WO2008031716A2 - Dampfkreisprozess mit verbesserter energieausnutzung - Google Patents

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WO2008031716A2
WO2008031716A2 PCT/EP2007/058874 EP2007058874W WO2008031716A2 WO 2008031716 A2 WO2008031716 A2 WO 2008031716A2 EP 2007058874 W EP2007058874 W EP 2007058874W WO 2008031716 A2 WO2008031716 A2 WO 2008031716A2
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pressure
temperature
working medium
working fluid
expander
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Michael Hoetger
Jörg COLLISI
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Amovis Gmbh
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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
    • F01K25/065—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 with an absorption fluid remaining at least partly in the liquid state, e.g. water for ammonia
    • 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 steam cycle process containing
  • Such steam cycle processes are known as Clausius-Rankine-Rreispens or as Kalina cycle.
  • a working fluid is circulated by means of a feedwater pump. Heat is transferred to the working medium in a heat exchanger.
  • the high pressure, hot working medium for example water vapor or a water vapor-gas mixture, is expanded in an expander to a lower pressure level. This frees up work that can be transmitted from a wave, for example, to a generator.
  • the relaxed, hot gas is cooled in a condenser and then stands
  • Waste heat from primary processes the upper temperature is generally relatively low and not influenced.
  • the lower temperature is determined by the temperature of the
  • Cooling medium determined in the condenser In marine engines, the cooling medium is usually water from the water in which the ship is moving. In vehicle engines, the temperature of the cooling medium by the air temperature of
  • Known power plants are designed to operate at a constant power.
  • the feedwater pump operates accordingly at constant pressure.
  • the temperature in the heat exchanger is constant. If the temperature of the coolant changes, for example, by lowering the river water temperature in winter, this does not affect the efficiency.
  • Geothermal heat and waste heat from power plants generally has a comparatively low temperature. As can be seen from the above formula, this leads to a low efficiency. To increase the efficiency of waste heat utilization, therefore, a working medium containing at least two components is used in the Kalina process.
  • One of these components has a particularly low boiling point.
  • the working fluid is passed through a heat exchanger. Heat is supplied to the working medium in the heat exchanger.
  • the component with the lower boiling point evaporates even at comparatively low temperatures.
  • a phase separator the liquid part of the working medium is separated.
  • the gaseous part is in a
  • (E) means are provided for detecting the pressure or the temperature at the condenser.
  • the temperature at which a medium condenses is pressure dependent. At lower pressure, this temperature is lower than at higher pressure.
  • the invention is based on the finding that the efficiency can be increased if temperature fluctuations in the cooling medium are utilized such that the upper pressure level is set to a value at which the cooling capacity of the cooling medium can be optimally utilized. In other words, the delivery rate of the feedwater pump is adjusted so that the working medium is just condensing. Then a maximum temperature difference and the associated maximum efficiency is achieved.
  • the working fluid comprises at least two components of different boiling points, and a phase separator for separating the components is provided between the heat exchanger and the expander so that only the gaseous portion of the working fluid is supplied to the expander. That is a
  • the invention utilizes the effect that the power of a secondary cycle for waste heat utilization may fluctuate, to improve the efficiency.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a Clausius Rankine
  • FIG. 2 is a graph showing the course of the temperature as a function of
  • 3 is a schematic representation of a Kalina cycle process for
  • FIG. 1 illustrates a Clausius-Rankine cycle process, generally designated 10.
  • the steam cycle 10 includes an expansion machine 14 and a heat exchanger 12.
  • the heat exchanger 12 is acted upon by the waste heat of a primary process.
  • Such primary processes can be power plants or vehicles, such as rail vehicles, trucks, ships or other machines that
  • the cycle further comprises a controllable feedwater pump 16 and a condenser 18.
  • the heat exchanger 12 is flowed through by working medium in the form of feedwater or feedwater vapor.
  • the working medium stands under an elevated
  • the water or water vapor is a quantity of heat ⁇ H supplied from the waste heat. This will make the water vapor strong overheated, ie brought to a high temperature and a higher pressure level.
  • the inner energy increases.
  • an expander for example a piston expander, turbine or the like 14 the water vapor is released. The pressure drops back to a lower pressure level. In this relaxation work is released, which can be harnessed via a shaft, for example, to a generator for electrical energy.
  • the expanded water vapor is then fed to a condenser 18, in which it is condensed, so that the water is still available for the cycle. In this case, the amount of heat ⁇ c is released, which can be used for example for heat purposes.
