DE2752283B1 - Brennkraftmaschinen Anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschinen-Anlage gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Es ist bekannt — Zeitschrift »Schiff- & Hafen/Kommandobrücke« 29, 1977, Heft 5, Seite 488/489 -, zur Energierückgewinnung die verschiedenen Abwärmequellen bei einer Anlage der genannten Art durch einen Dampfkreislauf miteinander zu verbinden, dessen Arbeitsmittel nacheinander einen Wärmetauscher für ") den Energieübergang aus dem Kühlwasser des Motors, den Ladeluftkühler für die komprimierte Ladeluft und schließlich einen abgasbeheizten Abhitzekessel durchsetzt. Das Arbeitsmittel dieses Dampfkreislaufs, vorzugsweise Wasser, wird dabei erhitzt und mindestens

ίο verdampft — und unter Umständen noch überhitzt —, ehe es zum Antrieb mindestens einer Turbine dient und wieder kondensiert wird, wobei die Turbine einen elektrischen Generator oder eine andere Arbeitsmaschine antreibt.

Die Energie-Rückgewinnung in dieser bekannten Anlage ist relativ gering, weil alle drei Abwärmequellen von dem gleichen Mengenstrom durchsetzt werden. Besonders die Rekuperation der Wärme aus dem Ladeluftkühler und dem Kühlwasserkreislauf des Motors ist dabei keineswegs optimal. Eine gewisse Steigerung der Energie-Rückgewinnung kann durch die Aufteilung in einem von den Abgasen beheizten Hochdruckkreislauf und einem die Abwärme des Kühlwassers ausnutzenden zweiten Kreislauf niedrigen Drucks und niedriger Temperatur erreicht werden. Bei dieser, aus der CH-PS 5 86 349 bekannten Anlage wird die Kompressionswärme der Ladeluft nicht nutzbar gemacht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage der zuerst

JO diskutierten Art so zu verbessern, daß ein Maximum an Energie zurückgewonnen werden kann und der thermische Gesamtwirkungsgrad der Anlage gesteigert wird, wobei im Hinblick auf die arbeitsleistende Entspannung das Temperaturniveau der rückgewonne-

i^r> nen Wärme möglichst hoch sein soll.

Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Wie bei der Anlage nach der erwähnten CH-PS 5 86 349 ist es möglich, die in jedem der beiden Kreisläufe erzeugte Dampfmenge individuell an die in den einzelnen Abwärmequellen zur Verfügung stehenden Energiemengen anzupassen und ihr Temperaturresp. Druckniveau auf das Temperaturniveau der verschiedenen Quellen ideal abzustimmen; die Anwendung der an sich ebenfalls bekannten — jedoch bisher beispielsweise wegen möglicher Dampfblasenbildung oder wegen des höheren Temperaturniveaus der dadurch gekühlten Zylinder in der Praxis nicht verwendeten — Heißwasserkühlung des Motors ermöglicht eine sprunghafte Verbesserung der Energie-Rückgewinnung. Die dadurch erzielte Temperatursteigerung hebt die aus der Kühlung des Motors zu gewinnende Abwärme auf ein Temperaturniveau, das sehr gut zu den ohne extremen Aufwand für die Wärmetauscherflächen dampfseitig erzielbaren Temperaturen bei der Verwertung der Kompressionswärme der Ladeluft korrespondiert. Durch die Verwendung eines Heißwasserkühlkreislaufs, der hinsichtlich des zirkulierenden Wassers völlig von dem Dampfkreislauf getrennt und in seinem Druckniveau völlig auf die Bedürfnisse des Motors abgestimmt ist, ermöglicht, die Abwärmenutzung aus dem Kühlwasser und aus der Ladeluft in einem gemeinsamen Dampfkreislauf — mit getrennten Wärmetauschern für die Erhitzung und Verdampfung des

<>5 Arbeitsmittels — zusammenzufassen; die Anlage wird dadurch in ihrem Aufbau erheblich vereinfacht.

Vorteilhafte Maßnahmen für die Regelung des Durchflusses durch die Wärmetauschersysteme der auf

den Motor zurückwirkenden Wärmequellen, d. h. der Kühlwasserrück- und der Ladeluftkühlung, sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche, wobei als Regelgrößen die für den Motorbetrieb wesentliche Kühlwasser Austrittstemperatur und die Ladelufteintrittstemperatur in den Motor herangezogen sind.

