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Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung.
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Stand der Technik
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Abwärmenutzungsanordnungen von Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 063 701 A1 . Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine umfasst einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. Weiterhin weist die bekannte Abwärmenutzungsanordnung eine Regeleinrichtung zur Regelung von Dampftemperatur und Dampfdruck auf. Dazu sind zwischen Wärmetauscher und Expansionsmaschine ein Drucksensor und ein Temperatursensor angeordnet.
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Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung weist dadurch eine gut funktionierende Regelung auf, solange sich das Arbeitsmedium zwischen Verdampfer und Expansionsmaschine im gesättigten Dampfzustand befindet, in welchem bei weiterer Energiezufuhr der Druck und/oder die Temperatur des Arbeitsmediums weiter ansteigt. Befindet sich das Arbeitsmedium jedoch im Nassdampfgebiet, in welchem trotz Energiezufuhr durch den Verdampfer der Druck und die Temperatur über einen großen Bereich konstant bleiben, ist eine genaue Bestimmung des Zustands des Arbeitsmediums nicht möglich. Beispielsweise kann so nicht erkannt werden, ob der Nassdampf in seinem Zustand 10% oder 90% Dampf aufweist.
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Auch eine exakte Kontrolle der dem Arbeitskreislauf durch den Verdampfer zugeführten Wärmemenge ist aufgrund von Sensortoleranzen, Verdampferdrift und Massenstromdrift kaum möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine exakte Steuerung bzw. Regelung auch im Nassdampfbereich des Arbeitsmediums möglich ist. Dadurch ist die Steuerung bzw. Regelung sehr schnell und robust. Ein mögliches Überhitzen der Komponenten des Arbeitskreislaufs, speziell des Verdampfers und der Expansionsmaschine, wird somit verhindert. In der Folge erhöht sich die Lebensdauer der gesamten Abwärmenutzungsanordnung.
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Dazu umfasst die Abwärmenutzungsanordnung einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. Zu dem Arbeitskreislauf ist zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator eine Nebenleitung parallel geschaltet. Erfindungsgemäß ist in der Nebenleitung ein Teilstromverdampfer angeordnet, wobei in der Nebenleitung weiterhin ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor angeordnet sind, wobei der Drucksensor und/oder der Temperatursensor stromabwärts des Teilstromverdampfers angeordnet ist.
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Dadurch kann dem Arbeitsmedium in der Nebenleitung durch den Teilstromverdampfer Wärmeenergie zugeführt werden. Die Zustandsänderungen des Arbeitsmediums können dann mittels des Drucksensors oder des Temperatursensors überwacht werden. Vorzugsweise ist dabei der Arbeitsmediummassenstrom durch die Nebenleitung deutlich kleiner als der Arbeitsmediummassenstrom durch den Arbeitskreislauf, so dass bereits eine geringe Energiezufuhr schon eine deutliche Änderung der Enthalpie zur Folge hat.
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In einem zugehörigen erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei durch den Teilstromverdampfer dem sich im Nassdampfzustand befindlichen Arbeitsmedium in der Nebenleitung so viel Wärmeenergie zugeführt bis der Dampf in der Nebenleitung gesättigt ist und sich anschließend die Temperatur erhöht. Diese Temperaturerhöhung wird durch den Temperatursensor erfasst. Dadurch wiederum kann auf die Enthalpie des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf rückgeschlossen werden.
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Vorteilhafterweise ist der Teilstromverdampfer von einem Steuergerät ansteuerbar. So kann eine Ermittlung des Enthalpiezustands von dem Steuergerät bei Bedarf durchgeführt werden, vorzugsweise dann wenn sich das Arbeitsmedium im Nassdampf befindet. Der Nassdampfzustand kann von dem Drucksensor oder dem Temperatursensor detektiert werden, beispielsweise anhand für das jeweilige Arbeitsmedium spezifischer Druck- oder Temperaturwerte. Daraufhin kann das Steuergerät den Teilstromverdampfer so ansteuern, dass dieser eine gewisse Wärmemenge in das durch die Nebenleitung strömende Arbeitsmedium einspeist.