  • the condensed water is supplied to the pump 16 again.
  • the cycle described is a typical Clausius-Rankine process.
  • the Carnot efficiency (see above) is determined by the upper temperature T 0 in the heat exchanger 12 and the lower temperature T 11 in the condenser 18.
  • the temperature difference is limited by the temperature of the waste heat, which is usually far below
  • Combustion temperatures is. To increase the efficiency, therefore, the pumped by the pump 16 mass flow is adjusted to the condenser temperature.
  • the condenser temperature is determined by a sensor.
  • the measured value is given by a control loop shown schematically to the motor controller M of the feedwater pump 16. This regulates the pumping power such that an optimal
  • Fig. 2 the effects of the control using a T-S diagram (temperature T, plotted on the entropy S) are shown.
  • the working fluid Before heating, the working fluid is liquid and has the temperature T 11 . This corresponds to the state designated A.
  • the liquid When heated in the heat exchanger, the liquid is first heated and absorbs energy.
  • T s the working medium begins to evaporate.
  • state B The temperature initially remains constant until the working medium has completely changed over to the gaseous state. This condition is indicated by C in the diagram.
  • the now gaseous working fluid is now further supplied heat energy, resulting in a renewed temperature increase leads.
  • T 0 of the waste heat no further heat transfer is possible.
  • the state D is reached.
  • the pressurized and hot gas is expanded to state E in an expander and cooled in the condenser 18 until completely condensed again at the low temperature.
  • the state D is also determined by the pressure generated by the pump 16. Below a threshold value, a relaxation independent of the temperature of the capacitor is always possible only up to the limit of the wet steam region, which is represented by the curve 24. At lower temperatures, the working fluid is fluid and does not work anymore.
  • the capacity of the pump 16 is increased in the present arrangement. This has the consequence that the working medium is heated to a higher energy point D. It will be appreciated, however, that relaxation to the lower temperature T 11 '(state E') is possible and more useful work is done. This work is represented by hatched area 26. The efficiency is increased. By regulating 22, the delivery rate of the pump 16 can always be optimally adapted to the condenser temperature or the associated, lower pressure.
  • the arrangement is particularly useful when the cycle is used in machines in which the cooling medium in the condenser is subject to temperature fluctuations. This is the case, for example, with air-cooled vehicles because the outside air temperature changes with the time of year and the time of day and the geographical location. This is also the case with ships, as the water temperature changes depending on the water and the season. The efficiency can be significantly increased in these applications.
  • FIG. 3 shows an embodiment in which a control loop is integrated into a Kalina cycle.
  • the cycle is integrated, for example, in an engine for passenger cars.
  • the diesel engine is generally designated 110.
  • the diesel engine 110 drives a drive shaft 112.
  • the operation of a diesel engine is common technique and therefore need not be explained in more detail.
  • the diesel engine 110 operates in a typical power range of 100 kW. It generates waste heat in the range of 250 kW. The resulting waste heat is on the one hand via a first cooling system 114 and 116 on
  • the cooling circuit 114 or 116 is now cooled by another circuit.
  • a multi-component solution is pumped as a working fluid with a pump 128 at an elevated pressure level of about 15 bar.
  • the working fluid in the present case consists of a carrier substance, namely water, into which a gas, viz
  • Ammonia is dissolved.
  • the mass ratio water: ammonia is 65:35.
  • the aqueous ammonia solution initially absorbs heat from the engine's cooling circuit operated at about 90 ° C. via a plate heat exchanger 132.
  • the first cooling circuit of the internal combustion engine 110 is cooled.
  • the approximately 90 ° C hot cooling water 114 is cooled to about 83 ° C.
  • the working fluid heats up to approximately 90 ° C. during this heat transfer. As a result, part of the dissolved ammonia gas is vaporized.
  • the heat absorption of the working fluid is so large due to the partial evaporation of the ammonia from the working fluid, which with small volume flows the entire accumulating waste heat of the cooling system in the
  • Working fluid can be transferred.
  • Exhaust gas recirculation 118 supplied.
  • the heat transfer is in the range of 17 kW.
  • the temperature of the recirculated exhaust gas drops considerably, so that through this
  • the mean temperature of the working fluid is then about 110 0 C.
  • the temperature of the working fluid then reaches 150 0 C and much of the ammonia originally dissolved in the water is evaporated.
