WO2016155705A1 - Device for using exergy - Google Patents

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WO2016155705A1
WO2016155705A1 PCT/DE2016/100144 DE2016100144W WO2016155705A1 WO 2016155705 A1 WO2016155705 A1 WO 2016155705A1 DE 2016100144 W DE2016100144 W DE 2016100144W WO 2016155705 A1 WO2016155705 A1 WO 2016155705A1
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WO
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working medium
valve
pressure
expansion device
collector
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Application number
PCT/DE2016/100144
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German (de)
French (fr)
Inventor
Jörg Nickl
Original Assignee
Technische Universität Dresden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02Plants 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
    • F01K23/06Plants 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
    • F01K23/065Plants 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
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the invention relates to a device for the use of exergy, in particular a trained for a steam power steam plant, with a closed circuit in which circulates a working fluid.
  • the circuit is surrounded by air at an ambient pressure and has in the direction of flow of the working medium an evaporator, an expansion device for relaxing the working medium while performing mechanical work, a condenser, a reservoir and a feed pump for conveying the working fluid to the evaporator.
  • a condenser After the condenser also a component for conveying the working medium is formed in the reservoir.
  • Steam power plants known from the prior art are used in conjunction with motor vehicles, in particular motor vehicles driven by internal combustion engines, or stationary devices, such as power plants, for generating predominantly electrical energy.
  • the Dam pfkraf tan läge is acted upon with the hot exhaust gases of the internal combustion engine of the motor vehicle or the gas engines or gas turbines, so that the heat of the exhaust gas is used to generate steam.
  • the steam generated by cooling the exhaust gases or burning fossil fuels is expanded as it flows through an expansion machine to perform mechanical work.
  • a generator or other component such as a compressor driven.
  • Conventional steam power plants are formed from a closed circuit of a working medium, in which a working medium circulates.
  • the circuit has an evaporator for evaporating the working medium, a Expansion machine for relaxation of the working medium while performing mechanical work, a condenser for condensing the working fluid, a reservoir for storing the working fluid and thus to compensate for volume fluctuations within the circuit and a feed pump for conveying the working fluid, wherein the components in the order specified by the working fluid be charged.
  • a Dam pfkraftan would be for a motor vehicle or a stationary device, in particular for a small power plant or for a compressor station for the production of oil or gas out.
  • the steam power plant has a closed circuit of a working medium with the specified components.
  • the feed pump is preceded by a pressure booster pump in the direction of flow of the working medium in order to increase the pressure of the working medium at the inlet to the feed pump and to keep it constant. With the upstream booster pump cavitation in the feed pump can be avoided.
  • a condensation pump for sucking working fluid from the condenser is also formed so that the dam pfkraftan is operable with a lower and substantially constant condensation pressure.
  • the method for generating electrical energy for a grid network with alternating current comprises the steps of: burning a natural gas, biogas, pit gas or landfill gas with an internal combustion engine, which generates an exhaust gas stream, for driving a first electric generator or another working machine, supplying an evaporator of a Circulation of a steam power plant with waste heat from the exhaust gas stream to evaporate the working medium, supplying the vaporous working medium from the evaporator in an expansion device for expanding the steam and generating mechanical energy, driving the first or a second electric generator by means of the expansion device and feeding at least a portion of the electrical energy generated by the electric generators in the power grid.
  • the circulation of the working medium of the plant has in the flow direction of the working medium after the evaporator to a bypass, which branches off in front of the expansion device and after the expansion device, in particular in front of the condenser, re-opens.
  • the object of the invention is to provide a device for the efficient use of exergy, in particular from exhaust gases.
  • the device should be simple and allow automatic, safe operation with little effort for maintenance.
  • For safe operation of the device also includes a leak-free training with respect to the working medium.
  • the device should cause low manufacturing costs, have a long life and high reliability.
  • the object is achieved by a device according to the invention for the use of Exergy, especially one designed for a steam power process Dam pfkraf tan would be solved with a closed circuit.
  • the circuit is surrounded by an atmosphere consisting of air at ambient pressure. Within the cycle circulates a working medium.
  • the circuit has in the flow direction of the working medium, an evaporator for evaporating the working medium at an evaporation pressure, an expansion device for relaxing the working medium while performing mechanical work, a condenser for condensing the working fluid at a condensation pressure, a reservoir and a feed pump for conveying the working fluid to the evaporator ,
  • a component for conveying the working medium is also formed in the reservoir.
  • dynamic seals are arranged between the working medium within a region of the circuit operated at the level of the condensation pressure and the surroundings, which are designed in two stages such that the air surrounding the device bears against the dynamic seals as sealing gas.
  • the ambient pressure as the pressure of the air is greater than the lowest pressure of the working medium within the device.
  • the condensation pressure is the lowest pressure level of the working medium within the circuit, wherein advantageously water is used as the working medium.
  • the dynamic seals are in particular formed on components of the expansion device.
  • ejector arranged in the flow direction of the working medium between the condenser and the reservoir component for conveying the working medium in the reservoir.
  • the backing pump is advantageously formed connected to an outlet of the reservoir and arranged between the reservoir and the feed pump for conveying a mass flow of the working fluid to the feed pump.
  • the backing pump thus serves to convey the propulsion jet of the ejector as a first mass flow of the working medium and a second mass flow of the working medium to the subsequent feed pump.
  • the reservoir on a degassing line as a connection with the environment.
  • the degassing line is in an upper, filled with saturated air region of the reservoir opening, steadily rising and cooled designed such that vaporous working medium condenses as it flows through the degassing at least for the most part and flows back down into the reservoir and the device penetrated air upwards can escape into the environment.
  • an arrangement for the return of lubricant is arranged in the flow direction of the working medium after the expansion device.
  • the arrangement comprises a separator designed as a cyclone for separating working medium and lubricant and a collector for the lubricant.
  • the collector is arranged in the direction of gravity below the separator.
  • the collector is preferably formed with a substantially outwardly inwardly directed channel guide, so that in the center there is a liquid stratification of working fluid and lubricant.
  • the collector advantageously has a bottom, wherein in a central region of the collector at the bottom of a valve for sucking accumulated in the accumulator working fluid is formed.
  • the valve is preferably coupled via a connecting element with a float, with which the valve is opened at a certain level within the collector.
  • the collector is connected via a line for sucking working fluid from the collector and for conveying the working fluid into the reservoir with the ejector.
  • the line preferably opens parallel to the connection of the connection to the capacitor in the ejector.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the collector is formed connected via a line for sucking lubricant from the collector and for conveying the lubricant to the expansion device with a metering pump.
  • the line preferably projects into the volume enclosed by the collector and ends above the level of the working medium and below the level of the collector formed in the float of the valve for sucking accumulated in the accumulator working fluid to suck the floating on the working fluid lubricant.
  • the expansion device is designed as a crosshead machine with a crosshead, a piston rod and a piston.
  • the piston has an inner cone on the crank side and a conical piston nut corresponding to the inner cone for setting and varying an axial piston clearance in the direction of the piston rod.
  • the piston is preferably designed as a double-acting piston with two vapor-side piston bodies with piston rings and an intermediate piece as a double T-piston.
  • the intermediate piece advantageously has approximately half the diameter of the piston body.
  • the piston rod is arranged guided through the housing of the expansion device delimiting a working space to the surroundings of the device.
  • a rod seal is arranged between the piston rod and the housing, which has a sealing segment package with an outer non-contact labyrinth seal and at least one inner contacting segment seal.
  • Under the outer or outer side is the side in the direction of the environment and under the inside or inner side is the side in the direction of the working space to understand.
  • a fluid channel is advantageously formed as a connection to a region of low pressure of the circuit.
  • the region of low pressure of the circulation is in this case the region which is preferably acted upon by the condensation pressure of the working medium, the condensation pressure being lower than the pressure of the ambient air used as sealing gas.
  • the sealing segment package of the rod seal is advantageous with a plate spring in the direction of the piston rod to the working space out, that is arranged inwardly, axially braced and serves to compensate for manufacturing tolerances.
  • the labyrinth seal is preferably with a corrugated spring in the direction of the piston rod towards the environment, that is outwardly, axially biased.
  • the force of the clamping of the sealing segment package of the rod seal with the diaphragm spring is greater than the maximum compressive force and thereby many times higher than the force of the bias of the labyrinth seal with the wave spring, since only the pressure force to the environment is overcome.
  • the expansion device has at least one working space, which is connected to a pressurized cylinder safety valve.
  • the Cylinder safety valve is as a spill valve a connection from the working space to an outlet of the expansion device closed or apparently formed and acted upon by the inlet pressure and configured to open a connection to the outlet of the expansion device when a certain pressure of the working medium within the working space is exceeded.
  • the inlet pressure substantially corresponds to the evaporation pressure of the working medium.
  • the expansion device is preferably formed in a DC design with a piston valve with valve bodies with circular cylindrical cross-sections and an inner inflow and a piston rod with nikzylinderförmigem cross-section. The advantageous trained with piston rings slider body and the piston rod have the same diameter.
  • a crank-side slider body is out without paragraph as a slide rod out of the housing, the piston rings replace a touching segment seal.
  • a valve box formed as a combination of a shut-off valve, an overflow valve and a pressure relief valve is arranged between the evaporator and the expansion device.
  • the shut-off valve and the overflow valve are formed combined in a three-way valve.
  • valve box has a rotary valve chamber with a circular cylindrical cross-section, an outlet chamber and a spring chamber.
  • the rotary valve chamber is formed with connections to the evaporator, to the expansion device and to a separator and the outlet space with a connection to the condenser or a separator.
  • a rotary valve is preferably arranged, which is connected to a drive element rotatable by an angle of 90 ° and is mounted radially movable in a housing passage formed between the rotary valve chamber and the outlet space.
  • An arranged between the rotary valve chamber and the outlet chamber housing passage is advantageously formed conically widened on the side of the outlet space, wherein a spherical segment-shaped valve seat rests as part of the drive element movable sealingly on the conical extension.
  • the drive element is mounted so as to move axially against a spring at a certain overpressure of the working medium within the rotary valve space, so that the valve seat lifts off the conical extension and releases a gap as an opening between the rotary valve chamber and the outlet.
  • the three-way valve is formed with a Dampfauertritt as a connection to the condenser or a separator and configured to open in an arrangement for closing the connection to the expansion device, the steam exceeded.
  • the advantageous embodiment of the invention enables the use of the device in conjunction with an internal combustion engine of a motor vehicle or a ship or a CHP system and exhaust gases of the internal combustion engine as a heat source for evaporation of the working fluid in the evaporator.
  • the device according to the invention for the efficient use of exergy, in particular from exhaust gases, has in summary various advantages:
  • Fig. 1 Device for the use of exergy in the form of a
  • Fig. 3a, 3b Valve box as a combination of a shut-off valve and a
  • FIG. 4a expansion device with double-acting piston
  • Fig. 4c two-stage seal of the piston rod
  • Fig. 5 Integration of the steam power process in a CHP system.
  • a device 1 for the use of exergy for example from the exhaust of an internal combustion engine, a fired boiler or a gas turbine, shown in the form of a steam power process.
  • the steam power process is illustrated by means of a steam cycle, also referred to as circuit 2 of the working medium.
  • the exhaust gas flows in the flow direction 4 through an evaporator 3 of the circuit 2, wherein waste heat of the exhaust gas is transferred to the working medium for complete evaporation with or without subsequent overheating of the circulating in the closed circuit 2 working fluid in the evaporator 3.
  • the circuit 2 the evaporator 3 in the flow direction of the working medium below a designated valve box 5 arrangement of valves, an expansion device 6 for expanding the steam while performing mechanical work and an assembly 8 for the return of lubricant.
  • the assembly 8 is formed of a separator 9 and a collector 10 for separating lubricant and working fluid and for collecting the lubricant.
  • the evaporator 3 and the valve box 5 are connected to each other via a line L6.
  • a line L7 connects the valve box 5 with the expansion device 6, while the expansion device 6 and the separator 9 are coupled together via a line L5.
  • a line L4 for returning the lubricant to the expansion device 6 is also formed.
  • a metering pump 18 is arranged to convey the lubricant from the collector 10 to the expansion device 6.
  • the expansion device 6 which is preferably in the form of a piston engine, the vapor of the working medium is released while performing mechanical work, an electrical generator 7 being driven by the mechanical work.
  • the arrangement 8 for returning the lubricant is connected in the region of the separator 9 via a line L2 with a condenser 11 for condensing the vapor of the working medium.
  • the condenser 11 is acted upon by coolant, which flows through the condenser 11 in the flow direction 12.
  • the condensation heat of the working medium is transferred to the coolant.
  • the condenser 11 is in the flow direction of the working medium Reservoir 14 for storing the working fluid and thus to compensate for volume fluctuations within the circuit 2 downstream.
  • the reservoir 14 is referred to in the operation of the circuit 2 with water as the working medium as a feedwater tank.
  • the circuit 2 can be operated with a substantially constant condensation pressure p K.
  • the pumping action of the ejector 13 is generated by a fluid jet of the working medium generated by a forepump 16, also referred to as a propulsion jet, which sucks, accelerates and conveys the condensate by momentum exchange from the condenser 11. With the suction, a negative pressure is generated in the condenser 11.
  • the condensation pressure p K is advantageously lower than the ambient pressure pu, that is less than the pressure of the air surrounding the device 1.
  • the ejector 13 has a simple construction, is formed without moving parts and thus very robust and low maintenance.
  • the propellant jet generated by the fore pump 16 is used in addition to the suction and conveying the condensed working medium from the condenser 11 in the reservoir 14 for sucking and conveying accumulated in the collector 10 working medium.
  • the collector 10 is connected to the ejector 13 at the bottom, preferably at the bottom, via a line L3.
  • the line L3 is formed with a valve 19, which is controlled by a float 10 arranged in the collector.
  • the backing pump 16 which has a first partial mass flow of the working medium as a propulsion jet from the reservoir 14 to the ejector 13 promotes, is also upstream of the feed pump 17 in the flow direction of the working medium to promote a second partial mass flow of the working fluid to the feed pump 17 and to increase the pressure of the working fluid at the inlet to the feed pump 17.
  • the pre-pump 16 upstream of the feed pump 17 serves to prevent cavitation in the feed pump 17.
  • the pressure difference to be applied by the feed pump 17 for conveying the working medium into the evaporator 3 is reduced.
  • the feed pump 17 is preferably designed as a reciprocating pump.
  • the evaporator 3 has the largest space requirement as the component with the largest volume of the device 1 and is designed as a cross-countercurrent heat exchanger with flowing in the flow direction 4 exhaust stream and to substantially opposite flowing mass flow of the working medium.
  • the exhaust gas is thereby passed around parallel and meandering arranged tubes, while the working medium of the circuit 2 flows in the tubes.
  • This is advantageous for a low exhaust back pressure generated, which for example reduces the power of an internal combustion engine.
  • the evaporator 3 has a low internal volume, that is to say a small proportion of liquid working medium as an energy store, which has a particularly favorable effect, in particular when starting and switching off the device 1 and with regard to test specifications.
  • the construction is very low in tension with respect to different thermal expansions.
  • the downstream in the direction of flow of the working medium the evaporator 3 arranged valve box 5 combines the arrangement of a shut-off valve, a spill valve and a pressure relief valve, the shut-off, for example, load at the generator 7, the overflow during startup or pressure relief at exhaust-shut off evaporator 3 and the pressure limit provided as an additional safety feature.
  • the connection between the evaporator 3 and the valve box 5 and the expansion device 6 is formed as a long insulated line L6 for the steam, the outlet of the expansion device 6 via a short line L5 with the acting as a pulsation damper assembly 8 for the return of the lubricant Separator 9 and collector 10 connected.
  • FIGS. 2a to 2e show the arrangement 8 of separator 9 and collector 10 of the lubricant in various views, with connected valve box 5 according to FIG. 2a.
  • the separator 9 has an upper chamber 30 and a lower chamber 31, which are separated by a partition 32 from each other.
  • the chambers 30, 31 are connected to one another by means of an overflow connection 33 for passing through vaporous working medium, the vaporous working medium being flowed over from the lower chamber 31 into the upper chamber 30 and being discharged through the line L2 to the condenser 11.
  • the overflow connection 33 between the lower chamber 31 and the upper chamber 30 is bounded on the inside by a central tube 34 and on the outside by a coaxial to the central tube 34 arranged tubular element 45.
  • the central tube 34 extends from a filler neck 35 of the lubricant disposed on the lid of the separator 9 to the bottom of the collector 10.
  • the separator 9 is formed in the upper region of the lower chamber 31 with the tangentially arranged line L5 as connection between the inlet into the separator 9 and the outlet of the expansion device 6 to the lubricant, in particular oil, and partly liquid working medium from the vaporous working medium separate.
  • the separator 9, which is designed as a large-volume cyclone, at the same time represents a large capacity for the outlet of the expansion device 6 arranged in the immediate vicinity as a pulsation damper.
  • Trained as a cone intermediate bottom 38 has a radial clearance and thus a gap to the wall of the separator 9.
  • the intermediate bottom 38 prevents on the one hand a large-area contact of the working medium with the already deposited lubricant in the collector 10 and on the other hand allows a simple inflow of liquid working fluid on the wall in the collector 10.
  • the formed in the center of the assembly and at the top of the separator 9 with The central tube 34 also has pressure compensation openings 36, 37, which on the steam side between the level of the maximum level in the collector 10 and the intermediate bottom 38 and the condensate side are formed at the bottom of the assembly 8.
  • the collector 10 located in the direction of gravity below the separator 9 has partition walls 39 arranged concentrically around the central tube 34 and sufficiently sealed to the bottom.
  • the bulkheads 39 provide for the mixture of liquid working fluid and lubricant a time-long flow path from the outside into the center to safely separate due to the difference in density, the lubricant from the working fluid.
  • the float 40 is installed axially movable and connected via a vertically arranged connecting element 41 with the valve 19 designed in particular as a needle valve.
  • the float 40 controls the opening and closing of the valve 19.
  • the connecting element 41 is rod-shaped.
  • the liquid working medium with a greater density than the lubricant settles when flowing along the one channel forming bulkhead walls 39 substantially from the outside into the center of the collector 10 in the lower region of the collector 10 from the central tube 34, so that a liquid layer is formed in the center.
  • the float 40 With the accumulating liquid working fluid and the lubricant, the float 40 is raised, being opened via the connected to the float 40, arranged at the bottom of the collector 10 valve 19 and an excessive amount of liquid working fluid through the bottom of the collector 10 and the line L3 is sucked in the direction of the ejector 13.
  • the float 40 is lowered and at a predetermined filling level in the collector 10, the valve 19 is closed.
  • the lubricant separated from the liquid working medium is preferably aspirated as superheated steam cylinder oil by means of the metering pump 18 arranged in the line L4 below the level of the float 40 and supplied to the expansion device 6, preferably the valve chamber, as inlet of the working medium into the expansion device 6.
  • the line L4 extends on the suction side of the metering pump 18 through the bottom of the collector 10 to just below the predetermined, minimum level within the collector 10th
  • a check valve arranged in front of the inlet into the valve chamber prevents accidental backflow of steam into the collector 10.
  • the collector 10 is filled up to the visible with a arranged on the level of the float 40 sight glass 42 level indicator with pure lubricant.
  • the filling level results from the predetermined amount of lubricant to be introduced into the device 1. Lifting the float 40 above the predetermined level may thus be caused only by the accumulation of liquid working fluid during operation, which is dissipated by opening the valve 19 to the ejector 13.
  • the line L1 is coupled to a safety valve.
  • a valve box 5 emerges as a combination of the pressure limiting valve 50 designed as a safety valve and a three-way valve 51 formed from a shut-off valve and an overflow valve, in particular the three-way valve 51 in FIG is shown in sectional view.
  • the valve box 5 has a cylindrical rotary valve chamber 58 with connections to the evaporator 3 and to the expansion device 6, an outlet chamber 56 with a connection operated to the condensation pressure p K to the separator 9 or to the condenser 11 and a spring chamber 54.
  • the valve box 5 is formed in the region of the three-way valve 51 with a rotary valve 57 for shutting off the entry of the steam into the expansion device 6, for example in case of load drop of the generator 7, as shown in FIGS. 3a and 3b.
  • the load drop of the generator 7 is registered by a sudden change, that is, an increase, in the rotational speed n.
  • the three-way valve 51 has an inlet and two outlets in the area of the rotary valve chamber 58. In the inlet opens the extending between the evaporator 3 and the valve box 5 line L6.
  • the steam of the working medium conducted from the evaporator 6 to the valve box 5 is guided, depending on the position of the rotary valve 57, through the steam transfer step 44 to the separator 9 or via the line L7 to the expansion device 6.
  • the steam transfer step 44 and the line L7 are each connected to an outlet of the three-way valve 51 and arranged at an angle of 90 ° to each other.