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In vorteilhaften Ausführungen ist der Teilstromverdampfer mit elektrischer Energie betreibbar. Dadurch kann die Wärmemenge sehr schnell in die Nebenleitung eingespeist werden. Gleichzeitig ist eine sehr genaue Ermittlung bzw. Dosierung der Wärmemenge möglich.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der Nebenleitung stromaufwärts des Teilstromverdampfers eine Drossel angeordnet. Dadurch kann das Verhältnis des durch die Nebenleitung strömenden Arbeitsmediummassenstroms zu dem durch die Hauptleitung bzw. durch den Arbeitskreislauf strömenden Arbeitsmediummassenstrom ermittelt bzw. festgelegt werden. Durch dieses Verhältnis wiederum kann ermittelt werden welche Energiemenge dem Arbeitskreislauf zugeführt werden müsste, um gesättigten Dampf bzw. überhitzten Dampf zu erhalten. Alternativ kann beispielsweise auch ermittelt werden, um wie viel der Arbeitsmediummassenstrom durch den Arbeitskreislauf reduziert werden müsste, um gesättigten Dampf bzw. überhitzten Dampf zu erhalten. Dies kann beispielsweise durch eine Reduzierung der Leistung der Speisepumpe erzielt werden.
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In vorteilhaften Ausführungen ist die Nebenleitung zwischen dem Verdampfer und der Expansionsmaschine angeordnet. Dadurch kann die Enthalpie des der Expansionsmaschine zugeführten Arbeitsmediums leckagefrei ermittelt werden.
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In vorteilhaften alternativen Ausführungen ist die Nebenleitung als Bypassleitung zur Expansionsmaschine ausgebildet. Dadurch weist die Enthalpieermittlung bezüglich der Expansionsmaschine zwar eine Leckage auf. Soll die Expansionsmaschine zur Vermeidung von Schäden, insbesondere Kavitationsschäden, jedoch nur mit gesättigtem bzw. überhitztem Dampf betrieben werden, so ist die Bypassleitung ohnehin erforderlich. Die Enthalpieermittlung des im Nassdampfzustand befindlichen Arbeitsmediums wäre somit quasi leckagefrei. Gleichzeitig kann eine bereits vorhandene Nebenleitung, nämlich die Bypassleitung verwendet werden. Dies ist eine besonders kostengünstige und bauraumsparende Ausführung.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung teilt ein Bypassventil den Massenstrom des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine und in die Nebenleitung bzw. in die Bypassleitung auf. Das Bypassventil kann so zum einen die Expansionsmaschine vor schädlichem Nassdampf schützen und andererseits der Nebenleitung bei Bedarf Arbeitsmedium zuführen, um die Enthalpie zu ermitteln. Vorteilhafterweise wird das Bypassventil dabei von einem Steuergerät angesteuert, welches auch die Sensordaten des Temperatursensors und/oder des Drucksensors verarbeitet.
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In vorteilhaften Weiterbildungen weist der Arbeitskreislauf eine Parallelschaltung mit einer ersten Parallelleitung und einer zweiten Parallelleitung auf. Der Verdampfer ist in der ersten Parallelleitung angeordnet, und ein weiterer Verdampfer ist in der zweiten Parallelleitung angeordnet. Dadurch kann über den weiteren Verdampfer zusätzliche Wärmeenergie in den Arbeitskreislauf eingespeist werden. Vorzugsweise ist der weitere Verdampfer gleichzeitig in einem Abgasrückführkanal angeordnet, so dass die Wärme des der Brennkraftmaschine rückgeführten Abgases als Energiequelle verwendet wird.
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Vorteilhafterweise ist die Nebenleitung als Parallelschaltung in der ersten Parallelleitung angeordnet. Eine weitere Nebenleitung mit einem weiterem Teilstromverdampfer ist als Parallelschaltung in der zweiten Parallelleitung angeordnet. So kann auf vorstehend schon beschriebene Arten auch für die zweite Parallelleitung die Enthalpie des Arbeitsmediums bestimmt werden. Dazu ist in der weiteren Nebenleitung stromabwärts des weiteren Teilstromverdampfers ein weiterer Temperatursensor und/oder ein weiterer Drucksensor angeordnet.
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Im Folgenden werden erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine gezeigt:
In einem ersten Verfahren umfasst die Abwärmenutzungsanordnung einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. Zu dem Arbeitskreislauf ist zwischen dem Verdampfer und der Expansionsmaschine eine Nebenleitung parallel geschaltet. In der Nebenleitung sind ein Teilstromverdampfer, ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor angeordnet, wobei der Drucksensor und/oder der Temperatursensor stromabwärts des Teilstromverdampfers angeordnet ist. Die Abwärmenutzungsanordnung weist weiterhin ein Steuergerät auf.
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Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- – Der Drucksensor und/oder der Temperatursensor übermittelt Daten an das Steuergerät. Alternativ können auch andere Druck- bzw. Temperatursensoren Daten an das Steuergerät übermitteln.
- – Ermittlung eines Nassdampfzustands des Arbeitsmediums durch das Steuergerät anhand der Temperatur und/oder des Drucks des Arbeitsmediums.
