WO2017215776A1 - Vorrichtung und verfahren zum betrieb eines abwärmenutzungssystems - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum betrieb eines abwärmenutzungssystems Download PDF

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WO2017215776A1
WO2017215776A1 PCT/EP2017/000518 EP2017000518W WO2017215776A1 WO 2017215776 A1 WO2017215776 A1 WO 2017215776A1 EP 2017000518 W EP2017000518 W EP 2017000518W WO 2017215776 A1 WO2017215776 A1 WO 2017215776A1
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WO
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waste heat
heat utilization
working medium
utilization circuit
expansion tank
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Application number
PCT/EP2017/000518
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English (en)
French (fr)
Inventor
Moritz Brunschier
Christof Bunz
Ottmar Gehring
Wilhelmus Kok
Dominik SCHRAFT
Frank Wamsler
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Daimler Ag
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • 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 device for operating a waste heat recovery system according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for operating a
  • Waste heat recovery system according to the preamble of claim 6.
  • Cooling circuit is connected and in the Clausius-Rankine cycle, a capacitor, a pump and an expansion unit are arranged. Furthermore, a surge tank to compensate for volume / pressure fluctuations of a circulating within the Clausius-Rankine cycle working fluid and a pressure control device are provided, wherein the pressure control means prevailing in a surge tank pressure of
  • DE 10 2010 053 835 A1 discloses an apparatus and a method for operating a waste heat recovery circuit for an internal combustion engine in a vehicle, in particular a Clausius-Rankine cycle or an Organic Clausius-Rankine cycle.
  • the waste heat recovery circuit comprises an at least time and / or sections of liquid working medium, wherein a degassing device is arranged in the waste heat recovery circuit, which is designed to passively and to an automatic venting of the working medium.
  • the degassing device comprises a diaphragm valve or float valve and is in a low pressure section of the
  • Waste heat recovery circuit in a liquid working medium flow between an output of a capacitor and an input of a conveyor unit at one opposite a position of the output of the capacitor and a position of the input of the conveyor unit elevated position.
  • the degassing device opens when a pressure in the low-pressure section exceeds a predeterminable value
  • the degassing device is operated continuously during operation of the waste heat recovery circuit and separates the working medium of gases or gas mixtures.
  • the separated from the working medium or separated from the working medium gas or gas mixture is of the
  • Degassing device regulated or controlled on or in an environment of the
  • the invention is based on the object, a comparison with the prior art improved device and an improved method for operating a
  • the object is achieved by the features specified in claim 1 and in terms of the method by the features specified in claim 6.
  • the apparatus for operating a waste heat recovery system in particular in a motor vehicle, comprises a waste heat recovery circuit, which has a delivery unit for conveying a liquid working medium, at least one evaporator for
  • Evaporation of the working medium by means of waste heat of a waste heat source, at least one expansion machine for expansion of the vaporized working medium and a condenser for condensing the expanded working medium comprises. Furthermore, the device comprises a with the waste heat recovery circuit in a region between the condenser and the delivery unit fluidly coupled reservoir to compensate for volume and / or pressure fluctuations of circulating within the waste heat recovery circuit working medium.
  • an air collector is fluidly coupled to the surge tank and the waste heat recovery circuit. Due to the expansion tank with the openness of gases to the environment and due to the coupled with the surge tank air collector absolute tightness of the waste heat recovery system is not required, thereby cost-effective
  • Components are usable.
  • Waste heat recovery system is both for operation with negative pressure as well as for operation with overpressure technologically and in terms of cost very expensive.
  • a power yield of the waste heat recovery system can be increased by reducing the proportion of air and adjusting an optimal level of working fluid in the waste heat recovery system.
  • Fig. 1 shows schematically a block diagram of a waste heat recovery system with a
  • FIG. 2 shows schematically a program flowchart of a method for operating a
  • Waste heat recovery system 1 shows a block diagram of a possible waste heat recovery system 1 with a waste heat recovery circuit 2 and a device 3 for operating the Waste heat recovery system 1, which is based on a closed thermodynamic cycle, for example, on a so-called Clausius-Rankine cycle process, shown.
  • the waste heat utilization system 1 is provided in particular for the use of waste heat in a motor vehicle, not shown, for example a commercial vehicle.
  • a non-illustrated internal combustion engine of the motor vehicle is used as a waste heat source (not shown in detail), wherein the waste heat is heat loss of the internal combustion engine.
  • the waste heat recovery circuit 2 comprises a conveyor unit 2.1 for conveying a liquid working medium AM, for example water or ethanol, a
  • Waste heat source an expansion machine 2.3, for example, a turbine, for
  • Working medium AM and a condenser 2.4 for condensing the expanded working medium AM are identical to Working medium AM and a condenser 2.4 for condensing the expanded working medium AM.
  • Evaporator 2.2 isobar heat is supplied.
  • This heat is waste heat of the example designed as an internal combustion engine waste heat source, which is thermally coupled to the evaporator 2.2.
  • the waste heat is by means of the
  • Working medium AM in particular initially heated to an evaporation point, then evaporated isothermal and optionally additionally superheated.
  • a plurality of evaporators 2.2 may be provided for the realization of one or more so-called reheaters.
  • the evaporated working medium AM of the expansion machine 2.3 is supplied, by means of which a particular adiabatic trained expansion of the vaporous working medium AM is performed.
