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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärmeenergie nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Nutzkraftfahrzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 9.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Rückgewinnung von Abwärmeenergie nach dem Oberbegriff von Anspruch 10.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind insbesondere gattungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren bereits bekannt. Im Besonderen zum Verbessern der Kraftstoffeffizienz an einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Nutzkraftfahrzeuges, ist es bekannt, mittels eines Clausius-Rankine-Kreislaufes eine zumindest teilweise Rückgewinnung von Abwärmeenergie der Brennkraftmaschine zu erzielen. Häufig ist ein für diese Zwecke eingesetztes System auch als WHR-System (Waste Heat Recovery) bezeichnet. Die wesentlichen Komponenten eines solchen WHR-Systems auf Basis eines Clausius-Rankine-Kreislaufes mit einem ein Arbeitsmedium führenden Leitungssystem sind: Ein oder mehrere Verdampfer, in denen das Arbeitsmedium verdampft werden kann. Eine Expansionsmaschine, in welcher das unter Druck stehende, dampfförmige Arbeitsmedium entspannt wird. Hierbei verrichtet das Arbeitsmedium Arbeit, wobei die abgegebene Leistung direkt mechanisch oder nach einer Umwandlung mittels eines Generators indirekt elektrisch im Kraftfahrzeug genutzt werden kann. Des Weiteren ist ein Kondensator vorgesehen, welcher das dampfförmige Arbeitsmedium stromab nach der Expansion in der Expansionsmaschine wieder verflüssigt. Der Kondensator kann hierbei entweder mit Luft als Kühlmedium betrieben werden. Oder der Kondensator ist in den Fahrzeugkühlkreislauf integriert und nutzt somit das Kühlmittel der Brennkraftmaschine als Kühlmedium. Alternativ kann auch ein separater Kühlkreislauf für die Kühlung des Kondensators verwendet werden. Als weitere wesentliche Komponente ist noch eine Förderpumpe zum Fördern und Komprimieren des Arbeitsmediums innerhalb des Leitungssystems zu nennen. Damit die Förderpumpe sicher betrieben werden kann, insbesondere zum Schutz vor Kavitation, ist eine garantierte Unterkühlung des Arbeitsmediums speziell am Förderpumpeneinlass erforderlich. Ferner sind noch Sensoren, Regelventile und oftmals auch ein Ausgleichsbehälter zur zusätzlichen Bevorratung von Arbeitsmedium vorhanden. Zur Sicherstellung einer erforderlichen bzw. gewünschten Unterkühlung des Arbeitsmediums an der Förderpumpe, speziell vor einer Arbeitsmediumeinlassöffnung der Förderpumpe, existieren bereits unterschiedliche Systeme.
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Zum einen kann ein solches WHR-System bzw. dessen Leitungssystem zur Realisierung des Clausius-Rankine-Kreislaufes als offenes System ausgelegt sein. Bei einem solchen offenen System ist der Ausgleichsbehälter gegenüber der Umgebung offen gehalten, so dass der Kondensationsdruck immer dem Umgebungsdruck entspricht. Um bei einem derartigen offenen System die erforderliche Unterkühlung des Arbeitsmediums in jeder Betriebsphase des Kraftfahrzeuges sicherzustellen, muss eine Vorlauftemperatur beispielsweise eines den Kondensator durchströmenden Kühlmittels eines hierfür vorgesehenen Kühlsystems entsprechend niedrig sein; das heißt, die Vorlauftemperatur muss niedriger als die Kondensationstemperatur abzüglich der gewünschten Unterkühlung sein. Das Arbeitsmedium verlässt hierbei den Kondensator mit einer allein von der Kühlmitteltemperatur abhängigen Unterkühlung. Da jedoch der in einem Kraftfahrzeug maximal zur Verfügung stehende Bauraum und damit auch die maximale Leistungsfähigkeit eines Kühlsystems begrenzt sind, kann bei einem solchen offenen System eine erforderliche Unterkühlung des Arbeitsmediums, insbesondere vor einer Förderpumpe an deren Arbeitsmediumeinlassöffnung, nicht bei allen Umgebungstemperaturen immer betriebssicher gewährleistet werden. Bei höheren Umgebungstemperaturen besteht die Gefahr, dass das WHR-System abgeregelt oder sogar vollständig deaktiviert werden muss. Ein Vorteil eines solchen offenen Systems ist jedoch darin zu sehen, dass sich beim Abstellen des Kraftfahrzeugs und bei einem Abkühlen der Brennkraftmaschine und deren Aggregate kein kritischer Unterdruck im Leitungssystem zur Realisierung des Clausius-Rankine-Kreislaufes einstellt. Damit kann die Gefahr einer Kontamination des WHR-Systems durch Lufteintritt zum Beispiel an Dichtungen, Rohrverbindungen, Austrittswelle der Expansionsmaschine usw. weitestgehend vermieden werden.
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Ist ein solches WHR-System bzw. dessen Leitungssystem zur Realisierung des Clausius-Rankine-Kreislaufes dagegen als geschlossenes System ausgelegt, kann dieses gegenüber der Umgebung hermetisch gut abgedichtet werden. Hierdurch gelingt es, dass sich im Bereich des Kondensators verschiedene Kondensationsdruckniveaus einstellen können, wobei sich in der Regel ein Arbeitspunkt auf der entsprechenden Dampfdruckkurve einstellen sollte. Dieser Arbeitspunkt ergibt sich aus der jeweiligen Kombination aus Kondensationsdruck und Kondensationstemperatur. Am Arbeitsmediumauslass des Kondensators liegt zunächst keine Unterkühlung vor. Um in dem geschlossenen System eine gewünschte Unterkühlung des Arbeitsmediums, insbesondere am Arbeitsmediumauslass des Kondensators, zu erzeugen, können prinzipiell zwei Möglichkeiten in Betracht gezogen werden. Zum einen kann die gewünschte bzw. beabsichtigte Unterkühlung mittels einer dem Kondensator stromab nachgeschalteten Unterkühlungsstrecke erzielt werden. Allerdings ist hier ein dem Kondensator ebenso stromab nachgeschalteter Unterkühler erforderlich, welcher im Allgemeinen mit einem kälteren Kühlmedium betrieben werden muss als der stromauf vorgeschaltete Kondensator, um die Unterkühlung stets sicher gewährleisten zu können. Zum anderen kann die gewünschte bzw. beabsichtigte Unterkühlung mittels einer generell zur Verfügung stehenden hohen Füllmenge an Arbeitsmedium im Leitungssystem erreicht werden, da hierdurch die mittlere Dichte und damit letztendlich auch der Druck innerhalb des Leitungssystems ansteigt, wodurch die erzielbare Unterkühlung erhöht werden kann. Ein generelles Problem bei einem derartigen hermetisch geschlossenen Systems bereiten jedoch die relativ hohen Unterdrücke, welche sich einstellen, sobald der Clausius-Rankine-Kreislauf nicht betrieben wird. Diese relativ hohen Unterdrücke erreichen oftmals mehrere 100 mbar relativen Unterdruck. Es ist dabei sehr zweifelhaft, ob das System auf Dauer gegenüber der Umgebung dicht bleibt. Problematisch ist es, wenn aufgrund von entstehenden Undichtigkeiten Luft in das Leitungssystem eindringt, da hierdurch bedingt, der Systemdruck verändert wird, so dass die erreichbare Unterkühlung und die eingedrungene Luft die Leistungsfähigkeit des WHR-Systems negativ mindern können.
