DE2847028C2

DE2847028C2 - Brennkraftmaschinenanlage

Info

Publication number: DE2847028C2
Application number: DE2847028A
Authority: DE
Inventors: Anton Illnau Steiger (Schweiz)
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1978-10-25
Filing date: 1978-10-28
Publication date: 1980-12-18
Also published as: IT7926548A0; SE7908812L; FR2439871B1; GB2033017B; FR2439871A1; IT1123877B; DK437279A; DK145242B; JPS5557609A; DE2847028B1; DK145242C; CH632051A5; NL7907785A; GB2033017A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brertnkraftmaschinenanla· ge gemäß Oberbegriff Von Anspruch L

Eine derartige Anlage ist bereits in der CH-AnmeU dung 14 179/77 Vorgeschlagen worden. Bei der Anlage nach diesem Vorschlag dient der Ladeluftkühler als Verdampfer für mindestens einen Teil des Arbeitsmittels des zweiten Dampfkreislaufs, der relativ zum ersten auf einem niedrigeren Druck- und Temperaturniveau arbeitet; bei dieser Anlage wird der erzeugte Dampf vom Ladeluftkühler aus als Sattdampf ohne Überhitzung zur arbeitsleistenden Entspannung einer Dampfturbine bzw. einer Zwischenstufe einer Dafhp.'turbine zugeführt

Als nicht sehr vorteilhaft hat sich bei der erwähnten Anlage erwiesen, daß der bauliche Aufwand für den Ladeluftkühler relativ groß wird, da beispielsweise die Rohrschlange für den Erhitzer relativ umfangreich wird, in dem die Verdampfung des Arbeitsmittels das zweiten Dampfkreislaufs erfolgt

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, unter Beibehaltung der guten Abwärmenutzung, die bei der beschriebenen Anlage an sich erreicht wird, den baulichen Aufwand für den Ladeluftkühler zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst

Im Erhitzer der neuen Anlage wird das flüssige Arbeitsmittel des zweiten Dampfkreislaufs erfindungs-

gemäß so weit aufgeheizt oder »überheizt«, daß mit Hilfe einer Entspannungsverdampfunp die benötigte Dampfmenge in firömungsrichtung erst nach dem Ladeluftkühler ohne eine zusätzliche externe Wärmequelle erzeugt wird. Auf der Basis der Grundkonzeption

der beschriebenen Anlage gelingt es auf diese Weise, den Ladeluftkühler sekundärseitig — wie an sich bekannt, siehe »Schiff- und Hafen/Kommandobrücke« 29 (1977), Heft 5, Seite 488/489 - nur für flüssige Wärmeträgermedien auszulegen, ohne daß dabei die spezifischen Vorteile der diskutierten Anlage verloren gehen.

Die Gesamtnutzung — und insbesondere ihr mechanische Arbeit leistender Anteil — aller Wärmequellen der Brennkraftmaschine kann dabr gesteigert werden, wenn an dem Dampfraum der Trenneinrichtung ein kühlwasserbeheizter Überhitzer für den Dampf des zweiten Dampfkreislaufs vorgesehen ist. wobei es unter Umständen zweckmäßig sein kann, daß das Kühlwasser der Brennkraftmaschine vor der Wärmeabgabe an das Arbeitsmittel de· /weiten Dampfkreislaufs durch den abgasbeheizten Abhitzekessel der Anlage aufgeheizt ist.

Die Bereitstellung des vorgewärmten Kondensats für

den Erhitzer erfolgt zweckmäßigerweise aus der Trenneinrichtung heraus über eine mit einer druckerhöhenden Pumpe ausgerüstete Kondensator-Rückführleitung und/oder durch einen Kondensatvorwärmer, der dem Erhitzer in dem Ladeluftkühler vorgeschaltet ist. Weiterhin bietet sich als zusätzliche Verwendungsmöglichkeit des in der Trenneinrichtung anfallenden vorgewärmten Kondensats ein mit einer Umwälzpumpe versehener, an die Trenneinrichtung angeschlossener Verdampfungskreislauf an, der vom Kühlwasser dei Brennkraftmaschine beheizt ist.

Schließlich kann es zweckmäßig sein, wenn mindestens der Erhitzer für die Arbeitsmittelmengc beider Dämpfkreisläufe ausgelegt ist, und der Arbeitsmittelstrom zwischen Erhitzer und Expansionsorgan auf die beiden Dampfkreisläufe aufgeteilt ist, da dadurch die Wärmeausnützung des Ladeluftkühlers nicht unwesentlieh erhöht wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schema-

tisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage.

