WO2015149916A1

WO2015149916A1 - Verfahren zum betreiben eines systems für einen thermodynamischen kreisprozess, steuereinrichtung für ein system für einen thermodynamischen kreisprozess, system, und anordnung aus einer brennkraftmaschine und einem system

Info

Publication number: WO2015149916A1
Application number: PCT/EP2015/000630
Authority: WO
Inventors: Niklas Waibel; Daniel Stecher; Jens Niemeyer; Max Lorenz; Tim Horbach; Gerald Fast; Mathias Müller; Andreas Brümmer; Alexander Nikolov
Original assignee: Mtu Friedrichshafen Gmbh
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2015-10-08
Also published as: DE102014206033A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems (5) für einen thermodynamischen Kreisprozess, das einen Verdampfer (7), einen Kondensator (11) und eine Expansionseinrichtung (8) aufweist, wobei die Expansionseinrichtung (8) - in Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums des thermodynamischen Kreisprozesses gesehen - zwischen dem Verdampfer (7) und dem Kondensator (11) angeordnet ist, mit folgenden Schritten: Erfassen von wenigstens einem Betriebsparameter des Systems (5) und Einstellen einer Drehzahl der Expansionseinrichtung (8) auf einen Wert, bei dem die Expansionseinrichtung (8) eine maximale Leistungsabgabe bei dem erfassten Betriebsparameter aufweist.

Description

BESCHREIBUNG Verfahren zum Betreiben eines Systems für einen thermodynamischen Kreisprozess, Steuereinrichtung für ein System für einen thermodynamischen Kreisprozess, System, und Anordnung aus einer Brennkraftmaschine und einem System

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß Anspruch 1, eine Steuereinrichtung für ein System für einen

thermodynamischen Kreisprozess gemäß Anspruch 9, ein System für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß Anspruch 10, und eine Anordnung aus einer Brennkraftmaschine und einem entsprechenden System gemäß Anspruch 15. Therrnodynamische Kreisprozesse, insbesondere der organische Rankine-Kreisprozess,

Verfahren zur deren Betrieb sowie entsprechende Systeme und Anordnungen sind grundsätzlich bekannt. Bei dem organischen Rankine-Kreisprozess handelt es sich um einen dem Clausius- Rankine-Kreisprozess ähnlichen thermodynamischen Kreisprozess, der jedoch typischerweise mit einem organischen Arbeitsmedium bei niedriger Temperatur der Wärmezufuhr betrieben wird. Dieser Kreisprozess eignet sich besonders zur Abwärmenutzung beispielsweise in stationären Kraftwerken oder in Kraftfahrzeugen. Systeme zum Betreiben eines

thermodynamischen Kreisprozesses insbesondere dieser Art weisen einen Verdampfer zur Verdampfung des Arbeitsmediums, einen Kondensator zur Kondensation des Arbeitsmediums und eine Expansionseinrichtung auf, wobei die Expansionseinrichtung - in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids gesehen - zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator angeordnet ist. Das Arbeitsmedium nimmt in dem Verdampfer Wärme auf, welche es unter Expansion in der Expansionseinrichtung teilweise als mechanische Arbeit wieder abgibt. In dem Kondensator wird das Arbeitsmedium unter weiterer Wärmeabfuhr kondensiert und anschließend dem

Verdampfer wieder zugeführt, sodass der Kreisprozess insgesamt geschlossen ist. Als

Expansionseinrichtung wird typischerweise eine Turbine oder eine Hubkolbenmaschine verwendet. Schraubenmaschinen sind dagegen typischerweise in ihrer Verwendung als

Kompressoren bekannt, wobei sie meist mittels eines Elektromotors mit konstanter Drehzahl angetrieben werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für einen thermodynamischen

Kreisprozess zu schaffen, welches eine gesteigerte Leistungsausbeute im Kreisprozess ermöglicht. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung, ein System, und eine Anordnung aus einem System für einen thermodynamischen Kreisprozess und einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welche ebenfalls eine Steigerung der Leistungsausbeute in dem Kreisprozess ermöglichen.

Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Im Rahmen des Verfahrens ist vorgesehen, dass wenigstens ein Betriebsparameter des Systems erfasst wird. Eine Drehzahl der Expansionseinrichtung wird in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebsparameter eingestellt. Insbesondere wird die Drehzahl auf einen Wert eingestellt, bei welchem die Expansionseinrichtung eine maximale Leistungsabgabe bei dem erfassten Betriebsparameter aufweist. Dies bedeutet, dass die Leistungsabgabe der

Expansionseinrichtung durch Einstellen der Drehzahl in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebsparameter optimiert wird. Hierdurch weist das System eine besonders hohe

Leistungsausbeute auf. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Leistungsabgabe der

Expansionseinrichtung bei gegebenen Betriebsparametern des Systems im Wesentlichen von der Drehzahl abhängt, weshalb eine optimale Einstellung derselben für eine gesteigerte

Leistungsausbeute des Systems insgesamt wichtig ist.

