WO2018007432A1 - Abwärmenutzungseinrichtung - Google Patents

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WO2018007432A1
WO2018007432A1 PCT/EP2017/066740 EP2017066740W WO2018007432A1 WO 2018007432 A1 WO2018007432 A1 WO 2018007432A1 EP 2017066740 W EP2017066740 W EP 2017066740W WO 2018007432 A1 WO2018007432 A1 WO 2018007432A1
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working medium
cooling medium
condenser
fluid
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PCT/EP2017/066740
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Michael Bucher
Michael HÖTGER
Original Assignee
Mahle International Gmbh
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    • F01K9/02—Arrangements or modifications of condensate or air pumps
    • F01K9/023—Control thereof

Definitions

  • the invention relates to a waste heat utilization device.
  • Waste heat utilization facilities with a waste heat recovery cycle for example, use the waste heat of an internal combustion engine in a motor vehicle.
  • a steam generator is charged with said waste heat.
  • the circulating in the steam cycle process working medium is heated, evaporated and superheated.
  • the hot and under high pressure working medium is then expanded in an expansion machine and does mechanical work, which can be used as an additional vehicle drive or for driving a generator or an air conditioning system.
  • the steam generator is formed by a heat exchanger, through which a working medium for receiving heat can be conducted.
  • the working fluid is expanded from the high first pressure level to a lower second pressure level below working power.
  • the pistons drive a shaft, which serves for example for moving a vehicle.
  • the expanded fluid is cooled in a condenser and liquefied and fed back to the fluid circuit via a pump. The higher the pressure and temperature difference, the higher the efficiency of the system.
  • a working medium water can be used, the steam is released while leaving work. But it can also be used, for example, organic working fluid or water with additives that can be valuable or harmful to the environment. Then leakage of the working medium is undesirable.
  • One in the waste heat recovery circuit downstream of the expansion machine arranged capacitor arrangement is used for liquefaction of the expanded working medium. Typical temperatures of the working medium are a few hundred ° C for the high-energy vapor state and water at 100 ° C as the condensation temperature.
  • the condensed working medium is supplied to a working medium reservoir present in the waste heat recovery circuit, typically in the form of a suitably realized container, where it is available again for the waste heat recovery cycle without losses.
  • Feed water is used as the working medium.
  • the water is evaporated in an evaporator.
  • the steam is expanded in an expansion machine under work. After expansion, the vapor is condensed in a condenser and fed by means of an electrically or mechanically operated pump to a reservoir, from which it is again available for the circulation.
  • the work machine described is used for example as an auxiliary unit in motor vehicles. For use in winter, it is known to add antifreeze to the working fluid. It is also known, the working medium
  • Add lubricant such as oil.
  • lubricant such as oil
  • the described arrangements can overheat if, for example, too much heat is supplied to the steam cycle process. Then the components of the waste heat recovery circuit may be damaged.
  • the basic idea of the invention is accordingly to lead a cooling medium stored in a container via a fluid line into the condenser of the waste heat recovery circuit.
  • the container is inventively constructed such that in this two fluidly separate subspaces are provided, wherein a first subspace communicates fluidly with the actual waste heat recovery circuit and therefore can be filled with the working fluid of the waste heat recovery circuit.
  • the cooling medium is arranged in the second subspace.
  • the two subspaces are variable in volume, in such a way that with a volume increase of the first subspace a decrease in volume of the second subspace is accompanied and vice versa. This can be realized, for example, by separating the two subspaces from a flexible material by means of a suitable separating element.
  • a waste heat utilization device comprises a waste heat recovery circuit, in which a working medium circulates and which is subdivided into a high-pressure region and into a low-pressure region.
  • the waste heat utilization device comprises a conveyor arranged in the waste heat recovery circuit for driving the working medium, one with a arranged in the high pressure steam generator for evaporation of the working medium and an expansion machine for expansion of the working fluid under labor to the pressure of the low pressure area.
  • at least one condenser for condensing the expanded working medium is arranged in the low-pressure region.
  • a container Downstream of the condenser, a container is provided according to the invention, in whose container interior a separating element is arranged, which subdivides the container interior into a first and a second subspace of variable volume.
  • the first subspace communicates fluidly with the low pressure region of the waste heat recovery circuit downstream of the condenser.
  • the second compartment of the container is filled or filled with a cooling medium.
  • Said cooling medium is fluidly separated via a fluid line of the waste heat utilization device to the working medium into the condenser introduced, so that in this way the working fluid can be condensed by thermal interaction with the cooling medium.
  • the first subspace communicates via a first pressure relief valve with the low pressure region of the waste heat recovery circuit.
  • the first pressure relief valve is designed such that it releases a fluid connection between the first subspace and the low pressure region for flowing through the working medium when a predetermined first threshold pressure of the working medium in the first pressure relief valve is exceeded. In this way, it is ensured that the working fluid is introduced into the container only in the event of a fault, that is to say when the fluid pressure is too high.
  • the first pressure relief valve may be formed as a check valve.
  • the separating element for forming the first pressure relief valve comprises a separating membrane of a resilient material which expands when the predetermined first threshold pressure of the working medium is exceeded, so that the working medium can be flowed into the first subspace and can be accommodated there.
  • a separate pressure relief valve - such as in the form of a check valve - which reduces the cost of the waste heat utilization device.
  • a second pressure relief valve is further arranged in the fluid line.
  • the second pressure relief valve is designed such that it overshoots a predetermined, second threshold pressure of the cooling medium in the second pressure relief valve from a closed to an open state, ie opens, in such a way that the cooling medium via a fluid outlet from the fluid conduit in the vicinity of the waste heat utilization device is derivable.
  • the second pressure relief valve is designed such that when a second threshold pressure is exceeded, the cooling medium can escape from the fluid line into the environment of the waste heat recovery circuit. In this way it is ensured that at too high fluid pressure of the cooling medium in the Fluid line or in the condenser of this is not damaged, but can be done to reduce the pressure a discharge of the cooling medium from the condenser.
  • the capacitor is designed as dreifluti- ger capacitor with three fluid paths.
  • a first fluid path for flowing through the working medium is formed.
  • a second fluid path is designed to flow through with the cooling medium, and
  • a third fluid path is designed to flow through with an additional cooling medium.
  • the three fluid paths extend fluidically separated from one another in the condenser and are thermally coupled to one another for heat exchange between the working medium and the two cooling media.
  • the additional cooling medium the working medium can be cooled by default in a nominal operating state of the waste heat utilization device via the third fluid path.
  • the cooling medium takes place via the second fluid path additional cooling in case of failure.
  • the condenser is designed as a double-flow condenser with two fluid paths.
  • the two fluid paths run fluidically separated from one another, at least in the condenser, and are thermally coupled to one another for heat exchange between the working medium and the cooling medium or the additional cooling medium.
  • the second fluid path for simultaneous flow through the cooling medium and with the additional cooling medium is formed.
  • the fluid line opens out of the condenser into the second fluid path, so that the cooling medium and the additional cooling medium can mix.
  • the structure of the capacitor can be kept simple. In particular, it can be dispensed with the provision of a technically more complicated, three-flow capacitor or the provision of a separate additional capacitor. This has an advantageous effect on the production costs of the waste heat utilization device.
  • the second fluid path is designed to flow through with the cooling medium.
  • another, double-flow condenser with a first and a second fluid path is provided in the low-pressure region.
  • the first fluid path of this additional capacitor is designed to flow through with the working medium and the second fluid path to flow through with the additional cooling medium. Since in this variant, even in case of failure, the cooling medium and the additional cooling medium can not mix, a maintenance of the waste heat utilization device in case of failure and an associated separation of the two cooling medium is not required.
  • the condenser can be arranged between the second pressure relief valve and the container.
