WO2008055720A2 - Working medium for steam circuit process - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a steam cycle process containing
- Temperature level is heated to a higher temperature level
- Clausius-Rankine steam cycle process a cycle is known in which an external burner generates heat. The heat is transferred in a heat exchanger to a working medium, usually water. The working medium is circulated by a feedwater pump in the circuit. In an expander, such as a piston expander, the water is released. In this case, a shaft is driven. The water condenses in a condenser and is again available for heat absorption.
- a Kalina process is a cycle in which the working medium consists of several components, in particular organic components. It is important for all circuits that the working medium does not decompose and meets the ambient conditions. These environmental conditions include the maximum upper and minimum lower
- Temperature level Water is not suitable as a working medium for all environmental conditions, for example because it freezes at low temperatures.
- the object of the invention is to find a cycle with an alternative working medium that is suitable for other environmental conditions and allows an increase in the efficiency.
- the object is achieved in that the working medium is a Ci to C 4 - alcohol and the higher temperature level is above 170 0 C.
- low melting point alcohols allows use even at temperatures below 0 ° C., ie below the freezing point of water. Due to the likewise low evaporation temperature, it is possible with alcohols to achieve evaporation at comparatively low temperatures, for example in cooling water.
- the use of alcohols or alcohol mixtures even at temperatures above 170 ° thus provides a particularly good efficiency of the arrangement.
- the invention is based on the surprising finding that low-chain
- Alcohols are also sufficiently stable above 170 ° for use in a steam cycle. It is therefore possible, for example, completely absorb cooling water heat with slightly raised cooling water temperature of 110 0 C by evaporation of the working medium.
- the working fluid can still be overheated in the exhaust gas to prevailing high exhaust gas temperatures of, for example, 400 0 C.
- the steam cycle may be a Kalina process, a Rankine cycle, or any other suitable steam cycle process.
- the steam cycle may be a Kalina process, a Rankine cycle, or any other suitable steam cycle process.
- the Kalina process a Kalina process, a Rankine cycle, or any other suitable steam cycle process.
- Heat exchanger arrangement Means for exhaust heat utilization of a primary
- Heat exchanger arrangement in addition means for using the waste heat of a
- the heat exchanger arrangement can also use other heat sources for preheating the working medium. This allows a high process temperature with low fuel requirements.
- the working medium is mixed with a lubricant.
- the working medium may contain, in addition to the alcohol, water and / or methylpyridine.
- Water and methylpyridine form an azeotrope with their own Evaporation point. In this azeotrope, polar and nonpolar substances, in particular also lubricants, dissolve.
- the use of alcohol and methylpyridine serves among other things to protect against freezing. Alcohol vaporizes at a lower temperature than the water / methylpyridine azeotrope. It can be used to hold the cooling water heat in the low temperature range.
- the water / methylpyridine azeotrope has a higher evaporation point and is particularly suitable for absorbing exhaust heat or other heat sources in the upper temperature range.
- a condenser may be provided for condensing the working medium.
- the steam cycle is designed as an open process, as may be the case, for example, in the chemical industry.
- ethanol Of the alcohols used as the working medium, ethanol and more methanol than alcohol are preferred.
- a lubricant is added to the working medium in which the condensation temperature of the lubricant is above the steam outlet temperature. Then the lubricant is evaporated and condensed in the first in the expansion in the expander.
- the expander can be lubricated in this way without a separate oil circuit.
- Fig.l shows schematically a steam cycle process, with methanol as
- FIG. 1 illustrates a Clausius-Rankine cycle process, generally designated 10.
- the steam cycle 10 includes an expansion engine 14 and a
- Heat exchanger 12 is acted upon by the waste heat of a primary process.
- a primary process can be power plants or vehicles, such as rail vehicles, trucks, ships or other machines that produce waste heat.
- the heat exchanger is acted upon by the exhaust gas of a specially provided for this purpose external burner.
- the cycle further comprises a feedwater pump 16 and a condenser 18.
- the heat exchanger 12 is flowed through by working medium in the form of methanol or methanol vapor.
- the methanol is also accompanied by a lubricant.
- the working fluid is under an increased pressure, which is generated by a pump 16.
- the methanol or methanol vapor is an amount of heat ⁇ H supplied from the waste heat.
