WO2011036229A2 - Wärmeübertrager und system zur nutzung von abwärme eines verbrennungsmotors - Google Patents

Wärmeübertrager und system zur nutzung von abwärme eines verbrennungsmotors Download PDF

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WO2011036229A2
WO2011036229A2 PCT/EP2010/064087 EP2010064087W WO2011036229A2 WO 2011036229 A2 WO2011036229 A2 WO 2011036229A2 EP 2010064087 W EP2010064087 W EP 2010064087W WO 2011036229 A2 WO2011036229 A2 WO 2011036229A2
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evaporator
heat exchanger
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Peter Geskes
Klaus Irmler
Rainer Lutz
Eberhard Pantow
Michael Schmidt
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Behr Gmbh & Co. Kg
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1, a system for utilizing waste heat of an internal combustion engine by means of the Rankine cycle process according to the preamble of claim 7, a method for operating a system for using waste heat of an internal combustion engine by means of Clausius Rankine cycle according to the preamble of claims 8, 10 and 12 and an internal combustion engine with a system for using waste heat of the internal combustion engine by means of the Rankine cycle process according to the preamble of claim 15.
  • Combustion engines are used in various technical applications for the conversion of Heat energy used in mechanical energy. In motor vehicles, especially in trucks, internal combustion engines are used to move the motor vehicle.
  • the efficiency of internal combustion engines can be improved by the use of systems for tion of waste heat of the internal combustion engine can be increased by means of the Clausius-Rankine cycle process.
  • the system converts waste heat from the internal combustion engine into mechanical energy.
  • the system comprises a circuit with lines with a working medium, eg. 8. Water, a pump for conveying the working medium, an evaporator for evaporating the liquid working medium, an expansion machine, a condenser for liquefying the vaporous working medium and a collecting and expansion tank for the liquid working medium.
  • water as a working medium in the system for utilizing the waste heat of the internal combustion engine by means of the Ciausius-Rankine-Kreisp ozesses is widely used in stationary technology.
  • Water has favorable material properties for the steam process.
  • the heat for example, from the exhaust gas of the internal combustion engine, could be well utilized.
  • water freezes at a temperature of less than 0 ° C, so that it can lead to a risk of components, in particular the evaporator of the system.
  • the system n is to be restarted from the frozen state of the water.
  • other working media can also be used in the system.
  • R245fa can be used in the system in automobiles.
  • 245fa is associated with disadvantages in use in the automobile system.
  • R245fa decomposes into toxic products at a temperature of more than 250 ° C. In the event of a leak on the system, this can endanger persons.
  • the exhaust gas of internal combustion engines has temperatures of up to 650 ° C, thereby generally resulting in a temperature in the working fluid R245fa of more than 250 ° C. Higher temperatures of more than 250 ° C can be achieved only with difficulty with a dynamic equilibrium in the system, wherein in a disturbance of this equilibrium z. 13. due to failure of a feed pump, there is also the risk of overheating of the working medium R245fa.
  • dimethylpyridine in addition, for example, be used as a working medium and dimethylpyridine with water.
  • the addition of dimethylpyridine to the water prevents the water from freezing down to temperatures of -40 ° C.
  • the disadvantage of the working medium water with dimethylpyridine is that Dimethylpyridindämpfe are flammable and the other interaction between the materials used in the circuit and dimethylpyridine are not sufficiently known, so that the risk of Korroston, especially for a long-term effect of dimethylpyridine on the materials , consists.
  • the object of the present invention is to provide a heat exchanger, a system for utilizing waste heat of an internal combustion engine by means of the Rankine cycle, a method for operating a system for utilizing waste heat of an internal combustion engine by means of the Rankine cycle and a combustion - Motor with a system for using waste heat of the internal combustion engine by means of the Clausius-Rankine-Krelsvones available steep, which avoids damage even at low temperatures outside the (operation and a related solid state of matter of the working medium, especially ice, and allows reliable start-up.
  • a heat exchanger in particular evaporator for a system for utilizing waste heat of an internal combustion engine by means of the Rankine cycle process, preferably comprising a housing, preferably a first flow channel for passing a first fluid, a second flow channel for passing through a second fluid , wherein the second flow channel has at least one Ausdehnvolumen to accommodate increases in volume of the second fluid in a change in state of aggregation of the second fluid from a liquid state of matter into a solid state, in particular a freezing.
  • the second fluid Located in the heat exchanger in the second flow channel, the second fluid in a liquid state and the second fluid is further cooled as a liquid, there is a conversion of the second fluid in the second flow channel from a liquid to a solid state.
  • the water freezes with an associated volume expansion of the water of substantially 8.9%.
  • the heat exchanger at least partially preferably made of metal, for. Egg. Steel, in particular stainless steel or aluminum, the expansion of the water due to the yield strength of the material metal can not absorb enough, so that suffers damage to a freezing of the water, the heat exchanger.
  • the heat exchanger can be used in an advantageous manner even if the second fluid is in the second flow channel and this expands during a conversion of the liquid in the solid state, without thereby damaging or destroying the heat exchanger.
  • the heat exchanger has at least one inlet opening for introducing the second fluid and at least one outlet opening for discharging the second fluid, and at least one inlet opening and / or at least one outlet opening below the at least one expansion volume, in particular in the vertical orientation at a lower end of the at least an expansion volume is formed, so that the second fluid in a liquid state of aggregation from the at least one expansion volume outside the use of the at least one Einiassö réelle and / or the at least one outlet is ausleitbar, in particular by gravity, and / or all Ausdehnvolumen the same vertical extent exhibit.
  • the working fluid of the system which is passed through the second flow channel, liquefied completely outside the operation. This leaves the second fluid as a liquid in the heat exchanger in the second flow channel.
  • the expansion volume should be free of the working medium, so that when freezing the working medium, the expansion volume within the second flow channel is available as volume into which the working medium in the solid state, in particular ice, ausdeh- can.
  • the inlet opening or the outlet opening is aligned correspondingly on the heat exchanger, so that after the second fluid has liquefied there is essentially no second fluid in the expansion volume, in particular a working medium of the system.
  • the working fluid is used in the system under vacuum, so that gas forces or atmospheric pressure forces in the environment of the system for draining the working medium from the heat exchanger irrelevant.
  • the volume of the at least one expansion volume is at least 7%, 8.9% or 10% of the volume of the second flow channel outside the at least one expansion volume associated with the at least one expansion volume and / or the second flow channel at least one, preferably a plurality of substantially vertical channel sections and the at least one expansion volume at the upper end of the at least one vertical channel section is arranged and / or the vertical extent of the at least one expansion volume at least 7%, 8.9% or 10% of the verti ien extent of at least is a vertical channel section and / or each vertical channel section is associated with a Ausdehnvolumen.
  • the volume or the vertical extent of the at least one expansion volume is thus sufficient so that when freezing water as the second fluid, the freezing water can expand sufficiently in the expansion volume, so that thereby the heat exchanger is not damaged.
  • the second flow channel between two plates is formed as a double plate and between two double plates
  • the first flow channel is formed, in particular, the two double plates with ribs in the first flow channel with each other connected and / or two vertical channel sections are connected to each other by means of a U-shaped channel section and preferably, the geometry of the flow space of the U-shaped Kanaiabêt a chamfer or a radius or a curvature.
  • the plates have elongated recesses, so that when the two plates are placed between the plates in the region of the superimposed elongate recesses, the second flow channel is formed.
  • the elongate recesses in the plates are produced, for example, by means of embossing, etching, punching or rolling. Also U-shaped channel portions of the second flow channel are prepared by corresponding U-shaped recesses in the plates. This also applies to other geometries of second flow channels in an analogous manner.
  • the heat exchanger has a plurality of double plates arranged one above the other and / or the double plates are oriented substantially vertically.
  • a substantially vertical orientation of the double plates and / or a substantially vertical orientation of the vertical channel sections means that the double plates and / or the vertical channel sections are aligned with a deviation of less than 45 ° to a vertical.
  • the cross-sectional area of the second flow channel increases towards the at least one expansion volume, preferably continuously, and / or the vertical channel sections of the second flow channel to the at least one expansion volume are conical and the cross-sectional area of the vertical channel section increases, in particular is an opening angle of the vertical channel sections at least 3 ° or 5 °.
  • the vertical channel sections are conically formed and / or the second flow channel has an increasing cross-sectional area in the direction of the at least one expansion volume, so that due to the occurring pressure forces between the ice column and the wall of the heat exchanger on the second flow channel the ice-suction is pushed towards the expansion volume.
  • the second flow channel has a cross-sectional area which prevents the occurrence of capillary forces within the flow channel. This is intended to prevent water from also being in a switched-off state due to capillary forces, in particular in the expansion volume.
  • the cross-sectional area of the second flow channel is in the range of 0.5 mm 2 to 5 mm 2 , in particular in a range between 1 mm 2 and 3 mm 2 .
  • Inventive system for utilizing waste heat of an internal combustion engine by means of a Rankine cycle process comprising a circuit with lines with a working medium, in particular water, a pump for conveying the working medium, an evaporator for vaporizing the liquid working medium, an expansion machine, a condenser for liquefying the vaporous working medium, preferably a collecting and compensating container for the liquid working medium, wherein the evaporator is designed as a heat exchanger described in this protective rights priming and / or the system comprises a first valve and a first bypass line and the expansion machine can be decoupled from the circuit by means of the first valve and the first bypass line and / or the system comprises a second valve and a second bypass line and the capacitor can be decoupled from the circuit by means of the second valve and the second bypass line and / or the system has a third Valve and a third bypass line comprises and the collecting and expansion tank by means of the third valve and the third bypass line from the circuit is decoupled and / or the system comprises
  • the system comprises a heat exchanger described in this patent application as the evaporator of the system.
  • the system can be used with the working fluid water even at temperatures below 0 ° C.
  • the freezing of the water in the evaporator destroys the Evaporator not, so that even when using the system in motor vehicles water can be used as a working medium in the system problems.
  • valves which are designed as 3/2-Wegeventi! E, and Bypassieititch individual components can be decoupled from the circuit and re-coupled.
  • the circuit can be operated with few components, such as only the evaporator and the pump.
  • the other components eg. ß.
  • the expansion machine and / or the condenser and / or the collecting and compensating tank and / or the condenser can be switched on stepwise, so that these other components can be gradually heated and put into operation.
  • the expansion machine is taken as the last component in operation, so that thereby enters the expansion machine exclusively working fluid in a vaporous state of matter.
  • the expansion machine is a turbine or a reciprocating piston engine.
  • the system comprises not only an evaporator but also a superheater and the superheater is arranged in a flow direction of the working medium downstream of the evaporator.
  • the evaporator and the superheater are a component.
  • the system comprises a recuperator, by means of which heat can be transferred from the working medium after flowing through the expansion machine to the working medium in front of the evaporator.
  • the device for passing the flushing fluid is a compressed air tank with corresponding valves and a Compressed air line for introducing the compressed air into the circuit and preferably a compressor for generating compressed air.
  • water is used as a freeze-Spüifluid stechnik liquid-safe, with an antifreeze agents used.
  • the system has a container with the purge fluid.
  • the purge fluid is pumped through the evaporator by a pump, in particular also by the pump for conveying the working medium.
  • the purge fluid from the container with the purge fluid into the line can be introduced and is then funded by the pump through the evaporator, so that by means of another valve, the is disposed in the conduit after the evaporator, the purge fluid can be returned to the container with the purge fluid.
  • the evaporator of the system has meandering flow channels for the working medium, the vertical channel sections, which are connected to each other by means of U-shaped channel sections.
  • Such a vaporizer does not automatically run empty due to gravity, so that purging is required after switching off.
  • Evaporator with in the Sentially horizontally oriented channel sections have the disadvantage that they can dry out substantially completely during operation of the system, with which power reductions and increased loads due to thermal stresses are connected.
  • Method according to the invention for operating a system for utilizing waste heat of an internal combustion engine by means of the Rankine cycle comprising a circuit with lines with a working medium, in particular water, a pump for conveying the working medium, an evaporator for Vaporizing the liquid working medium, an expansion machine, a condenser for liquefying the vaporous working medium, preferably a collecting and expansion tank for the liquid working medium, wherein after switching off the system, the working medium is introduced substantially completely into the collecting and Ausgfeichs discloseder, so that in the evaporator, the expansion machine, the condenser and the lines essentially no working medium is included (which means that at least 90%, 95%, 98% or 99% of the working medium in the collecting and Ausgieichs employer enthal ten) or after switching off the system, the working medium, apart from the evaporator, is introduced substantially completely into the catchment and Ausgaichs employer (which means that in the expansion machine, the
  • the evaporator has horizontal channel sections, which are generally connected to one another via U-shaped channel sections. In such a case According to the orientation of the flow channel of the working medium, the evaporator can be emptied by gravity. If the evaporator has vertical channel sections, the evaporator can be emptied of the working medium only by flushing with flushing fluid. After switching off the system, therefore, the entire working medium is located substantially in the collecting and Ausgeichssbereheater. Thus, due to a change in the state of aggregation of the working fluid from liquid to solid with an associated increase in volume in the system no damage occurs, except for the collecting and surge tank.
