WO2012152602A1 - Leitungskreis und verfahren zum betreiben eines leitungskreises zur abwärmenutzung einer brennkraftmaschine - Google Patents

Leitungskreis und verfahren zum betreiben eines leitungskreises zur abwärmenutzung einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2012152602A1
WO2012152602A1 PCT/EP2012/057778 EP2012057778W WO2012152602A1 WO 2012152602 A1 WO2012152602 A1 WO 2012152602A1 EP 2012057778 W EP2012057778 W EP 2012057778W WO 2012152602 A1 WO2012152602 A1 WO 2012152602A1
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working medium
feed pump
line
line circuit
return
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PCT/EP2012/057778
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Inventor
Gregory Rewers
Nadja Eisenmenger
Achim Brenk
Hans-Christoph Magel
Andreas Wengert
Dieter Seher
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Robert Bosch Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a line circuit and a method for operating a line circuit for waste heat utilization of an internal combustion engine according to the preamble of the independent claims.
  • a device for generating mechanical work by means of a steam engine In a closed circuit, a feedwater tank, a feed pump, a vaporization evaporator, a steam engine and a condenser are arranged.
  • the evaporator is supplied by the feed pump, feed water from the feedwater tank.
  • the feed water is vaporized and fed to a steam engine.
  • the discharged from the steam engine relaxed steam is condensed by means of a capacitor.
  • the condensed water is supplied to the feedwater tank.
  • Above the feed water tank is a protective gas space. When not operating the device, the inert gas should displace feed water from parts of the closed circuit and thereby protect frost-sensitive parts from damage.
  • the line circuit and the method for operating a line circuit for waste heat utilization of an internal combustion engine having the characterizing features of the independent claims have the advantage that the feed pump has a return line through which liquid working medium from the feed sepumpe is derivable. Through the return line, an additional hydraulic connection is provided, which makes it possible to remove liquid working fluid from the feed pump. Liquid working medium from the interior of the feed pump can be discharged directly via the return line and does not have to be transported away via the lines that lead to the feed pump and lead away from the feed pump.
  • an arrangement of the return line between the feed pump and feedwater tank since the displaced liquid working fluid is transported from the feed pump directly into the feedwater tank.
  • the return line is arranged parallel to the line connecting the feedwater tank to the feed pump.
  • a gearströmventil may be arranged, which is the Prevent backflow of working fluid, so that the return line is an alternative connection to the feedwater tank.
  • a bypass connection with a bypass valve which is arranged parallel to the expansion machine, as is passed through the bypass connection vaporous working fluid at a commissioning of the line circuit directly from the heat exchanger to the condenser and helps with thawing.
  • a check valve is in the line that connects the feed water tank with the feed pump, since the non-return valve defines a direction of flow from the feedwater tank to the feed pump. An undesirable backflow of the liquid working medium from the feed pump to the feedwater tank is avoided during normal operation of the line circuit through the check valve.
  • the emptying of the feed pump of liquid working fluid is controlled by a return valve, which is arranged in the return flow in a simple manner. If the backflow valve is closed, no liquid working medium can pass from the feed pump via the return line to the feedwater tank. If the feed pump to be emptied, the return valve can be opened, thereby displacing the liquid working fluid from the feed pump into the feedwater tank.
  • a particular advantage of the method is shown when the liquid working medium from the feed pump is fed into the feedwater tank, since the feedwater tank is a reservoir within the line circuit by larger amounts of the liquid working medium can be stored. An additional container for storing the liquid working medium is not required by this process.
  • bypass valve of the bypass connection is closed, so that the return of the vaporous working medium is blocked via the bypass connection to the condenser.
  • the vaporous working medium which is under high pressure in the heat exchanger, only has the possibility to expand in the direction of the feed pump and displaces in this way particularly effective the liquid working fluid from the feed pump to the feedwater tank.
  • the arrangement of the return valve in the return line is a particularly simple way to control the displacement of the liquid working fluid from the feed pump. If liquid working medium to be displaced from the feed pump, this is achieved by opening the remindströmventils. After displacing the liquid working fluid, the return valve is closed.
  • the circuit 4 for waste heat utilization of an internal combustion engine 2 circulates a working fluid.
  • the line circuit 4 at least one heat exchanger 8, an expansion machine 10, a condenser 12, a feedwater tank 14 and at least one feed pump 6 are arranged.
  • the internal combustion engine 2 may in particular be configured as an air-compressing, self-igniting or mixture-compressing, spark-ignited internal combustion engine 2.
