DE102010023174A1

DE102010023174A1 - Verfahren und Einrichtung zur Nutzung der Abwärmen von Verbrennungskraftmaschinen mittels eines Dampfkreislaufes

Info

Publication number: DE102010023174A1
Application number: DE102010023174A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Beckmann Georg Drtechn At
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2011-12-15

Abstract

Zur Nutzung der Abwärmen von Verbrennungskraftmaschinen werden mindestens zwei Abwärmen unterschiedlichen Temperaturniveaus (Abgaskühlung und Motorenkühlung; Abgaskühlung und Ladeluftkühlung; Abgaskühlung und Motorenkühlung sowie Ladeluftkühlung) als Wärmequellen zur Dampferzeugung auf unterschiedlichen Druckniveaus genutzt. Die für den Betrieb des Clausius-Rankine Prozess erforderlichen innovativen Verfahren und Einrichtungen sind Gegenstand der Erfindung.

Description

Erfindungsgegenstand
Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zur Nutzung der Abwärmen von Verbrennungskraftmaschinen zur zusätzlichen Erzeugung von mechanischer und/oder elektrischer Energie. Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Einrichtung erhöht die Gesamtleistung, vermindert den spezifischen Brennstoffverbrauch und die spezifischen Emissionen. Die breite Umsetzung eines derartigen Verfahrens bzw. einer derartige Einrichtung erfordert eine effiziente, einfache, kostengünstige und betrieblich flexible Technologie.
Stand der Technik
Zur Problemstellung, durch die Nutzung der Abwärmen von Verbrennungskraftmaschinen zusätzliche mechanische oder elektrische Energie zur erzeugen, hat es weder an Anwendungen noch an Vorschlägen gefehlt.
In der Kraftwerkstechnik wird z. B. die Abgaswärme einer Gasturbine in einem nachgeschalteten Dampfkreislauf mit einer Dampfturbine genutzt; diese heute bereits konventionelle Kombi- oder auch Gas- und Dampf-Turbinentechnologie, meist auf Basis Erdgas gefeuerter Gasturbinen, erreicht Wirkungsgrade von über 50% bis nahe 60% in Großkraftwerken. Die Herausforderung an dieser Technologie besteht u. a. darin, das verfügbare Abgas der Gasturbine möglichst vollständig zu nutzen, also möglichst tief abzukühlen, aber gleichzeitig einen Dampf mit hohem Druck (also hoher Verdampfungstemperatur) und einem hohen nutzbaren Gefälle an der Dampfturbine zu erzeugen. Gemäß dem praktizierten Stand der Technik wird dies dadurch erreicht, dass Dampfmengen mit bis zu drei Druckniveaus (Hochdruck, Mitteldruck und Niederdruck) erzeugt werden. Der dazugehörige Dampferzeuger weist für jedes Druckniveau drei Heizflächen, nämlich jeweils einen Speisewasservorwärmer, einen Verdampfer und einen Überhitzer, also insgesamt neun Heizflächenpakete auf. Es ist einzusehen, dass eine derartige Technologie nur bei Großkraftwerken, jedoch nicht bei Verbrennungskraftmaschinen und Blockheizkraftwerken lohnt.
Handelt es sich bei der Verbrennungskraftmaschine um einen Kolbenmotor (Hubkolben- oder Kreiskolbenmotor), so hat das Abgas einen geringeren Anteil an der Brennstoffwärme und zudem ein geringeres Temperaturniveau als bei einer Kraftwerks-Gasturbine. Trotz dieser Einschränkungen werden Dampfkreisläufe zur zusätzlichen Nutzung der Abgaswärme hinter Großmotoren vorgeschlagen und auch gebaut, allerdings mit einem Druckniveau von z. B. 7 bar, das entspricht einer Verdampfungstemperatur von 165°C, und bescheidenen Mehrleistungen, die sich um 8 bis 10% der Motorenleistung bewegen; damit steigt der Wirkungsgrad z. B. eines Dieselmotors ohne Abwärmenutzung von 40% auf immerhin 43,2 bis 44% mit einer Abwärmenutzung nach dem Stand der Technik.
