DE10244677B4

DE10244677B4 - Kondensator für Arbeitsmaschinen

Info

Publication number: DE10244677B4
Application number: DE10244677A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoetger
Original assignee: Amovis GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: DE10244677A1

Abstract

Arbeitsmaschine (10) mit externer Verbrennung enthaltend
(a) eine Speisewasserpumpe;
(b) einen Wärmeübertrager (12), durch welchen das Arbeitsmittel zur Aufnahme von Wärme leitbar ist,
(c) eine Expansionsmaschine (14) zur Expansion eines Arbeitsmittels von einem ersten Druckniveau auf ein niedrigeres zweites Druckniveau unter Arbeitsleistung, und
(d) eine Kondensatoranordnung (18) zur Kondensation des expandierten Arbeitsmittels,
dadurch gekennzeichnet, dass
(e) eine regelbare Pumpeinrichtung (24) hinter der Kondensatoranordnung (18) vorgesehen ist, mit welcher das niedrigere zweite Druckniveau einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine mit externer Verbrennung enthaltend

(a) einen Wärmeübertrager, durch welchen ein Arbeitsmittel zur Aufnahme von Wärme leitbar ist,
(b) eine Expansionsmaschine zur Expansion eines Arbeitsmittels von einem ersten Druckniveau auf ein niedrigeres zweites Druckniveau unter Arbeitsleistung, und
(c) eine Kondensatoranordnung zur Verflüssigung des expandierten Arbeitsmittels.