  • the resulting from the expansion and generated by the expansion machine 2.3 mechanical energy is used for example directly to support the internal combustion engine when driving the motor vehicle or to drive other units of the motor vehicle.
  • at least a part of the mechanical energy by means of a Generators converted into electrical energy, stored and / or used directly for the operation of electrical consumers of the motor vehicle.
  • the expanded or expanded working medium AM is fed to the condenser 2.4, in which a particularly isobaric
  • Condensation of the vaporous working medium AM is carried out by cooling.
  • the capacitor 2.4 for example, with a cooling circuit of
  • the working medium AM is designed such that within the
  • Abley proceedingssniklaufs 2 operating conditions may occur, in which negative pressure prevails, d. H. a system pressure is less than an ambient pressure, or in which overpressure prevails, d. H. the system pressure is greater than the ambient pressure.
  • the waste heat utilization system 1 is hermetically not dense, so that in the idle state of the waste heat recovery system 1, in which the system pressure is less than the ambient pressure, air can enter the waste heat recovery circuit 2. During operation, this air can impair the thermodynamic cycle and thus reduce the efficiency of the waste heat utilization system 1. To increase the efficiency, therefore, a leading out of the air from the waste heat recovery circuit 2, d. H. a so-called vent, required.
  • the device 3 comprises a with the
  • Waste heat recovery circuit 2 in a range between the condenser 2.4 and the delivery unit 2.1 fluidly coupled air collector 3.1, which by means of a valve 3.2 fluidly coupled with a compensating for volume and / or pressure fluctuations of the working medium AM provided expansion tank 3.3 and separable from this.
  • the valve 3.2 is controllable and / or regulated and connected for this purpose with a control unit 3.4, the control of the valve 3.2 by means of
  • Control unit 3.4 is described in detail with reference to the program flowchart shown in Figure 2.
  • the device 3 comprises a within the waste heat recovery circuit 2 in the region between the condenser 2.4 and the conveyor unit 2.1 before Air collector 3.1 arranged temperature detection unit 3.5 for detecting a temperature of the working medium AM and also in the area between the
  • the surge tank 3.3 comprises a level sensor 3.7 for detecting a level of befindlichem within the surge tank 3.3
  • FIG. 2 shows a program flow chart of a possible exemplary embodiment of a method according to the invention for controlling the one shown in FIG.
  • the method is carried out such that, as already described by means of the delivery unit 2.1 a particular adiabatic and isentropic pressure increase of
  • Working medium AM is performed before this isobaric is supplied within the evaporator 2.2 heat.
  • This heat is waste heat of example as
  • a plurality of evaporators 2.2 may be provided for the realization of one or more so-called reheaters.
  • the evaporated working medium AM of the expansion machine 2.3 is supplied, by means of which a particular adiabatic trained expansion of the vaporous working medium AM is performed.
  • the resulting from the expansion and generated by the expansion machine 2.3 mechanical energy is used for example directly to support the internal combustion engine when driving the motor vehicle or to drive other units of the motor vehicle.
  • at least part of the mechanical energy is converted into electrical energy by means of a generator, stored and / or used directly for operating electrical consumers of the motor vehicle.
  • the expanded or expanded working medium AM is fed to the condenser 2.4, in which a particularly isobaric Condensation of the vaporous working medium AM is carried out by cooling.
  • the capacitor 2.4 for example, with a cooling circuit of
  • Venting of the waste heat recovery circuit 2 and filling thereof are performed as described below.
  • a first step S1 initially takes place
  • step S1 To determine the amount of air in step S1, a method is used, which in
  • Pressure measuring unit 3.6 measured pressure the air volume in
  • Waste heat recovery circuit 2 determines. For this purpose, the measured pressure is compared with a reference pressure taken from a database.
  • the reference pressure is determined in the database from a so-called vapor pressure curve on the basis of a temperature determined by means of the temperature detection unit 3.5 and stored material characteristic data.
  • the measured pressure and the reference pressure are identical. If the measured pressure is above the reference pressure, an existing differential pressure is used to calculate an air partial pressure and thus the amount of air present in the waste heat recovery circuit 2. This calculation in the idle state serves as an initialization in the
  • step S2 the current amount of air in the waste heat recovery circuit 2 is determined during the operation of the waste heat recovery circuit 2 in analogy to step S1.
  • step S3 a comparison of the values of the air quantity determined in step S1 and step S2 takes place, it being determined by means of the comparison in a further branch V2 whether a degassing and / or a reduction of a filling quantity of working medium AM, hereinafter referred to as Emptying is possible. If no degassing or emptying is possible, it is determined in a further branch V3 whether a filling of the waste heat recovery circuit 2 with working medium AM is possible.
  • step S2 If the filling is not possible, an immediate return of the method to step S2. If the filling is possible, it is checked in a further branch V4, whether the filling is required. If this is the case, in a fourth step S4, a control of a refilling of the waste heat recovery circuit 2 and then a return to step S2. If a filling is not required, the
  • step S2 immediately.
  • step S5 it is determined in a further branch V5 whether the emptying is necessary. If this is the case, in a fifth step S5 a control of the emptying and then a return of the method to step S2.
  • step S6 it is determined in a further branch V6 whether the degassing is required. If this is the case, in a sixth step S6, a control of the degassing and then a return of the method to step S2. If no degassing is required, the procedure for branching V3 is continued.
