WO2018210480A1 - Abwärmerückgewinnungssystem - Google Patents

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WO2018210480A1
WO2018210480A1 PCT/EP2018/058535 EP2018058535W WO2018210480A1 WO 2018210480 A1 WO2018210480 A1 WO 2018210480A1 EP 2018058535 W EP2018058535 W EP 2018058535W WO 2018210480 A1 WO2018210480 A1 WO 2018210480A1
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WO
WIPO (PCT)
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generator
waste heat
heat recovery
recovery system
expansion machine
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/058535
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Doehring
Thomas RACHOW
Joerg Schoefer
Michael Richter
Daniel Schlingmeier
Guido Daimer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2018210480A1 publication Critical patent/WO2018210480A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • 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
    • F01K11/00—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • 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
    • F01K23/10—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 with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/101—Regulating means specially adapted therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a waste heat recovery system for a
  • a waste heat recovery system for an internal combustion engine is known from the published patent application DE 10 2013 205 648 AI.
  • Waste heat recovery system has a leading a working medium
  • the circuit comprises in the direction of flow of the working medium, an evaporator, an expansion machine and a condenser.
  • the waste heat recovery system further includes an expander unit that includes the expander and a generator.
  • Expander unit with an expansion machine and a generator known, wherein in the expander unit, a cooling channel is designed for cooling the generator.
  • the waste heat recovery system of the present invention increases the efficiency of the waste heat recovery system, and in particular of the generator.
  • the waste heat recovery system which can be used in particular for an internal combustion engine, a leading to a working fluid circuit.
  • the circuit includes in the flow direction of the
  • the waste heat recovery system comprises an expander unit, wherein the expander unit comprises the expansion engine and a generator.
  • the expander unit In the expander unit, at least one cooling channel is designed for cooling the generator.
  • the at least one cooling channel is arranged in the circuit downstream of the condenser and upstream of the evaporator.
  • the working medium is used in its coolest state for cooling the generator, namely after it has been completely liquefied in the condenser.
  • the cooling of the generator is thus particularly effective, especially when used in the generator PTC thermistors for generating the current flow at which the electrical resistance increases with temperature.
  • the cooling of the generator by the working medium has a further positive effect on the waste heat recovery system by the working fluid upstream of the evaporator, that is preheated before the evaporator.
  • the working medium in the evaporator only a lower heat energy must be supplied until complete evaporation.
  • refrigerants as a working fluid is this
  • the circuit also has a fluid pump, wherein the cooling channels are arranged downstream of the fluid pump.
  • the working medium flowing through the cooling channels has a higher
  • the generator has a substantially cylindrical stator.
  • the cooling channel extends over the circumference of the stator.
  • several cooling channels - in parallel or series connection - extend over the circumference of the stator.
  • a two-part housing may be arranged radially surrounding the stator, with an inner body and an outer jacket.
  • Cooling channels are then preferably between the inner body and the
  • the waste heat recovery system comprises a rectifier.
  • the rectifier is electrically connected to the generator, for example by means of three lines. At least a portion of the cooling channel is disposed adjacent to the rectifier. As a result, the cooling channel not only cools the generator, but also the rectifier connected to it, so that the efficiency of the rectifier is also increased.
  • the rectifier can preferably also be arranged within a housing of the expander unit. The rectifier is used to convert the AC voltage generated in the generator into DC voltage. This is necessary, for example, for vehicle applications which have an electrical system with DC voltage.
  • the cooling channel comprises a front wall cooling.
  • the end wall cooling is arranged between two opposite end walls of the generator - or the stator - and the rectifier. As a result, this subregion of the cooling channel can effectively cool both the generator or stator and the rectifier.
  • the expansion machine is designed as a radial turbine with an impeller.
  • This is a very effective expander unit, in particular when the impeller and a rotor of the generator are arranged on a common shaft. As a result, no gear stage in the expander unit is required.
  • the outflow of the working medium from the expansion machine takes place in the direction of the generator. Furthermore, the outflow of the working medium from the expander unit is effected by a
  • outflow channel is formed between the expander and the generator.
  • the working medium thus flows out of the expansion machine initially in the direction of the generator, but is then passed before the generator in the outflow from the expander unit.
  • the outflow channel can, for example, in a housing of the
  • Expander unit be formed. As a result, the generator is not burdened with the hot working medium. At the same time the expander unit is very compact.
  • a bearing for supporting the impeller is arranged on the discharge channel opposite the rear side of the impeller.
  • the bearing which may be an axial and / or radial bearing, so is not between expansion machine and generator, but at one end of the
  • Expander unit arranged.
  • the bearing is comparatively easy to assemble and maintain.
  • there is sufficient space in the area of the bearing to possibly lubricate and / or cool the bearing.
