EP2470755A2 - Verfahren zur nutzung der abwärme von verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Verfahren zur nutzung der abwärme von verbrennungskraftmaschinen

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EP2470755A2
EP2470755A2 EP10742762A EP10742762A EP2470755A2 EP 2470755 A2 EP2470755 A2 EP 2470755A2 EP 10742762 A EP10742762 A EP 10742762A EP 10742762 A EP10742762 A EP 10742762A EP 2470755 A2 EP2470755 A2 EP 2470755A2
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EP
European Patent Office
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internal combustion
steam
engine
pressure
exhaust gas
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Withdrawn
Application number
EP10742762A
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English (en)
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Inventor
Bodo M. Wolf
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Original Assignee
Individual
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    • F01K27/02—Plants modified to use their waste heat, other than that of exhaust, e.g. engine-friction heat
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the invention relates to a method for utilizing the waste heat of internal combustion engines, preferably of large gasoline and diesel engines.
  • the field of application of the invention is the production and upgrading of, in particular, large internal combustion engines which are used as drives of all kinds, e.g. for vehicles, pumps, compressors, electric generators, etc.
  • the internal combustion engines convert the fuels, e.g. Diesel, gasoline or fuel gases by compression, combustion and expansion into technical work by mixing the air required for combustion before or after compression with the fuel and igniting the fuel-air mixture under pressure, or ignited by the compression itself, is converted to combustion gas, which has an elevated temperature and pressure level with respect to the environment.
  • the combustion gas expands while giving off technical work, whereby only a part of the released by combustion chemical energy can be converted into technical work, of which in turn a part for overcoming the friction of the machine elements is needed.
  • the other part of the supplied energy accumulates as process waste heat.
  • the still available heat of the exhaust gas is used in the prior art for the production of hot water or other heat transfer fluids and / or steam of the coolant, usually water vapor, which is also used as a working fluid for steam power processes. It is also known the engine and
  • the present invention was therefore based on the object of specifying a method and a device, wherein the thermal energy of the engine cooling, possibly the lubricant and the exhaust gas and optionally the charge air or combustion air for the conversion to technical work are used thermodynamically effective.
  • the lubricant is also removed by evaporation of coolant, e.g. by preheated condensate of steam power processes, to a temperature in the range of about 70 to 200 ° C, preferably 100 to 150 ° C is cooled.
  • the invention further expansion of the (engine) exhaust gas, ie substantially to the ambient pressure, fully utilizes the exhaust gas pressure is the absolute gas temperature after expansion in the engine to absolute charging temperature higher than the pressure in the cylinder after completion of the load.
  • the use according to the invention of motor and lubricant cooling for steam generation is exergetically optimal and makes it possible to provide steam which has a higher working capacity than the liquid or gaseous heat carriers of the prior art.
  • the provision of steam from the engine and lubricant cooling subsequently also allows exergetisch better use of the heat of the engine exhaust, even compared to large
  • the inventive method for utilizing the waste heat of internal combustion engines, which are cooled by a coolant circuit with coolant and optionally have a lubricant circuit is characterized in that the purpose of cooling, in particular the housing of the internal combustion engine through flowing, cooling liquid, preferably there, i. in the housing, under pressure by the waste heat of the internal combustion engine, heated and then at least partially fed to a connected evaporator while lowering the pressure under its boiling pressure.
  • part of the cooling liquid is converted into saturated steam by flash evaporation and the resulting vapor is removed from the cooling circuit and overheated.
  • liquid coolant from the evaporation process remains in the cooling circuit.
  • the superheated steam is supplied as a working fluid to a connected steam power process, expanded under the delivery of technical work and condensed with the release of heat.
  • the condensate obtained is recycled to the coolant circuit.
  • the lubricant circuit and the coolant circuit are thermally coupled.
  • the coupling is expedient in such a way that the lubricant cooling analogous to Internal combustion engine cooling (engine cooling) by evaporation of coolant takes place.
  • the exhaust gas is the
  • the preferably expanded exhaust gas of the internal combustion engine is advantageously used for overheating the saturated steam of the coolant.
  • the refrigerant condensate can advantageously before its return to the coolant circuit for recuperative cooling of the charge air or combustion air or the fuel-air mixture, in particular fuel gas-air mixture, after the pressure charging and prior to their entry into the internal combustion engine / - are used.
  • the cooling of the charge air or combustion air or of the fuel-air mixture is supplied with additional cooling liquid and substantially completely evaporated.
