DE102015208557B3 - Method for determining a lubricant content in a working fluid circuit of a system for carrying out a thermodynamic cycle, system for carrying out a thermodynamic cycle, and arrangement with an internal combustion engine and such a system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Schmierstoffanteils (x) in einem Arbeitsfluid-Kreislauf (7) eines Systems (5) zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesse, mit folgenden Schritten: Ermitteln eines Wärmestroms an wenigstens einem Wärmeübertrager (11, 17) des Systems (5) zwischen einem Wärmetauschmedium und einem in dem Arbeitsfluid-Kreislauf (7) strömenden Kreislauf-Mediums; Erfassen einer Zustandsänderung des Kreislauf-Mediums über dem Wärmeübertrager (11, 17), und Ermitteln des Schmierstoffanteils (x) an dem Kreislauf-Medium aus dem ermittelten Wärmestrom und der erfassten Zustandsänderung.The invention relates to a method for determining a lubricant component (x) in a working fluid circuit (7) of a system (5) for carrying out a thermodynamic cyclic process, comprising the following steps: determining a heat flow at at least one heat exchanger (11, 17) of the system ( 5) between a heat exchange medium and a circulating medium flowing in the working fluid circuit (7); Detecting a change in state of the circulating medium over the heat exchanger (11, 17), and determining the lubricant content (x) on the circulating medium from the determined heat flow and the detected state change.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Schmierstoffanteils in einem Arbeitsfluid-Kreislauf eines Systems zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses, ein System zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses und eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine und einem solchen System.The invention relates to a method for determining a lubricant content in a working fluid circuit of a system for carrying out a thermodynamic cycle, a system for carrying out a thermodynamic cycle and an arrangement with an internal combustion engine and such a system.
Systeme zur Durchführung von thermodynamischen Kreisprozesses, beispielsweise Wärmepumpen oder Systeme zur Durchführung eines organischen Rankine-Kreisprozesses (ORC), weisen in der Regel Komponenten wie Pumpen und Expansionsmaschinen auf, welche für eine reibungsarme, langlebige und störungsfreie Funktionsweise mit einem Schmierstoff versorgt werden müssen. Dabei ist typischerweise vorgesehen, dass der Schmierstoff zusammen mit einem Arbeitsfluid entlang eines Arbeitsfluid-Kreislaufs des Systems geführt wird. Nachteilig hierbei ist, dass eine Kontrolle über die Menge des in dem Arbeitsfluid-Kreislauf mitgeführten Schmierstoffs und über eine Versorgung der zu schmierenden Komponenten mit dem Schmierstoff schwierig ist. Außerdem treten Leistungsverluste aufgrund des Schmierstoffanteils in dem Arbeitsfluid-Kreislauf auf, da der Schmierstoff als parasitäre Wärmesenke fungiert und keine mechanische Arbeit an der Expansionsmaschine verrichten kann. Aus Sicherheitsgründen wird die Menge an Schmierstoff in dem Arbeitsfluid-Kreislauf in der Regel höher als benötigt gewählt, sodass auch die Leistungsverluste höher als nötig ausfallen. Es ist grundsätzlich möglich, einen Schmierstoffanteil in dem Arbeitsfluid-Kreislauf mittels einer Dichtemessung zu ermitteln. Dies liefert jedoch nur dann zuverlässige Ergebnisse, wenn sich die Dichten des Arbeitsfluids einerseits und des Schmierstoffs andererseits hinreichend unterscheiden. Hinzu kommt, dass für die Dichtemessung teure Sensoren, beispielsweise Corioliswaagen, erforderlich sind.Systems for conducting thermodynamic cycle, such as heat pumps or systems for performing an organic Rankine cycle (ORC), typically have components such as pumps and expansion machines, which must be supplied with a lubricant for a low-friction, long-lasting and trouble-free operation. It is typically provided that the lubricant is fed along with a working fluid along a working fluid circuit of the system. The disadvantage here is that a control over the amount of entrained in the working fluid circuit lubricant and a supply of the components to be lubricated with the lubricant is difficult. In addition, power losses occur due to the proportion of lubricant in the working fluid circuit, since the lubricant acts as a parasitic heat sink and can not perform any mechanical work on the expansion machine. For safety reasons, the amount of lubricant in the working fluid circuit is usually chosen to be higher than required, so that the power losses are higher than necessary. It is basically possible to determine a lubricant content in the working fluid circuit by means of a density measurement. However, this provides reliable results only if the densities of the working fluid on the one hand and the lubricant on the other hand sufficiently differ. In addition, expensive sensors, such as Coriolis scales, are required for density measurement.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung eines Schmierstoffanteils in einem Arbeitsfluid-Kreislauf eines Systems zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses, ein System zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses und eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine und einem solchen System zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.The invention has for its object to provide a method for determining a lubricant content in a working fluid circuit of a system for performing a thermodynamic cycle, a system for performing a thermodynamic cycle and an arrangement with an internal combustion engine and such a system, said disadvantages do not occur.