EP2601389A2 - Expansionsvorrichtung zur verwendung in einem arbeitsmittelkreislauf und verfahren zum betrieb einer expansionsvorrichtung - Google Patents

Expansionsvorrichtung zur verwendung in einem arbeitsmittelkreislauf und verfahren zum betrieb einer expansionsvorrichtung

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EP2601389A2
EP2601389A2 EP11749727.1A EP11749727A EP2601389A2 EP 2601389 A2 EP2601389 A2 EP 2601389A2 EP 11749727 A EP11749727 A EP 11749727A EP 2601389 A2 EP2601389 A2 EP 2601389A2
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EP
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expansion device
working fluid
expansion
scroll
fluid circuit
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Jan GÄRTNER
Thomas Koch
Frank Obrist
Christian SCHMÄLZLE
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Daimler AG
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Publication date
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    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat

Definitions

  • Expansion device for use in a working fluid circuit and method for operating an expansion device
  • the invention relates to an expansion device for use in a
  • Working medium circuit according to the features of the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating an expansion device according to the features of the preamble of claim 10.
  • thermal energy is converted into mechanical energy by means of a Clausius-Rankine cycle or an Organic Rankine cycle.
  • a Clausius-Rankine cycle usually an expansion device is arranged, which is designed as an axial piston machine or as a piston expander.
  • the invention is based on the object, an improved, in particular
  • the object is achieved by a
  • Expansion device for use in a working fluid circuit with the
  • the expansion device for use in a working fluid circuit wherein within the working fluid circuit, a process flow is feasible, which corresponds to that of a Rankine Rank cycle or an Organic Rankine cycle process, according to the invention is designed as Scrollarbeitsmaschine, which in
  • Expansionsoplasty can be flowed through by a working fluid circulating in the working fluid circuit, wherein an expansion ratio of the scrolling machine and / or a supply of working means to the scrolling machine is changeable.
  • a rotational movement for example for driving an electric generator, directly generated.
  • Expansion path is changeable.
  • an expansion device is advantageously a number of components in comparison to conventional expansion devices, which are designed for example as an axial piston machine or piston expander, significantly reduced.
  • the number of moving components is reduced.
  • Centric expansion device can be fed.
  • the circulating in the working fluid working means of the expansion device can be fed by means of a central inlet in the fixed scroll base plate.
  • the working medium of the working medium circuit of the expansion device can be fed by means of further inlets in the fixed scroll base plate along the expansion path.
  • the working fluid of the working fluid circuit of the expansion device is controlled by means of at least one clocking valve and / or regulated fed.
  • each inlet is in the fixed one
  • This simple control and / or regulation of the working fluid flow facilitates a system design of the working fluid circuit.
  • An expansion pressure gradient within the expansion device is dependent on the geometry of the scroll spiral walls. This geometry is thus expediently in the Construction of the expansion device to the respective conditions in
  • the Scrollspiralstructure are advantageously formed as Archimedean spiral surfaces, which are arranged rotated by 180 ° clockwise against each other.
  • a pressure difference between a high-pressure and a low-pressure region, also referred to below as the expansion gradient, of the working fluid circuit by means of an increase in the number of along the
  • Expansion path arranged clock valves reducible and / or customizable.
  • a low expansion gradient is beneficial, while in the high engine load range, a high expansion gradient
  • a movable scroll element relative to a fixed scroll element by means of an eccentric drive in moves a circular motion and the size of an expansion region formed between the movable scroll member and the fixed scroll member is changed during this circular movement along an expansion path.
  • a working medium flow supplied to the expansion device is advantageously regulated and / or controlled by means of the separately or jointly actuable clock valves.
  • the expansion device is adaptable to different, operating state-dependent incurred loss of heat energy quantities.
  • the expansion device and the method for operating the expansion device can be used particularly advantageously within each operating on the principle of Clausius-Rankine cycle process or the Organic Rankine cycle working fluid circuit to realize optimized waste heat utilization of the internal combustion engine.
  • Fig. 3 shows schematically an alternative embodiment of the
  • Expansion device and 4 shows schematically a process flow diagram of the operation of the
  • the expansion device 1 is part of a working fluid circuit AK, in which a working means AM is performed and wherein a in the working fluid circuit AK
  • This working fluid circuit AK comprises a conveyor unit F, a heat exchanger W, the expansion device 1 and a condenser K.
  • the liquid working medium AM is fed to the heat exchanger W in a working medium flow from the conveying unit F.
  • the liquid working fluid AM is heated under constant pressure using the heat loss of an internal combustion engine such that it evaporates.
  • the heat exchanger W can be used, for example, as an exhaust gas heat exchanger,
  • Exhaust gas recirculation heat exchanger and / or coolant heat exchanger use an exhaust heat and / or heat of a coolant of the internal combustion engine to heat the liquid working fluid AM and evaporate.
  • the high-pressure vapor working medium AM becomes the
  • Expansion device 1 is supplied and is relaxed in an adiabatic or almost adiabatic expansion to a vaporized working fluid AM at normal pressure.
