DE102012001255A1

DE102012001255A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Dampf aus der Abwärme eines flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102012001255A1
Application number: DE102012001255A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2012-07-26

Abstract

Bei bekannten Verfahren wird mit der Wärme des Kühlwassers eines Verbrennungsmotors Dampf erzeugt und zu einer Turbine geleitet, welche einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Der Dampfdruck muss aber niedrig bleiben, um den Verbrennungsmotor nicht zu beschädigen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen eine Wärmeträgerflüssigkeit, die bei hohen Temperaturen nur wenig Druck erzeugt, in den Kühlflüssigkeitskanälen des Verbrennungsmotors hoch zu erhitzen und die Wärme an Rohrbündel abzugeben, um dort Dampf mit hohem Druck zu erzeugen, der als Prozesswärme und/oder zur Stromerzeugung Verwendung findet. Da der Dampf in Rohren erzeugt wird, ist das Volumen gering und der Dampferzeuger unterliegt keiner Überwachungspflicht. Das zur Kühlung des Motoröls eingesetzte Frischwasser wird zur Dampferzeugung verwendet. Der Abdampf der Dampfkraftmaschine kondensiert in einem Wasserbehälter, der einen Wärmetauscher enthält, Wärme für Raumheizung und Warmwasserbereitung liefert. Die Stromerzeugung kann unbegrenzt fortgesetzt werden, auch wenn keine Wärme verbraucht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Dampf aus der Abwärme eines flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotors für die Nutzung als Prozesswärme und zur Erzeugung von elektrischem Strom. Der Verbrennungsmotor ist ein Hubkolbenmotor oder ein Kreiskolbenmotor.
Durch die Offenlegungsschrift DE 10 2010 022 902 A1 ist bekannt, einen Verbrennungsmotor, welcher einen Generator antreibt, mit Druckwasser zu kühlen und das derart erhitzte Druckwasser in einen Heißwasserbehälter zu leiten. Der dort erzeugte Dampf wird in einer Dampfkraftmaschine zum Antrieb eines zweiten stromerzeugenden Generators verwendet.
Der Wirkungsgrad der Dampferzeugung hängt jedoch direkt vom Druck und von der Temperatur des eingeleiteten Druckwassers ab und kann nicht hoch sein, da hohe Drücke das Motorgehäuse zerstören würden.
In der Gebrauchsmusterschrift DE 2007 002 602 U1 wird vorgeschlagen, durch die Wärme der Abgase des Verbrennungsmotors Methylcyclohexan zu verdampfen, durch einen Turbogenerator zu leiten, in einem Kondensator mit Hilfe von Kühlwasser zu Verflüssigen und dem im Abgaskanal befindlichen Verdampfer zuzuführen. Das Kühlwasser wird dann zur Kühlung des Verbrennungsmotors verwendet und ohne weitere Nutzung der Wärme abgeleitet.
Durch die niedrige Kondensationstemperatur werden die Temperaturdifferenz und damit der Wirkungsgrad zwar geringfügig erhöht. Die Eintrittstemperatur des verdampften Methylcyclohexan ist jedoch zu niedrig um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. Ein weiterer Nachteil dieses Vorschlages ist, dass die gegenüber der Abgaswärme sehr viel größere Wärmemenge des Kühlwassers nicht zur Stromerzeugung genutzt wird. Methylcyclohexan ist leicht entzündbar und gesundheitsschädlich.
Eine Broschüre BP WP Wärmeträgerflüssigkeiten zeigt einen Dampferzeuger, welcher mit einer durch eine Flamme erhitzten Wärmeträgerflüssigkeit betrieben wird.
Der Dampf wird nicht durch die Abwärme eines Verbrennungsmotors erzeugt, sondern es ist ein Brennstoff notwendig und die Zwischenschaltung einer Wärmeträgerflüssigkeit reduziert den Wirkungsgrad der Dampferzeugung, während der Wirkungsgrad durch das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich erhöht wird.