Durch eine Regelung der im Kondensator aus dem zweiten Dampfkreislauf abgeführten Wärme kann eine ausreichende Wärmeabfuhr aus dem Kühlwasser des Motors und/oder aus der Ladeluft, beispielsweise auch bei Störungen an und/oder Ausfall der Dampfturbine, sichergestellt werden. Die notwendige Wärmeabfuhr läßt sich andererseits auch gewährleisten, wenn im zweiten Dampfkreislauf, vorzugsweise in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor den parallelen Wärmetauschern für die Abwärme, ein zusätzlicher Kühler eingebaut ist.

Falls das Temperaturniveau günstig ist, ist es selbstverständlich möglich, neben den Turbinen für die Erzeugung mechanischer Arbeit in bekannter Weise in einem oder beiden Kreisläufen einen oder mehrere unabhängige — d. h. mit den Dampfsystemen nur indirekt über Wärmetauscher in Verbindung stehende — Wärmeverbraucher vorzusehen, falls damit eine Verbesserung des thermischen Gesamtwirkungsgrades der Anlage erreicht wird oder ander Vorteile erzielt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage.

Dem nur schematisch dargestellten Motor 1 ist eine Aufladegruppe zugeordnet, deren Ladeluftgebläse 3 aus der Atmosphäre Luft über eine Leitung 4 ansaugt und in einer Leitung 6 in die Maschine oder den Motor 1 fördert. In der Leitung 6 ist ein Ladeluftkühler 7 für die komprimierte Luft vorgesehen.

Das Ladegebläse 3 wird von einer Abgasturbine 8 über eine Welle 10 angetrieben, wobei die heißen Auspuffgase des Motors 1 der Turbine 8 über eine Leitung 9 zufließen und nach der Entspannung in der Turbine 8 durch die Leitung 11 abgeführt werden, in der ein Wärmetauscher 12 angeordnet ist.

Der Wärmetauscher 12 dient als Verdampfer und Überhitzer für das Arbeitsmittel eines konventionellen Dampfkreislaufs 13, der mit relativ hohen Drücken arbeitet und der Verwertung der Abgaswärme dient. In seinem Kreislaufsystem fördert eine erste Pumpe 15 das Arbeitsmittel — beispielsweise Wasser — aus einem Kessel 14 über einen Vorwärmer 16 in die Verdampferrohre des abgasbeheizten Wärmetauschers 12 und von dort zurück in den Dampfraum des Kessels 14; in dem Vorwärmer 16 gibt das Arbeitsmittel an das Kondensat Wärme ab, das aus einem Kondensator 17 zum Kessel 14 gepumpt wird. Der in den Verdampferrohren entstehende Dampf wird aus dem Kessel 14 dem Überhitzerteil des Wärmetauschers 12 zugeleitet und gelangt von diesem in eine Dampfturbine 18, die beispielsweise einen elektrischen Generator 19 treibt.

Der in der Turbine 18 entspannte Dampf fließt dann dem Kondensator 17 zu, aus dem eine zweite Pumpe 20 das Kondensat zwecks Aufheizung in den Vorwärmer 16 und sodann in den Wasserraum des Kessels 14 fördert. Da es sich bei diesem Dampfkreislauf 13 für die Verwertung der Abgaswärme um eine bekannte und vielfach angewendete Einrichtung handelt, wird die Wirkungsweise nicht weiter beschrieben.

Am Motor 1 ist in der Figur weiterhin ein Heißwasserkühlkreislauf 21 gezeigt, der einen Kühler 22, eine Pumpe 23 und einen künstlichen Hochtank 24 enthält. Die an sich bekannte Heißwasserkühlung unterscheidet sich von den allgemein üblichen Kühlsystemen dadurch, daß sie bei Temperaturen über 100⁰C arbeitet, wobei beispielsweise das Kühlwasser mit etwa 120° C den Motor 1 verläßt und in den Kühler 22 eintritt, in diesem um etwa 10° auf 110⁰C abgekühlt wird und, von der Pumpe 22 gefördert, in den Motor 1 zurückfließt.

Da in diesem Kühlwasserkreislauf Verdampfung verhindert werden muß, steht das Kreislaufsystem unter einem Überdruck, der durch den künstlichen Hochtank 24 mit Hilfe von komprimierter Luft beispielsweise auf 5 ata gehalten wird.