Es hat nicht an Vorschlägen gefehlt, bei Verbrennungsmotoren nicht nur die Abgaswärme, sondern auch die Motorenkühlwärme zu nutzen. So zeigt die Offenlegungsschrift DE 2639187 A1 , Anmeldejahr 1976, ein Verfahren, bei dem mit der Motorenkühlwärme Dampf erzeugt wird, welcher in einem Abgaswärmetauscher überhitzt und sodann in einer Turbine expandiert (mit der Überhitzung des Dampfes kann aber nur ein Bruchteil der verfügbaren Abgaswärme genutzt werden). Die dazugehörige Patenschrift DE 2639187 C3 kennzeichnet die Anwendung von Methanol (welches einen höheren Dampfdruck als Wasser hat) als Kreislaufmedium. Da der Wirkungsgrad primär durch die Verdampfungstemperatur des Kreislaufmediums und nicht durch seinen Druck vorgegeben ist, ergibt das vorgeschlagene Methanol keine grundlegende Verbesserung des Wirkungsgrades und damit der Mehrleistung gegenüber Wasser/Dampf als Kreislaufmedium.
Weitere Vorschläge beziehen sich auf Kreislaufmedien, die eine Frostsicherheit aufweisen, was vor allem bei mobilen Installationen (PKWs, LKWs, Loks, Schiffe) nicht nur wünschenswert, sondern auch erforderlich ist. So wird in der Offenlegungsschrift DE 10 2006 052 906 A1 , Anmeldejahr 2006, vorgeschlagen, als Kreislaufmedium für den Dampfkreislauf ein Gemisch aus Wasser und Alkoholen, gegebenenfalls mit einem Schmiermittel versetzt, einzusetzen. Derartige Gemische entmischen sich bei der Aufheizung/Verdampfung und zersetzen sich in der Folge thermisch, was zu zerstörerischen Schäden führen kann; es fehlen in der genannten Schrift detaillierte Vorschläge, wie der Dampfkreislauf zu gestalten ist, um diese Phänomene zu verhindern.
Insgesamt sprechen die genannten Vorschläge bereits die wichtigsten Problemkreise bei der Nutzung der Abwärmen von Verbrennungskraftmaschinen zur zusätzlichen Erzeugung von mechanischer oder elektrischer Energie an, welche aber erst durch die nachfolgend beschriebene Erfindung beseitigt werden.
Erfindungsbeschreibung
Die 1 bis 6 verdeutlichen den Erfindungsgedanken und die Ausführungsformen:
1 zeigt das Verfahrensfließbild des Dampfkreislaufes in der Basisvariante.
2 zeigt eine Variante zu 1, welche den Wirkungsgrad weiter erhöhen kann.
3 zeigt eine Ausführungsform der Expansionsmaschine.
4 zeigt eine weitere Variante zu 1, welche den Wirkungsgrad weiter erhöhen kann.
5 zeigt schlussendlich eine weitere Variante zu 1, welche eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades verspricht.
6 zeigt eine Ausführungsform des Dampfumformers.
1 zeigt Verfahrensfließbild für die Nutzung der Abwärmen der Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine kann dabei ein Kolbenmotor (Hubkolben- oder Kreiskolbenmotor), arbeitend nach dem Ottoprozess (Benzin- oder Gasmotor) oder nach dem Dieselprozess oder eine (gas- oder ölgefeuerte) Gasturbine sein. Die in der Figur nicht dargestellte Verbrennungskraftmaschine liefert einen heißen Abgasstrom, einen heißen Kühlmittelstrom und eine heiße Ladeluft als Wärmequellen, wobei der im Dampfkreislauf abgekühlte Abgasstrom über einen Auspuff an die Umgebung abgegeben wird, während der abgekühlte Kühlmittelstrom und die abgekühlte Ladeluft zur Verbrennungskraftmaschine zurückfließen. Bei einigen Ausführungsformen der Verbrennungskraftmaschinen und auch bei verschiedenen Last- und Betriebspunkten sind nicht immer alle drei erwähnten Wärmequellen verfügbar: so entfällt z. B. die Ladeluft als Wärmequelle, wenn der Motor keinen Lader oder die Gasturbine keine Zwischenkühlung hat; die Wärme aus dem Kühlmittelstrom einer Gasturbine (Ölkühler) ist gering und meist nicht wert, genutzt zu werden und der Kühlmittelstrom eines Kolbenmotors kann auch schon zu anderen Zwecken (Fahrzeugheizung, Nahwärmenetz) vergeben sein.
Die Beschreibung des Dampfkreislaufes beginnt mit dem kalten Kondensatstrom des Kreislaufmediums im Kondensator (1). Das kalte Kondensat gelangt – gegebenenfalls über einen Kondensatunterkühler (2) – und über die Kondensatpumpe (3) in den Ladeluftkühler (4) und wird dort aufgeheizt, wobei eine Vorwärmung des Kondensats, mit oder ohne Vorverdampfung, auftritt; dieser Strom wird dem Mitteldruck-Abscheidegefäß (5) zugeführt, indem die Flüssigkeit vom Dampf getrennt wird. Eine erste Teilmenge der abgeschieden Flüssigkeit gelangt über eine Umwälzpumpe (6) in einem Motorenwärmerückkühler (Verdampfer) (7), der seinerseits vom Kühlmittelstrom beheizt bzw. gespeist wird; im Fall, dass das Kühlmittel