  • the subject matter of the present invention is also a device which essentially relates to a combination of internal combustion engine with flash evaporator in the cooling circuit and fluid connection to the cooling circuit arranged steam turbine and optionally a gas turbine arranged in the exhaust gas stream and is preferably suitable for carrying out the method according to the invention.
  • a device according to the invention represents a motor-cogeneration plant.
  • Another object of the present invention is a method for using the waste heat of internal combustion engines, wherein the exhaust gas is discharged with the release of external technical work to ambient pressure, preferably in a gas turbine.
  • the external technical work can be used in particular for the operation of a (electric) generator.
  • the present invention makes it possible to apply approximately 1.46 times more energy to the electrical energy.
  • the state-of-the-art combined-heat and power plant can generate revenues of € 257 / h at full load and combined heat and power.
  • this is usually 2,200 h / a possible, ie 5,500 h / a
  • the motor-heating power plant of the prior art only give off electricity and achieve a revenue of 180 € / h.
  • these revenues are not sufficient for economic operation, ie such power plants are not built.
  • the device according to the invention in the form of a motor-power plant achieves a revenue of 263 € / h in the same mode of operation solely from the power generation.
  • the combined heat and power plant according to the invention compensates for the loss of sales of thermal energy through an increased electricity yield of 923 kWh / h and can generate sales of € 2,025,639 / a without heat sales.
  • the motor power plant according to the invention is used to drive a large heat pump, which can provide process and district heating in the state of the art with a coefficient of performance of 4 (heat output to electricity), then this combination can generate revenues of € 3.6 million for year-round heat production / a generate.
  • the motor-cogeneration plant according to the invention is thus independent of the heat requirement and can produce year-round demand electricity and heat and operated without loss of revenue due to lack of heat sales.
  • the present invention also relates to all combinations of preferred embodiments unless they are mutually exclusive.
  • the selected gas engine (1) uses methane as fuel (2) with a heating value of 13.87 kWh / kg and achieves an electrical efficiency based on the calorific value of the fuel gas of 42.4%.
  • this machine can deliver 2.0 MWh / h of electricity and with cooling of the engine exhaust to 120 0 C 1, 9 MWh / h of useful heat in the form of steam and hot water ,
  • the losses of the cogeneration plant amount to approx. 800 kWh / h.
  • the combustion of the gas in the internal combustion engine (1) takes place at an air ratio (lambda) of 1.72.
  • the combustion air (3) is supplied via the channel, before the turbocompressor (4) with the fuel gas (2) mixed and then compressed by the turbo compressor (4) of ambient pressure to a pressure of 3.5 bar.
  • the compaction effort for this is 440 kWh / h.
  • the fuel gas-air mixture (8) has after compression an enthalpy difference based on 0 0 C of 560 kWh and a temperature of 186 ° C.
  • the turbocompressor (4) sits with the gas turbine (5) and the electric generator (6) on a shaft (7).
  • the fuel gas-air mixture (8) is cooled in the recuperator (9) with condensate (10) from the condenser (19) of the downstream steam power process, which is thereby heated to at least 170 ° C before it is supplied via a line as preheated condensate (11) the hot water generator (12).
  • the fuel gas-air mixture is cooled in the recuperator (9) by discharge of 369 kWh / h to 40 0 C, so that with the mixture the engine in addition to the calorific value nor 120 kWh / h of heat energy, ie a total of 4,835 kWh / h via the inlet valves ( 15) are supplied.
  • the lubricating oil (13) is also cooled in the hot water generator (12) before it is fed back to the oil pan (14) of the internal combustion engine (1).
  • the pressurized fuel gas / air mixture (8) supplied via the inlet valves (15) to the internal combustion engine (1) has the following composition in kg / kg.
  • the mass flow of the fuel gas-air mixture (8) is 10,336 kg / h and its pressure in the cylinder (16) of the internal combustion engine (1) should be 3 bar at the end of the load.
  • the engine exhaust gas After combustion and expansion in the cylinder (16) of the internal combustion engine (1), the engine exhaust gas has a thermal energy of 1,984 / h kWh and the following gas composition in kg / kg:
  • the gas turbine (5) is followed by a steam turbine process (17), in the steam generator (21) the waste heat of the engine and oil cooling in the amount of 679 kWh / h to produce 2 bar saturated steam, the cooling of the fuel gas-air mixture after compression for condensate preheating in the recuperator (9) and the exhaust gas heat of the gas turbine (5) from 290 to 130 0 C for steam superheating with condensate injection in the steam superheater (18) is used.
  • the gas then serves in the heat sink (20) to provide hot water.
