Dampfkreisprozessvorrichtung und Verfahren zur Steuerung derselben Steam cycle process device and method for controlling the same
Die Erfindung betrifft eine Dampfkreisprozessvorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung derselben, wobei die Dampfkreisprozessvorrichtung insbesondere einen Teil eines Fahrzeugantriebes beziehungsweise eines Hilfsgetriebeantriebes in einem Fahrzeug bildet.The invention relates to a steam cycle device and a method for controlling the same, wherein the steam cycle device in particular forms part of a vehicle drive or auxiliary drive in a vehicle.
Dampfkreisprozesse, beispielsweise ein Clausius-Rankine-Prozess, zur Erzeugung mechanischer Leistung aus einem Wärmestrom sind bekannt und können beispielsweise durch eine separate Brennereinheit in einer Kraft- Wärmekopplungs-Einrichtung angetrieben werden. Für Fahrzeuge werden Dampfkreisprozessvorrichtungen bevorzugt zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine verwendet, wobei je nach Wahl des Arbeitsmittels und der Temperaturführung des Dampfkreisprozesses als Wärmequellen der Kühlwasserstrom der Verbrennungskraftmaschine oder bevorzugt deren Abgasstrom dienen.Steam cycle processes, for example a Clausius-Rankine process, for generating mechanical power from a heat flow are known and can be driven, for example, by a separate burner unit in a combined heat and power device. For vehicles steam cycle processing devices are preferably used to use waste heat of an internal combustion engine, depending on the choice of the working fluid and the temperature control of the steam cycle as heat sources of the cooling water flow of the internal combustion engine or preferably their exhaust gas flow serve.
Die CH 171813 beschreibt eine Dampfkraftanlage mit einem Dampfkreislauf, in dem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels gesehen folgende Bauelemente hintereinander angeordnet sind: eine Speisepumpe, ein Verdampfer, einThe CH 171813 describes a steam power plant with a steam cycle, in which, viewed in the flow direction of the working fluid, the following components are arranged one behind the other: a feed pump, an evaporator, a
Überhitzer, eine Dampfturbine, ein Kondensator sowie ein Arbeitsmittelbehälter. In Strömungsrichtung vor der Dampfturbine ist ein Absperrventil angeordnet, mittels dem der Zustrom an verdampften Arbeitsmittel zur Dampfturbine vollkommen unterbrochen werden kann. Stromab der Speisepumpe ist ein erster Bypass zum Abzweigen eines Teilstroms an flüssigem Arbeitsmittel vorgesehen. Weiterhin ist ein zweiter Bypass vorhanden, mittels dem dampfförmiges Arbeitsmittel an der Dampfturbine vorbeigeleitet werden kann. Beide Bypässe sind über entsprechende Steuerventile strömungsleitend miteinander verbindbar. Dabei wird der zweite Bypass immer dann geöffnet, wenn das Absperrventil in der Zuleitung zur Dampfturbine geschlossen wird und die Dampfturbine stillgesetzt werden soll oder wenn Druckspitzen im Dampfkreislauf infolge des Schließens des Absperrventils auftreten. Da im Fall des Schließens des Absperrventils das
verdampfte Arbeitsmittel in der Zuleitung ruhen würde, würde der Überhitzer aufgrund des stetig steigenden Wärmeeintrags zerstört werden - denn die Wärmeenergie zum Überhitzen des Dampfes wird nicht an das strömende Arbeitsmittel übertragen und von diesem abgeführt. Aus diesem Grund werden beim Schließen des Absperrventils die Steuerventile im ersten und zweitenSuperheater, a steam turbine, a condenser and a working fluid container. In the flow direction in front of the steam turbine, a shut-off valve is arranged, by means of which the influx of vaporized working fluid to the steam turbine can be completely interrupted. Downstream of the feed pump, a first bypass is provided for branching off a partial flow of liquid working fluid. Furthermore, a second bypass is provided by means of which vaporous working fluid can be conducted past the steam turbine. Both bypasses can be connected to one another in a flow-conducting manner via corresponding control valves. In this case, the second bypass is always opened when the shut-off valve is closed in the supply line to the steam turbine and the steam turbine is to be stopped or when pressure peaks occur in the steam cycle as a result of closing the shut-off valve. Since in the case of closing the shut-off valve evaporated working fluid would rest in the supply line, the superheater would be destroyed due to the ever increasing heat input - because the heat energy to overheat the steam is not transmitted to the flowing working fluid and discharged from this. For this reason, when closing the shut-off valve, the control valves in the first and second
Bypass derart geschaltet, dass das verdampfte Arbeitsmedium in Bewegung bleibt (strömt) und um die Dampfturbine herumgeleitet wird. Gleichzeitig wird Fall durch Öffnen entsprechender Steuerventile flüssiges Arbeitsmedium aus dem ersten Bypass stromab der Speisepumpe dem verdampften, an der Dampfturbine vorbeigeführten Arbeitsmittel zur Kühlung in der Verbindungsleitung beider Bypässe zugeführt. Das verdampfte, vorbeigeführte Arbeitsmedium kollabiert hierbei in der Verbindungsleitung und wird anschließend über den zweiten Bypass dem Kondensator zum weiteren Entziehen von Wärme zugeführt. Die beiden Bypässe stellen somit lediglich eine Sicherheitseinrichtung zum Verhindern der Zerstörung des Überhitzers und dienen weiterhin dem Vermindern von Druckspitzen im Kreislauf infolge des Schließens des Ventils in der Frischdampfzuleitung zum Expander. Mit dieser Anordnung wird ausdrücklich keine Leistungsregelung des Expanders zur Verfügung gestellt.Bypass switched so that the vaporized working fluid remains in motion (flows) and is passed around the steam turbine. At the same time case is opened by opening corresponding control valves liquid working fluid from the first bypass downstream of the feed pump to the vaporized, guided past the steam turbine working fluid for cooling in the connecting line of both bypasses. The vaporized, bypassed working medium thereby collapses in the connecting line and is then fed via the second bypass to the condenser for further removal of heat. The two bypasses thus provide only a safety device to prevent the destruction of the superheater and continue to serve to reduce pressure peaks in the circuit due to the closing of the valve in the live steam supply to the expander. With this arrangement, no power control of the expander is expressly provided.
