DE102010048887A1 - Waste heat recovery device for use of waste heat of motor vehicle, has Clausius-Rankine cycle and operating fluid line, in which condenser, compressor, evaporator and expansion unit are arranged - Google Patents

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Abstract

The waste heat recovery device (1) has a Clausius-Rankine cycle (2) and an operating fluid line (4), in which a condenser (5), a compressor (6), an evaporator (7) and an expansion unit (8) are arranged. The operating fluid is passed through the fluid line, the condenser, the compressor, the evaporator and the expansion unit. A thermoelectric generator (3) is connected with the Clausius-Rankine cycle through a cooling fluid line. An independent claim is also included for a method for operating waste heat recovery device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Kraftfahrzeugs und ein zugehöriges Betriebsverfahren.The invention relates to a waste heat utilization device for the use of waste heat of a motor vehicle and an associated operating method.

Aus der DE 10 2008 036 044 A1 ist der Einsatz eines thermoelektrischen Generators (TEG) in Verbindung mit einem Wärmetauscher bekannt. Dabei kann der Wärmetauscher zum Beispiel der Kondensator einer Klimaanlage sein. Der thermoelektrische Generator ist dabei mit seinem Hochtemperaturbereich zu einer Wärmequelle hin orientiert und mit seinem Tieftemperaturbereich hin zu einer Wärmesenke. Im Falle des Kondensators einer Klimaanlage kann somit der thermoelektrische Generator mit seinem Hochtemperaturbereich zum Kondensator hin orientiert sein, während er mit seinem Tieftemperaturbereich zur Umgebungsluft hin orientiert ist.From the DE 10 2008 036 044 A1 is the use of a thermoelectric generator (TEG) in conjunction with a heat exchanger known. In this case, the heat exchanger may be, for example, the condenser of an air conditioner. The thermoelectric generator is oriented with its high temperature range to a heat source and with its low temperature range towards a heat sink. In the case of the condenser of an air conditioning system, the thermoelectric generator can thus be oriented with its high-temperature region toward the condenser, while it is oriented toward the ambient air with its low-temperature range.

In der DE 10 2009 058 104 ist die Verwendung eines thermoelektrischen Generators in Verbindung mit einem Kühler beschrieben. Der thermoelektrische Generator ist dabei aus mehreren TEG-Elementen aufgebaut, die elektrisch parallel und/oder seriell zueinander geschaltet sind. Der Kühler weist in mehrere von einem Kühlmittel durchströmte Kühlerleitungen auf und Kühlstrukturen, mittels derer die Wärme an die Umgebung abgeführt werden kann. Der thermoelektrische Generator ist dabei mit seinen TEG-Elementen derart in dem Kühler angeordnet, dass die TEG-Elemente mit ihrem Hochtemperaturbereich an die Kühlerleitungen angebunden sind, während sie mit ihrem Tieftemperaturbereich an die Kühlstrukturen angebunden sind. Da die Wärme aus den Kühlerleitungen über die TEG-Elemente und die Kühlstrukturen an die Umgebung abgegeben wird, kann mittels der TEG-Elemente aufgrund dieses Wärmüberganges elektrische Energie gewonnen werden.In the DE 10 2009 058 104 the use of a thermoelectric generator is described in connection with a cooler. The thermoelectric generator is constructed of several TEG elements which are electrically connected in parallel and / or in series with each other. The cooler has a plurality of cooler lines through which a coolant flows and cooling structures, by means of which the heat can be dissipated to the environment. The thermoelectric generator is arranged with its TEG elements in the cooler such that the TEG elements are connected with their high temperature range to the radiator pipes, while they are connected with their low temperature range of the cooling structures. Since the heat from the radiator pipes is released to the environment via the TEG elements and the cooling structures, electrical energy can be obtained by means of the TEG elements due to this heat transfer.

Die DE 602 21 597 T2 beschreibt einen thermoelektrischen Generator, der zwischen Niedertemperaturleitungen und Hochtemperaturleitungen angeordnet ist. Die Anordnung ist als Alkalimetall thermoelektrischer Konverter ausgebildet, der ein Parallel-Kondensator-System aufweist. Sie ist für den Einsatz in hybriden Brennkraftmaschinen-Systemen mit mehreren Direkt-Energie-Umwandlungseinrichtungen einsetzbar.The DE 602 21 597 T2 describes a thermoelectric generator which is arranged between low-temperature lines and high-temperature lines. The arrangement is formed as an alkali metal thermoelectric converter having a parallel-capacitor system. It is suitable for use in hybrid internal combustion engine systems with multiple direct energy conversion devices.

Aus der JP 60 119 305 A ist der Einsatz eines thermoelektrischen Generators in Verbindung mit einem Organic-Rankine-Cycle (OCR) bekannt. Dabei ist der thermoelektrische Generator derartig angeordnet, dass sein Hochtemperaturbereich im thermischen Kontakt mit einem Abgasstrom nach Verlassen des Verdampfers des Organic-Rankine-Cycle besteht, während der Tieftemperaturbereich im thermischen Kontakt mit einem Kühlfluidstrom nach dem Verlassen des Kondensators des Organic-Rankine-Cycle steht. Mit einer derartigen Anordnung des thermoelektrischen Generators kann die Restabwärme des Abgasstromes nach dem Organic-Rankine-Cycle ausgenutzt werden, wobei zumindest ein Teil der Restabwärme des Abgasstromes auf den Kühlfluidstrom übertragen wird, mit dem zumindest der Kondensator des Organic-Rankine-Cycle gekühlt wird.From the JP 60 119 305 A is the use of a thermoelectric generator in conjunction with an Organic Rankine cycle (OCR) known. In this case, the thermoelectric generator is arranged such that its high-temperature region is in thermal contact with an exhaust gas stream after leaving the evaporator of the Organic Rankine cycle, while the low-temperature region is in thermal contact with a cooling fluid stream after leaving the condenser of the Organic Rankine cycle , With such an arrangement of the thermoelectric generator, the residual waste heat of the exhaust stream can be exploited after the Organic Rankine cycle, wherein at least a portion of the residual heat of the exhaust stream is transferred to the cooling fluid flow, with which at least the condenser of the Organic Rankine cycle is cooled.

Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen, aber auch Wärmeerzeugungsanlagen wird die in Kraftstoff gebundene Energie während des Verbrennungsvorganges nicht vollständig in mechanisch oder thermisch nutzbare Energie umgewandelt. Insbesondere bei Verbrennungsmotoren oder auch Brennstoffzellen, eingesetzt in Kraftfahrzeugen, wird ein Großteil der eingesetzten chemischen Energie ungenutzt als Abwärme in die Umgebung über das Abgas abgeleitet. Durch Einsatz z. B. eines Clausius-Rankine-Kreislaufes (CRK) oder eines thermoelektrischen Generators kann ein Großteil der thermischen Energie des Abgasstromes in nutzbare Energie umgewandelt werden. Dadurch ist eine Steigerung der Effizienz möglich, wodurch sich eine Verringerung des Kraftstoffverbrauches einstellen kann.In conventional internal combustion engines, fuel cells, but also heat generation systems, the energy bound in fuel during the combustion process is not completely converted into mechanically or thermally usable energy. In particular, in internal combustion engines or fuel cells, used in motor vehicles, a large part of the chemical energy used is discharged unused as waste heat into the environment via the exhaust gas. By using z. As a Rankine cycle (CRK) or a thermoelectric generator, a large part of the thermal energy of the exhaust stream can be converted into usable energy. As a result, an increase in efficiency is possible, which can set a reduction in fuel consumption.

Ferner produzieren der Clausius-Rankine-Kreislauf ebenso wie der thermoelektrische Generator nicht nutzbare Abwärme, da der Kondensator des Clausius-Rankine-Kreislaufes, in dem das Arbeitsfluid kondensiert wird, bzw. der Tieftemperaturbereich des thermischen Generators gekühlt werden müssen.Furthermore, the Clausius-Rankine cycle as well as the thermoelectric generator produce waste heat that can not be used, since the condenser of the Rankine cycle in which the working fluid is condensed or the low-temperature region of the thermal generator must be cooled.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Abwärmenutzungsvorrichtung und ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine Nutzung der bei dem Clausius-Rankine-Kreislauf anfallenden Abwärme auszeichnet.The present invention is concerned with the problem of providing for a waste heat utilization device and an associated operating method an improved or at least one alternative embodiment, which is characterized in particular by use of the waste heat arising in the Rankine cycle.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der abhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, this problem is solved by the subject matters of the dependent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Abwärmenutzungsvorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Kraftfahrzeuges, mit einem Clausius-Rankine-Kreislauf (CRK), umfassend eine Arbeitsfluidleitung, in der ein Kondensator, ein Verdichter, ein Verdampfer und eine Expansionseinrichtung angeordnet sind, und ein die Arbeitsfluidleitung, den Kondensator, den Verdichter, den Verdampfer und die Expansionseinrichtung durchströmendes Arbeitsfluid, und mit einem thermoelektrischen Generator (TEG), umfassend zumindest ein TEG-Element, den thermoelektrischen Generator über eine Kühlfluidleitung wärmeleitend mit dem Clausius-Rankine-Kreislauf so zu verbinden, dass der thermoelektrische Generator zu dem Clausius-Rankine-Kreislauf hinsichtlich der Wärmenutzung derart in Reihe geschaltet ist, dass eine Abwärme des Clausius-Rankine-Kreislaufes zumindest teilweise durch den thermoelektrischen Generator in elektrisch nutzbare Energie gewandelt werden kann. Die Abwärmenutzungsvorrichtung ist zur Nutzung von Abwärme eines Abgasstromes, insbesondere als Antriebsenergie eines Kraftfahrzeuges geeignet. Die mittels Abwärmenutzungsvorrichtung rückgeführte Energie kann zum Antrieb des Fahrzeuges, zum Antrieb von Nebenaggregaten genutzt werden und/oder als Strom gespeichert werden.The invention is based on the general idea, in a waste heat utilization device for utilizing waste heat of a motor vehicle, with a Rankine cycle CRK, comprising a working fluid line in which a condenser, a compressor, an evaporator and an expansion device are arranged, and a working fluid passing through the working fluid line, the condenser, the compressor, the evaporator and the expansion device, and comprising a thermoelectric generator (TEG) at least one TEG element to thermally connect the thermoelectric generator via a cooling fluid line with the Rankine cycle Claus so that the thermoelectric generator is connected to the Rankine cycle in terms of heat utilization in series such that a waste heat of the Clausius Rankine cycle can be at least partially converted by the thermoelectric generator into electrically usable energy. The waste heat utilization device is suitable for utilizing waste heat of an exhaust gas flow, in particular as drive energy of a motor vehicle. The recirculated by waste heat recovery device energy can be used to drive the vehicle, to drive ancillaries and / or stored as electricity.

