DE102010063701B4

DE102010063701B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme einer Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: DE102010063701B4
Application number: DE102010063701.7A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Stegmaier; Manfred Schmitt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: DE102010063701A1; WO2012084922A1

Abstract

Verfahren zur Nutzung von Abwärme (A) einer Wärmekraftmaschine (12), wobei ein Arbeitsfluid (B) mittels der Abwärme (A) der Wärmekraftmaschine (12) erhitzt und verdampft und nachfolgend einer Expansionskraftmaschine (16) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Betriebszustände der Wärmekraftmaschine (12) jeweils die bezüglich der Nutzleistung der Expansionskraftmaschine (16) betriebsoptimalen Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) des der Expansionskraftmaschine (16) zugeführten Arbeitsfluids (B) ermittelt und gespeichert werden und dass im Betrieb der Wärmekraftmaschine (12) der jeweilige Betriebszustand der Wärmekraftmaschine (12) bestimmt wird und dann Druck (p) und Temperatur (T) des der Expansionsmaschine (16) zugeführten Arbeitsfluids (B) auf diejenigen bezüglich der Nutzleistung der Expansionsmaschine betriebsoptimalen Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) geregelt werden, die zum jeweils bestimmten Betriebszustand gespeichert sind.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Nutzung von Abwärme einer Wärmekraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1 und von einer zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Vorrichtung nach der Gattung des Anspruchs 6.
Aus der DE 10 2005 061 214 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem zur Optimierung der Nutzleistung der Expansionsmaschine in einem Clausius-Rankine-Kreisprozess ein für die Erhitzung und Verdampfung des Arbeitsfluids genutzter Abwärmestrom sowie ein der Expansionsmaschine zugeführter Arbeitsfluidstrom geregelt werden. Bei dieser Regelung werden allerdings lediglich Teilaspekte des Kreisprozesses optimiert, so dass die Expansionsmaschine nicht am optimalen Betriebspunkt betrieben wird.
In der EP 1 443 183 A1 und in der DE 10 2007 062 580 A1 sind jeweils Abwärmenutzungssysteme mit einem Rankine-Kreisprozess gezeigt, bei denen eine Optimierung des Gesamtwirkungsgrads des Systems erfolgt.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend weiterzubilden, dass in allen unterschiedlichen Betriebszuständen der Wärmekraftmaschine die Expansionsmaschine mit der optimalen Nutzleistung betrieben werden kann.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 6 gelöst.
Erfindungsgemäß wird also eine konkrete Betriebsstrategie zur Nutzung der Abwärme einer Wärmekraftmaschine angegeben, die einen nutzleistungsoptimierten Betrieb der Expansionskraftmaschine ermöglicht. Insgesamt können der Wirkungsgrad insgesamt sowie der genutzte Wärmestrom des Arbeitsfluids optimal eingestellt werden. Dadurch kann die Expansionsmaschine bei unterschiedlichen Betriebszuständen (Lastfällen) der Wärmekraftmaschine, wie sie beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs auftreten, mit verbesserter bzw. optimaler Nutzleistung betrieben werden. Die vom jeweiligen Betriebszustand abhängigen optimalen Druck- und Temperaturwerte können als Kennfeld bzw. Kennfelder gespeichert sein. Der jeweilige Betriebszustand der Wärmekraftmaschine kann im Betrieb auf Grundlage von charakteristischen Betriebsparametern der Wärmekraftmaschine, wie Abgastemperatur, Abgasmassenstrom, Drehzahl und/oder Drehmoment, auf einfache Weise bestimmt werden.
Die Temperatur des Arbeitsfluids als Regelgröße wird vorzugsweise durch Verstellen der Förderleistung einer das Arbeitsfluid zum Wärmetauscher fördernden Pumpe geregelt. Der Druck des der Expansionsmaschine zugeführten Arbeitsfluids wird vorzugsweise durch eine Verstellung der Expansionskraftmaschine geregelt. Dies kann durch eine Drehzahlregelung bei Kolbenmaschinen oder durch eine Verstellung des Leitapparats bei Dampfturbinen erfolgen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Figurenliste
Nachstehend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung anhand eines in der Zeichnung stark schematisiert wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Nutzung von Abwärme einer Wärmekraftmaschine; und
2 eine Betriebscharakteristik der erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen ausgewählten Betriebszustand der Wärmekraftmaschine.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles
In 1 ist ein stark schematisiertes Blockschaltbild einer Vorrichtung 10 zum Nutzen von Abwärme einer z.B. als Verbrennungsmotor ausgebildeten Wärmekraftmaschine 12 gezeigt.
