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Die Erfindung betrifft eine frostsichere Dampfkreisprozessvorrichtung und ein Verfahren für deren Betrieb, wobei die Dampfkreisprozessvorrichtung stationär angelegt ist oder eine mobile Anwendung darstellt und insbesondere in einem Fahrzeug einbaubar ist, um den Fahrzeugvortrieb zu unterstützen oder dem Antrieb von Hilfsaggregaten zu dienen.
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Dampfkreisprozesse, etwa Clausius-Rankine- oder ORC-Prozesse (Organic Rankine Cycle) werden zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie verendet. Der Wärmeeintrag kann beispielsweise über eine separate Brennereinheit einer Kraft-Wärmekopplungs-Einrichtung erfolgen. Für Anwendungen bei Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen als Antriebsmotoren liegen mit dem Abgas- und Kühlwasserstrom des Verbrennungsmotors Wärmequellen vor, die zur effizienten Energieausnutzung einer Dampfkreisprozessvorrichtung zugeführt werden können. Exemplarisch wird hierzu auf die
WO 2008/138562 A1 verwiesen.
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Vorrichtungen zur Ausführung eines Clausius-Rankine-Prozesses umfassen typischerweise ein Reservoir für ein verdampfbares Arbeitsmittel, aus dem eine Speisepumpe flüssiges Arbeitsmittel schöpft und unter Druck einem Verdampfer zuführt. Der Verdampfer steht in fluidischer Verbindung zu einem Expander und leitet diesem dampfförmiges Arbeitsmittel zu, das im Expander unter Leistungsabgabe entspannt. Dem Expander folgt ein Kondensator zur erneuten Verflüssigung des Arbeitsmittels nach, von dem aus das Arbeitsmittel als Flüssigphase zum Reservoir zurückgeführt wird. Zwischen dem Expander und dem Reservoir kann eine zusätzliche Kondensatpumpe zur Flüssigkeitsförderung verwendet werden. Eine solche wird beispielsweise durch die
CH 371813 offenbart.
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Speisepumpen für die Arbeitsmittelzuführung zum Verdampfer sind auf einen hohen Betriebsdruck, beispielsweise 30–200 bar, ausgelegt und werden typischerweise unidirektional angelegt. Bevorzugt werden volumenstromvariable Speisepumpen zur Steuerung der Dampfkreisprozessvorrichtung. Diese können beispielsweise in Form einer Innenzahnradpumpe ausgestaltet sein. Denkbar ist die Verwendung einer Speisepumpenkaskade. Hierzu wird beispielhaft auf die
US 5,896,746 verwiesen, die eine auf 250 bar ausgelegte Hochdruckpumpe für eine Dampfkreisprozessvorrichtung mit einem Dampfspeicher beschreibt. Zusätzlich ist eine nachgeschaltete Zirkulationspumpe vorgesehen.
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Für mobile Anwendungen und insbesondere Fahrzeuganwendungen sowie für manche stationären Anlagen muss eine Dampfkreisprozessvorrichtung so ausgelegt sein, dass diese auch Temperaturen unter dem Gefrierpunkt standhält und bei Minusgraden startfähig ist. Da ein wasserbasiertes Arbeitsmittel insbesondere im Hinblick auf die Handhabbarkeit bevorzugt wird, wurden unterschiedliche Gefrierschutzmittel vorgeschlagen. So beschreibt die
DE 10 2009 003 850 A1 die Zugabe einer Frostschutz- und/oder Schmiermittelkomponente zur Flüssigphase des Arbeitsmittels eines Clausius-Rankine-Prozesses, wobei vor dem Eintritt in die Hochtemperaturbereiche der Anlage mittels einer Trennvorrichtung der Wasseranteil des Arbeitsmittels vom Frostschutzmittel, typischerweise Glykol, und dem Schmiermittel abgetrennt wird. Derartige Trennprozesse sind jedoch aufwändig und können unter normalen Betriebsbedingungen nicht immer vollständig ausgeführt werden, sodass ständig kleinere Mengen an Frostschutzmittel in die Hochtemperaturbereiche gelangen und sich dort anreichern bzw. unkontrollierten thermischen Zerfallsprozessen unterliegen.
