WO2015067434A1 - Verfahren zum betreiben eines systems zur energierückgewinnung aus einem abwärmestrom einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines systems zur energierückgewinnung aus einem abwärmestrom einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2015067434A1
WO2015067434A1 PCT/EP2014/071851 EP2014071851W WO2015067434A1 WO 2015067434 A1 WO2015067434 A1 WO 2015067434A1 EP 2014071851 W EP2014071851 W EP 2014071851W WO 2015067434 A1 WO2015067434 A1 WO 2015067434A1
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pressure
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Maren MATTER
Marc Oliver Roehner
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/30—Technologies for a more efficient combustion or heat usage

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a system for energy recovery from a waste heat stream of an internal combustion engine, wherein the system comprises a working fluid circuit with at least one in the
  • Abblazestrom arranged evaporator, a controllable bypass via a bypass expansion machine, a flowed through by a coolant condenser and a pump. Furthermore, the invention relates to a corresponding system for energy recovery.
  • the invention is based on the object, a method for operating a system for energy recovery from a waste heat stream of a
  • This object is achieved in that in the bypass for bypassing the expansion machine, a throttling of the working fluid and at the same time in the
  • Working fluid circuit pressure increase is adjustable.
  • the corresponding system for energy recovery provides that the bypass has a bypass valve and the working fluid circuit has a pressure control device.
  • the throttling of the working fluid in bypassed includes
  • Expansion machine active throttling by a throttle device which is optionally adjustable. Active throttling of the working fluid is necessary at this point to ensure the function of the working fluid circuit.
  • the required cooling capacity for liquefying the working fluid is composed of a proportion for cooling the superheated steam of the working fluid to the attainment of the dew point and the proportion for the condensation and is defined as follows: )]
  • the throttling is adjustable by a bypass valve, again in the invention by the
  • the increase of the pressure takes place by means of a pressure regulating device.
  • the pressure control device is basically installed at any point in the working fluid circuit and by means of the pressure control device , a pressure p n0 rmai (Pn) and a pressure p h0Ch (P) can be set in the working fluid circuit .
  • the pressure control device is installed in a surge tank. In this embodiment, the
  • Equalizing tank designed for example in the manner of a piston pump, so that in this case can be made of known constructions.
  • the working fluid can thus at the next
  • Figure 1 is a schematic representation of a circuit diagram of a system for
  • Figure 2 is a log (p), h diagram in which the relationships of
  • Figure 1 shows a schematic representation of a system for energy recovery from a waste heat stream of an internal combustion engine. During operation of an internal combustion engine of this fuel and combustion air are supplied in Combustion chambers of the internal combustion engine during operation of the same below
  • the resulting waste heat stream is removed via an attached to the internal combustion engine 1 exhaust pipe 2 and passed through an evaporator 3.
  • the evaporator 3 is designed, for example, as a tubular heat exchanger and has a number of tubes through which the hot exhaust gas is passed before it reaches the downstream exhaust pipe 2 on the outlet side of the evaporator 3.
  • the exhaust pipe 2 in front of or behind the evaporator, at least one exhaust muffler and / or a device for
  • the evaporator 3 is part of a system for energy recovery from the exhaust stream of the internal combustion engine 1 and has a working fluid circuit 4, which is flowed through by a working fluid, which is for example water or an organic medium such as ethanol.
  • a working fluid which is for example water or an organic medium such as ethanol.
  • the pump 5 can be operated mechanically, hydraulically or preferably electrically, wherein the operation can be controlled. This means that the pump 5 at least as a function of
  • Operating conditions of the system can be turned on and off.
  • the pump 5 can also be operated at an idle speed at the just as much working fluid through the
  • the expansion machine 6 has, for example, a turbine mounted in a housing, which is set in rotary motion by the flowing working fluid in a flow.
  • the turbine has a stored in bearings shaft 7, which with a
  • the work machine 8 is connected.
  • the work machine 8 is, for example, a generator with which power is generated and optionally stored, for example, in a battery.