Durch Nutzung eines Clausius-Rankine-Kreislaufes und eines thermoelektrischen Generators in Form einer Reihenwärmeschaltung kann vorteilhaft auch die Abwärme des Clausius-Rankine-Kreislaufes zumindest teilweise in elektrisch nutzbare Energie gewandelt werden. Dabei weist der Clausius-Rankine-Kreislauf eine hohe Unempfindlichkeit und Robustheit gegenüber starken Temperaturschwankungen im Bereich des Verdampfers sowie im Bereich des Kondensators auf. Zudem weist der Clausius-Rankine-Kreislauf bei großen Temperaturdifferenzen einen deutlich höheren Wirkungsgrad auf, benötigt in diesem Fall aber auch einen größeren Bauraum und weist ein höheres Gewicht auf. Thermoelektrische Generatoren hingegen haben, abhängig von den eingesetzten Materialien, eine maximale Arbeitstemperatur und weisen nur in einem eingeschränkten Temperaturniveau einen guten Wirkungsgrad auf. Weiterhin sind sie bestechend einfach und kompakt aufgebaut und ohne großen Aufwand in die verschiedensten Systeme integrierbar.By using a Clausius-Rankine cycle and a thermoelectric generator in the form of a series heat circuit can advantageously be converted at least partially into electrically usable energy, the waste heat of the Clausius-Rankine cycle. The Clausius-Rankine cycle has a high insensitivity and robustness to strong temperature fluctuations in the area of the evaporator and in the region of the condenser. In addition, the Clausius-Rankine cycle at high temperature differences on a much higher efficiency, but in this case also requires a larger space and has a higher weight. By contrast, thermoelectric generators have a maximum operating temperature, depending on the materials used, and have good efficiency only in a limited temperature level. Furthermore, they are captivatingly simple and compact and can be integrated into a wide range of systems without much effort.

Somit können durch Kombination des Clausius-Rankine-Kreislaufes mit einem thermoelektrischen Generator die Vorteile beider Systeme miteinander kombiniert werden, wobei bei geschickter Integration der beiden Systeme zueinander zumindest teilweise auch die jeweiligen Nachteile des jeweiligen Systems kompensiert werden können.Thus, by combining the Clausius-Rankine cycle with a thermoelectric generator, the advantages of both systems can be combined with each other, with skillful integration of the two systems to each other at least partially the respective disadvantages of each system can be compensated.

Die Wirkungsweise des Clausius-Rankine-Kreislaufes beruht auf einem thermodynamischen Kreisprozess, wie zum Beispiel dem Carnot-Kreisprozess, wobei der Clausius-Rankine-Kreislauf einen geringeren Wirkungsgrad als der Carnot-Kreisprozess aufweist. Demzufolge kann mittels des Clausius-Rankine-Kreislaufes durch Übertragung von Wärme aus einem Bereich hoher Temperatur auf einen Bereich niederer Temperatur zumindest ein Teil der übertragenen Wärme in mechanisch nutzbare Energie umgewandelt werden. Zu diesem Zweck wird das Arbeitsfluid durch Abwärme eines Abgasstromes, zum Beispiel eines Verbrennungsmotors, einer Brennstoffzelle oder einer Wärmeerzeugungsanlage, in einem Verdampfer des Clausius-Rankine-Kreislaufes verdampft. Das unter Druck stehende und verdampfte Arbeitsfluid wird nun in eine Expansionseinrichtung eingeleitet, wobei zumindest ein Teil der durch den Verdampfer aufgenommenen Abgasabwärme in mechanisch oder elektrisch nutzbare Energie gewandelt werden kann. Nach der Expansionseinrichtung wird das Arbeitsfluid in dem Kondensator kondensiert, nachfolgend das kondensierte Arbeitsfluid durch einen Verdichter auf ein höheres Druckniveau gebracht und dann wieder in dem Verdampfer durch die Abwärme des Abgasstromes verdampft.The operation of the Clausius-Rankine cycle is based on a thermodynamic cycle, such as the Carnot cycle, wherein the Clausius-Rankine cycle has a lower efficiency than the Carnot cycle. Accordingly, by means of the Rankine cycle, by transferring heat from a high temperature region to a low temperature region, at least a portion of the transferred heat can be converted into mechanically usable energy. For this purpose, the working fluid is vaporized by waste heat of an exhaust gas stream, for example an internal combustion engine, a fuel cell or a heat generation plant, in an evaporator of the Clausius-Rankine cycle. The pressurized and vaporized working fluid is now introduced into an expansion device, wherein at least a portion of the waste heat absorbed by the evaporator can be converted into mechanically or electrically usable energy. After the expansion device, the working fluid is condensed in the condenser, subsequently the condensed working fluid is brought to a higher pressure level by a compressor and then vaporized again in the evaporator by the waste heat of the exhaust gas flow.

Als Arbeitsfluid kann Wasser, Ammoniak, organische Verbindungen oder eine Mischung derselben verwendet werden, wobei man im Falle des Einsatzes von organischen Verbindungen als Arbeitsfluid der Clausius-Rankine-Kreislaufes als Organic-Rankine-Cycle (ORC) bezeichnet wird.As a working fluid, water, ammonia, organic compounds or a mixture thereof may be used, wherein in the case of the use of organic compounds as the working fluid of the Rankine cycle Rankine cycle is called Organic Rankine cycle (ORC).