Bekanntlich wird bei der Stromerzeugung nur ca. 1/3 der Primärenergie in Strom verwandelt und der Rest in Wärme. Es wird daher häufig viel mehr Wärme bei der Stromproduktion erzeugt, als durch Raumheizung und Erwärmung von Brauchwasser verbraucht werden kann.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2010 022 902 A1 und die Gebrauchsmusterschrift DE 2007 002 602 U1 veröffentlichen bereits Vorschläge zur Verstromung dieser Wärme. Der erzielte Wirkungsgrad ist aber sehr gering, weil nur Dampf mit niedrigem Druck erzeugt werden kann.
Bei der Verwendung von Dampf als Prozesswärme sind auch zumeist höhere Dampftemperaturen erforderlich, als mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen erzeugt werden können.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, mit der Abwärme eines Verbrennungsmotors Dampf mit hohem Druck zu erzeugen, der als Prozesswärme mit hohen Temperaturen Verwendung finden kann oder zur Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Wärmeträgerflüssigkeit, welche bei hohen Temperaturen nur minimalen Druck erzeugt durch das Kühlsystem des Verbrennungsmotors geleitet, die Wärme an ein Rohrsystem außerhalb des Verbrennungsmotors übertragen und in das Rohrsystem Wasser zur Dampferzeugung eingeleitet wird.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im Wesentlichen darin, dass die nutzbare Wärme im Verbrennungsmotor praktisch drucklos mit einer Temperatur bis zu 340°C erzeugt werden kann und bei der Umwandlung in Dampf außerhalb des Verbrennungsmotors wesentlich höhere Drücke und Temperaturen erzielt werden. Da die Temperatur im Verbrennungsraum 1500°–1700°C beträgt, ist bei einer ausreichenden Durchflussmenge eine Kühlung durch Wärmeträgerflüssigkeit mit hohen Temperaturen möglich.
Wird der Dampf wie vorbekannt mit Druckwasser aus dem Kühlraum des Verbrennungsmotors erzeugt und zur Stromerzeugung verwendet, so ist davon aus zu gehen, dass der Druck aus Festigkeitsgründen höchstens 4 bar betragen darf. Dann ist die Dampftemperatur 143°C (416 K) und der Carnot-Wirkungsgrad bei einer Kondensationstemperatur von 50°C: 1 – (323/416) = 0,22.
Die Erfindung ermöglicht die Wärme mit einer Temperatur von weit über 300°C an die mit Wasser gefüllten Rohre heran zu bringen, in denen z. B. Dampf von z. B. 80 bar und einer Temperatur von 293°C (566 K) erzeugt wird. Kondensiert der Dampf hinter einer Dampfturbine bei 50°C (323 K) so beträgt der Carnot-Wirkungsgrad: 1 – (323/566) = 0,43.
Der Vergleich der Carnot-Wirkungsgrade zeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Stromerzeugung aus der Abwärme des Verbrennungsmotors verdoppelt werden kann.
Die für die Steigerung des Wirkungsgrades erforderliche Erhöhung des Dampfdruckes findet nicht im Kühlraum des Verbrennungsmotors, sondern nur in dafür geeignete Rohre statt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung steuert ein Thermostat im Motoröl eine Dosierpumpe, welche die Frischwassermenge für die Kühlung des Motoröls reguliert und das derart erwärmte Wasser wird zur Dampferzeugung eingesetzt.
Die besondere Wirkung besteht darin, dass durch die Wärmeträgerflüssigkeit die Wärme der Verbrennung mit hohen Temperaturen abgeleitet wird und dadurch den besonders hohen Wirkungsgrad ermöglicht, während die bewegten Teile des Verbrennungsmotors durch das temperierte Motoröl mit einer niedrigeren Temperatur gekühlt werden. Die dabei anfallende Wärme wird beim Vorwärmen des Speisewassers der Dampferzeugung ebenfalls nutzbar.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch die erhöhte Temperatur im Kühlraum des Verbrennungsmotors der Brennstoffverbrauch reduziert wird.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass der Dampf nicht in einem voluminösen Heißwasserbehälter sondern in Rohren mit geringem Wasserinhalt erzeugt wird. Dadurch entfallen die Vorschriften und Auflagen für Dampfkessel.