Der Begriff„Einstellen" umfasst dabei sowohl die Möglichkeit, dass die Drehzahl gesteuert wird, als auch die Möglichkeit, dass die Drehzahl geregelt wird. Dabei ist eine Steuerung der Drehzahl besonders einfach realisierbar, während eine Regelung eine besonders genaue

Einstellung und damit eine nochmals erhöhte Leistungsausbeute ermöglicht.

Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher das System mit einem organischen Rankine-Kreisprozess betrieben wird. In dem System wird also ein organischer Rankine-Kreisprozess durchgeführt oder betrieben, wobei - wie zuvor bereits erläutert - diese Art des thermodynamischen Kreisprozesses besonders geeignet ist für eine Abwärmenutzung, beispielsweise in stationären Kraftwerken oder in Kraftfahrzeugen. Als Arbeitsmedium wir bevorzugt Ethanol verwendet.

Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Expansionseinrichtung ein Schraubenexpander verwendet wird. Im Rahmen des Verfahrens wird also der thermodynamische Kreisprozess bevorzugt in einem System betrieben, welches neben dem Verdampfer und dem Kondensator einen

Schraubenexpander als Expansionseinrichtung aufweist. Dabei hat sich die Verwendung eines Schraubenexpanders als in Hinblick auf die Leistungsausbeute besonders in einem organischen Rankine-Kreisprozess (im Folgenden kurz ORC genannt) besonders günstig herausgestellt. Dies gilt ganz besonders für ORC-Systeme, die ohne Überhitzung betrieben werden, sodass das Arbeitsmedium im Bereich seines Eintritts in die Expansionseinrichtung als Sattdampf vorliegt, der innerhalb der Expansionseinrichtung zur Kondensation neigt. Ein solcher

Schraubenexpander stellt aber auch bei ORC-Systemen mit Überhitzung eine in Hinblick auf die Leistungsausbeute besonders geeignete Expansionseinrichtung dar. Dabei ist ein

Schraubenexpander eine schadraumfreie Verdrängermaschine, deren Arbeitskammern durch Zahnzwischenräume zweier schräg verzahnter Zahnräder, die auch als Rotoren bezeichnet werden, gebildet werden. Dabei greifen die Zähne der Rotoren, die bevorzugt spiralförmig an deren in axialer Richtung langgestreckten Umfangsflächen verlaufen, jeweils in die

Zahnzwischenräume des jeweils anderen Rotors ein. Bei einer Relativdrehung der beiden Rotoren zueinander bilden sich auf diese Weise Arbeitskammern mit veränderlichem Volumen aus, in denen das Arbeitsmedium auf seinem Weg durch den Schraubenexpander von einer Einlassöffnung zu einer Auslassöffnung expandiert.

Alternativ ist es auch möglich, dass als Expansionseinrichtung eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbine, oder eine Verdrängermaschine oder eine volumetrisch arbeitende Expansionseinrichtung, insbesondere eine Hubkolbenmaschine, eine Flügelzellenmaschine, ein Roots-Expander oder ein Scroll-Expander, verwendet wird.

Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der wenigstens eine Betriebsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Druck stromabwärts der Expansionseinrichtung und einem Massenstrom des Arbeitsmediums in dem System. Vorzugsweise wird als Betriebsparameter der Druck in dem Kondensator als Druck stromabwärts der Expansionseinrichtung verwendet. Dieser kann ohne weiteres auf einfache

Weise über die Temperatur des Kondensators eingestellt werden, die ihrerseits mithilfe einer für den Kondensator vorgesehenen Kühleinrichtung gesteuert oder geregelt werden kann. Der Druck in dem Kondensator stellt sich dann abhängig von der Kondensatortemperatur im Wesentlichen als Dampfdruck des Arbeitsmediums im Kondensator ein. Dieser Druck bestimmt maßgeblich einen Gegendruck für die Expansionseinrichtung, gegen den die Expansion des Arbeitsmediums quasi anarbeiten muss. Daher bestimmt der Druck stromabwärts der Expansionseinrichtung und insbesondere der Kondensatordruck auch die mögliche Leistungsabgabe derselben mit, wobei diese wiederum bei gegebenem Druck stromabwärts der Expansionseinrichtung, insbesondere bei gegebenem Kondensatordruck, von der Drehzahl der Expansionseinrichtung abhängt.

Der Massenstrom des Arbeitsmediums in dem System wird bevorzugt in Abhängigkeit von einer in das System eingetragenen oder für das System zur Verfügung stehenden Wärmeleistung eingestellt. Er wird vorzugsweise gesteuert oder geregelt auf eine vorherbestimmte Soll- Temperatur und/oder einen vorherbestimmten Soll-Druck und/oder eine Soll-Überhitzung des Arbeitsmediums und/oder einen vorherbestimmten Dampfgehalt in dem Verdampfer oder unmittelbar stromabwärts des Verdampfers. Bevorzugt wird der Massenstrom durch eine Speisepumpe, insbesondere mittels Einstellung einer Drehzahl der Speisepumpe, eingestellt oder vorgegeben, wobei die Speisepumpe das Arbeitsmedium durch das System entlang des

Systemkreislaufs fordert. Dabei bestimmt auch der Massenstrom - nicht zuletzt aufgrund seiner Abhängigkeit von der in das System eingetragenen Wärmeleistung - eine mögliche

Leistungsabgabe der Expansionseinrichtung, wobei sich zeigt, dass diese bei konstantem

Massenstrom von der Drehzahl abhängt. Daher kann die Leistungsabgabe der

Expansionseinrichtung bei vorgegebenem Massenstrom durch Variation der Drehzahl optimiert werden.

