DE102010048888A1 - Device for utilizing waste heat of effluent stream of motor car, has four line sections arranged between capacitor, compressor, vaporizer, expansion unit and capacitor, and thermoelectric generator arranged in Clausius Rankine circuit - Google Patents

Device for utilizing waste heat of effluent stream of motor car, has four line sections arranged between capacitor, compressor, vaporizer, expansion unit and capacitor, and thermoelectric generator arranged in Clausius Rankine circuit Download PDF

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Abstract

The device (1) has a Clausius Rankine circuit (CRK) (2) comprising line sections (10-13), an exhibiting work fluid conduit (4). A capacitor (5), a compressor (6), a vaporizer (7) and an expansion unit (8) are arranged in work fluid conduit. The line sections are arranged alternately between the capacitor, compressor, vaporizer, expansion unit and capacitor. The work fluid is flowed through work fluid conduit, capacitor, compressor, vaporizer and expansion unit. A thermoelectric generator (TEG) (3) comprising a TEG element is arranged in CRK. An independent claim is included for method for operating waste heat utilization device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Abgasstromes eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein zugehöriges Betriebsverfahren.The invention relates to a waste heat utilization device for utilizing waste heat of an exhaust gas stream of a motor vehicle having the features of the preamble of claim 1. The invention also relates to 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 conditioner, the thermoelectric generator can thus be oriented with its high-temperature region towards the condenser, while it is oriented with its low-temperature range toward the ambient air.

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 Warmüberganges 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 lines 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 hot junction.

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 oder eines thermoelektrischen Generators kann ein Teil 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 Clausius-Rankine cycle or a thermoelectric generator, a portion 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 Abgasstromes eines Kraftfahrzeuges, mit einem Clausius-Rankine-Kreislauf, umfassend eine mehrere Leitungsabschnitte aufweisende Arbeitsfluidleitung, in der ein Kondensator, ein Verdichter, ein Verdampfer und eine Expansionseinheit angeordnet sind, wobei ein erster Leitungsabschnitt zwischen dem Kondensator und dem Verdichter, ein zweiter Leitungsabschnitt zwischen dem Verdichter und dem Verdampfer, ein dritter Leitungsabschnitt zwischen dem Verdampfer und der Expansionseinheit und ein vierter Leitungsabschnitt zwischen der Expansionseinheit und dem Kondensator angeordnet ist, und ein die Arbeitsfluidleitung, den Kondensator, den Verdichter, den Verdampfer und die Expansionseinheit durchströmendes Arbeitsfluid, mit einem thermoelektrischen Generator auszustatten, wobei der thermoelektrische Generator in dem Clausius-Rankine-Kreislauf angeordnet ist und zumindest ein TEG-Element aufweist.The invention is based on the general idea, in a waste heat utilization device for utilizing waste heat of an exhaust gas stream of a motor vehicle, with a Rankine cycle, comprising a plurality of line sections having working fluid line in which a condenser, a compressor, an evaporator and an expansion unit are arranged wherein a first line section between the condenser and the compressor, a second line section between the compressor and the evaporator, a Third line section between the evaporator and the expansion unit and a fourth line section between the expansion unit and the condenser is arranged, and a working fluid, the condenser, the compressor, the evaporator and the expansion unit flowing through the working fluid to equip a thermoelectric generator, wherein the thermoelectric generator is arranged in the Clausius-Rankine cycle and has at least one TEG element.

Mittels der Anordnung eines thermoelektrischen Generators in einem Clausius-Rankine-Kreislauf kann die Abwärme des Clausius-Rankine-Kreislaufes zumindest teilweise in elektrisch nutzbare Energie umgewandelt werden. Vorteilhaft kann dadurch der Kraftstoffverbrauch zum Beispiel bei einer Verbrennungskraftmaschine oder einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeuges verringert werden.By means of the arrangement of a thermoelectric generator in a Rankine cycle, the waste heat of the Clausius-Rankine cycle can be at least partially converted into electrically usable energy. Advantageously, thereby the fuel consumption can be reduced, for example, in an internal combustion engine or a fuel cell of a motor vehicle.

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 Expansionseinheit eingeleitet, wobei zumindest ein Teil der durch den Verdampfer aufgenommenen Abgasabwärme in mechanisch oder elektrisch nutzbare Energie gewandelt werden kann. Nach der Expansionseinheit 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 unit, 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 unit, the working fluid in the condenser is condensed, 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.