- – Erhöhung der Wärmeleistung des Teilstromverdampfers in die Nebenleitung durch das Steuergerät, bis das durch die Nebenleitung strömende Arbeitsmedium einen überhitzten Dampfzustand erreicht.
- – Ermittlung der zur Erreichung des überhitzten Dampfzustands erforderlichen Teilwärmemenge des Wärmeeintrags durch das Steuergerät.
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In einer alternativen Ausführung kann das Steuergerät den Nassdampfzustand auch anhand anderer im Arbeitskreislauf angeordneter Druck- und/oder Temperatursensoren ermitteln.
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Der Nassdampfzustand wird für das spezifische Arbeitsmedium anhand der Temperatur und/oder des Drucks ermittelt, beispielsweise wenn sich das Arbeitsmedium auf Verdampfungstemperatur befindet. In der Nebenleitung wird das dort durchströmende Arbeitsmedium daraufhin durch den Teilstromverdampfer überhitzt. Das Verfahren ermittelt so nicht nur die Temperatur und/oder den Druck des Arbeitsmediums im flüssigen oder im Dampfzustand, es kann auch die Enthalpie des nassdampfförmigen Arbeitsmediums ermitteln.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Arbeitskreislauf eine Parallelschaltung mit einer ersten Parallelleitung und einer zweiten Parallelleitung auf. Der Verdampfer ist dabei in der ersten Parallelleitung angeordnet, und ein weiterer Verdampfer ist in der zweiten Parallelleitung angeordnet. Die Nebenleitung ist als Parallelschaltung in der ersten Parallelleitung angeordnet. Eine weitere Nebenleitung mit einem weiteren Teilstromverdampfer ist als Parallelschaltung in der zweiten Parallelleitung angeordnet. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät einen Wärmeeintrag des weiteren Teilstromverdampfers in die weitere Nebenleitung steuert, solange bis das durch die weitere Nebenleitung strömende Arbeitsmedium einen überhitzten Dampfzustand erreicht.
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Dadurch wird sowohl die zur Erreichung des überhitzten Dampfzustands erforderliche Teilwärmemenge durch die erste Nebenleitung als auch die Teilwärmemenge durch die weitere Nebenleitung ermittelt. Vorzugsweise ist der weitere Verdampfer in einem Abgasrückführkanal der Brennkraftmaschine angeordnet. In vorteilhaften Weiterbildungen können aufgrund der ermittelten Teilwärmemengen so beispielsweise die Arbeitsmediummassenströme durch die beiden Verdampfer gesteuert werden, mit dem Ziel, dass das in die Expansionsmaschine strömende Arbeitsmedium überhitzten Dampfzustand aufweist.
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In einem alternativen vorteilhaften Verfahren umfasst die Abwärmenutzungsanordnung einen ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf, wobei in dem Arbeitskreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisepumpe, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Der Verdampfer ist auch in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. Zu der Expansionsmaschine ist eine Nebenleitung als Bypassleitung parallel geschaltet. In der Nebenleitung sind ein Teilstromverdampfer, ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor angeordnet, wobei der Drucksensor und/oder der Temperatursensor stromabwärts des Teilstromverdampfers angeordnet ist. Die Abwärmenutzungsanordnung weist weiterhin ein Steuergerät auf.
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In alternativen Ausführungen kann dabei die Nebenleitung auch innerhalb der Bypassleitung als Parallelschaltung angeordnet sein.
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Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- – Ermittlung eines Nassdampfzustands des Arbeitsmediums durch das Steuergerät anhand der Temperatur und/oder des Drucks des Arbeitsmediums. Bevorzugt übermittelt dazu der Druckensor und/oder der Temperatursensor Daten an das Steuergerät; es können jedoch auch alternative Druck- bzw. Temperaturdaten verwendet werden.
- – Erhöhung der Wärmeleistung des Teilstromverdampfers in die Nebenleitung durch das Steuergerät, bis das durch die Nebenleitung strömende Arbeitsmedium einen überhitzten Dampfzustand erreicht.
- – Ermittlung der zur Erreichung des überhitzten Dampfzustands erforderlichen Teilwärmemenge des Wärmeeintrags durch das Steuergerät.
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Auch für dieses Verfahren wird der Nassdampfzustand für das spezifische Arbeitsmedium vorteilhafterweise anhand der Temperatur und/oder des Drucks ermittelt, beispielsweise wenn sich das Arbeitsmedium auf Verdampfungstemperatur befindet. In der Nebenleitung wird das dort durchströmende Arbeitsmedium daraufhin durch den Teilstromverdampfer überhitzt. Das Verfahren ermittelt so nicht nur die Temperatur und/oder den Druck des Arbeitsmediums im flüssigen oder im Dampfzustand, es kann auch die Enthalpie des nassdampfförmigen Arbeitsmediums ermitteln. Vorteilhaft ist bei der Anordnung des Teilstromverdampfers in der Bypassleitung, dass das sich im Nassdampfzustand befindliche Arbeitsmedium ohnehin an der Expansionsmaschine vorbeigeleitet werden muss, um Schäden zu vermeiden.