Besonders wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass sowohl der Druck stromabwärts der Expansionseinrichtung, insbesondere der

Kondensatordruck, als auch der Massenstrom des Arbeitsmediums in dem System als

Betriebsparameter erfasst und somit zur Einstellung der Drehzahl herangezogen werden. Somit wird bei gegebenem Druck stromabwärts der Expansionseinrichtung und gegebenem

Massenstrom eine optimale Drehzahl bevorzugt unter Maximierung der Leistungsabgabe der Expansionseinrichtung eingestellt. Dies ist sehr effizient möglich, da hierbei die beiden wesentlichen Größen berücksichtigt werden, die für eine mögliche Leistungsabgabe bestimmend sind. Es zeigt sich dann, dass sich bei gegebenem Druck stromabwärts der

Expansionseinrichtung und gegebenem Massenstrom sowie eingestellter, und damit

vorgegebener Drehzahl, der Druck stromaufwärts der Expansionseinrichtung auf einen Wert einstellt, der von den genannten Größen abhängt. Es wird also im Rahmen des Verfahrens nicht etwa der Druck stromaufwärts der Expansionseinrichtung vorgegeben, sondern vielmehr werden der Massenstrom und der Druck stromabwärts derselben vorgegeben, und die Drehzahl wird abhängig von diesen Werten eingestellt, insbesondere in Hinblick auf die Leistungsabgabe optimiert, woraus sich dann der Druck stromaufwärts der Expansionseinrichtung ergibt. Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Drehzahl auf die optimale Leistungsabgabe der Expansionseinrichtung geregelt wird. Hierdurch ist eine besonders genaue und effiziente Optimierung der Leistungsabgabe möglich. Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass die Leistungsabgabe erfasst wird, wobei diese durch Variation der Drehzahl auf ihr Maximum geregelt wird. Alternativ ist es möglich, dass die Drehzahl erfasst und auf einen optimalen Drehzahl wert geregelt wird, der aus einem Kennfeld ausgelesen wird, welches über dem Druck stromabwärts der

Expansionseinrichtung und dem Massenstrom im System aufgespannt ist. Das Kennfeld enthält für jedes Wertepaar eines Drucks stromabwärts der Expansionseinrichtung und eines

Massenstroms im System einen Wert für die optimale Drehzahl bei maximaler Leistungsabgabe. Ein solches Kennfeld kann beispielsweise aus Messungen an einem Prüfstand oder auch aus einem Feldversuch, gegebenenfalls auch aus numerischen Simulationen erhalten und

entsprechend bedatet werden.

Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Drehzahl der Expansionseinrichtung mittels einer Bremsenansteuerung eingestellt wird. Dies stellt eine besonders geeignete Variationsmöglichkeit für die Drehzahl dar, wenn die Expansionseinrichtung eine Welle zur Bereitstellung mechanischer Leistung antreibt. In diesem Fall ist bevorzugt eine Bremseinrichtung vorgesehen, durch welche die Welle gebremst und damit die Drehzahl eingestellt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass die Drehzahl durch Vorgabe einer Umrichterfrequenz eines mit der Expansionseinrichtung wirkverbundenen Generators eingestellt wird. Diese Ausgestaltung ist besonders geeignet für ein System, bei welchem die Expansionseinrichtung einen Generator zur Stromerzeugung antreibt, der einen Umrichter aufweist. Die Steuerung oder Regelung der Drehzahl wirkt also bevorzugt auf die Bremsenansteuerung und/oder den Umrichter des Generators, sodass die Drehzahl auf einfache Weise präzise einstellbar ist.

Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Drehzahl durch Variation eines Durchtrittsquerschnitts durch einen die

Expansionseinrichtung überbrückenden Bypass für das Arbeitsmedium variiert wird. In diesem Fall ist also eine Umgehungsleitung, nämlich ein sogenannter Bypass, um die

Expansionseinrichtung herum vorgesehen, deren Durchtrittsquerschnitt variabel ist,

vorzugsweise mittels einer in dem Bypass angeordneten Ventileinrichtung. Durch Variation des Durchtrittsquerschnitts ist ein entlang des Bypass strömender Anteil und damit zugleich ein über die Expansionseinrichtung strömender Anteil des Massenstroms einstellbar, was sich wiederum auf die Drehzahl auswirkt. Diese Möglichkeit, die Drehzahl zu variieren, wird allerdings besonders bevorzugt nicht zur Leistungsoptimierung, sondern vielmehr vorzugsweise verwendet, um die Expansionseinrichtung bei Bedarf lastfrei zu schalten, oder beim Hochfahren

beziehungsweise Aufwärmen sowie beim Herunterfahren des Systems.

Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Steuereinrichtung für ein System zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines organischen Rankine-Kreisprozesses, mit den Merkmalen des Anspruchs 9 geschaffen wird. Diese ist eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Steuereinrichtung die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden.

Es ist möglich, dass das Verfahren fest in eine elektronische Struktur, mithin in die Hardware, der Steuereinrichtung implementiert ist. Alternativ ist es möglich, dass ein

Computerprogrammprodukt in die Steuereinrichtung geladen ist, welches Anweisungen aufweist, aufgrund derer das Verfahren durchführbar ist, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Steuereinrichtung abläuft.

Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein System zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses mit den Merkmalen des Anspruchs 10 geschaffen wird. Dieses weist einen

Verdampfer, einen Kondensator und eine Expansionseinrichtung auf, die - in Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums des Kreisprozesses gesehen - zwischen dem Verdichter und dem

Kondensator angeordnet ist. Das System zeichnet sich durch eine Steuereinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele aus. Hierdurch verwirklichen sich in

Zusammenhang mit dem System die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und der Steuereinrichtung ausgeführt wurden.

Ein Ausführungsbeispiel des Systems weist einen Vorwärmer auf, der stromaufwärts des

Verdampfers angeordnet ist, und durch den das Arbeitsmedium vor seinem Eintritt in den Verdampfer vorgewärmt wird. Vorzugsweise ist der Vorwärmer eingerichtet für einen

Wärmetausch zwischen einem vom Kondensator zurückströmenden Teilstrom des

Arbeitsmediums und einem zum Verdampfer strömenden Teilstrom desselben. Dabei wird eine in dem vom Kondensator heranströmenden Teilstrom enthaltene Restwärme an den zum

Verdampfer strömenden Teilstrom abgegeben, wodurch dieser vorgewärmt wird. Hierbei kann die Gesamteffizienz des Kreisprozesses gesteigert werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Systems weist einen Überhitzer stromabwärts des Verdampfers und stromaufwärts der Expansionseinrichtung auf, wobei es möglich ist, dass der Überhitzer mit dem Verdampfer integral ausgebildet ist. In dem Überhitzer wird der im

Verdampfer erzeugte Dampf des Arbeitsmediums überhitzt, sodass das Arbeitsmedium bei seinem Eintritt in die Expansionseinrichtung als trockener Dampf jenseits der Sattdampfkurve vorliegt. Insbesondere, wenn das System einen Überhitzer aufweist, ist bevorzugt auch ein Vorwärmer vorgesehen.

Es ist auch ein Ausführungsbeispiel des Systems möglich, bei dem kein Überhitzer vorgesehen ist, wobei in diesem Fall vorzugsweise in dem Verdampfer Sattdampf oder Nassdampf erzeugt wird, welcher der Expansionseinrichtung zugeführt wird. Das System weist vorzugsweise eine Speisepumpe auf, durch welche das Arbeitsmedium entlang des Systemkreislaufs förderbar ist. Dabei ist die Speisepumpe vorzugsweise zur Steuerung oder Regelung des Massenstroms in dem System ansteuerbar, insbesondere bezüglich ihrer Drehzahl variierbar. Die Steuereinrichtung ist dabei bevorzugt eingerichtet zur Steuerung oder Regelung des Massenstroms durch das System mittels der Speisepumpe in Abhängigkeit von einer Wärmezufuhr an das System beziehungsweise der in das System eingetragenen Wärme, insbesondere in Abhängigkeit von einer Soll-Überhitzung des Arbeitsmediums und/oder einem Dampfgehalt stromabwärts des Verdampfers.

Es wird ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das System eingerichtet ist für einen organischen Rankine-Kreisprozess, insbesondere zum Betrieb eines organischen Rankine-Kreisprozesses. Dieser ist besonders geeignet zur Abwärmenutzung, sodass das System geeignet ist zur Verwendung in stationären Kraftwerken, beispielsweise Geothermiekraftwerken, zur Nutzung industrieller Abwärme, oder insbesondere in Kombination mit einer Brennkraftmaschine zur Nutzung von deren Abwärme. Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, dass sich dadurch auszeichnet, dass die Expansionseinrichtung als Schraubenexpander ausgebildet ist. Diese Art

Expansionseinrichtung hat sich in Hinblick auf die Leistungsausbeute besonders in einem organischen Rankine-Kreisprozess als günstig herausgestellt. Dies gilt ganz besonders für

Systeme, die ohne Überhitzung betrieben werden, sodass das Arbeitsmedium im Bereich seines Eintritts in die Expansionseinrichtung als Sattdampf oder Nassdampf vorliegt. Auch die hier vorgeschlagene Einstellung der Drehzahl insbesondere zur Leistungsoptimierung stellt sich als in Zusammenhang mit einem Schraubenexpander als Expansionseinrichtung besonders günstig heraus.