- the steam is greatly overheated, ie brought to a high temperature at about 400 ° C and a higher pressure level of about 4 bar.
- the inner energy increases.
- an expander for example a piston expander, turbine or the like 14
- the methanol vapor is released.
- the pressure drops back to a lower pressure level.
- this relaxation work is released, which can be harnessed via a shaft, for example, to a generator for electrical energy.
- the expanded methanol vapor is then fed to a condenser 18 in which it is condensed to further provide methanol for the cyclic process.
- the amount of heat ⁇ c is released, which can be used for example for heat purposes.
- the condensed methanol is supplied to the pump 16 again.
- the described cycle is a typical Rankine cycle.
- 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 methanol Before heating, the methanol is liquid and has the temperature T 11 .
- the liquid When heated in the heat exchanger, the liquid is first heated and absorbs energy. At the boiling point, the working fluid begins to evaporate. The temperature initially remains constant until the working medium has completely passed into the gaseous state. The now gaseous working fluid is now further heat energy supplied, resulting in a renewed increase in temperature. When the temperature T 0 of the waste heat is reached, no further heat transfer is possible.
- the pressurized and hot gas is expanded in an expander and cooled in the condenser 18 until completely condensed again at the low temperature.
- the cycle is integrated, for example, in an engine for passenger cars.
- the diesel engine is generally designated 110.
- the diesel engine 110 drives one
- the components described so far are known components of a motor drive system.
- 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 4 bar.
- the working fluid in the present case consists of a carrier substance, namely water, is dissolved in the alcohol.
- the mass ratio of ethanol to water is dependent on the heat flows cooling water exhaust gas and in diesel engines is in the range of 40:60.
- the water-alcohol solution first decreases from that operated at about 110 ° C.
- Cooling circuit of the engine heat via a plate heat exchanger 132 on.
- the first cooling circuit of the internal combustion engine 110 is cooled.
- the ca.H0 ° C hot cooling water 114 is cooled to about 105 0 C.
- the working fluid heats up during this heat transfer to approximately 110 0 C. This evaporates a large part of the dissolved alcohol.
- the heat absorption of the working fluid is so large due to the evaporation of the alcohol from the working fluid that can be transferred with small volume flows, the entire accumulating waste heat of the cooling system in the working fluid.
- Transfer working fluid which brings about the desired final temperature of the working fluid.
- the temperature of the entire working fluid with both components then reaches about 400 0 C and the entire working medium is evaporated and overheated.
- a phase separator is not required in contrast to a pure Kalina process.
- the gas under a pressure of 15 bar is fed to an expansion machine 138, for example a rotary piston machine, piston machine, screw machine or a turbine, where it is expanded to a pressure of, for example, 0.5 bar.
- an expansion machine 138 for example a rotary piston machine, piston machine, screw machine or a turbine
- the thereby released, usable work can be supplied to the shaft 112.
- the exhaust steam is condensed in the condenser 136 and fed back to the circuit via the pump 128.
- solutions with other and / or further components which are adapted in type and proportion to the respective heat sources.
- the aim is to allow the best possible heat transfer and a high absorption of enthalpy of vaporization.
- the use of ethanol allows a particularly low evaporation temperature and therefore a higher efficiency.
Abstract
The invention relates to a steam circuit process comprising a feed-water pump for generating a higher pressure in a working medium used in the steam circuit process, a heat exchanger arrangement for transmitting heat and/or waste heat to the working medium such that the working medium is heated from a lower temperature level to a higher temperature level, and an expander for expanding the working medium with efficiency. The steam circuit process is characterised in that the working medium is a C1 to C4 alcohol or a mixture of water and/or a plurality of said alcohols, and the higher temperature level is above 170°C.