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In einer vorteilhaften Ausführung teilt ein Bypassventil den Massenstrom des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine und in die Nebenleitung auf. Das Steuergerät steuert dabei das Bypassventil so an, dass kein Arbeitsmedium im Nassdampfzustand durch die Expansionsmaschine strömt. Dadurch werden Schäden, insbesondere durch Kavitation, in der Expansionsmaschine vermieden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen des Verfahrens ermittelt das Steuergerät eine zur Erreichung des überhitzten Dampfzustands des Arbeitsmediums in dem Arbeitskreislauf erforderliche Gesamtwärmemenge. Vorzugsweise wird dies durch ein Drosselverhältnis oder durch den Strömungsquerschnitt der Nebenleitung zum Arbeitskreislauf durchgeführt: Dadurch kann der, vorteilhafterweise vergleichsweise geringe Teilmassenstrom durch die Nebenleitung in Relation zum Gesamtmassenstrom ermittelt werden, und in der Folge die zur Teilwärmemenge in Relation stehende Gesamtwärmemenge. Der Teilstromverdampfer muss dem Arbeitsmedium dabei nur vergleichsweise wenig Wärmeenergie zuführen, wenn das Drosselverhältnis niedrig ist. Dadurch ist die Ermittlung des Nassdampfzustands bzw. die Ermittlung der Energiemenge, um den Gesamtmassenstrom in den überhitzten Dampfzustand zu überführen, sehr energiesparend ausgeführt.
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In einer vorteilhaften Ausführung steuert das Steuergerät die Speisepumpe so an, dass der Arbeitsmediummassenstrom durch den Arbeitskreislauf entsprechend der erforderlichen Gesamtwärmemenge verringert wird. Dadurch sinkt der Energiebedarf, um das Arbeitsmedium des Arbeitskreislaufs vom Nassdampfzustand in den überhitzten Dampfzustand zu überführen. Weist die Abwärmenutzungsanordnung mehrere Verdampfer auf, so kann beispielsweise über ein Verteilerventil auch der Arbeitsmediummassenstrom entsprechend der an den einzelnen Verdampfern zur Verfügung stehenden Wärmemenge auf die jeweiligen Verdampfer aufgeteilt werden. Dadurch wird die Effizienz der Abwärmenutzungsanordnung erhöht.
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Weiterhin kann alternativ auch die durch den Abgastrakt strömende Wärmemenge durch beispielsweise ein Abgasbypassventil entsprechend von dem Steuergerät geregelt werden, so dass das Arbeitsmedium durch den Verdampfer, optional auch durch den weiteren Verdampfer, in den überhitzten Dampfzustand überführt wird.
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Zeichnungen
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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2 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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3 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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4 zeigt schematisch noch eine weitere erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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5 zeigt ein beispielhaftes Entropie-Temperatur-Diagramm einer Abwärmenutzungsanordnung.
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Beschreibung
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50 mit einem ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreislauf 2. Die Brennkraftmaschine 50 ist weiterhin in einem Kühlkreislauf 20 angeordnet.
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Der Brennkraftmaschine 50 wird einlassseitig Frischluft 51, die auch rückgeführtes Abgas der Brennkraftmaschine 50 enthalten kann, zugeführt. Auslassseitig weist die Brennkraftmaschine 50 einen Abgastrakt 53 auf, durch den Abgas 52 aus der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird.
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Der Arbeitskreislauf 2 umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums einen Sammelbehälter 7, eine Speisepumpe 6, einen Verdampfer 10, eine Expansionsmaschine 3 und einen Kondensator 4. Der Verdampfer 10 ist gleichzeitig im Abgastrakt 53 angeordnet, so dass die Wärmeenergie des Abgases aus dem Abgastrakt 53 an den Arbeitskreislauf 2 überführt werden kann. Optional kann der Sammelbehälter 7 in alternativen Ausführungsformen auch in einer nicht dargestellten Zuführleitung bzw. Stichleitung angeordnet sein.
