DE19839396A1

DE19839396A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Dampferzeugung aus der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE19839396A1
Application number: DE19839396A
Authority: DE
Inventors: Martin Vogel
Original assignee: INVENCON INNOVATIVE ENERGIECON
Current assignee: INVENCON INNOVATIVE ENERGIECON
Priority date: 1998-08-29
Filing date: 1998-08-29
Publication date: 2000-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Methode der Dampferzeugung bei maximaler Nutzung des Abwärmepotentials von Verbrennungskraftmaschinen in Motoren-Heizkraftwerken durch Ausnutzung des Energiegehaltes des Abgases bei zusätzlicher Nutzung des Energiegehaltes anderer Kühlkreisläufe, vorwiegend des Kühlwassers. DOLLAR A Das Verfahren und die Vorrichtung sind dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Abgase der Verbrennungskraftmaschine in einem Abhitzekessel zur Dampferzeugung genutzt werden und der erzeugte Dampf als Treibstrahl einer Dampfstrahlpumpe eingesetzt wird. Die Dampfstrahlpumpe saugt aus einem zweiten Verdampfer, einem Niederdruck-Verdampfer, Dampf ab, so daß im Ergebnis ein Mischdampf entsteht, dessen Temperatur über der Verdampfungstemperatur des Niederdruck-Verdampfers liegt. Der Niederdruckverdampfer wird vorwiegend mit Kühlwasser der Verbrennungskraftmaschine direkt oder indirekt beheizt. DOLLAR A Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen, die bei der Kühlung von Verbrennungskraftmaschinen anfallende Wärme mit einfachem apparativen Aufwand zur Dampferzeugung zu nutzen. DOLLAR A Anstelle der Dampfstrahlpumpe kann erfindungsgemäß ebenso ein Dampf-Turbolader eingesetzt werden, dem auch Zusatzenergie zugeführt werden kann, so daß die gesamte Abgas- und Kühlwasserwärme von Verbrennungskraftmaschinen zur Dampferzeugung genutzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Methode der Dampferzeugung aus der Abwärme von Verbren nungskraftmaschinen durch Ausnutzung des Energiegehaltes des Abgases und gleichzeiti ger und zusätzlicher Nutzung des Energiegehaltes anderer Kühlkreisläufe zur Dampferzeu gung.

In der modernen Energiewirtschaft werden Motoren-Heizkraftwerke betrieben, die eine gleichzeitige Erzeugung von Strom und Nutzwärme ermöglichen. Hierzu werden Verbren nungskraftmaschinen mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt. Die Nutzwärme wird aus den folgenden Quellen gewonnen: Kühlung der Verbrennungsabgase, Kühlung des Motors (Kühlwasser), Kühlung des Motorenöles und Kühlung der komprimierten Ladeluft bzw. des komprimierten Ladeluft-Brennstoff-Gemisches. Der häufigste Anwendungsfall für die Wärmenutzung ist die Erzeugung von Heizwarmwasser im Temperaturbereich bis zu 90°C. Die Erzeugung von technologischem Dampf oder auch Heizdampf beschränkt sich bisher auf die Nutzung der Energiegehalte der Verbrennungsabgase. Nur diese verfügen über ein entsprechend hohes Temperaturniveau, um in einem Abhitzekessel als Wärmetau scher Dampf zu erzeugen. Die bei Verbrennungskraftmaschinen abzuführenden Wärme mengen aus Kühlwasser, Öl und Ladeluft haben in der Regel ein Temperaturniveau, wel ches eine Dampferzeugung nicht ermöglicht. Damit ist der Einsatz von Motoren- Heizkraftwerken zur Erzeugung von Elektroenergie bei gleichzeitiger Dampferzeugung uneffektiv, da die gesamte auf niedrigem Temperaturniveau anfallende Wärmemenge (in der Regel unter 100°C) nicht zur Dampferzeugung genutzt werden kann.