  • the degassing occurs at detected overpressure, that is, the reduction in the amount of air in the waste heat recovery circuit 2, such that the valve 3.2 is opened and air taken within the air collector 3.1 air flows into the expansion tank 3.3.
  • the valve 3.2 is controlled in cycles and an air bubble formed in the air collector 3.1 escapes piece by piece into the expansion tank 3.3. This is followed in short periods of valve opening longer periods of time with the valve closed 3.2, so that the air can accumulate again in the air collector 3.1 and a lot of escaping working fluid AM is minimized.
  • This negative pressure can either arise independently by operating situations or can also be generated specifically by appropriate control of the capacitor 2.4, in particular an increase in a cooling capacity, and / or a control of the delivery unit 2.1, in particular a reduction of the delivery.
  • the valve 3.2 is opened and due to the negative pressure in the expansion tank 3.3 befindliches working medium AM is sucked back into the waste heat recovery circuit 2. This takes place, in particular, until a predetermined minimum level of the expansion tank 3.3 is detected by means of the level sensor 3.7 or a predetermined filling quantity of the waste heat recovery circuit 2 is set. There remains always a residual amount of working medium AM in the expansion tank 3.3, in order to avoid suction of air from this in the waste heat recovery circuit 2.
  • Waste heat recovery circuit 2 is completely filled with the working medium AM at rest and a pressure difference to the environment and thereby an amount of air possibly entering into the waste heat recovery circuit 2 is reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (3) zum Betrieb eines Abwärmenutzungssystems (1) mit einem Abwärmenutzungskreislauf (2), wobei der Abwärmenutzungskreislauf (2) eine Fördereinheit (2.1) zur Förderung eines flüssigen Arbeitsmediums (AM), zumindest einen Verdampfer (2.2) zur Verdampfung des Arbeitsmediums (AM) mittels Abwärme einer Abwärmequelle, zumindest eine Expansionsmaschine (2.3) zur Expansion des verdampften Arbeitsmediums (AM) und einen Kondensator (2.4) zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums (AM) umfasst. Die Vorrichtung (3) umfasst weiterhin einen mit dem Abwärmenutzungskreislauf (2) in einem Bereich zwischen dem Kondensator (2.4) und der Fördereinheit (2.1) strömungstechnisch gekoppelten Ausgleichsbehälter (3.3) zum Ausgleich von Volumen- und/oder Druckschwankungen des innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs (2) zirkulierenden Arbeitsmediums (AM). Erfindungsgemäß ist der Ausgleichsbehälter (3.3) zur Umgebung offen für Gase und zwischen dem Ausgleichsbehälter (3.3) und dem Abwärmenutzungskreislauf (2) ist ein Luftsammler (3.1) strömungstechnisch mit dem Ausgleichsbehälter (3.3) und dem Abwärmenutzungskreislauf (2) gekoppelt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Abwärmenutzungssystems (1).

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb eines Abwärmenutzungssystems
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines Abwärmenutzungssystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines
Abwärmenutzungssystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Aus der DE 10 2009 050 068 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Kühlkreis und einem Clausius-Rankine-Kreis zur Abwärmerückgewinnung bekannt, wobei der Clausius- Rankine-Kreis über eine Wärmetauschereinrichtung Wärme übertragend mit dem
Kühlkreis verbunden ist und in dem Clausius-Rankine-Kreis ein Kondensator, eine Pumpe und eine Expansionseinheit angeordnet sind. Weiterhin sind ein Ausgleichsbehälter zum Ausgleich von Volumen-/Druckschwankungen eines innerhalb des Clausius-Rankine- Kreis zirkulierenden Arbeitsmediums und eine Druckregeleinrichtung vorgesehen, wobei die Druckregeleinrichtung einen im Ausgleichsbehälter herrschenden Druck des
Arbeitsmediums aktiv reguliert.
Weiterhin ist aus der DE 10 2010 053 835 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb eines Abwärmenutzungskreislaufs für eine Verbrennungsmaschine in einem Fahrzeug, insbesondere eines Clausius-Rankine-Kreislaufs oder eines Organic-Clausius- Rankine-Kreislaufs, bekannt. Der Abwärmenutzungskreislauf umfasst ein zumindest zeit- und/oder abschnittsweise flüssiges Arbeitsmedium, wobei im Abwärmenutzungskreislauf eine Entgasungsvorrichtung angeordnet ist, welche passiv und zu einer automatischen Entlüftung des Arbeitsmediums ausgebildet ist. Die Entgasungsvorrichtung umfasst ein Membranventil oder Schwimmerventil und ist in einem Niederdruckabschnitt des
Abwärmenutzungskreislaufs in einem flüssigen Arbeitsmediumstrom zwischen einem Ausgang eines Kondensators und einem Eingang einer Fördereinheit an einer gegenüber einer Position des Ausgangs des Kondensators und einer Position des Eingangs der Fördereinheit erhöhten Position angeordnet. Die Entgasungsvorrichtung öffnet, wenn ein Druck in dem Niederdruckabschnitt einen vorgebbaren Wert über einem
Umgebungsdruck liegt. Dabei wird die Entgasungsvorrichtung während eines Betriebs des Abwärmenutzungskreislaufs kontinuierlich betrieben und trennt das Arbeitsmedium von Gasen oder Gasgemischen. Das vom Arbeitsmedium separierte oder aus dem Arbeitsmedium abgeschiedene Gas oder Gasgemisch wird von der
Entgasungsvorrichtung geregelt oder gesteuert an oder in eine Umgebung des
Abwärmenutzungskreislaufs abgegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines
Abwärmenutzungssystems anzugeben.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Vorrichtung zum Betrieb eines Abwärmenutzungssystems, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, umfasst einen Abwärmenutzungskreislauf, welcher eine Fördereinheit zur Förderung eines flüssigen Arbeitsmediums, zumindest einen Verdampfer zur
Verdampfung des Arbeitsmediums mittels Abwärme einer Abwärmequelle, zumindest eine Expansionsmaschine zur Expansion des verdampften Arbeitsmediums und einen Kondensator zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums umfasst. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen mit dem Abwärmenutzungskreislauf in einem Bereich zwischen dem Kondensator und der Fördereinheit strömungstechnisch gekoppelten Ausgleichsbehälter zum Ausgleich von Volumen- und/oder Druckschwankungen des innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs zirkulierenden Arbeitsmediums.