Description
Patentanmeldung Patent application
AMOVIS GmbH. Voltastraße 5. D - 13355 Berlin Arbeitsmedium für DampflereisprozesseAMOVIS GmbH. Voltastraße 5. D - 13355 Berlin Working medium for steam travel processes
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft einen Dampfkreisprozess enthaltendThe invention relates to a steam cycle process containing
(a) eine Speisewasserpumpe zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in einem in dem Dampfkreisprozess verwendeten Arbeitsmedium,(a) a feedwater pump for generating an elevated pressure in a working medium used in the steam cycle process,
(b) eine Wärmeübertrageranordnung zur Übertragung von Wärme und/oder Abwärme aus auf das Arbeitsmedium, so dass das Arbeitsmedium von einem niedrigeren(B) a heat exchanger assembly for the transfer of heat and / or waste heat from the working medium, so that the working medium of a lower
Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau erwärmt wird, undTemperature level is heated to a higher temperature level, and
(c) einen Expander zum Expandieren des Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung,(c) an expander for expanding the working fluid under working power,
Solche Dampfkreisprozesse dienen der Erzeugung von Arbeit aus Wärmeenergie. DieSuch steam cycle processes serve to generate work from thermal energy. The
Arbeit kann zum Beispiel an einer Welle verrichtet werden, mit der Maschinen oder Kraftfahrzeuge angetrieben werden. Sie kann aber auch zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines Generators dienen.
Stand der TechnikFor example, work can be done on a shaft that drives machinery or automobiles. But it can also serve to generate electrical energy by means of a generator. State of the art
Unter dem Begriff „Clausius-Rankine-Dampfkreisprozess,, ist ein Kreisprozess bekannt bei dem ein externer Brenner Wärme erzeugt. Die Wärme wird in einem Wärmeübertrager auf ein Arbeitsmedium, üblicherweise Wasser, übertragen. Das Arbeitsmedium wird mit einer Speisewasserpumpe in dem Kreislauf umgepumpt. In einem Expander, etwa einem Kolbenexpander, wird das Wasser entspannt. Dabei wird eine Welle angetrieben. In einem Kondensator kondensiert das Wasser und steht erneut zur Wärmeaufnahme zur Verfügung.The term "Clausius-Rankine steam cycle process", a cycle is known in which an external burner generates heat. The heat is transferred in a heat exchanger to a working medium, usually water. The working medium is circulated by a feedwater pump in the circuit. In an expander, such as a piston expander, the water is released. In this case, a shaft is driven. The water condenses in a condenser and is again available for heat absorption.
Übliche Arbeitsmedien sind Wasser oder wässrige Lösungen. Ein Kalina-Prozess ist ein Kreislauf, bei dem das Arbeitsmedium aus mehreren Komponenten, insbesondere auch organischen Komponenten besteht. Wichtig ist bei allen Kreisläufen, dass das Arbeitsmedium sich nicht zersetzt und den Umgebungsbedingungen genügt. Diese Umgebungsbedingungen sind unter anderem das maximale obere und das minimale untereCommon working media are water or aqueous solutions. A Kalina process is a cycle in which the working medium consists of several components, in particular organic components. It is important for all circuits that the working medium does not decompose and meets the ambient conditions. These environmental conditions include the maximum upper and minimum lower
Temperaturniveau. Wasser ist als Arbeitsmedium nicht für alle Umgebungsbedingungen geeignet, zum Beispiel da es bei niedrigen Temperaturen gefriert.Temperature level. Water is not suitable as a working medium for all environmental conditions, for example because it freezes at low temperatures.
Der Wirkungsgrad eines Kreisprozesses steigt mit der Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Temperaturniveau. Es ist deshalb ein hohes oberes und ein niedriges unteresThe efficiency of a cycle increases with the difference between the upper and lower temperature levels. It is therefore a high upper and a lower lower one
Temperaturniveau zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades erstrebenswert.Temperature level to achieve a high efficiency desirable.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist Aufgabe der Erfindung einen Kreisprozess mit einem alternativen Arbeitsmedium zu finden, dass für andere Umgebungsbedingungen geeignet ist und eine Erhöhung des Wirkungsgrads erlaubt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Arbeitsmedium ein Ci bis C4- Alkohol ist und das höhere Temperaturniveau oberhalb von 1700C liegt.It is an object of the invention to find a cycle with an alternative working medium that is suitable for other environmental conditions and allows an increase in the efficiency. According to the invention the object is achieved in that the working medium is a Ci to C 4 - alcohol and the higher temperature level is above 170 0 C.
Die Verwendung von Alkoholen mit niedrigem Schmelzpunkt erlaubt die Verwendung auch bei Temperaturen unterhalb von 00C, also unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser.
