EP2535531A2 - Steam cycle device, method for operating same and vehicle - Google Patents

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Publication number
EP2535531A2
EP2535531A2 EP12004405A EP12004405A EP2535531A2 EP 2535531 A2 EP2535531 A2 EP 2535531A2 EP 12004405 A EP12004405 A EP 12004405A EP 12004405 A EP12004405 A EP 12004405A EP 2535531 A2 EP2535531 A2 EP 2535531A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
working medium
working
expander
steam cycle
medium circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12004405A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stephan Bartosch
Jürgen Berger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SteamDrive GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP2535531A2 publication Critical patent/EP2535531A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting

Definitions

  • the invention relates to a steam cycle device, in more detail according to the preamble of claim 1, and to a method for operating such and a vehicle.
  • Such steam cycle devices are known to those skilled in the art. They include an expander and are usually housed together with an internal combustion engine in a common drive train. In this case, such Dampfkrelsreavoriquesen both in vehicles, such as in commercial or rail vehicles, as well as in stationary systems such as thermal power plants, which burn, for example, the gas of a biogas plant for power and heat generation can be used.
  • the steam cycle devices have a working medium circuit in which a working fluid is circulated.
  • an evaporator is arranged, to which, for example, heat is supplied via the exhaust gas stream of the internal combustion engine in order to evaporate the initially liquid working medium.
  • the expander is then operated, wherein the vaporous working medium is relaxed while performing mechanical work and subsequently fed to a condenser to liquefy it.
  • a pump for circulating the working medium, in particular in the flow direction of the working medium can be arranged in front of the evaporator in the working medium circuit.
  • the requirements for the working fluid of generic steam cycle devices may vary over the operating time. If, for example, the steam cycle device is operated outdoors, for example in a motor vehicle, it must be ensured that the System can not freeze at low ambient temperatures. Conventionally, therefore, the steam cycle device is always set to the worst case scenario with respect to, for example, the ambient temperature, but this can have disadvantages for the overall efficiency. This is particularly serious when the unfavorable boundary conditions occur only in part, especially comparatively rare.
  • the invention is therefore based on the object, a Dampf Vietnamese mixesvoriques to provide a method for operating such and a vehicle, which avoid the disadvantages mentioned.
  • a steam cycle process device comprises a working medium circuit in which a working medium is circulated and an evaporator arranged in the working medium circuit in which the working medium is vaporized by supplying heat.
  • the vaporous working medium is fed to an expander for relaxation and performance of mechanical work and subsequently liquefied in a condenser.
  • a working medium changing device with at least two working medium inventories comprising mutually different working media, which can be fed to the working medium circuit as alternatives alternatively or mixed with a variably adjustable, but in circulation in the working medium circuit substantially constant mixing ratio.
  • substantially constant here means that the mixing ratio of the working medium mixture, which is in circulation, due to evaporation and condensation in the
  • the working medium circuit can change, this is not done by supplying working medium for or removing working medium from the working medium circuit during operation of the steam cycle device.
  • a change of the working medium or of the mixture is carried out at standstill of the steam cycle device.
  • working media which are different from one another are understood to mean working media which have properties such that they themselves represent the working medium of the working medium circuit and thus enable operation of the steam cycle device in each case. In other words, this means that the working media are evaporable and condensable.
  • the working medium changing device is designed such that the working medium circuit in a first operating state (summer mode) can be charged with the first working medium from the first working medium supply and in a second operating state (winter operation) can be charged with the second working medium from the second working medium supply.
  • the working medium changing device is associated with a switching device which automatically turns on alternately one of the two operating states.
  • the mixing ratio of the working media of the two is at the transition from the first to the second operating state Inventories changed.
  • such varied mixing does not exclude that a mixing ratio of 100: 0 or 0: 100 can be provided, that is, only one of the two working media in the "mixture" is present.
  • the change in the mixing ratio then causes an admixture of the other working medium, so that a mixing ratio between 99: 1 and 1:99 is achieved.
  • the working medium changing means is associated with a switching device to the working medium changing device in response to a predetermined boundary condition, in particular a temperature, for example, the working medium, the ambient temperature or the temperature of an internal combustion engine, which is associated with the Dampf Vietnamese remedies and / or in response to a predetermined time to press.
  • a predetermined boundary condition in particular a temperature, for example, the working medium, the ambient temperature or the temperature of an internal combustion engine, which is associated with the Dampf Vietnamese remedies and / or in response to a predetermined time to press.
  • the working medium changing device can be actuated as a function of further environmental parameters or parameters of the drive train or vehicle / stationary device in order to increase the efficiency by selecting the working medium best suited for operating the working medium circuit / steam cycle device.
  • a predetermined time is meant, for example, a date such as October 1, or a calendar summer or winter start.
  • the working medium changing device via the switching device can be actuated automatically (in the presence of said boundary conditions).
  • the automatic actuation can be triggered via corresponding sensors, which are in a conductive connection with the switching device.
  • the first working medium may be water or a water mixture
  • the second working medium ammonia or ethanol or a mixture with at least one of these substances can be.
  • Both working media named here can thus differ in their boiling and / or condensation temperatures at the same ambient pressure.
  • alternative materials, such as ionic liquids as a working medium come into consideration.
  • a working medium having relatively high boiling and / or condensation temperatures is preferably used, in particular in summer, whereas ammonia or ethanol are preferably used as raw materials or mixtures in winter.
  • ammonia or ethanol are preferably used as raw materials or mixtures in winter.
  • the use of these substances, whose melting point is well below 0 ° C, also prevents freezing of the working medium in winter operation at relatively low ambient temperatures. In this case, the working medium thus simultaneously serves as antifreeze.
  • the mixing ratio is set variably, for example in summer operation 100% water and thus no addition of antifreeze can be used as the working medium for the steam cycle device.
  • the water may contain 10% of antifreeze. It is also conceivable in a transitional period between the summer and winter operation to use a deviating mixing ratio, for example 95% water and 5% antifreeze.
  • the switching device actuates the working medium changing device as a function of a predetermined temperature and / or as a function of a predetermined time such that the working medium in the working fluid circuit from one working fluid supply through the working fluid from the other working fluid reservoir or through a mixture of the working medium supplies, its volume fraction of a working medium from which a working medium supply is between 1% and 99% of the total volume of the working medium in the steam cycle device is exchanged.
  • the switching device can actuate the working medium changing device such that the mixing ratio of the working media from the working medium supplies is set to a predetermined mixing ratio as a function of a predetermined temperature and / or as a function of a predetermined time.
  • the heat exchanger is assigned to the condenser, in which condenses the working fluid with the release of heat, that the heat of condensation is transferred to the heat recovery device in particular for heating heating water, for heating domestic water or other aggregates.
  • the steam cycle device is part of a stationary system, such as a biogas plant, or a Vehicle, such as utility or rail vehicle, or a ship comprising an internal combustion engine and an expander, wherein a Dampf Vietnamese spirits redesigns the steam cycle device.
  • a stationary system such as a biogas plant, or a Vehicle, such as utility or rail vehicle, or a ship comprising an internal combustion engine and an expander, wherein a Dampf Vietnamese mixes invention is provided, which is designed such that the working medium circuit for driving the expander waste heat, in particular from the exhaust gas of the internal combustion engine, can be fed.
  • the stationary system or the vehicle or ship advantageously has a steam cycle device which is set up to carry out the method according to the invention.
  • At least one further system parameter of the steam cycle device is changed in order to optimize its operation with regard to the new working medium.
  • a system parameter can be, for example, the working medium quantity, the amount of steam, the working medium pressure, the working medium temperature or another variable, in particular of the working medium circuit, for example in front of or behind the evaporator, the expander or the condenser.
  • FIG. 1 a preferred embodiment of a Dampf Vietnamese wastewater invention is shown in a schematic representation.
  • the latter comprises a working medium circuit 1 in which in the present case by means of a pump 8 working medium is circulated.
  • a pump 8 working medium is circulated.
  • the following components are arranged behind the pump 8: an evaporator 7, an expander 2, a condenser 3 and an outlet to two working medium stores 9, 10.
  • the confluence can be in the working medium circuit, that is between the junction and pump 8 or be provided between the condenser 3 and the mouth of a reservoir for the working fluid, which is designed in particular as a flow-through reservoir to compensate for pressure fluctuations.
  • the recirculated by the pump 8 working fluid is evaporated in the evaporator 7.
  • the vaporous working medium is then fed to the expander 2, where it relaxes while performing mechanical work.
  • the expanded working medium is fed to the condenser 3, where it is liquefied with the release of condensation heat.
  • the condensed working medium then flows, as will be explained below, into one of the working medium reservoirs 9, 10 or to the pump 8.
  • the working medium supplies 9, 10 are stored separately (in this case) each in a separate working medium container. In the case of the vehicle, the working medium container and thus the working medium supplies are constantly carried by this.
  • the two working medium supplies 9, 10 are connected to a common line, which opens into the working medium circuit 1.
  • the two working medium reservoirs 9, 10 could open at mutually different locations of a working medium circuit 1.
  • valve 11 is arranged, in which said line is divided into two branch lines, which run parallel and are fluidically connected to the corresponding working medium reservoirs 9, 10.
  • the two working medium stores 9, 10 are part of a working medium changing device 4, to selectively and alternatively operate the working medium circuit 1 with two different working media from the working medium stores 9, 10.
  • the valve 11 can be actuated by a switching device 5, which is associated with the working medium changing device 4, such that the supply of the working medium circuit 1 is optionally switched to one of the two working medium stores 9, 10.
  • the switching device 5 can access the working medium changing device 4 in such a manner that a mixture of the working mediums from the two working medium supplies 9, 10 is generated, which then represents the entire working medium of the steam cycle device.
  • the switching device 5 accesses the control valve 11, in dependence on predetermined boundary conditions, such as a predetermined temperature of the working medium, the environment or a predetermined time.
  • sensors may be provided, which are also in communication via not shown connections with the switching device 5.
  • the switching device 5 can also automatically trigger a switching of the working medium reservoirs 9, 10 by actuating the valve 11 as a function of the boundary conditions. Alternatively, the working medium change takes place by manual folding of the valve 11.
  • one or more pumps may be provided in the working medium changing device 4. It is also possible to connect the working medium supplies 9, 10 not only via the one shown, but in each case via two or more lines to the valve 11 or the working medium circuit 1, via a first line of the Working medium from the working fluid circuit 1 in the working fluid supply 9, 10 and by means of the second line from the working fluid supply 9, 10 in the working fluid circuit 1 to conduct.
  • the working medium circuit 1 a separation or separation device (not shown) may be assigned to separate a generated in the working fluid circuit 1 mixture of the working media to its components separately the individual Hämediumvoretzen 9, 10 due again.
  • Residual heat from the condensation also referred to as condensation heat
  • condensation heat can be used according to a particularly advantageous embodiment of the invention for a so-called heat coupling.
  • condensation heat of a heating system for example for space heating of the vehicle - when providing such a steam cycle device in a vehicle - or for space heating a building - in providing such a Dampf Vietnamese wastewater in a stationary plant - done.
  • the heat of condensation dissipated by the condenser 3 can also be used for heating domestic water or other units in both versions.
  • the steam cycle device is operated as shown above such that the expander performs mechanical work.
  • the working medium circuit 1 is operated by actuating the valve 11 with one of the two mutually different working media from the working medium reservoirs 9, 10 or a mixture thereof, wherein the mixing ratio is variably adjustable.
  • the working medium circuit 1 is operated with a first working medium (here water or water mixture) and in a second operating state (winter operation) with a second working medium (here ethanol or ammonia or a mixture with at least one of these substances) ,
  • a first working medium here water or water mixture
  • a second working medium here ethanol or ammonia or a mixture with at least one of these substances
  • the change according to the invention from one working medium to the other or to a mixture of the working media from the at least two working medium supplies 9, 10 takes place again depending on certain boundary conditions, such as the temperature of the environment, the working medium or depending on a specific time, such as the 1st of October of each year.
  • certain boundary conditions such as the temperature of the environment, the working medium or depending on a specific time, such as the 1st of October of each year.
  • a specific time such as the 1st of October of each year.
  • multiple changes to a corresponding working medium or a mixture thereof, for example, within an hour, a day, a week, a month or a year are conceivable.
  • FIG. 2 is a development of the subject matter of FIG. 1 according to a particularly preferred embodiment also shown schematically.
  • FIG. 2 shows the Dampf Vietnamese remedies, as they could find in a vehicle, such as utility or rail vehicle or a stationary system such as a cogeneration plant, use.
  • corresponding components are provided with corresponding reference numerals.
  • the vehicle or the stationary system shown schematically comprises an internal combustion engine 12, the waste heat, for example, that of the exhaust gas stream, the evaporator 7 is supplied to evaporate the working medium.
  • a coolant which flows through the internal combustion engine 12 to cool it, could also be used to vaporize the working medium (or the working medium mixture).
  • a not shown Burner unit be associated with the evaporator 7 in order to evaporate the working medium.
  • the internal combustion engine 12 is connected in the present case via an output shaft with an input shaft of a transmission 13. Via the internal combustion engine 12 or indirectly via the transmission 13, the pump 8 of the steam cycle device can be driven.
  • the internal combustion engine 12 drives drive wheels, not shown, of the vehicle via the transmission 13.
  • an aggregate such as an electric generator, can be driven via the gear 13.
  • a transmission 13 can be dispensed with, with the unit then being driven directly by the internal combustion engine 12.
  • the inventive change of the working medium (when using a working medium mixture, the change in their mixing ratio) of the steam cycle device, as shown in the FIGS. 1 and 2 can also be shown in dependence on a predetermined temperature of the internal combustion engine 12 (FIG. FIG. 2 ) respectively.
  • the condenser 13 is coupled to a heat exchanger 14 to the resulting in the condenser 3 condensation heat by heat coupling of a heating system, for example, for space heating of a building when running as a stationary system or the passenger compartment when running as a vehicle and / or for heating domestic water or the appropriate aggregate be used.
  • a heating system for example, for space heating of a building when running as a stationary system or the passenger compartment when running as a vehicle and / or for heating domestic water or the appropriate aggregate be used.
  • the illustrated embodiment can also in a watercraft or a