Erfindungsgemäß ist der Ausgleichsbehälter zur Umgebung offen für Gase und zwischen dem Ausgleichsbehälter und dem Abwärmenutzungskreislauf ist ein Luftsammler strömungstechnisch mit dem Ausgleichsbehälter und dem Abwärmenutzungskreislauf gekoppelt. Aufgrund des Ausgleichsbehälters mit der Offenheit für Gase zur Umgebung hin und aufgrund des mit dem Ausgleichsbehälter gekoppelten Luftsammlers ist keine absolute Dichtheit des Abwärmenutzungssystems erforderlich, wodurch kostengünstige
Komponenten verwendbar sind.
Mittels des Ausgleichsbehälters und des Luftsammlers ist in einfacher Weise eine effektive Entlüftung des Abwärmenutzungskreislaufs möglich, so dass eine vorhandene und einen Betrieb des Abwärmenutzungssystems beeinträchtigende Luft entfernt werden kann. Eine Erzeugung einer absoluten, d. h. hermetischen, Dichtheit des
Abwärmenutzungssystems ist sowohl für einen Betrieb mit Unterdruck als auch für einen Betrieb mit Überdruck technologisch und im Hinblick auf die Kosten sehr aufwendig.
Aufgrund der Entlüftung kann eine Leistungsausbeute des Abwärmenutzungssystems durch Reduzierung des Luftanteils und Einstellung eines optimalen Füllstands des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungssystem erhöht werden.
Bei einer Verwendung des Abwärmenutzungssystems in einem Kraftfahrzeug sind aufgrund der mittels der Vorrichtung automatisch durchführbaren Entlüftung und Befüllung des Abwärmenutzungskreislaufs mit dem Arbeitsmedium die Entlüftung und Befüllung individuell ohne das Erfordernis einer Wartungsmaßnahme möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild eines Abwärmenutzungssystems mit einer
Vorrichtung zum Betrieb desselben und
Fig. 2 schematisch einen Programmablaufplan eines Verfahrens zum Betrieb eines
Abwärmenutzungssystems.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines möglichen Abwärmenutzungssystems 1 mit einem Abwärmenutzungskreislauf 2 und einer Vorrichtung 3 zum Betrieb des Abwärmenutzungssystem 1 , welches auf einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, beispielsweise auf einem so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozess, basiert, dargestellt.
Das Abwärmenutzungssystem 1 ist insbesondere zur Nutzung von Abwärme in einem nicht gezeigten Kraftfahrzeug, beispielsweise eines Nutzfahrzeugs, vorgesehen.
Insbesondere wird als Abwärmequelle (nicht näher dargestellt) eine nicht näher dargestellte Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs verwendet, wobei die Abwärme Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine ist.
Der Abwärmenutzungskreislauf 2 umfasst eine Fördereinheit 2.1 zur Förderung eines flüssigen Arbeitsmediums AM, beispielsweise Wasser oder Ethanol, einen
Verdampfer 2.2 zur Verdampfung des Arbeitsmediums AM mittels Abwärme der
Abwärmequelle, eine Expansionsmaschine 2.3, beispielsweise eine Turbine, zur
Erzeugung mechanischer Energie durch Expandieren des verdampften
Arbeitsmediums AM und einen Kondensator 2.4 zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums AM.
In bekannter Weise erfolgt mittels der Fördereinheit 2.1 eine insbesondere adiabate und isentrope Druckerhöhung des Arbeitsmediums AM, bevor diesem innerhalb des
Verdampfers 2.2 isobar Wärme zugeführt wird. Diese Wärme ist Abwärme der beispielsweise als Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Abwärmequelle, welche thermisch mit dem Verdampfer 2.2 gekoppelt ist. Die Abwärme wird mittels des
Verdampfers 2.2 auf das Arbeitsmedium AM übertragen. Hierbei wird das
Arbeitsmedium AM insbesondere zunächst bis zu einem Verdampfungspunkt erwärmt, anschließend isotherm verdampft und gegebenenfalls zusätzlich überhitzt. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen können mehrere Verdampfer 2.2 zur Realisierung einer oder mehrerer so genannter Zwischenüberhitzungen vorgesehen sein.