  • the energy thus generated in the form of electricity can in any way, for example, when installing the internal combustion engine in a vehicle to be used to drive the vehicle.
  • work machine 8 can also be a hydraulic machine, for example, with which a hydraulic fluid is conveyed, for example, into a reservoir.
  • work machine 8 may also be a mechanical machine, which is for example connected directly to a drive train of a vehicle, in which the internal combustion engine 1 is installed.
  • the working fluid circuit 4 further comprises a condenser 9 through which the working fluid and a cooling fluid pass.
  • the condenser 9 has a coolant supply line 10 and a coolant discharge line 11.
  • the coolant supply line 10 and the coolant discharge line 11 are connected, for example, to the cooling system of the internal combustion engine. But it can also be provided that the coolant supply line 10 and the
  • Coolant discharge line 1 1 with its own radiator and its own
  • Circulation pump to promote the coolant are provided.
  • the working fluid circuit 4 also has a bypass 12 bypassing the expansion machine 6, which is controlled by a bypass valve 13.
  • the bypass valve 13 is designed as a three-way valve and of the bypass valve 13, the flow of the working fluid flow can be diverted into the bypass 12.
  • the bypass 12 opens downstream of the expansion machine 6 again in the working fluid circuit 4 a. By bypassing the working fluid at the expansion machine 6, the working fluid does not relax and is additionally integrated, for example, by an independent or in the bypass valve 13
  • Throttle device throttled. The state change during this period
  • Throttling results in a higher inlet temperature in the condenser 9 than in a relaxation of the working fluid in the expansion machine 6 and thus to a higher cooling power requirement for condensation of the working fluid.
  • the design of the condenser 9 with respect to the maximum cooling capacity is thus determined by these operating state changes with a throttling process, since a reduction of the heat absorbed by the working fluid via the evaporator 3 can not take place directly.
  • the arrangement of the individual components in the working fluid circuit 4 and the thermal inertia of the heat exchanger play a crucial role here. Furthermore, the working fluid circuit 4 to a surge tank 14, which is equipped with a pressure control device 15.
  • the pressure of the working fluid in the working fluid circuit 4 and in particular in the condenser 9 can be adjusted.
  • a setting is preferably carried out in the form that in an operating state explained below, the pressure of the working fluid in the condenser can be increased from a pressure p n0 rmai (Pn) to a pressure p h0Ch (P h ).
  • the pressure control device 15 for example, a piston which can be adjusted by means of a piston rod in the expansion tank 14.
  • the required cooling capacity for liquefying the working fluid is composed of an amount for cooling the superheated working fluid in the form of steam until reaching the dew point and the proportion for the condensation and is defined as follows:
  • the pressure regulating device 15 in the expansion tank 14 is used as described.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine, wobei das System einen Arbeitsfluidkreislauf (4) mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Verdampfer (3), einer über einen Bypass (12) steuerbar umgehbaren Expansionsmaschine (6), einen von einem Kühlmittel durchströmten Kondensator (9) und eine Pumpe (5) aufweist. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine angegeben, bei dem die maximal notwendige Kühlleistung, die von dem Kondensator (9) aufgebracht werden muss, reduziert ist. Erreicht wird dies dadurch, dass in dem Bypass (12) bei umgangener Expansionsmaschine (6) eine Drosselung des Arbeitsfluids und gleichzeitig in dem Arbeitsfluidkreislauf (4) eine Druckerhöhung einstellbar ist.

Description

Titel:
Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine, wobei das System einen Arbeitsfluidkreislauf mit zumindest einem in dem
Abwärmestrom angeordneten Verdampfer, einer über einen Bypass steuerbar umgehbaren Expansionsmaschine, einen von einem Kühlmittel durchströmten Kondensator und eine Pumpe aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes System zur Energierückgewinnung.