des Motors identisch ist mit dem Kreislaufmedium des Dampfkreislaufes, kann die in der Zeichnung strichliert eingezeichnete Heizfläche entfallen, sodass der Verdampfer ein einfaches Gefäß ist, welches baulich auch mit dem Mitteldruck-Abscheidegefäß (5) vereinigt werden kann. Das erzeugte Flüssigkeits-Dampf-Gemisch wird dem Mitteldruck-Abscheidegefäß (5) zugeführt. Dort erfolgt wieder eine Abtrennung der Flüssigkeit vom Dampf. Eine zweite Teilmenge der abgeschieden Flüssigkeit kann optional über ein Druckminderventil (8) dem Kondensator (1) zugeführt werden; dadurch wird einerseits der Kondensatdurchfluss am Ladeluftkühler erhöht, sodass die Abkühlung der Ladeluft sichergestellt wird, und andererseits erfolgt eine Mischung mit dem Abdampf der Turbine (9), was bei der Verwendung von Gemischen als Kreislaufmedium vorteilhaft ist, ja sogar notwendig ist, um z. B. die Frostsicherheit herzustellen.
Die Hauptmenge der abgeschieden Flüssigkeit (das ist die dritte, verbleibende Menge) gelangt über die Speisepumpe (10) in eine Hochdruck-Heizfläche (11) des vom Abgas beheizten Abgaswärmetauschers (12); in dieser Hochdruck-Heizfläche wird das Kreislaufmedium weiter vorgewärmt und teilweise, aber nicht zu Ende, verdampft; typische Auslegungswerte für den Dampfendgehalt aus dieser Heizfläche liegen unter 80% Dampfgehalt, das heißt dass der Nassdampf über 20% Flüssigkeit aufweist. Mit einer derartigen Maßnahme steigert man den Durchsatz des Kreislaufmediums und nur durch dadurch gelingt es, das Abgas tief abzukühlen, auch wenn der Verdampfungsdruck des Kreislaufmediums (und damit die Verdampfungstemperatur) hoch angesetzt wurde, um eine effiziente Umsetzung zu ermöglichen. Typische Dampfdrücke – auf Wasser bezogen – liegen nicht mehr im Bereich um 7 bar, sondern von 10 bis 30 bar. Der Nassdampf wird dem Hochdruck-Abscheidegefäß (13) zugeführt. Dort erfolgt die Abtrennung der Flüssigkeit vom Hochdruck-Dampf. Die Hochdruck-Flüssigkeit gelang über eine Leitung (14) und ein Hochdruck-Druckminderventil (15) in das Mitteldruck-Abscheidegefäß (5), wobei durch die Druckminderung ein Masseanteil davon verdampft (Entspannungsdampferzeugung). Der entfeuchtete Hochdruckdampf kann optional in einem Überhitzer (16) innerhalb des Abgaswärmetauschers (12) überhitzt werden oder auch ohne Überhitzung über eine Frischdampfleitung (17) der Hochdruck-Teil der Dampfturbine (9) bzw. einer alternativen Expansionsmaschine zur Erzeugung von mechanischer Energie zugeführt werden. Der Mitteldruck-Dampf aus dem Mitteldruck-Abscheidegefäß (5), der dreierlei Herkünfte aufweist: Vorverdampfung aus dem Ladeluftkühler (4), Verdampfung aus der Motorkühlung (7), Entspannungsdampf aus dem heißen Kondensat der Leitung (14), wird über die Mitteldruck-Dampfleitung (18) dem Mitteldruck-Teil der Dampfturbine (9), ebenfalls zur Erzeugung von mechanischer Energie zugefüührt. Der Abdampf aus der Dampfturbine bzw. Expansionsmaschine (9) wird in einem Kondensator (1) niedergeschlagen; dieser kann – bei mobilen Installationen – luftgekühlt sein, wobei ein Ventilator für den Zustrom der Umgebungsluft sorgen kann; in bestimmten Fällen – etwa bei Schiffen oder bei stationären Anlagen – ist auch eine Wasserkühlung denkbar.
Die Hochdruck- und Mitteldruck-Teile der Expansionsmaschine können getrennte Aggregate sein, oder getrennte Räder aufweisen und auf einer gemeinsamen Welle sitzen, gegebenenfalls einen gemeinsamen Abdampfstutzen haben, wie in der 1 dargestellt, oder, wie in der 3 dargestellt, in erfinderischer Weise nur ein einziges Turbinenrad haben. Die erzeugte mechanische Energie kann – gegebenenfalls über ein geeignetes Getriebe – auf die Welle der Verbrennungskraftmaschine übertragen oder sonst wie genutzt oder über einen elektrischen Generator (32) – wie dargestellt – in elektrischen Strom umgewandelt werden.
Die erzielbaren Mehrleistungen – basierend z. B. auf einem turboaufgeladenen Dieselmotor mit ca. 460°C Abgastemperatur – beträgt bei Volllast dieses Motors:

• 11% aus der Nutzung Abgaskühlung, weitere
• 3,5% aus der Motorenkühlung und
• 2,5% aus der Ladeluftkühlung, also in
• Summe: 18% der Motorenleistung;

Die weiteren 2 bis 5 zeigen Varianten zu der in 1 gezeigten Basisvariante, mit denen noch weitere Verbesserungen der Wirkungsgrade erzielt werden können.
2 zeigt eine Variante; gegenüber der 1 wird hier die Hochdruck-Flüssigkeit (19) über einen Mitteldruck-Überhitzer (20) geführt und gelang erst dann über eine Leitung und ein Hochdruck-Druckminderventil (21) in das Mitteldruck-Abscheidegefäß (5), wobei durch die Druckminderung ein Masseanteil davon verdampft (Entspannungsdampferzeugung). Der Mitteldruck-Dampf, der über die Mitteldruck-Dampfleitung (22) zur Mitteldruck-Expansionsmaschine (23) fließt, weist also eine Überhitzung auf, was für den Wirkungsgrad des Dampfkreislaufes und der Turbine vom Vorteil ist.
3 zeigt eine weitere, zusätzliche Variante. Gegenüber der 1 haben die Hochdruck- und Mitteldruck-Teile der Dampfturbine nicht getrennte Räder, sondern in erfinderischer Weise nur ein einziges Turbinenrad (24), welches Gleichdruckschaufeln (d. h. die Drücke vor und hinter den Turbinenschaufeln sind gleich) aufweist. Getrennt sind hingegen die Hochdruck-(25) und Mitteldruck-(26)Düsenkästen, die das gemeinsame Turbinenrad beaufschlagen. Die Düsenaustrittsgeschwindigkeiten aus dem Hochdruck- und dem Mitteldruck-Düsenkasten sind zwar unterschiedlich, jedoch ist der daraus resultierende Verlust an den Turbinenschaufeln meist so gering, dass er durch den verminderten Reibungsverlust am zweifach genutzten Turbinenrad meist überkompensiert wird.
4 zeigt eine weitere, zusätzliche Variante, welche sich das Prinzip der mehrfach beaufschlagten Einradturbine – wie in der 3 erläutert – zunutze macht. Die zweite Teilmenge der im Mitteldruck-Abscheidegefäß (5) abgeschieden Flüssigkeit wird nicht – wie in 1 dargestellt – direkt über ein Druckminderventil (8) dem Kondensator (1) zugeführt, sondern es wird nach dem Druckminderventil (8) ein Niederdruck-Abscheidegefäß (29) zwischengeschaltet, um einen zusätzlichen Niederdruck-Dampf für die nutzbringende Expansion in der Einradturbine zu gewinnen; die im Niederdruck-Abscheidegefäß abgeschiedene Flüssigkeit fließt über ein Niederdruck-Druckminderventil (28) dem Kondensator (1) zu. Die Expansionsmaschine (30) mit nur einem einzigen gemeinsamen Turbinenrad hat nun einen Hochdruck-(25), einen Mitteldruck-(26) und einen Niederdruck-(27)Düsenkasten. Mit diesem geringen Mehraufwand gegenüber der Ausführung gemäß der 3 erreicht man die thermodynamischen Vorzüge eines Dreidruckprozesses, für die in der konventionellen Kraftwerkstechnik ein Abhitzekessel mit neun Heizflächenpaketen und eine Turbine mit drei Expansionszylindern erforderlich wären.
5 zeigt schließlich eine weitere, zusätzliche Variante zur Verbesserung der Effizienz. Ein oder mehrere Druckminderventile der vorhergehenden Varianten werden hier durch Strahlpumpen (Ejektoren) (31) ersetzt, wobei der Strom, der im Druck reduziert werden soll, als Treibstrahl verwendet wird, um einen Saugstrom (33) mit einem niedrigeren Druckniveau anzusaugen und mitzureißen, was mit einer Minderung der Drosselverluste und daher mit einer weiteren Wirkungsgradverbesserung verbunden ist. Im vorliegenden Fall wird der Abdampf der Expansionsmaschine (30) aus dem Kondensator (1) entnommen, über ein Rückschlagventil (34) geführt und als Saugstrom (33) der Strahlpumpe (31) verwendet.