  • a kinetic energy of the vaporous working medium AM is converted into a mechanical energy.
  • Expansion device 1 are converted into an electrical energy with an electric generator, not shown.
  • This electrical energy can z. B. are used to drive an electric motor, not shown, which acts to support the internal combustion engine.
  • the means of the expansion device 1 generated mechanical energy can be supplied directly via not shown arrangements of the internal combustion engine for support.
  • the vaporous working medium AM is supplied to the condenser K, in which the vaporous working medium AM is isobarically or almost isobarically condensed by means of cooling and thus converted into a liquid state of aggregation, so that the liquid working medium AM can be fed to the conveying unit F on the input side.
  • FIG. 2 schematically shows a variant of the expansion device 1.
  • the expansion device 1 is preferably designed as a scrolling machine, which can be flowed through in the expansion direction by the circulating in the working fluid circuit AK working means AM.
  • the expansion device 1 comprises a fixed scroll member 2 and a movable scroll member 3.
  • the fixed scroll member 2 has a round or disc-shaped, fixed scroll base plate 4 and a fixed
  • Scroll spiral wall 5 extending from the fixed scroll base 4 in the direction of the movable scroll member 3.
  • An inlet 6.1 is substantially in the middle of the fixed scroll base plate 4, for example, centrally formed and acted upon by the working means AM from the working fluid circuit AK.
  • the movable scroll member 3 has a circular or disc-shaped movable scroll base plate 7 and a movable scroll spiral wall 8 extending from the movable scroll base plate 7 toward the fixed scroll member 2.
  • the Scrollspiralstructure 5 and 8 are formed as so-called Archimedean spiral surfaces, which are arranged rotated by 180 ° clockwise against each other.
  • Expander device 1 is dependent on the geometry of the scroll spiral walls 5 and 8. This geometry can thus be suitably adapted in the construction of the expansion device 1 to the respective conditions in the working fluid circuit AK.
  • the fixed scroll spiral wall 5 is engaged with the movable scroll spiral wall 8 so as to form at least one expansion area 9.1 between the fixed scroll member 2 and the movable scroll member 3.
  • Expansion areas 9.2 to 9.5 as shown in Figure 1, can be formed.
  • expansion areas 9.1 to 9.5 are variable in size and move in a manner to be described circular along an expansion path between the scroll spiral walls 5 and 8.
  • the expansion path is the path which each expansion region 9.1 to 9.5 describes during a circular motion of the movable scroll member 3 relative to the fixed scroll member 2.
  • Scroll element 3 allows relative to the fixed scroll element 2 and
  • Movement is movable, wherein the movable scroll element 3 performs no rotational movement about its own axes.
  • the circulating in the working fluid circuit AK working means AM is the
  • Expansion device 1 by means of the inlet 6.1 can be fed. Not shown in detail this inlet 6.1 is associated with a conventional timing valve, which allows control and / or regulation of the expansion device 1 can be supplied to the working fluid flow.
  • outlets 10.1 and 10.2 By means of the two outlets 10.1 and 10.2, the expanded working fluid AM from the expansion device 1 can be discharged. These outlets 10.1 and 10.2 are dependent the circular movement of the movable scroll member 3 relative to the fixed scroll member 2 at the respective outer end 11.1 and 1.2 of the scroll spiral walls 5 and 8 periodically formed.
  • FIG. 3 schematically shows an alternative embodiment variant of FIG
  • Expansion device 1 shown.
  • inlets 6.2 to 6.5 are arranged in the fixed scroll base plate 4. These inlets 6.2 to 6.5 are arranged along the expansion path such that the expansion areas 9.1 to 9.5 can be acted on during their movement along the expansion path with working means AM from the inlets 6.2 to 6.4.
  • each inlet 6.1 to 6.5 is assigned a separate clock valve.
  • an individual control and / or regulation of each of the expansion device 1 by means of the inlets 6.1 to 6.5 can be supplied partial working medium flow.
  • FIG. 4 schematically shows a process flow diagram of the operation of the
  • Expansion device 1 shown.
  • step S1 the centrally arranged expansion region 9.1 is acted upon by means of the inlet 6.1 with the high-pressure vaporous working medium AM from the working medium circuit AK.
  • the outlets 10.1 and 10.2 are closed. Between the scroll spiral walls 5 and 8 are along the
  • Expansion path further expansion area 9.2 to 9.5 formed.
  • Expansion areas 9.4 and 9.5 have reached their maximum volume expansion and outlets 0.1 and 10.2 are opened. Through the outlets 10.1 and 10.2, the expanded working fluid AM is supplied to the working fluid circuit AK and in
  • Condenser K liquefies.
  • step S3 the circular movement of the movable scroll element 3 is shown after a movement amplitude of 180 °.
  • the expansion areas 9.1 to 9.3 increase the volume during their movement along the expansion path.
  • the outlets 10.1 and 10.2 reach their largest opening cross section and
  • step S4 the circular movement of the movable scroll element 3 is shown after a movement amplitude of 270 °.