  • the steam turbine plant (17) can perform a technical work in the amount of 287 kWh / h at a condensation temperature of 30 0 C in the condenser (19).
  • the invention of the comparison of the selected gas engine taking into account the own requirements for the pressure charging leads to an increase in net electricity generation by 46% from 2,000 kWh / h to 2,923 kWh / h with the same fuel use.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme von großen Verbrennungskraftmaschinen mit dem Ziel die Ausbeute an technischer Arbeit so zu erhöhen, dass diese Maschinen unabhängig vom Bedarf an Heiz- und Prozesswärme wirtschaftlich betrieben werden können. Das Ziel wird erreicht durch eine neuartige Kopplung des Verbrennungsmotors mit Gas- und Dampfturbinenkraftprozessen, gekennzeichnet dadurch, dass - unter Beachtung der Strömungsverluste - eine vollständige Nutzung des Druckgefälles des Motorabgases bis zum Umgebungsdruck und die Motor- und Ölkühlung unter Bildung von Sattdampf erfolgt, der durch das durch Expansion abgekühlte Abgas überhitzt und danach unter Abgabe von technischer Arbeit in einem Dampfkraftprozess expandiert und kondensiert wird.

Description

VERFAHREN ZUR NUTZUNG DER ABWÄRME VON VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen, bevorzugt von großen Otto- und Dieselmotoren.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Produktion und Ertüchtigung von insbesondere großen Verbrennungskraftmaschinen, die eingesetzt werden als Antriebe aller Art, z.B. für Fahrzeuge, Pumpen, Kompressoren, elektrische Generatoren usw.
Die Verbrennungskraftmaschinen wandeln die Brennstoffe, z.B. Dieselöl, Ottokraftstoffe oder Brenngase durch Kompression, Verbrennung und Expansion in technische Arbeit um, indem die für die Verbrennung erforderliche Luft vor oder nach Kompression mit dem Brennstoff vermischt und das Brennstoff-Luft-Gemisch unter Druck gezündet, oder sich durch die Kompression selbst entzündet, zu Verbrennungsgas umgewandelt wird, das gegenüber der Umgebung ein erhöhtes Temperatur- und Druckniveau hat. Das Verbrennungsgas expandiert unter Abgabe von technischer Arbeit, wobei nur ein Teil der durch Verbrennung frei gesetzten chemischen Energie in technische Arbeit umgewandelt werden kann, wovon wiederum ein Teil zur Überwindung der Reibung der Maschinenelemente benötigt wird. Der andere Teil der zugeführten Energie fällt als Prozessabwärme an. Daraus ergibt sich, dass der größte Teil der zugeführten chemischen Energie mit dem nach der Expansion vorliegenden Abgas, durch Kühlung des Motors und ggfs. des Schmiermittels, wie Schmieröl, sowie durch Abstrahlung an die Umgebung abgeführt oder anderweitig, z.B. für die Wärme- oder Warmwasserversorgung genutzt werden muss.
Da das Abgas der Verbrennungsmotoren außer einer hohen Temperatur auch noch einen gegenüber der Umgebung höheren Druck aufweist und damit techni- sches Arbeitsvermögen besitzt, ist es beim Stand der Technik üblich, das Abgas unter Abgabe von interner technischer Arbeit in einem Turbolader zu entspannen, bei dem eine Gasturbine direkt einen Turboverdichter antreibt, der den Druck der Verbrennungsluft bzw. Ladeluft oder des Brenngas-/Luftgemisches anhebt, mit dem diese dann dem Motor zugeführt werden.
Die danach noch verfügbare Wärme des Abgases wird beim Stand der Technik genutzt zur Erzeugung von Heißwasser oder anderen Wärmeträgern und/oder Dampf des Kühlmittels, meist Wasserdampf, der auch als Arbeitsmittel für Dampfkraftprozesse Verwendung findet. Bekannt ist es weiterhin die Motor- und
Schmiermittelkühlung für die Warmwassererzeugung zu nutzen.
Die Kombinationen von Verbrennungsmotoren mit Gasturboladern und Dampfprozessen und damit die Kraft-Wärme-Kopplung sind an sich bekannt.
Die bekanntesten technischen Lösungen sind Motor-Heizkraftwerke mit im Druck aufgeladenen Verbrennungsmotoren, so wie sie im Datenblatt der Gasmotoraggregate Baureihe 3.500 E der Firma Zeppelin Power Systems aufgezeigt sind.