Da der Strom in der Nähe der Verbraucher erzeugt wird, werden die Stromnetze entlastet.
Die mit den bisher bekannten Verfahren mögliche Nutzung der Abwärme als Prozesswärme mit einer Temperatur von 95°C ist meistens nicht ausreichend. Durch die Erfindung wird die Nutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors als Prozesswärme auch dann ermöglicht, wenn höhere Temperaturen erforderlich sind. Beispielsweise wird in Großwäschereien für das Trocknen und Finishen der Wäsche Dampf mit mindestens 12 bar Druck und einer Temperatur von 192°C benötigt.
Durch die Erfindung kann ein Blockheizkraftwerk Strom und Dampf mit genügendem Druck für den Betrieb der Großwäscherei erzeugen, welche autark (Insellage) betrieben werden kann. Die Erfindung vervielfacht die Anwendungsmöglichkeiten des mit der Abwärme von Verbrennungsmotoren erzeugten Dampfes.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben
Es zeigen:
1 die Dampferzeugung mit der Abwärme des Verbrennungsmotors.
2 die Verwendung des erzeugten Dampfes als Prozesswärme.
3 die Verwendung des erzeugten Dampfes zur Stromerzeugung.
1 zeigt eine Anlage zum Erzeugen von Dampf, bei welcher der Verbrennungsmotor 1 durch eine Wärmeträgerflüssigkeit gekühlt wird, die von einem Ausdehnungsgefäß 2 mit einer Umwälzpumpe 3 in den Kühlraum 4 des Verbrennungsmotors 1 und durch eine Rohrleitung 5 in dieses zurück gefördert wird. Die Dampferzeugung findet in einem Rohrbündel 6 statt, welches sich im Ausdehnungsgefäß 2 befindet. Ein Regler 7 ist am Ausgang des Rohrbündels 6 angebracht, steuert die Dosierpumpe 8 und damit die genaue Fördermenge für das Speisewasser der Dampferzeugung, wodurch Temperatur und Druck des Dampfes reguliert werden. Die Ölwanne 9 ist von einer Kühlwanne 10 umschlossen, die von einer Dosierpumpe 11 mit Frischwasser versorgt wird. Das Thermostat 17 reguliert die Fördermenge. Das Frischwasser wird erwärmt, durch eine Rohrleitung 13 zu einem Behälter 12, der einen Überlauf 14 besitzt, geleitet und als Speisewasser zur Dampferzeugung verwendet Der Dampf wird über eine Rohrleitung 15 der Verwendung zugeführt. Das Ausdehnungsgefäß 2 ist mit einem Überdruckventil 16 ausgerüstet.
Auf 2 wird dargestellt wie der auf diese Weise erzeugte Dampf zur Beheizung von Wäschereimaschinen verwendet wird. Durch die gleichzeitige Stromproduktion mit einem Generator 19 ist die Energieversorgung der Wäscherei vollständig autark. Der in dem Rohrbündel 6 erzeugte Dampf wird über Dampfrohre 20 zu Waschschleudermaschinen 21, Trockenmaschinen 22, die mit Kondensatableitern 23 und Muldenmangeln 24, die mit Kondensatableitern 25 ausgerüstet sind, geführt. In Waschschleudermaschinen 21 kondensiert der Dampf in der Waschlauge. Das Sammelgefäß 26 mit dem Überlauf 27 nimmt das Kondensat und über Rohrleitung 13 das Kühlwasser für die Ölwanne 9 auf und versorgt die Dosierpumpe 8.