  • a radial bearing of the impeller takes place via the bearing of the shaft on which the impeller
  • insulation is arranged between the outflow channel and the generator in the expander unit.
  • the insulation can be part of a housing of the expander unit, for example a ceramic or zirconium plate. However, the insulation may also include an air gap in the housing. The heat input from the effluent working medium in the generator is thereby prevented or minimized.
  • a plurality of cooling channels is formed in the expander unit. This applies to all variants described above.
  • the cooling channels can be connected in parallel or in series, for example meandering. Preferably, they are arranged around the circumference of a cylindrical stator, so that a large effective cooling surface is present adjacent to the coils to be cooled.
  • Fig.l shows schematically a waste heat recovery system, wherein
  • FIG. 2 schematically shows an expander unit in longitudinal section, wherein only the essential areas are shown.
  • FIG. 3 schematically shows a further expander unit in longitudinal section, wherein only the essential areas are shown.
  • 4 shows a section of an expander unit in a perspective view, wherein only the essential areas are shown.
  • Fig.l shows schematically an inventive
  • the waste heat recovery system 1 has a working medium leading circuit 2, in the flow direction of the working medium a
  • Fluid pump 3, an evaporator 4, an expansion machine 11 and a condenser 5 includes.
  • the capacitor 5 can be coupled, for example, to a cooling system of the internal combustion engine 20.
  • Parallel to the expansion machine 11, a bypass line 14 is connected.
  • a bypass valve 13 By means of a bypass valve 13, the mass flow of the working medium can be divided as needed on the expansion machine 11 and / or the bypass line 14.
  • the expansion machine 11 is part of an expander unit 10. Die
  • Expander unit 10 comprises the expansion machine 11 and a generator 12, optionally also the bypass valve 13 and the bypass line 14.
  • the generator 12 converts the mechanical energy generated in the expansion machine 11 into electrical energy and feeds it, not shown
  • the waste heat recovery system 1 further - as shown in Fig.l - have a tank 6, 7 of the working medium can be introduced into the circuit 2 by means of a metering valve, or can be returned to the excess working fluid from the circuit 2.
  • the tank 6 can also be arranged in the circuit 2.
  • the operation of the waste heat recovery system 1 is as follows:
  • the liquid working medium is conveyed by the fluid pump 3 under pressure to the evaporator 4 and on to the expansion machine 11.
  • the evaporator 4 is connected to an exhaust pipe of the internal combustion engine 20, so uses the heat energy of the exhaust gas of the engine 20 and thus vaporizes the working fluid of the circuit 2.
  • the gaseous working fluid is then expanded in the expansion machine 11, releasing mechanical energy.
  • the condenser 5 the working fluid is completely liquefied and thus passes back to the fluid pump.
  • the expansion machine 11 and the generator 12 have a common shaft, so that electric energy can be generated in the generator 12 in a simple manner by means of a rotor arranged on the shaft and a stator.
  • the bypass line 14 is arranged parallel to the expansion machine 11. Depending on the operating conditions of the internal combustion engine 20 and the Waste heat recovery system 1 and resulting variables, such as temperatures of the working medium, the working medium of the expansion machine 11 is fed or passed by the bypass line 14 to the expansion machine 11.
  • the working medium which has been cooled and liquefied in the condenser 5 is now conducted through the generator 12 in order to cool it and thus to optimize the efficiency of the generator 12.
  • the working medium between the metering valve 7 and the fluid pump 3 is passed through the generator 12.
  • the working medium is to be guided in the liquid, cooled state by the generator 12, ie downstream of the condenser 5 and at the same time upstream of the evaporator 4th
  • the generator 12 is arranged between the fluid pump 3 and the evaporator 4. As a result, the cool working fluid is passed through the generator 12 at a higher pressure and, consequently, at a higher speed.
  • the heat transfer coefficient of the generator 12 in the working medium increases with increasing
  • the expansion machine 11 is designed as a turbine with an impeller 19.
  • the turbine is a radial turbine, so that the working medium in the circuit 2 is radiated radially toward the impeller 19.
  • the impeller 19 is arranged so that the working medium in the direction of the generator 12 flows out of the impeller 19, but is led out again in front of the generator 12 through an outflow channel 49 from the expander unit 10 in the direction of the condenser 5. The flow path of the working medium through the
  • Expansion machine 11 is in this case in cross section so U-shaped.
  • the generator 12 has the rotor 16 and the stator 17, which are shown only schematically in FIG.
  • the rotor 16 and the impeller 19 are arranged on the shaft 15, so that with the impeller 19 and the rotor 16 rotates.
  • a bearing 18 is arranged on the rear side 19 a of the impeller 19, by means of which the shaft 15 is mounted in the expander unit 10.