Stand der Technik
Ein derartiges Verfahren zum Betreiben eines Systems zur
Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine und ein entsprechendes System sind aus der DE 10 2010 010 298 A1 bekannt. Das angegebene Verfahren beschäftigt sich mit einer Steuerung beziehungsweise Regelung der Pumpe. Denn entweder muss eine in ihrer Förderleistung regelbare Pumpe vorgesehen werden, oder aber es wird eine ungeregelte Pumpe mit einem Pumpenbypass vorgesehen, wobei die zum Verdampfer geleitete Menge des Arbeitsfluids durch mehr oder minder starkes Öffnen eines Ventils in dem Bypass eingestellt wird. Mit zunehmendem Verschließen des Ventils in dem Bypass wird mehr Arbeitsfluid in Richtung des Verdampfers geleitet, und mit zunehmendem Öffnen des Ventils in dem Bypass wird weniger Arbeitsmittel zu dem Verdampfer geleitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer
Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem die maximal notwendige Kühlleistung, die von einem Kondensator aufgebracht werden muss, reduziert ist. Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in dem Bypass zur Umgehung der Expansionsmaschine eine Drosselung des Arbeitsfluids und gleichzeitig in dem
Arbeitsfluidkreislauf eine Druckerhöhung einstellbar ist. Das entsprechende System zur Energierückgewinnung sieht vor, dass der Bypass ein Bypassventil und der Arbeitsfluidkreislauf eine Druckregeleinrichtung aufweist. Hierbei umfasst die Drosselung des Arbeitsfluids bei umgangener
Expansionsmaschine eine aktive Drosselung durch eine Drosseleinrichtung, die gegebenenfalls einstellbar ist. Eine aktive Drosselung des Arbeitsfluids ist an dieser Stelle zur Sicherstellung der Funktion des Arbeitsfluidkreislaufs notwendig.
Durch das Vorbeiführen des Arbeitsfluids an der Expansionsmaschine erfolgt keine Expansion des Arbeitsfluids, die mit einer Temperaturabsenkung verbunden ist. Dadurch, dass nunmehr das Fluid an der Expansionsmaschine vorbeigeführt wird, tritt das Arbeitsfluid mit einer höheren Temperatur in den Kondensator ein, so dass ein höherer Kühlleistungsbedarf zur Kondensation des Arbeitsfluids besteht. Die Auslegung des Kondensators bezüglich der maximalen Kühlleistung wird somit von diesem Betriebszustand bestimmt, da eine
Reduzierung der vom Arbeitsfluid über den oder die Verdampfer
aufgenommenen Wärme nicht unmittelbar erfolgen kann. Die Anordnung der Komponenten in dem Arbeitsfluidkreislauf und die thermische Trägheit des Verdampfers spielen hierbei eine entscheidende Rolle. Bei einer Darstellung dieses Vorgangs in einem log (p), h-Diagramm durchläuft das Arbeitsfluid einen Zustand mit einer höheren Temperatur als bei einer Durchströmung der
Expansionsmaschine und einer Expansion des Arbeitsfluids. Dementsprechend kommt in diesem Fall eine höhere thermische Leistung an dem Kondensator an und der Kühlleistungsbedarf wird dementsprechend erhöht.