Der grundsätzliche Mangel des Standes der Technik sind die hohen Exergie- verluste bei der Umsetzung der Abwärme der Verbrennungsmotoren in Nutzwärme oder Arbeitsmittel für nachgelagerte Kraftprozesse. So nutzt der Stand der Technik die gegebene Druckdifferenz zwischen Abgas nach der Expansion im Motor und Umgebungsdruck nicht vollständig, da die üblichen Turbolader zur Aufladung des Verbrennungsmotors das Arbeitsvermögen des Abgases nicht nutzen können.
Ein bedeutender Nachteil bekannter Lösungen zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung bei der praktischen Anwendung ist, dass an vielen Standorten kein oder nur saisonbedingter Wärmebedarf vorliegt, so dass die Verbrennungskraft- maschine die meiste Zeit im Jahr nur zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann, was die Wirtschaftlichkeit des Betriebes und damit die Investition infrage stellt.
Es besteht daher ein Interesse daran, die Kopplung von Verbrennungskraftmaschinen (-motoren), Gasturbinen und Dampfprozessen exergetisch zu optimieren und somit den Anteil der technischen Arbeit an der Energiebilanz dieser Kombination so zu erhöhen, dass diese weitgehend unabhängig vom Wärmebedarf wirtschaftlich betrieben werden kann.
Der vorliegenden Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, worin die thermische Energie der Motorkühlung, gegebenenfalls des Schmiermittels sowie des Abgases und gegebenenfalls der Ladeluft bzw. Verbrennungsluft für die Umwandlung in technische Arbeit thermo- dynamisch effektiver genutzt werden.
Die technische Aufgabe wird gelöst durch eine neuartige Kombination des
Verbrennungskraftmaschinenprozesses (-motorprozesses) mit Gasturbinen, die neben einem Verdichter für die Verbrennungsluft oder das Brennstoff-Luftgemisch auch elektrische Generatoren antreiben (d.h. externe technische Arbeit verrichten), und Dampfkraftprozessen, wobei - unter Beachtung der Strömungsverluste - eine vollständige Nutzung des Druckgefälles des Motorabgases im wesentlichen bis zum Umgebungsdruck und die Motor- und Schmiermittelkühlung unter Bildung von (Satt)Dampf des Kühlmittels erfolgt, der durch das durch Expansion in der Gasturbine abgekühlte Abgas überhitzt und danach unter Abgabe von technischer Arbeit in einem Dampfkraftprozess expandiert und kondensiert wird. Erfindungsgemäß ist somit vergesehen, daß • die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine durch übliche, im wesentlichen flüssige Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, im Siedezustand annähernd isotherm unter Bildung von Sattdampf erfolgt,
• der Sattdampf, gegebenenfalls unter Zugabe von flüssigem Kühlmittel, durch das nach der Expansion vorliegende, auf annähernd Umgebungsdruck abgesenkte Motorabgas, überhitzt auf eine Temperatur im Bereich von ca. 100 bis 6000C, bevorzugt 300 bis 5000C, und danach durch Expansion unter Abgabe technischer Arbeit auf Umgebungstemperatur abgekühlt und kondensiert wird,
• die Ladeluft bzw. Verbrennungsluft oder das komprimierte Brennstoff- /Luftgemisch, insbesondere Brenngas/Luftgemisch vor Einleitung in den Verbrennungsmotor mit dem Kondensat des Kühlmittels auf eine Temperatur im Bereich von ca. 5 bis 800C, bevorzugt 25 bis 350C, gekühlt und das Kondensat so vor seiner Wiederverwendung als flüssiges Kühlmittel vorgewärmt wird,
• das Schmiermittel ebenfalls durch Verdampfung von Kühlmittel, z.B. durch vorgewärmtes Kondensat des Dampfkraftprozesse, auf eine Temperatur im Bereich von ca. 70 bis 200°C, bevorzugt 100 bis 150°C gekühlt wird.
• das Abgas mit dem vom Zylinder des Verbrennungsmotors gelieferten
Druck von ca. 2 bis 20 bar, bevorzugt 8 bis 12 bar, unter Beachtung der Strömungswiderstände unter Abgabe von technischer Arbeit auf Umgebungsdruck expandiert und somit gegenüber dem Stand der Technik weiter auf eine Temperatur im Bereich von unter 5000C, bevorzugt unter 4000C abgekühlt wird.