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Beispielsweise ist in der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 050 068 A1 ein Verbrennungsmotor mit einem Kühlkreis und einem Clausius-Rankine-Kreis zur Abwärmerückgewinnung beschrieben, bei welchem der Clausius-Rankine-Kreis über eine Wärmetauschereinrichtung mit dem Kühlkreis derart verbunden ist, dass Abwärme des Kühlkreises ein in dem Clausius-Rarikine-Kreis zirkulierendes Arbeitsmedium erwärmen und dabei verdampfen kann. Der Clausius-Rankine-Kreis umfasst einen Kondensator, eine Pumpe, eine Expansionseinheit sowie einen gegenüber dem Clausius-Rankine-Kreislauf stets offen zugänglichen Ausgleichsbehälter zum Ausgleich von Volumen- und/oder Druckschwankungen des innerhalb des Clausius-Rankine-Kreises zirkulierenden Arbeitsmediums. Der Ausgleichsbehälter zeichnet sich durch einen Primärraum aus, in welchem sich ein Teil des Volumens des zirkulierenden Arbeitsmediums befindet. Ferner weist der Ausgleichsbehälter einen durch eine Membran von dem Primärraum getrennten Sekundärraum auf, in welchem Pressluft bevorratet werden kann. Mittels der Druckverhältnisse in dem Sekundärraum können Volumen- und/oder Druckschwankungen des innerhalb des Clausius-Rankine-Kreises zirkulierenden Arbeitsmediums ausgeglichen werden. Hierzu ist der Sekundärraum mit einer Druckregeleinrichtung wirkverbunden, welche den im Ausgleichsbehälter vorherrschenden Druck des Arbeitsmediums aktiv reguliert, wodurch im Allgemeinen der Wirkungsgrad des Clausius-Rankine-Kreises und somit im Speziellen auch der Wirkungsgrad der Expansionseinheit beeinflusst werden können.
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Aus der weiteren Offenlegungsschrift
DE 2011 117 054 A1 ist darüber hinaus eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug mit einem Arbeitsmedium-Kreislauf bekannt. Innerhalb des Arbeitsmedium-Kreislaufes läuft ein Clausius-Rankine-Kreisprozess ab, wobei in dem Arbeitsmedium-Kreislauf ein Arbeitsmediumbehälter integriert ist, der sich durch einen Füllstandssensor auszeichnet, mittels welchem eine Füllhöhe des Arbeitsmediums im Arbeitsmedium-Kreislauf ermittelt und mit einer vorgegebenen Sollfüllhöhen verglichen werden kann. Wird eine kritische Abweichung festgestellt, wird eine optische, akustische und/oder haptische Warnung an den Fahrzeugführer ausgegeben. Der Arbeitsmediumbehälter kann entweder mit einer stets geöffneten und damit durchlässigen Totleitung mit dem Leitungssystem des Arbeitsmedium-Kreislaufes verbunden sein. Oder der Arbeitsmediumbehälter bildet unmittelbar einen physikalischen Abschnitt des Arbeitsmedium-Kreislaufes aus, welcher direkt von dem Arbeitsmedium durchflossen wird.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, mittels welcher stets möglichst genau ein gewünschtes Unterkühlungsniveau, insbesondere am Kondensatorauslass, beibehalten oder eingestellt werden kann.
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Dies wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel betrifft eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärmeenergie einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs umfassend einen Clausius-Rankine-Kreislauf mit einem ein Arbeitsmedium führenden Leitungssystem, mittels welchem wenigstens ein Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums, eine Expansionseinrichtung zum Entspannen des verdampften Arbeitsmediums unter Abgabe von mechanischer Arbeit, ein Kondensator zum Verflüssigen des verdampften und entspannten Arbeitsmediums sowie eine Förderpumpe zum Komprimieren und zum Fördern des Arbeitsmediums durch das Leitungssystem hindurch fluidisch miteinander verbunden sind, wobei an dem Leitungssystem ein Ausgleichsbehälter zum Bevorraten eines zusätzlichen Arbeitsmediumvolumens mit einer Fluidleitung oder mit mehreren Fluidleitungen angeschlossen ist, und wobei der Ausgleichsbehälter von dem Leitungssystem mittels eines Ventils fluidisch trennbar ist, wobei das Ventil von einer Steuereinrichtung, die mit zumindest einem Sensor am Austritt des Kondensators zur Erfassung der Temperatur und/oder des Drucks des Arbeitsmediums verbunden ist, in Abhängigkeit der erfassten Temperatur und/oder des erfassten Drucks ansteuerbar ist, derart, dass eine Arbeitsmediummasse aus dem Ausgleichsbehälter in das Leitungssystem oder aus dem Leitungssystem in den Arbeitsbehälter transferiert wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ausgleichsbehälter durch einen von dem Leitungssystem fluidisch trennbaren Ausgleichsbehälter, welcher mit dem Leitungssystem fluidisch derart temporär verbindbar ist, dass innerhalb des Leitungssystems eine zumindest bereichsweise Unterkühlung des Arbeitsmediums in Abhängigkeit von einem von dem Ausgleichsbehälter heraus und in das Leitungssystem hinein transferierten Arbeitsmediumvolumen, oder umgekehrt, einstellbar ist.