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Daher wird durch die
DE 10 2006 052 906 A1 eine Zugabe von niedrigkettigen Alkoholen zu Wasser als Arbeitsmittel einer Dampfkreisprozessvorrichtung vorgeschlagen, wobei der Alkohol die Frostschutzfunktion übernimmt und bei Temperaturen oberhalb von 170°C stabil bleibt, sodass er mit dem eigentlichen Arbeitsmittel den Dampfkreisprozess durchlaufen kann.
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Alternativ wird durch die
DE 10 2007 020 086 B3 vorgeschlagen, für den Betrieb einer Dampfkreisprozessvorrichtung ein Arbeitsmittel mit einer verdampfbaren Komponente und einer weiteren Komponente in Form einer ionischen Flüssigkeit zu verwenden. Die ionische Flüssigkeit muss so hinreichend thermisch stabil sein, dass sie mit der verdampfbaren Komponente in den Verdampfer eintreten kann. Dabei nimmt die ionische Flüssigkeit selbst aufgrund des im Wesentlichen verschwindenden Dampfdrucks nicht am Verdampfungsprozess teil, gelangt somit nicht in den Expander und verbleibt stattdessen in der Flüssigphase. Für eine entsprechend gewählte ionische Flüssigkeit kann diese im Reservoir des Arbeitsmittels eine Frostschutzfunktion übernehmen. Die Zugabe einer ionischen Flüssigkeit verkompliziert jedoch den Fahrzeugbetrieb, da ein spezielles Arbeitsmittel verwendet wird, dessen Verfügbarkeit sicherzustellen ist. Des Weiteren ergeben sich auch in diesem Fall Folgeprobleme im Hinblick auf die Toxizität und die Umweltverträglichkeit des eingesetzten Arbeitsmittels.
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Zum weiteren druckschriftlichen Stand der Technik wird auf die Dokumente
DE 10 2008 037 744 A1 ,
DE 10 2007 043 373 A1 und
DE 102 28 868 B4 verwiesen, welche ionische Betriebsflüssigkeiten für eine Dampfkreisprozessvorrichtung sowie einen frostunempfindlichen Speisewasserbehälter offenbaren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfkreisprozessvorrichtung so zu gestalten, dass ein frostsicherer Betrieb möglich ist. Dabei sollte sich das System durch konstruktive Einfachheit auszeichnen und insbesondere in Verbindung mit einem Fahrzeugantrieb verwendbar sein, wobei ein kompaktes, leichtgewichtiges und kleinbauendes System gefordert wird, das sich zur Verwendung eines weitreichend verfügbaren und einfach zu handhabenden Arbeitsmittels eignet.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Die Erfindung geht von einer gattungsgemäßen Dampfkreisprozessvorrichtung mit einem Reservoir für ein flüssiges Arbeitsmittel, einer Speisepumpe zur Zuführung von Arbeitsmittel vom Reservoir zu einem Verdampfer, in dem das Arbeitsmittel verdampft, einem Expander, dem vom Verdampfer dampfförmiges Arbeitsmittel zugeführt wird, das im Expander unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt, und einem Kondensator, der dem Expander nachfolgt und der mit dem Reservoir in fluidischer Verbindung steht, aus. Erfindungsgemäß ist für die Entleerung der Dampfkreisprozessvorrichtung nach dem Anlagenstillstand eine für den Normalbetrieb nicht eingesetzte und vom fluidischen Kreis entkoppelte Entleerpumpe vorgesehen. Diese ist in einer Bypassleitung zwischen dem Reservoir und einer schaltbaren, mit wenigstens einer weiteren Komponente der Dampfkreisprozessvorrichtung fluidisch verbundenen Ventilvorrichtung angeordnet.