Die erfindungsgemäß weitergehende Expansion des (Motor)Abgases, d.h. im wesentlichen bis zum Umgebungsdruck, nutzt vollständig den Abgasdruck, der um das Verhältnis absolute Gastemperatur nach Expansion im Motor zu absoluter Ladetemperatur höher ist als der Druck im Zylinder nach Abschluss der Beladung. Die erfindungsgemäße Nutzung der Motor- und Schmiermittelkühlung zur Dampferzeugung ist exergetisch optimal und ermöglicht die Bereitstellung von Dampf, der gegenüber den flüssigen oder gasförmigen Wärmeträgern des Standes der Technik ein höheres Arbeitsvermögen hat. Die Bereitstellung von Dampf aus der Motor- und Schmiermittelkühlung ermöglicht nachfolgend auch eine exergetisch bessere Nutzung der Wärme des Motorabgases, auch gegenüber großen
Verbrennungskraftmaschinen, die in einigen Anwendungen des Standes der Technik bereits die Wärme des Abgases nach dem Turbolader zur Erzeugung von Wasserdampf und die der Motor- und Verbrennungsluftkühlung zur Erzeugung von heißem Wasser nutzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen, die durch einen Kühlmittelkreislauf mit Kühlflüssigkeit gekühlt werden und optional einen Schmiermittelkreislauf aufweisen, zeichnet sich dadurch aus, dass die zum Zwecke der Kühlung, insbesondere das Gehäuse der Verbrennungskraftmaschine durchfließende, Kühlflüssigkeit, bevorzugt dort, d.h. im Gehäuse, unter Druck durch die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine, erhitzt und anschließend unter Absenkung des Druckes unter ihren Siededruck zumindest teilweise einem angeschlossenen Verdampfer zugeführt wird. In dem Verdampfer wird ein Teil der Kühlflüssigkeit durch Flashverdampfung in Sattdampf umgewandelt und der erhaltende Dampf aus dem Kühlkreislauf abgeführt und ü- berhitzt. Dabei verbleibt flüssiges Kühlmittel aus dem Verdampfungsprozeß im Kühlkreislauf. Der überhitzte Dampf wird als Arbeitsmittel einem angeschlossenen Dampfkraftprozess zugeführt, unter Abgabe von technischer Arbeit expandiert und unter Abgabe von Wärme kondensiert. Das erhaltene Kondensat wird in den Kühlmittelkreislauf rückgeführt.
Bevorzugt sind Schmiermittelkreislauf und Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt. Die Kopplung ist zweckmäßig derart, daß die Schmiermittelkühlung analog der Verbrennungskraftmaschinenkühlung (Motorkühlung) durch Verdampfung von Kühlmittel erfolgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Abgas der
Verbrennungskraftmaschine unter Abgabe von externer technischer Arbeit bis auf Umgebungsdruck, vorzugsweise in einer Gasturbine, expandiert. Dabei sind zweckmäßig die Strömungswiderstände zu beachten. Die externe technische Arbeit kann insbesondere zum Betrieb eines (Elektro)Generators dienen.
Vorteilhaft wird das vorzugsweise expandierte Abgas der Verbrennungskraftmaschine zum Überhitzen des Sattdampf des Kühlmittels eingesetzt.
Das Kühlmittelkondensat kann vorteilhaft vor seiner Rückführung in den Kühlmittelkreislauf zur rekuperativen Kühlung der Ladeluft bzw. Verbrennungsluft oder des Brennstoff-Luftgemisches, insbesondere Brenngas-Luftgemisches, nach deren Druckaufladung und vor deren Eintritt in den Verbrennungsmotor/- kraftmaschine eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Verfahrensführung wird der Kühlung der Ladeluft bzw. Verbrennungsluft oder des Brennstoff-Luftgemisches zusätzliche Kühlflüssigkeit zugeführt und im wesentlichen vollständig verdampft.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung, welche im wesentlichen eine Kombination von Verbrennungskraftmaschine mit Flashverdampfer im Kühlkreislauf und in fluider Verbindung mit dem Kühlkreislauf angeordneter Dampfturbine sowie optional einer im Abgasstrom angeordneten Gasturbine betrifft und bevorzugt zur Duchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Bevorzugt stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein Motor-Heizkraftwerk dar. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen, wobei das Abgas unter Abgabe von externer technischer Arbeit bis auf Umgebungsdruck, vorzugsweise in einer Gasturbine, expandiert wird. Die externe technische Arbeit kann insbesondere zum Betrieb eines (Elektro)Generators dienen.
Die erfindungsgemäß
• vollständige Nutzung des Druckgefälles des Motorabgases zur
Auskopplung von technischer Arbeit,
• die Dampferzeugung durch Motor- und Schmiermittelkühlung und
• die Dampfüberhitzung durch das auf Umgebungsdruck expandierte Motorabgas
führen zu wirtschaftlichen Vorteilen, die der nachfolgende Vergleich der Energiebilanzen zeigt.