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Erfindungsgemäß ist der Ausgleichsbehälter temporär räumlich getrennt bzw. abgesperrt von dem Clausius-Rankine-Kreislauf an dem Leitungssystem angeschlossen. Im Betrieb des Clausius-Rankine-Kreislaufes kann dann durch ebenfalls temporäre Aufhebung der Absperrung bedarfsweise aus dem Ausgleichsbehälter ein zusätzliches Arbeitsmediumvolumen in das Leitungssystem eingespeist werden, um eine erforderliche Unterkühlung des Arbeitsmediums insbesondere vor der Förderpumpe einzustellen.
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Dies ist im Stand der Technik bisher nicht der Fall, da bei den bekannten Lösungen der Ausgleichsbehälter entweder einen Teil des Leitungssystems darstellt, welcher direkt von dem Arbeitsmedium durchströmt wird. Oder aber der Ausgleichsbehälter ist fluidisch dauerhaft, also nicht trennbar, mit dem Leitungssystem verbunden, um sicherzustellen, dass stets genügend Arbeitsmedium für den Clausius-Rankine-Kreislauf zur Verfügung steht.
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Ein fluidisches Trennen im Sinne der Erfindung ist jedoch besonders vorteilhaft, da sich im Laufe des Betriebs insbesondere der Brennkraftmaschine die Betriebsbedingungen auch in Bezug auf den Clausius-Rankine-Prozess ändern, beispielsweise wenn sich die Temperatur des Kühlwassers, mittels welchem der Kondensator gekühlt wird, aufgrund des Betriebs der Brennkraftmaschine ändert.
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Insofern wird die Aufgabe der Erfindung auch mit den Merkmalen von Anspruch 13 gelöst.
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Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung von Abwärmeenergie einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, bei welchem die Abwärmeenergie zumindest teilweise mittels einer als Verdampfer ausgestalteten Wärmeübertragereinrichtung an ein in einem Leitungssystem eines Clausius-Rankine-Kreislaufes geförderten Arbeitsmedium übertragen wird, bei welchem das Arbeitsmedium mittels des Verdampfers verdampft wird, bei welchem das verdampfte Arbeitsmedium unter Abgabe von mechanischer Arbeit an einer Expansionseinrichtung entspannt wird, bei welchem das entspannte Arbeitsmedium mittels eines Kondensators mit einer gewünschten Unterkühlung verflüssigt wird, wobei das unterkühlte Arbeitsmedium an einer Förderpumpe auf ein höheres Druckniveau komprimiert wird, und wobei die gewünschte Unterkühlung des Arbeitsmediums innerhalb des Leitungssystems eingestellt wird, indem eine zuvor gesperrte Fluidverbindungsleitung zwischen einem Ausgleichsbehälter zum Bevorraten eines zusätzlichen Arbeitsmediumvolumens und dem Leitungssystem temporär derart geöffnet wird, dass entweder ein Arbeitsmediumvolumen von dem Ausgleichsbehälter in das Leitungssystem, oder umgekehrt, transferiert wird.
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Vorliegend wird also nur bedarfsweise eine Wirkverbindung zwischen dem Ausgleichsbehälter und dem Leitungssystem hergestellt, um eine nahezu stufenlose Unterkühlung des innerhalb des Leitungssystems befindlichen Arbeitsmediums erzielen zu können.
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Vorteilhafterweise kann die Menge des sich in dem Leitungssystem zur Durchführung des Clausius-Rankine-Kreislaufes befindlichen Arbeitsmediums derart zielgerichtet dosiert werden, dass sich immer ein gewünschtes bzw. erforderliches Unterkühlungsniveau insbesondere stromab des Kondensatorauslasses und stromauf des Förderpumpeneinlasses einstellt.
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Insofern wird die Aufgabe der Erfindung auch von einem Verfahren zum Einstellen einer gewünschten Unterkühlung eines Arbeitsmediums in einem Leitungssystem eines Clausius-Rankine-Kreislaufes gelöst, bei welchem die gewünschte Unterkühlung des Arbeitsmediums innerhalb des Leitungssystems eingestellt wird, indem eine zuvor getrennte Fluidverbindung zwischen einem Ausgleichsbehälter zum Bevorraten eines zusätzlichen Arbeitsmediumvolumens und dem Leitungssystem derart geöffnet wird, dass entweder ein Arbeitsmediumvolumen von dem Ausgleichsbehälter in das Leitungssystem, oder umgekehrt, transferiert wird.
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Vorliegend kann speziell auch die Gefahr einer Kavitation an der Förderpumpe in jedem Betriebszustand des Clausius-Rankine-Kreislaufes ausgeschlossen werden.
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Insofern wird die Aufgabe der Erfindung auch von einem Verfahren zur Vermeidung einer Kavitation an einer in einem Leitungssystem eines Clausius-Rankine-Kreislaufes betriebenen Förderpumpe gelöst, bei welchem die gewünschte Unterkühlung des Arbeitsmediums innerhalb des Leitungssystems eingestellt wird, indem eine zuvor getrennte Fluidverbindung zwischen einem Ausgleichsbehälter zum Bevorraten eines zusätzlichen Arbeitsmediumvolumens und dem Leitungssystem derart geöffnet wird, dass entweder ein Arbeitsmediumvolumen von dem Ausgleichsbehälter in das Leitungssystem, oder umgekehrt, transferiert wird.
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Es versteht sich, dass der Ausgleichsbehälter an das Leitungssystem konstruktiv in vielfältiger Weise derart räumlich getrennt bzw. abgesperrt angeschlossen sein kann, dass er lediglich bedarfsweise mit dem Leitungssystem fluidisch wirkverbunden werden kann.
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Eine konstruktiv sehr einfache, erste Ausführungsvariante sieht vor, dass der Ausgleichsbehälter und das Leitungssystem durch eine einzige Fluidleitung fluidisch miteinander wirkverbunden sind, wobei in der einzigen Fluidleitung eine Speisepumpe derart angeordnet ist, dass mittels dieser Speisepumpe ein zusätzliches Arbeitsmediumvolumen von dem Ausgleichsbehälter in das Leitungssystem transferierbar ist. Durch diese Ausführungsvariante gelingt es baulich sehr einfach, dass das zusätzliche Arbeitsmediumvolumen mittels der Speisepumpe von dem Ausgleichsbehälter in das Leitungssystem gefördert werden kann, bis etwa ein gewünschtes Unterkühlungsniveau stromauf vor dem Einlass der Speisepumpe eingestellt ist. Somit kann zusätzliches Arbeitsmedium mittels der Speisepumpe in das Leitungssystem vorteilhaft nachdosiert werden.