Als wärmeaufnehmendes Medium dient in dem Heißwasserkühler 22 und dem Ladeluftkühler 7 das Arbeitsmittel eines zweiten Dampfkreislaufs 25. Dieser enthält in dem gezeigten Beispiel eine Speisepumpe 26, von der das Arbeitsmittel, im allgemeinen Wasser, aus einem Kondensator 27 zu einem Verzweigungspunkt 28 gefördert wird. In diesem teilt sich der Wasserstrom auf die beiden parallel durchströmten Wärmetauschersysteme 29 und 30 auf, von denen dann eines die wärmeaufnehmenden, sekundärseitigen Rohrschlangen des Kühlers 7 und das andere diejenigen des Kühlers 22 enthält. In diesen beiden Teilsystemen wird das Wasser durch die aus den Kühlern abzuführende Wärme in Sattdampf umgewandelt.

Die im Punkt 31 wieder vereinigten Teilströme gelangen in eine Dampfturbine 32, werden dort entspannt und anschließend dem Kondensator 27 zugeführt. Die Turbine 32 treibt dabei beispielsweise einen elektrischen Generator 33.

Die aus dem Kondensator 27 abzuführende Kondensationswärme wird von einem nur schematisch dargestellten Kühlwassersystem 34 aufgenommen. Das in dem gezeigten Beispiel offene System 34 enthält neben den Kühlschlangen 35 des Kondensators 27 eine Pumpe 36, auf deren Druckseite eine mit einem regelbaren Absperr- und Drosselorgan 37 versehene Bypaß- oder Ablaßleitung 38 abzweigt. Das Organ 37 und die Leitung 38 haben den Zweck, eine Regelung der Kühlleistung des Kondensators 27 zu ermöglichen, wie noch beschrieben wird.

In dem Ausführungsbeispiel erfolgt die Aufteilung der Arbeitsmittelmenge auf die beiden Teilsysteme 29 und 30 mit Hilfe von regelbaren Drosselorganen 39 und 40, denen Stellsignale von einem Regel- oder Steuergerät 41 über Leitungen 42 und 43 zufließen. Ein drittes Stellsignal gelangt über eine Leitung 44 zu dem Organ 37 in der Bypaß- oder Ablaßleitung 38 des Kondensator-Kühlkreislaufs.

Das Steuer- oder Regelorgan 41 empfängt als Eingangssignale die Meßwerte zweiter Temperaturfühler 45 und 46, durch die — im gezeigten Beispiel — die Kühlwasseraustritts-Temperatur und die Ladelufteintritts-Temperatur des Motors gemessen werden; diese Temperaturen, die z. B. vorteilhafterweise auf einem konstanten Wert gehalten werden, dienen als zu regelnde Größen in dem Gerät 41, das darüber hinaus noch nicht gezeigte Mittel für eine Sollwerteinstellung für die genannten Temperaturen aufweist.

Wie bereits erwähnt, kann ein in seiner Kühlleistung regelbarer Kondensator 27 mit Vorteil so angelegt und dimensioniert werden, daß bei Störungen oder Ausfall der Dampfturbine 32 eine ausreichende Kühlung des

Kühlwassers und der Ladeluft des Motors 1 sichergestellt ist. Andererseits ist es unter Umständen auch zweckmäßig, für diese Aufgabe einen zusätzlichen, regelbaren Kühler 47 im Dampfkreislauf 25 vorzusehen, wie in der Figur zwischen der Pumpe 26 und dem ^r> Verzweigungspunkt 28 angedeutet ist. Der Kühler 47 ist für die Regelung seiner Kühlleistung beispielsweise auf seiner Kühlmittelseite 48 mit einer über ein Drosselorgan 49 regelbaren Bypaßleitung 50 versehen. Für seine Inbetriebsetzung und Regelung kann beispielsweise das gleiche Signal dienen, durch das auch die Kühlleistung des Kondensators 27 verändert wird.

Die Wirkungsweise der Regelung für die Aufteilung des Arbeitsmittels sei in einem Beispiel erläutert. Ausgehend von einem Gleichgewichtszustand sei angenommen, daß der Temperaturfühler 46 eine zu hohe Temperatur für die Ladeluft anzeigt. Auf diese Abweichung vom eingestellten Sollwert reagiert das System beispielsweise mit einem Drosseln des Organs 40 und einem öffnen des Organs 39, wodurch die Aufteilung des Arbeitsmittels auf die beiden Teilsysteme 29 und 30 verändert und dem Luftkühler 7 eine größere Menge »Kühlmittel« zugeführt wird.

Durch diese Eingriffe wird aber das an sich vorhandene Gleichgewicht im Teilsystem 30 für die Wärmeabfuhr aus dem Kühlwasser des Motors gestört. Dieser Störung begegnet das Gerät 41 durch gleichzeitige Drosselung des Organs 37, wodurch der Kühlwasserstrom durch den Kondensator 27 vergrößert und die Temperatur des den Kühlern 7 und 22 zufließenden Wassers erniedrigt wird. Auch bei geringerem Mengenangebot an »Kühlmittel« wird damit die an sich eine Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur des Kühlwassers notwendige Wärmeabfuhr sichergestellt.

