vermeiden ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes gemäß 5 an einer Verzweigungsstelle 15 in einen ersten Teilstrom durch den zweiten Wärmeübertrager 5 und einen zweiten Teilstrom durch die Bypassleitung 13 aufzuteilen. Diese Aufteilung wird beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Verteilerventil erreicht.
  • Durch diese Aufteilung des Arbeitsmediums wird die Möglichkeit gegeben:
    • a) Die Exergieaufnahme zu maximieren (beispielsweise einen höheren Rankine-Medium-Durchsatz zu ermöglichen, in dem die Enthalpieentnahme aus dem Rohabgas erhöht wird)
    • b) Nach Bedarf die AGR-Temperatur stufenlos zu steuern
    • c) Nach Bedarf die Rohabgas-Temperatur stufenlos zu steuern
  • Eine entsprechende Darstellung der verschiedenen Temperaturgänge ist in 8 dargestellt, wobei der Temperaturgang 801 die Temperatur des Abgases ohne Aufteilung des Rankine Arbeitsmediums zeigt (und somit dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 entspricht) und die Bezugsziffer 802 einen Temperaturgang darstellt, bei dem das Rankine Arbeitsmedium in einen ersten und zweiten Teilstrom aufgeteilt wird.
  • Da bei einer Aufteilung der beiden Teilströme des Rankine Arbeitsmediums die Enthalpie nicht mehr dargestellt werden kann, ist in der 8 auf der Abszisse eine dimensionslose Ortskoordinate aufgetragen.
  • 8 zeigt einen möglichen Temperaturgang des Rankine-Arbeitsmediums. Hierbei wird im zweiten Wärmeübertrager 5 das Arbeitsmedium vorgewärmt 101a und teilweise verdampft 102a und durch Zugabe aus der Bypassleitung 13 wieder unterkühlt, woraus sich im ersten Wärmeübertrager 4 eine zweite Vorwärmphase 101b und eine anschließende vollständige Verdampfung 102b und anschließende Überhitzung 103 des Rankine Arbeitsmediums ergibt.
  • Prinzipiell sind jedoch für sämtliche Ausführungsbeispiele auch andere Temperaturgänge des Rankine-Mediums denkbar ohne die Vorteile der Erfindung negativ zu beeinflussen. Beispielsweise ist es auch möglich, dass die Vorwärmung beim Eintritt in den ersten Wärmeübertrager 4 noch nicht abgeschlossen ist oder dass, wie bereits erwähnt eine teilweise Verdampfung im zweiten Wärmeübertrager 5 stattfindet.
  • Insgesamt ist ferner festzustellen, dass sich die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren sich besonders in Kombination mit einem Niederdruck-Abgasrückführ-System (ND-AGR-System) eignet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2007332853 A [0006]

Claims (15)