  • the collecting and compensating tank is designed so that it can withstand an increase in volume in the change of state of aggregation of the working fluid from liquid to solid this volume increase without damage.
  • the collecting and Ausgichssääiter on the outside of a thermal insulation, so that even with a short-term shutdown of the system and temperatures below the freezing point of water when using water as a working fluid due to the thermal insulation, the working fluid water in the collecting and surge tank not frozen.
  • a heating device in particular an electric heating device, is preferably installed in the collecting and equalizing tank in order to heat the working medium and thereby convert it from the solid state to the liquid state, so that the working medium can be pumped again by the pump ,
  • the working fluid is passed by gravity into the collecting and Ausgieichsbereheater or the working fluid is by means of a flushing fluid, z. B. a rinsing liquid or compressed air, passed into the collecting and expansion tank.
  • Inventive method for operating a system for utilizing waste heat of an internal combustion engine by means of the Clausius Rankine Circular process comprising a circuit with lines with a working medium, in particular water, a pump for conveying the working medium, an evaporator for evaporating the liquid working medium, an expansion machine: a condenser for liquefying the vaporous working medium,
  • a collecting and equalizing tank for the liquid working fluid which at the start of the system working fluid in the evaporator in a solid state, in particular ice, heated and / or vaporized and with the heated and / or vaporized working fluid remaining components, in particular the Evaporator and / or the condenser and / or the collecting and expansion tank, the system are heated by the working medium is passed to the other components.
  • the remaining components are successively heated in sequence and / or after reaching the operating temperature of the system, the expansion machine is put into operation by gaseous working fluid is passed through the expansion machine.
  • the remaining components of the system namely the evaporator and / or the expansion machine and / or the condenser and / or the catchment and surge tank, are gradually heated successively, by means of valves and bypass lines initially only one component is fed into the circuit and then successively and gradually more components are switched on.
  • Method according to the invention for operating a system for utilizing waste heat of an internal combustion engine by means of the Ciausius-ankine cycle process comprising a circuit with lines with a working medium, in particular water, a pump for conveying the working medium Evaporator for vaporizing the liquid working diums, an expansion machine, a condenser for liquefying the vaporous working medium, preferably a collecting and surge tank for the liquid working fluid, wherein when commissioning the system Klimedjum outside the evaporator, especially in the collecting and surge tank, in a solid state, especially ice , heated and / or vaporized and with the heated and / or vaporized working medium remaining components, in particular the evaporator and / or the condenser and / or the collecting and compensating container, the system wil warmed by the working medium to the other components is directed.
  • a circuit with lines with a working medium in particular water
  • a pump for conveying the working medium Evaporator for vaporizing the liquid working diums
  • the working medium is heated and evaporated with electrical energy and / or waste heat of the internal combustion engine.
  • the remaining components are successively heated in sequence and / or after reaching the (operating temperature of the system, the expansion machine is put into operation by gaseous working fluid is passed through the expansion machine.
  • Combustion engine in particular reciprocating internal combustion engine, with a system for using waste heat of the internal combustion engine by means of the Rankine cycle, comprising a circuit with lines with a working fluid, in particular water, a pump for conveying the working medium, one of the waste heat of the internal combustion engine heatable evaporator for evaporating the liquid working medium, an expansion machine, a condenser for liquefying the vaporous working medium, preferably a collecting and compensating container for the liquid working medium, the system being described as a system described in this patent application is removablebi! det and / or a method described in this patent application is executable.
  • a system for using waste heat of the internal combustion engine by means of the Rankine cycle comprising a circuit with lines with a working fluid, in particular water, a pump for conveying the working medium, one of the waste heat of the internal combustion engine heatable evaporator for evaporating the liquid working medium, an expansion machine, a condenser for liquefying the vaporous
  • the waste heat of the Abgashauplstromes of the internal combustion engine and / or the waste heat of the exhaust gas recirculation and / or the waste heat of the compressed charge air and / or the heat of a coolant of the internal combustion engine can be used by the system as part of the internal combustion engine.
  • the system thus converts the waste heat of the internal combustion engine into mechanical energy, thereby advantageously increasing the efficiency of the internal combustion engine.
  • the system comprises a plurality of evaporators.
  • the system comprises a generator. The generator is drivable by the expansion machine, so that the system can thus provide electrical energy or electricity.
  • the working medium of the system is water as a pure substance, R245fa, ethanol (pure substance or mixture of ethanol with water), methanol (pure substance or mixture of methanol and water), long-chain alcohols C5 to C10, long-chain hydrocarbons C5 (penalcohol).
  • tan) to C8 octane
  • pyridine pure substance or mixture of pyridine with water
  • methylpyridine pure substance or mixture of methylpyridine and water
  • trifluoroethanol pure substance or mixture of trifluoroethanol with water
  • hexafluorobenzene a water / ammonia solution and / or a water-ammonia mixture used.
  • Fig. 2 shows a section of a heat exchanger according to the invention in
  • Fig. 3 shows a section of the heat exchanger according to the invention in
  • FIG. 4 shows a detailed view of a U-shaped channel section of the heat exchanger according to FIG. 3. a greatly simplified representation of a device according to the invention
  • Fig. 6 is a greatly simplified representation of the invention
  • an internal combustion engine 27 known from the prior art is shown as a reciprocating internal combustion engine 28, which has a system 2 for utilizing waste heat of the internal combustion engine 27 by means of the Clausius engine.
  • Rankine cycle process has.
  • the internal combustion engine 27 has an exhaust gas turbocharger 30.
  • the exhaust-gas turbocharger 30 compresses fresh air 29 into a charge air line 32, and a charge-air bulb 33 installed in the charge air 32 cools the charge air before it is supplied to the internal combustion engine 27.
  • exhaust pipe 34 exhaust gas is derived from the internal combustion engine 27 and then cooled in an evaporator 12. Subsequently, the exhaust gas is introduced into the Abgasturboiader 30 to drive the exhaust gas turbocharger 30 and then discharged as exhaust 31 to the environment.
  • the system 2 has lines 10 with a working medium.
  • an expansion machine 13, a condenser 14, a collecting and equalizing tank 15 and a pump 11 in addition to the evaporator 12 is integrated.
  • the liquid working medium is raised to a higher pressure level in the circuit and then the liquid working medium evaporates in the evaporator 12 and then performs mechanical work in the expansion machine 13 by the gaseous working medium expands and subsequently has a low pressure, in the condenser 14, the gaseous working fluid is liquefied and then returned to the collecting and expansion tank 15.
  • the system 2 can not be used disadvantageously at temperatures of less than 0 * 0, because when the system is shut down the water freezes and the system 2 is damaged due to an increase in the volume of the water.
  • a firstticiansbeispiei a heat exchanger 1 according to the invention is shown.
  • the heat exchanger 1 consists of a plurality of stacked double plates (not shown) made of stainless steel or aluminum.
  • the overlapping plates thus consist of two individual plates (not shown) and recesses are incorporated into each of these plates whose geometry corresponds to the geometry of a second flow channel 3 of the heat exchanger 1.
  • the Ausdehnvoiumen 4 serves so that at an increase in volume of the second fluid in the second flow channel 3 at a volume change from a liquid to a solid state, the second fluid in the solid state state in the expansion fluid 4 can expand, so that thereby the heat exchanger 1 no damage.
  • the vertical extension of the expansion chamber 4 amounts to 8.9% of the vertical extent of the vertical channel sections 6 outside the expansion volume 4.
  • the heat exchanger 1 comprises an inlet opening and an outlet opening (not shown) for introducing and discharging the second fluid into the second Flow channel 3.
  • the inlet opening and / or the outlet opening is formed in its vertical orientation below the Ausdehnvolumens 4, so that, if no second fluid is passed through the second flow channel 3, the second fluid in a liquid state of matter from the second Strömungskana! 3 partially expires, wherein the Ausdehnvolumen 4 also form the second flow channel 3, but the second fluid in one liquid state of matter runs out of the expansion volume 4.
  • the inlet or outlet opening is arranged directly below the Ausdehnvolurnen 4, so that the second fluid, for. 3, but only not in the expansion volume 4.
  • the water With a freezing of the water in the second flow channel 3, the water can thus expand into the expansion volume 4, at the connected Volumenver adhere tion of the water of 8.9% during freezing, so that advantageously no damage occurs when freezing the water in the second Strömungskanai 3 to the heat exchanger 1.
  • FIG. 3 and 4 a second embodiment of the heat exchanger 1 according to the invention is shown.
  • the vertical channel sections 6 of the heat exchanger 1 are conical, wherein the cross-sectional area of the vertical channel sections 6 continuously increases in the direction of the expansion volume 4. If the water in the vertical channel sections 6 freezes, frictional forces between the ice column and the walls of the heat transfer 1, which delimit the second flow channel 3, can hinder or exclude an expansion of the ice column into the expansion volumes 4. This could lead to damage of the heat exchanger 1.
  • the compressive forces between the ice chamber and the walls on the second flow channel 3 cause forces which move the ice column in the direction of the expansion volume 4, thereby advantageously dividing the ice column into the expansion volume 4 moved in and thus damage the Wärrneübertrags 1 avoided v / ground can.
  • the second flow channel 3 has chamfers 8 (FIG. 4). Due to the chamfers 8, a horizontal extension of the ice in the U-shaped channel sections 7 in vertically upward Expansion in the vertical channel sections 6 converted so that the expansion in the U-shaped channel sections 7 indirectly through the vertical channel sections 6 can also expand in the Ausdehnvolumen 4.
  • tie rods 5 are formed in the Ausdehnvolumen 4 .
  • the tie rods 5 are aligned in an extension of the spaces between the vertical channel sections 6 in the Ausdehnvolumen 4, in the Ausdehnvolumen 4 occur when using the heat exchanger 1 in a system 2 high pressures. These high pressures lead to high forces that could affect or endanger the strength of the heat exchanger in the expansion volume 4. Tie rods 5 can thus reduce or eliminate damage to the heat transfer 1 in the Ausdehnvolumen 4 due to the high forces occurring there.
  • the tie rods 5 are arranged outside of an extension of the vertical Kanaiabête 6 in the Ausdehnvolumen 4, so that the tie rods 5 do not hinder the expansion of the ice column of the vertical channel sections 6 in the Ausdehnvolumen 4.
  • FIG. 5 shows a first exemplary embodiment of the system 2 according to the invention for utilizing waste heat of the internal combustion engine 27.
  • the system 2 comprises a circuit formed by the lines 10 with the heat exchanger 1 according to the invention as the evaporator 12, the expansion machine 13, the condenser 14 and the collecting and compensating tank 15 and the pump 11 as a high-pressure pump.
  • a check valve 37 prevents water as Facultymeditim flows back from the heat exchanger 1 in the line 10 in the direction of the pump 11.
  • the collecting and compensating tank 15 is designed so that water can freeze in it without causing the collecting and compensating tank 15 is destroyed or damaged.
  • the water as the working medium of the system 2 flows through the second Strömungskanai the heat exchanger according to the invention 1.
  • hot exhaust gas 35 is introduced into the first flow channel of the heat exchanger 1, cools it in the heat exchanger 1 and discharged as cooled exhaust gas 36 from the heat exchanger 1 again.
  • the water is evaporated in the evaporator 12.
  • the pump 11 conveys the water from the collecting and the Austiciansbe- container 15 to the evaporator 12 and thereby the pump 11, the water to a high pressure level, for. B. 100 to 400 bar, raised.
  • the evaporator 12 the water evaporates and then makes work in the expansion machine 13.
  • the water in the condenser 14 condenses again to water and is then introduced into the collecting and equalizing tank 15 to be sucked from there again by the pump 11.
  • the system 2 further includes a first valve 16 as a 3/2-way valve and a first bypass line 17 for decoupling and coupling the expander 13 from the circuit and also a second valve 18 and a second Bypassieitung 19 for decoupling and coupling of the capacitor 14 of the Circuit of the system 2.
  • a third valve 20 and a third bypass line 21 enable the decoupling and coupling of the catch and equalizing tank 15 from the circuit.
  • the collecting and compensating tank 15 is arranged at the lowest point of the system 2. After switching off the system 2, for example, a shutdown of a motor vehicle with an internal combustion engine 27 and the system 2 shown in FIG. 5, flows due to gravity, the entire water as the working medium in the collecting and Ausreteicher 15 due to gravity.
  • the circuit of the system 2 is here in a vacuum, so that the air of the environment has no influence.
  • the freezing water in the system 2 can thus cause no damage at longer-lasting temperatures below 0 ° C. Due to the constructive design of the heat exchanger 1 and the Sammes! Ns of all the water in the collecting and Ausgeichs intender 15, apart from the water in the heat exchanger 1, thus the system 2 due to freezing water no damage.
  • the system 2 When the system 2 is put into operation in a frozen state of the water, the system 2 is to be started up.
  • all the valves 16, 18 and 20 are switched to the effect that the expansion machine 13, the capacitor 14 and the collecting and compensating tank 15 are decoupled from the circuit at startup.
  • the circuit thus comprises only the heat exchanger 1 and the pump 1. Due to the flow through the heat exchanger 1 with hot exhaust gas 35, the working medium present in the form of ice is heated in the heat exchanger 1, liquefied and then evaporated. Due to the increased Voiumenver enlargement of the water or working fluid, the working fluid flows water due to the check valve 37 in the line 10 in the direction of the expansion machine. Due to the switching of the valve 16, however, first no liquid working medium or steam flows into the expansion machine 13.