  • phase separator 134 the liquid phase of the working fluid, essentially water, is then separated from the gas phase - predominantly ammonia.
  • the liquid phase of the working fluid essentially water
  • Water is easily brought at 150 ° to a lower pressure level of about 2 bar and directly added to e.g. air cooled cooler supplied.
  • the gas under a pressure of 15 bar is fed to an expansion machine 138, e.g. fed to a rotary piston machine, piston machine, screw machine or a turbine and there relaxed to a pressure of 2 bar.
  • the thereby released, usable work is in the range of up to 10 kW and can be supplied to the shaft 112.
  • the cold working fluid is then also supplied to the radiator. There it dissolves in the hot carrier medium, whereby u.U. Solution heat is released. From the radiator, the cooled working fluid is returned to the circuit via the pump 128.
  • the cooler can also be carried out in a timely manner, since the operations "mixing” or “cooling” of the working fluid make different demands on the component design.
  • a mixing section may be arranged below the cooler in order to achieve the best possible mixing of the working fluid streams and then to mix them as best as possible with the cooler 136.
  • the cooling power to be applied by the cooling system 136 is similar in spite of the heat absorption from the exhaust gas compared to a conventional drive system operating without the second circuit.
  • the values given here by way of example for the performance of the internal combustion engine and the heat transfer can, of course, be adapted to the various applications.
  • additional heat sources such as oil cooling, charge air cooling or the like, can be integrated into the second circuit. It is also possible to use solutions with other and / or further components which are present in
  • Type and proportion of the respective heat sources are adjusted.
  • the aim is to allow the best possible heat transfer and a high absorption of enthalpy of vaporization. As a result, all components can be made compact.
  • the drive power is increased.
  • the efficiency of the entire drive is also increased. This reduces the total required performance of the
  • thermodynamic mean temperature of the chilled by the airstream cooler is about 110 0 C, which is higher than in conventional cooling circuits with about 90 0 C. This leads to a reduction in the required cooling surface. This allows the
  • the cooler can be reduced.
  • a component with low boiling point ammonia
  • the highest temperature is about 150 0 C lower than is the case with known one-component systems such as water. These must work at about 500 0 C in order to achieve sufficient efficiency. Due to the lower lower temperature of up to 10 0 C, the minimum temperature of the
  • a single-substance system working with water has, for example, a lowest temperature of 100 ° C. at 1 bar. This lower lowest temperature achieves good thermal efficiency.
  • the efficiency is now further improved by controlling the pump 128 as a function of the pressure in the cooler 136 in the manner described above.
  • a pressure sensor 138 determines the pressure at which the working fluid condenses. Via a control 140, the pump 128 is then controlled.
  • a significant increase in the average efficiency can be achieved if the coolant in the cooler is subject to temperature fluctuations.

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Abstract

Ein Dampfkreisprozess enthaltend eine Speisewasserpumpe (16; 128) zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in einem in dem Dampfkreisprozess (10; 110) verwendeten Arbeitsmedium, einen Wärmeübertrager (12; 132), zur Übertragung von Abwärme aus einem Primärprozess auf das Arbeitsmedium, einen Expander (14; 138) zum Expandieren des Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung, und einen Kondensator (18; 136) zum Kondensieren des Arbeitsmediums, ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (20, 138) zum Erfassen des Drucks oder der Temperatur am Kondensator vorgesehen sind, und eine Regelschleife (22; 140) vorgesehen ist, mit der die Speisewasserpumpe mit den so erfassten Druck- oder Temperaturwerten als Führungsgröße auf einen Druck regelbar ist, bei dem die Expanderleistung maximal ist.

Description

Patentanmeldung
AMOVIS GmbH. Voltastraße 5. D - 13355 Berlin
Dampfkreisprozess mit verbesserter Energieausnutzung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Dampfkreisprozess enthaltend
(a) eine Speisewasserpumpe zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in einem in dem Dampfkreisprozess verwendeten Arbeitsmedium,
(b) einen Wärmeübertrager, zur Übertragung von Abwärme aus einem Primärprozess auf das Arbeitsmedium, (c) einen Expander zum Expandieren des Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung, und
(d) einen Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums.