  1. System (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend zumindest ein Abgassystem (2), insbesondere mit einer Abgasrückführung (2a), mit einem ersten Arbeitsmedium und zumindest einen Rankine-Kreislauf (3) mit einem zweiten Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem (2) durch einen ersten Wärmeübertrager (4) und zumindest einen zweiten Wärmeübertrager (5) thermisch an den Rankine-Kreislauf (3) koppelbar ist.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgassystem (2) abströmseitig des ersten Wärmeübertragers (4) eine Verzweigungsstelle (6) vorgesehen ist, die das erste Arbeitsmedium in einen ersten (7) und zweiten Teilstrom (8) aufteilt.
  3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom (7) durch den zweiten Wärmeübertrager (5) geleitet wird.
  4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rankine-Kreislauf zumindest einen Kondensator (9), eine Pumpe (10) und eine Expansionsmaschine (11) aufweist.
  5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (11) als eine volumetrische Expansionsmaschine ausgebildet ist.
  6. System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Rankine-Kreislauf der erste Wärmeübertrager (4) abströmseitig des zweiten Wärmeübertragers (5) und zuströmseitig der Expansionsmaschine (11) angeordnet ist.
  7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasrückrührsystem (2) abströmseitig des zweiten Wärmeübertragers eine Verzweigungsstelle (12) vorgesehen ist, die den ersten Teilstrom (7) mit dem zweiten Teilstrom (8) zusammenführt.
  8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rankine Kreislauf (3) eine Verzweigungsstelle (15) vorgesehen ist, die das zweite Arbeitsmedium in einen ersten Teilstrom durch den zweiten Wärmeübertrager (5) und einen zweiten Teilstrom durch eine Bypassleitung (13) aufteilt.
  9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verzweigungsstelle (15) Mittel vorgesehen sind, die es ermöglichen, das zweite Arbeitsmedium durch den zweiten Wärmeübertrager (5) oder die Bypassleitung (13) zu leiten.
  10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (4) und zweite Wärmeübertrager (5) zu einer Baueinheit integriert sind.
  11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Arbeitsmedium Abgas eines Verbrennungsmotors (14) und das zweite Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes Wasser ist.
  12. Verfahren zum Betreiben zumindest einer Expansionsmaschine eines Rankine-Kreislaufes (3), aufweisend folgende Verfahrensschritte: – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes (3) wird in einem Kondensator (9) verflüssigt, – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes (3) wird mittels einer Pumpe (10) auf einen höheren Druck gebracht, – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes (3) wird in einem zweiten Wärmeübertrager (5) vorgewärmt, – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes (3) wird in einem ersten Wärmeübertrager (4) verdampft und überhitzt, – das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes (3) durchströmt eine Expansionsmaschine (11) und verrichtet Arbeit.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufes (3) an einer Verzweigungsstelle (15) in einen ersten Teilstrom durch den zweiten Wärmeübertrager (5) und einen zweiten Teilstrom durch eine Bypassleitung (13) aufgeteilt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Teilstrom des Rankine-Kreislaufs abströmseitig des zweiten Wärmeübertragers zusammengeführt und durch den ersten Wärmeübertrager geleitet werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teilstrom (7) des ersten Arbeitsmediums durch ein Abgasrückführsystem (2a) einem Verbrennungsmotor (14) zugeführt wird und ein zweiter Teilstrom (8) in die Umwelt abgeführt wird.
DE102009050263A 2008-10-24 2009-10-21 System mit einem Rankine-Kreislauf Ceased DE102009050263A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009050263A DE102009050263A1 (de) 2008-10-24 2009-10-21 System mit einem Rankine-Kreislauf

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008053067 2008-10-24
DE102008053067.0 2008-10-24
DE102009050263A DE102009050263A1 (de) 2008-10-24 2009-10-21 System mit einem Rankine-Kreislauf

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102009050263A1 true DE102009050263A1 (de) 2010-06-10

Family

ID=42145824

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102009050263A Ceased DE102009050263A1 (de) 2008-10-24 2009-10-21 System mit einem Rankine-Kreislauf

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102009050263A1 (de)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011005072A1 (de) * 2011-03-03 2012-09-06 Behr Gmbh & Co. Kg Verbrennungsmotor
EP2527635A3 (de) * 2011-05-27 2013-02-13 Liebherr-Machines Bulle SA Energierückgewinnungssystem
DE102011056902A1 (de) 2011-12-22 2013-06-27 Benteler Automobiltechnik Gmbh Abgaswärmetauscher mit Drallrohr und Verfahren zur Herstellung eines Drallrohrs
WO2013117296A1 (de) * 2012-02-11 2013-08-15 Daimler Ag Vorrichtung zur energierückgewinnung aus einem abwärmestrom einer verbrennungskraftmaschine in einem fahrzeug mit einem arbeitsmedium-kreislauf
EP2803834A1 (de) * 2013-03-27 2014-11-19 Scania CV AB Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus Abgasen einer Brennkraftmaschine
EP2623761A4 (de) * 2010-09-30 2016-01-06 Sanden Corp Abwärme nutzende vorrichtung für einen verbrennungsmotor
EP3985233A1 (de) * 2020-10-16 2022-04-20 Siemens Gamesa Renewable Energy GmbH & Co. KG Wärmerückgewinnungsdampferzeuger mit massenstromanpassung

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007332853A (ja) 2006-06-14 2007-12-27 Denso Corp 廃熱利用装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007332853A (ja) 2006-06-14 2007-12-27 Denso Corp 廃熱利用装置

