DE102016216303A1 - Waste heat recovery system - Google Patents

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Michael Richter
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Abstract

Abwärmerückgewinnungssystem (100) für eine Brennkraftmaschine (110), wobei das Abwärmerückgewinnungssystem (100) einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a) aufweist. Der Kreislauf (100a) umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe (102), einen Verdampfer (103), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105). In dem Kreislauf (100a) ist zwischen der Speisefluidpumpe (102) und dem Verdampfer (103) ein Vorheizelement (10) angeordnet.A waste heat recovery system (100) for an internal combustion engine (110), wherein the waste heat recovery system (100) comprises a working medium carrying circuit (100a). The circuit (100a) comprises, in the direction of flow of the working medium, a feed fluid pump (102), an evaporator (103), an expansion machine (104) and a condenser (105). In the circuit (100a), a preheating element (10) is arranged between the feed fluid pump (102) and the evaporator (103).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine.The present invention relates to a waste heat recovery system for an internal combustion engine.

Stand der TechnikState of the art

Abwärmerückgewinnungssysteme zur thermischen Energierückgewinnung aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2010 042 405 A1 . Waste heat recovery systems for thermal energy recovery from the exhaust gases of an internal combustion engine are known from the prior art, for example from the DE 10 2010 042 405 A1 ,

Das bekannte Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf. Der Kreislauf umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator. The known waste heat recovery system has a leading a working fluid circuit. The circuit comprises, in the direction of flow of the working medium, a feed fluid pump, an evaporator, an expansion machine and a condenser.

Die Effizienzsteigerung von Abwärmerückgewinnungssystemen ist Gegenstand von Weiterentwicklungen der Topologie solcher Systeme. Auch die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Effizienz, insbesondere dem Wärmehaushalt, eines Abwärmerückgewinnungssystems.The increase in efficiency of waste heat recovery systems is the subject of advances in the topology of such systems. The present invention is also concerned with the efficiency, in particular the heat balance, of a waste heat recovery system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Abwärmerückgewinnungssystem verwendet ein Vorheizelement zwischen der Speisefluidpumpe und dem Verdampfer, so dass zusätzliche thermische Energie in den Kreislauf eingekoppelt wird. Diese zusätzliche thermische Energie wird vorzugsweise wiederum an anderen Stellen des Abwärmerückgewinnungssystems und/oder der Brennkraftmaschine abgegriffen, und zwar dort, wo vorteilhafterweise Kühleffekte benötigt werden.The waste heat recovery system of the present invention uses a preheat element between the feed fluid pump and the evaporator to inject additional thermal energy into the circuit. This additional thermal energy is preferably tapped in turn elsewhere in the waste heat recovery system and / or the internal combustion engine, and where advantageously cooling effects are needed.

Das erfindungsgemäße Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf. Der Kreislauf umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator. In dem Kreislauf ist zwischen der Speisefluidpumpe und dem Verdampfer ein Vorheizelement angeordnet. The waste heat recovery system according to the invention for an internal combustion engine has a circuit leading to a working medium. The circuit comprises, in the direction of flow of the working medium, a feed fluid pump, an evaporator, an expansion machine and a condenser. In the circuit, a preheating element is arranged between the feed fluid pump and the evaporator.

Das Vorheizelement, beispielsweise ein Wärmetauscher, koppelt so zusätzliche thermische Energie in den Kreislauf ein. Die Effizienz des Abwärmerückgewinnungssystems wird dadurch erhöht. Weiterhin kann so auch die Leistung der Expansionsmaschine, beispielsweise einer Turbine, gesteigert werden.The preheating element, for example a heat exchanger, thus couples additional thermal energy into the circuit. The efficiency of the waste heat recovery system is thereby increased. Furthermore, so can the performance of the expansion machine, such as a turbine can be increased.

In vorteilhaften Ausführungen ist das Vorheizelement an einen ein Motoröl führenden Ölkreislauf der Brennkraftmaschine gekoppelt. Dadurch wird der Ölkreislauf thermisch entlastet. Ein zusätzlicher Energieaufwand zur Kühlung des Ölkreislaufs kann dadurch verringert werden, so dass die Effizienz der Brennkraftmaschine steigt.In advantageous embodiments, the preheating element is coupled to a motor oil leading oil circuit of the internal combustion engine. This thermally relieves the oil circuit. An additional energy expenditure for cooling the oil circuit can thereby be reduced, so that the efficiency of the internal combustion engine increases.

In einer vorteilhaften Weiterbildung strömt im Betrieb der Brennkraftmaschine das Motoröl durch das Vorheizelement. Das Vorheizelement ist also in dem Ölkreislauf angeordnet. Der Wärmeaustausch zwischen Ölkreislauf und Kreislauf des Abwärmerückgewinnungssystems erfolgt somit direkt durch das Vorheizelement, so dass die thermischen Verluste dadurch minimiert sind.In an advantageous development, the engine oil flows through the preheating element during operation of the internal combustion engine. The preheating element is thus arranged in the oil circuit. The heat exchange between the oil circuit and the cycle of the waste heat recovery system thus takes place directly through the preheating, so that the thermal losses are minimized.

In einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung ist das Vorheizelement mittels eines Koppelkreislaufs an den Ölkreislauf gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass in Abhängigkeit der Betriebspunkte von Brennkraftmaschine und Abwärmerückgewinnungssystem die thermische Kopplung zwischen Ölkreislauf und Kreislauf des Abwärmerückgewinnungssystems minimiert werden kann, beispielsweise durch Reduzierung der Durchflussmenge durch den Koppelkreislauf.In an alternative advantageous development, the preheating element is coupled to the oil circuit by means of a coupling circuit. This has the advantage that, depending on the operating points of the internal combustion engine and waste heat recovery system, the thermal coupling between the oil circuit and the cycle of the waste heat recovery system can be minimized, for example by reducing the flow through the coupling circuit.

In vorteilhaften Ausführungen ist das Vorheizelement als Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher ausgeführt. Dadurch kann die Wärmeaustauschfläche des Vorheizelements sehr kompakt ausgeführt werden. Weiterhin wird weniger Isolationsmaterial benötig, da nur die äußere Leitung des Rohr-in-Rohr-Wärmetauschers isoliert werden muss. In advantageous embodiments, the preheating is designed as a tube-in-tube heat exchanger. Thereby, the heat exchange surface of the preheating element can be made very compact. Furthermore, less insulation material is required, since only the outer pipe of the tube-in-tube heat exchanger must be isolated.

In anderen vorteilhaften Ausführungen ist das Vorheizelement in der Brennkraftmaschine integriert. Dadurch wird die Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Motorblock der Brennkraftmaschine aufgrund des durch das Vorheizelement strömenden Arbeitsmediums wirkungsvoll gekühlt. Die für den Betrieb der Brennkraftmaschine notwendige weitere Kühlleistung kann somit reduziert werden.In other advantageous embodiments, the preheating element is integrated in the internal combustion engine. As a result, the internal combustion engine, for example an engine block of the internal combustion engine, is effectively cooled due to the working medium flowing through the preheating element. The necessary for the operation of the internal combustion engine further cooling capacity can thus be reduced.

Vorteilhafterweise wird die Brennkraftmaschine dabei von dem Arbeitsmedium durchströmt. Das Vorheizelement umfasst demzufolge in der Brennkraftmaschine, beispielsweise in dem Motorblock, ausgebildete Strömungskanäle, welche an den Kreislauf des Abwärmerückgewinnungssystems angeschlossen werden.Advantageously, the internal combustion engine is flowed through by the working medium. The preheating element accordingly comprises flow channels formed in the internal combustion engine, for example in the engine block, which are connected to the cycle of the waste heat recovery system.

In alternativen vorteilhaften Ausführungen sind das Vorheizelement und der Kondensator weiterhin in einem Kondensatorkreislauf angeordnet. Dadurch sind das Vorheizelement und der Kondensator jeweils in dem Kreislauf des Abwärmerückgewinnungssystems und in dem Kondensatorkreislauf angeordnet. Vorzugsweise wird der Kondensatorkreislauf dabei mit einer Kondensatorflüssigkeit durchströmt. In dem Kondensator kühlt sich demzufolge das Arbeitsmedium ab, während sich die Kondensatorflüssigkeit erhitzt. In dem Vorheizelement erfolgt der Wärmefluss in umgekehrter Richtung.In alternative advantageous embodiments, the preheating element and the condenser are furthermore arranged in a condenser circuit. Thereby, the preheating element and the condenser are respectively arranged in the cycle of the waste heat recovery system and in the condenser circuit. Preferably, the condenser circuit is flowed through by a condenser liquid. In the condenser cools Consequently, the working medium, while the capacitor liquid heats up. In the preheating the heat flow takes place in the reverse direction.

In weiteren alternativen vorteilhaften Ausführungen sind das Vorheizelement, der Kondensator und ein Rekuperator in dem Kreislauf angeordnet und bilden eine Kondensator-Rekuperator-Einheit aus. Das Vorheizelement und ein Teil des Kondensators bilden einen Wärmetauscher, und der Rekuperator und ein weiterer Teil des Kondensators bilden einen weiteren Wärmetauscher. Der Rekuperator ist in einem Kühlkreislauf angeordnet, vorzugsweise in einem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine.In further alternative advantageous embodiments, the preheating element, the condenser and a recuperator are arranged in the circuit and form a condenser-recuperator unit. The preheater and a part of the condenser form a heat exchanger, and the recuperator and another part of the condenser form a further heat exchanger. The recuperator is arranged in a cooling circuit, preferably in a cooling circuit of the internal combustion engine.

Dem Kühlkreislauf wird also thermische Energie durch den Kondensator zugeführt, und auch dem Vorheizelement wird thermische Energie durch den Kondensator zugeführt. Durch den Einsatz des Vorheizelements erfolgt jedoch der Wärmetausch des Kondensators nicht mehr nur alleine über den Kühlkreislauf, sondern es erfolgt auch ein Wärmetausch innerhalb des Kreislaufs des Abwärmerückgewinnungssystems an unterschiedlichen Positionen in dem Kreislauf. Dadurch wird der Kühlkreislauf thermisch entlastet. Der Kühlkreislauf dient beispielsweise der Kühlung der Brennkraftmaschine und/oder der Kühlung des Motoröls der Brennkraftmaschine. In beiden Fällen wird die Effizienz der Brennkraftmaschine gesteigert.The cooling circuit is thus supplied with thermal energy through the capacitor, and also the preheating is thermal energy supplied by the capacitor. By using the preheating element, however, the heat exchange of the capacitor no longer takes place solely by itself via the cooling circuit, but there is also a heat exchange within the cycle of the waste heat recovery system at different positions in the circuit. As a result, the cooling circuit is thermally relieved. The cooling circuit serves, for example, the cooling of the internal combustion engine and / or the cooling of the engine oil of the internal combustion engine. In both cases, the efficiency of the internal combustion engine is increased.