  • the line circuit 4 and the associated method for operating the line circuit 4 for waste heat recovery is suitable for Twists in motor vehicles.
  • the method for operating the line circuit 4 of the invention is also suitable for other applications.
  • the internal combustion engine 2 burns fuel to generate mechanical energy.
  • the resulting exhaust gases are discharged via an exhaust system in which an exhaust gas catalyst can be arranged.
  • a line section 22 of the exhaust system is passed through the heat exchanger 8. Heat energy from the exhaust gases or the exhaust gas recirculation is discharged via the line section 22 in the heat exchanger 8 to the working fluid in the line circuit 4, so that the working fluid can be evaporated in the heat exchanger 8 and overheated.
  • the heat exchanger 8 of the line circuit 4 is connected via a line 25 to the expansion machine 10.
  • the expansion machine 10 may be configured as a turbine or piston engine. Via the line 25, the vaporized working fluid flows from the heat exchanger 8 to the expansion machine 10 and drives it.
  • the expansion machine 10 may include a drive shaft 11 through which the expander 10 is connected to a load. In this way, for example, mechanical energy can be transmitted to a drive train or used to drive an electric generator of a pump or the like.
  • the working medium After flowing through the expansion machine 10, the working medium is passed via a line 26 to the condenser 12.
  • the working medium, which has been expanded by way of the expansion machine 10, is cooled in the condenser 12.
  • the condenser 12 may be connected to a cooling circuit 20. In this
  • Cooling circuit 20 may be z. B. to act a cooling circuit of the internal combustion engine 2.
  • the working medium liquefied in the condenser 12 is transported to the feedwater tank 14 via a further line 27.
  • a condensate pump 13 which transports the liquefied working fluid from the condenser 12 to the feedwater tank 14.
  • the feed water tank 14 serves as a reservoir for the liquid working medium in the line circuit 4th
  • the liquid working medium from the feedwater tank 14 is transported via the line 29 from the feed pump 6 into the line 24.
  • a check valve 15 may be located to define a flow direction from the feedwater tank 14 to the feed pump 6. The check valve 15 prevents backflow of liquid working fluid from the feed pump 6 to the feedwater tank 14.
  • a first valve 28 may be located, which serves in the form of a pressure control valve for pressure control of the working medium in the inlet to the heat exchanger 8.
  • the evaporation temperature of the working medium can be regulated by means of the predetermined pressure in the inlet to the heat exchanger 8.
  • the line 24 leads directly into the heat exchanger 8, in which the working medium is evaporated and optionally superheated. Via the line 25, the vaporized working medium again reaches the expansion machine 10. The working medium again flows through the line circuit 4. Through the at least one feed pump 6 and the expansion machine 10, a passage direction of the working medium is given by the line circuit 4. Thus, the exhaust gases and the components of the exhaust gas recirculation of the internal combustion engine 2 via the heat exchanger 8 continuously heat energy can be withdrawn, which is discharged in the form of mechanical or electrical energy.
  • a bypass connection 32 which is arranged parallel to the expansion machine 10, are provided. Due to the bypass connection 32, vaporous working medium can flow past the expansion machine 10. The vaporous working medium passes from the heat exchanger 8 via the line 25 into the bypass connection 32, from which it passes via the line 26 into the condenser 12.
  • a bypass valve 33 may be arranged, which is closed in a normal operation of the line circuit 4. If the vaporous working medium is to be conducted past the expansion machine 10, for example when the expansion machine 10 is at a standstill, the bypass valve 33 is opened, which allows the vaporous working medium to flow past the expansion machine 10.
  • the line circuit 4 has a return line 30.
  • the return line 30 is arranged parallel to the line 29, which connects the feedwater tank 14 with the feed pump 6.
  • the return line 30 is a direct connection between the feed pump 6 and the feed water tank 14.
  • the return line 30 allows liquid working medium to flow from the feed pump 6 to the feed water tank 14.
  • the return flow line 30 can communicate with several or all internal volumes of the feed pump 6 in which liquid working medium can be located.
  • a return valve 31 is arranged, which can block the connection between the feed pump 6 and feedwater tank 14. Under normal operating conditions, the return valve 31 is closed in order to block the working medium in the direction of the feed water tank 14.
  • Water can be used as the working medium or another liquid that meets the thermodynamic requirements.
  • the working medium undergoes thermodynamic state changes, which ideally correspond to a Rankine cycle process.
  • the working medium is compressed by the feed pump 6 to the pressure level for the evaporation.
  • the heat energy of the exhaust gas is discharged via the heat exchanger 8 to the working medium.