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Abstract

The apparatus has a working medium circuit (1) in which a working fluid is circulated. An evaporator (7) is arranged in the working medium circuit so as to evaporate working medium by heat. The vaporous working fluid is fed to an expander (2) and liquefied in a condenser (3). A working medium changing device (4) is located to adjust the two working fluid supplied to the working medium circuit so as to mix two working fluid in constant mixing ratio. The working fluid is ammonia or ethanol of mixture of water. Independent claims are included for the following: (1) method for operating steam cycle apparatus; (2) land, water or aircraft; and (3) stationary plant.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dampfkreisprozessvorrichtung, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen und ein Fahrzeug.The invention relates to a steam cycle device, in more detail according to the preamble of claim 1, and to a method for operating such and a vehicle.

Derartige Dampfkreisprozessvorrichtungen sind dem Fachmann bekannt. Sie umfassen einen Expander und sind in der Regel zusammen mit einem Verbrennungsmotor in einem gemeinsamen Antriebsstrang untergebracht. Dabei können derartige Dampfkrelsprozessvorrichtungen sowohl in Fahrzeugen, wie in Nutz- oder Schienenfahrzeugen, als auch in stationären Anlagen wie Heizkraftwerken, welche beispielsweise das Gas einer Bioabgasanlage zur Strom-und Wärmeerzeugung verfeuern, eingesetzt werden.Such steam cycle devices are known to those skilled in the art. They include an expander and are usually housed together with an internal combustion engine in a common drive train. In this case, such Dampfkrelsprozessvorrichtungen both in vehicles, such as in commercial or rail vehicles, as well as in stationary systems such as thermal power plants, which burn, for example, the gas of a biogas plant for power and heat generation can be used.