Ziel der Erfindung ist es, vom Abwärmepotential, welches bei Motoren-Heizkraftwerken zur Verfügung steht, einen möglichst hohen Anteil zur Dampferzeugung zu nutzen.

In einer Verbrennungskraftmaschine, die eine Arbeitsmaschine, z. B. einen Generator zur Stromerzeugung oder eine Pumpe antreibt, entsteht bei der Verbrennung heißes Abgas. Dieses Abgas wird in einem Abhitzekessel zur Dampferzeugung genutzt und dabei gleich zeitig abgekühlt. Den Abhitzekessel verlassen das abgekühlte Abgas und ein energetisch hochwertiger Dampfstrom, der als Treibdampf für eine Dampfstrahlpumpe dient.

Charakteristisch für Verbrennungskraftmaschinen ist, daß diese eine Kühlung erfordern, d. h. zur gleichen Zeit, während Abgas entsteht, muß Motorwärme durch Kühlwasser abgeführt werden.

Verfahrensgemäß wird gleichzeitig mit der Abgaswärmenutzung im Abhitzekessel die Kühl wasserwärme zur Niedertemperaturverdampfung genutzt. Dazu wird das Kühlwasser der Verbrennungskraftmaschine mit einer Pumpe auf ein Druckniveau angehoben, welches ein Ausdampfen während der Durchströmung der Verbrennungskraftmaschine verhindert. Wäh rend der Durchströmung erwärmt sich das Kühlwasser um den Temperaturbetrag ΔT. Im Verdampfer, der einem Entspannungsgefäß gleicht, erfolgt die Druckreduzierung des Kühl wassers an der Entspannungsdrossel. Während der Entspannung entsteht Wasserdampf bei gleichzeitiger Abkühlung des Rest-Kühlwassers um den Betrag ΔT. Im Verdampfer erfolgt die Phasentrennung in Heißwasser und Sattdampf.

Das Verfahren der Dampferzeugung aus Kühlwasser beruht darauf, daß der energetisch hochwertige Treibdampfstrahl aus dem Niederdruck-Verdampfer Brüdendampf absaugt, wodurch ein Unterdruck im Verdampfer entsteht, der bewirkt, daß die Siedetemperatur der zu verdampfenden Flüssigkeit, hier des Kühlwassers, herabgesetzt wird und damit die Ver dampfung auf Kühlwasser-Temperaturniveau stattfinden kann. Im Ergebnis entsteht ein Mischdampf, dessen Temperatur über der Verdampfungstemperatur des Niederdruck- Verdampfers liegt.

Nach Patentanspruch 2 wird das Verfahren so modifiziert, daß die gesamte verfügbare Mo toren-Kühlwasser-Wärme zur Dampferzeugung genutzt wird. Um dies zu realisieren, wird die gesamte Kühlwasserwärme und ggf. weitere Wärme, wie z. B. aus der Kühlung der Ladeluft, zur Erzeugung von Niederdruckdampf genutzt. Entsprechend der Energiebilanz ist die zu sätzlich erzeugte Menge von Niederdruckdampf, die nicht durch die Dampfstrahlpumpe ver dichtet werden kann, mechanisch auf den Druck des Dampfgemisches zu verdichten.

Zur Verbesserung des Verfahrens kann in den erzeugten Mischdampf, sofern er überhitzt vorliegt, eine Kondensateindüsung vorgenommen werden, um Sattdampf zu erzeugen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Niederdruck-Verdampferbehälter, in dem das Kühlwasser der Verbrennungskraftmaschine mittels Entspannungsdrossel direkt verdampft wird. Zur Erzeugung des Unterdruckes im Niederdruckverdampfer wird die Dampfstrahlpumpe mit einem Zwischenflansch unmittelbar auf dem Verdampfer installiert. Vor Eintritt in die Dampfstrahlpumpe wird ein Tröpfchenabscheider installiert, der auch ein Hydrozyklon sein kann.