  • a small mass flow of vaporous working medium in the direction of the separator 9 is released by the outlet connected to the steam transfer step 44.
  • the outlet to the steam transfer step 44 is closed.
  • a first wet steam can be removed both from the evaporator 3 and from the rotary valve chamber 58 of the three-way valve 51, allowing a drier start of the expansion device 6.
  • a vapor flow is always ensured in the case of a shut-off start of the device 1 at the temperature measuring point at the outlet of the working medium from the evaporator 3.
  • Fig. 3c shows the position of the rotary valve 57 of the three-way valve 51 with the line L7 to the expansion device 6 open.
  • the vapor flowing from the evaporator 3 through the line L6 and the inlet in the three-way valve 51 of the valve box 5 is the Outlet and forwarded through the line L7 to the expansion device 6.
  • the outlet to the steam transfer step 44 is closed.
  • the rotary valve 57 designed for a rotary movement at an angle of 90 ° is arranged inside the rotary valve chamber 58 and has a radial play for sealing to form a drive spindle 52 designed as a drive spindle.
  • the drive element 52 of the rotary valve 57 is also designed as a spring-loaded pressure limiting valve 50 with axial play, wherein in an axial movement of the drive element 52 within a formed between the rotary valve chamber 58 and the outlet chamber 56 housing passage radial guidance is ensured.
  • the spherical segment-shaped valve disk lies as a valve seat 55 sealingly in the conically formed between the rotary valve chamber 58 and the outlet chamber 56 to the housing bushing.
  • the closed in the direction of the rotary valve 57 outlet 56 of the valve box 5 is connected via the line L1 to the separator 9 and the condenser 11.
  • the spring space 54 adjoins above the boundary of the outlet space 56, the wall of which has a plurality of openings 59 connected to the surroundings of the device 1. Due to the small pressure difference between the ambient pressure pu and the Condensation pressure p K is between the spring chamber 54 and the outlet space 56, that is, between the boundary and the drive element 52 to provide no additional and complicated to be constructed seal.
  • the drive element 52 is loaded by means disposed within the spring chamber 54 spring 53, the spring 53, the drive element 52 in the axial direction with the valve seat 55 presses against the housing passage.
  • the spring 53 is designed such that the drive element 52 moves at an applied within the rotary valve chamber 58, predetermined pressure of the working medium, also referred to as overpressure, in the axial direction against the spring force and thus the valve seat 55 is opened, so that the working fluid through the housing bushing is passed into the outlet space 56 and through the line L1 to the separator 9.
  • the line L1 and the steam 44 are thus formed as bypasses around the expansion device 6, which branch off in the circuit 2 of the working medium of the device 1 in the flow direction of the working medium after the evaporator 3 and before the expansion device 6 and after the expansion device 6, in particular before Capacitor 11, re-open.
  • the vaporized working medium is consequently conveyed via the valve box 5 either into the expansion device 6 or via the line L1 or the steam transfer step 44 as bypasses around the expansion device 6.
  • valve box 5 is directly and rigidly coupled to the separator 9, since in the case of the response of the pressure relief valve 50, a large pulse is generated.
  • the expansion device 6 arranged downstream of the valve box 5 in the flow direction of the working medium in the circuit 2 downstream of the evaporator 3 is designed as a crosshead machine with separate lubricant systems for the engine and the cylinder, with an inlet 60 for the working medium and the lubricant and with cylinder safety valves 61. As shown in Fig.
  • the expansion device 6 has a double-acting piston 62 with a piston rod 63, a piston slide 70 for the inlet 60 of the working medium, an outlet connected to the line L5 to the separator 9 on the cylinder as well as pressurized relief valves cylindrical safety valves 61 ,
  • the expansion device 6 is operated as an expansion machine in the DC principle, according to type stump with spool 70 and internal inflow, which is advantageous in terms of low cooling losses during the flow of the working medium into the expansion device 6.
  • the pressure of the working medium at the outlet from the cylinder which corresponds to the condensation pressure p K of the device 1, is always lower than the ambient pressure pu of the air surrounding the device 1, so that the ambient air is used as the outer sealing gas and the low pressure region of the device 1 operated at the pressure level of the condensation.
  • the flowing through the line L7 in the expansion device 6 working fluid is passed over the slide chamber 73 alternately on the work spaces.
  • Both the expansion device 6 with the cylindrical safety valves 61 designed as pressurized overflow valves and the valve box 5 can each likewise be used in steam power processes in which the surrounding air, in particular on dynamic seals, is not used as a sealing gas. Consequently, the expansion device 6 with the cylinder safety valves 61 as well as the valve box 5 can be used in steam power processes without air as a sealing gas.
  • the double-acting piston 62 is formed of two vapor-side piston bodies and an intermediate piece as a double T-piston.
  • the intermediate piece has approximately half the diameter of the vapor-side piston body.
  • the vapor-side piston bodies are each provided with piston rings for sealing the working spaces in combination with the cylinder, which is also shown in FIG. 4b evident.
  • the crank-side piston body of the piston 62 has an inner cone formed in the piston body. Within the inner cone a conical piston nut 64 corresponding to the inner cone is arranged for adjusting and varying the axial piston clearance.
  • the piston 62 is braced on the cover-side piston body by means of a rod nut 65 with the piston rod 63.
  • the rod seal 66a of the piston rod 63 and the rod seal 66b of the crank-side slider body 71 of the spool valve 70 are referred to as two-stage seals with insectsaugung in the direction of the capacitor
  • 4c shows a two-stage seal of the piston rod 63.
  • the slider body 71, 72 have the same diameter as the
  • crank-side slider body 71 is guided outwardly without a shoulder as a slide rod, wherein instead of an inner contacting segment seal
  • Piston rings are formed.
  • the conveyed through the ejector 13 with the working fluid into the reservoir 14 air is discharged through a degassing line 1 5 from the reservoir 14 into the environment, which is shown in Fig. 1.
  • the continuously rising, for example, spirally, and cooled design degassing line 15 is arranged such that the vapor present working medium when flowing through the degassing 15 at least for the most part condenses and flows back into the reservoir 14, while the air has penetrated into the device 1 escapes up into the environment.
  • the device 1 is thus formed with air as a sealing gas in such a way that no working medium escape and when using water as a working medium no fogging of components can occur, which could lead to electrical interference of the device 1.
  • the rod seal 66a of the piston rod 63 has internal, on the steam side touching trained segment seals 76 and an outer, on the environment side, in particular air side, arranged labyrinth seal 78.
  • a wave spring 77 is arranged between the segment seal 76 aligned with the labyrinth seal 78 and the labyrinth seal 78.
  • the sealing segment packet formed by the segmental seal 76, the wave spring 77 and the labyrinth seal 78 is displaced in the direction of the piston rod 63 on the one hand by a guide bush 75 and on the other hand by a pressure plate
  • the sealing segment packet is clamped by means of a plate spring 80 and a flange 81 axially against the guide bushing 75, wherein the plate spring 80 rests on the one hand on the pressure plate 79 and on the other hand on the flange 81.
  • the labyrinth seal 78 is disposed within a thrust sleeve 83 with radial clearance to match the much greater clamping force of the disc spring
  • a fluid channel 82 as a fluidic connection to the suction 67a as a low pressure region of the device 1, that is a condensing pressure p K acted upon area formed.
  • the fluid channel 82 extends in overflow slots formed on the pressure sleeve 83 and the wave spring 77 as far as the piston rod 63.
  • the cylinder relief valves 61 designed as overflow valves Expansion device 6 are connected to the work spaces, also referred to as cylinders.
  • the cylinder safety valves 61 pressurized with the inlet pressure of the working medium into the expansion device 6, which corresponds to the evaporation pressure p v during operation of the device 1, are configured such that when a pressure within the working space is exceeded of approximately 25% of the inlet pressure of the working medium into the expansion device 6 a connection to the outlet of the expansion device 6, in particular to the line L5 to the separator 9, is opened.
  • the cylinder safety valves 61 also allow a quiet start-up or high-speed rotation of the expansion device 6, without an energetically relevant compression phase with looping during the inflow process.
  • Both on the piston rod 63 and on the outer portion of the spool 70 disc-shaped spray screens 69, 74 are arranged between the crankcase or the engine and the working space bounding cylinder to by centrifuging or dripping of the working fluid at the outer edges of the spray shield 69, 74th avoid any contact of any liquid working fluid and lubricant of the engine. This contact of working fluid and lubricant would be possible in principle after prolonged stoppage of the circuit 2 with pressure compensation.
  • the expansion device 6 is advantageously operated with an asymmetrical filling of about 20% at a pre-inlet less than 1% and a symmetrical outlet of about 40% in the pressure range above 15 bar.
  • the dead space is about 6%.
  • the compression pressure when opening the piston valve 70, also referred to as inlet slide, is about 20 bar.
  • the lubrication of the crosshead 68 formed thrust crank engine of the expansion device 6 is as pressure circulation lubrication with lubricant sump and sight glass, separate lubricant pump and filter educated.
  • the separator 9 is connected to the condenser 11 designed as a plate heat exchanger, the heat being transferred from the working medium to the heating / cooling circuit.
  • the vapor of the working medium flows from the top into the condenser 11, while the coolant flows out of the condenser 11 in countercurrent top.
  • the outlet for the condensed working medium is arranged, through which the liquid working medium and air which has penetrated into the device 1, in particular into the expansion device 6, are sucked from the ejector 13.
  • the ejector 1 3 thus sucks the entire condensate plus the air has penetrated into the device 1 and promotes into the reservoir 14.
  • the ejector 13 is formed next to the first connection for connection to the condenser 11 with the second connection for the extraction of the liquid working medium from the arrangement 8.
  • the second connection is connected via the line L3 to the valve 19 with the collector 10.
  • the arrangement 8 for returning the lubricant with the separator 9 and the collector 10, the condenser 11, the ejector 13 and the reservoir 14 are aligned in a certain height allocation to each other.
  • the ejector 13 is clearly below the inlet of the vapor into the condenser 11, but above the level of the float 40 of the collector 10 is arranged.
  • the ejector 13 is also arranged in the height of the upper, filled with air region of the following reservoir 14, that is, the maximum filling level of the reservoir 14 is well below the inlet connected to the ejector 13.
  • the upper, filled with air region of the reservoir 14 has the steadily increasing degassing line 15 in communication with the environment outside the device 1, which is always open, so that prevails within the reservoir 14 ambient pressure pu. Air may possibly be sucked in through the degassing line 15 when the liquid level in the reservoir 14 drops, and in particular air that has penetrated into the device 1 as sealing gas is expelled from the device 1, or "saturated" air displaced as the liquid level increases induced changes in the evaporation pressure p v. By means of the long-cooled vent line 1 5 of the dew point of the air is lowered, whereby condensed out working medium flows back into the reservoir 14. By means of the Auskondensierens of the vaporous working medium out of the to be derived air only a minimum amount of working medium in escapes Form of saturated at ambient temperature air from the device 1 into the environment.
  • the heat of condensation is transferred to coolant with a lower temperature, which is passed through the additionally integrated within the reservoir 14 coil.
  • the coolant flows in particular through the tube coil integrated within the storage container 14 and subsequently or in parallel through the condenser 11.
  • the in addition to the propulsion jet for the ejector 13 and a pre-pressure for the feed pump 17 generating backing pump 16 is connected in the lower part of the reservoir 14 and sucks liquid working medium.
  • the Feed pump 17 is advantageously designed as a lubricated with the lubricant reciprocating pump with pressure-controlled valves, which prevents any backflow of hot working fluid from the evaporator 3 at standstill, which avoids the additional arrangement of a complicated non-return valve with damper in the long, pulsation-prone supply line to the evaporator 3 ,
  • the feed line is, according to the length, formed with a sufficient cross-section to prevent larger pulsations.
  • the speed of the feed pump 17, for example via frequency converter corresponding to the temperature T of the exhaust gas at the inlet into the evaporator 3 and the temperature T and the pressure p of the steam at the outlet of the evaporator 3 regulated.
  • the pressure p at the outlet of the vapor from the evaporator 3 is determined by means of the pressure sensor 43, which, according to FIG. 3 a, is arranged on the valve box 5. In this case, the entry state of the working medium in the expansion device 6 is selected such that the working medium after expansion flows only slightly superheated in the separator 9 or the condenser 11.
  • the crankshaft of the feed pump 17 and the metering pump 18 is driven, since a high vapor pressure requires a large amount of lubricant in the cylinder of the expansion device 6 and a high flow rate of the metering pump 18.
  • the feed pump 17 can be lubricated with lubricant.
  • the feed pump 17 and the metering pump 18 can also be driven by a common, speed-controlled motor.
  • the device 1 is supplemented with additional filling nozzles and drainage nozzles on the thrust crank engine of the expansion device 6, on the assembly 8 of separator 9 and collector 10 and on the reservoir 14.
  • FIG. 5 shows the integration of the steam power process that can be carried out with the device 1 in a CHP system.
  • the circuit 2 water is circulated as a working medium.
  • the device 1 is indicated by means of the evaporator 3, the expansion device 6 and the generator 7, the condenser 11 and the feed pump 17.
  • the device 1 may also be coupled to an internal combustion engine of a motor vehicle and integrated in the associated periphery.
  • the exhaust gas of the internal combustion engine 91 driving a generator 91 is passed through the evaporator 3, which generates superheated steam in cross-countercurrent or in countercurrent at superatmospheric pressure. Subsequently, the steam is expanded in the expansion device 6 to perform work, condensed to a lower pressure and conveyed by means of the feed pump 17 into the evaporator 3. The steam is condensed near the temperature level of the cooling water of the engine 90.
  • the heat of condensation is transferred as waste heat to the outer cooling circuit 92 of the engine 90 and the heating circuit of the CHP system and used in particular in the mode in heating mode. In the mode in heating mode, which is indicated by the solid line arrow, the heating heat can be completely transferred to the temperature level of the cooling water.
  • the internal combustion engine 90 is also cooled by means of an internal cooling circuit 93, wherein the coolant transfers the heat dissipated by the internal combustion engine 90 in the heater-coolant heat exchanger 94 to the external cooling circuit 92.
  • a heating exhaust heat exchanger 97 is downstream in the flow direction of the exhaust gas, in which the residual heat of the exhaust gas to the heating water in the heating circuit with a flow 98 and a return 99 is transmitted.
  • the condenser 11 is therefore to be acted upon as the first component with the water of the return 99, which has the lowest temperature level of the cooling water or heating water.
  • the device 1 has a fault as an additional steam power process, in addition to the pumps, in particular the feed pump 17, and thus the expansion device 6 and the separate generator 7 by means of an open bypass 100, the heat supply to the device 1, especially before the evaporator 3, are turned off.
  • the heater exhaust heat exchanger 97 can be bypassed by means of the bypass 101, so that the heat of the exhaust gas is released directly into the environment, without burdening the cooling water circuit, especially in the non-heating mode. The heat would otherwise have to be dissipated under the expense of additional fan power.
  • the circulation pump 102 Since, when the utilization of the heating heat, the cycle is applied in the non-heating mode, so that the cooling medium flows through the air heat exchanger 95, and the circulation pump 102 is to be located at the position where the cooling medium has the lowest temperature, the circulation pump 102 arranged in the flow direction of the cooling medium directly in front of the condenser 11.
  • the expansion device 6 Due to the setting at maximum power very large pressure conditions in the expansion device 6, the expansion device 6 is designed as a single-stage reciprocating engine in DC design. Despite the single-stage design, the expander 6 achieves isentropic grades of 70% over a wide load range at a mean piston speed of 4 m / s.
  • the superheat temperature of the vapor at the outlet of the evaporator 3 at particularly high temperatures of the exhaust gas up to 500 ° C is and the condensation temperature in the range of 80 ° C to 90 ° C.
  • the high condensation temperature has a particularly advantageous effect on the process of transferring the heat from the working medium to the environment, especially in the non-heating mode. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The invention relates to a device (1) for using exergy, in particular a steam power plant designed for a steam power process, comprising a closed circuit (2), which is surrounded by air as an atmosphere having an ambient pressure (pu) and in which a working medium circulates. In the flow direction of the working medium, the circuit (2) has an evaporator (3) for evaporating the working medium at an evaporation pressure (pv), an expansion device (6) for expanding the working medium, mechanical work thus being performed, a condenser (11) for condensing the working medium at a condensation pressure (pK), a reservoir (14), and a feed pump (17) for conveying the working medium to the evaporator (3). In addition, a component for conveying the working medium into the reservoir (14) is formed after the condenser (11) in the flow direction of the working medium. Dynamic seals are arranged between the working medium within a region of the circuit (2) operated at the level of the condensation pressure (pK) and the surroundings, which dynamic seals are two-stage dynamic seals and are designed in such a way that the air surrounding the device (1) lies against the dynamic seals as a sealing gas, wherein the ambient pressure (pu) as the pressure of the air is greater than the lowest pressure of the working medium in the circuit (2), in particular the condensation pressure (pK) of the working medium.

Description

Vorrichtung zur Nutzung der Exergie  Device for using the exergy
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Exergie, insbesondere eine für einen Dampfkraftprozess ausgebildete Dampfkraftanlage, mit einem geschlossenen Kreislauf, in welchem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Der Kreislauf ist von Luft auf einem Umgebungsdruck umgeben und weist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums einen Verdampfer, eine Expansionsvorrichtung zum Entspannen des Arbeitsmediums unter Verrichtung mechanischer Arbeit, einen Kondensator, einen Vorratsbehälter sowie eine Speisepumpe zum Fördern des Arbeitsmediums zum Verdampfer auf. Nach dem Kondensator ist zudem eine Komponente zum Fördern des Arbeitsmediums in den Vorratsbehälter ausgebildet. Aus dem Stand der Technik bekannte Dampfkraftanlagen werden in Verbindung mit Kraftfahrzeugen, insbesondere verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, oder stationären Vorrichtungen, wie Kraftwerken zur Erzeugung von überwiegend elektrischer Energie, eingesetzt. Die Dam pfkraf tan läge wird dabei mit den heißen Abgasen des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs oder der Gasmotoren beziehungsweise der Gasturbinen beaufschlagt, sodass die Wärme des Abgases zur Dampferzeugung genutzt wird. Der unter Abkühlung der Abgase oder bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugte Dampf wird beim Durchströmen einer Expansionsmaschine unter Verrichtung von mechanischer Arbeit expandiert. Mittels der Dampfkraftanlagen wird somit die Energie der Brennstoffe oder der Abgase genutzt und mit der bei der Expansion des Dampfes bereitgestellten Energie ein Generator oder eine andere Komponente, wie ein Kompressor, angetrieben. Herkömmliche Dampfkraftanlagen sind aus einem geschlossenen Kreislauf eines Arbeitsmediums ausgebildet, in welchem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Der Kreislauf weist einen Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine zur Entspannung des Arbeitsmediums unter Verrichtung mechanischer Arbeit, einen Kondensator zur Kondensation des Arbeitsmediums, einen Vorratsbehälter zum Speichern des Arbeitsmediums und damit zum Ausgleich von Volumenschwankungen innerhalb des Kreislaufs sowie eine Speisepumpe zum Fördern des Arbeitsmediums auf, wobei die Komponenten in der angegebenen Reihenfolge vom Arbeitsmedium beaufschlagt werden. The invention relates to a device for the use of exergy, in particular a trained for a steam power steam plant, with a closed circuit in which circulates a working fluid. The circuit is surrounded by air at an ambient pressure and has in the direction of flow of the working medium an evaporator, an expansion device for relaxing the working medium while performing mechanical work, a condenser, a reservoir and a feed pump for conveying the working fluid to the evaporator. After the condenser also a component for conveying the working medium is formed in the reservoir. Steam power plants known from the prior art are used in conjunction with motor vehicles, in particular motor vehicles driven by internal combustion engines, or stationary devices, such as power plants, for generating predominantly electrical energy. The Dam pfkraf tan läge is acted upon with the hot exhaust gases of the internal combustion engine of the motor vehicle or the gas engines or gas turbines, so that the heat of the exhaust gas is used to generate steam. The steam generated by cooling the exhaust gases or burning fossil fuels is expanded as it flows through an expansion machine to perform mechanical work. By means of the steam power plants thus the energy of the fuels or the exhaust gases is used and with the energy provided during the expansion of the steam, a generator or other component, such as a compressor driven. Conventional steam power plants are formed from a closed circuit of a working medium, in which a working medium circulates. The circuit has an evaporator for evaporating the working medium, a Expansion machine for relaxation of the working medium while performing mechanical work, a condenser for condensing the working fluid, a reservoir for storing the working fluid and thus to compensate for volume fluctuations within the circuit and a feed pump for conveying the working fluid, wherein the components in the order specified by the working fluid be charged.
