WO2017144274A1 - Abwärmerückgewinnungssystem einer brennkraftmaschine - Google Patents

Abwärmerückgewinnungssystem einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2017144274A1
WO2017144274A1 PCT/EP2017/052728 EP2017052728W WO2017144274A1 WO 2017144274 A1 WO2017144274 A1 WO 2017144274A1 EP 2017052728 W EP2017052728 W EP 2017052728W WO 2017144274 A1 WO2017144274 A1 WO 2017144274A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
molecular sieve
recovery system
heat recovery
working fluid
waste heat
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/052728
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Achim Brenk
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2017144274A1 publication Critical patent/WO2017144274A1/de

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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a waste heat recovery system
  • Expander Expander, a condenser, a fluid pump and a
  • Such a waste heat recovery system is known from WO 2012/076132 AI. This waste heat recovery system is for one
  • Internal combustion engine designed and has a working fluid circuit having at least one example, in an exhaust pipe of the internal combustion engine switched heat exchanger. Furthermore, the
  • Degassing device designed as a diaphragm valve. The construction of the
  • Diaphragm valve is not specified.
  • the invention has for its object to provide a waste heat recovery system, which is improved in terms of degassing of the working fluid.
  • the degassing device has a zeolitic and regenerable molecular sieve.
  • the lattice structure of this molecular sieve is adjusted to match the molecular size of the molecular sieve is adapted to separating media.
  • Such a molecular sieve can be adjusted so that different media according to their molecular size can either easily diffuse through the lattice structure or be adsorbed by this. This property is exploited here by the molecular sieve is adjusted so that air through the lattice structure of the
  • Working fluid circuit is adsorbed in the interstices of the lattice structure.
  • the molecular sieve is installed in a sieve housing which has at least one sieve housing access connected to the working fluid circuit. Through this Siebgekorgang normally the working fluid is fed into the screen housing and thus the molecular sieve.
  • the molecular sieve has a
  • Siebgefelduseabgang on. Through this Siebgefelduseabgang normally diffused through the molecular sieve through air, for example, discharged into the environment.
  • the molecular sieve is disk-shaped or cylindrical (in the form of a cake) and rotatably arranged in the screen housing.
  • This embodiment is first of all suitable for effective use of the molecular sieve, in that all peripheral regions of the molecular sieve are successively connected to the body by the rotational movement
  • Siebgereheatabgang comes in contact (come).
  • this embodiment is suitable for a simple and effective permanent regeneration of the molecular sieve, for example by remote from the screen housing access and Siebgepatuseabgang provided in a further development of the invention Regenerationszugang and again provided in another embodiment regeneration outlet is or are.
  • Regeneration access is introduced into the molecular sieve superheated steam and discharged through the regeneration outlet again.
  • This superheated steam desorbs the molecules of the molecule bound in the lattice structure of the molecular sieve
  • Molecular sieve can also be regenerated cold, in which a regeneration takes place without the need for thermal energy for desorption.
  • the screen housing a
  • Cooling air inlet and a cooling air outlet through which cooling air is passed through the molecular sieve can take place in the direction of rotation behind the sieve housing access (and Siebgepatuseabgang) or in the direction of rotation in front of the Siebgephaseusezugang (and
  • Molecular sieve in the sieve housing is to seal this, for example via one or more seals against the screen housing, which seal both to the different media, ie working fluid,
  • Hot steam and air, as well as resistant to the different temperatures of the respective media must be designed.
  • Regeneration lines is arranged.
  • this switching valve can be fed alternately the two molecular sieves superheated steam for regeneration.
  • the harmful volume between the switching valve and the environment is designed as low as possible, so that during the switching between adsorption and regeneration only small Matterströmtheree.
  • the molecular sieve is integrated into the working fluid circuit and, in a further embodiment, working fluid can be fed into the working fluid circuit upstream of the molecular sieve in a superheated steam phase.
  • the supply of the working fluid in the superheated steam phase controlled by a valve, in particular turned on and turned off. If the working fluid is supplied in the superheated steam phase, a defined amount of the working fluid in the superheated steam phase is thus conducted past the molecular sieve and the molecular sieve is regenerated.
  • the supply of working fluid through the valve is turned off, the molecular sieve comes in contact again with colder and more relaxed working fluid and is used for adsorption.
  • the degassing device is arranged downstream of the expansion machine or of the condenser. This arrangement is particularly advantageous in order to supply the cooled molecular sieve with a cooled and relaxed working fluid and thus to use the molecular sieve for adsorption.
  • the degassing device is electrically heated.
  • no regeneration agent needs to be fed to the molecular sieve and the regeneration of the molecular sieve is carried out exclusively by the electric heating.
  • FIG 1 is a circuit diagram of an inventively designed
  • Figure 2 is a detail view of a disk-shaped
  • FIG. 3 is a detail view in which two parallel molecular sieves are switched into the working fluid circuit and FIG. 4 shows a detailed view of a molecular sieve switched into a working fluid circuit, wherein working fluid in a superheated steam phase can be fed into the working fluid circuit upstream of the molecular sieve.
  • the waste heat recovery system shown schematically in Figure 1 has a working fluid circuit 1 with a first heat exchanger 2a and a second heat exchanger 2b.
