DE2744615C2

DE2744615C2 - Process for the detoxification of exhaust gases and utilization of the waste heat from a diesel engine used to drive a heating and heat pump system

Info

Publication number: DE2744615C2
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Crede, Helfried, Dipl.-Phys, 8021 Icking
Publication date: 1983-11-10

Description

Zur Gewinnung von Heizwärme aus umgebenden Wärmequellen steht ein als »Wärmepumpe« bekannter Kreisprozeß zur Verfügung. Hiernach wird ein Kältemittel, das durch Entspannung auf eine niedrige Temperatur gebracht worden ist, mit der umgebenden Wärmequelle in Wärmetausch gebracht. Das erwärmte Kältemittel wird durch Verdichten mittels eines Kompressors auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, worauf es unter Verflüssigung in einem Wärmetauscher Wärme an einen Heizkreislauf abgibt.A known as a "heat pump" is used to obtain thermal heat from surrounding heat sources Cycle available. After that, a refrigerant is created, which by expansion to a low Temperature has been brought into heat exchange with the surrounding heat source. That warmed Refrigerant is compressed to a higher temperature level by means of a compressor brought, whereupon it gives off heat to a heating circuit while liquefying in a heat exchanger.

Zum Antrieb des Kompressors muß Arbeit geleistet werden. Das kann z. B. durch einen Elektromotor geschehen. Die Verwendung von elektrischer Energie zum Antrieb solcher Kompressoren ist aber eine grundsätzlich schlechte Lösung. Für jede so verbrauchte kWh Strom gehen nämlich bei der Stromerzeugung in den Kraftwerken und bei seiner Verteilung in den Netzen ungefähr zwei weitere kWh an Primärenergie verloren. Das führt im Ergebnis dazu, daß die Vorteile des Wärmepumpenverfahrens durch die verlustreiche Erzeugung und Verteilung des für den Kompressorantrieb benötigten Stromes gesamtwirtschaftlich gesehen weitgehend wieder verlorengehen. Wenn sich, was zu erwarten ist, Wärmepumpenverfahren mehr und mehr durchsetzen, so würde das letztendlich zu einem so hohen Gesamt-Stromverbrauch der Wärmepumpenanlagen führen, daß zusatzliche Kraftwerke für die Deckung des so entstehenden Mehrbedarfs gebaut werden müßten.Work must be done to drive the compressor. This can e.g. B. by an electric motor happen. The use of electrical energy to drive such compressors is one thing basically bad solution. For every kWh of electricity consumed in this way goes into electricity generation in the power plants and when it is distributed in the grids, about two more kWh Primary energy lost. As a result, the advantages of the heat pump method are achieved the lossy generation and distribution of the electricity required for the compressor drive for the whole economy seen largely lost again. If, what to expect, heat pump method prevail more and more, so that would ultimately lead to such a high total power consumption The heat pump systems lead to additional power plants to cover the resulting Additional requirements would have to be built.

Jedenfalls läßt sich feststellen, daß der elektrische Antrieb vcn Wärmepumpen-Kompressoren gesamtwirtschaftlich nur zu einem geringfügig niedrigeren Verbrauch an Primärenergie führt und zudem andere unerwünschte Auswirkungen hätte. Aus diesem Grunde sind bereits seit längerem Überlegungen angestellt worden, wie solche Kompressoren direkt durch Verbrennungsmotoren angetrieben werden könnten. Dafür bietet sich insbesondere der Dieselmotor an, dessen Brennstoffverbrauch pro geleisteter Arbeitseinheit bekanntlich sehr viel geringer ist als z. B. derjenige eines Otto-Motors. So könnte der Brennstoffverbrauch eines freistehenden Einfamilienhauses mit ca. 170 m² Wohnfläche ve ; bisher ca. 8000 1 pro Jahr (Heizöl) nach der Umstellung auf eine Wärmepumpenvollheizung bei Verwendung eines Dieselmotors als Kompressorantrieb auf ca. 2000 1In any case, it can be stated that the electric drive of heat pump compressors only leads to a slightly lower consumption of primary energy in macroeconomic terms and, moreover, would have other undesirable effects. For this reason, considerations have been made for a long time as to how such compressors could be driven directly by internal combustion engines. For this purpose, the diesel engine is particularly suitable, the fuel consumption per unit of work performed is known to be much lower than z. B. that of a gasoline engine. The fuel consumption of a detached single-family house with approx. 170 m ^{2 of} living space could therefore increase; up to now approx. 8000 1 per year (heating oil) after the conversion to full heat pump heating when using a diesel engine as a compressor drive to approx. 2000 1

