WO2017081248A1 - Anordnung und verfahren zur rückgewinnung von energie aus der abwärme mindestens einer brennkraftmaschine - Google Patents

Anordnung und verfahren zur rückgewinnung von energie aus der abwärme mindestens einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2017081248A1
WO2017081248A1 PCT/EP2016/077427 EP2016077427W WO2017081248A1 WO 2017081248 A1 WO2017081248 A1 WO 2017081248A1 EP 2016077427 W EP2016077427 W EP 2016077427W WO 2017081248 A1 WO2017081248 A1 WO 2017081248A1
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internal combustion
combustion engine
evaporator
steam
coolant
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PCT/EP2016/077427
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Johannes Goebel
Andreas Gotter
Christoph LAUX
Matthias Neef
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Hochschule Düsseldorf
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    • 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
    • F02G5/04—Profiting from waste heat of exhaust gases in combination with other waste heat from combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
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    • 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 an arrangement for recovering energy from the waste heat of at least one internal combustion engine, comprising at least one coolant circuit comprising at least one delivery device for a coolant and at least one supply line and at least one derivative of the internal combustion engine, at least one evaporator, with the derivative of the internal combustion engine is connected, and at least one steam engine, which is connected to the evaporator.
  • the invention further relates to a method for recovering energy from the waste heat of at least one internal combustion engine, in which a coolant is supplied under pressure to the internal combustion engine in which it is heated by waste heat of the internal combustion engine and then fed to at least one evaporator, wherein the steam generated therein at least fed to a steam energy machine and is relaxed there.
  • DE 199 16 676 C1 discloses a cooling system for a liquid-cooled internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, with at least one coolant circuit in which the coolant circulates by means of a delivery device comprising two pumps with different volume flows between a reservoir and an internal combustion engine. Due to the difference in the delivery volumes, the pressure of the coolant in the supply line of the engine initially increases before it is lowered again by a pressure relief valve in a supply line of a reservoir and kept constant.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • Normal-cooled engines operate at a temperature level of 80-94 ° C because the lubricating oil cooler is integrated with the engine cooling system, making it necessary to operate in vacuum for evaporation based on coolant heat. Furthermore, the thermal stress on the components is kept low.
  • the object of the invention is achieved by an arrangement of the type mentioned above, wherein the evaporator comprises at least one heat exchanger and in the coolant circuit between the internal combustion engine and the evaporator at least one throttle device is arranged, and wherein the heat exchanger is connected to at least one exhaust pipe of the internal combustion engine.
  • the throttle device can be, for example, an expansion valve, in particular a regulated expansion valve or an uncontrolled throttle.
  • the boiling coolant is thus withdrawn from the evaporator by means of a suitable conveying device, for example a pump with a low NPSH value (low geodetic pre-pressure necessary to avoid cavitation), and brought to a higher pressure.
  • this pressure corresponds to the boiling pressure at the inlet temperature of the engine coolant desired by the manufacturer of the engine, plus the pressure losses occurring in the piping and in the engine as well as the pressure losses in the throttle device.
  • the pressure level of the evaporation which results from the inlet temperature of the engine coolant, when using normal-cooled engines in the vacuum range.
  • the pressure and temperature level of the coolant in the discharge of the engine, ie at the engine outlet, is then used for a so-called flash or flash evaporation, wherein the relaxation of the coolant by the throttle means causes a partial evaporation of the coolant.
  • the steam thus generated is then fed to the evaporator. Since the steam generation takes place by means of flash evaporation, no additional components, such as an additional heat exchanger, are required for the evaporation of the cooling liquid. In this way, the evaporator or the entire arrangement can be built compact in an advantageous manner, so that the overall expenditure on equipment is lower than in the systems known from the prior art. Because of the more compact design In addition, lower temperature losses occur, the temperature level in the evaporator is advantageously higher.
  • At least one superheater is connected, which is connected to the exhaust pipe of the internal combustion engine.
  • the generated or accumulated in the evaporator steam can thus be overheated advantageously by means of the exhaust heat from the engine before it is fed to the steam energy machine and there emits its energy.
  • the evaporator additionally comprises at least one recuperator, which is connected on the input side to the steam energy machine.
  • a further heat exchanger After relaxation in the steam energy machine can be performed by a further heat exchanger in addition a recuperation of the residual heat of the steam, since the steam temperature is still above the level of the evaporation temperature due to the low pressure gradient after relaxation.
  • the residual heat of the steam is advantageously utilized by a further heat exchanger (recuperator) in order to evaporate additional coolant and thus to further increase the efficiency of the arrangement according to the invention.
  • the evaporator preferably comprises both the steam tank and a heat exchanger and the recuperator. The three components mentioned can thus be united in one component of the arrangement according to the invention, so that the total cost of materials can be minimized as a whole.
  • the object is further achieved by a method of the type mentioned, in which the heated coolant between the internal combustion engine and the evaporator is expanded by means of at least one throttle device to a lower pressure level, so that evaporates a portion of the refrigerant and the steam in at least one steam tank of the Evaporator is passed, wherein a further part of the coolant is heated in at least one heat exchanger of the evaporator by exhaust gas of the internal combustion engine and thereby evaporated, and the steam generated in total is then fed to at least one steam energy machine and relaxed there.
  • the coolant heated by the engine waste heat is partially evaporated from the internal combustion engine by means of a so-called flash or flash evaporation.
  • the steam between the evaporator and the steam energy machine is overheated in at least one superheater by exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the generated or accumulated in the evaporator steam can thus be overheated advantageously by means of the exhaust heat from the engine before it is fed to the steam energy machine and there emits its energy.
  • the expanded steam from the steam energy machine is again supplied to the evaporator and there emits heat in still at least one recuperator to still liquid coolant, so that this partially evaporated.
  • the residual heat of the steam is thus used by a further heat exchanger (recuperator) in an advantageous manner to vaporize additional coolant and thus to further increase the efficiency of the inventive arrangement.
  • the cooled in the recuperator steam advantageously fed to at least one condenser, liquefied therein and then the Evaporator be fed back so that the coolant circuit is closed.
  • the coolant is water and that the pressure at which the water of the internal combustion engine is supplied, is adjusted by means of at least one delivery device such that the pressure after exiting the internal combustion engine is about 1 bar.
  • the boiling water by means of a suitable delivery device, such as a pump with low NPSH value (low geodetic pre-pressure needed to avoid cavitation), withdrawn from the steam tank and brought to a higher pressure.