  • the heat exchangers 2a, 2b are designed as evaporators or act as such and are on an internal combustion engine 5 for the recovery of the operation of the
  • the second heat exchanger 2b is in a conduit in the form of a
  • Exhaust gas recirculation line 6 or other heat transfer line used.
  • a partial amount of exhaust gas is taken from the exhaust gas recirculation line 6 via the exhaust gas recirculation line 6 and controlled via an exhaust gas recirculation line valve 7
  • Intake system 8 of the internal combustion engine 5 is supplied.
  • the intake system 8 can also be designed as a charge air line system. The two
  • Heat exchangers 2a, 2b may optionally not shown
  • Heat exchanger may be provided, which is preferably flowed through by the exhaust gas stream 4.
  • the internal combustion engine 5 is supplied during operation of fuel and combustion air in combustion chambers of the internal combustion engine 5 to generate
  • Exhaust pipe 3 from which the exhaust gas recirculation line 6 branches off, finally discharged into the environment.
  • the exhaust pipe 3 may before and / or behind the first heat exchanger 2a exhaust muffler 10 and means 9 for the aftertreatment of the exhaust gas in the form of, for example, a catalyst and / or a filter to be installed.
  • the internal combustion engine 5 is For example, a self-igniting internal combustion engine, which is operated with diesel fuel. In this case, the diesel fuel is injected into the combustion chambers, for example by means of a common-rail injection system.
  • Internal combustion engine can also be a spark-ignited gasoline-powered internal combustion engine, which may also have a common rail injection system.
  • the first heat exchanger 2a and the second heat exchanger 2b are, as stated above, in turn part of the working fluid circuit 1, in addition to the
  • Heat exchangers 2a, 2b has an expansion machine 11, a condenser 12, optionally a condensate pump 13, a surge tank 14, a fluid pump 15 and a degassing device 21 described below.
  • the condensate pump 13 is not mandatory and therefore can be dispensed with.
  • On the output side of the fluid pump 15 is a distribution valve designed, for example, as a 3/2-way distributor valve
  • Open working fluid circuit 1 The first working fluid branch 20a is connected to the first heat exchanger 2a and the second fluid branch is connected to the second
  • Heat exchanger 2b fluidly connected. If only one heat exchanger is provided, it goes without saying that the distribution valve 16 and the second
  • Speed change of the electrically driven vane pump 16 can be adjusted.
  • the distribution valve 16 is adjustable so that at a constant or adjustable total delivery (total flow) a
  • Flow rate distribution to the first heat exchanger 2 a (volume flow Qi) and the second heat exchanger 2 b (volume flow Q 2) can be set increasingly and correspondingly decreasing between 0% and 100%.
  • the fluid pump 15 and the distribution valve 16 may be formed as a structural unit or else be independent components.
  • the distribution valve 16 designed as a 3/2-way distributor valve can also be replaced by independent valves within the scope of the invention.
  • the expansion engine 11 may be, for example, a reciprocating engine or a turbine. In the case of a turbine is usually a
  • Downstream reduction gear to reduce the high turbine speeds and adapt them to the speeds of a downstream machine or other customer.
  • a fluid suitable for a Rankine process is pressurized to a high pressure by the fluid pump 15 and supplied to the heat exchangers 2a, 2b.
  • the fluid is in the
  • Heat exchangers 2a, 2b heated and under a high pressure in the
  • Expander 11 supplied and drives them under expansion of the working fluid.
  • a bypass line 17 with a bypass valve 18 can be provided, via which the expansion machine 11 can be bypassed.
  • Condenser 12 condensed and ultimately fed back to the fluid pump 15.
  • the surge tank 14 is turned on. Furthermore, in the working fluid circuit 1 between the expansion machine 11 and the
  • Condenser 12 the molecular sieve having a degassing device 21 installed or connected to the working fluid circuit 1.
  • the degassing device 21 described in detail in the following figures and in various embodiments may in principle also be installed elsewhere, for example behind the condenser 12, in the working fluid circuit 1.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of the degassing device 21 shown only schematically in FIG. 1.
  • the degassing device 21 has zeolitic molecular sieve 22, which is installed in a sieve housing 23.
  • the molecular sieve 22 is disk-shaped in this embodiment
  • the screen housing 23 has a Siebgekorusezugang 24 and on the opposite side of the molecular sieve 22 a Siebgephaseuseabgang 25.
  • the Siebgephaseusezugang 24 is for example as shown in Figure 1 via a stub with the
  • the working fluid is adsorbed in the interstices of the lattice structure of the molecular sieve 22.
  • thermal energy is required to be in the lattice structure of the zeolitic
  • a Regenrationszugang 26 hot steam, which is preferably taken from the working fluid circuit 1 downstream of the first heat exchanger 2a.
  • the hot vapor flows through the molecular sieve 22 and exits on the opposite side through a regeneration outlet 27, which, like the regeneration access 26, is inserted into the sieve housing 23.
  • a regeneration outlet 27 which, like the regeneration access 26, is inserted into the sieve housing 23.
  • cooling air is passed through the molecular sieve 22.
  • the cooling air is passed therethrough before the regeneration of the molecular sieve 22, but may alternatively or additionally be passed through the molecular sieve 22 after the regeneration.
