DE102009057095A1 - Waste heat supplied heat utilization device - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Wärmenutzungsvorrichtung WNV beschrieben, die unter Nutzung der Kühl- und/oder der Abgaswärme einer Primärmaschine PM in einem Betriebsmittel BM Kreislauf einen hohen Gesamtwirkungsgrad von 0,45 < ηPM+WNV < 0,69 erzielt.
Als PM werden eingesetzt ein Verbrennungsmotor VM, stationär oder eingebaut in einem (Kraft-)Fahrzeug, ein Gas-/Dampfturbinen Kraftwerk, eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage oder ein (Biogas-)Brenner, und als BM ein Heißdampf oder ein Gemisch aus einem überkritischen Hochdruckdampf plus dem Heißdampf und/oder plus Teilen des Abgases unter Gewinnung von Mischungsenthalpie.
Weiterhin ist eine Verwendung der WNV vorgesehen als Luft- oder Abgasverdichter unter Abspeicherung, als mechanischer Lader der PM, die, wie auch die WNV, unter Nutzung der abgespeicherten Druckluft/des -abgases als Druckluft-/Abgasmaschine bzw. als Booster betrieben werden kann und dann eine relative Gesamtleistung der PM + WNV Kombianlage von 1,6 < PPM+WNV/PPM < 2,3 ergibt.A heat utilization device WNV is described, which achieves a high overall efficiency of 0.45 <η PM + WNV <0.69 using the cooling and / or exhaust heat of a primary machine PM in a resource BM cycle.
As a PM are used an internal combustion engine VM, stationary or installed in a (power) vehicle, a gas / steam turbine power plant, a combined heat and power plant or a (biogas) burner, and BM as a superheated steam or a mixture of a supercritical high pressure steam plus the superheated steam and / or plus parts of the exhaust gas to obtain enthalpy of mixing.
Furthermore, a use of WNV is provided as an air or exhaust gas compressor under storage, as a mechanical supercharger PM, which, as well as the WNV, using the stored compressed air / des-exhaust gas can be operated as a compressed air / exhaust engine or as a booster and then gives a total combined PM + WNV combined ratio of 1.6 <P PM + WNV / P PM <2.3.
Description
Einleitungintroduction
Das Ziel der Erfindung ist es, auf möglichst effiziente Weise die gesamte Abwärme der Kühlung und/oder des Abgases einer Primärquelle/-maschine (PM),
I. eines Brenners, II. einer Gas- + Dampfturbine (GT + DT) oder III. eines Hub- oder Drehkolben (DK) Verbrennungsmotors (VM) mit Hilfe einer Wärmenutzungsvorrichtung (WNV) in einem einzigen Betriebsmittel Kreislauf einer Nutzung zuzuführen.The aim of the invention is to obtain as efficiently as possible all the waste heat from the cooling and / or the exhaust gas of a primary source / machine (PM),
I. a burner, II. A gas + steam turbine (GT + DT) or III. a rotary or rotary piston (DK) internal combustion engine (VM) using a heat utilization device (WNV) in a single resource supply circuit to use.
Die WNV besteht aus einer die/das Betriebsmittel (BM) fördernden und verdichtenden Kompressionsvorrichtung, einem Verdichter oder einer Wärmepumpe (WP), und einer nachfolgenden Entspannungsvorrichtung, einer Dampf-/Gasmaschine (DM).The WNV consists of a / the operating medium (BM) promoting and compressing compression device, a compressor or a heat pump (WP), and a subsequent expansion device, a steam / gas engine (DM).
Die Funktion der Förder-/Kompressions-/Wärmepumpe WP für das dampf- oder gasförmige BM bzw. die einer Hochdruckpumpe für das anfänglich flüssige BM ist essentiell für den hohen effektiven Wirkungsgrad ηPM+WNZ der Umwandlung der Primärmaschine PM mit WNZ Anlage:
0,41 < ηPM+WNZ < 0,69
schon bei einer Drehzahl von U = 3000/min (1500/min) für einen VM bis zu ηVM+WNZ = 0,5 und für eine GT + DT Anlage als PM η(GT+DT)+WNZ = 0,7.The function of the conveyor / compression / heat pump WP for the steam or gaseous BM or that of a high-pressure pump for the initially liquid BM is essential for the high effective efficiency η PM + WNZ of the conversion of the primary machine PM with WNZ system:
0.41 <η PM + WNZ <0.69
even at a speed of U = 3000 / min (1500 / min) for a VM up to η VM + WNZ = 0.5 and for a GT + DT system as PM η (GT + DT) + WNZ = 0.7.
Die WNV Förder-/Kompressionsvorrichtung verbraucht hier praktisch nichts bis zu maximal 30% (als Wärmepumpe WP) der Gesamtzusatzleistung PWNZ der WNZ Anlage, während z. B. der Turbinenverdichter einer GT etwa 40% der PGT Leistung benötigt.The WNV delivery / compression device consumes practically nothing up to a maximum of 30% (as heat pump WP) of the total additional power P WNZ of the WNZ system, while z. B. the turbine compressor of a GT about 40% of the P GT power needed.
Der gravierende Nachteil einer DT besteht darin, dass diese einen großen Massen-Volumenstrom bei hohem Druck benötigt. Der hohe Druck kann aber energetisch günstig nur im flüssigen Zustand des BM aufgebaut werden, und somit ist im BM Kreislauf nach einer DT Kette eine Verflüssigung des gesamten BM’s erforderlich. Diese erfolgt meistens unter Fremdkühlung und führt die hohe Kondensations- als nutzlose oder geringerer wenige Abwärme ab.The serious disadvantage of a DT is that it requires a large mass flow rate at high pressure. The high pressure can be built up energetically favorable only in the liquid state of the BM, and thus in the BM circulation after a DT chain a liquefaction of the entire BM is necessary. This is usually done by external cooling and performs the high condensation as useless or less few waste heat.
Die Abwärme der PM, des VM, der GT oder des Brenners (BR) muss vor der Erwärmung des BM, also vor jedem Kreiszyklus, dessen Verdampfungswärme zur Verfügung stellen, welche etwa gleich ist wie diejenige, die zur Erhitzung des BM von z. B. T0 = 30°C auf T2 = 530°C aufgebracht werden muss.!The PM, VM, GT or burner (BR) waste heat must provide its heat of vaporization prior to heating the BM, ie before each cycle, which is about the same as that used to heat the BM from e.g. B. T 0 = 30 ° C to T 2 = 530 ° C must be applied.!
Für die WNV, die hier z. B. als Drehkolbenmaschine (DKM) konzipiert ist, muss, je nach BM Gemisch, nur ein Viertel bis zum Gesamten des BM flüssigem Zustand vorliegen, welches dann durch eine Hochdruckpumpe mit dem hohen, überkritischen Druck beaufschlagt wird, während das nicht kondensierte BM direkt als Dampf dem Kreislauf wieder zurückgeführt wird, um dann in zwei der vorgesehenen vier BM Versionen in der ersten Komponente der WNV mit dem Hochdruckdampf gemischt zu werden.For the WNV, here z. B. is designed as a rotary piston engine (DKM), must be, depending on the BM mixture, only a quarter to the whole of the BM liquid state, which is then acted upon by a high-pressure pump with the high, supercritical pressure, while the non-condensed BM directly as Steam is recirculated back to the circuit and then mixed with the high pressure steam in two of the four BM versions provided in the first component of the WNV.
Der Vorteil der Hochdruck-/Heißdampf(Abgas)BMGemische beruht darauf, dass ein BM Zustand mit niedriger Entropie (Hochdruckdampf) gemischt wird mit einem hoher Entropie (Heißdampf oder Abgas), wodurch sich die nutzbare Exergie erhöht.The advantage of high-pressure / superheated steam (exhaust gas) BM mixtures is that a BM state with low entropy (high-pressure steam) is mixed with a high entropy (hot steam or exhaust gas), which increases the usable exergy.
Die auf diese Weise eingesparte Wärmeenergie von ca. 30% bis 50% kann zum Erhitzen des BM auf höhere Temperaturen oder zur Präparation einer größeren Charge BM eingesetzt werden. Da beide, die Molmenge des BM und dessen Temperatur etwa proportional mit der zur Verfügung stehenden Wärmeenergie ansteigen – aber miteinander in Konkurrenz stehen –, wird auch die erzielbare WNV Zusatzleistung PWNV in etwa linear mit der eingebrachten Wärmeenergie ansteigen.The heat energy saved in this way of about 30% to 50% can be used to heat the BM to higher temperatures or to prepare a larger batch BM. Since both, the molar amount of BM and its temperature increase approximately in proportion to the available heat energy - but compete with each other -, the recoverable WNV additional power P WNV will increase approximately linearly with the introduced heat energy.
Dies und der vorteilhafte Einsatz der DKM, die schon mit deutlich geringerem Druck und Volumenstrom vergleichbare Arbeit leistet, ist die Erklärung für die erzielbaren, hohen Werte der Zusatzleistung PWNV und des hohen Wirkungsgrades ηWNZ der WNV, siehe unten.This and the advantageous use of the DKM, which already achieves comparable work with significantly lower pressure and volume flow, is the explanation for the achievable, high values of the additional power P WNV and the high efficiency η WNZ of the WNV, see below.
Die DKM wird hier mit zwei Ein- und Auslässen pro DKM Scheibe ausgestattet und fördert dann drei Zylinderkammervolumen voll BM pro eine Umdrehung des jeweiligen Kreiskolbens.The DKM is equipped here with two inlets and outlets per DKM disc and then delivers three cylinder chamber volumes full of BM per one revolution of the respective rotary piston.
Die hier vorgestellte WNZ Anlage trägt dann in einem Kreislaufsystem, allein unter Ausnutzung der Abwärme einer PM, z. B. für einen VM oder einer (GT + DT) Anlage, eine relative Zusatzleistung zu der PM bei von
17% < PWNZ/PVM(GT+DT) < 61%,
schon für eine Drehzahl von U = 3000/min (1500/min), z. B. der DKM als WNV. The presented here WNZ plant then contributes in a cycle system, alone taking advantage of the waste heat of a PM, z. For example, for a VM or a (GT + DT) plant, a relative additional power to the PM at
17% <P WNZ / P VM (GT + DT) <61%,
already for a speed of U = 3000 / min (1500 / min), z. B. the DKM as WNV.
Insbesondere für eine WNV hinter einem VM als PM liegt für den Betrieb mit einem BM Dampf der Vorteil darin, dass in dem einem Kreislaufsystem die Abwärme des Kühlwassers im Niedertemperaturbereich (NT) zur Verdampfung des BM’s eingesetzt wird, und die gesamte Abgaswärme des VM zur weiteren Erhitzung des BM auf höhere Temperaturen zur Verfügung steht.In particular for a WNV behind a VM as PM, the advantage for operating with a BM steam is that in one circulatory system the waste heat of the cooling water in the low temperature range (NT) is used to evaporate the BM, and the entire exhaust heat of the VM to the other Heating the BM to higher temperatures is available.
Damit zieht die Umsetzung von (Ab-)Wärme- in mechanische Energie der WNV Kombianlagen hinter einem VM mit der eines modernen Gas- und Dampf-(GuD)Kraftwerkes gleich und übertrifft dieses hinter einer GT + DT Anlage deutlich.The conversion of (waste) heat into mechanical energy of combined heat and power plants behind a VM thus equals that of a modern gas and steam (combined cycle) power plant and clearly outperforms it behind a GT + DT turbine.
Die jeweiligen Zusatzleistungen PWNZ mit einem VM oder einer GT + DT Anlage bzw. die Wirkungsgraderhöhung mit einem Brenner können unter Berücksichtigung und Einrechnung mehrerer einschlägiger, realistischer Verlustfaktoren ηx zwischen
0,75 < ηx < 0,95, siehe unten,
vergleichbare oder noch höhere Werte erreichen, vor allem unter Einbringung der vorgesehenen Zusatzfunktionen der WNV.The respective additional services P WNZ with a VM or a GT + DT system or the increase in efficiency with a burner can, taking into account and including several relevant, realistic loss factors η x between
0.75 <η x <0.95, see below,
achieve comparable or even higher values, especially with the introduction of the planned additional functions of the WNV.
