DE102010054736A1

DE102010054736A1 - Steam power plant for motor car, has device arranged in closed circuit such that device detects leakage of closed circuit in rest state of power plant, where device comprises pressure sensor and temperature sensor

Info

Publication number: DE102010054736A1
Application number: DE201010054736
Authority: DE
Inventors: Dr. Streule Thomas; Dipl.-Ing. Alexander (FH) Kropp; Dipl.-Ing. Jung Manuel; Eugen Krebs
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-06-21

Abstract

The power plant (1) has a pump (2), an expansion machine (3), a vaporizer (4) and a capacitor (5) arranged in a closed circuit. A device (8) is arranged in the closed circuit such that the device detects leakage of the closed circuit in a rest state of the power plant, where the device comprises a pressure sensor (9) and a temperature sensor. The vaporizer is connected with a heat source (6) while the capacitor is coupled with a condenser (7). The pressure sensor is arranged between the expansion machine and the capacitor. An independent claim is also included for a method for detecting leakage in a closed circuit of a steam power plant.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine nach dem Rankine-Prozess arbeitende Dampfkraftanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem geschlossenen, d. h. von der Umgebung hermetisch getrennten, Kreislauf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Erfassen einer Undichtigkeit in einem geschlossenen, d. h. von der Umgebung hermetisch getrennten Kreislauf einer nach dem Rankine-Prozess arbeitenden Dampfkraftanlage für ein Kraftfahrzeug.The present invention relates to a Rankine process working steam turbine for a motor vehicle with a closed, d. H. hermetically isolated from the environment, according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for detecting a leak in a closed, d. H. hermetically separated from the environment cycle of a Rankine process working steam power plant for a motor vehicle.

Der Rankine-Prozess ist ein thermodynamischer Kreisprozess, in welchem zunächst mechanische Energie erzeugt wird, indem ein Arbeitsmittel, meistens Wasser, aber auch beispielsweise Ammoniak, abwechselnd bei niedrigem Druck kondensiert und bei hohem Druck verdampft wird. Der Druck wird von einer Pumpe durch Aufwand von Arbeit aufgebracht und in einer Expansionsmaschine, beispielsweise einer Turbine, unter Abgabe von Arbeit abgebaut. Das Arbeitsmittel, das heißt der Dampf, ist dabei in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Undichtigkeiten innerhalb dieses Kreislaufes beeinflussen den Wirkungsgrad und die Funktionsweise der nach dem Rankine-Prozess arbeitenden Dampfkraftanlage erheblich. Eine Undichtigkeit bzw. ein Leck ist ein Loch in einem Produkt oder in technischen Systemen, durch das Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase unerwünscht ein- oder austreten können. Ein Leck kann zum Ausfall eines gesamten technischen Systems führen. Ein Maß für die Größe eines Lecks ist die Leckrate.The Rankine process is a thermodynamic cycle in which mechanical energy is first generated by condensing a working fluid, usually water, but also, for example, ammonia, alternately at low pressure and evaporating at high pressure. The pressure is applied by a pump through labor and in an expansion machine, such as a turbine, dismantled under work. The working fluid, ie the steam, is guided in a closed circuit. Leaks within this cycle significantly affect the efficiency and operation of the Rankine process steam turbine. A leak or leak is a hole in a product or technical system that can cause solids, liquids or gases to enter or exit the system. A leak can lead to the failure of an entire technical system. A measure of the size of a leak is the leak rate.

Aus der DE 195 21 791 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen von Betriebsstörungen in einer Kraftstoffeinspritzanlage bekannt, bei dem von einer Druckpumpe Kraftstoff in eine Druckversorgungsleitung gefördert und Zylindern einer Brennkraftmaschine zugeordneten Düsen zur Einspritzung zugeführt wird. Zwischen dem Ende einer Einspritzung und dem Beginn der Förderung oder zwischen dem Ende einer Förderung und dem Beginn einer Einspritzung wird jeweils an zumindest zwei vorgegebenen Zeitpunkten ein anliegender Druck erfasst oder im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine bei abgeschalteten Düsen und Nullförderung der Hochdruckpumpe der an mindestens zwei vorgegebenen Zeitpunkten jeweils anliegende Druck erfasst und jeweils die ermittelte Druckdifferenz erst bei Überschreiten eines definierten Grenzwertes als Störung angezeigt. Hierdurch soll eine sichere Kontrolle über auftretende Undichtigkeiten von Komponenten in der Kraftstoffeinspritzanlage ermöglicht werden.From the DE 195 21 791 A1 For example, a method for detecting malfunctions in a fuel injection system is known, in which fuel is conveyed by a pressure pump into a pressure supply line and supplied to cylinders of an internal combustion engine with associated nozzles for injection. Between the end of an injection and the beginning of the promotion or between the end of a promotion and the beginning of an injection an applied pressure is detected at least two predetermined times or in overrun of the internal combustion engine with shutdown nozzles and zero promotion of the high pressure pump at at least two predetermined times each applied pressure detected and each detected the pressure difference only when a defined limit is exceeded as a fault. As a result, a safe control over occurring leaks of components in the fuel injection system to be made possible.