6 zeigt eine Ausführungsform des Dampfumformers im Schnitt. Der Dampfumformer umfasst die Komponenten der Abscheidegefäße, der Ventile bzw. der Strahlpumpen und der verbindenden Leitungen untereinander (siehe 1, 4 und 5). Komponenten und Teilanlagen von Verbrennungskraftmaschinen unterliegen besondere Anforderungen bezüglich des Platzbedarf, des Gewichtes, der Vibrationen, der Wärmeausdehnung, der Laständerungen, der Herstellkosten, der Fertigungsgerechtigkeit, etc.. In der gezeigten Figur sind Komponenten der Abscheidegefäße, der Leitungen und Druckminderventile in einem einzigen Baukörper (35) des Dampfumformers vereinigt. Der Hochdruck-Nassdampf gelangt über die Hochdruck-Nassdampfleitung (36) – es können auch weitere Hochdruck-Nassdampfleitungen (36a) eingebunden werden, wenn z. B. mehrere Verbrennungskraftmaschinen eines Blockheizkraftwerkes eine gemeinsame Einrichtung zur Abwärmenutzung haben – in das Hochdruck-Abscheidegefäß (13); der entwässerte Dampf verlässt über die Frischdampfleitung (17) den Baukörper, während die abgeschiedene Flüssigkeit über die im Baukörper befindliche Leitung (14) und das im Baukörper befindliche Hochruck-Druckminderventil (15) – vorzugsweise mit einem Eintrittsdrall, wie bei einem Zyklonabscheider – in das Mitteldruck-Abscheidegefäß (5) gelangt.
Das Mitteldruck-Abscheidegefäß (5) weist zusätzlich die Eingänge: Mitteldruck-Nassdampfleitung (37) vom Motorenwärmerückkühler und Mitteldruck-Nassdampfleitung (38) vom Ladeluftkühler auf. Der entwässerte Dampf verlässt den Baukörper – gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Druckhalteeinrichtung (Überströmventil) (39) – über die Mitteldruck-Dampfleitung (18) den Baukörper. Die abgeschiedene Flüssigkeit verlässt den Baukörper über die Ausgänge: die Mitteldruck-Flüssigkeitsleitung (40) zur Umwälzpumpe, die Mitteldruck-Flüssigkeitsleitung (41) zur Speisepumpe sowie über das im Baukörper befindliche Druckminderventil (8) und die Mitteldruck-Flüssigkeitsleitung (42) zum Kondensator. Bei den Ventilen (8, 15, 39) werden die Ventilgehäuse (8', 15', 39') im Baukörper vereinigt, die Ventilkegel (8'', 15'', 39'') samt ihren Stellantriebe (8''', 15''', 39''') eingeschraubt oder angeflanscht.
In der Frischdampfleitung (17) und der Mitteldruck-Dampfleitung (18) können weiters auch Ventile zur Regelung und zur Kontrolle der Turbine untergebracht werden (nicht eingezeichnet). Das gezeichnete Beispiel mit nur einem Überströmventil (39) in der Mitteldruck-Dampfleitung (18) zeigt eine vorteilhafte Variante, bei der der Dampfumformer auf der Mitteldruckebenen im Festdruckbetrieb gefahren wird, während sich der Dampfdruck auf der Hochdruckebene je nach dem Lastzustand in der Gleitdruckfahrweise selbst einfindet.
Der Baukörper (35) des Dampfumformers ist vorzugsweise senkrecht angeordnet und von einer Wärmedämmung (43) umgeben. Vorteilhafterweise sind sämtliche Eingänge (36, 37, 38) und Ausgänge (17, 18, 40, 41, 42) auf einer Seite angeordnet und der Anschluss an die betreffenden Rohrleitungen erfolgt in der Art von Blockflanschen. Dabei ist diese Seite glatt bearbeitet, z. B. gefräst, die Leitungen enden mit Flanschen und der Baukörper weist Gewindesacklöcher für die Schrauben der Flansche oder für Stiftschrauben auf (nicht dargestellt). Diese Anordnung bietet bezüglich der Wärmedehnung und der Leitungsführung klare Vorteile.
Bezugszeichenliste