Zur Leistungssteuerung von Dampfkreisprozessen wird durch die DE 102 29 250 A1 eine Regelung des Volumenstroms des Arbeitsmittels zum Verdampfer vorgeschlagen. Dies setzt eine Arbeitsmittelpumpe mit variablem Fördervolumen voraus, um einen vorgegebenen Volumenstrom- und/oder Drucksollwert für das Arbeitsmittel in der Zuleitung zum Verdampfer einzustellen. Zur Realisierung dieser Vorgabe kann der Arbeitsmittelpumpe ein drehzahlvariabler Antrieb zugeordnet werden, was für eine elektrisch betriebene Pumpe einen Elektromotor notwendig macht, der jedoch für einen Fahrzeugantrieb aufgrund des erforderlichen Bauraumerfordemisses nachteilig ist. Ferner stellt dieser einen zusätzlichen elektrischen Verbraucher dar. Ist die Dampfkreisprozessvorrichtung Teil eines Fahrzeugantriebs mit einer Verbrennungskraftmaschine, so kann alternativ die Arbeitsmittelpumpe mittels einer Regelkupplung drehzahlvariabel von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden. Allerdings ist auch diese
Lösung konstruktiv aufwendig, hinsichtlich des Wirkungsgrades ungünstig und erfordert Bauraum für die zusätzliche Regelkupplung.For power control of steam cycle processes, a regulation of the volume flow of the working fluid to the evaporator is proposed by DE 102 29 250 A1. This requires a working fluid pump with variable delivery volume to set a predetermined volume flow and / or pressure setpoint for the working fluid in the supply line to the evaporator. To realize this requirement, the working fluid pump can be assigned a variable-speed drive, which makes an electric motor necessary for an electrically operated pump, but which is disadvantageous for a vehicle drive due to the required Bauraumerfordemisses. Furthermore, this represents an additional electrical load. If the steam cycle process device is part of a vehicle drive with an internal combustion engine, then alternatively the working fluid pump can be driven by a variable speed clutch from the internal combustion engine. However, this is also Solution structurally complex, unfavorable in terms of efficiency and requires space for the additional control clutch.
Weitere Steuerungen für den Volumenstrom des Arbeitsmittels in der Zuleitung zum Verdampfer sind aus der US 4,573,323 und der US 4,020,637 bekannt. Aus der erstgenannten Druckschrift geht eine Anordnung mehrerer Pumpen hervor, die Arbeitsmittel aus einem Reservoir beziehungsweise aus einem Zwischenbehälter entnehmen, der zwischen einem Verdampfer und einem Überhitzer für die Dampfphase des Arbeitsmittels angeordnet ist. Eine dieser Pumpen ist als steuerbare Injektor-Pumpe ausgebildet, die einer mit konstanter Geschwindigkeit angetriebenen Pumpe vorgelagert ist, deren Fördervolumen eine Funktion der eingangs-zu-ausgangsseitigen Druckdifferenz ist. Je nach Einstellung der Injektor- Pumpe wird entweder Arbeitsmittel aus dem Zwischenbehälter oder dem Reservoir der nachfolgenden Pumpe zugeführt. Mit dieser insbesondere für die Betriebsaufnahme des Dampfkreisprozesses vorgesehenen Vorrichtung ist es nicht möglich, den Volumenstrom des Arbeitsmittels zum Verdampfer im Sinne einer Leistungsregelung für den Dampfkreisprozess genau anzupassen.Further controls for the volume flow of the working fluid in the supply line to the evaporator are known from US 4,573,323 and US 4,020,637. From the first-mentioned document, an arrangement of several pumps is apparent, remove the working fluid from a reservoir or from an intermediate container, which is arranged between an evaporator and a superheater for the vapor phase of the working fluid. One of these pumps is designed as a controllable injector pump, which is preceded by a pump driven at a constant speed, the delivery volume is a function of the input-to-output pressure difference. Depending on the setting of the injector pump either working fluid from the intermediate container or the reservoir of the subsequent pump is supplied. With this particular intended for the start of operation of the steam cycle process device, it is not possible to precisely adjust the flow rate of the working fluid to the evaporator in terms of power control for the steam cycle.