Durch die ebenfalls niedrige Verdampfungstemperatur kann mit Alkoholen eine Verdampfung bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, zum Beispiel in Kühlwasser, erreicht werden. Die Verwendung von Alkoholen oder Alkoholgemischen auch bei Temperaturen oberhalb von 170° schafft damit einen besonders guten Wirkungsgrad der Anordnung. Die Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass niederkettigeThe use of low melting point alcohols allows use even at temperatures below 0 ° C., ie below the freezing point of water. Due to the likewise low evaporation temperature, it is possible with alcohols to achieve evaporation at comparatively low temperatures, for example in cooling water. The use of alcohols or alcohol mixtures even at temperatures above 170 ° thus provides a particularly good efficiency of the arrangement. The invention is based on the surprising finding that low-chain
Alkohole auch oberhalb von 170° für die Anwendung in einem Dampfkreisprozess ausreichend stabil sind. Es ist also möglich zum Beispiel Kühlwasserwärme bei leicht angehobener Kühlwassertempertur von 1100C durch Verdampfung des Arbeitsmediums vollständig aufzunehmen. Das Arbeitsmedium kann dennoch im Abgas auf dort herrschende hohe Abgastemperaturen von zum Beispiel 400 0C überhitzt werden.Alcohols are also sufficiently stable above 170 ° for use in a steam cycle. It is therefore possible, for example, completely absorb cooling water heat with slightly raised cooling water temperature of 110 0 C by evaporation of the working medium. The working fluid can still be overheated in the exhaust gas to prevailing high exhaust gas temperatures of, for example, 400 0 C.
Der Carnot'sche Wirkungsgrad ist: ηc=l-Tu/To mit To=oberes Temperaturniveau und T11= unteres Temperaturniveau. Bei einem oberen Temperaturniveau von 1700C und einem unteren Temperaturniveau von 1100C liegt derThe Carnot efficiency is: η c = lT u / T o where T o = upper temperature level and T 11 = lower temperature level. At an upper temperature level of 170 0 C and a lower temperature level of 110 0 C is the
Wirkungsgrad bei 13,5%, bei einer Erhöhung des oberen Temperaturniveaus auf z.B. 4000C hingegen bei 44 %. Dies ist eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads.Efficiency at 13.5%, with an increase in the upper temperature level to eg 400 0 C, however, at 44%. This is a significant increase in efficiency.
Der Dampfkreisprozess kann ein Kalinaprozess, ein Clausius-Rankine-Prozess oder jeder andere geeignete Dampfkreisprozess sein. Vorzugsweise umfasst dieThe steam cycle may be a Kalina process, a Rankine cycle, or any other suitable steam cycle process. Preferably, the
Wärmeübertrageranordnung Mittel zur Abgaswärmenutzung eines primärenHeat exchanger arrangement Means for exhaust heat utilization of a primary
Verbrennungsprozesses. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst dieCombustion process. In a further embodiment of the invention, the
Wärmeübertrageranordnung zusätzlich Mittel zur Nutzung der Abwärme einesHeat exchanger arrangement in addition means for using the waste heat of a
Kühlkreislaufs. Die Wärmeübertrageranordnung kann auch weitere Wärmequellen zum Vorwärmen des Arbeitsmediums nutzen. Dies ermöglicht eine hohe Prozesstemperatur bei geringem Bedarf an Kraftstoffen.Cooling circuit. The heat exchanger arrangement can also use other heat sources for preheating the working medium. This allows a high process temperature with low fuel requirements.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Arbeitsmedium mit einem Schmiermittel versetzt.In a preferred embodiment of the invention, the working medium is mixed with a lubricant.