Vergleich der Energiebilanzen in kWh am Beispiel eines Motor-Heizkraftwerks
St. d. T. erfindungsgemäß Motorkraftprozess
• Heizwert des zugeführten Brenngases 4.715 4.715
• Fühlbare Wärme Brenngas-Luftgemisch 120 120
• Zugeführte Energie 4.835 4.835
• Abstrahlung 125 125
• Verluste Elektrogenerator 47 47
• Stromerzeugung 2.000 2.000
• Abwärme im Schmieröl 143 143
• Abwärme Motorkühlung 536 536
• Abwärme im Abgas 1.984 1.984
• Abgastemperatur in 0C 610 610 Abgasdruck in bar : 8,5 8,5
Gasturbinenprozess
• Nettostromerzeugung - 635
• Abwärme im Abgas nach Turbolader 1.435 907
• Abgastemperatur nach Gasturbine in 0C 450 290
Heizwärmeauskopplung/Dampfturbinenkraftprozess
Wärmeangebot
• Motorkühlung (125-13O 0C): 536 536
• Schmierölkühlung (125-13O 0C): 143 143
• Kühlung Brenngas-Luftgemisch (80-150 0C) : 213 -
(40-170 0C) : - 369
• Nutzbare Abgaswärme bis 120 - 1300C : 034 200 Energieauskopplung
• Heißwasser (70-90 0C) : 1.926
• Stromerzeugung im Dampfkraftprozess : - 287
Zusammenfassender Vergleich
• Nettostromerzeugung 2.000 2.923
• Elektroenergie : Brennstoffheizwert 0,424 0,620
• Heizwärme 1.926 200
• Energetischer Wirkungsgrad im Heizbetrieb 0.83 0,66
Die vorliegende Erfindung ermöglicht unter Berücksichtigung des Energieaufwandes für die Druckaufladung des Motors ein ca. 1 ,46-fach höheres Ausbringen an Elektroenergie. Bei einem üblichen Marktpreis für Strom von 90€/MWh und einem Wärmepreis von 40€/MWh kann das Motor-Heizkraftwerk des Standes der Technik bei Volllastbetrieb und Kraft-Wärme-Kopplung Erlöse von 257€/h erzielen. In der öffentlichen Stromversorgung ist das in der Regel 2.200 h/a möglich, d.h. 5.500 h/a kann das Motor-Heiz-Kraftwerk des Standes der Technik nur Strom abgeben und einen Erlös von 180€/h erzielen. Die möglichen Erlöse betragen dann 1.555.400€/a. Meist reichen diese Erlöse für einen wirtschaftlichen Betrieb nicht aus, d.h. solche Kraftwerke werden nicht gebaut.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung in Form eines Motor-Heizkraftwerks erzielt bei gleicher Betriebsweise allein aus der Stromerzeugung einen Erlös von 263€/h. Damit kompensiert das erfindungsgemäße Heizkraftwerk durch erhöhte Stromausbeute von 923 kWh/h die Verkaufsausfälle bei Wärmeenergie und kann ohne Wämneabsatz Erlöse von 2.025.639€/a erzielen.
Wird das erfindungsgemäße Motor-Heizkraftwerk zum Antrieb einer Großwärmepumpe, die beim Stand der Technik mit einer Leistungszahl von 4 (Wärmeabgabe zu Stromeinsatz) Prozess- und Fernwärme liefern kann, verwendet, dann kann diese Kombination bei ganzjähriger Wärmeproduktion Erlöse in Höhe von 3.6 Mio. €/a erwirtschaften.
Das erfindungsgemäße Motor-Heizkraftwerk ist somit unabhängig vom Wärmebedarf und kann ganzjährig bedarfsgerecht Strom und Wärme produzieren und ohne Erlösausfall wegen fehlendem Wärmeabsatz betrieben werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf sämtliche Kombinationen von bevorzugten Ausgestaltungen, soweit diese sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Angaben "etwa" oder "ca." in Verbindung mit einer Zahlenangabe bedeuten, dass zumindest um 10 % höhere oder niedrigere Werte oder um 5 % höhere oder nied- rigere Werte und in jedem Fall um 1 % höhere oder niedrigere Werte eingeschlossen sind.