1: Kondensator
2: Kondensatunterkühler
3: Kondensatpumpe
4: Ladeluftkühler
5: Mitteldruck-Abscheidegefäß
6: Umwälzpumpe
7: Motorenwärmerückkühler (Verdampfer)
8: Druckminderventil
9: Dampfturbine oder Expansionsmaschine
10: Speisepumpe
11: Hochdruck-Heizfläche
12: Abgaswärmetauscher
13: Hochdruck-Abscheidegefäß
14: Leitung
15: Hochdruck-Druckminderventil
16: Überhitzer
17: Frischdampfleitung
18: Mitteldruck-Dampfleitung
19: Hochdruck-Flüssigkeitsleitung
20: Mitteldruck-Überhitzer
21: Hochdruck-Druckminderventil
22: Mitteldruck-Dampfleitung
23: Mitteldruck-Expansionsmaschine
24: Turbinenrad
25: Hochdruck-Düsenkästen
26: Mitteldruck-Düsenkästen
27: Niederdruck-Düsenkästen
28: Niederdruck-Druckminderventil
29: Niederdruck-Abscheidegefäß
30: Expansionsmaschine mit drei Düsenkästen
31: Strahlpumpe (Ejektor)
32: Generator
33: Saugstrom
34: Rückschlagventil
35: Dampfumformer in einer Baueinheit
36: Hochdruck-Nassdampfleitung
37: Mitteldruck-Nassdampfleitung vom Motorenwärmerückkühler
38: Mitteldruck-Nassdampfleitung vom Ladeluftkühler
39: Druckhalteeinrichtung (Überströmventil)
40: Mitteldruck-Flüssigkeitsleitung zur Umwälzpumpe
41: Mitteldruck-Flüssigkeitsleitung zur Speisepumpe
42: Mitteldruck-Flüssigkeitsleitung zum Kondensator
43: Wärmedämmung