Anschließend wird das verdampfte Arbeitsmedium AM der Expansionsmaschine 2.3 zugeführt, mittels welcher eine insbesondere adiabat ausgebildete Expansion des dampfförmigen Arbeitsmediums AM durchgeführt wird. Die hierbei aus der Expansion resultierende und mittels der Expansionsmaschine 2.3 erzeugte mechanische Energie wird beispielsweise direkt zur Unterstützung der Verbrennungskraftmaschine beim Antrieb des Kraftfahrzeugs oder zum Antrieb weiterer Aggregate des Kraftfahrzeugs verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird zumindest ein Teil der mechanischen Energie mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt, gespeichert und/oder unmittelbar zum Betrieb elektrischer Verbraucher des Kraftfahrzeugs verwendet.
Nach der Expansion wird das expandierte oder entspannte Arbeitsmedium AM dem Kondensator 2.4 zugeführt, in welchem eine insbesondere isobar ausgebildete
Kondensation des dampfförmigen Arbeitsmediums AM durch Kühlung erfolgt. Für diese Kühlung ist der Kondensator 2.4 beispielsweise mit einem Kühlkreislauf der
Verbrennungskraftmaschine und/oder einem Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs gekoppelt.
Das Arbeitsmedium AM ist dabei derart ausgebildet, dass innerhalb des
Abwärmenutzungskreislaufs 2 Betriebszustände auftreten können, in welchen Unterdruck herrscht, d. h. ein Systemdruck ist kleiner als ein Umgebungsdruck, oder in welchen Überdruck herrscht, d. h. der Systemdruck ist größer als der Umgebungsdruck.
Das Abwärmenutzungssystem 1 ist dabei hermetisch nicht dicht ausgebildet, so dass im Ruhezustand des Abwärmenutzungssystem 1 , in welchem der Systemdruck kleiner als der Umgebungsdruck ist, Luft in den Abwärmenutzungskreislauf 2 eintreten kann. Diese Luft kann im Betrieb zu einer Beeinträchtigung des thermodynamischen Kreisprozesses und somit zu einer Verringerung eines Wirkungsgrades des Abwärmenutzungssystems 1 führen. Zur Steigerung des Wirkungsgrades ist deshalb ein Herausführen der Luft aus dem Abwärmenutzungskreislauf 2, d. h. eine so genannte Entlüftung, erforderlich.
Zu dieser Entlüftung umfasst die Vorrichtung 3 einen mit dem
Abwärmenutzungskreislauf 2 in einem Bereich zwischen dem Kondensator 2.4 und der Fördereinheit 2.1 strömungstechnisch gekoppelten Luftsammler 3.1 , welcher mittels eines Ventils 3.2 strömungstechnisch mit einem zum Ausgleich von Volumen- und/oder Druckschwankungen des Arbeitsmediums AM vorgesehenen Ausgleichsbehälter 3.3 koppelbar und von diesem trennbar ist.
Das Ventil 3.2 ist dabei steuerbar und/oder regelbar und zu diesem Zweck mit einer Steuereinheit 3.4 verbunden, wobei die Ansteuerung des Ventils 3.2 mittels der
Steuereinheit 3.4 unter Bezugnahme auf den in Figur 2 dargestellten Programmablaufplan näher beschrieben wird.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung 3 eine innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs 2 im Bereich zwischen dem Kondensator 2.4 und der Fördereinheit 2.1 vor dem Luftsammler 3.1 angeordnete Temperaturerfassungseinheit 3.5 zur Erfassung einer Temperatur des Arbeitsmediums AM und eine ebenfalls im Bereich zwischen dem
Kondensator 2.4 und der Fördereinheit 2.1 vor dem Luftsammler 3.1 angeordnete Druckerfassungseinheit 3.6 zur Erfassung eines Drucks des Arbeitsmediums AM.
Ferner umfasst der Ausgleichsbehälter 3.3 einen Füllstandssensor 3.7 zur Erfassung eines Füllstands von innerhalb des Ausgleichsbehälters 3.3 befindlichem
Arbeitsmedium AM.
Figur 2 zeigt einen Programmablaufplan eines möglichen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung des in Figur 1 dargestellten
Abwärmenutzungssystems 1.
Das Verfahren wird dabei derart ausgeführt, dass wie bereits beschrieben mittels der Fördereinheit 2.1 eine insbesondere adiabate und isentrope Druckerhöhung des
Arbeitsmediums AM durchgeführt wird, bevor diesem innerhalb des Verdampfers 2.2 isobar Wärme zugeführt wird. Diese Wärme ist Abwärme der beispielsweise als
Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Abwärmequelle, welche thermisch mit dem Verdampfer 2.2 gekoppelt ist. Die Abwärme wird mittels des Verdampfers 2.2 auf das Arbeitsmedium AM übertragen. Hierbei wird das Arbeitsmedium AM insbesondere zunächst bis zu einem Verdampfungspunkt erwärmt, anschließend isotherm verdampft und gegebenenfalls zusätzlich überhitzt. In nicht näher dargestellten
Ausführungsbeispielen können mehrere Verdampfer 2.2 zur Realisierung einer oder mehrerer so genannter Zwischenüberhitzungen vorgesehen sein.
