WO2016162118A1 - Vorrichtung zur abwärmerückgewinnung und verfahren zu deren betrieb - Google Patents

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WO2016162118A1
WO2016162118A1 PCT/EP2016/000553 EP2016000553W WO2016162118A1 WO 2016162118 A1 WO2016162118 A1 WO 2016162118A1 EP 2016000553 W EP2016000553 W EP 2016000553W WO 2016162118 A1 WO2016162118 A1 WO 2016162118A1
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evaporator
valve
waste heat
heat recovery
working medium
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PCT/EP2016/000553
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Christian Guerlich
Wilhelmus Kok
Steffen Maus
Martin Minet
Axel Zuschlag
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Daimler Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K15/00—Adaptations of plants for special use
    • F01K15/02—Adaptations of plants for special use for driving vehicles, e.g. locomotives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a device for waste heat recovery in a motor vehicle and a method for operating the device.
  • a pump that compresses a working fluid
  • an evaporator that vaporizes and optionally overheats the working fluid
  • an expansion machine that expands the working fluid
  • a condenser that recombines the working fluid to re-supply it to the pump. It is known for the evaporation of the working fluid in such waste heat recovery systems, not only the exhaust gas to the turbocharger and the exhaust aftertreatment
  • the exhaust aftertreatment evaporator and the exhaust gas recirculation evaporator are usually connected in parallel, but may also be arranged in series.
  • CONFIRMATION COPY The invention is based on the object to provide an improved device for waste heat recovery in a motor vehicle and an improved method for operating the device.
  • the object is achieved by a device having the features of claim 1 or claim 7 and by a method having the features of claim 9.
  • An inventive apparatus for recovering waste heat in a motor vehicle comprises a working circuit with a pump for compressing a working medium, a first evaporator and a second evaporator for the evaporation of the
  • a valve is provided, by means of which the first evaporator and the second evaporator during operation of
  • Low load phase in which, for example, the second evaporator is hotter than the first evaporator, the evaporator connected in series by means of the valve, so as to preheat the first evaporator with working fluid evaporated in the second evaporator, wherein the evaporators are connected in parallel in a normal operation by means of the valve.
  • the first evaporator in a first branch of the working cycle and the second evaporator in a second branch of the working circuit are arranged, which are connected in parallel, wherein in the first branch, for example between the first evaporator and the expansion machine, a check valve is arranged so that the working medium only from the first branch, for example between the first evaporator and the expansion machine.
  • Evaporator in the direction of the expansion machine, but not reversed is strömbar.
  • the check valve can of course also be arranged in the second branch.
  • such a check valve may also be located in the first branch and in the second branch.
  • a backward condensation from one to the other evaporator is avoided or greatly attenuated. Furthermore, a The evaporator can be warmed up or preheated more quickly with the help of the other evaporator, making the waste heat recovery device ready for use more quickly.
  • Fig. 1 is a schematic view of a first embodiment of a device for
  • FIG. 2 is a schematic view of the waste heat recovery apparatus wherein the two evaporators are connected in series through the valve.
  • FIG. 2 is a schematic view of the waste heat recovery apparatus wherein the two evaporators are connected in series through the valve.
  • FIG. 3 shows a schematic view of the device for waste heat recovery, wherein the two evaporators are connected in parallel via the valve,
  • FIG. 4 is a schematic view of a second embodiment of a waste heat recovery apparatus with two evaporators, a valve and a bypass,
  • Fig. 5 is a schematic view of a third embodiment of an apparatus for
  • Fig. 6 is a schematic view of a valve for assenstromver Ecuador over two
  • Fig. 7 is a schematic view of the valve in serial connection of
  • Fig. 8 is a schematic view of the valve in serial interconnection of
  • the device for recovering waste heat has a condenser, not shown in FIGS. 1-5, which is arranged in the flow direction downstream of the expansion machine 6 and upstream of the pump 3.
  • the working medium is in condenses this capacitor back into the liquid phase before it is fed to the pump 3 again.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a first embodiment of a device 1 for waste heat recovery, comprising a working cycle 2, wherein heat is converted into kinetic energy by means of a thermodynamic cycle, for example a Clausius Rankine Cycle or Organic Rankine Cycle. It is in the
  • Working cycle 2 a working fluid initially compressed by a pump 3 to a higher pressure. Heat is then supplied to the working medium in a first heat exchanger or first evaporator 4 and / or in a second heat exchanger or second evaporator 5 in order to evaporate it. Subsequently, this high-pressure hot steam is expanded via an expansion machine 6, wherein kinetic energy is released via a shaft, which then contributes to the propulsion of a vehicle or is converted into electrical energy.