Aus der DE 10 2012 006 142 A1 geht eine Dam pfkraftan läge für ein Kraftfahrzeug oder eine stationäre Einrichtung, insbesondere für ein Kleinkraftwerk oder für eine Kompressorstation zur Förderung von Öl oder Gas, hervor. Die Dampfkraftanlage weist einen genannten geschlossenen Kreislauf eines Arbeitsmediums mit den angegebenen Komponenten auf. Der Speisepumpe ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums eine Druckerhöhungspumpe vorgeschaltet, um den Druck des Arbeitsmediums am Einlass in die Speisepumpe zu erhöhen und konstant zu halten. Mit der vorgeschalteten Druckerhöhungspumpe kann Kavitation in der Speisepumpe vermieden werden. Zwischen dem Auslass des Kondensators und dem Einlass des Vorratsbehälters ist zudem eine Kondensationspumpe zum Absaugen von Arbeitsmedium aus dem Kondensator ausgebildet, sodass die Dam pfkraftan läge mit einem geringeren und im Wesentlichen konstanten Kondensationsdruck betreibbar ist. From DE 10 2012 006 142 A1 discloses a Dam pfkraftan would be for a motor vehicle or a stationary device, in particular for a small power plant or for a compressor station for the production of oil or gas out. The steam power plant has a closed circuit of a working medium with the specified components. The feed pump is preceded by a pressure booster pump in the direction of flow of the working medium in order to increase the pressure of the working medium at the inlet to the feed pump and to keep it constant. With the upstream booster pump cavitation in the feed pump can be avoided. Between the outlet of the condenser and the inlet of the reservoir, a condensation pump for sucking working fluid from the condenser is also formed so that the dam pfkraftan is operable with a lower and substantially constant condensation pressure.
In der DE 10 2012 021 326 A1 werden ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie und eine Energieerzeugungsanlage offenbart. Das Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie für ein Stromverbundnetz mit Wechselstrom weist folgende Schritte auf: Verbrennen eines Erdgases, Biogases, Grubengases oder Deponiegases mit einem Verbrennungsmotor, welcher einen Abgasstrom erzeugt, zum Antreiben eines ersten elektrischen Generators oder einer anderen Arbeitsmaschine, Beaufschlagen eines Verdampfers eines Kreislaufs einer Dampfkraftanlage mit Abwärme aus dem Abgasstrom zum Verdampfen des Arbeitsmediums, Zuführen des dampfförmigen Arbeitsmediums aus dem Verdampfer in eine Expansionsvorrichtung zum Expandieren des Dampfes und Erzeugen mechanischer Energie, Antreiben des ersten oder eines zweiten elektrischen Generators mittels der Expansionsvorrichtung und Einspeisen mindestens eines Teils der mittels der elektrischen Generatoren erzeugten elektrischen Energie in das Stromverbundnetz. Der Kreislauf des Arbeitsmediums der Anlage weist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach dem Verdampfer einen Bypass auf, welcher vor der Expansionsvorrichtung abzweigt und nach der Expansionsvorrichtung, insbesondere vor dem Kondensator, wieder einmündet. DE 10 2012 021 326 A1 discloses a method for generating electrical energy and a power generation plant. The method for generating electrical energy for a grid network with alternating current comprises the steps of: burning a natural gas, biogas, pit gas or landfill gas with an internal combustion engine, which generates an exhaust gas stream, for driving a first electric generator or another working machine, supplying an evaporator of a Circulation of a steam power plant with waste heat from the exhaust gas stream to evaporate the working medium, supplying the vaporous working medium from the evaporator in an expansion device for expanding the steam and generating mechanical energy, driving the first or a second electric generator by means of the expansion device and feeding at least a portion of the electrical energy generated by the electric generators in the power grid. The circulation of the working medium of the plant has in the flow direction of the working medium after the evaporator to a bypass, which branches off in front of the expansion device and after the expansion device, in particular in front of the condenser, re-opens.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme sind mit aufwendigen Dichtungssystemen ausgebildet, um das Entweichen von Arbeitsmedium aus dem Kreislauf zu vermeiden. Bei der Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium kann das Entweichen von Arbeitsmedium aus dem Kreislauf zum Beschlagen von Komponenten führen, was beispielsweise elektrische Störungen des Systems verursachen könnte. The known from the prior art systems are formed with elaborate sealing systems to prevent the escape of working fluid from the circulation. When using water as a working medium, the escape of working fluid from the circuit can lead to fogging of components, which could cause electrical disturbances of the system, for example.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zur effizienten Nutzung von Exergie, insbesondere aus Abgasen. Die Vorrichtung soll einfach aufgebaut sein und einen selbsttätigen, sicheren Betrieb bei geringem Aufwand für die Wartung ermöglichen. Zum sicheren Betrieb der Vorrichtung zählt dabei auch eine leckagefreie Ausbildung bezüglich des Arbeitsmediums. Die Vorrichtung soll geringe Kosten für die Herstellung verursachen, eine hohe Lebensdauer und eine hohe Betriebssicherheit aufweisen. The object of the invention is to provide a device for the efficient use of exergy, in particular from exhaust gases. The device should be simple and allow automatic, safe operation with little effort for maintenance. For safe operation of the device also includes a leak-free training with respect to the working medium. The device should cause low manufacturing costs, have a long life and high reliability.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. The object is achieved by the subject matters with the features of the independent claims. Further developments are specified in the dependent claims.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung von Exergie, insbesondere eine für einen Dampfkraftprozess ausgebildete Dam pfkraf tan läge, mit einem geschlossenen Kreislauf gelöst. Der Kreislauf ist von einer Atmosphäre umgeben, welche aus Luft bei Umgebungsdruck besteht. Innerhalb des Kreislaufs zirkuliert ein Arbeitsmedium. Der Kreislauf weist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums einen Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums bei einem Verdampfungsdruck, eine Expansionsvorrichtung zum Entspannen des Arbeitsmediums unter Verrichtung mechanischer Arbeit, einen Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums bei einem Kondensationsdruck, einen Vorratsbehälter sowie eine Speisepumpe zum Fördern des Arbeitsmediums zum Verdampfer auf. In Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach dem Kondensator ist zudem eine Komponente zum Fördern des Arbeitsmediums in den Vorratsbehälter ausgebildet. Nach der Konzeption der Erfindung sind zwischen dem Arbeitsmedium innerhalb eines auf Niveau des Kondensationsdrucks betriebenen Bereichs des Kreislaufs und der Umgebung dynamische Dichtungen angeordnet, welche zweistufig derart ausgebildet sind, dass die die Vorrichtung umgebende Luft an den dynamischen Dichtungen als Sperrgas anliegt. Dabei ist der Umgebungsdruck als Druck der Luft größer als der geringste Druck des Arbeitsmediums innerhalb der Vorrichtung. The object is achieved by a device according to the invention for the use of Exergy, especially one designed for a steam power process Dam pfkraf tan would be solved with a closed circuit. The circuit is surrounded by an atmosphere consisting of air at ambient pressure. Within the cycle circulates a working medium. The circuit has in the flow direction of the working medium, an evaporator for evaporating the working medium at an evaporation pressure, an expansion device for relaxing the working medium while performing mechanical work, a condenser for condensing the working fluid at a condensation pressure, a reservoir and a feed pump for conveying the working fluid to the evaporator , In the flow direction of the working medium after the condenser, a component for conveying the working medium is also formed in the reservoir. According to the concept of the invention, dynamic seals are arranged between the working medium within a region of the circuit operated at the level of the condensation pressure and the surroundings, which are designed in two stages such that the air surrounding the device bears against the dynamic seals as sealing gas. In this case, the ambient pressure as the pressure of the air is greater than the lowest pressure of the working medium within the device.
Der Kondensationsdruck ist das geringste Druckniveau des Arbeitsmediums innerhalb des Kreislaufs, wobei als Arbeitsmedium vorteilhaft Wasser verwendet wird. Die dynamischen Dichtungen sind insbesondere an Komponenten der Expansionsvorrichtung ausgebildet.  The condensation pressure is the lowest pressure level of the working medium within the circuit, wherein advantageously water is used as the working medium. The dynamic seals are in particular formed on components of the expansion device.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums zwischen dem Kondensator und dem Vorratsbehälter angeordnete Komponente zum Fördern des Arbeitsmediums in den Vorratsbehälter als Ejektor ausgebildet. Der Ejektor zum Absaugen des Arbeitsmediums sowie der als Sperrgas durch die dynamischen Dichtungen in den Kreislauf eingedrungenen Luft der Umgebung aus dem Kondensator ist zudem mit einer Vorpumpe zum Fördern eines Massenstroms des Arbeitsmediums als Treibstrahl des Ejektors verbunden. Der Ejektor fördert in Verbindung mit der Vorpumpe folglich Arbeitsmedium und Luft in den Vorratsbehälter. According to a preferred embodiment of the invention arranged in the flow direction of the working medium between the condenser and the reservoir component for conveying the working medium in the reservoir is designed as ejector. The ejector for sucking off the working medium as well as the air from the condenser, which has penetrated the circuit as sealing gas through the dynamic seals, is the environment also connected to a backing pump for conveying a mass flow of the working medium as a propulsion jet of the ejector. The ejector thus promotes in connection with the fore pump working fluid and air in the reservoir.
Die Vorpumpe ist vorteilhaft mit einem Auslass des Vorratsbehälters verbunden ausgebildet sowie zwischen dem Vorratsbehälter und der Speisepumpe zum Fördern eines Massenstroms des Arbeitsmediums zur Speisepumpe angeordnet. The backing pump is advantageously formed connected to an outlet of the reservoir and arranged between the reservoir and the feed pump for conveying a mass flow of the working fluid to the feed pump.
Die Vorpumpe dient folglich dem Fördern des Treibstrahls des Ejektors als ein erster Massenstrom des Arbeitsmediums sowie eines zweiten Massenstroms des Arbeitsmediums zur nachfolgenden Speisepumpe. The backing pump thus serves to convey the propulsion jet of the ejector as a first mass flow of the working medium and a second mass flow of the working medium to the subsequent feed pump.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Vorratsbehälter eine Entgasungsleitung als Verbindung mit der Umgebung auf. Die Entgasungsleitung ist in einen oberen, mit gesättigter Luft befüllten Bereich des Vorratsbehälters mündend, stetig ansteigend und gekühlt derart ausgebildet, dass dampfförmiges Arbeitsmedium beim Durchströmen der Entgasungsleitung zumindest zum großen Teil kondensiert und nach unten in den Vorratsbehälter zurückströmt sowie in die Vorrichtung eingedrungene Luft nach oben in die Umgebung entweichen kann. According to a further preferred embodiment of the invention, the reservoir on a degassing line as a connection with the environment. The degassing line is in an upper, filled with saturated air region of the reservoir opening, steadily rising and cooled designed such that vaporous working medium condenses as it flows through the degassing at least for the most part and flows back down into the reservoir and the device penetrated air upwards can escape into the environment.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach der Expansionsvorrichtung eine Anordnung zur Rückführung von Schmiermittel angeordnet. Die Anordnung weist einen als Zyklon ausgebildeten Abscheider zum Trennen von Arbeitsmedium und Schmiermittel sowie einen Sammler für das Schmiermittel auf. Dabei ist der Sammler in Richtung der Schwerkraft unterhalb des Abscheiders angeordnet. Der Sammler ist bevorzugt mit einer im Wesentlichen von außen nach innen ausgerichteten Kanalführung ausgebildet, sodass im Zentrum eine Flüssigkeitsschichtung aus Arbeitsmedium und Schmiermittel vorliegt. Der Sammler weist vorteilhaft einen Boden auf, wobei in einem zentralen Bereich des Sammlers am Boden ein Ventil zum Absaugen von im Sammler angesammelten Arbeitsmedium ausgebildet ist. Das Ventil ist bevorzugt über ein Verbindungselement mit einem Schwimmer gekoppelt, mit welchem das Ventil bei einem bestimmten Füllstand innerhalb des Sammlers geöffnet wird. According to a development of the invention, an arrangement for the return of lubricant is arranged in the flow direction of the working medium after the expansion device. The arrangement comprises a separator designed as a cyclone for separating working medium and lubricant and a collector for the lubricant. The collector is arranged in the direction of gravity below the separator. The collector is preferably formed with a substantially outwardly inwardly directed channel guide, so that in the center there is a liquid stratification of working fluid and lubricant. The collector advantageously has a bottom, wherein in a central region of the collector at the bottom of a valve for sucking accumulated in the accumulator working fluid is formed. The valve is preferably coupled via a connecting element with a float, with which the valve is opened at a certain level within the collector.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sammler über eine Leitung zum Absaugen von Arbeitsmedium aus dem Sammler und zum Fördern des Arbeitsmediums in den Vorratsbehälter mit dem Ejektor verbunden. Die Leitung mündet dabei bevorzugt parallel zum Anschluss der Verbindung zum Kondensator in den Ejektor. According to an advantageous embodiment of the invention, the collector is connected via a line for sucking working fluid from the collector and for conveying the working fluid into the reservoir with the ejector. The line preferably opens parallel to the connection of the connection to the capacitor in the ejector.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Sammler über eine Leitung zum Absaugen von Schmiermittel aus dem Sammler und zum Fördern des Schmiermittels zur Expansionsvorrichtung mit einer Dosierpumpe verbunden ausgebildet ist. A further advantageous embodiment of the invention is that the collector is formed connected via a line for sucking lubricant from the collector and for conveying the lubricant to the expansion device with a metering pump.
Die Leitung ragt dabei bevorzugt in das vom Sammler umschlossene Volumen hinein und endet oberhalb des Niveaus des Arbeitsmediums sowie unterhalb des Niveaus des im Sammler ausgebildeten Schwimmers des Ventils zum Absaugen von im Sammler angesammelten Arbeitsmedium, um das auf dem Arbeitsmedium aufschwimmende Schmiermittel abzusaugen.  The line preferably projects into the volume enclosed by the collector and ends above the level of the working medium and below the level of the collector formed in the float of the valve for sucking accumulated in the accumulator working fluid to suck the floating on the working fluid lubricant.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Expansionsvorrichtung als Kreuzkopfmaschine mit einem Kreuzkopf, einer Kolbenstange und einem Kolben ausgebildet. Der Kolben weist dabei kurbelseitig einen Innenkegel und eine zum Innenkegel korrespondierende, kegelige Kolbenmutter zum Einstellen und Variieren eines axialen Kolbenspiels in Richtung der Kolbenstange auf. Der Kolben ist bevorzugt als doppeltwirkender Kolben mit zwei dampfseitigen Kolbenkörpern mit Kolbenringen und einem Zwischenstück als Doppel-T-Kolben ausgebildet. Das Zwischenstück weist vorteilhaft etwa den halben Durchmesser der Kolbenkörper auf. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Kolbenstange durch das einen Arbeitsraum zur Umgebung der Vorrichtung begrenzende Gehäuse der Expansionsvorrichtung hindurchgeführt angeordnet ist. Dabei ist zwischen der Kolbenstange und dem Gehäuse eine Stangendichtung angeordnet, welche ein Dichtsegmentpaket mit einer äußeren berührungslosen Labyrinthdichtung und mindestens einer inneren berührenden Segmentdichtung aufweist. According to a development of the invention, the expansion device is designed as a crosshead machine with a crosshead, a piston rod and a piston. In this case, the piston has an inner cone on the crank side and a conical piston nut corresponding to the inner cone for setting and varying an axial piston clearance in the direction of the piston rod. The piston is preferably designed as a double-acting piston with two vapor-side piston bodies with piston rings and an intermediate piece as a double T-piston. The intermediate piece advantageously has approximately half the diameter of the piston body. A further preferred embodiment of the invention is that the piston rod is arranged guided through the housing of the expansion device delimiting a working space to the surroundings of the device. Here, a rod seal is arranged between the piston rod and the housing, which has a sealing segment package with an outer non-contact labyrinth seal and at least one inner contacting segment seal.
Unter außen beziehungsweise äußere Seite ist die Seite in Richtung der Umgebung und unter innen beziehungsweise innere Seite ist die Seite in Richtung des Arbeitsraums zu verstehen.  Under the outer or outer side is the side in the direction of the environment and under the inside or inner side is the side in the direction of the working space to understand.
Zwischen der äußeren berührungslosen Labyrinthdichtung und der inneren berührenden Segmentdichtung ist vorteilhaft ein Fluidkanal als Verbindung zu einem Bereich niederen Druckes des Kreislaufs ausgebildet. Between the outer non-contact labyrinth seal and the inner contacting segment seal, a fluid channel is advantageously formed as a connection to a region of low pressure of the circuit.
Der Bereich niederen Druckes des Kreislaufs ist dabei der bevorzugt mit dem Kondensationsdruck des Arbeitsmediums beaufschlagte Bereich, wobei der Kondensationsdruck geringer ist als der Druck der als Sperrgas verwendeten Luft der Umgebung. Das Dichtsegmentpaket der Stangendichtung ist vorteilhaft mit einer Tellerfeder in Richtung der Kolbenstange zum Arbeitsraum hin, das heißt nach innen, axial verspannt angeordnet und dient dem Ausgleich von Fertigungstoleranzen. The region of low pressure of the circulation is in this case the region which is preferably acted upon by the condensation pressure of the working medium, the condensation pressure being lower than the pressure of the ambient air used as sealing gas. The sealing segment package of the rod seal is advantageous with a plate spring in the direction of the piston rod to the working space out, that is arranged inwardly, axially braced and serves to compensate for manufacturing tolerances.
Die Labyrinthdichtung ist bevorzugt mit einer Wellfeder in Richtung der Kolbenstange zur Umgebung hin, das heißt nach außen, axial vorgespannt. Die Kraft der Verspannung des Dichtsegmentpakets der Stangendichtung mit der Tellerfeder ist größer als die maximale Druckkraft und dabei um ein Vielfaches höher als die Kraft der Vorspannung der Labyrinthdichtung mit der Wellfeder, da nur die Druckkraft zur Umgebung zu überwinden ist. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Expansionsvorrichtung mindestens einen Arbeitsraum auf, welcher mit einem druckbeaufschlagten Zylindersicherheitsventil verbunden ist. Das Zylindersicherheitsventil ist dabei als Überströmventil eine Verbindung vom Arbeitsraum zu einem Auslass der Expansionsvorrichtung verschließbar oder offenbar ausgebildet sowie mit dem Eintrittsdruck beaufschlagt und derart konfiguriert, bei Überschreiten eines bestimmten Drucks des Arbeitsmediums innerhalb des Arbeitsraums eine Verbindung zum Auslass der Expansionsvorrichtung zu öffnen. Während des Betriebs der Vorrichtung entspricht der Eintrittsdruck im Wesentlichen dem Verdampfungsdruck des Arbeitsmediums. Die Expansionsvorrichtung ist bevorzugt in einer Gleichstrombauart mit einem Kolbenschieber mit Schieberkörpern mit kreiszylinderförmigen Querschnitten und einer inneren Einströmung sowie einer Kolbenstange mit kreiszylinderförmigem Querschnitt ausgebildet. Die vorteilhaft mit Kolbenringen ausgebildeten Schieberkörper und die Kolbenstange weisen dabei gleiche Durchmesser auf. The labyrinth seal is preferably with a corrugated spring in the direction of the piston rod towards the environment, that is outwardly, axially biased. The force of the clamping of the sealing segment package of the rod seal with the diaphragm spring is greater than the maximum compressive force and thereby many times higher than the force of the bias of the labyrinth seal with the wave spring, since only the pressure force to the environment is overcome. According to an advantageous embodiment of the invention, the expansion device has at least one working space, which is connected to a pressurized cylinder safety valve. The Cylinder safety valve is as a spill valve a connection from the working space to an outlet of the expansion device closed or apparently formed and acted upon by the inlet pressure and configured to open a connection to the outlet of the expansion device when a certain pressure of the working medium within the working space is exceeded. During operation of the device, the inlet pressure substantially corresponds to the evaporation pressure of the working medium. The expansion device is preferably formed in a DC design with a piston valve with valve bodies with circular cylindrical cross-sections and an inner inflow and a piston rod with kreiszylinderförmigem cross-section. The advantageous trained with piston rings slider body and the piston rod have the same diameter.