  • To initiate the cooling air has the Siebgefelduse 23 a cooling air inlet 28 and for discharging a cooling air outlet 29, wherein the cooling air access 28 with any device for
  • cooling air outlet 29 may open, for example, in the Siebgepuruseabgang 25.
  • All accesses and outlets are cooperatively formed with the screen housing 23 so that the molecular sieve 22 cake pieced from a central axis of rotation to a peripheral portion of the different media is acted upon or flowed through.
  • a seal is provided which seals the rotating disk in the form of the molecular sieve 22 with respect to the screen housing 23 in permanent operation. This seal is designed to withstand both the different media and the different temperatures of the media.
  • the degassing device 21 has two molecular sieves 22a, 22b, which are each installed in a sieve housing 23a, 23b.
  • the screen housings 23a, 23b are preferably directly in the
  • Integrated working fluid circuit 1 or the screen housing 23 a, 23 b may also be part of the channel wall 34. Within the limited of the channel wall 34 fluid channel 35, the screen housing 23a, 23b
  • Siebgepusezu réelle 24a, 24b which may extend over almost the entire length of the respective molecular sieve 22a, 22b, for example. It is also possible, in each case a plurality of individual Siebgepusezu réellen 24a, 24b to the individual molecular sieves 22a, 22b side by side in the
  • Screen housing 23a, 23b to be arranged. Outside of the fluid channel 35 is in the channel wall 34 or the screen housing 23 a, 23 b to each of the two
  • Molecular sieves 22a, 22b, a regeneration access 26a, 26b is present, which is connected to a regeneration line 31a, 31b.
  • the regeneration lines 31a, 31b are connected to a switching valve 30, which is further connected to a hot steam line 36 and a discharge line 37 into the environment.
  • the changeover valve 30 leads alternately depending on the switching position Molecular sieve 22a or 22b superheated steam for the regeneration of each
  • Molecular sieve 22a, 22b too.
  • superheated steam is supplied to the molecular sieve 22b, and the molecular sieve 22b is introduced into the sieve housing access 24b by discharging the superheated steam
  • Fluid channel 35 regenerated.
  • the air is adsorbed from the working fluid conducted in the fluid channel 35 and discharged through the regeneration line 31a into the discharge line 37 via the regeneration access 26a, which then acts as a screen housing outlet 25 (according to FIG. 2).
  • the embodiment shown in Figure 4 is basically similar to that of
  • FIG. 3 wherein here only a molecular sieve 22a is installed in a screen housing 23a. Also in this embodiment, the screen housing 23a may be part of the channel wall 34. As in the embodiment according to FIG. 3, a screen housing access 24a is also present here, which opens into the fluid channel 35.
  • a regeneration outlet 27 a is present, which opens directly or via a discharge line 37 into the environment.
  • the molecular sieve 22a functions like the molecular sieve 22a according to FIG. 3 and the regeneration outlet 27a corresponds to it
  • Sieve housing outlet 25 according to Figure 2.
  • a valve 32 superheated steam from a
  • Hot steam line 36 is introduced into the fluid channel 35 upstream of the molecular sieve 22a, wherein the superheated steam is guided by a guide device 33 targeted at the Siebgephaseusezugang 24a.
  • the molecular sieve 22a is regenerated by superheated steam supplied via the sieve housing access 24a, which then functions as regeneration access 26a, which is discharged via the sieve housing outlet 25.
  • a further embodiment provides that an electrical heating device is installed in the screen housing or directly in the molecular sieve. When the heating device is energized, the molecular sieve is regenerated. At this
  • the molecular sieve may be formed and arranged as in the embodiment of Figure 4, but then the
  • Hot steam line 36, the valve 32 and the guide 33 omitted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine (5), wobei das Abwärmerückgewinnungssystem einen Arbeitsfluidkreislauf (1) mit zumindest einem Wärmetauscher (2a, 2b), einer Expansionsmaschine (11), einem Kondensator (12), einer Fluidpumpe (15) und einer Entgasungsvorrichtung (21) aufweist. Erfindungsgemäß wird ein Abwärmerückgewinnungssystem bereitgestellt, das hinsichtlich einer Entgasung des Arbeitsfluids verbessert ist. Erreicht wird dies dadurch, dass die Entgasungsvorrichtung (21) ein zeolithisches und regenerierbares Molekularsieb (22, 22a, 22b) aufweist. Dabei wird die Regeneration vorzugsweise durch in das Molekularsieb (22, 22a, 22b) eingeleiteten Heißdampf, der dem Arbeitsfluidkreislauf (1) entnommen wird, durchgeführt.

Description

Beschreibung Titel:
Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem einer
Brennkraftmaschine, wobei das Abwärmerückgewinnungssystem einen
Arbeitsfluidkreislauf mit zumindest einem Wärmetauscher, einer
Expansionsmaschine, einem Kondensator, einer Fluidpumpe und einer
Entgasungsvorrichtung aufweist.
