DE102012006142A1

DE102012006142A1 - Dampfkraftanlage für ein Kraftfahrzeug oder eine stationäre Einrichtung

Info

Publication number: DE102012006142A1
Application number: DE201210006142
Authority: DE
Inventors: Daniel Flemmer; Andreas Hermann; John Patrick; Matthias Rommel; Thomas Vogel; Jens Grieser
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: SteamDrive GmbH
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: DE102012006142B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage für ein Kraftfahrzeug oder eine stationäre Einrichtung, insbesondere für ein Kleinkraftwerk oder für eine Kompressorstation zur Förderung von Öl oder Gas; – mit einem geschlossenen Arbeitsmediumkreislauf, in welchem ein Arbeitsmedium zirkuliert wird, wobei – im Arbeitsmediumkreislauf ein Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine zur Entspannung des Arbeitsmediums unter Verrichtung von mechanischer Arbeit, ein Kondensator zur Kondensation des Arbeitsmediums und eine Speisepumpe hintereinander geschaltet sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass – der Speisepumpe in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im Arbeitsmediumkreislauf eine Druckerhöhungspumpe vorgeschaltet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage für ein Kraftfahrzeug oder eine stationäre Einrichtung, insbesondere für ein Kleinkraftwerk oder für eine Kompressorstation zur Förderung von Öl oder Gas, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Dampfkraftanlagen werden in jüngerer Zeit wieder für Kraftfahrzeuge vorgeschlagen, entweder um im Traktionsbetrieb des Fahrzeugs Antriebsleistung auf die Antriebsräder zu übertragen oder zur Erzeugung von Antriebsleistung für ein anderes Aggregat, beispielsweise einen Generator oder dergleichen, im Kraftfahrzeugantriebsstrang. Dabei dient die Dampfkraftanlage in der Regel nicht als primäre Antriebsanlage, sondern sie ist zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor vorgesehen und durch dessen Abgas derart beaufschlagt, dass Abgaswärme zur Dampferzeugung herangezogen wird, wobei der Dampf anschließend in eine Expansionsmaschine unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt wird.
Ein weiteres nutzbringendes Einsatzgebiet einer solchen Dampfkraftanlage ist in stationären Systemen, wobei sie vorteilhaft wiederum durch die Abgase eines Verbrennungsmotors oder Gasmotors beaufschlagt wird und somit als Abgasenergienutzeinrichtung zusätzlich zu dem primären Antriebssystem für den stationären Antriebsstrang vorgesehen ist. Beispielsweise kann mit dem Verbrennungsmotor oder Gasmotor und zugleich mit der Expansionsmaschine der Dampfkraftanlage ein Generator eines Kleinkraftwerks angetrieben werden oder ein Kompressor einer Kompressorstation zur Förderung von Öl oder Gas.
In beiden Anwendungsbereichen der Dampfkraftanlage ist es erforderlich, dass diese wartungsarm und mit einer hohen Betriebssicherheit arbeitet und zugleich eine lange Lebensdauer aufweist. Anderenfalls könnten nämlich notwendige Wartungsintervalle oder Reparaturmaßnahmen den Betriebszyklus des primären Antriebssystems stören, zu dessen Abwärmenutzung sie zur Verbesserung der Energiebilanz vorgesehen sind. Dies würde jedoch die Akzeptanz solcher ergänzenden Dampfkraftanlagen bei den Erstausrüstern von Kraftfahrzeugen oder den genannten stationären Anlagen verringern.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfkraftanlage für ein Kraftfahrzeug oder eine stationäre Einrichtung, im letzteren Fall insbesondere für ein Kleinkraftwerk oder für eine Kompressorstation zur Förderung von Öl oder Gas anzugeben, deren Lebensdauer und Betriebssicherheit gegenüber bekannten Ausführungsformen verbessert ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Dampfkraftanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Eine erfindungsgemäße Dampfkraftanlage umfasst einen geschlossenen Arbeitsmediumkreislauf, in welchem ein Arbeitsmedium zirkuliert wird, wobei im Arbeitsmediumkreislauf ein Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine zur Entspannung des Arbeitsmediums unter Verrichtung von mechanischer Arbeit und ein Kondensator zur Kondensation des Arbeitsmediums sowie eine Speisepumpe vorgesehen sind. In der Regel sind die genannten Aggregate in der genannten Reihenfolge hintereinander in den geschlossenen Arbeitsmediumkreislauf geschaltet, wobei vorteilhaft zwischen dem Kondensator und der Speisepumpe zusätzlich ein Arbeitsmediumvorratsbehälter in den Arbeitsmediumkreislauf eingebracht ist, der Volumenschwankungen im Arbeitsmediumkreislauf ausgleichen kann.