  • the working medium can then be condensed back into the liquid phase in a condenser before it is fed again to the pump 3.
  • the first evaporator 4 is as an exhaust aftertreatment evaporator for recovering waste heat from a non-illustrated
  • a valve 7 is provided with six terminals 7.1 to 7.6, by means of which the first evaporator 4 and the second evaporator 5 can be connected in series or in parallel and by means of which a switch from series to parallel or vice versa is also possible during operation.
  • FIG. 2 shows a schematic view of the device 1 for waste heat recovery, wherein the first evaporator 4 and the second evaporator 5 are connected via the valve 7 in series.
  • connection 7.1 to connection 7.2, connection 7.3 to connection 7.5 and connection 7.6 to connection 7.4 of valve 7 are connected.
  • the working medium thus flows from the pump 3 via the valve 7 through the second evaporator 5, again via the valve 7 through the first evaporator 4 and again via the valve 7 through the expansion machine 6, before it flows back to the pump 3.
  • the valve 7 can also be designed so that a serial connection of the evaporator 4, 5 in reverse order is possible.
  • connection would be 7.1 with the connection 7.6, the connection 7.3 with the Terminal 7.5 and the terminal 7.2 connected to the port 7.4 of the valve 7.
  • the working medium thus flows from the pump 3 via the valve 7 through the second evaporator 5, again via the valve 7 through the first evaporator 4 and again via the valve 7 through the expansion machine 6, before it flows back to the pump 3.
  • connection 7.1 with the port 7.5 the connection 7.1 with the port 7.5, the connection 7.5 with the port 7.5, the
  • Figure 3 shows a schematic view of the device 1 for waste heat recovery, wherein the first evaporator 4 and the second evaporator 5 are connected in parallel via the valve 7. In this condition the connection 7.1 with the connection 7.2 and the connection 7.6 as well as the connection 7.3 with the connection 7.4 and the
  • valve 7 a mass flow of the working fluid is distributed to the first evaporator 4 and the second evaporator 5, flows from there again via the valve 7, where the mass flows from two evaporators 4, 5 unite and finally by the expansion machine. 6 flow before the working fluid flows back to the pump 3.
  • the valve 7 may include one or more throttles to selectively distribute the mass flows to the evaporators 4, 5.
  • the device 1 for waste heat recovery is arranged in particular in a motor vehicle, for example in a commercial vehicle.
  • the first evaporator 4 and the second evaporator 5 still cold. Even during operation, it may happen that, for example, for longer periods of low load one of the evaporator 4, 5 or both evaporators 4, 5 cool.
  • the motor vehicle If the motor vehicle is put into a full-load mode after starting or after a low-load phase, for example when traveling uphill with a high total mass of the motor vehicle, it can happen that the evaporators 4, 5 have very different temperatures.
  • the second evaporator 5 lying in the exhaust gas recirculation system could already be hot and the working medium in the
  • Working cycle 2 evaporate while lying in the exhaust aftertreatment system first evaporator 4 is still cold. If an unequal temperature distribution occurs in the evaporators 4, 5, it may happen, for example in parallel connection, that the working medium evaporates in the hot second evaporator 5 and then does not run through the expansion machine 6, but condenses into the cold first evaporator 4. In extreme cases, this can lead to the fact that the entire working medium is transported into the cold first evaporator 4, where it is in liquid form, and the device 1 for waste heat recovery is no longer available.
  • the parallel arrangement of the evaporator 4, 5 shown in Figure 3 can be temporarily connected in the shown in Figure 2 series arrangement to preheat with the steam, which comes from the hot second evaporator 5, the cold first evaporator 4 and thus preventing or reducing condensation of the working medium in the cold first evaporator 4.
  • a switch to a serial connection of the evaporator 4, 5 may be provided in reverse order, so that with the steam, which the hot first evaporator 4 comes, the cold second evaporator 5 preheated and thus prevents condensation of the working medium in the cold second evaporator 5 or reduced.
  • FIG 4 shows a schematic view of a second embodiment of the device 1 for waste heat recovery.
  • the device 1 corresponds to the device 1 shown in Figures 1 to 3, wherein in addition a bypass 8 is provided, with which the expansion machine 6 can be bridged. It is known to open such a bypass 8 by means of a bypass valve depending on the situation or to close.
  • the bypass valve is integrated in the valve 7.
  • another connection 7.7 is provided on the valve.
  • a bypass valve may be provided, which is extended by the functions of the valve 7.
  • valve 7 may be designed so that in an expander operation, the evaporators 4, 5 are connected in parallel when the bypass 8 is closed. If the bypass 8 is open, that is, if there is no expander operation, the evaporators 4, 5 are connected in series.