In vorteilhaften Weiterbildungen bilden der Kondensator und das Vorheizelement einen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher aus. Weiterhin können auch der Kondensator und der Rekuperator einen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher ausbilden. Für beide Fälle gelten die oben schon beschriebenen Vorteile von Rohr-in-Rohr-Wärmetauschern.In advantageous developments, the condenser and the preheating element form a tube-in-tube heat exchanger. Furthermore, the condenser and the recuperator can also form a tube-in-tube heat exchanger. For both cases, the advantages already described above for tube-in-tube heat exchangers apply.

In vorteilhaften Ausführungen ist die Kondensator-Rekuperator-Einheit in einem Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil umfasst. Ein Teil des Kondensators und das Vorheizelement sind in dem ersten Gehäuseteil angeordnet, und ein weiterer Teil des Kondensators und der Rekuperator sind in dem zweiten Gehäuseteil angeordnet. Durch diese Aufteilung der Funktionalität des Kondensators wird, wie oben schon beschrieben, der Kühlkreislauf entlastet. Durch die Zweiteilung des Gehäuses können die beiden Gehäuseteile aus unterschiedlichen Materialien ausgeführt werden.In advantageous embodiments, the condenser-recuperator unit is arranged in a housing, wherein the housing comprises a first housing part and a second housing part. A part of the capacitor and the preheating element are arranged in the first housing part, and a further part of the capacitor and the recuperator are arranged in the second housing part. By this division of the functionality of the capacitor is, as already described above, relieved the cooling circuit. Due to the division of the housing, the two housing parts can be made of different materials.

In vorteilhaften Ausführungen des Abwärmerückgewinnungssystems ist das Arbeitsmedium des Kreislaufs ein Kältemittel. Kältemittel haben üblicherweise einen vergleichsweise niedrigen Siedepunkt, teilweise sogar unter 50°C. Dadurch muss der Kondensator das Arbeitsmedium also auf ein vergleichsweise niedriges Temperaturniveau, nämlich unterhalb dieses Siedepunkts, abkühlen. Dieses Temperaturniveau liegt damit unter den typischen Temperaturen des Ölkreislaufs und des Kühlkreislaufs von Brennkraftmaschinen, so dass dementsprechend der Wärmeaustausch zwischen diesen Kreisläufen und dem Kreislauf des Abwärmerückgewinnungssystems durch das Vorheizelement besonders effektiv ist.In advantageous embodiments of the waste heat recovery system, the working medium of the circuit is a refrigerant. Refrigerants usually have a comparatively low boiling point, sometimes even below 50 ° C. As a result, the condenser must cool the working medium to a comparatively low temperature level, namely below this boiling point. This temperature level is thus below the typical temperatures of the oil circuit and the cooling circuit of internal combustion engines, and accordingly, the heat exchange between these circuits and the cycle of the waste heat recovery system through the preheating is particularly effective.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. 1 schematically a waste heat recovery system of an internal combustion engine, wherein only the essential areas are shown.

2 schematisch ein weiteres Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. 2 schematically another waste heat recovery system of an internal combustion engine, with only the essential areas are shown.

3 schematisch einen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher eines Abwärmerückgewinnungssystems. 3 schematically a tube-in-tube heat exchanger of a waste heat recovery system.

4 schematisch noch ein weiteres Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. 4 schematically yet another waste heat recovery system of an internal combustion engine, with only the essential areas are shown.

5 schematisch noch ein weiteres Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. 5 schematically yet another waste heat recovery system of an internal combustion engine, with only the essential areas are shown.

6 schematisch noch ein weiteres Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. 6 schematically yet another waste heat recovery system of an internal combustion engine, with only the essential areas are shown.

7 schematisch eine Kondensator-Rekuperator-Einheit eines Abwärmerückgewinnungssystems, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. 7 schematically a condenser-recuperator unit of a waste heat recovery system, wherein only the essential areas are shown.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer Brennkraftmaschine 110. Der Brennkraftmaschine 110 wird Sauerstoff über eine Luftzufuhr 112 zugeführt; das nach dem Verbrennungsvorgang ausgestoßene Abgas wird durch eine Abgasleitung 111 aus der Brennkraftmaschine 110 abgeführt. 1 shows a waste heat recovery system 100 an internal combustion engine 110 , The internal combustion engine 110 gets oxygen through an air supply 112 supplied; the exhaust gas emitted after the combustion process is passed through an exhaust pipe 111 from the internal combustion engine 110 dissipated.

Das Abwärmerückgewinnungssystem 100 weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 100a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe 102, einen Verdampfer 103, eine Expansionsmaschine 104 und einen Kondensator 105 umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung aus einem Sammelbehälter 101 und eine Ventileinheit 101a in den Kreislauf 100a eingespeist werden. Der Sammelbehälter 101 kann dabei alternativ auch in den Kreislauf 100a eingebunden sein. The waste heat recovery system 100 has a circuit leading a working medium 100a on, in the flow direction of the working medium, a feed fluid pump 102 , an evaporator 103 . an expansion machine 104 and a capacitor 105 includes. The working medium can, if required, via a spur line from a sump 101 and a valve unit 101 in the cycle 100a be fed. The collection container 101 can alternatively also into the cycle 100a to be involved.