Ein kurbelseitiger Schieberkörper ist ohne Absatz als Schieberstange nach außen aus dem Gehäuse geführt, wobei die Kolbenringe eine berührende Segmentdichtung ersetzen. Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Verdampfer und der Expansionsvorrichtung eine als Ventilbox ausgebildete Kombination aus einem Absperrventil, einem Überströmventil und einem Druckbegrenzungsventil angeordnet. Das Absperrventil und das Überströmventil sind dabei in einem Drei-Wege-Ventil kombiniert ausgebildet.  A crank-side slider body is out without paragraph as a slide rod out of the housing, the piston rings replace a touching segment seal. According to a development of the invention, a valve box formed as a combination of a shut-off valve, an overflow valve and a pressure relief valve is arranged between the evaporator and the expansion device. The shut-off valve and the overflow valve are formed combined in a three-way valve.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Ventilbox einen Drehschieberraum mit kreiszylindrischem Querschnitt, einen Auslassraum und einen Federraum aufweist. Der Drehschieberraum ist dabei mit Anschlüssen zum Verdampfer, zur Expansionsvorrichtung sowie zu einem Abscheider und der Auslassraum mit einem Anschluss zum Kondensator oder einem Abscheider ausgebildet. Innerhalb des Drehschieberraums ist bevorzugt ein Drehschieber angeordnet, welcher mit einem Antriebselement verbunden um einen Winkel von 90° drehbar und in einer zwischen dem Drehschieberraum und dem Auslassraum ausgebildeten Gehäusedurchführung radial beweglich gelagert ist. A further advantageous embodiment of the invention is that the valve box has a rotary valve chamber with a circular cylindrical cross-section, an outlet chamber and a spring chamber. The rotary valve chamber is formed with connections to the evaporator, to the expansion device and to a separator and the outlet space with a connection to the condenser or a separator. Within the rotary valve space, a rotary valve is preferably arranged, which is connected to a drive element rotatable by an angle of 90 ° and is mounted radially movable in a housing passage formed between the rotary valve chamber and the outlet space.
Eine zwischen dem Drehschieberraum und dem Auslassraum angeordnete Gehäusedurchführung ist auf der Seite des Auslassraums vorteilhaft kegelig erweitert ausgebildet, wobei ein kugelsegmentförmiger Ventilsitz als Teil des Antriebselements beweglich dichtend an der kegeligen Erweiterung anliegt. Das Antriebselement ist dabei derart gelagert, sich bei einem bestimmten Überdruck des Arbeitsmediums innerhalb des Drehschieberraums axial gegen eine Feder zu bewegen, sodass der Ventilsitz von der kegeligen Erweiterung abhebt und einen Spalt als Öffnung zwischen dem Drehschieberraum und dem Auslassraum freigibt. An arranged between the rotary valve chamber and the outlet chamber housing passage is advantageously formed conically widened on the side of the outlet space, wherein a spherical segment-shaped valve seat rests as part of the drive element movable sealingly on the conical extension. The drive element is mounted so as to move axially against a spring at a certain overpressure of the working medium within the rotary valve space, so that the valve seat lifts off the conical extension and releases a gap as an opening between the rotary valve chamber and the outlet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Drei- Wege-Ventil mit einem Dampfübertritt als Verbindung zum Kondensator oder einem Abscheider ausgebildet und derart konfiguriert, bei einer Anordnung zum Verschließen des Anschlusses zur Expansionsvorrichtung den Dampf übertritt zu öffnen. According to a further preferred embodiment of the invention, the three-way valve is formed with a Dampfübertritt as a connection to the condenser or a separator and configured to open in an arrangement for closing the connection to the expansion device, the steam exceeded.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs oder eines Schiffes oder eines BHKW-Systems und Abgasen des Verbrennungsmotors als Wärmequelle zum Verdampfen des Arbeitsmediums im Verdampfer. The advantageous embodiment of the invention enables the use of the device in conjunction with an internal combustion engine of a motor vehicle or a ship or a CHP system and exhaust gases of the internal combustion engine as a heat source for evaporation of the working fluid in the evaporator.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur effizienten Nutzung von Exergie, insbesondere aus Abgasen, weist zusammenfassend diverse Vorteile auf: The device according to the invention for the efficient use of exergy, in particular from exhaust gases, has in summary various advantages:
- selbsttätiger, sicherer Betrieb bei geringem Aufwand für die Wartung, - automatic, safe operation with little effort for maintenance,
- leckagefreie Ausbildung bezüglich des Arbeitsmediums mit Luft als Sperrgas, das heißt insbesondere kein Austritt von dampfförmigem Arbeitsmedium, - getrennte Systeme zur Schmierung des Arbeitsraums und des Triebwerks der Expansionsvorrichtung sowie Leakage-free training with respect to the working medium with air as a sealing gas, that is in particular no escape of vaporous working medium, - Separate systems for lubrication of the working chamber and the engine of the expansion device as well
- thermische Trennung des Arbeitsraums und des Triebwerks der Expansionsvorrichtung.  - Thermal separation of the working space and the engine of the expansion device.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen: Further details, features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 : Vorrichtung zur Nutzung von Exergie in Form eines Fig. 1: Device for the use of exergy in the form of a
Dampfkraftprozesses,  Steam power process,
Fig. 2a bis 2e: Anordnung aus Abscheider und Sammler von Schmiermittel mit Ventilbox, 2a to 2e: arrangement of separator and collector of lubricant with valve box,
Fig. 3a, 3b: Ventilbox als Kombination aus einem Absperrventil und einem Fig. 3a, 3b: Valve box as a combination of a shut-off valve and a
Überströmventil ausgebildeten Drei-Wege-Ventil sowie einem Druckbegrenzungsventil mit geschlossener Leitung zur Expansionsvorrichtung,  Overflow valve trained three-way valve and a pressure relief valve with a closed line to the expansion device,
Fig. 3c: Stellung des Drehschiebers des Drei-Wege-Ventils bei geöffneter Leitung zur Expansionsvorrichtung,3c: position of the rotary valve of the three-way valve with open line to the expansion device,
Fig. 4a: Expansionsvorrichtung mit doppeltwirkendem Kolben, FIG. 4a: expansion device with double-acting piston, FIG.
Kolbenschieber und Zylindersicherheitsventilen,  Piston valves and cylinder safety valves,
Fig. 4b: doppeltwirkender Kolben mit Kolbenringen, 4b: double-acting piston with piston rings,
Fig. 4c: zweistufige Dichtung der Kolbenstange und  Fig. 4c: two-stage seal of the piston rod and
Fig. 5: Integration des Dampfkraftprozesses in einem BHKW-System. Fig. 5: Integration of the steam power process in a CHP system.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Nutzung von Exergie, beispielsweise aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors, eines befeuerten Kessels oder einer Gasturbine, in Form eines Dampfkraftprozesses dargestellt. Der Dampfkraftprozess wird mittels eines Dampfkreislaufs, auch als Kreislauf 2 des Arbeitsmediums bezeichnet, verdeutlicht. Das Abgas strömt in Strömungsrichtung 4 durch einen Verdampfer 3 des Kreislaufs 2, wobei Abwärme des Abgases zur vollständigen Verdampfung mit oder ohne anschließender Überhitzung des im geschlossenen Kreislauf 2 zirkulierenden Arbeitsmediums im Verdampfer 3 an das Arbeitsmedium übertragen wird. Der Kreislauf 2 weist dem Verdampfer 3 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nachfolgend eine als Ventilbox 5 bezeichnete Anordnung von Ventilen, eine Expansionsvorrichtung 6 zur Expansion des Dampfes unter Verrichtung mechanischer Arbeit sowie eine Anordnung 8 zur Rückführung von Schmiermittel auf. Die Anordnung 8 ist aus einem Abscheider 9 sowie einem Sammler 10 zum Trennen von Schmiermittel und Arbeitsmedium sowie zum Sammeln des Schmiermittels ausgebildet. In Fig. 1, a device 1 for the use of exergy, for example from the exhaust of an internal combustion engine, a fired boiler or a gas turbine, shown in the form of a steam power process. The steam power process is illustrated by means of a steam cycle, also referred to as circuit 2 of the working medium. The exhaust gas flows in the flow direction 4 through an evaporator 3 of the circuit 2, wherein waste heat of the exhaust gas is transferred to the working medium for complete evaporation with or without subsequent overheating of the circulating in the closed circuit 2 working fluid in the evaporator 3. The circuit 2, the evaporator 3 in the flow direction of the working medium below a designated valve box 5 arrangement of valves, an expansion device 6 for expanding the steam while performing mechanical work and an assembly 8 for the return of lubricant. The assembly 8 is formed of a separator 9 and a collector 10 for separating lubricant and working fluid and for collecting the lubricant.
Der Verdampfer 3 und die Ventilbox 5 sind über eine Leitung L6 miteinander verbunden. Eine Leitung L7 verbindet die Ventilbox 5 mit der Expansionsvorrichtung 6, während die Expansionsvorrichtung 6 und der Abscheider 9 über eine Leitung L5 miteinander gekoppelt sind. The evaporator 3 and the valve box 5 are connected to each other via a line L6. A line L7 connects the valve box 5 with the expansion device 6, while the expansion device 6 and the separator 9 are coupled together via a line L5.
Zwischen dem Sammler 10 des Schmiermittels und der Expansionsvorrichtung 6 ist zudem eine Leitung L4 zum Rückführen des Schmiermittels zur Expansionsvorrichtung 6 ausgebildet. Innerhalb der Leitung L4 ist eine Dosierpumpe 18 angeordnet, um das Schmiermittel vom Sammler 10 zur Expansionsvorrichtung 6 zu fördern. Between the collector 10 of the lubricant and the expansion device 6, a line L4 for returning the lubricant to the expansion device 6 is also formed. Within the line L4 a metering pump 18 is arranged to convey the lubricant from the collector 10 to the expansion device 6.
In der bevorzugt als Kolbenmaschine ausgebildeten Expansionsvorrichtung 6 wird der Dampf des Arbeitsmediums unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt, wobei mit der mechanischen Arbeit ein elektrischer Generator 7 angetrieben wird.  In the expansion device 6, which is preferably in the form of a piston engine, the vapor of the working medium is released while performing mechanical work, an electrical generator 7 being driven by the mechanical work.
Die Anordnung 8 zur Rückführung des Schmiermittels ist im Bereich des Abscheiders 9 über eine Leitung L2 mit einem Kondensator 11 zur Kondensation des Dampfes des Arbeitsmediums verbunden. Der Kondensator 11 wird dabei mit Kühlmittel beaufschlagt, welches in Strömungsrichtung 12 durch den Kondensator 11 hindurchströmt. Die Kondensationswärme des Arbeitsmediums wird an das Kühlmittel übertragen.  The arrangement 8 for returning the lubricant is connected in the region of the separator 9 via a line L2 with a condenser 11 for condensing the vapor of the working medium. The condenser 11 is acted upon by coolant, which flows through the condenser 11 in the flow direction 12. The condensation heat of the working medium is transferred to the coolant.
Dem Kondensator 11 ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums ein Vorratsbehälter 14 zum Speichern des Arbeitsmediums und damit zum Ausgleich von Volumenschwankungen innerhalb des Kreislaufs 2 nachgeordnet. Der Vorratsbehälter 14 wird beim Betrieb des Kreislaufs 2 mit Wasser als Arbeitsmedium auch als Speisewassertank bezeichnet. The condenser 11 is in the flow direction of the working medium Reservoir 14 for storing the working fluid and thus to compensate for volume fluctuations within the circuit 2 downstream. The reservoir 14 is referred to in the operation of the circuit 2 with water as the working medium as a feedwater tank.
Zwischen dem Auslass aus dem Kondensator 11 und dem Einlass in den Vorratsbehälter 14 ist zudem eine als Ejektor 13 ausgebildete Vorrichtung zum Fördern des Arbeitsmediums aus dem Kondensator 11 in den Vorratsbehälter 14 angeordnet. Damit kann der Kreislauf 2 mit einem im Wesentlichen konstanten Kondensationsdruck pK betrieben werden. Between the outlet from the condenser 11 and the inlet into the storage container 14, a device designed as an ejector 13 for conveying the working medium from the condenser 11 into the storage container 14 is also arranged. Thus, the circuit 2 can be operated with a substantially constant condensation pressure p K.
Die Pumpwirkung des Ejektors 13 wird durch einen von einer Vorpumpe 16 erzeugten Fluidstrahl des Arbeitsmediums, auch als Treibstrahl bezeichnet, erzeugt, welcher das Kondensat durch Impulsaustausch aus dem Kondensator 11 ansaugt, beschleunigt und fördert. Mit dem Ansaugen wird im Kondensator 11 ein Unterdruck erzeugt. Der Kondensationsdruck pK ist dabei vorteilhaft geringer als der Umgebungsdruck pu, das heißt geringer als der Druck der die Vorrichtung 1 umgebenden Luft. Der Ejektor 13 weist eine einfache Konstruktion auf, ist ohne bewegte Teile ausgebildet und somit sehr robust sowie wartungsarm. The pumping action of the ejector 13 is generated by a fluid jet of the working medium generated by a forepump 16, also referred to as a propulsion jet, which sucks, accelerates and conveys the condensate by momentum exchange from the condenser 11. With the suction, a negative pressure is generated in the condenser 11. The condensation pressure p K is advantageously lower than the ambient pressure pu, that is less than the pressure of the air surrounding the device 1. The ejector 13 has a simple construction, is formed without moving parts and thus very robust and low maintenance.
Der durch die Vorpumpe 16 erzeugte Treibstrahl dient neben dem Ansaugen und Fördern des kondensierten Arbeitsmediums vom Kondensator 11 in den Vorratsbehälter 14 auch zum Ansaugen und Fördern von sich im Sammler 10 angesammelten Arbeitsmedium. Der Sammler 10 ist im unteren Bereich, bevorzugt am Boden, über eine Leitung L3 mit dem Ejektor 13 verbunden. Die Leitung L3 ist mit einem Ventil 19 ausgebildet, welches über einen im Sammler 10 angeordneten Schwimmer gesteuert wird. Wenn der Füllstand im Sammler 10 eine bestimmte Höhe erreicht, wird mittels des Schwimmers das Ventil 19 geöffnet und der Ejektor 13 saugt das sich am Boden des Sammlers 10 angesammelte Arbeitsmedium ab, bis der Füllstand soweit abgesunken ist, dass das Ventil 19 über den Schwimmer geschlossen wird. The propellant jet generated by the fore pump 16 is used in addition to the suction and conveying the condensed working medium from the condenser 11 in the reservoir 14 for sucking and conveying accumulated in the collector 10 working medium. The collector 10 is connected to the ejector 13 at the bottom, preferably at the bottom, via a line L3. The line L3 is formed with a valve 19, which is controlled by a float 10 arranged in the collector. When the level in the collector 10 reaches a certain height, the valve 19 is opened by means of the float and the ejector 13 sucks the accumulated at the bottom of the collector 10 working fluid until the level has dropped so far that the valve 19 is closed by the float becomes.
Die Vorpumpe 16, welche einen ersten Teilmassenstrom des Arbeitsmediums als Treibstrahl aus dem Vorratsbehälter 14 zum Ejektor 13 fördert, ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums zudem der Speisepumpe 17 vorgeschaltet, um einen zweiten Teilmassenstrom des Arbeitsmediums zur Speisepumpe 17 zu fördern sowie den Druck des Arbeitsmediums am Einlass in die Speisepumpe 17 zu erhöhen. Die der Speisepumpe 17 vorgeschaltete Vorpumpe 16 dient der Vermeidung von Kavitation in der Speisepumpe 17. Der von der Speisepumpe 17 aufzubringende Druckunterschied zum Fördern des Arbeitsmediums in den Verdampfer 3 wird verringert. Die Speisepumpe 17 ist bevorzugt als Hubkolbenpumpe ausgebildet. The backing pump 16, which has a first partial mass flow of the working medium as a propulsion jet from the reservoir 14 to the ejector 13 promotes, is also upstream of the feed pump 17 in the flow direction of the working medium to promote a second partial mass flow of the working fluid to the feed pump 17 and to increase the pressure of the working fluid at the inlet to the feed pump 17. The pre-pump 16 upstream of the feed pump 17 serves to prevent cavitation in the feed pump 17. The pressure difference to be applied by the feed pump 17 for conveying the working medium into the evaporator 3 is reduced. The feed pump 17 is preferably designed as a reciprocating pump.
Der Verdampfer 3 weist als die Komponente mit dem größten Volumen der Vorrichtung 1 den größten Platzbedarf auf und ist als Kreuz-Gegenstrom- Wärmeübertrager mit in Strömungsrichtung 4 strömendem Abgasstrom und dazu im Wesentlichen entgegengesetzt strömendem Massenstrom des Arbeitsmediums ausgebildet. Das Abgas wird dabei um parallel und mäanderförmig angeordnete Rohre geleitet, während das Arbeitsmedium des Kreislaufs 2 in den Rohren strömt. Damit wird vorteilhaft zum einen ein geringer Abgasgegendruck erzeugt, welcher beispielsweise die Leistung eines Verbrennungsmotors verringert. Zum anderen weist der Verdampfer 3 ein geringes inneres Volumen, das heißt einen geringen Anteil an flüssigem Arbeitsmedium als Energiespeicher, auf, was sich insbesondere beim Anfahren und Ausschalten der Vorrichtung 1 und in Bezug auf Prüfvorschriften sehr günstig auswirkt. Des Weiteren ist die Konstruktion hinsichtlich unterschiedlicher Wärmedehnungen sehr verspannungsarm. The evaporator 3 has the largest space requirement as the component with the largest volume of the device 1 and is designed as a cross-countercurrent heat exchanger with flowing in the flow direction 4 exhaust stream and to substantially opposite flowing mass flow of the working medium. The exhaust gas is thereby passed around parallel and meandering arranged tubes, while the working medium of the circuit 2 flows in the tubes. This is advantageous for a low exhaust back pressure generated, which for example reduces the power of an internal combustion engine. On the other hand, the evaporator 3 has a low internal volume, that is to say a small proportion of liquid working medium as an energy store, which has a particularly favorable effect, in particular when starting and switching off the device 1 and with regard to test specifications. Furthermore, the construction is very low in tension with respect to different thermal expansions.
Die in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums dem Verdampfer 3 nachfolgend angeordnete Ventilbox 5 vereint die Anordnung eines Absperrventils, eines Überströmventils und eines Druckbegrenzungsventils, wobei das Absperren beispielsweise bei Lastabfall am Generator 7, das Überströmen beim Anfahren oder beim Druckablassen bei abgas-abgesperrtem Verdampfer 3 und die Druckbegrenzung als zusätzliche Sicherheitsfunktion vorgesehen sind. Während die Verbindung zwischen dem Verdampfer 3 und der Ventilbox 5 beziehungsweise der Expansionsvorrichtung 6 als lange isolierte Leitung L6 für den Dampf ausgebildet ist, ist der Auslass der Expansionsvorrichtung 6 über eine kurze Leitung L5 mit der auch als Pulsationsdämpfer wirkenden Anordnung 8 zur Rückführung des Schmiermittels aus Abscheider 9 und Sammler 10 verbunden. The downstream in the direction of flow of the working medium the evaporator 3 arranged valve box 5 combines the arrangement of a shut-off valve, a spill valve and a pressure relief valve, the shut-off, for example, load at the generator 7, the overflow during startup or pressure relief at exhaust-shut off evaporator 3 and the pressure limit provided as an additional safety feature. While the connection between the evaporator 3 and the valve box 5 and the expansion device 6 is formed as a long insulated line L6 for the steam, the outlet of the expansion device 6 via a short line L5 with the acting as a pulsation damper assembly 8 for the return of the lubricant Separator 9 and collector 10 connected.
Die Fig. 2a bis 2e zeigen die Anordnung 8 aus Abscheider 9 und Sammler 10 des Schmiermittels in verschiedenen Ansichten, mit angeschlossener Ventilbox 5 gemäß Fig. 2a.  FIGS. 2a to 2e show the arrangement 8 of separator 9 and collector 10 of the lubricant in various views, with connected valve box 5 according to FIG. 2a.
Der Abscheider 9 weist eine obere Kammer 30 und eine untere Kammer 31 auf, welche durch eine Trennwand 32 voneinander getrennt sind. Die Kammern 30, 31 sind mit einer Überströmverbindung 33 zum Durchleiten von dampfförmigen Arbeitsmedium miteinander verbunden, wobei das dampfförmige Arbeitsmedium von der unteren Kammer 31 in die obere Kammer 30 überströmt und durch die Leitung L2 zum Kondensator 11 abgeleitet wird. Die Überströmverbindung 33 zwischen der unteren Kammer 31 und der oberen Kammer 30 wird auf der Innenseite durch ein Zentralrohr 34 und auf der Außenseite durch ein zum Zentralrohr 34 koaxial angeordnetes Rohrelement 45 begrenzt. Das Zentralrohr 34 erstreckt sich von einem am Deckel des Abscheiders 9 angeordneten Einfüllstutzen 35 des Schmiermittels bis zum Boden des Sammlers 10. The separator 9 has an upper chamber 30 and a lower chamber 31, which are separated by a partition 32 from each other. The chambers 30, 31 are connected to one another by means of an overflow connection 33 for passing through vaporous working medium, the vaporous working medium being flowed over from the lower chamber 31 into the upper chamber 30 and being discharged through the line L2 to the condenser 11. The overflow connection 33 between the lower chamber 31 and the upper chamber 30 is bounded on the inside by a central tube 34 and on the outside by a coaxial to the central tube 34 arranged tubular element 45. The central tube 34 extends from a filler neck 35 of the lubricant disposed on the lid of the separator 9 to the bottom of the collector 10.