Stand der Technik
Ein derartiges Abwärmerückgewinnungssystem ist aus der WO 2012/076132 AI bekannt. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem ist für eine
Brennkraftmaschine ausgelegt und weist einen Arbeitsfluidkreislauf auf, der zumindest einen beispielsweise in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingeschalteten Wärmetauscher aufweist. Weiterhin weist der
Arbeitsfluidkreislauf eine Expansionsmaschine, einen Kondensator, eine Fluidpumpe und eine Entgasungsvorrichtung auf. Dabei ist die
Entgasungsvorrichtung als Membranventil ausgebildet. Der Aufbau des
Membranventils ist nicht näher angegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abwärmerückgewinnungssystem bereitzustellen, das hinsichtlich einer Entgasung des Arbeitsfluids verbessert ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Entgasungsvorrichtung ein zeolithisches und regenerierbares Molekularsieb aufweist. Die Gitterstruktur dieses Molekularsiebs ist so eingestellt, dass es auf die Molekülgröße der zu trennenden Medien angepasst ist. Ein solches Molekularsieb kann so eingestellt werden, dass unterschiedliche Medien entsprechend ihrer Molekülgröße entweder problemlos durch die Gitterstruktur diffundieren können oder von dieser adsorbiert werden. Diese Eigenschaft wird vorliegend ausgenutzt, indem das Molekularsieb so eingestellt ist, dass Luft durch die Gitterstruktur des
Molekularsiebs diffundieren kann, während das Arbeitsfluid des
Arbeitsfluidskreislaufs in den Zwischenräumen der Gitterstruktur adsorbiert wird.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Molekularsieb in ein Siebgehäuse eingebaut, das zumindest einen mit dem Arbeitsfluidkreislauf verschalteten Siebgehäusezugang aufweist. Durch diesen Siebgehäusezugang wird normalerweise das Arbeitsfluid in das Siebgehäuse und somit dem Molekularsieb zugeführt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Molekularsieb einen
Siebgehäuseabgang auf. Durch diesen Siebgehäuseabgang wird normalerweise die durch das Molekularsieb hindurch diffundierte Luft beispielsweise in die Umgebung abgeführt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Molekularsieb scheibenförmig beziehungsweise zylinderförmig (in Form einer Torte) ausgebildet und drehbar in dem Siebgehäuse angeordnet. Diese Ausgestaltung ist zunächst einmal für eine effektive Nutzung des Molekularsiebs geeignet, indem durch die Drehbewegung alle Umfangbereiche des Molekularsiebs nacheinander mit dem
Siebgehäusezugang (und dem vorzugsweise gegenüberliegenden
Siebgehäuseabgang) in Kontakt kommt (kommen). Zudem eignet sich diese Ausgestaltung für eine einfache und effektive permanente Regeneration des Molekularsiebs, indem beispielsweise entfernt zu dem Siebgehäusezugang und dem Siebgehäuseabgang ein in Weiterbildung der Erfindung vorgesehener Regenerationszugang und ein wiederum in weiterer Ausgestaltung vorgesehener Regenerationsabgang angeordnet ist beziehungsweise sind. Durch den
Regenerationszugang wird Heißdampf in das Molekularsieb eingeführt und durch den Regenerationsabgang wieder abgeführt. Dieser Heißdampf desorbiert die in der Gitterstruktur des Molekularsiebs gebundenen Moleküle des in dem
Arbeitsfluidkreislauf geführten Arbeitsfluids. Hierbei wird eine große Menge an thermischer Energie über das Molekularsieb an die darin adsorbierten Moleküle weitergegeben, um diese aus der Gitterstruktur herauszulösen und somit das Molekularsieb zu regenerieren. Grundsätzlich kann aber alternativ das
Molekularsieb auch kalt regeneriert werden, bei der eine Regeneration erfolgt, ohne dass thermische Energie für die Desorption benötigt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Siebgehäuse einen
Kühlluftzugang und einen Kühlluftabgang auf, durch den Kühlluft durch das Molekularsieb geleitet wird. Die so dargestellte Kühlung des Molekularsiebs kann in Drehrichtung hinter dem Siebgehäusezugang (und Siebgehäuseabgang) oder aber auch in Drehrichtung vor dem Siebgehäusezugang (und
Siebgehäuseabgang) erfolgen. Bei dieser drehbaren Anordnung des
Molekularsiebs in dem Siebgehäuse ist dieses beispielsweise über eine oder mehrere Dichtungen gegenüber dem Siebgehäuse abzudichten, wobei diese Dichtung sowohl gegenüber den verschiedenen Medien, also Arbeitsfluid,
Heißdampf und Luft, als auch gegen die unterschiedlichen Temperaturen der jeweiligen Medien resistent ausgebildet sein muss.