  • NPSH value low geodetic pre-pressure needed to avoid cavitation
  • This pressure corresponds to the boiling pressure at which the manufacturer of the internal combustion engine desired inlet temperature of the coolant plus the costs incurred in the piping and the engine pressure losses and the pressure losses in the throttle device.
  • the pressure after exit of the cooling water from the internal combustion engine is then according to the invention about 1 bar.
  • the water is again on the pressure prevailing in the steam tank, for example, 0.65 bar at 88.00 ° C, relaxed. This part of the water evaporates.
  • the pressure level in the process of the invention is preferably in the vacuum range ( ⁇ 1, 000 bar), so that the waste heat from normal-cooled internal combustion engines, which are usually cooled with coolant temperatures below 95 ° C, can be used. The invention will be explained in more detail below with reference to the figures.
  • FIG. 2 shows a schematic detail view of a further embodiment of an arrangement according to the invention for carrying out an embodiment of the method according to the invention. Description of preferred and exemplary embodiments of the invention
  • FIG. 1 shows an embodiment of an inventive arrangement 1, which can be used to recover energy from the waste heat of any internal combustion engine 2, for example, an internal combustion engine (diesel or gasoline engine).
  • the arrangement 1 comprises an evaporator 3, in which a heat exchanger 4 and a recuperator 5 are integrated.
  • a coolant for the internal combustion engine 2 for example, water can be used.
  • the coolant or water is circulated by means of a suitable conveying device 6 in a coolant circuit 7. Boiling water is withdrawn by means of the conveyor 6 from the evaporator 3 and brought to a higher pressure.
  • This pressure corresponds to the boiling pressure at the desired by the manufacturer of the internal combustion engine inlet temperature of the coolant plus the costs incurred in the piping of the coolant circuit 7 and in the internal combustion engine 2 pressure losses and the pressure losses in a throttle device 8.
  • the conveyor 6 pumps the now liquid water via a supply line. 9 in the internal combustion engine 2, in which the heat generated there is discharged to the water.
  • the heated water is supplied to the associated evaporator 3.
  • the pressure after exit of the cooling water from the internal combustion engine 2 can then be for example about 1 bar (at about 92 ° C).
  • the heated water Before entering the evaporator 3, the heated water by means of the throttle device 8 back to the pressure prevailing in the evaporator 3, for example, 0.65 bar (at 88 ° C), relaxed. In the process, part of the water evaporates (flash or flash evaporation), the resulting vapor being passed into the evaporator.
  • the heat exchanger 4 of the evaporator 3 additional water is evaporated by means of the exhaust heat from the internal combustion engine 2.
  • the heat exchanger 4 connected to the exhaust pipe 1 1 of the internal combustion engine 2.
  • heat is transferred from the exhaust gas to the water, so that this partially evaporated and passed as additional steam in the evaporator.
  • the now gaseous water is passed from the evaporator in a superheater 12 and there, for example, about 540 ° C, heated.
  • the superheater 12 is also connected to the exhaust pipe 1 1 of the internal combustion engine 2, so that the heat of the exhaust gas can be optimally used.
  • the superheated steam is then fed to a steam energy machine 13, for example a single-stage steam turbine with a connected generator, where it is decompressed. With the help of the steam energy machine 13, energy can be recovered efficiently from the waste heat of the internal combustion engine 2.
  • the steam after the steam energy machine 13 still has enough energy to evaporate water.
  • the recuperator 5 which is in principle another heat exchanger, in which the residual heat from the steam of the steam energy machine 13 is transferred to located in the evaporator 3 water to produce additional water vapor.
  • the recuperator 5 is connected on the input side to the steam energy machine 13.
  • the recuperator 5 is connected to a condenser 14, which in turn is connected on the output side to the evaporator 3.
  • the now further cooled steam from the steam energy machine 13 is liquefied after exiting the recuperator 5 in the condenser 14 and can be promoted again as water by means of the feedwater pump 15 from the condenser 14 into the evaporator 3.
  • the evaporator 3 can be made very compact, since no heat exchanger is needed for the waste heat of the internal combustion engine 2 by the use of the throttle device 8. Furthermore, the temperature level can advantageously be increased since the heat transfer for the otherwise required heat exchanger is eliminated. The additional effort for the drive of the conveyor 6 leads to a solution without flash evaporation, although initially to a lower electrical efficiency. This can be compensated but with good adaptation due to the higher temperature levels. Overall, however, outweighs the advantage that the evaporator 3 can be built much shorter. The evaporator 3 can be built shorter, for example, depending on the desired pressure loss by about 1, 6 m, the heat transfer surface can be significantly reduced in an advantageous manner overall.
  • FIG. 2 shows an embodiment of an arrangement 21 according to the invention, which can be used to recover energy from the waste heat of an internal combustion engine 22, for example a conventional MAN gas CHP engine (type E0834E302).
  • the arrangement 21 comprises an evaporator 23, in which a heat exchanger 24, a recuperator 25 and a steam tank 36 are integrated.
  • a coolant for the internal combustion engine 22 for example, water can be used.
  • the coolant or water is in a coolant circuit by means of a suitable conveying device 26
  • Boiling water is withdrawn by means of the conveyor 26 from the steam tank 36 and brought to a higher pressure, the boiling pressure at the desired by the manufacturer of the internal combustion engine inlet temperature of the coolant plus the costs incurred in the piping of the coolant circuit 27 and in the internal combustion engine 22 pressure losses and the Pressure losses in a throttle device
  • the conveying device 26 pumps the now liquid water via a supply line 29 into the internal combustion engine 22, in which the heat produced there is released to the water. Via a discharge line 30, the heated water is fed to the associated evaporator 23.
  • the pressure after exit of the cooling water from the internal combustion engine 22 may then be, for example, about 0.8 bar (at about 92 ° C).
  • the heated water by means of the throttle device 28 back to the pressure prevailing in the vapor container 36, for example, 0.65 bar (at 88 ° C), relaxed. In this case, a part of the water evaporates (flash or flash evaporation), wherein the resulting vapor is passed into the steam tank 36.
  • the superheated steam is then passed via a steam line 40 in a steam energy machine 33, for example, a single-stage steam turbine with a connected generator, and relaxed there.
  • a steam energy machine 33 for example, a single-stage steam turbine with a connected generator, and relaxed there. With the help of the steam energy machine 33, energy can be efficiently recovered from the waste heat of the engine 22.
  • the water vapor from the steam energy machine 33 can be used to generate additional water vapor.
  • the recuperator 25 which is in principle another heat exchanger, in which the residual heat from the steam of the steam energy machine 33 to additional water, which is supplied to the recuperator 25 from the steam tank 36 through the water line 41, can be transmitted.