Derartige Dampfkreisprozesse sind als Clausius-Rankine-Rreisprozess oder auch als Kalina-Kreisprozess bekannt. In einem solchen Kreisprozess wird ein Arbeitsmedium mittels einer Speisewasserpumpe umgepumpt. In einem Wärmeübertrager wird Wärme auf das Arbeitsmedium übertragen. Das unter hohem Druck stehende, heiße Arbeitsmedium, zum Beispiel Wasserdampf oder ein Wasserdampf-Gasgemisch, wird in einem Expander auf ein niedrigeres Druckniveau expandiert. Dabei wird Arbeit frei, die von einer Welle zum Beispiel auf einen Generator übertragen werden kann. Das entspannte, heiße Gas wird in einem Kondensator gekühlt und steht dann dem
Kreisprozess wieder zur Verfügung. Der thermodynamische Wirkungsgrad ηe wird bestimmt nach ηe=l-Tu/To, wobei T11 das untere Temperaturniveau ist, auf das das Arbeitsmedium im Kondensator abgekühlt wird und T0 das obere Temperaturniveau, auf welches das Arbeitsmedium im Wärmeübertrager erhitzt wird.
Es versteht sich, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann, wenn der Temperaturunterschied zwischen den beiden Temperaturen groß ist. Bei der Nutzung der
Abwärme von Primärprozessen ist die obere Temperatur im allgemeinen vergleichsweise gering und nicht beeinflussbar. Die untere Temperatur wird durch die Temperatur des
Kühlmediums im Kondensator bestimmt. Bei Schiffsmotoren ist das Kühlmedium üblicherweise Wasser aus dem Gewässer, in dem sich das Schiff bewegt. Bei Fahrzeugmotoren wird die Temperatur des Kühlmediums durch die Lufttemperatur der
Umgebung bestimmt. Diese Temperaturen sind üblicherweise nicht beeinflussbar. Der
Wirkungsgrad ist daher im allgemeinen vorgegeben.
Stand der Technik
Bekannte Kraftwerke sind so ausgelegt, dass sie bei konstanter Leistung arbeiten. Die Speisewasserpumpe arbeitet entsprechend bei konstantem Druck. Auch die Temperatur im Wärmeübertrager ist konstant. Wenn sich die Temperatur des Kühlmittels, zum Beispiel durch Absenkung der Flusswassertemperatur im Winter, ändert, hat dies keine Auswirkungen auf den Wirkungsgrad.
Erdwärme und Abwärme aus Kraftwerken hat im allgemeinen eine vergleichsweise geringe Temperatur. Wie aus der obigen Formel erkennbar, führt dies zu einem geringen Wirkungsgrad. Zur Erhöhung des Wirkungsgrads bei der Abwärmenutzung wird daher im Kalina-Prozess ein Arbeitsmedium verwendet, das wenigstens zwei Komponenten enthält.
Eine dieser Komponenten hat einen besonders niedrigen Siedepunkt. Das Arbeitsfluid wird durch einen Wärmetauscher geleitet. In dem Wärmetauscher wird dem Arbeitsmedium Wärme zugeführt. Dabei verdampft die Komponente mit dem niedrigeren Siedepunkt bereits bei vergleichsweise geringen Temperaturen. In einem Phasentrenner wird der flüssige Teil des Arbeitsmediums abgetrennt. Der gasförmige Teil wird in einem
Expander unter Arbeitsleistung expandiert. Anschließend werden die Komponenten kondensiert bzw. gekühlt und wieder zusammengeführt. Auch diese Anordnungen arbeiten bei konstanter Leistung.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung einen Dampfkreisprozess mit verbesserter Energieausnutzung zu schaffen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Dampfkreisprozess der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
(e) Mittel zum Erfassen des Drucks oder der Temperatur am Kondensator vorgesehen sind, und
(f) eine Regelschleife vorgesehen ist, mit der die Speisewasserpumpe mit den so erfassten Druck- oder Temperaturwerten als Führungsgröße auf einen Druck regelbar ist, bei dem die Expanderleistung maximal ist.
