DE202010003630U1

DE202010003630U1 - Motorblock als direkter Wärmetauscher in einem Dampfkreis

Info

Publication number: DE202010003630U1
Application number: DE202010003630U
Authority: DE
Original assignee: TECHNANOVA GmbH
Current assignee: TECHNANOVA GmbH
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2020-03-16

Abstract

Motorblock als direkter Wärmetauscher in einem Dampfkreis umfassend:
einen Vorwärmer (1), der ein flüssiges Medium erwärmt,
einen Verdampfer (2), der das flüssige Medium verdampft
einen Expander (3), der den Dampf in mechanische Energie verwandelt
einer Abtriebswelle (4), die die mechanische Energie zur Nutzung abgibt
einem Kondensator (5), der den Dampf zu Kondensat verflüssigt
einer Speisepumpe (6), die das Kondensat in den Vorwärmer (1) befördert
dadurch gekennzeichnet,
dass der Vorwärmen (1) der Kühlflüssigkeitsraum im Motorblock einer Verbrennungsmaschine ist, der nunmehr von einem anderen Medium als Wasser durchströmt wird, und dass es ein Medium ist, welches über den kritischen Punkt hinaus vom Verdampfer (2) überhitzbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Motorblock als direkten Wärmetauscher in einem Dampfkreis, mit dem Ziel Verlustwärme des Verbrennungsmotors in Nutzleistung zu wandeln.
Ein Verbrennungsmotor produziert etwa 2/3 Abwärme. Ein Drittel durch den Kühler und ein weiteres Drittel durch die Abgase. Ein Drittel ist mechanische Nutzleistung. Um das Verhältnis zu Gunsten der mechanischen Leistung zu verschieben, sind folgende Anmeldungen bekannt DE 000002743918 A1 , DE 000002743918 B2 , DE 000002743918 C3 , DE 000003029175 A1 , DE 000003141890 A1 DE 000003204236 A1 , DE 000004203438 A1 , DE 000009201493 U1 , DE 000019921471 A1 , DE 10 2005 058 198 A1 , DE 10 2005 063 056 A1 , DE 10 2005 063 056 B4 , DE 10 2007 009 503 A1 , DE 10 2007 009 503 B4 , DE 10 2007 022 735 A1 , DE 20 2005 021 603 U1 , EP 000000045843 B1 , DE 20 2008 005 031 U1 , DE-A-2618584 . Außerdem sind Firmen bekannt, die Abwärme aus Verbrennungsmaschinen bei der Kraftwärmekopplung zu Gunsten der mechanischen und letztlich elektrischen Leistung verschieben. Alle haben gemeinsam, dass ein Arbeitsmedium, im folgenden Medium genannt, in einem Dampfkreis verdampft, und bei seiner Entspannung mechanische Leistung abgibt. Einige nutzen anstatt Wasser das Medium Kältemittel wegen des geringeren Siedepunktes. Sie beziehen Wärme aus dem Motorblock indirekt mittels Wärmetauscher und anschließend ebenso indirekt aus den Abgasen. Indirekter Wärmebezug aus dem Motorblock ist wenig effizient und das Bauteil Wärmetauscher ist erforderlich. Die Ursache für die beiden Nachteile ist, dass Medium im Motorblock sieden kann und dessen Kühlung durch Dampfblasen gefährdet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Dampfkreis der Wärme aus Motorblock und Abgasen bezieht, Kältemittel als Medium einzusetzen, und die Wärme aus dem Motorblock direkt zu beziehen. Hierdurch wird die Energieausbeute aus dem Motorblock erhöht und ein Bauteil eingespart.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird der Kühlwasserraum des Motorblocks als Ort des direkten Wärmetauschs genutzt und strömungstechnisch zum direkten Teil des Dampfkreises gemacht. Damit das Medium im Motorblock nicht siedet, heizen die Abgase es über den kritischen Punkt auf. Der überkritische Druck hält es im Motorblock flüssig. Ein geeignetes Medium für diesen Zweck ist zum Beispiel R134 wie beispielhaft gezeigt werden kann: Grundlage ist das Druck-Enthalpiediagramm. Die Speisepumpe fördert kühles und flüssiges Medium gegen den Arbeitsdruck von etwa 60 bar in den Motorblock. Dort erfährt es eine Enthalpieerhöhung durch die Motorwärme. Es bleibt im Motorblock flüssig, weil der Druck über dem kritischen Druck von 40 bar liegt, und gefährdet die Motorkühlung nicht. Im sich anschließenden Verdampfer erfährt es weitere Enthalpieerhöhung und gelangt gasförmig in den Expander, von wo es nach Abgabe mechanischer Leistung in den Kondensator gelangt. Dort Wärme an ein anderes Medium abgebend und unter Enthalpieabnahme kondensierend, ist der Kreislauf geschlossen. Die Enthalpieabnahme am Expander ist das Maß für die erzeugte mechanische Leistung. Multipliziert mit dem Massenstrom des zirkulierenden Mediums und abzüglich der Speisepumpenleistung ergibt die tatsächlich abgegebene mechanische Leistung. Auf diese Weise kann die Kraftwärmekopplung effizienter zu Gunsten der elektrischen Leistung verschoben werden. Inwiefern die Erneuerung auch in Verbrennungsmaschinen von Fahrzeugen, oder sonstigen ortsbeweglichen Maschinen verwendbar ist, bedarf der Klärung.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines Motorblockes als direkter Wärmetauscher in einem Dampfkreis mit Kältemittel als Medium