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Ist die Speisepumpe druckfest ausgebildet, kann die einzige Fluidleitung mittels der druckfesten Speisepumpe verschlossen werden, wenn die Speisepumpe außer Betrieb ist. Somit sind der Ausgleichsbehälter und das Leitungssystem voneinander räumlich konstruktiv sehr einfach trennbar.
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Kumulativ oder alternativ ist vorteilhaft, wenn in der einzigen Fluidleitung ein schaltbares Absperrventil angeordnet ist. Mittels des schaltbaren Absperrventils kann ein unbeabsichtigtes Zurückströmen des Arbeitsmediums aus dem Leitungssystem in den Ausgleichsbehälter unterbunden werden, etwa bei einer Leckage der Speisepumpe.
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Vorzugsweise ist das Absperrventil an dem Auslass der Speisepumpe angeordnet, so dass die Speisepumpe durch das geschlossene Absperrventil von einem Systemdruck seitens des Leitungssystems entlastet werden kann. Insofern befindet sich das Absperrventil idealerweise auf der Hochdruckseite der Speisepumpe. Eine Anordnung auf der Niederdruckseite wäre aber auch möglich.
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Die Speisepumpe kann hinsichtlich ihrer Förderrichtung auch umkehrbar ausgelegt sein, so dass mit ihr das Arbeitsmedium aktiv in beide Richtungen transferiert werden kann.
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Eine alternative, zweite Ausführungsvariante sieht vor, dass der Ausgleichsbehälter und das Leitungssystem durch zwei Fluidleitungen fluidisch miteinander wirkverbunden sind, wobei in der einen der zwei Fluidleitungen eine Speisepumpe derart angeordnet ist, dass ein in dem Ausgleichsbehälter zusätzlich bevorratetes Arbeitsmediumvolumen von dem Ausgleichsbehälter in das Leitungssystem transferierbar ist, und wobei in der anderen der zwei Fluidleitungen ein schaltbares Absperrventil derart angeordnet ist, dass ein in dem Leitungssystem befindliches Arbeitsmedium von dem Leitungssystem in den Ausgleichsbehälter transferierbar ist.
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Wie bei der ersten Ausführungsvariante kann über die Fluidleitung, in welcher die Speisepumpe angeordnet ist, ein zusätzliches Arbeitsmediumvolumen von dem Ausgleichsbehälter aktiv in das Leitungssystem gefördert werden.
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Die andere der zwei Fluidleitungen stellt im Wesentlichen eine schalbare Bypasseinrichtung dar, über welche bei Bedarf Arbeitsmedium aus dem Leitungssystem in den Ausgleichsbehälter zurück geleitet werden kann.
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Insofern kann mittels der anderen der zwei Fluidleitungen bzw. mittels der schaltbaren Bypasseinrichtung das Leitungssystem unter Umgehung der Speisepumpe mit dem Ausgleichsbehälter fluidisch wirkverbunden werden, so dass ein Teil des Arbeitsmediums lediglich mit Hilfe des innerhalb des Leitungssystems vorherrschenden Systemdrucks aus diesem in den Ausgleichsbehälter abgelassen werden kann, ohne dass hierbei eine Pumpeneinrichtung betätigt werden muss. Somit kann überschüssiges Arbeitsmedium mittels der schaltbaren Bypasseinrichtung konstruktiv einfach aus dem Leitungssystem abgelassen werden.
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Insofern ist vorteilhaft, wenn die Bypasseinrichtung mit einem entsprechenden Absperrventil ausgerüstet ist.
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Jedenfalls kann mittels der Speisepumpe und der schaltbaren Bypasseinrichtung die innerhalb des Leitungssystems geförderte Menge an Arbeitsmedium vorteilhaft reguliert werden, so dass in allen Betriebsphasen am Kondensatorauslass hinsichtlich des Arbeitsmediums stets das gewünschte Unterkühlungsniveau eingestellt bleibt bzw. eingestellt werden kann.
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Darüber hinaus kann an dem Einlass oder an dem Auslass der Speisepumpe ein Rückschlagventil angeordnet sein. Das derart positionierte Rückschlagventil kann zuverlässig vermeiden, dass bei abgeschalteter Speisepumpe ein Teil des Arbeitsmediums aus dem Leitungssystem unbeabsichtigt – etwa durch eine Leckage an der Speisepumpe – in den Ausgleichsbehälter zurückströmt, insbesondere wenn in dem Leitungssystem höhere Druckverhältnisse vorherrschen als in dem Ausgleichsbehälter.
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Das Erfordernis ein derartiges Rückschlagventil vorzusehen, hängt jedoch auch von dem verwendeten Typ der Speisepumpe ab. Ist die Speisepumpe von solcher Art, dass sie im Stillstand dicht ist, kann auf ein entsprechendes Rückschlagventil verzichtet werden.
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Für den Fall, dass ein Rückschlagventil jedoch erforderlich ist, ist dieses vorzugsweise zwischen dem Auslass der Speisepumpe und einem Leitungssystemanschluss der Fluidleitung angeordnet, so dass die Speisepumpe durch das geschlossene Rückschlagventil von einem Systemdruck seitens des Leitungssystems entlastet werden kann. Insofern befindet sich das Rückschlagventil idealerweise auf der Hochdruckseite der Speisepumpe.
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Eine andere vorteilhafte, dritte Ausführungsvariante sieht vor, dass der Ausgleichsbehälter und das Leitungssystem durch zwei Fluidleitungen fluidisch miteinander verbunden sind, wobei in beiden der zwei Fluidleitungen jeweils ein schaltbares Absperrventil derart angeordnet ist, dass ein in dem Ausgleichsbehälter zusätzlich bevorratetes Arbeitsmediumvolumen von dem Ausgleichsbehälter in das Leitungssystem oder ein in dem Leitungssystem befindliches Arbeitsmedium von dem Leitungssystem in den Ausgleichsbehälter transferierbar ist.
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Vorteilhafterweise kann bei dieser Anordnung zur Gänze auf eine zusätzliche Speisepumpe verzichtet werden.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die in dem Leitungssystem angeordnete Förderpumpe zwischen einem ersten Leitungssystemanschluss der einen der zwei Fluidleitungen und einem zweiten Leitungssystemanschluss der anderen der zwei Fluidleitungen angeordnet ist, wobei der erste Leitungssystemanschluss stromab und der zweite Leitungssystemanschluss stromauf der Förderpumpe angeordnet ist.