Herkömmlich weist die Dampfkreisprozessvorrichtungen einen Arbeitsmediumkreislauf auf, in dem ein Arbeitsmedium umgewälzt wird. Im Arbeitsmediumkreislauf ist ein Verdampfer angeordnet, dem beispielsweise über den Abgasstrom des Verbrennungsmotors Wärme zugeleitet wird, um das zunächst flüssige Arbeitsmedium zu verdampfen. Mit dem Dampf wird dann der Expander betrieben, wobei das dampfförmige Arbeitsmedium unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt und nachfolgend einem Kondensator zu dessen Verflüssigung zugeführt wird. Dabei kann in dem Arbeitsmediumkreislauf eine Pumpe zum Umwälzen des Arbeitsmediums, insbesondere in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen, vor dem Verdampfer angeordnet sein.Conventionally, the steam cycle devices have a working medium circuit in which a working fluid is circulated. In the working medium circuit, an evaporator is arranged, to which, for example, heat is supplied via the exhaust gas stream of the internal combustion engine in order to evaporate the initially liquid working medium. With the steam, the expander is then operated, wherein the vaporous working medium is relaxed while performing mechanical work and subsequently fed to a condenser to liquefy it. In this case, a pump for circulating the working medium, in particular in the flow direction of the working medium can be arranged in front of the evaporator in the working medium circuit.

Die Anforderungen an das Arbeitsmedium von gattungsgemäßen Dampfkreisprozessvorrichtungen können über der Betriebszeit variieren. Wenn beispielsweise die Dampfkreisprozessvorrichtung im Freien betrieben wird, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, so muss sichergestellt werden, dass das System bei niedrigen Umgebungstemperaturen nicht einfrieren kann. Herkömmlich wird daher die Dampfkreisprozessvorrichtung stets auf den ungünstigsten anzunehmenden Betriebsfall bezüglich beispielsweise der Umgebungstemperatur eingestellt, was jedoch Nachteile für den Gesamtwirkungsgrad haben kann. Dies ist besonders dann schwerwiegend, wenn die ungünstigen Randbedingungen nur zweitweise, insbesondere vergleichsweise selten auftreten.The requirements for the working fluid of generic steam cycle devices may vary over the operating time. If, for example, the steam cycle device is operated outdoors, for example in a motor vehicle, it must be ensured that the System can not freeze at low ambient temperatures. Conventionally, therefore, the steam cycle device is always set to the worst case scenario with respect to, for example, the ambient temperature, but this can have disadvantages for the overall efficiency. This is particularly serious when the unfavorable boundary conditions occur only in part, especially comparatively rare.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dampfkreisprozessvorrichtung, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen sowie ein Fahrzeug anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeiden.The invention is therefore based on the object, a Dampfkreisprozessvorrichtung to provide a method for operating such and a vehicle, which avoid the disadvantages mentioned.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind besonders zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.The object is solved by the features of the independent claims. In the dependent claims particularly expedient and advantageous embodiments of the invention are given.

Eine erfindungsgemäße Dampfkreisprozessvorrichtung umfasst einen Arbeitsmediumkreislauf, in dem ein Arbeitsmedium umgewälzt wird sowie einen im Arbeitsmediumkreislauf angeordneten Verdampfer, in dem das Arbeitsmedium durch Wärmezufuhr verdampft wird. Dabei wird das dampfförmige Arbeitsmedium einem Expander zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt und nachfolgend in einem Kondensator verflüssigt.A steam cycle process device according to the invention comprises a working medium circuit in which a working medium is circulated and an evaporator arranged in the working medium circuit in which the working medium is vaporized by supplying heat. In this case, the vaporous working medium is fed to an expander for relaxation and performance of mechanical work and subsequently liquefied in a condenser.

Erfindungsgemäß ist eine Arbeitsmediumwechseleinrichtung vorgesehen, mit wenigstens zwei Arbeitsmediumvorräten, die zueinander verschiedene Arbeitsmedien umfassen, die dem Arbeitsmediumkreislauf als Alternativen wahlweise oder mit einem variabel einstellbaren, jedoch im Umlauf im Arbeitsmediumkreislauf im Wesentlichen gleichbleibenden Mischungsverhältnis auch vermischt zuführbar sind. Im Wesentlichen gleichbleibend bedeutet hier, dass sich das Mischungsverhältnis des Arbeitsmediumgemisches, welches sich im Umlauf befindet, aufgrund von Verdampfen und Kondensieren in dem Arbeitsmediumkreislauf zwar verändern kann, dies jedoch nicht durch Zuführen von Arbeitsmedium zum oder Abziehen von Arbeitsmedium aus dem Arbeitsmediumkreislauf während des Betriebs der Dampfkreisprozessvorrichtung erfolgt. Bevorzugt wird ein Wechsel des Arbeitsmediums oder des Gemisches im Stillstand der Dampfkreisprozessvorrichtung durchgeführt.According to the invention, a working medium changing device is provided, with at least two working medium inventories comprising mutually different working media, which can be fed to the working medium circuit as alternatives alternatively or mixed with a variably adjustable, but in circulation in the working medium circuit substantially constant mixing ratio. Substantially constant here means that the mixing ratio of the working medium mixture, which is in circulation, due to evaporation and condensation in the Although the working medium circuit can change, this is not done by supplying working medium for or removing working medium from the working medium circuit during operation of the steam cycle device. Preferably, a change of the working medium or of the mixture is carried out at standstill of the steam cycle device.

Mit wahlweise zuführbar ist dabei gemeint, dass die wenigstens zwei Arbeitsmedien aus den Arbeitsmediumvorräten getrennt oder vermischt dem Arbeitsmediumkreislauf zugeführt werden. Unter zueinander verschiedenen Arbeitsmedien werden Arbeitsmedien verstanden, welche derartige Eigenschaften aufweisen, dass sie für sich selbst gesehen das Arbeitsmedium des Arbeitsmediumkreislaufs darstellen und damit jeweils einen Betrieb der Dampfkreisprozessvorrichtung ermöglichen. Dies bedeutet in anderen Worten, dass die Arbeitsmedien verdampfbar und kondensierbar sind.With optional supply is meant that the at least two working media from the working medium supplies are supplied separately or mixed with the working medium circuit. Working media which are different from one another are understood to mean working media which have properties such that they themselves represent the working medium of the working medium circuit and thus enable operation of the steam cycle device in each case. In other words, this means that the working media are evaporable and condensable.

Mit der erfindungsgemäßen Dampfkreisprozessvorrichtung ist es somit möglich, den Betrieb an verschiedene vorherrschende Randbedingungen, beispielsweise die Umgebungstemperatur, anzupassen und dadurch den Gesamtwirkungsgrad über der Betriebszeit zu erhöhen.With the steam cycle device according to the invention, it is thus possible to adapt the operation to various prevailing boundary conditions, for example the ambient temperature, and thereby to increase the overall efficiency over the operating time.

Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Arbeitsmediumwechseleinrichtung derart ausgeführt, dass der Arbeitsmediumkreislauf in einem ersten Betriebszustand (Sommerbetrieb) mit dem ersten Arbeitsmedium aus dem ersten Arbeitsmediumvorrat beschickbar ist und in einem zweiten Betriebszustand (Winterbetrieb) mit dem zweiten Arbeitsmedium aus dem zweiten Arbeitsmediumvorrat beschickbar ist. Dabei ist der Arbeitsmediumwechseleinrichtung eine Schalteinrichtung zugeordnet, welche automatisch abwechselnd einen der beiden Betriebszustände einschaltet. Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird beim Übergang vom ersten zum zweiten Betriebszustand das Mischungsverhältnis der Arbeitsmedien aus den beiden Vorräten geändert. Eine solche variierte Vermischung schließt jedoch nicht aus, dass auch ein Mischungsverhältnis von 100:0 oder 0:100 vorgesehen werden kann, das heißt nur eines der beiden Arbeitsmedien in der "Mischung" vorhanden ist. Die Änderung des Mischungsverhältnisses bewirkt dann eine Zumischung des anderen Arbeitsmediums, so dass ein Mischungsverhältnis zwischen 99:1 und 1:99 erreicht wird.According to a first embodiment, the working medium changing device is designed such that the working medium circuit in a first operating state (summer mode) can be charged with the first working medium from the first working medium supply and in a second operating state (winter operation) can be charged with the second working medium from the second working medium supply. In this case, the working medium changing device is associated with a switching device which automatically turns on alternately one of the two operating states. According to an alternative embodiment, the mixing ratio of the working media of the two is at the transition from the first to the second operating state Inventories changed. However, such varied mixing does not exclude that a mixing ratio of 100: 0 or 0: 100 can be provided, that is, only one of the two working media in the "mixture" is present. The change in the mixing ratio then causes an admixture of the other working medium, so that a mixing ratio between 99: 1 and 1:99 is achieved.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Arbeitsmediumwechseleinrichtung eine Schalteinrichtung zugeordnet, um die Arbeitsmediumwechseleinrichtung in Abhängigkeit einer vorgegebenen Randbedingung, insbesondere einer Temperatur, beispielsweise der des Arbeitsmediums, der Umgebungstemperatur oder der Temperatur eines Verbrennungsmotors, welcher der Dampfkreisprozessvorrichtung zugeordnet ist und/oder in Abhängigkeit eines vorbestimmten Zeitpunktes zu betätigen. Alternativ oder zusätzlich kann die Arbeitsmediumwechseleinrichtung in Abhängigkeit weiterer Umgebungsparameter oder Parameter des Antriebsstranges oder Fahrzeugs/der stationären Einrichtung betätigt werden, um durch Auswahl des hierauf am besten abgestimmten Arbeitsmediums zum Betrieb des Arbeitsmediumkreislaufes/der Dampfkreisprozessvorrichtung den Wirkungsgrad zu erhöhen.According to a preferred embodiment of the working medium changing means is associated with a switching device to the working medium changing device in response to a predetermined boundary condition, in particular a temperature, for example, the working medium, the ambient temperature or the temperature of an internal combustion engine, which is associated with the Dampfkreisprozessvorrichtung and / or in response to a predetermined time to press. Alternatively or additionally, the working medium changing device can be actuated as a function of further environmental parameters or parameters of the drive train or vehicle / stationary device in order to increase the efficiency by selecting the working medium best suited for operating the working medium circuit / steam cycle device.