  • the thus generated additional steam is passed through the steam line 42 in the steam tank 36.
  • the recuperator 25 is also connected via an input line 43 to the steam energy machine 33 and via an output line 44 to a capacitor 34.
  • the condenser is in turn connected via a water line 45 to the vapor container 36.
  • the now further cooled steam from the steam energy machine 33 is liquefied after exiting the recuperator 25 in the condenser 34 and can be promoted as water again by means of the feedwater pump 35 from the condenser 34 into the vapor container 36 of the evaporator 23.
  • the process according to the invention can, for example, proceed in such a way that water is taken from the evaporator at the evaporation pressure of 0.65 bar and a temperature of 88.degree. The pressure is then increased by a pump so that the pressure losses in the internal combustion engine can be overcome. Thereafter, the water has a pressure of 1 bar and a temperature of 92 ° C.
  • the pressure is reduced again to the evaporation pressure, whereby a part of the water evaporates.
  • the evaporation pressure corresponds to a boiling temperature of 88 ° C, so that the inventive method is suitable for normal-cooled engines.
  • the water is superheated, passed through a turbine, heat is recuperated and the water in the condenser is condensed at a pressure of 0.124 bar.
  • useful energy accumulates at a temperature level of 50 ° C (eg for heating larger buildings).
  • the condensate is brought back to the evaporation pressure by a suitable pump and conveyed into the evaporator.
  • the pressure and temperature level can result from the operating data of the internal combustion engine.
  • the pressure is coupled in the steam cycle with the evaporation or condensation temperature.
  • the temperature level when heat is supplied to the steam cycle should be selected so that the waste heat from the engine cooling water can still be used for evaporation ( ⁇ 100 ° C, ie in the vacuum range).
  • the temperature level for heat removal from the steam cycle should be selected so that it can still be used as useful heat (eg for a heating system).
  • Hot-cooled motors can also be cooled with water at a temperature of 100 ° C. These engines have become very rare these days. Normal cooled engines are i.d.R. recooled with temperatures below 95 ° C, so that the engine does not fall under the pressure equipment directive, resulting in pressures below 1 bar absolute result.
  • inventive method can by means of the inventive arrangement with flash evaporator in comparison with the According to the state of the art, depending on the power of the motor, an additional 7.0 kW of energy can be extracted.
  • the required power of the conveyor must be increased by about 88 W, so that net can be decoupled in about the same electrical power as before. Due to the overall higher temperature and pressure level, however, heat can advantageously be decoupled at a level of 50/40 ° C.
  • the arrangement according to the invention can be designed, for example, with the key data given in Table 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme mindestens einer Brennkraftmaschine (2) bei dem ein Kühlmittel unter Druck der Brennkraftmaschine (2) zugeleitet wird, in der es durch Abwärme der Brennkraftmaschine (2) erhitzt und dann mindestens einem Verdampfer (3) zugeleitet wird, wobei das erhitzte Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine (2) und dem Verdampfer (3) mittels mindestens einer Drosseleinrichtung (8) auf ein niedrigeres Druckniveau entspannt wird, so dass ein Teil des Kühlmittels verdampft und der Dampf in den Verdampfer (3) geleitet wird, und wobei ein weiterer Teil des Kühlmittels in mindestens einem Wärmeübertrager (4) des Verdampfers (3) durch Abgas der Brennkraftmaschine (2) erhitzt wird und dadurch verdampft, und der insgesamt erzeugte Dampf dann mindestens einer Dampfenergiemaschine (13) zugeführt und dort entspannt wird.

Description

Anordnung und Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme mindestens einer Brennkraftmaschine Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme mindestens einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Kühlmittelkreislauf, der mindestens eine Fördervorrichtung für ein Kühlmittel sowie mindestens eine Zuleitung und mindestens eine Ableitung der Brennkraftmaschine umfasst, mindestens einem Verdampfer, der mit der Ableitung der Brennkraftmaschine verbunden ist, und mindestens einer Dampfkraftmaschine, die mit dem Verdampfer verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme mindestens einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Kühlmittel unter Druck der Brennkraftmaschine zugeleitet wird, in der es durch Abwärme der Brennkraftmaschine erhitzt und dann mindestens einem Verdampfer zugeleitet wird, wobei der darin erzeugte Dampf mindestens einer Dampfenergiemaschine zugeführt und dort entspannt wird.
Stand der Technik
Brennkraftmaschinen mit Abgaswärmenutzung sind heute vielfach Stand der Technik. In Kraftfahrzeugen wird beispielsweise die Kühlmittelwärme zum Heizen der Fahrzeugkabine genutzt. In Blockheizkraftwerken werden sowohl Abgaswärme als auch Kühlmittelwärme genutzt, um Gebäude oder Pflanzen zu beheizen. In einigen Verfahren wurde ferner die Abgaswärme genutzt, um diese über eine Turbine in mechanische oder elektrische Energie umzuwandeln. Bei dem sogenannten Turbo-Compound-Verfahren erfolgt beispielsweise eine direkte mechanische Einkopplung dieser so gewonnenen Energie aus dem Abgas. Nachteil all dieser Verfahren ist jedoch, dass ein Abgasgegendruck erzeugt wird, d. h. die Brennkraftmaschine muss als Hauptantrieb einen Teil der an der Abgasturbine erzeugten Arbeit selbst aufbringen, indem sie gegen den erhöhten Abgasgegendruck ausschiebt. Der verbleibende Gewinn an Arbeit und damit auch der Wirkungsgradzuwachs der Gesamtanlage bleiben hierdurch gering und sind in ungünstigen Fällen sogar negativ.