Alternativ ist es auch möglich, dass die Expansionseinrichtung als Strömungsmaschine, insbesondere als Turbine, oder als Verdrängermaschine oder volumetrisch arbeitende

Expansionseinrichtung, insbesondere als Hubkolbenmaschine, als Flügelzellenmaschine, als Roots-Expander oder als Scroll-Expander, ausgebildet ist.

Es wird ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich durch einen mit der

Expansionseinrichtung wirkverbundene Generator auszeichnet, wobei der Generator eine variable Umrichterfrequenz aufweist. Die Expansionseinrichtung ist mit dem Generator mechanisch verbunden und treibt diesen an, sodass in dem Generator Strom erzeugt wird. Der Generator weist seinerseits einen Umrichter auf, dessen Frequenz variabel ist. Dabei ist der Generator mit der Steuereinrichtung zur Variation der Umrichterfrequenz wirkverbunden, um eine optimale Drehzahl für die Expansionseinrichtung einzustellen. Insbesondere wird also der Umrichter von der Steuereinrichtung angesteuert, indem diesem von der Steuereinrichtung eine Frequenz vorgegeben wird, bei welcher die Expansionseinrichtung ihre optimale Drehzahl und damit maximale Leistungsabgabe aufweist. Insbesondere dient die Frequenz des Umrichters vorzugsweise als Stellglied für einen Drehzahlregler, der die optimale Drehzahl als Sollvorgabe erhält. Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das eingerichtet ist zur Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine. Dabei ist es möglich, dass das System eingerichtet ist zur Nutzung von Abwärme, welche das Abgas der Brennkraftmaschine aufweist. In diesem Fall wird dem Verdampfer des Systems Abgas der Brennkraftmaschine zugeführt, um dessen

Abwärme nutzbar zu machen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das System eingerichtet ist zur Nutzung von Abwärme der Brennkraftmaschine aus dem Kühlmittel derselben. Dabei wird das Kühlmittel bevorzugt vor oder anstelle einer Durchleitung durch einen Kühler dem Verdampfer des Systems zur Abwärmenutzung zugeführt. Hierdurch kann gegebenenfalls ein für das Kühlmittel vorgesehener Kühler gänzlich entfallen oder zumindest kleiner dimensioniert werden. Auch eine kombinierte Nutzung der Abwärme des Abgases und des Kühlmittels ist denkbar.

Schließlich wird die Aufgabe auch gelöst, indem eine Anordnung aus einer Brennkraftmaschine und einem System zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses mit den Merkmalen des Anspruchs 15 geschaffen wird. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass das System

ausgebildet ist nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Es verwirklichen sich insoweit die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren, der Steuereinrichtung und dem System erläutert wurden. Mithilfe des Systems ist die Abwärme der

Brennkraftmaschine nutzbar. Insoweit ist das System innerhalb der Anordnung bevorzugt so mit der Brennkraftmaschine wirkverbunden, dass deren Abwärme in dem Verdampfer des Systems auf das Arbeitsmedium übertragbar ist. Dabei ist es möglich, dass Abwärme aus dem Abgas und/oder aus dem Kühlmittel der Brennkraftmaschine in dem System nutzbar ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Anordnung ist das System vorgesehen zur Unterstützung der Brennkraftmaschine. Dabei ist es möglich, dass von dem System abgegebene Leistung entweder als mechanische Leistung oder über den Umweg elektrischer Leistung und eines Elektromotors der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das System eingerichtet ist zur externen

Leistungsabgabe, insbesondere zur Stromerzeugung, wobei die durch das System erzeugte Leistung nicht von der Brennkraftmaschine, sondern vielmehr anderweitig, insbesondere außerhalb der Anordnung, von einem Verbraucher genutzt oder in ein Stromnetz eingespeist wird. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, weil die Abwärme der Brennkraftmaschine nicht verloren geht und an die Umgebung abgeführt wird, sondern für weitere Anwendungen nutzbar gemacht wird.

Die Brennkraftmaschine der Anordnung ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein

Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine

Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der

Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.

Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und des Systems andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale des Systems, welche explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Systems. In analoger Weise sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem System

beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Das System ist vorzugsweise gekennzeichnet durch

wenigstens ein Merkmal, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt bedingt ist. Das Verfahren weist vorzugsweise wenigstens einen Verfahrensschritt auf, der durch wenigstens ein Merkmal des Systems bedingt ist. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung, die eine Brennkraftmaschine und ein System für einen thermodynamischen Kreisprozess aufweist; Figur 2 eine schematische Darstellung einer Ermittlung einer optimalen Drehzahl für die Expansionseinrichtung im Rahmen einer Ausführungsform des Verfahrens; Figur 3 eine schematische Darstellung einer Drehzahlregelung im Rahmen einer

Ausführungsform des Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung 1 , die eine Brennkraftmaschine 3 und ein System 5 zum Betreiben eines thermodynamischen