Anschließend wird das verdampfte Arbeitsmedium AM der Expansionsmaschine 2.3 zugeführt, mittels welcher eine insbesondere adiabat ausgebildete Expansion des dampfförmigen Arbeitsmediums AM durchgeführt wird. Die hierbei aus der Expansion resultierende und mittels der Expansionsmaschine 2.3 erzeugte mechanische Energie wird beispielsweise direkt zur Unterstützung der Verbrennungskraftmaschine beim Antrieb des Kraftfahrzeugs oder zum Antrieb weiterer Aggregate des Kraftfahrzeugs verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird zumindest ein Teil der mechanischen Energie mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt, gespeichert und/oder unmittelbar zum Betrieb elektrischer Verbraucher des Kraftfahrzeugs verwendet.
Nach der Expansion wird das expandierte oder entspannte Arbeitsmedium AM dem Kondensator 2.4 zugeführt, in welchem eine insbesondere isobar ausgebildete Kondensation des dampfförmigen Arbeitsmediums AM durch Kühlung erfolgt. Für diese Kühlung ist der Kondensator 2.4 beispielsweise mit einem Kühlkreislauf der
Verbrennungskraftmaschine und/oder einem Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs gekoppelt.
Eine Entlüftung des Abwärmenutzungskreislaufs 2 und eine Befüllung desselben werden wie im Folgenden beschrieben durchgeführt.
Nach einem Start des Verfahrens erfolgt zunächst in einem ersten Schritt S1 eine
Bestimmung einer aktuellen Luftmenge im Abwärmenutzungskreislauf 2. Diese erfolgt bei ruhendem Abwärmenutzungskreislauf 2 wobei in einer ersten Verzweigung V1 überprüft wird, ob stationäre Bedingungen vorliegen (gekennzeichnet durch das Bezugszeichen J für "Ja") oder ob keine stationären Bedingungen vorliegen (gekennzeichnet durch das Bezugszeichen N für "Nein").
Zur Bestimmung der Luftmenge im Schritt S1 dient ein Verfahren, welches im
Ruhezustand des Abwärmenutzungskreislaufs 2 anhand eines mittels der
Druckerfassungseinheit 3.6 gemessenen Drucks die Luftmenge im
Abwärmenutzungskreislauf 2 bestimmt. Dazu wird der gemessene Druck mit einem aus einer Datenbank entnommenen Referenzdruck verglichen. Der Referenzdruck wird dabei in der Datenbank aus einer so genannten Dampfdruckkurve anhand einer mittels der Temperaturerfassungseinheit 3.5 ermittelten Temperatur und hinterlegten Stoffkenndaten ermittelt. Wenn sich keine Luft im Abwärmenutzungskreislauf 2 befindet, sind der gemessene Druck und der Referenzdruck identisch. Liegt der gemessene Druck über dem Referenzdruck, wird ein vorhandener Differenzdruck zur Berechnung eines Luft- Partialdrucks und damit der vorhandenen Luftmenge im Abwärmenutzungskreislauf 2 verwendet. Diese Berechnung im Ruhezustand dient als Initialisierung einer im
Systembetrieb laufend im zweiten Schritt S2 durchgeführten Partialdruckberechnung.
In diesem Schritt S2 wird während des Betriebs des Abwärmenutzungskreislaufs 2 gemäß analog zum Schritt S1 die aktuelle Luftmenge im Abwärmenutzungskreislauf 2 ermittelt. In einem darauffolgenden dritten Schritt S3 erfolgt ein Abgleich der im Schritt S1 und Schritt S2 ermittelten Werte der Luftmenge, wobei anhand des Abgleichs in einer weiteren Verzeigung V2 ermittelt wird, ob eine Entgasung und/oder eine Verringerung einer Füllmenge an Arbeitsmedium AM, im Folgenden als Entleerung bezeichnet, möglich ist. Ist keine Entgasung oder Entleerung möglich, wird in einer weiteren Verzweigung V3 ermittelt, ob eine Befüllung des Abwärmenutzungskreislaufs 2 mit Arbeitsmedium AM möglich ist.
Ist die Befüllung nicht möglich, erfolgt eine unmittelbare Rückführung des Verfahrens zu Schritt S2. Ist die Befüllung möglich, wird in einer weiteren Verzweigung V4 überprüft, ob die Befüllung erforderlich ist. Ist dies der Fall, erfolgt in einem vierten Schritt S4 eine Ansteuerung einer Wiederbefüllung des Abwärmenutzungskreislaufs 2 und anschließend eine Rückführung zu Schritt S2. Ist eine Befüllung nicht erforderlich, erfolgt die
Rückführung des Verfahrens zu Schritt S2 unmittelbar.
Wird dagegen in der Verzweigung V2 ermittelt, dass die Entgasung und/oder Entleerung möglich ist bzw. sind, wird in einer weiteren Verzweigung V5 ermittelt, ob die Entleerung erforderlich ist. Ist dies der Fall, erfolgt in einem fünften Schritt S5 eine Ansteuerung der Entleerung und anschließend eine Rückführung des Verfahrens zu Schritt S2.
Ist eine Entleerung nicht erforderlich, wird in einer weiteren Verzweigung V6 ermittelt, ob die Entgasung erforderlich ist. Ist dies der Fall, erfolgt in einem sechsten Schritt S6 eine Ansteuerung der Entgasung und anschließend eine Rückführung des Verfahrens zu Schritt S2. Ist keine Entgasung erforderlich, erfolgt eine Weiterführung des Verfahrens zur Verzweigung V3.
