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Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
US 2007/0007771 A1 ist eine Abwärmenutzungsvorrichtung bekannt. Die Abwärmenutzungsvorrichtung umfasst einen Abwärmenutzungskreislauf, welcher nach dem Prinzip eines geschlossenen Clausius-Rankine-Kreisprozesses mit einem zirkulierenden Arbeitsmedium arbeitet. Der Abwärmenutzungskreislauf umfasst eine Fördereinheit zur Förderung eines flüssigen Arbeitsmediums, einen ersten Wärmetauscher zur Erwärmung und Verdampfung des Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine zur Expansion des verdampften Arbeitsmediums und einen Kondensator zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums. Der Abwärmenutzungskreislauf umfasst einen zweiten Wärmetauscher, dessen wärmeaufnehmende Seite nach der Expansionsmaschine und vor dem Kondensator und dessen wärmeabgebende Seite nach der Fördereinheit und vor dem ersten Wärmetauscher angeordnet sind.
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Weiterhin ist aus der Weiterhin ist aus der
US 2015/0267638 A1 eine Abwärmenutzungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei in einem Abwärmenutzungskreislauf ein Arbeitsmedium aus einem Flüssigkeitsvorrat mittels einer Fördereinrichtung gefördert und verdichtet wird, mittels Abwärme der Brennkraftmaschine mittels zwei Verdampfern verdampft und überhitzt wird, anschließend mittels einer Expansionsmaschine expandiert wird und mittels eines Kondensators nach der Expansion kondensiert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Abwärmenutzungsvorrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Abwärmenutzungsvorrichtung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Abwärmenutzungsvorrichtung umfasst einen Abwärmenutzungskreislauf, wobei der Abwärmenutzungskreislauf eine Fördereinheit zur Förderung eines flüssigen Arbeitsmediums, zumindest zwei Wärmequellen zur Erwärmung und Verdampfung des Arbeitsmediums mittels Abwärme zumindest einer Abwärmequelle, zumindest eine Expansionsmaschine zur Expansion des verdampften Arbeitsmediums und einen Kondensator zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums umfasst.
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Erfindungsgemäß sind die zwei Wärmequellen strömungstechnisch in Reihe geschaltet und ein innerer Wärmetauscher ist mit seiner wärmeaufnehmenden Seite nach der Expansionsmaschine und vor dem Kondensator und mit seiner wärmeabgebenden Seite zwischen den beiden Wärmequellen mit dem Abwärmenutzungskreislauf gekoppelt.
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Aufgrund dieser Verschaltung des inneren Wärmetauschers mit dem Abwärmenutzungskreislauf kann eine Wirkungsgradsteigerung der Abwärmenutzungsvorrichtung ohne Temperatur- und/oder Massenstromerhöhung des Arbeitsmediums erzielt werden. Somit wird eine Effizienzsteigerung des Abwärmenutzungskreislaufs erzielt, was bei einer Verwendung der Abwärmenutzungsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch ein Druck-Enthalpiediagramm, Druck- und Enthalpieverhältnisse eines ersten Ausführungsbeispiels eines Abwärmenutzungskreislaufs während einer ersten Betriebsweise und den Abwärmenutzungskreislauf nach dem Stand der Technik,
- 2 schematisch ein Druck-Enthalpiediagramm, Druck- und Enthalpieverhältnisse eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Abwärmenutzungskreislaufs und den Abwärmenutzungskreislauf nach dem Stand der Technik,
- 3 schematisch ein Druck-Enthalpiediagramm, Druck- und Enthalpieverhältnisse des ersten Ausführungsbeispiels des Abwärmenutzungskreislaufs während einer zweiten Betriebsweise und den Abwärmenutzungskreislauf nach dem Stand der Technik,
- 4 schematisch ein Druck-Enthalpiediagramm, Druck- und Enthalpieverhältnisse eines Abwärmenutzungskreislaufs während einer ersten Betriebsweise und den Abwärmenutzungskreislauf, und
- 5 schematisch ein Druck-Enthalpiediagramm, Druck- und Enthalpieverhältnisse des Abwärmenutzungskreislaufs gemäß 4 während einer zweiten Betriebsweise und den Abwärmenutzungskreislauf.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in einem Druck-Enthalpiediagramm ein Druck p in Abhängigkeit einer Enthalpie h eines Arbeitsmediums AM sowie Druck- und Enthalpieverhältnisse eines Abwärmenutzungskreislaufs 1 einer Abwärmenutzungsvorrichtung nach dem Stand der Technik dargestellt.
