DE202012001522U1

DE202012001522U1 - Anlage zur energieeffizienten Umwandlung der Abwärme aus Verbrennungskraftmaschinen in mechanische oder elektrische Energie

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Publication number: DE202012001522U1
Application number: DE202012001522U
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Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2022-02-16

Abstract

Anlage zur Umwandlung von Abwärmen aus Verbrennungsmotoren, bestehend aus Abgas-Abwärme und Abwärme im Kühlwasserkreislauf, in mechanische Energie und/oder mittels eines Generators weiter in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Abwärmen vollständig in den Umwandlungsprozess einbezogen werden, wobei die Umwandlung durch die Entspannung eines Treibdampfes bewirkt wird, wobei die Verdampfung durch eine direkte Wärmeübertragung aus der Abgas-Abwärme in einem Abgas-Wärmeaustauscher (4) und eine Erhitzung des Arbeitsfluidkondensats in einem Kühlwasser-Wärmeaustauscher (13) erfolgt, wobei nur ein Arbeitsfluid und nur ein Entspannungsaggregat (8) verwendet wird, wobei durch die Entspannung des Dampfes im Entspannungsaggregat (8) eine mechanische Kraft erzeugt wird, die mit Hilfe eines gekoppelten Generators (9) in Strom umgewandelt wird, wobei der entspannte Dampf in einem nachgeordneten Kondensator (11) kondensiert, und das Kondensat mit einer Rückförderpumpe (12) zur erneuten Verdampfung zunächst in den Kühlwasser-Wärmeaustauscher (13), der mit Wärme des Kühlwasserkreislaufes beheizt wird, und sodann in den Abgas-Wärmeaustauscher (4) gefördert wird.