3 zeigt die Nutzung des durch die hohe Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit erzeugten Hochdruckdampfes zum Erzeugen von Strom. Der Verbrennungsmotor 1 treibt eine Arbeitsmaschine oder einen Generator 30 zur Stromerzeugung an und wird durch Wärmeträgerflüssigkeit gekühlt, welche im Ausdehnungsgefäß 2 die Wärme zur Dampferzeugung an Rohrbünden 6 überträgt. Der im Rohrbündel 6 erzeugte Dampf wird in einem Rauchgaswärmetauscher 31 überhitzt und zu einer Turbine 32 geleitet, die einen zweiten Generator 33 zur Stromerzeugung antreibt und kondensiert in einem Sammelbehälter 34.
Eine Rohrleitung 35 verbringt das in der Kühlwanne 10 erwärmte Wasser in den Sammelbehälter 34, der einen Überlauf 36 hat und über eine Rohrleitung 37 und Dosierpumpe 8, das Rohrsystem 6 mit Speisewasser zur Dampferzeugung versorgt. Im Sammelbehälter 34 ist ein Wärmetauscher 38 zur Versorgung der Raumheizung und zur Erwärmung von Brauchwasser untergebracht.
Wird mehr Wärme in den Sammelbehälter eingebracht, als durch den Wärmetauscher 38 abgeführt, verdampft Wasser. Die Rohrleitung 39 führt den Abdampf in den Rauchgasabzug 40. Zusammen mit dem Rauchgas in die Atmosphäre verbracht, wird der Abdampf überhitzt und kondensiert sehr hoch über den Gebäuden. Ein Niveauregler 41 in Verbindung mit einem Magnetventil 42 sorgen für den Ersatz des verdampfte Wassers und die Stromerzeugung kann ohne Unterbrechung fortgesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010022902 A1 [0002, 0009]
DE 2007002602 U1 [0004, 0009]

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Dampf aus der Abwärme eines flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotors, für die Nutzung als Prozesswärme, zur Erzeugung von elektrischem Strom, für die Raumheizung und für die Erwärmung von Brauchwasser, dadurch gekennzeichnet dass eine Wärmeträgerflüssigkeit, welche bei hohen Temperaturen nur minimalen Druck erzeugt, durch das Kühlsystem des Verbrennungsmotors geleitet, die Wärme an einen Wärmetauscher außerhalb des Verbrennungsmotors übertragen und in den Wärmetauscher Wasser zur Dampferzeugung eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Motoröl des Verbrennungsmotors durch Frischwasser gekühlt, welches derart erwärmt in den Wärmetauscher zur Dampferzeugung eingeleitet und ein Thermostat im Motoröl eine Dosierpumpe die Frischwassermenge reguliert.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf gemäß Anspruch 1 erzeugt und Verbraucher versorgt, die hohe Dampfdrücke benötigen, wobei das abfließende Kondensat zusammen mit dem zur Kühlung des Motoröls verwendeten Wassers zur Dampferzeugung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gemäß Anspruch 1 erzeugte Dampf in eine Dampfkraftmaschine geleitet, in einem Wasserbehälter kondensiert und das Kondensat zusammen mit dem zur Kühlung des Motoröls verwendeten Wassers zur Dampferzeugung verwendet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein mit einem Überdruckventil (17) ausgerüstetes Ausdehnungsgefäß (2) ist, indem sich ein Rohrbündel (6) befindet in welches zur Dampferzeugung eine von einer Dosierpumpe (8) geförderte Wassermenge eingeleitet wird, die von einem Regler (7) bestimmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausdehnungsgefäß (2) mit einem Überdruckventil (16) ausgerüstet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Regler (7) am Ausgang des Rohrbündels (6) befindet ein Druckmesser und/oder ein Thermostat ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der im Rohrbündel (6) erzeugte Dampf auf dem Weg zur Dampfkraftmaschine (32) einen Wärmetauscher (9) passiert, der von den Abgasen des Verbrennungsmotors (1) erhitzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbehälter (34) einen Wärmetauscher (38) für Prozesswärme und/oder zur Lieferung von Wärme für Raumheizung und Warmwasserbereitung enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dass die Abdampfleitung (39) mit der Abgasleitung (14) des Verbrennungsmotors (1) verbunden ist.