  • water and / or water vapor is passed through the circuit, consisting only of the pump 11 and the heat exchanger 1.
  • the lines 10 and also the bypass lines 17, 19 and 21 can also have an electric heater (not shown) in order to reduce the risk of freezing of the lines 10 and / or the bypass lines 17, 19 and 21.
  • the other components of the system 2 are switched on step by step.
  • the water and / or the water vapor can first be passed through the collecting and equalizing tank 15 by bringing the third valve 20 into a position such that the water and / or the water can also pass through the collecting and / or compensating tank 15 Water vapor flows.
  • the valves 16, 18 and 20 can also be opened slowly or brought into appropriate positions, so that only a small amount of the water initially flows through the corresponding component.
  • the condenser 15 can then be integrated into the circuit by means of the second valve 18.
  • the expansion machine 13 After reaching the operating temperature of the working medium water, the expansion machine 13 is finally coupled into the circuit as the last.
  • the system 2 is fully powered up and can again convert heat of hot exhaust mitteis the expansion machine 13 into mechanical energy.
  • the collecting and compensating tank 15 may be equipped with an electric heater to thaw the collecting and Ausmaschineiter 15, ie, the ice disposed therein.
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment of the system 2 according to the invention.
  • the system 2 has only a fourth valve 22 and a fourth bypass line 23.
  • the fourth valve 22 and the fourth bypass line 23 By means of the fourth valve 22 and the fourth bypass line 23, the expansion engine 13, the condenser 14 and the collecting and expansion tank 15 are decoupled together and Wegkoppeit.
  • the fourth valve 22 is switched to the effect that in the circuit and the expansion machine 13 of the condenser ⁇ and the collecting and surge tank 15 are coupled and integrated.
  • the fourth valve 22 When starting up the system 2 with a frozen water as the working medium, the fourth valve 22 is switched to the effect that the circuit is formed only by the heat exchanger 1 and the pump 11. After reaching the operating temperature of the working medium water while the fourth valve 22 is switched to the effect that the expansion machine 13, the condenser 14 and the surge and surge tank 15 are coupled back into the circuit, especially slowly by in intermediate positions of the valve 22 working fluid both through the Bypass line 23 than by the expansion machine 13, the condenser 14 and the collecting and surge tank flows, preferably, the collecting and Ausretesbepurer 15 has an electric heater, so that already during coupling of the components 13, 14 and 15 during startup of the Systems 2, the water in the collecting and expansion tank 15 is already thawed.
  • the collecting and compensating tank 15 can also be designed such that when the system 2 is started up and steam is introduced into the collecting and compensating tank 15, the steam heats the frozen ice in the collecting and compensating tank 15 on the one hand and the water tank on the other hand in the collecting and Ausretesbenzoiter 15 introduced steam or water flows around the frozen ice and can flow into the line 10 to the pump 11.
  • the heat exchanger 1 has horizontal channel sections and the inlet or outlet opening of the heat exchanger 1 in the second flow channel for the working medium water is formed at the lowest point of the heat exchanger 1, so that after switching off the Systems 2 and the heat exchanger 1 is completely emptied of the water. Otherwise After the system 2 has been switched off, the entire water in the collecting and equalizing tank 15 is thus emptied because it is located at the lowest point of the system 2 , To start up the system 2, essentially no water needs to be thawed and heated in the second flow channel 3 of the heat exchanger 1. For this purpose, only the water in the collecting and expansion tank 15, for example by means of an electric heater or waste heat of the internal combustion engine, heated.
  • water could also be arranged in a separate container on the heat exchanger 1 in a frozen state, which does not cause any damage in the container during freezing.
  • the heat exchanger 1 and the pump 11 or, in addition, the collection and Ausgaichs capableer 15 are coupled into the circuit in an analogous manner to the first personssbeispiei first.
  • the capacitor 14, the collecting and equalizing tank 15 and the expansion machine 13 are successively coupled by means of the valves 16, 18 and 20.
  • the system 2 comprises a fifth vent 24 and a fifth bypass line 25 for decoupling and coupling the expansion machine 13 and the condenser 14.
  • a device 26 namely a compressed air tank, air can be introduced into the system 2 as flushing fluid.
  • the valves 16, 18 and 24 are connected to the effect that the expansion machine 13, the condenser 14 and the collecting and expansion tank 15 are coupled into the circuit.
  • the expansion machine 13 When the system 2 is shut down, that is to say when the hot exhaust gas 35 is passed through the heat exchanger 1 or the evaporator 12, the expansion machine 13 is first decoupled from the circuit by means of the valve 16, so that the expansion machine 13 is as low as possible Amount of water vapor remains. The pump 11 then remains in operation, so that the evaporator 12 and the capacitor 14 fills evenly with the working fluid. This is important for the subsequent emptying or purging of the system 2 with the flushing fluid. If the system 2 is filled evenly, apart from the expansion machine 13, the pump 11 is turned off. Subsequently, compressed air is introduced through the device 26 into the circuit, ie into the line 10 between the valve 24 and the valve 16.
  • the valves 16, 18 and 24 are switched to the effect that the components 13, 14, 12, the lines 10 and the Bypassieitonne 17, 19 and 25 are gradually discharged.
  • the evaporator 12 and the line 10 is emptied from the evaporator 12 to the collecting and expansion tank by the valve 24 is opened and the valve 16 is closed for the compressed air.
  • a venting is actively or passively provided on the collecting and equalizing tank 15.
  • the bypass line 25, the condenser 14 and the Bypassieitung 17, 19 is emptied. Possibly, depending on the installation situation, the expansion machine 13 is emptied with compressed air.
  • the system 2 is thus completely emptied and only in the collecting and compensating tank 15 is the water.
  • the collecting and compensating tank 15 is designed such that ice or freezing water does not damage the collecting and compensating tank 15.
  • hot exhaust gas 35 is first passed through the evaporator 12. As a result, the heat exchanger 1 heats up.
  • the ice in the collecting and equalizing tank 15 is heated and liquefied by an electric heating device (not shown) and then the water is introduced into the evaporator 2 by means of the pump 11.
  • the valve 24 is switched to the effect that in the circuit only the heat exchanger 1 of the collecting and Ausreter 15 and the pump 11 are coupled.
  • the remaining components, namely the expansion machine 13 and the capacitor 14 are decoupled.
  • the electric heater By means of the electric heater, the ice only needs to be melted. After melting the ice to water, the water in the collecting and Ausretepliiter 15 and thus the entire water can be brought as a working medium with the evaporator 12 by means of the pump 11 to temperature.
  • the valves 16, 18 and 24 are switched to the effect that in addition to the heat exchanger 1, the pump 11 and the collecting and Ausretesbenzoiter 15 and the capacitor 14th is coupled into the circuit.
  • the system 2 After heating the condenser 14 to a predetermined temperature or operating temperature, the system 2 is operated until the operating temperature of the system 2 is reached, so that the evaporator 12 supplies sufficient hot steam that can be used in the expansion machine 3.
  • the vapor content of the working medium which leaves the heat exchanger 1 or the evaporator 12 must be sufficiently high, for example a vapor content of more than 95%.
  • the expansion machine 13 is also coupled into the circuit, so that the system 2 is in a normal operating position.
  • the internal combustion engine 27 with the system 2 for example when used in a truck, can be operated with the system 2 with water as the working medium, that at temperatures below 0 ° C to the system 2 no damage occurs.
  • the advantages associated with the use of water as a working medium in the system 2 can be used in an advantageous manner without causing damage to the system 2.
  • the mobile application in motor vehicles of internal combustion engines 27 with the system 2, which is operated with water as Arbeilsmedium, is thus easily possible.

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Abstract

Bei einem Wärmeübertrager (1), insbesondere Verdampfer (12) für ein System (2) zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors (27, 28) mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend vorzugsweise ein Gehäuse, vorzugsweise einen ersten Strömungskanal zum Durchleiten eines ersten Fluides, einen zweiten Strömungskanal (3) zum Durchleiten eines zweiten Fluides, sollen auch bei tiefen Temperaturen außerhalb des Betriebes und einem damit verbundenen festen Aggregatzustand des Arbeitsmediums, insbesondere Eis, Schäden an dem Wärmeübertrager (1) vermieden werden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der zweite Strömungskanal (3) wenigstens ein Ausdehnvolumen (4) aufweist, um Volumenvergrößerungen des zweiten Fluides bei einer Wandlung des Aggregatzustandes des zweiten Fluides von einem flüssigen Aggregatzustand in einen festen Aggregatzυstand, insbesondere ein Gefrieren, aufzunehmen.

Description

Wärmeübertrager und System zur Nutzung von Abwärme
eines Verbrennungsmotors
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankino-Kreisprozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7. ein Verfahren zum Betreiben eines System zur Nut- zung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius- Rankine-Kreisprozesses gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 8, 10 und 12 sowie einen Verbrennungsmotor mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine- Kreisprozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15. Verbrennungsmotoren werden in verschiedenen technischen Anwendungen zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie eingesetzt. In Kraftfahrzeugen, insbesondere in Lastkraftwagen, werden Verbrennungsmotoren eingesetzt, um das Kraftfahrzeug fortzubewegen. Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren kann durch den Einsatz von Systemen zur Nut- zung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine- Kreisprozesses erhöht werden. Das System wandelt dabei Abwärme des Verbrennungsmotors in mechanische Energie um. Das System umfasst einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, z. 8. Wasser, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmedium, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums und einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium. Durch den Einsatz derartiger Systeme in einem Verbrennungsmotor kann bei einem Verbrennungsmotor mit einem derartigen System als Bestandteil des Verbrennungsmotors der Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht werden.
Bei einem Einsatz eines Verbrennungsmotors mit diesem System in einem Kraftfahrzeug, d. h. bei einer mobilen Anwendung des Verbrennungsmotors, ist das System mit dem Arbeitsmedium den Temperaturschwankungen der Umgebung ausgesetzt. Damit wird das Arbeitsmedium bei einem Stillstand des Kraftfahrzeuges und bei Außentemperaturen unter 0°C auf Temperaturen von weniger als 0X abgekühlt.
Der Einsatz von Wasser als Arbeitsmedium in dem System zur Nutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Ciausius-Rankine- Kreisp ozesses ist in der Stationärtechnik weit verbreitet. Wasser weist für den Dampfprozess günstige Stoffeigenschaften auf. Bei der Verwendung in dem Kraftfahrzeug könnte dabei die Wärme, beispielsweise aus dem Abgas des Verbrennungsmotors, gut genützt werden. Wasser gefriert jedoch bei einer Temperatur von weniger als 0°C, so dass es hier zu einer Gefährdung von Komponenten, insbesondere des Verdampfers, des Systems kommen kann. Außerdem ist nach dem Einfrieren des Wassers im System das Sys- te n aus dem eingefrorenen Zustand des Wassers wieder hochzufahren. Neben Wasser können auch anderen Arbeitsmedien in dem System zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann R245fa in dem System in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. 245fa ist jedoch mit Nachteilen bei der Verwendung in dem System für Kraftfahrzeuge verbunden. R245fa zersetzt sich bei einer Temperatur von mehr als 250°C in giftige Produkte. Bei einem Leck an dem System können dadurch Personen gefährdet werden. Das Abgas von Verbrennungsmotoren weist Temperaturen von bis zu 650°C auf, so dass es dadurch im Allgemeinen zu einer Temperatur in dem Arbeitsmedium R245fa von mehr als 250°C kommt. Höherer Temperaturen von mehr als 250°C können nur aufwendig mit einem dynamischen Gleichgewicht in dem System erreicht werden, wobei bei einer Störung dieses Gleichgewichtes z. 13. durch Ausfall einer Speisepumpe, auch die Gefahr der Überhitzung des Arbeits- mediums R245fa besteht. Außerdem kann beispielsweise als Arbeitsmedium auch Dimethylpyridin mit Wasser eingesetzt werden. Durch den Zusatz von Dimethylpyridin zum Wasser wird das Einfrieren des Wassers bis zu Temperaturen von -40°C verhindert. Der Nachteil des Arbeitsmediums Wasser mit Dimethylpyridin liegt darin, dass Dimethylpyridindämpfe entzündlich sind und zum Anderen Wechselwirkung zwischen den verwendeten Werkstoffen des Kreislaufes und Dimethylpyridin nicht ausreichend bekannt sind, so dass die Gefahr der Korroston, insbesondere bei einer längerfristigen Wirkung des Dimethylpyri- dins auf die Werkstoffe, besteht. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Wärmeübertrager, ein System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, ein Verfahren zum Betreiben eines System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses sowie einen Verbren- nungsmotor mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Krelsprozesses zur Verfügung zu steilen, das auch bei tiefen Temperaturen außerhalb des (Betriebes und einem damit verbundenen festen Aggregatzustand des Arbeitsmediums, insbesondere Eis, Schäden vermeidet und ein zuverlässige Inbetriebnahme ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmeübertrager, insbesondere Verdampfer für ein System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend vorzugsweise ein Gehäuse, vorzugsweise einen ersten Strömungskanal zum Durchleiten eines ersten Fluides, einen zweiten Strömungskanal zum Durchleäten eines zweiten Fluides, wobei der zweite Strömungskanal wenigstens ein Ausdehnvolumen aufweist, um Volumenvergrößerungen des zweiten Fluides bei einer Wandlung des Aggregatzustandes des zweiten Fluides von einem flüssigen Aggregatzustand in einen festen Aggregatzustand, insbesondere ein Gefrieren, aufzunehmen.