  • the second pressure relief valve between the condenser and the container may be seconded. Both variants require very little space.
  • the separating element is designed as a separating membrane of a flexible, in particular of a resilient material. In this way, the variability of the two partial volumes essential to the invention can be be realized in a technically simple and thus cost-effective manner.
  • the separating element has a stretched state, in which the first subspace has a maximum volume and the second subspace has a minimum volume. Furthermore, in this variant, the separating element has a relaxed state, in which the first subspace has a minimum volume and the second subspace has a maximum volume. If the fluid pressure of the working medium rises downstream of the condenser, the vapor phase of the working medium can flow into the first subspace, as a result of which the separating element is stretched so that the first subspace increases. The concomitant reduction of the second subspace causes the cooling medium from the container is pressed into the fluid line and passed through this in the condenser, where it can cool by heat exchange with the working fluid this.
  • a check valve is arranged fluidically parallel to the first pressure relief valve, which in case escaped from the fluid conduit cooling medium and at a predetermined third pressure of the working medium in the container, a backflow of the working medium from the Container in the waste heat recovery circuit allows.
  • Said check valve serves to allow backflow of the working medium out of the container into the waste heat recovery circuit when the cooling medium has escaped from the fluid line into the environment, ie, the waste heat recovery cycle with additional working medium is not required in this scenario A to fill.
  • the temperature difference between an evaporation temperature of the cooling medium and a condensation temperature of the working medium is at least 30 ° C., preferably at least 80 ° C. In this way, a particularly high heat transfer between the working medium and the cooling medium can be ensured, which has an advantageous effect on the efficiency of the waste heat utilization device.
  • the working medium may be ethanol, acetone or Cydopentan and the first threshold pressure be about 10 bar.
  • the first threshold pressure can be achieved in this way that the working fluid condenses at about 150 ° C.
  • the cooling medium comprises water, and the second threshold pressure is between 1 bar and 1, 5 bar. In this way, an evaporation of the cooling medium, ie water, at a temperature between about 100 ° C and 1 10 ° C take place.
  • the cooling medium may contain glycol and / or salt.
  • glycol and / or salt By means of such an additive, a particularly high antifreeze effect can be produced.
  • a buffer of variable volume for temporarily storing the working medium in the waste heat recovery circuit is arranged in the low-pressure region. In this way, if necessary, the working medium and the energy contained in the working medium can be cached.
  • FIG. 1 shows an example of a waste heat utilization device according to the invention with a three-flow condenser in a schematic representation.
  • Fig. 2 shows a first variant of the example of Figure 1 with two double-flow
  • Fig. 3 shows a second variant of the example of Figure 1 with only a double-flow condenser.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an example of a waste heat utilization device 1 according to the invention.
  • the waste heat utilization device 1 comprises a waste heat recovery circuit 2, in which a working medium A circulates and which is subdivided into a high-pressure region 3 and into a low-pressure region 4.
  • a conveyor 5 is arranged in the form of a pump 6, which serves to drive the working medium A.
  • a container 10 Downstream of the condenser 9, a container 10 is arranged in the low-pressure region 4, in the container interior 1 1, a separating element 12 is provided. Said partition member 12 divides the container interior 1 1 fluid-tight in a first and a second subspace 13a, 13b each variable volume.
  • the already mentioned conveyor 6 Downstream of the container 10, the already mentioned conveyor 6 is arranged, so that the waste heat recovery circuit 2 is closed.
  • the separating element 12 may be formed as a separating membrane 19 made of a flexible material. Preferably a resilient material.
  • the separating element 12 designed as a separating membrane 19 may have an expanded state as shown in FIG. 1, in which the first subspace 13a has a maximum volume and the second subspace 13b has a minimal volume.
  • the separating element 12 designed as a separation membrane 19 also has a relaxed state, in which the first subspace 13a has a minimum volume and the second subspace 13b has a maximum volume.
  • the separation membrane 19 and the separator 12 is indicated in the relaxed state in dashed lines.
  • the first subspace 13a communicates via a first pressure relief valve 14a with the low pressure region 4 of the waste heat recovery circuit 2 downstream of the condenser 9.
  • the first pressure relief valve 14a is formed such that when a predetermined first threshold pressure pi of the working medium in the first Relief valve 14 a of this from a closed state, in which a fluid connection for the working fluid A between the first subspace and the low pressure region 4 is closed, switches to an open state. In the opened state, the fluid connection between the first subspace 13 a and the low pressure area 4 is released for flowing through with the working medium A. If ethanol, acetone or cyclopentane is used as working medium A, a value of about 10 bar can be selected as the first threshold pressure p-.
  • the second subspace 13b of the container interior 1 1 is filled with a cooling medium K, which can be fluidly separated via a fluid line 15 to the working medium in the condenser 9.
  • the working fluid A can be condensed by thermal interaction with the cooling medium K.
  • the cooling medium K water may be used which may contain glycol or a salt.
  • the cooling medium K is ideally chosen so that as much heat can be dissipated during evaporation of the same.
  • a second pressure relief valve 14b is arranged in the fluid line 15.
  • the second pressure relief valve 14b is designed such that when a predetermined second threshold pressure p 2 of the cooling medium K in the second pressure relief valve 14b is exceeded, it switches from a closed to an open state, so that the cooling medium K flows out of the fluid line 15 into the environment via a fluid outlet 21 16 of the waste heat utilization device 1 is divertable.
  • the ambient pressure p 2 of the environment 16 assumes the valve function of the pressure relief valve 14b. If, as already suggested above, water with glycol or a salt is used as cooling medium K, the value for the second threshold pressure p 2 between 1 bar and 1.5 bar proves to be particularly recommendable.
  • the capacitor 9 is disposed between the second pressure relief valve 14 b and the container 10.
  • the second pressure relief valve 14 b but also be disposed between the condenser 9 and the container 10.
  • the condenser 9 is furthermore designed for simultaneous thermal interaction of the working medium A with the cooling medium K from the container and with a further, additional cooling medium K * , for example with cooling water.
  • the condenser 9 thus has three fluidically separated fluid paths 17a, 17b, 17c for the working medium, the cooling medium K introduced from the container 10 into the condenser 9 and said additional cooling medium K * .
  • a check valve 18 can be arranged fluidically parallel to the first overpressure valve 14a between the container 10 and the waste heat recovery circuit 2. Said check valve 18 serves to allow backflow of the working medium A from the first subspace 13a of the container 10 into the waste heat recovery circuit 2 when the cooling medium K has escaped from the fluid line 15 into the environment 16, ie with quasi "deflated" fluid line 15.
  • the check valve 18 opens when exceeding a predetermined, third pressure p 3 of the working medium A in the container 10 and thus also in the check valve 18, so that a backflow of the working medium A in the actual waste heat recovery circuit. 1 becomes possible.
  • a buffer 20 variable volume for temporary storage of the working medium A can be arranged in the low pressure region 4 of the waste heat recovery circuit 2.
  • an arrangement of the buffer 20 as shown in FIG. 1 is conceivable downstream of the container 10 or of the condenser 9 and upstream of the conveying device 5.
  • the first overpressure valve 14 a opens and the working medium A can flow in vapor form into the first part 13 a of the container.
  • the separating element 12 is stretched in the form of the separating membrane 19, so that the volume of the first subspace 13a increases and, accordingly, the volume of the second subspace 13b is reduced by the same amount.
  • the cooling medium K located in the second subspace 13b is forced into the condenser 9 via the fluid line 15, where heat exchange with the working medium A also takes place. In this way, the working fluid A is cooled.
  • the first threshold pressure p- the first pressure relief valve 14a is about 10 bar, when using ethanol, acetone or cyclopentane as working fluid A can be achieved that this condenses at 150 ° C, while, as already explained, the cooling medium K at about 100 ° C to 1 10 ° C evaporated.