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Damit wird das Arbeitsmittel aus den frostempfindlichen Komponenten der Dampfkreisprozessvorrichtung nach dem Stillsetzen der Anlage durch die Entleerpumpe in das Reservoir gezogen, sodass ein Arbeitsmittel ohne zusätzlichen Gefrierschutz verwendet werden kann. Hierzu genügt eine kleindimensionierte, jedoch robuste Pumpe die nicht im Bereich des Betriebsdrucks der Dampfkreisprozessvorrichtung arbeitet. Diese wird vorteilhaft trockenlauffähig und frostsicher ausgebildet. Ferner ist der Entleerpumpe eine Steuereinrichtung zugeordnet, die mit einem Temperatursensor zur Bestimmung der Umgebungstemperatur und/oder der Betriebstemperatur der Dampfkreisprozessvorrichtung wenigstens mittelbar verbunden ist. Die Steuereinrichtung wird vorteilhafterweise direkt mit der Batterie des Fahrzeugs oder einem anderen Leistungsgeber direkt verbunden, sodass eine autarke und ausfallsichere Steuerung für die Entleerpumpe vorliegt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit Figurendarstellungen erläutert. Diese zeigen im Einzelnen Folgendes:
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1 zeigt schematisch vereinfacht eine erfindungsgemäße Dampfkreisprozessvorrichtung mit einer Speisepumpe und eine mit einem Reservoir für das Arbeitsmittel fluidisch verbundene Entleerpumpe.
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2 zeigt eine Weitergestaltung der Vorrichtung aus 1 mit einer zusätzlichen fluidischen Verbindung zwischen der Entleerpumpe und einem Verdampfer der Dampfkreisprozessvorrichtung.
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1 zeigt in schematisch vereinfachter, symbolischer Darstellung eine erfindungsgemäße Dampfkreisprozessvorrichtung mit einem Reservoir 1 für ein Arbeitsmittel auf, aus dem eine Speisepumpe 2 schöpft. Diese erzeugt einen Zustrom flüssigen Arbeitsmittels mit hohem Druck zum Verdampfer 3. Dieser wird von einem Abgasstrom 12 aus einer Verbrennungskraftmaschine 13 beaufschlagt, wodurch das Arbeitsmittel verdampft. Die Dampfphase des Arbeitsmittels wird sodann zur Entspannung unter Verrichtung mechanischer Arbeit einem Expander 4 zugeführt. An den Expander 4 schließt sich ausgangsseitig ein Kondensator 5 zur erneuten Verflüssigung des Arbeitsmittels an, der wiederum wenigstens mittelbar mit dem Reservoir 1 zur Rückführung flüssigen Arbeitsmittels in Verbindung steht.
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Erfindungsgemäß ist eine Entleerpumpe 6 vorgesehen, die beim Normalbetrieb der Dampfkreisprozessvorrichtung nicht aktiviert ist. Entsprechend ist die Entleerpumpe 8 in einer Bypassleitung 7 angeordnet, die sich zwischen einer Ventilvorrichtung 8, die für die vorliegende Ausgestaltung der Speisepumpe 2 vorgelagert ist, und dem Reservoir 1 erstreckt. Für die dargestellte Ausführung ist die Ventilvorrichtung 8 als schaltbares 3/2-Wegeventil ausgebildet, das dazu dient, in einer ersten Stellung für den Normalbetrieb eine fluidische Verbindung zwischen dem Reservoir 1 und der Speisepumpe 2 herzustellen. In dieser ersten Stellung ist die Entleerpumpe 6 vom fluidischen Kreis der Dampfkreisprozessvorrichtung getrennt.
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In einer zweiten Stellung der Ventilvorrichtung 8 wird eine fluidische Verbindung zwischen der Entleerpumpe 8 und der Speisepumpe 2 hergestellt. Diese zweite Stellung wird von einer zugeordneten Steuereinrichtung 9, die zugleich den Betrieb der Entleerpumpe 6 steuert und/oder regelt, vorgenommen, nachdem die Dampfkreisprozessvorrichtung stillgesetzt wurde. Dadurch ist es möglich, mittels der Entleerpumpe 6 insbesondere die Speisepumpe 2 sowie den daran anschließenden fluidischen Kreislauf der Dampfkreisprozessvorrichtung zu entleeren, wobei des abgezogene Arbeitsmittel über die Bypassleitung 7 dem Reservoir 1 zugeführt wird.