  • the working medium isobaric evaporated and then overheated.
  • the vaporous working medium is expanded adiabatically in the expansion machine 10. This mechanical or electrical energy is obtained.
  • the vaporous working medium is then cooled in the condenser 12 and fed again via the feed pump 6 to the heat exchanger 8.
  • circuit 4 or parts of the circuit 4 must be made frost-resistant with particularly sensitive components. Due to the freezing of the working medium, the working medium undergoes an a state change in which it can solidify and expand. Components of the circuit 4 can be destroyed or damaged in this process.
  • Waste heat utilization of an internal combustion engine 2 shows a way to make components of the circuit 4 frostproof by complete or partial emptying of liquid working fluid.
  • liquid working medium in the feed pump 6 is displaced by vaporous working medium which originates from the heat exchanger 8.
  • the vaporous working medium which was generated in the heat exchanger 8 can no longer pass through the expansion machine 10 in the condenser 12.
  • the pressurized vaporous working medium from the heat exchanger 8 expands and displaces the liquid working medium from the heat exchanger 8 and the subsequent lines 24,25. Since a spread of the vaporous working medium in the direction of the condenser 12 by the stationary expansion machine 10 is not possible, the vaporous working medium flows into the conduit 24 and the subsequent feed pump 6.
  • the liquid working medium, which is located in the line 24 and in the feed pump 6, is displaced by the propagating vaporous working medium in the return flow line 30 and from there into the feedwater tank 14.
  • the return flow valve 31 is opened in the return flow line 30.
  • a first valve 28 is located in the line 24, this is completely opened for the method according to the invention so that the vaporous working medium in the line 24 can extend as far as the feed pump 6.
  • the pressure drops to the remaining in the heat exchanger 8 liquid working fluid.
  • the evaporation temperature drops, so that the still stored in the heat exchanger 8 liquid working medium is evaporated by the stored in the heat exchanger 8 thermal energy.
  • This working medium which has evaporated in the process, also spreads in the lines 24, 25, so that the emptying of the heat exchanger 8 is continued.
  • the return valve 30 is closed.
  • the pressure of the working medium continues to decrease, so that only parts of the vaporous working medium are liquefied again.
  • the small quantities of the liquid working medium may, upon freezing, on the components of the line circuit 4, e.g. Heat exchanger 8 and feed pump 6, no damage.
  • bypass valve 33 for the method for operating the line circuit 4 must be closed. This means that after the end of the circulation of the working medium, the bypass valve 33 remains closed or closed, so that the vaporous working medium from the heat exchanger 8 has no way to pass over the bypass connection 32 on the expansion machine 10 to the condenser 12.

Abstract

Es werden ein Leitungskreis (4) und ein Verfahren zum Betreiben eines Leitungskreises (4) zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) vorgeschlagen. Im Leitungskreis (4) zirkuliert ein Arbeitsmedium. Der Leitungskreis (4) beinhaltet eine Speisepumpe (6), mindestens einen Wärmetauscher (8), eine Expansionsmaschine (10), einen Speisewasserbehälter (14), um das flüssige Arbeitsmedium aufzubewahren, und einen Kondensator (12), wobei der Speisewasserbehälter (14) durch eine Leitung (29) mit der Speisepumpe (6) verbunden ist. Die Speisepumpe (6) weist eine Rückströmleitung (30) auf, über welche flüssiges Arbeitsmedium aus der Speisepumpe (6) ableitbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Leitungskreis und Verfahren zum Betreiben eines Leitungskreises zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Leitungskreis und ein Verfahren zum Betreiben eines Leitungskreises zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Aus DE 102 28 868 B4 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Arbeit mittels einer Dampfkraftmaschine bekannt. In einem geschlossenen Kreislauf sind ein Speisewasserbehälter, eine Speisepumpe, ein Verdampfer zur Dampferzeugung, eine Dampfkraftmaschine und ein Kondensator angeordnet. Dem Verdampfer wird durch die Speisepumpe, Speisewasser aus dem Speisewasserbehälter zugeführt. Das Speisewasser wird verdampft und einer Dampfkraftmaschine zugeführt. Der aus der Dampfkraftmaschine austretende entspannte Dampf wird mittels eines Kondensators kondensiert. Das kondensierte Wasser wird dem Speisewasserbehälter zugeführt. Über dem Speisewasserbehälter befindet sich ein Schutzgasraum. Bei Nichtbetrieb der Vorrichtung, soll das Schutzgas Speisewasser aus Teilen des geschlossenen Kreislaufes verdrängen und dadurch frostempfindliche Teile vor Beschädigung schützen.