Die erforderliche Kühlleistung zur Verflüssigung des Arbeitsfluids setzt sich aber aus einem Anteil zur Abkühlung des überhitzten Dampfes des Arbeitsfluids bis zur Erreichung der Taulinie sowie dem Anteil für die Kondensation zusammen und ist folgendermaßen definiert: )]
J
V
Anteil Kühlleistung zur Erreichung der Taulinie Kondensationsenthalpie
Erfolgt nun eine Druckerhöhung des Arbeitsfluids in dem Arbeitsfluidkreislauf, reduziert sich die erforderliche Gesamtkühlleistung bis zum Erreichen der Siedelinie, da die Siedetemperatur mit dem Druck zunimmt und die
Kondensationsenthalpie geringer wird. Zwar steigt die Eintrittstemperatur in den Kondensator und damit die erforderliche Kühlleistung zur Erreichung der Taulinie mit der Druckerhöhung an, diese hat aber im Vergleich zur
Kondensationsenthalpie einen kleineren Einfluss auf die erforderliche
Gesamtkühlleistung. Somit wird im Ergebnis durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Reduzierung der Gesamtkühlleistung erreicht.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Drosselung durch ein Bypassventil einstellbar, wobei wiederum in Weiterbildung der Erfindung durch das
Bypassventil gleichzeitig die Zuleitung zu der Expansionsmaschine absperrbar ist. Diese Ausgestaltung beziehungsweise dieses Verfahren betrifft die zuvor erwähnte aktive Drosselung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch verwirklicht, wenn das Arbeitsfluid durch den geöffneten Bypass (nur) an der Expansionsmaschine vorbei geführt wird. Diese Vorbeiführung erfolgt schon allein dadurch, dass die Expansionsmaschine dem Arbeitsfluid einen
Strömungswiderstand entgegensetzt, so dass das Arbeitsfluid in den Bypass einströmt.
In Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Erhöhung des Drucks mittels einer Druckregeleinrichtung. Die Druckregeleinrichtung ist grundsätzlich an beliebiger Stelle in den Arbeitsfluidkreislauf eingebaut und mittels der Druckregeleinrichtung kann ein Druck pn0rmai (Pn) und ein Druck ph0Ch (P ) in dem Arbeitsfluidkreislauf eingestellt werden. In weiterer Ausgestaltung ist die Druckregeleinrichtung in einen Ausgleichsbehälter eingebaut. Bei dieser Ausgestaltung ist der
Ausgleichsbehälter beispielsweise in Art einer Kolbenpumpe ausgestaltet, so dass hierbei auf bekannte Konstruktionen zurückgegriffen werden kann.
Weiterhin hat das erfindungsgemäße Verfahren und das entsprechende System Vorteile bezüglich der Ausnutzung der von einem Fahrzeug, in dem die
Brennkraftmaschine eingebaut ist, gewonnenen Abwärme. Dadurch, dass eine geringere Wärmemenge im Kondensator abgeführt wird, ist das untere
Enthalpieniveau des Arbeitsfluids beim nächsten Durchlauf durch den
Arbeitsfluidkreislauf höher. Das Arbeitsfluid kann somit beim nächsten
Umschalten auf den Expansionsmaschinenbetrieb im Verdampfer stärker überhitzt werden und somit eine größere Leistung an der Expansionsmaschine abgegriffen werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in der Zeichnung
dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 in schematischer Darstellung ein Schaltbild eines Systems zur
Energierückgewinnung aus dem Abwärmestrom einer
Brennkraftmaschine und
Figur 2 ein log (p), h-Diagramm, in dem die Zusammenhänge der
erfindungsgemäß eingestellten Vorgänge dargestellt sind.
Ausführungsform der Erfindung
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine. Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine werden dieser Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen der Brennkraftmaschine beim Betrieb derselben unter
Wärmeentwicklung und der Erzeugung von mechanischer Arbeit verbrennen. Der entstandene Abwärmestrom wird über eine an der Brennkraftmaschine 1 angebrachte Abgasleitung 2 abgeführt und durch einen Verdampfer 3 geführt. Der Verdampfer 3 ist beispielsweise als Röhrenwärmetauscher ausgebildet und weist eine Anzahl von Röhren auf, durch die das heiße Abgas geleitet wird, bevor es auf der Ausgangsseite des Verdampfers 3 in die weiterführende Abgasleitung 2 gelangt. In die Abgasleitung 2 können vor oder hinter dem Verdampfer zumindest ein Abgasschalldämpfer und/oder eine Einrichtung zur
Nachbehandlung des Abgases beispielsweise in Form eines Katalysators und/oder eines Rußfilters eingebaut sein, bevor das Abgas aus der Abgasleitung 2 in die Umgebung abgeleitet wird. Neben dem Verdampfer 3 kann ein weiterer als Verdampfer wirkender Wärmetauscher beispielsweise in eine
Abgasrückführleitung der Brennkraftmaschine eingebaut sein, um auch die in der Abgasrückführleitung anfallende Abwärme der Brennkraftmaschine zu nutzen.