  • the working medium A and the cooling medium K are chosen such and the two threshold pressures pi, p 2 set such that said temperature difference between an evaporation temperature of the cooling medium K and a condensation temperature of the working medium A is at least 30 ° C, preferably at least 80 ° C.
  • a particularly high heat transfer between the working fluid A and the cooling medium K can be ensured, which has an advantageous effect on the efficiency of the waste heat utilization device 1 and in particular increases the reliability, as in a malfunction in the system, an overpressure can be reduced largely safely.
  • FIG. 2 shows a first variant of the waste heat utilization device 1 of FIG. 1. In the example of FIG.
  • two separate capacitors 9a, 9b are arranged in the waste heat recovery circuit 2 for condensing the working medium A in the low-pressure region 4. Both capacitors 9a, 9b are realized as double-ended capacitors.
  • the condenser 9a has a first fluid path 17a for flowing through the working medium A and a second fluid path 17b for flowing through the cooling medium K.
  • the two fluid paths 17a, 17b extend fluidically separated from each other in the condenser 9a, but are for heat exchange between the working medium A and Cooling medium K thermally coupled to each other.
  • the additional condenser 9b has a first fluid path 28a for flowing through the working medium A and a second fluid path 28b for flowing through the additional cooling medium.
  • the two fluid paths 28a, 28b extend fluidically separated from one another in the condenser 9b, but are used for heat exchange between the working medium A and additional cooling medium K * thermally coupled to each other.
  • the first condenser 9a serves to cool the working medium A in the event of a fault, that is to say when the fluid pressure of the working medium A is too high due to insufficient cooling.
  • the additional condenser 9b cools the working fluid A even in the nominal operation of the waste heat utilization device 1, that is, if there is no accident.
  • FIG. 3 shows a second variant of the waste heat utilization device 1 of FIG. 1.
  • the capacitor 9 - as in the example of Figure 1 - for a simultaneous thermal interaction of the working medium A both with the cooling medium K from the container 10 and with the additional, additional cooling medium K * , for example with cooling water , educated.
  • the condenser 9 has only two - and not three - fluid paths 17a, 17b.
  • the fluid path 17a serves to flow through with the working medium A.
  • the fluid path 17b basically serves to flow through with the additional cooling medium K * in the nominal operation of the waste heat utilization device 1.
  • the waste heat utilization device 1 of FIG. 3 differs from the waste heat utilization device 1 of FIG. 1 in that the fluid line 15 opens into the second fluid path 17b in a mouth point 25, ie there is a fluid connection between the second subspace 13b and the fluid path 17b. In case of failure, therefore, the cooling medium K is pressed out of the container 10 into the second fluid path 17b with the additional cooling medium K * . By means of a check valve 26 arranged in the fluid path 17b it is ensured that the cooling medium K flows in the direction of flow of the additional cooling medium K * into the fluid path 17b.
  • a valve disposed in the fluid path 17b (third) Pressure relief valve 14c opens on exceeding a predetermined third threshold pressure p 3, so that the mixture of cooling medium K and additional cooling medium K can be removed in a manner analogous to the examples of Figures 1 and 2 in the area 16 * ,
  • the third threshold pressure p 3 must be greater than the working pressure of the additional cooling medium K * in the nominal operating state of the waste heat utilization device 1.
  • the third pressure relief valve 14 c may be formed as a check valve 27.
  • the waste heat utilization device 1 according to Figure 3 has the advantage that the (second) capacitor 9b can be omitted.
  • the first overpressure valve 14a can be dispensed with in each case.
  • the separating element 12 acts as an overlay pressure relief valve.
  • it comprises a separation membrane 19 made of a resilient material which expands when the predetermined first threshold pressure pi of the working medium A is exceeded, so that the working medium A can then flow into the first subspace 13a.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungseinrichtung (1) mit einem Abwärmenutzungskreislauf (2), in welchen ein Arbeitsmedium (A) zirkuliert und welcher in einen Hochdruckbereich (3) und in einen Niederdruckbereich (4) unterteilt ist. Im Niederdruckbereich (4) ist ein Kondensator (9; 9a, 9b) zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums (A) angeordnet. Stromab des Kondensators (9; 9a, 9b) ist ein Behältnis (10) angeordnet, in dessen Behältnis-Innenraum (11) ein Trennelement (12) angeordnet ist, welche den Behältnis-Innenraum (11) in einen ersten und einen zweiten Teilraum (13a, 13b) mit jeweils variablem Volumen unterteilt. Der erste Teilraum (13a) kommuniziert über ein erstes Überdruckventil (14a) mit dem Niederdruckbereich (4) des Abwärmenutzungskreislaufs (2) stromab des Kondensators (9) fluidisch. Der zweite Teilraum (13b) ist mit einem Kühlmedium (K) befüllt, welches über eine Fluidleitung (15) fluidisch getrennt zum Arbeitsmedium (A) in den Kondensator (9, 9a, 9b) einbringbar ist, so dass das Arbeitsmedium (A) durch thermische Wechselwirkung mit dem Kühlmedium (K) kondensierbar ist. In der ist Fluidleitung (15) ein zweites Überdruckventil (14b) angeordnet ist, über welches das Kühlmedium (K) aus der Fluidleitung (15) in die Umgebung (16) der Abwärmenutzungseinrichtung (1) ausleitbar ist.

Description

Abwärmenutzungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungseinrichtung.
Abwärmenutzungseinrichtungen mit einem Abwärmenutzungskreislauf können beispielsweise die Abwärme einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug nutzen. Hierzu wird ein Dampferzeuger mit besagter Abwärme beaufschlagt. Dabei wird das in dem Dampfkreisprozess umlaufende Arbeitsmedium erwärmt, verdampft und überhitzt. Das heiße und unter hohem Druck stehende Arbeitsmedium wird dann in einer Expansionsmaschine expandiert und leistet mechanische Arbeit, die etwa als zusätzlicher Fahrzeugantrieb oder zum Antrieb eines Generators oder einer Klimatisierungsanlage genutzt werden kann.
Üblicherweise wird der Dampferzeuger von einem Wärmeübertrager gebildet, durch welchen ein Arbeitsmedium zur Aufnahme von Wärme leitbar ist.
In der Expansionsmaschine, beispielsweise einer Axialkolbenmaschine, wird das Arbeitsmedium von dem hohen ersten Druckniveau auf ein niedrigeres zweites Druckniveau unter Arbeitsleistung expandiert. Dabei treiben die Kolben eine Welle an, welche beispielsweise zum Bewegen eines Fahrzeugs dient. Das expandierte Fluid wird in einem Kondensator gekühlt und verflüssigt und dem Fluid- kreislauf über eine Pumpe erneut zugeführt. Je höher die Druck- und Temperaturdifferenz, umso höher ist der Wirkungsgrad der Anlage.
Als Arbeitsmedium kann Wasser verwendet werden, dessen Dampf unter Abgabe von Arbeit entspannt wird. Es können aber auch beispielsweise organische Arbeitsmedium oder Wasser mit Zusätzen verwendet werden, die wertvoll oder umweltschädlich sein können. Dann ist ein Austreten des Arbeitsmediums unerwünscht. Eine im Abwärmenutzungskreislauf stromab der Expansionsmaschine angeordnete Kondensatoranordnung dient zur Verflüssigung des expandierten Arbeitsmediums. Typische Temperaturen des Arbeitsmediums liegen bei einigen hundert °C für den energiereichen Dampfzustand und bei Wasser bei 100°C als Kondensations-Temperatur. Das kondensierte Arbeitsmedium wird einem in dem Abwärmenutzungskreislauf vorhandenen Arbeitsmedium-Reservoir, typischerweise in Form eines geeignet realisierten Behältnisses, zugeführt, wo es ohne Verluste wieder für den Abwärmenutzungskreislauf zur Verfügung steht.