Offenbarung der Erfindung
Der Leitungskreis und das Verfahren zum Betreiben eines Leitungskreises zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass die Speisepumpe eine Rückströmleitung aufweist, über welche flüssiges Arbeitsmedium aus der Spei- sepumpe ableitbar ist. Durch die Rückströmleitung ist eine zusätzliche hydraulische Verbindung gegeben, die es ermöglicht, flüssiges Arbeitsmedium aus der Speisepumpe zu entfernen. Flüssiges Arbeitsmedium aus dem Innenraum der Speisepumpe kann direkt über die Rückströmleitung abgeleitet werden und muss nicht über die Leitungen, die zur Speisepumpe hinführen und von der Speisepumpe wegführen, abtransportiert werden.
Nach dem Beenden der Zirkulation des Arbeitsmediums im Leitungskreis kann sich dampfförmiges Arbeitsmedium, welches aus dem Wärmetauscher stammt, in der Leitung zwischen Speisepumpe und Wärmetauscher und in der Speisepumpe ausdehnen und verdrängt somit flüssiges Arbeitsmedium aus der Leitung zwischen Speisepumpe und Wärmetauscher und der Speisepumpe. Das flüssige Arbeitsmedium, welches aus der Speisepumpe verdrängt wird, gelangt über die Rückströmleitung direkt in den Speisewasserbehälter. Durch das Verdrängen des flüssigen Arbeitsmediums mit dampfförmigem Arbeitsmedium kann vermieden werden, dass Schäden an der Speisepumpe bei einem Einfrieren des Leitungskreises auftreten. Durch das dampfförmige Arbeitsmedium, welches sich in der Speisepumpe und in den anschließenden Leitungen ausgedehnt hat, können Schäden bei einem Einfrieren des Leitungskreises vermieden werden. Auch wenn das Wasser nicht vollständig aus dem Leitungskreis entfernt wurde, so hat sich doch die Menge des flüssigen Arbeitsmediums in diesen Teilen des Leitungskreises so stark reduziert, dass eine Volumenausdehnung beim Einfrieren nicht mehr zu einer Beschädigung der Komponenten des Leitungskreises führen kann.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung angegeben.
Vorteilhaft ist eine Anordnung der Rückströmleitung zwischen Speisepumpe und Speisewasserbehälter, da das verdrängte flüssige Arbeitsmedium aus der Speispumpe direkt in den Speisewasserbehälter transportiert wird. Die Rückströmleitung ist parallel zur Leitung angeordnet, die den Speisewasserbehälter mit der Speisepumpe verbindet. In der Leitung, die den Speisewasserbehälter mit der Speisepumpe verbindet, kann ein Rückströmventil angeordnet sein, welches das Rückströmen von Arbeitsmedium verhindert, so dass die Rückströmleitung eine alternative Verbindung zum Speisewasserbehälter ist.
Vorteilhaft ist eine Bypassverbindung mit einem Bypassventil, die parallel zur Expansionsmaschine angeordnet ist, da durch die Bypassverbindung dampfförmiges Arbeitsmedium bei einer Inbetriebnahme des Leitungskreises direkt vom Wärmetauscher zum Kondensator geleitet wird und beim Auftauen hilft.
Ein Rückschlagventil ist in der Leitung, die den Speisewasserbehälter mit der Speisepumpe verbindet, von Vorteil, da durch das Rückschlagventil eine Strömungsrichtung vom Speisewasserbehälter zur Speisepumpe definiert wird. Ein unerwünschtes Rückströmen des flüssigen Arbeitsmediums von der Speisepumpe zum Speisewasserbehälter wird bei normalem Betrieb des Leitungskreises durch das Rückschlagventil vermieden.
Das Entleeren der Speisepumpe von flüssigen Arbeitsmedium wird durch ein Rückströmventil, welches in der Rückströmleitung angeordnet, auf einfache Weise gesteuert. Ist das Rückströmventil geschlossen, so kann kein flüssiges Arbeitsmedium aus der Speisepumpe über die Rückströmleitung zum Speisewasserbehälter gelangen. Soll die Speisepumpe entleert werden, so kann das Rückströmventil geöffnet werden und dadurch das flüssige Arbeitsmedium aus der Speisepumpe in den Speisewasserbehälter verdrängt werden.