Die hauptsächlichsten Teile sind:
Ein Vorwärmer 1, ein Verdampfer 2, ein Expander 3, eine Abtriebswelle 4, ein Kondensator 5 und eine Speisepumpe 6. Die Speisepumpe 6 fördert das Medium des Dampfkreises im flüssigen Zustand kontinuierlich durch den Vorwärmer 1 der nunmehr der Kühlflüssigkeitsraum im Motorblock einer Verbrennungsmaschine ist. Dort wird es erwärmt und kühlt den Motorblock der Verbrennungsmaschine. Danach gelangt es in den Verdampfer 2. Hier heizen es die heißen Motorabgase indirekt durch einen Wärmetauscher auf und erzeugen überhitzten Dampf. Der kritische Druck wird derart überschritten, dass das Medium im Motorblock flüssig bleibt. Der überhitzte Dampf gelangt in den Expander 3, wo seine thermodynamische Leistung in mechanische umgewandelt und über die Abtriebswelle 4 zum Beispiel elektrisch nutzbar gemacht wird. Der Kondensator 5 gibt Wärme an einen Verbraucher ab, und verflüssigt das Medium.
Verbraucher sind zum Beispiel das Heizungs- oder Warmwassersystem eines Gebäudes. Die Speisepumpe 6 fördert das flüssige Medium in den Kühlraum des Motorblocks und der Dampfkreis ist geschlossen. Expander 3 und Speisepumpe 6 fördern denselben Massenstrom, und letztere kann mechanisch direkt vom Expander 3 angetrieben werden.
Die Wärmeisolierung 7 verhindert, dass Abwärme in die Umgebung abgegeben wird, die zur Erzeugung mechanischer Nutzleistung verloren wäre.
Der Massenstrom des zirkulierenden Mediums ist abhängig von etwaigen Temperaturschwankungen eines Verbrauchers, zum Beispiel des Heizungs- und Warmwassersystems eines Gebäudes. Zu jeder Temperatur gehört ein darauf eingestellter Massenstrom des Dampfkreises. Da dieser von der Drehzahl des Expanders 3 abhängig ist, kann über die Abtriebswelle 6 durch mehr oder weniger starke Lastabnahme darauf Einfluss genommen werden. Das ist die Aufgabe des Lastabnehmers, und es sind Maßnahmen wie Synchron-, Asynchrongenerator, sowie stufenlose Getriebe bekannt.
Falls der Expander 3 ein Hubkolbenmotor ist, kommt der Kreisprozess nicht selbständig in Gang. in dem Fall ist der Stromgenerator 9 gleichzeitig ein Elektromotor, der den Kreisprozess startet, und danach zum Stromgenerator 9 wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 000002743918 A1 [0002]
DE 000002743918 B2 [0002]
DE 000002743918 C3 [0002]
DE 000003029175 A1 [0002]
DE 000003141890 A1 [0002, 0002]
DE 000004203438 A1 [0002]
DE 000009201493 U1 [0002]
DE 000019921471 A1 [0002]
DE 102005058198 A1 [0002]
DE 102005063056 A1 [0002]
DE 102005063056 B4 [0002]
DE 102007009503 A1 [0002]
DE 102007009503 B4 [0002]
DE 102007022735 A1 [0002]
DE 202005021603 U1 [0002]
EP 000000045843 B1 [0002]
DE 202008005031 U1 [0002]
DE 2618584 A [0002]

Claims

Motorblock als direkter Wärmetauscher in einem Dampfkreis umfassend: einen Vorwärmer (1), der ein flüssiges Medium erwärmt, einen Verdampfer (2), der das flüssige Medium verdampft einen Expander (3), der den Dampf in mechanische Energie verwandelt einer Abtriebswelle (4), die die mechanische Energie zur Nutzung abgibt einem Kondensator (5), der den Dampf zu Kondensat verflüssigt einer Speisepumpe (6), die das Kondensat in den Vorwärmer (1) befördert dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmen (1) der Kühlflüssigkeitsraum im Motorblock einer Verbrennungsmaschine ist, der nunmehr von einem anderen Medium als Wasser durchströmt wird, und dass es ein Medium ist, welches über den kritischen Punkt hinaus vom Verdampfer (2) überhitzbar ist.
Motorblock als direkter Wärmetauscher in einem Dampfkreis nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Medium Kältemittel R134 ist.
Motorblock als direkter Wärmetauscher in einem Dampfkreis nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (7) mindestens den Vorwärmer (1) und den Verdampfer (2) umfasst.
Motorblock als direkter Wärmetauscher in einem Dampfkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass eine Lastabnahme die Abtriebswelle (4) in der Drehzahl beherrscht.