In Weiterbildung der Erfindung sind zwei Molekularsiebe parallel geschaltet. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, das erste Molekularsieb zur
Adsorption und das zweite Molekularsieb zur Regeneration einzusetzen beziehungsweise umgekehrt. Dazu ist ein in weiterer Ausgestaltung
vorgesehenes Umschaltventil vorgesehen, das in mit den
Regenerationszugängen der beide Molekularsiebe verbundenen
Regenerationsleitungen angeordnet ist. Durch dieses Umschaltventil kann wechselweise den beiden Molekularsieben Heißdampf zur Regeneration zugeführt werden. Bei dieser Ausgestaltung ist das Schadvolumen zwischen dem Umschaltventil und der Umgebung so gering wie möglich ausgeführt, damit während der Umschaltung zwischen Adsorption und Regeneration nur geringe Überströmverluste entstehen.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Molekularsieb in den Arbeitsfluidkreislauf integriert und in weiterer Ausgestaltung ist in den Arbeitsfluidkreislauf stromaufwärts des Molekularsiebs Arbeitsfluid in einer Heißdampfphase zuführbar. Dabei kann die Zuführung des Arbeitsfluids in der Heißdampfphase über ein Ventil gesteuert, insbesondere angestellt und abgestellt werden. Wird das Arbeitsfluid in der Heißdampfphase zugeführt, wird somit eine definierte Menge des Arbeitsfluids in der Heißdampfphase an dem Molekularsieb vorbei geführt und das Molekularsieb wird regeneriert. Wird die Zufuhr von Arbeitsfluid durch das Ventil abgestellt, kommt das Molekularsieb wieder mit kälterem und entspanntem Arbeitsfluid in Kontakt und wird für die Adsorption eingesetzt.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Entgasungsvorrichtung stromabwärts der Expansionsmaschine oder des Kondensators angeordnet. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, um dem Molekularsieb ein abgekühltes und entspanntes Arbeitsfluid zuzuführen und das Molekularsieb somit zur Adsorption zu nutzen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Entgasungsvorrichtung elektrisch beheizbar. Bei einer solchen Ausgestaltung braucht dem Molekularsieb kein Regenerationsmittel zugeführt werden und die Regeneration des Molekularsiebs wird ausschließlich durch die elektrische Beheizung durchgeführt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
Es zeigen:
Figur 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäß ausgestalteten
Abwärmerückgewinnungssystems mit einem Arbeitsfluidkreislauf,
Figur 2 eine Detailansicht eines scheibenförmig ausgebildeten
Molekularsiebs, das in ein entsprechendes Siebgehäuse eingebaut ist,
Figur 3 eine Detailansicht, bei der zwei parallel geschaltete Molekularsiebe in den Arbeitsfluidkreislauf eingeschaltet sind und Figur 4 eine Detailansicht eines in einen Arbeitsfluidkreislauf eingeschalteten Molekularsiebs, wobei in den Arbeitsfluidkreislauf stromaufwärts des Molekularsiebs Arbeitsfluid in einer Heißdampfphase zuführbar ist. Das in Figur 1 schematisch dargestellte Abwärmerückgewinnungssystem weist einen Arbeitsfluidkreislauf 1 mit einem ersten Wärmetauscher 2a und einem zweiten Wärmetauscher 2b auf. Die Wärmetauscher 2a, 2b sind dabei als Verdampfer ausgebildet beziehungsweise fungieren als solche und sind an einer Brennkraftmaschine 5 zur Rückgewinnung von beim Betrieb der
Brennkraftmaschine 5 erzeugter Abwärme adaptiert. Dabei ist der erste
Wärmetauscher 2a von einem in einer Abgasleitung 3 der Brennkraftmaschine geführten und einen Abwärmestrom bildenden Abgasstrom 4 der
Brennkraftmaschine 5 durchströmt. Zusätzlich zu dem ersten Wärmetauscher 2a ist der zweite Wärmetauscher 2b in einer Leitung in Form einer
Abgasrückführleitung 6 oder einer sonstigen Wärmeträgerleitung eingesetzt.
Über die Abgasrückführleitung 6 wird dem Abgasstrom 4 eine Teilmenge Abgas entnommen und gesteuert über ein Abgasrückführleitungsventil 7 einem
Ansaugsystem 8 der Brennkraftmaschine 5 zugeführt. Das Ansaugsystem 8 kann dabei auch als Ladeluftleitungssystem ausgebildet sein. Die beiden
Wärmetauscher 2a, 2b können ggf. über nicht dargestellte
Wärmeträgerbypassleitungen bei bestimmten Betriebszuständen der
Brennkraftmaschine 5 eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine eingebaut ist, umgehbar sein. Weiterhin kann auch nur ein einziger
Wärmetauscher vorgesehen sein, der vorzugsweise von dem Abgasstrom 4 durchströmt wird.
Der Brennkraftmaschine 5 wird beim Betrieb Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen der Brennkraftmaschine 5 unter Erzeugung von
Arbeitsleistung zu heißem Abgas, das bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine 5 den Abgasstrom 4 bildet, verbrennen. Dabei wird der Abgasstrom 4 durch die
Abgasleitung 3, von der auch die Abgasrückführleitung 6 abzweigt, letztendlich in die Umgebung abgeführt. In der Abgasleitung 3 können vor und/oder hinter dem ersten Wärmetauscher 2a Abgasschalldämpfer 10 sowie Einrichtungen 9 zur Nachbehandlung des Abgases in Form von beispielsweise einem Katalysator und/oder einem Filter eingebaut sein. Die Brennkraftmaschine 5 ist beispielsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine, die mit Dieselkraftstoff betrieben wird. Dabei wird der Dieselkraftstoff beispielsweise mittels eines Common-Rail-Einspritzsystems in die Brennräume eingespritzt. Die
Brennkraftmaschine kann aber auch eine fremdgezündete mit Benzin betriebene Brennkraftmaschine sein, die ebenfalls ein Common- Rail-Einspritzsystem aufweisen kann.