Mit einem vorbestimmten Zeitpunkt ist beispielsweise eine Datumsangabe, wie der 1. Oktober, oder ein kalendarischer Sommer- oder Winteranfang gemeint. Dabei kann die Arbeitsmediumwechseleinrichtung über die Schalteinrichtung automatisch (bei Vorliegen der besagten Randbedingungen) betätigt werden. Die automatische Betätigung kann über entsprechende Sensoren, welche mit der Schalteinrichtung in leitender Verbindung stehen, ausgelöst werden.By a predetermined time is meant, for example, a date such as October 1, or a calendar summer or winter start. In this case, the working medium changing device via the switching device can be actuated automatically (in the presence of said boundary conditions). The automatic actuation can be triggered via corresponding sensors, which are in a conductive connection with the switching device.

Das erste Arbeitsmedium kann dabei Wasser oder ein Wassergemisch sein, wohingegen das zweite Arbeitsmedium Ammoniak oder Ethanol oder ein Gemisch mit wenigstens einem dieser Stoffe sein kann. Beide hier benannte Arbeitsmedien können sich somit bei gleichem Umgebungsdruck in ihren Sieden- und/oder Kondensationstemperaturen unterscheiden. Auch hier können alternative Stoffe, beispielsweise ionische Flüssigkeiten als Arbeitsmedium, in Betracht kommen.The first working medium may be water or a water mixture, whereas the second working medium ammonia or ethanol or a mixture with at least one of these substances can be. Both working media named here can thus differ in their boiling and / or condensation temperatures at the same ambient pressure. Again, alternative materials, such as ionic liquids as a working medium, come into consideration.

Bevorzugt wird also insbesondere im Sommer ein Arbeitsmedium mit relativ hohen Siede- und/oder Kondensationstemperaturen verwendet, wohingegen bevorzugt im Winter Ammoniak oder Ethanol als Rohstoffe oder Gemische Verwendung finden. Durch die Verwendung dieser Stoffe, deren Schmelzpunkt deutlich unterhalb von 0° C liegt, wird zudem ein Gefrieren des Arbeitsmediums im Winterbetrieb bei relativ niedrigen Umgebungstemperaturen verhindert. In diesem Fall dient das Arbeitsmedium somit gleichzeitig als Frostschutzmittel.Thus, a working medium having relatively high boiling and / or condensation temperatures is preferably used, in particular in summer, whereas ammonia or ethanol are preferably used as raw materials or mixtures in winter. The use of these substances, whose melting point is well below 0 ° C, also prevents freezing of the working medium in winter operation at relatively low ambient temperatures. In this case, the working medium thus simultaneously serves as antifreeze.

Wird das Mischungsverhältnis variabel eingestellt, so kann beispielsweise im Sommerbetrieb 100 % Wasser und damit keine Zugabe von Frostschutz als Arbeitsmedium für die Dampfkreisprozessvorrichtung verwendet werden. Hingegen kann im Winterbetrieb das Wasser beispielsweise einen Anteil von 10 % Frostschutz enthalten. Auch ist es denkbar in einer Übergangszeit zwischen dem Sommer- und Winterbetrieb ein davon abweichendes Mischungsverhältnis einzusetzen, beispielsweise 95 % Wasser und 5 % Frostschutzmittel.If the mixing ratio is set variably, for example in summer operation 100% water and thus no addition of antifreeze can be used as the working medium for the steam cycle device. By contrast, in winter operation, for example, the water may contain 10% of antifreeze. It is also conceivable in a transitional period between the summer and winter operation to use a deviating mixing ratio, for example 95% water and 5% antifreeze.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform betätigt die Schalteinrichtung die Arbeitsmediumwechseleinrichtung in Abhängigkeit einer vorgegebenen Temperatur und/oder in Abhängigkeit eines vorgegebenen Zeitpunktes derart, dass das Arbeitsmedium im Arbeitsmittelkreislauf aus dem einen Arbeitsmediumvorrat durch das Arbeitsmedium aus dem anderen Arbeitsmediumvorrat oder durch ein Gemisch aus den Arbeitsmediumvorräten, dessen Volumenanteil des einen Arbeitsmediums aus dem einen Arbeitsmediumvorrat zwischen 1 % und 99 % des Gesamtvolumens des Arbeitsmediums in der Dampfkreisprozessvorrichtung beträgt, ausgetauscht wird.According to a further embodiment, the switching device actuates the working medium changing device as a function of a predetermined temperature and / or as a function of a predetermined time such that the working medium in the working fluid circuit from one working fluid supply through the working fluid from the other working fluid reservoir or through a mixture of the working medium supplies, its volume fraction of a working medium from which a working medium supply is between 1% and 99% of the total volume of the working medium in the steam cycle device is exchanged.

Weiterhin kann die Schalteinrichtung die Arbeitsmediumwechseleinrichtung derart betätigen, dass das Mischungsverhältnis der Arbeitsmedien aus den Arbeitsmediumvorräten in Abhängigkeit einer vorgegebenen Temperatur und/oder in Abhängigkeit eines vorgegebenen Zeitpunkts auf ein vorgegebenes Mischungsverhältnis eingestellt wird.Furthermore, the switching device can actuate the working medium changing device such that the mixing ratio of the working media from the working medium supplies is set to a predetermined mixing ratio as a function of a predetermined temperature and / or as a function of a predetermined time.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Dampfkreisprozessvorrichtung ist dem Kondensator, in welchem das Arbeitsmedium unter Abgabe von Wärme kondensiert, eine Wärmenutzeinrichtung derart zugeordnet, dass die Kondensationswärme in die Wärmenutzeinrichtung insbesondere zur Aufheizung von Heizungswasser, zur Aufheizung von Brauchwasser oder sonstiger Aggregate, übertragen wird.According to a further preferred embodiment of the Dampfkreisprozessvorrichtung the heat exchanger is assigned to the condenser, in which condenses the working fluid with the release of heat, that the heat of condensation is transferred to the heat recovery device in particular for heating heating water, for heating domestic water or other aggregates.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Dampfkreisprozessvorrichtung umfasst die folgenden Schritte:

  • Umwälzen eines Arbeitsmediums in dem Arbeitsmediumkreislauf, wobei dieses in dem Verdampfer verdampft wird und das Arbeitsmedium dem Expander zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt und nachfolgend im Kondensator verflüssigt wird;
  • Der Arbeitsmediumkreislauf wird alternierend mit einem der beiden zueinander verschiedenen Arbeitsmedien oder mit einem variabel einstellbaren, jedoch im Umlauf im Arbeitsmediumkreislauf im Wesentlichen gleichbleibenden Mischungsverhältnis der untereinander vermischten Arbeitsmedien aus den wenigstens zwei Arbeitsmediumvorräten betrieben.
A method according to the invention for operating a steam cycle device according to the invention comprises the following steps:
  • Circulating a working medium in the working medium circuit, wherein this is evaporated in the evaporator and the working medium supplied to the expander for relaxation and performance of mechanical work and is subsequently liquefied in the condenser;
  • The working medium circuit is operated alternately with one of the two mutually different working media or with a variably adjustable, but in circulation in the working medium circuit substantially constant mixing ratio of the mutually mixed working media from the at least two Arbeitsmediumvorräten.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Dampfkreisprozessvorrichtung Teil eines stationären Systems, beispielsweise einer Biogasanlage, oder eines Fahrzeugs, wie Nutz- oder Schienenfahrzeugs, oder eines Schiffes, umfassend einen Verbrennungsmotor sowie einen Expander, wobei eine erfindungsgemäße Dampfkreisprozessvorrichtung vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass dem Arbeitsmediumkreislauf zum Antrieb des Expanders Abwärme, insbesondere aus dem Abgas des Verbrennungsmotors, zuführbar ist.According to one embodiment of the invention, the steam cycle device is part of a stationary system, such as a biogas plant, or a Vehicle, such as utility or rail vehicle, or a ship comprising an internal combustion engine and an expander, wherein a Dampfkreisprozessvorrichtung invention is provided, which is designed such that the working medium circuit for driving the expander waste heat, in particular from the exhaust gas of the internal combustion engine, can be fed.

Das stationäre System oder das Fahrzeug beziehungsweise Schiff weist vorteilhaft eine Dampfkreisprozessvorrichtung auf, die eingerichtet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.The stationary system or the vehicle or ship advantageously has a steam cycle device which is set up to carry out the method according to the invention.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird mit dem Wechsel des Arbeitsmediums beziehungsweise mit einer automatischen Betätigung der Wechseleinrichtung auch wenigstens ein weiterer Systemparameter der Dampfkreisprozessvorrichtung geändert, um deren Betrieb im Hinblick auf das neue Arbeitsmedium zu optimieren. Ein solcher Systemparameter kann beispielsweise die Arbeitsmediummenge, Dampfmenge, der Arbeitsmediumdruck, die Arbeitsmediumtemperatur oder eine andere Größe insbesondere des Arbeitsmediumkreislaufs, beispielsweise vor oder hinter dem Verdampfer, dem Expander oder dem Kondensator sein.According to one embodiment of the invention, with the change of the working medium or with an automatic actuation of the changing device, at least one further system parameter of the steam cycle device is changed in order to optimize its operation with regard to the new working medium. Such a system parameter can be, for example, the working medium quantity, the amount of steam, the working medium pressure, the working medium temperature or another variable, in particular of the working medium circuit, for example in front of or behind the evaporator, the expander or the condenser.

Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren exemplarisch erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1
eine schematische Darstellung einer Dampfkreisprozessvorrichtung mit zwei Arbeitsmediumvorräten;
Figur 2
eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs oder einer stationären Anlage mit einer erfindungsgemäßen Dampfkreisprozessvorrichtung.
The invention will now be explained by way of example with reference to embodiments and the accompanying figures. Show it:
FIG. 1
a schematic representation of a Dampfkreisprozessvorrichtung with two working medium inventories;
FIG. 2
a schematic representation of a drive train of a vehicle or a stationary system with a Dampfkreisprozessvorrichtung invention.

In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dampfkreisprozessvorrichtung in schematischer Darstellung gezeigt. Letztere umfasst einen Arbeitsmediumkreislauf 1, in welchem vorliegend mittels einer Pumpe 8 Arbeitsmedium umgewälzt wird. In Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen sind hinter der Pumpe 8 folgende Komponenten angeordnet: Ein Verdampfer 7, ein Expander 2, ein Kondensator 3 sowie eine Einmündung zu zwei Arbeitsmediumvorräten 9, 10. Vor oder hinter der Einmündung kann im Arbeitsmediumkreislauf, das heißt zwischen Einmündung und Pumpe 8 oder zwischen Kondensator 3 und Einmündung ein Vorratsbehälter für das Arbeitsmedium vorgesehen sein, der insbesondere als durchflossener Vorratsbehälter ausgeführt ist, um Druckschwankungen auszugleichen.In FIG. 1 a preferred embodiment of a Dampfkreisprozessvorrichtung invention is shown in a schematic representation. The latter comprises a working medium circuit 1 in which in the present case by means of a pump 8 working medium is circulated. Viewed in the direction of flow of the working medium, the following components are arranged behind the pump 8: an evaporator 7, an expander 2, a condenser 3 and an outlet to two working medium stores 9, 10. Before or after the confluence can be in the working medium circuit, that is between the junction and pump 8 or be provided between the condenser 3 and the mouth of a reservoir for the working fluid, which is designed in particular as a flow-through reservoir to compensate for pressure fluctuations.

Im Arbeitsmediumkreislauf 1 wird das mittels der Pumpe 8 umgewälzte Arbeitsmedium im Verdampfer 7 verdampft. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird sodann dem Expander 2 zugeführt, wo es unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt. Nachfolgend zum Expander 2 wird das entspannte Arbeitsmedium dem Kondensator 3 zugeführt, wo es unter Abgabe von Kondensationswärme verflüssigt wird. Das kondensierte Arbeitsmedium strömt dann, wie nachfolgend noch ausgeführt wird, in einen der Arbeitsmediumvorräte 9,10 beziehungsweise zur Pumpe 8.In the working medium circuit 1, the recirculated by the pump 8 working fluid is evaporated in the evaporator 7. The vaporous working medium is then fed to the expander 2, where it relaxes while performing mechanical work. Following the expander 2, the expanded working medium is fed to the condenser 3, where it is liquefied with the release of condensation heat. The condensed working medium then flows, as will be explained below, into one of the working medium reservoirs 9, 10 or to the pump 8.

Die Arbeitsmediumvorräte 9, 10 werden dabei getrennt voneinander (vorliegend) jeweils in einem separaten Arbeitsmediumbehälter bevorratet. Im Falle des Fahrzeugs werden die Arbeitsmediumbehälter und damit die Arbeitsmediumvorräte ständig von diesem mitgeführt.The working medium supplies 9, 10 are stored separately (in this case) each in a separate working medium container. In the case of the vehicle, the working medium container and thus the working medium supplies are constantly carried by this.

Im vorliegenden Fall sind die beiden Arbeitsmediumvorräte 9, 10 an eine gemeinsame Leitung angeschlossen, welche in den Arbeitsmediumkreislauf 1 mündet. Alternativ könnten die beiden Arbeitsmediumvorräte 9, 10 an voneinander unterschiedlichen Stellen eines Arbeitsmediumkreislaufs 1 münden.In the present case, the two working medium supplies 9, 10 are connected to a common line, which opens into the working medium circuit 1. Alternatively, the two working medium reservoirs 9, 10 could open at mutually different locations of a working medium circuit 1.

In der besagten Leitung ist ein Ventil 11 angeordnet, in welcher die besagte Leitung in zwei Zweigleitungen aufgeteilt ist, welche parallel verlaufen und mit den entsprechenden Arbeitsmediumvorräten 9, 10 strömungsleitend verbunden sind.In the said line a valve 11 is arranged, in which said line is divided into two branch lines, which run parallel and are fluidically connected to the corresponding working medium reservoirs 9, 10.