Das Arbeitsmedium kann zusätzlich zu dem Alkohol auch Wasser und/oder Methylpyridin enthalten. Wasser und Methylpyridin bilden ein Azeotrop mit einem eigenen
Verdampfungspunkt. In diesem Azeotrop lösen sich polare und unpolare Stoffe, insbesondere auch Schmiermittel. Der Einsatz von Alkohol und Methylpyridin dient unter anderem dem Frostschutz. Alkohol verdampft bei einer niedrigeren Temperatur als das Azeotrop Wasser/Methylpyridin. Er kann zur Aufnahme der Kühlwasserwärme im Niedertemperaturbereich verwendet werden. Das Wasser/Methylpyridin-Azeotrop hat einen höheren Verdampfungspunkt und eignet sich besonders zur Aufnahme der Abgaswärme oder anderer Wärmequellen im oberen Temperaturbereich.The working medium may contain, in addition to the alcohol, water and / or methylpyridine. Water and methylpyridine form an azeotrope with their own Evaporation point. In this azeotrope, polar and nonpolar substances, in particular also lubricants, dissolve. The use of alcohol and methylpyridine serves among other things to protect against freezing. Alcohol vaporizes at a lower temperature than the water / methylpyridine azeotrope. It can be used to hold the cooling water heat in the low temperature range. The water / methylpyridine azeotrope has a higher evaporation point and is particularly suitable for absorbing exhaust heat or other heat sources in the upper temperature range.
Weiterhin kann ein Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums vorgesehen sein. Alternativ ist der Dampfkreisprozess als offener Prozess ausgelegt, wie dies zum Beispiel in der chemischen Industrie der Fall sein kann.Furthermore, a condenser may be provided for condensing the working medium. Alternatively, the steam cycle is designed as an open process, as may be the case, for example, in the chemical industry.
Von den als Arbeitsmedium verwendeten Alkoholen werden Ethanol und noch mehr Methanol als Alkohol bevorzugt.Of the alcohols used as the working medium, ethanol and more methanol than alcohol are preferred.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird dem Arbeitsmedium ein Schmiermittel hinzugefügt bei dem die Kondensationstemperatur des Schmiermittels oberhalb der Dampfaustrittstemperatur liegt. Dann wird das Schmiermittel mit verdampft und kondensiert im bei der Entspannung im Expander als erstes aus. Der Expander kann auf diese Weise ohne separaten Ölkreislauf geschmiert werden.In one embodiment of the invention, a lubricant is added to the working medium in which the condensation temperature of the lubricant is above the steam outlet temperature. Then the lubricant is evaporated and condensed in the first in the expansion in the expander. The expander can be lubricated in this way without a separate oil circuit.
Ein Teil des Abdampfes kann in das Kurbelgehäuse des Expanders leitbar sein. Dann wird der Kurbeltrieb durch das auskondensierende Schmiermittel geschmiert. Durch eine Verbindung mit dem Kondensator kann das übrige Schmiermittel anschließend wieder dem Kreislauf zugeführt werden. Ausgestaltungen der Erfindungen sind Gegenstand derPart of the exhaust steam can be conducted into the crankcase of the expander. Then the crank mechanism is lubricated by the auskondensierende lubricant. By connecting to the condenser, the remaining lubricant can then be returned to the circuit. Embodiments of the invention are the subject of
Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenDependent claims. An embodiment is explained below with reference to the accompanying drawings. Brief description of the drawings
Fig.l zeigt schematisch einen Dampfkreisprozess, der mit Methanol alsFig.l shows schematically a steam cycle process, with methanol as
Arbeitsmedium arbeitet. Fig.2 zeigt schematisch einen Kalina-Prozess, der mit einer Ethanol: Alkohol-Working medium works. 2 schematically shows a Kalina process, which is treated with an ethanol: alcohol
Mischung als Arbeitsmedium arbeitetMix works as a working medium
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
In Fig.l ist ein allgemein mit 10 bezeichneter Clausius-Rankine-Kreisprozess illustriert. Der Dampfkreisprozess 10 umfasst eine Expansionsmaschine 14 und einenFIG. 1 illustrates a Clausius-Rankine cycle process, generally designated 10. The steam cycle 10 includes an expansion engine 14 and a
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. Alternativ wird der Wärmeübertrager vom Abgas eines eigens für diesen Zweck vorgesehenen externen Brenners beaufschlagt. Der Kreisprozess umfasst weiterhin eine Speisewasserpumpe 16 und einen Kondensator 18.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 produce waste heat. Alternatively, the heat exchanger is acted upon by the exhaust gas of a specially provided for this purpose external burner. The cycle further comprises a feedwater pump 16 and a condenser 18.