  • Figure 5 shows a schematic view of a third embodiment of the device 1 for waste heat recovery, comprising a working circuit 2, wherein heat by means of a thermodynamic cycle, such as a Clausius Rankine Cycle or Organic Rankine Cycle, is converted into kinetic energy. It is in the
  • Working cycle 2 a working fluid initially compressed by a pump 3 to a higher pressure. Heat is then supplied to the working medium in a first heat exchanger or first evaporator 4 and / or in a second heat exchanger or second evaporator 5 in order to evaporate it. Subsequently, this high-pressure hot steam is expanded via an expansion machine 6, wherein kinetic energy is released via a shaft, which then contributes to the propulsion of the vehicle or is converted into electrical energy.
  • the working medium can then be condensed back into the liquid phase in a condenser before it is fed again to the pump 3.
  • the first evaporator 4 is as an exhaust aftertreatment evaporator for recovering waste heat from a non-illustrated
  • the first evaporator 4 is arranged in a first branch 2.1 of the working circuit 2 and the second evaporator 5 in a second branch 2.2 of the working circuit 2, which are connected in parallel.
  • a check valve 9 is provided in the first branch 2.1 between the first evaporator 4 and the expansion machine 6, so that the working medium only from the first evaporator 4 in the direction of
  • Expansionsmaschine 6, but not vice versa can flow.
  • the hotter second evaporator 5 is first flowed through because of the supply of hot exhaust gas.
  • the first evaporator 4 is still cold and is not flowed through.
  • the condensation of the gas from the hot second evaporator 5 in the cold first evaporator 4 is prevented by the check valve 9.
  • the check valve 9 is arranged in the second branch 2.2.
  • such a check valve is arranged both in the first branch 2.1 and in the second branch 2.2.
  • FIG 6 shows a schematic view of a possible embodiment of the valve 7 used in the embodiments of Figures 1 to 3.
  • the valve 7 comprises two throttles 10, 11 and four three-way valves 12, 13, 14, 15.
  • the three-way valve 12 is arranged for flexible connection of the connections 7.1 and 7.2 with the three-way valve 14.
  • the three-way valve 13 is for flexible interconnection of
  • the three-way valve 14 is arranged for flexible connection of the connections 7.4 and 7.5 with the three-way valve 12.
  • the three-way valve 15 is arranged for flexible connection of the connections 7.1 and 7.6 with the three-way valve 13.
  • the throttle 10 is arranged to throttle the mass flow from port 7.1 to the three-way valve 12.
  • the throttle 1 1 is for throttling the mass flow from port 7.1 to the three-way valve 15th
  • Three-way valve 12 is connected so that the port 7.1 is connected to the port 7.2.
  • the three-way valve 13 is connected so that the terminal 7.3 is connected to the terminal 7.4.
  • the three-way valve 14 is connected so that the
  • Terminal 7.4 is connected to the terminal 7.5.
  • the three-way valve 15 is connected so that the terminal 7.6 is connected to the terminal 7.1.
  • FIG. 7 shows a schematic view of the valve 7 in the case of serial connection of the evaporators 4, 5 in a first sequence, wherein first the second evaporator 5 and then the first evaporator 4 are flowed through.
  • the three-way valve 12 is connected so that the terminal 7.1 is connected to the terminal 7.2.
  • the three-way valve 13 is switched so that the terminal 7.3 is connected to the three-way valve 15.
  • the three-way valve 14 is switched so that the port 7.4 is connected to the port 7.5.
  • the three-way valve 15 is switched so that the port 7.6 is connected to the three-way valve 13.
  • FIG. 8 shows a schematic view of the valve 7 in the case of serial connection of the evaporators 4, 5, in a second order, wherein first the first evaporator 4 and then the second evaporator 5 are flowed through.
  • the three-way valve 12 is switched so that the port 7.2 is connected to the three-way valve 14.
  • the three-way valve 13 is connected so that the terminal 7.3 is connected to the terminal 7.4.
  • the three-way valve 14 is switched so that the port 7.5 is connected to the three-way valve 12.
  • the three-way valve 15 is connected so that the terminal 7.1 is connected to the terminal 7.6.