Zusätzlich soll und kann die WNV in prinzipiell drei weiteren Funktionen verwendet werden:
- 1. als mechanischer Luftverdichter (LV) durch Umkehrung der Beschickungsrichtung – in der Aufwärmphase des VM, bei niedrigen Drehzahlen und bei hoher Leistungsanforderung zur Aufladung des VM und der GT plus deren Feuerungsstelle, sowie
- 2. als LV und Abgasverdichter (AV) zur Rekuperation von Bewegungsenergie bei Schub- und Bremsvorgängen des VM betriebenen KFZ, bzw. im Unterlastbetrieb eines stationären VM, eines Brenners oder einer GT + DT Anlage – unter Abspeicherung der erzeugten Druckluft/des Druckabgases in einem Druckluftspeicher (DLS) und/oder einem Druckabgasspeicher (DAS) und – anschließendem kraftstofflosen/-armen Betrieb des VM bzw. der GT mit der abgespeicherten Druckluft/dem Druckabgas, sowie
- 3. als Booster unter Beschickung der WNV Anlage selbst mit der abgespeicherten Druckluft/dem Druckabgas über einen Druckminderer für starke Beschleunigungsvorgänge im VM betriebenen KFZ und zur Abdeckung von Spitzenlast bei einem stationären VM und bei einer GT + DT Anlage, unter gleichzeitiger Beschickung des VM bzw. der GT und deren Feuerungsstelle. Die Leistungsabgabe des WNV Booster kann dann die maximale Leistung der Primärmaschine PM in etwa erreichen oder sogar übertreffen, im kurzfristigen Betrieb z. B. des VM in einem KFZ oder längerfristig bei der DT + GT und der stationären VM Anlage, abhängig von der Menge (und dem Druck) der/des gespeicherten Druckluft/-abgases.
- 1. as a mechanical air compressor (LV) by reversing the feeding direction - in the warm-up phase of the VM, at low speeds and high power requirement for charging the VM and the GT plus their Feuerungsstelle, as well
- 2. as LV and exhaust gas compressor (AV) for recuperation of kinetic energy during thrust and braking operations of the VM operated vehicle, or under load operation of a stationary VM, a burner or a GT + DT system - under storage of the generated compressed air / the pressure exhaust gas in one Compressed air storage (DLS) and / or a pressure exhaust gas storage (DAS) and - subsequent non-fuel / low-power operation of the VM or the GT with the stored compressed air / the pressure exhaust gas, and
- 3. as a booster with the WNV system itself with the stored compressed air / pressure exhaust via a pressure reducer for strong acceleration operations in the VM operated vehicle and to cover peak load in a stationary VM and GT + DT system, while feeding the VM or the GT and its firing point. The power output of the WNV booster can then reach or even exceed the maximum power of the primary machine PM in about, in short-term operation z. B. the VM in a car or longer term in the DT + GT and the stationary VM plant, depending on the amount (and pressure) of the stored compressed air / -abgas.
Aufgrund der/des in den Energiespeicher DLS/DAS gespeicherten Druckluft/-abgases mit 100 l bis 300 l Fassungsvermögen, z. B. in einem PKW, die in ihrer Energiespeicher-Kapazität mit den Batteriespeichern heutiger „Mild Hyprid” Autos vergleichbar sind, werden alle dafür geeigneten Hilfsaggregate in den KFZ’s auf Druckluft umgestellt, wie z. B. Bremskraftverstärker, Lenkhilfe und Anlasser, etc.Due to the / in the energy storage DLS / DAS stored compressed air / -abgas with 100 l to 300 l capacity, z. As in a car, which are comparable in their energy storage capacity with the battery storage of today's "Mild Hyprid" cars, all suitable auxiliary equipment in the car's converted to compressed air, such. B. brake booster, power steering and starter, etc.
Das ermöglicht den VM im KFZ auch während des Fahrens gefahrlos abzuschalten, z. B. beim Heranrollen an rote Ampeln und an leichten Gefällstrecken.This allows the VM in the car safely shut off while driving, z. B. when rolling up to red traffic lights and on gentle slopes.
Ohne Einrechnung dieser Verwendungen kann die WNV Kombianlage dann im Optimum einen effektiven Wirkungsgrad erreichen von:
ηVM+WNZ > 0,5 bzw. ηGT+DT+WNZ > 0,70.Without including these uses, the combined heat and power plant can achieve an effective efficiency of:
η VM + WNZ > 0.5 or η GT + DT + WNZ > 0.70.
Unter Ausnutzung der WNV Booster Funktion kann für den VM im KFZ unter Aufladung mit der gespeicherten Druckluft die kurzzeitig, z. B. für einige Minuten, abrufbare, maximale Leistung der Kombianlage, PVM+WNV,max, die maximale Nennleistung des VM, PVM,max, mehr als verdoppelt werden PVM+WNV,max > 2,3 PVM,max, siehe unten.Taking advantage of the WNV booster function can be for the VM in the car under charging with the stored compressed air for a short time, z. Eg for a few minutes, the maximum power of the combined plant, P VM + WNV, max , the maximum rated power of the VM, P VM, max , can be more than doubled P VM + WNV, max > 2.3 P VM, max , see below.
Durch den Ersparniseffekt an nicht benötigter, mehrmaliger Zwischen-Verdampfungsleistung im Falle II, einer GT + DT (GuD) Anlage, siehe unten, und durch den Betrieb der WNV Anlage mit einem 1:1 BM Gemisch aus Hochdruck- und Heißdampf, z. B. von H2O, ergibt sich eine erhöhte Zusatzleistung von
PWNV = 34 MW,
siehe Beschreibung zu
P WNV = 34 MW,
see description to
So dass dann für die GT + DT Anlage unter der Annahme
PGT+DT = 3 PDT mit PGT = 2 PDT und
PDT+WNV = 1,51 PDT
sich mindestens PGT+DT+WNV = 3,51 PDT ergibt, also eine Steigerung von 17%, (ohne Anrechnung der Booster Funktion der WNV), was den Wirkungsgrad ηGuD+WNV auf Werte nahe oder über ηGuD+WNV > 70% bringt.So then assuming for the GT + DT plant
P GT + DT = 3 P DT with P GT = 2 P DT and
P DT + WNV = 1.51 P DT
At least P GT + DT + WNV = 3.51 P DT results, ie an increase of 17%, (without counting the booster function of the WNV), which the efficiency η GuD + WNV to values close to or above η GuD + WNV > 70% brings.
Für eine GuD Anlage kann weiterhin unter Aufladung der GT mit der abgespeicherten Druckluft, die mit der LV Funktion der WNV erzeugt und dann abgespeichert wurde, dann unter Wegfall des Turbinenverdichters und den obigen Annahmen,
PGuD+WNVBoost > 5 PDT erreicht werden, also eine Steigerung um einen Faktor 1,61,
für den Einsatz in Spitzenlastzeiten über eine längere Zeit, abhängig von der abgespeicherten Menge der/des Druckluft-/Druckabgases, siehe Beschreibung zu
P GuD + WNVBoost > 5 P DT , ie an increase by a factor of 1.61,
For use in peak load periods over a long period of time, depending on the stored quantity of the compressed air / compressed exhaust gas, see description to
Darin liegt für ein GuD Kraftwerk der weitere, große Vorteil der WNV Kombianlage, dass sie sowohl als Wärmenutzungsvorrichtung WNV als auch als LV unter Abspeicherung der erzeugten Druckluft betrieben werden kann, mit den oben beschriebenen Möglichkeiten, und kein zusätzlicher Kompressor benötigt wird.This is for a combined cycle power plant, the other great advantage of the combined WNV plant that they both as a heat-using device WNV and LV can be operated by storing the generated compressed air, with the possibilities described above, and no additional compressor is needed.
Mit der Abspeicherung des Druckabgases und dessen anschließendem Einsatz mit der WNV als Booster und dem VM als Druck(luft)abgasmotor wird restliche Wärmeinhalt des Abgases auch noch weitgehend verwendet.With the storage of the pressure exhaust gas and its subsequent use with the WNV as a booster and the VM as a pressure (air) exhaust gas engine residual heat content of the exhaust gas is also still widely used.
Die WNV Anlage kann eingesetzt werden hinter und mit folgenden Primäraggregaten:
- – mit einem Biogas-Brenner in kleineren lokalen Anlagen, dessen Brenngas nicht als Brennstoff für einen VM oder eine GT genutzt werden kann, oder
- – mit einem stationären VM Aggregat, wie z. B. in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) für Schulen, Schwimmbäder und Krankenhäuser, aber auch schon für Ein- und Mehrfamilienhäuser,
- – präferentiell mit einem Benzin oder Gas betriebenen Otto VM oder einer Drehkolbenmaschine (DKM), einem Wankel Motor, welcher schon bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Abgastemperatur aufweist, und die dann als Kombianlage, stationär oder in einem KFZ betrieben, den Gesamtwirkungsgrad eines vergleichbaren Diesel VM deutlich übertrifft,
- – mit einem aufgeladenen Diesel VM für PKW, LKW oder Schiffe,
- – sowie mit einer mittleren GuD Anlage mit einer Leistung von bis zu 300 MW. – Auch ein kompakter Nachrüstsatz, z. B. für ältere PKW oder GuD Anlagen, mit einer eigenen Steuerung ist möglich.
- - with a biogas burner in smaller local plants, whose fuel gas can not be used as fuel for a VM or a GT, or
- - With a stationary VM unit, such. B. in combined heat and power plants (CHP) for schools, swimming pools and hospitals, but also for single and multi-family homes,
- - Preferably with a petrol or gas operated Otto VM or a rotary piston engine (DKM), a Wankel engine, which has a high exhaust gas temperature even at low speeds, and then operated as a combined plant, stationary or in a car, the overall efficiency of a comparable diesel VM clearly surpasses,
- - with a charged diesel VM for cars, trucks or ships,
- - as well as with a medium-sized combined cycle power plant with an output of up to 300 MW. - Also a compact retrofit kit, z. B. for older cars or CCG systems, with its own control is possible.
Mit der Kombination Biogas-Brenner oder stationäres VM Aggregat plus WNV Anlage kann deren Laufzeit auch im Sommer deutlich erhöht werden, da mehr Leistung zur Stromerzeugung und ggf. Verbund-Einspeisung ins Netz zur Verfügung steht, und die dann geringere, anfallende Restwärme, aber auf ggf. erhöhtem Temperaturniveau, siehe unten, weiter zur Brauchwasser Erhitzung oder als Prozesswärme genutzt werden kann.With the combination of biogas burners or stationary VM aggregate plus WNV plant, their runtime can be significantly increased even in the summer, as more power is available for power generation and possibly network feed-in to the grid, and then lower residual heat, but on if necessary, elevated temperature level, see below, can continue to be used for hot water heating or as process heat.
Der VM in einem KFZ oder in einem stationären Aggregat kann neben Benzin und Diesel auch präferentiell mit (Erd-)Gas betrieben werden, dessen Druckbehälter dann nach dem Teilverbrauch des Gases als DLS eingesetzt werden können.In addition to gasoline and diesel, the VM in a motor vehicle or in a stationary unit can also preferably be operated with (natural) gas, the pressure vessels of which can then be used as DLS after the partial consumption of the gas.
Es kann ein einkomponentiges flüssiges/dampfförmiges BM
Die höchsten Werte für die Zusatzleistung der WNV ergeben sich, wenn der überhitzte, mit Hochdruck beaufschlagte BM Dampf
- – wobei der H2OHd Dampf vorher durch hohe Druckbeaufschlagung mit p ~ pkrit, dem kritischen Druck des flüssigen BM
11'' , z. B. H2Ofl, und Erwärmung in WT’s durch die Kühlabwärme und durch das Abgas, z. B. des VM’s, auf Temperaturen Tfl,d > Tkrit präpariert wurde, und - – anschließend in der ersten Komponente der WNV, z. B. einer DKM, die Gemischbildung des H2OHd mit dem H2Od und/oder dem Abgas stattfindet, unter Gewinnung von Mischenthalpie, und
- – die nachfolgende Entspannung unter weiterer Arbeitsleistung in den anderen WNV Komponenten, z. B. den (drei) restlichen Zylinderkammern der Zweischeiben DKM bis an die Taulinie oder in das Zweiphasengebiet des H2Od Naßdampfes erfolgt.