Der Wärmeübertrager 12 ist von Arbeitsmedium in Form von Methanol bzw. Methanoldampf durchflössen. Dem Methanol ist ferner ein Schmiermittel beigefügt. Das Arbeitsmedium steht dabei unter einem erhöhten Druck, welcher von einer Pumpe 16 erzeugt wird. Dem Methanol oder Methanoldampf wird eine Wärmemenge ΦH aus der Abwärme zugeführt. Dadurch wird der Dampf stark überhitzt, d.h. auf eine hohe Temperatur bei ca.400°C und ein höheres Druckniveau von etwa 4 bar gebracht. Die innere Energie steigt.The heat exchanger 12 is flowed through by working medium in the form of methanol or methanol vapor. The methanol is also accompanied by a lubricant. The working fluid is under an increased pressure, which is generated by a pump 16. The methanol or methanol vapor is an amount of heat Φ H supplied from the waste heat. As a result, the steam is greatly overheated, ie brought to a high temperature at about 400 ° C and a higher pressure level of about 4 bar. The inner energy increases.
In einem Expander, zum Beispiel einem Kolbenexpander, Turbine oder dergleichen 14 wird der Methanoldampf 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.In an expander, for example a piston expander, turbine or the like 14, the methanol 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.
Der entspannte Methanoldampf wird dann einem Kondensator 18 zugeführt, in welchem er kondensiert wird, damit das Methanol für den Kreisprozess weiter zur Verfügung steht.
Dabei wird die Wärmemenge Φc frei, die zum Beispiel für Wärmezwecke genutzt werden kann. Das kondensierte Methanol wird erneut der Pumpe 16 zugeführt.The expanded methanol vapor is then fed to a condenser 18 in which it is condensed to further provide methanol for the cyclic process. In this case, the amount of heat Φ c is released, which can be used for example for heat purposes. The condensed methanol is supplied to the pump 16 again.
Der beschriebene Kreisprozess ist ein typischer Clausius-Rankine-Kreisprozess. Der Carnot- Wirkungsgrad (s.o.) wird durch die obere Temperatur T0 im Wärmeübertrager 12 und die untere Temperatur T11 im Kondensator 18 bestimmt.The described cycle is a typical Rankine cycle. 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.
Vor der Erwärmung ist das Methanol flüssig und hat die Temperatur T11. Bei Erwärmung im Wärmeübertrager wird zunächst die Flüssigkeit erwärmt und nimmt Energie auf. Bei der Siedetemperatur beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen. Die Temperatur bleibt dabei zunächst konstant, bis das Arbeitsmedium vollständig in den gasförmigen Zustand übergegangen ist. Dem nun gasförmige Arbeitsmedium wird nun weiter Wärmeenergie zugeführt, was zu einem erneuten Temperaturanstieg führt. Wenn die Temperatur T0 der Abwärme erreicht ist, ist kein weiterer Wärmeübergang möglich. Das unter Druck stehende und heiße Gas wird in einem Expander entspannt und in dem Kondensator 18 gekühlt, bis es bei der niedrigen Temperatur wieder vollständig kondensiert ist.Before heating, the methanol is liquid and has the temperature T 11 . When heated in the heat exchanger, the liquid is first heated and absorbs energy. At the boiling point, the working fluid begins to evaporate. The temperature initially remains constant until the working medium has completely passed into the gaseous state. The now gaseous working fluid is now further heat energy supplied, resulting in a renewed increase in temperature. When the temperature T 0 of the waste heat is reached, no further heat transfer is possible. The pressurized and hot gas is expanded in an expander and cooled in the condenser 18 until completely condensed again at the low temperature.
Durch die Verwendung von Methanol ist es möglich, die eine niedrige Verdampfungstemperatur bei ausreichendem Druck zu erreichen.By using methanol, it is possible to achieve a low evaporation temperature at sufficient pressure.
In Fig.2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem ein Kalina-artiger Kreisprozess verwendet wird. Der Kreisprozess ist zum Beispiel in einem Motors für Personenkraftwagen integriert.2 shows an embodiment in which a Kalina-type cyclic process is used. The cycle is integrated, for example, in an engine for passenger cars.