Solche Arbeitsmaschinen wandeln Wärme in mechanische Energie um und können daraus über einen Generator Strom erzeugen. Üblicherweise wird hierfür über eine exotherme Verbrennung in einem Brenner heißes Gas erzeugt, welches einem Wärmeübertrager zugeleitet wird. Ein Arbeitsmittel, beispielsweise Wasser oder Wasserdampf, wird durch einen oder mehrere Kanäle des Wärmeübertragers geleitet, der von einem Heißgasstrom umströmt ist. Beim Umströmen der fluiddurchstömten Kanäle wird Wärme auf das Arbeitsfluid übertragen. Das Fluid steht dann unter einem hohen Druck und hat eine hohe Temperatur. Das heiße, komprimierte Fluid wird einer Expansionsmaschine, zum Beispiel einer Rotationskolbenmaschine zugeführt und dort expandiert. Dabei treibt der Rotationskolben eine Welle an, welche einen Stromgenerator antreibt. Das expandierte Fluid wird in einem Kondensator gekühlt und dem Fluidkreislauf über eine Pumpe erneut zugeführt.
Die Leistung einer solchen beschriebenen Expansionsmaschine kann durch eine Änderung der dem Fluid-Massenstrom zugeführten Wärme zum Beispiel über eine Änderung der Brennerleistung oder über eine Änderung des Massenstroms durch Änderung der Pumpleistung der Speisewasserpumpe erfolgen.
Bei den bekannten Arbeitsmaschinen kann der Druck des Arbeitsmediums im Expansionsvolumen zu dem Zeitpunkt, wenn das Expansionsvolumen mit dem Auslass verbunden ist unterschiedlich sein. Der Druck kann kleiner sein, als der Druck im Kondensator. Dann muss zunächst ein Druckausgleich erfolgen, bevor das expandierte Arbeitsmittel das expandierte Volumen in Richtung des Kondensators verlässt. Der Wirkungsgrad ist in diesem Fall geringer als theoretisch möglich. Der Druck nach der Expansion kann aber auch größer sein als der Druck im Kondensator. Dann wird das Arbeitsmittel ohne weitere Arbeitsleistung in den Kondensator expandiert. Dies führt zu einer Druckwelle und erhöhten Belastung der Bauteile und Dichtungen.
In DE 197 30 353 A1 ist eine Dampfkraftmaschinenanlage offenbart, bei der das Arbeitsfluid nur teilweise kondensiert. Der kondensierte Anteil wird abgeschieden und der Restanteil wieder verdichtet, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöhen soll. Bei der dortigen Pumpe handelt es sich um eine Speisewasserpumpe zur Einstellung des höheren Druckniveaus. Eine Anordnung, bei der eine zusätzliche Pumpe vorgesehen ist, ist nicht offenbart. Die Druckschrift gibt auch keinen Hinweis, eine solche zusätzliche, regelbare Pumpe einzubauen, mit der das untere Druckniveau eingestellt wird. Vielmehr ist bei diesem Stand der Technik davon auszugehen, daß das untere Druckniveau Atmosphärendruck ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Arbeitsmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine regelbare Pumpeinrichtung hinter der Kondensatoranordnung vorgesehen ist, mit welcher das niedrigere zweite Druckniveau einstellbar ist. Durch eine solche Pumpeinrichtung wird das Kondensat abgesaugt und der Kondensatordruck auf das Druckniveau des Expansionsvolumens angepasst. Dadurch wird die Druckdifferenz zwischen Auslaß der Expansionsmaschine und Kondensator minimiert, was einerseits zu einer geringeren Belastung der Bauteile und andererseits zu einer Vergrösserung des Wirkungsgrades führt.
Die Absaugung des Kondensats aus dem Kondensator hält die Kühlflächen frei von Flüssigkeit. Damit erhöht sich der effektive Anteil an aktiver Kühlfläche, was eine effiziente Kühlung ermöglicht. Das bedeutet, dass damit die Kühlfläche insgesamt klein gehalten werden kann. Dadurch lässt sich ein geringes Bauvolumen verwirklichen
Die Pumpleistung der Absaugpumpe kann über die Regelung der Drehzahl oder über eine Drosselklappe eingestellt werden. Sie ist dann besonders schnell einstellbar. Die Leistung des Kondensators und damit das Druckniveau der Kondensation kann weiterhin zusätzlich über eine Regelung der Kondensationstemperatur erfolgen. Dies kann durch eine Variierung der Temperatur des Kühlmittels geschehen. Diese ist aber ähnlich wie die Regelung der Brennertemperatur träge.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
1 ist eine schematische Darstellung eines Kreislaufs, bei welchem ein Arbeitsmittel durch eine Expansionsmaschine auf ein niedrigeres Druckniveau expandiert wird, welches einem daran angepassten Druck im Kondensator entspricht.
In 1 ist mit 10 allgemein eine Arbeitsmaschine bezeichnet. Die Arbeitsmaschine umfasst eine Brenner-Dampferzeuger-Einheit 12. Dem Brenner wird ein Brennstoff-Luftgemisch zugeführt, welches in einer exothermen Reaktion verbrennt. Das entstehende heiße Rauchgas umspült die Kanäle eines Wärmeübertragers, durch welche Wasser fließt. Das Wasser nimmt die Wärme aus dem Rauchgas auf und steht in Form von überhitztem Dampf zur Expansion zur Verfügung. Die Expansion des Wasserdampfes erfolgt in einer Rotationskolben-Expansionsmaschine. Diese treibt eine Welle an, an welche ein Generator 16 zur Stromerzeugung angeschlossen ist.
Der auf ein niedrigeres Druckniveau expandierte, überhitzte Dampf wird einem Kondensator 18 zugeleitet. Der Kondensator 18 besteht aus einem Rohrbündel, welches mit Kühlflüssigkeit durchflossen ist. Es ist aber auch möglich einen Plattenkondensator oder dergleichen zu verwenden. In dem Kondensator durchläuft das Arbeitsmedium Wasser im wesentlichen drei Prozessphasen: zunächst wird der überhitzte Dampf von einer Temperatur oberhalb des Siedepunkts auf die Temperatur des Siedepunkts heruntergekühlt. Danach erfolgt der Phasenübergang, bei welchem der gesättigte Nassdampf isotherm unter Aufwendung eines erheblichen Anteils der Gesamt-Kühlleistung zu Wasser kondensiert wird. Das kondensierte Wasser wird dann weiter auf eine Temperatur unterhalb des Siedepunktes abgekühlt und einem Reservoir 20 zugeführt. Von dort aus steht es als frisches Arbeitsmedium wieder zur Verfügung und kann mittels einer Speisewasserpumpe 22 erneut zum Dampferzeuger 12 gepumpt werden.
Zwischen dem Kondensator 18 und dem Reservoir 20 ist eine regelbare Pumpe 24 angeordnet. Mit der Pumpe wird das an den Rohren des Rohrbündels kondensierte Wasser in Richtung des Reservoirs abgesaugt. Dadurch werden Kühlflächen für die Kondensation weiteren Dampfs frei. Über eine Drehzahlregelung der Pumpe 24 kann eine Einstellung des unteren Druckniveaus vorgenommen werden. Bei hoher Pumpendrehzahl wird viel Kondensat abgesaugt. Eine Erhöhung der Drehzahl bewirkt eine Druckverringerung am Auslass der Expansionsmaschine 14. Entsprechend wird von dem höheren Druckniveau am Einlass der Expansionsmaschine immer auf das Druckniveau im Kondensator expandiert. Mit anderen Worten, die Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass bleibt gleich, unabhängig von der abgefragten Leistung. Die Expansionsmaschine kann auf diese Weise im Zusammenspiel mit der Leistung der Speisewasserpumpe und des Brenners immer in einen Leistungsbereich mit hohem Wirkungsgrad gebracht werden.

Claims

Arbeitsmaschine (10) mit externer Verbrennung enthaltend (a) eine Speisewasserpumpe; (b) einen Wärmeübertrager (12), durch welchen das Arbeitsmittel zur Aufnahme von Wärme leitbar ist, (c) eine Expansionsmaschine (14) zur Expansion eines Arbeitsmittels von einem ersten Druckniveau auf ein niedrigeres zweites Druckniveau unter Arbeitsleistung, und (d) eine Kondensatoranordnung (18) zur Kondensation des expandierten Arbeitsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass (e) eine regelbare Pumpeinrichtung (24) hinter der Kondensatoranordnung (18) vorgesehen ist, mit welcher das niedrigere zweite Druckniveau einstellbar ist.
Arbeitsmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (14) als Rotationskolben-Expansionsmaschine ausgebildet ist.
Arbeitsmaschine (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Bestimmung der Druckdifferenz zwischen Expansionsvolumen und Kondensator vorgesehen sind.
Arbeitsmaschine (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpleistung der Pumpeinrichtung (24) über die Pumpendrehzahl regelbar ist.
Arbeitsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpleistung der Pumpeinrichtung (24) mittels einer Drosselklappe regelbar ist.