Es zeigt sich als besonders zweckmäßig, wenn das Beenden der Zirkulation des Arbeitsmediums nach einem Stillstand der Brennkraftmaschine eintritt, da die Brennkraftmaschine nach ihrem Stillstand keine thermische Energie an den Leitungskreis abgeben kann und somit eine weitere Zirkulation des Arbeitsmediums im Leitungskreis und ein Weiterbetrieb der einzelnen Komponenten des Leitungskreises nicht benötigt wird. Durch das Beenden des Weiterbetriebs einzelnen Komponenten des Leitungskreises kann der Energieverbrauch reduziert werden.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens zeigt sich, wenn das flüssige Arbeitsmedium aus der Speisepumpe in den Speisewasserbehälter geleitet wird, da der Speisewasserbehälter ein Reservoir innerhalb des Leitungskreises ist, indem größere Mengen des flüssigen Arbeitsmediums aufbewahrt werden können. Ein zusätzlicher Behälter zur Aufbewahrung des flüssigen Arbeitsmediums wird durch diesen Vorgang nicht benötigt.
Vorteilhaft ist, wenn das Bypassventil der Bypassverbindung geschlossen wird, so dass die Rückführung des dampfförmigen Arbeitsmediums über die Bypassverbindung zum Kondensator gesperrt ist. Das dampfförmige Arbeitsmedium, welches im Wärmetauscher unter einem hohen Druck steht, hat nur die Möglichkeit sich in Richtung der Speisepumpe auszudehnen und verdrängt auf diese Weise besonders effektiv das flüssige Arbeitsmedium aus der Speisepumpe zum Speisewasserbehälter.
Durch die Anordnung des Rückströmventils in der Rückströmleitung ist eine besonders einfache Möglichkeit gegeben, das Verdrängen des flüssigen Arbeitsmediums aus der Speisepumpe zu steuern. Soll flüssiges Arbeitsmedium aus der Speisepumpe verdrängt werden, so wird dies durch ein Öffnen des Rückströmventils erreicht. Nach dem Verdrängen des flüssigen Arbeitsmediums wird das Rückströmventil geschlossen.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der einzigen Figur ist ein Leitungskreis schematisch dargestellt.
Im Leitungskreis 4 zur Abwärmenutzung eines Brennkraftmaschine 2 zirkuliert ein Arbeitsmedium. Im Leitungskreis 4 sind mindestens ein Wärmetauscher 8, eine Expansionsmaschine 10, ein Kondensator 12, ein Speisewasserbehälter 14 und mindestens eine Speisepumpe 6 angeordnet.
Die Brennkraftmaschine 2 kann insbesondere als luftverdichtende, selbstzündende oder gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine 2 ausgestaltet sein. Speziell eignet sich der Leitungskreis 4 und das dazugehörige Verfahren zum Betreiben des Leitungskreises 4 zur Abwärmenutzung für An- Wendungen bei Kraftfahrzeugen. Das Verfahren zum Betreiben des Leitungskreises 4 der Erfindung eignet sich allerdings auch für andere Anwendungsfälle.
Die Brennkraftmaschine 2 verbrennt Brennstoff, um mechanische Energie zu er- zeugen. Die hierbei entstehenden Abgase werden über eine Abgasanlage, in der ein Abgaskatalysator angeordnet sein kann ausgestoßen. Ein Leitungsabschnitt 22 der Abgasanlage ist durch den Wärmetauscher 8 geführt. Wärmeenergie aus den Abgasen oder der Abgasrückführung wird über den Leitungsabschnitt 22 im Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium im Leitungskreis 4 abgegeben, so dass das Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 verdampft und überhitzt werden kann.
Der Wärmetauscher 8 des Leitungskreises 4 ist über eine Leitung 25 mit der Expansionsmaschine 10 verbunden. Die Expansionsmaschine 10 kann als Turbine oder Kolbenmaschine ausgestaltet sein. Über die Leitung 25 strömt das ver- dampfte Arbeitsmedium vom Wärmetauscher 8 zur Expansionsmaschine 10 und treibt diese an. Die Expansionsmaschine 10 kann eine Antriebswelle 11 aufweisen, über die die Expansionsmaschine 10 mit einer Last verbunden ist. Hierdurch kann beispielsweise mechanische Energie an einen Antriebsstrang übertragen werden oder zum Antreiben eines elektrischen Generators einer Pumpe oder dergleichen dienen.
Nachdem Durchströmen der Expansionsmaschine 10 wird das Arbeitsmedium über eine Leitung 26 zum Kondensator 12 geführt. Das über die Expansionsmaschine 10 entspannte Arbeitsmedium wird im Kondensator 12 abgekühlt. Der Kondensator 12 kann mit einem Kühlkreislauf 20 verbunden sein. Bei diesem
Kühlkreislauf 20 kann es sich z. B. um einen Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 2 handeln.