Befindet sich in dem Wärmeübertrager in dem zweiten Strömungskanal das zweite Fluid in einem flüssigen Aggregatzustand und wird das zweite Fluid als Flüssigkeit weiter abgekühlt, kommt es zu einer Wandlung des zweiten Fluides in dem zweiten Strömungskanal von einem flüssigen in einen festen Aggregatzustand. Bei der Verwendung als Wasser als zweitem Fluid gefriert das Wasser mit einer damit verbundenen Volumenausdehnung des Wassers von im Wesentlichen 8,9 %. Der Wärmeübertrager, der wenigstens teilweise vorzugsweise aus Metall, z. Ei. Stahl, insbesondere Edelstahl oder Alumi- nium besteht, kann das Ausdehnen des Wassers aufgrund der Streckgrenze des Werkstoffes Metall nicht ausreichend aufnehmen, so dass bei einem Gefrieren des Wassers der Wärmeübertrager Schaden erleidet. Aufgrund der konstruktiven Lösung von Ausdehnvolumen in dem Wärmeübertrager kann sich beim Ausdehnen des gefrierenden Wassers das Eis in das Aus- dehnvolumen ausdehnen, so dass dadurch auf den Wärmeübertrager aufgrund des sich ausdehnenden, gefrierenden Wassers nur sehr geringe Kräf- te wirken, weil die Volumenzunahme von dem Ausdehnvolumen innerhalb des zweiten Strömungskanals aufgenommen werden kann. Damit kann in vorteilhafter Weise der Wärmeübertrager auch dann eingesetzt werden, wenn sich in dem zweiten Strömungskanal das zweite Fluid befindet und dieses bei einer Wandlung von dem flüssigen in den festen Aggregatzustand ausdehnt, ohne dass dadurch der Wärmeübertrager beschädigt oder zerstört wird.
Insbesondere weist der Wärmeübertrager wenigstens eine Einlassöffnung zum Einleiten des zweiten Fluides und wenigstens eine Auslassöffnung zum Ausleiten des zweiten Fluides auf und wenigstens ist eine Einlassöffnung und/oder wenigstens eine Auslassöffnung unterhalb des wenigstens einen Ausdehnvolumens, insbesondere in der vertikalen Ausrichtung an einem unteren Ende des wenigstens einen Ausdehnvolumens ausgebildet ist, so dass das zweite Fluid in einem flüssigem Aggregatzustand aus dem wenigstens einen Ausdehnvolumen außerhalb der Nutzung durch die wenigstens eine Einiassöffnung und/oder die wenigstens eine Auslassöffnung ausleitbar ist, insbesondere mittels Schwerkraft, und/oder sämtliche Ausdehnvolumen die gleiche vertikale Ausdehnung aufweisen.
Wird der Wärmeübertrager, beispielsweise als Verdampfer in einem System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius- Rankine-Kreisprozesses eingesetzt, verflüssigt sich das Arbeitsmedium des Systems, welches durch den zweiten Strömungskanal geleitet wird, außer- halb des Betriebes vollständig. Damit verbleibt in dem Wärmeübertrager im zweiten Strömungskanal das zweite Fluid als Flüssigkeit. Dabei sollen in diesem abgeschalteten Zustand und im flüssigen Aggregatzustand des Arbeitsmediums das Ausdehnvolumen frei sein von dem Arbeitsmedium, damit bei einem Gefrieren des Arbeitsmediums das Ausdehnvolumen innerhalb des zweiten Strömungskanais als Volumen zur Verfügung steht, in das sich das Arbeitsmedium im festen Aggregatzustand, insbesondere Eis, ausdeh- nen kann. Hierzu ist die Einlassöffnung oder die Auslassöffnung an dem Wärmeübertrager entsprechend ausgerichtet, so dass nach dem Verflüssigen des zweiten Fluides sich in dem Ausdehnvolumen im Wesentlichen kein zweites Fluid, insbesondere ein Arbeitsmedium des Systems, befindet. Bei einem Einsatz des Wärmeübertrageis in einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors ist das Arbeitsmedium in dem System unter Vakuum eingesetzt, so dass Gaskräfte oder atmosphärische Druckkräfte in der Umgebung des Systems zum Ablaufen des Arbeitsmediums aus dem Wärmeübertrager keine Rolle spielen.
In einer weiteren Ausgestaltung beträgt das Volumen des wenigstens einen Ausdehnvolumens wenigstens 7 %, 8,9 % oder 10 % des Volumens des zweiten Strömungskanals außerhalb des wenigstens einen Ausdehnvolumens, der dem wenigstens einen Ausdehnvolumen zugeordnet ist und/oder der zweite Strömungskanal wenigstens einen, vorzugsweise mehrere, im Wesentlichen vertikale Kanalabschnitte aufweist und das wenigstens eine Ausdehnvolumen am oberen Ende des wenigstens einen vertikalen Kanalabschnittes angeordnet ist und/oder die vertikale Ausdehnung des wenigstens einen Ausdehnvolumens wenigstens 7 %, 8,9 % oder 10 % der vertika- ien Ausdehnung des wenigstens einen vertikalen Kanalabschnittes beträgt und/oder jedem vertikalen Kanalabschnitt ein Ausdehnvolumen zugeordnet ist. Das Volumen oder die Vertikalausdehnung des wenigstens einen Ausdehnvolumens ist somit ausreichend, damit sich beim Gefrieren von Wasser als zweitem Fluid sich das gefrierende Wasser in dem Ausdehnvolumen ausreichend ausdehnen kann, so dass dadurch der Wärmeübertrager nicht beschädigt wird.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist der zweite Strömungskanai zwischen zwei Platten als Doppelplatte ausgebildet und zwischen zwei Doppel- platten ist der erste Strömungskanal ausgebildet, insbesondere sind die beiden Doppelpiatten mit Rippen in dem ersten Strömungskanal miteinander verbunden und/oder je zwei vertikale Kanalabschnitte sind mittels eines U- förmigem Kanalabschnitt miteinander verbunden und vorzugsweise weist die Geometrie des Strömungsraumes des U-förmigen Kanaiabschnitt eine Fase oder einen Radius bzw. eine Krümmung auf. Die Platten weisen längliche Ausnehmungen auf, so dass sich beim Aufeinanderlegen der beiden Platten zwischen den Platten in dem Bereich der aufeinanderliegenden länglichen Ausnehmungen der zweite Strömungskanal ausbildet. Die länglichen Ausnehmungen in den Platten werden dabei beispielsweise mittels Prägen, Ätzen, Stanzen oder Walzen hergestellt. Auch U-förmige Kanalabschnitte des zweiten Strömungskanals werden durch entsprechend U-förmige Ausnehmungen in den Platten hergestellt. Dies gilt auch für andere Geometrien von zweiten Strömungskanälen in analoger Weise.
Vorzugsweise weist der Wärmeübertrager mehrere, übereinander angeord- nete Doppelplatten auf und/oder die Doppelplatten sind im Wesentlichen vertikal ausgerichtet. Eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung der Doppelplatten und/oder eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung der vertikalen Kanalabschnitte bedeutet, dass die Doppelplatten und/oder die vertikalen Kanalabschnitte mit einer Abweichung von weniger als 45° zu einer Vertika- len ausgerichtet sind. Bei einem Einsatz des Wärmeübertragers in Kraftfahrzeugen Ist somit gewährleistet, dass auch bei einer Fahrt oder einem Einsatz im hügeligen Gelände sowie bei Kurvenfahrten aus den vertikalen Kanalabschnitten des Wärmeübertrages das zweite Fluid nicht ablaufen kann. in einer Variante nimmt die Querschnittsfläche des zweiten Strömungskanals in Richtung zu dem wenigstens einen Ausdehnvolumen, vorzugsweise stetig, zu und/oder die vertikalen Kanalabschnitte des zweiten Strömungskanals zu dem wenigstens einen Ausdehnvolumen sind konisch ausgebildet und die Querschnittsfläche des vertikalen Kanalabschnittes nimmt nach oben zu, insbesondere beträgt ein Öffnungswinkel der vertikalen Kanalabschnitte wenigstens 3° oder 5°. Bei einem Gefrieren von Wasser in dem zweiten Strö- mungskanai können Reibungskräfte die Ausdehnung der Eissäule in die Ausdehnvolumen behindern, so dass es trotz des Vorhandenseins von ausreichenden Ausdehnvolumen zu einer Zerstörung des Wärmeübertragers kommen kann. Um dies zu verhindern, sind die vertikalen Kanalabschnitte konisch ausgebildet und/oder der zweite Strömungskanal weist in Richtung zu dem wenigsten einen Ausdehnvolumen eine zunehmende Querschnittsfläche auf, so dass aufgrund der auftretenden Druckkräfte zwischen der Eissäule und der Wandung des Wärmeübertragers an dem zweiten Strömungskanal die Eissäuie in Richtung zu den Ausdehnvolumen gedrückt wird. in einer weiteren Ausgestaltung weist der zweite Strömungskanal eine Quer- sc nittsfläche auf, die das Auftreten von Kapillarkräften innerhalb des Strömungskanals verhindert. Dadurch soll verhindert werden, dass aufgrund von Kapiüarkräften sich insbesondere in den Ausdehnvolumen Wasser auch in einem abgeschalteten Zustand befindet.
In einer weiteren Ausgestaltung liegt die Querschnittfläche des zweiten Strömungskanals im Bereich von 0,5 mm2 bis 5 mm2, insbesondere in einem Bereich zwischen 1 mm2 und 3 mm2.
Erfindungsgemäßes System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Was- ser, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium, wobei der Verdampfer als ein in dieser Schutzrechtsanmei- dung beschriebener Wärmeübertrager ausgebildet ist und/oder das System ein erstes Ventil und eine erste Bypassieitung umfasst und die Expansions- maschine mittels des ersten Ventils und der ersten ßypassieitung von dem Kreislauf entkoppelbar ist und/oder das System ein zweites Ventil und eine zweite Bypassleitung umfasst und der Kondensator mittels des zweiten Ventils und der zweiten Bypassleitung von dem Kreislauf entkoppelbar ist und/oder das System ein drittes Ventil und eine dritte Bypassleitung umfasst und der Auffang- und Ausgleichsbehälter mittels des dritten Ventils und der dritten Bypassleitung von dem Kreislauf entkoppelbar ist und/oder das System ein viertes Ventil und eine vierte Bypassleitung umfasst und mittels des vierten Ventils und der vierten Bypassleitung die Expansionsmaschine, der Kondensator und der Auffang- und Ausgieichsbehälter von dem Kreislauf entkpppelbar sind und/oder das System ein fünftes Ventii und eine fünfte Bypassleitung umfasst und mittels des fünften Ventils und der fünften Bypassleitung die Expansionsmaschine und der Kondensator von dem Kreislauf entkoppelbar sind und/oder das System eine Einrichtung zum Durchfeiten eines Spülfluides, z. B. Druckluft oder eine Spülflüssigkeit, durch den Verdampfer und/oder den Kondensator und/oder wenigstens eine Bypassleitung und/oder die Leitungen des Kältekreises aufweist und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter unterhalb des Verdampfers und/oder der Expansionsmaschine und/oder dem Kondensator, insbesondere an der tiefsten Stel- ie des Kreislaufes, angeordnet ist, so dass sich nach dem Abschalten des Systems das flüssige Arbeitsmedium im Wesentlichen vollständig in dem Auffang- und Ausgieichsbehälter sammelt zur Entleerung des Verdampfers und/oder der Expansionsmaschine und/oder des Kondensators und/oder ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist. Mittels des wenigstens einen Ventils ist die wenigstens eine Komponente auch in den Kreislauf einkoppelbar oder Zwischenstellungen einstellbar.