  • the valve 7 may also include a plurality of four-way valves. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Abwärmerückgewinnung in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen Arbeitskreislauf (2) mit einer Pumpe (3) zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einem ersten Verdampfer (4) und einem zweiten Verdampfer (5) zur Verdampfung des Arbeitsmediums und eine Expansionsmaschine (6) zum Entspannen des verdampften Arbeitsmediums. In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Ventil (7) vorgesehen, mittels dessen der erste Verdampfer (4) und der zweite Verdampfer (5) im Betrieb der Vorrichtung (1) zwischen mindestens einer Verschaltung in Serie und einer Parallelverschaltung umschaltbar sind. In einer weiteren Ausführungsform sind der erste Verdampfer (4) und der zweite Verdampfer (5) einander parallel geschaltet und zwischen dem ersten Verdampfer (4) und der Expansionsmaschine (6) ist ein Rückschlagventil (9) angeordnet, so dass das Arbeitsmedium nur vom ersten Verdampfer (4) in Richtung der Expansionsmaschine (6) strömbar ist.

Description

Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung und Verfahren zu deren Betrieb
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung in einem Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.
Auf Dampfkreisprozessen, beispielsweise dem Rankine-Zyklus, basierende
Abwärmerückgewinnungssysteme für Kraft- und Nutzfahrzeuge verfügen üblicherweise über vier Hauptkomponenten. Eine Pumpe, welche ein Arbeitsmedium verdichtet, einen Verdampfer, der das Arbeitsmedium verdampft und gegebenenfalls überhitzt, eine Expansionsmaschine, die das Arbeitsmedium expandiert, und einen Kondensator, der das Arbeitsmedium wieder kondensiert, um es erneut der Pumpe zuzuführen. Es ist bekannt, für die Verdampfung des Arbeitsmediums in solchen Abwärmerückgewinnungssystemen nicht nur das Abgas nach dem Turbolader und der Abgasnachbehandlung
(Abgasnachbehandlungs-Verdampfer) zu nutzen, sondern in Fahrzeugen mit
Abgasrückführung und entsprechender Kühlung den Abgasrückführungs-Kühler durch einen sogenannten Abgasrückführungs-Verdampfer zu ersetzen und so auch Abwärme aus der Abgasrückführung zu nutzen. Der Abgasnachbehandlungs-Verdampfer und der Abgasrückführungs-Verdampfer werden üblicherweise parallel verschaltet, können aber auch seriell angeordnet sein.
Aus der DE 10 201 1 1 12 843 A1 ist ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie und Druckluft aus Abgasen, Abwärme/Restwärme und Wärme bekannt, wobei eine Kombination von mehreren Wärmetauschern vorgesehen ist, die sowohl sequentiell als auch parallel geschaltet werden können, um die Restwärme als Prozesswärme,
Heizungswärme etc. zusätzlich verwenden zu können.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung in einem Kraftfahrzeug sowie ein verbessertes Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 7 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung in einem Kraftfahrzeug umfasst einen Arbeitskreislauf mit einer Pumpe zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einem ersten Verdampfer und einem zweiten Verdampfer zur Verdampfung des
Arbeitsmediums und eine Expansionsmaschine zum Entspannen des verdampften Arbeitsmediums. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Ventil vorgesehen, mittels dessen der erste Verdampfer und der zweite Verdampfer im Betrieb der
Vorrichtung zwischen mindestens einer Verschaltung in Serie und einer
Parallelverschaltung umschaltbar sind.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren werden bei einem Kaltstart oder in einer
Schwachlastphase, in der beispielsweise der zweite Verdampfer heißer ist als der erste Verdampfer, die Verdampfer mittels des Ventils in Serie verschaltet, um so mit im zweiten Verdampfer verdampftem Arbeitsmedium den ersten Verdampfer vorzuwärmen, wobei die Verdampfer in einem Normalbetrieb mittels des Ventils parallel verschaltet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der erste Verdampfer in einem ersten Zweig des Arbeitskreislaufs und der zweite Verdampfer in einem zweiten Zweig des Arbeitskreislaufs angeordnet, die einander parallel geschaltet sind, wobei im ersten Zweig, beispielsweise zwischen dem ersten Verdampfer und der Expansionsmaschine, ein Rückschlagventil angeordnet ist, so dass das Arbeitsmedium nur vom ersten
Verdampfer in Richtung der Expansionsmaschine, nicht jedoch umgekehrt strömbar ist. Alternativ kann das Rückschlagventil natürlich auch im zweiten Zweig angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann auch im ersten Zweig und im zweiten Zweig ein solches Rückschlagventil sitzen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine Rückwärtskondensation von einem in den anderen Verdampfer vermieden oder stark abgeschwächt. Weiterhin kann ein Verdampfer mithilfe des anderen Verdampfers schneller aufgewärmt oder vorgewärmt werden, wodurch die Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung schneller einsatzbereit ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Abwärmerückgewinnung mit zwei Verdampfern und einem Ventil,
Fig. 2 eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung, wobei die zwei Verdampfer über das Ventil in Serie verschaltet sind,
Fig. 3 eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung, wobei die zwei Verdampfer über das Ventil parallel verschaltet sind,
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung mit zwei Verdampfern, einem Ventil und einem Bypass,
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Abwärmerückgewinnung mit zwei Verdampfern und einem Rückschlagventil,
Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Ventils zur assenstromverteilung über zwei
Verdampfer bei paralleler Verschaltung der Verdampfer,
Fig. 7 eine schematische Ansicht des Ventils bei serieller Verschaltung der
Verdampfer in einer ersten Reihenfolge, und
Fig. 8 eine schematische Ansicht des Ventils bei serieller Verschaltung der
Verdampfer in einer zweiten Reihenfolge.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bevorzugt weist die Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung einen in den Figuren 1 - 5 nicht dargestellten Kondensator auf, der in Stömungsrichtung nach der Expansionsmaschine 6 und vor der Pumpe 3 angeordnet ist. Das Arbeitsmedium wird in diesem Kondensator zurück in die flüssige Phase kondensiert, bevor es erneut der Pumpe 3 zugeführt wird.