Ein thermoelektrischer Generator kann aus mehreren TEG-Elementen aufgebaut sein oder auch nur ein TEG-Element aufweisen. Unter einem TEG-Element ist dabei ein thermoelektrischer Wandler zu verstehen. Zu der Gruppe der thermoelektrischen Wandler wird zum Beispiel auch das Peltier-Element gezählt. Im Gegensatz zum Peltier-Element, dessen Wirkungsweise auf dem Peltier-Effekt beruht, beruht die Wirkungsweise des TEG-Elementes auf dem Seebeck-Effekt. TEG-Elemente wie auch Peltier-Elemente weisen zumindest zwei an einer Kontaktstelle in Kontakt stehende Halbleiter auf, die ein unterschiedliches Energieniveau der Leitungsbänder besitzen. Die Halbleiter können dabei p- oder n-leitend ausgebildet sein. Im Falle des Peltier-Effektes wird bei Stromfluss von dem einen Halbleiter zu dem anderen Halbleiter eine Temperatur-Differenz an der Kontaktstelle eingestellt, während bei dem Seebeck-Effekt sich aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Halbleitern ein Stromfluss zwischen den zwei Halbleitern einstellt. Demzufolge kann aufgrund des Seebeck-Effektes durch Beaufschlagung der beiden Halbleiter des TEG-Elementes mit einer unterschiedlichen Temperatur mittels des TEG-Elementes elektrischer Strom erzeugt werden, wobei durch Übertragung von Wärme aus dem Hochtemperaturbereiches des TEG-Elementes auf den Tieftemperaturbereich des TEG-Elementes zumindest ein Teil der übertragenen Wärme in elektrisch nutzbare Energie umgewandelt wird.A thermoelectric generator can be constructed from several TEG elements or even have only one TEG element. A TEG element is to be understood as meaning a thermoelectric converter. To the group of thermoelectric converters, for example, the Peltier element is also counted. In contrast to the Peltier element, whose mode of action is based on the Peltier effect, the effect of the TEG element is based on the Seebeck effect. TEG elements as well as Peltier elements have at least two semiconductors in contact at a contact point, which have a different energy level of the conduction bands. The semiconductors may be p-type or n-type. In the case of the Peltier effect, a current difference between the two semiconductors is adjusted when the current flows from one semiconductor to the other semiconductor, while the Seebeck effect causes a current to flow between the two semiconductors due to the temperature difference between the two semiconductors. Accordingly, electric current can be generated by applying the two semiconductors of the TEG element at a different temperature by means of the TEG element due to the Seebeck effect, wherein at least by transferring heat from the high temperature region of the TEG element to the low temperature region of the TEG element a portion of the transferred heat is converted into electrically usable energy.

Nun können mehrere TEG-Elemente elektrisch seriell und/oder parallel zueinander zu Modulen zusammengeschaltet werden, wobei wiederum mehrere solcher TEG-Module ebenfalls wiederum elektrisch seriell und/oder parallel zueinander zu einem thermoelektrischen Generator zusammengeschaltet werden können.Now several TEG elements can be electrically connected together in series and / or parallel to form modules, in turn, several such TEG modules can also be connected in turn electrically series and / or parallel to each other to form a thermoelectric generator.

Über die Kühlfluidleitung kann die Abwärme des Clausius-Rankine-Kreislaufes dem thermoelektrischen Generator zugeführt werden und somit über denselben zumindest teilweise der Rückgewinnung zugeführt werden. Dabei kann als Kühlfluid, das in der Kühlfluidleitung zirkuliert, Wasser, Ammoniak oder organische Verbindungen oder eine Mischung derselben verwendet werden. The waste heat of the Rankine cycle can be fed to the thermoelectric generator via the cooling fluid line and thus at least partially fed to the recovery via the same. Here, as the cooling fluid circulating in the cooling fluid passage, water, ammonia or organic compounds or a mixture thereof may be used.

Vorteilhaft kann die Kühlfluidleitung mit dem Clausius-Rankine-Kreislauf über dessen Kondensator wärmeleitend verbunden werden. Somit kann über die Kühlfluidleitung, die am Kondensator anfallende Abwärme abgeführt werden und der Kondensator mit dem Kühlfluid gekühlt werden.Advantageously, the cooling fluid line can be thermally conductively connected to the Clausius-Rankine cycle via its condenser. Thus, via the cooling fluid line, the waste heat generated at the condenser can be dissipated and the condenser can be cooled with the cooling fluid.

In der Kühlfluidleitung kann wiederum ein Kühler angeordnet sein, der eine Restabwärme dem Kühlfluid entzieht und an einen Bereich niedriger Temperatur abgibt. Dieser Kühler kann bevorzugt als Umluftkühler ausgebildet sein, wobei in diesem Fall die Restabwärme aus dem Kühlfluid an die Umgebungsluft abgegeben wird.In the cooling fluid line, in turn, a cooler can be arranged, which extracts a residual waste heat from the cooling fluid and delivers it to a region of low temperature. This cooler may preferably be designed as a circulating air cooler, in which case the residual waste heat is released from the cooling fluid to the ambient air.

Der Wärmeübergang der Restabwärme aus dem Kühlfluid an die Umgebung kann dadurch genutzt werden, dass der thermoelektrische Generator in dem Kühler angeordnet ist.The heat transfer of the residual waste heat from the cooling fluid to the environment can be utilized in that the thermoelectric generator is arranged in the radiator.