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved by providing the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zur Bestimmung eines Schmierstoffanteils in einem Arbeitsfluid-Kreislauf eines Systems zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses geschaffen wird, welches folgende Schritte aufweist: Es wird ein Wärmestrom an wenigstens einem Wärmeübertrager eines Systems zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses ermittelt, vorzugsweise gemessen, nämlich ein Wärmestrom zwischen einem Wärmetauschmedium und einem in dem Arbeitsfluid-Kreislauf strömenden Kreislauf-Medium. Es wird eine Zustandsänderung des Kreislauf-Mediums über dem Wärmeübertrager erfasst, und ein Schmierstoffanteil an dem Kreislauf-Medium wird aus dem ermittelten Wärmestrom und der erfassten Zustandsänderung ermittelt. Das Verfahren weist Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Insbesondere ist es mithilfe des Verfahrens möglich, den Schmierstoffanteil – auch bei ähnlichen oder identischen Dichten des Arbeitsfluids und des Schmierstoffs – in sicherer, genauer und einfacher Weise zu bestimmen, wobei insbesondere einfache und mit kostengünstiger Sensorik zu messende und im Übrigen typischerweise ohnehin erfasste thermodynamische Größen zur Ermittlung der Zustandsänderung des Kreislauf-Mediums herangezogen werden können. Auf eine teure Sensorik kann demnach verzichtet werden. Da mithilfe des Verfahrens der Schmierstoffanteil in dem Arbeitsfluid-Kreislauf mit geringem Aufwand und in kostengünstiger Weise ermittelt werden kann, ist es nicht nötig, die Schmierstoffmenge aus Sicherheitsgründen höher als benötigt zu wählen. Damit kann zum einen zielgenau eine ausreichende Versorgung der zu schmierenden Komponenten mit Schmierstoff sichergestellt werden, zum anderen können Leistungsverluste aufgrund des als parasitäre Wärmesenke wirkenden Schmierstoffs minimiert werden.The object is achieved, in particular, by providing a method for determining a lubricant fraction in a working fluid circuit of a system for carrying out a thermodynamic cycle comprising the following steps: a heat flow is determined on at least one heat exchanger of a system for carrying out a thermodynamic cycle; preferably measured, namely a heat flow between a heat exchange medium and a circulating medium flowing in the working fluid circuit. It is detected a change in state of the circulating medium over the heat exchanger, and a lubricant content of the circulating medium is determined from the determined heat flow and the detected state change. The method has advantages over the prior art. In particular, it is possible by means of the method to determine the lubricant content - even with similar or identical densities of the working fluid and the lubricant - in a safe, accurate and simple manner, in particular simple and cost-effective sensors to be measured and incidentally typically already detected thermodynamic variables can be used to determine the change in state of the circulatory medium. An expensive sensor can therefore be dispensed with. Since the method of lubricant proportion in the working fluid circuit can be determined with little effort and in a cost effective manner, it is not necessary to choose the amount of lubricant higher than required for safety reasons. Thus, on the one hand, an adequate supply of lubricant to the components to be lubricated can be ensured, on the other hand, power losses due to the lubricant acting as a parasitic heat sink can be minimized.
Mit dem Begriff „Kreislauf-Medium” ist hier ein Gemisch aus dem Arbeitsfluid einerseits und dem Schmierstoff andererseits angesprochen, welches entlang des Arbeitsfluid-Kreislaufs geführt wird. Im Rahmen des Verfahrens wird also der Anteil an Schmierstoff in dem Kreislauf-Medium bestimmt. The term "circulation medium" here a mixture of the working fluid on the one hand and the lubricant is addressed on the other hand, which is guided along the working fluid circuit. In the context of the method, therefore, the proportion of lubricant in the circulating medium is determined.
Unter einem Wärmeübertrager wird eine Einrichtung verstanden, in welcher Wärme zwischen einem Wärmetauschmedium, welches durch den Wärmeübertrager strömt, und dem Kreislauf-Medium, welches ebenfalls durch den Wärmeübertrager strömt, übertragen werden kann. Bei dem Wärmeübertrager kann es sich insbesondere um einen Erhitzer, insbesondere einen Verdampfer, und/oder einen Kühler, insbesondere einen Kondensator, handeln. Als Wärmetauschmedium dient bevorzugt insbesondere ein Fluid, welches heißer oder kälter ist als das Kreislauf-Medium an einem Einlass des Wärmeübertragers, insbesondere Abgas oder ein Kühlmittel einer Brennkraftmaschine in einem Erhitzer oder Verdampfer, oder Kühlwasser in einem Kühler oder Kondensator.A heat exchanger is understood to mean a device in which heat can be transferred between a heat exchange medium which flows through the heat exchanger and the circulation medium, which likewise flows through the heat exchanger. The heat exchanger may in particular be a heater, in particular an evaporator, and / or a cooler, in particular a condenser. As a heat exchange medium is preferably used in particular a fluid which is hotter or colder than the circulation medium at an inlet of the heat exchanger, in particular exhaust gas or a coolant of an internal combustion engine in a heater or evaporator, or cooling water in a condenser or cooler.
Unter einem Wärmestrom wird eine pro Zeiteinheit in dem Wärmeübertrager zwischen dem Wärmetauschmedium und dem Kreislauf-Medium ausgetauschte Wärmemenge verstanden.Under a heat flow is understood per unit time in the heat exchanger between the heat exchange medium and the circulating medium exchanged heat amount.