Der nur schematisch dargestellten Brennkraftmaschine 1 ist eine Aufladegruppe zugeordnet, deren Ladeluftgebläse 3 aus der Atmosphäre Luft über ein Filter 2 und durch eine Leitung 4 ansaugt und in einer Leitung 6 in die Brennkraftmaschine 1 fördert In der Leitung 6 ist ein Ladeluftkühler 7 für die komprimierte Luft vorgeseb Ra

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

Der Wärmetauscher 12 dient als Verdampfer und Überhitzer für das Arbeitsmittel eines ersten Dampfkreislaufs 13, der mit relativ hohen Drücken arbeitet und der Verwertung der Abgaswärme dient

Das nur ihm zugehörige System zweigt an einer Stelle 15 aus einer Kondensatleitung 16 ab, die bis zu ditsem Punkt dem ersten Dampfkreislauf 13 mit höher liegendem Energiepotential und einem zweiten Dampfkreislauf 25 mit niedriger liegendem Energiepotential gemeinsam ist. Der Aufbau des Dampfkreislaufs 25 wird nachfolgend noch ausführlicher beschrieben.

Im ersten Dampfkreislauf 13 verbindet eine kondensatführende Leitung 14 die Stelle 15 mit einem abgasbeheizten Verdampfer 17, an den ein Flüssigkeitsabscheider 18 anschließt; die in diesem abgeschiedene Flüssigkeit wird über eine Leitung 49 weggeführt und nach teilweiser Verwertung ihres Restwärmeinhalts in den gemeinsamen Arbeitsmittelstrom beider Dampfkreisläufe 13 und 25 zurückgeführt. Der Dampfraum des Flüssigkeitsabscheiders 18 ist mit einem ebenfalls abgasbeheizten Überhitzer 19 verbunden, von dem aus eine Dampfleitung 20 zur Hochdruckseite einer ebenfalls beiden Dampfkreisläufen 13 und 25 gemeinsamen Damp'turbine 32 führt, die einen Generator 33 antreibt.

An der Brennkraftmaschine 1 ist in der Figur weiterhin ein Heißwasserkühlkreislauf 21 vorhanden, der von der Kühlwasserseite her gesehen einen ebenfalls abgasbeheizten, im Abhitzekessel 12 gelegenen Aufhe^;zwärmetauscher 24. einen Kühler 22 und eine Pumpe 23 emhllt. 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 130⁰C die Brennkraftmaschine 1 verläßt — abweichend von üblichen Anlagen —, in der vorliegenden Anlage zunächst im Anheizwärmetauscher 24 auf etwa 133°C aufgeheizt wird, in den Kühler 22 eintritt, in diesem um etwa VJ" auf 120⁰C abgekühlt wird und, von der Pumpe 23 gefördert, in die Brennkraftmaschine 1 zurückfließt.

Da in diesem Kühlwasserkreislauf Verdampfung verhindert werden muß, steht das Kreislaufsystem unter einem Überdruck, der beispielsweise durch einen nicht dargestellten künstliehen Höchtänk mit Hilfe von komprimierter Luft auf 5 ata gehalten wird.

Als wärmeaufnehmendes Medium dient in dem Kühler 22 das Arbeitsmittel des zweiten Dampfkreislaufs 25, das in parallelen Strömen einen Überhitzer 36 und einen Verdampfer 40 durchsetzt. Dieser zweite Dampfkreislauf 25, der relativ zum ersten auf niederem Druck- und Temperaturniveau arbeitet, ist vom Austritt der Dampfturbine 32 bis zum Verzweigungspuiikt 15 mit dem ersten Dampfkreislauf 13 vereinigt; in diesem gemeinsamen Teilbereich ist eine Speisepumpe 26 vorhanden, von der das Arbeitsmittel, im allgemeinen Wasser, aus einem Kondensator 27 zu einem Kondensat-Vorwärmer 28 gefördert wird.

In diesem, in dem Ladeluftkühler 7 liegenden Kondensatvorwärmer 28 wird das kalte Kondensat durch die komprimierte Ladeluft vorgewärmt, ehe es in einem Erhitzer 29 möglichst hoch erhitzt wird, ohne daß eine Dampfbildung eintritt Wärmeabgebendes Medium im Erhitzer 29 ist ebenfalls die komprimierte Ladeluft

Zwischen dem Kondensatvorwärmer 28 und dem Erhitzer 29 mündet eine, vorgewärmtes Kondensat vor den Erhitzer 29 zurückführende Kondensat-Rückführleitung 30 ein. An das stromabwärtige Ende des Erhitzers 29 schließt die bereits erwähnte Kondensatleitung 16 an.