Der Verdampfer 103 ist an die Abgasleitung 111 der Brennkraftmaschine 110 angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 110. Erfindungsgemäß ist ein Vorheizelement 10 vor dem Verdampfer 103 in dem Kreislauf 100a angeordnet. Das Vorheizelement 10 erhitzt das flüssige Arbeitsmedium vor dem Verdampfer 103 und ist besonders vorteilhaft, wenn der Kondensator 105 sehr wirkungsvoll ist und wenn ein Arbeitsmedium mit vergleichsweise geringem Siedepunkt verwendet wird, das heißt, wenn der Kondensator 105 das Arbeitsmedium auf ein sehr niedriges Temperaturniveau abkühlt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn Kältemittel als Arbeitsmedium verwendet wird. Weiterhin ist dafür vorteilhaft, wenn der Kondensator 105 in einem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 110 angeordnet ist oder an diesen gekoppelt ist und demzufolge von vergleichsweise kühlem und vergleichsweise viel Kühlmedium durchströmt wird.The evaporator 103 is to the exhaust pipe 111 the internal combustion engine 110 connected, so uses the heat energy of the exhaust gas of the internal combustion engine 110 , According to the invention, a preheating element 10 in front of the evaporator 103 in the cycle 100a arranged. The preheating element 10 heats the liquid working fluid in front of the evaporator 103 and is particularly advantageous when the capacitor 105 is very effective and when a working medium with a relatively low boiling point is used, that is, when the condenser 105 the working fluid cools to a very low temperature level. This is the case, for example, when refrigerant is used as the working medium. Furthermore, it is advantageous if the capacitor 105 in a cooling circuit of the internal combustion engine 110 is arranged or coupled to these and is therefore flowed through by relatively cool and comparatively much cooling medium.

In der Ausführung der 1 ist das Vorheizelement 10 als Wärmetauscher in einem Ölkreislauf 20 der Brennkraftmaschine 110 angeordnet. Das Vorheizelement 10 fungiert somit als Heizelement für den Kreislauf 100a und als Kühlelement für den Ölkreislauf 20 zur Kühlung des Motoröls. Üblicherweise ist in dem Ölkreislauf 20 noch eine nicht dargestellte Ölpumpe angeordnet, um das Motoröl durch die Brennkraftmaschine 110 und das Vorheizelement 10 pumpen zu können.In the execution of 1 is the preheating element 10 as a heat exchanger in an oil circuit 20 the internal combustion engine 110 arranged. The preheating element 10 thus acts as a heating element for the circuit 100a and as a cooling element for the oil circuit 20 for cooling the engine oil. Usually in the oil circuit 20 arranged an oil pump, not shown, to the engine oil by the internal combustion engine 110 and the preheating element 10 to be able to pump.

Die Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems 100 ist wie folgt:
Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe 102, gegebenenfalls aus dem Sammelbehälter 101, unter Druck in das Vorheizelement 10 gefördert und dort erhitzt, gegebenenfalls schon teilweise verdampft. Anschließend wird das Arbeitsmedium dem Verdampfer 103 zugeführt und dort durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 110 verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine 104 unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 105 wieder verflüssigt und in den Sammelbehälter 101 zurückgeführt bzw. der Speisefluidpumpe 102 zugeführt. The operation of the waste heat recovery system 100 is as follows:
Liquid working fluid is passed through the feed fluid pump 102 , if necessary, from the collection container 101 , under pressure in the preheating element 10 promoted and heated there, possibly already partially evaporated. Subsequently, the working medium is the evaporator 103 supplied and there by the heat energy of the exhaust gas of the internal combustion engine 110 evaporated. The evaporated working medium is then in the expansion machine 104 under release of mechanical energy, for example, to a generator, not shown, or to a non-illustrated transmission relaxed. Subsequently, the working medium in the condenser 105 liquefied again and in the collection container 101 returned or the feed fluid pump 102 fed.

Die 2 zeigt ein weiteres Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer Brennkraftmaschine 110. Im Unterschied zur Ausführung der 1 ist in der Ausführung der 2 das Vorheizelement 10 nicht direkt in dem Ölkreislauf 20 angeordnet, sondern mittels eines Koppelkreislaufs 25 an diesen thermisch gekoppelt. Dazu ist ein Wärmetauscher 26 zwischen dem Koppelkreislauf 25 und dem Ölkreislauf 20 angeordnet. In dem Koppelkreislauf 25 zirkuliert eine Wärmetauscherflüssigkeit, die mittels einer Förderpumpe 27 im Kreis zwischen Vorheizelement 10 und Wärmetauscher 26 gepumpt wird. Die Wärmetauscherflüssigkeit wird im Betrieb durch den Wärmetauscher 26 aufgeheizt und durch das Vorheizelement 10 abgekühlt. Dadurch wird das Arbeitsmedium im Kreislauf 100a beim Durchströmen des Vorheizelements 10 aufgeheizt und das Motoröl des Ölkreislaufs 20 beim Durchströmen des Wärmetauschers 26 abgekühlt.The 2 shows another waste heat recovery system 100 an internal combustion engine 110 , Unlike the execution of the 1 is in the execution of 2 the preheating element 10 not directly in the oil circuit 20 arranged, but by means of a coupling circuit 25 thermally coupled to these. This is a heat exchanger 26 between the coupling circuit 25 and the oil circuit 20 arranged. In the coupling cycle 25 circulates a heat exchange liquid by means of a feed pump 27 in a circle between preheating element 10 and heat exchangers 26 is pumped. The heat exchange fluid is in operation by the heat exchanger 26 heated and through the preheating 10 cooled. As a result, the working fluid is in circulation 100a when flowing through the preheating element 10 heated and the engine oil of the oil circuit 20 when flowing through the heat exchanger 26 cooled.