- - wherein the H 2 O Hd vapor previously by high pressurization with p ~ p crit , the critical pressure of the liquid BM
11 '' , z. B. H 2 O fl , and heating in WT's by the cooling waste heat and by the exhaust gas, z. B. of the VM, to temperatures T fl, d > T crit was prepared, and - - Then in the first component of the WNV, z. B. a DKM, the mixture formation of H 2 O Hd takes place with the H 2 O d and / or the exhaust, with the production of mixing enthalpy, and
- - The subsequent relaxation under further work in the other WNV components, eg. B. the (three) remaining cylinder chambers of the two-disc DKM up to the tau line or in the two-phase region of the H 2 O d wet steam.
In der Regel stellt sich heraus, dass etwa eine massenanteilige 1:3–4 Mischung für den VM und eine 1:1–2 Mischung für die GT + DT Anlage von Hochdruckdampf H2OHd und Heißdampf H2Od und/oder dem Abgas die besten Ergebnisse für die Zusatzleistung der WNV Anlage ergibt, und damit die hohen Werte für
ηWNV und PWNZ/PVM(GT+DT) erreicht werden,
siehe die oben angegebenen und die in Tab. 1 und 2 eingetragenen Werte.In general, it turns out that about a 1: 3-4 by mass mixture for the VM and a 1: 1-2 mixture for the GT + DT plant of high-pressure steam H 2 O Hd and superheated steam H 2 O d and / or Exhaust gas gives the best results for the additional power of the WNV plant, and thus the high values for
η WNV and P WNZ / P VM (GT + DT) are achieved,
See the values given above and the values listed in Tab. 1 and 2.
Für alle diese WNV Anlagen werden Wärmetauscher (WT) benötigt.Heat exchangers (WT) are required for all these WNV systems.
Insbesondere bei den VM Aggregaten aber auch bei dem Biogas-Brenner, ggf. auch bei einer GT kann ein WT im Hochtemperaturbereich des Abgasstromes gleichzeitig als Katalysator (KAT) eingesetzt werden, durch eine entsprechende Dimensionierung und abgasseitige Beschichtung mit Katalysator-Edelmetallen, und ggf. ein zweiter, ebenfalls abgasseitig beschichteter WT als Oxydations-Katalysator mit geregelter Luftzufuhr, insbesondere für einen Dieselmotor als PM.Particularly in the case of the VM units but also in the case of the biogas burner, possibly also in the case of a GT, a WT in the high-temperature region of the exhaust gas stream can simultaneously be used as a catalyst (CAT) by appropriate dimensioning and exhaust gas-side coating with catalyst noble metals, and if necessary a second, likewise exhaust-side coated WT as an oxidation catalyst with controlled air supply, in particular for a diesel engine as PM.
Dies reduziert die Rückwirkung der Wärmetauscher WT auf den VM in eine ähnliche Größenordnung wie bei einem modernen VM mit geregelten Katalysatoren, siehe
Stand der TechnikState of the art
Die gute alte, mit Wasserdampf (H2Od) betriebene Dampfmaschine steht im Geruch geringer Effizienz. So hatten die DM’s, welche bis 1957 für Dampflokomotiven entwickelt wurden, bei einem maximalen Kesseldruck des H2Od von ca. 25 bar entsprechend einer Temperatur von T = 225°C einen mechanischen Wirkungsgrad von maximal 13%, da der H2Od Abdampf mit einer Temperatur von ca. T = 100°C durch den Schornstein geblasen wurde.The good old steam engine (H 2 O d ) operated steam engine is in the smell of low efficiency. Thus, the DM's, which were developed for steam locomotives until 1957, at a maximum boiler pressure of H 2 O d of about 25 bar corresponding to a temperature of T = 225 ° C, a maximum mechanical efficiency of 13%, since the H 2 O d Steam at a temperature of about T = 100 ° C was blown through the chimney.
Davor hat die Abdampfströmung Rauchgas durch einen Unterdruck Effekt, z. B. mit Giesl Ejektoren, ab- und somit mehr Frischluft in den Heizkessel gesaugt, zur vollständigeren Verbrennung der Heizkohle. Der Wirkungsgrad einer entsprechenden, reversiblen, idealen Carnot Maschine,
Die Aufladung von Otto- und Dieselmotoren durch einen Abgasturbolader (ATL) oder einen mechanischen Verdichter und der Betrieb von Hubkolbenmotoren mit Druckluft sind bekannt, ebenso die Turbinenluftverdichter vor einer GT.The charging of gasoline and diesel engines by an exhaust gas turbocharger (ATL) or a mechanical compressor and the operation of reciprocating engines with compressed air are known, as well as the turbine air compressor in front of a GT.
In der Patentanmeldung
In der hier vorliegenden Anmeldung dagegen wird ein einziges geschlossenes bzw. auch ein teiloffenes Kreislaufsystem für das BM verwendet, das verdampft und/oder vorgewärmt wird über Verdampfer VD und Wärmetauscher WT in einem Niedertemperatur-(NT)bereich, der Kühlung des VM bzw. den Endbereichen des Abgases des Brenners BR9 oder der GT, und weiter erhitzt wird durch WT’s im Hochtemperaturbereich des Abgases von allen PM’s. Das Betriebsmittel besteht entweder aus BM Dampf oder einem Gemisch aus Hochdruckdampf plus Dampf und/oder Abgas, und wird in getrennten Stufekomponenten der WNV gefördert, komprimiert und/oder unter Arbeitleistung entspannt, wobei eine Komponente für die BM Gemische als getaktete Mischungskammer verwendet wird.In the present application, however, a single closed or a partially open circulation system is used for the BM, which is evaporated and / or preheated via evaporator VD and heat exchanger WT in a low-temperature (NT) range, the cooling of the VM or the End regions of the exhaust gas of the burner BR9 or the GT, and further heated by WT's in the high-temperature region of the exhaust gas of all PM's. The equipment consists of either BM steam or a mixture of high-pressure steam plus steam and / or exhaust gas and is pumped in separate stages of the WNV, compressed and / or relaxed under work, with a component for the BM mixtures is used as a clocked mixing chamber.
Der Einsatz der WNV in den weiteren, oben und unten eingehender beschriebenen Funktionen ist inhärent eingeplant, vorgegeben und wird beansprucht.The use of WNV in the other, above and below described in more detail functions is inherently planned, given and claimed.
In der am 16.09.2008 eingereichten, dann aber zurückgezogenen Gebrauchsmusteranmeldung
Zur großtechnischen Erzeugung von elektrischer Energie, Strom werden heute kombinierte Gas-/Dampf-(GuD)kraftwerke eingesetzt, da eine Gasturbine GT allein einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad von ηGT ≲ 45% hat, wegen des hohen Leistungsbedarfs (rund 40% der Gesamtleistung) des Turbinenverdichters und trotz der sehr hohen Eingangstemperaturen von 1200°C bis 1400°C.Today, combined gas / steam (combined cycle) power plants are used for the large-scale production of electrical energy and electricity, since a gas turbine GT alone has a comparatively low efficiency of η GT ≲ 45%, because of the high power requirement (around 40% of the total power) of the turbine compressor and despite the very high inlet temperatures of 1200 ° C to 1400 ° C.
Wegen der hohen Austrittstemperatur des Abgases von Ta = 550 bis 650°C der GT, bei einem Austrittsdruck nur etwas über dem Atmosphärendruck, ist es sinnvoll die Abgaswärme mittels Wärmetauschern zum Erhitzen eines Dampfes, in der Regel H2Od, zu verwenden, um damit mehrere DT Stufen zu betreiben. Der Nachteil der DT’s besteht darin, dass sie weitgehend im H2Od Einphasengebiet betrieben werden müssen, da sonst durch Tröpfchenbildung die Turbinenschaufeln abgetragen werden.Because of the high outlet temperature of the exhaust gas of T a = 550 to 650 ° C of GT, at an outlet pressure only slightly above atmospheric pressure, it makes sense to use the exhaust heat by means of heat exchangers to heat a vapor, usually H 2 O d , to operate with several DT stages. The disadvantage of the DT's is that they must be operated largely in the H 2 O d single-phase area, otherwise the turbine blades are removed by droplet formation.
Eine Lösung dafür besteht in einer Zwischenerhitzung des H2Od und als zweite Stufe eine, oder mehrere Mitteldruck (MD) DT’s und als dritte Stufe(n) Niederdruck (ND) DT’s einzusetzen.A solution to this is to reheat the H 2 O d and use one or more medium pressure (MD) DTs as the second stage and use low pressure (ND) DTs as the third stage (s).
Die ND DT wird in dieser Anmeldung erfolgreich auch für größere Einheiten mit einer
GT + DT Gesamtleistung von PGuD ≲ 300 MW
durch eine WNV Anlage ersetzt, welche dann viel weiter bis in das Zweiphasengebiet, H2Od plus Wasser H2Ofl, hinein betrieben werden kann.The ND DT is successful in this application also for larger units with a
GT + DT Total power of P GuD ≲ 300 MW
replaced by a WNV plant, which then much further into the two-phase area, H 2 O d plus water H 2 O fl , can be operated into.
Bei den hier beschriebenen WNV’s verbraucht die Förderung und die Kompression, z. B. des H2OHd Hochdruckdampfes bzw. des H2Od Dampfes, in den o. a. BM Versionen für die Hochdruckpumpe einen Bruchteil und für die WP bis knapp ein Drittel der WNV Gesamtleistung.In the case of the WNVs described here, the delivery and the compression, z. B. the H 2 O Hd high-pressure steam or the H 2 O D vapor, in the above BM versions for the high pressure pump a fraction and for the WP to almost a third of the total WNV power.
Figurencharacters
(a) (1): H2Od + (b) (3): H2OHd + H2Od X (c) ((4)): H2OHd + H2Od + Abgas ⊗
(a) (1): H 2 O d + (b) (3): H 2 O Hd + H 2 O d X (c) ((4)): H 2 O Hd + H 2 O d + exhaust gas ⊗
(3): H2OHd Hochdruckdampf + H2Od Dampf und
((4)): H2OHd Hochdruckdampf + H2Od Dampf plus Abgas, beschickt durch die Abwärme eines VM2, und verwendet als Luft- und Abgasverdichter (LV/AV) bzw. als WNV Booster
(3): H 2 O Hd high pressure steam + H 2 O d steam and
((4)): H 2 O Hd high-pressure steam + H 2 O d vapor plus exhaust gas, fed by the waste heat of a VM2, and used as air and exhaust gas compressor (LV / AV) or as WNV booster
Figurenbeschreibung figure description
In dem Schaubild der
- I. hinter einem VM2, eingebaut in
einem KFZ 60 oder in einem stationären Aggregat, zum Leistungserhöhten Betrieb eines KFZ60 plus Nebenaggregaten bzw. eines Generators G51 plus Heizung42' . - II. hinter einer GT4 + DT3‚3' Anlage zum Betrieb eines Generators G51 und zur Fern-/
Prozessheizung 42 , - III. hinter einem (Biogas-)Brenner BR9 zum Betrieb eines Generators G51 und einer Gebäude-/Brauchwasserheizung
42' .
- I. behind a VM2, installed in a
car 60 or in a stationary unit, for increased power operation of amotor vehicle 60 plus ancillary units or a generator G51 plus heating42 ' , - II. Behind a GT4 + DT3.3 'system for the operation of a G51 generator and for remote /
process heating 42 . - III. behind a (biogas) burner BR9 for the operation of a generator G51 and a building / hot water heating
42 ' ,
Mit dieser Einsatzmöglichkeit III der WNV kann vorteilhaft minderwertiges Deponie- oder Biogas zur lokalen Stromerzeugung in kleineren Einheiten gekoppelt mit Heiz-/Prozesswärme Erzeugung verwendet werden.With this possible use III of the WNV can advantageously be used inferior landfill or biogas for local power generation in smaller units coupled with heating / process heat generation.
Der weitere Einsatz der WNV Anlage als Luft-/(Abgas-)verdichter LV/(AV) mit der Abspeicherung und/oder der Aufladung des VM2, der Beschickung der GT4 plus deren Feuerungsstelle
Dem anfangs flüssigen, dann dampfförmig vorliegende Betriebsmittel BM
WT0 und VD/WT0', VD/WT0'' im Niedertemperatur(NT)bereich (75°C < T < 130°C bis 250°C) zum Verdampfen/Vorerwärmen des BM, und
WT1 bis WT4 im Hochtemperatur(HT)bereich (250°C < Ta < 770°C bis 900°C) des Abgases
WT0 and VD / WT0 ', VD / WT0''in the low temperature (NT) range (75 ° C <T <130 ° C to 250 ° C) for evaporating / preheating the BM, and
WT1 to WT4 in the high temperature (HT) range (250 ° C <T a <770 ° C to 900 ° C) of the
Im Falle I des VM2 wird das Niedertemperatur-(90°C–130°C)Reservoir des Kühlwassers der VM2 und/oder der DKM über WT0 bzw. VD/WT0' zur Verdampfung und Vorerwärmung des dann dampfförmig vorliegendem BM
Für den Fall, das nur ein einkomponentiges, dampfförmiges Betriebsmittel verwendet wird, ist es vorteilhaft, das H2O Kühlmittel des VM2 direkt als BM
Der Gefrierschutz kann durch ein gleichzeitig die DKM schmierendes Frostschutzmittel gelöst werden.The antifreeze can be released by a simultaneous antifreeze lubricating the DKM.