Für ein vorgegebenes Medium ist die Temperatur, bei der ein Medium kondensiert, druckabhängig. Bei geringerem Druck liegt diese Temperatur niedriger, als bei höherem Druck. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Wirkungsgrad erhöht werden kann, wenn Temperaturschwankungen bei dem Kühlmedium derart ausgenutzt werden, dass das obere Druckniveau auf einen Wert eingestellt wird, bei dem die Kühlleistung des Kühlmediums optimal ausgenutzt werden kann. Mit anderen Worten: Die Förderleistung der Speisewasserpumpe wird so eingestellt, dass das Arbeitsmedium gerade noch kondensiert. Dann wird eine maximale Temperaturdifferenz und der damit verbundene maximale Wirkungsgrad erreicht.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Arbeitsfiuid wenigstens zwei Komponenten unterschiedlicher Siedepunkte, und ein Phasentrenner zum Trennen der Komponenten ist zwischen dem Wärmetauscher und dem Expander vorgesehen, so dass nur der gasförmige Anteil des Arbeitsfiuids dem Expander zugeführt wird. Das ist ein
Kalina-Rreisprozess. Die Erfindung nutzt den Effekt, dass die Leistung eines sekundären Kreisprozesses zur Abwärmenutzung schwanken darf, zur Verbesserung des Wirkungsgrads.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand des Unteranspruchs. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig.l ist eine schematische Darstellung eines Clausius-Rankine-
Dampfkreisprozesses zur Abgaswärmenutzung.
Fig.2 ist ein Diagramm, das den Verlauf der Temperatur in Abhängigkeit von der
Entropie bei einem Dampfkreisprozess aus Fig.1 veranschaulicht.
Fig.3 ist eine schematische Darstellung eines Kalina-Kreisprozesses zur
Abgaswärmenutzung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Fig.l ist ein allgemein mit 10 bezeichneter Clausius-Rankine-Kreisprozess illustriert. Der Dampfkreisprozess 10 umfasst eine Expansionsmaschine 14 und einen Wärmeübertrager 12. Der Wärmeübertrager 12 wird von der Abwärme eines Primärprozesses beaufschlagt. Solche Primärprozesse können Kraftwerke oder Fahrzeuge, wie Schienenfahrzeuge, Lastkraftwagen, Schiffe oder sonstige Maschinen sein, die
Abwärme erzeugen. Der Kreisprozess umfasst weiterhin eine regelbare Speisewasserpumpe 16 und einen Kondensator 18.
Der Wärmeübertrager 12 ist von Arbeitsmedium in Form von Speisewasser bzw. Speisewasserdampf durchflössen. Das Arbeitsmedium steht dabei unter einem erhöhten
Druck, welcher von einer Pumpe 16 erzeugt wird. Dem Wasser oder Wasserdampf wird eine Wärmemenge ΦH aus der Abwärme zugeführt. Dadurch wird der Wasserdampf stark überhitzt, d.h. auf eine hohe Temperatur und ein höheres Druckniveau gebracht. Die innere Energie steigt. In einem Expander, zum Beispiel einem Kolbenexpander, Turbine oder dergleichen 14 wird der Wasserdampf entspannt. Dabei sinkt der Druck wieder auf ein niedrigeres Druckniveau. Bei dieser Entspannung wird Arbeit frei, die über eine Welle zum Beispiel an einem Generator für elektrische Energie nutzbar gemacht werden kann.
Der entspannte Wasserdampf wird dann einem Kondensator 18 zugeführt, in welchem er kondensiert wird, damit das Wasser für den Kreisprozess weiter zur Verfügung steht. Dabei wird die Wärmemenge Φc frei, die zum Beispiel für Wärmezwecke genutzt werden kann. Das kondensierte Wasser wird erneut der Pumpe 16 zugeführt.
Der beschriebene Kreisprozess ist ein typischer Clausius-Rankine-Rreisprozess. Der Carnot- Wirkungsgrad (s.o.) wird durch die obere Temperatur T0 im Wärmeübertrager 12 und die untere Temperatur T11 im Kondensator 18 bestimmt. Die Temperaturdifferenz ist durch die Temperatur der Abwärme begrenzt, die üblicherweise weit unterhalb von
Verbrennungstemperaturen liegt. Zur Erhöhung des Wirkungsgrads wird daher der durch die Pumpe 16 geförderte Massenstrom an die Kondensatortemperatur angepasst. Die Kondensatortemperatur wird über einen Messfühler ermittelt. Der Messwert wird durch eine schematisch dargestellte Regelschleife an die Motorsteuerung M der Speisewasserpumpe 16 gegeben. Diese regelt die Pumpleistung derart, dass ein optimaler
Wirkungsgrad erreicht wird.
In Fig. 2 sind die Auswirkungen der Regelung anhand eines T-S-Diagramms (Temperatur T, aufgetragen über die Entropie S) dargestellt.