Aus der voranstehend genannten US 4,020,637 ist eine Dampfkreisprozessvorrichtung bekannt, die durch eine Brennereinheit angetrieben wird. Ein Teil der am Expander erzeugten mechanischen Leistung wird zum Antrieb von Pumpen für das Arbeitsmittel zum Verdampfer und für die Kraftstoffzufuhr zur Brennereinheit verwendet. Durch diese Maßnahme besteht im Normalbetrieb ein Gleichgewicht zwischen der Leistungsabgabe am Expander und der hierfür notwendigen Dampfzufuhr, die wiederum vom Druck in der Arbeitsmittelleitung und der Brennertemperatur abhängt. Tritt eine Störung dieses Gleichgewichts ein, so werden Ventile in Bypassleitungen an den Pumpen geöffnet, die eine Rezirkulation des Arbeitsmittels beziehungsweise des Brennstoffs zur Pumpeneingangsseite ermöglichen. Die Ventile in den Bypassleitungen funktionieren als Wegeventile, das heißt als Schalter, die einen Ein- und einen Aus-Zustand einnehmen können. Ferner liegen in denFrom the aforementioned US 4,020,637 a steam cycle apparatus is known, which is driven by a burner unit. Part of the mechanical power generated at the expander is used to drive pumps for the working fluid to the evaporator and for the fuel supply to the burner unit. By this measure, there is a balance between the power output on the expander and the necessary steam supply in normal operation, which in turn depends on the pressure in the working fluid line and the burner temperature. If a disturbance of this equilibrium occurs, valves are opened in bypass lines on the pumps, which allow a recirculation of the working fluid or of the fuel to the pump input side. The valves in the bypass lines function as directional valves, that is, as switches that can assume an on and an off state. Furthermore, lie in the
Bypassleitungen Drosselstellen vor, um das Druckgefälle an der Pumpe aufrechtzuerhalten. Aufgrund der Gestaltung der offenbarten Bypassleitungen wird
im Falle der Öffnung der Bypassleitung lediglich eine Druckspitze abgebaut, so dass die offenbarte Vorrichtung keine Regelung des Volumenstroms und/oder des Drucks des Arbeitsmittels in der Zuleitung zum Verdampfer entlang einer Sollkurve ermöglicht, stattdessen werden lediglich im Fall eines Überdrucks die voranstehend beschriebenen Maßnahmen getroffen. Entsprechendes gilt für die Pumpeneinrichtung in der Zuleitung zum Brenner.Bypass lines restrictor to maintain the pressure drop across the pump. Due to the design of the disclosed bypass lines in the case of the opening of the bypass line, only a pressure peak degraded, so that the disclosed device does not allow control of the volume flow and / or pressure of the working fluid in the supply line to the evaporator along a setpoint curve, instead, the measures described above are taken only in the case of overpressure. The same applies to the pump device in the supply line to the burner.
Die Offenlegungsschrift DE 195 24 171 A1 beschreibt einen Niedrigtemperaturmotor (Kältekraftmaschine) zum Antreiben von Arbeitsmaschinen mit einem Gas als Arbeitsmittel. Dabei wird flüssiges Gas mittels einer Pumpe gefördert und einem Verdampfer zugeführt. Das verdampfte Gas verrichtet in einer Entspannungsmaschine Arbeit und wird nachfolgend in einem Entspannungsorgan (Kondensator) abgekühlt und verflüssigt. Das verflüssigte Arbeitsmittel wird danach einem Flüssigkeitssammler (Tank) zugeführt und von dort wieder über die Pumpe gefördert. Weiterhin ist ein Bypass vorgesehen, der in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels gesehen hinter der Pumpe, einen Teil des flüssigen Arbeitsmittels abzweigt und diesen dem bereits entspannten, abgekühlten und somit flüssigem Arbeitsmittel, das aus dem Kondensator strömt, zuführt. Somit wird ein Teil des aus der Pumpe strömenden Arbeitsmittels direkt dem Flüssigkeitssammler zugeführt.The published patent application DE 195 24 171 A1 describes a low-temperature engine (refrigerating machine) for driving working machines with a gas as working fluid. In this case, liquid gas is conveyed by means of a pump and fed to an evaporator. The vaporized gas performs work in a flash machine and is subsequently cooled and liquefied in a flash (condenser). The liquefied working fluid is then fed to a fluid collector (tank) and conveyed from there via the pump again. Furthermore, a bypass is provided, seen in the flow direction of the working fluid behind the pump, branches off a part of the liquid working fluid and this the already relaxed, cooled and thus liquid working fluid flowing from the condenser, supplies. Thus, a portion of the working fluid flowing out of the pump is supplied directly to the fluid collector.
Alternativ kann die Arbeitsmittelpumpe drehstarr von derAlternatively, the working fluid pump rotatably from the
Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden. Bei einem solchen Antrieb läuft die Arbeitsmittelpumpe in Abhängigkeit der Verbrennungskraftmaschinendrehzahl um, so dass der geförderte Arbeitsmittelvolumenstrom proportional zur Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine ist. Um auch bei niedrigen bis mittleren Motordrehzahlen einen ausreichend hohen Arbeitsmittelvolumenstrom zur Speisung des Verdampfers beziehungsweise des Expanders zu erhalten, werden entsprechend größer dimensionierte Pumpen eingesetzt. Dies bedeutet aber auch, dass aufgrund der drehstarren Kopplung bei Maximaldrehzahlen des Motors auch ein dementsprechend hoher Arbeitsmittelvolumenstrom zum Verdampfer erzeugt wird. Der von der Arbeitsmittelpumpe geförderte
Arbeitsmittelvolumenstrom ist somit deutlich größer als der benötigte Volumenstrom für den Verdampfer beziehungsweise den Expander.Internal combustion engine to be driven. In such a drive, the working fluid pump runs in response to the internal combustion engine speed, so that the funded working fluid flow is proportional to the speed of the internal combustion engine. In order to obtain a sufficiently high working medium volume flow for feeding the evaporator or the expander even at low to medium engine speeds, correspondingly larger-sized pumps are used. However, this also means that due to the torsionally rigid coupling at maximum speeds of the engine, a correspondingly high working medium volume flow to the evaporator is generated. The subsidized by the working fluid pump Working medium volume flow is thus significantly greater than the required volume flow for the evaporator or the expander.