Aus der DE 10 2009 038 585 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von großen Otto- und Dieselmotoren, bekannt. Bei diesem Verfahren erfolgt eine Nutzung des Druckgefälles des Motorabgases und der Motor- und Schmiermittelkühlung unter Bildung von (Satt-)Dampf des Kühlmittels, wobei der Dampf mittels des durch Expansion in einer Gasturbine abgekühlten Abgases überhitzt und danach unter Abgabe von technischer Arbeit in einem Dampfkraftprozess expandiert und kondensiert wird. Die Kühlflüssigkeit wird dabei unter Druck durch die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine erhitzt und anschließend unter Absenkung des Druckes unter ihren Siededruck zumindest teilweise einem Dampferzeuger zugeführt, wobei in diesem Dampferzeuger ein Teil der Kühlflüssigkeit durch Flashverdampfung in Sattdampf umgewandelt wird. Der Dampf wird dann dem weiteren Dampfkraftprozess mit Überhitzer, Turbine und Kondensator zugeführt. Nach einer optionalen Vorwärmung des Kondensats in einem Rekuperator wird es wieder in den Kühlmittelkreislauf zurückgeleitet. Die DE 199 16 676 C1 offenbart ein Kühlsystem für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Kühlmittelkreislauf, in dem das Kühlmittel mittels einer Fördereinrichtung, welche zwei Pumpen umfasst, mit unterschiedlichen Volumenströmen zwischen einem Vorratsbehälter und einem Verbrennungsmotor zirkuliert. Aufgrund der Differenz der Fördervolumina steigt der Druck des Kühlmittels in der Zuführleitung des Motors zunächst an, bevor er durch ein Überdruckventil in einer Zuführleitung eines Vorratsbehälters wieder abgesenkt und konstant gehalten wird. Die an dem Überdruckventil erfolgende Entspannung des Kühlmittels auf den im Vorratsbehälter herrschenden Druck bewirkt die Verdampfung eines Teils des Kühlmittels, wobei dieser Kühlmitteldampf anschließend nach weiterer Erhitzung in einem Wärmetauscher in einer Turbine entspannt wird. Nach der Kondensation in einem Kondensator wird das flüssige Kühlmittel mittels einer Speisepumpe wieder in den Vorratsbehälter gepumpt. Viele bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur Stromgewinnung aus der Abwärme von Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise Blockheizkraftwerken, nutzen sogenannte ORC-Verfahren (ORC =„Organic Rankine Cycle"). Übliche ORC-Medien sind Pentan und lineare Siloxane. Bei der Verwendung von Pentan, ist beispielsweise ein Zwischenkreislauf zwischen Motor- und Abgasabwärme nötig. Bei den ORC-Prozessen ist die obere Prozesstemperatur durch die Beständigkeit des ORC-Mediums begrenzt, wodurch erhebliche Energieverluste bei der Wärmeübertragung im Abgasstrang unumgänglich sind. Daneben existieren Systeme zur Nutzung von Motorabwärme durch Clausius- Rankine-Prozesse unter Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium. Vorteilhaft sind hier die gute Verfügbarkeit und der geringe Preis des Arbeitsmediums. Ferner stellt Wasser keinen Gefahrstoff dar und die erforderliche Turbine kann einstufig gebaut werden. Der theoretische Wirkungsgrad von Clausius-Rankine-Prozessen kann bei Verwendung von gängigen Materialien und den damit möglichen Druck- und Temperaturniveaus bis zu 50% betragen, welcher aber von keinem der beschriebenen Rankine- Prozesse tatsächlich erreicht wird. Bei der Wärmeübertragung sollte idealerweise ein konstant geringes Temperaturgefälle vorherrschen, um den Energieverlust klein zu halten. Die diesbezüglich bekannten Systeme sind aber, aufgrund des Betriebs im Überdruckbereich und er damit einhergehenden hohen Verdampfungstemperatur, auf die Verwendung von heißgekühlten Motoren (Kühlmitteltemperaturen über 100 °C) beschränkt. Der Markt für diese Motoren ist sehr klein und somit ist der Einsatz dieser Systeme entsprechend eingeschränkt.
Aus der EP 0 636 779 B1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Energiegewinnung aus der Abwärme von flüssigkeitsgekühlten Wärmekraftmaschinen, wie beispielsweise großen Dieselmotoren, bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird aus einem Kessel entnommenes Kühlmittel (Wasser) von einer separaten Pumpe auf einen höheren Druck gebracht, bevor es den Verbrennungsmotor kühlt. Anschließend wird das Kühlmittel an einem Ventil, welches von einer Vorrichtung zur Überwachung des Drucks gesteuert wird, wieder entspannt und zurück in den Kessel geleitet. Da der Druck in diesem Kessel viel geringer ist als in den durch den Motor führenden Leitungen, wird ein Teil des Kühlmittels hier verdampft. Anschließend wird der Dampf in einem Überhitzer überhitzt, in einer Turbine entspannt und in einem Kondensator verflüssigt, bevor das Kondensat durch eine Speisepumpe wieder in den Kühlungskreislauf zurückgepumpt wird.
Normalgekühlte Motoren arbeiten auf einem Temperaturniveau von 80-94 °C, da der Schmierölkühler hier mit in die Motorkühlung integriert ist, wodurch ein Betrieb im Unterdruck für die Verdampfung anhand der Kühlmittelwärme unumgänglich ist. Des Weiteren wird die thermische Beanspruchung der Bauteile gering gehalten.