Über den Punkt 15, in dem die Leitung 14 für das vorgeheizte flüssige Arbeitsmittel <*°.s ersten Dampfkreislaufs 13 abz'vtigt, führt die Lesung 16 zu einem Expansionsorgan 31, beispielsweise einem Drosselorgan. In diesem wird ein Teil des Arbeitsmittels, das in dem zweiten Dampfkreislauf 25 zirkuliert, durch Entspannung — bei gleichzeitiger Abkühlung — verdampft Dampf und Restkondensat fließen in der Leitung 16 gemeinsam einer Trenneinrichtung 34 für die Trennung von Dampfund Flüssigkeit zu.

Aus dem Dampfraum dieser Trenneinrichtung 34 führt eine Leitung 35 zum kühlwasserbeheizten Überhitzer 36, von dem aus überhitzter Dampf durch eine Leitung 37 zur arbeitsleistenden Entspannung in eine Zwischenstufe der gemeinsamen Dampfturbine 32 gelangt.

Aus dem Kondensatraum der Trenneinrichtung 34 fördert eine gleichzeitig den durch die Entspannung hervorgerufenen Druckabfall ausgleichende Pumpe 38 das vorgewärmte Kondensat über die Kondensatrückführleitung 30 zurück an die zwischen dem Kondensatvorwärmer 28 und dem Erhitzer 29 gelegene Stelle 39 de* gemeinsamen Teilbereichs der beiden Dampfkreisläufe 13 und 25. Dieses rückgeführte, vorgewärmte Kondensat kann erneut erhitzt und anschließend der Entspannungsverdampfung zugeleitet werden.

Der zusätzlichen Dampferzeugung im zweiten Dampfkreislauf 25 dient der bereits erwähnte kühlwasserbeheizte Verdampfer 40, der über eine kondensatführende Leitung 41 mit der Leitung 30 bzw. dem Kondensatraum der Trenneinrichtung 34 und durch eine Leitung 42 mit dem Dampfraum dieser Trenneinrichtung 34 verbunden !st; der Strom durch den Verdampfer 40 wird dabei mit Hilfe einer in der Leitung 41 gelegenen Umwälzpumpe 43 gewährleistet.

Reicht dei durch das vom Kondensatvorwärmer 28 und Erhitzer 29 zirkulierende Arbeitsmittel hervorgerufene Wärmeentzug nicht aus, die Ladeluft in ausreichendem Maße abzukühlen, so ist, für die Luft am Ende des Luftkühlers 7, ein mit einem externen Kühlmittel mit Hilfe einer Putn^e 44 gekühlter Wärmetauscher 45 vorhanden, wobei das externe Kühlmittel gleichzeitig als wärmeabführendes Medium im Kondensator 27 dient. Zu diesem Zweck ist, für das Kühlmittel parallel zum Wärmetauscher 45, ein Wärmetauscher 46 im Kondensator 27 angeordnet Die Aufteilung des Kühlmittelstroms a if beide Aggregate 45 und 46 erfolgt durch einstellbare Drosselorgane 47 und 48, die nur schematisch dargestellt sind.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das

gezeigte Ausführungsbeispiet beschränkt. Insbesondere können je nach Menge und Temperaturvefteilüng der anfallenden Abwärme auf die Abwärmequellen Kühlwasser und Ladeluft unter Umständen der Verdampfer 40 oder die Kondensatorrückführleitung 30 entfallen und durch eine dieser beiden Möglichkeiten für die Dampferzeugung im zweiten Dämpfkreislauf 25, in Verbindung mit dem Expansionsorgan 31₁ ersetzt sein.

Weiterhin ist es möglich, beide Dampfkreisläufe 13 und 25 unter Umständen stufenweise weiter voneinander zu trennen, beispielsweise· für beide getrennte Kondensatorvorwärmer und -erhitzer oder sogar getrennte Speisepumpen, Kondensatoren und/oder Dampfturbinen vorzusehen.

Weiche der verschiedenen Möglichkeiten für eine Optimale Wärmerückgewinnung mit der neuen Anlage am günstigsten ist, muß aus den Temperaturen und Wärmemengen der beiden Abwärmequellen im einzelnen Fall festue.Ißfrt werden. IJm einen Eindruck ^VOÜ den Dampfkreisläufe (13,25) und eine Dampfturbine (32) für die arbeitsleistende Entspannung des Dampfes vorgese* hen. Von den Dampfkreisläufen arbeitet der erste (13) auf höherem Druck- und Temperaturniveau als der

■i zweite (25) und ist von den Abgasen beheizt. Der zweite Dampfkreislauf (25) nützt die Kompressionswärme der Ladeluft in einem Läclelüftkühlef (7) und die Abwärme des als Heißwasserkreislauf ausgebildeten Kühlkreislaufs der Brennkraftmaschine (1) in einem Überhitzer

(36) und einem Verdampfer (40).