Das System umfasst einen in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Wärmeübertrager als Verdampfer des Systems. Damit kann das System mit dem Arbeitsmedium Wasser auch bei Temperaturen von unter 0°C eingesetzt werden. Das Gefrieren des Wassers in dem Verdampfer zerstört den Verdampfer nicht, so dass dadurch auch bei einem Einsatz des Systems in Kraftfahrzeugen problemlos Wasser als Arbeitsmedium im System eingesetzt werden kann. Durch den Einsatz von Ventilen, die als 3/2-Wegeventi!e ausgebildet sind, und Bypassieitungen können einzelne Komponenten von dem Kreislauf entkoppelt und wieder eingekoppelt werden. Bei einem Hochfahren des Systems nach einem Einfrieren des Arbeitsmediums, kann somit der Kreislauf mit wenigen Komponenten betrieben werden, beispielsweise nur dem Verdampfer und der Pumpe. Die anderen Komponenten, z. ß. die Expansionsmaschine und/oder der Kondensator und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter und/oder der Kondensator, können schrittweise dazuge- schaltet werden, so dass dadurch diese übrigen Komponenten schrittweise erwärmt und in Betrieb genommen werden können. Vorzugsweise wird dabei die Expansionsmaschine als letzte Komponente in Betrieb genommen, so dass dadurch in die Expansionsmaschine ausschließlich Arbeitsmedium in einem dampfförmigen Aggregatzustand eintritt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Expansionsmaschine eine Turbine oder eine Hubkolbenmaschine. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das System neben einem Verdampfer auch einen Überhitzer und der Überhitzer ist in einer Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach dem Verdampfer angeordnet. Vorzugsweise sind der Verdampfer und der Überhitzer ein Bauteil. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das System einen Rekuperator, mittels dem Wärme aus dem Arbeitsmedium nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine an das Arbeitsmedium vor dem Verdampfer übertragbar ist. In einer weiteren Ausgestaltung ist die Einrichtung zum Durchleiten des Spülfluides ein Druckluftbehälter mit entsprechenden Ventilen und einer Druckluftleitung zum Einleiten der Druckluft in den Kreislauf sowie vorzugsweise einen Kompressor zur Erzeugung von Druckluft.
In einer weiteren Ausgestaltung wird als Spüifluid eine gefriersichere Flüs- sigkeit, insbesondere Wasser mit einem Frostschutzmittel: eingesetzt. Das System weist hierzu einen Behälter mit dem Spüifluid auf. Das Spüifluid wird durch eine Pumpe, insbesondere auch durch die Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, durch den Verdampfer gepumpt. Hierzu ist mittels eines Ventils in der Leitung zwischen der Pumpe und dem Auffang- und Aus- gleichsbehälter das Spüifluid von dem Behälter mit dem Spüifluid in die Leitung einleitbar und wird anschließend von der Pumpe durch den Verdampfer gefördert, so dass mittels eines weiteren Ventils, das in der Leitung nach dem Verdampfer angeordnet ist, das Spüifluid wieder in den Behälter mit dem Spüifluid zurückgeleitet werden kann. Bei einem derartigen Spülen des Verdampfers sowie der Leitungen tritt in das Spüifluid auch eine geringere Menge an Wasser in das Spüifluid mit ein. Dadurch wird beispielsweise die Gefriertemperatur des Spülfluides erhöht, weil der Wasseranteil erhöht wird. Aus diesem Grund ist es erforderlich, innerhalb gewisser Serviceintervaüe das Spüifluid in den Behälter mit dem Spüifluid auszuwechseln. Die übrigen Komponenten dieses Systems bei einer derartigen Spülung des Verdampfers, d. h. die Expansionsmaschine und der Kondensator sind dabei dahingehend angeordnet, dass nach dem Abschalten des Systems aufgrund von Schwerkraft das Wasser aus der Expansionsmaschine und dem Kondensator in den Auffang- und Ausgleichsbehäiter einläuft, so dass in der Expansi- onsmaschine und dem Kondensator kein Wasser vorhanden ist.
Der Verdampfer des Systems weist meanderförmige Strömungskanäle für das Arbeitsmedium auf, die vertikale Kanalabschnitte aufweisen, die jeweils mittels U-förmiger Kanalabschnitte miteinander verbunden sind. Ein derarti- ger Verdampfer läuft nach dem Abschalten nicht selbsttätig aufgrund von Schwerkraft leer, so dass ein Spülen erforderlich ist. Verdampfer mit im We- sentiichen horizontal ausgerichteten Kanalabschnitte haben den Nachteil, dass diese während des Betriebes des Systems im Wesentlichen vollständig austrocknen können, womit Leistungsreduzierungen und erhöhte Belastungen aufgrund von Thermospannungen verbunden sind.
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine- Kreisprozesses, insbesondere eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Systems, umfassend einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium, wobei nach dem Abschalten des Systems das Arbeitsmedium im Wesentlichen vollständig in den Auffang- und Ausgfeichsbehälter eingeleitet wird, so dass in dem Verdampfer, der Expansionsmaschine, dem Kondensator und den Leitungen im Wesentlichen kein Arbeitsmedium enthalten ist (was bedeutet, dass wenigstens 90%, 95%, 98% oder 99% des Arbeitsmediums in dem Auffang- und Aus- gieichsbehälter enthalten sind) oder nach dem Abschalten des Systems das Arbeitsmedium, abgesehen von dem Verdampfer, im Wesentlichen vollständig in den Auffang- und Ausgieichsbehälter eingeleitet wird (was bedeutet, dass in der Expansionsmaschine, dem Kondensator und den Leitungen weniger als 10%, S%, 2% oder 1% des Arbeitsmediums enthalten sind), so dass in der Expansionsmaschine, dem Kondensator und den Leitungen im Wesentlichen kein Arbeitsmedium enthalten ist.
Wird das Arbeitsmedium nach dem Abschalten des Systems auch aus dem Verdampfer in den Auffang- und Ausgleichsbehälter eingeleitet, weist der Verdampfer horizontale Kanalabschnitte auf, die im Allgemeinen mitteis U-förmigen Kanalabschnitten miteinander verbunden sind. Bei einer derarti · gen Ausrichtung des Strömungskanals des Arbeitsmediums kann der Verdampfer mittels Schwerkraft entleert weiden. Weist der Verdampfer vertikale Kanalabschnitte auf, kann der Verdampfer nur mittels eines Durchspülens mit Spülfluid von dem Arbeitsmedium entleert weiden. Nach dem Abschalten des Systems befindet sich somit das gesamte Arbeitsmedium im Wesentlichen in dem Auffang- und Ausgieichsbehäiter. Damit können aufgrund eine Änderung des Aggregatzustandes des Arbeitsmediums von flüssig auf fest mit einer damit verbundenen Volumenvergrößerung in dem System keine Schäden auftreten, abgesehen von dem Auffang- und Ausgleichsbehälter. Der Auffang- und Ausgleichsbehälter ist dabei dahingehend konstruiert, dass dieser bei einer Volumenvergrößerung bei der Änderung des Aggregatzustandes des Arbeitsmediums von flüssig auf fest dieses Volumenvergrößerung ohne Beschädigungen aushält. Vorzugsweise weist der Auffang- und Ausgieichsbehäiter außenseitig eine thermische Isolierung auf, so dass auch bei einem kurzzeitigen Stillstand des Systems und von Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser bei einer Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium aufgrund der thermischen Isolierung das Arbeitsmedium Wasser in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter nicht einfriert. Zum Hochfahren des Systems ist in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter vorzugswei- se eine Heizeinrichtung, insbesondere eine elektrische Heizeinrichtung eingebaut, um das Arbeitsmedium zu erwärmen und dadurch von dem festen Aggregatzustand in den flüssigen Aggregatzustand umzuwandeln, damit das Arbeitsmedium wieder von der Pumpe gefördert werden kann. In einer Variante wird das Arbeitsmedium mittels Schwerkraft in den Auffang- und Ausgieichsbehäiter geleitet oder das Arbeitsmedium wird mittels eines Spülfluides, z. B. eine Spülflüssigkeit oder Druckluft, in den Auffang- und Ausgleichsbehälter geleitet. Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine- Kreisprozesses, insbesondere eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Systems, umfassend einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsme- diums, eine Expansionsmaschine: einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise einen Auffang- und Aus gleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium, wobei bei der Inbetriebnahme des Systems Arbeitsmedium in dem Verdampfer in einem festen Aggregatzustand, insbesondere Eis, erwärmt und/oder verdampft wird und mit dem erwärmten und/oder verdampften Arbeitsmedium übrige Komponenten, insbesondere der Verdampfer und/oder der Kondensator und/oder der Autfang- und Ausgleichsbehälter, des Systems erwärmt werden, indem das Arbeitsmedium zu den übrigen Komponenten geleitet wird. Zweckmäßig werden die übrigen Komponenten schrittweise aufeinanderfolgend erwärmt und/oder nach dem Erreichen der Betriebstemperatur des Systems wird die Expansionsmaschine in Betrieb genommen, indem gasförmiges Arbeitsmedium durch die Expansionsmaschine geleitet wird. Die übrigen Komponenten des Systems, nämlich der Verdampfer und/oder die Expansionsmaschine und/oder der Kondensator und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter, werden schrittweise aufeinanderfolgend erwärmt, indem mittels Ventilen und Bypassleitungen zunächst nur eine Komponente in den Kreislauf zugeschaliet wird und anschließend sukzessive und schrittweise weitere Komponenten zugeschaltet werden.
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Ciausius- ankine- Kreisprozesses, insbesondere eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Systems, umfassend einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, eine Pumpe zum Fördern des Ar- beitsmediums, einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsme- diums, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium, wobei bei der Inbetriebnahme des Systems Arbeitsmedjum außerhalb des Verdampfers, insbesondere in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter, in einem festen Aggregatzustand, insbesondere Eis, erwärmt und/oder verdampft wird und mit dem erwärmten und/oder verdampften Arbeitsmedium übrige Komponenten, insbesondere der Verdampfer und/oder der Kondensator und/oder der Auffang- und Aus- gleichsbehälter, des Systems erwärmt weiden, indem das Arbeitsmedium zu den übrigen Komponenten geleitet wird.
Vorzugsweise wird das Arbeitsmedium mit elektrischer Energie und/oder Abwärme des Verbrennungsmotors erwärmt und verdampft. In einer weiteren Ausführungsform werden die übrigen Komponenten schrittweise aufeinanderfolgend erwärmt und/oder nach dem Erreichen der (Betriebstemperatur des Systems wird die Expansionsmaschine in Betrieb genommen, indem gasförmiges Arbeitsmedium durch die Expansionsmaschine geleitet wird.
Erfindungsgemäße Verbrennungsmotor, insbesondere Hubkolbenverbrennungsmotor, mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Was- ser, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen von der Abwärme des Verbrennungsmotors erwärmbaren Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium, wobei das System als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes System ausgebi!det ist und/oder ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist. in einer weiteren Ausgestaltung ist von dem System ais Bestandteil des Ver- brennungsmotors die Abwärme des Abgashauplstromes des Verbrennungsmotors und/oder die Abwärme der Abgasrückführung und/oder die Abwärme der komprimierten Ladeluft und/oder die Wärme eines Kühlmittels des Verbrennungsmotors nutzbar. Von dem System wird somit die Abwärme des Verbrennungsmotors in mechanische Energie umgewandelt und da- durch der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors in vorteilhafter Weise erhöht. Vorzugsweise umfasst das System mehrere Verdampfer. in einer weiteren Ausgestaltung umfasst das System einen Generator. Der Generator ist von der Expansionsmaschine antreibbar, so dass das System damit elektrische Energie oder elektrischen Strom zur Verfügung stellen kann.
In einer weiteren Ausgestaltung wird als Arbeitsmedium des Systems Wasser als Reinstoff, R245fa, Ethanol (Reinstoff oder Gemisch von Ethanol mit Wasser), Methanol (Reinstoff oder Gemisch von Methanol und Wasser) län- gerkettige Alkohole C5 bis C10, längerkettige Kohlenwasserstoffe C5 (Pen- tan) bis C8 (Oktan), Pyridin (Reinstoff oder Gemisch von Pyridin mit Was ser), Methylpyridin (Reinstoff oder Gemisch von Methylpyridin rnil Wasser), Trifiuorethanol (Reinstoff oder Gemisch von Trifluorethanol mit Wasser), He- xafluorbenzol, eine Wasser/Ammoniaklösung und/oder ein Wasser- Ammoniak-Gemisch eingesetzt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird als Spülfluid Druckluft, eine Spülflüssigkeit oder gasförmiger Stickstoff unter Druck eingesetzt. lm Nachfolgenden werden Ausführungsbeispieie der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt: eine stark vereinfachte Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem System zur Nutzung von Abwärme
des Verbrennungsmotors aus dem Stand der Technik,
Fig. 2 einen Schnitt eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in
einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 einen Schnitt des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in
einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 eine Detailansicht eines U-förmigen Kanalabschnittes des Wärmeübertragers gemäß Fig. 3. eine stark vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen
System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors in einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 eine stark vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen
System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors in einem zweiten Ausführungsbeispiel und Fig. 7 eine stark vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen
System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors in einem dritten Ausführungsbeispiel.