Für normalgekühlte Motoren bietet sich das aus der DE 10 2010 004 079 A1 bekannte Verfahren an, bei dem die Abwärme einer Hubkolbenmaschine durch einen nachgeschalteten Clausius-Rankine-Prozess genutzt wird. Dabei wird die Kühlmittelwärme ebenso zum Betrieb des Claudius-Rankine-Prozesses genutzt wie die Abgaswärme. Der erste Teil des Verfahrens umfasst die Verdampfung des Arbeitsmediums mit Hilfe der Kühlmittelwärme. Die Temperatur des Kühlwassers liegt dabei in einem Temperaturbereich von ca. 80 bis 140°C. Der zweite Teilprozess umfasst eine Überhitzung des so erzeugten gasförmigen Kühlmittels durch die Abgaswärme der Hubkolbenmaschine. Der überhitzte Dampf wird dann in einer Turbine mit angeschlossenem Generator entspannt. Nach der Entspannung in der Turbine erfolgt noch eine Rekuperation der Restwärme des Dampfes, da durch das niedrige Druckgefälle nach der Entspannung immer noch eine hohe Dampftemperatur vorliegt, die über dem Niveau der Verdampfungstemperatur liegt. Diese Wärme wird durch einen weiteren Wärmetauscher erneut rekuperiert, indem mittels des Heißdampfes zusätzliches Kühlmittel verdampft und gegebenenfalls überhitzt wird. Beschreibung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kompaktere Anordnung und ein effizienteres Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme mindestens einer Brennkraftmaschine zu schaffen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung der eingangs genannten Art gelöst, wobei der Verdampfer mindestens einen Wärmeübertrager umfasst und in dem Kühlmittelkreislauf zwischen der Brennkraftmaschine und dem Verdampfer mindestens eine Drosseleinrichtung angeordnet ist, und wobei der Wärmeübertrager mit mindestens einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine verbunden ist. Mit Hilfe der zwischen der Brennkraftmaschine (Motor) und dem Verdampfer angeordneten Drosseleinrichtung kann das im Motor erhitzte Kühlmittel wieder auf den im Verdampfer herrschenden Druck (= Siededruck bei geforderter Eintrittstemperatur des Motorkühlmittels) entspannt werden, so dass ein Teil des Kühlmittels verdampft. Bei der Drosseleinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Expansionsventil handeln, insbesondere um ein geregeltes Expansionsventil oder eine ungeregelte Drossel. Das siedende Kühlmittel wird also aus dem Verdampfer mittels einer geeigneten Fördervorrichtung, beispielsweise einer Pumpe mit niedrigem NPSH-Wert (geringer geodätischer Vordruck nötig, um Kavitation zu vermeiden), abgezogen und auf einen höheren Druck gebracht. Dieser Druck entspricht erfindungsgemäß dem Siededruck, bei der vom Hersteller des Motors gewünschten Eintrittstemperatur des Motorkühlmittels, zuzüglich der in der Verrohrung und im Motor anfallenden Druckverluste sowie der Druckverluste in der Drosseleinrichtung. Erfindungsgemäß liegt das Druckniveau der Verdampfung, das sich aus der Eintrittstemperatur des Motorkühlmittels ergibt, bei Verwendung normalgekühlter Motoren im Unterdruckbereich. Das Druck- und Temperaturniveau des Kühlmittels in der Ableitung des Motors, d. h. am Motoraustritt, wird dann für eine sogenannte Flash- bzw. Entspannungsverdampfung genutzt, wobei die Entspannung des Kühlmittels durch die Drosseleinrichtung ein teilweises Verdampfen des Kühlmittels bewirkt. Der so erzeugte Dampf wird dann dem Verdampfer zugeführt. Da die Dampferzeugung mittels Entspannungsverdampfung erfolgt, werden für das Verdampfen der Kühlflüssigkeit keine zusätzlichen Bauteile, wie beispielsweise ein zusätzlicher Wärmeübertrager, benötigt. Hierdurch kann der Verdampfer bzw. die gesamte Anordnung in vorteilhafter Weise kompakter gebaut werden, so dass der apparative Aufwand insgesamt geringer ist als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen. Da durch die kompaktere Bauweise darüber hinaus geringere Temperaturverluste auftreten, ist das Temperaturniveau im Verdampfer vorteilhafterweise höher.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen den Verdampfer und die Dampfenergiemaschine mindestens ein Überhitzer geschaltet ist, welcher mit der Abgasleitung der Brennkraftmaschine verbunden ist. Der im Verdampfer erzeugte bzw. angesammelte Dampf kann also in vorteilhafter Weise mittels der Abgaswärme aus der Brennkraftmaschine überhitzt werden, bevor er der Dampfenergiemaschine zugeleitet wird und dort seine Energie abgibt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verdampfer zusätzlich mindestens einen Rekuperator umfasst, der eingangsseitig mit der Dampfenergiemaschine verbunden ist. Nach der Entspannung in der Dampfenergiemaschine kann durch einen weiteren Wärmeübertrager zusätzlich eine Rekuperation der Restwärme des Dampfes durchgeführt werden, da die Dampftemperatur aufgrund des geringen Druckgefälles nach der Entspannung immer noch über dem Niveau der Verdampfungstemperatur liegt. Die Restwärme des Dampfes wird durch einen weiteren Wärmeübertrager (Rekuperator) in vorteilhafter Weise genutzt, um zusätzliches Kühlmittel zu verdampfen und somit den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anordnung weiter zu erhöhen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass der Verdampfer vorzugsweise sowohl den Dampfbehälter und einen Wärmeübertrager als auch den Rekuperator umfasst. Die drei genannten Komponenten können also in einem Bauteil der erfindungsgemäßen Anordnung vereint sein, so dass der Materialaufwand insgesamt möglichst gering gehalten werden kann.