Description

Beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, bspw. Gasmotoren, Dieselmotoren, Zündstrahlmotoren oder Gasturbinen, entstehen Abwärmen aus den zugrundeliegenden Verbrennungsprozessen. Diese Abwärmen fallen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus an. Zum einen im Kühlwasserkreislauf zur Kühlung der Maschine abhängig von Typ und Betriebsweise zwischen etwa 85 bis 110°C, in den meisten Fällen zwischen 85 und 90°C, zum anderen im Abgas mit Temperaturen von über 400°C.
Da die Leistung dieser Abwärmen zusammen nahezu das Zweifache der mechanischen Nutzleistung betragen, ist man im Hinblick auf die Energieeffizienz bestrebt, die Abwärmen zu nutzen. Bei stationären Verbrennungsmaschinen erfolgt dies durch die Betriebsweise „Kraft-Wärme-Kopplung”, bei der die Abwärmen in Wärmeaustauschern auf Heiznetze zur Versorgung Wärme verbrauchender Prozesse übertragen werden. Anlagen dieser Bauart werden als Block-Heiz-Kraft-Werke (BHKW) bezeichnet.
Abhängig von den jeweiligen Standorten können die Abwärmen von BHKW, die vorrangig als Strom erzeugungsanlagen betrieben werden, häufig nicht am Standort sinnvoll genutzt werden. Die Abwärme wird dann ganz oder teilweise ohne technische Nutzung in die Umgebung abgegeben.
Vor dem Hintergrund, dass diese Situation im Hinblick auf Klimaschutz und Energieeffizienz einen großen Nachteil darstellt, wird für Standorte, an denen eine sinnvolle wärmetechnische Nutzung der Abwärme nicht möglich ist, alternativ eine Umwandlung der Wärme in mechanische bzw. elektrische Energie angestrebt, die mit Hilfe von angepassten Wärme-Kraft-Kreisprozessen realisiert wird. Hierzu sind in den letzten Jahren einige technische Lösungen vorgestellt worden, die im Hinblick darauf, dass als Arbeitsmedien der betreffenden Wärme-Kraft-Prozesse organische Flüssigkeiten anstelle von Wasser verwendet werden, als Organic-Rankine-Cycle (ORC) bezeichnet werden.
Im Hinblick auf eine möglichst umfassende Nutzung der anfallenden Abwärmen stellt dabei die Tatsache, dass die Abwärmen auf sehr unterschiedlichen Temperaturniveaus anfallen, ein Problem dar. Aus thermodynamischen Gründen lässt die Umwandlung der Abgasabwärme wegen des höheren Temperaturniveaus höhere Umwandlungswirkungsgrade erwarten.
Mehrere der bekannt gewordenen Lösungen beschränken sich deshalb auf die Nutzung dieser Abwärme, wobei als Arbeitsmedium neben organischen Medien auch Wasser Verwendung findet. Dabei wird das Abgas in Abgaswärmetauschern abgekühlt, häufig zunächst durch Übertragung auf ein Wärmeträgeröl, wobei anschließend mit der aufgenommenen Wärme das gewählte Arbeitsmedium verdampft und in einem Entspannungsaggregat teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird. Nachteile der bekannt gewordenen Lösungen zur Umwandlung der Abgasabwärme sind zum einen die Einschränkung der Wärmenutzung durch ein vergleichsweise hohes Temperaturniveau der Restwärme hinter dem Abgaswärmetauscher, zum anderen die Vorgaben der Motorenhersteller, einen Anteil des Abgases, näherungsweise etwa 50%, am Abgaswärmetauscher vorbei zu leiten, um nicht durch zu hohe Strömungswiderstände im Abgasstrom die Funktionsfähigkeit des Motors zu gefährden. Diese Einschränkungen begrenzen die Effizienz der bisher bekannt gewordenen Lösungen.
Die Abwärme im Kühlwasserkreislauf von Gasmotoren fällt üblicherweise im Bereich von etwa 88°C an, wobei das in einem Wärmeaustauscher gekühlte Kühlwasser mit einer Temperatur von etwa 70–75°C zurück in den Motor geleitet wird. Der Massenstrom des Kühlwasserkreislaufs ist so ausgelegt, dass die anfallende Wärme innerhalb des angegebenen Temperaturintervalles abgeführt werden kann.