Kreisprozesses, insbesondere eines organischen Rankine-Kreisprozesses, aufweist. Das System 5 weist einen Verdampfer 7, eine Expansionseinrichtung 8, hier konkret einen Schraubenexpander 9, und einen Kondensator 11 auf, die in dieser Reihenfolge entlang eines Kreislaufs für ein Arbeitsmedium angeordnet sind. Es ist eine Speisepumpe 13 vorgesehen, durch welche das Arbeitsmedium entlang des Kreislaufs förderbar ist. Dabei nimmt es in dem Verdampfer 7 Abwärme der Brennkraftmaschine 3 auf, insbesondere Abwärme aus dem Abgas und/oder einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 3. Das Arbeitsmedium wird in dem Verdampfer 7 verdampft und weiter zu dem Schraubenexpander 9 gefördert, in welchem es expandiert wird. Hierbei leistet es mechanische Arbeit und treibt den Schraubenexpander 9 an. Das expandierte Arbeitsmedium gelangt von dem Schraubenexpander 9 zu dem Kondensator 11, wo es mittels einer Kühleinrichtung 15 gekühlt wird und dabei bevorzugt kondensiert. Von dem Kondensator 11 gelangt das Arbeitsmedium wiederum zu der Speisepumpe 13, von der es erneut dem

Verdampfer 7 zugeführt wird. Auf diese Weise ist die dem System 5 in dem Verdampfer 7 zugeführte Wärme zumindest teilweise in dem Schraubenexpander 9 in Arbeit umwandelbar. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schraubenexpander 9 mit einem Generator 17 wirkverbunden, sodass die in dem Schraubenexpander 9 geleistete mechanische Arbeit durch den Generator 17 in elektrische Energie umwandelbar ist. Diese kann beispielsweise über einen Elektromotor einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 3 oder einem Antriebsstrang eines die Anordnung 1 aufweisenden Kraftfahrzeugs, oder einem nicht der Anordnung 1 zugeordneten und insoweit externen Verbraucher zugeführt werden. Es ist auch möglich, dass die elektrische Energie in ein Stromnetz eingespeist wird. Das System 5 weist außerdem eine Steuereinrichtung 19 auf, die eingerichtet ist zur Steuerung des Systems 5 und insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Die Steuereinrichtung 19 ist mit der Speisepumpe 13 wirkverbunden, um diese zur Vorgabe eines Massenstroms in dem System 5 anzusteuern. Zugleich ist die Steuereinrichtung 19 vorzugsweise mit einem ersten Temperatursensor 21 wirkverbunden, der eine Temperatur des Arbeitsmediums in dem Verdampfer 7, vorzugsweise im Bereich von dessen Austritt erfasst. Die Steuereinrichtung 19 ist eingerichtet zur Steuerung und/oder Regelung des Massenstroms in dem System 5 in Abhängigkeit von einer Wärmezufuhr in das System 5. Die Wärmezufuhr im Bereich des Verdampfers 7 ist dabei bevorzugt mithilfe des Temperatursensors 21 erfassbar. Steigt die zugeführte Wärme bei gleichem Massenstrom, erhöht sich die Temperatur des Arbeitsmediums im Bereich des Verdampfers 7. Sinkt umgekehrt die Wärmezufuhr bei gleichbleibendem Massenstrom, sinkt die Temperatur des Arbeitsmediums im Bereich des Verdampfers 7. Die Steuereinrichtung 19 steuert die Speisepumpe 13 vorzugsweise so an, dass die Temperatur des Arbeitsmediums im Bereich des Verdampfers 7, insbesondere an der Messstelle des ersten Temperatursensors 21, möglichst konstant und gleich einer

vorherbestimmten Solltemperatur bleibt. Damit ist der Massenstrom in dem System 5

vorgegeben.

Alternativ ist es möglich, dass die Steuereinrichtung 19 die Speisepumpe 13 so ansteuert, dass eine vorherbestimmte Soll-Überhitzung des Arbeitsmediums im Bereich des Verdampfers 7, insbesondere einer Messstelle des ersten Temperatursensors 21, möglichst konstant und gleich einer vorherbestimmten Soll-Überhitzung bleibt. Dabei ist die Überhitzung eine

Temperaturdifferenz der Temperatur des Arbeitsmediums zu dessen Siedetemperatur in dem Verdampfer 7. Diese Art der Steuerung der Speisepumpe 13 trägt der Tatsache Rechnung, dass die Siedetemperatur in dem Verdampfer 7 von anderen Betriebsparametern, insbesondere von dem Druck des Arbeitsmediums in dem Verdampfer 7 beziehungsweise am Verdampferaustritt abhängt.

Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung 19 die Speisepumpe 13 in Abhängigkeit von einem Dampfgehalt des Arbeitsmediums stromabwärts des Verdampfers 7, insbesondere am Verdampferaustritt, ansteuert. Diese Vorgehensweise wird bevorzugt, wenn das System 5 im Nassdampfgebiet betrieben wird, wobei in dem Verdampfer 7 kein überhitzter Frischdampf, sondern vielmehr Sattdampf oder Nassdampf produziert wird.