Der Wärmestrom an dem Wärmeübertrager wird vorzugsweise ermittelt, indem ein Massenstrom des Wärmetauschmediums durch den Wärmeübertrager, eine Temperatur des Wärmetauschmediums stromaufwärts des Wärmeübertragers – insbesondere an einem Wärmetauschmedien-Einlass des Wärmeübertragers – und eine Temperatur des Wärmetauschmediums stromabwärts des Wärmeübertragers – insbesondere an einem Wärmetauschmedium-Auslass des Wärmeübertragers – gemessen werden. Aus dem Massenstrom des Wärmetauschmediums durch den Wärmeübertrager und der Temperaturdifferenz des Wärmetauschmediums über dem Wärmeübertrager kann dann der Wärmestrom aus dem oder in das Wärmetauschmedium bestimmt werden. Dieser wird dann vorzugsweise dem Wärmestrom in das oder aus dem Kreislauf-Medium gleichgesetzt. Dies entspricht der Annahme, dass an dem Wärmeübertrager keine Verluste und insbesondere keine Verlustwärmeströme auftreten. Solche Verluste werden vorzugsweise ohnehin bei der Auslegung und Konstruktion eines solchen Wärmeübertragers minimiert, sodass diese Annahme zumindest in hinreichendem Umfang erfüllt ist.The heat flow at the heat exchanger is preferably determined by a mass flow of the heat exchange medium through the heat exchanger, a temperature of the heat exchange medium upstream of the heat exchanger - in particular at a heat exchange medium inlet of the heat exchanger - and a temperature of the heat exchange medium downstream of the heat exchanger - in particular at a heat exchange medium outlet of the heat exchanger - to be measured. From the mass flow of the heat exchange medium through the heat exchanger and the temperature difference of the heat exchange medium via the heat exchanger then the heat flow from or into the heat exchange medium can be determined. This is then preferably equated to the heat flow in or out of the circulation medium. This corresponds to the assumption that no losses and in particular no loss of heat flows occur at the heat exchanger. Such losses are preferably minimized anyway in the design and construction of such a heat exchanger, so that this assumption is met at least to a sufficient extent.
Unter einer Zustandsänderung des Kreislauf-Mediums wird insbesondere eine thermodynamische Zustandsänderung verstanden. Bei der Zustandsänderung des Kreislauf-Mediums handelt es sich bevorzugt um einerseits eine Zustandsänderung des Arbeitsfluids und andererseits eine Zustandsänderung des Schmierstoffs, wobei die beiden Zustandsänderungen gemeinsam als Zustandsänderung des Kreislauf-Mediums betrachtet werden.A change of state of the circulation medium is understood in particular to mean a thermodynamic change of state. The state change of the circulation medium is preferably a change in the state of the working fluid on the one hand and a change in the state of the lubricant on the other hand, the two changes in state being considered together as a change in the state of the circulation medium.
Die Zustandsänderung ist insbesondere eine Differenz eines thermodynamischen Zustands des Kreislauf-Mediums stromabwärts des Wärmeübertragers und eines Zustands des Kreislauf-Mediums stromaufwärts des Wärmeübertragers. Dabei wird bevorzugt unter dem Zustand des Kreislauf-Mediums ein Zustand des Arbeitsfluids und ein Zustand des Schmierstoffs verstanden. Die Zustandsänderung bezieht sich also auf eine sich beim Passieren des Wärmeübertragers ergebende Differenz wenigstens eines thermodynamischen Zustands, wobei sich die Zustandsänderung insbesondere durch den in dem Wärmeübertrager übertragenen Wärmestrom ergibt.Specifically, the state change is a difference of a thermodynamic state of the cycle medium downstream of the heat exchanger and a state of the cycle medium upstream of the heat exchanger. In this case, a state of the working fluid and a state of the lubricant are preferably understood to mean the state of the circulating medium. The change in state thus refers to a difference of at least one thermodynamic state which results when the heat exchanger passes, the change in state resulting, in particular, from the heat flow transmitted in the heat exchanger.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein erster Zustand des Kreislauf-Mediums stromaufwärts des Wärmeübertragers erfasst wird, wobei auch ein zweiter Zustand des Kreislauf-Mediums stromabwärts des Wärmeübertragers erfasst wird. Die Zustandsänderung kann in einfacher Weise als Differenz der erfassten Zustände ermittelt werden. Als Zustand wird bevorzugt jeweils – stromaufwärts und stromabwärts des Wärmeübertragers – ein Wertepaar aus einem Druck und einer Temperatur des Kreislauf-Mediums erfasst. Hierbei handelt es sich um einfach messbare und insbesondere typischerweise ohnehin gemessene thermodynamische Größen des Kreislauf-Mediums, die einfach und mit kostengünstiger Sensorik zu messen sind, und aus denen zuverlässig ein thermodynamischer Zustand des Kreislauf-Mediums, insbesondere des Arbeitsfluids und des Schmierstoffs, ermittelt werden kann.An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that a first state of the circulating medium is detected upstream of the heat exchanger, wherein a second state of the circulating medium downstream of the heat exchanger is also detected. The state change can be determined in a simple manner as a difference of the detected states. As a condition, a value pair of a pressure and a temperature of the circulation medium is preferably detected in each case-upstream and downstream of the heat exchanger. These are easily measurable and in particular typically measured anyway thermodynamic variables of the circulation medium, which are easy to measure with low-cost sensors, and from which a thermodynamic state of the circulation medium, in particular the working fluid and the lubricant are reliably determined can.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Zustandsänderung des Kreislauf-Mediums eine Enthalpieänderung des Arbeitsfluids und eine Enthalpieänderung des Schmierstoffs ermittelt werden, wobei die Enthalpieänderungen anhand der erfassten Drücke und Temperaturen des Kreislauf-Mediums bestimmt werden. Eine Enthalpieänderung dient in besonders günstiger und einfacher Weise als Zustandsgröße, die zur Ermittlung des Schmierstoffanteils erfasst werden kann. Besonders bevorzugt wird eine spezifische Enthalpieänderung erfasst, das heißt eine Enthalpieänderung, die bezogen ist auf eine Masseneinheit, nämlich als Enthalpieänderung des Arbeitsfluids bezogen auf eine Masseneinheit des Arbeitsfluids, und als Enthalpieänderung des Schmierstoffs bezogen auf eine Masseneinheit des Schmierstoffs in dem Kreislauf.An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that a change in the enthalpy of the working fluid and an enthalpy change of the lubricant are determined as a change in state of the circulating medium, the enthalpy changes being determined on the basis of the detected pressures and temperatures of the circulatory medium. An enthalpy change serves in a particularly favorable and simple manner as a state variable which can be detected to determine the lubricant content. Particularly preferably, a specific enthalpy change is detected, that is to say an enthalpy change which is related to one mass unit, namely as an enthalpy change of the working fluid relative to one Mass unit of the working fluid, and as enthalpy change of the lubricant based on a mass unit of the lubricant in the circuit.