Der Abscheider 9 ist im oberen Bereich der unteren Kammer 31 mit der tangential angeordneten Leitung L5 als Verbindung zwischen dem Einlass in den Abscheider 9 und den Auslass der Expansionsvorrichtung 6 ausgebildet, um das Schmiermittel, insbesondere Öl, und zum Teil flüssiges Arbeitsmedium vom dampfförmigen Arbeitsmedium zu trennen. Der als Zyklon mit großem Volumen ausgebildete Abscheider 9 stellt zugleich eine große Kapazität für den Auslass der in unmittelbarer Nähe angeordneten Expansionsvorrichtung 6 als Pulsationsdämpfer dar. The separator 9 is formed in the upper region of the lower chamber 31 with the tangentially arranged line L5 as connection between the inlet into the separator 9 and the outlet of the expansion device 6 to the lubricant, in particular oil, and partly liquid working medium from the vaporous working medium separate. The separator 9, which is designed as a large-volume cyclone, at the same time represents a large capacity for the outlet of the expansion device 6 arranged in the immediate vicinity as a pulsation damper.
Das durch die Leitung L5 und den Einlass in den Abscheider 9 einströmende Gemisch aus dampfförmigem und flüssigem Arbeitsmedium sowie Schmiermittel wird getrennt, wobei das dampfförmige Arbeitsmedium durch die Überströmverbindung 33 in die obere Kammer des Abscheiders 9 und das Gemisch aus flüssigem Arbeitsmedium sowie Schmiermittel an der Wandung des Abscheiders 9 entlang nach unten in den Sammler 10 geleitet wird. The flowing through the line L5 and the inlet into the separator 9 mixture of vaporous and liquid working medium and Lubricant is separated, wherein the vaporous working medium is passed through the overflow 33 into the upper chamber of the separator 9 and the mixture of liquid working medium and lubricant along the wall of the separator 9 down into the collector 10.
Der als Kegel ausgebildete Zwischenboden 38 weist ein radiales Spiel und damit einen Spalt zur Wandung des Abscheiders 9 auf. Der Zwischenboden 38 verhindert zum einen einen großflächigen Kontakt des Arbeitsmediums mit dem bereits abgeschiedenen Schmiermittel im Sammler 10 und ermöglicht andererseits ein einfaches Einströmen des flüssigen Arbeitsmediums an der Wandung in den Sammler 10. Das im Zentrum der Anordnung ausgebildete und am oberen Ende des Abscheiders 9 mit dem verschließbaren Einfüllstutzen 35 für das Schmiermittel verbundene Zentralrohr 34 dient innerhalb des Sammlers 10 als Führung für den Schwimmer 40. Das Zentralrohr 34 weist zudem Druckausgleichsöffnungen 36, 37 auf, welche dampfseitig zwischen dem Niveau des maximalen Füllstands im Sammler 10 und dem Zwischenboden 38 sowie kondensatseitig am Boden der Anordnung 8 ausgebildet sind. Trained as a cone intermediate bottom 38 has a radial clearance and thus a gap to the wall of the separator 9. The intermediate bottom 38 prevents on the one hand a large-area contact of the working medium with the already deposited lubricant in the collector 10 and on the other hand allows a simple inflow of liquid working fluid on the wall in the collector 10. The formed in the center of the assembly and at the top of the separator 9 with The central tube 34 also has pressure compensation openings 36, 37, which on the steam side between the level of the maximum level in the collector 10 and the intermediate bottom 38 and the condensate side are formed at the bottom of the assembly 8.
Der sich in Richtung der Schwerkraft unterhalb des Abscheiders 9 befindliche Sammler 10 weist konzentrisch um das Zentralrohr 34 angeordnete Schottwände 39 auf, welche mit dem Boden ausreichend dicht verbunden sind. Die Schottwände 39 stellen für das Gemisch aus flüssigem Arbeitsmedium und Schmiermittel einen zeitlich langen Strömungsweg von außen in das Zentrum bereit, um aufgrund des Dichteunterschieds das Schmiermittel vom Arbeitsmedium sicher zu trennen. The collector 10 located in the direction of gravity below the separator 9 has partition walls 39 arranged concentrically around the central tube 34 and sufficiently sealed to the bottom. The bulkheads 39 provide for the mixture of liquid working fluid and lubricant a time-long flow path from the outside into the center to safely separate due to the difference in density, the lubricant from the working fluid.
Innerhalb des Zentralrohres 34 des Sammlers 10 ist der Schwimmer 40 axial beweglich installiert und über ein senkrecht angeordnetes Verbindungselement 41 mit dem insbesondere als Nadelventil ausgebildeten Ventil 19 verbunden. Der Schwimmer 40 steuert das Öffnen und Schließen des Ventils 19. Das Verbindungselement 41 ist stangenförmig ausgebildet. Within the central tube 34 of the collector 10, the float 40 is installed axially movable and connected via a vertically arranged connecting element 41 with the valve 19 designed in particular as a needle valve. The float 40 controls the opening and closing of the valve 19. The connecting element 41 is rod-shaped.
Das flüssige Arbeitsmedium mit einer größeren Dichte als das Schmiermittel setzt sich beim Strömen entlang der einen Kanal bildenden Schottwände 39 im Wesentlichen von außen in das Zentrum des Sammlers 10 im unteren Bereich des Sammlers 10 um das Zentralrohr 34 ab, sodass im Zentrum eine Flüssigkeitsschichtung entsteht. Mit dem sich ansammelndem flüssigen Arbeitsmedium und dem Schmiermittel wird der Schwimmer 40 angehoben, wobei über das mit dem Schwimmer 40 verbundene, am Boden des Sammlers 10 angeordnete Ventil 19 geöffnet und eine zu große Menge an flüssigem Arbeitsmedium durch den Boden des Sammlers 10 und die Leitung L3 in Richtung des Ejektors 13 abgesaugt wird. Während des Ablassens des flüssigen Arbeitsmediums wird der Schwimmer 40 abgesenkt und bei einer vorbestimmten Füllhöhe im Sammler 10 das Ventil 19 geschlossen. The liquid working medium with a greater density than the lubricant settles when flowing along the one channel forming bulkhead walls 39 substantially from the outside into the center of the collector 10 in the lower region of the collector 10 from the central tube 34, so that a liquid layer is formed in the center. With the accumulating liquid working fluid and the lubricant, the float 40 is raised, being opened via the connected to the float 40, arranged at the bottom of the collector 10 valve 19 and an excessive amount of liquid working fluid through the bottom of the collector 10 and the line L3 is sucked in the direction of the ejector 13. During the discharge of the liquid working fluid, the float 40 is lowered and at a predetermined filling level in the collector 10, the valve 19 is closed.
Das vom flüssigen Arbeitsmedium getrennte Schmiermittel wird bevorzugt als Heißdampf-Zylinderöl mittels der in der Leitung L4 angeordneten Dosierpumpe 18 unterhalb des Niveaus des Schwimmers 40 abgesaugt und der Expansionsvorrichtung 6, bevorzugt dem Schieberraum als Einlass des Arbeitsmediums in die Expansionsvorrichtung 6, zugeführt. Die Leitung L4 erstreckt sich dabei saugseitig der Dosierpumpe 18 durch den Boden des Sammlers 10 bis kurz unterhalb des vorbestimmten, minimalen Füllstandes innerhalb des Sammlers 10. The lubricant separated from the liquid working medium is preferably aspirated as superheated steam cylinder oil by means of the metering pump 18 arranged in the line L4 below the level of the float 40 and supplied to the expansion device 6, preferably the valve chamber, as inlet of the working medium into the expansion device 6. The line L4 extends on the suction side of the metering pump 18 through the bottom of the collector 10 to just below the predetermined, minimum level within the collector 10th
Ein vor dem Einlass in den Schieberraum angeordnetes Rückschlagventil verhindert ein ungewolltes Rückströmen von Dampf in den Sammler 10.  A check valve arranged in front of the inlet into the valve chamber prevents accidental backflow of steam into the collector 10.
Zum Einstellen des vorbestimmten, maximalen Füllstands innerhalb des Sammlers 10 wird der Sammler 10 bis zu dem mit einem auf dem Niveau des Schwimmers 40 angeordneten Schauglas 42 sichtbaren Füllstandsanzeiger mit reinem Schmiermittel befüllt. Die Füllhöhe ergibt sich dabei aus der vorbestimmten Menge an einzulassendem Schmiermittel in die Vorrichtung 1 . Ein Anheben des Schwimmers 40 über den vorbestimmten Füllstand hinaus, kann somit lediglich durch sich ansammelndes flüssiges Arbeitsmedium während des Betriebs verursacht sein, welches durch Öffnen des Ventils 19 zum Ejektor 13 abgeleitet wird. To set the predetermined maximum level within the collector 10, the collector 10 is filled up to the visible with a arranged on the level of the float 40 sight glass 42 level indicator with pure lubricant. The filling level results from the predetermined amount of lubricant to be introduced into the device 1. Lifting the float 40 above the predetermined level may thus be caused only by the accumulation of liquid working fluid during operation, which is dissipated by opening the valve 19 to the ejector 13.
Die gemäß Fig. 2a über die Leitung L1 und den Dampfübertritt 44, welche jeweils in die erste Kammer 30 des Abscheiders 9 münden, mit der Anordnung 8 verbundene Ventilbox 5 weist zudem einen Drucksensor 43 zum Bestimmen des Druckes p am Auslass des Dampfes aus dem Verdampfer 3 auf. Die Leitung L1 ist mit einem Sicherheitsventil gekoppelt. The according to FIG. 2a via the line L1 and the steam transfer step 44, which each open into the first chamber 30 of the separator 9, with the arrangement 8 connected valve box 5 also has a pressure sensor 43 for determining the pressure p at the outlet of the vapor from the evaporator 3. The line L1 is coupled to a safety valve.
Aus den Fig. 3a und 3b geht eine Ventilbox 5 als Kombination aus dem als Sicherheitsventil ausgebildeten Druckbegrenzungsventil 50 sowie einem aus einem Absperrventil und einem Überströmventil ausgebildeten Drei-Wege-Ventil 51 hervor, wobei in Fig. 3b insbesondere das Drei-Wege-Ventil 51 in Schnittdarstellung gezeigt ist. Die Ventilbox 5 weist einem zylinderförmigen Drehschieberraum 58 mit Anschlüssen zum Verdampfer 3 und zur Expansionsvorrichtung 6, einen Auslassraum 56 mit einem auf Kondensationsdruck pK betriebenen Anschluss zum Abscheider 9 beziehungsweise zum Kondensator 11 sowie einem Federraum 54 auf. From FIGS. 3 a and 3 b, a valve box 5 emerges as a combination of the pressure limiting valve 50 designed as a safety valve and a three-way valve 51 formed from a shut-off valve and an overflow valve, in particular the three-way valve 51 in FIG is shown in sectional view. The valve box 5 has a cylindrical rotary valve chamber 58 with connections to the evaporator 3 and to the expansion device 6, an outlet chamber 56 with a connection operated to the condensation pressure p K to the separator 9 or to the condenser 11 and a spring chamber 54.
Die Ventilbox 5 ist im Bereich des Drei-Wege- Ventils 51 mit einem Drehschieber 57 zum Absperren des Eintritts des Dampfes in die Expansionsvorrichtung 6, beispielsweise bei Lastabfall des Generators 7, gemäß den Fig. 3a und 3b ausgebildet. Der Lastabfall des Generators 7 wird durch eine plötzliche Änderung, das heißt einem Ansteigen, der Drehzahl n registriert. The valve box 5 is formed in the region of the three-way valve 51 with a rotary valve 57 for shutting off the entry of the steam into the expansion device 6, for example in case of load drop of the generator 7, as shown in FIGS. 3a and 3b. The load drop of the generator 7 is registered by a sudden change, that is, an increase, in the rotational speed n.
Das Drei-Wege-Ventil 51 weist im Bereich des Drehschieberraums 58 einen Einlass und zwei Auslässe auf. In den Einlass mündet die sich zwischen dem Verdampfer 3 und der Ventilbox 5 erstreckende Leitung L6. Der vom Verdampfer 6 zur Ventilbox 5 geleitete Dampf des Arbeitsmediums wird je nach Stellung des Drehschiebers 57 durch den Dampfübertritt 44 zum Abscheider 9 oder über die Leitung L7 zur Expansionsvorrichtung 6 geführt. Der Dampfübertritt 44 und die Leitung L7 sind jeweils mit einem Auslass des Drei- Wege-Ventils 51 verbunden und in einem Winkel von 90° versetzt zueinander angeordnet. Durch den mit dem Dampfübertritt 44 verbundenen Auslass wird je nach Bedarf und Betriebszustand der Vorrichtung 1 , beispielsweise während des Verschließens des Auslasses zur Leitung L7 und damit zur Expansionsvorrichtung 6, ein geringer Massenstrom an dampfförmigem Arbeitsmedium in Richtung des Abscheiders 9 entspannt. Bei geöffnetem Auslass zur Leitung L7 ist der Auslass zum Dampfübertritt 44 geschlossen. Mit dem geöffneten Auslass zum Dampfübertritt 44 kann ein erster nasser Dampf sowohl aus dem Verdampfer 3 als auch aus dem Drehschieberraum 58 des Drei-Wege-Ventils 51 abgeführt werden, was ein trockeneres Anfahren der Expansionsvorrichtung 6 ermöglicht. Zudem wird auch im Falle eines abgesperrten Anfahrens der Vorrichtung 1 an der Temperaturmessstelle am Auslass des Arbeitsmediums aus dem Verdampfer 3 stets eine Dampfströmung sichergestellt. The three-way valve 51 has an inlet and two outlets in the area of the rotary valve chamber 58. In the inlet opens the extending between the evaporator 3 and the valve box 5 line L6. The steam of the working medium conducted from the evaporator 6 to the valve box 5 is guided, depending on the position of the rotary valve 57, through the steam transfer step 44 to the separator 9 or via the line L7 to the expansion device 6. The steam transfer step 44 and the line L7 are each connected to an outlet of the three-way valve 51 and arranged at an angle of 90 ° to each other. Depending on the need and operating state of the device 1, for example during the closing of the outlet to the line L7 and thus to the expansion device 6, a small mass flow of vaporous working medium in the direction of the separator 9 is released by the outlet connected to the steam transfer step 44. When the outlet to the line L7 is open, the outlet to the steam transfer step 44 is closed. With the open outlet to the steam transfer step 44, a first wet steam can be removed both from the evaporator 3 and from the rotary valve chamber 58 of the three-way valve 51, allowing a drier start of the expansion device 6. In addition, a vapor flow is always ensured in the case of a shut-off start of the device 1 at the temperature measuring point at the outlet of the working medium from the evaporator 3.
Fig. 3c zeigt die Stellung des Drehschiebers 57 des Drei-Wege-Ventils 51 bei geöffneter Leitung L7 zur Expansionsvorrichtung 6. Der vom Verdampfer 3 durch die Leitung L6 und den Einlass in das Drei-Wege-Ventil 51 der Ventilbox 5 einströmende Dampf wird zum Auslass und durch die Leitung L7 zur Expansionsvorrichtung 6 weitergeleitet. Der Auslass zum Dampfübertritt 44 ist geschlossen. Der für eine Drehbewegung um einen Winkel von 90° ausgebildete Drehschieber 57 ist innerhalb des Drehschieberraums 58 angeordnet und weist zum Abdichten ein radiales Spiel zu einem als Antriebsspindel ausgebildeten Antriebselement 52 auf. Das Antriebselement 52 des Drehschiebers 57 ist zudem als federbelastetes Druckbegrenzungsventil 50 mit axialem Spiel ausgebildet, wobei bei einer axialen Bewegung des Antriebselements 52 innerhalb einer zwischen dem Drehschieberraum 58 und dem Auslassraum 56 ausgebildeten Gehäusedurchführung eine radiale Führung gewährleistet ist.  Fig. 3c shows the position of the rotary valve 57 of the three-way valve 51 with the line L7 to the expansion device 6 open. The vapor flowing from the evaporator 3 through the line L6 and the inlet in the three-way valve 51 of the valve box 5 is the Outlet and forwarded through the line L7 to the expansion device 6. The outlet to the steam transfer step 44 is closed. The rotary valve 57 designed for a rotary movement at an angle of 90 ° is arranged inside the rotary valve chamber 58 and has a radial play for sealing to form a drive spindle 52 designed as a drive spindle. The drive element 52 of the rotary valve 57 is also designed as a spring-loaded pressure limiting valve 50 with axial play, wherein in an axial movement of the drive element 52 within a formed between the rotary valve chamber 58 and the outlet chamber 56 housing passage radial guidance is ensured.
Der kugelsegmentförmige Ventilteller liegt als Ventilsitz 55 dichtend in der kegelig zwischen dem Drehschieberraum 58 und dem Auslassraum 56 ausgebildeten Gehäusedurchführung an. Der in Richtung des Drehschiebers 57 abgeschlossene Auslassraum 56 der Ventilbox 5 ist über die Leitung L1 mit dem Abscheider 9 beziehungsweise dem Kondensator 11 verbunden. The spherical segment-shaped valve disk lies as a valve seat 55 sealingly in the conically formed between the rotary valve chamber 58 and the outlet chamber 56 to the housing bushing. The closed in the direction of the rotary valve 57 outlet 56 of the valve box 5 is connected via the line L1 to the separator 9 and the condenser 11.
In Richtung des Drehschiebers 57 schließt sich oberhalb der Begrenzung des Auslassraums 56 der Federraum 54 an, dessen Wandung mehrere mit der Umgebung der Vorrichtung 1 verbundene Öffnungen 59 aufweist. Aufgrund der geringen Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck pu und dem Kondensationsdruck pK ist zwischen dem Federraum 54 und dem Auslassraum 56, das heißt zwischen der Begrenzung und dem Antriebselement 52 keine zusätzliche und aufwendig zu konstruierende Dichtung vorzusehen. In the direction of the rotary valve 57, the spring space 54 adjoins above the boundary of the outlet space 56, the wall of which has a plurality of openings 59 connected to the surroundings of the device 1. Due to the small pressure difference between the ambient pressure pu and the Condensation pressure p K is between the spring chamber 54 and the outlet space 56, that is, between the boundary and the drive element 52 to provide no additional and complicated to be constructed seal.
Das Antriebselement 52 wird mittels einer innerhalb des Federraums 54 angeordneten Feder 53 belastet, wobei die Feder 53 das Antriebselement 52 in axialer Richtung mit dem Ventilsitz 55 gegen die Gehäusedurchführung presst. Die Feder 53 ist derart ausgelegt, dass das Antriebselement 52 bei einem innerhalb des Drehschieberraums 58 anliegenden, vorgegebenen Druck des Arbeitsmediums, auch als Überdruck bezeichnet, in axialer Richtung gegen die Federkraft bewegt und damit der Ventilsitz 55 geöffnet wird, sodass das Arbeitsmedium durch die Gehäusedurchführung in den Auslassraum 56 und durch die Leitung L1 zum Abscheider 9 geleitet wird. The drive element 52 is loaded by means disposed within the spring chamber 54 spring 53, the spring 53, the drive element 52 in the axial direction with the valve seat 55 presses against the housing passage. The spring 53 is designed such that the drive element 52 moves at an applied within the rotary valve chamber 58, predetermined pressure of the working medium, also referred to as overpressure, in the axial direction against the spring force and thus the valve seat 55 is opened, so that the working fluid through the housing bushing is passed into the outlet space 56 and through the line L1 to the separator 9.
Die Leitung L1 und der Dampf übertritt 44 sind somit als Bypässe um die Expansionsvorrichtung 6 ausgebildet, welche im Kreislauf 2 des Arbeitsmediums der Vorrichtung 1 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach dem Verdampfer 3 sowie vor der Expansionsvorrichtung 6 abzweigen und nach der Expansionsvorrichtung 6, insbesondere vor dem Kondensator 11 , wieder einmünden. Das verdampfte Arbeitsmedium wird folglich über die Ventilbox 5 entweder in die Expansionsvorrichtung 6 oder über die Leitung L1 beziehungsweise den Dampfübertritt 44 als Bypässe um die Expansionsvorrichtung 6 gefördert. The line L1 and the steam 44 are thus formed as bypasses around the expansion device 6, which branch off in the circuit 2 of the working medium of the device 1 in the flow direction of the working medium after the evaporator 3 and before the expansion device 6 and after the expansion device 6, in particular before Capacitor 11, re-open. The vaporized working medium is consequently conveyed via the valve box 5 either into the expansion device 6 or via the line L1 or the steam transfer step 44 as bypasses around the expansion device 6.
Die Ventilbox 5 ist direkt und starr mit dem Abscheider 9 gekoppelt, da im Falle des Ansprechens des Druckbegrenzungsventils 50 ein großer Impuls erzeugt wird. The valve box 5 is directly and rigidly coupled to the separator 9, since in the case of the response of the pressure relief valve 50, a large pulse is generated.