Aus der JP 2008169731 A ist eine Dampfkraftanlage bekannt, bei welcher ein Dampfleck durch den Vergleich von Arbeitsleistungen detektiert wird.From the JP 2008169731 A a steam power plant is known in which a steam leak is detected by comparing work performance.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine nach dem Rankine-Prozess arbeitende Dampfkraftanlage der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform einer Undichtigkeitsüberwachung anzugeben, die sich insbesondere durch eine hohe Funktionssicherheit auszeichnet.The present invention is concerned with the problem of providing an improved or at least one alternative embodiment of a leakage monitoring system for a steam power plant of the generic type operating according to the Rankine process, which is characterized in particular by a high degree of functional reliability.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer nach dem Rankine-Prozess arbeitenden Dampfkraftanlage mit einer in einem geschlossenen, d. h. von der Umgebung hermetisch getrennten Kreislauf angeordneten Pumpe, einer Expansionsmaschine, einem Verdampfer und einem Kondensator, zumindest eine Einrichtung vorzusehen, die derart ausgebildet ist, dass sie im Ruhezustand der Dampfkraftanlage eine Undichtigkeit des geschlossenen Kreislaufs erfassen kann. Eine derartige Einrichtung kann beispielsweise einen handelsüblichen Drucksensor aufweisen. Die aus dem Stand der Technik bekannte Dampfkraftanlage ist zur Erfassung von Druckverlusten bei Stillstand nicht in der Lage, da sie die Undichtigkeit ausschließlich über unterschiedliche Arbeitsleistungen und damit ausschließlich während des Betriebs der Dampfkraftanlage zu erfassen vermag. Generell ist es hierbei denkbar, dass zur Erfassung einer Undichtigkeit ein bereits vorhandener Drucksensor mitbenutzt wird, so dass keine konstruktiven Änderungen erforderlich sind. Mit dem erfindungsgemäßen Drucksensor, das heißt mit der erfindungsgemäßen zumindest einen Einrichtung, kann somit während des Stillstands der Dampfkraftanlage zuverlässig detektiert werden, ob der geschlossene Rankine-Kreislauf dicht ist, wobei bei einer erkannten Undichtigkeit beispielsweise ein entsprechendes Signal erzeugt oder ein Starten der Dampfkraftanlage ohne eine vorherige Überprüfung unterbunden wird. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann somit eine Dampfkraftanlage geschaffen werden, deren Funktionssicherheit die heutiger Dampfkraftanlagen deutlich übersteigt.The present invention is based on the general idea of working in a Rankine process steam turbine with a closed, d. H. Provided by the environment hermetically separate circuit arranged pump, an expansion machine, an evaporator and a condenser, at least one device which is designed such that it can detect a leakage of the closed circuit in the idle state of the steam power plant. Such a device may for example have a commercially available pressure sensor. The known from the prior art steam power plant is not capable of detecting pressure losses at standstill, as it is able to detect the leak exclusively on different performance and thus exclusively during operation of the steam power plant. In general, it is conceivable that an already existing pressure sensor is shared to detect a leak, so that no structural changes are required. With the pressure sensor according to the invention, that is with the invention at least one device can thus be reliably detected during standstill of the steam power plant, whether the closed Rankine cycle is tight, with a detected leak, for example, generates a corresponding signal or starting the steam power plant without a previous check is prevented. With the device according to the invention thus a steam power plant can be created, the reliability significantly exceeds today's steam power plants.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, weist die Einrichtung mehr als einen Drucksensor auf, der an unterschiedlichen Positionen angeordnet sein kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, die Drücke in einzelnen, im Ruhezustand drucktechnisch voneinander abgetrennten Bereichen, zu erfassen und dadurch insbesondere auch den Ort einer Undichtigkeit genau zu lokalisieren. Durch die Lokalisierung einer möglichen undichten Stelle kann eine Reparatur schneller und effektiver ausgeführt werden.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, the device has more than one pressure sensor, which can be arranged at different positions. For example, it may be provided to detect the pressures in individual areas, which are separated from one another by pressure in the resting state, and thus to precisely locate the location of a leak, in particular. By locating a potential leak, repairs can be made faster and more effectively.