Die Enthalpien des Arbeitsfluids und des Schmierstoffs stromaufwärts und stromabwärts des Wärmeübertragers werden bevorzugt aus den oder in Abhängigkeit von den ermittelten Druck- und Temperaturwerten ermittelt, vorzugsweise aus hinterlegten Dampftafeln und/oder Look Up-Tabellen. Auch eine Verwendung von Kennfeldern oder Kennlinien ist möglich. Auf diese Weise ist jeweils für das Arbeitsfluid und den Schmierstoff eine – insbesondere spezifische – Enthalpie stromaufwärts des Wärmeübertragers und stromabwärts des Wärmeübertragers ermittelbar, wobei aus diesen Enthalpien wiederum die Enthalpieänderungen über den Wärmeübertrager als Differenzwerte bestimmt werden können.The enthalpies of the working fluid and of the lubricant upstream and downstream of the heat exchanger are preferably determined from or in dependence on the determined pressure and temperature values, preferably from deposited steam panels and / or look-up tables. It is also possible to use characteristic maps or characteristic curves. In this way, in each case for the working fluid and the lubricant - especially specific - enthalpy upstream of the heat exchanger and downstream of the heat exchanger can be determined, from these enthalpies again the enthalpy changes can be determined via the heat exchanger as difference values.
Bevorzugt erfolgt im Rahmen des Verfahrens an dem Wärmeübertrager ein Phasenübergang des Arbeitsfluids. Insbesondere wird das Arbeitsfluid bevorzugt in einem Verdampfer verdampft und/oder in einem Kondensator kondensiert. Der Schmierstoff vollzieht hingegen keinen Phasenübergang und bleibt insbesondere entlang des gesamten Arbeitsfluid-Kreislaufs in flüssiger Phase. Ein Phasenübergang des Arbeitsfluids an dem Wärmeübertrager erhöht in vorteilhafter Weise die Enthalpieänderung des Arbeitsfluids über dem Wärmeübertrager, sodass sich ein besonders großer Unterschied in den Enthalpieänderungen zwischen dem Schmierstoff einerseits, der keinen Phasenübergang vollzieht, und dem Arbeitsfluid ergibt. Das Verfahren kann dann mit besonders hoher Genauigkeit aufgrund der großen Unterschiede in den Enthalpieänderungen zwischen dem Arbeitsfluid einerseits und dem Schmierstoff andererseits durchgeführt werden.In the context of the method, a phase transition of the working fluid preferably takes place at the heat exchanger. In particular, the working fluid is preferably evaporated in an evaporator and / or condensed in a condenser. In contrast, the lubricant does not undergo any phase transition and remains in liquid phase, in particular along the entire working fluid circuit. A phase transition of the working fluid at the heat exchanger advantageously increases the enthalpy change of the working fluid over the heat exchanger, resulting in a particularly large difference in the enthalpy changes between the lubricant on the one hand, which does not undergo phase transition, and the working fluid. The method can then be carried out with particularly high accuracy due to the large differences in the enthalpy changes between the working fluid on the one hand and the lubricant on the other hand.
Es wird aber auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass kein Phasenübergang in dem Wärmeübertrager stattfindet. Auch in diesem Fall kann das Verfahren mit hoher Genauigkeit und sicher durchgeführt werden, wenn sich die Wärmekapazitäten des Arbeitsfluids einerseits und des Schmierstoffs andererseits hinreichend unterscheiden. Auch in diesem Fall ergeben sich Enthalpieänderungsunterschiede zwischen den beiden Stoffen über den Wärmeübertrager, die ausreichen, um den Schmierstoffanteil in dem Arbeitsfluid-Kreislauf sicher und hinreichend genau zu bestimmen.However, it is also preferred an embodiment of the method, which is characterized in that no phase transition takes place in the heat exchanger. Also in this case, the method can be performed with high accuracy and safe, if the heat capacities of the working fluid on the one hand and the lubricant on the other hand, sufficiently different. In this case, there are enthalpy change differences between the two substances via the heat exchanger, which are sufficient to determine the lubricant content in the working fluid circuit safely and with sufficient accuracy.