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Um insbesondere den konstruktiven Aufwand und damit auch die Kosten der vorliegenden Vorrichtung zu reduzieren, kann die Förderpumpe, mittels welcher das Arbeitsmedium innerhalb des Leitungssystems gefördert wird, sogleich dazu verwendet werden, einen Teil des sich in dem Leitungssystem befindlichen Arbeitsmediums aus diesem heraus in den Ausgleichsbehälter hinein zu transferieren. Hierzu wird das Absperrventil, welches sich in der stromab der Förderpumpe befindlichen Fluidleitung befindet, geöffnet, so dass das Arbeitsmedium mit Unterstützung der Förderpumpe durch diese Fluidleitung in den Ausgleichsbehälter gelangt.
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Um darüber hinaus bei einer außer Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine und damit bei einem ruhenden Clausius-Rankine-Kreislauf einen kritischen statischen Unterdruck innerhalb des vorliegenden Leitungssystems zu verhindern, kann das jeweilige Absperrventil permanent geöffnet sein. Hierdurch ist es möglich, dass stets Arbeitsmedium aus dem Ausgleichsbehälter in das Leitungssystem fließen kann. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass sich das Leitungssystem so weit mit Arbeitsmedium auffüllen kann, dass sich kein nennenswerter Unterdruck innerhalb des Leitungssystems ausbilden kann. Hierdurch kann vorteilhafterweise ein Risiko des Lufteintrags aus der Umgebung in das Leitungssystem deutlich reduziert werden. Beim Anfahren des Clausius-Rankine-Kreislaufes kann das Arbeitsmedium, wenn es sich aufgrund einer Erhitzung innerhalb des Leitungssystems volumenmäßig ausdehnt, über ein immer noch geöffnetes Absperrventil in den Ausgleichsbehälter entweichen. Bei Erreichen eines gewünschten Zustandes wird das jeweilige Absperrventil geschlossen. Insofern kann eine Füllstandsregelung hinsichtlich der erforderlichen Menge an Arbeitsmedium innerhalb des Leitungssystems von der Speisepumpe beispielsweise im Zusammenspiel mit einem Absperrventil vorgenommen werden.
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Es versteht sich, dass der vorliegende Ausgleichsbehälter unterschiedlich konstruiert und ausgeführt sein kann.
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Umfasst der Ausgleichsbehälter ein flexibles und dehnbares Gehäuse, kann der Ausgleichsbehälter hermetisch verschlossen werden und dennoch mit dem Arbeitsmedium vollständig gefüllt sein. Hierdurch kann auf ein komprimierbares Gas innerhalb des Ausgleichsbehälters verzichtet werden.
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Ist das Arbeitsmedium nicht leicht flüchtig, kann der Ausgleichsbehälter gegenüber der Umgebung offen ausgeführt sein. Dies stellt eine sehr einfache Ausführungsvariante dar. Insofern ist es vorteilhaft, wenn der Ausgleichsbehälter gegenüber der Umgebung einen offenen Befüll- und/oder Entlüftungsstutzen umfasst.
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Bei einem flüchtigeren Arbeitsmedium kann der Ausgleichsbehälter gegenüber der Umgebung auch mit einem Aktivkohlefilter ausgerüstet sein, um Verdampfungsverluste des Arbeitsmediums über den offenen Befüll- und/oder Entlüftungsstutzen zu vermeiden oder zumindest signifikant zu reduzieren.
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In beiden vorgenannten Ausführungen würde im Ausgleichsbehälter stets der Umgebungsdruck herrschen.
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Alternativ könnte der Ausgleichsbehälter auch mittels eines Verschlussdeckels gegenüber der Umgebung verschlossen werden, wie dies etwa bei Kraftfahrzeugkühlsystemen der Fall ist. Vorzugsweise ist der Verschlussdeckel derart ausgelegt, dass er sowohl einen im Ausgleichsbehälter vorliegenden Über- als auch einen Unterdruck begrenzen kann.
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Alternativ hierzu könnte der Ausgleichsbehälter gegenüber der Umgebung auch hermetisch abgedichtet sein. Idealerweise kann der Ausgleichsbehälter neben dem eigentlichen Arbeitsmedium noch ein gasförmiges Medium enthalten. Handelt es sich bei dem gasförmigen Medium um Luft, kann der Ausgleichsbehälter sogleich auch als Sammeleinrichtung zum Sammeln von insbesondere in das Leitungssystem gelangte Luft dienen. Diese gesammelte Luft kann beispielsweise im Betrieb über ein Auslassventil in die Umgebung abgelassen werden. Anstelle von Luft kann für die Befüllung des Ausgleichsbehälters auch ein inertes Gas, beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid, Edelgase oder dergleichen, verwendet werden, um die Langzeitstabilität von gegenüber Luftsauerstoff empfindlichen Arbeitsmedien zu gewährleisten.
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Die Menge des Gases sollte so gewählt werden, dass beim Abstellen des Clausius-Rankine-Kreislaufes ein Unterdruck vermieden werden kann. Im Normalbetrieb steht der Ausgleichsbehälter unter Überdruck und muss entsprechend als Druckbehälter ausgeführt sein.
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Je nach Druckniveau kann es sinnvoll und besonders vorteilhaft sein, die Förderrichtung der Förderpumpe umzukehren, so dass Arbeitsmedium gegen den geringeren Leitungssystemdruck am Kondensatorauslass in den Ausgleichsbehälter gefördert werden kann.
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Als Wärmequellen im Zusammenhang mit dem als Wärmeübertrager verwendeten Verdampfer können unterschiedliche der Brennkraftmaschine insbesondere nachgeschalteten Einrichtungen genutzt werden. Beispielsweise kann die Abwärmeenergie von Abgasen im Endrohr einer Abgasanlage nach einer Abgasbehandlung, von rückgeführten Abgasen einer Abgasrückgewinnung, von Ladeluft nach einem Verdichter, von Kühlwasser der Brennkraftmaschine oder dergleichen genutzt werden. Es versteht sich, dass die zum Verdampfen des Arbeitsmediums erforderliche Abwärmeenergie lediglich aus einer solchen Wärmequelle oder auch aus mehreren solcher Wärmequellen gewonnen werden kann. Insofern kann der vorliegende Verdampfer als Wärmeübertrager auch unterschiedlich ausgelegt sein. Es ist weiter vorteilhaft, wenn mehrere Verdampfer entweder parallel, seriell oder auch in Mischformen zueinander verschaltet angeordnet sind.