Erfindungsgemäß ist der Speisepumpe in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im Arbeitsmediumkreislauf eine Druckerhöhungspumpe vorgeschaltet, um den Arbeitsmediumdruck am Einlass der Speisepumpe im Vergleich zu einem Arbeitsmediumkreislauf ohne Druckerhöhungspumpe zu erhöhen und insbesondere konstant oder im Wesentlichen konstant zu halten.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, Kavitation in der Speisepumpe zu vermeiden, was zum einen die Lebensdauer der Speisepumpe erhöht und zum anderen ermöglicht, dass auch eine kavitationsempfindliche Pumpe, beispielsweise eine Kolbenmembranpumpe, als Speisepumpe vorgesehen werden kann. Eine solche Kolbenmembranpumpe weist einen über einen Antriebsmotor wechselseitig in einem Zylinderraum bewegbaren Kolben auf, der ein flüssiges oder gasförmiges Arbeitsmedium, vorliegend Druckübertragungsmedium genannt, zur pulsierenden Druckbeaufschlagung gegen eine Membran pumpt, welche wiederum einen Arbeitsraum in einer Förderleitung der Kolbenmembranpumpe begrenzt. Die Förderleitung führt das Arbeitsmedium des geschlossenen Arbeitsmediumkreislaufs, wobei die Förderwirkung dadurch erreicht wird, dass die Förderleitung an ihrem Eintritt ein Saugventil, insbesondere in Form eines Rückschlagventils, und an ihrem Austritt ein Druckventil, insbesondere in Form eines Rückschlagventils, aufweist, welche den Arbeitsraum zwischen sich einschließen, sodass durch eine reziproke Volumenänderung des Arbeitsraums aufgrund der pulsierenden Druckbeaufschlagung und Verformung der Membran bei einer Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes Arbeitsmedium des geschlossenen Arbeitsmediumkreislaufes über das Saugventil in den Arbeitsraum angesaugt wird und bei einer Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes über das Druckventil aus der Förderleitung ausgestoßen wird.
Ein weiterer Vorteil, der durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erreicht werden kann, ist der vergleichsweise kleine Bauraum, der für die Speisepumpe notwendig ist, da diese insbesondere in ihrer Bauhöhe reduziert werden kann.
Die Druckerhöhungspumpe ist vorteilhaft in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums zwischen dem Arbeitsmediumvorratsbehälter und der Speisepumpe positioniert. Gemäß einer ersten Ausführungsform werden die Speisepumpe und die Druckerhöhungspumpe von verschiedenen Motoren angetrieben. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein und derselbe Motor zum Antrieb der beiden Pumpen verwendet.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass an dem Arbeitsmediumaustritt des Kondensators oder hinter dem Kondensator und insbesondere vor dem Arbeitsmediumvorratsbehälter im Arbeitsmediumkreislauf eine Kondensationspumpe zum Absaugen von Arbeitsmedium aus dem Kondensator vorgesehen ist. Hierdurch kann ein besonders geringer Kondensationsdruck und ein insbesondere im Wesentlichen konstanter Kondensationsdruck erreicht werden.
Die Kondensationspumpe kann gemäß einer Ausführungsform durch einen eigenen Antriebsmotor angetrieben werden. Alternativ kann auch einer der Motoren der genannten Pumpen herangezogen werden.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Verdampfer im Arbeitsmediumkreislauf mit Abgas eines Verbrennungsmotors beaufschlagt, um mittels der im Abgas enthaltenen Wärme das Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes teilweise oder vollständig zu verdampfen. Der Verbrennungsmotor kann als Kolbenmotor, insbesondere als Dieselmotor ausgeführt sein. Auch eine Ausführungsform des Verbrennungsmotors als Gasmotor, insbesondere als Biogasmotor, kommt in Betracht.