Da damit der Fördervolumenstrom immer proportional zur Motordrehzahl und nicht zur anfallenden Wärmemenge ist, ist mit diesem System keine optimale Führung der Dampf parameter möglich. Durch die nicht optimale Prozessführung erhöht sich die vom Kondensator abzuführende Wärmemenge im Verhältnis zur Nutzleistung des Dampfprozesses. Dies ist besonders nachteilig bei der Verwendung der Dampfkreisvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, da dort der zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt ist und größere und schwerere Komponenten zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führen.Since thus the delivery volume flow is always proportional to the engine speed and not to the accumulating amount of heat, with this system no optimal management of the steam parameters possible. Due to the non-optimal process control, the amount of heat to be dissipated by the condenser increases in relation to the net power of the steam process. This is particularly disadvantageous in the use of the steam cycle device in a motor vehicle, since there the available space is limited and larger and heavier components lead to higher fuel consumption.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfkreisprozessvorrichtung sowie ein Verfahren zur Steuerung derselben anzugeben, die es ermöglichen, insbesondere für Anwendungen in einem Kraftfahrzeug beziehungsweise dessen Antriebsstrang den Kondensator kleiner und leichter als bisher ausführen. Bevorzugt soll zugleich auf eine separate, drehzahlvariabel einstellbare Antriebsmaschine für die Arbeitsmittelpumpe verzichtet werden können und dennoch das Fördervolumen des dem Verdampfer beziehungsweise Expander zugeführten Arbeitsmittels zum Zweck einer Leistungsanpassung variabel gestaltet, beziehungsweise der Druck des Arbeitsmittels in der Zuleitung zum Verdampfer entsprechend einer Sollvorgabe eingestellt werden können. Dabei wird eine konstruktiv und fertigungstechnisch einfache Lösung gesucht, welche einen geringen Bauraum beansprucht und darüber hinaus energieeffizient arbeitet.The invention has for its object to provide a Dampfkreisprozessvorrichtung and a method for controlling the same, which make it possible, especially for applications in a motor vehicle or its drive train, the capacitor smaller and lighter than previously run. Preferably, at the same time can be dispensed with a separate, variable-speed adjustable drive machine for the working fluid pump and yet the delivery volume of the evaporator or expander supplied working fluid for the purpose of power adjustment made variable, or the pressure of the working fluid in the supply line to the evaporator can be adjusted according to a target specification , In this case, a structurally and production-technically simple solution is sought, which takes up a small space and also works energy-efficient.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Dampfkreisprozessvorrichtung und ein Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.The object according to the invention is achieved by a steam cycle device and a method according to the independent claims. The dependent claims represent preferred embodiments of the invention.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch eine Abzweigung wenigstens eines Teils des Arbeitsmittelvolumenstroms stromauf der Arbeitsmittelpumpe und Zuführung des abgezweigten Teils zum den Expander stromab verlassenden Arbeitsmittel,
die Wärmeabführfläche verringert und der Kondensator baulich kleiner ausgeführt werden kann.The inventors have recognized that by branching off at least part of the working medium volume flow upstream of the working medium pump and feeding the diverted part to the working fluid leaving the expander downstream, reduces the Wärmeabführfläche and the capacitor can be structurally made smaller.
Eine erfindungsgemäße Dampfkreisprozessvorrichtung umfasst ein Reservoir für ein flüssiges Arbeitsmittel sowie einen Verdampfer, in dem das Arbeitsmittel durch Wärmezufuhr verdampft wird, wobei das dampfförmige Arbeitsmittel einem Expander zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt und nachfolgend in einem Kondensator verflüssigt wird, der mit dem Reservoir in Verbindung steht. Erfindungsgemäß ist eine Arbeitsmittelpumpe zur Zufuhr von Arbeitsmittel aus dem Reservoir zum Verdampfer vorgesehen. Dabei wird in Arbeitsmittelflussrichtung vor oder im Bereich des Kondensators flüssiges Arbeitsmittel dem aus dem Expander austretendem Arbeitsmittel zugeführt.A steam cycle device according to the invention comprises a reservoir for a liquid working fluid and an evaporator in which the working fluid is vaporized by supplying heat, the vaporous working fluid being fed to an expander for relaxation and mechanical work and subsequently liquefied in a condenser communicating with the reservoir stands. According to the invention, a working fluid pump for supplying working fluid from the reservoir to the evaporator is provided. In this case, in the working fluid flow direction before or in the region of the condenser, liquid working fluid is supplied to the working fluid emerging from the expander.
Auch wenn die Erfindung besonders vorteilhaft bei Kraftfahrzeugen, insbesondere Schienen-, Lastkraft- oder Personenwagen, verwendet werden kann, ist es auch denkbar die erfindungsgemäße Dampf kreisprozessvorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren bei anderen mobilen Einrichtungen oder stationären Anlagen, insbesondere zur Abgasenergierückgewinnung in Industrieanlagen einzusetzen. Beispielsweise könnte der Expander dann zum Antrieb von Aggregaten eingesetzt werden.Even if the invention can be used particularly advantageously in motor vehicles, especially rail, truck or passenger cars, it is also conceivable to use the steam cycle apparatus according to the invention or the control method according to the invention in other mobile devices or stationary systems, in particular for exhaust gas energy recovery in industrial plants. For example, the expander could then be used to drive aggregates.
Besonders vorteilhaft ist eine Bypassleitung zur Zuführung des flüssigen Arbeitsmittels vorgesehen, welche eine Verbindung zwischen einer Ausgangsseite der Arbeitsmittelpumpe und einer Eingangsseite des Kondensators herstellt. Dabei kann die Bypassleitung zum Beispiel direkt im Druckraum der Arbeitsmittelpumpe münden, also innerhalb der Arbeitsmittelpumpe angeordnet sein oder aber in einer Verbindungsleitung zum Verdampfer. Ebenso kann das andere Ende der Bypassleitung direkt im Kondensator oder in einer Leitung in Arbeitsmitteflussrichtung vor dem Kondensator münden.Particularly advantageous is a bypass line for supplying the liquid working fluid is provided, which establishes a connection between an output side of the working fluid pump and an input side of the capacitor. In this case, the bypass line, for example, open directly in the pressure chamber of the working fluid pump, so be disposed within the working fluid pump or in a connecting line to the evaporator. Likewise, the other end of the bypass line may open directly in the condenser or in a line in the working direction before the condenser.