Zur Ausnutzung der Abwärme des Clausius-Rankine-Kreislaufes kann der thermoelektrische Generator in thermischen Kontakt mit dem Arbeitsfluid des Clausius-Rankine-Kreislaufes gebracht werden.To utilize the waste heat of the Clausius-Rankine cycle, the thermoelectric generator can be brought into thermal contact with the working fluid of the Clausius-Rankine cycle.

Bevorzugt wird dabei der Hochtemperaturbereich zumindest eines TEG-Elementes in thermischem Kontakt mit dem vierten Leitungsabschnitt, der die Expansionseinheit mit dem Kondensator verbindet, gebracht. Somit kann Wärme aus diesem vierten Leitungsabschnitt auf einen Bereich mit niedriger Temperatur übertragen werden, womit zumindest ein Teil der übertragenen Wärme und somit der Abwärme des Clausius-Rankine-Kreislaufes in elektrisch nutzbare Energie gewandelt werden kann.In this case, the high-temperature region of at least one TEG element is preferably brought into thermal contact with the fourth line section which connects the expansion unit to the capacitor. Thus, heat from this fourth conduit section can be transmitted to a low temperature region, whereby at least part of the transferred heat and thus the waste heat of the Rankine cycle can be converted into electrically usable energy.

Des Weiteren kann zumindest ein TEG-Element über seinen Tieftemperaturbereich im thermischen Kontakt mit dem zweiten Leitungsabschnitt des Clausius-Rankine-Kreislaufes stehen. In diesem Fall wird von einem Bereich mit höherer Temperatur auf das Arbeitsfluid in dem zweiten Leitungsabschnitt Wärme übertragen, wobei ein Teil der übertragenen Wärme in elektrisch nutzbare Energie gewandelt werden kann.Furthermore, at least one TEG element can be in thermal contact with the second line section of the Clausius-Rankine cycle over its low-temperature range. In this case, heat is transferred from a higher temperature area to the working fluid in the second line section, whereby a part of the transferred heat can be converted into electric usable energy.

Nun können beide Varianten der Wärmeübertragung kombiniert werden, sodass Wärme von dem vierten Leitungsabschnitt mittels des thermoelektrischen Generators auf den zweiten Leitungsabschnitt übertragen wird, sodass zumindest ein Teil der übertragenen Wärme in elektrisch nutzbare Energie gewandelt werden kann. Now both variants of the heat transfer can be combined, so that heat is transferred from the fourth line section by means of the thermoelectric generator to the second line section, so that at least a part of the transferred heat can be converted into electrically usable energy.

Die Abwärmenutzungsvorrichtung kann vorteilhaft so ausgelegt werden, dass in einem Normalbetrieb zwischen dem zweiten Leitungsabschnitt und dem vierten Leitungsabschnitt eine Temperaturdifferenz von bevorzugt 30°C bis 150°C vorliegen kann, besonders bevorzugt von 40°C bis 130°C und ganz besonders bevorzugt von 50°C bis 120°C. Dabei versteht man unter einem Normalbetrieb einen Betrieb der Abwärmenutzungsvorrichtung in aufgewärmtem Zustand. Dies kann im Fall einer Verbrennungskraftmaschine oder einer Brennstoffzelle jeder Betriebsmodus sein, bei dem die Abwärmenutzungsvorrichtung auf Betriebstemperatur gebracht ist. Somit ist zum Beispiel von dem Normalbetrieb ein Kaltstartbetrieb ausgeschlossen, wenn nicht die Abwärmenutzungsvorrichtung vorab auf Betriebstemperatur gebracht worden ist.The waste heat utilization device may advantageously be designed so that in a normal operation between the second line section and the fourth line section, a temperature difference of preferably 30 ° C to 150 ° C may be present, more preferably from 40 ° C to 130 ° C and most preferably from 50 ° C to 120 ° C. In this case, a normal operation means an operation of the waste heat utilization device in the warmed up state. In the case of an internal combustion engine or a fuel cell, this may be any operating mode in which the waste heat utilization device is brought to operating temperature. Thus, for example, a cold start operation is excluded from the normal operation unless the waste heat utilization device has been brought to operating temperature in advance.