Der erste Wärmetauscher 2a und der zweite Wärmetauscher 2b sind, wie zuvor ausgeführt, ihrerseits Teil des Arbeitsfluidkreislaufs 1, der neben dem
Wärmetauschern 2a, 2b eine Expansionsmaschine 11, einen Kondensator 12, gegebenenfalls eine Kondensatpumpe 13, einen Ausgleichsbehälter 14, eine Fluidpumpe 15 und eine nachfolgend noch beschriebene Entgasungsvorrichtung 21 aufweist. Die Kondensatpumpe 13 ist nicht zwingend erforderlich und demzufolge kann auf diese verzichtet werden. Ausgangsseitig der Fluidpumpe 15 ist ein beispielsweise als 3/2-Wege-Verteilerventil ausgebildetes Verteilerventil
16 angeordnet, dessen Ausgänge in zwei Fluidzweige 20a, 20b des
Arbeitsfluidkreislaufs 1 einmünden Der erste Arbeitsfluidzweig 20a ist mit dem ersten Wärmetauscher 2a und der zweite Fluidzweig ist mit dem zweiten
Wärmetauscher 2b strömungsmäßig verschaltet. Falls nur ein Wärmetauscher vorgesehen ist, entfällt selbstverständlich das Verteilerventil 16 und der zweite
Fluidzweig.
Die Gesamtmenge des durch den Arbeitsfluidkreislauf 1 geförderten Arbeitsfluids (Gesamtvolumenstrom) Q = Qi + Q2 kann beispielsweise durch eine
Drehzahländerung der elektrisch angetriebenen Flügelzellenpumpe 16 eingestellt werden. Das Verteilerventil 16 ist so einstellbar, dass bei einer konstanten oder einstellbaren Gesamtfördermenge (Gesamtvolumenstrom) eine
Fördermengenaufteilung zu dem ersten Wärmetauscher 2a (Volumenstrom Qi) und zu dem zweiten Wärmetauscher 2b (Volumenstrom Q2) zunehmend und entsprechend abnehmend zwischen 0% und 100% eingestellt werden kann.
Die Fluidpumpe 15 und das Verteilerventil 16 können als Baueinheit ausgebildet sein oder aber auch eigenständige Bauteile sein. Das als 3/2 Wege- Verteilerventil ausgebildete Verteilerventil 16 kann im Rahmen der Erfindung auch durch eigenständige Ventile ersetzt sein. Die Expansionsmaschine 11 kann beispielsweise eine Kolbenmaschine oder eine Turbine sein. Im Falle einer Turbine wird normalerweise ein
Reduktionsgetriebe nachgeschaltet, um die hohen Turbinendrehzahlen zu reduzieren und diese an die Drehzahlen einer nachgeschalteten Arbeitsmaschine oder eines sonstigen Abnehmers anzupassen.
Beim Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems wird von der Fluidpumpe 15 ein für einen Rankine-Prozess geeignetes Fluid auf einen hohen Druck gebracht und den Wärmetauschern 2a, 2b zugeführt. Das Fluid wird in den
Wärmetauschern 2a, 2b erhitzt und unter einem hohen Druck in den
dampfförmigen Zustand überführt. Der so erzeugte Dampf wird der
Expansionsmaschine 11 zugeführt und treibt diese unter Expandierung des Arbeitsfluids an. Um den Arbeitsfluidkreislauf 1 an der Expansionsmaschine 11 vorbeiführen zu können, kann eine Bypassleitung 17 mit einem Bypassventil 18 vorgesehen sein, über die die Expansionsmaschine 11 umgehbar ist.
Das der Expansionsmaschine 11 zugeführte Arbeitsfluid entspannt sich in dieser unter Erbringung von mechanischer Wellenarbeit, die über eine Abtriebswelle 19 abgeführt wird. Danach wird der entspannte, abgekühlte Dampf in dem
Kondensator 12 kondensiert und letztendlich wieder der Fluidpumpe 15 zugeführt. In die Verbindungsleitung zwischen dem Kondensator 12 und der Fluidpumpe 15 ist der Ausgleichsbehälter 14 eingeschaltet. Weiterhin ist in den Arbeitsfluidkreislauf 1 zwischen der Expansionsmaschine 11 und dem
Kondensator 12 die ein Molekularsieb aufweisende Entgasungsvorrichtung 21 eingebaut beziehungsweise mit dem Arbeitsfluidkreislauf 1 verbunden. Die in den nachfolgenden Figuren detailliert und in verschieden Ausführungen beschriebene Entgasungsvorrichtung 21 kann aber grundsätzlich auch an anderer Stelle, beispielsweise hinter dem Kondensator 12, in den Arbeitsfluidkreislauf 1 eingebaut sein.