Eine weitere, bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Bypassleitung mit ihrem einen Ende in einer Leitung zwischen Expander und Kondensator mündet.
Eine solche Mündung kann beispielsweise als T-förmiges Verbindungsrohr ausgeführt sein. Aber auch andere Formen sind denkbar.A further, preferred embodiment provides that the bypass line opens with its one end in a line between the expander and the condenser. Such an orifice may for example be designed as a T-shaped connecting pipe. But other forms are conceivable.
Ferner wird eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der die Bypassleitung mit ihrem einen Ende direkt im Expander mündet. Die Mündung kann zum Beispiel imFurthermore, an embodiment is preferred in which the bypass line opens with its one end directly in the expander. The mouth can, for example, in
Auslassbereich, also stromab des Expansionsraumes des Expanders vorgesehen sein, so dass die Zufuhr von flüssigem, am Verdampfer vorbeigeleiteten Arbeitsmittel im Expandergehäuse erfolgt.Outlet area, so be provided downstream of the expansion space of the expander, so that the supply of liquid, passed by the evaporator working fluid takes place in the expander.
Gemäß den obigen Ausführungsformen liegt das über die Bypassleitung dem Austritt des Expanders bzw. dem Eintritt des Kondensators zugeführte Arbeitsmittel dabei im Wesentlichen in einem (einzigen) Aggregatzustand vor, nämlich dem flüssigen. Dabei bedeutet ein einziger Aggregatzustand, dass angenommen wird, dass sich die Zustandsgrößen des Arbeitsmittels nicht plötzlich ändern können, wie dies z.B. bei Kavität der Fall ist. Die Mischung der flüssigen Phase des über die Bypassleitung abgezweigten Arbeitsmittels mit der dampfförmigen Phase des Abdampfs des Expanders erfolgt erst in der den Abdampf des Expanders führenden Leitung bzw. im Kondensator.According to the above embodiments, the working medium supplied via the bypass line to the outlet of the expander or to the inlet of the condenser is essentially in a (single) physical state, namely the liquid state. In this case, a single state of aggregation means that it is assumed that the state variables of the working medium can not change suddenly, as described e.g. in the case of cavity. The mixture of the liquid phase of the branched off via the bypass line working fluid with the vaporous phase of the exhaust steam of the expander takes place only in the exhaust steam of the expander leading line or in the condenser.
Die Zuführung von flüssigem, vom Verdampfer abgezweigten Arbeitsmittel zu dem den Expander verlassenden, in der Regel vollständig dampfförmigen Arbeitsmittel, hat den Vorteil, dass der Dampf kondensiert beziehungsweise wenigstens teilweise verflüssigt wird. Durch das Zusammenbrechen des Dampfes an der Stelle der Zuführung des flüssigen Arbeitsmittels ergibt sich ein verbesserter Wärmeübergang sowie ein verringertes Volumen des aus dem Expander in den Kondensator strömenden Arbeitsmittels, so dass die Wärmeüberträgerfläche zur Abfuhr der Abwärme im Kondensator kleiner ausgeführt werden kann. Dadurch kann im Kondensator trotz kleinerer Dimensionierung wenigstens die gleiche Wärmemenge wie bei herkömmlichen größeren Kondensatoren ohne Zufuhr von flüssigem Arbeitsmittel abgeführt werden.
Besonders vorteilhaft wird im Bereich der Zufuhr des flüssigen Arbeitsmediums zu dem Expander verlassenden Arbeitsmedium die Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen Arbeitsmediums vergrößert. Eine Vergrößerung der Flüssigkeitsoberfläche kann beispielsweise durch Zerstäuben des abgezweigten flüssigen Arbeitsmediums erfolgen. Hierzu kann beispielsweise nach Art eines Aerosols dem flüssigen Arbeitsmittel Luft zugeführt werden, so dass ein Sprühnebel entsteht. Eine solche Zerstäubung kann zum Beispiel mittels einer Venturi-Düse erfolgen. Auch kann lediglich mittels hohen Druckes das flüssige Arbeitsmittel durch eine geeignete Düse in eine Art Sprühstrahl überführt werden. Der Vorteil einer Zerstäubung liegt auch darin, dass das den Expander verlassende Arbeitsmittel besser mit dem zugeführten flüssigen Arbeitsmittel vermischt wird.The supply of liquid, diverted from the evaporator working fluid to the expander leaving, usually completely vaporous working fluid has the advantage that the steam is condensed or at least partially liquefied. The collapse of the vapor at the point of supply of the liquid working fluid results in an improved heat transfer and a reduced volume of working fluid flowing from the expander into the condenser, so that the heat transfer surface can be made smaller to dissipate the waste heat in the condenser. As a result, at least the same amount of heat as in conventional larger capacitors without supply of liquid working fluid can be dissipated in the capacitor despite smaller dimensions. Particularly advantageously, in the region of the supply of the liquid working medium to the expander leaving working medium, the liquid surface of the liquid working medium is increased. An enlargement of the liquid surface can be done for example by atomizing the branched liquid working medium. For this purpose, for example, air can be supplied to the liquid working medium in the manner of an aerosol, so that a spray mist is formed. Such atomization can be done for example by means of a Venturi nozzle. Also, only by means of high pressure, the liquid working fluid can be transferred through a suitable nozzle in a kind of spray. The advantage of atomization also lies in the fact that the working fluid leaving the expander is better mixed with the supplied liquid working fluid.