  • the bearing 18 can be designed as a radial and / or thrust bearing.
  • the Bearing 18 can be relatively easily mounted and cooled, since it is positioned at a comparatively easily accessible area of the expander unit 10. Furthermore, the temperature load of the bearing 18 is reduced, since it at the
  • Waste heat recovery system 1 usually low-viscosity, poorly lubricating working media used. High temperatures would be the
  • the circuit 2 has a cooling channel 30, which is shown only schematically in FIG.
  • the cooling channel 30 preferably extends over the circumference of the stator 17.
  • a plurality of cooling channels may be arranged in or on the stator 17.
  • the cooling channels are arranged downstream of the capacitor 5 in the circuit 2.
  • the waste heat recovery system 1 also has a rectifier 50, which is preferably part of the expander unit 10.
  • the rectifier 50 is disposed adjacent to the stator 17 and electrically connected thereto by means of three lines 51a, 51b, 51c.
  • the rectifier 50 is usually not rotationally symmetrical, as the illustration of Figure 3 would suggest.
  • the rectifier 50 is arranged on the side of the generator 12 or of the stator 17 opposite to the expansion machine 11, so that it is thermally well separated from the expansion machine 11.
  • the cooling channels 30 are now designed so that an additional cooling of the rectifier 50 takes place, so that its efficiency is optimized.
  • the cooling channels 30 are arranged adjacent to the rectifier 50, in the embodiment of Figure 3 they run as Stirnwandkühlung 31 between the opposite end walls 17a, 50a of the stator 17 and rectifier 50.
  • the Stirnwandkühlung 31 can thereby annular over the circumference of the stator 17 is formed be. It is
  • FIG. 4 shows a section of an expander unit 10 according to the invention in a perspective view, wherein only the essential areas are shown.
  • the expander unit 10 comprises the expansion machine 11 and the generator 12.
  • the expansion machine 11 is designed as a radial turbine, wherein the flow output from the radial turbine leads away from the generator 12.
  • the radial turbine can also have a flow guide to the generator 12, as shown in FIG.
  • the expander unit 10 has a housing 40.
  • the housing 40 is made of several parts, with an expander housing 41, a generator housing 42 and a stator plate 43.
  • the expander housing 41 is made of several parts, with an expander housing 41, a generator housing 42 and a stator plate 43.
  • the generator housing 41 substantially surrounds the expansion machine 11.
  • the generator housing 41 substantially surrounds the expansion machine 11.
  • stator plate 43 is clamped between the expander 41 and the generator housing 42 and fixed together with the generator housing 42, the stator 17 within the housing 40th
  • the bearing 18 is positioned radially through the generator housing 42 and positioned axially between the generator housing 42 and the stator plate 43, that is arranged between the expansion machine 11 and the generator 12. Another bearing 18b is disposed on the other side of the generator 12.
  • a plurality of cooling channels 30 extending over the circumference of the generator 12 is formed.
  • the cooling channels 30 can be connected both in series and in series. That's it
  • the Generator housing 42 made in two parts, with an inner body 42 a and an outer jacket 42 b.
  • the cooling channels 30 are therefore between the
  • FIG. 4 shows schematically the cross section of an end wall cooling 31, adjacent to the end wall 17a of the stator.
  • a rectifier can optionally be arranged thereafter.
  • the flow path of the working medium in the embodiment of Figure 4 is the following: Coming from the evaporator 4, the gaseous working fluid flows radially into the expansion machine 11 and axially from this through the
  • the working medium in the condenser 5 is completely liquefied and then flows through the cooling channels 30 in the housing 40 for cooling the stator 17.
  • the cooling of the stator 17 increases the efficiency of the generator 12, at the same time the working medium is preheated, so that the working medium in the evaporator 4 less energy must be supplied to complete evaporation.
  • the impeller 19 of Figure 4 is arranged laterally reversed, so that the outflow takes place in the direction of the generator 12, as already shown in Figure 2.
  • Expander unit 10 then takes place preferably in the radial direction between expander housing 41 and generator housing 42.
  • the outflow channel 49 may be bounded by the expander housing 41 and / or the generator housing 42.
  • the bearing 18 is advantageously arranged in these embodiments on the right edge of the expander unit 10.
  • the expander unit 10 then has a
  • Isolation between the expansion machine 11 and the generator 12. This can be done for example by a material of the housing 40 with low thermal conductivity, or by an additional coating of the Housing 40, or by another component of the housing 40.
  • the insulation may include air pockets within the housing 40. The purpose of the insulation is to thermally separate the relatively hot working medium flowing out of the expansion machine 11 through the outflow channel 49 from the generator 12, so that the efficiency of the generator 12 is not reduced.