Wenn der Rekuperator ausgangsseitig mit mindestens einem Kondensator verbunden ist und der Kondensator ausgangsseitig mit dem Verdampfer verbunden ist, kann der nach der Rekuperation verbleibende Dampf in vorteilhafter Weise kondensiert und das flüssige Kühlmittel (= Kondensat) wieder in den Verdampfer zurückgeführt werden, um den Kühlmittelkreislauf zu schließen. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das erhitzte Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine und dem Verdampfer mittels mindestens einer Drosseleinrichtung auf ein niedrigeres Druckniveau entspannt wird, so dass ein Teil des Kühlmittels verdampft und der Dampf in mindestens einen Dampfbehälter des Verdampfers geleitet wird, wobei ein weiterer Teil des Kühlmittels in mindestens einem Wärmeübertrager des Verdampfers durch Abgas der Brennkraftmaschine erhitzt wird und dadurch verdampft, und der insgesamt erzeugte Dampf dann mindestens einer Dampfenergiemaschine zugeführt und dort entspannt wird. Erfindungsgemäß wird das durch die Motorabwärme erhitzte Kühlmittel aus der Brennkraftmaschine mittels einer sogenannten Flash- bzw. Entspannungsverdampfung teilweise verdampft. Dabei wird das unter Druck in die Brennkraftmaschine geleitete Kühlmittel vor dem Eintritt in den Verdampfer durch die Drosseleinrichtung wieder auf den im Dampfbehälter herrschenden Druck (= Siededruck bei geforderter Eintrittstemperatur des Kühlmittels) entspannt, wobei ein Teil des Kühlmittels verdampft.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass der Dampf zwischen dem Verdampfer und der Dampfenergiemaschine in mindestens einem Überhitzer durch Abgas der Brennkraftmaschine überhitzt wird. Der im Verdampfer erzeugte bzw. angesammelte Dampf kann also in vorteilhafter Weise mittels der Abgaswärme aus der Brennkraftmaschine überhitzt werden, bevor er der Dampfenergiemaschine zugeleitet wird und dort seine Energie abgibt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der entspannte Dampf aus der Dampfenergiemaschine erneut dem Verdampfer zugeführt wird und dort in mindestens einem Rekuperator Wärme an noch flüssiges Kühlmittel abgibt, so dass dieses teilweise verdampft. Die Restwärme des Dampfes wird also durch einen weiteren Wärmeübertrager (Rekuperator) in vorteilhafter Weise genutzt, um zusätzliches Kühlmittel zu verdampfen und somit den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anordnung weiter zu erhöhen. Danach kann der in dem Rekuperator abgekühlte Dampf in vorteilhafter Weise mindestens einem Kondensator zugeleitet, darin verflüssigt und dann dem Verdampfer wieder zugeführt werden, so dass der Kühlmittelkreislauf geschlossen ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass das Kühlmittel Wasser ist und dass der Druck, unter dem das Wasser der Brennkraftmaschine zugeleitet wird, mittels mindestens einer Fördervorrichtung derart eingestellt wird, dass der Druck nach Austritt aus der Brennkraftmaschine ungefähr 1 bar beträgt. Dabei wird das siedende Wasser mittels einer geeigneten Fördervorrichtung, beispielsweise einer Pumpe mit niedrigem NPSH-Wert (geringer geodätischer Vordruck nötig, um Kavitation zu vermeiden), aus dem Dampfbehälter abgezogen und auf einen höheren Druck gebracht. Dieser Druck entspricht dem Siededruck, bei der vom Hersteller der Brennkraftmaschine gewünschten Eintrittstemperatur des Kühlmittels zuzüglich der in der Verrohrung und im Motor anfallenden Druckverluste sowie der Druckverluste in der Drosseleinrichtung. Der Druck nach Austritt des Kühlwassers aus der Brennkraftmaschine beträgt dann erfindungsgemäß ungefähr 1 bar. Durch die Drosseleinrichtung wird das Wasser wieder auf den im Dampfbehälter herrschenden Druck, beispielsweise 0,65 bar bei 88,00 °C, entspannt. Dabei verdampft ein Teil des Wassers. Das Druckniveau liegt beim erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise im Unterdruck-Bereich (< 1 ,000 bar), so dass auch die Abwärme aus normalgekühlten Brennkraftmaschinen, die üblicherweise mit Kühlmitteltemperaturen unter 95 °C gekühlt werden, genutzt werden kann. Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Abbildungen beispielhaft näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Abbildungen Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens (G = Generator, M = Motor). Figur 2 zeigt eine schematische Detailansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Beschreibung bevorzugter und beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 , die zur Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme einer beliebigen Brennkraftmaschine 2, beispielsweise eines Verbrennungsmotors (Diesel- oder Ottomotor), verwendet werden kann. Die Anordnung 1 umfasst einen Verdampfer 3, in den ein Wärmeübertrager 4 und ein Rekuperator 5 integriert sind. Als Kühlmittel für die Brennkraftmaschine 2 kann beispielsweise Wasser verwendet werden. Das Kühlmittel bzw. Wasser wird mittels einer geeigneten Fördervorrichtung 6 in einem Kühlmittelkreislauf 7 umgewälzt. Siedendes Wasser wird dabei mittels der Fördervorrichtung 6 aus dem Verdampfer 3 abgezogen und auf einen höheren Druck gebracht. Dieser Druck entspricht dem Siededruck bei der vom Hersteller der Brennkraftmaschine gewünschten Eintrittstemperatur des Kühlmittels zuzüglich der in der Verrohrung des Kühlmittelkreislaufs 7 und in der Brennkraftmaschine 2 anfallenden Druckverluste sowie der Druckverluste in einer Drosseleinrichtung 8. Die Fördervorrichtung 6 pumpt das nun flüssige Wasser über eine Zuleitung 9 in die Brennkraftmaschine 2, in der die dort entstehende Wärme an das Wasser abgegeben wird. Über eine Ableitung 10 wird das erwärmte Wasser dem damit verbundenen Verdampfer 3 zugeleitet. Der Druck nach Austritt des Kühlwassers aus der Brennkraftmaschine 2 kann dann beispielsweise ungefähr 1 bar (bei ca. 92 °C) betragen. Vor dem Eintritt in den Verdampfer 3 wird das erwärmte Wasser mittels der Drosseleinrichtung 8 wieder auf den im Verdampfer 3 herrschenden Druck, beispielsweise 0,65 bar (bei 88 °C), entspannt. Dabei verdampft ein Teil des Wassers (Flash- bzw. Entspannungsverdampfung), wobei der entstandene Dampf in den Verdampfer geleitet wird.
Im Wärmeübertrager 4 des Verdampfers 3 wird mittels der Abgaswärme aus der Brennkraftmaschine 2 zusätzliches Wasser verdampft. Zu diesem Zweck ist der Wärmeübertrager 4 mit der Abgasleitung 1 1 der Brennkraftmaschine 2 verbunden. Im Wärmeübertrager 4 wird Wärme vom Abgas auf das Wasser übertragen, so dass dieses teilweise verdampft und als zusätzlicher Dampf in den Verdampfer geleitet wird. Das nun gasförmige Wasser wird aus dem Verdampfer in einen Überhitzer 12 geleitet und dort, auf beispielsweise etwa 540 °C, erhitzt. Zu diesem Zweck ist der Überhitzer 12 ebenfalls mit der Abgasleitung 1 1 der Brennkraftmaschine 2 verbunden, so dass die Wärme des Abgases optimal genutzt werden kann. Der überhitzte Dampf wird dann einer Dampfenergiemaschine 13, beispielsweise einer einstufigen Dampfturbine mit angeschlossenem Generator, zugeleitet und dort entspannt. Mit Hilfe der Dampfenergiemaschine 13 kann Energie effizient aus der Abwärme der Brennkraftmaschine 2 zurückgewonnen werden.