Die beiden Arbeitsmediumvorräte 9, 10 sind Teil einer Arbeitsmediumwechseleinrichtung 4, um den Arbeitsmediumkreislauf 1 mit zwei zueinander verschiedenen Arbeitsmedien aus den Arbeitsmediumvorräten 9, 10 wahlweise und alternativ zu betreiben. Das Ventil 11 kann von einer Schalteinrichtung 5, welche der Arbeitsmediumwechseleinrichtung 4 zugeordnet ist, derart betätigt werden, dass die Versorgung des Arbeitsmediumkreislaufs 1 wahlweise auf einen der beiden Arbeitsmediumvorräte 9, 10 umgestellt wird. Alternativ kann die Schalteinrichtung 5 derart betätigend auf die Arbeitsmediumwechseleinrichtung 4 zugreifen, dass ein Gemisch der Arbeitsmedien aus den beiden Arbeitsmediumvorräten 9, 10 erzeugt wird, dass dann das gesamte Arbeitsmedium der Dampfkreisprozessvorrichtung darstellt. Dazu greift die Schalteinrichtung 5 steuernd auf das Ventil 11 zu, und zwar in Abhängigkeit vorgegebener Randbedingungen, wie beispielsweise einer vorgegebenen Temperatur des Arbeitsmediums, der Umgebung oder einem vorbestimmten Zeitpunkt. Hierzu können nicht gezeigte Sensoren vorgesehen sein, die ebenfalls über nicht gezeigte Verbindungen mit der Schalteinrichtung 5 in Kommunikation stehen. Die Schalteinrichtung 5 kann in Abhängigkeit der Randbedingungen auch automatisch ein Umschalten der Arbeitsmediumvorräte 9, 10 durch Betätigen des Ventils 11 auslösen. Alternativ dazu erfolgt der Arbeitsmediumwechsel durch manuelles Umlegen des Ventils 11.The two working medium stores 9, 10 are part of a working medium changing device 4, to selectively and alternatively operate the working medium circuit 1 with two different working media from the working medium stores 9, 10. The valve 11 can be actuated by a switching device 5, which is associated with the working medium changing device 4, such that the supply of the working medium circuit 1 is optionally switched to one of the two working medium stores 9, 10. Alternatively, the switching device 5 can access the working medium changing device 4 in such a manner that a mixture of the working mediums from the two working medium supplies 9, 10 is generated, which then represents the entire working medium of the steam cycle device. For this purpose, the switching device 5 accesses the control valve 11, in dependence on predetermined boundary conditions, such as a predetermined temperature of the working medium, the environment or a predetermined time. For this purpose, sensors, not shown, may be provided, which are also in communication via not shown connections with the switching device 5. The switching device 5 can also automatically trigger a switching of the working medium reservoirs 9, 10 by actuating the valve 11 as a function of the boundary conditions. Alternatively, the working medium change takes place by manual folding of the valve 11.

Zum Wechseln des Arbeitsmediums (oder Erzeugung eines Gemisches aus den bevorrateten Arbeitsmedien) in dem Arbeitsmediumkreislauf können eine oder mehrere Pumpen in der Arbeitsmediumwechseleinrichtung 4 vorgesehen sein. Auch ist es möglich, die Arbeitsmediumvorräte 9, 10 nicht nur über die gezeigte eine, sondern jeweils über zwei oder mehr Leitungen an dem Ventil 11 oder dem Arbeitsmediumkreislauf 1 anzuschließen, um über eine erste Leitung des Arbeitsmedium aus dem Arbeitsmediumkreislauf 1 in den Arbeitsmediumvorrat 9, 10 und mittels der zweiten Leitung aus dem Arbeitsmediumvorrat 9, 10 in den Arbeitsmediumkreislauf 1 zu leiten.To change the working medium (or generation of a mixture of the stored working media) in the working medium circuit, one or more pumps may be provided in the working medium changing device 4. It is also possible to connect the working medium supplies 9, 10 not only via the one shown, but in each case via two or more lines to the valve 11 or the working medium circuit 1, via a first line of the Working medium from the working fluid circuit 1 in the working fluid supply 9, 10 and by means of the second line from the working fluid supply 9, 10 in the working fluid circuit 1 to conduct.

Auch kann dem Arbeitsmediumkreislauf 1 eine Trenn- oder Abscheidevorrichtung (nicht gezeigt) zugeordnet sein, um ein im Arbeitsmediumkreislauf 1 erzeugtes Gemisch der Arbeitsmedien zu trennen, um dessen Bestandteile getrennt den einzelnen Arbeitsmediumvorräten 9, 10 wieder zurückzuführen.Also, the working medium circuit 1, a separation or separation device (not shown) may be assigned to separate a generated in the working fluid circuit 1 mixture of the working media to its components separately the individual Arbeitsmediumvorräten 9, 10 due again.

Restwärme aus der Kondensation, auch als Kondensationswärme bezeichnet, kann gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung für eine sogenannte Wärmekopplung genutzt werden. Bei einer solchen Wärmekopplung wird die im Kondensator, insbesondere die in dem hier gezeigten Kondensator 3, anfallende Kondensationswärme einer Heizungsanlage beispielsweise zur Raumheizung des Fahrzeugs - beim Vorsehen einer solchen Dampfkreisvorrichtung in einem Fahrzeug - oder zur Raumheizung eines Gebäudes - bei Vorsehen einer solchen Dampfkreisprozessvorrichtung in einer stationären Anlage - erfolgen. Die vom Kondensator 3 abgeführte Kondensationswärme kann in beiden Ausführungen auch zur Aufheizung von Brauchwasser oder sonstiger Aggregate herangezogen werden.Residual heat from the condensation, also referred to as condensation heat, can be used according to a particularly advantageous embodiment of the invention for a so-called heat coupling. In such a heat coupling in the condenser, in particular in the condenser 3 shown here, condensation heat of a heating system, for example for space heating of the vehicle - when providing such a steam cycle device in a vehicle - or for space heating a building - in providing such a Dampfkreisprozessvorrichtung in a stationary plant - done. The heat of condensation dissipated by the condenser 3 can also be used for heating domestic water or other units in both versions.

Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erfindungsgemäße Dampfkreisprozessvorrichtung wie oben dargestellt derart betrieben, dass der Expander mechanische Arbeit verrichtet. Dabei wird erfindungsgemäß der Arbeitsmediumkreislauf 1 durch Betätigen des Ventils 11 mit einem der beiden zueinander verschiedenen Arbeitsmeiden aus den Arbeitsmediumvorräten 9, 10 oder einem Gemisch dieser betrieben, wobei das Mischungsverhältnis variabel einstellbar ist.According to a method according to the invention, the steam cycle device according to the invention is operated as shown above such that the expander performs mechanical work. In this case, according to the invention, the working medium circuit 1 is operated by actuating the valve 11 with one of the two mutually different working media from the working medium reservoirs 9, 10 or a mixture thereof, wherein the mixing ratio is variably adjustable.

Bevorzugt wird dabei in einem ersten Betriebszustand (Sommerbetrieb) der Arbeitsmediumkreislauf 1 mit einem ersten Arbeitsmedium (hier Wasser oder Wassergemisch) und in einem zweiten Betriebszustand (Winterbetrieb) mit einem zweiten Arbeitsmedium (hier Ethanol oder Ammoniak oder ein Gemisch mit wenigstens einem dieser Stoffe) betrieben.Preferably, in a first operating state (summer operation), the working medium circuit 1 is operated with a first working medium (here water or water mixture) and in a second operating state (winter operation) with a second working medium (here ethanol or ammonia or a mixture with at least one of these substances) ,

Der erfindungsgemäße Wechsel von einem Arbeitsmedium auf das andere oder auf eine Mischung der Arbeitsmedien aus den wenigstens zwei Arbeitsmediumvorräten 9, 10 erfolgt dabei wieder in Abhängigkeit bestimmter Randbedingungen, wie beispielsweise der Temperatur der Umgebung, des Arbeitsmediums oder in Abhängigkeit eines bestimmten Zeitpunkts, wie zum Beispiel dem 1. Oktober eines jeden Jahres. Natürlich sind mehrmalige Wechsel auf ein entsprechendes Arbeitsmedium oder ein Gemisch davon, beispielsweise innerhalb einer Stunde, eines Tages, einer Woche, eines Monats oder eines Jahres denkbar.The change according to the invention from one working medium to the other or to a mixture of the working media from the at least two working medium supplies 9, 10 takes place again depending on certain boundary conditions, such as the temperature of the environment, the working medium or depending on a specific time, such as the 1st of October of each year. Of course, multiple changes to a corresponding working medium or a mixture thereof, for example, within an hour, a day, a week, a month or a year are conceivable.