Vor diesem Hintergrund offenbaren die DE 10226445 C1 sowie die WO
2005/001248 A1 herkömmliche Abwärmenutzungskreisläufe. Als Arbeitsmedium wird Speisewasser verwendet. Das Wasser wird in einem Verdampfer verdampft. Der Dampf wird in einer Expansionsmaschine unter Arbeitsleistung expandiert. Nach der Expansion wird der Dampf in einem Kondensator kondensiert und mittels einer elektrisch oder mechanisch betriebenen Pumpe einem Reservoir zugeführt, aus welchem es für den Kreislauf erneut zur Verfügung steht. Die beschriebene Arbeitsmaschine wird zum Beispiel als Hilfsaggregat in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Für den Einsatz auch im Winter ist es bekannt, dem Arbeitsmedium Frostschutzmittel hinzuzufügen. Es ist ferner bekannt, dem Arbeitsmedium
Schmiermittel, etwa Öl, beizufügen. Je nach Temperatur im Dampferzeuger werden auch organische Arbeitsmedium, mit geringerem Siedepunkt und/oder brennbare Arbeitsmedium verwendet.
Die beschriebenen Anordnungen können überhitzen, wenn dem Dampfkreispro- zess beispielsweise zu viel Wärme zugeführt wird. Dann können die Komponenten des Abwärmenutzungskreislaufs Schaden nehmen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine Abwärmenutzungseinrichtung mit einem Abwärmenutzungs- kreislauf zu schaffen, der einen verbesserten Schutz gegen Überhitzen und Überdruck bei Ausfall des Kühlkreises besitzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, ein in einem Behältnis gespeichertes Kühlmedium über eine Fluidleitung in den Kondensator des Abwärmenutzungskreislaufs zu führen. Das Behältnis ist dabei erfindungsgemäß derart aufgebaut, dass in diesem zwei fluidisch voneinander getrennte Teilräume vorgesehen sind, wobei ein erster Teilraum fluidisch mit dem eigentlichen Abwärmenutzungskreislauf kommuniziert und daher mit dem Arbeitsmedium des Abwärmenutzungskreislaufs befüllt werden kann. In dem zweiten Teilraum ist das Kühlmedium angeordnet. Die beiden Teilräume sind volumen-variabel ausgebildet, und zwar derart, dass mit einer Volumenzunahme des ersten Teilraums eine Volumenabnahme des zweiten Teilraums einhergeht und umgekehrt. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem die beiden Teilräume mittels einer geeigneten Trennelements aus einem flexiblen Material getrennt werden. Ein ansteigender Fluiddruck der Dampfphase des Arbeitsmediums führt zu einer Expansion des ersten Teilraums des Behältnisses, womit eine Verringerung des Volumens des zweiten Teilraums einhergeht, so dass das Kühlmedium aus diesem herausgedrückt und über die Fluidleitung in den Kondensator geführt wird. Der dort stattfindende Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium führt dazu, dass sich dessen Temperatur und somit auch dessen Fluiddruck wieder reduziert. Zumindest aber kann mit einer solchen Rückkopplung erreicht werden, dass der Fluiddruck des Arbeitsmediums nicht noch weiter ansteigt und unzulässige Werte annimmt, die zu einer Beschädigung einzelner Komponenten des Abwärmenutzungskreislaufs führen könnte. Bei der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung ist also einerseits eine besonders wirksame Kühlung des Arbeitsmediums und somit eine verbesserte Effizienz des Abwärmenutzungskreislaufs sichergestellt. Gleichzeitig wird aber auch gewährleistet, dass eine Beschädigung des Kondensators und somit des gesamten Abwärmenutzungskreislaufs durch Überdruck oder zu hohe Temperatur sowohl des Arbeitsmediums als auch des Kühlmediums vermieden wird. Im Ergebnis kann somit ein Abwärmenutzungskreislauf mit hohem Wirkungsgrad und auch mit hoher Betriebssicherheit geschaffen werden.
Eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungseinrichtung umfasst einen Abwärmenutzungskreislauf, in welchen ein Arbeitsmedium zirkuliert und welcher in einen Hochdruckbereich und in einen Niederdruckbereich unterteilt ist. Die Abwärmenutzungseinrichtung umfasst eine im Abwärmenutzungskreislauf angeordnete Fördereinrichtung zum Antreiben des Arbeitsmediums, einen mit einem im Hochdruckbereich angeordneten Dampferzeuger zum Verdampfen des Arbeitsmediums sowie eine Expansionsmaschine zur Expansion des Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung auf den Druck des Niederdruckbereichs. Im Niederdruckbereich ist zumindest ein Kondensator zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums angeordnet. Stromab des Kondensators ist erfindungsgemäß ein Behältnis vorgesehen, in dessen Behältnis-Innenraum ein Trennelement angeordnet ist, welche den Behältnis-Innenraum in einen ersten und einen zweiten Teilraum variablen Volumens unterteilt. Dabei kommuniziert der erste Teilraum fluidisch mit dem Niederdruckbereich des Abwärmenutzungskreislaufs stromab des Kondensators. Der zweite Teilraum des Behältnisses ist mit einem Kühlmedium befüllt oder befüllbar. Besagtes Kühlmedium ist über eine Fluidleitung der Abwärmenutzungseinrichtung fluidisch getrennt zum Arbeitsmedium in den Kondensator einbringbar, so dass auf diese Weise das Arbeitsmedium durch thermische Wechselwirkung mit dem Kühlmedium kondensiert werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kommuniziert der erste Teilraum über ein erstes Überdruckventil mit dem Niederdruckbereich des Abwärmenutzungskreislaufs. Das erste Überdruckventil ist dabei derart ausgebildet, dass es bei Überschreiten eines vorbestimmten ersten Schwelldrucks des Arbeitsmediums im ersten Überdruckventil eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Teilraum und dem Niederdruckbereich zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium freigibt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Arbeitsmedium nur im Störfall, also bei zu hohem Fluiddruck, in das Behältnis eingeleitet wird. Das erste Überdruckventil kann als Rückschlagventil ausgebildet sein.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Trennelement zur Ausbildung als erstes Überdruckventil eine Trennmembran aus einem federelastischen Material, welche sich bei Überschreiten des vorbestimmten ersten Schwelldrucks des Arbeitsmediums ausdehnt, so dass das Arbeitsmedium in den ersten Teilraum einströmbar und dort aufnehmbar ist. Bei dieser Variante kann auf die Bereitstellung eines separaten Überdruckventils - etwa in der Art eines Rückschlagventils - verzichtet werden, was die Herstellungskosten der Abwärmenutzungseinrichtung verringert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Fluidleitung ferner ein zweites Überdruckventil angeordnet. Das zweite Überdruckventil ist derart ausgebildet, dass es Überschreiten eines vorbestimmten, zweiten Schwelldrucks des Kühlmediums im zweiten Überdruckventil von einem geschlossenen in einen geöffneten Zustand umschaltet, also öffnet, und zwar derart, dass das Kühlmedium über einen Fluidauslass aus der Fluidleitung in die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung ausleitbar ist. Das zweite Überdruckventil ist derart konzipiert, dass bei Überschreiten eines zweiten Schwelldrucks das Kühlmedium aus der Fluidleitung in die Umgebung des Abwärmenutzungskreislaufs entweichen kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bei zu hohem Fluiddruck des Kühlmediums in der Fluidleitung bzw. im Kondensator dieser nicht beschädigt wird, sondern zum Druckabbau eine Ausleitung des Kühlmediums aus dem Kondensator erfolgen kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kondensator als dreifluti- ger Kondensator mit drei Fluidpfaden ausgebildet. Bei dieser Variante ist ein erster Fluidpfad zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium ausgebildet. Ein zweiter Fluidpfad ist zum Durchströmen mit dem Kühlmedium ausgebildet, und ein dritter Fluidpfad ist zum Durchströmen mit einem zusätzlichen Kühlmedium ausgebildet. Die drei Fluidpfade verlaufen im Kondensator fluidisch getrennt voneinander und sind zum Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und den beiden Kühlmedien thermisch miteinander gekoppelt. Mittels des zusätzlichen Kühlmediums kann das Arbeitsmedium in einem nominellen Betriebszustand der Abwärmenutzungseinrichtung über den dritten Fluidpfad standardmäßig gekühlt werden. Mittels des Kühlmediums erfolgt über den zweiten Fluidpfad eine zusätzliche Kühlung im Störfall. Diese Variante sorgt für eine optimale Kühlung des Mediums sowohl im nominellen Betriebszustand der Abwärmenutzungseinrichtung als auch im Störfall.