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung, die einen Arbeitskreislauf 2 umfasst, wobei Wärme mittels eines thermodynamischen Kreislaufs, beispielsweise eines Clausius Rankine Cycle oder Organic Rankine Cycle, in kinetische Energie umgewandelt wird. Dabei wird im
Arbeitskreislauf 2 ein Arbeitsmedium durch eine Pumpe 3 zunächst auf eine höhere Drucklage verdichtet. Dann wird dem Arbeitsmedium in einem ersten Wärmetauscher oder ersten Verdampfer 4 und/oder in einem zweiten Wärmetauscher oder zweiten Verdampfer 5 Wärme zugeführt, um es zu verdampfen. Anschließend wird dieser unter hohem Druck stehende heiße Dampf über eine Expansionsmaschine 6 entspannt, wobei kinetische Energie über eine Welle abgegeben wird, welche dann zum Vortrieb eines Fahrzeugs beiträgt oder in elektrische Energie umgewandelt wird. Optional kann das Arbeitsmedium anschließend in einem Kondensator zurück in die flüssige Phase kondensiert werden, bevor es erneut der Pumpe 3 zugeführt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der erste Verdampfer 4 als ein Abgasnachbehandlungs-Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus einem nicht näher dargestellten
Abgasnachbehandlungssystem einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet, während der zweite Verdampfer 5 als ein Abgasrückführungs-Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus einem nicht näher dargestellten Abgasrückführungssystem ausgebildet ist.
Weiterhin ist ein Ventil 7 mit sechs Anschlüssen 7.1 bis 7.6 vorgesehen, mittels dessen der erste Verdampfer 4 und der zweite Verdampfer 5 in Serie oder parallel geschaltet werden können und mittels dessen eine Umschaltung von Serie auf parallel oder umgekehrt auch während des Betriebes möglich ist.
Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht der Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung, wobei der erste Verdampfer 4 und der zweite Verdampfer 5 über das Ventil 7 in Serie verschaltet sind. In diesem Zustand sind der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.2, der Anschluss 7.3 mit dem Anschluss 7.5 sowie der Anschluss 7.6 mit dem Anschluss 7.4 des Ventils 7 verbunden. Das Arbeitsmedium strömt somit aus der Pumpe 3 über das Ventil 7 durch den zweiten Verdampfer 5, erneut über das Ventil 7 durch den ersten Verdampfer 4 und abermals über das Ventil 7 durch die Expansionsmaschine 6, bevor es zur Pumpe 3 zurückströmt. Das Ventil 7 kann auch so ausgebildet sein, dass eine serielle Verschaltung der Verdampfer 4, 5 in umgekehrter Reihenfolge möglich ist. In diesem Fall wären beispielsweise der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.6, der Anschluss 7.3 mit dem Anschluss 7.5 sowie der Anschluss 7.2 mit dem Anschluss 7.4 des Ventils 7 verbunden. Das Arbeitsmedium strömt somit aus der Pumpe 3 über das Ventil 7 durch den zweiten Verdampfer 5, erneut über das Ventil 7 durch den ersten Verdampfer 4 und abermals über das Ventil 7 durch die Expansionsmaschine 6, bevor es zur Pumpe 3 zurückströmt. Ebenso könnte beispielsweise der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.5, der
Anschluss 7.6 mit dem Anschluss 7.2 sowie der Anschluss 7.3 mit dem Anschluss 7.4 des Ventils 7 verbunden sein, so dass beim Umschalten von der seriellen Verschaltung mit einer ersten Reihenfolge der Verdampfer 4, 5 auf eine andere serielle Verschaltung mit einer zweiten Reihenfolge der Verdampfer 4, 5 die Strömungsrichtung in den
Verdampfern 4, 5 beibehalten wird.
Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht der Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung, wobei der erste Verdampfer 4 und der zweite Verdampfer 5 über das Ventil 7 parallel verschaltet sind. In diesem Zustand sind der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.2 und dem Anschluss 7.6 sowie der Anschluss 7.3 mit dem Anschluss 7.4 und dem
Anschluss 7.5 des Ventils 7 verbunden. Das Arbeitsmedium strömt somit aus der
Pumpe 3 über das Ventil 7, ein Massenstrom des Arbeitsmediums verteilt sich auf den ersten Verdampfer 4 und den zweiten Verdampfer 5, strömt von dort erneut über das Ventil 7, wo sich die Massenströme aus beiden Verdampfern 4, 5 vereinigen und schließlich durch die Expansionsmaschine 6 fließen, bevor das Arbeitsmedium zur Pumpe 3 zurückströmt. Das Ventil 7 kann ein oder mehrere Drosseln enthalten, um die Massenströme gezielt auf die Verdampfer 4, 5 zu verteilen.
Die Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung ist insbesondere in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise in einem Nutzfahrzeug angeordnet.
Bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs sind üblicherweise alle Komponenten,
insbesondere auch der erste Verdampfer 4 und der zweite Verdampfer 5 noch kalt. Auch im Betrieb kann es dazu kommen, dass beispielsweise bei längeren Schwachlast-Phasen einer der Verdampfer 4, 5 oder auch beide Verdampfer 4, 5 auskühlen.
Wird das Kraftfahrzeug nach dem Start oder nach einer Schwachlast-Phase in einen Volllastmodus versetzt, beispielsweise bei einer Bergfahrt mit hoher Gesamtmasse des Kraftfahrzeugs, kann es vorkommen, dass die Verdampfer 4, 5 stark unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Beispielsweise könnte der im Abgasrückführungssystem liegende zweite Verdampfer 5 bereits heiß sein und das Arbeitsmedium im
Arbeitskreislauf 2 verdampfen, während der im Abgasnachbehandlungssystem liegende erste Verdampfer 4 noch kalt ist. Tritt eine ungleiche Temperaturverteilung bei den Verdampfern 4, 5 auf, kann es beispielsweise bei Parallelverschaltung dazu kommen, dass das Arbeitsmedium im heißen zweiten Verdampfer 5 verdampft und anschließend nicht durch die Expansionsmaschine 6 läuft, sondern in den kalten ersten Verdampfer 4 kondensiert. Im Extremfall kann dies dazu führen, dass das gesamte Arbeitsmedium in den kalten ersten Verdampfer 4 transportiert wird, dort in flüssiger Form vorliegt, und der Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung nicht mehr zur Verfügung steht.
Mittels des Ventils 7 kann die in Figur 3 gezeigte parallele Anordnung der Verdampfer 4, 5 vorübergehend in die in Figur 2 gezeigte serielle Anordnung verschaltet werden, um mit dem Dampf, welcher aus dem heißen zweiten Verdampfer 5 kommt, den kalten ersten Verdampfer 4 vorzuwärmen und damit eine Kondensation des Arbeitsmediums in den kalten ersten Verdampfer 4 zu verhindern oder zu reduzieren.
In bestimmten Betriebssituationen kann es vorkommen, dass der erste Verdampfer 4 heißer ist als der zweite Verdampfer 5. In diesem Fall, kann eine Umschaltung zu einer seriellen Verschaltung der Verdampfer 4, 5 in umgekehrter Reihenfolge vorgesehen sein, so dass mit dem Dampf, welcher aus dem heißen ersten Verdampfer 4 kommt, der kalte zweite Verdampfer 5 vorgewärmt und damit eine Kondensation des Arbeitsmediums in den kalten zweiten Verdampfer 5 verhindert oder reduziert wird.
Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung. Die Vorrichtung 1 entspricht der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Vorrichtung 1 , wobei zusätzlich ein Bypass 8 vorgesehen ist, mit dem die Expansionsmaschine 6 überbrückbar ist. Es ist bekannt, einen solchen Bypass 8 mittels eines Bypassventils situationsabhängig zu öffnen oder zu schließen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bypassventil in das Ventil 7 integriert. Hierfür ist ein weiterer Anschluss 7.7 am Ventil vorgesehen. Ebenso kann ein Bypassventil vorgesehen sein, das um die Funktionen des Ventils 7 erweitert ist.