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Es versteht sich, dass als Arbeitsmedium für einen Clausius-Rankine-Prozess im Sinne der Erfindung unterschiedliche Fluide eingesetzt werden können, wie beispielsweise Wasser, Ethanol, R245fa usw., oder ein Gemisch hieraus.
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An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass der Ausgleichsbehälter vorliegend nicht Teil des durch das Arbeitsmedium durchströmten Leitungssystems ist. Insofern ist der Ausgleichsbehälter derart an dem Leitungssystem angeschlossen, dass er zum Einstellen des Unterkühlungsniveaus von dem Arbeitsmedium nicht durchströmt wird.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung auch von einem Nutzkraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine gelöst, welches sich durch eine Vorrichtung nach einem der hier genannten Merkmale auszeichnet. Insbesondere an Nutzkraftfahrzeugen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärmeenergie vorteilhaft eingesetzt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ausgleichsbehälter ein variables Volumen aufweist.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Steuervorrichtung dazu vorgesehen ist, in Abhängigkeit einer vorgegebenen Unterkühlungstemperatur und/oder einer erfassten Pumpenleistung das Ventil derart zu öffnen oder zu schließen, dass eine bestimmte Arbeitsmediummasse in das Leitungssystem oder aus dem Leitungssystem transferiert wird.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Arbeitsmediumvolumen aus dem Leitungssystem am höchsten Punkt eines Rohrbogens (462) oder einer lokalen Aufweitung des Leitungssystems entnehmbar ist, so dass sich eventuell im Kreislauf befindliches Schadgas an dieser Stelle sammeln kann und dieses zusammen mit dem transferierten Arbeitsmediumvolumen in den Ausgleichsbehälter transferierbar ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmeenergie-Rückgewinnungs-Vorrichtung mit einem Clausius-Rankine-Kreislauf umfassend ein Leitungssystem, an welchem ein Ausgleichsbehälter zum Bevorraten eines Arbeitsmediums absperrbar angeschlossen ist.
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmeenergie-Rückgewinnungs-Vorrichtung mit einem anders ausgestalteten Ausgleichsbehälter,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmeenergie-Rückgewinnungs-Vorrichtung mit einem alternativ ausgestalteten Ausgleichsbehälter,
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmeenergie-Rückgewinnungs-Vorrichtung mit einer alternativen Anschlussanordnung eines Ausgleichsbehälters an ein Leitungssystem eines Clausius-Rankine-Kreislaufes, und
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmeenergie-Rückgewinnungs-Vorrichtung mit einer weiteren Anschlussanordnung eines Ausgleichsbehälters an ein Leitungssystem eines Clausius-Rankine-Kreislaufes.
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Bevorzugte Ausführungen der Erfindung
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Die 1 zeigt eine erste Vorrichtung 1 zur Rückgewinnung von Abwärmeenergie einer hier nicht gezeigten Brennkraftmaschine eines hier ebenfalls nicht gezeigten Nutzkraftfahrzeugs. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Clausius-Rankine-Kreislauf 2 mit einem Leitungssystem 3, in welchem ein Arbeitsmedium 4 mittels einer Förderpumpe 5 in Förderrichtung 6 gefördert wird. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 einen ersten als Verdampfer 7 ausgebildeten Wärmeübertrager 8, einen zweiten als weiteren Verdampfer 9 ausgebildeten Wärmeübertrager 10, eine Expansionseinrichtung 11 sowie einen Kondensator 12. Prinzipiell erfolgt die Rückgewinnung der Abwärmeenergie folgendermaßen: Mittels der Förderpumpe 5 wird das Arbeitsmedium 4 zunächst einmal innerhalb des Leitungssystems 3 auf ein höheres Druckniveau komprimiert und anschließend gemäß der Förderrichtung 6 in Richtung der Verdampfer 7 und 9 gefördert. Mittels des ersten als Verdampfer 9 ausgebildeten Wärmeübertragers 10 wird Abwärmeenergie aus Abgasen 13 der Brennkraftmaschine zumindest teilweise auf das Arbeitsmedium 4 übertragen, wodurch dieses im Verdampfer 7 verdampft. Hierzu strömt das noch flüssige Arbeitsmedium 4 durch einen Zuführabschnitt 14 in den Verdampfer 7 hinein und tritt durch einen Abführabschnitt 15 als verdampftes Arbeitsmedium aus dem Verdampfer 7 wieder heraus. Mittels des zweiten als weiteren Verdampfer 9 ausgebildeten Wärmeübertragers 10 wird Abwärmeenergie aus rückgeführten Abgasen 16 zumindest teilweise ebenfalls auf das Arbeitsmedium 4 übertragen, wodurch dieses im weiteren Verdampfer 9 verdampft. Hierzu strömt das flüssige Arbeitsmedium 4 durch einen Zuführabschnitt 17 in den Verdampfer 7 hinein und tritt durch einen Abführabschnitt 18 als verdampftes Arbeitsmedium aus dem Verdampfer 7 wieder heraus. Zwischen dem Zuführabschnitt 14 und dem weiteren Zuführabschnitt 17 ist noch ein Kontrollventil 19 vorgesehen, mittels welchem das von der Förderpumpe 5 kommende Arbeitsmedium 4 verteilt werden kann, je nachdem ob nur einer der beiden Verdampfer 7 und 9 oder beide Verdampfer 7 und 9 in Betrieb sind. Das verdampfte Arbeitsmedium 4 wird weiter zur Expansionseinrichtung 11 gefördert und dort unter Abgabe von mechanischer Leistung entspannt. Die mechanische Leistung kann hierbei mit einem Generator (hier nicht gezeigt) in bekannte Weise in elektrische Energie umgewandelt werden. Anschließend wird das entspannte Arbeitsmedium 4 weiter zum Kondensator 12 gefördert, der durch einen nicht näher erläuterten Kühlkreislauf 20 gekühlt wird. Mittels des Kondensators 12 kondensiert das zuvor entspannte Arbeitsmedium 4 und tritt am Kondensatorauslass 21 mit einer geforderten Unterkühlung als wieder verflüssigtes Arbeitsmedium 4 aus. Weiter gelangt das Arbeitsmedium 4 betriebssicher verflüssigt wieder zu einem Förderpumpeneinlass 22 der Förderpumpe 5 und der Clausius-Rankine-Kreislauf 2 beginnt erneut.
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Die Vorrichtung 1 ist darüber hinaus noch mit einem Ausgleichsbehälter 25 ausgestattet, der in diesem ersten Ausführungsbeispiel durch eine einzige Fluidleitung 26 an das Leitungssystem 3 angeschlossen ist; und zwar derart, dass der Ausgleichsbehälter 25 nicht in Förderrichtung 6 von dem Arbeitsmedium 4 durchströmbar in dem Leitungssystem 3 integriert ist.