Vor der Erwärmung ist das Arbeitsmedium flüssig und hat die Temperatur T11. Dies entspricht dem mit A bezeichneten Zustand. Bei Erwärmung im Wärmeübertrager wird zunächst die Flüssigkeit erwärmt und nimmt Energie auf. Bei der Siedetemperatur Ts beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen. Dies ist der Zustand B. Die Temperatur bleibt dabei zunächst konstant, bis das Arbeitsmedium vollständig in den gasförmigen Zustand übergegangen ist. Dieser Zustand ist in dem Diagramm mit C bezeichnet. Dem nun gasförmige Arbeitsmedium wird nun weiter Wärmeenergie zugeführt, was zu einem erneuten Temperaturanstieg fuhrt. Wenn die Temperatur T0 der Abwärme erreicht ist, ist kein weiterer Wärmeübergang möglich. Der Zustand D ist erreicht. Das unter Druck stehende und heiße Gas wird in einem Expander auf den Zustand E entspannt und in dem Kondensator 18 gekühlt, bis es bei der niedrigen Temperatur wieder vollständig kondensiert ist. Der Zustand D wird auch durch den von der Pumpe 16 erzeugten Druck bestimmt. Unterhalb eines Schwellwerts ist eine Entspannung unabhängig von der Temperatur des Kondensators immer nur bis zur Grenze des Nassdampfgebiets möglich, die durch die Kurve 24 repräsentiert ist. Bei kleineren Temperaturen ist das Arbeitsmedium flüssig und leistet keine Arbeit mehr.
Wenn die Temperatur des Kondensators geringer wird, wird bei der vorliegenden Anordnung die Förderleistung der Pumpe 16 erhöht. Das hat zur Folge, dass das Arbeitsmedium auf einen energiereicheren Punkt D erwärmt wird. Man erkennt jedoch, dass eine Entspannung auf die niedrigere Temperatur T11' (Zustand E') möglich ist und mehr nutzbare Arbeit geleistet wird. Diese Arbeit wird durch die schraffierte Fläche 26 repräsentiert. Der Wirkungsgrad wird erhöht. Durch die Regelung 22 kann die Förderleistung der Pumpe 16 immer optimal an die Kondensatortemperatur oder den zugehörigen, niedrigeren Druck angepasst werden.
Die Anordnung ist besonders dann sinnvoll, wenn der Kreisprozess in Maschinen eingesetzt wird, bei denen das Kühlmedium im Kondensator Temperaturschwankungen unterliegt. Das ist zum Beispiel bei luftgekühlten Fahrzeugen der Fall, da sich die Außenlufttemperatur mit der Jahres- und Tageszeit und der geographischen Lage ändert. Auch bei Schiffen ist dies der Fall, da sich die Wassertemperatur je nach Gewässer und Jahreszeit ändert. Der Wirkungsgrad kann so bei diesen Anwendungen wesentlich erhöht werden.
In Fig.3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine Regelschleife in einen Kalina- Kreisprozess integriert ist. Der Kreisprozess ist zum Beispiel in einem Motors für Personenkraftwagen integriert. Der Dieselmotor ist allgemein mit 110 bezeichnet. Der Dieselmotor 110 treibt eine Antriebswelle 112 an. Die Funktionsweise eines Dieselmotors ist übliche Technik und braucht daher nicht näher erläutert werden. Der Dieselmotor 110 arbeitet in einem typischen Leistungsbereich von 100 kW. Er erzeugt Abwärme im Bereich von 250 kW. Die entstehende Abwärme wird einerseits über ein erstes Kühlsystem 114 bzw. 116 an
Kühlwasser abgegeben. Andererseits wird heißes Abgas erzeugt, wovon ein Teilstrom zur Vermeidung von Emissionsbildung über eine Abgasrückführung 118 dem Motor erneut zugeführt wird. Dies ist durch eine gestrichelte Linie 120 repräsentiert.
Die soweit beschriebenen Komponenten sind bekannte Komponenten eines Motor-
Antriebssystems. Im Gegensatz zu herkömmlichen Antriebssystemen wird nun der Kühlkreislauf 114 bzw. 116 von einem weiteren Kreislauf gekühlt. In diesem Kreislauf wird eine Mehrkomponentenlösung als Arbeitsfluid mit einer Pumpe 128 auf einem erhöhten Druckniveau von etwa 15 bar umgepumpt. Das Arbeitsfluid besteht im vorliegenden Fall aus einer Trägersubstanz, nämlich Wasser, in die ein Gas, nämlich
Ammoniak gelöst ist. Das Massenverhältnis Wasser: Ammoniak beträgt 65:35.