So kann der thermoelektrische Generator z. B. derart in dem Kühler angeordnet sein, dass ein Hochtemperaturbereich zumindest eines TEG-Elementes mit einer Kühlfluiddurchströmten Kühlleitung des Kühlers verbunden ist, und/oder ein Tieftemperaturbereich zumindest eines TEG-Elementes mit einer Kühlstruktur des Kühlers verbunden ist. Demzufolge kann ein Kühler, insbesondere ein Umluftkühler, derartig ausgebildet sein, dass Kühlerleitungen vorhanden sind, die von dem Kühlfluid durchströmt werden, und Kühlstrukturen, wie zum Beispiel Kühllamellen, Kühlbleche oder dergleichen, mit dem die Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Im Fall eines Umluftkühlers können diese Kühlstrukturen, gegebenenfalls durch einen Ventilator unterstützt, von Luft umströmt werden, die die Wärme von den Kühlstrukturen aufnimmt. Ist nun vorteilhaft zumindest ein TEG-Element oder der gesamte thermoelektrische Generator derart angeordnet, dass der Hochtemperaturbereich in thermischem Kontakt mit den Kühlerleitungen steht, während der Tieftemperaturbereich zumindest eines TEG-Elementes oder des gesamten thermoelektrischen Generators in thermischem Kontakt mit den Kühlstrukturen steht, so ist mittels des thermoelektrischen Generators zumindest ein Teil der Restabwärme, die von dem Kühlfluid über den Thermoelektrischen Generator und die Kühlstrukturen an die Umgebung abgegeben wird, in elektrisch nutzbare Energie wandelbar. Da zumindest ein Teil der in dem Kühlfluid angeordneten Wärme aus dem Clausius-Rankine-Kreislauf stammt, ist somit ein Teil der Abwärme des Clausius-Rankine-Kreislaufes mittels des in dem Kühler angeordneten thermoelektrischen Generators nutzbar.Thus, the thermoelectric generator z. B. may be arranged in the cooler such that a high temperature region of at least one TEG element is connected to a cooling fluid flowed through the cooling line of the radiator, and / or a low temperature region of at least one TEG element is connected to a cooling structure of the radiator. Accordingly, a cooler, in particular a circulating air cooler, may be formed such that there are cooler lines through which the cooling fluid flows, and cooling structures, such as cooling fins, cooling plates or the like, with which the heat can be released to the environment. In the case of a circulating air cooler, these cooling structures, possibly assisted by a fan, can be flowed around by air, which absorbs the heat from the cooling structures. If at least one TEG element or the entire thermoelectric generator is advantageously arranged such that the high-temperature region is in thermal contact with the radiator lines, while the low-temperature region of at least one TEG element or the entire thermoelectric generator is in thermal contact with the cooling structures, then so by means of the thermoelectric generator at least a portion of the residual heat, which is discharged from the cooling fluid via the thermoelectric generator and the cooling structures to the environment, convertible into electrically usable energy. Since at least part of the heat disposed in the cooling fluid originates from the Rankine cycle, a portion of the waste heat of the Rankine cycle can thus be utilized by means of the thermoelectric generator arranged in the cooler.

In einem Normalbetrieb weist der Hochtemperaturbereich bevorzugt eine Temperatur von 80°C bis 120°C, besonders bevorzugt von 80°C bis 110°C und ganz besonders bevorzugt von 80°C bis 100°C auf. Dabei versteht man unter Normalbetrieb einen Betrieb der Abwärmenutzungsvorrichtung, bei der die Abwärmenutzungsvorrichtung ihre übliche Betriebstemperatur aufweist. Im Falle einer Verbrennungskraftmaschine oder einer Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug ist somit unter einem Normalbetrieb nicht der Kaltstart des Kraftfahrzeuges zu verstehen, wenn die Abwärmenutzungsvorrichtung eine Temperatur aufweist, die unterhalb der Betriebstemperatur angeordnet ist.In a normal operation, the high temperature range preferably has a temperature of 80 ° C to 120 ° C, more preferably from 80 ° C to 110 ° C and most preferably from 80 ° C to 100 ° C. Under normal operation, this is understood as meaning operation of the waste heat utilization device in which the waste heat utilization device has its usual operating temperature. In the case of an internal combustion engine or a fuel cell in a motor vehicle is thus under normal operation not to understand the cold start of the motor vehicle when the waste heat recovery device has a temperature which is located below the operating temperature.

Des Weiteren kann im Normalbetrieb der Tieftemperaturbereich bevorzugt eine Temperatur von –20°C bis 40°C, besonders bevorzugt eine Temperatur von –10°C bis 35°C und ganz besonders bevorzugt von 0°C bis 30°C aufweisen.Furthermore, in normal operation, the low-temperature range may preferably have a temperature of -20 ° C to 40 ° C, more preferably a temperature of -10 ° C to 35 ° C and most preferably from 0 ° C to 30 ° C.

Weiterhin liegt im Normalbetrieb zwischen den Hochtemperaturbereich und dem Tieftemperaturbereich eine Temperaturdifferenz von bevorzugt 40°C bis 100°C, besonders bevorzugt 45°C bis 95°C und ganz besonders bevorzugt von 50°C bis 90°C vor.Furthermore, in normal operation between the high temperature range and the low temperature range, a temperature difference of preferably 40 ° C to 100 ° C, more preferably 45 ° C to 95 ° C and most preferably from 50 ° C to 90 ° C before.

Auch kann die Kühlfluidleitung mit zumindest einer weiteren Wärmequelle verbunden sein. In diesem Fall wird das Kühlfluid zur Kühlung dieser weiteren Wärmequelle verwendet. Insbesondere kann dabei die Kühlfluidleitung mit einer Verbrennungskraftmaschine oder einer Brennstoffzelle verbunden sein, sodass in diesem Fall das Kühlfluid zur Motorkühlung oder Brennstoffzellenkühlung herangezogen ist.Also, the cooling fluid conduit may be connected to at least one further heat source. In this case, the cooling fluid is used for cooling this further heat source. In particular, the cooling fluid line may be connected to an internal combustion engine or a fuel cell, so that in this case the cooling fluid is used for engine cooling or fuel cell cooling.