3 zeigt schematisch die Ausführung des Vorheizelements 10 als Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher, wie es in den Ausführungen der 1 und 2 eingesetzt werden kann. Dabei wird das heißere Arbeitsmedium vorzugsweise in einem Innenrohr geführt und das kühlere Motoröl bzw. die kühlere Wärmetauscherflüssigkeit in einem um das Innenrohr konzentrisch angeordneten Außenrohr. Dabei können die Strömungsrichtungen des Arbeitsmediums in dem Kreislauf 100a und des Motoröls in dem Ölkreislauf 20 bzw. der Wärmetauscherflüssigkeit in dem Koppelkreislauf 25 gegenorientiert sein, wie in 3 skizziert, oder aber auch gleichorientiert. 3 schematically shows the execution of the preheating element 10 as a tube-in-tube heat exchanger, as in the embodiments of 1 and 2 can be used. In this case, the hotter working medium is preferably guided in an inner tube and the cooler engine oil or the cooler heat exchanger fluid in a concentrically arranged around the inner tube outer tube. In this case, the flow directions of the working medium in the circulation 100a and the engine oil in the oil circuit 20 or the heat exchanger fluid in the coupling circuit 25 be counter-oriented, as in 3 sketched, or equally oriented.

In Weiterbildungen der Erfindung können auch der Wärmetauscher 26 und/oder der Kondensator 105 als Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher ausgeführt sein.In developments of the invention, the heat exchanger can also 26 and / or the capacitor 105 be designed as a tube-in-tube heat exchanger.

Die 4 zeigt ein weiteres Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer Brennkraftmaschine 110. In dieser Ausführung ist das Vorheizelement 10 in der Brennkraftmaschine 110 integriert, indem das Arbeitsmedium des Kreislaufs 100a durch einen Motorblock der Brennkraftmaschine geleitet wird. Dadurch wird der Motorblock abgekühlt und das flüssige Arbeitsmedium noch vor dem Verdampfer 103 aufgeheizt. Vorzugsweise weist das Vorheizelement 10 dazu wendelförmige Strömungskanäle bzw. Fluidleitungen innerhalb des Motorblocks auf.The 4 shows another waste heat recovery system 100 an internal combustion engine 110 , In this embodiment, the preheating element 10 in the internal combustion engine 110 integrated by the working medium of the circulation 100a is passed through an engine block of the internal combustion engine. As a result, the engine block is cooled and the liquid working fluid before the evaporator 103 heated. Preferably, the preheating element 10 to spiral-shaped flow channels or fluid lines within the engine block on.

Die 5 zeigt ein weiteres Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer Brennkraftmaschine 110. Das Abwärmerückgewinnungssystem 100 weist in dieser Ausführung einen Kondensatorkreislauf 30 und einen Kühlkreislauf 35 auf.The 5 shows another waste heat recovery system 100 an internal combustion engine 110 , The waste heat recovery system 100 has a condenser circuit in this embodiment 30 and a cooling circuit 35 on.

In dem Kondensatorkreislauf 30 zirkuliert eine Kondensatorflüssigkeit, üblicherweise angetrieben durch eine nicht dargestellte Pumpe. Die Kondensatorflüssigkeit strömt in dem Kondensatorkreislauf 30 von dem Kondensator 105 zu dem Vorheizelement 10, weiter zu einem Rekuperator 40 und wieder in den Kondensator 105. Die Kondensatorflüssigkeit wird dabei in dem Kondensator 105 erhitzt und in dem Vorheizelement 10 und in dem Rekuperator 40 abgekühlt.In the condenser circuit 30 circulates a condenser liquid, usually driven by a pump, not shown. The condenser liquid flows in the condenser circuit 30 from the condenser 105 to that preheating 10 , continue to a recuperator 40 and back into the condenser 105 , The capacitor liquid is in the condenser 105 heated and in the preheating 10 and in the recuperator 40 cooled.

Der Rekuperator 40 ist weiterhin in einem Kühlkreislauf 35 angeordnet. In dem Kühlkreislauf 35 zirkuliert Kühlmedium durch eine Kühlpumpe 36 zu dem Rekuperator 40 und weiter zu einem Kühler 38 und zurück zur Kühlpumpe 36. Ein Lüfterrad 37 kühlt das Kühlmedium in dem Kühler 38. Vorzugsweise wird dabei das Lüfterrad 37 verwendet, welches auch die Brennkraftmaschine 110 kühlt. Das Kühlmedium wird also in dem Rekuperator 40 erhitzt und in dem Kühler 38 abgekühlt.The recuperator 40 is still in a cooling circuit 35 arranged. In the cooling circuit 35 circulates cooling medium through a cooling pump 36 to the recuperator 40 and on to a cooler 38 and back to the cooling pump 36 , A fan 37 cools the cooling medium in the radiator 38 , Preferably, the fan is doing 37 which also uses the internal combustion engine 110 cools. The cooling medium is thus in the recuperator 40 heated and in the cooler 38 cooled.