Die wässrige Ammoniaklösung nimmt zunächst von dem mit etwa 900C betriebenen Kühlkreislauf des Motors Wärme über einen Plattenwärmetauscher 132 auf. In diesem Plattenwärmetauscher wird der erste Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 110 gekühlt.
Das ca.90°C heiße Kühlwasser 114 wird dabei auf etwa 83°C gekühlt. Das Arbeitsfluid erwärmt sich bei diesem Wärmeübergang auf annähernd 900C. Dadurch wird ein Teil des gelösten Ammoniak-Gases verdampft. Die Wärmeaufnahme des Arbeitsfluids ist infolge des teilweisen Verdampfens des Ammoniaks aus dem Arbeitsfluid derart groß, das mit kleinen Volumenströmen die gesamte anfallende Abwärme des Kühlsystems in das
Arbeitsfluid übertragen werden kann.
Bei einem zweiten Wärmeübergang wird dem Arbeitsfluid die Wärme des Abgases der
Abgasrückführung 118 zugeführt. Der Wärmeübergang liegt im Bereich von 17 kW. Die Temperatur des rückgeführten Abgases sinkt dabei erheblich, so dass auch durch diese
Maßnahme die Spitzentemperatur der Verbrennung im Verbrennungsmotor und damit die Stickoxid-Emissionen gesenkt werden. Die mittlere Temperatur des Arbeitsfluids liegt dann bei etwa 1100C.
In einem dritten Wärmetauscher wird nun ein der Teil der Abgaswärme auf das Arbeitsfluid übertragen, der die gewünschte Endtemperatur des Arbeitsfluids herbeiführt.
Die Temperatur des Arbeitsfluids erreicht dann 150 0C und ein Großteil des ursprünglich im Wasser gelösten Ammoniaks ist ausgedampft.
In einem Phasentrenner 134 wird anschließend die flüssige Phase des Arbeitsfluids, im wesentlichen Wasser, von der Gasphase - überwiegend Ammoniak - getrennt. Das flüssige
Wasser wird problemlos mit 150° auf ein niedrigeres Druckniveau von etwa 2 bar gebracht und direkt einem z.B. luftgekühlten Kühler zugeführt. Das unter einem Druck von 15 bar stehende Gas wird einer Expansionsmaschine 138, z.B. einer Rotationskolbenmaschine, Kolbenmaschine, Schraubenmaschine oder einer Turbine zugeführt und dort auf einen Druck von 2 bar entspannt. Die dabei frei werdende, nutzbare Arbeit liegt im Bereich von bis zu 10 kW und kann der Welle 112 zugeführt werden. Bei der Entspannung wird nicht nur das Druckniveau, sondern auch die Temperatur dieser Komponente des Arbeitsfluids gesenkt. Das kalte Arbeitsfluid wird dann ebenfalls dem Kühler zugeführt. Dort löst es sich in dem heißen Trägermedium, wobei u.U. Lösungswärme frei wird. Von dem Kühler aus wird das gekühlte Arbeitsfluid über die Pumpe 128 wieder dem Kreislauf zugeführt wird. Der Kühler kann auch zeiteilig ausgeführt werden, da die Vorgänge „Mischen,, bzw. „Kühlen,, des Arbeitsfluids unterschiedliche Anforderungen an die Bauteilauslegung stellen. So kann z.B. eine Mischstrecke unterhalb des Kühlers angeordnet sein um eine möglichst gute Mischung der Arbeitsfluidströme zu erreichen und um sie dann möglichst gut vermischt dem Kühler 136 zuzuführen.