In Fig. 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Verbrennungsmotor 27 als Hubko!benverbrennungsmotor 28 dargestellt, der ein System 2 zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors 27 mittels des Clausius- Rankine-Kreisprozesses aufweist. Der Verbrennungsmotor 27 weist einen Abgasturbolader 30 auf. Der Abgasturbolader 30 verdichtet Frischluft 29 in eine Ladeluftleitung 32 und ein in die Ladeluft 32 eingebauter Ladeiuftküh- ier 33 kühlt die Ladeluft vor der Zuführung zu dem Verbrennungsmotor 27 ab. Durch eine Abgasleiiung 34 wird Abgas vorn Verbrennungsmotor 27 abgleitet und anschließend in einem Verdampfer 12 abgekühlt. Darauffolgend wird das Abgas in den Abgasturboiader 30 eingeleitet, um den Abgasturbolader 30 anzutreiben und anschließend als Abgas 31 an die Umgebung abgegeben. Das System 2 weist Leitungen 10 mit einem Arbeitsmedium auf. In dem Kreislauf mit dem Arbeitsmedium ist eine Expansionsmaschine 13, ein Kondensator 14, ein Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 sowie eine Pumpe 11 neben dem Verdampfer 12 integriert. Von der Pumpe 11 wird das flüssige Arbeitsmedium auf ein höheres Druckniveau in dem Kreislauf angehoben und anschließend verdampft das flüssige Arbeitsmedium in dem Ver- dampfer 12 und leistet anschließend in der Expansionsmaschine 13 mechanische Arbeit, indem das gasförmige Arbeitsmedium expandiert und darauffolgend einen geringen Druck aufweist, in dem Kondensator 14 wird das gasförmige Arbeitsmedium verflüssigt und anschließend wieder dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 zugeführt. Bei einer Verwendung von Was- ser als Arbeitsmedium kann das System 2 nicht bei Temperaturen von weniger als 0*0 in nachteiliger Weise eingesetzt werden, weil bei einem Abschalten des Systems das Wasser gefriert und aufgrund einer Volumenvergrößerung des Wassers damit das System 2 beschädigt wird. In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiei eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 dargestellt. Der Wärmeübertrager 1 besteht aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten Doppelplatten (nicht dargestellt) aus Edelstahl oder Aluminium. Die üoppelplatten bestehen somit aus zwei einzelnen Platten (nicht dargestellt) und in jede dieser Platten sind dabei Aus- nehmungen eingearbeitet, deren Geometrie der Geometrie eines zweiten Strömungskanals 3 des Wärmeübertragers 1 entspricht. Aufgrund des Auf- einanderliegens dieser Einzelplaiten (nicht dargestellt) ergibt sich somit ein mäanderförmiger zweiter Strömungskanal 3 mit vertikalen Kanalabschnitten 6, die an U-förmigen Kanalabschnitten 7 des zweiten Strömungskanals 3 miteinander verbunden sind. Die Doppelplatten des Wärmeübertragers 1 sind dabei mittels nicht dargestellter Rippen miteinander verbunden, so dass sich zwischen den Doppelplatten ein erster Strömungskanal zum Durchleiten eines ersten Fluides (nicht dargestellt) ergibt. Die vertikalen Kanalabschnitte 6 sind dabei im Wesentlichen vertikal ausgerichtet, d. h. mit einer Abweichung von weniger als 45° zu einer Vertikalen. Damit sind bei einem Einsatz des Wärmeübertragers 1 in Kraftfahrzeugen bei einer schiefen Lage des Kraftfahrzeuges, beispielsweise in einem hügligen Gelände, auch eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung der vertikalen Kanaiabschnitte 6 jederzeit gewährleistet. Am oberen Ende der vertikalen Kanalabschnitte 6 ist ein Ausdehnvolumen 4 ausgebildet. Das Ausdehnvoiumen 4 dient dazu, damit sich bei einer Volumenvergrößerung des zweiten Fluides in dem zweiten Strömungskanal 3 bei einer Volumenänderung von einem flüssigen in einen festen Aggregatzustand sich das zweite Fluid in dem festen Aggregatzustand in das Ausdehn- olumen 4 ausdehnen kann, so dass dadurch an dem Wärmeübertrager 1 keine Schäden auftreten. Die vertikale Ausdehnung des Ausdehnvo!umens 4 beträgt dabei 8,9 % der vertikalen Ausdehnung der vertikalen Kanalabschnitte 6 außerhalb des Ausdehnvolumens 4. Der Wärmeübertrager 1 umfasst eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung (nicht dargestellt) zum Ein- und Ausleiten des zweiten Fluides in den zweiten Strömungskanal 3. Die Einlassöffnung und/oder die Auslassöffnung ist dabei in ihrer vertikalen Ausrichtung unterhalb des Ausdehnvolumens 4 ausgebildet, so dass, wenn durch den zweiten Strömungskanal 3 kein zweites Fluid durchgeleitet wird, das zweite Fluid in einem flüssigen Aggregatzustand zwar aus dem zweiten Strömungskana! 3 teilweise abläuft, wobei die Ausdehnvolumen 4 auch den zweiten Strömungskanal 3 mit ausbilden, jedoch das zweite Fluid in einem flüssigen Aggregatzustand aus den Ausdehnvolumen 4 herausläuft. Vorzugsweise ist die Ein- oder Auslassöffnung unmittelbar unterhalb dem Ausdehnvolurnen 4 angeordnet, so dass das zweite Fluid, z. B. Wasser, in dem gesamten zweiten Strömungskanal 3 gemäß der Darstellung in Fig. 3 ver- bleibt, nur jedoch nicht in den Ausdehnvolumen 4. Bei einem Gefrieren des Wassers in dem zweiten Strömungskanal 3 kann sich somit das Wasser in die Ausdehnvolumen 4 ausdehnen, bei der verbundenen Volumenvergröße rung des Wassers von 8,9 % beim Gefrieren, so dass dadurch in vorteilhafter Weise beim Gefrieren des Wassers in dem zweiten Strömungskanai 3 an dem Wärmeübertrager 1 kein Schaden entsteht.
In Fig. 3 und 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 be- schrieben. Die vertikalen Kanalabschnitte 6 des Wärmeübertragers 1 sind konisch ausgebildet, wobei die Querschnittsfläche der vertikalen Kanalabschnitte 6 in Richtung zu den Ausdehnvolumen 4 stetig zunimmt. Bei einem Gefrieren des Wassers in den vertikalen Kanalabschnitten 6 können Reibungskräfte zwischen der Eissäule und der Wandungen des Wärmeübertra- ges 1, welche den zweiten Strömungskanal 3 begrenzen, eine Ausdehnung der Eissäule in die Ausdehnvolumen 4 behindern oder ausschließen. Dies könnte zu einer Beschädigung des Wärmeübertragers 1 führen. Aufgrund der konischen Ausbildung der vertikalen Kanalabschnitte 6 führen die auftretenden Druckkräfte zwischen der Eissäuie und den Wandungen an dem zweiten Strömungskanal 3 zu Kräften, weiche die Eissäule in Richtung zu den Ausdehnvolumen 4 bewegen, so dass dadurch in vorteilhafter Weise die Eissäule sich in das Ausdehnvolumen 4 hineinbewegt und damit eine Beschädigung des Wärrneübertrags 1 vermieden v/erden kann. Im Bereich der U-förmigen Kanaiabschnitte 7 weist der zweite Strömungskanal 3 Fasen 8 (Fig. 4) auf. Aufgrund der Fasen 8 wird eine horizontale Ausdehnung des Eises in den U-förmigen Kanalabschnitten 7 in vertikal nach oben gerichtete Ausdehnung in den vertikalen Kanalabschnitten 6 umgewandelt, so dass die Ausdehnung in den U-förmigen Kanalabschnitten 7 mittelbar durch die vertikalen Kanalabschnitte 6 sich auch in die Ausdehnvolumen 4 ausdehnen kann. In den Ausdehnvolumen 4 sind ferner Zuganker 5 ausgebildet. Vor- zugsweise sind die Zuganker 5 dabei in einer Verlängerung der Zwischenräume zwischen den vertikalen Kanalabschnitten 6 in den Ausdehnvolumen 4 ausgerichtet, in den Ausdehnvolumen 4 treten bei einer Verwendung des Wärmeübertragers 1 in einem System 2 hohe Drücke auf. Diese hohen Drücke führen zu hohen Kräften, die die Festigkeit des Wärmeübertragers im Bereich der Ausdehnvolumen 4 beeinträchtigen oder gefährden könnten. Zuganker 5 können somit eine Beschädigung des Wärmeübertrages 1 in den Ausdehnvolumen 4 aufgrund der dort auftretenden hohen Kräfte verringern oder ausschließen. Die Zuganker 5 sind dabei außerhalb einer Verlängerung der vertikalen Kanaiabschnitte 6 in den Ausdehnvolumen 4 angeordnet, so dass die Zuganker 5 die Ausdehnung der Eissäule von den vertikalen Kanalabschnitten 6 in das Ausdehnvolumen 4 nicht behindern.
In Fig. 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 2 zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors 27 dargestellt. Das System 2 umfasst einen von den Leitungen 10 gebildeten Kreislauf mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 als Verdampfer 12, die Expansionsmaschine 13, den Kondensator 14 und den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 sowie die Pumpe 11 als Hochdruckpumpe. Ein Rückschlagventil 37 verhindert, dass Wasser als Arbeitsmeditim von dem Wärmeübertrager 1 in der Leitung 10 in Richtung zu der Pumpe 11 zurückströmt. Der Auffang - und Ausgleichsbehälter 15 ist dabei so ausgeführt, dass in ihm Wasser gefrieren kann, ohne dass dabei der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 zerstört oder beschädigt wird. Das Wasser als Arbeitsmedium des Systems 2 strömt dabei durch den zweiten Strömungskanai des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1. In den Wärmeübertrager 1 wird heißes Abgas 35 in den ersten Strömungskanal des Wärmeübertragers 1 eingeleitet, kühlt dabei in dem Wärmeübertrager 1 ab und als gekühltes Abgas 36 aus dem Wärmeübertrager 1 wieder ausgeleitet. Mitteis des heißen Abgases 35 wird das Wasser in dem Verdampfer 12 verdampft. In dem Kreislauf des Systems 1 fördert die Pumpe 11 das Wasser von dem Auffang- und dem Ausgleichsbe- hälter 15 zu dem Verdampfer 12 und dabei wird von der Pumpe 11 das Wasser auf ein hohes Druckniveau, z. B. 100 bis 400 bar, angehoben. In dem Verdampfer 12 verdampft das Wasser und leistet anschließend in der Expansionsmaschine 13 Arbeit. Nach dem Durchströmen des Dampfes durch die Expansionsmaschine 13 kondensiert das Wasser in dem Konden- sator 14 wieder zu Wasser und wird anschließend in den Auffang- und Aus gleichsbehälter 15 eingeleitet, um von dort wieder von der Pumpe 11 angesaugt zu werden.
Das System 2 umfasst femer ein erstes Ventil 16 als 3/2-Wegeventil und eine erste BypassSeitung 17 zum Entkoppeln und Einkoppeln der Expansionsmaschine 13 von dem Kreislauf sowie außerdem ein zweites Ventil 18 sowie eine zweite Bypassieitung 19 zum Entkoppeln und Einkoppeln des Kondensators 14 von dem Kreislauf des Systems 2. Außerdem ermöglicht ein drittes Ventil 20 und eine dritte Bypassieitung 21 das Entkoppein und Einkoppeln des Auffang- und Ausgleichsbehälters 15 von dem Kreislauf. Im normalen Betrieb des Systems 2, d. h. bei der Umwandlung von Abwärme des heißen Abgases 35 mittels des Systems 2 in mechanische Energie an der Expansionsmaschine 13, sind die drei Bypassieitungen 17, 19 und 21 mittels der Ventile 16, 18 und 20 geschlossen.
Der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 ist an der tiefsten Stelle des Systems 2 angeordnet. Nach dem Abschalten des Systems 2, beispielsweise einem Abschalten eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor 27 und dem System 2 gemäß Fig. 5, strömt aufgrund von Schwerkraft das ge- samte Wasser als Arbeitsmedium in den Auffang- und Ausgleichsbehäiter 15 aufgrund der Schwerkraft. Der Kreislauf des Systems 2 befindet sich dabei im Vakuum, so dass die Luft der Umgebung keinen Einfluss hat. Bei einem Einsatz des Systems 2 in einem Kraftfahrzeug kann somit bei länger anhaltenden Temperaturen unter 0°C das gefrierende Wasser in dem System 2 keinen Schaden anrichten. Aufgrund der konstruktiven Ausbildung des Wärmeübertragers 1 und des Samme!ns des gesamten Wassers in dem Auffang- und Ausgieichsbehälter 15, abgesehen von dem Wasser in dem Wärmeübertrager 1 , können somit dem System 2 aufgrund von gefrierendem Wasser keine Schäden entstehen. Im Normaibetrieb des Systems 2, d. h, bei einer Umwandlung von Wärme des heißen Abgases 15 in mechanische Energie an der Expansionsmaschine 3. sind sämtliche Ventile 16, 18 und 20 dahingehend geschaltet, dass die Expansionsmaschine 13, der Kondensator 14 und der Auf fang- und Ausgleichsbehälter 15 in den Kreislauf eingekoppelt sind.