-° Dieselöl gesenkt werden. Die Verwendung von Dieselmotoren für diesen Zweck scheiterte aber bislang an den damit verbundenen Abgajproblemen. Bei der Verbrennung von Dieselöl entstehen nämlich u. a. auch Stickoxyde und Schwefeldioxyd, weiche als Gift-- ° Diesel oil can be reduced. The use of diesel engines for this purpose has so far failed to the associated exhaust problems. The combustion of diesel oil produces, among other things, also nitrogen oxides and sulfur dioxide, soft as poisonous

-⁵ gase angesehen werden und deren Erzeugung deshalb gerade in Wohngebieten unerwünscht ist. Von beiden Giftgasen entstehen bei der Verbrennung von I kg Dieselöl, je nach dessen Herkunft und Verarbeitungstechnik bei der Fraktionierung, zwischen 10 und 30 g, - ⁵ gases are considered and their generation is therefore undesirable, especially in residential areas. The combustion of 1 kg of diesel oil produces between 10 and 30 g of both poisonous gases, depending on its origin and processing technique during fractionation,

w also zwischen 1 und 3% des Kraftstoffverbrauchs. Das Abgasproblem bei einem als Antrieb für eine Heizungs-Wärmepumpenanlage benutzten Dieselmotor ist beispielsweise in der Zeitschrift »öl + Gasfeuerung« 12/1976, Seite 676, erkannt. Dieser Stand der Technik entspricht dem Oberbegriff des vorstehenden Anspruchs 1. Zur Lösung des Abgasproblems werden hier die Motorabgase durch den Feuchtigkeitsnebel eines »nassen Abgaswäschers« geschickt, damit Schadstoffe in den Abgasen in Lösung gehen.w therefore between 1 and 3% of fuel consumption. The exhaust gas problem in one as a drive for one The diesel engine used in the heating heat pump system is, for example, in the magazine "oil + gas firing" 12/1976, page 676, recognized. This prior art corresponds to the generic term of the preceding Claim 1. To solve the exhaust gas problem, the engine exhaust gases are caused by the moisture mist a "wet exhaust gas scrubber" so that pollutants in the exhaust gases dissolve.

■*o Diese Abgasreinigung kann aber nur unvollkommen sein, da die Abgase den Abgaswäscher mit relativ hoher Temperatur durchströmen, die Löslichkeit von Gasen im Feuchtigkeitsnebel aber mit steigender Temperatur der Nebeltröpfchen abnimmt. Eine hohe Durchtritts- und Austrittstemperatur der Motorabgabe ist bei der bekannten Anlage nötig, damit zur Nutzbarmachung der Abwärme der Motorabgase der Feuchtigkeitsnebel in dem Abgasw^cher eine so hohe Temperatur erreicht, daß dieser seinerseits durch Ti ennwand-Wärmetausch Wärmeenergie in den Heizungskreislauf überführen kann.■ * o This exhaust gas cleaning can only be imperfect because the exhaust gases flow through the exhaust gas washer at a relatively high temperature, the solubility of Gases in the moisture mist but decreases with increasing temperature of the mist droplets. A high Passage and exit temperature of the engine output is necessary in the known system so that for Utilization of the waste heat of the engine exhaust the moisture mist in the exhaust gas guard is so high Temperature reached that this in turn by Ti ennwand heat exchange in the heat energy Can transfer heating circuit.

Nach der genannten Zeitschriftenstelle ist auch vorgesehen, die Kühlwasserwärme dts Dieselmotors zu nutzen und hierzu das Motorkühlwasser ebenfalls in Trennwand-Wärmetausch mit dem Heizungskreislauf zu bringen.According to the magazine section mentioned, it is also planned to heat the cooling water from the diesel engine to use and for this purpose the engine cooling water also in partition wall heat exchange with the heating circuit bring to.