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Der Kühlkreislauf 20 umfasst in Flussrichtung des Kühlmediums eine Kühlmittelpumpe 21, die Brennkraftmaschine 50, den Kondensator 4 und einen Kühler 35 mit einem Lüfterrad 36. Der Kondensator 4 ist sowohl im Arbeitskreislauf 2 als auch im Kühlkreislauf 20 angeordnet; das heißt der Kondensator 4 entzieht dem Arbeitskreislauf 2 Wärmeenergie und speist diese in den Kühlkreislauf 20 ein.
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Erfindungsgemäß ist zwischen dem Verdampfer 10 und der Expansionsmaschine 3 parallel zum Arbeitskreislauf 2 eine Nebenleitung 2b angeordnet. In der Nebenleitung 2b sind in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Drossel 11 und ein Teilstromverdampfer 12 angeordnet. Stromabwärts des Teilstromverdampfers 12 sind in der Nebenleitung 2b weiterhin ein Temperatursensor 13 und ein Drucksensor 14 angeordnet, wobei die Reihenfolge der beiden Sensoren 13, 14 nicht entscheidend ist. Vorzugsweise drosselt die Drossel 11 den Arbeitsmediummassenstrom so ab, dass lediglich ein geringer Anteil durch die Nebenleitung 2b fließt.
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Ein Steuergerät 5 empfängt die von dem Temperatursensor 13 und dem Drucksensor 14 ermittelten Daten bzw. Signale und verarbeitet diese weiter. Das Steuergerät 5 steuert und misst auch die der Nebenleitung 2b durch den Teilstromverdampfer 12 zugeführte Energie.
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Mit der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanordnung 1 ist es möglich, durch genau kontrollierte – vorzugsweise elektrische – Energiezuführung über den Teilstromverdampfer 12 festzustellen, an welcher Enthalpie-Position des Arbeitsmediums man sich befindet. Dadurch kann insbesondere im Nassdampfgebiet der Dampfanteil des Arbeitsmediums ermittelt werden, obwohl Temperatur und Druck des Arbeitsmediums konstant sind. Dies ist die Grundlage für eine schnelle und robuste Regelung der Abwärmenutzungsanordnung 1. Erfindungsgemäß wird mit der vorliegenden Anordnung nicht dem kompletten Massenstrom des Arbeitsmediums Wärmeenergie durch den Teilstromverdampfer 12 zugeführt, was einen sehr großen Energieaufwand bedeuten würde, sondern lediglich einem kleinen Teilstrom durch die Nebenleitung 2b.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel. In dieser Ausführung ist die Nebenleitung 2b parallel zur Expansionsmaschine 3 angeordnet, also als Bypassleitung zur Expansionsmaschine 3. Ein Bypassventil 31 steuert dazu die Massenströme des Arbeitsmediums zur Expansionsmaschine 3 und in die Nebenleitung 2b bzw. teilt den Arbeitsmediummassenstrom auf die Expansionsmaschine 3 und in die Bypassleitung auf. Das Bypassventil 31 ist dabei vorzugsweise als Proportionalventil ausgeführt. Analog zur vorherigen Ausführungsform umfasst die Nebenleitung 2b die Drossel 11, den Teilstromverdampfer 12, den Drucksensor 14 und den Temperatursensor 13. Durch die Ausführung des Bypassventils 31 als Proportionalventil kann jedoch in alternativen Ausführungen sogar auf die Drossel 11 in der Nebenleitung 2b verzichtet werden.
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Das Steuergerät 5 steuert das Bypassventil 31 an und führt dem Teilstromverdampfer 12 so den zur Regelung der Abwärmenutzungsanordnung 1 benötigten Teilstrom des Arbeitsmediums zu, wobei dies auch lediglich zu ausgewählten Zeitpunkte erfolgen kann.
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Vorzugsweise sind in dieser Ausführungsform die Expansionsmaschine 3, das Bypassventil 31, die Drossel 11, der Teilstromverdampfer 12, der Drucksensor 14 und der Temperatursensor 13 in einem gemeinsamen Gehäuse 70 angeordnet.
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Die Ausführungsform der 2 ist besonders vorteilhaft, da die Nebenleitung 2b als Bypassleitung zur Expansionsmaschine 3 ohnehin erforderlich ist, weil das Arbeitsmedium im Falle eines zu hohen Flüssigkeitsanteils an der Expansionsmaschine 3 vorbeigeleitet werden muss, um Schäden an der Expansionsmaschine 3 zu vermeiden.
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In einer Weiterbildung kann die Nebenleitung 2b auch innerhalb der Bypassleitung als Parallelschaltung angeordnet sein.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanordnung 1. In dieser Ausführung weist der Arbeitskreislauf 2 eine Parallelschaltung von zwei Verdampfern auf: dem Verdampfer 10 und einem weiteren Verdampfer 40. Der Verdampfer 10 ist dabei in einer ersten Parallelleitung 41 angeordnet und der weitere Verdampfer 40 in einer zweiten Parallelleitung 42. Ein Verteilerventil 45 teilt den von der Speisepumpe 6 zugeführten Arbeitsmediummassenstrom auf die beiden Parallelleitungen 41, 42 auf, wobei das Verteilerventil 45 von dem Steuergerät 5 angesteuert wird.