Bei einer Inbetriebnahme des Systems 2 in einem eingefrorenen Zustand des Wassers ist das System 2 hochzufahren. Hierzu sind beim Hochfahren zunächst sämtliche Ventile 16, 18 und 20 dahingehend geschaltet, dass die Expansionsmaschine 13, der Kondensator 14 und der Auffang- und Aus- gleichsbehälter 15 von dem Kreislauf entkoppelt sind. Der Kreislauf umfasst somit lediglich den Wärmeübertrager 1 und die Pumpe 1 . Aufgrund des Durchströmens des Wärmeübertragers 1 mit heißem Abgas 35 wird das als Eis vorliegende Arbeitsmedium in dem Wärmeübertrager 1 erwärmt, verflüssigt und verdampft anschließend. Aufgrund der verbundenen Voiumenver- größerung des Wassers bzw. Arbeitsmediums strömt das Arbeitsmedium Wasser aufgrund des Rückschlagventils 37 in der Leitung 10 in Richtung der Expansionsmaschine. Aufgrund der Schaltung des Ventils 16 strömt jedoch zunächst in die Expansionsmaschine 13 kein flüssiges Arbeitsmedium oder Dampf. Zunächst wird somit durch den Kreislauf, bestehend nur aus der Pumpe 11 und dem Wärmeübertrager 1 , Wasser und/oder Wasserdampf geleitet. Die Leitungen 10 bzw. auch die Bypassleitungen 17, 19 und 21 können dabei auch eine elektrische Heizeinrichtung (nicht dargestellt) aufweisen, um das Risiko des Einfrierens der Leitungen 10 und/oder der By- passleitungen 17, 19 und 21 zu reduzieren. Nach dem Erreichen bzw. dem Erwärmen des Wassers als Arbeitsmedium auf eine vorgegebene Tempera- tur werden die übrigen Komponenten des Systems 2 schrittweise zugeschaltet. Beispielweise kann als erstes durch den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 das Wasser und/oder der Wasserdampf durchgeleitet werden, indem das dritte Ventil 20 in eine Stellung gebracht wird, so dass auch durch den Auffang- und/oder Ausgleichsbehälter 15 das Wasser und/oder der Wasser- dampf strömt. Die Ventile 16, 18 und 20 können dabei auch langsam geöffnet weiden oder in entsprechende Stellungen gebracht werden, so dass nur zunächst eine geringe Menge des Wassers durch die entsprechende Komponente strömt. Nach dem Erwärmen des Auffang- und Ausgleichsbehälters 15, so dass das darin gefrorene Wasser sich wieder verflüssigt, kann an- schließend der Kondensator 15 mittels des zweiten Ventils 18 in den Kreislauf integriert werden. Nach Erreichen der Betriebstemperatur des Arbeitsmediums Wasser wird als letztes die Expansionsmaschine 13 in den Kreislauf eingekoppelt. Damit ist das System 2 vollständig hochgefahren und kann wieder Wärme des heißen Abgases mitteis der Expansionsmaschine 13 in mechanische Energie umwandeln. Darüber hinaus kann auch der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 mit einer elektrischen Heizeinrichtung ausgestattet sein, um den Auffang- und Ausgleichsbehäiter 15, d. h. das darin angeordnete Eis, aufzutauen. In Fig. 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 2 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel des Systems 2 gemäß Fig. 5 beschrieben. Das System 2 weist als Mittel zum Entkoppeln von Komponenten des Systems 2 lediglich ein viertes Ventil 22 und eine vierte ßypasslei- tung 23 auf. Mittels des vierten Ventils 22 und der vierten Bypassleitung 23 können die Expansionsmaschine 13, der Kondensator 14 und der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 gemeinsam entkoppelt und eingekoppeit werden. Im Normalbelrieb des Systems 2 ist das vierte Ventil 22 dahingehend geschaltet, dass in den Kreislauf auch die Expansionsmaschine 13. der Kondensator ^ und der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 eingekoppelt und integriert sind. Beim Hochfahren des Systems 2 bei einem eingefrorenen Wasser als Arbeitsmedium ist das vierte Ventil 22 dahingehend geschaltet, dass der Kreislauf lediglich von dem Wärmeübertrager 1 und der Pumpe 11 gebildet wird. Nach Erreichen der Betriebstemperatur des Arbeitsmediums Wasser wird dabei das vierte Ventil 22 dahingehend geschaltet, dass die Expansionsmaschine 13, der Kondensator 14 und der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 wieder in den Kreislauf eingekoppeit werden, insbesondere langsam indem in Zwischenstellungen des Ventils 22 Arbeitsmedium sowohl durch die Bypassleitung 23 als durch die Expansionsmaschine 13, den Kondensator 14 und den Auffang- und Ausgleichsbehälter strömt, Vorzugs- weise weist dabei der Auffang- und Ausgleichsbehäiter 15 eine elektrische Heizeinrichtung auf, so dass bereits beim Einkoppeln der Komponenten 13, 14 und 15 beim Hochfahren des Systems 2 das Wasser in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 bereits aufgetaut ist. Dabei kann der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 auch dahingehend ausgebildet sein, dass beim Hoch- fahren des Systems 2 und dem Einleiten von Dampf in den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 der Dampf einerseits das gefrorene Eis in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 erwärmt und andererseits der in den Auffang- und Ausgleichsbehäiter 15 eingeleitete Dampf oder Wasser das gefrorene Eis umströmt und in die Leitung 10 zu der Pumpe 11 strömen kann.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Wärmeübertrager 1 horizontale Kanalabschnitte auf und die Ein- oder Auslassöffnung des Wärmeübertragers 1 in den zweiten Strömungskanal für das Arbeitsmedium Wasser ist dabei an der tiefsten Stelle des Wärmeübertra- gers 1 ausgebildet, so dass nach dem Abschalten des Systems 2 auch der Wärmeübertrager 1 vollständig von dem Wasser entleert wird. Ansonsten enlspricht das nicht dargestellte Ausführungsbeispiei im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5. Nach dem Abschalten des Systems 2 entleert sich somit bzw. sammelt sich das gesamte Wasser in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15, weil dieser an der tiefsten Stelle des Systems 2 angeordnet ist. Zum Hochfahren des Systems 2 braucht somit im Wesentlichen kein Wasser in dem zweiten Strömungskanal 3 des Wärmeübertragers 1 aufgetaut und erwärmt werden. Hierzu wird lediglich das Wasser in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15, beispielsweise mittels einer elektrischen Heizeinrichtung oder Abwärme des Verbrennungsmotors, er- wärmt. Abweichend oder ergänzend hierzu könnte beispielsweise auch an dem Wärmeübertrager 1 in einem gesonderten Behälter Wasser in einem gefrorenen Zustand angeordnet sein, das jedoch beim Gefrieren keinen Schaden in dem Behälter verursacht. Beim Hochfahren des Systems 2 sind in analoger Weise zu dem ersten Ausführungsbeispiei zunächst nur der Wärmeübertrager 1 und die Pumpe 11 oder ergänzend auch der Auffang · und Ausgieichsbehälter 15 in den Kreislauf eingekoppelt. Nach dem Erwärmen und/oder Auftauen des Wassers oder dem Erreichen einer Betriebstemperatur werden sukzessive die der Kondensator 14, der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 und die Expansionsmaschine 13 mitteis der Venti- je 16, 18 und 20 eingekoppelt.
In Fig. 7 ist ein drittes Ausführungsbeispiei des Systems 2 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiei gemäß Fig. 5 beschrieben. Das System 2 umfasst ein fünftes Ventii 24 und eine fünfte Bypassleitung 25 zum Entkoppeln und Ein- koppeln der Expansionsmaschine 13 und des Kondensators 14. Mittels einer Einrichtung 26, nämlich einem Druckluftbehälter, kann Luft ais Spülfluid in das System 2 eingeleitet werden. Im Normalbetrieb des Systems 2 bzw. in einem hochgefahrenen Zustand des Systems 2 sind die Ventile 16, 18 und 24 dahingehend geschaltet, dass die Expansionsmaschine 13, der Kondensator 14 und der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 in den Kreislauf eingekoppelt sind. Beim Herunterfahren des Systems 2, d. h. beim Abschalten des Durchleitens von heißem Abgas 35 durch den Wärmeübertrager 1 bzw. den Verdampfer 12, wird ais ers - tes mittels des Ventils 16 die Expansionsmaschine 13 aus dem Kreislauf entkoppelt, damit in der Expansionsmaschine 13 eine möglichst geringe Menge an Wasserdampf verbleibt. Die Pumpe 11 bleibt anschließend in Betrieb, damit sich der Verdampfer 12 und der Kondensator 14 gleichmäßig mit dem Arbeitsmedium füllt. Dies ist wichtig für das nachfolgende Entleeren bzw. Spülen des Systems 2 mit dem Spülfluid. Ist das System 2 gleichmäßig gefüllt, abgesehen von der Expansionsmaschine 13, wird die Pumpe 11 abgestellt. Anschließend wird durch die Einrichtung 26 Druckluft in den Kreislauf, d. h. in die Leitung 10 zwischen dem Ventil 24 und dem Ventil 16, eingeleitet. Die Ventile 16, 18 und 24 werden dabei dahingehend geschaltet, dass die Komponenten 13, 14, 12, die Leitungen 10 und die Bypassieitungen 17, 19 und 25 schrittweise entleert werden. Als Erstes wird der Verdampfer 12 sowie die Leitung 10 vom Verdampfer 12 zu dem Auffang- und Ausgleichsbehälter entleert, indem das Ventil 24 geöffnet und das Ventil 16 für die Druckluft geschlossen ist. Bei dem derartigen Entleeren ist dabei am Auf- fang- und Ausgleichsbehälter 15 eine Entlüftung aktiv oder passiv vorgesehen. Anschließend wird die Bypassleitung 25, der Kondensator 14 und die Bypassieitung 17, 19 entleert. Möglicherweise wird je nach Einbausituation auch die Expansionsmaschine 13 mit Druckluft entleert. Dies ist möglichst nicht als letzter Prozessschritt durchzuführen, sondern möglichst als erster, da sonst die Gefahr besteht, dass sich das ausgeblasene Arbeitsmedium in nachfolgenden Komponenten niederschlägt. Nach dem Ausführen dieser Prozessschritte ist somit das System 2 vollständig entleert und lediglich in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 befindet sich das Wasser. Der Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 ist dabei dahingehend ausgebildet, dass Eis bzw. gefrierendes Wasser den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 nicht beschädigt. Zu Beginn des Hochfahrens des Systems 2 mit Eis bzw. gefrorenem Wasser in dem Auffang- und Ausgleichsbehäiter 15 wird zunächst heißes Abgas 35 durch den Verdampfer 12 geleitet. Dadurch erwärmt sich der Wärmeübertra- ger 1. Das Eis in dem Auffang- und Ausgleichsbehäiter 15 wird von einer elektrischen Heizeinrichtung (nicht dargestellt) erwärmt und verflüssigt und anschließend mittels der Pumpe 11 das Wasser in den Verdampfer 2 gelei tet. Dabei ist das Ventil 24 dahingehend geschaltet, dass in den Kreislauf lediglich der Wärmeübertrager 1 der Auffang- und Ausgleichsbehäiter 15 und die Pumpe 11 eingekoppelt sind. Die übrigen Komponenten, nämlich die Expansionsmaschine 13 und der Kondensator 14 sind entkoppelt. Mittels der elektrischen Heizeinrichtung braucht das Eis lediglich geschmolzen zu werden. Nach dem Schmelzen des Eises zu Wasser, kann mittels der Pumpe 11 das Wasser in dem Auffang- und Ausgleichsbehäiter 15 und somit das gesamte Wasser als Arbeitsmedium mit dem Verdampfer 12 auf Temperatur gebracht werden. Nach dem Erreichen der Betriebstemperatur oder einer vorgegebenen Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur, z. B. bei einem Erreichen des Wassers einer Temperatur zwischen 40°C und 70°C, werden die Ventile 16, 18 und 24 dahingehend geschaltet, dass zusätzlich neben dem Wärmeübertrager 1, der Pumpe 11 und dem Auffang- und Ausgleichsbehäiter 15 auch der Kondensator 14 in den Kreislauf eingekoppelt wird. Nach dem Erwärmen des Kondensators 14 auf eine vorgegebene Temperatur oder die Betriebstemperatur wird das System 2 solange betrieben, bis die Betriebstemperatur des Systems 2 erreicht ist, so dass der Verdampfer 12 ausreichend heißen Dampf liefert, der in der Expansionsmaschine 3 verwendet werden kann. Der Dampfgehalt des Arbeitsmediums, der den Wärmeübertrager 1 bzw. den Verdampfer 12 veriässt, muss dabei ausreichend hoch sein, beispielsweise ein Dampfgehalt von mehr als 95%. Anschließend wird mitteis des Ventils 16 auch die Expansionsmaschine 13 in den Kreislauf eingekoppelt, so dass sich das System 2 in einer normalen Betriebsstellung befindet. Beim anschließenden Herunterfahren des Systems 2 werden die oben beschriebenen Prozessschritte beschrieben, in denen das Wasser mittels Druckluft in den Auffang- und Ausgleichsbehälter 15 eingeblasen wird.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 und dem erfindungsgemäßen System 2, dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 27 wesentliche Vorteile verbunden. Der Verbrennungsmotor 27 mit dem System 2, beispielsweise bei einem Einsatz in einem Lastkraftwagen, kann dabei dahingehend mit dem System 2 mit Wasser als Arbeitsmedium betrieben werden, dass bei Temperaturen von unter 0°C an dem System 2 keine Schäden auftreten. Damit können die mit der Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium verbundenen Vorteile in dem System 2 in vorteilhafter Weise genutzt werden, ohne dass dabei Schäden an dem System 2 auftreten. Die mobile Anwendung in Kraftfahrzeugen von Verbrennungsmotoren 27 mit dem System 2, das mit Wasser als Arbeilsmedium betrieben wird, ist damit problemlos möglich.