In Figur 2 ist eine Weiterbildung des Gegenstands von Figur 1 gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ebenfalls schematisch dargestellt. Figur 2 zeigt die Dampfkreisprozessvorrichtung, wie sie in einem Fahrzeug, wie Nutz-oder Schienenfahrzeug beziehungsweise einer stationären Anlage wie einem Heizkraftwerk, Verwendung finden könnte. Dabei sind sich entsprechende Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.In FIG. 2 is a development of the subject matter of FIG. 1 according to a particularly preferred embodiment also shown schematically. FIG. 2 shows the Dampfkreisprozessvorrichtung, as they could find in a vehicle, such as utility or rail vehicle or a stationary system such as a cogeneration plant, use. In this case, corresponding components are provided with corresponding reference numerals.

Das schematisch dargestellte Fahrzeug beziehungsweise die stationäre Anlage umfasst dabei einen Verbrennungsmotor 12, dessen Abwärme, beispielsweise die des Abgasstromes, dem Verdampfer 7 zum Verdampfen des Arbeitsmediums zugeführt wird. Alternativ könnte anstelle des Abgasstromes auch ein Kühlmittel, welches durch den Verbrennungsmotor 12 zu dessen Kühlung strömt, zur Verdampfung des Arbeitsmediums (oder des Arbeitsmediumgemisches) herangezogen werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine nicht gezeigte Brennereinheit dem Verdampfer 7 zugeordnet sein, um das Arbeitsmedium zu verdampfen.The vehicle or the stationary system shown schematically comprises an internal combustion engine 12, the waste heat, for example, that of the exhaust gas stream, the evaporator 7 is supplied to evaporate the working medium. Alternatively, instead of the exhaust gas flow, a coolant, which flows through the internal combustion engine 12 to cool it, could also be used to vaporize the working medium (or the working medium mixture). Alternatively or additionally, a not shown Burner unit be associated with the evaporator 7 in order to evaporate the working medium.

Der Verbrennungsmotor 12 ist im vorliegenden Fall über eine Abtriebswelle mit einer Eingangswelle eines Getriebes 13 verbunden. Über den Verbrennungsmotor 12 oder indirekt über das Getriebe 13 kann die Pumpe 8 der Dampfkreisprozessvorrichtung angetrieben werden.The internal combustion engine 12 is connected in the present case via an output shaft with an input shaft of a transmission 13. Via the internal combustion engine 12 or indirectly via the transmission 13, the pump 8 of the steam cycle device can be driven.

Im Falle des Fahrzeugs treibt der Verbrennungsmotor 12 über das Getriebe 13 nicht gezeigte Antriebsräder des Fahrzeugs an. Im Falle der stationären Anlage kann über das Getriebe 13 ein Aggregat, wie ein elektrischer Generator, angetrieben werden. Alternativ kann dabei auf ein solches Getriebe 13 verzichtet werden, wobei das Aggregat dann direkt vom Verbrennungsmotor 12 angetrieben würde.In the case of the vehicle, the internal combustion engine 12 drives drive wheels, not shown, of the vehicle via the transmission 13. In the case of the stationary system, an aggregate, such as an electric generator, can be driven via the gear 13. Alternatively, such a transmission 13 can be dispensed with, with the unit then being driven directly by the internal combustion engine 12.

Der erfindungsgemäße Wechsel des Arbeitsmediums (beim Einsatz eines Arbeitsmediumgemisches, die Änderung dessen Mischungsverhältnisses) der Dampfkreisprozessvorrichtung, wie sie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, kann auch in Abhängigkeit einer vorbestimmten Temperatur des Verbrennungsmotors 12 (Figur 2) erfolgen.The inventive change of the working medium (when using a working medium mixture, the change in their mixing ratio) of the steam cycle device, as shown in the FIGS. 1 and 2 can also be shown in dependence on a predetermined temperature of the internal combustion engine 12 (FIG. FIG. 2 ) respectively.

Im vorliegenden Fall ist der Kondensator 13 an einen Wärmetauscher 14 gekoppelt, um die im Kondensator 3 anfallende Kondensationswärme durch Wärmekopplung einer Heizungsanlage beispielsweise zur Raumheizung eines Gebäudes bei Ausführung als stationäre Anlage oder des Fahrgastraumes bei Ausführung als Fahrzeug und/oder zur Aufheizung von Brauchwasser oder des entsprechenden Aggregats herangezogen werden.In the present case, the condenser 13 is coupled to a heat exchanger 14 to the resulting in the condenser 3 condensation heat by heat coupling of a heating system, for example, for space heating of a building when running as a stationary system or the passenger compartment when running as a vehicle and / or for heating domestic water or the appropriate aggregate be used.

Anstelle der Anwendung in einem Fahrzeug mit Antriebsrädern kann die dargestellte Ausführungsform auch bei einem Wasserfahrzeug oder einemInstead of the application in a vehicle with drive wheels, the illustrated embodiment can also in a watercraft or a

Luftfahrzeug sowie in einer stationären Anlage, bei welcher mit dem Verbrennungsmotor ein anderes Aggregat, insbesondere ein Generator, angetrieben wird, verwendet werden.Aircraft and in a stationary system in which with the internal combustion engine, another unit, in particular a generator, is driven used.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
ArbeitsmediumkreislaufWorking medium circuit
22
Expanderexpander
33
Kondensatorcapacitor
44
ArbeitsmediumwechseleinrichtungWorking medium changer
55
Schalteinrichtungswitching device
66
WärmenutzeinrichtungWärmenutzeinrichtung
77
VerdampferEvaporator
88th
Pumpepump
9, 109, 10
ArbeitsmediumvorratWorking medium supply
1111
VentilValve
1212
Verbrennungsmotorinternal combustion engine
1313
Getriebetransmission
1414
Wärmetauscherheat exchangers

Claims (14)