In vorteilhaften Ausführungen sind das Vorheizelement 10 und der Rekuperator 40 in einer Rekuperatoreinheit 50 angeordnet. Dies kann beispielsweise auch so ausgeführt werden, dass dazu zwei Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher als Rekuperatoreinheit 50 verwendet werden.In advantageous embodiments, the preheating element 10 and the recuperator 40 in a recuperator unit 50 arranged. This can also be carried out, for example, in such a way that there are two tube-in-tube heat exchangers as a recuperator unit 50 be used.

Die 6 zeigt eine Weiterentwicklung des Abwärmerückgewinnungssystems 100 der Ausführung der 5. Das Abwärmerückgewinnungssystem 100 der Ausführung der 6 weist keinen Kondensatorkreislauf 30 auf, sondern der Kondensator 105 ist thermisch sowohl an das Vorheizelement 10 als auch an den Rekuperator 40 gekoppelt. Die Abkühlung des den Kondensator 105 durchströmenden Arbeitsmediums erfolgt also zweigeteilt. The 6 shows a further development of the waste heat recovery system 100 the execution of 5 , The waste heat recovery system 100 the execution of 6 does not have a capacitor circuit 30 on, but the capacitor 105 is thermal both to the preheating element 10 as well as to the recuperator 40 coupled. The cooling of the condenser 105 flowing working medium thus takes place in two parts.

Dazu ist in dem Kreislauf 100a zwischen der Expansionsmaschine 104 und der Speisefluidpumpe 102 eine Kondensator-Rekuperator-Einheit 60 angeordnet. Die Kondensator-Rekuperator-Einheit 60 umfasst den Kondensator 105, den Rekuperator 40 und das Vorheizelement 10. Im Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems 100 strömt heißes gasförmiges Arbeitsmedium von der Expansionsmaschine 104 in die Kondensator-Rekuperator-Einheit 60, wo zunächst ein Wärmeaustausch zwischen dem Kondensator 105 und dem Vorheizelement 10 stattfindet, beispielsweise über einen oben beschriebenen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher. Anschließend durchströmt das Arbeitsmedium – entweder noch gasförmig, oder schon als Nassdampf – den weiteren Teil des Kondensators 105, in welchem ein Wärmetausch mit dem Rekuperator 40 stattfindet, und wird dort weiter abgekühlt und verflüssigt und danach im flüssigen Zustand wieder der Speisefluidpumpe 102 zugeführt. Von der Speisefluidpumpe 102 wird das Arbeitsmedium wieder der Kondensator-Rekuperator-Einheit 60 zugeführt und dort in dem Vorheizelement 10 erhitzt, nämlich durch Wärmeaufnahme über die thermische Kopplung an den Kondensator 105. Anschließend wird das Arbeitsmedium in dem Verdampfer 103 vollständig verdampft und so der Expansionsmaschine 104 zugeführt.This is in the cycle 100a between the expansion machine 104 and the feed fluid pump 102 a capacitor recuperator unit 60 arranged. The condenser recuperator unit 60 includes the capacitor 105 , the recuperator 40 and the preheating element 10 , In the operation of the waste heat recovery system 100 Hot gaseous working fluid flows from the expansion machine 104 into the condenser recuperator unit 60 where first a heat exchange between the condenser 105 and the preheating element 10 takes place, for example via a tube-in-tube heat exchanger described above. Subsequently, the working medium flows through - either still gaseous, or even as wet steam - the other part of the capacitor 105 , in which a heat exchange with the recuperator 40 takes place, and is there further cooled and liquefied and then in the liquid state again the feed fluid pump 102 fed. From the feed fluid pump 102 the working medium again the condenser-recuperator unit 60 fed and there in the preheating 10 heated, namely by heat absorption via the thermal coupling to the capacitor 105 , Subsequently, the working medium in the evaporator 103 completely evaporated and so the expansion machine 104 fed.

Analog zu der Ausführung der 5 ist auch in der Ausführung der 6 der Rekuperator 40 weiterhin in dem Kühlkreislauf 35 angeordnet. In dem Kühlkreislauf 35 zirkuliert das Kühlmedium durch die Kühlpumpe 36 zu dem Rekuperator 40 und weiter zu dem Kühler 38 und zurück zur Kühlpumpe 36. Das Lüfterrad 37 kühlt das Kühlmedium in dem Kühler 38. Das Kühlmedium wird also in dem Rekuperator 40 erhitzt und in dem Kühler 38 abgekühlt.Analogous to the execution of 5 is also in the execution of 6 the recuperator 40 continue in the cooling circuit 35 arranged. In the cooling circuit 35 circulates the cooling medium through the cooling pump 36 to the recuperator 40 and on to the radiator 38 and back to the cooling pump 36 , The fan wheel 37 cools the cooling medium in the radiator 38 , The cooling medium is thus in the recuperator 40 heated and in the cooler 38 cooled.

In der Ausführung der 6 ist die Expansionsmaschine 104 mechanisch mit einer Welle der Brennkraftmaschine 110 verbunden. Generell kann für alle Ausführungsbeispiele die Expansionsmaschine 104 jedoch auch mit einem Generator oder einem bzw. mehreren beliebigen Abnehmern verbunden sein.In the execution of 6 is the expansion machine 104 mechanically with a shaft of the internal combustion engine 110 connected. In general, for all embodiments, the expansion machine 104 but also be connected to a generator or one or more arbitrary customers.