Bezugszeichenliste
1 Wärmeübertrager
2 System
3 Zweiten Strömungskanal
4 Ausdehnvolumen
5 Zuganker
6 Vertikale Kanalabschnitte
7 U-förmige Kanalabschnitte
8 Fase
9 System
10 Leitung
11 Pumpe
12 Verdampfer
13 Expansionsmaschine
14 Kondensator
15 Auffang- und Ausgleichsbehälter
16 Erstes Ventil zum Entkoppeln der Expansionsmaschine
17 Erste Bypassleitung zum Entkoppeln der Expansionsmaschine
18 Zweites Ventil zum Entkoppeln des Kondensators
19 Zweite Bypassleitung zum Entkoppeln des Kondensators
20 Drittes Ventil zum Entkoppeln des Auffang- und Ausgieichsbehälters 21 Dritte Bypassleitung zum Entkoppeln des Auffang- und Ausgieichsbehälters
22 Viertes Ventil zum Entkoppeln der Expansionsmaschine, des Kon densators und des Auffang- und Ausgleichsbehälters 23 Vierte Bypassleitung zum Entkoppeln Expansionsmaschine, des Kondensators und des Auffang- und Ausgleichsbehäiters
24 Fünftes Ventil zum Entkoppein der Expansionsmaschine und des Kondensators
25 Fünfte Bypassleitung zum Entkoppeln der Expansionsmaschine und des Kondensators
26 Einrichtung zum Durchleiten eines Spülfluides
27 Verbrennungsmotor
28 Hubkolbenverbrennungsmotor
29 Frischluft
30 Abgasturbolader
31 Abgas
32 Ladeluftleitung
33 Ladeluftkühler
34 Abgasrückführleitung
35 Heißes Abgas
36 Gekühltes Abgas
37 Rückschlagventil

Claims

P a t e n t a s p r ü c h e
Wärmeübertrager (1), insbesondere Verdampfer (12) für ein System
(2) zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors (27, 28) mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend
- vorzugsweise ein Gehäuse,
- vorzugsweise einen ersten Strömungskanal zum Durchleiten eines ersten Fluides,
• einen zweiten Strömungskanal (3) zum Durchleiten eines zweiten Fluides, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (3) wenigstens ein Ausdehnvolumen (4) aufweist, um Voiumenvergrößerungen des zweiten Fluides bei einer Wandlung des Aggregatzustandes des zweiten Fluides von einem flüssigen Aggregatzustand in einen festen Aggregatzustand, insbesondere ein Gefrieren, aufzunehmen. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) wenigstens eine Einlassöffnung zum Einleiten des zweiten Fluides und wenigstens eine Auslassöffnung zum Ausleiten des zweiten Fluides aufweist und wenigstens eine Einlass- öffnung und/oder wenigstens eine Auslassöffnung unterhalb des wenigstens einen Ausdehnvolumens (4), insbesondere in der vertikalen Ausrichtung an einem unteren Ende des wenigstens einen Ausdehnvolumens (4), ausgebildet ist, so dass das zweite Fluid in einem flüs- sigem Aggregatzustand aus dem wenigstens einen Ausdehnvolumen außerhalb der Nutzung durch wenigstens eine Eüinlassöffnung und/oder durch wenigstens eine Auslassöffnung ausleitbar ist und/oder sämtliche Ausdehnvolumen (4) die gleiche vertikale Aus- dehnung aufweisen. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des wenigstens einen Ausdehnvolumens (4) wenigstens 7 %, 8,9 % oder 10 % des Volumens des zweiten Strö- mungskanals
(3) außerhalb des wenigstens einen Ausdehnvolumens
(4) beträgt, der dem wenigstens einen Ausdehnvolumen (4) zugeordnet ist und/oder der zweite Strömungskanal (3) wenigstens einen, vorzugsweise mehrere, im Wesentlichen vertikale Kanalabschnitte (6) aufweist und das wenigstens eine Ausdehnvolumen (4) am oberen Ende des wenigstens einen vertikalen Kanalabschnittes (6) angeordnet ist und/oder die vertikale Ausdehnung des wenigstens einen Ausdehnvolumens (4) wenigstens 7 %, 8,9 % oder 10 % der vertikalen Ausdehnung des wenigstens einen vertikalen Kanalabschnills (6) beträgt und/oder jedem vertikalen Kanalabschnitt (6) ein Ausdehnvolu- men (4) zugeordnet ist. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (3) zwischen zwei Platten als Doppelplatte ausgebildet ist und zwischen zwei Doppelplatten der erste Strömungskanal ausgebildet ist, insbesondere die beiden Doppelplatten mit Rippen in dem ersten Strömungskanal miteinander verbunden sind und/oder je zwei vertikale Kanalabschnitte (6) mittels eines ü-förmiger Kanalabschnittes (7) mit einander verbunden sind und vorzugsweise in dem U- förmigen Kanalabschnitt die Geometrie des Strömungsraumes eine
Fase oder einen Radius aufweist. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) mehrere, übereinander angeordnete Dop- peiplatten aufweist und/oder die Doppelpiatten im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Querschniitsfläche des zweiten Strömungskanals (3) in Richtung zu dem wenigstens einen Ausdehnvoiumen (4), vorzugsweise stetig, zunimmt und/oder die vertikalen Kanalabschnitte (6) des zweiten Strömungskanais (3) zu dem wenigstens einen Ausdehnvolumen (4) konisch ausgebildet sind und die Querschntttsfläche des vertikalen Kanalabschnittes (6) nach oben zunimmt, insbesondere ein Öffnungswinkel der vertikalen Kanalabschnitte wenigstens 3" oder 5C beträgt. System (2) zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors (27, 28) mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend
- einen Kreislauf mit Leitungen (10) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser,
- eine Pumpe (11) zum Fördern des Arbeitsmediums,
- einen Verdampfer (12) zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums,
- eine Expansionsmaschine (13),
einen Kondensator (14) zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums,
- vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehäiter (15) für das flüssige Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass cler Verdampfer (12) als ein Wärmeübertrager (1) gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist und/oder das System (2) ein erstes Ventil (16) und eine erste Bypassleitung (17) umfasst und die Expansionsmaschine (13) mittels des ersten Ventils (16) und der ersten Bypassleitung (17) von dem Kreislauf entkoppelbar ist und/oder das System (2) ein zweites Ventil (18) und eine zweite Bypassleitung (19) umfasst und der Kondensator (14) mittels des zweiten Ventils (18) und der zweiten Bypassleitung (19) von dem Kreislauf entkoppelbar ist und/oder das System (2) ein drittes Ventil (20) und eine dritte Bypassleitung (21) umfasst und der Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) mittels des dritten Ventils (20) und der dritten Bypassleitung (21) von dem Kreislauf entkoppelbar ist und/oder das System (2) ein viertes Ventil (22) und eine vierte Bypassleitung (23) umfasst und mittels des vierten Ventils (22) und der vierten Bypassleitung (23) die Expansionsmaschine (13). der Kondensator (14) und der Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) von dem Kreislauf entkoppelbar sind und/oder das System (2) ein fünftes Ventil (24) und eine fünfte Bypassleitung (25) umfasst und mittels des fünften Ventils (24) und der fünften Bypassleitung (25) die Expansionsmaschine (13) und der Kondensator (14) von dem Kreislauf entkoppelbar sind und/oder das System (2) eine Einrichtung (26) zum Durchleiten eines Spülfluides, z. B. Druckluft oder eine Spülflüssigkeit, durch den Verdampfer (12) und/oder den Kondensator (14) und/oder wenigstens eine Bypassleitung (17, 19, 21, 23, 25) und/oder die Leitungen (10) des Kältekreises aufweist und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) unterhalb des Verdampfers (12) und/oder der Expansionsmaschine (13) und/oder dem Kondensator (14), insbesondere an der tiefsten Stelle des Kreislaufes, angeordnet ist, so dass sich nach dem Abschalten des Systems (2) das flüssige Arbeitsmedium im Wesentlichen vollständig in dem Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) sammelt zur Entleerung des Verdampfers (12) und/oder der Expansionsmaschine (13) und/oder des Kondensators (14) und/oder ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 8 bis 14 ausführbar ist. Verfahren zum Betreiben eines System (2) zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors (27, 28) mittels des Ciausius-Rankine-
Kreisprozesses, insbesondere eines Systems gemäß Anspruch 7, umfassend
- einen Kreislauf mit Leitungen (10) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser,
- eine Pumpe (1 ) zum Fördern des Arbeitsmediums,
- einen Verdampfer (12) zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums,
eine Expansionsmaschine (13).
- einen Kondensator (14) zum Verflüssigen des dampfförmigen Ar- beitsmediums,
- vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) für das flüssige Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschalten des Systems (2) das Arbeitsmedium im Wesentlichen vollständig in den Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) eingeleitet wird, so dass in dem Verdampfer (1 ), der Expansionsmaschine (13), dem Kondensator (14) und den Leitungen (14) im We- sentlichen kein Arbeitsmedium enthalten ist. Oder nach dem Abschalten des Systems (2) das Arbeitsmedium, abgesehen von dem Verdampfer (12), im Wesentlichen vollständig in den Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) eingeleitet wird, so dass in der Expansionsmaschine (13), dem Kondensator (14) und den Leitungen (10) im We- sentlichen kein Arbeitsmedium enthalten ist. Verfahren nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium mittels Schwerkraft in den Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) geleitet wird oder das Arbeitsmedium mittels eines Spül- fluides, z. B. eine Spülflüssigkeit oder Druckluft, in den Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) geleitet wird. Verfahren zum Betreiben eines System (2) zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors (27, 28) mittels des Clausius-Rankine- Kreisprozesses, insbesondere eines Systems (2) gemäß Anspruch 7, umfassend
- einen Kreislauf mit Leitungen (10) mit einem Arbeitsrnedium, insbesondere Wasser,
- eine Pumpe (11) zum Fördern des Arbeitsmediums,
- einen Verdampfer (12) zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums,
- eine Expansionsmaschine (13),
• einen Kondensator (14) zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums,
- vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) für das flüssige Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Inbetriebnahme des Systems (2) Arbeitsmedium in dem Verdampfer (12) in einem festen Aggregatzustand, insbesondere l-Iis, erwärmt und/oder verdampft wird und mit dem erwärmten und/oder verdampften Arbeitsmedium übrige Komponenten (10, 12, 13, 14, 15), insbesondere der Verdampfer (12) und/oder der Kondensator (14) und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter (15), des Systems (2) erwärmt werden, indem das Arbeitsmedium zu den übrigen Komponenten (10, 12, 13, 14, 15) geleitet wird. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die übri- gen Komponenten (10, 12, 13, 14,15) schrittweise aufeinanderfolgend erwärmt werden und/oder nach dem Erreichen der Betriebstemperatur des Systems (2) die Expansionsmaschine (13) in Betrieb genommen wird, indem gasförmiges Arbeitsmedium durch die Expansionsmaschine (13) geleitet wird. Verfahren zum Betreiben eines System (2) zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors (27, 28) mittels des Clausius-Rankine- Kreisprozesses, insbesondere eines Systems (2) gemäß Anspruch 7, umfassend
- einen Kreislauf mit Leitungen (10) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser,
- eine Pumpe (11) zum Fördern des Arbeitsmediums,
- einen Verdampfer (12) zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums,
- eine Expansionsmaschine (13),
- einen Kondensator (14) zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums,
- vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter (15) für das flüssige Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Inbetriebnahme des Systems (2) Arbeitsmedium außerhalb des Verdampfers (12), insbesondere in dem Auffang- und Aus- gieichsbehälter (15), in einem festen Aggregatzustand, insbesondere Eis, erwärmt und/oder verdampft wird und mit dem erwärmten und/oder verdampften Arbeitsmedium übrige Komponenten (10, 12, 13, 14), insbesondere der Verdampfer (12) und/oder der Kondensator (14) und/oder der Auffang- und Ausgleichsbehälter (15), des Systems (2) erwärmt werden, indem das Arbeitsmedium zu den übrigen Komponenten (10, 12, 13, 14) geleitet wird. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium mit elektrischer Energie und/oder Abwärme des Verbrennungsmotors (27, 28) erwärmt und verdampft wird. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die übrigen Komponenten (10, 12, 13, 14) schrittweise aufeinanderfolgend erwärmt v/erden und/oder nach dem Erreichen der Betriebstemperatur des Systems (2) die Expansionsmaschine (13) in Betrieb genommen wird, indem gasförmiges Arbeitsmedium durch die Expansionsmaschine (13) geleitet wird. Verbrennungsmotor (27), insbesondere Hubkolbenverbrennungsmotor (28), mit einem System (2) zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors (27) mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend
- einen Kreislauf mit Leitungen (10) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser,
- eine Pumpe (11) zum F ordern des Arbeitsmediums,
- einen von der Abwärme des Verbrennungsmotors (27) erwärmbaren Verdampfer (12) zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums,
··· eine Expansionsmaschine (13), - einen Kondensator (14) zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums,
- vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter(15) für das flüssige Arbeitsmedium. dadurch gekennzeichnet, dass das System (2) gemäß Anspruch 7 ausgebildet ist und/oder ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 8 bis 14 ausführbar ist.
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