Das wärmetechnisch wirksame mittlere Temperaturniveau aus dem Kühlwasserkreislauf zwischen etwa 88°C und 70°C zur Verdampfung eines Arbeitsmediums für einen Wärme-Kraft-Prozess liegt innerhalb des genannten Temperaturbereichs. Der Umwandlungswirkungsgrad eines Wärme-Kraft-Prozesses mit diesem Ausgangsniveau ist entsprechend dem Carnot-Kriterium begrenzt. Zudem müssen zur Erreichung eines möglichst hohen Ausgangsdrucks Arbeitsmedien mit vergleichsweise niedrigen Siedetemperaturen verwendet werden, bevorzugt im Temperaturbereich zwischen 30 und 60°C, wobei die Temperatur des Kühlkreislaufs für die Kondensation des Arbeitsmediums nach der Entspannung eine untere Grenze darstellt.
Nach dem aktuellen Stand der Technik stellt sich die Abwärmenutzung von Verbrennungsmaschinen durch Stromumwandlung mit ORC-Prozessen so dar, dass einige Hersteller sich ausschließlich auf die Abgasabwärme, andere nur auf die Kühlwasserabwärme konzentrieren. Inzwischen wurde von einem Anbieter eine Lösung vorgestellt, bei der eine Optimierung der Energieeffizienz durch eine Umwandlung der Abwärmen in getrennten Wärme-Kraft-Kreisläufen vorgesehen ist, wozu also zwei unterschiedliche Anlagen erforderlich werden. Generell kann festgestellt werden, dass die bekannt gewordenen Lösungen im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit, die sich aus Investitions- und Betriebsaufwand und den Stromerträgen ergibt, aus den vorgenannten Einschränkungen bisher nur unter speziellen Rahmenbedingungen überzeugen können. Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die Nachteile der bisher beschriebenen Lösungsansätze zu überwinden.
Ziel ist die Realisierung einer integrierten Lösung zur energieeffizienten Umwandlung der auf unterschiedlichen Temperaturniveaus anfallenden Abwärmen in nur einer Anlage, wobei durch wärmetechnische Maßnahmen und maschinentechnische Auslegungen Energieeffizienz sowie Wirtschaftlichkeit verbessert werden.
Dazu sieht die Erfindung vor, den Treibdampf in zwei aufeinanderfolgenden Stufen der Wärmeübertragung zu erzeugen. In einer ersten Stufe wird dabei das Kondensat des Arbeitsmediums mit Hilfe der Rückförderpumpe durch den Wärmetauscher geleitet, der vom Kühlwasserkreislauf beheizt wird. Dabei wird mit der Pumpe ein Druck aufgebaut, der auch beim oberen Temperaturniveau des Kühlwasserkreislaufs ein Verdampfen zuverlässig verhindert, so dass das Arbeitsmedium diesen Wärmetauscher als erhitzte Flüssigkeit verlässt und in dieser Form einem speziellen Abgaswärmetauscher zugeführt wird. Erst durch Wärmeübertragung aus dem Abgas mit seinem deutlich höheren mittleren Temperaturniveau wird in einer zweiten Stufe die Verdampfung des Arbeitsmediums herbeigeführt. Dieser Prozess wird hinsichtlich Durchflussmenge von Arbeitsmedium sowie Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur der eintretenden Gasströmung mit Hilfe von Temperaturmessfühlern an Ein- und Ausgang des Strömungskanals sowie am Dampfaustritt gesteuert, indem die Drehzahl des Ventilators beeinflusst wird. Erfindungsgemäß sind die Siede- bzw. Kondensationstemperaturen von Arbeitsfluid und Gasströmung beim Durchgang den den Abgas-Wärmeaustauscher so aufeinander abgestimmt, dass der Dampf mit einem Druck zwischen 2 bar und 20 bar, bevorzugt 5 bar bis 10 bar, gebildet wird. Als Arbeitsfluide werden Flüssigkeiten mit Siedetemperaturen zwischen 40 und 120°C, bevorzugt 50 bis 80°C, gewählt, die bei den gegebenen Rahmenbedingungen aufgrund ihrer thermodynamischen Daten die genannten Ausgangs-Dampfdrücke erreichen.
Dabei ist die Problematik zu berücksichtigen, dass die Gasströmung eine bestimmte Temperatur nicht überschreiten darf, damit das Arbeitsmedium nicht thermisch überlastet und dadurch zersetzt wird, wodurch korrosive und/oder umweltbelastende Folgeprodukte entstehen würden. Um eine derartige Temperaturbegrenzung einzuhalten, sieht die Erfindung in einer vorteilhaften Ausführung vor, dass die heiße Gasströmung durch Abmischen des Abgases mit angesaugter Zuluft auf ein solches Temperaturniveau gebracht wird, dass beim Austritt aus dem Abgaswärmetauscher das Arbeitsmedium als überhitzter Treibdampf vorliegt und in diesem Zustand dem Entspannungsaggregat zugeleitet wird.