Die Erfindung soll anhand des folgenden Beispiels erläutert werden, ohne jedoch auf die speziell beschriebene Ausführungsform beschränkt zu sein.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Figur 1 im Vergleich zum Stand der Technik von Gasmotoren für die Stromerzeugung beschrieben. Der ausgewählte Gasmotor (1) verwendet Methan als Brennstoff (2) mit einem Heizwert von 13,87 kWh/kg und erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad bezogen auf den Heizwert des Brenngases von 42,4 %. Bei einem Brennstoffeinsatz von 4,715 MWh/h, entsprechend 340 kg/h Methan, kann diese Maschine 2,0 MWh/h Strom und bei einer Abkühlung des Motorabgases auf 120 0C 1 ,9 MWh/h Nutzwärme in Form von Dampf und Heißwasser abgeben. Die Verluste des Motorheizkraftwerkes betragen ca. 800 kWh/h.
Die Verbrennung des Gases im Verbrennungsmotor (1) erfolgt bei einer Luftzahl (Lambda) von 1 ,72. Die Verbrennungsluft (3) wird über den Kanal zugeführt, vor dem Turboverdichter (4) mit dem Brenngas (2) vermischt und danach durch den Turboverdichter (4) von Umgebungsdruck auf einen Druck von 3.5 bar verdichtet. Der Verdichtungsaufwand dafür beträgt 440 kWh/h. Das Brenngas-Luftgemisch (8) hat nach der Kompression eine Enthalpiedifferenz bezogen auf 0 0C von 560 kWh und eine Temperatur von 186 °C.
Der Turboverdichter (4) sitzt mit der Gasturbine (5) und dem elektrischen Generator (6) auf einer Welle (7). Das Brenngas-Luftgemisch (8) wird im Rekuperator (9) mit Kondensat (10) aus dem Kondensator (19) des nach geschalteten Dampfkraftprozesses gekühlt, das dadurch auf mindestens 170 °C erwärmt wird, bevor es über eine Leitung als vorgewärmtes Kondensat (11) dem Heißwasserzeuger (12) zugeführt wird. Das Brenngas-Luftgemisch wird im Rekuperator (9) durch Abführung von 369 kWh/h auf 40 0C gekühlt, so dass mit dem Gemisch dem Motor neben dem Heizwert noch 120 kWh/h Wärmeenergie, also insgesamt 4.835 kWh/h über die Einlassventile (15) zugeführt werden.
Das Schmieröl (13) wird ebenfalls im Heißwassererzeuger (12) gekühlt, bevor es der Ölwanne (14) des Verbrennungsmotors (1) wieder zugeführt wird.
Das über die Einlassventile (15) dem Verbrennungsmotor (1) zugeführte im Druck aufgeladen Brenngas-Luftgemisch (8) hat folgende Zusammensetzung in kg/kg.
• 0.033 Methan
• 0.967 Luft.
Der Massestrom des Brenngas-Luftgemisches (8) beträgt 10.336 kg/h und sein Druck im Zylinder (16) des Verbrennungsmotors (1) soll am Ende der Beladung 3 bar betragen.
Nach der Verbrennung und Expansion im Zylinder (16) des Verbrennungsmotors (1) verfügt das Motorabgas über eine Wärmeenergie von 1.984/h kWh und folgende Gaszusammensetzung in kg/kg:
• CO2 0,090
• H2O 0,073
• N2 0,431
• Luft 0,406.
Daraus errechnet sich eine Abgastemperatur nach der Expansion im Verbrennungsmotor von 610 0C und ein Druck von 8,5 bar. Erfindungsgemäß wird das Abgas nun in einer Gasturbine (5) von 8,0 auf 1.05 bar unter Abgabe von 1.070 kWh/h technischer Arbeit zum Zwecke der Stromerzeugung im Elektrogenerator (6) auf eine Temperatur von 290 0C expandiert.
Weiterhin erfindungsgemäß wird der Gasturbine (5) ein Wasserdampfturbinen- prozess (17) nachgeschaltet, in dessen Dampferzeuger (21) die Abwärme der Motor- und Ölkühlung in Höhe von 679 kWh/h zur Erzeugung von 2 bar Sattdampf, die Kühlung des Brenngas-Luftgemisches nach der Kompression zur Kondensat- vorwärmung im Rekuperator (9) und die Abgaswärme der Gasturbine (5) von 290 bis 130 0C für die Dampfüberhitzung mit Kondensateinspritzung im Dampfüberhitzer (18) eingesetzt wird. Das Gas dient danach in der Wärmesenke (20) zur Bereitstellung von Warmwasser.
Für die Erzeugung von Frischdampf mit einem Druck von 2 bar und einer Temperatur von 280 0C stehen somit 1.630 kWh/h zur Verfügung, ausreichend für eine Dampferzeugung von 2.164 kg/h. Die Dampfturbinenanlage (17) kann bei einer Kondensationstemperatur von 30 0C im Kondensator (19) eine technische Arbeit in Höhe von 287 kWh/h leisten.