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Die Abwärmenutzungsvorrichtung umfasst den Abwärmenutzungskreislauf 1 und basiert auf einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, beispielsweise auf einem so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozess.
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Die Abwärmenutzungsvorrichtung ist insbesondere zur Nutzung von Abwärme in einem nicht gezeigten Kraftfahrzeug, beispielsweise in einem Nutzfahrzeug, vorgesehen. Insbesondere werden in nicht näher dargestellter Weise als Abwärmequellen eine Antriebseinheit, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, und ein Abgassystem der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs verwendet, wobei die Abwärme Verlustwärme der Antriebseinheit ist.
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Der Abwärmenutzungskreislauf 1 ist während seines Betriebs in eine Hochdruckseite HD und eine Niederdruckseite ND unterteilt. Der Abwärmenutzungskreislauf 1 umfasst eine Fördereinheit 1.1 zur Förderung eines flüssigen Arbeitsmediums AM, beispielsweise Wasser oder Ethanol, und zwei Wärmequellen 1.2, 1.3 zur Erwärmung und Verdampfung des Arbeitsmediums AM mittels Abwärme der Abwärmequellen. Hierbei ist eine erste Wärmequelle 1.2 thermisch mit der Verbrennungskraftmaschine und ein zweiter Verdampfer 1.3 thermisch mit dem Abgassystem gekoppelt. Beide Wärmequellen 1.2, 1.3 sind dabei als Wärmetauscher ausgebildet.
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Weiterhin umfasst der Abwärmenutzungskreislauf 1 zumindest eine Expansionsmaschine 1.4, beispielsweise eine Turbine zur Erzeugung mechanischer Energie durch Expandieren des verdampften Arbeitsmediums AM, und zumindest einen Kondensator 1.5 zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums AM, wobei der Kondensator 1.5 beispielsweise als Gaskühler ausgebildet ist.
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Um eine Prozesswirkungsgradsteigerung des Abwärmenutzungskreislaufs 1 zu erzielen, ist bekannt, einen inneren Wärmetauscher 1.6 in den Abwärmenutzungskreislauf 1 zu integrieren. Dies zeigt 2 näher. Hierbei ist der innere Wärmetauscher 1.6 derart mit dem Abwärmenutzungskreislauf 1 verschaltet, dass seine wärmeaufnehmende Seite 1.6.1 nach der Expansionsmaschine 1.4 und vor dem Kondensator 1.5 und seine wärmeabgebende Seite 1.6.2 zwischen der Fördereinheit 1.1 und der ersten Wärmequelle 1.2 angeordnet ist.
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Solche inneren Wärmetauscher 1.6, auch als interne Wärmeübertrager (kurz: IWT) bezeichnet, werden häufig bei Kaltdampf- und Dampfkraftprozessen verwendet. Dabei fungieren diese unabhängig von einer Art des Prozesses als Wärmeübertrager zwischen der Hochdruckseite HD und der Niederdruckseite ND. Lediglich eine Richtung des Wärmestromes wird von der Art des Prozesses vorgegeben, damit der innere Wärmetauscher 1.6 seinen Zweck, d. h. die Erhöhung des Prozesswirkungsgrades, erfüllen kann. Während bei Kaltdampfprozessen das so genannte Sauggas nach zumindest einer Wärmequelle 1.2, 1.3 und vor der Fördereinheit 1.1 dazu genutzt wird, das Arbeitsmedium AM nach Austritt aus dem Kondensator 1.5 weiter herab zu kühlen, ist in Dampfkraftprozessen ein Wärmeeintrag vor der zumindest einen Wärmequelle 1.2, 1.3 eine häufig anzutreffende Anwendung. Diese Vorwärmung findet mit Hilfe einer so genannten Restwärme nach der Expansionsmaschine 1.4 statt.