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Kondensator als zweiflutiger Kondensator mit zwei Fluidpfaden ausgebildet. Bei dieser Variante sind der erste Fluidpfad zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium und der zweite Fluidpfad zum Durchströmen mit dem Kühlmedium und, alternativ oder zusätzlich, zum Durchströmen mit dem zusätzlichen Kühlmedium ausgebildet. Die zwei Fluidpfade verlaufen zumindest im Kondensator fluidisch getrennt voneinander und sind zum Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem Kühlmedium bzw. dem zusätzlichen Kühlmedium thermisch miteinander gekoppelt. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist der zweite Fluidpfad zum simultanen Durchströmen mit dem Kühlmedium und mit dem zusätzlichen Kühlmedium ausgebildet. Hierzu mündet die Fluidleitung außerhalb des Kondensators in den zweiten Fluidpfad, so dass sich das Kühlmedium und das zusätzliche Kühlmedium vermischen können. Auf diese Weise kann der Aufbau des Kondensators einfach gehalten werden. Insbesondere kann auf die Bereitstellung eines technisch aufwändigeren, dreiflutigen Kondensators oder auf die Bereitstellung eines separaten zusätzlichen, Kondensators verzichtet werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten der Abwärmenutzungseinrichtung aus.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist der zweite Fluidpfad zum Durchströmen mit dem Kühlmedium ausgebildet. Bei dieser Variante ist im Niederdruckbereich ein weiterer, zweiflutiger Kondensator mit einem ersten und einem zweiten Fluidpfad vorgesehen. Der erste Fluidpfad dieses zusätzlichen Kondensators ist zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium und der zweite Fluidpfad zum Durchströmen mit dem zusätzlichen Kühlmedium ausgebildet. Da sich bei dieser Variante auch im Störfall das Kühlmedium und das zusätzliche Kühlmedium nicht vermischen können, ist eine Wartung der Abwärmenutzungseinrichtung im Störfall und eine damit verbundene Trennung der beiden Kühlmedium nicht erforderlich.
Zweckmäßig kann der Kondensator zwischen dem zweiten Überdruckventil und dem Behältnis angeordnet sein. In einer dazu alternativen Variante kann das zweite Überdruckventil zwischen dem Kondensator und dem Behältnis abgeordnet sein. Beide Varianten erfordern nur sehr wenig Bauraum.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Trennelement als Trennmembran aus einem flexiblen, insbesondere aus einem federelastischen, Material ausgebildet. Auf diese Weise kann die erfindungswesentliche Variabilität der beiden Teilvolu- mina auf technisch einfache und somit kostengünstige Art und Weise realisiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Trennelement einen gedehnten Zustand auf, in welchem der erste Teilraum ein maximales Volumen und der zweite Teilraum ein minimales Volumen besitzt. Weiterhin weist das Trennelement bei dieser Variante einen entspannten Zustand auf, in welchem der erste Teilraum ein minimales Volumen und der zweite Teilraum in maximales Volumen besitzt. Steigt der Fluiddruck des Arbeitsmediums stromab des Kondensators an, so kann die Dampfphase des Arbeitsmediums in den ersten Teilraum einströmen, wodurch das Trennelement gedehnt wird, so dass sich der erste Teilraum vergrößert. Die damit einhergehende Verkleinerung des zweiten Teilraums führt dazu, dass das Kühlmedium aus dem Behältnis in die Fluidleitung gedrückt und über diese in den Kondensator geführt wird, wo es durch Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium dieses kühlen kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die mit den vorangehend erläuterten Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist fluidisch parallel zum ersten Überdruckventil ein Rückschlagventil angeordnet, welches bei aus der Fluidleitung entwichenem Kühlmedium und bei Überschreiten eines vorbestimmten dritten Drucks des Arbeitsmediums im Behältnis ein Zurückströmen des Arbeitsmediums aus dem Behältnis in den Abwärmenutzungskreislauf ermöglicht. Besagtes Rückschlagventil dient dazu, bei aus der Fluidleitung in die Umgebung entwichenem Kühlmedium, also bei„entleerter" Fluidleitung, ein Zurückströmen des Arbeitsmediums aus dem Behältnis in den Abwärmenutzungskreislauf zu ermöglichen. Somit ist es nicht in diesem Szenario nicht erforderlich, den Abwärmenutzungskreislauf mit weiterem Arbeitsmedium A zu befüllen. Besonders bevorzugt beträgt die Temperaturdifferenz zwischen einer Verdamp- fungstemperatur des Kühlmediums und einer Kondensationstemperatur des Ar- beitsmediums wenigstens 30°C, vorzugsweise wenigstens 80°C. Auf diese Weise kann ein besonders hoher Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsmedium und dem Kühlmedium sichergestellt werden, was sich vorteilhaft auf die Effizienz der Abwärmenutzungseinrichtung auswirkt.
Zweckmäßig kann das Arbeitsmedium Ethanol, Aceton oder Cydopentan sein und der erste Schwelldruck ungefähr 10 bar betragen. Bei geeigneter Festlegung des ersten Schwelldrucks kann auf diese Weise erreicht werden, dass das Arbeitsmedium bei ca. 150°C kondensiert. Zweckmäßig umfasst das Kühlmedium Wasser, und der zweite Schwelldruck beträgt zwischen 1 bar und 1 ,5 bar. Auf diese Weise kann eine Verdampfung des Kühlmediums, also Wasser, bei einer Temperatur zwischen ca. 100°C und 1 10°C erfolgen.
Besonders zweckmäßig kann das Kühlmedium Glykol und/oder Salz enthalten. Mittels eines solchen Zusatzes kann ein eine besonders hohe Frostschutzwirkung erzeugt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist im Niederdruckbereich ein Zwischenspeicher variablen Volumens zum Zwischenspeichern des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreislauf angeordnet. Auf diese Weise kann im Bedarfsfall das Arbeitsmedium und die darin enthaltene Energie des Arbeitsmediums zwischengespeichert werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung mit einem dreiflutigen Kondensator in schematischer Darstellung.
Fig. 2 eine erste Variante des Beispiels der Figur 1 mit zwei zweiflutigen
Kondensatoren in einer Teildarstellung,
Fig. 3 eine zweite Variante des Beispiels der Figur 1 mit nur einem zweiflutigen Kondensator.
Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung 1 . Die Abwärmenutzungseinrichtung 1 um- fasst einen Abwärmenutzungskreislauf 2, in welchen ein Arbeitsmedium A zirkuliert und welcher in einen Hochdruckbereich 3 und in einen Niederdruckbereich 4 unterteilt ist. Im Abwärmenutzungskreislauf 2 ist eine Fördereinrichtung 5 in Form einer Pumpe 6 angeordnet, die zum Antreiben des Arbeitsmediums A dient.