Ein Drittel bis zu zwei Dritteln der Kühlung des VM2 und der DM0/WP5 wird durch die Verdampfung/Vorerwärmung des BM
Für die Anwendung I, den VM2, wird erwärmtes Kühlwasser des VM2 mit einer Pumpe
Im Anwendungsfall II wird der H2Od Heißdampf entweder nach der Mitteldruck MD Dampfturbine DT3', siehe
Für weitere Details der WNV Kombianlagen, siehe
Zum Aufbau z. B. des Wärmetauscher/Katalysators WT2/KAT, siehe
Für den Fall I, den VM2, wird ein 0,6 l bis 1 l Otto-(oder Drehkolben-)Motor mit z. B. zwei bis vier Zylindern mit je vier Ventilen pro Zylinder verwendet, mit einem Durchschnittsverbrauch pro Stunde von 2,6 l/h entsprechend 2 kg/h Benzin (Gas), unter Einrechnung der WNV Zusatzleistung. Als Nennleistung des VM2 wird
PVM,max = 50 kW angenommen.For the case I, the VM2, a 0.6 l to 1 l Otto (or rotary piston) engine with z. B. used two to four cylinders, each with four valves per cylinder, with an average consumption per hour of 2.6 l / h corresponding to 2 kg / h gasoline (gas), including the WNV additional power. As rated power of the VM2 will be
P VM, max = 50 kW assumed.
Wegen den für die WNV Anlage benötigten höheren Abgastemperaturen ist ein Betrieb des VM2 ohne Abgasturbolader ATL
Die 2 kg/h Benzinverbrauch entsprechen einem Heizwert pro Stunde, h/h = 84.000 kJ/h, von dem ca. 33%, also Δh/h = 27.000 kJ/h, normalerweise jeweils durch die Kühlung und durch das Abgas
Nur etwa ein Drittel der Heizwertleistung fließt in den Motor und die Hilfsaggregate, deren Leistungsaufnahme mit Hilfe der Umstellung auf Druckluft schon deutlich reduziert angenommen wurden, sodass bei dem Durchschnittsverbrauch von 2 kg/h Benzin (Gas) etwa 0,3 h/h = 25.500 kJ/h, entsprechend einer Leistung von
PVM = 7,1 kW
zum Vortrieb des KFZ (ohne WNV) zur Verfügung stehen.Only about one-third of the calorific value flows into the engine and the auxiliary units, whose power consumption has already been significantly reduced by means of the changeover to compressed air, so that with the average consumption of 2 kg / h of gasoline (gas) about 0.3 h / h = 25,500 kJ / h, according to a performance of
P VM = 7.1 kW
for the propulsion of the vehicle (without WNV) are available.
Unter Berücksichtigung der WNV Zusatzleistung von
PWNV = 3,2 kW wird die Gesamtleistung des VM2 + WNV
PVM+WNV = 10,3 kW = 14 PS,
und damit kann ein kleineres KFZ im 5. Gang mit einer Geschwindigkeit von ca. 120 km/h in der Ebene betrieben werden.Taking into account the WNV additional capacity of
P WNV = 3.2 kW will be the total power of VM2 + WNV
P VM + WNV = 10.3 kW = 14 hp,
and thus a smaller vehicle can be operated in 5th gear at a speed of about 120 km / h in the plane.
In
Für die WNV können vorteilhaft mit Wasser als BM vier Versionen eingesetzt werden:
- (1) ein einkomponentiger H2Oa Dampf (
11 ), - ((2)) ein Gemisch aus H2OHd Hochdruckdampf (
11' ) plus Anteilen des (Abgases13 ), - (3) ein Gemisch aus H2OHd Hochdruckdampf (
11' ) plus H2Oa Heißdampf (11 ) und - ((4)) dito plus Zugabe von Anteilen des (Abgases
13 ) in einer der letzten Entspannungsstufe(n) der WNV, hier der DM3.
- (1) a one-component H 2 O a vapor (
11 ) - ((2)) a mixture of H 2 O Hd high pressure steam (
11 ' ) plus shares of (exhaust13 ) - (3) a mixture of H 2 O Hd high pressure steam (
11 ' ) plus H 2 O a superheated steam (11 ) and - ((4)) dito plus addition of portions of (exhaust gas
13 ) in one of the last relaxation stage (s) of the WNV, here the DM3.
Für die BM Versionen ((2)), (3) und ((4)) wird nach den Wärmetauschern WT0 und WT0', siehe
In der letzten Komponente der WNV und nachfolgend in einem Kondensationskühler
In der daraus resultierenden Ersparnis der Verdampfungswärme und damit der Wärmeenergie, die hauptsächlich aus dem Kühlwasser/der Kühlung dem H2Ofl,Hd zuzuführen ist, liegt der eine Vorteil der (mechanischen) WNV Anlage, und der zweite Vorteil in der Nutzungsmöglichkeit der WNV als LV/AV und als Booster.In the resulting saving of the heat of vaporization and thus the heat energy, which is mainly from the cooling water / cooling the H 2 O fl, Hd supply, is the advantage of the (mechanical) WNV system, and the second advantage in the use of WNV as LV / AV and as a booster.
Im Folgenden wird die BM Gemisch-Version (3) im Detail berechnet, wobei die Berechnungen für die anderen BM Versionen (1), ((2)) und ((4)) analog dazu durchgeführt werden können, und die Ergebnisse ebenfalls in die Tab. 1 eingetragen sind.In the following, the BM mixture version (3) is calculated in detail, whereby the calculations for the other BM versions (1), ((2)) and ((4)) can be carried out analogously, and the results also in the Tab. 1 are registered.
Als WNV Kompression- und Entspannungsvorrichtung wird vorteilhafterweise eine Zweischeiben Drehkolbenmaschine (DKM) verwendet, deren DK keine Kolbenmulden besitzen, und deren Zylinderlaufflächen veredelt, z. B. verchromt sind.As WNV compression and expansion device advantageously a two-rotor rotary piston engine (DKM) is used, the DK have no piston recesses, and refined the cylinder surfaces, z. B. are chrome plated.
Diese DKM arbeitet als fast perfekter „Zweitakter” ohne Ventile und erlaubt eine sehr gute Trennung von Ansaug- und Kompressionsvorgängen. Sowohl die untere als auch die obere Zylinderkammer der DKM, welche sich bei jeder 120° Drehung des Drehkolbens abwechselnd ausbilden, können zu unterschiedlichen Funktionen mit jeweils zwei getrennten Ein- (
Das Kammervolumen der DKM sei 80 cm3 (90 cm3 für die BM Version (1)) mit einem Transportvolumen von
VT = 72 (81) cm3 und einem Verdichtungsverhältnis von κ = 22:1.The chamber volume of the DKM was 80 cm 3 (90 cm 3 for the BM version (1)) with a transport volume of
V T = 72 (81) cm 3 and a compression ratio of κ = 22: 1.
Dem entspricht in der Bemaßung der DKM in
B = 24 (28) mm und für die zweite Scheibe
B = 24 (28) mm and for the second disc
Das geförderte H2Od Volumen Vd pro Stunde ergibt sich dann zu
Mit einer Dichte des H2Od von ρ = 1,5 kg/m3 bei einer Temperatur von T1 = 130°C wird die Masse H2Od Dampf pro Stunde, md/h, gefördert
md/h = 29,2 (32,6) kg/h entsprechend νd = (1250 + 350) = 1600 (1800) mol/h H2Od With a density of H 2 O d of ρ = 1.5 kg / m 3 at a temperature of T 1 = 130 ° C, the mass H 2 O d vapor per hour, m d / h, promoted
m d / h = 29.2 (32.6) kg / h corresponding to ν d = (1250 + 350) = 1600 (1800) mol / h H 2 O d
In den unten beschriebenen Rechenbeispielen werden folgende Kriterien in der angegebenen Reihenfolge berücksichtigt:
- – maximale Abwärmenutzung aus beiden, dem NT und vornehmlich dem HT Reservoir der PM’s, hier des VM2,
- – bei den BM Versionen ((2)), (3) und ((4)) wird die H2OHd Menge soweit beschränkt, dass diese auf eine Temperatur T2 >> Tkrit 374°C in den WT’s
im Abgasstrom 13 erhitzt wird; daher der kleine Anteil von νd = 350 mol/h H2OHd, siehe unten, - – der maximale Druck in den Rohrleitungen pmax < 250 bar, in der DKM pmax < 120 bar, die maximale Temperatur < 530°C nicht überschritten wird, und
- – die Erfüllung obiger Kriterien bei möglichst kleiner Dimensionierung der DKM als WNV Zusatzaggregat.
- Maximum use of waste heat from both the NT and especially the HT reservoir of the PM's, here the VM2,
- - In the BM versions ((2)), (3) and ((4)), the H 2 O Hd amount is limited so that they to a temperature T 2 >> T crit 374 ° C in the WT's in the
exhaust stream 13 is heated; hence the small fraction of ν d = 350 mol / h H 2 O Hd , see below, - - the maximum pressure in the piping p max <250 bar, in the DKM p max <120 bar, the maximum temperature <530 ° C is not exceeded, and
- - compliance with the above criteria with the smallest possible dimensioning of the DKM as a WNV additional unit.
Bei größerer Dimensionierung der DKM und damit höherem Fördervolumen Vd/h und niedriger Starttemperatur des BM/BM Gemisches vor den WNV Entspannungskomponenten kommt man nach der letzten Komponente weiter in das Nassdampfgebiet H2Od + H2Ofl, vergleiche
Prinzipiell das aber an den in Tab. 1 gelisteten Ergebnissen nur wenig, da die geförderte BM Menge und deren maximal erreichbare Temperatur T2 komplementär sind und beide in erster Näherung linear von der eingebrachten Abwärmeenergie abhängen.In principle, however, this is only slightly in the results listed in Tab. 1, since the conveyed BM amount and its maximum achievable temperature T2 are complementary and, in a first approximation, both depend linearly on the introduced waste heat energy.
Aus den Wärmezufuhren ΔQ vom Kühlmittel bzw. vom Abgas
Der nur teilweise Wärmeübertrag durch Konvektion von dem PM Abgas
mit νa = 1180 mol, die Anzahl der Mole des Abgases
Ta = 350 (bis 520°C) und 770°C vor den Wärmetauschern WT1 bzw. WT2, welcher letzterer direkt hinter dem Abgaskrümmer des VM2 angeordnet ist,
mit der mittleren Molwärme des Abgases
Cv,a = 21,5 J/(mol/K) für T = 350°C, siehe unten,
νd = 1250 mol und νHd = 350 mol, die Molzahlen für den H2Od Dampf und den H2OHd Hochdruckdampf,
sowie der Molwärme von H2Od bei konstantem Volumen für eine mittlere Temperatur von
T = 300°C, zur Berechnung der Mischtemperatur des BM Gemisches, von H2OHd + H2Od,
Cv,d = 30,8 J/(mol/K), und die mittlere Molwärme von H2OHd
Cv,Hd = 124 J/(mol/K)! für T = 130 bis 530°C.The only partial heat transfer by convection of the
with ν a = 1180 mol, the number of moles of
T a = 350 (to 520 ° C) and 770 ° C in front of the heat exchangers WT1 and WT2, which latter is located directly behind the exhaust manifold of the VM2,
with the average molar heat of the
C v, a = 21.5 J / (mol / K) for T = 350 ° C, see below,
ν d = 1250 mol and ν Hd = 350 mol, the molar numbers for the H 2 O d vapor and the H 2 O Hd high-pressure steam,
and the molar heat of H 2 O d at constant volume for an average temperature of
T = 300 ° C, for calculating the mixing temperature of the BM mixture, of H 2 O Hd + H 2 O d ,
C v, d = 30.8 J / (mol / K), and the average molar heat of H 2 O Hd
C v, Hd = 124 J / (mol / K)! for T = 130 to 530 ° C.