In einer beispielhaften Ausgestaltungsform kann das Ventil 7 so ausgebildet sein, dass in einem Expanderbetrieb die Verdampfer 4, 5 parallel verschaltet sind, wenn der Bypass 8 geschlossen ist. Wenn der Bypass 8 offen ist, das heißt, wenn kein Expanderbetrieb vorliegt, sind die Verdampfer 4, 5 seriell verschaltet.
Figur 5 zeigt eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur Abwärmerückgewinnung, die einen Arbeitskreislauf 2 umfasst, wobei Wärme mittels eines thermodynamischen Kreislaufs, beispielsweise eines Clausius Rankine Cycle oder Organic Rankine Cycle, in kinetische Energie umgewandelt wird. Dabei wird im
Arbeitskreislauf 2 ein Arbeitsmedium durch eine Pumpe 3 zunächst auf eine höhere Drucklage verdichtet. Dann wird dem Arbeitsmedium in einem ersten Wärmetauscher oder ersten Verdampfer 4 und/oder in einem zweiten Wärmetauscher oder zweiten Verdampfer 5 Wärme zugeführt, um es zu verdampfen. Anschließend wird dieser unter hohem Druck stehende heiße Dampf über eine Expansionsmaschine 6 entspannt, wobei kinetische Energie über eine Welle abgegeben wird, welche dann zum Vortrieb des Fahrzeugs beiträgt oder in elektrische Energie umgewandelt wird. Optional kann das Arbeitsmedium anschließend in einem Kondensator zurück in die flüssige Phase kondensiert werden, bevor es erneut der Pumpe 3 zugeführt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der erste Verdampfer 4 als ein Abgasnachbehandlungs-Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus einem nicht näher dargestellten
Abgasnachbehandlungssystem einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet, während der zweite Verdampfer 5 als ein Abgasrückführungs- Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus einem nicht näher dargestellten Abgasrückführungssystem ausgebildet ist
Der erste Verdampfer 4 ist in einem ersten Zweig 2.1 des Arbeitskreislaufs 2 und der zweite Verdampfer 5 in einem zweiten Zweig 2.2 des Arbeitskreislaufs 2 angeordnet, die einander parallel geschaltet sind. Weiter ist im ersten Zweig 2.1 zwischen dem ersten Verdampfer 4 und der Expansionsmaschine 6 ein Rückschlagventil 9 vorgesehen, so dass das Arbeitsmedium nur vom ersten Verdampfer 4 in Richtung der
Expansionsmaschine 6, nicht jedoch umgekehrt strömen kann. Der heißere zweite Verdampfer 5 wird aufgrund des Angebots an heißem Abgas zuerst durchströmt. Der erste Verdampfer 4 ist noch kalt und wird nicht durchströmt. Die Kondensation des Gases aus dem heißen zweiten Verdampfer 5 in den kalten ersten Verdampfer 4 wird durch das Rückschlagventil 9 verhindert. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist das Rückschlagventil 9 im zweiten Zweig 2.2 angeordnet. In einer weiteren nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist sowohl im ersten Zweig 2.1 als auch im zweiten Zweig 2.2 ein solches Rückschlagventil angeordnet.
Figur 6 zeigt eine schematische Ansicht einer möglichen Ausführungsform des in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 3 verwendeten Ventils 7. Das Ventil 7 umfasst zwei Drosseln 10, 11 sowie vier Dreiwege-Ventile 12, 13, 14, 15. Das Dreiwege-Ventil 12 ist zur flexiblen Verschaltung der Anschlüsse 7.1 und 7.2 mit dem Dreiwege-Ventil 14 angeordnet. Das Dreiwege-Ventil 13 ist zur flexiblen Verschaltung der
Anschlüsse 7.3 und 7.4 mit dem Dreiwege-Ventil 15 angeordnet. Das Dreiwege-Ventil 14 ist zur flexiblen Verschaltung der Anschlüsse 7.4 und 7.5 mit dem Dreiwege-Ventil 12 angeordnet. Das Dreiwege-Ventil 15 ist zur flexiblen Verschaltung der Anschlüsse 7.1 und 7.6 mit dem Dreiwege-Ventil 13 angeordnet. Die Drossel 10 ist zur Drosselung des Massenstroms vom Anschluss 7.1 zum Dreiwege-Ventil 12 angeordnet. Die Drossel 1 1 ist zur Drosselung des Massenstroms vom Anschluss 7.1 zum Dreiwege-Ventil 15
angeordnet.
In Figur 6 sind die Verdampfer 4, 5 mittels des Ventils 7 parallel verschaltet. Das
Dreiwege-Ventil 12 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.2 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 13 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.3 mit dem Anschluss 7.4 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 14 ist so geschaltet, dass der
Anschluss 7.4 mit dem Anschluss 7.5 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 15 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.6 mit dem Anschluss 7.1 verbunden ist.