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Die Brennkraftmaschine 50 der Ausführung der 3 weist einen Rückführkanal 54 auf. Der Brennkraftmaschine 50 wird einlassseitig Frischluft 51 und optional auch rückgeführtes Abgas aus dem Rückführkanal 54 zugeführt. Auslassseitig wird Abgas aus der Brennkraftmaschine 50 in den Abgastrakt 53 ausgestoßen.
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Der Abgastrakt 54 verzweigt sich in den Rückführkanal 54 und in einen Endkanal 55. Über den Endkanal 55 gelangt das Abgas, gegebenenfalls auch unter Zwischenschaltung nicht dargestellter Nachbehandlungssysteme, an die Umgebung.
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Der Verdampfer 10 ist im Endkanal 55 angeordnet, der weitere Verdampfer 40 im Rückführkanal 54.
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Der Arbeitskreislauf 2 umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums somit den Sammelbehälter 7, die Speisepumpe 6, das Verteilerventil 45, die Parallelschaltung aus der ersten Parallelleitung 41 und der zweiten Parallelleitung 42, die Expansionsmaschine 3 und den Kondensator 4.
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Erfindungsgemäß ist zwischen der Parallelschaltung aus erster Parallelleitung 41 und aus zweiter Parallelleitung 42 und zwischen der Expansionsmaschine 3 parallel zum Arbeitskreislauf 2 die Nebenleitung 2b angeordnet. In der Nebenleitung 2b sind analog zu den vorhergehenden Ausführungen in Flussrichtung des Arbeitsmediums die Drossel 11 und der Teilstromverdampfer 12 angeordnet. Stromabwärts des Teilstromverdampfers 12 sind weiterhin der Temperatursensor 13 und der Drucksensor 14 angeordnet. Vorzugsweise drosselt die Drossel 11 den Arbeitsmediummassenstrom im Betrieb so ab, dass lediglich ein geringer Anteil durch die Nebenleitung 2b fließt.
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Die beiden Sensoren 13, 14 übermitteln Daten bzw. Signale an das Steuergerät 5, welches diese weiterverarbeitet. Das Steuergerät 5 steuert die der Nebenleitung 2b durch den Teilstromverdampfer 12 zugeführte Energie.
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In alternativen Ausführungsformen mit zwei Verdampfern 10, 40 im Arbeitskreislauf 2 kann die Nebenleitung 2b auch parallel zur Expansionsmaschine 3 angeordnet sein, wie in 2 beschrieben.
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Weiterhin gibt es bei Abwärmenutzungsanordnungen mit einer Parallelschaltung aus zwei Verdampfern 10, 40 auch die Möglichkeit zwei Teilstromverdampfer einzusetzen, also jeweils einen in jeder Parallelleitung 41, 42. Dies wird im folgenden beispielhaften Ausführungsbeispiel beschrieben:
Der Arbeitskreislauf 2 des Ausführungsbeispiels der 4 umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Parallelschaltung aus der ersten Parallelleitung 41 und der zweiten Parallelleitung 42, die Expansionsmaschine 3 und den Kondensator 4. In der ersten Parallelleitung 41 sind die Speisepumpe 6 und der Verdampfer 10 angeordnet. In der zweiten Parallelleitung 42 sind eine weitere Speisepumpe 8 und der weitere Verdampfer 40 angeordnet. Optional kann der Sammelbehälter 7 in dem Arbeitskreislauf 2 oder in einer nicht dargestellten Zuführleitung angeordnet sein.
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Der Verdampfer 10 wird mit Abgaswärme aus dem Endkanal 55 gespeist, der weitere Verdampfer 40 mit Abgaswärme aus dem Rückführkanal 54.
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Die Anordnung von zwei Speisepumpen 6, 8 in einer Parallelschaltung von zwei Verdampfern 10, 40 ist generell für sämtliche Ausführungsformen als Alternative zu einer Anordnung von einer Speisepumpe 6 und einem Verteilerventil 45 möglich. Das Ausführungsbeispiel der 3 kann alternativ dementsprechend abgeändert werden.