Der Verdampfer 3 ist Teil eines Systems zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine 1 und weist einen Arbeitsfluidkreislauf 4 auf, der von einem Arbeitsfluid, das beispielsweise Wasser oder ein organisches Medium wie Äthanol ist, durchströmt wird. Dazu ist eine Pumpe 5 in den
Arbeitsfluidkreislauf 4 eingeschaltet, die das Arbeitsfluid durch den
Arbeitsfluidkreislauf 4 fördert. Die Pumpe 5 kann mechanisch, hydraulisch oder vorzugsweise elektrisch betrieben werden, wobei der Betrieb gesteuert werden kann. Das heißt, dass die Pumpe 5 zumindest in Abhängigkeit von
Betriebszuständen des Systems eingeschaltet und ausgeschaltet werden kann.
Gegebenenfalls kann die Pumpe 5 darüber hinaus mit einer Leerlaufdrehzahl betrieben werden, bei der gerade so viel Arbeitsfluid durch den
Arbeitsfluidkreislauf 4 gefördert wird, dass eine Expansionsmaschine 6 gerade mit einer Leerlaufdrehzahl betrieben wird. Die Expansionsmaschine 6 weist beispielsweise eine in einem Gehäuse gelagerte Turbine auf, die von dem strömenden Arbeitsfluid bei einer Durchströmung in Drehbewegung versetzt wird. Die Turbine weist eine in Lagern gelagerte Welle 7 auf, die mit einer
Arbeitsmaschine 8 verbunden ist. Die Arbeitsmaschine 8 ist beispielsweise ein Generator, mit dem Strom erzeugt wird und gegebenenfalls beispielsweise in einer Batterie gespeichert wird. Die so in Form von Strom erzeugte Energie kann in beliebiger Art und Weise, beispielsweise beim Einbau der Brennkraftmaschine in ein Fahrzeug, zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden. Die
Arbeitsmaschine 8 kann aber auch beispielsweise eine hydraulische Maschine sein, mit der ein Hydraulikfluid beispielsweise in einen Speicher gefördert wird. Schließlich kann die Arbeitsmaschine 8 auch eine mechanische Maschine sein, die beispielsweise direkt mit einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine 1 eingebaut ist, verbunden ist.
Der Arbeitsfluidkreislauf 4 weist weiterhin einen Kondensator 9 auf, der von dem Arbeitsfluid und einem Kühlfluid durchströmt wird. Dazu weist der Kondensator 9 eine Kühlmittelzuführleitung 10 und eine Kühlmittelabführleitung 1 1 auf. Die Kühlmittelzuführleitung 10 und die Kühlmittelabführleitung 1 1 sind beispielsweise mit dem Kühlsystem der Brennkraftmaschine verbunden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Kühlmittelzuführleitung 10 und die
Kühlmittelabführleitung 1 1 mit einem eigenen Kühler und einer eigenen
Umwälzpumpe zur Förderung des Kühlmittels versehen sind.