Somit wird mittels des thermoelektrischen Generators nicht nur die Abwärme des Clausius-Rankine-Kreislaufes, sondern auch die Abwärme zumindest einer weiteren Wärmequelle der Nutzung zugeführt, wobei zumindest ein Teil der durch das Kühlfluid aufgenommenen Abwärmen in elektrische Energie umgewandelt wird.Thus, by means of the thermoelectric generator, not only the waste heat of the Rankine cycle, but also the waste heat of at least one further heat source supplied to the use, wherein at least a portion of the heat absorbed by the cooling fluid is converted into electrical energy.

Ein weiterer allgemeiner Gedanke der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsvorrichtung, wobei der Clausius-Rankine-Kreislauf, insbesondere in einem hohen Lastbereich, in seiner Abwärme-Aufnahmeleistung limitiert wird.Another general idea of the invention is a method for operating a waste heat utilization device, wherein the Clausius Rankine cycle, especially in a high load range, is limited in its waste heat absorption capacity.

Dabei versteht man unter einem hohen Lastbereich einen Lastbereich, der eine Last und/oder Drehzahl aufweist, die bevorzugt bei mindestens 80 Prozent, bevorzugt bei mindestens 85 Prozent und ganz besonders bevorzugt bei mindestens 90 Prozent der maximalen Last und/oder der maximalen Drehzahl liegt. Vorteilhaft kann durch die Limitierung die Abwärmenutzungsvorrichtung derartig ausgestaltet werden, dass nur so viel Abgaswärme durch den Clausius-Rankine-Kreislauf aufgenommen und über den Kondensator in die Kühlleitung übertragen wird, wie aus dem Kühlfluid an die Umgebung, ggf. über den Kühler, abgeführt werden kann. Somit kann eine Überhitzung des Gesamtsystems oder einer seiner Teilkomponenten verhindert werden. Zudem ist in diesem Fall der thermoelektrische Generator mit einer optimalen Temperatureinstellung betreibbar, sodass der thermoelektrische Generator mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann.In this case, a high load range is understood to mean a load range which has a load and / or rotational speed which is preferably at least 80 percent, preferably at least 85 percent and most preferably at least 90 percent of the maximum load and / or the maximum speed is. Advantageously, the waste heat utilization device can be designed such that only as much heat of exhaust gas is taken up by the Clausius-Rankine cycle and transmitted via the condenser into the cooling line, as are removed from the cooling fluid to the environment, possibly via the radiator by the limitation can. Thus, overheating of the entire system or one of its subcomponents can be prevented. In addition, in this case, the thermoelectric generator is operable with an optimum temperature setting, so that the thermoelectric generator can be operated with a high efficiency.

Eine Limitierung der Abwärme-Aufnahmeleistung kann dann vorgenommen werden, wenn ein Schwellwert zumindest eines Parameters erreicht, unter- oder überschritten wird. Dabei kann als ein derartiger Parameter eine Kühlfluidtemperatur nach dem Kühler, eine Kühlfluidtemperatur vor dem Kühler, ein Kühlfluid-Volumenstrom, eine Abgastemperatur oder ein Abgasvolumenstrom oder eine beliebige, geeignete Kombination dieser Parameter herangezogen werden.A limitation of the waste heat input power can be made when a threshold value of at least one parameter is reached, under or exceeded. In this case, as such a parameter, a cooling fluid temperature downstream of the radiator, a cooling fluid temperature upstream of the radiator, a cooling fluid volume flow, an exhaust gas temperature or an exhaust gas volumetric flow or any suitable combination of these parameters can be used.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawing and from the associated description of the figures with reference to the drawing.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be explained in more detail in the following description.

Die einzige 1 zeigt schematisch eine Abwärmenutzungsvorrichtung mit einem Clausius-Rankine-Kreislauf und einem über eine Kühlleitung verbundenen thermoelektrischen Generator.The only 1 schematically shows a waste heat utilization device with a Rankine cycle Rankine and connected via a cooling line thermoelectric generator.

Wie in 1 dargestellt, weist eine Abwärmenutzungsvorrichtung 1 einen Clausius-Rankine-Kreislauf 2 und einen thermoelektrischen Generator 3 auf.As in 1 has a waste heat recovery device 1 a Clausius Rankine cycle 2 and a thermoelectric generator 3 on.

Der Clausius-Rankine-Kreislauf 2 weist eine Arbeitsfluidleitung 4 auf, in der strömungsmäßig hintereinander ein Kondensator 5, ein Verdichter 6, ein Verdampfer 7 und eine Expansionseinrichtung 8 angeordnet sind. Die Arbeitsfluidleitung 4, der Kondensator 5, der Verdichter 6, der Verdampfer 7 und die Expansionseinrichtung 8 werden von einem in der 1 nicht dargestellten Arbeitsfluid durchströmt. Bei Entspannung des verdampften und unter Druck stehenden Arbeitsfluids in der Expansionseinrichtung 8 wird zumindest ein Teil der in dem Arbeitsfluid gespeicherten Energie in Bewegung bzw. mechanische Energie umgewandelt, wobei diese Bewegung direkt zum Beispiel in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges eingespeist werden kann oder mittels eines mechanisch-elektrischen Leistungswandlers 9 in elektrische nutzbare Energie umgewandelt werden kann.The Clausius Rankine cycle 2 has a working fluid line 4 on, in the flow behind one another a capacitor 5 , a compressor 6 , an evaporator 7 and an expansion device 8th are arranged. The working fluid line 4 , the capacitor 5 , the compressor 6 , the evaporator 7 and the expansion device 8th be from one in the 1 flows through working fluid, not shown. Upon relaxation of the vaporized and pressurized working fluid in the expansion device 8th At least a portion of the stored energy in the working fluid is converted into motion or mechanical energy, which movement can be fed directly, for example, into a drive train of a motor vehicle or by means of a mechanical-electrical power converter 9 can be converted into electrical usable energy.