Die nach dem so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozess arbeitende Vorrichtung 10 umfasst einen Wärmetauscher 14, in dem die Abwärme A der Wärmekraftmaschine 12 auf ein Arbeitsfluid B übertragen wird, welches dadurch erhitzt und verdampft wird. Das verdampfte Arbeitsfluid B wird einer Expansionsmaschine 16 zugeführt, durch welche die im verdampften Arbeitsfluid B enthaltene Energie zumindest teilweise in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Der Expansionsmaschine 16 ist ein Kondensator 18 nachgeschaltet, in der. das aus der Expansionsmaschine 16 herausgeführte entspannte Arbeitsfluid B kondensiert wird. Das flüssige Arbeitsfluid B wird danach von einer Pumpe 20 wieder auf das für eine Verdampfung erforderliche Druckniveau angehoben und erneut dem Wärmetauscher 14 zugeführt, so dass das Arbeitsfluid B insgesamt in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird.
Die Vorrichtung 10 weist zur Regelung des Dampfdrucks p und der Dampftemperatur T des der Expansionsmaschine 16 zugeführten dampfförmigen Arbeitsfluids B eine Regeleinrichtung 22 auf, die eine Vorsteuerung 24, einen Datenspeicher 26 sowie einen Regler 28 für den Dampfdruck und einen Regler 30 für die Dampftemperatur des der Expansionsmaschine 16 zugeführten Arbeitsfluids B aufweist.
Als primäre Eingangsgrößen der Vorsteuerung 24 dienen charakteristische Betriebsparameter 32 der Wärmekraftmaschine 12, wie zum Beispiel Abgasmassenstrom, Abgastemperatur, Drehmoment und/oder Drehzahl. Die Vorsteuerung 24 bestimmt auf Grundlage der charakteristischen Betriebsparameter 32 den jeweiligen Betriebszustand der Wärmekraftmaschine 12 und ordnet diesem Betriebszustand die bezüglich der Nutzleistung der Expansionskraftmaschine 16 betriebsoptimalen Dampfdruck- und Dampftemperaturwerte p_opt, T_opt für das Arbeitsfluid B zu. Diese Zuordnung erfolgt anhand von im Datenspeicher 26 für eine Vielzahl von in der Praxis typischerweise anzutreffenden Betriebszuständen (Lastfällen) der Wärmekraftmaschine 12 hinterlegten Kennfeldern des Kreisprozesses. Bei der Bestimmung des optimalen Dampfdruckwerts p_opt des Arbeitsfluids B kann von der Vorsteuerung 24 auch ein im Kondensator 18 ausgangsseitig herrschender Kondensatordruck 34 des Arbeitsfluids B berücksichtigt werden, weil dieser zusammen mit dem Dampfdruck das nutzbare Druckverhältnis und den erreichbaren Dampfkreiswirkungsgrad festlegt. Die so bestimmten optimalen Dampfdruck- und Dampftemperaturwerte p_opt, T_opt werden von der Vorsteuerung 24 als Sollgrößen 36, 38 an die jeweiligen Regler 28, 30 ausgegeben.
Der Dampfdruckregler 28 umfasst einen Drucksensor 40 zur Druckerfassung des der Expansionsmaschine 16 zugeführten dampfförmigen Arbeitsfluids B und regelt über eine Verstelleinrichtung der Expansionsmaschine 16, vorzugsweise über die Drehzahl, den Dampfdruck des Arbeitsfluids B auf den betriebsoptimalen Dampfdruckwert p_opt. Der Dampftemperaturregler 30 umfasst einen Temperatursensor 42 zur Temperaturerfassung des der Expansionsmaschine 12 zugeführten Arbeitsfluids B und regelt über den Förderstrom der Pumpe 20 die Temperatur des Arbeitsfluids B auf den optimalen Dampftemperaturwert T_opt.
Die Regeleinrichtung 22 mit Vorsteuerung 24 und Reglern 28, 30 ermöglicht es, schnell auf wechselnde Betriebszustände der Wärmekraftmaschine 12 reagieren zu können, ohne dabei zu hohe Regelkreisverstärkungen realisieren zu müssen, die zur Instabilität neigen. Hierdurch werden insgesamt eine hohe Regelgüte und ein stabiles Systemverhalten erreicht.
In 2 sind der Wirkungsgrad (Eta) 50 des Kreisprozesses, die in dem Kreisprozess übertragene Wärme 52 (angegeben als Wärmestrom Q̇) sowie die sich aus diesen Größen ergebende Nutzleistung 54 der Expansionsmaschine 16 in Abhängigkeit von dem Dampfdruck p (Prozessdruck) des der Expansionsmaschine 16 zugeführten Arbeitsfluids B beispielhaft für einen bestimmten Betriebszustand (Lastfall) der Wärmekraftmaschine 12 gezeigt.
Während mit steigendem Druck p des Arbeitsfluids B der Wirkungsgrad 50 des Kreisprozesses ansteigt, sinkt die in den Kreisprozess übertragene bzw. übertragbare Wärme 52. Aus dem gegenläufigen Verhalten dieser beiden Größen ergibt sich für den in 2 gezeigten Betriebszustand der Wärmekraftmaschine 12 ein Nutzleistungsmaximum 56 bei einem optimalen Dampfdruck p_opt des Arbeitsfluids B von ca. 18 bar. Dieser optimale Dampfdruck p_opt wird von der Vorsteuerung 24 als Sollgröße 36 an den Dampfdruckregler 28 ausgeben. Für den in 2 gezeigten Betriebszustand der Wärmekraftmaschine 12 ist im Datenspeicher 26 in entsprechender Weise die optimale Temperatur T_opt des der Expansionsmaschine 12 zugeführten Arbeitsfluids B von ca. 320° im Kennfeld abgelegt, die von der Vorsteuerung 24 als Sollgröße 38 an den Dampftemperaturregler 30 ausgegeben wird.
Für jeden Betriebszustand bzw. -punkt der Wärmekraftmaschine 12 gibt es also einen optimalen Satz von Dampfparametern (p_opt, T_opt), mit dem die höchste Nutzleistung der Expansionsmaschine 16 erzielt werden kann. Die jeweiligen Parametersätze können durch eine Optimierungsrechnung ermittelt werden, bei der der Dampfkreiswirkungsgrad und die in den Dampfkreis übertragenen Wärme gemeinsam optimiert werden. Alternativ können die Parametersätze (p_opt, T_opt) auch bei einer Applikationsmessung der Vorrichtung 10 ermittelt und jeweils als Kennfeld im Datenspeicher 26 abgelegt werden. Insgesamt können der Wirkungsgrad insgesamt sowie der genutzte Wärmestrom des Arbeitsfluids B optimal eingestellt werden