Die Steuereinrichtung 19 ist außerdem wirkverbunden mit einem zweiten Temperatursensor 23 sowie mit der Kühleinrichrung 15. Der zweite Temperatursensor 23 erfasst eine Temperatur in dem Kondensator 11. Die Steuereinrichtung 19 ist eingerichtet zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur in dem Kondensator 11 mittels der Kühleinrichtung 15. Demnach wird die Kühlleistung der Kühleinrichtung 15 bevorzugt erhöht, wenn die Temperatur in dem

Kondensator 11 steigt. Umgekehrt wird die Kühlleistung der Kühleinrichtung 15 vorzugsweise erniedrigt, wenn die Temperatur in dem Kondensator 11 sinkt. Somit ist die Temperatur in dem Kondensator 11 vorgegeben, wobei zugleich mit ihr auch der Druck des Arbeitsmediums stromabwärts des Schraubenexpanders 9 vorgegeben ist, nämlich als Dampfdruck des

Arbeitsmediums in dem Kondensator 11. Die Steuerungseinrichtung 19 ist ausgebildet sowohl zur Erfassung des Massenstroms in dem System 5, vorzugsweise durch Erfassung oder Sollvorgabe der Drehzahl der Speisepumpe 13, von welcher der Massenstrom abhängt, als auch zur Erfassung des Drucks stromabwärts des Schraubenexpanders 9, bevorzugt durch Erfassung der Temperatur in dem Kondensator 11 mittels des zweiten Temperatursensors 23. Insofern ist das Steuergerät 19 bevorzugt eingerichtet zur Berechnung des Drucks in dem Kondensator 11 aus dem Messwert des zweiten

Temperatursensors 23, wobei hier beispielsweise ein Kennfeld hinterlegt sein kann, welches den Dampfdruck des Arbeitsmediums in Abhängigkeit von der Temperatur im Kondensator angibt.

Insoweit ist die Steuerungseinrichtung 19 eingerichtet zur Erfassung von wenigstens einem Betriebsparameter des Systems 5, hier von genau zwei Betriebsparametern, nämlich dem Druck stromabwärts des Schraubenexpanders 9 und dem Massenstrom im System 5.

Die Steuereinrichtung 19 ist außerdem eingerichtet zur Einstellung, insbesondere zur Steuerung oder Regelung, einer Drehzahl des Schraubenexpanders 9 auf einen Wert, bei dem der

Schraubenexpander 9 eine maximale Leistungsabgabe bei dem erfassten Betriebsparameter, hier also bei einem erfassten Wertepaar des Drucks stromabwärts des Schraubenexpanders 9 und des Massenstroms in dem System 5, aufweist. Um die Drehzahl des Schraubenexpanders 9 einzustellen und/oder zu regeln, ist die Steuereinrichtung 19 hier mit dem Generator 17 wirkverbunden, insbesondere mit einem Umrichter des Generators, wobei durch die Steuereinrichtung 19 eine Umrichterfrequenz für den Generator 17 vorgebbar ist. Auf diese Weise ist dann über die mechanische Wirkverbindung zwischen dem Generator 17 und dem Schraubenexpander 9 dessen Drehzahl einstellbar, insbesondere steuerbar oder regelbar. Die Steuereinrichtung 19 ist hierzu vorzugsweise mit einem Drehzahlsensor 24 zur Erfassung einer Drehzahl des Schraubenexpanders 9 wirkverbunden.

Es zeigt sich, dass ein Druck des Arbeitsmediums stromaufwärts des Schraubenexpanders 9 sich abhängig von der Drehzahl desselben einstellt. Diese ist also eindeutig festgelegt durch den Druck stromabwärts des Schraubenexpanders 9, den Massenstrom in dem System 5 und der Drehzahl des Schraubenexpanders 9.

Das System weist einen Bypass 25 auf, durch welchen das Arbeitsmedium den

Schraubenexpander 9 umströmen kann. In dem Bypass 25 ist eine Ventileinrichtung 27 angeordnet, durch welche ein Durchtrittsquerschnitt des Bypasses 25 variierbar ist. Die

Steuereinrichtung 19 ist vorzugsweise mit der Ventileinrichtung 27 wirkverbunden, um den Durchtrittsquerschnitt durch den Bypass 25 einzustellen. Auch hierdurch ist es möglich, die Drehzahl des Schraubenexpanders 9 zu beeinflussen. Diese Möglichkeit wird allerdings bevorzugt genutzt, um den Schraubenexpander 9 bedarfsabhängig zu entlasten, und/oder um das System 5 aufzuheizen, anzufahren oder herunter- beziehungsweise abzufahren.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Bestimmung einer optimalen Drehzahl 29 für den Schraubenexpander 9. Dabei gehen in ein Rechenglied 31 ein Druck 33 stromabwärts des Schraubenexpanders 9, insbesondere der Druck in dem Kondensator 11, und ein Massenstrom 35 in dem System 5 als Eingangsgrößen ein. Das Rechenglied 31 ist vorzugsweise Teil der

Steuereinrichtung 19. In dieser oder in das Rechenglied 31 ist bei einer bevorzugten