In einer Kompressorstation kann der Verbrennungsmotor einen Verdichter zum Fördern und/oder Verdichten von Öl oder Gas antreiben. In einer solchen Kompressorstation, oder wenn die erfindungsgemäße Dampfkraftanlage in einem Kleinkraftwerk vorgesehen wird, kann der Verbrennungsmotor auch zum Antreiben eines elektrischen Generators herangezogen werden.
Die Expansionsmaschine kann gemäß einer Ausführungsform in einer Triebverbindung mit einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors stehen oder in eine solche schaltbar, sein, insbesondere über eine Trennkupplung, um dasselbe Aggregat wie der Verbrennungsmotor anzutreiben. Zusätzlich oder alternativ kann auch vorgesehen sein, mit der Expansionsmaschine ein anderes Aggregat als der Verbrennungsmotor anzutreiben, beispielsweise einen getrennt vom Verbrennungsmotor vorgesehenen elektrischen Generator.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass im geschlossenen Arbeitsmediumkreislauf ein Bypass zur Expansionsmaschine vorgesehen ist, über welchen das Arbeitsmedium an der Expansionsmaschine vorbeigeleitet werden kann. Vorteilhaft ist ferner ein Ventil vorgesehen, um das Arbeitsmedium in einem ersten Zustand vollständig durch die Expansionsmaschine, in einem zweiten Zustand vollständig an der Expansionsmaschine vorbei durch den Bypass und insbesondere in einem dritten Zustand teilweise durch die Expansionsmaschine und teilweise durch den Bypass zu leiten. Der Bypass kann gemäß einer Ausführungsform derart vorgesehen sein, dass er weitere Aggregate des Arbeitsmediumkreislaufes neben der Expansionsmaschine umgeht, beispielsweise den Verdampfer und/oder den Kondensator. Andere umgangene Aggregate sind möglich. Alternativ sind für die einzelnen Aggregate oder für Gruppen von Aggregaten eigene Bypässe vorgesehen, die gemeinsam oder getrennt voneinander zur Umgehung des oder der entsprechenden Aggregate mit Arbeitsmedium angesteuert werden können.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden.
In der 1 ist schematisch eine Kompressorstation zur Förderung von Öl oder Gas gezeigt, umfassend einen Verdichter 1, der in eine Öl- oder Gasleitung 2 geschaltet ist und von einem Verbrennungsmotor 3, insbesondere in Form eines Gasmotors, der beispielsweise durch einen Teil des in der Kompressorstation geförderten Gases betrieben wird, angetrieben wird.
Der Verbrennungsmotor 3 erzeugt einen Abgasstrom 4, dessen Abwärme in einem Verdampfer 5 in einen geschlossenen Arbeitsmediumkreislauf 6 zur Verdampfung des dort zirkulierenden Arbeitsmediums eingebracht wird. In Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im Arbeitsmediumkreislauf 6 sind hinter dem Verdampfer 5 parallel zueinander geschaltet ein Bypass 7 und eine Expansionsmaschine 8 vorgesehen. Die Expansionsmaschine 8 kann beispielsweise als Kolbenmaschine jedoch auch als Turbine ausgeführt sein. In der Expansionsmaschine 8 wird das Arbeitsmedium des Arbeitsmediumkreislaufes unter Verrichtung mechanischer Arbeit expandiert. Die Expansionsmaschine 8 treibt einen elektrischen Generator 9 an.
In Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im Arbeitsmediumkreislauf 6 hinter dem Bypass 7 und der Expansionsmaschine 8 ist ein Kondensator 10 vorgesehen, der mittels einer im Arbeitsmediumkreislauf 6 folgenden Kondensationspumpe 11 auf einem Unterdruck gehalten wird. Anschließend wird das Arbeitsmedium über einen Filter 12 in einen Arbeitsmediumvorratsbehälter 13 geleitet, aus welchem es mit der Druckerhöhungspumpe 14 unter Erhöhung des Druckes des Arbeitsmediums in die Speisepumpe 15 fördert, welche wiederum den Druck des Arbeitsmediums erhöht und dieses dem Verdampfer 5 zuführt.