In einem derartigen Normalbetrieb liegt die Temperatur in dem zweiten Leitungsabschnitt bevorzugt zwischen 60°C und 120°C, besonders bevorzugt zwischen 70°C und 110°C und ganz besonders bevorzugt zwischen 80°C und 100°C.In such a normal operation, the temperature in the second line section is preferably between 60 ° C and 120 ° C, more preferably between 70 ° C and 110 ° C and most preferably between 80 ° C and 100 ° C.

Die Temperatur in dem vierten Leitungsabschnitt liegt zumindest bei Normalbetrieb bevorzugt zwischen 170°C bis 280°C, besonders bevorzugt zwischen 180°C und 270°C und ganz besonders bevorzugt zwischen 200°C und 250°C.The temperature in the fourth line section is preferably between 170 ° C and 280 ° C, more preferably between 180 ° C and 270 ° C and most preferably between 200 ° C and 250 ° C, at least during normal operation.

Ein weiterer allgemeiner Erfindungsgedanke ist ein Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsvorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Abgasstromes, insbesondere als Antriebsenergie eines Kraftfahrzeuges, mit einem Clausius-Rankine-Kreislauf, umfassend eine mehrere Leitungsabschnitte aufweisende Arbeitsfluidleitung, in der ein Kondensator, ein Verdichter, ein Verdampfer und eine Expansionseinheit angeordnet sind, wobei ein erster Leitungsabschnitt zwischen dem Kondensator und dem Verdichter, ein zweiter Leitungsabschnitt zwischen dem Verdichter und dem Verdampfer, ein dritter Leitungsabschnitt zwischen dem Verdampfer und der Expansionseinheit und ein vierter Leitungsabschnitt zwischen der Expansionseinheit und dem Kondensator angeordnet ist, und ein die Arbeitsfluidleitung, den Kondensator, den Verdichter, den Verdampfer und die Expansionseinheit durchströmendes Arbeitsfluid, wobei beim erfindungsgemäßen Verfahren mittels eines thermoelektrischen Generators dem vierten Leitungsabschnitt Wärme entzogen wird.Another general inventive concept is a method for operating a waste heat utilization device for utilizing waste heat of an exhaust gas flow, in particular as drive energy of a motor vehicle, with a Rankine cycle, comprising a plurality of line sections having working fluid line in which a condenser, a compressor, an evaporator and an expansion unit are arranged, wherein a first line section between the condenser and the compressor, a second line section between the compressor and the evaporator, a third line section between the evaporator and the expansion unit and a fourth line section between the expansion unit and the capacitor is arranged, and a the working fluid line, the condenser, the compressor, the evaporator and the expansion unit flowing through the working fluid, wherein in the inventive method by means of a thermoelectric generator the fourth Leitungsab cut heat is removed.

Durch Entzug der Wärme aus dem vierten Leitungsabschnitt des Clausius-Rankine-Kreislaufes und Übertragung zumindest eines Teils dieser Wärme auf einen Bereich mit tieferer Temperatur kann mittels des thermoelektrischen Generators zumindest ein Teil der übertragenen Wärme in elektrisch nutzbare Energie gewandelt werden.By removing the heat from the fourth line section of the Rankine cycle and transferring at least a portion of this heat to a lower temperature region, at least part of the transferred heat can be converted into electrically usable energy by means of the thermoelectric generator.

Des Weiteren kann der thermoelektrische Generator ebenfalls mit dem zweiten Leitungsabschnitt verbunden sein. Demzufolge wird in diesem Fall die Wärme aus dem vierten Leitungsabschnitt auf den zweiten Leitungsabschnitt über den thermoelektrischen Generator übertragen, sodass ein Teil der übertragenen Wärme in elektrisch nutzbare Energie gewandelt wird.Furthermore, the thermoelectric generator may also be connected to the second conduit section. As a result, in this case, the heat is transferred from the fourth pipe section to the second pipe section via the thermoelectric generator, so that a part of the transferred heat is converted into electric power.

Dies hat zum einen den Vorteil, dass ein Teil der Abwärme des Clausius-Rankine-Kreislaufes in elektrisch nutzbare Energie gewandelt werden kann. Zum anderen wird der Kondensator entlastet, da Wärme aus dem vierten Leitungsabschnitt entzogen wird. Dies geht allerdings zumindest teilweise auf Kosten der Leistungsfähigkeit des Verdampfers und der aus dem Abgasstrom aufnehmbaren Abwärme.This has the advantage that part of the waste heat of the Rankine cycle can be converted into electrically usable energy. On the other hand, the condenser is relieved, since heat is extracted from the fourth line section. However, this is at least partly at the expense of the efficiency of the evaporator and the waste heat absorbable from the exhaust stream.