Das im Kondensator 12 verflüssigte Arbeitsmedium wird über eine weitere Lei- tung 27 zum Speisewasserbehälter 14 transportiert. Im Leitungskreis 4 im Abschnitt der Leitung 27 kann sich zusätzlich zur Speisepumpe 6 eine Kondensatpumpe 13 befinden, welche das verflüssigte Arbeitsmedium aus dem Kondensator 12 zum Speisewasserbehälter 14 transportiert. Der Speisewasserbehälter 14 dient als Reservoir für das flüssige Arbeitsmedium im Leitungskreis 4. Das flüssige Arbeitsmedium aus dem Speisewasserbehälter 14 wird über die Leitung 29 von der Speisepumpe 6 in die Leitung 24 transportiert. In der Leitung 29 kann sich ein Rückschlagventil 15 befinden, um eine Strömungsrichtung vom Speisewasserbehälter 14 zur Speisepumpe 6 zu definiert. Das Rückschlagventil 15 verhindert ein Rückströmen von flüssigem Arbeitsmedium aus der Speisepumpe 6 zum Speisewasserbehälter 14.
In der Leitung 24 kann sich ein erstes Ventil 28 befinden, welches in Form eines Druckregelventils zur Druckregelung des Arbeitsmediums im Zulauf zum Wärme- tauscher 8 dient. Die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums lässt sich mit Hilfe des vorgegebenen Druckes im Zulauf zum Wärmetauscher 8 regulieren.
Die Leitung 24 führt direkt in den Wärmetauscher 8, in dem das Arbeitsmedium verdampft und gegebenenfalls überhitzt wird. Über die Leitung 25 gelangt das verdampfte Arbeitsmedium erneut zur Expansionsmaschine 10. Das Arbeitsmedium durchströmt erneut den Leitungskreis 4. Durch die mindestens eine Speisepumpe 6 und die Expansionsmaschine 10, ist eine Durchlaufrichtung des Arbeitsmediums durch den Leitungskreis 4 gegeben. Somit kann den Abgasen und den Bestandteilen der Abgasrückführung der Brennkraftmaschine 2 über den Wärmetauscher 8 fortwährend Wärmeenergie entzogen werden, die in Form von mechanischer oder elektrischer Energie abgegeben wird.
Im Leitungskreis 4 kann eine Bypassverbindung 32, die parallel zur Expansionsmaschine 10 angeordnet ist, vorgesehen werden. Durch die Bypassverbindung 32 kann dampfförmiges Arbeitsmedium an der Expansionsmaschine 10 vorbeiströmen. Das dampfförmige Arbeitsmedium gelangt vom Wärmetauscher 8 über die Leitung 25 in die Bypassverbindung 32, von der es über die Leitung 26 in den Kondensator 12 gelangt. In der Bypassverbindung 32 kann ein Bypassventil 33 angeordnet sein, welches bei einem normalen Betrieb des Leitungskreises 4 geschlossen ist. Soll das dampfförmige Arbeitsmedium an der Expansionsmaschine 10 vorbeigeleitet werden, z.B. beim Stillstand der Expansionsmaschine 10, so wird das Bypassventil 33 geöffnet, welches ein Vorbeiströmen des dampfförmigen Arbeitsmediums an der Expansionsmaschine 10 ermöglicht. Der Leitungskreis 4 weist eine Rückströmleitung 30 auf. Die Rückströmleitung 30 ist parallel zur Leitung 29 angeordnet, welche den Speisewasserbehälter 14 mit der Speisepumpe 6 verbindet. Die Rückströmleitung 30 ist eine direkte Verbin- dung zwischen der Speisepumpe 6 und dem Speisewasserbehälter 14. Durch die Rückströmleitung 30 ist es möglich, dass flüssiges Arbeitsmedium aus der Speisepumpe 6 zum Speisewasserbehälter 14 strömt. Hierbei kann die Rückströmleitung 30 mit mehreren oder allen internen Volumina der Speisepumpe 6 in Verbindung stehen, in denen sich flüssiges Arbeitsmedium befinden kann. Vor- teilhaft ist eine Anordnung der Verbindung zwischen Speisepumpe 6 und Rückströmleitung 30 an einem tiefen Punkt innerhalb der Speisepumpe 6, um den Vorgang des Entleerens durch die Schwerkraft zu unterstützen.