Die Entspannung in den WNV Komponenten DM0, DM1 und DM2 (DM3) wird isentrop (adiabatisch) berechnet, mit isochoren, nicht-adiabatischen Korrekturfaktoren ηn.ad zusammen mit den Überström-Korrekturfaktoren ηStr, wird die effektive Änderung der Enthalpie dann
ΔHeff = ηn.adηStrΔH,
mit
ΔH eff = η n.ad η Str ΔH,
With
In der ersten Stufe der WNV, der DM0 als der unteren Zylinderkammer
Nach Schließen des Einlasses
Die Mischungstemperatur Tm wird isentropisch (für das Gesamtsystem) nach Gl. 3, und wegen der verlustfreien Mischung der beiden Gase mit ηWÜ = 1, berechnet zu Tm = 350°C.The mixture temperature T m is isentropic (for the whole system) according to Eq. 3, and because of the lossless mixture of the two gases with η WÜ = 1, calculated to T m = 350 ° C.
Für die Gemischdichte ρm gilt nach dem Gesetz von Amagat
Mit dem Enthalpiewert H = 3170 kJ/kg als Ausgangspunkt 2 ist der höchste Punkt in den T-S Diagrammen für das Gemisch, H2Od plus H2OHd, des jetzt gemeinsamen BM
Nach Öffnen des Auslasses
1/ρ = 0,51 auf 0,87 m3/kg erhöht,
wobei Verluste durch Verbindungsleitungen (
1 / ρ = 0.51 increased to 0.87 m 3 / kg,
where losses through interconnections (
Durch Einleiten des H2Od BM
1/ρ = 3,33 m3/kg,
bevor er in dem Kühler
1 / ρ = 3.33 m 3 / kg,
before he gets in the cooler
Bei der BM Version ((4)), siehe Tab. 1, werden die beiden Kammern
Das hier frühzeitige Rückführen des H2Od Dampfes hat den Nachteil, dass die Entspannung nicht bis (weit) in den Nassdampfbereich ausgedehnt wird, hat aber den vergleichsweise viel größeren Ersparniseffekt, dass nur der für den H2OHd nötige H2Ofl Anteil kondensiert und wieder verdampft werden muss. Dies gilt auch, in ähnlichem Umfang für die BM Version (3). The early recycling of the H 2 O D vapor has the disadvantage that the expansion is not extended to (far) in the wet steam range, but has the comparatively much greater savings effect that only necessary for the H 2 O Hd H 2 O fl Part condensed and must be evaporated again. This also applies to a similar extent for the BM version (3).
Die Einsparung an zuzuführender Wärmeenergie ΔQ ist dann um ca. eine Größenordnung höher als die entgangene, restliche Arbeitsenergie.The saving in heat energy ΔQ to be supplied is then approximately one order of magnitude higher than the lost residual energy.
In der Rückführung des H2Od direkt in der Dampfphase in den BM Kreislauf ohne vorherige Kondensation liegt einer der Gründe für die hohen Wirkungsgrade für alle drei BM Versionen ((2)), (3) und ((4)), welche ein Gemisch H2OHd + H2Od (+ Abgas
Das Abgas
Es findet also eine Zwischenerhitzung des BM
Voraussetzung dafür ist, dass der Druck des Abgases pa ~ 1,6 bar > pd, ~ 1,2 bar, dem Druck des H2Od Dampfes in der Zylinderkammern
Das neue BM Gemisch (
Die in Tab. 1 mit einem * gekennzeichneten ΔHm Werte resultieren aus der Volumenarbeit gemäß Gl. 6 durch die Mischung, d. h. den Eintrag des H2OHd Hochdruck- in den H2Od Heißdampf:
Für die implizite Erhöhung der Enthalpiewerte für das Gemisch H2Od + H2OHd, siehe die Pfeile in den T-S Diagrammen in
Für die BM Gemische nach den Versionen (1) bis ((4)) ergeben sich nun die Werte in Tab. 1: ΔHeff (ΔHm) die effektive Enthalpiedifferenz,
ΔW/h, PWNV, die Zusatzleistung der WNV, alle in den angegeben Einheiten, und
PWNV/PVM, das Leistungsverhältnis von WNV zu VM2,
ηVM+WNV = ηVM(1 + PWNV/PVM) des effektiven Wirkungsgrades des VM2 plus der WNV Anlage im Normalbetrieb, wobei hier ein Wert von ηVM = 0,33 eingesetzt wird, der mit modernen (aufgeladenen) Gas-/Benzin betriebenen Otto- oder DK-Motoren und erreichbar ist, bei einer klugen Verbrauchsreduzierung der Nebenaggregate, z. B. mittels Druckluft(-abgas) aus den DLS (DAS), und ΔK/K, die relative Kraftstoffersparnis.For the BM mixtures according to the versions (1) to ((4)), the values in Table 1 now result: ΔH eff (ΔH m ) the effective enthalpy difference,
ΔW / h, P WNV , the additional power of the WNV, all in the specified units, and
P WNV / P VM , the power ratio of WNV to VM2,
η VM + WNV = η VM (1 + P WNV / P VM ) of the effective efficiency of the VM2 plus the WNV system in normal operation, whereby here a value of η VM = 0.33 is used, which is compatible with modern (charged) gas / Petrol-powered petrol or DK engines and is achievable, with a clever reduction in consumption of ancillaries, z. B. by compressed air (exhaust) from the DLS (DAS), and .DELTA.K / K, the relative fuel economy.
Für die eingehender diskutierte BM Version (3): H2OHd + H2Od, ergibt sich als relative Zusatzleistung der WNV Anlage
PWNV/PVM = (3,3 – 0,1) kW/7,1 kW = 0,45,
wobei die Leistungsaufnahme der Hochdruckpumpe
P WNV / P VM = (3.3 - 0.1) kW / 7.1 kW = 0.45,
the power consumption of the high-
Für die implizite Erhöhung der Ausgangs Enthalpiewerte für den Kreiszyklus der Mischung H2Od + H2OHd, siehe die T-S Diagramme in
Die relative Kraftstoffersparnis ΔK/K wird dann
ηVM+WNV = ηVM(1 + PWNV/PVM) = 0,48 rund 50%,
der damit schon bei U = 3000/min in die Nähe der Wirkungsgrade heutiger GuD Anlagen kommt, sodass die Frage erlaubt ist, ob der Einsatz von Elektrofahrzeugen im Alltagsbetrieb noch sinnvoll erscheint?The relative fuel economy ΔK / K then becomes
η VM + WNV = η VM (1 + P WNV / P VM ) = 0.48 around 50%,
So that at U = 3000 / min it comes close to the efficiencies of today's combined cycle plants, so that the question is allowed whether the use of electric vehicles in everyday use still makes sense?
Im gemischten Fahrbetrieb nach dem NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) sind durch die vorgesehene Rekuperation von Brems- und Schubenergie weitere, niedrige, zweistellige Prozentgewinne zu erwarten, so dass sich eine tatsächliche, relative Kraftstoffersparnis mit der Kombianlage VM + WNV von ca.
ΔK/K ~ –36% ergibt. In the mixed mode of operation according to the NEDC (New European Driving Cycle), the planned recuperation of braking and thrust energy is expected to produce further, low, double-digit percentage profits, so that an actual, relative fuel saving with the combined system VM + WNV of approx.
ΔK / K ~ -36%.
Als Probe wird berechnet
- – ein thermischer Wirkungsgrad ηWNZ der WNZ Anlage mit der BM Version (3) (nach einem angenäherten, irreversiblen Clausius-Rankine Prozess) zu
ηWNZ = ΔW/ΔQ = 0,60, (8)
- - A thermal efficiency η WNZ of the WNZ plant with the BM version (3) (after an approximate, irreversible Clausius-Rankine process) too
η WNZ = ΔW / ΔQ = 0.60, (8)
In
Der Vorteil der BM Gemisch Versionen ((2)), (3) und ((4)) beruht darauf, dass ein BM Zustand mit niedriger Entropie (H2OHd) gemischt wird mit einem solchen hoher Entropie (H2Od oder Abgas
Die Vorteile der WMV Kombianlage hinter dem VM2 und der GT4 + Dt3,3', siehe
- 1. Die Summe beider (der drei) Massen geht linear in die Zusatzleistung PWNZ ein, und auch der Wärmeinhalt und die restliche Volumenarbeit des Abgases
13 wird in der Version ((2)) und ((4)) noch zum Teil ausgenutzt. Die gemeinsame Dichte ρm und Temperatur Tm des BM Gemisches liegt so weit im H2Od Dampfbereich, dass die Entspannung in den drei Stufen der WNV noch nicht oder nur knapp in den Nassdampfbereich des H2Od,fl führt. - 2. Die Druckaufladung des H2OHd Dampfes erfolgt mit einer Hochdruck-
Flüssigkeitspumpe 27 und benötigt viel weniger Leistung als z. B. die Wärmepumpe WP5 oderein Turbinenverdichter 52 für den H2Od Dampf bzw. ein Gas, z. B. Luft. - 3. Weiterhin hat das H2OHd BM
11' den Vorteil, dass es im unteren Temperaturbereich bis Tkrit = 374°C flüssig vorliegt und darüber in überkritischer Dampfform, und das für beide die Wärmeleitfähigkeit höher ist als für den H2Od Dampf. Dadurch kann die zu übertragende Wärmeenergie pro Zeiteinheit, ΔQ/Δt, leichter, d. h. mit kleinerem ΔT- und relativen Δp/p-Verlusten vom Abgas auf diesen Teil des BM11' übertragen werden, resultierend in einer höheren Endtemperatur T2 des H2OHd, siehe die Berechnungen zu4 , oder es kann eine größere Menge H2OHd präpariert werden. - 4. Im Falle der BM Version ((2)) und ((4)), der Beimischung des Abgases
13 zu dem als H2Od vorliegenden BM11 wird wieder die letzte Komponente der WNV aufgeteilt in die DM2 und DM3, hier die untere und obere Zylinderkammer22 ,22' der zweiten Scheibe1' der DKM. Nach der DM2 werden z. B. zwei Drittel des H2Od abgezweigt und in den BM Kreislauf zurückgeführt, und nur ein Drittel des H2Od BM11 , der für dieHochdruckpumpe 27 in flüssiger Form, als H2Ofl, vorliegen muss, in dem Kondensationskühler41 (41' ) verflüssigt, während der verbleibende H2Od Dampf direkt in den BM Kreiszyklus zurückgeführt wird. Dies bedeutet eine Ersparnis der entsprechenden Verdampfungswärmen, die sich auf mindestens ein Drittel der gesamten einzusetzenden Wärmeenergie beläuft. In einer normalen DT Anlage wird im Verhältnis zur geleisteten Arbeit etwa die gleiche Wärmeenergie in Form von Kondensationswärme durch den Kondensationskühler41' abgeführt und geht verloren, bzw. wird als minderwertige Heizenergie genutzt, und muss dann als Verdampfungswärme im Kreiszyklus aus z. B. dem GT4 Abgas wieder aufgebracht werden. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Mischung aus restlichem H2Odund dem Abgas 13 auf der Isobaren p = 1 bar im T-S Diagramm nach links auf den Siedepunkt TS = 100°C des H2Od bei Atmosphärendruck entspannt unddann im Kühler 41 weiter auskondensiert und als H2Ofl der Hochdruckpumpe27 wieder zugeführt wird. - 5. Schon die erste Stufe DM0 der WNV leistet durch die H2OHd Mischungszugabe Volumenarbeit (ΔHm Werte mit * in Tab. 1) bzw. verbraucht keine, während bei der BM Version (1) die Wärmepumpe WP5, die als erste Stufe für das Ansaugen, den Transport und die Kompression des reinen H2Od Dampf eingesetzt wird, ein knappes Drittel der gesamten WNV Zusatzleistung verbraucht.