  • a new expansion area 9.1 has been created, while the expansion areas 9.1 to 9.3 continue to increase and continue their movement along the expansion path in the direction of the outlets 10.1 and 10.2.
  • the outlets 10.1 and 10.2 are almost completely closed and, as a result, the expansion areas 9.4 and 9.5 are eliminated in the further course of the circular movement of the movable scroll element 3.
  • Expansion device 1 are driven. From this rotational movement of the shaft of the expansion device 1 results
  • Inlets 6.2 to 6.5 may be placed in the fixed scroll base 4. By means of these additional inlets 6.2 to 6.5, the expansion areas 9.1 to 9.5 during their circulation with the high-pressure vapor
  • Working means AM from the working fluid circuit AK acted upon.
  • variable supply of the working fluid AM in the expansion device 1 advantageously results in a variably adjustable pressure level of the working fluid AM in the expansion device 1 and / or a variable adjustable working fluid throughput in the expansion device.
  • This simple control and / or regulation of the working fluid flow AM in the expansion device 1 advantageously facilitates a system design of the working fluid circuit AK and the control and / or regulation of the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Expansionsvorrichtung (1) zur Verwendung in einem Arbeitsmittelkreislauf, wobei innerhalb des Arbeitsmittelkreislaufs ein Prozessablauf durchführbar ist, welcher dem eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses entspricht. Erfindungsgemäss ist die Expansionsvorrichtung (1) als Scrollarbeitsmaschine ausgebildet ist, welche in Expansionsrichtung von einem im Arbeitsmittelkreislauf (AK) zirkulierenden Arbeitsmittel (AM) durchströmbar ist, wobei ein Expansionsverhältnis der Scrollarbeitsmaschine und/oder eine Zufuhr von Arbeitsmittel (AM) zur Scrollarbeitsmaschine veränderbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Expansionsvorrichtung (1).

Description

Expansionsvorrichtung zur Verwendung in einem Arbeitsmittelkreislauf und Verfahren zum Betrieb einer Expansionsvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Expansionsvorrichtung zur Verwendung in einem
Arbeitsmittelkreislauf nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Expansionsvorrichtung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
Heutige Verbrennungskraftmaschinen weisen einen Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent auf. Die Verluste werden überwiegend als Wärme an ein Kühlmittel und als Abgaswärme abgegeben.
Im Stand der Technik existieren verschiedene Verfahren und Vorrichtungen, mittels derer aus der Abgaswärme und/oder der Kühlmittelwärme elektrische und/oder mechanische Energie gewonnen wird.
Dabei wird mittels eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine- Kreisprozesses thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt. In einem solchen Clausius-Rankine-Kreisprozess ist üblicherweise eine Expansionsvorrichtung angeordnet, weiche als Axialkolbenmaschine oder als Kolbenexpander ausgebildet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, insbesondere
energieeffizientere Expansionsvorrichtung zur Verwendung in einem Arbeitsmittelkreislauf und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Expansionsvorrichtung anzugeben.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine
Expansionsvorrichtung zur Verwendung in einem Arbeitsmittelkreislauf mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb einer Expansionsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Expansionsvorrichtung zur Verwendung in einem Arbeitsmittelkreislauf, wobei innerhalb des Arbeitsmittelkreislaufs ein Prozessablauf durchführbar ist, welcher dem eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses entspricht, ist erfindungsgemäß als Scrollarbeitsmaschine ausgebildet, welche in
Expansionsrichtung von einem im Arbeitsmittelkreislauf zirkulierenden Arbeitsmittel durchströmbar ist, wobei ein Expansionsverhältnis der Scrollarbeitsmaschine und/oder eine Zufuhr von Arbeitsmitteln zur Scrollarbeitsmaschine veränderbar ist.
Besonders vorteilhafterweise ist mittels der erfindungsgemäßen Expansionsvorrichtung eine Drehbewegung, beispielsweise zum Antrieb eines elektrischen Generators, direkt erzeugbar.
Aus dieser Drehbewegung resultiert ein vibrationsarmer Lauf der Expansionsvorrichtung, insbesondere im Vergleich zu einer alternierenden Bewegung eines herkömmlichen Kolbenexpanders, bei welchem die alternierende Bewegung zudem noch mittels eines reibungsbehafteten Getriebes in eine Drehbewegung umgewandelt werden muss.
Die Expansionsvorrichtung ist in einer möglichen Ausführungsform durch ein
feststehendes Scrollelement, ein bewegliches Scrollelement und einen Exzentertrieb gekennzeichnet, wobei das feststehende Scrollelement eine feststehende
Scrollgrundplatte und eine sich von der feststehenden Scrollgrundplatte erstreckende feststehende Scrollspiralwand aufweist, wobei das bewegliche Scrollelement eine bewegliche Scrollgrundplatte und eine bewegliche Scrollspiralwand aufweist, die sich von der beweglichen Scrollgrundplatte erstreckt, wobei die bewegliche Scrollspiralwand und die feststehende Scrollspiralwand miteinander in Eingriff stehen, so dass sie zumindest einen Expansionsbereich zwischen dem beweglichen Scrollelement und dem
feststehenden Scrollelement bilden, wobei das bewegliche Scrollelement relativ zu dem feststehenden Scrollelement mittels des Exzentertriebs kreisend bewegbar ist und die Größe des Expansionsbereichs während dieser Kreisbewegung entlang eines
Expansionspfades veränderbar ist. Innerhalb einer solchen Expansionsvorrichtung ist vorteilhafterweise eine Bauteilanzahl im Vergleich zu herkömmlichen Expansionsvorrichtungen, welche beispielsweise als Axialkolbenmaschine oder als Kolbenexpander ausgebildet sind, signifikant verringert. Insbesondere ist die Zahl der bewegten Bauteile verringert.