Der Wasserdampf nach der Dampfenergiemaschine 13 hat noch immer genug Energie, um Wasser zu verdampfen. Dies erfolgt mittels des Rekuperators 5, der im Prinzip ein weiterer Wärmeübertrager ist, in dem die Restwärme aus dem Wasserdampf der Dampfenergiemaschine 13 auf im Verdampfer 3 befindliches Wasser übertragen wird, um zusätzlichen Wasserdampf zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist der Rekuperator 5 eingangsseitig mit der Dampfenergiemaschine 13 verbunden. Ausgangsseitig ist der Rekuperator 5 mit einem Kondensator 14 verbunden, der wiederum ausgangsseitig mit dem Verdampfer 3 verbunden ist. Der nun weiter abgekühlte Dampf aus der Dampfenergiemaschine 13 wird nach Austritt aus dem Rekuperator 5 in dem Kondensator 14 verflüssigt und kann so wieder als Wasser mittels der Speisewasserpumpe 15 vom Kondensator 14 in den Verdampfer 3 gefördert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung 1 kann der Verdampfer 3 sehr kompakt gebaut werden, da für die Abwärme der Brennkraftmaschine 2 durch die Verwendung der Drosseleinrichtung 8 kein Wärmeübertrager benötigt wird. Des Weiteren kann in vorteilhafter Weise das Temperaturniveau gesteigert werden, da der Wärmeübergang für den sonst erforderlichen Wärmeübertrager wegfällt. Der zusätzliche Aufwand für den Antrieb der Fördervorrichtung 6 führt gegenüber einer Lösung ohne Flash-Verdampfung zwar zunächst zu einem geringeren elektrischen Wirkungsgrad. Dieser kann bei guter Anpassung auf Grund des höheren Temperaturniveaus aber ausgeglichen werden. Insgesamt überwiegt aber der Vorteil, dass der Verdampfer 3 wesentlich kürzer gebaut werden kann. Der Verdampfer 3 kann beispielsweise je nach angestrebtem Druckverlust um etwa 1 ,6 m kürzer gebaut werden, wobei die Wärmeübertragungsfläche in vorteilhafter Weise insgesamt wesentlich verkleinert werden kann.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 21 , die zur Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme einer Brennkraftmaschine 22, beispielsweise eines gängigen Gas-BHKW-Motors von MAN (Typ E0834E302), eingesetzt werden kann. Die Anordnung 21 umfasst einen Verdampfer 23, in den ein Wärmeübertrager 24, ein Rekuperator 25 und ein Dampfbehälter 36 integriert sind. Als Kühlmittel für die Brennkraftmaschine 22 kann beispielsweise Wasser verwendet werden. Das Kühlmittel bzw. Wasser wird mittels einer geeigneten Fördervorrichtung 26 in einem Kühlmittelkreislauf
27 umgewälzt. Siedendes Wasser wird dabei mittels der Fördervorrichtung 26 aus dem Dampfbehälter 36 abgezogen und auf einen höheren Druck gebracht, der dem Siededruck bei der vom Hersteller der Brennkraftmaschine gewünschten Eintrittstemperatur des Kühlmittels zuzüglich der in der Verrohrung des Kühlmittelkreislaufs 27 und in der Brennkraftmaschine 22 anfallenden Druckverluste sowie der Druckverluste in einer Drosseleinrichtung
28 entspricht. Die Fördervorrichtung 26 pumpt das nun flüssige Wasser über eine Zuleitung 29 in die Brennkraftmaschine 22, in der die dort entstehende Wärme an das Wasser abgegeben wird. Über eine Ableitung 30 wird das erwärmte Wasser dem damit verbundenen Verdampfer 23 zugeleitet. Der Druck nach Austritt des Kühlwassers aus der Brennkraftmaschine 22 kann dann beispielsweise ungefähr 0,8 bar (bei ca. 92 °C) betragen. Vor dem Eintritt in den Verdampfer 23 wird das erwärmte Wasser mittels der Drosseleinrichtung 28 wieder auf den im Dampfbehälter 36 herrschenden Druck, beispielsweise 0,65 bar (bei 88 °C), entspannt. Dabei verdampft ein Teil des Wassers (Flash- bzw. Entspannungsverdampfung), wobei der entstandene Dampf in den Dampfbehälter 36 geleitet wird. Aus dem Dampfbehälter 36 wird zusätzliches Wasser durch eine Wasserleitung 37 in den Wärmeübertrager 24 geleitet, in dem mittels der Abgaswärme aus der Brennkraftmaschine 22 zusätzliches Wasser verdampft wird. Zu diesem Zweck ist der Wärmeübertrager 24 mit der Abgasleitung 31 der Brennkraftmaschine 22 verbunden. Im Wärmeübertrager 24 wird Wärme vom Abgas auf das Wasser übertragen, so dass dieses teilweise verdampft und als zusätzlicher Dampf durch eine Dampfleitung 38 in den Dampfbehälter 36 geleitet wird. Das nun gasförmige Wasser wird aus dem Dampfbehälter 36 durch eine Dampfleitung 39 in einen Überhitzer 32 geleitet und dort, auf beispielsweise etwa 540 °C, erhitzt. Zu diesem Zweck ist der Überhitzer 32 ebenfalls mit der Abgasleitung 31 der Brennkraftmaschine 22 verbunden, so dass die Wärme des Abgases optimal genutzt werden kann. Der überhitzte Dampf wird dann über eine Dampfleitung 40 in eine Dampfenergiemaschine 33, beispielsweise eine einstufigen Dampfturbine mit angeschlossenem Generator, geleitet und dort entspannt. Mit Hilfe der Dampfenergiemaschine 33 kann Energie effizient aus der Abwärme der Brennkraftmaschine 22 zurückgewonnen werden.
Da der Wasserdampf aus der Dampfenergiemaschine 33 noch genug Energie hat, um Wasser zu verdampfen, kann dieser zur Erzeugung von zusätzlichem Wasserdampf genutzt werden. Dies erfolgt mittels des Rekuperators 25, der im Prinzip ein weiterer Wärmeübertrager ist, in dem die Restwärme aus dem Wasserdampf der Dampfenergiemaschine 33 auf zusätzliches Wasser, das dem Rekuperator 25 aus dem Dampfbehälter 36 durch die Wasserleitung 41 zugeführt wird, übertragen werden kann. Der so erzeugte zusätzliche Dampf wird durch die Dampfleitung 42 in den Dampfbehälter 36 geleitet. Der Rekuperator 25 ist darüber hinaus über eine Eingangsleitung 43 mit der Dampfenergiemaschine 33 und über eine Ausgangsleitung 44 mit einem Kondensator 34 verbunden. Der Kondensator ist wiederum über eine Wasserleitung 45 mit dem Dampfbehälter 36 verbunden. Der nun weiter abgekühlte Dampf aus der Dampfenergiemaschine 33 wird nach Austritt aus dem Rekuperator 25 in dem Kondensator 34 verflüssigt und kann so als Wasser wieder mittels der Speisewasserpumpe 35 vom Kondensator 34 in den Dampfbehälter 36 des Verdampfers 23 gefördert werden. Zusammengefasst kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise derart ablaufen, dass dem Verdampfer Wasser bei dem Verdampfungsdruck von 0,65 bar und einer Temperatur von 88 °C entnommen wird. Der Druck wird dann durch eine Pumpe derart erhöht, dass die Druckverluste in der Brennkraftmaschine überwunden werden können. Danach hat das Wasser einen Druck von 1 bar und eine Temperatur von 92 °C. Durch die Drosseleinrichtung wird der Druck wieder auf den Verdampfungsdruck abgebaut, wobei ein Teil des Wassers verdampft. Dem Verdampfungsdruck entspricht eine Siedetemperatur von 88 °C, so dass das erfindungsgemäße Verfahren für normalgekühlte Motoren geeignet ist. Anschließend wird das Wasser überhitzt, durch eine Turbine geleitet, Wärme wird rekuperiert und das Wasser im Kondensator bei einem Druck von 0,124 bar kondensiert. Dabei fällt Nutzenergie auf einem Temperaturniveau von 50 °C an, (z. B. zur Beheizung größerer Gebäude). Das Kondensat wird durch eine geeignete Pumpe wieder auf den Verdampfungsdruck gebracht und in den Verdampfer gefördert.