Um den Unterschied zwischen dem ersten Dampfkreislauf für die Abgaswärme-Rückgewinnung und dem zweiten Dampfkreislauf nach der Erfindung deutlich werden zu lassen; sind für einige Punkte dieser Kreisläufe die bei geeigneter Auslegung der Systeme herrschenden Temperaturen und Drücke angeschrieben. Darüber hinaus sind für die gleiche Auslegung der Anlage die Wirkungen der Ladeluft- und der Heißwasserkühlung abgeschätzt und die dabei am Eingang und am Ausgang der Kühler 7 und 22 im Arbeitsmittel bzw. Dampfstrom auftretenden Temperaturen aufgezeichnet.

Selbstverständlich ist die Erfindung in keiner Weise auf dieses Beispiel beschränkt; es verdeutlicht jedoch, wie für eine Verbesserung der Gesamtwirkung der Anlage in Dampfkreislauf 25 der Erfindung gemäß die Heißwasserkühlung und die Ladeluftkühlung in einfacher und noch zweckdienlicher Weise zusammengeschaltet werden können.

Weiterhin können selbstverständlich die Dampfturbinen 18 und 22 zum Antrieb eines einzigen Generators auf einer Welle vereinigt werden.

Ebenso können die beiden Kondensatoren 17 und 27 sowie die Pumpen 20 und 26 grundsätzlich zu einem einzigen System vereinigt sein. Im letzteren Fall werden dann zusätzlich Regel- und Steuermittel zur zweckmäßigen Mengenaufteilung der beiden dann entstehenden Teilströme notwendig.

Außerdem ist es denkbar, aus einem oder beiden Dampfkreisläufen in bekannter Weise, z. B. durch passendes Anzapfen der jeweiligen Turbinen nach partieller Entspannung, Energie zu Wärmezwecken zu entnehmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschinen-Anlage mit einem aufgeladenen, wassergekühlten Motor, ferner mit mindestens einer Aufladegruppe, in deren Ladeluftleitung mindestens ein Luftkühler vorgesehen ist, und schließlich mit mindestens einem Dampfkreislauf, in dem die Abwärme des Kühlwassers, die Kompressionswärme der komprimierten Ladeluft und die Abgase des Motors der Aufwärmung und Verdampfung des Arbeitsmittels dienen, das mindestens zum Teil zur arbeitsleistenden Entspannung mindestens einer Dampfturbine zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise für die Abwärmeverwertung aus den Abgasen einer erster Dampfkreislauf (13) höheren Druck- und Temperaturniveaus und für die Verwertung der Kompressionswärme der Ladeluft und der Abwärme des Kühlwassers ein zweiter Dampfkreislauf (25) niedrigeren Druck- und Temperaturniveaus vorgesehen sind, daß ferner dieser Niederdruck-Dampfkreislauf (25) zur Erhitzung und Verdampfung des Arbeitsmittels zwei getrennte, von Teilmengen des Arbeitsmittels parallel durchströmte Wärmetauschersysteme aufweist, die den Ladeluftkühler (7) bzw. den Kühlwasserkühler (22) enthalten, und daß schließlich der Kühlwasserkreislauf (21) der Brennkraftmaschine in ebenfalls an sich bekannter Weise als Heißwasser-Kreislauf ausgebildet ist der unter Überdruck steht und Kühlwassertemperaturen über 100° C aufweist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des Arbeitsmittels auf die parallelen Wärmetauschersysteme in Abhängigkeit von der Temperatur der gekühlten Ladeluft am Austritt aus dem Ladeluftkühler (7) und/oder des Kühlwassers am Austritt aus dem Motor (1) geregelt ist.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den parallelen Wärmetauschersystemen für das Arbeitsmittel Drosselorgane (38, 40) vorgesehen sind.

4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der parallelen Wärmetauschersysteme eine eigene Speisepumpe für das Arbeitsmittel vorgesehen ist.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleistung des Kondensators (27) im Niederdruck-Dampf kreislauf (25) regelbar ist.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Niederdruck-Dampfkreislauf (25), vorzugsweise in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor dem Wärmetauscher (7,22) für die Abwärme, ein zusätzlicher Kühler (47) vorgesehen ist.

7. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in einem der Dampfkreisläufe (13, 25) mindestens ein unabhängiger Wärmeverbraucher vorgesehen ist.