Der Tröpfchenabscheider ist so dimensioniert, daß Sattdampf oder auch Naßdampf abge saugt wird, dessen Wasseranteil nach Durchströmen der Dampfstrahlpumpe vollständig ver dampft, so daß als Dampfgemisch ein leicht überhitzter Dampf vorliegt.

Wahlweise kann im Unterschied zu vorgenannter Anordnung die Beheizung des Nieder druckverdampfers indirekt erfolgen, indem dem Kühlwasserwärmetauscher ein weiteres Kühlaggregat, beispielsweise ein Ladeluftkühler oder Gemischkühler zugeordnet sind.

Die Vorrichtung kann dahingehend abgewandelt werden, daß anstelle der Dampfstrahlpum pe ein Dampf-Turbolader den Unterdruck im Niederdruckverdampfer erzeugt.

Die Vorrichtung zur Realisierung des Patentanspruches 2 besteht aus einem zusätzlichen mechanischen Verdichter, der parallel zum Einsatz der Dampfstrahlpumpe bzw. parallel zum Dampf-Turbolader betrieben wird oder aus einen entsprechend dimensionierter Dampf- Turbolader, der so ausgelegt ist, daß dem Verdichter zusätzlich zur Turbinenleistung Hilfs energie zugeführt wird. Die Konstruktion des Dampf-Turboladers setzt eine entsprechende Dimensionierung des Turbinen- und Verdichterteiles voraus.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu zeigen

Fig. 1 die Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Verdichtung des Niederdruckdampfes mittels Dampfstrahlpumpe und bei einer di rekten Verdampfung des Motorenkühlwassers,

Fig. 2 die Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Verdichtung des Niederdruckdampfes mittels Dampfstrahlpumpe und indirekter Beheizung des Niederdruckverdampfers,

Fig. 3 die Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Verdichtung des Niederdruckdampfes mittels Dampfturboladers und bei einer di rekten Verdampfung des Motorenkühlwassers,

Fig. 4 die Vorrichtung zur Realisierung des Patentanspruches 2, bei welcher der Dampfturbolader mit einem entsprechend größer dimensionierten Verdichter aus gestattet ist und dem Turbolader Hilfsenergie zugeführt wird, um den gesamten erzeugten Niederdruckdampf zu verdichten.

Die heißen Abgase 3 einer Verbrennungskraftmaschine 1, an dessen Abtriebswelle ein Ge nerator zur Stromerzeugung 2 angeschlossen ist, werden mittels eines Abgaswärmetau schers 4 zur Erzeugung von Dampf 6 mit einer Temperatur von 179°C und einem Druck von 10 bar genutzt. Der Dampf wird als Treibstrahl einer Dampfstrahlpumpe 7 eingesetzt. Die Dampfstrahlpumpe ist im gewählten Beispiel so ausgelegt, daß diese auf der Saugseite ei nen unteratmosphärischen Druck von 0,85 bar abs. erreicht, was einer Verdampfungstem peratur von 95°C entspricht. Damit ist der Verdampfer auf der Saugseite ein Niedertempe raturverdampfer 10. Der im Beispiel entstehende Mischdampf 13 ist überhitzter Dampf mit einem Druck von 2,5 bar abs und einer Temperatur von 143°C.

Der Niederdruckverdampfer 10 wird im gewählten Beispiel mittels Kühlwasser 8 direkt be heizt. Dazu wird das Kühlwasser mit einer Pumpe 9 auf ein Druckniveau gebracht, welches ein Ausdampfen während der Durchströmung der Verbrennungskraftmaschine 1 verhindert. Während der Durchströmung erwärmt sich das Kühlwasser 8 um den Temperaturbetrag von ΔT = 4°C. Im Verdampfer 10, genauer an der Entspannungsdrossel 11, erfolgt die Druck reduzierung des Kühlwassers auf den durch die Dampfstrahlpumpe 7 erzeugten Druck von 0,85 bar. Während der Entspannung entsteht Wasserdampf 12 bei gleichzeitiger Abkühlung des Rest-Kühlwassers auf die Siedetemperatur von Wasser bei 0,85 bar, hier 95°C.