Ausführungsform des Verfahrens ein Kennfeld implementiert, welches über dem Druck 33 und dem Massenstrom 35 aufgespannt ist, wobei es von diesen Größen abhängige Werte für die optimale Drehzahl 29 aufweist, bei denen eine Leistungsabgabe des Schraubenexpanders 9 maximal ist. Insofern wird bevorzugt die optimale Drehzahl 29 in Abhängigkeit von dem Druck 33 und dem Massenstrom 35 aus dem Kennfeld ausgelesen. Alternativ ist es möglich, dass die optimale Drehzahl 29 in Abhängigkeit von dem Druck 33 und dem Massenstrom 35 anhand einer in dem Rechenglied 31 implementierten Funktion berechnet wird. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Regelung einer Drehzahl 37 des Schraubenexpanders 9. Hierzu wird die Drehzahl 37 als Ist-Wert erfasst und mit der gemäß den Erläuterungen zu Figur 2 ermittelten optimalen Drehzahl 29 als Sollvorgabe verglichen. Hieraus resultiert eine Regelabweichung 39, die einem Regler 41 zugeführt wird. Dieser berechnet anhand der Regelabweichung 39 ein Stellglied 43, hier ein Ansteuerungssignal für den

Umrichter des Generators 17 zur Einstellung der Umrichterfrequenz.

Das Stellglied 43 wirkt auf eine Regelstrecke 45, welche den Generator 17 und den

Schraubenexpander 9 umfasst. Dabei wird die Umrichterfrequenz des Generators 17

entsprechend der Ansteuerung durch das Stellglied 43 verändert, wodurch sich die Drehzahl 37 des Schraubenexpanders 9 ändert. Insgesamt wird so die Drehzahl 37 auf die optimale Drehzahl 29 geregelt.

Die in Figur 3 dargestellte Regelung ist vorzugsweise in die Steuereinrichtung 19 implementiert.

Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens und der Steuereinrichtung 19 das System 5 bezüglich der Leistungsabgabe des Schraubenexpanders 9 optimierbar ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Betreiben eines System (5) für einen thermodynamischen Kreisprozess, das einen Verdampfer (7), einen Kondensator (11) und eine Expansionseinrichtung (8) aufweist, wobei die Expansionseinrichtung (8) - in Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums des Kreisprozesses gesehen - zwischen dem Verdampfer (7) und dem Kondensator (11) angeordnet ist, mit folgenden Schritten: Erfassen von wenigstens einem Betriebsparameter des Systems (5), und Einstellen einer Drehzahl der Expansionseinrichtung (8) in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebsparameter.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System (5) mit einem organischen Rankine-Kreisprozess betrieben wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Expansionseinrichtung (8) ein Schraubenexpander (9) verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Betriebsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Druck (33) stromabwärts der Expansionseinrichtung (8) und einem Massenstrom (35) des

Arbeitsmediums in dem System (5).

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (33) stromabwärts der Expansionseinrichtung (8) und der Massenstrom (35) des

Arbeitsmediums in dem System (5) als Betriebsparameter verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (37) auf die optimale Leistungsabgabe der Expansionseinrichtung (8) geregelt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (37) der Expansionseinrichtung (8) mittels einer Bremsenansteuerung und/oder mittels Vorgabe einer Umrichterfrequenz eines mit der Expansionseinrichtung (8) wirkverbundenen Generators (17) eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (37) durch Variation eines Durchtrittsquerschnitts durch einen die

Expansionseinrichtung (8) überbrückenden Bypass (25) für das Arbeitsmedium variiert wird.

9. Steuereinrichtung (19) für ein System (5) für einen thermodynamischen Kreisprozess, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (19) eingerichtet ist zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

10. System (5) für einen thermodynamischen Kreisprozess, mit einem Verdampfer (7), einem Kondensator (11), und einer Expansionseinrichtung (8), wobei die Expansionseinrichtung (8) - in Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums des Kreisprozesses gesehen - zwischen dem Verdampfer (7) und dem Kondensator (11) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine

Steuereinrichtung (19) nach Anspruch 9.

11. System (5) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System eingerichtet ist für einen organischen Rankine-Kreisprozess.

12. System (5) nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinrichtung (8) als Schraubenexpander (9) ausgebildet ist.

13. System (5) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch einen mit der Expansionseinrichtung (8) wirkverbundenen Generator (17) mit variabler Umrichterfrequenz, wobei der Generator (17) mit der Steuereinrichtung (19) zur Variation der Umrichterfrequenz wirkverbunden ist, um eine optimale Drehzahl (29) für die Expansionseinrichtung (8) einzustellen.

14. System (5) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System (5) zur Nutzung von Abwärme einer Brennkraftmaschine (3) eingerichtet ist.

15. Anordnung (1), aufweisend eine Brennkraftmaschine (3) und ein System (5) für einen thermodynamischen Kreisprozess, dadurch gekennzeichnet, dass das System ausgebildet ist nach einem der Ansprüche 10 bis 14.