In der Rückströmleitung 30 ist ein Rückströmventil 31 angeordnet, welches die Verbindung zwischen Speisepumpe 6 und Speisewasserbehälter 14 sperren kann. Unter normalen Betriebsbedingungen ist das Rückströmventil 31 geschlossen, um das Arbeitsmedium in Richtung Speisewasserbehälter 14 zu sperren.
Als Arbeitsmedium kann Wasser eingesetzt werden, oder eine andere Flüssig- keit, die den thermodynamischen Anforderungen entspricht. Das Arbeitsmedium erfährt beim Durchströmen des Leitungskreises 4 thermodynamische Zustands- änderungen, die idealerweise einem Rankine-Cycle-Process entsprechen. In der flüssigen Phase wird das Arbeitsmedium durch die Speisepumpe 6 auf das Druckniveau für die Verdampfung komprimiert. Anschließend wird die Wärme- energie des Abgases über den Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium abgegeben. Dabei wir das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschließend überhitzt. Danach wird das dampfförmige Arbeitsmedium in der Expansionsmaschine 10 adiabat entspannt. Dabei wird mechanische oder elektrische Energie gewonnen. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird dann im Kondensator 12 abgekühlt und über die Speisepumpe 6 erneut dem Wärmetauscher 8 zugeführt.
Aufgrund der Nutzung von Wasser oder anderen Flüssigkeit, die bei niedrigen Temperaturen einfrieren können, muss der Leitungskreis 4 oder Teile des Leitungskreises 4 mit besonders empfindlichen Komponenten frostsicher gemacht werden. Durch das Einfrieren des Arbeitsmediums erfährt das Arbeitsmedium ei- ne Zustandsänderung, bei der es sich verfestigt und ausdehnen kann. Komponenten des Leitungskreises 4 können bei diesem Vorgang zerstört oder beschädigt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Leitungskreises 4 zur
Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine 2, zeigt eine Möglichkeit, Komponenten des Leitungskreises 4 durch vollständiges oder teilweises Entleeren von flüssigen Arbeitsmedium frostsicher zu machen. Hierbei wird nach dem Beenden der Zirkulation des Arbeitsmediums, flüssiges Arbeitsmedium in der Speisepum- pe 6 durch dampfförmiges Arbeitsmedium, welches aus dem Wärmetauscher 8 stammt, verdrängt.
Nach einem Stillstand der Brennkraftmaschine 2, wird die Expansionsmaschine 10 und die mindestens eine Pumpe 6, 13 abgestellt. Das Arbeitsmedium zirkuliert nicht mehr durch den Leitungskreis 4.
Nach dem Beenden der Zirkulation des Arbeitsmediums kann das dampfförmige Arbeitsmedium, welches im Wärmetauscher 8 erzeugt wurde nicht mehr über die Expansionsmaschine 10 in den Kondensator 12 gelangen. Das unter Druck stehende dampfförmige Arbeitsmedium aus dem Wärmetauscher 8 dehnt sich aus und verdrängt das flüssige Arbeitsmedium aus dem Wärmetauscher 8 und den anschließenden Leitungen 24,25. Da eine Ausbreitung des dampfförmigen Arbeitsmediums in Richtung Kondensator 12 durch die stillstehende Expansionsmaschine 10 nicht möglich ist, strömt das dampfförmige Arbeitsmedium in die Leitung 24 und die anschließende Speisepumpe 6. Das flüssige Arbeitsmedium, welches sich in der Leitung 24 und in der Speisepumpe 6 befindet, wird durch das sich ausbreitende dampfförmige Arbeitsmedium in die Rückströmleitung 30 und von dort in den Speisewasserbehälter 14 verdrängt. Um eine Strömung des flüssigen Arbeitsmediums von der Speisepumpe 6 zum Speisewasserbehälter 14 zu ermöglichen, wird das Rückströmventil 31 in der Rückströmleitung 30 geöffnet.
Befindet sich in der Leitung 24 ein erstes Ventil 28, so wird dieses für das erfindungsgemäße Verfahren vollständig geöffnet, so dass sich das dampfförmige Arbeitsmedium in der Leitung 24 bis zur Speisepumpe 6 ausdehnen kann. Nachdem Teile des flüssigen Arbeitsmediums durch das dampfförmige Arbeitsmedium aus der Leitung 24 oder der Speisepumpe 6 verdrängt wurden, sinkt der Druck auf das im Wärmetauscher 8 verbliebene flüssige Arbeitsmedium. Durch die Reduzierung des Druckes im Wärmetauscher 8 sinkt die Verdampfungstemperatur, so dass durch die im Wärmetauscher 8 gespeicherte thermische Energie das noch im Wärmetauscher 8 verbliebene flüssige Arbeitsmedium verdampft wird. Dieses im nach hinein verdampfte Arbeitsmedium breitet sich auch in den Leitungen 24, 25 aus, so dass die Entleerung des Wärmetauschers 8 weitergeführt wird.