Zweckmäßig weist die Einrichtung zumindest einen Drucksensor und zumindest einen Temperatursensor auf. In dieser verbesserten Ausführungsform werden somit neben einem oder mehreren Drucksensoren auch ein oder mehrere Temperatursensoren genutzt, um Druckänderungen zu berücksichtigen, die aufgrund von Temperaturschwankungen, insbesondere der Umgebung, erzeugt werden. Hiermit kann die Erkennung einer undichten Stelle bereits bei geringeren Änderungen im Druck zuverlässig und sicher erkannt werden und zwar unabhängig von Druckänderungen, die von Änderungen der Umgebungstemperatur herrühren. The device expediently has at least one pressure sensor and at least one temperature sensor. In this improved embodiment, therefore, in addition to one or more pressure sensors, one or more temperature sensors are used to take account of pressure changes that are generated due to temperature fluctuations, in particular the environment. Hereby, the detection of a leak can be reliably and reliably detected even with minor changes in pressure, regardless of pressure changes resulting from changes in ambient temperature.

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

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 den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Dabei zeigen, jeweils schematisch:In each case show schematically:

1 eine erfindungsgemäße Dampfkraftanlage mit insgesamt vier Drucksensoren, 1 a steam power plant according to the invention with a total of four pressure sensors,

2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einem Drucksensor und einem Temperatursensor, 2 a representation like in 1 but with a pressure sensor and a temperature sensor,

3 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit nur zwei Drucksensoren. 3 a representation like in 1 , but with only two pressure sensors.

Entsprechend den 1–3, weist eine erfindungsgemäße nach dem Rankine-Prozess arbeitende Dampfkraftanlage 1 eine Pumpe 2, eine Expansionsmaschine 3, einen Verdampfer 4 sowie einen Kondensator 5 auf, die allesamt in einem gemeinsamen, geschlossenen, d. h. von der Umgebung hermetisch getrennten Kreislauf angeordnet sind. Der Verdampfer 4 ist dabei mit einer Wärmequelle 6 verbunden, wogegen der Kondensator 5 mit einem Kühler 7 gekoppelt ist.According to the 1 - 3 , Has a according to the invention the Rankine process working steam power plant 1 a pump 2 , an expansion machine 3 , an evaporator 4 and a capacitor 5 all of which are arranged in a common, closed circuit, ie hermetically separated from the environment. The evaporator 4 is with a heat source 6 connected, whereas the capacitor 5 with a cooler 7 is coupled.

Erfindungsgemäß ist nun in dem Kreislauf zumindest eine Einrichtung 8 angeordnet, die derart ausgebildet ist, dass sie im Ruhezustand der Dampfkraftanlage 1 eine Undichtigkeit des geschlossenen Kreislaufs erfassen kann. Diese Einrichtung 8 kann zumindest einen Drucksensor 9 aufweisen, der in der Lage ist, einen Druckverlust während des Stillstandes der Dampfkraftanlage 1 zu detektieren und bei Unterschreiten eines kritischen Grenzwertes ein entsprechendes Signal zu erzeugen. Dieses Signal kann an eine nicht gezeigte Steuereinrichtung weitergegeben werden, welche insbesondere eine Störmeldung anzeigt und/oder ein erneutes Starten der Dampfkraftanlage 1 erst nach einer Überprüfung erlaubt.According to the invention, at least one device is now in the circuit 8th arranged, which is designed such that they are in the idle state of the steam power plant 1 detect a leak in the closed circuit. This device 8th can at least one pressure sensor 9 which is capable of a pressure loss during the stoppage of the steam power plant 1 to detect and produce a corresponding signal when falling below a critical limit. This signal can be forwarded to a control device, not shown, which in particular indicates a fault message and / or a restart of the steam power plant 1 only allowed after a review.