Neben den zuvor beschriebenen Komponenten können noch beliebige weitere Komponenten, insbesondere Sensoren zur Ermittlung von Temperaturen und Drücken in verschiedenen Abschnitten des Arbeitsfluidkreislaufs 1 vorhanden sein. Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der in Figur 1 nur schematisch dargestellten Entgasungsvorrichtung 21. Die Entgasungsvorrichtung 21 weist zeolithisches Molekularsieb 22 auf, das in ein Siebgehäuse 23 eingebaut ist. Das Molekularsieb 22 ist bei diesem Ausführungsbeispiel scheibenförmig
beziehungsweise genauer zylinderförmig ausgebildet und drehbar in dem nur schematisch dargestellten Siebgehäuse 23 angeordnet. Das Siebgehäuse 23 weist einen Siebgehäusezugang 24 und auf der gegenüberliegenden Seite des Molekularsiebs 22 einen Siebgehäuseabgang 25 auf. Der Siebgehäusezugang 24 ist beispielsweise wie in Figur 1 dargestellt über eine Stichleitung mit dem
Arbeitsfluidkreislauf 1 verbunden. Durch den Siebgehäusezugang 24 wird das in dem Arbeitsfluidkreislauf 1 zirkulierende Arbeitsfluid mit darin aufgenommener beziehungsweise geführter Luft dem Molekularsieb 22 zugeführt. Die Luft kann durch die Gitterstruktur des Molekularsiebs 22 hindurch diffundieren und wird auf der gegenüberliegenden Seite durch den Siebgehäuseabgang 25 in die
Umgebung abgelassen. Dagegen wird das Arbeitsfluid in den Zwischenräumen der Gitterstruktur des Molekularsiebs 22 adsorbiert.
Zur Desorption, das heißt zur Regeneration des Molekularsiebs 22, wird thermische Energie benötigt, um die in der Gitterstruktur des zeolithischen
Molekularsiebs 22 gebundenen Moleküle des Arbeitsfluids zu desorbieren.
Hierzu wird über einen Regenrationszugang 26 heißer Dampf, der vorzugsweise dem Arbeitsfluidkreislauf 1 stromabwärts des ersten Wärmetauscher 2a entnommen wird, zugeführt. Der heiße Dampf durchströmt das Molekularsieb 22 und tritt auf der gegenüberliegenden Seite durch einen Regenerationsabgang 27, der wie der Regenerationszugang 26, in das Siebgehäuse 23 eingelassen ist, wieder aus. Dadurch werden die in dem Molekularsieb 22 adsorbierten Moleküle des Arbeitsfluids aus der Gitterstruktur herausgelöst und somit das Molekularsieb 22 regeneriert. Der Regenerationsabgang 27 mündet dann wieder in den
Arbeitsfluidkreislauf 1 ein.
Zusätzlich wird Kühlluft durch das Molekularsieb 22 geführt. Vorzugsweise wird die Kühlluft vor der Regeneration des Molekularsiebs 22 durch dieses hindurch geleitet, kann aber alternativ oder zusätzlich auch nach der Regeneration durch das Molekularsieb 22 geleitet werden. Zur Einleitung der Kühlluft weist das Siebgehäuse 23 einen Kühlluftzugang 28 und zur Ableitung einen Kühlluftabgang 29 auf, wobei der Kühlluftzugang 28 mit einer beliebigen Einrichtung zur
Verfügungstellung der Kühlluft verbunden ist und der Kühlluftabgang 29 beispielsweise in den Siebgehäuseabgang 25 einmünden kann.
Sämtliche Zugänge und Abgänge sind zusammenwirkend mit dem Siebgehäuse 23 so ausgebildet, dass das Molekularsieb 22 tortenstückförmig von einer Mitteldrehachse bis zu einem Umfangsabschnitt von den unterschiedlichen Medien beaufschlagt beziehungsweise durchströmt wird.
Zur Abdichtung des rotierenden Molekularsiebs 22 gegenüber den insbesondere gegenüberliegenden Seiten des Siebgehäuses 23 ist eine Dichtung vorgesehen, die in permanentem Betrieb die rotierende Scheibe in Form des Molekularsiebs 22 gegenüber dem Siebgehäuse 23 abdichtet. Diese Dichtung ist so ausgelegt, dass diese sowohl gegenüber den unterschiedlichen Medien als auch gegenüber den unterschiedlichen Temperaturen der jeweiligen Medien standhält.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 weist die Entgasungsvorrichtung 21 zwei Molekularsiebe 22a, 22b auf, die jeweils in ein Siebgehäuse 23a, 23b eingebaut sind. Die Siebgehäuse 23a, 23b sind vorzugsweise direkt in dem
Arbeitsfluidkreislauf 1 beziehungsweise eine Kanalwand 34 des
Arbeitsfluidkreislaufs 1 integriert oder aber die Siebgehäuse 23a, 23b können auch ein Teil der Kanalwand 34 sein. Innerhalb des von der Kanalwand 34 begrenzten Fluidkanals 35 weisen die Siebgehäuse 23a, 23b
Siebgehäusezugänge 24a, 24b auf, die sich beispielsweise über fast die gesamte Länge des jeweiligen Molekularsiebs 22a, 22b erstrecken können. Auch ist es möglich, jeweils eine Vielzahl von einzelnen Siebgehäusezugängen 24a, 24b zu den einzelnen Molekularsieben 22a, 22b nebeneinander in dem
Siebgehäuse 23a, 23b anzuordnen. Außerhalb des Fluidkanals 35 ist in die Kanalwand 34 oder die Siebgehäuse 23a, 23b zu jedem der beiden
Molekularsiebe 22a, 22b ein Regenerationszugang 26a, 26b vorhanden, der mit einer Regenerationsleitung 31a, 31b verbunden ist. Die Regenerationsleitungen 31a, 31b sind mit einem Umschaltventil 30 verbunden, das weiterhin mit einer Heißdampfleitung 36 und einer Abführleitung 37 in die Umgebung verschaltet ist. Das Umschaltventil 30 führt je nach Schaltstellung wechselweise dem Molekularsieb 22a oder 22b Heißdampf zur Regeneration des jeweiligen
Molekularsiebs 22a, 22b zu. In dem dargestellten Schaltzustand wird dem Molekularsieb 22b Heißdampf zugeführt und das Molekularsieb 22b durch Abführung des Heißdampfes über den Siebgehäusezugang 24b in den
Fluidkanal 35 regeneriert. In dem Molekularsieb 22a wird die Luft aus dem in dem Fluidkanal 35 geführten Arbeitsfluid adsorbiert und über den dann als Siebgehäuseabgang 25 (gemäß Figur 2) fungierenden Regenerationszugang 26a durch die Regenerationsleitung 31a in die Abführleitung 37 abgeführt. Das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel ähnelt grundsätzlich dem der
Figur 3, wobei hier nur ein Molekularsieb 22a in ein Siebgehäuse 23a eingebaut ist. Auch bei dieser Ausführungsform kann das Siebgehäuse 23a Teil der Kanalwand 34 sein. Wie bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 ist auch hier ein Siebgehäusezugang 24a vorhanden, der in dem Fluidkanal 35 einmündet.