Auch ist es denkbar, das den Dampf führende Rohr im Bereich des Zusammenführens von flüssigem und dampfförmigem Arbeitsmittel auf der Innenseite mit flüssigem Arbeitsmittel zu benetzen.It is also conceivable to wet the tube carrying the vapor in the region of the merging of liquid and vaporous working medium on the inside with liquid working medium.
In der Bypassleitung kann ein steuerbares Ventil vorgesehen sein, mittels dem der Druck und/oder Volumenstrom des Arbeitsmediums in der Zuleitung zum Verdampfer (indirekt) geregelt/gesteuert wird. Dabei wird die Arbeitsmittelmenge, also der in den Verdampfer strömende Volumenstrom des (flüssigen) Arbeitsmediums in Abhängigkeit der Temperatur des den Verdampfer verlassenden (dampfförmigen) Arbeitsmediums variiert, indem ein bestimmter Teil-Volumenstrom an flüssigem Arbeitsmittels, mittels des Bypasses abgezweigt und am Verdampfer vorbeigeleitet, dem Austritt des Expanders oder dem Eintritt des Kondensators zugeführt wird. Der abgezweigte Volumenstrom kann z.B. durch Ändern des Öffnungsquerschnitts des steuerbaren Ventils eingestellt werden. In anderen Worten wird der Öffnungsquerschnitt des Ventils in der Bypassleitung in Abhängigkeit der Temperatur des den Verdampfer verlassenden Arbeitsmittels variiert, um mehr oder weniger flüssiges Arbeitsmittel zu verdampfen. Hierdurch wird eine Zufluss-Steuerung, also eine indirekte
Einstellung des Druckes oder Volumenstromes des verdampften Arbeitsmittels in Abhängigkeit des flüssigen Arbeitsmittels erzielt.In the bypass line, a controllable valve may be provided, by means of which the pressure and / or flow rate of the working medium in the supply line to the evaporator (indirectly) is controlled / controlled. In this case, the amount of working fluid, ie, the volume flow of the (liquid) working medium flowing into the evaporator is varied as a function of the temperature of the (vaporous) working medium leaving the evaporator, by diverting a certain partial volume flow of liquid working fluid, bypassing the evaporator and bypassing the evaporator, the outlet of the expander or the inlet of the capacitor is supplied. The diverted volume flow can be adjusted, for example, by changing the opening cross-section of the controllable valve. In other words, the opening cross section of the valve in the bypass line is varied as a function of the temperature of the working fluid leaving the evaporator in order to evaporate more or less liquid working fluid. As a result, an inflow control, ie an indirect Adjustment of the pressure or volume flow of the vaporized working fluid as a function of the liquid working medium achieved.
Dazu können entsprechende Sensoren vorgesehen sein, die die (aktuellen) Größen des Arbeitsmittels (Druck, Temperatur, geförderter oder über dieFor this purpose, appropriate sensors may be provided, the (current) sizes of the working fluid (pressure, temperature, subsidized or on the
Bypassleitung abgezweigter Volumen- oder Massenstrom) des Arbeitsmittels in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor und/oder nach dem Verdampfer oder vor dem Expander aufnehmen und diese zur Auswertung über geeignete Leitungen an eine entsprechende Regel-/Steuereinrichtung übermitteln. Natürlich können diese Sensoren im Verdampfer, Expander oder den entsprechendenBypass line diverted volume or mass flow) of the working fluid in the flow direction of the working fluid before and / or after the evaporator or in front of the expander record and transmit them for evaluation via suitable lines to a corresponding control / control device. Of course, these sensors can be in the evaporator, expander or the corresponding
Verbindungsleitungen zum Verdampfer oder Expander selbst eingebracht sein.Connecting lines to the evaporator or expander itself be introduced.
Mittels der Regel-/Steuereinrichtung kann der Druck und/oder Volumenstrom des im Verdampfer erzeugten dampfförmigen Arbeitsmediums zum Expander in Abhängigkeit der Leistungsanforderung am Expander eingestellt beziehungsweise variiert werden. Dabei kann der Volumenstrom und/oder Druckverlauf des Arbeitsmittels in der Zuleitung zum Verdampfer (und damit der Volumenstrom und/oder Druckverlauf des verdampften Arbeitsmediums zum Expander) einer vorbestimmten Sollkurve folgen, die über die Regel-/Steuereinrichtung eingestellt werden kann. Hierdurch kann die Abwärmenutzung der Verbrennungskraftmaschine für jeden Betriebspunkt derBy means of the regulating / control device, the pressure and / or volume flow of the vaporous working medium produced in the evaporator can be adjusted or varied to the expander depending on the power requirement on the expander. In this case, the volume flow and / or pressure profile of the working fluid in the supply line to the evaporator (and thus the flow and / or pressure profile of the vaporized working medium to the expander) follow a predetermined setpoint curve, which can be adjusted via the control / regulating device. As a result, the waste heat utilization of the internal combustion engine for each operating point of the
Verbrennungskraftmaschine optimal genutzt werden. Zum Beispiel kann in einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine, in dem relativ viel Wärme anfällt (hohe Motorlast, hohe Motordrehzahl) der über den Bypass abgezweigte flüssige Arbeitsmittelvolumenstrom dem aus dem Expander austretenden Arbeitsmittel (Dampf) zugeführt werden, wodurch der Dampf zusammenbricht und verflüssigt.Internal combustion engine can be optimally used. For example, at an operating point of the internal combustion engine in which relatively much heat is obtained (high engine load, high engine speed) of bypassed via the bypass liquid working fluid flow to the expander emerging from the working medium (steam) are supplied, whereby the vapor collapses and liquefied.