Im Ausführungsbeispiel führt die erfindungsgemäße Ertüchtigung des zum Vergleich gewählten Gasmotors unter Beachtung des Eigenbedarfs für die Druckaufladung zu einer Steigerung der Nettostromerzeugung um 46 % von 2.000 kWh/h auf 2.923 kWh/h bei gleichem Brennstoffeinsatz.
Bezugszeichenliste
1 Verbrennungsmotor/Gasmotor
2 Brennstoff/Brenngas
3 Verbrennungsluft
4 Turboverdichter
5 Gasturbine
6 elektrischer Generator
7 Welle
8 Brenngas-Luftgemisch θ Rekuperator
10 Kondensat
11 vorgewärmtes Kondensat
12 Heißwasserzeuger
13 Schmiermittel/Schmieröl
14 Ölwanne
15 Einlassventile
16 Zylinder
17 (Wasser)Dampfturbinenanlage
18 Dampfüberhitzer
19 Kondensator
20 Wärmesenke
21 Dampferzeuger
22 Motorabgas
23 Turbinenabgas

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen, die durch einen Kühlmittelkreislauf mit Kühlflüssigkeit gekühlt werden und optional einen Schmiermittelkreislauf aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit unter Druck durch die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine erhitzt und anschließend unter Absenkung des Druckes unter ihren Siededruck zumindest teilweise einem Verdampfer zugeführt wird,
in dem Verdampfer ein Teil der Kühlflüssigkeit durch Flashverdampfung in Sattdampf umgewandelt wird,
der erhaltende Dampf aus dem Kühlkreislauf abgeführt und überhitzt wird, der überhitzte Dampf in einem Dampfkraftprozess unter Abgabe von technischer Arbeit expandiert und kondensiert wird,
und das erhaltene Kondensat in den Kühlmittelkreislauf rückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit das Gehäuse der Verbrennungskraftmaschine durchfließt und bevorzugt dort unter Druck erhitzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiermittelkreislauf und Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorabgas unter Abgabe von externer technischer Arbeit bis auf Umgebungsdruck vorzugsweise in einer Gasturbine expandiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sattdampf des Kühlmittels durch das expandierte (Gasturbinen)Abgas überhitzt wird.
6. Verfahren nach nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelkondensat vor seiner Rückführung in den Kühlmittelkreislauf zur rekuperativen Kühlung der Verbrennungsluft oder des Brennstoff-Luftgemisches nach deren Druckaufladung eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlung der komprimierten Verbrennungsluft oder des Brennstoff- Luftgemisches zusätzlich Kühlflüssigkeit zugeführt und über die Siedetemperatur des Kühlmittelkreislaufes erhitzt wird und danach der Flashverdampfung des Kühlmittelkreislaufs zugeführt wird.
8. Verfahren zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas unter Abgabe von externer technischer Arbeit bis auf Umgebungsdruck vorzugsweise in einer Gasturbine expandiert wird.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012022865B4 (de) * 2012-11-20 2014-08-21 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine
CN103335297B (zh) * 2013-07-22 2015-01-07 王瑞良 全自动工业闪蒸器
FR3042538B1 (fr) * 2015-10-20 2022-12-16 Soc De Motorisations Aeronautiques Ensemble moteur a circuit de refroidissement optimise
DE102015119531A1 (de) 2015-11-12 2017-05-18 Hochschule Düsseldorf Anordnung und Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme mindestens einer Brennkraftmaschine

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2469580A1 (fr) * 1979-11-15 1981-05-22 Johnson Robert Procede et systeme de recuperation d'energie, notamment de l'energie perdue dans un groupe moteur-compresseur
FI102405B1 (fi) * 1993-07-08 1998-11-30 Waertsilae Nsd Oy Ab Menetelmä lämpövoimakoneen kokonaishyötyenergiatuotannon parantamiseksi ja voimalaitos, jossa on nestejäähdytteinen lämpövoimakone
DE19916676C1 (de) * 1999-04-14 2000-11-30 Daimler Chrysler Ag Kühlsystem für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor
JP2000345835A (ja) * 1999-06-07 2000-12-12 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関
DE60123987T2 (de) * 2000-10-10 2007-02-01 Honda Giken Kogyo K.K. Rankine-kreislaufvorrichtung für verbrennungsmotor
US20030005696A1 (en) * 2000-10-18 2003-01-09 Wilson Benjamin Raymond Internal combustion engine energy extraction devices

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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