Der Dieselmotor ist allgemein mit 110 bezeichnet. Der Dieselmotor 110 treibt eineThe diesel engine is generally designated 110. The diesel engine 110 drives one
Antriebswelle 112 an. Die Funktionsweise eines Dieselmotors ist übliche Technik und braucht daher nicht näher erläutert werden. In dem Dieselmotor wird Abwärme erzeugt, die einerseits über ein erstes Kühlsystem 114 bzw. 116 an Kühlwasser abgegeben wird. Andererseits wird heißes Abgas erzeugt, wovon ein Teilstrom zur Vermeidung von Emissionsbildung über eine Abgasrückführung 118 dem Motor erneut zugeführt wird.Drive shaft 112 at. The operation of a diesel engine is common technique and therefore need not be explained in more detail. In the diesel engine waste heat is generated, which is released on the one hand via a first cooling system 114 and 116 to cooling water. On the other hand, hot exhaust gas is generated, of which a partial flow to avoid generation of emissions via an exhaust gas recirculation 118 is supplied to the engine again.
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 4 bar umgepumpt. Das Arbeitsfluid besteht im vorliegenden Fall aus einer Trägersubstanz, nämlich Wasser, in die Alkohol gelöst ist. Das Massenverhältnis Ethanol: Wasser ist abhängig von den Wärmeströmen Kühlwasser- Abgas und liegt bei Dieselmotoren im Bereich von 40:60.This is represented by a dashed line 120. The components described so far are known components of a motor drive system. In contrast to conventional drive systems, the cooling circuit 114 or 116 is now cooled by another circuit. In this cycle, a multi-component solution is pumped as a working fluid with a pump 128 at an elevated pressure level of about 4 bar. The working fluid in the present case consists of a carrier substance, namely water, is dissolved in the alcohol. The mass ratio of ethanol to water is dependent on the heat flows cooling water exhaust gas and in diesel engines is in the range of 40:60.
Die Wasser- Alkohol-Lösung nimmt zunächst von dem mit etwa 1100C betriebenenThe water-alcohol solution first decreases from that operated at about 110 ° C.
Kühlkreislauf des Motors Wärme über einen Plattenwärmetauscher 132 auf. In diesem Plattenwärmetauscher wird der erste Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 110 gekühlt. Das ca.H0°C heiße Kühlwasser 114 wird dabei auf etwa 1050C gekühlt. Das Arbeitsfluid erwärmt sich bei diesem Wärmeübergang auf annähernd 1100C. Dadurch wird ein großer Teil des gelösten Alkohols verdampft. Die Wärmeaufnahme des Arbeitsfluids ist infolge des Verdampfens des Alkohols aus dem Arbeitsfluid derart groß, das mit kleinen Volumenströmen die gesamte anfallende Abwärme des Kühlsystems in das Arbeitsfluid übertragen werden kann.Cooling circuit of the engine heat via a plate heat exchanger 132 on. In this plate heat exchanger, the first cooling circuit of the internal combustion engine 110 is cooled. The ca.H0 ° C hot cooling water 114 is cooled to about 105 0 C. The working fluid heats up during this heat transfer to approximately 110 0 C. This evaporates a large part of the dissolved alcohol. The heat absorption of the working fluid is so large due to the evaporation of the alcohol from the working fluid that can be transferred with small volume flows, the entire accumulating waste heat of the cooling system in the working fluid.
In einem zweiten Wärmetauscher wird nun ein der Teil der Abgaswärme auf dasIn a second heat exchanger now one of the part of the exhaust heat on the
Arbeitsfluid übertragen, der die gewünschte Endtemperatur des Arbeitsfluids herbeiführt. Die Temperatur des gesamten Arbeitsfluids mit beiden Komponenten erreicht dann etwa 400 0C und das gesamte Arbeitsmedium ist verdampft und überhitzt. Ein Phasentrenner ist im Gegensatz zu einem reinen Kalina-Prozess nicht erforderlich.Transfer working fluid, which brings about the desired final temperature of the working fluid. The temperature of the entire working fluid with both components then reaches about 400 0 C and the entire working medium is evaporated and overheated. A phase separator is not required in contrast to a pure Kalina process.
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 z.B. 0,5 bar entspannt. Die dabei frei werdende, nutzbare Arbeit kann der Welle 112 zugeführt werden. Anschließend wird der Abdampf im Kondensator 136 kondensiert und über die Pumpe 128 wieder dem Kreislauf zugeführt.