Das wird dadurch kompensiert, dass bei der BM Version (1) der Hauptteil des H2Od ohne Verflüssigung in den BM Kreislauf zurückgeführt wird, und dass hier etwas größere H2Od Molmenge mit höherer Ausgangstemperatur zur Verfügung gestellt werden können. Die benötigte Verdampfungswärme für die kleine Menge verflüssigtes H2Ofl von dem VM2 bzw. DKM Kühlwasser im NT Bereich aufgebracht und geht somit nicht negativ in die Energiebilanz des
HT Abgas 13 Bereichs ein. Es fehlen hier Beiträge der Mischungsenthalpie. Die BM Version (1) hat aber den Vorteil des einfachsten Aufbaus der WNV. - 6. Durch den Leistungszuwachs zum VM2, zu der GT4 + DT3 Anlage mit der WNV Kombianlage steigt der Gesamtwirkungsgrad auch für den Brenner BR9 auf optimal rund 50% bzw. 70%, vergleiche Tab. 1
und 2. Die BM Versionen (3) und ((4)) ergeben die höchste Zusatzleistungen PWNV, siehe Diskussion oben, vornehmlich wegen des großen Beitrags der impliziten Mischungsenthalpie Hm und der direkten ΔHm Beiträge, Werte mit * in Tab. 1 und 2, durch die Volumenarbeit. Der Primärquelle/-maschine PM wird bei den BM Versionen ((2)) und ((4)) die größte Wärmeenergiemenge ΔQ/h entzogen, sowohl dem NT Bereich durch Verdampfen des flüssigen BM11'' und Vorerhitzen des gasförmigenBM 11 bzw. des flüssigen BM11'' für den H2OHd, als auch dem HT Bereich,dem Abgas 13 der PM, hier dem VM2, aber auch im Falle der GT4 oder dem Brenner BR9. - 7. Durch eine Extremwertaufgabe kann in jedem Betriebszustand das optimale Mischungsverhältnis H2OHd zu H2Od durch den Steuerungscomputer berechnet werden, in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl U/min, der angebotenen Temperaturen des VM2 Kühlwassers, der DM0/WP5 und auch der DM1, sowie insbesondere von der Temperatur des Abgases
13 , um dann über das Dosierventil7' und/oder die H2Ofl,Hd Fördermenge der Hochdruckpumpe27 eingestellt zu werden. - 8. Der Wasserdampf H2Od reinigt in der Version ((2)) und ((4)) das Abgas weiter nach dem Abgas Katalysator, hier in der Kombination WT2/KAT, weiter von SOx, NOx, und anderen Schadstoffen, und diese können am Ende des Zyklus im dann kondensierten H2Ofl, vor der Rückführung in den BM Kreiszyklus, durch Filter und/oder mit Chemikalien, z. B. mit Calciumhydroxid, CaOH, als Gips, ausgefällt werden, ähnlich der Auswaschreinigung in Kühltürmen bei GuD Kraftwerken. Das BM H2O wird nach einer festzulegenden Zahl von Zyklen, abhängig von der Effektivität der eingebauten Filter, ausgetauscht. Mit den BM Versionen ((2)) und ((4)) wird auch die Abgasreinigung einer Drehkolbenmaschine DKM deutlich einfacher.
- 1. The sum of both (three) masses is linear in the additional power P WNZ , and also the heat content and the residual volume work of the
exhaust gas 13 is partially exploited in the version ((2)) and ((4)). The common density ρ m and temperature T m of the BM mixture is so far in the H 2 O d steam range that the relaxation in the three stages of the WNV does not or only slightly in the wet steam range of H 2 O d, fl leads. - 2. The H 2 O Hd vapor is charged with a high-
pressure liquid pump 27 and needs much less power than z. As the heat pump WP5 or aturbine compressor 52 for the H 2 O d vapor or a gas, for. For example, air. - 3. Furthermore, the H 2 O Hd BM
11 ' the advantage that it is liquid in the lower temperature range to T crit = 374 ° C and above it in supercritical vapor form, and that for both the thermal conductivity is higher than for the H 2 O d vapor. As a result, the heat energy to be transmitted per unit time, ΔQ / Δt, lighter, ie with smaller ΔT and relative Δp / p losses of the exhaust gas on this part of the BM11 ' transferred, resulting in a higher end temperature T 2 of H 2 O Hd , see the calculations4 , or it can be prepared a larger amount of H 2 O Hd . - 4. In the case of the BM version ((2)) and ((4)), the admixture of the
exhaust gas 13 to the BM present as H 2 O d11 again the last component of the WNV is divided into the DM2 and DM3, here the lower andupper cylinder chamber 22 .22 ' the second disc1' the DKM. After the DM2 z. B. Two-thirds of H 2 O d branched off and returned to the BM cycle, and only a third of H 2 O d BM11 , who for thehigh pressure pump 27 in liquid form, as H 2 O fl , must be present in the condensation cooler41 (41 ' ), while the remaining H 2 O d vapor is returned directly to the BM cycle. This means a saving of the corresponding heat of evaporation, which amounts to at least one third of the total thermal energy to be used. In a normal DT system, the heat energy in the form of heat of condensation through the condensation cooler will be approximately equal to the work done41 ' dissipated and lost, or is used as inferior heating energy, and then as heat of vaporization in the cycle from z. B. the GT4 exhaust are reapplied. This has the further advantage that the mixture of residual H 2 O d and theexhaust gas 13 on the isobaric p = 1 bar in the TS diagram, left to the boiling point T S = 100 ° C of the H 2 O d at atmospheric pressure and then in thecondenser 41 condensed further and as H 2 O fl of the high-pressure pump 27 is fed again. - 5. Even the first stage DM0 of the WNV makes volume work (ΔH m values with * in Tab. 1) due to the H 2 O Hd mixing addition, or does not consume them, while in the BM version (1) the heat pump WP5, the As a first stage for the suction, transport and compression of pure H 2 O D steam is used, nearly one-third of the total WNV consumed power. This is compensated by the fact that in the BM version (1) the main part of the H 2 O d is returned without liquefaction in the BM cycle, and that here a little larger H 2 O d molar amount can be provided with higher starting temperature. The required heat of vaporization for the small amount of liquefied H 2 O fl applied by the VM2 or DKM cooling water in the NT range and thus does not negatively impact the energy balance of the
HT exhaust gas 13 Area. There are no contributions of the enthalpy of mixing. The BM version (1) has the advantage of the simplest construction of the WNV. - 6. Due to the increase in performance to the VM2, to the GT4 + DT3 system with the WNV combination system, the overall efficiency also increases for the burner BR9 to optimally around 50% or 70%, compare Tab. 1 and 2. The BM versions (3) and ((4)) give the highest additional benefits P WNV , see discussion above, mainly because of the large contribution of the implicit enthalpy of mixing H m and the direct ΔH m contributions, values with * in Tables 1 and 2, through the volume work. In the BM versions ((2)) and ((4)), the primary source / machine PM is deprived of the largest amount of thermal energy ΔQ / h, both the NT region by evaporation of the liquid BM
11 '' and preheating thegaseous BM 11 or the liquid BM11 '' for the H 2 O Hd , as well as the HT range, theexhaust gas 13 the PM, here the VM2, but also in the case of the GT4 or the BR9 burner. - 7. By an extreme value task, the optimal mixing ratio H 2 O Hd to H 2 O d can be calculated by the control computer in each operating state, depending on the number of revolutions RPM, the offered temperatures of VM2 cooling water, the DM0 / WP5 and also the DM1, and in particular the temperature of the
exhaust gas 13 then to the metering valve7 ' and / or the H 2 O fl, Hd flow rate of the high-pressure pump 27 to be adjusted. - 8. The water vapor H 2 O d cleans in the version ((2)) and ((4)) the exhaust gas further to the exhaust gas catalyst, here in the combination WT2 / KAT, further from SO x , NO x , and other pollutants , and at the end of the cycle, they may be condensed in the H 2 O fl , before being returned to the BM cycle, by filters and / or with chemicals, e.g. B. with calcium hydroxide, CaOH, as a gypsum precipitated, similar to the washout in cooling towers at combined cycle power plants. The BM H 2 O is exchanged after a number of cycles to be determined, depending on the effectiveness of the built-in filters. With the BM versions ((2)) and ((4)) also the exhaust gas cleaning of a rotary piston machine DKM becomes much easier.
Das verbliebene Druck- und das restliche Temperaturpotenzial des Abgases
Der weitere Unterschied zwischen den BM Versionen ((2)), ((4)) gegenüber (3) besteht in den Vorteilen von ((4)), dass
- – eine Zwischenerhitzung des BM (
11 ) in der DM0 bzw. DM3 Abgaszugabe-Stufe durch das restliche Wärmepotential des Abgases13 stattfindet, - – das teilweise abgekühlte Abgas
13 noch zur direkten Arbeitsleistung herangezogen wird, - – das BM Gemisch (
11 ,13 ) am Ende der Entspannungs- und Abkühlungskette auf der Isobaren mit p = 1 bar im T-S Diagramm nach links bis auf die Siedetemperatur von TS = 100°C des H2O bei Normaldruck herunterfährt, - – nach dem KAT/WT2 eine weitere Schadstoff Reinigung des Abgases
13 durch Auswaschung im dampfförmigen/flüssigen BM stattfindet, wie in der BM Version (2), und - – das Spülen der WNV Anlage vor und nach Umschaltvorgängen zwischen den Funktionen der WNV wegen des teiloffenen BM Flusssystems ganz entfallen, bzw. auf zwei bis drei Umdrehungen der WNV reduziert werden kann, und in den Nachteilen von ((4)), dass
- – der komplexeste Aufbau der WNV mit drei BM Sorten in einem teiloffenen BM Kreislaufsystem verwendet wird,
- – die Endtemperatur des BM Kreiszyklus am höchsten liegt, was der Grund ist für die gegenüber (3) niedrigere Zusatzleistung,
- – eine Reinigung des zirkulierenden BM durch Filter und/oder Zugabe von Chemikalien mit Ausfällung vorzusehen ist, und
- – das BM ersetzt und recycelt werden muss nach einer festzulegenden (großen) Zahl von Stundenzyklen, und
- – in der Version ((2)) der gesamte, geringe H2Od Anteil, aus der H2OHd Charge, vor der Rückführung zu H2Ofl auskondensiert werden muss, was aber nicht negativ in die Energiebilanz des
HT Abgas 13 Bereichs eingeht, da die Vorerwärmung des H2Ofl aus dem Kühlwasser des VM2 und der DKM im NT Bereich effizient erfolgt.
- - an intermediate heating of the BM (
11 ) in the DM0 or DM3 exhaust gas addition stage by the residual heat potential of theexhaust gas 13 takes place, - - The partially cooled
exhaust gas 13 is still used for direct work, - - the BM mixture (
11 .13 ) at the end of the relaxation and cooling chain on the isobarene with p = 1 bar in the TS diagram to the left down to the boiling point of T S = 100 ° C of H 2 O at atmospheric pressure, - - After the KAT / WT2 another pollutant purification of the
exhaust gas 13 by leaching in the vapor / liquid BM, as in the BM version (2), and - - The flushing of the WNV system before and after switching operations between the functions of the WNV due to the partially open BM flow system completely omitted, or can be reduced to two to three turns of the WNV, and in the disadvantages of ((4)) that
- - the most complex structure of WNV with three BM varieties in a partially open BM circulatory system is used,
- - the final temperature of the BM circuit cycle is highest, which is the reason for the (3) lower additional power,
- - cleaning the circulating BM by filtering and / or adding chemicals with precipitation, and
- - the BM must be replaced and recycled after a (large) number of hourly cycles, and
- - In the version ((2)), the entire, small H 2 O d portion, from the H 2 O Hd charge, must be condensed out before returning to H 2 O fl , but this does not have a negative impact on the energy balance of the
HT flue gas 13 Range comes because the preheating of the H 2 O fl from the cooling water of the VM2 and the DKM in the NT area is efficient.
Die BM Versionen (3) und ((4)) können in analoger Weise auch für die Fälle II und III der Primärquellen, die GT4 + GT3 Anlage und den Brenner BR9, eingesetzt werden mit ähnlich guten Resultaten, siehe Beschreibung zu
Alle Daten in Tab. 1 ergeben sich bei U = 3000/min der VM2 + WNV Anlage und ohne Einrechnung der weiteren, sich sparwirksam und/oder Energie steigernd sich auswirkenden Funktionen der WNV Anlage. Die absoluten Werte werden mit der Leistung/der Umdrehungszahl des VM2 gemäß G. 8, siehe unten, ansteigen.All data in Tab. 1 result at U = 3000 / min of the VM2 + WNV system and without inclusion of the additional, effective and / or energy-increasing functions of the WNV system. The absolute values will increase with the power / RPM of the VM2 according to G. 8, see below.