Das Druck- und Temperaturniveau kann sich dabei aus den Betriebsdaten der Brennkraftmaschine ergeben. Der Druck ist im Wasserdampfkreislauf mit der Verdampfungs- bzw. Kondensationstemperatur gekoppelt. Das Temperaturniveau bei Wärmezufuhr in den Dampfkreislauf sollte so gewählt werden, dass die Abwärme des Motorkühlwassers noch zur Verdampfung genutzt werden kann (< 100 °C, d. h. im Unterdruck-Bereich). Das Temperaturniveau bei Wärmeabfuhr aus dem Dampfkreislauf sollte so gewählt werden, dass diese noch als Nutzwärme (z. B. für eine Heizung) verwendet werden kann.
Heißgekühlte Motoren können auch mit Wasser mit einer Temperatur 100 °C gekühlt werden. Diese Motoren sind heutzutage aber sehr selten geworden. Normalgekühlte Motoren sind i.d.R. mit Temperaturen unter 95° C rückgekühlt, auch damit der Motor nicht unter die Druckgeräterichtlinie fällt, woraus Drücke unter 1 bar absolut resultieren.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können mittels der erfindungsgemäßen Anordnung mit Flash-Verdampfer im Vergleich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren abhängig von der Leistung des Motors zusätzlich 7,0 kW Energie ausgekoppelt werden. Die erforderliche Leistung der Fördervorrichtung muss um ca. 88 W gesteigert werden, damit Netto in etwa dieselbe elektrische Leistung wie zuvor ausgekoppelt werden kann. Durch das insgesamt höhere Temperatur- und Druckniveau kann allerdings in vorteilhafter Weise Wärme auf einem Niveau von 50/40 °C ausgekoppelt werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann beispielsweise mit den in Tabelle 1 angegebenen Eckdaten ausgelegt werden.
Tabelle 1 :
Ausführung des Wärmeübertragers für Flashverdampfung (n=Anzahl an Rohre, d=lnnendurchmesser, dp=Druckverlust, l=Länge, A=Fläche, y=Windungszahl Drallblech) n d Dp 1 A
Abgas 15 26 5,2 2,1 2,6
Rekuperator y= < 3 20 44 12,2 2,1 5,7

Claims

Patentansprüche
Anordnung (1 , 21 ) zur Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme mindestens einer Brennkraftmaschine (2, 22), mit mindestens einem Kühlmittelkreislauf (7, 27), der mindestens eine Fördervorrichtung (6, 26) für ein Kühlmittel sowie mindestens eine Zuleitung (9, 29) und mindestens eine Ableitung (10, 30) der Brenn kraftmasch ine (2, 22) umfasst, mindestens einem Verdampfer (3, 23), der mindestens einen
Wärmeübertrager (4, 24) umfasst und mit der Ableitung (10, 30) der Brennkraftmaschine (2, 22) verbunden ist, wobei in dem
Kühlmittelkreislauf (7, 27) zwischen der Brennkraftmaschine (2, 22) und dem Verdampfer (3, 23) mindestens eine Drosseleinrichtung (8, 28) angeordnet ist, und wobei der Wärmeübertrager (4, 24) mit mindestens einer Abgasleitung (1 1 , 31 ) der Brennkraftmaschine (2, 22) verbunden ist, und mindestens einer Dampfenergiemaschine (13, 33), die mit dem Verdampfer (3, 23) verbunden ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verdampfer (3, 23) und die Dampfenergiemaschine (13, 33) mindestens ein Überhitzer (12, 32) geschaltet ist, welcher mit der Abgasleitung (1 1 , 31 ) der Brennkraftmaschine (2, 22) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
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Verdampfer (3, 23) zusätzlich mindestens einen Rekuperator (5, 25)
umfasst, der eingangsseitig mit der Dampfenergiemaschine (13, 33) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (5, 25) ausgangsseitig mit mindestens einem Kondensator (14, 34) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (14, 34) ausgangsseitig mit dem Verdampfer (3, 23) verbunden ist.
6. Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme mindestens einer Brennkraftmaschine (2, 22), bei dem ein Kühlmittel unter Druck der Brennkraftmaschine (2, 22) zugeleitet wird, in der es durch Abwärme der Brennkraftmaschine (2, 22) erhitzt und dann mindestens einem
Verdampfer (3, 23) zugeleitet wird, wobei das erhitzte Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine (2, 22) und dem Verdampfer (3, 23) mittels mindestens einer Drosseleinrichtung (8, 28) auf ein niedrigeres
Druckniveau entspannt wird, so dass ein Teil des Kühlmittels verdampft und der Dampf in den Verdampfer (3, 23) geleitet wird, und wobei ein weiterer Teil des Kühlmittels in mindestens einem Wärmeübertrager (4, 24) des Verdampfers (3, 23) durch Abgas der Brennkraftmaschine (2, 22) erhitzt wird und dadurch verdampft, und der insgesamt erzeugte Dampf dann mindestens einer Dampfenergiemaschine (13, 33) zugeführt und dort entspannt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf zwischen dem Verdampfer (3, 23) und der Dampfenergiemaschine (13, 33) in mindestens einem Überhitzer durch Abgas der Brennkraftmaschine (2, 22) überhitzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der entspannte Dampf aus der Dampfenergiemaschine (13, 33) erneut dem Verdampfer (3, 23) zugeführt wird und dort in mindestens einem
Rekuperator (5, 25) Wärme an noch flüssiges Kühlmittel abgibt, so dass dieses teilweise verdampft.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Rekuperator (5, 25) abgekühlte Dampf mindestens einem Kondensator (14, 34) zugeleitet, darin verflüssigt und dann dem Verdampfer (3, 23) wieder zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel Wasser ist und dass der Druck, unter dem das Wasser der Brennkraftmaschine (2, 22) zugeleitet wird, mittels mindestens einer Fördervorrichtung (6, 26) derart eingestellt wird, dass der Druck nach Austritt aus der Brennkraftmaschine (2, 22) ungefähr 1 bar beträgt.
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