Gemäß der 1 sind dabei beispielhaft vier Positionen dargestellt, an denen der mindestens eine Drucksensor 9 angeordnet sein kann und zwar jeweils zwischen dem Verdampfer 4 und der Expansionsmaschine 3, zwischen der Expansionsmaschine 3 und dem Kondensator 5, zwischen dem Kondensator 5 und der Pumpe 2 sowie zwischen der Pumpe 2 und dem Verdampfer 4. Das Vorsehen von mehreren Drucksensoren 9 ist dabei insbesondere dann von großem Vorteil, wenn im Ruhezustand der Dampfkraftanlage 1 unterschiedliche Bereiche des Kreislaufs druckdicht voneinander abtrennbar sind. Zugleich ermöglicht die Anordnung mehrerer Drucksensoren 9 eine vereinfachte Lokalisierung einer Undichtigkeit im Kreislauf. Ermittelt beispielsweise ein Drucksensor 9 zwischen der Expansionsmaschine 3 und der Pumpe 2 einen ungewöhnlichen und über einen kritischen Grenzwert hinausgehenden Druckabfall und ist zudem der Kreislauf an der Expansionsmaschine 3 und an der Pumpe 2 unterbrochen und hermetisch abgedichtet, so muss sich eine undichte Stelle zwischen der Expansionsmaschine 3 und der Pumpe 2 befinden. Durch die Unterteilung des Kreislaufes in kleinere, druckdicht voneinander abgetrennte Abschnitte, lässt sich eine Undichtigkeit zudem leichter detektieren, da im Vergleich zu einem deutlich größeren System auch geringe Undichtigkeit bereits zu einem signifikanten und detektierbaren Druckabfall führen.According to the 1 are exemplified four positions, where the at least one pressure sensor 9 can be arranged, in each case between the evaporator 4 and the expansion machine 3 , between the expansion machine 3 and the capacitor 5 , between the capacitor 5 and the pump 2 and between the pump 2 and the evaporator 4 , The provision of multiple pressure sensors 9 is particularly of great advantage when in the idle state of the steam power plant 1 different areas of the circuit pressure-tight can be separated from each other. At the same time allows the arrangement of several pressure sensors 9 a simplified localization of a leak in the circulation. Detects, for example, a pressure sensor 9 between the expansion machine 3 and the pump 2 an unusual and over a critical limit beyond pressure drop and is also the cycle on the expansion machine 3 and at the pump 2 interrupted and hermetically sealed, so must be a leak between the expansion machine 3 and the pump 2 are located. By dividing the circuit into smaller, pressure-tight separated sections, a leak can also be detected more easily, since compared to a much larger system even small leaks already lead to a significant and detectable pressure drop.

Gemäß der 2 weist die Dampfkraftanlage 1 zwischen der Expansionsmaschine 3 und dem Kondensator 5 einen Drucksensor 9 und dazu zusätzlich einen Temperatursensor 10 auf. Durch einen derartigen Temperatursensor 10 ist man in der Lage, Druckänderungen zu berücksichtigen, die von Temperaturschwankungen der Umgebung oder von der Abkühlung des Arbeitsmediums im Ruhezustand herrühren und keine Ursache in einer Undichtigkeit des geschlossenen Kreislaufs haben. Vorteil dieser Anordnung eines Temperatursensors 10 zusätzlich zum Drucksensor 9 ist, dass die von den Temperaturschwankungen herrührenden Druckänderungen dadurch berücksichtigt werden können, so dass eine äußerst genaue Erfassung einer Undichtigkeit möglich ist.According to the 2 has the steam power plant 1 between the expander 3 and the capacitor 5 a pressure sensor 9 and in addition a temperature sensor 10 on. By such a temperature sensor 10 One is able to take into account pressure changes that result from temperature fluctuations of the environment or from the cooling of the working fluid at rest and have no cause in a leak of the closed circuit. Advantage of this arrangement of a temperature sensor 10 in addition to the pressure sensor 9 is that the pressure variations resulting from the temperature fluctuations can thereby be taken into account, so that a highly accurate detection of a leak is possible.

Gemäß der 3 ist eine Dampfkraftanlage 1 gezeigt, mit insgesamt zwei Drucksensoren 9, und zwar jeweils einem zwischen der Expansionsmaschine 3 und dem Kondensator 5 sowie zwischen der Pumpe 2 und dem Verdampfer 4. Die Expansionsmaschine 3 kann beispielsweise als Turbine ausgebildet sein.According to the 3 is a steam power plant 1 shown, with a total of two pressure sensors 9 , one each between the expansion machine 3 and the capacitor 5 and between the pump 2 and the evaporator 4 , The expansion machine 3 can be configured for example as a turbine.