  • Waste heat recovery system 1 are not limited to the coupling to an internal combustion engine 20. Rather, it is possible all
  • Heat sources via the evaporator 4 to the waste heat recovery system 1 connect.

Landscapes

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Abstract

Abwärmerückgewinnungssystem (1), insbesondere für eine Brennkraftmaschine (20), mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (2). Der Kreislauf (2) umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums einen Verdampfer (4), eine Expansionsmaschine (11) und einen Kondensator (5). Das Abwärmerückgewinnungssystem (1) weist eine Expandereinheit (10) auf, wobei die Expandereinheit (10) die Expansionsmaschine (11) und einen Generator (12) umfasst. In der Expandereinheit (10) ist zumindest ein Kühlkanal (30) zur Kühlung des Generators (12) ausgebildet. Der zumindest eine Kühlkanal (30) ist in dem Kreislauf (2) stromabwärts des Kondensators (5) und stromaufwärts des Verdampfers (4) angeordnet.

Description

Titel
Abwärmerückgewinnungssystem
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine
Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 205 648 AI bekannt. Das bekannte
Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden
Kreislauf auf. Der Kreislauf umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator. Das
Abwärmerückgewinnungssystem weist weiterhin eine Expandereinheit auf, die die Expansionsmaschine und einen Generator umfasst.
Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2006 004 836 AI eine
Expandereinheit mit einer Expansionsmaschine und einem Generator bekannt, wobei in der Expandereinheit ein Kühlkanal zur Kühlung des Generators ausgebildet ist.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Abwärmerückgewinnungssystem steigert die Effizienz des Abwärmerückgewinnungssystems und insbesondere des Generators. Dazu weist das Abwärmerückgewinnungssystem, welches insbesondere für eine Brennkraftmaschine verwendet werden kann, einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf. Der Kreislauf umfasst in Flussrichtung des
Arbeitsmediums einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator. Das Abwärmerückgewinnungssystem weist eine Expandereinheit auf, wobei die Expandereinheit die Expansionsmaschine und einen Generator umfasst. In der Expandereinheit ist zumindest ein Kühlkanal zur Kühlung des Generators ausgebildet. Der zumindest eine Kühlkanal ist in dem Kreislauf stromabwärts des Kondensators und stromaufwärts des Verdampfers angeordnet.
Dadurch wird das Arbeitsmedium in seinem kühlsten Zustand zur Kühlung des Generators verwendet, nämlich nachdem es im Kondensator vollständig verflüssigt wurde. Die Kühlung des Generators ist somit besonders effektiv, insbesondere wenn im Generator Kaltleiter zur Erzeugung des Stromflusses verwendet werden, bei welchen der elektrische Widerstand mit der Temperatur ansteigt. Die Kühlung des Generators durch das Arbeitsmedium hat einen weiteren positiven Effekt auf das Abwärmerückgewinnungssystem, indem das Arbeitsmedium stromaufwärts des Verdampfers, also vor dem Verdampfer, vorgeheizt wird. Damit muss dem Arbeitsmedium in dem Verdampfer nur noch eine geringere Wärmeenergie bis zur vollständigen Verdampfung zugeführt werden. Insbesondere bei der Verwendung von Kältemitteln als Arbeitsmedium ist diese
Anordnung der Kühlkanäle in dem Kreislauf eine wirksame Kühlung des
Generators, da die Siedetemperatur des Kältemittels vergleichsweise niedrig ist.
In bevorzugten Ausführungen weist der Kreislauf auch eine Fluidpumpe auf, wobei die Kühlkanäle stromabwärts der Fluidpumpe angeordnet sind. Dadurch hat das durch die Kühlkanäle strömende Arbeitsmedium eine höhere
Strömungsgeschwindigkeit, so dass sich auch der Wärmeübergangskoeffizient von den Kühlkanälen in das Arbeitsmedium erhöht. Damit wird die Kühlung des Generators optimiert. In vorteilhaften Ausführungen weist der Generator einen im Wesentlichen zylinderförmigen Stator auf. Der Kühlkanal verläuft dabei über den Umfang des Stators. In weiterbildenden Ausführungen können auch mehrere Kühlkanäle - in Parallel- oder Reihenschaltung - über den Umfang des Stator verlaufen. Dazu kann beispielsweise ein zweiteiliges Gehäuse den Stator radial umgebend angeordnet sein, mit einem Innenkörper und einem Außenmantel. Die
Kühlkanäle sind dann vorzugsweise zwischen dem Innenkörper und dem
Außenmantel ausgebildet. Dadurch werden die Induktionsspulen im Stator sehr wirksam gekühlt.