Mit der hier gezeigten einfachen Vorrichtung kann ca. 50% der Kühlwasserwärme zur Dampferzeugung genutzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren der Dampferzeugung ermöglicht somit überraschender weise eine Nutzung der Kühlwasserwärme von Motoren-Heizkraftwerken zur Dampferzeu gung mit einfachen technischen Mitteln, so daß die Dampfausbeute gegenüber bisher be kannten Verfahren deutlich erhöht wird.

Bezugszeichenliste

1

Verbrennungskraftmaschine

2

Generator

3

Abgasstrom heiß,

4

Abhitzekessel

5

abgekühltes Abgas

6

energetisch hochwertiger Dampf, Treibdampf

7

Dampfstrahlpumpe

8

Kühlwasser

9

Kühlwasserpumpe

10

Niederdruck-Verdampfer

11

Entspannungsdrossel

12

Niederdruck-Brüdendampf

13

Mischdampf

14

Kühlwasserwärmetauscher

15

Gemischkühler

16

Dampf-Turbolader

16

aVerdichter

16

bEntspannungsturbine

17

Kondensateinspritzung

18

Dampf-Turbolader mit Eintrag von Hilfsenergie

18

aVerdichter

18

bEntspannungsturbine

19

20

Speisewasserpumpe

Claims

1. Verfahren zur Dampferzeugung aus der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen unter Nutzung des Energiegehaltes der Verbrennungsgase dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Energiegehalt des Abgases (3) einer Verbren nungskraftmaschine (1) energetisch hochwertiger Dampf (6) mittels eines Abhitzekessels (4) erzeugt wird, dieser Dampf zur Erzeugung eines Unterdruckes in einem Niederdruck- Verdampfer (10) verwendet wird und gleichzeitig die Kühlwasserwärme und ggf. weitere Abwärmeströme der Verbrennungskraftmaschine zur direkten oder indirekten Beheizung des Niedertemperaturverdampfers verwendet werden, wobei der im Niederdruck- Verdampfer (10) entstehende Dampf (12) abgesaugt und verdichtet wird, so daß im Er gebnis ein Mischdampf (13) entsteht, dessen Temperatur und Druck über den Zuständen im Niederdruck-Verdampfer (10) liegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie des Kühlwasser-Wärmestromes voll ständig zur Dampferzeugung genutzt wird und hierzu weitere Mengen an Niederdruck dampf (12) mechanisch verdichtet werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck im Niederdruck-Verdampfer (10) durch eine Dampfstrahlpumpe (7) erzeugt wird, die unmittelbar auf dem Verdampfer angeordnet ist, wobei im Verdampfer ein geeigneter Tröpfchenabscheider installiert ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck in dem Niederdruckverdampfer (10) durch einen Dampf-Turbolader (16) erzeugt wird, über dessen Entspannungsturbine (16b) der mittels Abhitzekessel (4) erzeugte Dampf (6) geleitet wird und dessen Verdichter (16a) den Niederdruckdampf (12) komprimiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf-Turbolader (18) so ausgelegt ist, daß weiterer mit Niedertemperaturwärme erzeugter Dampf verdichtet wird und zu diesem Zweck der Verdichterteil (18a) größer dimensioniert ist als der entsprechende Turbinenteil (18b) und dem Turbolader Hilfsenergie in der entsprechend benötigten Menge zugeführt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsenergie ein oder mehreren separaten Verdichtern zugeführt wird, die parallel zur Dampfstrahlpumpe (7) arbeiten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsenergie ein oder mehreren separaten Verdichtern zugeführt wird, die parallel zum Dampf-Turbolader (16) eingesetzt werden.