Außerhalb des Fluidkanals 35 ist ein Regenerationsabgang 27a vorhanden, der direkt oder über eine Abführleitung 37 in die Umgebung mündet. Während des Adsorbierens funktioniert das Molekularsieb 22a wie das Molekularsieb 22a gemäß Figur 3 und der Regenerationsabgang 27a entspricht dem
Siebgehäuseabgang 25 gemäß Figur 2. Zur Regeneration des Molekularsiebs 22a gemäß Figur 4 wird über ein Ventil 32 Heißdampf aus einer
Heißdampfleitung 36 in den Fluidkanal 35 stromaufwärts des Molekularsiebs 22a eingeführt, wobei der Heißdampf durch eine Leitvorrichtung 33 gezielt an dem Siebgehäusezugang 24a vorbeigeführt wird. Dadurch wird das Molekularsieb 22a durch über den Siebgehäusezugang 24a, der dann als Regenerationszugang 26a fungiert, zugeführten Heißdampf, der über den Siebgehäuseabgang 25 abgeführt wird, regeneriert.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass in das Siebgehäuse oder direkt in das Molekularsieb eine elektrische Heizeinrichtung eingebaut ist. Bei einer Bestromung der Heizeinrichtung wird das Molekularsieb regeneriert. Bei dieser
Ausführungsform kann das Molekularsieb wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 ausgebildet und angeordnet sein, wobei dann aber die
Heißdampfleitung 36 das Ventil 32 und die Leitvorrichtung 33 entfallen. Abschließend wird darauf hingewiesen, dass beliebige zuvor beschriebene Ausführungsformen beziehungsweise Teilmerkmale der verschiedenen Ausführungsformen untereinander und miteinander kombiniert sein können.

Claims

Ansprüche
1. Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine (5), wobei das Abwärmerückgewinnungssystem einen Arbeitsfluidkreislauf (1) mit zumindest einem Wärmetauscher (2a, 2b), einer Expansionsmaschine (11), einem Kondensator (12), einer Fluidpumpe (15) und einer
Entgasungsvorrichtung (21) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Entgasungsvorrichtung (21) ein zeolithisches und regenerierbares Molekularsieb (22, 22a, 22b) aufweist.
2. Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Molekularsieb (22, 22a, 22b) in ein Siebgehäuse (23, 23a, 23b) eingebaut ist, das zumindest einen mit dem Arbeitsfluidkreislauf (1) verschalteten Siebgehäusezugang (24, 24a, 24b) aufweist.
3. Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Molekularsieb (22, 22a, 22b) in ein Siebgehäuse (23, 23a, 23b) eingebaut ist, das zumindest einen
Siebgehäuseabgang (25) aufweist.
4. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Molekularsieb (22) scheibenförmig oder zylinderförmig ausgebildet ist und drehbar in dem Siebgehäuse (23) angeordnet ist.
5. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Siebgehäuse (23, 23a, 23b) einen Regenerationszugang (26, 26a, 26b) aufweist.
6. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Siebgehäuse (23, 23a, 23b) einen Regenerationsabgang (27, 27a) aufweist.
7. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Siebgehäuse (23, 23a, 23b) einen Kühlluftzugang (28) und einen Kühlluftabgang (29) aufweist.
8. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Molekularsiebe (22a, 22b) parallel geschaltet sind.
9. Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschaltventil (30) in mit
Regenerationszugängen (26a, 26b) verbundenen Regenerationsleitungen (31a, 31b) angeordnet ist.
10. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Molekularsieb (22a, 22b) in den Arbeitsfluidkreislauf (1) integriert ist.
11. Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass in den Arbeitsfluidkreislauf (1) stromaufwärts des Molekularsiebs (22a, 22b) Arbeitsfluid in einer
Heißdampfphase zugeführt wird.
12. Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entgasungsvorrichtung (21) elektrisch beheizbar ist.
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