Eine solche Regelung/Steuerung kann vorzugsweise stets, also während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine und besonders dann, wenn verhältnismäßig besonders viel Abwärme anfällt, erfolgen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung einer Dampfkreisprozessvorrichtung variiert der von der Arbeitsmittelpumpe geförderte Arbeitsmittelvolumenstrom unabhängig von einem Sollwert für den Druck und/oder den Volumenstrom des Arbeitsmittels zum Verdampfer, und der dem Verdampfer und/oder Expander zugeführte Arbeitsmittelvolumenstrom dadurch geregelt und/oder gesteuert, dass ein Teil des Arbeitsmittelvolumenstromes aus der Arbeitsmittelpumpe dem aus dem Expander austretenden Arbeitsmittel zugeführt wird und somit nicht in den Verdampfer gelangt.Such a regulation / control can preferably always, ie during operation of the internal combustion engine and especially when relatively particularly much waste heat, take place. In a method according to the invention for controlling a steam circuit process device, the working medium volume flow conveyed by the working medium pump varies independently of a desired value for the pressure and / or the volume flow of the working medium to the evaporator, and the working medium volume flow supplied to the evaporator and / or expander is regulated and / or controlled by a part of the working medium volume flow from the working fluid pump is supplied to the emerging from the expander working fluid and thus does not enter the evaporator.
Bevorzugt kann der Betrag des Teiles des ArbeitsmittelvolumenstromesPreferably, the amount of the part of the working medium volume flow
(Teilvolumenstrom) aus der Arbeitsmittelpumpe, der dem aus dem Expander austretenden Arbeitsmittel zugeführt wird, in Abhängigkeit der Temperatur des aus dem Verdampfer austretendem Arbeitsmittels eingestellt wird. Dies bedeutet, dass die Höhe des Teilvolumenstromes mittels des Öffnungsquerschnitts des regelbaren Steuerventils und in Abhängigkeit der Temperatur des verdampften oder überhitzten Arbeitsmittels nach dem Verdampfer eingestellt werden kann.(Partial volume flow) from the working fluid pump, which is supplied to the emerging from the expander working fluid is adjusted in dependence on the temperature of the exiting the evaporator working fluid. This means that the height of the partial volume flow can be adjusted by means of the opening cross section of the controllable control valve and depending on the temperature of the vaporized or superheated working fluid after the evaporator.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren exemplarisch erläutert werden.The invention will be explained below by way of example with reference to embodiments and the accompanying figures.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 schematisch vereinfacht eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Dampfkreisprozessvorrichtung.FIG. 1 schematically simplifies an embodiment of a steam cycle device according to the invention.
Figur 2 eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßenFigure 2 shows a further embodiment of an inventive
Dam pf kreisprozessvorrichtu ng .Dam pfkreisprozessvorrichtu ng.
Figur 1 zeigt schematisch vereinfacht die Grundkomponenten einer Dampfkreisprozessvorrichtung. Aus einem Reservoir 5 wird flüssiges Arbeitsmittel mittels einer Arbeitsmittelpumpe 1 zum Verdampfer 2 gepumpt. Im Verdampfer 2 erfolgt die Verdampfung des Arbeitsmittels, wobei die hierfür notwendige
thermische Energie aus einer im Einzelnen nicht dargestellten Brennereinheit zugeführt wird. Besonders bevorzugt ist die Dampfkreisprozessvorrichtung Teil eines Fahrzeugantriebs mit einer Verbrennungskraftmaschine, deren Abwärme das Arbeitsmittel im Verdampfer 2 erhitzt. Dabei kommen insbesondere die Abgase einer Verbrennungskraftmaschine in Betracht, wobei die hierfür notwendigen Komponenten zur Vereinfachung der Darstellung im Einzelnen nicht in Figur 1 gezeigt sind. Der Verdampfer 2 kann mehrstufig aufgebaut werden, insbesondere kann eine Überhitzungseinheit für die Dampfphase vorgesehen sein.FIG. 1 shows schematically the basic components of a steam cycle device. From a reservoir 5 liquid working fluid is pumped by means of a working fluid pump 1 to the evaporator 2. In the evaporator 2, the evaporation of the working fluid, wherein the necessary for this thermal energy is supplied from a burner unit, not shown in detail. Particularly preferably, the steam cycle device is part of a vehicle drive with an internal combustion engine whose waste heat heats the working fluid in the evaporator 2. In particular, the exhaust gases of an internal combustion engine come into consideration, wherein the components necessary for the simplification of the representation are not shown in detail in Figure 1. The evaporator 2 can be constructed in several stages, in particular, a superheating unit for the vapor phase can be provided.
Das Arbeitsmittel wird im dampfförmigen Zustand vom Verdampfer 2 dem Expander 3 über eine Leitung 8 zugeführt, in dem dieses unter Entspannung mechanische Arbeit verrichtet. Nachfolgend zum Expander 3 wird das Arbeitsmittel im Kondensator 4 verflüssigt und wieder in das Reservoir 5 zurückgeführt.The working fluid is supplied in the vapor state from the evaporator 2 to the expander 3 via a line 8 in which this performs mechanical work under relaxation. Following the expander 3, the working fluid in the condenser 4 is liquefied and returned to the reservoir 5.
Der Expander 3, der allgemein auch als dampfgetriebene Kraftmaschine bezeichnet werden kann, ist zum Beispiel als Kolbenmaschine, Dampfturbine oder Kreiselmaschine ausgeführt.The expander 3, which can also be generally referred to as a steam-driven engine, is designed, for example, as a piston engine, steam turbine or centrifugal machine.
Als bevorzugte Arbeitsmittelpumpe 1 wird eine Innenzahnradpumpe verwendet, deren Drehzahl unabhängig von der Volumenstromvorgabe in der Zuleitung zum Verdampfer 2 eingestellt wird.As a preferred working fluid pump 1, an internal gear pump is used, the speed of which is set independently of the volume flow specification in the supply line to the evaporator 2.