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.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.A preferred embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail in the following description.

Die einzige 1 zeigt eine Abwärmenutzungsvorrichtung kombiniert mit einem thermoelektrischen Generator.The only 1 shows a waste heat utilization device combined with a thermoelectric generator.

Eine Abwärmenutzungsvorrichtung 1 weist einen Clausius-Rankine-Kreislauf 2 auf, in dem ein thermoelektrischer Generator 3 angeordnet ist. 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 Expansionseinheit 8 angeordnet sind. Die Arbeitsfluidleitung 4, der Kondensator 5, der Verdichter 6, der Verdampfer 7 und die Expansionseinheit 8 werden von einem in der 1 nicht dargestellten Arbeitsfluid durchströmt. Bei Entspannung des verdampften und unter Druck stehenden Arbeitsfluids in der Expansionseinheit 8 wird zumindest ein Teil der in dem Arbeitsfluid gespeicherten Energie in Bewegung bzw. In 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.A waste heat utilization device 1 has a Clausius-Rankine cycle 2 in which a thermoelectric generator 3 is arranged. 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 unit 8th are arranged. The working fluid line 4 , the capacitor 5 , the compressor 6 , the evaporator 7 and the expansion unit 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 unit 8th At least a portion of the energy stored in the working fluid is in motion or converted into mechanical energy, this movement can be fed directly, for example, in a drive train of a motor vehicle or by means of a mechanical-electrical power converter 9 can be converted into electrical usable energy.

Kondensator 5 und Verdichter 6 sind über einen ersten Leitungsabschnitt 10 fluidisch miteinander verbunden. Verdichter 6 und Verdampfer 7 sind über einen zweiten Leitungsabschnitt 11, Verdampfer 7 und Expansionseinheit 8 sind über einen dritten Leitungsabschnitt 12 und Expansionseinheit 8 und Kondensator 5 sind über einen vierten Leitungsabschnitt 13 fluidisch miteinander verbunden.capacitor 5 and compressors 6 are over a first line section 10 fluidly connected. compressor 6 and evaporator 7 are over a second line section 11 , Evaporator 7 and expansion unit 8th are over a third line section 12 and expansion unit 8th and capacitor 5 are over a fourth line section 13 fluidly connected.

Ein thermoelektrischer Generator 3 kann nun so in dem Clausius-Rankine-Kreislauf 2 angeordnet werden, dass ein Hochtemperaturbereich 14 des thermoelektrischen Generators 3 mit dem vierten Leitungsabschnitt 13 Wärme leitend verbunden wird. Des Weiteren kann ebenfalls ein Tieftemperaturbereich 15 des thermoelektrischen Generators 3 mit dem zweiten Leitungsabschnitt 11 verbunden werden. Somit ist durch Wärmeübertragung aus dem vierten Leitungsabschnitt 13 auf den zweiten Leitungsabschnitt 11 zumindest ein Teil der übertragenen Wärme mittels des thermoelektrischen Generators 3 in elektrisch nutzbare Energie wandelbar. Dabei kann die elektrisch erzeugte Energie mittels einer Vorrichtung 16 abgeführt und der jeweiligen Verwendung zugeführt werden.A thermoelectric generator 3 can now do so in the Clausius-Rankine cycle 2 be arranged that a high temperature area 14 of the thermoelectric generator 3 with the fourth line section 13 Heat is connected conductively. Furthermore, a low temperature range can also be used 15 of the thermoelectric generator 3 with the second line section 11 get connected. Thus, by heat transfer from the fourth line section 13 on the second line section 11 at least a portion of the heat transferred by means of the thermoelectric generator 3 convertible into electrically usable energy. In this case, the electrically generated energy by means of a device 16 be removed and fed to the respective use.

Ein Abgasstrom 17, der zur Verdampfung des Arbeitsfluids durch den Verdampfer 7 geleitet wird, kann zum Beispiel aus einer Verbrennungskraftmaschine 18 stammen.An exhaust gas flow 17 that evaporates the working fluid through the evaporator 7 can be directed, for example, from an internal combustion engine 18 come.