Stromab der Fördereinrichtung 5, also im Hochdruckbereich 3, ist ferner ein Dampferzeuger 7 zum Verdampfen des Arbeitsmediums A angeordnet. Stromab des Dampferzeugers 7 ist eine Expansionsmaschine 8 zur Expansion des Arbeitsmediums A unter Abgabe von mechanischer Arbeitsleistung angeordnet. Stromab der Expansionsmaschine 9, also im Niederdruckbereich 4, ist ein Kondensator 9 zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums A angeordnet.
Stromab des Kondensators 9 ist im Niederdruckbereich 4 ein Behältnis 10 angeordnet, in dessen Behältnis-Innenraum 1 1 ein Trennelement 12 vorgesehen ist. Besagtes Trennelement 12 unterteilt den Behältnis-Innenraum 1 1 fluiddicht in einen ersten und einen zweiten Teilraum 13a, 13b jeweils variablen Volumens.
Stromab des Behältnisses 10 ist die bereits erwähnte Fördereinrichtung 6 angeordnet, so dass der Abwärmenutzungskreislauf 2 geschlossen ist.
Das Trennelement 12 kann als Trennmembran 19 aus einem flexiblen Material ausgebildet sein. Bevorzugt ein federelastisches Material. Das als Trennmembran 19 ausgebildete Trennelement 12 kann einen in Figur 1 gezeigten gedehnten Zustand aufweisen, in welchem der erste Teilraum 13a ein maximales Volumen und der zweite Teilraum 13b ein minimales Volumen aufweist. Das als Trennmembran 19 ausgebildete Trennelement 12 besitzt aber auch einen entspannten Zustand, in welchem der erste Teilraum 13a ein minimales Volumen und der zweite Teilraum 13b in maximales Volumen aufweist. Zur Verdeutlichung ist in Figur 1 die Trennmembran 19 bzw. das Trennelement 12 in dem entspannten Zustand in gestrichelter Darstellung angedeutet.
Der erste Teilraum 13a kommuniziert über ein erstes Überdruckventil 14a mit dem Niederdruckbereich 4 des Abwärmenutzungskreislaufs 2 stromab des Kondensators 9. Das erste Überdruckventil 14a ist derart ausgebildet, dass bei Überschreiten eines vorbestimmten ersten Schwelldrucks pi des Arbeitsmediums im ersten Überdruckventil 14a dieses von einem geschlossenen Zustand, in welchem eine Fluidverbindung für das Arbeitsmedium A zwischen dem ersten Teilraum und dem Niederdruckbereich 4 geschlossen ist, in einen geöffneten Zustand umschaltet. Im geöffneten Zustand ist die Fluidverbindung zwischen dem ersten Teilraum 13a und dem Niederdruckbereich 4 zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium A freigegeben. Wird als Arbeitsmedium A Ethanol, Aceton oder Cyclopentan verwendet, so kann als erster Schwelldruck p-, ein Wert von ungefähr 10 bar gewählt werden.
Der zweite Teilraum 13b des Behältnis-Innenraums 1 1 ist mit einem Kühlmedium K befüllt, welches über eine Fluidleitung 15 fluidisch getrennt zum Arbeitsmedium in den Kondensator 9 geführt werden kann. Im Kondensator 9 kann das Arbeitsmedium A durch thermische Wechselwirkung mit dem Kühlmedium K kondensiert werden. Als Kühlmedium K kann Wasser verwendet werden, welches Glykol oder ein Salz enthalten kann. Das Kühlmedium K ist dabei idealerweise derart gewählt das beim Verdampfen desselben möglichst viel Wärme abgeführt werden kann.
Wie die Figur 1 weiter erkennen lässt, ist in der Fluidleitung 15 ein zweites Überdruckventil 14b angeordnet. Das zweite Überdruckventil 14b ist derart ausgebildet, dass bei Überschreiten eines vorbestimmten zweiten Schwelldrucks p2 des Kühlmediums K im zweiten Überdruckventil 14b dieses von einem geschlossenen in einen geöffneten Zustand umschaltet, so dass das Kühlmedium K über einen Fluidauslass 21 aus der Fluidleitung 15 in die Umgebung 16 der Abwärmenutzungseinrichtung 1 ausleitbar ist. In einer Variante kann auf das zweite Überdruckventil 14b verzichtet werden. In diesem Fall übernimmt der Umgebungsdruck p2 der Umgebung 16 die Ventilfunktion des Überdruckventils 14b. Wird als Kühlmedium K, wie bereits oben vorgeschlagen, Wasser mit Glykol oder einem Salz verwendet, so erweist sich als Wert für den zweiten Schwelldruck p2 zwischen 1 bar und 1 ,5 bar als besonders empfehlenswert.
Im Beispiel der Figur 1 ist der Kondensator 9 zwischen dem zweiten Überdruckventil 14b und dem Behältnis 10 angeordnet. In einer in den Figuren nicht gezeigten Variante kann das zweite Überdruckventil 14b aber auch zwischen dem Kondensator 9 und dem Behältnis 10 abgeordnet sein. Im Beispiel der Figur 1 ist der Kondensator 9 weiterhin für eine simultane thermische Wechselwirkung des Arbeitsmediums A mit dem Kühlmedium K aus dem Behältnis und mit einem weiteren, zusätzlichen Kühlmedium K*, beispielsweise mit Kühlwasser, ausgebildet. Der Kondensator 9 besitzt also drei fluidisch voneinander getrennte Fluidpfade 17a, 17b, 17c, für das Arbeitsmedium, das aus dem Behältnis 10 in den Kondensator 9 eingebrachte Kühlmedium K und besagtes zusätzliches Kühlmedium K*.
Wie sich der Figur 1 weiter entnehmen lässt, kann fluidisch parallel zum ersten Überdruckventil 14a zwischen dem Behältnis 10 und dem Abwärmenutzungskreislauf 2 ein Rückschlagventil 18 angeordnet sein. Besagtes Rückschlagventil 18 dient dazu, bei aus der Fluidleitung 15 in die Umgebung 16 entwichenem Kühlmedium K, also bei quasi„entleerter" Fluidleitung 15, ein Zurückströmen des Arbeitsmediums A aus dem ersten Teilraum 13a des Behältnisses 10 in den Abwärmenutzungskreislauf 2 zu ermöglichen.
Somit ist es in diesem Szenario nicht erforderlich, den Abwärmenutzungskreislauf 2 mit weiterem Arbeitsmedium A zu befüllen. Hierzu öffnet das Rückschlagventil 18 bei Überschreiten eines vorbestimmten, dritten Drucks p3 des Arbeitsmediums A im Behältnis 10 und somit auch im Rückschlagventil 18, so dass ein Zurückströmen des Arbeitsmediums A in den eigentlichen Abwärmenutzungskreislauf 1 möglich wird. Im Niederdruckbereich 4 des Abwärmenutzungskreislaufs 2 kann ein Zwischenspeicher 20 variablen Volumens zum Zwischenspeichern des Arbeitsmediums A angeordnet sein. Denkbar ist insbesondere eine Anordnung des Zwischenspeichers 20 wie in Figur 1 gezeigt stromab des Behältnisses 10 bzw. des Kondensators 9 und stromauf der Fördereinrichtung 5.