Die von dem Kühlsystem 136 aufzubringende Kühlleistung ist trotz der Wärmeaufnahme aus dem Abgas gegenüber einem konventionellen Antriebssystem, das ohne den zweiten Kreislauf arbeitet, ähnlich. Die hier beispielhaft genannten Werte für die Leistung des Verbrennungsmotors und die Wärmeübergänge können selbstverständlich an die verschiedenen Anwendungsfälle angepasst werden. So können weitere Wärmequellen, wie etwa eine Ölkühlung, eine Ladeluftkühlung oder dergleichen, in den zweiten Kreislauf integriert werden. Es können auch Lösungen mit anderen und/oder weiteren Komponenten verwendet werden, die in
Art und Anteil an die jeweiligen Wärmequellen angepasst sind. Ziel ist es dabei, einen möglichst guten Wärmeübergang und eine hohe Aufnahme an Verdampfungsenthalpie zu ermöglichen. Dadurch können alle Komponenten kompakt ausgebildet werden. Die Antriebsleistung wird erhöht. Der Wirkungsgrad des gesamten Antriebs wird ebenfalls erhöht. Dadurch reduziert sich bei gleicher benötigter Gesamtleistung der
Schadstoffausstoß.
Die thermodynamisch mittlere Temperatur des vom Fahrtwind gekühlten Kühlers liegt bei etwa 1100C und ist damit höher, als bei gewöhnlichen Kühlkreisläufen mit etwa 900C. Dies führt zu einer Verringerung der erforderlichen Kühlfläche. Dadurch kann die
Baugröße des Kühlers reduziert werden. Durch die Verwendung einer Komponente mit niedrigen Siedepunkt (Ammoniak) ist die höchste Temperatur mit etwa 1500C niedriger, als dies bei bekannten Einstoff-Systemen wie z.B. Wasser der Fall ist. Diese müssen bei etwa 5000C arbeiten, um einen ausreichenden Wirkungsgrad zu erreichen. Durch die niedrigere untere Temperatur von bis zu 100C ist die minimale Temperatur des
Kreisprozesses erheblich niedriger als bei einem im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Einstoff System. Zum Vergleich: Ein mit Wasser arbeitendes Einstoff- System hat beispielsweise eine niedrigste Temperatur von 1000C bei 1 bar. Durch diese geringere unterste Temperatur wird ein guter thermischer Wirkungsgrad erreicht.
Der Wirkungsgrad wird nun weiter verbessert, indem auf die oben beschriebene Weise eine Regelung der Pumpe 128 in Abhängigkeit vom Druck im Kühler 136 erfolgt. Ein Drucksensor 138 ermittelt den Druck bei dem das Arbeitsmittel kondensiert. Über eine Regelung 140 wird dann die Pumpe 128 gesteuert. Wie bei Einstoff-Systemen kann eine erhebliche Erhöhung des mittleren Wirkungsgrads erreicht werden, wenn das Kühlmittel im Kühler Temperaturschwankungen unterliegt.

Claims

Patentansprüche
1. Dampfkreisprozess enthaltend
(a) eine Speisewasserpumpe (16; 128) zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in einem in dem Dampfkreisprozess (10; 110) verwendeten Arbeitsmedium,
(b) einen Wärmeübertrager (12; 132), zur Übertragung von Abwärme aus einem Primärprozess auf das Arbeitsmedium,
(c) einen Expander (14; 138) zum Expandieren des Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung, und
(d) einen Kondensator (18; 136) zum Kondensieren des Arbeitsmediums,
dadurch gekennzeichnet, dass
(e) Mittel (20, 138) zum Erfassen des Drucks oder der Temperatur am
Kondensator vorgesehen sind, und
(f) eine Regelschleife (22; 140) vorgesehen ist, mit der die Speisewasserpumpe mit den so erfassten Druck- oder Temperaturwerten als Führungsgröße auf einen Druck regelbar ist, bei dem die Expanderleistung maximal ist.
2. Dampfkreisprozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Arbeitsfluid wenigstens zwei Komponenten unterschiedlicher Siedepunkte umfasst, und ein Phasentrenner (134) zum Trennen der Komponenten zwischen dem Wärmetauscher (132) und dem Expander (138) vorgesehen ist, so dass nur der gasförmige Anteil des Arbeitsfluids dem Expander zugeführt wird.
3. Verfahren zum Regeln eines Dampflereisprozesses nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem
(a) ein Arbeitsmedium auf einen erhöhten Druck gebracht wird; (b) Wärmeenergie auf das übertragen wird,
(c) das Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung expandiert wird, und
(d) das Arbeitsmedium wieder kondensiert wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
(e) ein den Druck oder die Temperatur repräsentierender Wert des Arbeitsmediums nach dem kondensieren erfasst wird und
(f) der erhöhte Druck, auf den das Arbeitsmedium gebracht wird, mit dem so erfassten Messwert als Führungsgröße auf eine maximale Arbeitsleistung geregelt wird.
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