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

DE 2639187 A1 [0005]
DE 2639187 C3 [0005]
DE 102006052906 A1 [0006]

Claims

Verfahren und Einrichtung zur Nutzung der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine zur Erzeugung von mechanischer und/oder elektrischer Energie unter Verwendung eines Dampfkreislaufes, in welchem ein Kreislaufmedium unter Zufürung einer Wärme verdampft, der Dampf in einer Expansionsmaschine zu mechanischer bzw. weiter über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt, der Abdampf aus der Expansionsmaschine in einem Kondensator unter Abgabe von Wärme kondensiert und nach einer Druckerhöhung wieder der Verdampfung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaswärme in der Hochdruck-Heizfläche des Abgaswärmetauschers ein Kreislaufmedium vorwärmt und teilweise verdampft und dem Nassdampf in einem Hochdruck-Abscheidegefäß die Flüssigphase abgeschieden wird, der verbleibende Hochdruck-Sattdampf direkt oder über einen Überhitzer einer Expansionsmaschine zufließt, während die Flüssigphase nach einer Druckreduziereinrichtung einem Niederdruck-Abscheidegefäß zufließt, und dass mindestens eine weitere Abwärme der Verbrennungskraftmaschine, nämlich die aus der Motorenkühlung und/oder die aus der Ladeluftkühlung, in jeweils getrennten Wärmetauschern ein Kreislaufmedium vorwärmen und gegebenenfalls teilweise verdampfen und dieses Kreislaufmedium dem gleichen Niederdruck-Abscheidegefäß zufließt, in welchem der Mitteldruck-Sattdampf abgetrennt und direkt oder über einen Überhitzer ebenfalls der Expansionsmaschine zufließt.
Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufmedium Wasser ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufmedium ein Gemisch aus Stoffen mit jeweils unterschiedlichen Gefrier- und/oder jeweils unterschiedlichen Siedtemperaturen, vorzugsweise ein Gemisch aus Wasser mit einem Anteil bis zu 50% Glykol, ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufmedium des Dampfkreislaufes mit dem
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschiedene Flüssigphase aus dem druckmäßig niedrigsten Abscheidegefäß dem Kondensator über eine Druckreduziereinrichtung zufließt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmung und Teilverdampfung des Kreislaufmediums in der Hochdruck-Heizfläche des Abgaswärmetauschers und/oder im Motorenwärmerückkühler und/oder im Ladeluftkühler in jeweils einer einzigen Heizfläche, vorzugsweise mit einem Enddampfgehalt von 20 bis 80%, erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckreduziereinrichtung aus einem Dampfüberhitzer für den druckmäßig niedrigeren Dampf sowie einem Druckreduzierventil besteht.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckreduziereinrichtung aus einem Druckreduzierventil, einem Abscheidegefäß sowie einem weiteren Druckreduzierventil besteht.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckreduziereinrichtung eine Strahlpumpe enthält, welche saugseitig einen Dampfstrom mit einem niedrigeren Druck als druckseitig ansaugt.
Verfahren zur Regelung der Anlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung an unterschiedliche Lastzustände der Verbrennungskraftmaschine der Druck des Mitteldruck-Dampfes im Mitteldruck-Abscheidegefäß mit einer Druckhalteeinrichtung konstant gehalten wird.
Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kreislaufmediumsseitige Austritt der Hochdruck-Heizfläche (11) des Abgaswärmetauschers (12) in das Hochdruck-Abscheidegefäß (13) mündet und der flüssigkeitsseitige Austritt des Hochdruck-Abscheidegefäßes über ein Hochdruck-Druckminderventil (15) sowie die kreislaufmediumsseitigen Austritte des Ladeluftkühlers (4) und/oder des Motorenwärmerückkühlers (7) mit dem Mitteldruck-Abscheidegefäß (5) verbunden sind, und der flüssigkeitsseitige Austritt des Mitteldruck-Abscheidegefäßes über eine Speisepumpe (10) mit der Hochdruck-Heizfläche (11) sowie über eine Druckreduziereinrichtung (8) mit dem Kondensator in Verbindung steht, und schließlich die dampfseitigen Austritte der Hochdruck- und Mitteldruck-Abscheidegefäße einer Expansionsmaschine (9) eingespeist werden, die ihrerseits abdampfseitig mit dem Kondensator verbunden ist.
Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidegfäße (13, 5), Ventile (15, 8, 39) und/oder Strahlpumpen (31) und die Leitung (14) sowie verbindende Leitungen in einem Dampfumformer in einer Baueinheit (35) ausgeführt sind.
Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine als Dampfturbine ausgebildet ist, der die Dampfströme mit den verschiedenen Druckniveaus über jeweils eigene Düsenkästen (25, 26 und gegebenenfalls 27) einem einzigen Turbinenrad (24) mit Gleichdruckschaufeln eingespeist wird.