Der Arbeitsfluidkreislauf 4 weist weiterhin einen die Expansionsmaschine 6 umgehenden Bypass 12 auf, der von einem Bypassventil 13 gesteuert wird. Das Bypassventil 13 ist als Dreiwegeventil ausgelegt und von dem Bypassventil 13 kann der Strömungsfluss des Arbeitsfluids in den Bypass 12 umgeleitet werden. Der Bypass 12 mündet stromabwärts der Expansionsmaschine 6 wieder in den Arbeitsfluidkreislauf 4 ein. Durch die Vorbeileitung des Arbeitsfluids an der Expansionsmaschine 6 entspannt das Arbeitsfluid nicht und wird zusätzlich beispielsweise von einer eigenständigen oder in das Bypassventil 13 integrierten
Drosseleinrichtung gedrosselt. Die Zustandsänderung während dieses
Drosselvorgangs führt zu einer höheren Eintrittstemperatur in den Kondensator 9 als bei einer Entspannung des Arbeitsfluids in der Expansionsmaschine 6 und somit zu einem höheren Kühlleistungsbedarf zur Kondensation des Arbeitsfluids. Die Auslegung des Kondensators 9 bezüglich der maximalen Kühlleistung wird somit von diesen Betriebszustandsänderungen mit einem Drosselvorgang bestimmt, da eine Reduzierung der von dem Arbeitsfluid über den Verdampfer 3 aufgenommenen Wärme nicht unmittelbar erfolgen kann. Die Anordnung der einzelnen Komponenten in dem Arbeitsfluidkreislauf 4 und die thermische Trägheit der Wärmeüberträger spielen hierbei eine entscheidende Rolle. Weiterhin weist der Arbeitsfluidkreislauf 4 einen Ausgleichsbehälter 14 auf, der mit einer Druckregeleinrichtung 15 ausgestattet ist. Mit der Druckregeleinrichtung 15 kann der Druck des Arbeitsfluids in dem Arbeitsfluidkreislauf 4 und insbesondere in dem Kondensator 9 eingestellt werden. Dabei erfolgt eine Einstellung vorzugsweise in der Form, dass in einem nachfolgend noch erläuterten Betriebszustand der Druck des Arbeitsfluids in dem Kondensator von einem Druck pn0rmai (Pn) auf einen Druck ph0Ch (Ph) erhöht werden kann. Dazu weist die Druckregeleinrichtung 15 beispielsweise einen Kolben auf, der mittels einer Kolbenstange in dem Ausgleichsbehälter 14 verstellt werden kann.
Der Zusammenhang der erfindungsgemäß in dem Arbeitsfluidkreislauf 4 eingestellten Vorgänge mit der erforderlichen Kühlleistung ist in Figur 2 anhand eines log (p), h-Diagramms dargestellt. Die Betriebspunkte des Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine, während der in der Expansionsmaschine 6 von dem Arbeitsfluid Arbeit abgegeben wird, sind durch die Verbindung der Eckpunkte 1-2-3-4a
charakterisiert. Dabei erfolgt von dem Eckpunkt 3 zu dem Eckpunkt 4a die Arbeitsabgabe in der Expansionsmaschine 6 bei gleichzeitiger Entspannung des Arbeitsfluids. Findet eine Umgehung der Expansionsmaschine 6 über den Bypass 12 bei gleichzeitiger Drosselung des Arbeitsfluids statt, durchläuft das Arbeitsfluid den Zustand 4b (1-2-3-4b) mit einer Temperatur t (4b) > t (4a).
Dadurch kommt im Falle des Drosselvorgangs eine höhere thermische Leistung am Kondensator 9 an und der Kühlleistungsbedarf ist dementsprechend erhöht.
Die erforderliche Kühlleistung zur Verflüssigung des Arbeitsfluids setzt sich aus einem Anteil zur Abkühlung des überhitzten Arbeitsfluids in Form von Dampf bis zur Erreichung der Taulinie sowie dem Anteil für die Kondensation zusammen und ist folgendermaßen definiert:
Q 'erfordert 'ich =™ Arbeitsfluid [C p ' ißmArheilsfluid ~ &Taulinie P 'Arbeitsfluid )) + ^tlv (p Arbeitsfluid )]
Figure imgf000009_0001
Anteil Kühlleistung zur Erreichung der Taulinie Kondensationsenthalpie Wird zusätzlich der Druck des Arbeitsfluids bei der Kondensation erhöht, reduziert sich die erforderliche Gesamtkühlleistung in dem Kondensator 9 bis zum Erreichen der Siedelinie, da die Siedetemperatur mit dem Druck zunimmt und die Kondensationsenthalpie geringer wird. Zwar steigt die Eintrittstemperatur in den Kondensator 9 und damit die erforderliche Kühlleistung zur Erreichung der Taulinie mit der Druckerhöhung an, diese hat aber im Vergleich zur
Kondensationsenthalpie einen kleineren Einfluss auf die erforderliche
Gesamtkühlleistung. Dieser Vorgang ist mittels der Zustände 5a (für die
Expansion zum höheren unteren Druckniveau) sowie 5b (Umgehung der Expansionsmaschine 6 und Drosselung des Arbeitsfluids in dem Bypass 12) in dem Diagramm dargestellt.