Die Funktionsweise des Behältnisses 10 sowie der beiden Überdruckventile 14a, 14b im Abwärmenutzungskreislauf 2 ist folgende:
Steigt der Fluiddruck des Arbeitsmediums A stromab des Kondensator 9 über den ersten Schwelldruck p-, hinaus an, so öffnet das erste Überdruckventil 14a und das Arbeitsmedium A kann in Dampfform den ersten Teil 13 a des Behältnisses Einströmen. Auf diese Weise wird das Trennelement 12 in Form der Trennmembran 19 gedehnt, sodass sich das Volumen des ersten Teilraums 13a vergrößert und entsprechend das Volumen des zweiten Teilraums 13b um denselben Betrag verkleinert wird. Damit einhergehend wird das im zweiten Teilraum 13b befindliche Kühlmedium K über die Fluidleitung 15 in den Kondensator 9 gedrückt, wo ein Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium A auch stattfindet. Auf diese Weise wird das Arbeitsmedium A gekühlt. Aufgrund der unterschiedlichen Schwelldruck Pi, p2 der beiden Überdruckventile 14a, 14b strömt weiterhin, nun flüssiges Arbeitsmedium A in den ersten Teilraum 13a und verdrängt weiterhin das Kühlmedium K aus dem zweiten Teilraum 13b. Auf diese Weise ist die Kondensation des Arbeitsmediums A im Kondensator 9 weiterhin gewährleistet. Überschreitet das Kühlmedium K im zweiten Überdruckventil 14b den zweiten Schwelldruck p2, so öffnet das zweite Überdruckventil 14b und das Kühlmedium K kann in die Umgebung 16 des Abwärmenutzungskreislaufs 2 austreten. Auf diese Weise wird eine Beschädigung des Abwärmenutzungskreislaufs2 und insbesondere des Kondensators 9 vermieden. Da im Beispielszenano das zweite Überdruckventil 14b bei einem Schwelldruck p2 im Druckbereich zwischen 1 bar und 1 ,5 bar öffnet, wenn das Kühlmedium Wasser ist, findet eine Verdampfung des Wassers bei etwa 100 °C bis 1 10 °C statt.
Da zum Verdampfen des Kühlmediums Verdampfungsenthalpie benötigt wird, kann eine geringe Masse an Kühlmedium K eine relativ große Menge an Wärme aufnehmen, so dass im Kondensator 9 bzw. im Behältnis 10 relativ wenig Kühlmedium K vorgehalten werden muss. Da der erste Schwelldruck p-, des ersten Überdruckventils 14a ungefähr 10 bar beträgt, kann bei Verwendung von Ethanol, Aceton oder Cyclopentan als Arbeitsmedium A erreicht werden, dass dieses bei 150°C kondensiert, während, wie bereits erläutert, das Kühlmedium K bei etwa 100°C bis 1 10°C verdampft. Diese treibende Temperatur-Differenz einer Verdampfungstemperatur des Kühlmediums K und einer Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums A führt zu einem besseren Wärmeübergang zwischen Arbeitsmedium A und Kühlmedium K und somit zu einer verbesserten Effizienz des Kondensator 9 und somit des gesamten Abwärmenutzungskreislaufs 2.
Bevorzugt werden das Arbeitsmedium A und das Kühlmedium K derart gewählt sowie die beiden Schwelldrücke pi, p2 derart festgelegt, dass besagte Temperaturdifferenz zwischen einer Verdampfungstemperatur des Kühlmediums K und einer Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums A wenigstens 30°C, vorzugsweise wenigstens 80°C, beträgt. Auf diese Weise kann ein besonders hoher Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsmedium A und dem Kühlmedium K sichergestellt werden, was sich vorteilhaft auf die Effizienz der Abwärmenutzungseinrichtung 1 auswirkt und insbesondere die Betriebssicherheit erhöht, da bei einer Fehlfunktion im System ein Überdruck weitgehend gefahrlos abgebaut werden kann. Die Figur 2 zeigt eine erste Variante der Abwärmenutzungseinrichtung 1 der Figur 1 . Im Beispiel der Figur 2 sind zum Kondensieren des Arbeitsmediums A im Niederdruckbereich 4 zwei voneinander getrennte Kondensatoren 9a, 9b im Abwärmenutzungskreislauf 2 angeordnet. Beide Kondensatoren 9a, 9b sind als zweiflu- tige Kondensatoren realisiert. Der Kondensator 9a besitzt einen ersten Fluidpfad 17a zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium A und einen zweiten Fluidpfad 17b zum Durchströmen mit dem Kühlmedium K. Die beiden Fluidpfade 17a, 17b verlaufen im Kondensator 9a fluidisch getrennt voneinander, sind aber zum Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium A und dem Kühlmedium K thermisch aneinander gekoppelt.
Der zusätzliche Kondensator 9b besitzt einen ersten Fluidpfad 28a zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium A und einen zweiten Fluidpfad 28b zum Durchströmen mit dem zusätzlichen Kühlmedium Die beiden Fluidpfade 28a, 28b verlaufen im Kondensator 9b fluidisch getrennt voneinander, sind aber zum Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium A und dem zusätzlichen Kühlmedium K* thermisch aneinander gekoppelt. Der erste Kondensator 9a dient zum Kühlen des Arbeitsmediums A im Störfall, also bei zu hohem Fluiddruck des Arbeitsmediums A aufgrund nicht ausreichender Kühlung. Der zusätzlich Kondensator 9b kühlt das Arbeitsmedium A auch im nominellen Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung 1 , wenn also kein Störfall vorliegt.
Die Figur 3 zeigt eine zweite Variante der Abwärmenutzungseinrichtung 1 der Figur 1 . Auch im Beispiel der Figur 3 ist der Kondensator 9 - ebenso wie im Beispiel der Figur 1 - für eine simultane thermische Wechselwirkung des Arbeitsmediums A sowohl mit dem Kühlmedium K aus dem Behältnis 10 als auch mit dem weiteren, zusätzlichen Kühlmedium K*, beispielsweise mit Kühlwasser, ausgebildet. Allerdings besitzt der Kondensator 9 nur zwei - und nicht drei - Fluidpfade 17a, 17b. Der Fluidpfad 17a dient zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium A. Der Fluidpfad 17b dient grundsätzlich zum Durchströmen mit dem zusätzliches Kühlmedium K* im nominellen Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung 1 .
Die Abwärmenutzungseinrichtung 1 der Figur 3 unterscheidet sich von der Abwärmenutzungseinrichtung 1 der Figur 1 darin, dass die Fluidleitung 15 in einem Mündungspunkt 25 in den zweiten Fluidpfad 17b mündet, d.h. es besteht eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten Teilraum 13b und dem Fluidpfad 17b. Im Störfall wird also das Kühlmedium K aus dem Behältnis 10 in den zweiten Fluidpfad 17b mit dem zusätzlichen Kühlmedium K* gedrückt. Mittels eines im Fluidpfad 17b angeordneten Rückschlagventils 26 wird sichergestellt, dass das Kühlmedium K in Strömungsrichtung des zusätzlichen Kühlmediums K* in den Fluidpfad 17b strömt. Ein im Fluidpfad 17b angeordnetes (drittes) Überdruckventil 14c öffnet bei Überschreiten eines vorbestimmten dritten Schwelldrucks p3, so dass das Gemisch aus Kühlmedium K und zusätzlichem Kühlmedium K* in analoger Weise zu den Beispielen der Figuren 1 und 2 in die Umgebung 16 abgeführt werden kann. Der dritte Schwelldruck p3 muss dabei größer sein als der Arbeitsdruck des zusätzlichen Kühlmediums K* im nominalen Betriebszustand der Abwärmenutzungseinrichtung 1 . Das dritte Überdruckventil 14c kann als Rückschlagventil 27 ausgebildet sein.
Eine Vermischung des Kühlmediums K mit dem Kühlmedium K* wird bei der Variante der Figur 3 in Kauf genommen, da bei Auftreten besagten Störfalls ohnehin eine Wartung der gesamten Abwärmenutzungseinrichtung 1 vorgenommen werden muss. Gegenüber der Abwärmenutzungseinrichtung 1 der Figur 1 besitzt die Abwärmenutzungseinrichtung 1 gemäß Figur 3 den Vorteil, dass der (zweite) Kondensator 9b entfallen kann.