In einer zweiten vorteilhaften Ausführung erfolgt die Temperaturreduzierung im Abgasstrom durch Injektion feiner Wassertröpfchen über Düsen, die im heißen Abgasstrom sofort verdampfen und so die Gasströmung kühlen. Es bildet sich ein Abgas-Wasserdampf-Gemisch, wobei der Wasserdampfanteil abhängig von der gewünschten Temperaturreduzierung variiert. Ein solches Gemisch begünstigt die gewünschte Wärmeübertragung auf das Arbeitsmedium.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der in Bezugnahme auf 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben wird. Dabei können die in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigt 1 eine Anlage zur energieeffizienten Umwandlung der Abwärme aus Verbrennungskraftmaschinen in mechanische oder elektrische Energie
Der Abgasstrom (1) eines Verbrennungsmotors wird mit Umgebungsluft (2) auf eine vorgegebene Mischtemperatur abgemischt und mit einem Ventilator (3) durch den Abgas-Wärmetauscher (4) gefördert. Die Mischtemperatur ist dabei so einzustellen, dass eine thermische Überlastung des Arbeitsmediums ausgeschlossen ist. Die vorgegebene Mischtemperatur wird mit einem Temperaturfühler (5) am Eintritt des Wärmetauschers (4) überwacht. Der abgekühlte Gasstrom (7) verlässt den Abgas-Wärmetauscher (4), wobei die Austrittstemperatur von einem Temperaturfühler (6) überwacht wird. Die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturfühlern (5, 6) kennzeichnet den Betriebszustand der Wärmeübertragung, d. h. die Verdampfung des Arbeitsmediums im Abgas-Wärmetauscher (4), der bei Bedarf durch eine Regelung der Förderleistung des Ventilators (3) nachjustiert werden kann.
Der im Abgas-Wärmetauscher (4) gebildete Dampf wird einem Entspannungsaggregat (8) zugeleitet und dort entspannt. Dabei wird an der Welle des Entspannungsaggregates (8) eine mechanische Kraft erzeugt, die mit Hilfe eines angekoppelten Generators (9) zur Erzeugung von Strom genutzt wird. Der Treibdampf gelangt in einen nachgeordneten Wärmeübertrager (10) und überträgt Wärme auf das mit Hilfe der Rückförderpumpe (12) geförderte Kondensat des Arbeitsmediums. Danach wird der Treibdampf dem nachgeordneten Kondensator (11) zugeführt und dort kondensiert. Die Kühlung des Kondensators (11) erfolgt durch ein Kühlsystem (17), das seine Kühlenergie entweder aus einem Wärme verbrauchenden Prozess oder über einen Kühlturm aus der Umgebungsluft bezieht. Das gebildete Kondensat wird mit der Rückförderpumpe (12) über den Wärmeübertrager (10) in einen Wärmetauscher (13) geleitet und dort mit Wärme aus dem Kühlwasserkreislauf (14) der Verbrennungskraftmaschine beheizt. Dabei wird das Heizsystem (14) im Bypass eines mit Umgebungsluft gekühlten Wärmetauschers betrieben, damit bei etwaigen Störungen der Anlage der Verbrennungsmotor weiter betrieben werden kann.
Mit der Rückförderpumpe (12) wird im Kondensat ein solcher Druck eingestellt, dass nach der Wärmeübertragung aus dem Kühlwasser-Heizsystem (14) des Kühlwasserkreislaufes Arbeitsmedium nicht verdampft, sondern als erhitzte Flüssigkeit den Wärmeaustauscher (13) verlässt.
Der Flüssigkeitsstrom des erhitzten Kondensats wird über ein Stellventil (15) eingestellt, damit der Verdampfungsprozess im Abgas-Wärmetauscher (4) so gesteuert wird, dass der gebildete Treibdampf den Abgaswärmetauscher (4) in dem gewünschten überhitzten Zustand verlässt. Dies wird über einen weiteren Temperaturfühler (16) überwacht.
Bezugszeichenliste