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In der ersten Parallelleitung 41 ist stromabwärts des Verdampfers 10 die Nebenleitung 2b parallel geschaltet. In der Nebenleitung 2b sind analog zu den vorhergehenden Ausführungen in Flussrichtung des Arbeitsmediums die Drossel 11 und der Teilstromverdampfer 12 angeordnet. Stromabwärts des Teilstromverdampfers 12 sind weiterhin der Temperatursensor 13 und der Drucksensor 14 angeordnet.
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In der zweiten Parallelleitung 42 ist stromabwärts des weiteren Verdampfers 40 eine weitere Nebenleitung 2c parallel geschaltet. Die weitere Nebenleitung 2c umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine weitere Drossel 11b und einen weiteren Teilstromverdampfer 12b. Stromabwärts des weiteren Teilstromverdampfers 12b sind weiterhin ein weiterer Temperatursensor 13b und ein weiterer Drucksensor 14b angeordnet.
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Dadurch kann die Enthalpie sowohl für das die erste Parallelleitung 41 durchströmende Arbeitsmedium ermittelt werden, als auch die Enthalpie für das die zweite Parallelleitung 42 durchströmende Arbeitsmedium.
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5 zeigt ein beispielhaftes Entropie-Temperatur-Diagramm einer Abwärmenutzungsanordnung, insbesondere der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanordnung 1. Die Temperatur T [K] ist über der Entropie s [kJ/kg/K] aufgetragen. Wird dem Arbeitsmedium durch den Verdampfer 10 Wärmeenergie zugeführt, so beschreiben drei Diagrammlinien 101, 102, 103 den Verlauf des Zustands des Arbeitsmediums:
- – Flüssigkeitslinie 101: die Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums steigt nahezu isobar bis zur Siedetemperatur
- – Nassdampflinie 102: das Arbeitsmedium wird bei konstanter Temperatur und bei konstantem Druck verdampft
- – Dampflinie 103: ab der Sättigung steigt die Temperatur des verdampften Arbeitsmediums weiter an.
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Die Funktionsweise der Abwärmenutzungsanordnung 1 ist wie folgt:
Die Speisepumpe 6 fördert flüssiges Arbeitsmedium unter Druck aus dem Sammelbehälter 7 in den Verdampfer 10 und/oder optional in den weiteren Verdampfer 40. In den Verdampfern 10, 40 wird das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschließend der Expansionsmaschine 3 zugeführt. In der Expansionsmaschine 3 wird das gasförmige Arbeitsmedium entspannt und erzeugt dadurch eine mechanische Leistung, welche zum Beispiel in Form eines Drehmoments einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine 50 oder einem Generator zugeführt werden kann. Das Arbeitsmedium wird anschließend im Kondensator 4 wieder verflüssigt und danach dem Sammelbehälter 7 zugeführt.
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Um das Arbeitsmedium im Kondensator 4 verflüssigen zu können, wird ihm dort Wärmeenergie entzogen. Daher ist der Kondensator 4 vorteilhafterweise gleichzeitig im Kühlkreislauf 20 der Brennkraftmaschine 50 angeordnet, wobei hierfür auch ein anderer beliebiger Kühlkreislauf verwendbar wäre.
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Erfindungsgemäß sind Sensoren, vorwiegend im Arbeitskreislauf 2, angeordnet, um den Arbeitskreislauf 2 in einem bestimmten Temperaturbereich und Druckbereich zu betreiben und vorteilhafterweise auch den Kühlkreislauf unterhalb einer bestimmten Grenztemperatur zu betreiben. In den Arbeitskreisläufen nach dem Stand der Technik ist es nicht möglich den exakten Zustandspunkt des Arbeitsmediums im Nassdampfgebiet, also auf der Nassdampflinie 102 zu ermitteln, da es hier keine Temperatur- und Druckänderungen gibt. Befindet sich das Arbeitsmedium weit rechts auf der Nassdampflinie 102 – also nahezu im gesättigten Bereich – und wird dem Arbeitsmedium durch den Verdampfer 10 weiter Wärmeenergie zugeführt, so besteht die Gefahr der Überhitzung des Arbeitskreislaufs 2 und seiner Komponenten. Dies ist besonders kritisch, da im Bereich der Dampflinie 103 bereits eine kleine Energieänderung eine sehr große Temperaturänderung zur Folge hat. In diesen Temperaturbereichen verringern sich die Festigkeiten der Bauteile stark mit zunehmender Temperatur. Andererseits sollte kein Arbeitsmedium im nassdampfförmigen Zustand in die Expansionsmaschine 3 gelangen, da dies ineffizient ist bzw. Schäden wie Kavitationsschäden in der Expansionsmaschine 3 zur Folge hätte. Dementsprechend ist der Betriebsbereich des Arbeitsmediums für die Expansionsmaschine 3 vorzugsweise sehr eng zu wählen: nämlich mit möglichst geringer Temperatur T, aber dennoch als gesättigter Dampf, also möglichst weit unten auf der Dampflinie 103.