In einer Variante der Figuren 1 bis 3 kann jeweils auf das erste Überdruckventil 14a verzichtet sein. Bei dieser Variante fungiert das Trennelement 12 als Über- druckventil. Hierzu umfasst es eine Trennmembran 19 aus einem federelastischen Material, welche sich bei Überschreiten des vorbestimmten ersten Schwelldrucks pi des Arbeitsmediums A ausdehnt, so dass das Arbeitsmedium A dann in den ersten Teilraum 13a einströmen kann.

Claims

Ansprüche Abwärmenutzungseinrichtung (1 ) mit einem Abwärmenutzungskreislauf (2), in welchen ein Arbeitsmedium (A) zirkuliert und welcher in einen Hochdruckbereich (3) und in einen Niederdruckbereich (4) unterteilt ist,
mit einer im Abwärmenutzungskreislauf (2) angeordneten Fördereinrichtung (5) zum Antreiben des Arbeitsmediums (A),
mit einem im Hochdruckbereich (3) angeordneten Dampferzeuger (7) zum Verdampfen des Arbeitsmediums (A),
mit einer Expansionsmaschine (8) zur Expansion des Arbeitsmediums (A) unter mechanischer Arbeitsleistung,
mit zumindest einem im Niederdruckbereich (4) angeordneten Kondensator (9; 9a, 9b) zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums (A), mit einem stromab des Kondensators (9; 9a, 9b) angeordneten Behältnis (10), in dessen Behältnis-Innenraum (1 1 ) ein Trennelement (12) angeordnet ist, welche den Behältnis-Innenraum (1 1 ) in einen ersten und einen zweiten Teilraum (13a, 13b) mit jeweils variablem Volumen unterteilt,
wobei der erste Teilraum (13a) mit dem Niederdruckbereich (4) des Abwärmenutzungskreislaufs (2) stromab des Kondensators (9) fluidisch kommuniziert,
wobei der zweite Teilraum (13b) mit einem Kühlmedium (K) befüllt oder be- füllbar ist, welches über eine Fluidleitung (15) fluidisch getrennt zum Arbeitsmedium (A) in den Kondensator (9, 9a, 9b) einbringbar ist, so dass das Arbeitsmedium (A) durch thermische Wechselwirkung mit dem Kühlmedium (K) kondensierbar ist.
2. Abwärmenutzungseinrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Teilraum (13a) über ein erstes Überdruckventil (14a) mit dem Niederdruckbereich (4) des Abwärmenutzungskreislaufs (2) kommuniziert, wobei das erstes Überdruckventil (14a) derart ausgebildet ist, dass bei Überschreiten eines vorbestimmten ersten Schwelldrucks (pi) des Arbeitsmediums (A) im ersten Überdruckventil (14a) dieses öffnet und die Fluidver- bindung zwischen dem ersten Teilraum (13a) und dem Niederdruckbereich (4) freigibt.
3. Abwärmenutzungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Trennelement (12) zur Ausbildung als erstes Überdruckventil eine Trennmembran (19) aus einem federelastischen Material umfasst, welche sich bei Überschreiten eines vorbestimmten ersten Schwelldrucks (pi) des Arbeitsmediums (A) ausdehnt, so dass das Arbeitsmedium (A) in den ersten Teilraum (13a) einströmbar und dort aufnehmbar ist.
4. Abwärmenutzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
in der Fluidleitung (15) ein zweites Überdruckventil (14b) angeordnet ist, derart ausgebildet, dass bei Überschreiten eines vorbestimmten zweiten Schwelldrucks (p2) des Kühlmediums (K) im zweiten Überdruckventil (14b) dieses öffnet, so dass das Kühlmedium (K) über einen Fluidauslass (21 ) aus der Fluidleitung (15) in die Umgebung (16) der Abwärmenutzungseinrichtung (1 ) ausleitbar ist.
5. Abwärmenutzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (9) als dreiflutiger Kondensator (9) mit drei Fluidpfaden (17a, 17b, 17c) ausgebildet ist,
wobei ein erster Fluidpfad (17a) zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium (A) ausgebildet ist und ein zweiter Fluidpfad (17b) zum Durchströmen mit dem Kühlmedium (K) ausgebildet ist und ein dritter Fluidpfad (17c) zum Durchströmen mit einem zusätzlichen Kühlmedium (K*) ausgebildet ist, wobei die drei Fluidpfade (17a, 17b, 17c) im Kondensator (9) fluidisch getrennt voneinander verlaufen und zum Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium (A) und den beiden Kühlmedien (K, K*) thermisch miteinander gekoppelt sind.
Abwärmenutzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kondensator (9a) als zweiflutiger Kondensator (9a) mit zwei Fluidpfaden (17a, 17b) ausgebildet ist,
wobei der erste Fluidpfad (17a) zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium (A) und der zweite Fluidpfad (17b) zum Durchströmen mit dem Kühlmedium (K) und/oder mit dem zusätzlichen Kühlmedium (K*) ausgebildet ist, wobei die zwei Fluidpfade (17a, 17b) im Kondensator (9a) fluidisch getrennt voneinander verlaufen und zum Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium (A) und dem zusätzlichen Kühlmedium (K) thermisch miteinander gekoppelt sind.
Abwärmenutzungseinrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Fluidpfad (17b) zum Durchströmen mit dem Kühlmedium (K) und mit dem zusätzlichen Kühlmedium (K*) ausgebildet ist,
die Fluidleitung (15) außerhalb des Kondensators (9a) in den zweiten Fluidpfad (17b) mündet.
8. Abwärmenutzungseinrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Fluidpfad (17b) zum Durchströmen mit dem Kühlmedium (K) ausgebildet ist,
im Niederdruckbereich (4) ein zusätzlicher zweiflutiger Kondensator (9b) mit einem ersten und einem zweiten Fluidpfad (28a, 28b) vorgesehen ist, wobei der erste Fluidpfad (28a) zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium (A) und der zweite Fluidpfad (28b) zum Durchströmen mit dem zusätzlichen Kühlmedium (K*) ausgebildet ist.
9. Abwärmenutzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
fluidisch parallel zum zweiten Überdruckventil (14b) ein Rückschlagventil (18) angeordnet ist, welches bei aus der Fluidleitung (15) entwichenem Kühlmedium (K) zwischen dem Behältnis (10) und bei Überschreiten eines vorbestimmten dritten Drucks (p3) des Arbeitsmediums (A) im Behältnis (10) ein Zurückströmen des Arbeitsmediums (A) aus dem Behältnis (10) in den Abwärmenutzungskreislauf (2) ermöglicht.
10. Abwärmenutzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperaturdifferenz zwischen einer Verdampfungstemperatur des Kühlmediums (K) und einer Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums (A) wenigstens 30°C, vorzugsweise wenigstens 80°C, beträgt.
1 1 . Abwärmenutzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (A) Ethanol, Aceton oder Cyclopentan ist und der erste Schwelldruck (p-i) ungefähr 10 bar beträgt.
12. Abwärmenutzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Kühlmedium (K) Wasser umfasst und der zweite Schwelldruck zwischen 1 bar und 1 ,5 bar beträgt.
13. Abwärmenutzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Kühlmedium (K), insbesondere das Wasser, Glykol und/oder Salz enthält.
14. Abwärmenutzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
im Niederdruckbereich (4) ein Zwischenspeicher (20) variablen Volumens zum Zwischenspeichern des Arbeitsmediums (A) im Abwärmenutzungskreislauf (2) angeordnet ist.
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