Figur 7 zeigt eine schematische Ansicht des Ventils 7 bei serieller Verschaltung der Verdampfer 4, 5 in einer ersten Reihenfolge, wobei zuerst der zweite Verdampfer 5 und dann der erste Verdampfer 4 durchströmt wird. Das Dreiwege-Ventil 12 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.2 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 13 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.3 mit dem Dreiwege-Ventil 15 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 14 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.4 mit dem Anschluss 7.5 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 15 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.6 mit dem Dreiwege-Ventil 13 verbunden ist.
Figur 8 zeigt eine schematische Ansicht des Ventils 7 bei serieller Verschaltung der Verdampfer 4, 5, in einer zweiten Reihenfolge, wobei zuerst der erste Verdampfer 4 und dann der zweite Verdampfer 5 durchströmt wird. Das Dreiwege-Ventil 12 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.2 mit dem Dreiwege-Ventil 14 verbunden ist. Das Dreiwege- Ventil 13 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.3 mit dem Anschluss 7.4 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 14 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.5 mit dem Dreiwege- Ventil 12 verbunden ist. Das Dreiwege-Ventil 15 ist so geschaltet, dass der Anschluss 7.1 mit dem Anschluss 7.6 verbunden ist.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann das Ventil 7 auch eine Mehrzahl von Vierwege-Ventilen umfassen. Bezugszeichenliste
Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung
Arbeitskreislauf
erster Zweig
zweiter Zweig
Pumpe
erster Verdampfer
zweiter Verdampfer
Expansionsmaschine
Ventil
Anschluss
Bypass
Rückschlagventil
Drossel
Dreiwege-Ventil

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen Arbeitskreislauf (2) mit einer Pumpe (3) zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einem ersten Verdampfer (4) und einem zweiten Verdampfer (5) zur Verdampfung des
Arbeitsmediums und einer Expansionsmaschine (6) zum Entspannen des verdampften Arbeitsmediums, wobei ein Ventil (7) vorgesehen ist, mittels dessen der erste Verdampfer (4) und der zweite Verdampfer (5) im Betrieb der Vorrichtung (1) zur
Abwärmerückgewinnung zwischen mindestens einer Verschaltung in Serie und einer Parallelverschaltung umschaltbar sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ventil (7) so ausgebildet ist, dass der erste Verdampfer (4) und der zweite
Verdampfer (5) zwischen einer Verschaltung in Serie in einer ersten Reihenfolge der Verdampfer (4, 5) und einer Verschaltung in Serie in einer zweiten Reihenfolge der Verdampfer (4, 5) umschaltbar sind.
2. Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Bypass (8) zur Überbrückung der Expansionsmaschine (6) vorgesehen ist, wobei ein Bypassventil zum Schalten des Bypasses (8) in das Ventil (7) integriert ist.
3. Vorrichtung (1 ) zur Abwärmerückgewinnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ventil (7) so ausgebildet ist, dass die Verdampfer (4, 5) parallel verschaltet sind, wenn der Bypass (8) geschlossen ist und dass die Verdampfer (4, 5) seriell verschaltet sind, wenn der Bypass (8) offen ist.
4. Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ventil (7) ein oder mehrere Drosseln (10, 11 ) zur gezielten Verteilung von
Massenströmen des Arbeitsmediums bei einer Parallelverschaltung enthält.
5. Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ventil (7) eine Mehrzahl von Dreiwege-Ventilen (12, 13, 14, 15) umfasst.
6. Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Verdampfer (4) als ein Abgasnachbehandlungs-Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus einem Abgasnachbehandlungssystem einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist und dass der zweite Verdampfer (5) als ein Abgasrückführungs- Verdampfer zur Gewinnung von Abwärme aus einem Abgasrückführungssystem ausgebildet ist.
7. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung (1) zur Abwärmerückgewinnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einem Kaltstart oder in einer Schwachlastphase die Verdampfer (4, 5) mittels des Ventils (7) in Se e verschaltet werden, um so mit im zweiten Verdampfer (5) verdampftem Arbeitsmedium den ersten Verdampfer (4) vorzuwärmen, wobei die Verdampfer (4, 5) in einem Normalbetrieb mittels des Ventils (7) parallel verschaltet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Betriebsfall, in dem der erste Verdampfer (4) heißer ist als der zweite
Verdampfer (5), die Verdampfer (4, 5) mittels des Ventils (7) seriell in umgekehrter Reihenfolge verschaltet werden, um so mit im ersten Verdampfer (4) verdampftem Arbeitsmedium den zweiten Verdampfer (5) vorzuwärmen.
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