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Der Ausgleichsbehälter 25 weist einen Sammelraum 27 auf, in welchem zusätzlich ein Arbeitsmediumvolumen 28 bevorratet werden kann. Da der Sammelraum 27 des Ausgleichsbehälters 25 mittels eines Befüll- und Entlüftungsstutzens 29 mit der Umgebung 30 wechselwirkt, befindet sich in einem oberen Teil 31 des Sammelraums 27 und damit oberhalb des Arbeitsmediumvolumens 28 Luft unter Atmosphärendruck. In dem Befüll- und Entlüftungsstutzen 29 ist ein Aktivkohlefilter 32 eingesetzt, um zu verhindern, dass sich das Arbeitsmedium 4 nachteilig in die Umgebung 30 verflüchtigt. Der Ausgleichsbehälter 25 besitzt ein starres Gehäuse 33 und ist dementsprechend robust.
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Damit das zusätzlich in dem Ausgleichsbehälter 25 bevorratete Arbeitsmediumvolumen 28 in das Leitungssystem 3 oder umgekehrt transferiert werden kann, ist der Ausgleichsbehälter 25 bezüglich der Fluidleitung 26 mittels einer einzigen Anschlussstelle 34 stromab unmittelbar hinter dem Kondensatorauslass 20 an das Leitungssystem 3 angeschlossen.
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In der Fluidleitung 26 sind sowohl eine überströmbare Speisepumpe 35 als auch ein schaltbares Absperrventil 36 angeordnet, so dass einerseits der Ausgleichsbehälter 25 bzw. das darin bevorratete zusätzliche Arbeitsmediumvolumen 28 von dem Leitungssystem 3 räumlich getrennt werden kann. Andererseits kann mittels der überströmbaren Speisepumpe 35 eine zusätzliche Menge an Arbeitsmediumvolumen 28 von dem Ausgleichsbehälter 25 in das Leitungssystem 3 hinein gepumpt werden kann. Insofern kann die überströmbare Speisepumpe 35 auch zur Druckerhöhung eines Leitungssystemdrucks eingesetzt werden. Ist die überströmbare Speisepumpe 35 außer Betrieb kann bei geöffneten Absperrventil 36 und entsprechend hohen Leitungssystemdrücken hingegen Arbeitsmedium 4 teilweise aus dem Leitungssystem 3 problemlos wieder in den Ausgleichsbehälter 25 zurückfließen, da einerseits der Sammelraum 27 bzw. der Ausgleichsbehälter 25 insgesamt lediglich unter Atmosphärendruck stehen und andererseits das Arbeitsmedium 4 durch die stillstehende und somit überströmbare Speisepumpe 35 hindurch fließen kann. Das Absperrventil 36 kann vorliegend somit zur Druckverminderung eines Leitungssystemdrucks eingesetzt werden.
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Die in der 2 gezeigte weitere Vorrichtung 101 entspricht im Wesentlichen der in der 1 gezeigten Vorrichtung 1, so dass gleiche oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugsziffern versehen sind und hinsichtlich der weiteren Vorrichtung 101 nur diejenigen Merkmale erläutert werden, durch welche sich die weitere Vorrichtung 101 unterscheidet.
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Ansonsten wird auf die vorstehende Erläuterung verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Die weitere Vorrichtung 101 zur Rückgewinnung von Abwärmeenergie zeichnet sich durch einen anders gestalteten Ausgleichsbehälter 125 aus, der so aufgebaut ist, dass das hierin bevorratete zusätzliche Arbeitsmediumvolumen 28 nicht dauerhaft mit der Umgebungsluft 140 wechselwirken kann. Hierzu weist der Ausgleichsbehälter 125 neben einem Arbeitsmediumeinfüllstutzen 141, der im unteren Drittel 142 des Ausgleichsbehälters 125 seitlich angeordnet ist, noch einen Füllgaseinfüllstutzen 143 auf, der im Deckenbereich 144 des Ausgleichsbehälters 125 vorgesehen ist. Sowohl der Arbeitsmediumeinfüllstutzen 141 als auch der Füllgaseinfüllstutzen 143 sind jeweils durch hier nicht gezeigte Deckel hermetisch verschließbar. Durch diesen gewählten Aufbau ist sichergestellt, dass sich in der oberen Hälfte 144 des Ausgleichsbehälters 125 stets ein gegenüber dem zusätzlichen Arbeitsmediumvolumen 28 inertes Füllgas 145 und in der unteren Hälfte 146 des Ausgleichsbehälters 125 entsprechend das zusätzliche Arbeitsmediumvolumen 28 sammeln. Der Ausgleichsbehälter 25 besitzt vorteilhafterweise ebenfalls ein starres Gehäuse 33 und ist dementsprechend druckfest ausgeführt.
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Die in der 3 gezeigte alternative Vorrichtung 201 entspricht ebenfalls im Wesentlichen den in den 1 bzw. 2 gezeigten Vorrichtungen 1 bzw. 101, so dass gleiche oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Hinsichtlich der weiteren Vorrichtung 201 sind dementsprechend nur diejenigen Merkmale erläutert, durch welche sich die weitere Vorrichtung 201 unterscheidet.
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Die alternative Vorrichtung 201 zur Rückgewinnung von Abwärmeenergie zeichnet sich durch einen weiteren alternativ gestalteten Ausgleichsbehälter 225 aus. Dieser alternative Ausgleichsbehälter 225 ist als gegenüber der Umgebung 30 hermetisch abgeschlossene Faltenbalgeinheit 250 ausgeführt, wodurch unterschiedliche Mengen an Arbeitsmediumvolumen 28 durch eine Volumenveränderung des alternativen Ausgleichsbehälters 225 selbst aufgenommen werden können. Mit anderen Warten, die Größe des Ausgleichsbehälters 225 passt sich an das zu bevorratende zusätzliche Arbeitsmediumvolumen 28 an. Hierzu besitzt der alternative Ausgleichsbehälter 225 im Gegensatz zu den beiden zuvor beschriebenen Ausgleichsbehältern 25 und 125 überwiegend kein starres Gehäuse 33, sondern ein zumindest teilweise flexibles Gehäuse 251 in Gestalt eines Faltenbalgs 252. Bei diesem Ausführungsbeispiel muss der Ausgleichsbehälter 225 nicht zwingend mit Luft vgl. 1) oder mit inertem Füllgas 145 vgl. 2) befüllt sein. Anstelle des Faltenbalgs 252 könnte auch ein Membranbehälter oder ein elastisches Blasenelement vorgesehen werden.