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2623761A4 (de) * 2010-09-30 2016-01-06 Sanden Corp Abwärme nutzende vorrichtung für einen verbrennungsmotor
DE102011005072A1 (de) * 2011-03-03 2012-09-06 Behr Gmbh & Co. Kg Verbrennungsmotor
US20120222420A1 (en) * 2011-03-03 2012-09-06 Peter Geskes Internal combustion engine
EP2495422A3 (de) * 2011-03-03 2013-02-06 Behr GmbH & Co. KG Verbrennungsmotor
US9109532B2 (en) * 2011-03-03 2015-08-18 MAHLE Behr GmbH & Co. KG Internal combustion engine
EP2527635A3 (de) * 2011-05-27 2013-02-13 Liebherr-Machines Bulle SA Energierückgewinnungssystem
DE102011056902A1 (de) 2011-12-22 2013-06-27 Benteler Automobiltechnik Gmbh Abgaswärmetauscher mit Drallrohr und Verfahren zur Herstellung eines Drallrohrs
WO2013117296A1 (de) * 2012-02-11 2013-08-15 Daimler Ag Vorrichtung zur energierückgewinnung aus einem abwärmestrom einer verbrennungskraftmaschine in einem fahrzeug mit einem arbeitsmedium-kreislauf
CN104106201A (zh) * 2012-02-11 2014-10-15 戴姆勒股份公司 用于在车辆中由内燃机的余热流进行能量回收的具有工作介质回路的装置
EP2803834A1 (de) * 2013-03-27 2014-11-19 Scania CV AB Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus Abgasen einer Brennkraftmaschine
EP3985233A1 (de) * 2020-10-16 2022-04-20 Siemens Gamesa Renewable Energy GmbH & Co. KG Wärmerückgewinnungsdampferzeuger mit massenstromanpassung
WO2022078795A1 (en) 2020-10-16 2022-04-21 Siemens Gamesa Renewable Energy Gmbh & Co. Kg Heat recovery steam generator with mass flow adaption

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102009006959B4 (de) System zur Rückgewinnung von Energie
DE102008045450B4 (de) Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Kreislaufes sowie thermodynamischer Kreislauf
EP1925806B1 (de) System mit einem Organic-Rankine-Kreislauf zum Antrieb zumindest einer Expansionsmaschine, Wärmetauscher zum Antrieb einer Expansionsmaschine, Verfahren zum Betreiben zumindest einer Expansionsmaschine
DE102009050263A1 (de) System mit einem Rankine-Kreislauf
EP3159506B1 (de) Funktionssynergien bei der integration von orc-systemen in verbrennungskraftmotoren
EP2180171B1 (de) System mit einem Rankine-Kreislauf
DE102007057164A1 (de) System mit einem Organic-Rankine-Kreislauf zum Antrieb zumindest einer Expansionsmaschine, Wärmetauscher zum Antrieb einer Expansionsmaschine, Verfahren zum Betreiben zumindest einer Expansionsmaschine
DE102007062598A1 (de) Nutzung einer Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine
DE102008064015A1 (de) Abwärmenutzungsvorrichtung von Kraftfahrzeugen
DE102010003906A1 (de) Verbrennungsmotor
DE102010033124A1 (de) Brennkraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
DE102010033659A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors in einem Fahrzeug
DE102015016783A1 (de) Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
DE102009024772A1 (de) Fluidenergiemaschinenanordnung für ein Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer Fluidenergiemaschinenanordnung
DE102013208701A1 (de) System zur Verdampfung von verflüssigtem Erdgas (LNG)
WO2017054895A1 (de) Vorrichtung zur abwärmerückgewinnung
DE102016112601A1 (de) Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip, Geothermieanlage mit einer solchen Vorrichtung und Betriebsverfahren
DE102018107388B4 (de) Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung und Abwärmenutzung
WO2011000548A2 (de) Verfahren zum betrieb eines kraftwerks mit einer gasturbinenanlage
WO2019121542A1 (de) Anordnung zur umwandlung thermischer energie aus verlustwärme einer verbrennungskraftmaschine
DE102013021394A1 (de) Abwärmenutzungsanordnung eines Kraftfahrzeuges sowie Verfahren zur Nutzung von Abwärme eines Kraftfahrzeuges in einer Abwärmenutzungsanordnung
DE102010025185A1 (de) Abwärmenutzungsvorrichtung
DE102010024186A1 (de) Regelungsverfahren für eine Abwärmenutzungsvorrichtung
DE102016220634A1 (de) Abwärme-Kraftanlage mit stufenweiser Wärmezufuhr
DE102008053066A1 (de) System mit einem Rankine-Kreislauf

Legal Events

Date Code Title Description
R082 Change of representative

Representative=s name: GRAUEL, ANDREAS, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: MAHLE INTERNATIONAL GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNER: BEHR GMBH & CO. KG, 70469 STUTTGART, DE

Effective date: 20150220

R082 Change of representative

Representative=s name: GRAUEL, ANDREAS, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE

Effective date: 20150220

R012 Request for examination validly filed
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final