Besonders bevorzugt liegt das Arbeitsfluid stromabwärts und stromaufwärts des Wärmeübertragers jeweils in definierter Phase vor. Insbesondere ist das Arbeitsfluid bevorzugt stromabwärts oder stromaufwärts des Wärmeübertragers vollständig flüssig oder vollständig gasförmig. In diesem Fall hängt die Enthalpie des Arbeitsfluids eindeutig von der Temperatur stromabwärts oder stromaufwärts des Wärmeübertragers ab, wobei die Enthalpie des Arbeitsfluids beispielsweise keine Funktion der Temperatur ist, wenn das System im Nassdampfgebiet arbeitet. In diesem Fall ist das Verfahren zwar auch durchführbar, es bedeutet aber einen größeren Aufwand, die Enthalpieänderung des Arbeitsfluids mit Sicherheit bestimmen zu können. Um eine definierte Phase des Arbeitsfluids stromaufwärts und stromabwärts des Wärmeübertragers zu gewährleisten, wird das System bevorzugt entweder ohne Phasenübergang, oder aber mit Überhitzung betrieben, sodass ein Nassdampfgebiet vermieden wird.Particularly preferably, the working fluid is present downstream and upstream of the heat exchanger in each case in a defined phase. In particular, the working fluid is preferably completely liquid or completely gaseous downstream or upstream of the heat exchanger. In this case, the enthalpy of the working fluid clearly depends on the temperature downstream or upstream of the heat exchanger, for example, the enthalpy of the working fluid is not a function of temperature when the system is operating in the wet steam region. In this case, although the method is also feasible, but it means a greater effort to be able to determine the enthalpy of the working fluid with certainty. In order to ensure a defined phase of the working fluid upstream and downstream of the heat exchanger, the system is preferably operated either without phase transition or with overheating, so that a wet steam area is avoided.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein Massenstrom des Kreislauf-Mediums entlang des Arbeitsfluid-Kreislaufs bestimmt wird, wobei der Massenstrom zur Ermittlung des Schmierstoffanteils herangezogen wird. Insbesondere wird in sehr einfacher und typischerweise ohnehin vorgesehener Weise ein Gesamt-Massenstrom des Kreislauf-Mediums, also eine Summe der Massenströme des Schmierstoffs einerseits und des Arbeitsfluids andererseits, bestimmt. Der Massenstrom wird insbesondere mit den spezifischen Enthalpieänderungen des Arbeitsfluids einerseits und des Schmierstoffs andererseits verrechnet, um den Schmierstoffanteil zu bestimmen.An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that a mass flow of the circulating medium along the working fluid circuit is determined, wherein the mass flow is used to determine the lubricant content. In particular, a total mass flow of the circulating medium, ie a sum of the mass flows of the lubricant on the one hand and the working fluid on the other hand, is determined in a very simple and typically provided manner. The mass flow is calculated in particular with the specific enthalpy changes of the working fluid on the one hand and the lubricant on the other hand to determine the lubricant content.
Vorzugsweise wird der Massenstrom auch verwendet, um eine absolute Schmierstoffmenge in dem Arbeitsfluid-Kreislauf zu ermitteln. Sind einerseits der Schmierstoffanteil in dem Kreislauf-Medium und andererseits der Gesamtmassenstrom des Kreislauf-Mediums bekannt, kann daraus ohne weiteres der absolute Massenstrom an Schmierstoff und somit eine absolute Schmierstoffmenge in dem Arbeitsfluid-Kreislauf bestimmt werden.Preferably, the mass flow is also used to determine an absolute amount of lubricant in the working fluid circuit. If, on the one hand, the lubricant content in the circulation medium and, on the other hand, the total mass flow of the circulation medium are known, the absolute mass flow of lubricant and thus an absolute lubricant quantity in the working fluid circuit can be readily determined therefrom.
Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Schmierstoffanteil gemäß folgender Gleichung ermittelt wird: 
Dabei ist
Die Gleichung (1) kann in folgender Weise hergeleitet werden: Es wird angenommen, dass ein Wärmestrom
Dabei ist
Der dem Wärmetauschmedium entnommene Wärmestrom
Dabei ist ΔHAF die Enthalpieänderung des Arbeitsfluids über dem Wärmetauscher pro Zeiteinheit, und ΔHS ist die Enthalpieänderung des Schmierstoffs über dem Wärmeübertrager pro Zeiteinheit. Diese nach der Zeit abgeleiteten Enthalpieänderungen können wiederum über die entsprechenden, zeitunabhängigen spezifischen Enthalpieänderungen des Arbeitsfluids einerseits und des Schmierstoffs andererseits multipliziert mit dem Massenstrom an Arbeitsfluid einerseits und Schmierstoff andererseits ausgedrückt werden, wobei diese Massenströme wiederum ausgedrückt werden können als Produkt des Gesamt-Massenstroms in dem Arbeitsfluid-Kreislauf mit den Anteilen an Arbeitsfluid einerseits und Schmierstoff andererseits an dem Kreislauf-Medium:
Löst man diese Gleichung (4) nach dem Schmierstoffanteil x auf, ergibt sich die Gleichung (1).Solving this equation (4) for the lubricant content x, the equation (1) results.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Wärmestrom an einem Verdampfer und/oder an einem Kondensator gemessen wird. Sowohl bei dem Verdampfer als auch bei dem Kondensator handelt es sich um Wärmeübertrager, welche zur Messung des Wärmestroms im Rahmen des Verfahrens geeignet sind, um so den Schmierstoffanteil in dem Arbeitsfluid-Kreislauf zu bestimmen. Es ist möglich, dass der Wärmestrom bei einer Ausführungsform des Verfahrens nur an einem Verdampfer bestimmt wird. Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Wärmestrom nur an einem Kondensator bestimmt wird. Es ist auch eine Ausführungsform des Verfahrens möglich, bei welcher der Wärmestrom sowohl an einem Verdampfer als auch an einem Kondensator bestimmt wird. In diesem Fall ist es insbesondere möglich, aus den an dem Verdampfer und den an dem Kondensator gemessenen Messwerten jeweils einen Schmierstoffanteil zu bestimmen, und diese Schmierstoffanteile zu einem Ergebnis-Schmierstoffanteil zu verrechnen, insbesondere einen Mittelwert aus den Schmierstoffanteilen zu bilden. Hiermit kann gegebenenfalls die Genauigkeit des Verfahrens erhöht werden.An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that the heat flow is measured at an evaporator and / or at a condenser. Both the evaporator and the condenser are heat exchangers, which are suitable for measuring the heat flow in the context of the method, so as to determine the lubricant content in the working fluid circuit. It is possible that the heat flow in one embodiment of the method is determined only at an evaporator. In another embodiment of the method it is provided that the heat flow is determined only on a capacitor. An embodiment of the method is also possible in which the heat flow is determined both on an evaporator and on a condenser. In this case, it is possible, in particular, to determine a lubricant component from the measured values measured at the evaporator and at the capacitor, and to calculate these lubricant components to form a result-lubricant component, in particular to form an average of the lubricant components. Hereby, if necessary, the accuracy of the method can be increased.