Vorteilhafterweise ist ein Arbeitsmittel des Arbeitsmittelkreislaufs der
Expansionsvorrichtung zentrisch zuführbar.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das im Arbeitsmittelkreislauf zirkulierende Arbeitsmittel der Expansionsvorrichtung mittels eines mittigen Einlasses in der feststehenden Scrollgrundplatte zuführbar.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Arbeitsmittel des Arbeitsmittelkreislaufs der Expansionsvorrichtung mittels weiterer Einlasse in der feststehenden Scrollgrundplatte entlang des Expansionspfades zuführbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Arbeitsmittel des Arbeitsmittelkreislaufs der Expansionsvorrichtung mittels zumindest eines Taktventils gesteuert und/oder geregelt zuführbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jedem Einlass in der feststehenden
Scrollgrundplatte ein separates Taktventil zugeordnet, welches besonders
vorteilhafterweise separat Steuer- und/oder regelbar ist.
Aus dieser variablen Zuführung des Arbeitsmittels in die Expansionsvorrichtung resultiert vorteilhafterweise ein variabel einstellbares Druckniveau des Arbeitsmittels in der Expansionsvorrichtung und ein variabel einstellbarer Arbeitsmitteldurchsatz in der Expansionsvorrichtung.
Diese einfache Steuerung und/oder Regelung des Arbeitsmittelstroms erleichtert eine Systemauslegung des Arbeitsmittelkreislaufs.
Ein Expansionsdruckgefälle innerhalb der Expansionsvorrichtung ist von der Geometrie der Scrollspiralwände abhängig. Diese Geometrie ist somit zweckmäßigerweise bei der Konstruktion der Expansionsvorrichtung an die jeweiligen Bedingungen im
Arbeitsmittelkreislauf anpassbar.
Die Scrollspiralwände sind vorteilhafterweise als archimedische Spiralflächen ausgeformt, welche um 180° im Uhrzeigersinn gegeneinander verdreht angeordnet sind.
Es ist somit mit sehr einfachen Mitteln möglich, den Arbeitsmittelstrom im
Arbeitsmittelkreislauf und/oder in der Expansionsvorrichtung unabhängig von einem Pumpendurchsatz einer im Arbeitsmittelkreislauf angeordneten Fördereinheit zu variieren.
Besonders vorteilhafterweise ist eine Druckdifferenz zwischen einem Hochdruck- und einem Niederdruckbereich, im Folgenden auch als Expansionsgefälle bezeichnet, des Arbeitsmittelkreislaufs mittels einer Erhöhung der Anzahl der entlang des
Expansionspfades angeordneten Taktventile reduzierbar und/oder anpassbar.
Aus einer solchen Reduzierung resultieren zahlreiche Vorteile, beispielsweise kann durch ein gleichzeitiges Erhöhen des Arbeitsmitteldurchsatzes im Arbeitsmittelkreislauf ein Überhitzen des Arbeitsmittels vermieden werden.
Typischerweise ist im niedrigen Motorlastbereich ein niedriges Expansionsgefälle vorteilhaft, während im hohen Motorlastbereich ein hohes Expansionsgefälle
erstrebenswert ist. Mittels der Expansionsvorrichtung ist eine besonders variable
Expansion des Arbeitsmittels realisierbar, wodurch der Arbeitsmittelkreislauf und/oder die Expansionsvorrichtung flexibel an wechselnde Wärmemengeneinträge anpassbar sind/ist.
Beim Verfahren zum Betrieb einer Expansionsvorrichtung in einem Arbeitsmittelkreislauf, wobei innerhalb des Arbeitsmittelkreislaufs ein Prozessablauf durchgeführt wird, welcher dem eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses entspricht, wird erfindungsgemäß ein bewegliches Scrollelement relativ zu einem feststehenden Scrollelement mittels eines Exzentertriebs in einer Kreisbewegung bewegt und die Größe eines zwischen dem beweglichen Scrollelement und dem feststehenden Scrollelement gebildeten Expansionsbereichs wird während dieser Kreisbewegung entlang eines Expansionspfades verändert. Ein der Expansionsvorrichtung zugeführter Arbeitsmittelstrom wird vorteilhafterweise mittels des oder der separat oder gemeinsam aktuierbaren Taktventile geregelt und/oder gesteuert.
Mittels des Verfahrens ist besonders vorteilhafterweise eine variable Expansion des Arbeitsmittels in der Expansionsvorrichtung ermöglicht.