Aus der DE-OS 2 149506 ist e;ne Abgasreinigung in Verbindung mit einem Kraftfahrzeugmotor bekannt. Die hier vorgesehene Abgasreinigung beruht auf dem Prinzip der plötzlichen adiabatischen Volumenvergrößerung der Motorabgase zwecks Herabsetzung der Abgastemperatur in so hohem Maße, daß die beim Kondensieren des Wasserdampfs im Motorabgas entstehenden Wassertröpfchen als Anlagerungskern für die feinen Rußteilchen dienen und andere gasförmige giftige Abgasbestandteile in den Wassertröpfchem in Lösung gehen. Zu«· Unterstützung der Abkühlung der Motorabgase, insbesondere beiFrom DE-OS 2 149506 e; ne exhaust gas cleaning in connection with a motor vehicle engine is known. The exhaust gas cleaning provided here is based on the principle of sudden adiabatic volume increase the engine exhaust in order to lower the exhaust gas temperature to such an extent that the condensation of the water vapor in the engine exhaust The resulting water droplets serve as an accumulation core for the fine soot particles and others gaseous poisonous exhaust gas components in the water droplets go into solution. To «· support the cooling of the engine exhaust gases, especially with

hoher Außenlufttemperatur im Sommer, ist vorgesehen, die Abgasexpansionskammer durch einen Kälteminelverdampfer zu kühlen, der besonders oder im Rahmen einer Kraftfahrzeugklimatisierungsanlage vorgesehen ist. Eine Verwertung der vom Kältemittelverdampfer aufgenommenen Wärme ist hier nicht vorgesehen.high outside air temperature in summer, the exhaust gas expansion chamber is provided by a refrigerant evaporator to cool, especially or as part of a motor vehicle air conditioning system is provided. A utilization of the heat absorbed by the refrigerant evaporator is not possible here intended.

Ausgehend vom Stand der Technik laut Obergriff des Anspruchs 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, nach welchem die Abgase besonders wirksam entgiftet werden und zudem ihre Abwärme besonders weitgehend nutzbar gemacht wird.Starting from the prior art according to the preamble of claim 1, the invention is based on the object to specify a method according to which the exhaust gases are detoxified particularly effectively and also their waste heat is made particularly largely usable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1.

Zur näheren Erläuterung wird zunächst eine Wärmepumpenanlage beschrieben, in Verbindung mit der das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt zur Anwendung kommt-.For a more detailed explanation, a heat pump system is first described in connection with the the method according to the invention is preferred for use comes-.

Aus einem Wasserspeicher von z. B. 50 mⁱ Inhalt wird mittels eines eingetauchten Kältemittel-Verdampfers während einer ersten Tageszeit nach dem Wärmepumpenprinzip Wärme entnommen und zunächst in einen kleineren Sekundärwasserspeicher abgegeben. Aus diesem wird die Wärme dann während einer zweiten Tageszeit ebenfalls nach dem Wärmepumpenprinzip in den Heizungskreislauf entnommen. In dem größeren Wasserspeicher kommt es insbesondere während längerer Kälteperioden im Winter durch fortgesetzte Wärmeentnahme zu Eisbildung an der Verdampferoberfläche. Es bilde* sich so ein Wasser-Eis-Gemisch, dessen Temperatur 0° C beträgt. Zum Ersatz entnommener Wärme wv d die Flüssigphase des Gemisches z. B. im Umwälzveifahren mit Umgebungs-Wärmequellen in Wärmetausch gebracht, wenn diese eine Temperatur von über 0⁰C haben, was z. B. auch im Winter bezüglich der Außenluft in den dicht besiedelten Gebieten der Erde häufig der Fall ist.From a water reservoir of z. B. 50 m ⁱ content is removed by means of an immersed refrigerant evaporator during a first time of day according to the heat pump principle and initially released into a smaller secondary water storage tank. From this, the heat is then drawn into the heating circuit during a second time of the day, also according to the heat pump principle. In the larger water reservoir, ice is formed on the evaporator surface, especially during longer periods of cold in winter, as a result of the continued extraction of heat. A water-ice mixture is formed with a temperature of 0 ° C. To replace the removed heat wv d the liquid phase of the mixture z. B. brought in Umwälzveifahren with ambient heat sources in heat exchange when they have a temperature of over 0 ⁰ C, which z. B. is also often the case in winter with regard to the outside air in the densely populated areas of the world.