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Damit eine Prozesswirkungsgradsteigerung erreicht werden kann, respektive ein Wärmestrom „fließen“ kann, muss jedoch die Temperatur des Arbeitsmediums AM nach der Entspannung desselben noch größer sein, als die Temperatur nach Verdichtung mittels der Fördereinheit 1.1. Dies ist jedoch stark von der Prozessführung, d. h. einer Größe einer Unterkühlung, einer Größe einer Überhitzung, einem Druckniveau, einem Druckverhältnis und anderen Prozessgrößen, und dem ausgewählten Arbeitsmedium AM abhängig.
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Gemein ist jedoch allen solchen Kreisläufen, dass zur Erhöhung des Prozesswirkungsgrades möglichst gute Wärmeübertragungsraten erzielt werden sollen und es für die Vorwärmung im Allgemeinen kein, mit Ausnahme einer Temperatur einer Wärmequellenseite, begrenzendes Limit gibt.
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Wird der Abwärmenutzungskreislauf 1 jedoch wie im dargestellten Ausführungsbeispiel mit zwei Wärmequellen 1.2, 1.3 betrieben, wobei eine der beiden Wärmequellen 1.2, 1.3 temperaturkritisch für hohe Temperaturen ist, sollte bei einer Reihenschaltung der beiden Wärmequellen 1.2, 1.3 die temperaturkritische der beiden Wärmequellen 1.2, 1.3 zuerst vom Arbeitsmedium AM durchströmt werden.
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Ein Beispiel für eine solche temperaturkritische oder temperatursensible Wärmequelle 1.2 stellt ein Hochtemperaturkühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine oder die Verbrennungskraftmaschine selbst dar. Die nachgeschaltete Wärmequelle 1.3 kann wie beschrieben beispielsweise durch einen Abgaswärmeübertrager gebildet sein.
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Muss die temperaturkritische Wärmequelle 1.2 entweder vollständig mit flüssigem Arbeitsmedium AM oder wenigstens mit einem Dampfgehalt von <1 durchströmt werden, so wird von deren Maximaltemperatur ein minimaler Hochdruck festgelegt. Ebenso wird durch diese Bedingung ein Mindestmassenstrom für den jeweiligen Betriebsfall gegeben, was in 3 näher dargestellt ist.
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Bei solchen Randbedingungen führt der gemäß 2 nach dem Stand der Technik mit dem Abwärmenutzungskreislauf 1 verschaltete innere Wärmetauscher 1.6, der als Vorwärmer arbeitet, dazu, dass durch den eingebrachten Wärmestrom vor der temperaturkritischen Wärmequelle 1.2 bereits eine Temperaturerhöhung des Arbeitsmediums AM stattfindet. Dies führt zwangsläufig dazu, dass der Massenstrom zur Zielerreichung der Quelltemperatur angehoben werden muss. Abhängig von den Verhältnissen der Wärmeströme der beiden Wärmequellen 1.2, 1.3 führt die Anhebung der Wärmezufuhr durch den inneren Wärmetauscher 1.6 und die damit einhergehende Erhöhung des Massenstroms des Arbeitsmediums AM nicht zwangsläufig zu einer Wirkungsgradsteigerung des Abwärmenutzungskreislaufs 1. Darüber hinaus sind Fälle denkbar, bei denen trotz einer potenziellen Wirkungsgradsteigerung eine Erhöhung des Massenstroms des Arbeitsmediums AM nicht gewünscht oder zielführend für die Gestaltung eines Gesamtsystems ist.
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Aus den zuvor genannten Gründen ist gemäß der Darstellung in 4 vorgesehen, dass der innere Wärmetauscher 1.6 nicht als erster Wärmeübertrager nach der Verdichtung des Arbeitsmediums AM, respektive nach Abkühlung im Kondensator 1.5 und Druckerhöhung, sondern nach der temperaturkritischen Wärmequelle 1.2 in den Abwärmenutzungskreislauf 1 integriert ist.