Dampfkreisprozessvorrichtung, umfassend 1.1 einen Arbeitsmediumkreislauf (1), in dem ein Arbeitsmedium umgewälzt wird, mit einem Verdampfer (7), einem Expander (2) und einem Kondensator (3); wobei 1.2 das Arbeitsmedium in dem Verdampfer (7) durch Wärmezufuhr verdampft wird, das dampfförmige Arbeitsmedium dem Expander (2) zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt und nachfolgend in dem Kondensator (3) verflüssigt wird; dadurch gekennzeichnet, dass 1.3 eine Arbeitsmediumwechseleinrichtung (4) mit wenigstens zwei Arbeitsmediumvorräten (9, 10), die zueinander verschiedene Arbeitsmedien umfassen, die dem Arbeitsmediumkreislauf (1) als Alternativen wahlweise oder mit einem variabel einstellbaren, jedoch im Umlauf im Arbeitsmediumkreislauf (1) im Wesentlichen gleichbleibenden Mischungsverhältnis auch vermischt zuführbar sind, vorgesehen ist Steam cycle process apparatus comprising 1.1 a working medium circuit (1) in which a working medium is circulated, with an evaporator (7), an expander (2) and a condenser (3); in which 1.2 the working medium in the evaporator (7) is evaporated by supplying heat, the vaporous working medium is supplied to the expander (2) for relaxation and performance of mechanical work and subsequently liquefied in the condenser (3); characterized in that 1.3 a working medium changing device (4) with at least two Arbeitsmediumvorräten (9, 10), the mutually different working media that the working medium circuit (1) as alternatives alternatively or with a variably adjustable, but in circulation in the working medium circuit (1) substantially constant mixing ratio also are supplied mixed, is provided Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmediumwechseleinrichtung (4) derart ausgeführt ist, dass der Arbeitsmediumkreislauf (1) in einem ersten Betriebszustand mit dem ersten Arbeitsmedium beschickt wird und in einem zweiten Betriebszustand mit dem zweiten Arbeitsmedium beschickt wird oder der Arbeitsmediumkreislauf in einem ersten Betriebszustand mit Arbeitsmedium mit einem anderen Mischungsverhältnis des ersten und zweiten Arbeitsmediums als in einem zweiten Betriebszustand beschickt wird und
der Arbeitsmediumwechseleinrichtung (4) eine Schalteinrichtung (5) zugeordnet ist, welche automatisch abwechselnd einen der beiden Betriebszustände einschaltet.Steam cycle device according to claim 1, characterized in that the working medium changing device (4) is designed such that the working medium circuit (1) is charged in a first operating state with the first working medium and in a second operating state with the second working medium is charged or the working medium circuit in one first operating state with working fluid is charged with a different mixing ratio of the first and second working medium than in a second operating state, and
the working medium changing device (4) is assigned a switching device (5) which automatically switches on one of the two operating states alternately. Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (5) die Arbeitsmediumwechseleinrichtung (4) in Abhängigkeit einer vorgegebenen Temperatur und/oder in Abhängigkeit eines vorgegebenen Zeitpunktes derart betätigt, dass das Arbeitsmedium im Arbeitsmediumkreislauf (1) aus dem einen Arbeitsmediumvorrat (9) durch das Arbeitsmedium aus dem anderen Arbeitsmediumvorrat (10) ausgetauscht wird.Steam cycle device according to claim 2, characterized in that the switching device (5) the working medium changing device (4) in response to a predetermined temperature and / or as a function of a predetermined time so actuated that the working fluid in the working medium circuit (1) from the working fluid supply (9) is replaced by the working fluid from the other working fluid supply (10). Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (5) die Arbeitsmediumwechseleinrichtung (4) derart betätigt, dass das Mischungsverhältnis der Arbeitsmedien aus den Arbeitsmediumvorräten (9, 10) in Abhängigkeit einer vorgegebenen Temperatur und/oder in Abhängigkeit eines vorgegebenen Zeitpunkts auf ein vorgegebenes Mischungsverhältnis eingestellt wird.Steam cycle apparatus according to claim 2, characterized in that the switching means (5) the Arbeitsmediumwechseleinrichtung (4) actuated such that the mixing ratio of the working media from the Arbeitsmediumvorräten (9, 10) in response to a predetermined temperature and / or in dependence on a predetermined time on a preset mixing ratio is set. Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Arbeitsmedien bei gleichem Umgebungsdruck unterschiedliche Siede- und/oder Kondensationstemperaturen aufweisen.Steam cycle device according to one of claims 1 to 4,
characterized in that the different working media at the same ambient pressure have different boiling and / or condensation temperatures. Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Arbeitsmedium Wasser oder ein Wassergemisch und das zweite Arbeitsmedium Ammoniak oder Ethanol oder ein Gemisch mit wenigstens einem dieser Stoffe ist.Steam cycle device according to one of claims 1 to 5,
characterized in that the first working medium is water or a water mixture and the second working medium is ammonia or ethanol or a mixture with at least one of these substances. Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensator (3) eine Wärmenutzeinrichtung (6) derart zugeordnet ist, dass die Kondensationswärme in die Wärmenutzeinrichtung (6), insbesondere zur Aufheizung von Heizungswasser, zur Aufheizung von Brauchwasser oder sonstiger Aggregate, übertragen wird.Steam cycle device according to one of claims 1 to 6,
characterized in that the capacitor (3) is associated with a heat recovery device (6) such that the heat of condensation in the heat recovery device (6), in particular for Heating of heating water, for heating domestic water or other aggregates, is transmitted. Verfahren zum Betreiben einer Dampfkteisprozessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den folgenden Schritten: 8.1 Umwälzen eines Arbeitsmediums in dem Arbeitsmediumkreislauf (1), wobei dieses in dem Verdampfer (7) verdampft wird und dem Expander (2) zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt und nachfolgend im Kondensator (3) verflüssigt wird;
dadurch gekennzeichnet, dass 8.2 der Arbeitsmediumkreislauf (1) alternierend mit einem der beiden zueinander verschiedenen Arbeitsmedien oder mit einem variabel einstellbaren, jedoch im Umlauf im Arbeitsmediumkreislauf im Wesentlichen gleichbleibenden Mischungsverhältnis der Arbeitsmedien aus den wenigstens zwei Arbeitsmediumvorräten (9, 10) vermischt betrieben wird. A method of operating a steam cooking process apparatus according to any one of claims 1 to 7, comprising the following steps: 8.1 circulating a working medium in the working medium circuit (1), wherein this is evaporated in the evaporator (7) and the expander (2) fed to relax and perform mechanical work and subsequently in the condenser (3) is liquefied;
characterized in that 8.2 the working medium circuit (1) alternately with one of the two mutually different working media or with a variably adjustable, but in circulation in the working medium circuit substantially constant mixing ratio of the working media from the at least two Arbeitsmediumvorräten (9, 10) is operated mixed. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel zwischen den beiden Arbeitsmedien oder dem variabel einstellbaren Mischungsverhältnis aus beiden Arbeitsmedien in Abhängigkeit einer vorgegebenen Temperatur und/oder in Abhängigkeit eines vorbestimmten Zeitpunktes, insbesondere automatisch erfolgt.A method according to claim 8, characterized in that the change between the two working media or the variably adjustable mixing ratio of both working media in dependence of a predetermined temperature and / or in dependence of a predetermined time, in particular automatically. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmediumkreislauf (1) alternierend mit Wasser oder einem Wassergemisch als erstes Arbeitsmedium und mit Ammoniak oder Ethanol oder einem Gemisch mit wenigstens einem dieser Stoffe als zweites Arbeitsmedium betrieben wird.Method according to one of claims 8 or 9, characterized in that the working medium circuit (1) is operated alternately with water or a water mixture as a first working medium and with ammonia or ethanol or a mixture with at least one of these substances as the second working medium. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Wechsel des Arbeitsmediums oder des Mischungsverhältnisses wenigstens einer oder mehrere Systemparameter der Dampfkreisprozessvorrichtung, insbesondere die im Arbeitsmediumkreislauf (1) umgewälzte Arbeitsmediummenge, die dem Verdampfer (7) und/oder dem Expander (2) zugeführte Arbeitsmediummenge, der Druck des Arbeitsmediums vor dem Verdampfer (7) und/oder dem Expander (2) und/oder die Temperatur des Arbeitsmediums vor oder hinter dem Verdampfer (7) und/oder dem Expander (2) verändert wird.Method according to one of claims 8 to 10, characterized in that with the change of the working medium or the Mixing ratio of at least one or more system parameters of the Dampfkreisprozessvorrichtung, in particular in the working medium circuit (1) circulated amount of working fluid, the evaporator (7) and / or the expander (2) supplied amount of working fluid, the pressure of the working fluid upstream of the evaporator (7) and / or the Expander (2) and / or the temperature of the working medium in front of or behind the evaporator (7) and / or the expander (2) is changed. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium nach seiner Expansion im Expander (2) in einem Kondensator (3) kondensiert wird und die dabei abgeführte Kondensationswärme zur Wärmekopplung verwendet wird, wie zum Aufheizen von Brauchwasser, zum Aufheizen von Heizwasser in einer Heizungsanlage oder zum Aufheizen eines Aggregats.Method according to one of claims 8 to 11, characterized in that the working medium is condensed after its expansion in the expander (2) in a condenser (3) and the heat of condensation thereby dissipated is used for heat coupling, such as for heating domestic water, for heating Heating water in a heating system or for heating an aggregate. Land-, Wasser- oder Luftfahrzeug, umfassend 13.1 einen Verbrennungsmotor (12); 13.2 einen Expander (2);
dadurch gekennzeichnet, dass 13.3 eine Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass dem Arbeitsmediumkreislauf (1) zum Antrieb des Expanders (2) Abwärme, insbesondere aus dem Abgas des Verbrennungsmotors (12), zugeführt wird. Land, water or air vehicle, comprising 13.1 an internal combustion engine (12); 13.2 an expander (2);
characterized in that 13.3 a steam cycle device according to one of claims 1 to 7 is provided, which is designed such that the working medium circuit (1) for driving the expander (2) waste heat, in particular from the exhaust gas of the internal combustion engine (12), is supplied. Stationäre Anlage, umfassend 14.1 einen Verbrennungsmotor (12); 14.2 einen Expander (2);
dadurch gekennzeichnet, dass 14.3 eine Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass dem Arbeifismediumkreislauf (i) zum Antrieb des Expanders (2) Abwärme, insbesondere aus dem Abgas des Verbrennungsmotors (12), zugeführt wird. Stationary plant, comprising 14.1 an internal combustion engine (12); 14.2 an expander (2);
characterized in that 14.3 a Dampfkreisprozessvorrichtung is provided according to one of claims 1 to 7, which is designed such that the Arbeifismediumkreislauf (i) to drive the expander (2) waste heat, in particular from the exhaust gas of the internal combustion engine (12), is supplied.
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