Claims

Verfahren zur Nutzung von Abwärme (A) einer Wärmekraftmaschine (12), wobei ein Arbeitsfluid (B) mittels der Abwärme (A) der Wärmekraftmaschine (12) erhitzt und verdampft und nachfolgend einer Expansionskraftmaschine (16) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Betriebszustände der Wärmekraftmaschine (12) jeweils die bezüglich der Nutzleistung der Expansionskraftmaschine (16) betriebsoptimalen Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) des der Expansionskraftmaschine (16) zugeführten Arbeitsfluids (B) ermittelt und gespeichert werden und dass im Betrieb der Wärmekraftmaschine (12) der jeweilige Betriebszustand der Wärmekraftmaschine (12) bestimmt wird und dann Druck (p) und Temperatur (T) des der Expansionsmaschine (16) zugeführten Arbeitsfluids (B) auf diejenigen bezüglich der Nutzleistung der Expansionsmaschine betriebsoptimalen Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) geregelt werden, die zum jeweils bestimmten Betriebszustand gespeichert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Betriebszustand der Wärmekraftmaschine (12) auf Grundlage von Betriebsparametern der Wärmekraftmaschine (12) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ermitteln des betriebsoptimalen Druckwerts (p_opt) ein Kondensatordruck (34) des Arbeitsfluids (B), der ausgangsseitig eines der Expansionsmaschine (16) nachgeschalteten Kondensators (18) herrscht, berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) des Arbeitsfluids (B) über den Förderstrom einer das Arbeitsfluid (B) fördernden Pumpe (20) auf den betriebsoptimalen Temperaturwert (T_opt) geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p) des Arbeitsfluids (B) über die Drehzahl der Expansionsmaschine (16) auf den betriebsoptimalen Druckwert (p_opt) geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p) des Arbeitsfluids (B) durch eine Verstellung der Strömungsverhältnisse innerhalb der Expansionsmaschine (16) auf den betriebsoptimalen Druckwert (p_opt) geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die betriebsoptimalen Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) über eine Kombination aus Vorsteuerung und Regelung eingestellt werden.
Vorrichtung (10) zur Nutzung von Abwärme einer Wärmekraftmaschine (12), mit einer Wärmekraftmaschine (12), mit einem Wärmetauscher (14) zum Erhitzen und Verdampfen eines Arbeitsfluids (B) mittels der Abwärme (A) der Wärmekraftmaschine (12), mit einer Expansionsmaschine (16) zum Umwandeln der im verdampften Arbeitsfluid (B) enthaltenen Wärmeenergie in mechanische Arbeit, und mit einer Steuereinrichtung (22) zur Steuerung von Prozessparametern für das Arbeitsfluid (B), dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinrichtung (22) ein Datenspeicher (26) zugeordnet ist, in dem für unterschiedliche Betriebszustände der Wärmekraftmaschine (12) jeweils die bezüglich der Nutzleistung der Expansionskraftmaschine (16) betriebsoptimalen Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) des der Expansionskraftmaschine (16) zugeführten Arbeitsfluids (B) gespeichert sind, und dass die Steuereinrichtung (22) derart programmiert ist, dass Druck (p) und Temperatur (T) des der Expansionsmaschine (16) zugeführten Arbeitsfluids (B) auf diejenigen betriebsoptimalen Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) geregelt werden, die im Datenspeicher (26) zum jeweiligen Betriebszustand gespeichert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22) durch eine Kombination aus einer Vorsteuerung (24) und einer Regelung (28, 30) gebildet ist.