Schließlich wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als thermodynamischer Kreisprozess ein organischer Rankine-Kreisprozess durchgeführt wird, und/oder dass das System zur Durchführung des thermodynamischen Kreisprozesses als Wärmepumpe, als Klimaanlage oder als zur Durchführung eines Dampfkraft-Prozesses eingerichtetes System betrieben wird. Bei allen diesen Anwendungen ist das Verfahren in sicherer, einfacher und kostengünstiger Weise einsetzbar, um den Schmierstoffanteil in dem Arbeitsfluid-Kreislauf des Systems zu bestimmen.Finally, an embodiment of the method is preferred, which is characterized in that as a thermodynamic cycle an organic Rankine cycle is performed, and / or that the system for performing the thermodynamic cycle process as a heat pump, as an air conditioner or as for performing a steam power process set up System is operated. In all of these applications, the process can be used in a safer, easier, and cost effective manner to determine the level of lubricant in the system's working fluid circuit.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein System zur Durchführung eines thermodynamsichen Kreisprozesses geschaffen wird, welches einen Arbeitsfluid-Kreislauf aufweist, in dem eine Arbeitsfluid-Fördereinrichtung, ein erster Wärmeübertrager zum Heizen des Arbeitsfluids, eine Expansionsmaschine, und ein zweiter Wärmeübertrager zum Kühlen des Arbeitsfluids angeordnet sind. Dabei sind die hier aufgelisteten Komponenten vorzugsweise in der genannten Reihenfolge entlang des Arbeitsfluid-Kreislaufs vorgesehen und durch den Arbeitsfluid-Kreislauf miteinander in Fluidverbindung. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass es eingerichtet ist, um einen Wärmestrom an wenigstens einem der Wärmeübertrager zwischen einem Wärmetauschmedium und einem in dem Arbeitsfluid-Kreislauf strömenden Kreislauf-Medium zu messen, wobei es weiter eingerichtet ist, um eine Zustandsänderung des Kreislauf-Mediums über dem wenigstens einen Wärmeübertrager zu erfassen, und wobei es weiter eingerichtet ist, um den Schmierstoffanteil an dem Kreislauf-Medium aus dem gemessenen Wärmestrom und der erfassten Zustandsänderung zu ermitteln. Insbesondere ist das System bevorzugt eingerichtet zur Durchführung einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens. Dabei ergeben sich in Zusammenhang mit dem System insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden. The object is also achieved by providing a system for carrying out a thermodynamic cycle comprising a working fluid circuit in which a working fluid conveyor, a first heat exchanger for heating the working fluid, an expansion machine, and a second heat exchanger for cooling the working fluid are arranged. The components listed here are preferably provided in the order named along the working fluid circuit and in fluid communication with one another through the working fluid circuit. The system is characterized in that it is arranged to measure a heat flow on at least one of the heat exchangers between a heat exchange medium and a circulating medium flowing in the working fluid circuit, and is further configured to change the state of the circulating medium to detect over the at least one heat exchanger, and wherein it is further configured to determine the lubricant content of the circulating medium from the measured heat flow and the detected state change. In particular, the system is preferably configured to carry out one of the previously described embodiments of the method. In particular, the advantages which have already been explained in connection with the method arise in connection with the system.
Die Arbeitsfluid-Fördereinrichtung ist vorzugsweise als Pumpe ausgebildet. Der erste Wärmeübertrager zum Heizen des Arbeitsfluids ist bevorzugt als Verdampfer ausgebildet, wobei er insbesondere eingerichtet ist, um eine Überhitzung des Arbeitsfluids stromabwärts des ersten Wärmeübertragers zu bewirken. Der zweite Wärmeübertrager ist vorzugsweise als Kondensator ausgebildet.The working fluid delivery device is preferably designed as a pump. The first heat exchanger for heating the working fluid is preferably designed as an evaporator, wherein it is in particular designed to effect overheating of the working fluid downstream of the first heat exchanger. The second heat exchanger is preferably designed as a capacitor.
Die Expansionsmaschine ist vorzugsweise als Schraubenmaschine oder als Kolbenmaschine ausgebildet. Es ist aber auch eine Ausbildung der Expansionsmaschine als Turbine oder in anderer geeigneter Weise möglich.The expansion machine is preferably designed as a screw machine or as a piston machine. However, it is also possible to design the expansion machine as a turbine or in another suitable manner.
Das System weist vorzugsweise stromaufwärts von wenigstens einem der Wärmeübertrager einen ersten Kreislaufmedien-Drucksensor und einen ersten Kreislaufmedien-Temperatursensor auf. Weiterhin weist das System vorzugsweise stromabwärts desselben Wärmeübertragers der beiden Wärmeübertrager einen zweiten Kreislaufmedien-Drucksensor und einen zweiten Kreislaufmedien-Temperatursensor auf. Mithilfe dieser Temperatur- und Drucksensoren ist es möglich, thermodynamische Zustände des Kreislauf-Mediums, insbesondere des Arbeitsfluids und des Schmierstoffs, stromaufwärts und stromabwärts des wenigstens einen Wärmeübertragers zu ermitteln.The system preferably includes upstream of at least one of the heat exchangers a first cycle media pressure sensor and a first cycle media temperature sensor. Furthermore, the system preferably has downstream of the same heat exchanger of the two heat exchangers, a second cycle media pressure sensor and a second cycle media temperature sensor. By means of these temperature and pressure sensors, it is possible to determine thermodynamic states of the circulation medium, in particular of the working fluid and the lubricant, upstream and downstream of the at least one heat exchanger.