Für hohe Leistungsanforderungen wird auch der VM2 mit der Druckluft aufgeladen, was der VM2 kurzzeitig verträgt, und womit zu den 50 kW nochmals mindestens 15 kW Leistung hinzukommen.For high performance requirements, the VM2 is also charged with the compressed air, which the VM2 can tolerate for a short time, and which adds at least 15 kW to the 50 kW.
Mit der Booster Funktion der WNV Anlage lässt sich kurzzeitig, von einem vollem 100 l Druckluftspeicher DLS
PVM+LV,max + PWNVBoost = (65 + 50) kW = 115 kW.With the booster function of the WNV system can be briefly, from a full 100 l compressed
P VM + LV, max + P WNVBoost = (65 + 50) kW = 115 kW.
Also wird aus einem 50 kW KFZ VM2 mit der WNV Kombianlage ein Sportgerät mit einer Leistung von 115 kW entsprechend 156 PS, was in einem Kleinwagen, z. B. der Poloklasse, eine enorme Kraftentfaltung ermöglicht, wobei die Steigerung im Drehmoment – maßgebend für die Beschleunigung – prozentual noch höher ausfällt.So from a 50 kW vehicle VM2 with the combined WNV system, a sports equipment with a power of 115 kW corresponding to 156 hp, which in a small car, z. As the polo class, allows an enormous power development, the increase in torque - decisive for the acceleration - percentage even higher.
Bei einer Drehzahl Änderung des VM2 und der WNV ist die Zusatzleistung PWNV proportional der geförderten BM Molzahl νd, welche linear mit der Umdrehungszahl U/min anwächst, siehe Gl. 2. Die Abhängigkeit der Temperatur des VM2 Abgases
In
Die Zweischeiben DKM wird hier als fördernde Wärmepumpe plus Arbeit leistende Dampfmaschine, WP + DM, verwendet, wobei die untere Zylinderkammer
Als Betriebsmittel H2Ofl,d BM
Aus dem Kühler
Die Kühlung der Zwei(Mehr-)Scheiben DKM, siehe
Für die Verdampfer/Wärmetauscher WT0 und VD/WT0', siehe
Zur Verbesserung der Verdampfung wird das Kühlwasser (versetzt mit einem schmierenden Frostschutzmittel) durch Hohlkegel- oder Ultraschalldüsen (
In den beiden WT1 und WT2/KAT im Abgasstrom
Zum Aufbau des WT2/KAT als Beispiel, siehe
Die Ein-
Insbesondere für die BM Version (1) muss hier darauf geachtet werden, dass die Todvolumina im WT2 am Auslass
Hinter dem DKM Auslass
Für den Betrieb der WNV mit der BM Version (1) wird das gesamte Innenvolumen des WT2 dann gleich dem Transportvolumen VT einer DKM Kammer
Für die anderen BM Versionen ist man in der Wahl insbesondere der Volumendimension der Wärmetauscher freier, und kann eine optimale Auslegung wählen, z. B. für den WT2 als KAT oder bezüglich des Druckverlustes Δp und der Temperaturdifferenz ΔT, siehe Gln. 9 und 10. Nach dem WT2/KAT folgt die zweite DKM Scheibe
Alternativ kann die DKM Scheibe
Nach der DM2(3) Stufe wird das BM H2Od in einen Kondensationskühler
Der Kondensationskühler
Der VM2 Kühler
Zum Austreiben des schon in der DM2(3) Stufe der DKM kondensierten H2Ofl Anteils mit dem BM H2Od Hauptanteil kann die DKM liegend und vorteilhafterweise mit Seiteneinlässen betrieben werden.For expelling the already condensed in the DM2 (3) stage of DKM H 2 O fl share with the main part of BM H 2 O d DKM can be operated lying and advantageously with side inlets.
Für UÜ < 2500/min des VM2 werden dann die beiden DKM Scheiben durch den Einlass
Zum Umschalten von WNV/DM + WP auf LV/AV Betrieb sind alle vier Dreiwegeventile
Bei den BM Versionen (1) und (3) werden die DKM Kammern
Für die BM Versionen ((2)) und ((4)) reichen weniger Umdrehungen, bzw. muss überhaupt nicht gespült werden, da die durch das Port
Bei Brems- und Schubvorgängen und bei Drehzahlen des VM2 unter UÜ < 2500/min wird im LV (AV) Betrieb ein Druckluft-(abgas)speicher DLS
- – dem VM2
über den Ansaugstutzen 38 zur mechanischen Aufladung des VM2 unter UÜ < 2500/min und bei hoher Leistungsanforderung, oder - – zum Betrieb des VM2 ohne Kraftstoff bei genügender Füllung des DLS
20 (DAS50 ), oder - – zum Betrieb der WNV Anlage als Booster.
- - the VM2 via the
intake manifold 38 for mechanical charging of the VM2 under U Ü <2500 / min and with high power requirement, or - - to operate the VM2 without fuel with sufficient filling of the DLS
20 (THE50 ), or - - to operate the WNV system as a booster.
So reicht die in einem DLS
Die erhöhte Temperatur der Druckluft
Im Falle des Abkühlens des DLS
Da der WT2/KAT und/oder der WT1 auch bei LV(AV) Betrieb im Druckluft(
Die Umschaltzeiten sind hauptsächlich bestimmt durch die ca. zehn Umdrehungen der WNV, der DKM, die für die Spülung der Zylinderkammern
Auf diese Weise kann die WNV mit praktisch kaum merkbarer Verzögerung zwischen den verschiedenen Funktionen umgeschaltet werden, was essentiell ist für die Energie Rekuperierung bei Brems- und Schubbetrieb des KFZ und für die Aktivierung der LV Funktion zur Aufladung des VM2 und der Booster Funktion bei starken Beschleunigungsvorgängen.In this way, the WNV with virtually barely noticeable delay between the various functions can be switched, which is essential for the energy recuperation during braking and coasting of the car and for activating the LV function for charging the VM2 and the booster function during heavy acceleration operations ,
Beim Betrieb des VM2 in unwirtschaftlichen Bereichen des VM2 Kennfeldes und bei Unterschreitung eines Mindestdruckes in den DLS
Die kürzer- oder längerfristige Abrufung, je nach Volumenauslegung des DLS
Diese Druckluftmotor-Funktion der WNV erspart in der Anwendung II ggf. eine zweite GT4' für Spitzenlastzeiten, siehe dazu Beschreibung für
Bei diesen drei Funktionen der WNV Anlage werden alle Vorgänge durch eine intelligente, elektronische Steuerung optimal eingesetzt und geregelt. With these three functions of the WNV system, all processes are optimally used and controlled by an intelligent, electronic controller.
Ein Treibriemen
In
Über dem Ein-
Die Röhrchen
In der Auslassöffnung
Dieses Ventil
Über die gesamten, gefalteten Röhrchen
Vorteilhafterweise werden die Röhrchen
Der Volumeninhalt des WT2, inklusive Flatter-Rückschlagventil
Die Röhrchen
Die Wärmeübertragung in dem strömenden Betriebsmitteln H2Od Dampf und H2OHd Hochdruckdampf wird berechnet für die BM Versionen (1) und (3), wobei die Daten und Werte für H2Od ohne und die für (H2OHd) in Klammern angegeben sind.The heat transfer in the flowing H 2 O d vapor and H 2 O Hd high pressure steam is calculated for the BM versions (1) and (3), with the data and values for H 2 O d without and for (H 2 O Hd ) are indicated in brackets.
Sie erfolgt vornehmlich durch Konvektion in dem aus den Rohr-
αKo = Nuλ/2r, dem Wärmeübertragungskoeffizienten für Konvektion, mit
λ = 0,055 (0,1) W/(mK), der Wärmeleitfähigkeit des H2Od (des H2OHd) gemittelt über den entsprechenden Temperaturbereich, und der
Nußelt-Zahl Nu = 0,0235 Re0,8Pr0,48, mit der Reynolds-Zahl Re = vρ2r/η und der
Prandtl-Zahl Pr = ηcp/λ, dimensionslose Kenngrößen, mit
η = 22 (62) 10–6 kg/(ms), der dynamischen Viskosität und
cp = 2100 (7600) J/(kgK), der spezifischen Wärme bei konstantem Druck.It takes place mainly by convection in the
α Ko = Nuλ / 2r, the convective heat transfer coefficient, with
λ = 0.055 (0.1) W / (mK), the thermal conductivity of the H 2 O d (of the H 2 O Hd ) averaged over the corresponding temperature range, and the
Nusselt number Nu = 0.0235 Re 0.8 Pr 0.48 , with the Reynolds number Re = vρ2r / η and the
Prandtl number Pr = ηc p / λ, dimensionless characteristics, with
η = 22 (62) 10 -6 kg / (ms), the dynamic viscosity and
c p = 2100 (7600) J / (kgK), the specific heat at constant pressure.
Mit der Strömungsgeschwindigkeit
v = (Vd(Hd)/3600 s)/πnr2 = (19,4 (0,29) m3/3600 s)/8,5 10–5 m2 63 (11) m/s nach Gl. 2, für U = 3000/min der DKM, ergibt sich der Druckverlust in dem Röhrchen-
v = (V d (Hd) / 3600 s) / πnr 2 = (19,4 (0.29) m 3/3600 s) / 8.5 10 -5 m 2 63 (11) m / s according to Eq. 2, for U = 3000 / min of the DKM, the pressure loss in the
Mit der Dichte ρ = 1,54 (100) m3/kg ergeben sich die dimensionslose Kenngrößen zu Re = 13.000 (53.000) und Pr = 0,84 (4,7) und eingesetzt in die Gln. 9 und 10 ergeben sich für den H2Od (H2OHd) Dampf ein Druckverlust Δp bzw. eine Temperaturdifferenz ΔT von
Δp = 0,1 (0,46) bar und ΔT = 25 (4)°C.With the density ρ = 1.54 (100) m 3 / kg, the dimensionless parameters of Re = 13,000 (53,000) and Pr = 0,84 (4,7) are obtained and used in the equations. 9 and 10 result for the H 2 O d (H 2 O Hd ) vapor pressure drop Δp and a temperature difference .DELTA.T of
Δp = 0.1 (0.46) bar and ΔT = 25 (4) ° C.
Für den WT2/KAT können die Werte ΔT für die mit der BM Version (1) betriebene WNV noch unter in Kaufnahme von höheren Δp Werten reduziert werden, insbesondere durch Verkleinerung des Rohrradius r und durch simultane Verlängerung der Gesamtlänge L und ggf. durch Vergrößerung von n, wobei der Volumeninhalt des betreffenden Wärmetauschers konstant gehalten wird.For the WT2 / KAT, the values ΔT for the WNV operated with the BM version (1) can still be reduced below higher Δp values, in particular by reducing the pipe radius r and by simultaneously increasing the total length L and possibly increasing the size n, wherein the volume content of the heat exchanger in question is kept constant.
Für die anderen BM Versionen und die entsprechenden WT’s ist die Dimensionierung viel freier gestalt- und optimierbar, insbesondere im Hinblick auf die gleichzeitige Verwendung des WT2 als Katalysator KAT bzw. der optimalen Ausnutzung der Abgas-(
Für den H2OHd Hochdruckdampf sind die Verhältnisse völlig unkritisch, da sowohl das kleine Δp als auch das ΔT weit im vorgegebenen Rahmen von Δp < 5 bar und ΔT < 30°C liegen und hier insbesondere der hohe Druck von p ~ 190 bar durch die Hochdruck- Flüssigkeitspumpe aufgebaut wird.For the H 2 O Hd high-pressure steam, the conditions are completely uncritical, since both the small Δp and the ΔT are well within the given range of Δp <5 bar and ΔT <30 ° C and here in particular the high pressure of p ~ 190 bar the high-pressure liquid pump is constructed.
In
Die GT4 wird direkt beschickt mit dem bis zu 1250°C heißen Abgas
An die beiden DT’s, die HD DT3 und die MD DT3, ist anstelle der ND DT3'' eine WNV angekoppelt, hier als Beispiel bestehend aus
fünf großvolumigen Zweischeiben Drehkolbenmaschinen DKM, welche die
Maße A = 1100 mm und B = 450 mm, vergleiche
U = 1500/min aufweisen.To the two DT's, the HD DT3 and the MD DT3, instead of the ND DT3 '' a WNV is coupled, here as example consisting of
five large - volume two - disk rotary engines DKM, which the
Dimensions A = 1100 mm and B = 450 mm, compare
U = 1500 / min.