Dabei erfolgt die Entgasung bei erfasstem Überdruck, das heißt die Verringerung der Luftmenge im Abwärmenutzungskreislauf 2, derart, dass das Ventil 3.2 geöffnet wird und innerhalb des Luftsammlers 3.1 aufgenommene Luft in den Ausgleichsbehälter 3.3 strömt. Hierbei wird das Ventil 3.2 taktweise angesteuert und eine im Luftsammler 3.1 gebildete Luftblase entweicht jeweils stückweise in den Ausgleichsbehälter 3.3. Dabei folgen in kurzen Zeitabschnitten des Ventilöffnens längere Zeitabschnitte mit geschlossenem Ventil 3.2, damit sich die Luft wieder im Luftsammler 3.1 ansammeln kann und eine Menge an entweichendem Arbeitsmedium AM minimiert wird. Eine dennoch mit der Luft entweichende Menge des Arbeitsmediums AM wird im Ausgleichsbehälter 3.3 gesammelt, wobei mittels des in den Ausgleichsbehälter 3.3 eintretenden Arbeitsmediums AM im zur Umgebung geöffneten Ausgleichsbehälter 3.3 vorhandene Luft in die Umgebung verdrängt. Diese zuvor beschriebene Ansteuerung des Ventils 3.2 erfolgt in
wiederkehrenden Abfolgen bis entweder der Ausgleichsbehälter 3.3 vollständig mit Arbeitsmedium AM gefüllt ist und dies vom Füllstandsensor 3.7 erfasst wird oder bis eine berechnete Luftmenge im Abwärmenutzungskreislauf 2 einen vorgegebenen Wert erreicht hat.
Ist bei erfasstem Überdruck eine Entleerung, d. h. eine Verringerung der Füllmenge im Abwärmenutzungskreislauf 2, erforderlich, wird das Ventil 3.2 derart, insbesondere ohne Taktung, angesteuert, dass das Arbeitsmedium AM in den Ausgleichsbehälter 3.3 transportiert wird.
Um die Entlüftungsfunktion erneut durchzuführen, werden Betriebsphasen mit
vorherrschendem Unterdruck im Abwärmenutzungskreislauf 2 genutzt. Dieser Unterdruck kann sich entweder durch Betriebssituationen selbständig ergeben oder auch gezielt durch entsprechende Ansteuerung des Kondensators 2.4, insbesondere eine Erhöhung einer Kühlleistung, und/oder eine Ansteuerung der Fördereinheit 2.1, insbesondere eine Verringerung der Fördermenge, erzeugt werden. Bei erfasstem Unterdruck wird das Ventil 3.2 geöffnet und aufgrund des Unterdrucks wird in dem Ausgleichsbehälter 3.3 befindliches Arbeitsmedium AM zurück in den Abwärmenutzungskreislauf 2 gesaugt. Dies erfolgt insbesondere so lange, bis mittels des Füllstandssensors 3.7 ein vorgegebener minimaler Füllstand des Ausgleichsbehälters 3.3 erfasst wird oder eine vorgegebene Füllmenge des Abwärmenutzungskreislaufs 2 eingestellt ist. Es verbleibt immer eine Restmenge Arbeitsmedium AM im Ausgleichsbehälter 3.3, um ein Ansaugen von Luft aus diesem in den Abwärmenutzungskreislauf 2 zu vermeiden.
Mittels des zuvor beschriebenen Verfahrensablaufs ist es möglich, dass der
Abwärmenutzungskreislauf 2 im Ruhezustand vollständig mit dem Arbeitsmedium AM befüllt wird und eine Druckdifferenz zur Umgebung sowie dadurch eine Menge der möglicherweise eintretenden Luft in den Abwärmenutzungskreislauf 2 reduziert wird.
Weiterhin werden bei der Durchführung des Verfahrens vorherrschende Druckniveaus und Druckdifferenzen zwischen dem Abwärmenutzungskreislauf 2 und seiner Umgebung genutzt, um allein durch Ansteuerung des Ventils 3.2 ohne Nutzung einer Medienpumpe oder anderer aktiver Elemente die Luft aus dem Abwärmenutzungskreislauf 2 heraus oder das Arbeitsmedium AM in den Abwärmenutzungskreislauf 2 hinein oder heraus zu fördern. Bezugszeichenliste
1 Abwärmenutzungssystem
2 Abwärmenutzungskreislauf
2.1 Fördereinheit
2.2 Verdampfer
2.3 Expansionsmaschine
2.4 Kondensator
3 Vorrichtung
3.1 Luftsammler
3.2 Ventil
3.3 Ausgleichsbehälter
3.4 Steuereinheit
3.5 Temperaturerfassungseinheit
3.6 Druckerfassungseinheit
3.7 Füllstandssensor
AM Arbeitsmedium
J Ja
N Nein
S1 bis S6 Schritt
V1 bis V6 Verzweigung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (3) zum Betrieb eines Abwärmenutzungssystems (1) mit einem
Abwärmenutzungskreislauf (2), wobei der Abwärmenutzungskreislauf (2)
- eine Fördereinheit (2.1) zur Förderung eines flüssigen Arbeitsmediums (AM),
- zumindest einen Verdampfer (2.2) zur Verdampfung des Arbeitsmediums (AM) mittels Abwärme einer Abwärmequelle,
- zumindest eine Expansionsmaschine (2.3) zur Expansion des verdampften Arbeitsmediums (AM) und
- einen Kondensator (2.4) zum Kondensieren des expandierten
Arbeitsmediums (AM) umfasst;
- mit einem mit dem Abwärmenutzungskreislauf (2) in einem Bereich zwischen dem Kondensator (2.4) und der Fördereinheit (2.1) strömungstechnisch gekoppelten Ausgleichsbehälter (3.3) zum Ausgleich von Volumen- und/oder
Druckschwankungen des innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs (2) zirkulierenden Arbeitsmediums (AM),
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Ausgleichsbehälter (3.3) zur Umgebung offen für Gase ist
- und zwischen dem Ausgleichsbehälter (3.3) und dem
Abwärmenutzungskreislauf (2) ein Luftsammler (3.1) strömungstechnisch mit dem Ausgleichsbehälter (3.3) und dem Abwärmenutzungskreislauf (2) gekoppelt ist.