Das System weist vorzugsweise an demselben Wärmeübertrager, dem auch die Kreislaufmedien-Temperatur- und -Drucksensoren zugeordnet sind, einen ersten Wärmetauschmedien-Temperatursensor an einer Wärmetauschmedien-Einlassseite sowie einen zweiten Wärmetauschmedien-Temperatursensor an einer Wärmetauschmedien-Auslassseite auf, sodass mithilfe der Messwerte der beiden Wärmetauschmedien-Temperatursensoren eine Temperaturdifferenz über den Wärmetauscher für das Wärmetauschmedium erfassbar ist. Weiterhin weist das System vorzugsweise einen Wärmetauschmedien-Massenstromsensor im Bereich desselben Wärmeübertragers auf, welcher auch die Wärmetauschmedien-Temperatursensoren aufweist. Aus der gemessenen Temperaturdifferenz und dem gemessenen Massenstrom des Wärmetauschmediums ist es möglich, einen Wärmestrom zwischen dem Wärmetauschmedium und dem Kreislauf-Medium in dem Wärmeübertrager zu bestimmen.The system preferably has a first heat exchange medium temperature sensor on a heat exchange medium inlet side and a second heat exchange medium temperature sensor on a heat exchange medium outlet side at the same heat exchanger to which the circulating medium temperature and pressure sensors are associated, so that the measured values of the two Heat exchange media temperature sensors, a temperature difference across the heat exchanger for the heat exchange medium can be detected. Furthermore, the system preferably has a heat exchange medium mass flow sensor in the region of the same heat exchanger, which also has the heat exchange medium temperature sensors. From the measured temperature difference and the measured mass flow of the heat exchange medium, it is possible to determine a heat flow between the heat exchange medium and the circulating medium in the heat exchanger.
Das System weist bevorzugt einen Kreislaufmedien-Massenstromsensor – vorzugsweise stromabwärts der Arbeitsfluid-Fördereinrichtung und stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers – auf, der eingerichtet ist, um einen Gesamt-Massenstrom des Kreislauf-Mediums in dem Arbeitsfluid-Kreislauf zu bestimmen.The system preferably includes a cyclic mass flow sensor, preferably downstream of the working fluid conveyor and upstream of the first heat exchanger, configured to determine a total mass flow of the circulating fluid in the working fluid circuit.
Das System weist bevorzugt ein Steuergerät auf, welches mit den Kreislaufmedien-Temperatur- und -Drucksensoren, dem Wärmetauschmedien-Massenstromsensor, den Wärmetauschmedien-Temperatursensoren, und vorzugsweise mit dem Kreislaufmedien-Massenstromsensor wirkverbunden ist, um Messwerte dieser Sensoren zu erfassen und hieraus den Wärmestrom an dem wenigstens einen Wärmeübertrager sowie die Zustandsänderung des Kreislauf-Mediums über den Wärmeübertrager zu bestimmen, und schließlich hieraus den Schmierstoffanteil an dem Kreislauf-Medium zu ermitteln.The system preferably includes a controller operatively connected to the circulation media temperature and pressure sensors, the heat exchange media mass flow sensor, the heat exchange media temperature sensors, and preferably the circulating media mass flow sensor to sense readings from these sensors and from this the heat flow to determine the at least one heat exchanger and the state change of the circulating medium via the heat exchanger, and finally to determine therefrom the lubricant content of the circulating medium.
Es wird ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass es eingerichtet ist zur Durchführung eines organischen Rankine-Kreislaufs, und/oder dass es als Wärmepumpe, als Klimaanlage oder als System zur Durchführung eines Dampfkraft-Prozesses eingerichtet ist.An embodiment of the system is preferred, which is characterized in that it is designed to carry out an organic Rankine cycle, and / or that it is set up as a heat pump, as an air conditioning system or as a system for carrying out a steam power process.
Besonders bevorzugt ist der erste Wärmeübertrager zum Heizen des Arbeitsfluids mit einer Abgasleitung und/oder mit einer Kühlmittelleitung einer Brennkraftmaschine wirkverbunden, sodass in dem Wärmeübertrager als Wärmetauschmedium Abgas und/oder Kühlmittel der Brennkraftmaschine zum Heizen des Arbeitsfluids, insbesondere zum Verdampfen des Arbeitsfluids, genutzt werden kann.Particularly preferably, the first heat exchanger for heating the working fluid with an exhaust pipe and / or with a coolant line of an internal combustion engine is operatively connected, so that in the Heat exchanger as the heat exchange medium exhaust gas and / or coolant of the internal combustion engine for heating the working fluid, in particular for vaporizing the working fluid, can be used.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Systems ist die Expansionsmaschine mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung wirkverbunden.In a preferred embodiment of the system, the expansion machine is operatively connected to a generator for generating electrical power.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine und einem System zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses geschaffen wird, wobei das System ausgebildet ist nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele.Finally, the object is also achieved by providing an arrangement with an internal combustion engine and a system for carrying out a thermodynamic cyclic process, the system being designed according to one of the exemplary embodiments described above.
Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Anordnung insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und dem System erläutert wurden.In particular, the advantages which have already been explained in connection with the method and the system are realized in connection with the arrangement.
Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt mit dem ersten Wärmeübertrager des Systems zur Versorgung des ersten Wärmeübertragers mit einem Wärmetauschmedium von der Brennkraftmaschine, insbesondere mit Abgas und/oder mit einem Kühlmittel, fluidverbunden.The internal combustion engine is preferably fluidly connected to the first heat exchanger of the system for supplying the first heat exchanger with a heat exchange medium from the internal combustion engine, in particular with exhaust gas and / or with a coolant.
Eine Abgasleistung der Brennkraftmaschine ist bevorzugt mit dem Wärmetauschmedien-Einlass des ersten Wärmeübertragers zum Heizen des Arbeitsfluids des Systems verbunden, sodass Abgas der Brennkraftmaschine als Wärmetauschmedium in dem ersten Wärmeübertrager zum Heizen des Arbeitsfluids, insbesondere zum Verdampfen des Arbeitsfluids, genutzt werden kann.An exhaust gas output of the internal combustion engine is preferably connected to the heat exchange medium inlet of the first heat exchanger for heating the working fluid of the system, so that exhaust gas of the internal combustion engine can be used as heat exchange medium in the first heat exchanger for heating the working fluid, in particular for vaporizing the working fluid.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass eine Kühlmittelleitung der Brennkraftmaschine mit dem Wärmetauschmedien-Einlass des ersten Wärmeübertragers zum Heizen des Arbeitsfluids wirkverbunden ist, sodass das Kühlmittel der Brennkraftmaschine zum Heizen des Arbeitsfluids verwendet werden kann.Alternatively or additionally, it is possible for a coolant line of the internal combustion engine to be operatively connected to the heat exchange medium inlet of the first heat exchanger for heating the working fluid, so that the coolant of the internal combustion engine can be used for heating the working fluid.
Mithilfe der Anordnung ist es in vorteilhafter Weise möglich, Abwärme der Brennkraftmaschine zu nutzen und mittels der Expansionsmaschine und gegebenenfalls einem mit dieser wirkverbundenen Generator in mechanische und/oder elektrische Energie zu wandeln.By means of the arrangement, it is advantageously possible to use waste heat of the internal combustion engine and to convert it into mechanical and / or electrical energy by means of the expansion machine and optionally a generator operatively connected thereto.
Es ist auch möglich, dass die Expansionsmaschine mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wirkverbunden ist, sodass mechanische Leistung an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zurückgegeben werden kann.It is also possible that the expansion engine is operatively connected to a crankshaft of the internal combustion engine, so that mechanical power can be returned to the crankshaft of the internal combustion engine.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.The internal combustion engine is preferably designed as a reciprocating engine. It is possible that the internal combustion engine is arranged to drive a passenger car, a truck or a commercial vehicle. In a preferred embodiment, the internal combustion engine is used to drive in particular heavy land or water vehicles, such as mine vehicles, trains, the internal combustion engine is used in a locomotive or a railcar, or ships. It is also possible to use the internal combustion engine to drive a defense vehicle, for example a tank. An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferably also stationary, for example, used for stationary power supply in emergency operation, continuous load operation or peak load operation, the internal combustion engine in this case preferably drives a generator. A stationary application of the internal combustion engine for driving auxiliary equipment, such as fire pumps on oil rigs, is possible. Furthermore, an application of the internal combustion engine in the field of promoting fossil raw materials and in particular fuels, for example oil and / or gas, possible. It is also possible to use the internal combustion engine in the industrial sector or in the field of construction, for example in a construction or construction machine, for example in a crane or an excavator. The internal combustion engine is preferably designed as a diesel engine, as a gasoline engine, as a gas engine for operation with natural gas, biogas, special gas or another suitable gas. In particular, when the internal combustion engine is designed as a gas engine, it is suitable for use in a cogeneration plant for stationary power generation.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. Showing:
Das System
Stromabwärts der Expansionsmaschine
Ein erster Wärmetauschmedien-Einlass
Ein zweiter Wärmetauschmedien-Einlass
In dem Arbeitsfluid-Kreislauf
Dem ersten Wärmetauschmedien-Einlass
Zusätzlich oder alternativ sind in völlig analoger Weise bevorzugt dem zweiten Wärmetauschmedien-Einlass
In dem Arbeitsfluid-Kreislauf
In völlig analoger Weise sind zusätzlich oder alternativ bevorzugt stromauf- und stromabwärts des zweiten Wärmeübertragers
Mithilfe der Druck- und Temperatursensoren für das Kreislauf-Medium in dem Arbeitsfluid-Kreislauf
Es ist vorzugsweise ein nicht dargestelltes Steuergerät vorgesehen, welches mit den zuvor beschriebenen Sensoren wirkverbunden ist, um die Messwerte der Sensoren aufzunehmen und daraus letztlich einen Schmierstoffanteil in dem Arbeitsfluid-Kreislauf
Das System
Eine erste, durchgezogene Kurve K1 stellt die Temperatur des Kreislauf-Mediums aufgetragen gegen die spezifische Enthalpie des Arbeitsfluids in dem Arbeitsfluid-Kreislauf
Das Diagramm gemäß
In
In
Anhand der in dem Diagramm gemäß
Im Rahmen des Verfahrens wird also bevorzugt ein Wärmestrom an wenigstens einem der Wärmeübertrager
Der Schmierstoffanteil an dem Kreislauf-Medium wird aus dem gemessenen Wärmestrom und der erfassten Zustandsänderung ermittelt.The lubricant content of the circulating medium is determined from the measured heat flow and the detected state change.
Es wird bevorzugt ein Massenstrom des Kreislauf-Mediums entlang des Arbeitsfluid-Kreislaufs
Insgesamt zeigt sich, dass mittels des Verfahrens insbesondere bei dem System
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|---|---|---|---|---|
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