Somit kann nahezu die gesamte, im Betrieb einer Brennkraftmaschine anfallende Verlustwärmeenergie im Arbeitsmittelkreislauf und in der Expansionsvorrichtung genutzt werden, wobei die Expansionsvorrichtung an unterschiedliche, betriebszustandsabhängig anfallende Verlustwärmeenergiemengen anpassbar ist.
Dadurch wird als Vorteil der Erfindung eine Wirkungsgradsteigerung des
Arbeitsmittelkreislaufs und der Expansionsvorrichtung erreicht. Durch die Nutzung der Verlustwärme der Brennkraftmaschine wird im Weiteren der Wirkungsgrad der
Brennkraftmaschine erhöht.
Die Expansionsvorrichtung und das Verfahren zum Betrieb der Expansionsvorrichtung können besonders vorteilhafterweise innerhalb eines jeden, nach dem Prinzip des Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder des Organic-Rankine-Kreisprozesses betriebenen Arbeitsmittelkreislaufs eingesetzt werden, um eine optimierte Abwärmenutzung der Brennkraftmaschine zu realisieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Arbeitsmittelkreislauf mit Expansionsvorrichtung,
Fig. 2 schematisch eine Ausführungsvariante der Expansionsvorrichtung,
Fig. 3 schematisch eine alternative Ausführungsvariante der
Expansionsvorrichtung, und Fig. 4 schematisch ein Verfahrensablaufdiagramm vom Betrieb der
Expansionsvorrichtung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Expansionsvorrichtung 1 ist Teil eines Arbeitsmittelkreislaufs AK, in welchem ein Arbeitsmittel AM geführt wird und wobei ein in dem Arbeitsmittelkreislauf AK
durchgeführter Prozessablauf dem eines so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses entspricht, wie in Figur 1 dargestellt.
Dieser Arbeitsmittelkreislauf AK umfasst eine Fördereinheit F, einen Wärmetauscher W, die Expansionsvorrichtung 1 und einen Kondensator K.
Im Prozessablauf des Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder des Organic-Rankine- Kreisprozesses wird das flüssige Arbeitsmittel AM in einem Arbeitmittelstrom von der Fördereinheit F dem Wärmetauscher W zugeführt. Im Wärmetauscher W wird das flüssige Arbeitsmittel AM unter konstantem Druck unter Nutzung der Verlustwärme einer Brennkraftmaschine derart erwärmt, dass es verdampft.
Der Wärmetauscher W kann dabei beispielsweise als Abgaswärmetauscher,
Abgasrückführungswärmetauscher und/oder Kühlmittelwärmetauscher eine Abgaswärme und/oder eine Wärme eines Kühlmittels der Brennkraftmaschine verwenden, um das flüssige Arbeitsmittel AM zu erwärmen und zu verdampfen.
Das unter hohem Druck stehende dampfförmige Arbeitsmittel AM wird der
Expansionsvorrichtung 1 zugeführt und wird in einer adiabatischen oder nahezu adiabatischen Expansion zu einem dampfförmigen Arbeitsmittel AM mit Normaldruck entspannt. In der Expansionsvorrichtung 1 wird dabei eine kinetische Energie des dampfförmigen Arbeitsmittels AM in eine mechanische Energie umgewandelt.
Beispielsweise kann die erzeugte mechanische Energie bei einer Kopplung der
Expansionsvorrichtung 1 mit einem nicht näher dargestellten elektrischen Generator in eine elektrische Energie umgewandelt werden. Diese elektrische Energie kann z. B. zum Antrieb eines nicht näher dargestellten Elektromotors genutzt werden, der unterstützend zu der Brennkraftmaschine wirkt. Weiterhin kann die mittels der Expansionsvorrichtung 1 erzeugte mechanische Energie direkt über nicht näher dargestellte Anordnungen der Brennkraftmaschine zur Unterstützung zugeführt werden.
Nach der Entspannung wird das dampfförmige Arbeitsmittel AM dem Kondensator K zugeführt, in welchem das dampfförmige Arbeitsmittel AM mittels einer Kühlung isobar oder nahezu isobar kondensiert und somit in einen flüssigen Aggregatzustand überführt wird, so dass der Fördereinheit F eingangsseitig das flüssige Arbeitsmittel AM zuführbar ist.
In Figur 2 ist schematisch eine Ausführungsvariante der Expansionsvorrichtung 1 dargestellt.
Die Expansionsvorrichtung 1 ist vorzugsweise als Scrollarbeitsmaschine ausgebildet, welche in Expansionsrichtung von dem im Arbeitsmittelkreislauf AK zirkulierenden Arbeitsmittel AM durchströmbar ist.
Dazu umfasst die Expansionsvorrichtung 1 ein feststehendes Scrollelement 2 und ein bewegliches Scrollelement 3. Das feststehende Scrollelement 2 hat eine runde oder scheibenförmige, feststehende Scrollgrundplatte 4 und eine feststehende
Scrollspiralwand 5, die sich von der feststehenden Scrollgrundplatte 4 in Richtung des beweglichen Scrollelements 3 erstreckt. Ein Einlass 6.1 ist im Wesentlichen in der Mitte der feststehenden Scrollgrundplatte 4, beispielsweise zentrisch, ausgebildet und mit dem Arbeitsmittel AM aus dem Arbeitsmittelkreislauf AK beaufschlagbar.