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. Die Verwendung von Ethanol erlaubt eine besonders niedrige Verdampfungstemperatur und daher einen höheren Wirkungsgrad.
The gas under a pressure of 15 bar is fed to an expansion machine 138, for example a rotary piston machine, piston machine, screw machine or a turbine, where it is expanded to a pressure of, for example, 0.5 bar. The thereby released, usable work can be supplied to the shaft 112. Subsequently, the exhaust steam is condensed in the condenser 136 and fed back to the circuit via the pump 128. It is also possible to use solutions with other and / or further components which are adapted in type and proportion to the respective heat sources. The aim is to allow the best possible heat transfer and a high absorption of enthalpy of vaporization. The use of ethanol allows a particularly low evaporation temperature and therefore a higher efficiency.
Claims
1. Dampfkreisprozess enthaltendContaining steam cycle process
(a) eine Speisewasserpumpe zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in einem in dem Dampfkreisprozess verwendeten Arbeitsmedium,(a) a feedwater pump for generating an elevated pressure in a working medium used in the steam cycle process,
(b) eine Wärmeübertrageranordnung zur Übertragung von Wärme und/oder Abwärme aus auf das Arbeitsmedium, so dass das Arbeitsmedium von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau erwärmt wird, und (c) einen Expander zum Expandieren des Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung,(b) a heat exchanger assembly for transferring heat and / or waste heat to the working fluid so that the working fluid is heated from a lower temperature level to a higher temperature level, and (c) an expander for expanding the working fluid under operating power,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
(d) das Arbeitsmedium ein Ci bis C4- Alkohol oder ein Gemisch aus Wasser und/oder mehreren dieser Alkohole ist und(D) the working medium is a Ci to C 4 - alcohol or a mixture of water and / or more of these alcohols, and
(e) das höhere Temperaturniveau oberhalb von 1700C liegt.(E) the higher temperature level is above 170 0 C.
2. Dampfkreisprozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfkreisprozess ein Kalina-artiger Mehrkomponentenprozess ist.2. steam cycle process according to claim 1, characterized in that the steam cycle is a Kalina-like multi-component process.
3. Dampfkreisprozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der3. steam cycle according to claim 1, characterized in that the
Dampfkreisprozess ein Clausius-Rankine-Prozess ist.Steam cycle process is a Clausius Rankine process.
4. Dampfkreisprozess nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrageranordnung Mittel zur Abgaswärmenutzung eines primären Verbrennungsprozesses umfasst. 4. Steam cycle process according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger arrangement comprises means for exhaust heat utilization of a primary combustion process.
5. Dampfkreisprozess nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrageranordnung Mittel zur Nutzung der Abwärme eines Kühlkreislaufs umfasst.5. Steam cycle process according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger arrangement comprises means for utilizing the waste heat of a cooling circuit.
6. Dampfkreisprozess nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums vorgesehen ist.6. steam cycle according to one of the preceding claims, characterized in that a capacitor for condensing the working medium is provided.
7. Dampfkreisprozess nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium mit einem Schmiermittel versetzt ist.7. steam cycle according to one of the preceding claims, characterized in that the working medium is mixed with a lubricant.
8. Dampfkreisprozess nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium zusätzlich zu dem Alkohol auch Wasser und/oder Methylpyridin enthält.8. steam cycle according to one of the preceding claims, characterized in that the working medium in addition to the alcohol also contains water and / or methylpyridine.
9. Dampfkreisprozess nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die9. steam cycle according to claim 7, characterized in that the
Kondensationstemperatur des Schmiermittels oberhalb derCondensation temperature of the lubricant above the
Dampfaustrittstemperatur liegt.Steam outlet temperature is.
10. Dampfkreisprozess nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Abdampfes in das Kurbelgehäuse des Expanders leitbar ist.10. Steam cycle process according to claim 7, characterized in that a part of the exhaust steam can be conducted into the crankcase of the expander.
11. Verwendung eines Ci bis C4- Alkohols als Arbeitsmedium in einem Dampfkreisprozess nach einem der vorgehenden Ansprüche.11. Use of a Ci to C 4 - alcohol as a working medium in a steam cycle process according to one of the preceding claims.
12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol Ethanol oder Methanol ist. 12. Use according to claim 11, characterized in that the alcohol is ethanol or methanol.
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