Die Entgiftung der Abgase und Nutzbarmachung der Abwärme des als Antrieb für den Wärmepumpenkompressor benutzten Dieselmotors geschieht wie folgt:The detoxification of the exhaust gases and utilization of the waste heat as a drive for the heat pump compressor used diesel engine happens as follows:

Die Abgase des Dieselmotors werden, bevor sie in Wärmetausch mit dem Wasserspeicher gelangen, zunächst mit dem Rücklaufwasser des Heizungskreislaufs in Trennwand-Wärmetausch gebracht. Danach werden die Motorabgase mittels einer keramischen oder metallischen Rohrleitung durch den Sekundärwasserspeicher geführt, dessen Temperatur bei ca. + 20° C liegen kann. Die Temperatur der Motorabgase liegt je nach Konstruktion und jeweiligem Belastungsgrad des Dieselmotors zwischen 250 und 400° C, so daß eine intensive Wärmeabgabe zunächst an den Heizungskreislauf und dann an das Wasser des Sekundärwasserspeichers erfolgt. Nachdem die Abgasesoaufz. B. +60° C abgekühlt worden sind, werden sie über eine Fortsetzung der erwähnten Rohrleitung durch den größeren Wasserspeicher geleitet, wo sie in Trennwand-Wärmetausch mit dem erwähnten Wasser-Eis-Gemisch treten. Bei ausreichender Länge dieser gleichzeitig als Auspuff wirkenden Wärmetauschleitung kann dabei nahezu die gesamte über 0⁰C liegende Restwärme der Abgase für den Wärmepumpenprozeß gewonnen werden.Before the exhaust gases from the diesel engine get into heat exchange with the water storage tank, they are first brought into partition wall heat exchange with the return water of the heating circuit. The engine exhaust gases are then led through the secondary water storage tank by means of a ceramic or metal pipe, the temperature of which can be approx. + 20 ° C. The temperature of the engine exhaust gases is between 250 and 400 ° C, depending on the design and the respective load factor of the diesel engine, so that intensive heat is first transferred to the heating circuit and then to the water in the secondary water storage tank. After the Abgasesoaufz. B. + 60 ° C have been cooled, they are passed through a continuation of the pipe mentioned above through the larger water reservoir, where they enter into partition heat exchange with the mentioned water-ice mixture. With a sufficient length of this heat exchange line, which simultaneously acts as an exhaust, almost all of ^{the residual heat above 0 °} C. in the exhaust gases can be obtained for the heat pump process.

Nach Verbrennung von 1 kg Dieselöl haben sich im Regelfall Abgase in folgender Menge und Zusammensetzung gebildet:After burning 1 kg of diesel oil, exhaust gases in the following quantity and composition usually result educated:

ca. 3100 g Kohlendioxyd,
ca. 1150 g Wasserdampf,
ca. 60 g Kohlenmonoxyd,
ca. 20 g Schwefeldioxyd,
ca. 10 g Stickoxyde,approx. 3100 g carbon dioxide,
approx. 1150 g water vapor,
approx. 60 g carbon monoxide,
approx. 20 g sulfur dioxide,
approx. 10 g nitrogen oxides,