2. Vorrichtung (3) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
- zwischen dem Ausgleichsbehälter (3.3) und dem Luftsammler (3.1) zumindest ein Ventil (3.2) angeordnet ist,
- mittels welchem der Ausgleichsbehälter (3.3) und der Luftsammler (3.1) strömungstechnisch miteinander koppelbar und strömungstechnisch voneinander trennbar sind.
3. Vorrichtung (3) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zumindest eine Ventil (3.2) mit einer Steuereinheit (3.4) zur Steuerung und/oder Regelung des Ventils (3.2) gekoppelt ist.
4. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs (2) im Bereich zwischen dem
Kondensator (2.4) und der Fördereinheit (2.1) vor dem Luftsammler (3.1) zumindest eine Druckerfassungseinheit (3.6) zur Erfassung eines Drucks des
Arbeitsmediums (AM) und/oder zumindest eine Temperaturerfassungseinheit (3.5) zur Erfassung einer Temperatur des Arbeitsmediums (AM) angeordnet sind bzw. ist.
5. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ausgleichsbehälter (3.3) einen Füllstandssensor (3.7) zur Erfassung eines Füllstands von innerhalb des Ausgleichsbehälters (3.3) befindlichem
Arbeitsmedium (AM) umfasst.
6. Verfahren zum Betrieb eines Abwärmenutzungssystems (1), wobei das
Abwärmenutzungssystem (1) einen Abwärmenutzungskreislauf (2) mit
- einer Fördereinheit (2.1), mittels welcher ein flüssiges Arbeitsmedium (AM) gefördert wird,
- zumindest einem Verdampfer (2.2), mittels welchem das Arbeitsmedium (AM) mittels Abwärme einer Abwärmequelle verdampft wird,
- zumindest einer Expansionsmaschine (2.3), mittels welcher das verdampfte Arbeitsmedium (AM) expandiert wird, und
- einem Kondensator (2.4), mittels welchem das expandierte Arbeitsmedium (AM) kondensiert wird, umfasst
und mittels eines mit dem Abwärmenutzungskreislauf (2) in einem Bereich zwischen dem Kondensator (2.4) und der Fördereinheit (2.1) strömungstechnisch gekoppelten Ausgleichsbehälters (3.3) Volumen- und/oder Druckschwankungen des innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs (2) zirkulierenden Arbeitsmediums (AM) ausgeglichen werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
- zwischen dem zur Umgebung offen für Gase ausgebildeten
Ausgleichsbehälter (3.3) und dem Abwärmenutzungskreislauf (2) ein
Luftsammler (3.1) strömungstechnisch mit dem Ausgleichsbehälter (3.3) und dem Abwärmenutzungskreislauf (2) gekoppelt ist, wobei mittels des Luftsammlers (3.1) innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs (2) vorhandene Luft bei Überdruck aufgenommen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei erfasstem Überdruck innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs (2) zu einer Entlüftung des Abwärmenutzungskreislaufs (2) ein zwischen dem
Ausgleichsbehälter (3.3) und dem Luftsammler (3.1) angeordnetes Ventil (3.2) geöffnet wird und innerhalb des Luftsammlers (3.1) aufgenommene Luft und/oder Arbeitsmedium (AM) in den Ausgleichsbehälter (3.3) strömt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei erfasstem Unterdruck innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs (2) zu einer Befüllung des Abwärmenutzungskreislaufs (2) mit Arbeitsmedium (AM) ein zwischen dem Ausgleichsbehälter (3.3) und dem Luftsammler (3.1) angeordnetes Ventil (3.2) geöffnet wird und innerhalb des Ausgleichsbehälters (3.3) vorhandenes
Arbeitsmedium (AM) durch den Luftsammler (3.1) in den
Abwärmenutzungskreislauf (3.2) strömt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ventil (3.2) getaktet angesteuert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels einer Steuerung einer Kühlleistung des Kondensators (2.4) und/oder einer Steuerung einer Förderleistung der Fördereinheit (2.1) ein Zustand innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs (2) derart eingestellt wird, dass ein definierter Unterdruck oder Überdruck innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs (2) erzeugt wird.
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