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Das heißt, der innere Wärmetauscher 1.6 ist mit seiner wärmeaufnehmenden Seite 1.6.1 nach der Expansionsmaschine 1.4 und vor dem Kondensator 1.5 und mit seiner wärmeabgebenden Seite 1.6.2 zwischen den beiden Wärmequellen 1.2, 1.3 mit dem Abwärmenutzungskreislauf 1 thermisch gekoppelt.
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Hierdurch ist es möglich, dass beispielsweise der Massenstrom des Arbeitsmediums AM derart eingestellt werden kann, dass das Arbeitsmedium AM mit oder unterhalb der zulässigen Grenztemperatur aus der jeweiligen Wärmequelle 1.2, 1.3 austritt. Somit ist aus Gründen, wie etwa einem Bauteilschutz, keine Anhebung des Massenstroms des Arbeitsmediums AM erforderlich, sofern keine zulässige Überhitzungstemperatur und/oder kein zulässiger Dampfgehalt nach der zweiten Wärmequelle 1.3 überschritten wird und diese nicht ebenso temperaturkritisch ist.
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Dies kann, abhängig von einer Aufteilung der Wärmeströme der Wärmequellen 1.2, 1.3 und einer Lage eines jeweils zulässigen Temperaturniveaus an diesen Wärmequellen 1.2, 1.3, zu einer Steigerung des Prozesswirkungsgrades ohne Erhöhung des Massenstroms des Arbeitsmediums AM und/oder ohne Erhöhung einer Pumpenarbeit der Fördereinheit 1.1 führen.
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Für den Fall, dass das Arbeitsmedium AM flüssig in die zweite Wärmequelle 1.3 eintreten muss, kann dies durch Anhebung des Druckniveaus auf der Hochdruckseite HD erreicht werden. Durch eine solche Anhebung kann weiterhin die begrenzende Temperatur der ersten Wärmequelle 1.2 eingehalten werden.
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Damit sich ein entsprechender Wärmestrom einstellen kann, muss jedoch die Temperatur nach Entspannung des Arbeitsmediums AM der wärmeaufnehmenden Seite 1.6.1 des inneren Wärmetauschers 1.6 größer sein, als die Temperatur nach der ersten Wärmequelle. Dies ist in den meisten anwendungsbezogenen Fällen erst bei einer gewissen Überhitzung des Arbeitsmediums AM oder einer stark unterschiedlichen Aufteilung von Wärmeströmen der beiden Wärmequellen 1.2, 1.3, d. h. einer stark unterschiedlichen Aufteilung von Primärwärmeströmen, gegeben.
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Jedoch ist nicht immer eine ausreichende Überhitzung realisierbar. Das Druck- und Enthalpiediagramm gemäß 5 stellt dabei einen Grenzfall dar. Ist keine ausreichende Überhitzung realisierbar, kann dies ohne weitere Maßnahmen dazu führen, dass Wärme im Abwärmenutzungskreislauf 1 an der Expansionsmaschine 1.4 vorbeigeleitet wird, da das Temperaturniveau nach der ersten Wärmequelle 1.2 bereits größer ist, als nach der Entspannung am Ausgang der Expansionsmaschine 1.4.
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Um dies zu vermeiden, ist der innere Wärmetauscher 1.6 in einer möglichen Ausgestaltung deaktivierbar. Die Deaktivierung erfolgt dabei anhand einer Bypassierung des inneren Wärmetauschers 1.6 oder bei einer Wärmeübertragung innerhalb des inneren Wärmetauschers 1.6 mittels eines Zwischenmediums durch Evakuieren des Zwischenmediums.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abwärmenutzungskreislauf
- 1.1
- Fördereinheit
- 1.2
- Wärmequelle
- 1.3
- Wärmequelle
- 1.4
- Expansionsmaschine
- 1.5
- Kondensator
- 1.6
- innerer Wärmetauscher
- 1.6.1
- wärmeaufnehmende Seite
- 1.6.2
- wärmeabgebende Seite
- AM
- Arbeitsmedium
- h
- Enthalpie
- HD
- Hochdruckseite
- ND
- Niederdruckseite
- p
- Druck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0007771 A1 [0002]
- US 2015/0267638 A1 [0003]