In bevorzugten Ausführungen weist das Abwärmerückgewinnungssystem einen Gleichrichter auf. Der Gleichrichter ist elektrisch mit dem Generator verbunden, beispielsweise mittels dreier Leitungen. Zumindest ein Bereich des Kühlkanals ist benachbart zu dem Gleichrichter angeordnet. Dadurch kühlt der Kühlkanal nicht nur den Generator, sondern auch den mit diesem verbundenen Gleichrichter, so dass auch die Effizienz des Gleichrichters erhöht wird. Der Gleichrichter kann dabei vorzugsweise auch innerhalb eines Gehäuses der Expandereinheit angeordnet sein. Der Gleichrichter dient der Umwandlung der im Generator erzeugten Wechselspannung in Gleichspannung. Dies ist beispielsweise für Fahrzeuganwendungen erforderlich, welche ein Bordnetz mit Gleichspannung aufweisen.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist der Gleichrichter auf der der
Expansionsmaschine entgegengesetzten Seite des Generators angeordnet. Dadurch ist der Gleichrichter in einem vergleichsweise kühlen Bereich
positioniert.
In vorteilhaften Ausführungen umfasst der Kühlkanal eine Stirnwandkühlung. Die Stirnwandkühlung ist zwischen zwei gegenüberliegenden Stirnwänden des Generators - bzw. des Stators - und des Gleichrichters angeordnet. Dadurch kann dieser Teilbereich des Kühlkanals sowohl den Generator - bzw. Stator - als auch den Gleichrichter wirkungsvoll kühlen.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist die Expansionsmaschine als Radialturbine mit einem Laufrad ausgeführt. Dies ist eine sehr effektive Expandereinheit, insbesondere wenn das Laufrad und ein Rotor des Generators auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Dadurch ist keine Getriebestufe in der Expandereinheit erforderlich.
In vorteilhaften Ausführungen erfolgt die Ausströmung des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine in Richtung des Generators. Weiterhin erfolgt die Ausströmung des Arbeitsmediums aus der Expandereinheit durch einen
Ausströmkanal, wobei der Ausströmkanal zwischen der Expansionsmaschine und dem Generator ausgebildet ist. Das Arbeitsmedium strömt also aus der Expansionsmaschine zunächst in Richtung des Generators, wird dann allerdings noch vor dem Generator in dem Ausströmkanal aus der Expandereinheit geleitet. Der Ausströmkanal kann dabei beispielsweise in einem Gehäuse der
Expandereinheit ausgebildet sein. Dadurch wird der Generator nicht mit dem heißen Arbeitsmedium belastet. Gleichzeitig ist die Expandereinheit sehr kompakt ausgeführt.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist ein Lager zur Lagerung des Laufrads auf der dem Ausströmkanal entgegengesetzten Rückseite des Laufrads angeordnet. Das Lager, welches ein Axial- und/oder Radiallager sein kann, ist also nicht zwischen Expansionsmaschine und Generator, sondern an einem Ende der
Expandereinheit angeordnet. Dadurch ist das Lager zum einen vergleichsweise einfach zu montieren und zu warten. Zum anderen ist aber auch im Bereich des Lagers genügend Bauraum vorhanden, um das Lager gegebenenfalls zu schmieren und/oder zu kühlen. Vorzugsweise erfolgt eine radiale Lagerung des Laufrads dabei über die Lagerung der Welle, auf welcher das Laufrad
angeordnet ist.
In vorteilhaften Ausführungen ist in der Expandereinheit eine Isolierung zwischen dem Ausströmkanal und dem Generator angeordnet. Die Isolierung kann dabei Teil eines Gehäuses der Expandereinheit, beispielsweise eine Keramik- oder Zirkoniumplatte sein. Die Isolierung kann jedoch auch einen Luftspalt in dem Gehäuse umfassen. Der Wärmeeintrag vom ausströmenden Arbeitsmedium in den Generator wird dadurch unterbunden bzw. minimiert. In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der Expandereinheit eine Mehrzahl von Kühlkanälen ausgebildet. Dies gilt für alle oben beschriebenen Varianten. Die Kühlkanäle können dabei parallel oder in Reihe geschaltet sein, beispielsweise mäanderförmig verlaufen. Vorzugsweise sind sie um den Umfang eines zylinderförmigen Stators angeordnet, so dass eine große wirksame Kühlfläche benachbart zu den zu kühlenden Spulen vorhanden ist.