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Durch die Entleerpumpe 6 wird das Arbeitsmittel aus den frostgefährdeten Bereichen der Dampfkreisprozessvorrichtung abgeführt. Dadurch kann ein bei tiefen Außentemperaturen gefrierendes Arbeitsmittel, beispielsweise Wasser, verwendet werden, ohne dass Zusätze zur Frostschutzsicherung notwendig sind. Dabei wird angenommen, dass das Arbeitsmittel im Reservoir 1 bei einem langen Anlagenstillstand und tiefen Umgebungstemperaturen gefrieren kann ohne das Reservoir 1 zu beschädigen.
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Um sicherzugehen, dass keine Reste flüssigen Arbeitsmittels durch fortschreitende Kondensation nach dem Abschalten in der Dampfkrelsprozessvorrichtung verbleiben, wird besonders bevorzugt die Entleerpumpe mehrfach mit zwischenliegenden Ruhephasen aktiviert. Hierzu besteht vorzugsweise eine wenigstens mittelbare Verbindung zwischen der Steuereinrichtung 9 und einem Temperatursensor 10 zur Messung der Temperatur einzelner Komponenten der Dampfkreisprozessvorrichtung und/oder der Umgebungstemperatur. Auf diese Weise wird des Kondensat des Restdampfs, das sich im Verlauf der Abkühlung der Dampfkreisprozessvorrichtung bildet, ins Reservoir 1 zurückgeführt. Dieses zeitlich versetzte oder mehrfach ausgeführte Absaugen des Restmediums kann zeit- und/oder temperaturgesteuert durchgeführt werden.
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Des Weiteren ist die der Entleerpumpe 6 zugeordnete Steuereinrichtung 9, die auch der Schaltung der Ventilvorrichtung 8 dient, als autarke Einheit gestaltet, um das sichere Stillsetzen der Dampfkrelsprozessvorrichtung auch im Fell eines Systemfehlers in einer übergeordneten Steuereinrichtung zu garantieren. Dabei wird eine separate Leistungsversorgung durch eine direkte Verbindung der Steuereinrichtung 9 mit einer Batterie 11 des Fahrzeugs bevorzugt.
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Die Entleerpumpe 6 nimmt nicht am Normalbetrieb der Dampfkreisprozessvorrichtung teil, sodass keine Notwendigkeit besteht, diese auf die typischerweise hohen Systemdrücke auszulegen. Entsprechend kann eine kleinbauende, jedoch robuste Pumpengestaltung für die Entleerpumpe 6 gewählt werden. Besonders bevorzugt ist eine Ausbildung als Trockenlaufpumpe, die zudem zusätzlich frostsicher ist. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Speisepumpe 2 für den Normalbetrieb der Dampfkreisprozessvorrichtung der Ihr zugeordneten Aufgabe anzupassen, nämlich diese als unidirektionale Pumps für hohe Betriebsdrücke mit variablen Fördervolumen auszulegen. Entsprechend besteht keine Notwendigkeit, die Speisepumpe 2 frostsicher oder trockenlauffähig auszubilden. Den Flüssigkeitsabzug nach dem Stillsetzen sichert die Entleerpumpe 6.
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Zusätzlich ist die Entleerpumpe 6 vorzugsweise reversierbar angelegt, sodass sie aus dem Reservoir 1 zum Starten der Dampfkreisprozessvorrichtung Arbeitsmittel der Speisepumpe 2 zuführt, bis diese hinreichend geflutet ist und selbst den Betrieb aufnehmen kann. Für eine alternative Ausgestaltung ist die Entleerpumpe 6 vereinfacht als unidirektionale Pumps ausgebildet und die Flutung der Speisepumpe 2 erfolgt durch eine zusätzliche, im Einzelnen nicht dargestellte Ventilvorrichtung, die die Richtungsumkehr für die Strömung des Arbeitsmittels sicherstellt. Die Steuerung der Pumprichtung kann wiederum temperaturabhängig erfolgen, wobei als Regelgröße beispielsweise das Arbeitsmittelvolumen im bevorzugt beheizbaren Reservoir 1 herangezogen wird.