Nach dem teilweisen Entleeren Leitungskreises 4 wird das Rückströmventil 30 geschlossen. In der Leitung 28 und der Speisepumpe 6 befindet sich eine große Menge dampfförmigen Arbeitsmediums mit einer hohen Temperatur. Beim weiteren Abkühlen des Leitungskreises 4 sinkt der Druck des Arbeitsmediums weiter ab, so dass nur Teile des dampfförmigen Arbeitsmediums wieder verflüssigt werden. Die geringen Mengen des flüssigen Arbeitsmediums können beim Einfrieren an den Komponenten des Leitungskreises 4, wie z.B. Wärmetauscher 8 und Speisepumpe 6, keine Schäden hervorrufen.
Befindet sich im Leitungskreis 4 eine Bypassverbindung 32, die parallel zur Expansionsmaschine 10 angeordnet ist, so muss das Bypassventil 33 für das Verfahren zum Betreiben des Leitungskreises 4 geschlossen sein. Dies bedeutet, dass nach dem Ende der Zirkulation des Arbeitsmediums das Bypassventil 33 geschlossen bleibt oder geschlossen wird, so dass das dampfförmige Arbeitsmedium aus dem Wärmetauscher 8 keine Möglichkeit hat über die Bypassverbindung 32 an der Expansionsmaschine 10 vorbei zum Kondensator 12 zu gelangen.

Claims

Ansprüche
1. Leitungskreis (4) zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2), wobei im Leitungskreis (4) ein Arbeitsmedium zirkuliert, mit einer Speisepumpe (6), mindestens einem Wärmetauscher (8), einer Expansionsmaschine (10), einem Speisewasserbehälter (14), um das flüssige Arbeitsmedium aufzubewahren, und einem Kondensator (12), wobei der Speisewasserbehälter (14) durch eine Leitung (29) mit der Speisepumpe (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisepumpe (6) eine Rückströmleitung (30) aufweist, über welche flüssiges Arbeitsmedium aus der Speisepumpe (6) ableitbar ist.
2. Leitungskreis (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückströmleitung (30) zwischen Speisepumpe (6) und Speisewasserbehälter (14) parallel zur Leitung (29) angeordnet ist.
3. Leitungskreis (4) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypass- verbindung (32) mit einem Bypassventil (33) parallel zur Expansionsmaschine (10) angeordnet ist.
4. Leitungskreis (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (29) ein Rückschlagventil (15) angeordnet ist, um eine Strömungsrichtung vom Speisewasserbehälter (14) zur Speisepumpe (6) zu definieren.
5. Leitungskreis (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückströmleitung (30) ein Rückströmventil (31) angeordnet ist, welches das Arbeitsmedium in Richtung Speisewasserbehälter (14) sperrt.
6. Verfahren zum Betreiben eines Leitungskreises (4) zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Komponenten des Leitungskreis (4) durch teilweises Entleeren vom flüssigen Arbeitsmediums frostsicher gemacht werden, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beenden der Zirkulation des Arbeitsmediums flüssiges Arbeitsmedium in der Speisepumpe (6) durch dampfförmiges Arbeitsmedium, welches aus dem Wärmetauscher (8) stammt, verdrängt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beenden der Zirkulation des Arbeitsmediums nach einem Stillstand der Brennkraftmaschine (2) eintritt.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Arbeitsmedium aus der Speisepumpe (6) in den Speisewasserbehälter (14) geleitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verdrängen des flüssige Arbeitsmedium aus der Speisepumpe (6) das By- passventil (33) der Bypassverbindung (33) geschlossen wird, so dass die Rückführung des dampfförmigen Arbeitsmediums über den Kondensator (12) gesperrt und nur die Rückführung des dampfförmigen Arbeitsmediums über eine Rückströmleitung (30) freigegeben ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verdrängen des flüssigen Arbeitsmediums aus der Speisepumpe (6) das Rückströmventil (31) geöffnet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verdrängen des flüssigen Arbeitsmediums aus der Speisepumpe (6) das Rückströmventil (31) geschlossen wird.
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