Das bewegliche Scrollelement 3 hat eine runde oder scheibenförmige, bewegliche Scrollgrundplatte 7 und eine bewegliche Scrollspiralwand 8, die sich von der beweglichen Scrollgrundplatte 7 in Richtung des feststehenden Scrollelements 2 erstreckt.
Die Scrollspiralwände 5 und 8 sind als so genannte archimedische Spiralflächen ausgeformt, welche um 180° im Uhrzeigersinn gegeneinander verdreht angeordnet sind.
Ein Expansionsverhältnis innerhalb der Expansionsvorrichtung 1 , welches eine
Druckdifferenz zwischen einem Hochdruck- und einem Niederdruckbereich der
Expansionsvorrichtung 1 bezeichnet, ist von der Geometrie der Scrollspiralwände 5 und 8 abhängig. Diese Geometrie kann somit zweckmäßigerweise bei der Konstruktion der Expansionsvorrichtung 1 an die jeweiligen Bedingungen im Arbeitsmittelkreislauf AK angepasst werden. Die feststehende Scrollspiralwand 5 steht mit der beweglichen Scrollspiralwand 8 derart in Eingriff, dass sie zumindest einen Expansionsbereich 9.1 zwischen dem feststehenden Scrollelement 2 und dem beweglichen Scrollelement 3 bildet.
In Abhängigkeit der Geometrie der Scrollspiralwände 5 und 8 sind zwischen dem feststehenden Scrollelement 2 und dem beweglichen Scrollelement 3 weitere
Expansionsbereiche 9.2 bis 9.5, wie in Figur 1 dargestellt, ausbildbar.
Diese Expansionsbereiche 9.1 bis 9.5 sind größenveränderlich und bewegen sich in noch zu beschreibender Art und Weise kreisförmig entlang eines Expansionspfades zwischen den Scrollspiralwänden 5 und 8.
Der Expansionspfad ist der Weg, welchen jeder Expansionsbereich 9.1 bis 9.5 während einer Kreisbewegung des beweglichen Scrollelements 3 relativ zu dem feststehenden Scrollelement 2 beschreibt.
An der beweglichen Scrollgrundplatte 7 ist ein nicht dargestellter Exzentertrieb
angeordnet, welcher einerseits eine kreisende Bewegung des beweglichen
Scrollelements 3 relativ zu dem feststehenden Scrollelement 2 ermöglicht und
andererseits eine mechanische Energie in Form einer Rotationsbewegung einer nicht dargestellten, mit dem Exzentertrieb verbundenen Welle abgibt.
Der Exzentertrieb ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass das bewegliche
Scrollelement 3 relativ zu dem feststehenden Scrollelement 2 in einer kreisenden
Bewegung bewegbar ist, wobei das bewegliche Scrollelement 3 keine Drehbewegung um die eigenen Achsen ausführt.
Das im Arbeitsmittelkreislauf AK zirkulierende Arbeitsmittel AM ist der
Expansionsvorrichtung 1 mittels des Einlasses 6.1 zuführbar. Nicht näher dargestellt ist diesem Einlass 6.1 ein herkömmliches Taktventil zugeordnet, welches eine Steuerung und/oder Regelung des der Expansionsvorrichtung 1 zuführbaren Arbeitsmittelstroms ermöglicht.
Mittels der beiden Auslässe 10.1 und 10.2 ist das expandierte Arbeitsmittel AM aus der Expansionsvorrichtung 1 abführbar. Diese Auslässe 10.1 und 10.2 sind in Abhängigkeit der Kreisbewegung des beweglichen Scrollelements 3 relativ zu dem feststehenden Scrollelement 2 am jeweiligen äußeren Ende 11.1 und 1 1.2 der Scrollspiralwände 5 und 8 periodisch ausbildbar.
In Figur 3 ist schematisch eine alternative Ausführungsvariante der
Expansionsvorrichtung 1 dargestellt.
Neben dem in Figur 1 beschriebenen Einlass 6.1 sind weitere Einlässe 6.2 bis 6.5 in der feststehenden Scrollgrundplatte 4 angeordnet. Diese Einlässe 6.2 bis 6.5 sind derart entlang des Expansionspfades angeordnet, dass die Expansionsbereiche 9.1 bis 9.5 während ihrer Bewegung entlang des Expansionspfades mit Arbeitsmittel AM aus den Einlässen 6.2 bis 6.4 beaufschlagbar sind.
Nicht näher dargestellt ist einem jeden Einlass 6.1 bis 6.5 ein separates Taktventil zugeordnet. Mittels dieser separat oder gemeinsam aktuierbaren Taktventile ist eine individuelle Steuerung und/oder Regelung eines jeden der Expansionsvorrichtung 1 mittels der Einlässe 6.1 bis 6.5 zuführbaren Arbeitsmittelteilstroms ermöglicht.