Wird das Arbeitsfluid in einen nachfolgenden Betriebszustand wieder über die Expansionsmaschine 6 geleitet und entspannt, wird der Druck des Arbeitsfluids wieder auf das niedrigere Niveau abgesenkt, um die Expansionsmaschine 6 wirkungsgradoptimal zu betreiben. Zum Aufbau des Drucks ph0Ch (Ph) in dem Kondensator 9 wird - wie ausgeführt - beispielsweise die Druckregeleinrichtung 15 in dem Ausgleichsbehälter 14 verwendet.
Neben der positiven Auswirkung auf die Auslegung des Kondensators, der durch die erforderliche geringere aufzubringende Kühlleistung kleiner ausgelegt sein kann, da Kühlleistungsspitzen abgesenkt werden, ergeben sich zudem Vorteile bezüglich der Ausnutzung der vom Fahrzeug gewonnenen Abwärme. Dadurch, dass eine geringere Wärmemenge im Kondensator 9 abgeführt wird, ist das untere Enthalpieniveau des Arbeitsfluids beim nächsten Durchlauf durch den Kreisprozess höher. Das Arbeitsfluid kann so beim nächsten Umschalten auf den Expansionsmaschinenbetrieb im Verdampfer 3 stärker überhitzt werden und eine größere Leistung kann an der Expansionsmaschine 6 abgegriffen werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine, wobei das System einen Arbeitsfluidkreislauf (4) mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Verdampfer (3), einer über einen Bypass (12) steuerbar umgehbaren Expansionsmaschine (6), einen von einem Kühlmittel durchströmten Kondensator (9) und eine Pumpe (5) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bypass (12) bei umgangener Expansionsmaschine (6) eine Drosselung des Arbeitsfluids und gleichzeitig in dem Arbeitsfluidkreislauf (4) eine Druckerhöhung einstellbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung durch ein Bypassventil (13) einstellbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Bypassventils (13) die Zuleitung zu der Expansionsmaschine (6) absperrbar ist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung des Drucks mittels einer Druckregeleinrichtung (15) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Druckregeleinrichtung ein Druck Pnormai (Pn) und ein Druck phoCh (Ph) in dem Kondensator (9) einstellbar ist.
6. System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer
Brennkraftmaschine, wobei das System einen Arbeitsfluidkreislauf (4) mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Verdampfer (3) einer über einen Bypass (12) steuerbar umgehbare Expansionsmaschine (6), einem von einem Kühlmittel durchströmten Kondensator (9) und eine Pumpe (5) aufweist, und wobei in die Zuleitung zu der Expansionsmaschine stromabwärts des Bypasses (12) ein Absperrventil angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (12) ein Bypassventil (13) und der Arbeitsfluidkreislauf (4) eine Druckregeleinrichtung (15) aufweist.
7. System nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassventil (13) regelbar einstellbar ist.
8. System nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (12) und/oder das Bypassventil eine Drosseleinrichtung aufweist.
9. System nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregeleinrichtung (15) in einen Ausgleichsbehälter (14) eingebaut ist.
PCT/EP2014/071851 2013-11-06 2014-10-13 Verfahren zum betreiben eines systems zur energierückgewinnung aus einem abwärmestrom einer brennkraftmaschine WO2015067434A1 (de)

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DE201310222511 DE102013222511A1 (de) 2013-11-06 2013-11-06 Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine

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