Die der Ventilbox 5 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im Kreislauf 2 dem Verdampfer 3 nachfolgend angeordnete Expansionsvorrichtung 6 ist als Kreuzkopfmaschine mit getrennten Schmiermittelsystemen für das Triebwerk und den Zylinder, mit einem Einlass 60 für das Arbeitsmedium und das Schmiermittel sowie mit Zylindersicherheitsventilen 61 ausgebildet. Wie in Fig. 4a gezeigt, weist die Expansionsvorrichtung 6 einen doppeltwirkenden Kolben 62 mit einer Kolbenstange 63, einem Kolbenschieber 70 für den Einlass 60 des Arbeitsmediums, einen mit der Leitung L5 zum Abscheider 9 verbundenen Auslass am Zylinder sowie als druckbeaufschlagte Überströmventile ausgebildete Zylindersicherheitsventile 61 auf. Die Expansionsvorrichtung 6 wird als Expansionsmaschine im Gleichstromprinzip, nach Bauart Stumpf mit Kolbenschieber 70 und innerer Einströmung, betrieben, was sich vorteilhaft in Bezug auf geringe Abkühlungsverluste beim Einströmen des Arbeitsmediums in die Expansionsvorrichtung 6 auswirkt. Der Druck des Arbeitsmediums am Auslass aus dem Zylinder, welcher dem Kondensationsdruck pK der Vorrichtung 1 entspricht, ist stets geringer als der Umgebungsdruck pu der die Vorrichtung 1 umgebenden Luft, sodass die Umgebungsluft als äußeres Sperrgas genutzt wird und der Bereich niederen Druckes der Vorrichtung 1 auf dem Druckniveau der Kondensation betrieben wird. Der Druck des Arbeitsmediums am Einlass 60 der Expansionsvorrichtung 6, das heißt der Eintrittsdruck, entspricht insbesondere während des Betriebs der Vorrichtung 1 im Wesentlichen dem Verdampfungsdruck pv. Das durch die Leitung L7 in die Expansionsvorrichtung 6 einströmende Arbeitsmedium wird über den Schieberraum 73 abwechselnd auf die Arbeitsräume geleitet. The expansion device 6 arranged downstream of the valve box 5 in the flow direction of the working medium in the circuit 2 downstream of the evaporator 3 is designed as a crosshead machine with separate lubricant systems for the engine and the cylinder, with an inlet 60 for the working medium and the lubricant and with cylinder safety valves 61. As shown in Fig. 4a, the expansion device 6 has a double-acting piston 62 with a piston rod 63, a piston slide 70 for the inlet 60 of the working medium, an outlet connected to the line L5 to the separator 9 on the cylinder as well as pressurized relief valves cylindrical safety valves 61 , The expansion device 6 is operated as an expansion machine in the DC principle, according to type stump with spool 70 and internal inflow, which is advantageous in terms of low cooling losses during the flow of the working medium into the expansion device 6. The pressure of the working medium at the outlet from the cylinder, which corresponds to the condensation pressure p K of the device 1, is always lower than the ambient pressure pu of the air surrounding the device 1, so that the ambient air is used as the outer sealing gas and the low pressure region of the device 1 operated at the pressure level of the condensation. The pressure of the working medium at the inlet 60 of the expansion device 6, that is to say the inlet pressure, corresponds in particular during operation of the device 1 substantially to the evaporation pressure p v . The flowing through the line L7 in the expansion device 6 working fluid is passed over the slide chamber 73 alternately on the work spaces.
Sowohl die Expansionsvorrichtung 6 mit den als druckbeaufschlagten Überströmventilen ausgebildeten Zylindersicherheitsventilen 61 als auch die Ventilbox 5 können jeweils ebenso in Dampfkraftprozessen verwendet werden, bei welchen die umgebende Luft, insbesondere an dynamischen Dichtungen, nicht als Sperrgas verwendet wird. Folglich ist die Expansionsvorrichtung 6 mit den Zylindersicherheitsventilen 61 ebenso wie die Ventilbox 5 in Dampfkraftprozessen ohne Luft als Sperrgas einsetzbar. Both the expansion device 6 with the cylindrical safety valves 61 designed as pressurized overflow valves and the valve box 5 can each likewise be used in steam power processes in which the surrounding air, in particular on dynamic seals, is not used as a sealing gas. Consequently, the expansion device 6 with the cylinder safety valves 61 as well as the valve box 5 can be used in steam power processes without air as a sealing gas.
Der doppeltwirkende Kolben 62 ist aus zwei dampfseitigen Kolbenkörpern und einem Zwischenstück als Doppel-T-Kolben ausgebildet. Das Zwischenstück weist etwa den halben Durchmesser der dampfseitigen Kolbenkörper auf. Die dampfseitigen Kolbenkörper sind jeweils mit Kolbenringen zum Abdichten der Arbeitsräume in Kombination mit dem Zylinder versehen, was auch aus Fig. 4b hervorgeht. The double-acting piston 62 is formed of two vapor-side piston bodies and an intermediate piece as a double T-piston. The intermediate piece has approximately half the diameter of the vapor-side piston body. The vapor-side piston bodies are each provided with piston rings for sealing the working spaces in combination with the cylinder, which is also shown in FIG. 4b evident.
Der kurbelseitige Kolbenkörper des Kolbens 62 weist einen im Kolbenkörper ausgebildeten Innenkegel auf. Innerhalb des Innenkegels ist eine zum Innenkegel korrespondierende kegelig ausgebildete Kolbenmutter 64 zum Einstellen und Variieren des axialen Kolbenspiels angeordnet. Der Kolben 62 ist am deckelseitigen Kolbenkörper mittels einer Stangenmutter 65 mit der Kolbenstange 63 verspannt.  The crank-side piston body of the piston 62 has an inner cone formed in the piston body. Within the inner cone a conical piston nut 64 corresponding to the inner cone is arranged for adjusting and varying the axial piston clearance. The piston 62 is braced on the cover-side piston body by means of a rod nut 65 with the piston rod 63.
Die Stangendichtung 66a der Kolbenstange 63 und die Stangendichtung 66b des kurbelseitigen Schieberkörpers 71 des Kolbenschiebers 70 sind als zweistufige Dichtungen mit Zwischenabsaugung in Richtung des KondensatorsThe rod seal 66a of the piston rod 63 and the rod seal 66b of the crank-side slider body 71 of the spool valve 70 are referred to as two-stage seals with Zwischenabsaugung in the direction of the capacitor
11 ausgebildet. Fig. 4c zeigt eine zweistufige Dichtung der Kolbenstange 63.11 trained. 4c shows a two-stage seal of the piston rod 63.
Die Schieberkörper 71 , 72 weisen dabei die gleichen Durchmesser wie dieThe slider body 71, 72 have the same diameter as the
Kolbenstange 63 auf. Nach einer alternativen Ausführungsform ist der kurbelseitige Schieberkörper 71 ohne Absatz als Schieberstange nach außen geführt, wobei anstelle einer inneren berührenden SegmentdichtungPiston rod 63 on. According to an alternative embodiment, the crank-side slider body 71 is guided outwardly without a shoulder as a slide rod, wherein instead of an inner contacting segment seal
Kolbenringe ausgebildet sind. Piston rings are formed.
Von aus der Umgebung in die Expansionsvorrichtung 6 im Bereich der Stangendichtungen 66a, 66b eindringende Luft wird als Luft-Arbeitsmedium- Gemisch durch die Absauganschlüsse 67a, 67b über Verbindungen zur Leitung L5 durch den Abscheider 9 zum Kondensator 11 geleitet und gemäß Fig. 1 über den Ejektor 13 in den Vorratsbehälter 14 gefördert. Des Weiteren ist im Bereich des deckelseitigen Schieberkörpers 72 des Kolbenschiebers 70 des Einlasses 60 ein Absauganschluss 67c ausgebildet, um Leckdampf des Arbeitsmediums über eine Verbindung zur Leitung L5 und durch den Abscheider 9 zum Kondensator 11 zu führen.  From the environment in the expansion device 6 in the region of the rod seals 66a, 66b penetrating air is passed as an air-working medium mixture through the suction ports 67a, 67b via connections to the line L5 through the separator 9 to the condenser 11 and shown in FIG Ejector 13 is conveyed into the reservoir 14. Furthermore, in the region of the cover-side slide body 72 of the piston slide 70 of the inlet 60, a suction connection 67c is formed in order to guide the leakage of the working medium via a connection to the line L5 and through the separator 9 to the condenser 11.
Die durch den Ejektor 13 mit dem Arbeitsmedium in den Vorratsbehälter 14 geförderte Luft wird durch eine Entgasungsleitung 1 5 aus dem Vorratsbehälter 14 in die Umgebung verbracht, was in Fig. 1 gezeigt ist. Die stetig ansteigend, beispielsweise spiralförmig, und gekühlt ausgebildete Entgasungsleitung 15 ist dabei derart angeordnet, dass dampfförmig vorliegendes Arbeitsmedium beim Durchströmen der Entgasungsleitung 15 zumindest zum großen Teil kondensiert und in den Vorratsbehälter 14 zurückströmt, während die in die Vorrichtung 1 eingedrungene Luft nach oben in die Umgebung entweicht. The conveyed through the ejector 13 with the working fluid into the reservoir 14 air is discharged through a degassing line 1 5 from the reservoir 14 into the environment, which is shown in Fig. 1. The continuously rising, for example, spirally, and cooled design degassing line 15 is arranged such that the vapor present working medium when flowing through the degassing 15 at least for the most part condenses and flows back into the reservoir 14, while the air has penetrated into the device 1 escapes up into the environment.
Die Vorrichtung 1 ist mit Luft als Sperrgas folglich derart ausgebildet, dass kein Arbeitsmedium austreten und bei der Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium kein Beschlag von Komponenten auftreten kann, welcher zu elektrischen Störungen der Vorrichtung 1 führen könnte. The device 1 is thus formed with air as a sealing gas in such a way that no working medium escape and when using water as a working medium no fogging of components can occur, which could lead to electrical interference of the device 1.
Die Stangendichtung 66a der Kolbenstange 63 weist innere, dampfseitig berührend ausgebildete Segmentdichtungen 76 sowie eine äußere, umgebungsseitig, insbesondere luftseitig, angeordnete Labyrinthdichtung 78 auf. Um die Labyrinthdichtung 78 separat axial vorzuspannen ist zwischen der zur Labyrinthdichtung 78 hin ausgerichteten Segmentdichtung 76 und der Labyrinthdichtung 78 eine Wellfeder 77 angeordnet. The rod seal 66a of the piston rod 63 has internal, on the steam side touching trained segment seals 76 and an outer, on the environment side, in particular air side, arranged labyrinth seal 78. In order to preload the labyrinth seal 78 axially, a wave spring 77 is arranged between the segment seal 76 aligned with the labyrinth seal 78 and the labyrinth seal 78.
Das aus der Segmentdichtung 76, der Wellfeder 77 und der Labyrinthdichtung 78 ausgebildete Dichtsegmentpaket wird in Richtung der Kolbenstange 63 einerseits von einer Führungsbuchse 75 und andererseits von einer Druckplatte The sealing segment packet formed by the segmental seal 76, the wave spring 77 and the labyrinth seal 78 is displaced in the direction of the piston rod 63 on the one hand by a guide bush 75 and on the other hand by a pressure plate
79 begrenzt. Das Dichtsegmentpaket wird mittels einer Tellerfeder 80 und einem Flansch 81 axial gegen die Führungsbuchse 75 verspannt, wobei die Tellerfeder 80 einerseits an der Druckplatte 79 und andererseits am Flansch 81 anliegt. Die Labyrinthdichtung 78 ist innerhalb einer Druckhülse 83 mit radialem Spiel angeordnet, um mit der wesentlich größeren Verspannkraft der Tellerfeder79 limited. The sealing segment packet is clamped by means of a plate spring 80 and a flange 81 axially against the guide bushing 75, wherein the plate spring 80 rests on the one hand on the pressure plate 79 and on the other hand on the flange 81. The labyrinth seal 78 is disposed within a thrust sleeve 83 with radial clearance to match the much greater clamping force of the disc spring
80 die axiale Vorspannung der Labyrinthdichtung 78 nicht zu beeinflussen. 80 does not affect the axial preload of the labyrinth seal 78.
Zwischen der Labyrinthdichtung 78 sowie der inneren, arbeitsraumseitigen und zur Labyrinthdichtung 78 hin ausgerichteten Segmentdichtung 76 ist ein Fluidkanal 82 als fluidtechnische Verbindung zum Absauganschluss 67a als Bereich niederen Druckes der Vorrichtung 1 , das heißt einem mit Kondensationsdruck pK beaufschlagten Bereich, ausgebildet. Der Fluidkanal 82 erstreckt sich dabei in an der Druckhülse 83 ausgebildeten Überströmschlitzen sowie der Wellfeder 77 bis zur Kolbenstange 63. Between the labyrinth seal 78 and the inner, working chamber-side and the labyrinth seal 78 aligned segment seal 76 is a fluid channel 82 as a fluidic connection to the suction 67a as a low pressure region of the device 1, that is a condensing pressure p K acted upon area formed. The fluid channel 82 extends in overflow slots formed on the pressure sleeve 83 and the wave spring 77 as far as the piston rod 63.
Die als Überströmventile ausgebildeten Zylindersicherheitsventile 61 der Expansionsvorrichtung 6 sind mit den auch als Zylinder bezeichneten Arbeitsräumen verbunden. Die mit dem Eintrittsdruck des Arbeitsmediums in die Expansionsvorrichtung 6, welcher beim Betrieb der Vorrichtung 1 dem Verdampfungsdruck pv entspricht, druckbeaufschlagten Zylindersicherheitsventile 61 sind derart konfiguriert, dass beim Überschreiten eines Druckes innerhalb des Arbeitsraums von etwa 25 % des Eintrittsdruck des Arbeitsmediums in die Expansionsvorrichtung 6 eine Verbindung zum Austritt der Expansionsvorrichtung 6, insbesondere zur Leitung L5 zum Abscheider 9, geöffnet wird. Die Zylindersicherheitsventile 61 ermöglichen ein zudem ruhigeres Anlaufen beziehungsweise Hochdrehen der Expansionsvorrichtung 6, ohne eine energetisch relevante Kompressionsphase mit Schleifenbildung beim Einströmvorgang. The cylinder relief valves 61 designed as overflow valves Expansion device 6 are connected to the work spaces, also referred to as cylinders. The cylinder safety valves 61 pressurized with the inlet pressure of the working medium into the expansion device 6, which corresponds to the evaporation pressure p v during operation of the device 1, are configured such that when a pressure within the working space is exceeded of approximately 25% of the inlet pressure of the working medium into the expansion device 6 a connection to the outlet of the expansion device 6, in particular to the line L5 to the separator 9, is opened. The cylinder safety valves 61 also allow a quiet start-up or high-speed rotation of the expansion device 6, without an energetically relevant compression phase with looping during the inflow process.
Sowohl auf der Kolbenstange 63 als auch auf dem äußeren Bereich des Kolbenschiebers 70 sind zwischen dem Kurbelgehäuse beziehungsweise dem Triebwerk und dem die Arbeitsräume begrenzenden Zylinder scheibenförmige Spritzschirme 69, 74 angeordnet, um durch Abschleudern beziehungsweise Abtropfen des Arbeitsmediums an den äußeren Kanten des Spritzschirms 69, 74 jeglichen Kontakt von eventuell flüssigem Arbeitsmedium und Schmiermittel des Triebwerks zu vermeiden. Dieser Kontakt von Arbeitsmedium und Schmiermittel wäre nach längerem Stillstand des Kreislaufs 2 mit Druckausgleich prinzipiell möglich. Both on the piston rod 63 and on the outer portion of the spool 70 disc-shaped spray screens 69, 74 are arranged between the crankcase or the engine and the working space bounding cylinder to by centrifuging or dripping of the working fluid at the outer edges of the spray shield 69, 74th avoid any contact of any liquid working fluid and lubricant of the engine. This contact of working fluid and lubricant would be possible in principle after prolonged stoppage of the circuit 2 with pressure compensation.
Die Expansionsvorrichtung 6 wird vorteilhaft mit einer unsymmetrischen Füllung von etwa 20 % bei einem Voreinlass kleiner 1 % und einem symmetrischen Auslass von etwa 40 % im Druckbereich oberhalb von 15 bar betrieben. Der Schadraum liegt bei etwa 6 %. Der Kompressionsdruck beim Öffnen des Kolbenschiebers 70, auch als Einlassschieber bezeichnet, beträgt etwa 20 bar. Die Schmierung des mit Kreuzkopf 68 ausgebildeten Schubkurbel-Triebwerks der Expansionsvorrichtung 6 ist als Druckumlaufschmierung mit Schmiermittelsumpf und Schauglas, separater Schmiermittelpumpe und Filter ausgebildet. The expansion device 6 is advantageously operated with an asymmetrical filling of about 20% at a pre-inlet less than 1% and a symmetrical outlet of about 40% in the pressure range above 15 bar. The dead space is about 6%. The compression pressure when opening the piston valve 70, also referred to as inlet slide, is about 20 bar. The lubrication of the crosshead 68 formed thrust crank engine of the expansion device 6 is as pressure circulation lubrication with lubricant sump and sight glass, separate lubricant pump and filter educated.
Wie wiederum aus Fig. 1 hervorgeht, ist der Abscheider 9 mit dem als Platten- Wärmeübertrager ausgebildeten Kondensator 11 verbunden, wobei die Wärme vom Arbeitsmedium an den Heiz-/Kühlkreislauf übertragen wird. Der Dampf des Arbeitsmediums strömt dabei von oben in den Kondensator 11 ein, während das Kühlmittel im Gegenstrom oben aus dem Kondensator 11 ausströmt. As can be seen again from FIG. 1, the separator 9 is connected to the condenser 11 designed as a plate heat exchanger, the heat being transferred from the working medium to the heating / cooling circuit. The vapor of the working medium flows from the top into the condenser 11, while the coolant flows out of the condenser 11 in countercurrent top.
Im unteren Bereich des Kondensators 11 ist der Auslass für das kondensierte Arbeitsmedium angeordnet, durch welchen das flüssige Arbeitsmedium und in die Vorrichtung 1 , insbesondere in die Expansionsvorrichtung 6, eingedrungene Luft vom Ejektor 13 abgesaugt werden. Der Ejektor 1 3 saugt folglich das gesamte Kondensat zuzüglich der in die Vorrichtung 1 eingedrungenen Luft ab und fördert in den Vorratsbehälter 14. Dabei wird auch eine geringe Menge an dampfförmigem Arbeitsmedium abgeführt und auf Umgebungsdruck kondensiert, sodass die Leistung des Ejektors 13 entsprechend der Temperaturerhöhung, welche sich aus der abzugebenden Kondensationswärme ergibt, im anschließenden Vorratsbehälter 14 überwacht und gegebenenfalls der Druck des Treibstrahls des Ejektors 13 durch Regelung der vorteilhaft als Kreiselpumpe ausgebildeten Vorpumpe 16 eingestellt werden. Wenn der ebenfalls überwachte Kondensationsdruck pK deutlich über dem Sättigungsdruck des Arbeitsmediums liegt, ist auf einen zu hohen Anteil des Inertgases Luft zu schließen. In the lower region of the condenser 11, the outlet for the condensed working medium is arranged, through which the liquid working medium and air which has penetrated into the device 1, in particular into the expansion device 6, are sucked from the ejector 13. The ejector 1 3 thus sucks the entire condensate plus the air has penetrated into the device 1 and promotes into the reservoir 14. In this case, a small amount of vaporous working medium is removed and condensed to ambient pressure, so that the power of the ejector 13 according to the temperature increase, which results from the heat of condensation to be delivered, monitored in the subsequent reservoir 14 and, if appropriate, the pressure of the propulsion jet of the ejector 13 can be adjusted by regulating the backing pump 16, which is advantageously designed as a centrifugal pump. If the likewise monitored condensation pressure p K is significantly above the saturation pressure of the working medium, it is necessary to close air to a high proportion of the inert gas.
Der Ejektor 13 ist neben dem ersten Anschluss zur Verbindung mit dem Kondensator 11 mit dem zweiten Anschluss zur Absaugung des flüssigen Arbeitsmediums aus der Anordnung 8 ausgebildet. Der zweite Anschluss ist dabei über die Leitung L3 mit dem Ventil 19 mit dem Sammler 10 verbunden.  The ejector 13 is formed next to the first connection for connection to the condenser 11 with the second connection for the extraction of the liquid working medium from the arrangement 8. The second connection is connected via the line L3 to the valve 19 with the collector 10.