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Dazu ist erfindungsgemäß ein Teilstromverdampfer 12 in einer Nebenleitung 2b zum Arbeitskreislauf 2 angeordnet. Kern der Erfindung ist dabei, eine genaue kontrollierte (vorzugsweise elektrische) Energiezufuhr über den Teilstromverdampfer 12 durchzuführen und zu messen, an welcher Position man sich im Entropie-Temperatur-Diagramm befindet bzw. welche Enthalpie das Arbeitsmedium besitzt. Diese Methode ist effizienter als die oft ungenau zu messenden bzw. abzuschätzenden aus dem Abgastrakt 53 zugeführten Energiemengen. Weiterhin setzt diese Methode keine Kenntnis des Abgasmassenstroms voraus. Das erfindungsgemäße Verfahren hat demgegenüber den Vorteil, dass es die Abwärmenutzungsanordnung 1 relativ zum aktuellen Zustand regeln kann und keine absoluten, fehlerbehafteten Größen zur Regelung benötigt.
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Um bei dem Verfahren zur Enthalpieermittlung nicht dem kompletten Massenstrom des Arbeitsmediums Wärmeenergie, beispielsweise durch elektrische Energie, zuführen zu müssen, wird dies „stellvertretend“ nur für einen Teilstrom durch die Nebenleitung 2b gemacht. Vorzugsweise ist der Teilstrom dabei deutlich geringer als der Gesamtstrom. Dadurch wird zum einen der Energieaufwand zur Enthalpieermittlung in Grenzen gehalten, zum anderen das System durch die Enthalpieermittlung kaum beeinflusst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Enthalpiepunktes des Arbeitsmediums, wobei sich der Zustand des Arbeitsmediums im Nassdampfgebiet – also auf der Nassdampflinie 102 – befindet, ist wie folgt:
Dem Gesamtstrom des Arbeitsmediums durch den Arbeitskreislauf 2 wird durch die konstante Drossel 11 ein Teilstrom entzogen. Durch das konstante Drosselverhältniss des Teilstroms zum Hauptstrom ist somit die Massenstromaufteilung bekannt. Ermittelt das Steuergerät 5, beispielsweise durch den Temperatursensor 13, einen Nassdampfzustand des Arbeitsmediums vor der Expansionsmaschine 3, können die folgenden Verfahrensschritte gestartet werden. Dem Teilstrom wird eine genau bekannte (elektrische) Wärmemenge zugeführt. Dabei wird so viel Energie zugeführt bis der Teilstrom in den Bereich der Überhitzung, also in den Bereich der Dampflinie 103, gelangt. Dies wird mit dem Temperatursensor 13 und/oder dem Drucksensor 14 geprüft bzw. überwacht.
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Wenn die Überhitzung erreicht wird, ist somit auch bekannt wie viel Energie über den Teilstromverdampfer 12 zugeführt wurde. Daraus wiederum kann über das Drosselverhältniss genau berechnet werden, wie viel Energie dem großen Hauptstrom bzw. dem Gesamtstrom des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf 2 zugeführt werden müsste, um in das Gebiet der Überhitzung zu gelangen. Im Umkehrschluss kann auch errechnet werden um wie viel der Gesamtstrom des Arbeitsmediums reduziert werden müsste, um bei gleichbleibender Energiezufuhr durch den Verdampfer 10 einen beliebigen Punkt der Überhitzung zu erreichen.
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Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass der Massenstrom des Arbeitsmediums durch den Arbeitskreislauf 2 und die zugeführte Energiemenge durch den Verdampfer 10 nicht genau bekannt sein müssen, da die Regelung relativ zu der durch den Teilstromverdampfer 12 zugeführten genau bekannten Energie in der Nebenleitung 2b stattfindet. Ein Drift des Arbeitsmediummassenstroms oder ein Drift im Wärmestromübergang des Verdampfers 10 über die Lebenszeit ist damit irrelevant. Dadurch ist dieses Verfahren sehr robust über die Lebensdauer der Abwärmenutzungsanordnung 1.
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Ist das Arbeitsmedium im überhitzten Dampfzustand, so kann die Steuerung bzw. Regelung des Systems mit den aus dem Stand der Technik bekannten Methoden erfolgen. Alternativ oder ergänzend kann die Steuerung bzw. Regelung jedoch auch über den Temperatursensor 13 und den Drucksensor 14 erfolgen, bzw. auch über den weiteren Temperatursensor 13b und den weiteren Drucksensor 14b.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010063701 A1 [0002]