Zeichnungen
Fig.l zeigt schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem, wobei
wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig.2 zeigt schematisch eine Expandereinheit im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig.3 zeigt schematisch eine weitere Expandereinheit im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Fig.4 zeigt einen Schnitt einer Expandereinheit in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Beschreibung
Fig.l zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes
Abwärmerückgewinnungssystem 1 einer Brennkraftmaschine 20, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Das Abwärmerückgewinnungssystem 1 weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 2 auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine
Fluidpumpe 3, einen Verdampfer 4, eine Expansionsmaschine 11 und einen Kondensator 5 umfasst. Der Kondensator 5 kann dabei beispielsweise an ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine 20 gekoppelt sein. Parallel zur Expansionsmaschine 11 ist eine Bypassleitung 14 geschaltet. Mittels eines Bypassventils 13 kann der Massenstrom des Arbeitsmediums nach Bedarf auf die Expansionsmaschine 11 und/oder die Bypassleitung 14 aufgeteilt werden.
Die Expansionsmaschine 11 ist Teil einer Expandereinheit 10. Die
Expandereinheit 10 umfasst die Expansionsmaschine 11 und einen Generator 12, optional weiterhin auch das Bypassventil 13 und die Bypassleitung 14. Der Generator 12 wandelt die in der Expansionsmaschine 11 erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie um und speist damit nicht dargestellte
Verbraucher bzw. ein Speichermedium.
Optional kann das Abwärmerückgewinnungssystem 1 weiterhin - wie in Fig.l gezeigt - einen Tank 6 aufweisen, von dem mittels eines Zumessventils 7 Arbeitsmedium in den Kreislauf 2 eingeleitet werden kann, bzw. in den überschüssiges Arbeitsmedium aus dem Kreislauf 2 zurückgeführt werden kann. Alternativ kann der Tank 6 dabei auch in dem Kreislauf 2 angeordnet sein.
Die Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems 1 ist wie folgt:
Das flüssige Arbeitsmedium wird von der Fluidpumpe 3 unter Druck zu dem Verdampfer 4 und weiter zur Expansionsmaschine 11 gefördert. Der Verdampfer 4 ist an eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine 20 angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 20 und verdampft damit das Arbeitsmedium des Kreislaufs 2. Das gasförmige Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine 11 unter Abgabe mechanischer Energie entspannt. Im Kondensator 5 wird das Arbeitsmedium vollständig verflüssigt und gelangt so wieder zur Fluidpumpe 3.
Vorzugsweise weisen die Expansionsmaschine 11 und der Generator 12 eine gemeinsame Welle auf, so dass im Generator 12 auf einfache Weise mittels eines auf der Welle angeordneten Rotors und eines Stators elektrische Energie erzeugt werden kann.
Die Bypassleitung 14 ist parallel zur Expansionsmaschine 11 angeordnet. Je nach Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 20 und des Abwärmerückgewinnungssystems 1 und daraus resultierender Größen, beispielsweise Temperaturen des Arbeitsmediums, wird das Arbeitsmedium der Expansionsmaschine 11 zugeführt oder durch die Bypassleitung 14 an der Expansionsmaschine 11 vorbeigeführt.
Erfindungsgemäß wird nun das im Kondensator 5 abgekühlte und verflüssigte Arbeitsmedium durch den Generator 12 geleitet, um diesen zu kühlen und damit den Wirkungsgrad des Generators 12 zu optimieren. In der Ausführung der Fig.l wird das Arbeitsmedium zwischen dem Zumessventil 7 und der Fluidpumpe 3 durch den Generator 12 geleitet. Es sind jedoch auch alternative Anordnungen möglich. Dabei ist zu beachten, dass das Arbeitsmedium im flüssigen, abgekühlten Zustand durch den Generator 12 zu führen ist, also stromabwärts des Kondensators 5 und gleichzeitig stromaufwärts des Verdampfers 4.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Generator 12 zwischen der Fluidpumpe 3 und dem Verdampfer 4 angeordnet. Dadurch wird das kühle Arbeitsmedium mit einem höheren Druck und demzufolge auch mit einer höheren Geschwindigkeit durch den Generator 12 geleitet. Der Wärmeübergangskoeffizient von dem Generator 12 in das Arbeitsmedium erhöht sich mit zunehmender
Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums. Die Kühlwirkung wird somit optimiert.