Der thermoelektrische Generator 3 ist mittels der Kühlfluidleitung 10 mit dem Kondensator 5 verbunden, sodass die Abwärme des Clausius-Rankine-Kreislaufes 2 von dem in der Kühlleitung 10 zirkulierenden Kühlfluid aufgenommen werden kann und der Abwärmenutzung mittels des thermoelektrischen Generators 3 zugeführt werden kann.The thermoelectric generator 3 is by means of the cooling fluid line 10 with the capacitor 5 connected, so that the waste heat of the Clausius-Rankine cycle 2 from the one in the cooling line 10 circulating cooling fluid can be absorbed and the waste heat utilization by means of the thermoelectric generator 3 can be supplied.

Des Weiteren kann in der Kühlfluidleitung 10 zumindest eine weitere Wärmequelle 11 angeordnet sein, wie zum Beispiel eine Verbrennungskraftmaschine, eine Brennstoffzelle oder eine anderweitige Wärmequelle. Im Falle der in der 1 gezeigten Verbrennungskraftmaschine wird ein aus der Verbrennungskraftmaschine austretende Abgasstrom 12 durch den Verdampfer 7 geleitet.Furthermore, in the cooling fluid line 10 at least one more heat source 11 arranged, such as an internal combustion engine, a fuel cell or other heat source. In the case of in the 1 shown internal combustion engine is an emerging from the internal combustion engine exhaust gas flow 12 through the evaporator 7 directed.

Der thermoelektrische Generator 3 kann mit einer Vorrichtung 13 ausgestattet sein, mittels der die elektrische Energie abgeführt und der jeweiligen Verwendung zugeführt werden kann.The thermoelectric generator 3 can with a device 13 be equipped by means of which the electrical energy can be dissipated and supplied to the respective use.

Der thermoelektrische Generator 3 weist einen Hochtemperaturbereich 14 auf, der mit der Kühlfluidleitung 10 in thermischem Kontakt steht. Weiterhin ist der thermoelektrische Generator 3 mit einem Tieftemperaturbereich 15 ausgestattet, der mit einem Bereich tieferer Temperatur in thermischem Kontakt steht.The thermoelectric generator 3 has a high temperature range 14 on, with the cooling fluid line 10 is in thermal contact. Furthermore, the thermoelectric generator 3 with a low temperature range 15 equipped with a region of lower temperature in thermal contact.

In der Kühlfluidleitung 10 kann weiterhin auch noch ein Kühler 16 angeordnet sein, wobei, wie in 1 gezeigt, der Kühler 16 integriert mit dem thermoelektrischen Generator 3 ausgebildet sein kann. Eine derartige integrierte Ausbildung eines thermoelektrischen Generators mit einem Kühler ist zum Beispiel in der DE 10 2009 058 104 beschrieben. Dabei kann der thermoelektrischen Generator 3 mit seinem Hochtemperaturbereich in thermischem Kontakt zu Kühlleitungen des Kühlers 16 stehen und mit seinem Tieftemperaturbereich in thermischem Kontakt zu Kühlstrukturen, wie z. B. Kühllamellen, Kühlblechen oder dergleichen, des Kühlers 16 stehen.In the cooling fluid line 10 can also still a cooler 16 be arranged, where, as in 1 shown the radiator 16 integrated with the thermoelectric generator 3 can be trained. Such an integrated design of a thermoelectric generator with a cooler is for example in the DE 10 2009 058 104 described. In this case, the thermoelectric generator 3 with its high temperature range in thermal contact with cooling lines of the radiator 16 stand and with its low temperature range in thermal contact with cooling structures, such. As cooling fins, cooling plates or the like, the radiator 16 stand.