Die Anordnung 8 zur Rückführung des Schmiermittels mit dem Abscheider 9 und dem Sammler 10, der Kondensator 11 , der Ejektor 13 und der Vorratsbehälter 14 sind in einer bestimmten Höhenzuordnung zueinander ausgerichtet. Der Ejektor 13 ist dabei deutlich unterhalb des Einlasses des Dampfes in den Kondensator 11 , aber oberhalb des Niveaus des Schwimmers 40 des Sammlers 10 angeordnet. Der Ejektor 13 ist zudem in der Höhe des oberen, mit Luft befüllten Bereichs des nachfolgenden Vorratsbehälters 14 angeordnet, das heißt die maximale Füllhöhe des Vorratsbehälters 14 liegt deutlich unterhalb des mit dem Ejektor 13 verbundenen Einlasses. The arrangement 8 for returning the lubricant with the separator 9 and the collector 10, the condenser 11, the ejector 13 and the reservoir 14 are aligned in a certain height allocation to each other. The ejector 13 is clearly below the inlet of the vapor into the condenser 11, but above the level of the float 40 of the collector 10 is arranged. The ejector 13 is also arranged in the height of the upper, filled with air region of the following reservoir 14, that is, the maximum filling level of the reservoir 14 is well below the inlet connected to the ejector 13.
Der obere, mit Luft befüllte Bereich des Vorratsbehälters 14 weist die stetig ansteigende Entgasungsleitung 15 als Verbindung mit der Umgebung außerhalb der Vorrichtung 1 auf, welche stets geöffnet ist, sodass innerhalb des Vorratsbehälters 14 Umgebungsdruck pu vorherrscht. Durch die Entgasungsleitung 15 wird eventuell Luft angesaugt, wenn der Flüssigkeitsstand im Vorratsbehälter 14 absinkt, und insbesondere als Sperrgas in die Vorrichtung 1 eingedrungene Luft oder bei ansteigendem Flüssigkeitsstand verdrängte „gesättigte" Luft aus der Vorrichtung 1 ausgetrieben. Die Änderungen des Flüssigkeitsstandes resultieren vordergründig aus betrieblich bedingten Änderungen des Verdampfungsdrucks pv. Mittels der langen, gekühlten Entgasungsleitung 1 5 wird der Taupunkt der Luft abgesenkt, wobei auskondensiertes Arbeitsmedium in den Vorratsbehälter 14 zurückfließt. Mit Hilfe des Auskondensierens des dampfförmigen Arbeitsmediums aus der abzuleitenden Luft entweicht lediglich eine minimale Menge an Arbeitsmedium in Form von bei Umgebungstemperatur gesättigter Luft aus der Vorrichtung 1 in die Umgebung. The upper, filled with air region of the reservoir 14 has the steadily increasing degassing line 15 in communication with the environment outside the device 1, which is always open, so that prevails within the reservoir 14 ambient pressure pu. Air may possibly be sucked in through the degassing line 15 when the liquid level in the reservoir 14 drops, and in particular air that has penetrated into the device 1 as sealing gas is expelled from the device 1, or "saturated" air displaced as the liquid level increases induced changes in the evaporation pressure p v. By means of the long-cooled vent line 1 5 of the dew point of the air is lowered, whereby condensed out working medium flows back into the reservoir 14. By means of the Auskondensierens of the vaporous working medium out of the to be derived air only a minimum amount of working medium in escapes Form of saturated at ambient temperature air from the device 1 into the environment.
Falls der Ejektor 13 eine größere Menge Dampf ansaugt und in den Vorratsbehälter 14 verbringt, wird die Kondensationswärme an Kühlmittel mit geringerer Temperatur übertragen, welches durch die innerhalb des Vorratsbehälters 14 zusätzlich integrierte Rohrschlange geleitet wird. Das Kühlmittel strömt dabei insbesondere durch die innerhalb des Vorratsbehälters 14 integrierte Rohrschlange und anschließend oder parallel durch den Kondensator 11 . Die neben dem Treibstrahl für den Ejektor 13 auch einen Vordruck für die Speisepumpe 17 erzeugende Vorpumpe 16 ist im unteren Bereich mit dem Vorratsbehälter 14 verbunden und saugt flüssiges Arbeitsmedium ab. Die Speisepumpe 17 ist vorteilhaft als eine mit dem Schmiermittel geschmierte Hubkolbenpumpe mit druckgesteuerten Ventilen ausgebildet, welche bei Stillstand ein eventuelles Rückströmen von heißem Arbeitsmedium aus dem Verdampfer 3 verhindert, was die zusätzliche Anordnung eines komplizierten Rückschlagventils mit Dämpfer in der langen, pulsationsgefährdeten Speiseleitung zum Verdampfer 3 vermeidet. Die Speiseleitung ist, entsprechend der Länge, mit einem ausreichenden Querschnitt ausgebildet, um größere Pulsationen zu verhindern. Ebenso wie die Vorpumpe 16 nach der Temperatur T im Vorratsbehälter 14 und der Temperatur T und dem Druck p am Auslass des Kondensators 11 geregelt wird, wird die Drehzahl der Speisepumpe 17, beispielsweise über Frequenzumrichter, entsprechend der Temperatur T des Abgases am Einlass in den Verdampfer 3 sowie der Temperatur T und dem Druck p des Dampfes am Auslass des Verdampfers 3 geregelt. Der Druck p am Auslass des Dampfes aus dem Verdampfer 3 wird mit Hilfe des Drucksensors 43 bestimmt, welcher gemäß Fig. 3a, an der Ventilbox 5 angeordnet ist. Dabei wird der Eintrittszustand des Arbeitsmediums in die Expansionsvorrichtung 6 derart gewählt, dass das Arbeitsmedium nach der Expansion nur geringfügig überhitzt in den Abscheider 9 oder den Kondensator 11 einströmt. If the ejector 13 sucks in a larger amount of steam and spends in the reservoir 14, the heat of condensation is transferred to coolant with a lower temperature, which is passed through the additionally integrated within the reservoir 14 coil. In this case, the coolant flows in particular through the tube coil integrated within the storage container 14 and subsequently or in parallel through the condenser 11. The in addition to the propulsion jet for the ejector 13 and a pre-pressure for the feed pump 17 generating backing pump 16 is connected in the lower part of the reservoir 14 and sucks liquid working medium. The Feed pump 17 is advantageously designed as a lubricated with the lubricant reciprocating pump with pressure-controlled valves, which prevents any backflow of hot working fluid from the evaporator 3 at standstill, which avoids the additional arrangement of a complicated non-return valve with damper in the long, pulsation-prone supply line to the evaporator 3 , The feed line is, according to the length, formed with a sufficient cross-section to prevent larger pulsations. As well as the fore pump 16 is controlled by the temperature T in the reservoir 14 and the temperature T and the pressure p at the outlet of the condenser 11, the speed of the feed pump 17, for example via frequency converter, corresponding to the temperature T of the exhaust gas at the inlet into the evaporator 3 and the temperature T and the pressure p of the steam at the outlet of the evaporator 3 regulated. The pressure p at the outlet of the vapor from the evaporator 3 is determined by means of the pressure sensor 43, which, according to FIG. 3 a, is arranged on the valve box 5. In this case, the entry state of the working medium in the expansion device 6 is selected such that the working medium after expansion flows only slightly superheated in the separator 9 or the condenser 11.
Nach einer besonderen Ausführungsform wird mit der Kurbelwelle der Speisepumpe 17 auch die Dosierpumpe 18 angetrieben, da ein hoher Dampfdruck eine große Menge an Schmiermittel im Zylinder der Expansionsvorrichtung 6 und einen hohen Förderstrom der Dosierpumpe 18 erfordert. Gleichzeitig kann die Speisepumpe 17 mit Schmiermittel geschmiert werden. Die Speisepumpe 17 und die Dosierpumpe 18 können zudem durch einen gemeinsamen, drehzahlgeregelten Motor angetrieben werden.  According to a particular embodiment, with the crankshaft of the feed pump 17 and the metering pump 18 is driven, since a high vapor pressure requires a large amount of lubricant in the cylinder of the expansion device 6 and a high flow rate of the metering pump 18. At the same time, the feed pump 17 can be lubricated with lubricant. The feed pump 17 and the metering pump 18 can also be driven by a common, speed-controlled motor.
Die Vorrichtung 1 wird mit zusätzlichen Befüllstutzen und Entleerungsstutzen am Schubkurbel-Triebwerk der Expansionsvorrichtung 6, an der Anordnung 8 aus Abscheider 9 und Sammler 10 sowie am Vorratsbehälter 14 ergänzt. The device 1 is supplemented with additional filling nozzles and drainage nozzles on the thrust crank engine of the expansion device 6, on the assembly 8 of separator 9 and collector 10 and on the reservoir 14.
Mit der Vorrichtung 1 wird die in den Abgasen mit hohen Temperaturen eines Verbrennungsmotors enthaltene Exergie durch einen separaten Prozess in elektrische Energie umgewandelt. Aufgrund der Charakteristik der Abgase als Wärmequelle, insbesondere als kapazitiver Wärmestrom, und der Wärmesenke, insbesondere mit im Wesentlichen konstanter Temperatur, wird der klassische Dampfkraftprozess, auch als Clausius-Rankine-Prozess bezeichnet, mit einem deutlichen Anteil an Überhitzung im Verdampfer 3 und einer geringen Enthitzung und Unterkühlung am Kondensator 11 genutzt, welcher für das entsprechende Energie-Temperatur-Verhalten geeignet ist. In Fig. 5 ist die Integration des mit der Vorrichtung 1 ausführbaren Dampfkraftprozesses in einem BHKW-System dargestellt. Im Kreislauf 2 wird Wasser als Arbeitsmedium umgewälzt. Die Vorrichtung 1 wird mit Hilfe des Verdampfers 3, der Expansionsvorrichtung 6 und dem Generator 7, dem Kondensator 11 sowie der Speisepumpe 17 angedeutet. With the device 1 is in the exhaust gases at high temperatures of a Internal combustion engine contained Exergie converted by a separate process into electrical energy. Due to the characteristic of the exhaust gases as a heat source, in particular as a capacitive heat flow, and the heat sink, in particular at a substantially constant temperature, the classical steam power process, also referred to as Clausius-Rankine process, with a significant proportion of overheating in the evaporator 3 and a small Enthitzen and supercooling used on the capacitor 11, which is suitable for the corresponding energy-temperature behavior. FIG. 5 shows the integration of the steam power process that can be carried out with the device 1 in a CHP system. In the circuit 2, water is circulated as a working medium. The device 1 is indicated by means of the evaporator 3, the expansion device 6 and the generator 7, the condenser 11 and the feed pump 17.
Alternativ kann die Vorrichtung 1 auch mit einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs gekoppelt und in der dazugehörigen Peripherie integriert sein. Alternatively, the device 1 may also be coupled to an internal combustion engine of a motor vehicle and integrated in the associated periphery.
Das Abgas des einen Generator 91 antreibenden Verbrennungsmotors 90 wird durch den Verdampfer 3, welcher im Kreuz-Gegenstrom oder im Gegenstrom bei Überdruck überhitzten Dampf erzeugt, geleitet. Anschließend wird der Dampf in der Expansionsvorrichtung 6 arbeitsleistend entspannt, auf geringerem Druck kondensiert und mittels der Speisepumpe 17 in den Verdampfer 3 gefördert. Der Dampf wird nahe dem Temperaturniveau des Kühlwassers des Verbrennungsmotors 90 kondensiert. Damit wird die Kondensationswärme als Abwärme an den äußeren Kühlkreislauf 92 des Verbrennungsmotors 90 beziehungsweise den Heizkreislauf des BHKW- Systems übertragen und insbesondere beim Modus im Heizbetrieb genutzt. Beim Modus im Heizbetrieb, welcher durch den Pfeil mit durchgezogener Linie gekennzeichnet ist, kann die Heizwärme vollständig auf dem Temperaturniveau des Kühlwassers übertragen werden. Beim Modus im Nicht-Heizbetrieb, welcher durch den Pfeil mit gestrichelter Linie gekennzeichnet ist, wird keine Wärme zum Heizen benötigt, sodass im Vergleich zur Kühlwasserwärme eine bis zu doppelt so große Wärmemenge an die Umgebung übertragen wird. Die Abwärme wird dabei im Luft-Wärmeübertrager 95 an die Umgebungsluft übertragen. Die Anlage wird mittels des Drei-Wege-Ventils 96 zwischen den Modi Nicht-Heizbetrieb und Heizbetrieb umgeschaltet. The exhaust gas of the internal combustion engine 91 driving a generator 91 is passed through the evaporator 3, which generates superheated steam in cross-countercurrent or in countercurrent at superatmospheric pressure. Subsequently, the steam is expanded in the expansion device 6 to perform work, condensed to a lower pressure and conveyed by means of the feed pump 17 into the evaporator 3. The steam is condensed near the temperature level of the cooling water of the engine 90. Thus, the heat of condensation is transferred as waste heat to the outer cooling circuit 92 of the engine 90 and the heating circuit of the CHP system and used in particular in the mode in heating mode. In the mode in heating mode, which is indicated by the solid line arrow, the heating heat can be completely transferred to the temperature level of the cooling water. In the non-heating mode, which is indicated by the dashed-dotted arrow, no heat is required for heating, so that up to twice as much heat is transferred to the environment as compared to the cooling water heat. The Waste heat is transferred in the air heat exchanger 95 to the ambient air. The system is switched by means of the three-way valve 96 between the modes non-heating operation and heating operation.
Der Verbrennungsmotor 90 wird zudem mittels eines inneren Kühlkreislaufs 93 gekühlt, wobei das Kühlmittel die vom Verbrennungsmotor 90 abgeführte Wärme im Heizungs-Kühlmittel-Wärmeübertrager 94 an den äußeren Kühlkreislauf 92 überträgt.  The internal combustion engine 90 is also cooled by means of an internal cooling circuit 93, wherein the coolant transfers the heat dissipated by the internal combustion engine 90 in the heater-coolant heat exchanger 94 to the external cooling circuit 92.
Mit dem über die Vorrichtung 1 zusätzlich in das System integrierten Dampfkraftprozess, welcher analog zu modernen GU D-Kraftwerken mit Turbomaschinen die exergetischen Vorteile der Wärmezufuhr auf hohem Temperaturniveau mittels einer Verbrennungskraftmaschine mit den Vorteilen der Wärmeabfuhr auf niedrigem Temperaturniveau beim Dampfkraftprozess kombiniert, können ohne den zusätzlichen Einsatz von Brennstoff je nach Temperatur der Abgase des Verbrennungsmotors etwa 7,5 % bis 10 % mehr elektrische Energie erzeugt werden. With the integrated via the device 1 in the system steam power process, which combines the exergetic advantages of heat supply at high temperature level by means of an internal combustion engine with the advantages of heat dissipation at a low temperature level in the steam power process analogous to modern GU D power plants with turbomachinery can without the additional Use of fuel depending on the temperature of the exhaust gases of the internal combustion engine about 7.5% to 10% more electrical energy can be generated.
Bei den zu erwartenden Dampftemperaturen von über 400 °C ist insbesondere Wasser als Arbeitsmedium im Kreislauf 2 einzusetzen. Dabei kann die Wärme des Abgases im Verdampfer 3 thermodynamisch bedingt nicht bis auf das Temperaturniveau des Kühlwassers genutzt werden. Aus diesem Grund ist in Strömungsrichtung des Abgases ein Heizungs-Abgas-Wärmeübertrager 97 nachgeschaltet, in welchem die Restwärme des Abgases an das Heizwasser im Heizkreislauf mit einem Vorlauf 98 und einem Rücklauf 99 übertragen wird. Der Kondensator 11 ist folglich mit dem Wasser des Rücklaufs 99, welches das niedrigste Temperaturniveau des Kühlwasser beziehungsweise Heizwassers aufweist, als erste Komponente zu beaufschlagen. In the expected steam temperatures of about 400 ° C in particular water is used as the working medium in the circuit 2. The heat of the exhaust gas in the evaporator 3 thermodynamically can not be used up to the temperature level of the cooling water. For this reason, a heating exhaust heat exchanger 97 is downstream in the flow direction of the exhaust gas, in which the residual heat of the exhaust gas to the heating water in the heating circuit with a flow 98 and a return 99 is transmitted. The condenser 11 is therefore to be acted upon as the first component with the water of the return 99, which has the lowest temperature level of the cooling water or heating water.
Wenn die Vorrichtung 1 als zusätzlicher Dampfkraftprozess eine Störung aufweist, kann neben den Pumpen, insbesondere der Speisepumpe 17, und damit der Expansionsvorrichtung 6 und dem separaten Generator 7 mittels eines geöffneten Bypasses 100 die Wärmezufuhr zur Vorrichtung 1 , insbesondere vor dem Verdampfer 3, abgestellt werden. Analog kann bei verringerter Nutzung der Heizwärme der Heizungs-Abgas-Wärmeübertrager 97 mittels des Bypasses 101 umgangen werden, sodass die Wärme des Abgases direkt in die Umgebung abgeben wird, ohne den Kühlwasserkreislauf, vor allem beim Modus im Nicht-Heizbetrieb, zu belasten. Die Wärme müsste ansonsten unter dem Aufwand zusätzlicher Lüfterleistung abgeführt werden. If the device 1 has a fault as an additional steam power process, in addition to the pumps, in particular the feed pump 17, and thus the expansion device 6 and the separate generator 7 by means of an open bypass 100, the heat supply to the device 1, especially before the evaporator 3, are turned off. Similarly, with reduced use of the heating heat, the heater exhaust heat exchanger 97 can be bypassed by means of the bypass 101, so that the heat of the exhaust gas is released directly into the environment, without burdening the cooling water circuit, especially in the non-heating mode. The heat would otherwise have to be dissipated under the expense of additional fan power.
Da bei abgestellter Nutzung der Heizwärme der Kreislauf im Modus des Nicht- Heizbetriebs beaufschlagt wird, sodass das Kühlmedium durch den Luft- Wärmeübertrager 95 strömt, und die Kreislaufpumpe 102 an der Position anzuordnen ist, an welcher das Kühlmedium die geringste Temperatur aufweist, ist die Kreislaufpumpe 102 in Strömungsrichtung des Kühlmediums direkt vor dem Kondensator 11 angeordnet. Since, when the utilization of the heating heat, the cycle is applied in the non-heating mode, so that the cooling medium flows through the air heat exchanger 95, and the circulation pump 102 is to be located at the position where the cooling medium has the lowest temperature, the circulation pump 102 arranged in the flow direction of the cooling medium directly in front of the condenser 11.
Mit dem Drei-Wege-Ventil 96 und den Bypässen 100, 101 können stufenlos Modi zwischen dem Heizbetrieb und dem Nicht-Heizbetrieb eingestellt werden.  With the three-way valve 96 and the bypasses 100, 101 can be adjusted continuously modes between the heating operation and the non-heating operation.