In Figur 4 ist schematisch ein Verfahrensablaufdiagramm vom Betrieb der
Expansionsvorrichtung 1 dargestellt.
Zur Veranschaulichung des Betriebsverhaltens der Expansionsvorrichtung 1 sind in Figur 4 die Verfahrenschritte S1 bis S4 in einem Kreisdiagramm abgebildet.
In Verfahrensschritt S1 wird der zentral angeordnete Expansionsbereich 9.1 mittels des Einlasses 6.1 mit dem unter hohem Druck stehenden dampfförmigen Arbeitsmittel AM aus dem Arbeitsmittelkreislauf AK beaufschlagt. Die Auslässe 10.1 und 10.2 sind verschlossen. Zwischen den Scrollspiralwänden 5 und 8 werden entlang des
Expansionspfades weitere Expansionsbereich 9.2 bis 9.5 gebildet.
Durch eine von der Ausdehnung oder Expansion des Arbeitsmittels AM erzeugte kinetische Energie und die daraus resultierende Kraft, welche auf die Scrollspiralwänden 5 und 8 einwirkt, wird die bewegliche Scrollspiralwand 8 und somit das bewegliche Scrollelement 3 zu der kreisenden Bewegung relativ zu dem feststehenden Scrollelement 2 angeregt. In Verfahrensschritt S2 ist diese im Uhrzeigersinn kreisende Bewegung nach einer Bewegungsamplitude von 90° dargestellt. Die Expansionsbereiche 9.1 bis 9.3 haben ihr Volumen vergrößert. Daraus resultiert eine, im Folgenden auch als Expansion
bezeichnete, Druck- und/oder Temperaturabnahme des Arbeitsmittels AM. Die
Expansionsbereiche 9.4 und 9.5 haben ihre größte Volumenausdehnung erreicht und die Auslässe 0.1 und 10.2 werden geöffnet. Durch die Auslässe 10.1 und 10.2 wird das expandierte Arbeitsmittel AM dem Arbeitsmittelkreislauf AK zugeführt und im
Kondensator K verflüssigt.
In Verfahrensschritt S3 ist die kreisende Bewegung des beweglichen Scrollelements 3 nach einer Bewegungsamplitude von 180° dargestellt. Die Expansionsbereiche 9.1 bis 9.3 vergrößern das Volumen während ihrer Bewegung entlang des Expansionspfades. Die Auslässe 10.1 und 10.2 erreichen ihren größten Öffnungsquerschnitt und
unterstützen derart einen Rückfluss des Arbeitsmittels AM in den
Arbeitsmittelkreislauf AK.
In Verfahrensschritt S4 ist die kreisende Bewegung des beweglichen Scrollelements 3 nach einer Bewegungsamplitude von 270° dargestellt. Durch die kreisende Bewegung des beweglichen Scrollelements 3 relativ zu dem feststehenden Scrollelement 2 ist ein neuer Expansionsbereich 9.1 ' entstanden, während sich die Expansionsbereiche 9.1 bis 9.3 weiter vergrößern und ihre Bewegung entlang des Expansionspfades in Richtung der Auslässe 10.1 und 10.2 fortsetzen. Die Auslässe 10.1 und 10.2 sind nahezu vollständig geschlossen und daraus resultierend werden die Expansionsbereiche 9.4 und 9.5 im weiteren Verlauf der kreisenden Bewegung des beweglichen Scrollelements 3 eliminiert.
Nach Abschluss einer vollständigen kreisenden Bewegung des beweglichen
Scrollelements 3 relativ zu dem feststehenden Scrollelement 2 beginnt der
Verfahrensablauf in Verfahrensschritt S1 erneut.
Mit der bei der Expansion des Arbeitsmittels AM generierten Kraft wird mittels des Exzentertriebs eine nicht dargestellte Welle der Expansionsvorrichtung 1 angetrieben. Dadurch kann beispielsweise ein elektrischer Generator direkt mittels der
Expansionsvorrichtung 1 angetrieben werden. Aus dieser Drehbewegung der Welle der Expansionsvorrichtung 1 resultiert
vorteilhafterweise ein vibrationsarmer Lauf der Expansionsvorrichtung 1.
Nicht näher in Figur 4 dargestellt können entlang des Expansionspfades weitere
Einlasse 6.2 bis 6.5 in der feststehenden Scrollgrundplatte 4 angeordnet sein. Mittels dieser zusätzlichen Einlässe 6.2 bis 6.5 werden die Expansionsbereiche 9.1 bis 9.5 während ihres Umlaufs mit dem unter hohem Druck stehenden dampfförmigen
Arbeitsmittel AM aus dem Arbeitsmittelkreislauf AK beaufschlagt.
Aus dieser variablen Zuführung des Arbeitsmittels AM in die Expansionsvorrichtung 1 resultiert vorteilhafterweise ein variabel einstellbares Druckniveau des Arbeitsmittels AM in der Expansionsvorrichtung 1 und/oder ein variabel einstellbarer Arbeitsmitteldurchsatz in der Expansionsvorrichtung 1.