Die Expansionseinrichtung ist typischerweise als Scroll-Expander, Axial-Kolbenexpander, Hubkolbenexpander, Turbine oder dergleichen ausgebildet.The expander is typically formed as a scroll expander, axial piston expander, reciprocating expander, turbine or the like.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Abwärmenutzungsvorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Kraftfahrzeugs, mit einem Clausius-Rankine-Kreislauf (CRK) (2), umfassend eine Arbeitsfluidleitung (4), in der ein Kondensator (5), ein Verdichter (6), ein Verdampfer (7) und eine Expansionseinrichtung (8) angeordnet sind, und ein die Arbeitsfluidleitung (4), den Kondensator (5), den Verdichter (6), den Verdampfer (7) und die Expansionseinrichtung (8) durchströmendes Arbeitsfluid, und mit einem thermoelektrischen Generator (3), umfassend zumindest ein TEG-Element, wobei der thermoelektrische Generator (3) über eine Kühlfluidleitung (10) wärmeleitend mit dem Clausius-Rankine-Kreislauf (2) verbunden ist, wobei der thermoelektrische Generator (3) zu dem Clausius-Rankine-Kreislauf (2) hinsichtlich der Wärmenutzung derart in Reihe geschaltet ist, dass eine Abwärme des Clausius-Rankine-Kreislaufes (2) zumindest teilweise durch den thermoelektrischen Generator (3) in elektrisch nutzbare Energie umgewandelt werden kann.Waste heat recovery device for utilizing waste heat of a motor vehicle, with a Rankine cycle Claus (CRK) ( 2 ), comprising a working fluid line ( 4 ), in which a capacitor ( 5 ), a compressor ( 6 ), an evaporator ( 7 ) and an expansion device ( 8th ) and a working fluid line ( 4 ), the capacitor ( 5 ), the compressor ( 6 ), the evaporator ( 7 ) and the expansion device ( 8th ) flowing through working fluid, and with a thermoelectric generator ( 3 ) comprising at least one TEG element, wherein the thermoelectric generator ( 3 ) via a cooling fluid line ( 10 ) thermally conductive with the Clausius-Rankine cycle ( 2 ), the thermoelectric generator ( 3 ) to the Clausius-Rankine cycle ( 2 ) is connected in series with respect to the use of heat in such a way that a waste heat of the Clausius-Rankine cycle ( 2 ) at least partially by the thermoelectric generator ( 3 ) can be converted into electrically usable energy. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfluidleitung (10) mit dem Clausius-Rankine-Kreislauf (2) über dessen Kondensator (5) zur Kühlung desselben wärmeleitend verbunden ist.Waste heat recovery device according to claim 1, characterized in that the cooling fluid line ( 10 ) with the Clausius-Rankine cycle ( 2 ) via its capacitor ( 5 ) is connected to the same heat-conducting cooling. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kühlfluidleitung (10) ein Kühler (16), insbesondere ein Umluftkühler, angeordnet ist.Waste heat utilization device according to claim 1 or 2, characterized in that in the cooling fluid line ( 10 ) a cooler ( 16 ), in particular a circulating air cooler, is arranged. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (3) integral mit dem Kühler (16) ausgebildet ist.Waste heat utilization apparatus according to claim 3, characterized in that the thermoelectric generator ( 3 ) integral with the radiator ( 16 ) is trained. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (3) derart in dem Kühler (16) angeordnet ist, dass ein Hochtemperaturbereich (14) zumindest eines TEG-Elementes mit einer Kühlfluid-durchströmten Kühlerleitung des Kühlers (16) verbunden ist und/oder ein Tieftemperaturbereich (15) zumindest eines TEG-Elementes mit einer Kühlstruktur des Kühlers (16) verbunden ist.Waste heat utilization device according to claims 3 or 4, characterized in that the thermoelectric generator ( 3 ) in the cooler ( 16 ) is arranged such that a high temperature range ( 14 ) at least one TEG element with a cooling fluid-flowed through radiator conduit of the radiator ( 16 ) and / or a low temperature range ( 15 ) at least one TEG element with a cooling structure of the radiator ( 16 ) connected is. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalbetrieb der Hochtemperaturbereich (14) zumindest eines TEG-Elementes eine Temperatur von 80°C bis 120°C aufweist, und/oder im Normalbetrieb der Tieftemperaturbereich (15) zumindest eines TEG-Elementes eine Temperatur von –20°C bis 40°C aufweist.Waste heat recovery device according to claim 5, characterized in that in normal operation the high-temperature region ( 14 ) at least one TEG element has a temperature of 80 ° C to 120 ° C, and / or in normal operation of the low temperature range ( 15 ) has a temperature of -20 ° C to 40 ° C at least one TEG element. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalbetrieb zwischen dem Hochtemperaturbereich (14) zumindest eines TEG-Elementes und dem Tieftemperaturbereich (15) zumindest eines TEG-Elementes eine Temperaturdifferenz von 40°C bis 100°C vorliegt.Waste heat recovery device according to claims 5 or 6, characterized in that in normal operation between the high-temperature region ( 14 ) at least one TEG element and the low-temperature region ( 15 ) of at least one TEG element, a temperature difference of 40 ° C to 100 ° C is present. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfluidleitung (10) zur Kühlung zumindest einer weiteren Wärmequelle (11), insbesondere zur Kühlung einer Verbrennungskraftmaschine oder einer Brennstoffzelle, mit derselben thermisch verbunden ist.Waste heat recovery device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the cooling fluid line ( 10 ) for cooling at least one further heat source ( 11 ), in particular for cooling an internal combustion engine or a fuel cell, is thermally connected to the same. Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Clausius-Rankine-Kreislauf (2), insbesondere in einem hohen Lastbereich, in seiner Abwärme-Aufnahmeleistung limitiert wird.Method for operating a waste heat utilization device ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, wherein the Rankine cycle ( 2 ), in particular in a high load range, is limited in its waste heat absorption capacity. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Limitierung der Abwärme-Aufnahmeleistung dann vorgenommen wird, wenn ein Schwellwert zumindest eines der folgenden Parameter erreicht, unter- oder überschritten wird: eine Kühlfuidtemperatur nach dem Kühler (16), eine Kühlfluidtemperatur vor dem Kühler (16), ein Kühlfluid-Volumenstrom, eine Abgastemperatur, ein Abgasvolumenstrom.A method according to claim 9, characterized in that the limitation of the waste heat absorption power is carried out when a threshold value of at least one of the following parameters is reached, under or exceeded: a Kühlfuidtemperatur after the radiator ( 16 ), a cooling fluid temperature in front of the radiator ( 16 ), a cooling fluid volume flow, an exhaust gas temperature, an exhaust gas volume flow.
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