Auf Grund der sich bei maximaler Leistung einstellenden sehr großen Druckverhältnisse in der Expansionsvorrichtung 6 ist die Expansionsvorrichtung 6 als einstufige Hubkolbenmaschine in Gleichstrombauart ausgebildet. Trotz der einstufigen Ausführung erreicht die Expansionsvorrichtung 6 bei einer mittleren Kolbengeschwindigkeit von 4 m/s innerhalb eines großen Lastbereichs isentrope Gütengrade um 70 %. Bei der Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium liegt der Verdampfungsdruck pv bei einem Kondensationsdruck pK von etwa 0,7 bar zwischen 15 bar und 60 bar, wobei die Überhitzungstemperatur des Dampfes am Auslass des Verdampfers 3 bei besonders hohen Temperaturen des Abgases bis zu 500 °C beträgt und die Kondensationstemperatur im Bereich von 80 °C bis 90 °C liegt. Die hohe Kondensationstemperatur wirkt sich, insbesondere beim Modus im Nicht- Heizbetrieb, sehr vorteilhaft auf den Vorgang der Übertragung der Wärme vom Arbeitsmedium an die Umgebung aus. Bezugszeichenliste Due to the setting at maximum power very large pressure conditions in the expansion device 6, the expansion device 6 is designed as a single-stage reciprocating engine in DC design. Despite the single-stage design, the expander 6 achieves isentropic grades of 70% over a wide load range at a mean piston speed of 4 m / s. When using water as the working medium of the evaporation pressure p v at a condensation pressure p K of about 0.7 bar between 15 bar and 60 bar, the superheat temperature of the vapor at the outlet of the evaporator 3 at particularly high temperatures of the exhaust gas up to 500 ° C is and the condensation temperature in the range of 80 ° C to 90 ° C. The high condensation temperature has a particularly advantageous effect on the process of transferring the heat from the working medium to the environment, especially in the non-heating mode. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Vorrichtung zur Nutzung von Exergie  1 device for the use of exergy
2 Kreislauf Arbeitsmedium  2 cycle working medium
3 Verdampfer  3 evaporators
4 Strömungsrichtung Abgas  4 flow direction exhaust gas
5 Ventilbox  5 valve box
6 Expansionsvorrichtung  6 expansion device
7 Generator  7 generator
8 Anordnung zur Rückführung von Schmiermittel 8 Lubricant return assembly
9 Abscheider Schmiermittel 9 separator lubricant
10 Sammler Schmiermittel  10 collectors lubricant
11 Kondensator  11 capacitor
12 Strömungsrichtung Kühlmittel Kondensator 11 12 flow direction coolant condenser 11
13 Ejektor 13 ejector
14 Vorratsbehälter  14 storage tank
15 Entgasungsleitung  15 degassing line
16 Vorpumpe  16 forepump
17 Speisepumpe  17 feed pump
18 Dosierpumpe Schmiermittel  18 Dosing pump lubricant
19 Ventil  19 valve
30 obere Kammer 30 upper chamber
31 untere Kammer  31 lower chamber
32 Trennwand  32 dividing wall
33 Überströmverbindung  33 overflow connection
34 Zentralrohr Einfüllstutzen Schmiermittel Druckausgleichsöffnung Zwischenboden 34 central tube Filler neck Lubricant Pressure equalization opening Intermediate base
Schottwand bulkhead
Schwimmer swimmer
Verbindungselement Schauglas Connecting element sight glass
Drucksensor pressure sensor
Dampfübertritt Steam conversion
Rohrelement Druckbegrenzungsventil Drei-Wege-Ventil Pipe element Pressure relief valve Three-way valve
Antriebselement driving element
Feder feather
Federraum spring chamber
Ventilsitz valve seat
Auslassraum outlet space
Drehschieber rotary vane
Drehschieberraum Vane space
Öffnungen Einlass Openings inlet
Zylindersicherheitsventil Kolben Cylinder safety valve piston
Kolbenstange Kolbenmutter piston rod piston nut
Stangenmutter rod nut
a, 66b Stangendichtunga, 66b rod seal
a, 67b Absauganschlussa, 67b suction connection
c Absauganschluss c suction connection
Kreuzkopf Phillips
,74 Spritzschirm , 74 spray shield
Kolbenschieber  spool
Schieberkörper kurbelseitig  Slider body crank side
Schieberkörper deckelseitig  Slider body cover side
Schieberraum  slide chamber
Führungsbuchse  guide bush
Segmentdichtung  segment seal
Wellfeder  Well spring
Labyrinthdichtung  labyrinth seal
Druckplatte  printing plate
Tellerfeder  Belleville spring
Flansch  flange
Fluidkanal  fluid channel
Druckhülse Verbrennungsmotor  Pressure sleeve internal combustion engine
Generator  generator
äußerer Kühlkreislauf Verbrennungsmotor 90 innerer Kühlkreislauf Verbrennungsmotor 90 Heizungs-Kühlmittel-Wärmeübertrager 95 Luft-Wärmeübertrager Outer cooling circuit Internal combustion engine 90 Internal cooling circuit Internal combustion engine 90 Heating / cooling medium heat exchanger 95 air-heat exchanger
96 Drei-Wege-Ventil  96 three-way valve
97 Heizungs-Abgas-Wärmeübertrager  97 Heating exhaust heat exchanger
98 Vorlauf  98 forerun
99 Rücklauf  99 return
100 Bypass Abgas Verdampfer 3  100 Bypass exhaust gas evaporator 3
101 Bypass Abgas Heizungs-Abgas-Wärmeübertrager 97  101 Bypass exhaust heating heater exhaust heat exchanger 97
102 Kreislaufpumpe  102 circulation pump
L1 Überströmleitung - Bypass Ventilbox 5 Abscheider Schmiermittel 9L1 overflow line - bypass valve box 5 separator lubricant 9
L2 Leitung Abscheider Schmiermittel 9 Kondensator 11 L2 line separator lubricant 9 condenser 11
L3 Leitung Sammler Schmiermittel 10 Ejektor 13  L3 pipe collector lubricant 10 ejector 13
L4 Leitung Sammler Schmiermittel 10 Expansionsvorrichtung 6 L4 pipe collector lubricant 10 expansion device 6
L5 Leitung Expansionsvorrichtung 6 Abscheider Schmiermittel 9L5 line expansion device 6 separator lubricant 9
L6 Leitung Verdampfer 3 Ventilbox 5 L6 line evaporator 3 valve box 5
L7 Leitung Ventilbox 5 Expansionsvorrichtung 6  L7 line valve box 5 expansion device 6
K Kondensation K condensation
n Drehzahl n speed
p Druck p pressure
T Temperatur  T temperature
U Umgebung  U environment
V Verdampfung  V evaporation

Claims

Patentansprüche claims
1 . Vorrichtung (1 ) zur Nutzung von Exergie, insbesondere eine für einen Dampfkraftprozess ausgebildete Dampfkraftanlage, mit einem von Luft als Atmosphäre mit einem Umgebungsdruck (pu) umgebenen geschlossenen Kreislauf (2), in welchem ein Arbeitsmedium zirkuliert, wobei der Kreislauf (2) in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums1 . Device (1) for the use of exergy, in particular a steam power plant designed for a steam power process, with a closed circuit (2) surrounded by air as atmosphere with an ambient pressure (pu), in which circulates a working medium, the circuit (2) in the flow direction of the working medium
- einen Verdampfer (3) zum Verdampfen des Arbeitsmediums bei einem Verdampfungsdruck (pv), an evaporator (3) for evaporating the working medium at an evaporation pressure (p v ),
- eine Expansionsvorrichtung (6) zum Entspannen des Arbeitsmediums unter Verrichtung mechanischer Arbeit,  an expansion device (6) for releasing the working medium while performing mechanical work,
- einen Kondensator (11 ) zum Kondensieren des Arbeitsmediums bei einem Kondensationsdruck (pK), a condenser (11) for condensing the working medium at a condensation pressure (p K ),
- einen Vorratsbehälter (14) sowie  - A reservoir (14) and
- eine Speisepumpe (17) zum Fördern des Arbeitsmediums zum Verdampfer (3)  a feed pump (17) for conveying the working medium to the evaporator (3)
aufweist, wobei nach dem Kondensator (11 ) eine Komponente zum Fördern des Arbeitsmediums in den Vorratsbehälter (14) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dynamische Dichtungen zwischen dem Arbeitsmedium innerhalb eines auf Niveau des Kondensationsdruck (pK) betriebenen Bereichs des Kreislaufs (2) und der Umgebung zweistufig derart ausgebildet sind, dass die die Vorrichtung (1 ) umgebende Luft an den dynamischen Dichtungen als Sperrgas anliegt, wobei der Umgebungsdruck (pu) als Druck der Luft größer ist als der geringste Druck des Arbeitsmediums im Kreislauf (2), insbesondere der Kondensationsdruck (pK). wherein, downstream of the condenser (11), a component for conveying the working medium into the storage container (14) is formed, characterized in that dynamic seals between the working medium are operated within a region of the circuit (2) operated at the level of the condensation pressure (p K ). and the environment are formed in two stages such that the device surrounding the air (1) rests against the dynamic seals as a sealing gas, the ambient pressure (pu) is greater than the pressure of the working medium in the circuit (2), in particular as pressure of the air the condensation pressure (p K ).
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums zwischen dem Kondensator (11 ) und dem Vorratsbehälter (14) angeordnete Komponente als Ejektor (13) zum Absaugen des Arbeitsmediums sowie der als Sperrgas durch die dynamischen Dichtungen in den Kreislauf (2) eingedrungenen Luft der Umgebung aus dem Kondensator (11 ) mit einer Vorpumpe (16) zum Fördern eines Massenstroms des Arbeitsmediums als Treibstrahl des Ejektors (13) ausgebildet ist. 2. Device (1) according to claim 1, characterized in that in the flow direction of the working medium between the condenser (11) and the reservoir (14) arranged component as an ejector (13) for sucking the working medium as well as the barrier gas the dynamic seals in the circuit (2) penetrated ambient air from the condenser (11) with a backing pump (16) for conveying a mass flow of the working medium as a propulsion jet of the ejector (13) is formed.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die3. Device (1) according to claim 2, characterized in that the
Vorpumpe (16) mit einem Auslass des Vorratsbehälters (14) verbunden zwischen dem Vorratsbehälter (14) und der Speisepumpe (17) zum Fördern eines Massenstroms des Arbeitsmediums zur Speisepumpe (17) ausgebildet ist. Pre-pump (16) with an outlet of the reservoir (14) connected between the reservoir (14) and the feed pump (17) for conveying a mass flow of the working medium to the feed pump (17) is formed.
4. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (14) mit einer Entgasungsleitung (15) als Verbindung mit der Umgebung ausgebildet ist, wobei die Entgasungsleitung (15) in einen oberen, mit Luft befüllten Bereich des Vorratsbehälters (14) mündet, stetig ansteigt und gekühlt derart ausgebildet ist, dass dampfförmiges Arbeitsmedium beim Durchströmen der Entgasungsleitung (15) zumindest zum großen Teil kondensiert und nach unten in den Vorratsbehälter (14) zurückströmt sowie in die Vorrichtung (1 ) eingedrungene Luft nach oben in die Umgebung entweichen kann. 4. Device (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the storage container (14) with a degassing line (15) is formed as a connection with the environment, wherein the degassing line (15) in an upper, filled with air Area of the reservoir (14) opens, steadily rising and cooled is formed such that vaporous working medium when flowing through the degassing (15) condensed at least for the most part and flows back down into the reservoir (14) and in the device (1) penetrated air can escape up into the environment.
5. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach der Expansionsvorrichtung (6) eine Anordnung (8) zur Rückführung von Schmiermittel angeordnet ist, wobei die Anordnung (8) einen als Zyklon ausgebildeten Abscheider (9) zum Trennen von Arbeitsmedium und Schmiermittel sowie einen Sammler (10) für das Schmiermittel aufweist, wobei der Sammler (10) in Richtung der Schwerkraft unterhalb des Abscheiders (9) angeordnet ist. 5. Device (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the flow direction of the working medium after the expansion device (6) an arrangement (8) for the return of lubricant is arranged, wherein the arrangement (8) designed as a cyclone Separator (9) for separating working fluid and lubricant and a collector (10) for the lubricant, wherein the collector (10) is arranged in the direction of gravity below the separator (9).
6. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der6. Device (1) according to claim 5, characterized in that the
Sammler (10) einen Boden aufweist, wobei in einem zentralen Bereich des Sammlers (10) am Boden ein Ventil (19) zum Absaugen von im Sammler (10) angesammelten Arbeitsmedium ausgebildet ist. Collector (10) has a bottom, wherein in a central region of the collector (10) at the bottom of a valve (19) for sucking accumulated in the collector (10) working medium is formed.
7. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammler (10) über eine Leitung (L3) zum Absaugen von Arbeitsmedium aus dem Sammler (10) und Fördern des Arbeitsmediums in den Vorratsbehälter (14) mit dem Ejektor (13) verbunden ausgebildet ist. 7. Device (1) according to claim 5 or 6, characterized in that the collector (10) via a line (L3) for sucking working fluid from the collector (10) and conveying the working medium in the reservoir (14) with the ejector (13) is formed connected.
8. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammler (10) über eine Leitung (L4) zum Absaugen von Schmiermittel aus dem Sammler (10) und Fördern des Schmiermittels zur Expansionsvorrichtung (6) mit einer Dosierpumpe (18) verbunden ausgebildet ist. 8. Device (1) according to one of claims 5 to 7, characterized in that the collector (10) via a line (L4) for sucking lubricant from the collector (10) and conveying the lubricant to the expansion device (6) with a Metering pump (18) is formed connected.
9. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsvorrichtung (6) als Kreuzkopfmaschine mit einem Kreuzkopf (68), einer Kolbenstange (63) und einem Kolben (62) ausgebildet ist, wobei der Kolben (62) kurbelseitig einen Innenkegel und eine zum Innenkegel korrespondierende, kegelige Kolbenmutter (64) zum Einstellen und Variieren eines axialen Kolbenspiels in Richtung der Kolbenstange (63) aufweist. 9. Device (1) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the expansion device (6) is designed as a crosshead machine with a crosshead (68), a piston rod (63) and a piston (62), wherein the piston ( 62) crank side has an inner cone and a tapered piston nut (64) corresponding to the inner cone for adjusting and varying an axial piston play in the direction of the piston rod (63).
10. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die10. Device (1) according to claim 9, characterized in that the
Kolbenstange (63) durch das Gehäuse der Expansionsvorrichtung (6), welches einen Arbeitsraum zur Umgebung der Vorrichtung (1 ) begrenzt, hindurchgeführt angeordnet ist, wobei zwischen der Kolbenstange (63) und dem Gehäuse eine Stangendichtung (66a) angeordnet ist, welche ein Dichtsegmentpaket mit einer äußeren berührungslosen Labyrinthdichtung (78) und mindestens einer inneren berührenden Segmentdichtung (76) aufweist. Piston rod (63) through the housing of the expansion device (6), which defines a working space to the environment of the device (1), is guided, wherein between the piston rod (63) and the housing, a rod seal (66 a) is arranged, which a seal segment package having an outer non-contact labyrinth seal (78) and at least one inner contacting segment seal (76).
11 . Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der äußeren berührungslosen Labyrinthdichtung (78) und der inneren berührenden Segmentdichtung (76) ein Fluidkanal (82) als Verbindung zu einem Bereich niederen Druckes des Kreislaufs (2) ausgebildet ist. 11. Device (1) according to claim 10, characterized in that between the outer non-contact labyrinth seal (78) and the inner contacting segment seal (76) a fluid channel (82) is formed as a connection to a region of low pressure of the circuit (2).
12. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtsegmentpaket mit einer Tellerfeder (80) in Richtung der Kolbenstange (63) zum Arbeitsraum hin axial verspannt angeordnet ist. 12. Device (1) according to claim 10 or 11, characterized in that the sealing segment packet with a plate spring (80) in the direction of the piston rod (63) is arranged axially braced to the working space.
13. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrinthdichtung (78) mit einer Wellfeder (77) in Richtung der Kolbenstange (63) zur äußeren Umgebung axial vorgespannt angeordnet ist. 13. Device (1) according to one of claims 10 to 12, characterized in that the labyrinth seal (78) with a corrugated spring (77) in the direction of the piston rod (63) is arranged axially biased to the external environment.
14. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsvorrichtung (6) mindestens einen Arbeitsraum aufweist, welcher mit einem druckbeaufschlagten Zylindersicherheitsventil (61 ) verbunden ausgebildet ist, wobei das Zylindersicherheitsventil (61 ) als Überströmventil eine Verbindung vom Arbeitsraum zu einem Auslass der Expansionsvorrichtung (6) verschließbar oder offenbar ausgebildet ist, sowie mit einem Eintrittsdruck des Arbeitsmediums in die Expansionsvorrichtung (6), insbesondere dem Verdampfungsdruck (pv), beaufschlagt und derart konfiguriert ist, bei Überschreiten eines bestimmten Drucks des Arbeitsmediums innerhalb des Arbeitsraums eine Verbindung zum Auslass der Expansionsvorrichtung (6) zu öffnen. 14. Device (1) according to one of claims 1 to 13, characterized in that the expansion device (6) has at least one working space, which is formed connected to a pressurized cylinder safety valve (61), wherein the cylinder safety valve (61) as a spill valve is a connection from the working space to an outlet of the expansion device (6) closable or apparently formed, as well as with an inlet pressure of the working medium in the expansion device (6), in particular the evaporation pressure (p v ), acted upon and configured, when a certain pressure of the working medium is exceeded to open a connection to the outlet of the expansion device (6) within the working space.
15. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsvorrichtung (6) in einer Gleichstrombauart mit 15. Device (1) according to one of claims 1 to 14, characterized in that the expansion device (6) in a DC construction with
- einem Kolbenschieber (70) mit Schieberkörpern (71 , 72) mit kreiszylinderförmigem Querschnitt und  - A piston valve (70) with slider bodies (71, 72) with circular cylindrical cross-section and
- einer inneren Einströmung sowie  - an inner inflow as well
- einer Kolbenstange (63) mit kreiszylinderförmigem Querschnitt ausgebildet ist, wobei die Schieberkörper (71 , 72) und die Kolbenstange (63) gleiche Durchmesser aufweisen.  - A piston rod (63) is formed with a circular cylindrical cross-section, wherein the slider body (71, 72) and the piston rod (63) have the same diameter.
16. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums zwischen dem Verdampfer (3) und der Expansionsvorrichtung (6) eine als Ventilbox (5) ausgebildete Kombination aus einem Absperrventil, einem Überströmventil und einem Druckbegrenzungsventil (50) angeordnet ist, wobei das Absperrventil und das Überströmventil in einem Drei-Wege-Ventil (51 ) kombiniert ausgebildet sind. 16. Device (1) according to one of claims 1 to 15, characterized in that in the flow direction of the working medium between the evaporator (3) and the expansion device (6) designed as a valve box (5) combination of a shut-off valve, an overflow valve and a Pressure relief valve (50) is arranged, wherein the shut-off valve and the spill valve in a three-way valve (51) are formed combined.
17. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die17. Device (1) according to claim 16, characterized in that the
Ventilbox (5) einen Drehschieberraum (58) mit kreiszylindrischem Querschnitt, einen Auslassraum (56) und einen Federraum (54) aufweist, wobei der Drehschieberraum (58) mit Anschlüssen zum Verdampfer (3), zur Expansionsvorrichtung (6) sowie zu einem Abscheider (9) und der Auslassraum (56) einen Anschluss zum Kondensator (11 ) oder einem Abscheider (9) aufweisen. Valve box (5) has a rotary valve chamber (58) with a circular cylindrical cross-section, an outlet chamber (56) and a spring chamber (54), wherein the rotary valve chamber (58) with connections to the evaporator (3), to the expansion device (6) and to a separator ( 9) and the outlet space (56) have a connection to the condenser (11) or a separator (9).
18. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Drehschieberraums (58) ein Drehschieber (57) angeordnet ist, welcher mit einem Antriebselement (52) verbunden um einen Winkel von 90° drehbar und in einer zwischen dem Drehschieberraum (58) und dem Auslassraum (56) ausgebildeten Gehäusedurchführung radial beweglich gelagert ist. 18. Device (1) according to claim 17, characterized in that within the rotary valve chamber (58) a rotary valve (57) is arranged, which connected to a drive element (52) rotatable through an angle of 90 ° and in a between the Rotary slide chamber (58) and the outlet space (56) formed housing bushing is mounted radially movable.
19. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen dem Drehschieberraum (58) und dem Auslassraum (56) angeordnete Gehäusedurchführung auf der Seite des Auslassraums (56) kegelig erweitert ausgebildet ist und ein kugelsegmentförmiger Ventilsitz (55) als Teil des Antriebselements (52) beweglich dichtend an der kegeligen Erweiterung anliegt, wobei das Antriebselement (52) derart gelagert ist, sich bei einem bestimmten Überdruck des Arbeitsmediums innerhalb des Drehschieberraums (58) axial gegen eine Feder zu bewegen, sodass der Ventilsitz (55) von der kegeligen Erweiterung abhebt und einen Spalt zwischen dem Drehschieberraum (58) und dem Auslassraum (56) freigibt. 19. Device (1) according to claim 17 or 18, characterized in that between the rotary valve chamber (58) and the outlet chamber (56) arranged housing passage on the side of the outlet space (56) is conically widened and a spherical segment-shaped valve seat (55) as a part of the drive element (52) bears in a sealingly movable manner on the conical extension, wherein the drive element (52) is mounted so as to move axially against a spring at a certain overpressure of the working medium within the rotary valve chamber (58), so that the valve seat (55 ) lifts off the conical extension and releases a gap between the rotary valve chamber (58) and the outlet chamber (56).
20. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Drei-Wege-Ventil (51 ) mit einem Dampfübertritt (44) als Verbindung zum Kondensator (11 ) oder dem Abscheider (9) ausgebildet und derart konfiguriert ist, bei einer Anordnung zum Verschließen des Anschlusses zur Expansionsvorrichtung (6) den Dampfübertritt (44) zu öffnen. 20. Device (1) according to any one of claims 17 to 19, characterized in that the three-way valve (51) formed with a Dampfübertritt (44) as a connection to the condenser (11) or the separator (9) and configured is, in an arrangement for closing the connection to the expansion device (6) to open the Dampfübertritt (44).
21 . Verwendung einer Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor 21. Use of a device (1) according to one of claims 1 to 20 in conjunction with an internal combustion engine
- eines Kraftfahrzeugs oder  - a motor vehicle or
- eines Schiffes oder  - of a ship or
- eines BHKW-Systems  - a CHP system
und Abgasen als Wärmequelle zum Verdampfen des Arbeitsmediums im Verdampfer (3).  and exhaust gases as a heat source for evaporation of the working medium in the evaporator (3).
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