weitere Bestandteile in Spuren.
Bringt man diese Gase in oben beschriebener Wiise in Wärmetausch zunächst mit dem Heizungskreisiauf und dann mit den Wasserspeichern, so kondensiert ίο zunächst der Wasserdampf. Sowohl die Stickoxyde als auch das Schwefeldioxyd gehen sodann in dem sich bildenden Wassernebel bzw. -kondensat in Lösung. Dabei bildet sich aus den Stickoxyden mit Wasser ein Gemisch aus Salpetersäure HNO₃ und salpetriger Säure HNO₂. Ferner geht das SO₂ wegen seiner hohen Wasserlöslichkeit (106,6 g/I Wasser bei 20° C) im wesentlichen vollständig in Lösung, wobei eine teilweise Umsetzung in schweflige Säure H₂SO₃ stattfindet. Wegen der weitgehenden Kondensatbildung infolge der geringen Endtemperatur aufgrund des Wärmetauschvorganges werden sowohl die Säurebildungais auch die Lösung von nicht umgesetzten Restgasen im Wasser praktisch 100% betragen. Dabei ist bei der Leitungsführung darauf zu achten, daß die sich bildenden Kondensate;'« Strömungsrichtung der Motorabgase im freien Gefälle ablaufen können, damit es nicht zum Rückstau von Kondensaten kommt. Wegen der stark oxydierenden Wirkung von Salpetersäure, welche bekanntlich selbst Edelmetalle an-JO greift, muß entweder geeignetes keramisches Material für die Abgasleitung verwendet werden oder aber Aluminium, welches sich gegenüber Salpetersäure in allen Konzentrationen ziemlich indifferent verhält.other components in traces.
If these gases are brought into heat exchange in the manner described above, first with the heating circuit and then with the water storage tanks, ίο the water vapor first condenses. Both the nitrogen oxides and the sulfur dioxide then go into solution in the water mist or condensate that forms. _{A mixture of nitric acid HNO 3} and nitrous acid HNO ₂ is formed from the nitrogen oxides with water. Furthermore, because of its high solubility in water (106.6 g / l of water at 20 ° C.), the SO _{2 is} _{essentially completely dissolved, with a partial conversion into sulphurous acid H 2} SO ₃ taking place. Because of the extensive formation of condensate as a result of the low end temperature due to the heat exchange process, both the acid formation and the dissolution of unreacted residual gases in the water will be practically 100%. When routing the lines, it must be ensured that the condensates that form can run off in the direction of flow of the engine exhaust gases in a free gradient so that condensates do not build up. Because of the strong oxidizing effect of nitric acid, which is known to attack even precious metals, either a suitable ceramic material must be used for the exhaust pipe or aluminum, which is quite indifferent to nitric acid in all concentrations.

Das so gewonnene schwachsaure Kondensat kann den Hausabwässern zugeschlagen und mit diesen in die Kanalisation geleitet werden. Hausabwässer enthalten nämlich in großen Mengen Seifen- und Detergentienlaugen, welche aufgrund ihrer alkalischen Wirkung die Abwasseraufbereitung in den Kläranlagen erschweren. Die alkalische Wirkung wird durch den Zuschlag schwacher Säuren ganz oder teilweise neutralisiert.The weakly acidic condensate obtained in this way can be added to the domestic wastewater and in with it the sewers are directed. Contains domestic sewage namely in large quantities soapy water and detergent solutions, which due to their alkaline Effect complicate the wastewater treatment in the sewage treatment plants. The alkaline effect is through wholly or partially neutralizes the addition of weak acids.

In dem Abgas-Kondensat sind aber nicht nur die Stick- und Schwefeloxyde gelöst oder in Form ihrer Säuren gebunden, sondern auch noch andere zum Teil als schädlich bekannte, in den Dieselabgasen enthaltene Stoffe, wie z. B. das wegen seiner krebserregenden Wirkung gefürchtete 3,4-Benzpyren, welches auf so die oben beschriebene Weise im wesentlichen vollständig aus den schließlich ins Freie gelangenden gereinigten Motorabgasen entfernt wird.In the exhaust gas condensate, however, not only the nitrogen and sulfur oxides are dissolved or in the form of them Bound acids, but also others, some of which are known to be harmful, contained in the diesel exhaust gases Substances such as B. the feared because of its carcinogenic effect 3,4-benzopyrene, which on so the manner described above is essentially completely purified from the finally released into the open air Engine exhaust is removed.