Fig.2 zeigt eine erfindungsgemäße Expandereinheit 10 im Längsschnitt mit einer schematischen Anbindung an das Abwärmerückgewinnungssystem 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Expansionsmaschine 11 ist dabei als Turbine mit einem Laufrad 19 ausgeführt. Im Fall der Ausführung der Fig.2 ist die Turbine eine Radialturbine, so dass das Arbeitsmedium im Kreislauf 2 radial dem Laufrad 19 zugeströmt wird. Vorzugsweise ist das Laufrad 19 dabei so angeordnet, dass das Arbeitsmedium in Richtung des Generators 12 aus dem Laufrad 19 abströmt, aber dennoch vor dem Generator 12 wieder durch einen Ausströmkanal 49 aus der Expandereinheit 10 in Richtung des Kondensators 5 herausgeleitet wird. Der Strömungsweg des Arbeitsmediums durch die
Expansionsmaschine 11 ist in diesem Fall im Querschnitt also U-förmig. Der Generator 12 weist den Rotor 16 und den Stator 17 auf, welche in der Fig.2 lediglich schematisch dargestellt sind. Der Rotor 16 und das Laufrad 19 sind auf der Welle 15 angeordnet, so dass sich mit dem Laufrad 19 auch der Rotor 16 dreht. Beispielhaft ist ein Lager 18 an der Rückseite 19a des Laufrads 19 angeordnet, mittels welchem die Welle 15 in der Expandereinheit 10 gelagert ist. Das Lager 18 kann dabei als Radial- und/oder Axiallager ausgeführt sein.
Weitere Lager zur Lagerung der Welle 15 bzw. des Laufrads 19 können in der Expandereinheit 10 angeordnet sein.
Die dargestellte Strömungsführung des Arbeitsmediums in Richtung zum
Generator 12 hat dabei den Vorteil, dass das Lager 18 vergleichsweise einfach montiert und gekühlt werden kann, da es an einem vergleichsweise leicht zugänglichen Bereich der Expandereinheit 10 positioniert ist. Weiterhin ist die Temperaturbelastung des Lagers 18 reduziert, da es an der
strömungsabgewandten Seite des Laufrads 19, eben auf der Rückseite 19a, angeordnet ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, da das
Abwärmerückgewinnungssystem 1 üblicherweise niederviskose, schlecht schmierende Arbeitsmedien verwendet. Hohe Temperaturen würden die
Viskosität zusätzlich verringern, so dass sich die Tribologie in dem Lager 18 weiter verschlechtern würde.
Im Bereich des Stators 17 weist der Kreislauf 2 einen Kühlkanal 30 auf, welcher in der Fig.2 lediglich schematisch dargestellt ist. Der Kühlkanal 30 verläuft vorzugsweise über den Umfang des Stators 17. Dabei können auch mehrere Kühlkanäle in bzw. an dem Stator 17 angeordnet sein. Die Kühlkanäle sind dabei stromabwärts des Kondensators 5 in dem Kreislauf 2 angeordnet.
Fig.3 zeigt eine Weiterbildung der Ausführung nach Fig.2, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. In der Ausführung der Fig.3 weist das Abwärmerückgewinnungssystem 1 noch einen Gleichrichter 50 auf, der vorzugsweise Bestandteil der Expandereinheit 10 ist. Der Gleichrichter 50 ist benachbart zum Stator 17 angeordnet, und mit diesem mittels dreier Leitungen 51a, 51b, 51c elektrisch verbunden. Der Gleichrichter 50 ist dabei üblicherweise nicht rotationssymmetrisch ausgeführt, wie die Darstellung der Fig.3 vermuten ließe. Der Gleichrichter 50 ist auf der der Expansionsmaschine 11 entgegengesetzten Seite des Generators 12 bzw. des Stators 17 angeordnet, so dass er thermisch gut von der Expansionsmaschine 11 getrennt ist. Die Kühlkanäle 30 sind nun so gestaltet, dass eine zusätzliche Kühlung des Gleichrichters 50 erfolgt, so dass auch dessen Effizienz optimiert ist. Dazu sind die Kühlkanäle 30 benachbart zum Gleichrichter 50 angeordnet, in der Ausführung der Fig.3 verlaufen sie als Stirnwandkühlung 31 zwischen den gegenüberliegenden Stirnwänden 17a, 50a von Stator 17 und Gleichrichter 50. Die Stirnwandkühlung 31 kann dabei ringförmig über den Umfang des Stators 17 ausgebildet sein. Es ist
beispielsweise jedoch auch eine mänderförmige oder eine plattenförmige Stirnwandkühlung 31 möglich.
Fig.4 zeigt einen Schnitt einer erfindungsgemäßen Expandereinheit 10 in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Expandereinheit 10 umfasst die Expansionsmaschine 11 und den Generator 12. Die Expansionsmaschine 11 ist als Radialturbine ausgeführt, wobei der Strömungsausgang aus der Radialturbine vom Generator 12 wegführt. Alternativ kann die Radialturbine auch eine Strömungsführung zum Generator 12 hin aufweisen, wie in Fig.2 gezeigt.