1: Abgasstrom
2: Gasmischer und/oder Tröpfcheninjektor
3: Ventilator
4: Abgas-Wärmeaustauscher/Verdampfer des Arbeitsmediums
5, 6: Temperaturfühler
7: Austretender Gasstrom
8: Entspannungsaggregat
9: Generator
10: Wärmeübertrager/Rekuperator
11: Kondensator
12: Rückförderpumpe
13: Kühlwasser-Wärmeaustauscher (zur Erhitzung)
14: Kühlwasser-Heizsystem (aus Kühlwasserkreislauf des Motors)
15: Einstellventil
16: Temperaturfühler
17: Kühlsystem

Claims

Anlage zur Umwandlung von Abwärmen aus Verbrennungsmotoren, bestehend aus Abgas-Abwärme und Abwärme im Kühlwasserkreislauf, in mechanische Energie und/oder mittels eines Generators weiter in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Abwärmen vollständig in den Umwandlungsprozess einbezogen werden, wobei die Umwandlung durch die Entspannung eines Treibdampfes bewirkt wird, wobei die Verdampfung durch eine direkte Wärmeübertragung aus der Abgas-Abwärme in einem Abgas-Wärmeaustauscher (4) und eine Erhitzung des Arbeitsfluidkondensats in einem Kühlwasser-Wärmeaustauscher (13) erfolgt, wobei nur ein Arbeitsfluid und nur ein Entspannungsaggregat (8) verwendet wird, wobei durch die Entspannung des Dampfes im Entspannungsaggregat (8) eine mechanische Kraft erzeugt wird, die mit Hilfe eines gekoppelten Generators (9) in Strom umgewandelt wird, wobei der entspannte Dampf in einem nachgeordneten Kondensator (11) kondensiert, und das Kondensat mit einer Rückförderpumpe (12) zur erneuten Verdampfung zunächst in den Kühlwasser-Wärmeaustauscher (13), der mit Wärme des Kühlwasserkreislaufes beheizt wird, und sodann in den Abgas-Wärmeaustauscher (4) gefördert wird.
Anlage nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass der Abgas-Wärmeaustauscher (4) mit Hilfe des Ventilators (3) mit dem vollen Abgasstrom (1) beaufschlagt wird, der durch Zumischung von Umgebungsluft (2) oder durch Injektion feiner Wassertröpfchen auf eine vorgegebene Temperatur gekühlt wird, die eine thermische Überlastung des Arbeitsfluids im Wärme-Kraft-Kreisprozess ausschließt.
Anlage nach Anspruch 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Gasströmung durch den Abgas-Wärmetauscher am Eintritt und Austritt durch Temperaturfühler (5, 6) überwacht wird und so gesteuert wird, dass eine vorgegebene Überhitzungstemperatur eingeregelt wird.
Anlage nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass der überhitzte Treibdampf in einem im Abgas-Wärmeaustauscher (4) nachgeordneten Entspannungsaggregat (8) entspannt wird, wobei eine mechanische Kraft erzeugt wird, mit der über einen angekoppelten Generator (9) Strom erzeugt wird.
Anlage nach Anspruch 1. und 4., dadurch gekennzeichnet, dass der entspannte Dampf einen Teil seiner Wärmeenergie in einem Wärmeübertrager (10) auf das zurückgeförderte Kondensat überträgt und anschließend im nachgeordneten Kondensator (11) im Wärmeaustausch mit dem Kühlsystem (17) kondensiert wird, wobei das Kühlsystem (17) die aufgenommene Kondensationsenergie entweder an einen nachgeordneten Wärmeverbraucher oder an die Umgebung abgibt.
Anlage nach Anspruch 1. und 5., dadurch gekennzeichnet, dass das im Kondensator (11) gebildete Kondensat mit Hilfe der Rückförderpumpe (12) durch den Wärmetauscher (10) in den nachgeordneten Wärmeaustauscher (13) geleitet wird, der mit Wärme aus dem Kühlwasserkreislauf des Verbrennungsmotors beheizt wird, wobei mit der Rückförderpumpe (12) im Arbeitsfluid ein Druck erzeugt wird, bei dem aufgrund der Erhöhung des Siedepunktes ein Verdampfen des Arbeitsfluids im Wärmetauscher (13) verhindert wird, wobei der Heizkreislauf (14) im Bypass eines Luft-Kühlwasser-Wärmetauschers betrieben wird, um den Motor bei Störungen weiter betreiben zu können, wobei das im Wärmeaustauscher (13) aufgeheizte Kondensat über ein Stellventil (15) dem Abgas-Wärmeaustauscher (4) zur Verdampfung zugeführt wird.
Anlage nach Anspruch 1. und 4., dadurch gekennzeichnet, dass das Entspannungsaggregat (8) eine Turbine oder ein Entspannungsmotor, oder ein Dampfexpander in der Ausführung eines Schraubenexpanders, Rotationsexpanders oder Scroll-Expanders ist.
Anlage nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid ein organisches Lösemittel, vorzugsweise ausgewählt aus der Klasse der ein- oder mehrwertigen Alkohole, Aldehyde, Ketone, Ester oder Säuren, ein Kältemittel und/oder ein Silikon, ist, wobei das Arbeitsfluid so ausgewählt wird, dass mit der gegebenen Temperatur der Gasströmung im Abgas-Wärmeaustauscher der Dampf mit einem Druck zwischen 2 bar und 20 bar, bevorzugt zwischen 5 bar und 10 bar, gebildet wird.
Anlage nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass der Abgas-Wärmeaustauscher (4) als Verdampfer von Arbeitsfluid infolge einer direkten Wärmeübertragung aus dem Abgasstrom mit Rohren als Wärmeaustauschelementen ausgestattet ist, in die zu verdampfende Flüssigkeit gleichmäßig eingeleitet wird, wobei die Rohre so angeordnet sind, dass bei der Durchströmung der zu verdampfende Flüssigkeitsanteil aufgrund der trägen Masse entlang der Rohrwandungen strömt und somit in direktem Kontakt mit den Wärmeaustauschflächen gehalten wird, um eine möglichst effiziente Verdampfung zu gewährleisten.
Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: a) einen Abgas-Wärmeaustauscher (4), ausgebildet als Verdampfereinheit für ein Arbeitsfluid eines Wärme-Kraft-Prozesses, in dem eine Flüssigkeit verdampfbar ist, b) eine Entspannungsvorrichtung (8), die optional mit einem Generator (9) verbunden ist, wobei die Entspannungsvorrichtung (8), vorzugweise Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (8) der Verdampfereinheit (4) nachgeschaltet ist, c) einen Kondensator, in den der entspannte Dampf durch Wärmeübertragung auf ein Kühlsystem (17) kondensiert wird, d) eine Rückförderpumpe (12), mit der Kondensat zur erneuten Verdampfung zurückgefördert und mit einem vorgegebenen Betriebsdruck beaufschlagt wird, e) einen Wärmeaustauscher (13), der mit einem Heizsystem (14) als Teil des Kühlwasserkreislaufs des Verbrennungsmotors beheizt wird, f) einen Wärmeübertrager (10), in dem entspannter Treibdampf das mit der Rückförderpumpe (12) geförderte Kondensat vorwärmt, g) einen Apparat zur Gasmischung und/oder Injektion von Wassertröpfchen, um den Abgasstrom auf eine vorgegebene Grenztemperatur einzustellen.