Schließlich ist noch zu erwähnen, daß die Motorabwärme, die in das zur Motorkühlung verwendete Wasser einfließt, durch Einleiten dieses Kühlwassers direkt in den Heizkreislauf oder durch Trennwand-Wärmetausch mit dem Heizkreislauf ebenfalls voll Heizzwecken zugeführt werden kann.Finally it should be mentioned that the engine waste heat that is used for engine cooling Water flows in by introducing this cooling water directly into the heating circuit or through partition wall heat exchange can also be supplied with the heating circuit for full heating purposes.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also neben der vollständigen Rückgewinnung der ins Kühlwasser des Motors einfließenden Abwärme
a) die Entfernung von Stick- und Schwefeloxyden sowie anderer Schadstoffe aus den Dieselabgasen, In addition to the complete recovery of the waste heat flowing into the cooling water of the engine, the method according to the invention therefore makes it possible
a) the removal of nitrogen and sulfur oxides as well as other pollutants from diesel exhaust gases,

b) die Rückgewinnung nahezu aller in den Abgasen enthaltener Abwärme, einschl. der bei den Lösungs- und Umwandlungsprozessen gemäß a) freiwerdende Wärme,b) the recovery of almost all waste heat contained in the exhaust gases, including that from the solution and conversion processes according to a) heat released,

c) eine umweltfreundliche Verwendung bzw. abwassertechnisch vorteilhafte Ableitung der die Giftstoffe enthaltenden Kondensate in die allgemeine Abwasserbeseitigung.
Insgesamt wird mit dem. erfindungsgemäßen Verfahren eine umweltfreundliche Verwendung von Dieselmotoren für den Wärmepumpenantrieb ermöglicht Zudem steht dem Gesamtsystem wegen der nahezu restlosen Verwertung aller Motorabwärme im wesentlichen dir gesamte Energieinhalt des Dieseltreibstoffes mit einem Betrag von mehr als 40 000 kj/kg zur Verfügung. Die Arbeitsweise eines solchen Systems läßt sich so einstellen, daß die beiden Stufen des Wärmepumpenprozesses mit einer Leistungsziffer von jeweils über 3,0 stattfinden. Selbst unter hochwinterlichen Bedingungen wird damit erreicht, daß die in den eigentlichen Heizwasserkreislauf gelangende Wärmemenge pro kg eingesetzten Kraftstoffes ca. 60000 kJ beträgt, im Jahresdurchschnitt etwa 70000 bis 7500OkJ. Zum Vergleich: bei konventionellen Ölheizungen sind es maximal 24000 kJ, im Betriebc) an environmentally friendly use or, in terms of wastewater technology, advantageous discharge of the condensates containing the toxins into general wastewater disposal.
Overall, with the. The method according to the invention enables an environmentally friendly use of diesel engines for the heat pump drive. In addition, the entire system has essentially the entire energy content of the diesel fuel with an amount of more than 40,000 kJ / kg available due to the almost complete utilization of all engine waste heat. The mode of operation of such a system can be set so that the two stages of the heat pump process take place with a coefficient of performance of over 3.0 each. Even under very winter conditions it is achieved that the amount of heat reaching the actual heating water circuit per kg of fuel used is approx. 60,000 kJ, an annual average of approx. 70,000 to 7,500 oKJ. For comparison: with conventional oil heating it is a maximum of 24,000 kJ in operation

ίο während der sog. Übergangszeiten sinkt diese Ausbeute bei den Ölheizungen sogar noch, während sie bei der Wärmepumpenheizungzunimmtίο this yield decreases during the so-called transition periods in the case of oil heating systems, it is still increasing, while it is increasing in the case of heat pump heating systems

Claims

Patent claims:

1. A method for detoxifying the exhaust gases and utilizing the waste heat of a diesel engine used as a drive for a heating heat pump system, in which the amount of heat in the engine exhaust gases and engine cooling water generated during the dieselization is fed to the heating circuit, characterized in that the engine exhaust gases, after the delivery of a part their heat content to the heating circuit, in partition wall heat exchange with a water storage serving as a heat source for the evaporator of the heat pump system, which is also supplied with heat from surrounding heat sources and which is at a low temperature level close to 0 ^c C, on the one hand to absorb the condensable components in to condense the engine exhaust gases and to dissolve pollutants in the condensate formed and, on the other hand, to transfer exhaust gas heat to a relatively low temperature level in the water reservoir.

2. The method according to claim 1, characterized in that the delivery of part of the Heat content of the engine exhaust to the heating circuit takes place in that the engine exhaust with a secondary water storage tank, which operates according to the heat pump principle during the first time of day from the water tank is heated, brought into heat exchange.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the weakly acidic condensate from the engine exhaust gases added to the other, generally alkaline household wastewater will.