Diese einfache Steuerung und/oder Regelung des Arbeitsmittelstroms AM in der Expansionsvorrichtung 1 erleichtert vorteilhafterweise eine Systemauslegung des Arbeitsmittelkreislaufs AK und die Steuerung und/oder Regelung des
Arbeitsmittelkreislaufs AK.
Bezugszeichenliste
1 Expansionsvorrichtung
2 feststehendes Scrollelement
3 bewegliches Scrollelement
4 feststehende Scrollgrundplatte
5 feststehende Scrollspiralwand 6.1 bis 6.5 Einlass
7 bewegliche Scrollgrundplatte
8 bewegliche Scrollspiralwand 9.1 bis 9.5 Expansionsbereich
9.1 ' Expansionsbereich
10.1 , 10.2 Auslass
1 1.1 , 11.2 Ende
AK Arbeitsmittelkreislauf
AM Arbeitsmittel
F Fördereinheit
K Kondensator
S1 bis S4 Verfahrensschritt
W Wärmetauscher

Claims

Patentansprüche
1. Expansionsvorrichtung (1 ) zur Verwendung in einem Arbeitsmittelkreislauf (AK), wobei innerhalb des Arbeitsmittelkreislaufs ein Prozessablauf durchführbar ist, welcher dem eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine- Kreisprozesses entspricht,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Expansionsvorrichtung (1 ) als Scrollarbeitsmaschine ausgebildet ist, welche in Expansionsrichtung von einem im Arbeitsmittelkreislauf (AK) zirkulierenden
Arbeitsmittel (AM) durchströmbar ist, wobei ein Expansionsverhältnis der
Scrollarbeitsmaschine und/oder eine Zufuhr von Arbeitsmittel (AM) zur
Scrollarbeitsmaschine veränderbar ist.
2. Expansionsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch ein feststehendes Scrollelement (2), ein bewegliches Scrollelement (3) und einen Exzentertrieb, wobei das feststehende
Scrollelement (2) eine feststehende Scrollgrundplatte (4) und eine sich von der feststehenden Scrollgrundplatte (4) erstreckende feststehende Scrollspiraiwand (5) aufweist, wobei das bewegliche Scrollelement (3) eine bewegliche
Scrollgrundplatte (7) und eine bewegliche Scrollspiraiwand (8) aufweist, die sich von der beweglichen Scrollgrundplatte (7) erstreckt, wobei die bewegliche
Scrollspiraiwand (8) und die feststehende Scrollspiraiwand (5) miteinander in Eingriff stehen, so dass sie zumindest einen Expansionsbereich (9.1 bis 9.5) zwischen dem beweglichen Scrollelement (3) und dem feststehenden
Scrollelement (2) bilden, wobei das bewegliche Scrollelement (3) relativ zu dem feststehenden Scrollelement (2) mittels des Exzentertriebs kreisend bewegbar ist und die Größe des Expansionsbereichs (9.1 bis 9.5) während dieser
Kreisbewegung entlang eines Expansionspfades veränderbar ist.
3. Expansionsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Arbeitsmittel (AM) des Arbeitsmittelkreislaufs (AK) zentrisch zuführbar ist.
4. Expansionsvorrichtung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsmittel (AM) des Arbeitsmittelkreislaufs (AK) mittels eines mittigen Einlasses (6.1 ) in der feststehenden Scrollgrundplatte (4) zuführbar ist.
5. Expansionsvorrichtung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsmittel (AM) des Arbeitsmittelkreislaufs (AK) mittels weiterer Einlässe (6.2 bis 6.5) in der feststehenden Scrollgrundplatte (4) entlang des Expansionspfades zuführbar ist.
6. Expansionsvorrichtung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsmittel (AM) des Arbeitsmittelkreislaufs (AK) mittels zumindest eines Taktventils gesteuert und/oder geregelt zuführbar ist.
7. Expansionsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
jedem Einlass (6.1 bis 6.5) in der feststehenden Scrollgrundplatte (4) ein separates Taktventil zugeordnet ist.
8. Expansionsvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Expansionsdruckgefälle innerhalb der Expansionsvorrichtung (1 ) von der Geometrie der Scrollspiralwände (5 und 8) abhängig ist.
9. Expansionsvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Scrolispiralwände (5 und 8) als archimedische Spiralflächen ausgeformt sind.
10. Verfahren zum Betrieb einer Expansionsvorrichtung (1) in einem
Arbeitsmittelkreislauf (AK), wobei innerhalb des Arbeitsmittelkreislaufs (AK) ein Prozessablauf durchgeführt wird, welcher dem eines Clausius-Rankine- Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass
ein bewegliches Scrollelement (3) relativ zu einem feststehenden Scrollelement (2) mittels eines Exzentertriebs in einer Kreisbewegung bewegt wird und die Größe eines zwischen dem beweglichen Scrollelement (3) und dem feststehenden Scrollelement (2) gebildeten Expansionsbereichs (9.1 bis 9.5) während dieser Kreisbewegung entlang eines Expansionspfades verändert wird.
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