Im Bereich der Ausgangsseite der Arbeitsmittelpumpe 1 ist eine Bypassleitung 7 vorgesehen, welche mit ihrem einen Ende im Kondensator 4 mündet und somit flüssiges Arbeitsmittel mit dem aus dem Expander 3 in den Kondensator 4 einströmenden dampfförmigen Arbeitsmittels mischt. Die Bypassleitung 7 umfasst ein Ventil 6, welches beispielsweise als gesteuertes Überströmventil oder Druckbegrenzungsventil ausgeführt sein kann. Auch kann es sich hierbei um ein elektrisch, elektromagnetisch, pneumatisch oder mechanisch betätigbares
Proportionalventil handeln. Das Ventil 6 kann beispielsweise von einer zentralen Steuereinheit, wie einem Bordrechner betätigt werden.In the region of the output side of the working fluid pump 1, a bypass line 7 is provided, which opens with its one end in the condenser 4 and thus mixes liquid working fluid with the flowing from the expander 3 in the condenser 4 vaporous working fluid. The bypass line 7 comprises a valve 6, which may be designed, for example, as a controlled overflow valve or pressure relief valve. It may also be an electrically, electromagnetically, pneumatically or mechanically operable Proportional valve act. The valve 6 can be actuated, for example, by a central control unit, such as an on-board computer.
Auch können im Ventil 6 und/oder in der Bypassleitung 7 geeignete Sensoren zur Druckaufnahme angeordnet sein, welche Signale zur Regelung oder Steuerung an eine zentrale Steuereinheit senden.Also, suitable sensors may be arranged for receiving pressure in the valve 6 and / or in the bypass line 7, which send signals for control or control to a central control unit.
Die Figur 2 zeigt ein weiteres Ausgestaltungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dampfkreisprozessvorrichtung, wobei für übereinstimmende Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet werden. Für das dargestellteFIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a steam cycle device according to the invention, wherein the same reference numerals as in FIG. 1 are used for matching components. For the illustrated
Ausführungsbeispiel mündet die Bypassleitung 7 in einer Leitung 8, welche Expander 3 und Kondensator 4 arbeitsmediumleitend miteinander verbindet. Somit mündet die Bypassleitung 7 im vorliegenden Falle direkt in die aus dem Expander 3 führende Leitung 8, wo sich die flüssige Phase aus der Bypassleitung 7 mit der im Wesentlichen dampfförmigen Phase des Arbeitsmittels (Abdampf aus dem Expander 3) vermischt. Die Verbindungsstelle kann beispielsweise als T- förmiges Verbindungsrohr ausgeführt sein. In dem der Bypassleitung 7 zugewandten Teil des Verbindungsrohres kann eine Düse vorgesehen sein, welche das flüssige Arbeitsmittel aus der Bypassleitung 7 zerstäubt. Die Düse kann auch in der Bypassleitung 7 angeordnet sein. Durch die Düse soll eineEmbodiment empties the bypass line 7 in a line 8, which expander 3 and capacitor 4 connects working medium conducting each other. Thus, in the present case, the bypass line 7 discharges directly into the line 8 leading from the expander 3, where the liquid phase from the bypass line 7 mixes with the substantially vaporous phase of the working medium (exhaust steam from the expander 3). The connection point can be designed, for example, as a T-shaped connecting tube. In the bypass line 7 facing part of the connecting tube, a nozzle may be provided which atomizes the liquid working fluid from the bypass line 7. The nozzle may also be arranged in the bypass line 7. Through the nozzle should a
Vergrößerung der Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen Arbeitsmittels erfolgen, so dass das den Expander 3 verlassende, dampfförmige Arbeitsmittel schneller abkühlt, wenn es auf die Flüssigkeitstropfen des zerstäubten Arbeitsmittels trifft. Eine Zerstäubung kann beispielsweise durch Ansaugen oder Zuführen von Luft, wie Umgebungsluft erfolgen. Auch ist es natürlich denkbar, das abgezweigte flüssige Arbeitsmittel aus der Bypassleitung 7 im Verbindungsrohr beziehungsweise in der Zuführleitung durch Benetzung auf die Innenseiten der Leitung 8 oder des Verbindungsrohres aufzubringen.Magnification of the liquid surface of the liquid working fluid take place, so that the expander 3 leaving, the vaporous working fluid cools faster when it hits the liquid droplets of the atomized working fluid. Atomization can be carried out, for example, by sucking in or supplying air, such as ambient air. It is of course also conceivable to apply the branched liquid working fluid from the bypass line 7 in the connecting pipe or in the feed line by wetting on the inner sides of the line 8 or the connecting pipe.
Weiterhin sind eine Vielzahl von Ausführungsformen denkbar, wobei das Grundprinzip dasselbe bleibt: Das Arbeitsmittel wird am Austritt der Arbeitsmittelpumpe 1 oder stromab der Arbeitsmittelpumpe 1 , vor oder im Bereich
des Verdampfers 2 abgezweigt und dem dampfförmigen Arbeitsmittel des Expanders 3 zur Kühlung zugeführt.
Furthermore, a variety of embodiments are conceivable, the basic principle remains the same: The working fluid is at the outlet of the working fluid pump 1 or downstream of the working fluid pump 1, before or in the area branched off the evaporator 2 and fed to the vaporous working fluid of the expander 3 for cooling.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
ArbeitsmittelpumpeWorking medium pump
VerdampferEvaporator
Expanderexpander
Kondensatorcapacitor
Reservoirreservoir
VentilValve
Bypassleitungbypass line
Leitung
management