Vorzugsweise dient der Kühlkreislauf 35 auch der Kühlung der Brennkraftmaschine 110 und/oder der Kühlung des Ölkreislaufs der Brennkraftmaschine 110. Dazu können die Fluidleitungen des Kühlkreislaufs 35 beispielsweise durch die Brennkraftmaschine 110 geführt werden. Alternativ können auch weitere Wärmetauscher eingesetzt werden. Auch zur Kühlung des Motoröls mittels des Kühlkreislaufs 35 wird vorzugsweise ein Wärmetauscher zwischen Kühlkreislauf 35 und Ölkreislauf eingesetzt. Preferably, the cooling circuit is used 35 also the cooling of the internal combustion engine 110 and / or the cooling of the oil circuit of the internal combustion engine 110 , These can be the fluid lines of the cooling circuit 35 for example, by the internal combustion engine 110 be guided. Alternatively, other heat exchangers can be used. Also for cooling the engine oil by means of the cooling circuit 35 is preferably a heat exchanger between the cooling circuit 35 and oil circuit used.

7 zeigt schematisch eine Kondensator-Rekuperator-Einheit 60, wie sie beispielsweise in einem Abwärmerückgewinnungssystem 100 der 6 eingesetzt werden kann, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Kondensator-Rekuperator-Einheit 60 weist ein Gehäuse 60a auf, welches in vorliegender Ausführung aus einem ersten Gehäuseteil 61 und einem zweiten Gehäuseteil 62 besteht. In dem ersten Gehäuseteil 61 sind funktional der Kondensator 105 und das Vorheizelement 10 angeordnet, und in dem zweiten Gehäuseteil 62 sind funktional ebenfalls der Kondensator 105 und der Rekuperator 40 angeordnet. 7 schematically shows a condenser-recuperator unit 60 such as in a waste heat recovery system 100 of the 6 can be used, with only the essential areas are shown. The condenser recuperator unit 60 has a housing 60a on, which in the present embodiment of a first housing part 61 and a second housing part 62 consists. In the first housing part 61 are functionally the capacitor 105 and the preheating element 10 arranged, and in the second housing part 62 are functionally also the capacitor 105 and the recuperator 40 arranged.

Das erste Gehäuseteil 61 weist einen Pumpenanschluss 63, einen Verdampferanschluss 64 und einen Kondensatoranschluss 65 auf. Das zweite Gehäuseteil 62 weist eine Kühlzuleitung 68, eine Kühlableitung 69 und einen Pumpenausgang 67 auf. Zwischen dem ersten Gehäuseteil 61 und dem zweiten Gehäuseteil 62 ist ein Verbindungskanal 66 ausgebildet.The first housing part 61 has a pump connection 63 , an evaporator connection 64 and a capacitor connection 65 on. The second housing part 62 has a cooling supply line 68 , a cooling drain 69 and a pump outlet 67 on. Between the first housing part 61 and the second housing part 62 is a connection channel 66 educated.

Im Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems 100 strömt flüssiges Arbeitsmedium durch den Pumpenanschluss 63 in das Vorheizelement 10, wird dort erhitzt und strömt durch den Verdampferanschluss 64 zu dem Verdampfer 103 und weiter zu der Expansionsmaschine 104. Das gasförmige Arbeitsmedium gelangt von der Expansionsmaschine 104 durch den Kondensatoranschluss 65 in den Kondensator 105 und wird dort durch das Vorheizelement 10 abgekühlt. In the operation of the waste heat recovery system 100 Liquid working fluid flows through the pump connection 63 in the preheating element 10 , is heated there and flows through the evaporator port 64 to the evaporator 103 and on to the expander 104 , The gaseous working medium passes from the expansion machine 104 through the capacitor connection 65 in the condenser 105 and gets there through the preheater 10 cooled.

Anschließend strömt das Arbeitsmedium weiter durch den Verbindungskanal 66 in das zweite Gehäuseteil 62 und wird dort weiter abgekühlt, nämlich durch Wärmeaustausch mit dem Kühlkreislauf 35. In diesem Bereich des Kondensators 105 wird das Arbeitsmedium verflüssigt und strömt anschließend durch den Pumpenausgang 67 zur Speisefluidpumpe 102 und wird von dort wieder unter Druck zum Pumpenanschluss 63 gefördert.Subsequently, the working fluid continues to flow through the connecting channel 66 in the second housing part 62 and is further cooled there, namely by heat exchange with the cooling circuit 35 , In this area of the capacitor 105 The working fluid is liquefied and then flows through the pump outlet 67 to the feed fluid pump 102 and from there it is pressurized again to the pump connection 63 promoted.

Die Fluidleitungen innerhalb des Gehäuses 60a sind nur skizzenhaft dargestellt. Vorzugsweise liegen die Leitungen wendelförmig übereinander, oder es werden Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher verwendet, um einmal den Kondensator 105 mit dem Vorheizelement 10 thermisch zu koppeln und ein zweites Mal den Kondensator 105 mit dem Rekuperator 40 thermisch zu koppeln.The fluid lines inside the housing 60a are only sketchy. Preferably, the conduits are helically superimposed, or tube-in-tube heat exchangers are used to once the capacitor 105 with the preheating element 10 thermally couple and a second time the capacitor 105 with the recuperator 40 thermally couple.