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2 zeigt eine Weitergestaltung der Erfindung mit einer ersten Ventilvorrichtung 8.1, mittels der eine fluidische Verbindung von der Entleerpumpe 6 zur Speisepumpe 2 herstellbar ist, und einer zweite Ventilvorrichtung 8.2, die eine direkte Verbindung zwischen der Entleerpumpe 6 und dem Verdampfer 3 schaltet. Durch diese Maßnahme besteht die Möglichkeit, den Verdampfer 3 nach dem Stillsetzen der Dampfkreisprozessvorrichtung separat über die Entleerpumpe 6 zu entleeren.
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Für eine im Einzelnen nicht dargestellte Ausgestaltungsalternative ist eine weitere, schaltbare fluidische Verbindung zwischen dem Expander 3 und dem Reservoir 1 vorgesehen, sodass für den Kaltstart die zweite Ventilvorrichtung 8.2 so eingestellt werden kann, dass die Entleerpumpe 6 eine Zirkulation des Arbeitsmittels aus dem Reservoir 1 durch den Verdampfer 3 und zurück zum Reservoir 1 bewirkt, um zunächst eine gewisse Grundtemperatur im Reservoir 1 und in daran anschließenden Bereichen sicherzustellen. Dabei ist es möglich dem Reservoir 1 eine Heizeinrichtung 14 zuzuordnen, die im Falle eines gefrorenen Arbeitsmittels im Reservoir 1 einen Teil des Arbeitsmittels verflüssigt. Dieses wird dann über die Speisepumpe 2 zum Verdampfer 3 geführt und dort beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 13 weiter erwärmt, sodass erhitztes, jedoch noch flüssiges Arbeitsmittel dem Reservoir 1 zugeführt werden kann. Alternativ zu einer separaten Heizeinrichtung 14 im Reservoir 1 ist die Nutzung einer im Einzelnen nicht dargestellten externen Wärmequelle zur Grundtemperierung des Reservoirs 1 denkbar. Hierfür kommt insbesondere eine Einbindung in den Motorkühlkreislauf in Frage, wobei vorzugsweise beim Normalbetrieb eine Möglichkeit zur Abtrennung der Wärmezufuhr zum Reservoir 1 gegeben ist. Auch eine Bypassverbindung zur schaltbaren Zuleitung des Abgasstroms zu einem Kanalsystem im Mantel des Reservoirs 1 ist eine mögliche Variante. Denkbar sind auch weitere Wärmequellen in Form von Vorheiz- und Zuheizgeräten oder Latentwärmespeichern.
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Weitere Ausgestaltungen im Rahmen der nachfolgenden Schutzansprüche sind denkbar. Dabei können weitere Komponenten der Dampfkreisprozessvorrichtung, etwa ein Sumpf im Expander 4, in dem sich das durch Blow-by eingetragene Arbeitsmittel sammelt, oder der Kondensator zur sicheren Entleerung nach dem Stillsetzer der Anlage mit der Entleerpumpe verbunden werden. Dabei ist die erfindungsgemäße Entleerpumpe in einer schaltbaren Bypassleitung auch für Dampfkreisprozessvorrichtungen vorgesehen die im Normalbetrieb eine dem Kondensator nachgeschaltete Kondensatpumpe verwenden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reservoir
- 2
- Speisepumpe
- 3
- Verdampfer
- 4
- Expander
- 5
- Kondensator
- 6
- Entleerpumpe
- 7
- Bypassleitung
- 8
- Ventilanordnung
- 8.1
- erste Ventilanordnung
- 8.2
- zweite Ventilanordnung
- 9
- Steuereinrichtung
- 10
- Temperatursensor
- 11
- Batterie
- 12
- Abgasstrom
- 13
- Verbrennungskraftmaschine
- 14
- Heizeinrichtung