Um die Abmessungen des Ladeluftkühlers (7) klein zu halten, wird flüssiges Arbeitsmittel des zweiten Dampfkreislaufs (25) in einem Erhitzer (29) erhitzt und erst nach seinem Austritt aus diesem im Ladeluftkühler gelegenen Erhitzer (29) mit Hilfe eines Expansionsorgans (31) teilweise verdampft.

In einer Trenneinrichtung (34) werden Dampf und Flüssigkeit voneinander getrennt, wobei der Dampf über den Erhitzer '29Λ der Damnfturbine '32^ zu"e?ührt

gegebenen Temperaturverhältnissen zu vermitteln, sind für eine Versuchsanlage in der Figur die an verschiedenen Stellen vorhandenen Tempefaturwerte in ⁰C eingetragen.

Zusammenfassung

Zur Nutzung der Abwärme der mit einer Aufladgruppe (3, 8) versehenen Brennkraftmaschine (1) sind zwei wird, während das vorgewärmte Kondensat vor dem Erhitzer (29) wieder in den zweiten Dampfkreislauf (25) eingespeist wird.

Zwischen Kondensat- und Dampfraum der Trenneinrichtung (34) ist ein Verdampfungskreislauf mit dem kühlwasserbeheizten Verdampfer (40) vorgesehen.

Das Kühlwasser kann vor seiner Wärmeabgabe durch die Abgase zunächst aufgeheizt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

9R Δ.7 H9R 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 mindestens ein Teil der Abwärme der Brennkraftmaschine mindestens der Erwärmung und Verdampfung eines Arbeitsmittels dient, wobei für die Abwärmeverwertung aus den Abgasen ein erster Dampfkreislauf höheren Druck- und Temperarurniveaus und für die Verwertung der Kompressionswärme der Ladeluft und der Abwärme des Kühlwassers ein zweiter Dampfkreislauf geringeren Druck- und Temperaturniveaus vorgesehen sind, und das Arbeitsmittel mindestens zum Teil zur arbeitsleistenden Entspannung mindestens einer Dampfturbine zugeführt wird, und wobei ferner der Kühlwassf-kreislauf der Brennkraftmaschine als Heißwasstf-Kreislauf ausgebildet ist. der unter Überdruck steht und Kühlwassertemperaturen über 100°C aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Dampfkreislauf (25) für die Verdampfung des Arbeitsmittels ein in dem Ladeluftkühler (7) angeordneter Erhitzer (29) für vorgewärmtes, flüssiges Arbeitsmittel, ein Expansionsorgan (31) für die Dampferzeugung und eine Trenneinrichtung (34) für die Dampf-Flüssigkeitstrennung vorgesehen sind.

2. Anlage nach Anspruch 1. dadjrch gekennzeichnet, daß von der Trenneinrichtung (34) eine mit einer druckerhöhenden Pun.pe(38) /ersehene Kondensat-Rückführleitung (30) voi den Erhitzer (29) führt.

3. Anlage nach einem der . nsprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Erhitzer (29) in dem Ladeluftkühler (7) ein Kondensatvorwärmer (28) vorgeschaltet ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Trenneinrichtung (34) ein mit einer Umwälzpumpe (43) versehener Verdampfungskreislauf angeschlossen ist. der von dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine (1) beheizt ist.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß an dem Dampfraum der Trenneinrichtung (34) ein kühlwasserbeheizter Überhitzer (36) für den Dampf des zweiten Dampfkreislaufs (25) vorgesehen ist.

6. Anlage nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Erhitzer (29) für die Arbeitsmittelmenge beider Dampfkreisläufe (13, 25) ausgelegt is;, und daß der Arbeitsmittelstrom zwischen Erhitzer (29) und Expansionsorgan (31) auf die beiden Dampfkreisläufe (13 und 25) aufgeteilt ist.

7. Anlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ^kennzeichnet, daß das Kühlwasser der Brennkraftmaschine (1) vor der Wärmeabgabe an das Arbeitsmittel des zweiten Dampfkreislaufs (25) durch den abgasbeheizten Abhitzekessel (12) der Anlage aufgeheizt ist.