Mit der erfindungsgemäßen Dampfkraftanlage 1 und insbesondere mit der im Kreislauf angeordneten Einrichtung 8 ist es erstmals möglich, eine Undichtigkeit des geschlossenen von der Umgebung hermetisch getrennten Kreislaufs im Ruhezustand der Dampfkraftanlage 1 zuverlässig und sicher und insbesondere bei Vorhandensein eines Temperatursensors 9 auch unabhängig von äußeren Umgebungstemperaturänderungen zu detektieren, wodurch die Überwachung der erfindungsgemäßen Dampfkraftanlage und damit auch deren Funktionssicherheit auf ein neues Niveau angehoben werden können. Dies war bei bisher nach dem Rankine-Prozess arbeitenden Dampfkraftanlagen nicht möglich.With the steam power plant according to the invention 1 and in particular with the device arranged in the circuit 8th For the first time it is possible, a leak of the closed circuit hermetically separated from the environment in the idle state of the steam power plant 1 reliable and safe and especially in the presence of a temperature sensor 9 Detect independently of external ambient temperature changes, whereby the monitoring of the steam power plant according to the invention and thus their reliability can be raised to a new level. This was not possible with steam power plants that used to operate on the Rankine process.

Selbstverständlich können der Temperatursensor 10 und/oder der Drucksensor 9 auch anderweitig angeordnet werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Alle Sensoren 9, 10 erlauben jedoch einen Druckabfall bei ruhender, das heißt stillstehender Dampfkraftanlage 1 zu erfassen.Of course, the temperature sensor 10 and / or the pressure sensor 9 be arranged otherwise, without departing from the scope of the invention. All sensors 9 . 10 However, allow a pressure drop at dormant, that is stationary steam power plant 1 capture.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: DampfkraftanlageSteam power plant
22: Pumpepump
33: Expansionsmaschineexpander
44: VerdampferEvaporator
55: Kondensatorcapacitor
66: Wärmequelleheat source
77: Kühlercooler
88th: EinrichtungFacility
99: Drucksensorpressure sensor
1010: Temperatursensortemperature sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19521791 A1 [0003]
JP 2008169731 A [0004]

Claims

After the Rankine process working steam power plant ( 1 ) for a motor vehicle with a pump arranged in a closed circuit ( 2 ), Expansion machine ( 3 ), Evaporator ( 4 ) and capacitor ( 5 ), characterized in that at least one device ( 8th ) is arranged, which is designed such that in the idle state of the steam power plant ( 1 ) detects a leak in the closed circuit.

Steam power plant according to claim 1, characterized in that the device ( 8th ) at least one pressure sensor ( 9 ) having.

Steam power plant according to claim 2, characterized in that the device ( 8th ) at least one temperature sensor ( 10 ) having.

Steam power plant according to one of claims 1 to 3, characterized in that - the closed circuit at rest is subdivided into several areas which are hermetically sealed in itself and that - the device ( 8th ) in at least one of these areas at least one pressure sensor ( 9 ) having.

Steam power plant according to one of claims 1 to 4, characterized in that the device ( 8th ) at least two pressure sensors ( 9 ) and one in the flow direction between the expansion machine ( 3 ) and the capacitor ( 5 ) and one between the pump ( 2 ) and the evaporator ( 4 ).

Method for detecting a leak in a closed circuit of a Rankine process steam power plant ( 1 ) for a motor vehicle, with a pump ( 2 ), an expansion machine ( 3 ), an evaporator ( 4 ) and a capacitor ( 5 ), characterized in that in the case of a pressure sensor arranged in the circuit ( 9 ) in the idle state of the steam power plant ( 1 ) detects a pressure drop and thus a leak is determined.

Method according to claim 6, characterized in that for this purpose a temperature sensor ( 10 ) a change in temperature of the environment at rest of the steam power plant ( 1 ) is detected and this temperature change is attributed to a corresponding pressure change.

A method according to claim 6 or 7, characterized in that when the detected pressure drop is greater than a temperature-related pressure change plus a tolerance, a pressure loss due to a leak is detected.

A method according to claim 8, characterized in that when a detected leak, a corresponding signal is generated.

Method according to one of claims 6 to 9, characterized in that a starting of the steam power plant ( 1 ) is prevented without a prior check of the tightness.