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Jedenfalls sind die in den 1 bis 3 gezeigten Ausgleichsbehälter 25, 125 und 225 gegenüber dem Leitungssystem 3 fluidisch derart trennbar oder verbindbar angeordnet, dass innerhalb des Leitungssystems 3 stromab des Kondensatorauslasses 20 und stromauf des Förderpumpeneinlasses 37 eine zumindest bereichsweise Unterkühlung des Arbeitsmediums 4 in Abhängigkeit von dem von dem Ausgleichsbehälter 25 in das Leitungssystem 3 hinein transferierten Arbeitsmediumvolumen 28, oder umgekehrt, einstellbar ist.
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Die in der 4 gezeigte weitere Vorrichtung 301 zur Rückgewinnung von Abwärmeenergie zeichnet sich durch eine andere Anschlussanordnung 355 aus, mittels welcher der Ausgleichsbehälter 25 an das vorhandene Leitungssystem 3 angeschlossen ist. Ansonsten ist die Vorrichtung 301 hinsichtlich ihres Clausius-Rankine-Kreislaufes 2 wieder baugleich. Insofern wird diesbezüglich auf die Erläuterungen hinsichtlich der Vorrichtungen 1, 101 und 201 verwiesen und es werden nachstehend lediglich die im Zusammenhang mit der Anschlussanordnung 355 hiervon abweichenden Merkmale erläutert. Wie gemäß der Darstellung nach der 4 gut ersichtlich ist, ist der Ausgleichsbehälter 25 diesmal durch zwei Fluidleitungen 356 und 357 fluidisch mit dem Leitungssystem 3 verbunden. Hierbei ist in der stromauf vorderen Fluidleitung 356 eine druckfeste Speisepumpe 358 derart angeordnet, dass das zusätzliche Arbeitsmediumvolumen 28 von dem Ausgleichsbehälter 25 in das Leitungssystem 3 gefördert bzw. transferiert werden kann. Die druckfeste Speisepumpe 358 zeichnet sich dadurch aus, dass durch sie hindurch kein Arbeitsmedium 4 von dem Leitungssystem 3 in den Bevorratungsbehälter 25 fließen kann, wenn die druckfeste Speisepumpe 358 außer Betrieb ist. Des Weiteren ist in der hinteren Fluidleitung 357 ein schaltbares Absperrventil 36 derart angeordnet, dass das Arbeitsmedium 4 aus dem Leitungssystem 3 in den Ausgleichsbehälter 25 transferiert werden kann, wenn das Absperrventil 36 entsprechend auf Durchlass geschaltet ist. Andernfalls ist auch die hintere Fluidleitung 357 dicht verschlossen, so dass insgesamt der Ausgleichsbehälter 25 von dem Leitungssystem 3 räumlich getrennt ist.
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Die weitere in der 5 gezeigte Vorrichtung 401 zur Rückgewinnung von Abwärmeenergie unterscheidet sich von der Vorrichtung 301 vgl. 4) lediglich dadurch, dass in der vorderen Fluidleitung 356 anstelle der druckfesten Speisepumpe 358 (siehe 4) ein weiteres Absperrventil 460 eingebaut und dass die Förderpumpe 5 zwischen einem vorderen Fluidanschluss 461 der vorderen Fluidleitung 356 und einem hinteren Fluidanschluss 462 der hinteren Fluidleitung 357 angeordnet ist. Hierdurch kann die Förderpumpe 5 sogleich zum Befüllen des Ausgleichsbehälters 25 über die hintere Fluidleitung 357 genutzt werden, wodurch die Bauteilkosten vorteilhaft gesenkt werden können. Bei dieser Vorrichtung 401 wird der Ausgleichsbehälter 25 bei noch kaltem Clausius-Rankine-Kreislauf 2 unter Atmosphärendruck einmalig befüllt, bis sich eine Mindestmenge an Arbeitsmedium 4 im Ausgleichsbehälter 25 befindet. Anschließend wird der Ausgleichsbehälter 25 mit einem inerten Füllgas 145 gespült und mittels eines entsprechenden Verschlusses (hier nicht gezeigt) am Befüll- und Entlüftungsstutzen 29 verschlossen. Beim Anlaufen des Clausius-Rankine-Kreislaufes 2 wird zunächst das flüssige Arbeitsmedium 4 mittels der übertragenen Abwärme in den Verdampfern 7 und/oder 9 verdampft, wobei der Leitungssystemdruck insbesondere am Kondensatorauslass 21 steigt. Ist dies nicht erwünscht, kann durch ein Öffnen des Absperrventils 36 flüssiges Arbeitsmedium 4 in den Ausgleichsbehälter 25 strömen, wodurch das Füllgas 145 im Ausgleichsbehälter 25 komprimiert wird. Dies hat zur Folge, dass der Ausgleichsbehälterdruck steigt. Bei laufendem Clausius-Rankine-Kreislauf 2 kann dann zur Anhebung des Leitungssystemdrucks das weitere Absperrventil 460 und zur Absenkung des Leitungssystemdrucks das Absperrventil 36 kurz geöffnet werden, wodurch sich das Unterkühlungsniveau insbesondere vor der Förderpumpe 5 regeln lässt. Beim Abstellen des Clausius-Rankine-Kreislaufes 2 werden die Absperrventile 36 und 460 vorzugsweise geöffnet und das Leitungssystem 3 kann durch Arbeitsmedium 4 aus dem Ausgleichsbehälter 25 geflutet werden. Das Druckniveau innerhalb des Leitungssystems 3 und des Ausgleichsbehälters 25 sinkt hierbei wieder auf Umgebungsdruck, wodurch eine Leckage durch Umgebungsluft wirkungsvoll verhindert werden kann. Ferner liegt der hintere Fluidanschluss 462 stromab der Förderpumpe 5 in einer Leitungserhöhung 463, wodurch durch einen hierdurch hervorgerufenen Siphoneffekt ein gegebenenfalls in das Leitungssystem 3 geratenes Gas bei geöffnetem Absperrventil 36 in den Ausgleichsbehälter 25 abgeschieden und weiter bei einem nächsten Befüllvorgang entfernt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009050068 A1 [0007]
- DE 2011117054 A1 [0008]