Von den fünf DKM’s ist nur eine schematisch mit DM0/WP5, DM1 und DM2,3, als den drei (vier) Komponenten der WNV, in
Jede der fünf DKM’s fördert bei einem Transportvolumen von VT = 85 Liter nach Gl. 2
Vd/s = VT × 1500/min/60 × 1,5 = 3,2 m3/sEach of the five DKMs delivers at a transport volume of V T = 85 liters according to Eq. 2
Vd / s = V T × 1500 / min / 60 × 1.5 = 3.2 m 3 / s
Was mit einer H2Od Dampfdichte von ρd = 4 kg/m3, eine geförderte H2Od Masse von
md/s = 5 × 3,2 m3/s × 4 kg/m3 = 64 kg/s
für alle 5 DKM’s entspricht, siehe unten.What with a H 2 O d vapor density of ρ d = 4 kg / m 3 , a promoted H 2 O d mass of
m d / s = 5 × 3.2 m 3 / s × 4 kg / m 3 = 64 kg / s
for all 5 DKM's, see below.
Der Einsatz von großvolumigen Drehkolbenmaschinen DKM bis zu einem Zylinderdurchmesser von A > 100 cm, für die Bemaßung siehe
Weiterhin sind Wärmetauscher/Verdampfer, WT0''/VD, WT1, WT2, WT3 und WT4, und ein Druckluftspeicher DLS
In einem Kondensationskühler
Für die BM Version (1) mit der gestrichelten Leitungsführung in
Drei Dreiwegeventile
Über zwei Druckminderer
Für der BM Version (3) wird die WNV mit der Schaltung, wie in
Das Besondere daran ist, dass der Hochdruckdampf H2OHd mit p = 190 bar und T = 530°C, erzeugt durch eine Hochdruckpumpe
Die DT3 wird allein mit dem ersten Drittel des H2OHd Hochdruckdampfes betrieben, während die DT3' mit dem zweiten Drittel, also dann einem 1:1 Gemisch aus H2OHd und H2Od und die WNV mit dem letzten Drittel des H2OHd, also einem 1:2 Gemisch aus H2OHd und H2Od gefahren werden, indem jeweils der entstehende H2Od Heißdampf in die nächste Stufe der Kette weitergeleitet wird.The DT3 is operated with the first third of the H 2 O Hd high pressure steam alone, while the DT3 'with the second third, then a 1: 1 mixture of H 2 O Hd and H 2 O d and the WNV with the last third of the H 2 O Hd , so a 1: 2 mixture of H 2 O Hd and H 2 O d are driven by each of the resulting H 2 O d superheated steam is forwarded to the next stage of the chain.
Diese Verteilung kann um die Sollwerte, je ein Drittel, etwas variieren und durch eine elektronische Steuerung für die jeweilige Leistungsanforderung an die Kombianlage optimiert werden.This distribution can be slightly varied by the nominal values, one third each, and can be optimized by an electronic control for the respective power requirement to the combined plant.
Mit der BM Version (3) wird der gesamte expandierte H2Od Dampf für die WNV Anlage am Ausgang der MD DT3', mit ca. p ~ 8 bar, entsprechend einer reziproken Dichte von 1/ρ = 0,25 m3/kg und T = 190°C, abgezweigt, und anstelle einer weiteren Niederdruck ND DT3'' Stufe, dem WNV BM Kreislauf zugeführt und von den hier als Beispiel eingesetzten fünf parallelen geschalteten DKM’s, der ersten Komponente der WNV, der DM0, angesaugt. Dieser hohe Anfangsdruck p ~ 8 bar ist nötig, um den hohen Massentransport von
Δmd/Δt = 64 kg/s H2Od durch die fünf DKM’s zu erreichen.With the BM version (3), the total expanded H 2 O d steam for the WNV plant at the output of MD DT3 ', with about p ~ 8 bar, corresponding to a reciprocal density of 1 / ρ = 0.25 m 3 / kg and T = 190 ° C, branched off, and instead of another low pressure ND DT3 '' stage, fed to the WNV BM circuit and sucked by the here used as an example five parallel switched DKM's, the first component of the WNV, the DM0. This high initial pressure p ~ 8 bar is necessary to ensure the high mass transport of
Δm d / Δt = 64 kg / s H 2 O d to be achieved by the five DKM's.
Die 1:1 Mischung von H2OHd + H2Od erfolgt am Eingang der DT3' ähnlich wie in einem Strahltriebwerk und in der ersten WNV Komponente DM0 durch getaktetes Einspritzen in die untere Kammer der ersten DKM Scheiben nach Schließen des Einlasses
Das Einspritzen in die DM0 kann über Hohlkegel- oder auch Ultraschalldüsen (in
Die Vorteile der Nutzung des Gemisches, H2OHd + H2Od, für die beiden Einheiten, die DT3' und die WNV, anstelle einer ND DT, wurde schon bei der
Der zweite Vorteil besteht in der Nutzungsmöglichkeit der WNV als Luft-/Abgasverdichter und als Booster.The second advantage is the possibility of using the WNV as an air / exhaust compressor and as a booster.
Die Berechnung der Leistung der GuD Anlage mit nachgeschalteter WNV Anlage für die hier verwendete BM Version (3) wird analog zu der für den Verbrennungsmotor VM2 durch geführt, und das entsprechende T-S Diagramm ist als Kreiszyklus für die WNV, DM0, DM1 und DM2, in
Es werden die folgenden Korrekturfaktoren verwendet:
ηn.ad = ηWÜ = 0,8, ηStr = 0,95 und ηKV = 0,85. Tab. 2: Werte für den Kreiszyklus einer WNV mit einer Dampfturbine DT und dem BM Gemisch (3), Hochdruckdampf H2OHd plus Heißdampf H2Od
η n.ad = η WÜ = 0.8, η Str = 0.95 and η KV = 0.85. Tab. 2: Values for the cycle cycle of a WNV with a steam turbine DT and the BM mixture (3), high-pressure steam H 2 O Hd plus superheated steam H 2 O d
Die entsprechenden Zahlenwerte für die BM
Die Leistung der GT + DT Anlage erfährt durch die WNV eine Steigerung auf
PGT+DT+WNV = 234 MW, also um 17%.The performance of the GT + DT system is being boosted by WNV
P GT + DT + WNV = 234 MW, ie by 17%.
Die mit einem * gekennzeichneten ΔHeff Werte resultieren wieder aus der Volumenarbeit gemäß Gl. 6 durch den Eintrag des H2OHd Hochdruck- in den H2Od Heißdampf siehe Tab. 1.The ΔH eff values marked with a * again result from the volume work according to Eq. 6 by the entry of the H 2 O Hd high pressure into the H 2 O d superheated steam see Tab. 1.
Für die implizite Erhöhung der Enthalpiewerte das Gemisch H2Od + H2OHd, siehe die dünnen Pfeile --> in den T-S Diagrammen in
Aus dem Quotienten von PDT+WNV und der zugeführten Wärmeenergie pro Zeiteinheit ΔQ/Δt ergibt sich ein gemeinsamer Wirkungsgrad für die DT3,3' + WNV Anlage von
ηDT+WNV = 0,51.From the quotient of P DT + WNV and the heat energy supplied per unit time ΔQ / Δt results in a common efficiency for the DT3,3 '+ WNV plant of
η DT + WNV = 0.51.
Das GuD Kraftwerk mit WNV und der zweistufigen DT3,3' erbringt somit eine Erhöhung des gemeinsamen Wirkungsgrades ηGuD+WNV auf
Dieser hohe Wert für ηWÜ = 0,85 ist gerechtfertigt, da der größte Teil des BM aus dem überkritischen H2OHd Hochdruckdampf
In
Als Ergebnis einer analog zu oben durchgeführten Rechnung ergibt einen Wirkungsgrad von
ηDT+WNV = 0,47
woraus sich für die Gesamtleistung der GT + DT + WNV ein Wirkungsgrad ergibt zu
ηGuD+WNV = 0,67.As a result of an analogous to the above calculation results in an efficiency of
η DT + WNV = 0.47
which results in an overall efficiency of the GT + DT + WNV
η GuD + WNV = 0.67.
Die als DKM vorgesehene WNV Kombianlage ist darüber hinaus nicht so empfindlich auf Tröpfchenbildung bei der Entspannung des H2Od wie die Dampfturbinen DT3,3'(3''), und deshalb kann die Entspannung des H2Od BM
Der weitere Vorteil der WNV Kombination besteht darin, dass sie in verbrauchsschwachen Zeiten durch Umschalten von drei Dreiwege-Ventilen
Mit der abgespeicherten, erhitzten Druckluft
Wie aus
Die DKM hat also auch hier wieder die drei oben beschriebenen Funktionen.The DKM also has the three functions described above.
In Spitzenlastzeiten kann die Boosterfunktion der WMV Anlage gekoppelt werden mit dem Aufladen der GT4 mit der abgespeicherten Druckluft
PGT+DT+WNVBoost/PGT+DT = (PGT/0,6 + PDT+WNV)/PGT+DT > 1,61,
vorausgesetzt, die GT4 ist konstruktiv für die höhere Leistungsabgabe ausgelegt, und die Kapazität des DLS
P GT + DT + WNVBoost / P GT + DT = (P GT / 0.6 + P DT + WNV ) / P GT + DT > 1.61
assuming the GT4 is designed for the higher power output, and the capacity of the
Die Druckluftspeicherung wird heute schon in Gebieten, in denen kein Wasserspeicher-Pumpwerk möglich ist, mit hohen Wirkungsgraden eingesetzt.The compressed air storage is already used today in areas where no water storage pumping station is possible with high efficiencies.
Die DKM hat wieder die Vorteile:
- – drei Ansaug-, Kompressions- und Ausstoßtakte pro Umdrehung, mit hier getrennter Nutzung der unteren und der oberen Zylinderkammer
22 ,22' , - – keine Ventile, und
- – im Vergleich mit Hubkolbenmaschine höhere Drehzahlen möglich, und damit ein inhärent hohes Leistungs-/Volumenverhältnis gegeben.
- - Three intake, compression and ejection cycles per revolution, with here separate use of the lower and
upper cylinder chamber 22 .22 ' . - - no valves, and
- - Compared with reciprocating engine higher speeds possible, and thus given an inherently high power / volume ratio.
Die Problematik der Dichtleisten sollte mit den Werkstoffen, SiC, Nikosil, Ferotic, Kohle-Antimon, Kohle-Aluminium oder hier wegen der Aggressivität der BM’s mit Gussdichtleisten gegen eine Chrom Beschichtung der Drehkolben-Oberflächen, gelöst werden können.The problem of the sealing strips should be solved with the materials, SiC, Nikosil, Ferotic, carbon-antimony, carbon-aluminum or here because of the aggressiveness of the BM's with cast sealing strips against a chrome coating of the rotary piston surfaces.
Als Resümee kann gezogen werden, dass
- – die WNV plus die verschiedenen Primärmaschinen (PM), mit den vorgesehenen BM Versionen allein durch die Nutzung der Abwärme der PM,
0,41 < ηPM+WNV > 0,59Wirkungsgrade von bis 0,69 erreicht werden, für die PM, den VM2 bzw. die GT4 + DT3 oder auch den Brenner BR9, ohne Einrechung der weiteren Nutzungsmöglichkeiten der WNV - – die Leistung eines
VM2 um Faktoren 1,59 bis zu 2.3 und die einer GuD 1,17Anlage um Faktoren bis zu 1,61 gesteigert werden können, wobei die ersten Werte unter Normaleinsatz und die zweiten unter Nutzung der WNV als Booster erreicht werden, teilweise ohne große bzw. mit konstruktiven Änderungen, die an den PM’s vorgenommen werden müssen. Eine Nachrüstung ist auch im Falle der GT + DT Anlagen denkbar.
- - the WNV plus the various primary machines (PM), with the envisaged BM versions achieved solely by the use of the waste heat of the PM, efficiencies of 0.41 <η PM + WNV > 0.59 to 0.69, for the PM, the VM2 or the GT4 + DT3 or the burner BR9, without counting the other uses of the WNV
- - the performance of a VM2 can be increased by factors of 1.59 to 2.3 and that of a CCGT by factors of 1.17 to 1.61, whereby the first values are achieved under normal use and the second as boosters using the WNV, sometimes without major or constructive changes that must be made to the PM's. Retrofitting is also conceivable in the case of GT + DT systems.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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