Diese Verbrennungskraftmaschine 18 kann mittels einer Kühlfluidleitung 19, in der ein nicht dargestelltes Kühlfluid zirkuliert, gekühlt werden. Zu diesem Zweck der Kühlung ist in der Kühlfluidleitung 19 ein Kühler 20 anordnenbar, der als Umluftkühler ausgestaltet sein kann. Des Weiteren kann die Kühlleitung 19 ebenfalls mit dem Kondensator 5 verbunden sein, sodass mittels der Kühlleitung 19 ebenfalls der Kondensator 5 gekühlt werden kann. Somit wird die Restabwärme des Clausius-Rankine-Kreislaufes 2, die nicht mittels des thermoelektrischen Generators 3 übertragen oder umgewandelt wird, über die Kühlfluidleitung 19 und den Kühler 20 aus dem System abgeführt.This internal combustion engine 18 can by means of a cooling fluid line 19 , in which circulates an unillustrated cooling fluid, are cooled. For this purpose the cooling is in the cooling fluid line 19 a cooler 20 arrangeable, which can be configured as a circulating air cooler. Furthermore, the cooling line 19 also with the capacitor 5 be connected so that by means of the cooling line 19 also the capacitor 5 can be cooled. Thus, the residual heat of the Clausius-Rankine cycle 2 not using the thermoelectric generator 3 transferred or converted, via the cooling fluid line 19 and the radiator 20 discharged from the system.

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Claims (10)

Abwärmenutzungsvorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Abgasstromes eines Kraftfahrzeugs, mit einem Clausius-Rankine-Kreislauf (CRK) (2), umfassend eine mehrere Leitungsabschnitte (10, 11, 12, 13) aufweisende Arbeitsfluidleitung (4), in der ein Kondensator (5), ein Verdichter (6), ein Verdampfer (7) und eine Expansionseinheit (8) angeordnet sind, wobei ein erster Leitungsabschnitt (10) zwischen dem Kondensator (5) und dem Verdichter (6), ein zweiter Leitungsabschnitt (11) zwischen dem Verdichter (6) und dem Verdampfer (7), ein dritter Leitungsabschnitt (12) zwischen dem Verdampfer (7) und der Expansionseinheit (8) und ein vierter Leitungsabschnitt (13) zwischen der Expansionseinheit (8) und dem Kondensator (5) angeordnet ist, und ein die Arbeitsfluidleitung (4), den Kondensator (5), den Verdichter (6), den Verdampfer (7) und die Expansionseinheit (8) durchströmendes Arbeitsfluid, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Clausius-Rankine-Kreislauf (2) ein thermoelektrischer Generator (TEG) (3), umfassend zumindest ein TEG-Element, angeordnet ist.Waste heat recovery device for the use of waste heat of an exhaust gas stream of a motor vehicle, with a Clausius-Rankine cycle (CRK) ( 2 ), comprising a plurality of line sections ( 10 . 11 . 12 . 13 ) having working fluid line ( 4 ), in which a capacitor ( 5 ), a compressor ( 6 ), an evaporator ( 7 ) and an expansion unit ( 8th ), wherein a first line section ( 10 ) between the capacitor ( 5 ) and the compressor ( 6 ), a second line section ( 11 ) between the compressor ( 6 ) and the evaporator ( 7 ), a third line section ( 12 ) between the evaporator ( 7 ) and the expansion unit ( 8th ) and a fourth line section ( 13 ) between the expansion unit ( 8th ) and the capacitor ( 5 ), and a working fluid line ( 4 ), the capacitor ( 5 ), the compressor ( 6 ), the evaporator ( 7 ) and the expansion unit ( 8th ) flowing through the working fluid, characterized in that in the Clausius-Rankine cycle ( 2 ) a thermoelectric generator (TEG) ( 3 ), comprising at least one TEG element, is arranged. Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (3) aus mehreren TEG-Elementen besteht, die elektrisch seriell und/oder parallel zueinander geschaltet sind.Waste heat recovery device according to claim 1, characterized in that the thermoelectric generator ( 3 ) consists of several TEG elements that are electrically connected in series and / or parallel to each other. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (3) indirekt über den jeweiligen Leitungsabschnitt oder direkt in thermischem Kontakt mit dem Arbeitsfluid des Clausius-Rankine-Kreislauf (2) steht.Waste heat utilization device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the thermoelectric generator ( 3 ) indirectly via the respective line section or directly in thermal contact with the working fluid of the Clausius-Rankine cycle ( 2 ) stands. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (3), insbesondere über einen Hochtemperaturbereich (14) zumindest eines TEG-Elementes, im thermischen Kontakt mit dem vierten Leitungsabschnitt (13) steht.Waste heat utilization device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the thermoelectric generator ( 3 ), especially over a high temperature range ( 14 ) at least one TEG element, in thermal contact with the fourth line section ( 13 ) stands. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (3), insbesondere über einen Tieftemperaturbereich (15) zumindest eines TEG-Elementes, im thermischen Kontakt mit dem zweiten Leitungsabschnitt (11) steht.Waste heat utilization device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the thermoelectric generator ( 3 ), in particular over a low-temperature range ( 15 ) at least one TEG element, in thermal contact with the second line section ( 11 ) stands. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest unter Normalbetrieb zwischen dem zweiten Leitungsabschnitt (11) und dem vierten Leitungsabschnitt (13) eine Temperaturdifferenz von 30°C–150°C vorliegt.Waste heat recovery device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least under normal operation between the second line section ( 11 ) and the fourth line section ( 13 ) a temperature difference of 30 ° C-150 ° C is present. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest unter Normalbetrieb in dem zweiten Leitungsabschnitt (11) eine Temperatur von 60–120°C vorliegt.Waste heat recovery device according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least under normal operation in the second line section ( 11 ) a temperature of 60-120 ° C is present. Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest unter Normalbetrieb in dem vierten Leitungsabschnitt (13) eine Temperatur von 170–280°C vorliegt.Waste heat recovery device according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least under normal operation in the fourth line section ( 13 ) a temperature of 170-280 ° C is present. Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsvorrichtung zur Nutzung von Abwärme eines Abgasstromes eines Kraftfahrzeugs, mit einem Clausius-Rankine-Kreislauf (2), umfassend eine mehrere Leitungsabschnitte (10, 11, 12, 13) aufweisende Arbeitsfluidleitung (4), in der ein Kondensator (5), ein Verdichter (6), ein Verdampfer (7) und eine Expansionseinheit (8) angeordnet sind, wobei ein erster Leitungsabschnitt (10) zwischen dem Kondensator (5) und dem Verdichter (6), ein zweiter Leitungsabschnitt (11) zwischen dem Verdichter (6) und dem Verdampfer (7), ein dritter Leitungsabschnitt (12) zwischen dem Verdampfer (7) und der Expansionseinheit (8) und ein vierter Leitungsabschnitt (13) zwischen der Expansionseinheit (8) und dem Kondensator (5) angeordnet ist, und ein die Arbeitsfluidleitung (4), den Kondensator (5), den Verdichter (6), den Verdampfer (7) und die Expansionseinheit (8) durchströmendes Arbeitsfluid, wobei mittels eines thermoelektrischen Generators (3) dem vierten Leitungsabschnitt (13) Wärme entzogen wird.Method for operating a waste heat utilization device for utilizing waste heat of an exhaust gas flow of a motor vehicle, with a Clausius-Rankine cycle ( 2 ), comprising a plurality of line sections ( 10 . 11 . 12 . 13 ) having working fluid line ( 4 ), in which a capacitor ( 5 ), a compressor ( 6 ), an evaporator ( 7 ) and an expansion unit ( 8th ), wherein a first line section ( 10 ) between the capacitor ( 5 ) and the compressor ( 6 ), a second line section ( 11 ) between the compressor ( 6 ) and the evaporator ( 7 ), a third line section ( 12 ) between the evaporator ( 7 ) and the expansion unit ( 8th ) and a fourth line section ( 13 ) between the expansion unit ( 8th ) and the capacitor ( 5 ), and a working fluid line ( 4 ), the capacitor ( 5 ), the compressor ( 6 ), the evaporator ( 7 ) and the expansion unit ( 8th ) flowing through the working fluid, wherein by means of a thermoelectric generator ( 3 ) the fourth line section ( 13 ) Heat is removed. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines thermoelektrischen Generators (3) dem zweiten Leitungsabschnitt (11) Wärme zugeführt wird.Method according to claim 9, characterized in that by means of a thermoelectric generator ( 3 ) the second line section ( 11 ) Heat is supplied.
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