Die Speisepumpe 15 ist als Kolbenmembranpumpe ausgeführt, umfassend einen Arbeitsraum 16, der durch Volumenänderung das Arbeitsmedium über das Einlassventil 19 ansaugt und über das Auslassventil 20 austreibt, wobei die Volumenänderung durch die den Arbeitsraum 16 begrenzende Membran 17 bewirkt wird, die wiederum über einen luft-, gas- oder flüssigkeitsbefüllten Zwischenraum mittels eines Kolbens 18 pulsierend druckbeaufschlagt wird, wobei der Kolben 18 sich wechselseitig in einem Zylinder bewegend durch den Motor 21, insbesondere in Form eines Elektromotors, angetrieben wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Drucküberhöhungspumpe 14 und die Kondensationspumpe 11 durch eigene Motoren 22, 23, insbesondere in der Form von Elektromotoren, angetrieben, wobei dies jedoch auch anders sein könnte.

Claims

Dampfkraftanlage für ein Kraftfahrzeug oder eine stationäre Einrichtung, insbesondere für ein Kleinkraftwerk oder für eine Kompressorstation zur Förderung von Öl oder Gas; 1.1 mit einem geschlossenen Arbeitsmediumkreislauf (6), in welchem ein Arbeitsmedium zirkuliert wird, wobei 1.2 im Arbeitsmediumkreislauf (6) ein Verdampfer (5) zum Verdampfen des Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine (8) zur Entspannung des Arbeitsmediums unter Verrichtung von mechanischer Arbeit, ein Kondensator (10) zur Kondensation des Arbeitsmediums und eine Speisepumpe (15) hintereinander geschaltet sind; dadurch gekennzeichnet, dass 1.3 der Speisepumpe (15) in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im Arbeitsmediumkreislauf (6) eine Druckerhöhungspumpe (14) vorgeschaltet ist.
Dampfkraftanlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmediumkreislauf (6) ferner einen Arbeitsmediumvorratsbehälter (13) aufweist, der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Kondensator (10) und vor der Speisepumpe (15) positioniert ist, und die Druckerhöhungspumpe (14) in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums zwischen dem Arbeitsmediumvorratsbehälter (13) und der Speisepumpe (15), insbesondere unmittelbar vor der Speisepumpe (15) positioniert ist.
Dampfkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Arbeitsmediumaustritt des Kondensators (10) oder hinter dem Kondensator (10) und insbesondere vor dem Arbeitsmediumvorratsbehälter (13) eine Kondensationspumpe (11) zum Absaugen von Arbeitsmedium aus dem Kondensator (10) vorgesehen ist.
Dampfkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisepumpe (15) als Kolbenmembranpumpe ausgeführt ist.
Dampfkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (5) mit Abgas eines Verbrennungsmotors (3) beaufschlagt ist und das Arbeitsmedium mittels im Abgas enthaltener Wärme verdampft.
Dampfkraftanlage gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, das der Verbrennungsmotor (3) als Kolbenmotor, insbesondere Dieselmotor, ausgeführt ist.
Dampfkraftanlage gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (3) als Gasmotor, insbesondere Biogasmotor, ausgeführt ist.
Dampfkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verbrennungsmotor (3) ein Verdichter (1) zum Fördern und/oder Verdichten von Öl oder Gas angeschlossen ist.
Dampfkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verbrennungsmotor (3) ein elektrischer Generator angeschlossen ist.
Dampfkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (8) in Triebverbindung mit einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors (3) steht oder in eine solche schaltbar ist, insbesondere über eine Trennkupplung.
Dampfkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (8) einen elektrischen Generator (9) antreibt.
Dampfkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Arbeitsmediumkreislauf (6) ein Bypass (7) zur Umgehung der Expansionsmaschine (8) vorgesehen ist.