In vorteilhaften Ausführungen ist das erste Gehäuseteil 61 aus Aluminium oder Edelstahl ausgeführt und das zweite Gehäuseteil 62 aus Aluminium. Bestehen beide Gehäuseteile 61, 62 aus demselben Material, so kann das Gehäuse 60a auch einstückig ausgeführt sein.In advantageous embodiments, the first housing part 61 made of aluminum or stainless steel and the second housing part 62 made of aluminium. Pass both housing parts 61 . 62 made of the same material, so can the case 60a also be made in one piece.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (13)

Abwärmerückgewinnungssystem (100) für eine Brennkraftmaschine (110), wobei das Abwärmerückgewinnungssystem (100) einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a) aufweist, wobei der Kreislauf (100a) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe (102), einen Verdampfer (103), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kreislauf (100a) zwischen der Speisefluidpumpe (102) und dem Verdampfer (103) ein Vorheizelement (10) angeordnet ist. Waste heat recovery system ( 100 ) for an internal combustion engine ( 110 ), the waste heat recovery system ( 100 ) a circuit leading a working medium ( 100a ), wherein the circuit ( 100a ) in the flow direction of the working medium, a feed fluid pump ( 102 ), an evaporator ( 103 ), an expansion machine ( 104 ) and a capacitor ( 105 ), characterized in that in the circuit ( 100a ) between the feed fluid pump ( 102 ) and the evaporator ( 103 ) a preheating element ( 10 ) is arranged. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizelement (10) an einen ein Motoröl führenden Ölkreislauf (20) der Brennkraftmaschine (100) gekoppelt ist. Waste heat recovery system ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the preheating element ( 10 ) to an oil circuit carrying an engine oil ( 20 ) of the internal combustion engine ( 100 ) is coupled. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine (110) das Motoröl durch das Vorheizelement (10) strömt.Waste heat recovery system ( 100 ) according to claim 2, characterized in that during operation of the internal combustion engine ( 110 ) the engine oil through the preheating element ( 10 ) flows. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizelement (10) mittels eines Koppelkreislaufs (25) an den Ölkreislauf (20) gekoppelt ist. Waste heat recovery system ( 100 ) according to claim 2, characterized in that the preheating element ( 10 ) by means of a coupling cycle ( 25 ) to the oil circuit ( 20 ) is coupled. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizelement (10) als Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher ausgeführt ist.Waste heat recovery system ( 100 ) according to one of claims 2 to 4, characterized in that the preheating element ( 10 ) is designed as a tube-in-tube heat exchanger. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizelement (10) in der Brennkraftmaschine (110) integriert ist. Waste heat recovery system ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the preheating element ( 10 ) in the internal combustion engine ( 110 ) is integrated. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium die Brennkraftmaschine (110) durchströmt.Waste heat recovery system ( 100 ) according to claim 6, characterized in that the working medium, the internal combustion engine ( 110 ) flows through. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizelement (10) und der Kondensator (105) weiterhin in einem Kondensatorkreislauf (30) angeordnet sind. Waste heat recovery system ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the preheating element ( 10 ) and the capacitor ( 105 ) in a condenser circuit ( 30 ) are arranged. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizelement (10), der Kondensator (105) und ein Rekuperator (40) in dem Kreislauf (100a) angeordnet sind und eine Kondensator-Rekuperator-Einheit (60) ausbilden, wobei das Vorheizelement (10) und der Kondensator (105) einen Wärmetauscher bilden und wobei der Rekuperator (40) und der Kondensator (105) einen weiteren Wärmetauscher bilden und wobei der Rekuperator (40) in einem Kühlkreislauf (35) angeordnet ist.Waste heat recovery system ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the preheating element ( 10 ), the capacitor ( 105 ) and a recuperator ( 40 ) in the circuit ( 100a ) and a capacitor recuperator unit ( 60 ), wherein the preheating element ( 10 ) and the capacitor ( 105 ) form a heat exchanger and wherein the recuperator ( 40 ) and the capacitor ( 105 ) form a further heat exchanger and wherein the recuperator ( 40 ) in a cooling circuit ( 35 ) is arranged. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (105) und das Vorheizelement (10) einen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher ausbilden.Waste heat recovery system ( 100 ) according to claim 9, characterized in that the capacitor ( 105 ) and the preheating element ( 10 ) form a tube-in-tube heat exchanger. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (105) und der Rekuperator (40) einen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher ausbilden.Waste heat recovery system ( 100 ) according to claim 9 or 10, characterized in that the capacitor ( 105 ) and the recuperator ( 40 ) form a tube-in-tube heat exchanger. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensator-Rekuperator-Einheit (60) in einem Gehäuse (60a) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (60a) ein erstes Gehäuseteil (61) und ein zweites Gehäuseteil (62) umfasst, wobei ein Teil des Kondensators (105) und das Vorheizelement (10) in dem ersten Gehäuseteil (61) angeordnet sind und wobei ein weiterer Teil des Kondensators (105) und der Rekuperator (40) in dem zweiten Gehäuseteil (62) angeordnet sind. Waste heat recovery system ( 100 ) according to claim 9, characterized in that the capacitor recuperator unit ( 60 ) in a housing ( 60a ), wherein the housing ( 60a ) a first housing part ( 61 ) and a second housing part ( 62 ), wherein a part of the capacitor ( 105 ) and the preheating element ( 10 ) in the first housing part ( 61 ) and wherein another part of the capacitor ( 105 ) and the recuperator ( 40 ) in the second housing part ( 62 ) are arranged. Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium ein Kältemittel ist.Waste heat recovery system ( 100 ) according to one of claims 1 to 12, characterized in that the working medium is a refrigerant.
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