Die Expandereinheit 10 weist ein Gehäuse 40 auf. In der Ausführung der Fig.4 ist das Gehäuse 40 mehrteilig ausgeführt, mit einem Expandergehäuse 41, einem Generatorgehäuse 42 und einer Statorplatte 43. Das Expandergehäuse
41 umgibt im Wesentlichen die Expansionsmaschine 11. Das Generatorgehäuse
42 umgibt den Stator 17. Die Statorplatte 43 ist zwischen dem Expandergehäuse 41 und dem Generatorgehäuse 42 verspannt und fixiert zusammen mit dem Generatorgehäuse 42 den Stator 17 innerhalb des Gehäuses 40.
Das Lager 18 ist radial durch das Generatorgehäuse 42 positioniert und axial zwischen dem Generatorgehäuse 42 und der Statorplatte 43 positioniert, also zwischen der Expansionsmaschine 11 und dem Generator 12 angeordnet. Ein weiteres Lager 18b ist auf der anderen Seite des Generators 12 angeordnet. In dem Generatorgehäuse 42 ist über den Umfang des Generators 12 verlaufend eine Mehrzahl von Kühlkanälen 30 ausgebildet. Die Kühlkanäle 30 können dabei sowohl in Serie als auch in Reihe geschaltet sein. Dazu ist das
Generatorgehäuse 42 zweiteilig ausgeführt, mit einem Innenkörper 42a und einem Außenmantel 42b. Die Kühlkanäle 30 sind demzufolge zwischen dem
Innenkörper 42a und dem Außenmantel 42b angeordnet, so dass eine beliebig komplexe Geometrie der Kühlkanäle 30 darstellbar ist. Weiterhin zeigt die Fig.4 schematisch den Querschnitt einer Stirnwandkühlung 31, benachbart zur Stirnwand 17a des Stators. Selbstverständlich kann daran anschließend optional ein Gleichrichter angeordnet sein.
Der Strömungsweg des Arbeitsmediums in der Ausführung der Fig.4 ist der folgende: Vom Verdampfer 4 kommend strömt das gasförmige Arbeitsmedium radial in die Expansionsmaschine 11 ein und axial aus dieser durch den
Ausströmkanal 49 wieder aus, in der Darstellung der Fig.4 nach rechts.
Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 5 vollständig verflüssigt und durchströmt danach die Kühlkanäle 30 im Gehäuse 40 zur Kühlung des Stators 17. Die Kühlung des Stators 17 erhöht einerseits die Effizienz des Generators 12, gleichzeitig wird das Arbeitsmedium vorerhitzt, so dass dem Arbeitsmedium anschließend im Verdampfer 4 weniger Energie bis zur vollständigen Verdampfung zugeführt werden muss.
In vorteilhaften Ausführungen wird das Laufrad 19 der Fig.4 seitenverkehrt angeordnet, so dass die Abströmung in Richtung des Generators 12 erfolgt, wie schon in Fig.2 gezeigt. Die Strömung des Arbeitsmediums aus der
Expandereinheit 10 erfolgt dann vorzugsweise in radialer Richtung zwischen Expandergehäuse 41 und Generatorgehäuse 42. Der Ausströmkanal 49 kann dazu von dem Expandergehäuse 41 und/oder dem Generatorgehäuse 42 begrenzt sein. Das Lager 18 ist in diesen Ausführungen vorteilhafterweise am rechten Rand der Expandereinheit 10 angeordnet.
In vorteilhaften Weiterbildungen weist die Expandereinheit 10 dann eine
Isolierung zwischen der Expansionsmaschine 11 und dem Generator 12 auf. Dies kann beispielsweise durch ein Material des Gehäuses 40 mit geringer Wärmeleitfähigkeit erfolgen, oder durch eine zusätzliche Beschichtung des Gehäuses 40, oder durch ein weiteres Bauteil des Gehäuses 40. Die Isolierung kann dabei auch Lufteinschlüsse innerhalb des Gehäuses 40 umfassen. Die Isolierung hat die Aufgabe das relativ heiße, durch den Ausströmkanal 49 aus der Expansionsmaschine 11 ausströmende Arbeitsmedium thermisch von dem Generator 12 zu trennen, so dass die Effizienz des Generators 12 nicht reduziert wird.
Die beschriebenen Ausführungformen des erfindungsgemäßen
Abwärmerückgewinnungssystems 1 sind nicht auf die Ankopplung an eine Brennkraftmaschine 20 beschränkt. Vielmehr ist es möglich sämtliche
Wärmequellen über den Verdampfer 4 an das Abwärmerückgewinnungssystem 1 anzubinden.

Claims

Ansprüche
1. Abwärmerückgewinnungssystem (1) mit einem ein Arbeitsmedium führenden
Kreislauf (2), wobei der Kreislauf (2) in Flussrichtung des Arbeitsmediums einen Verdampfer (4), eine Expansionsmaschine (11) und einen Kondensator (5) umfasst, wobei das Abwärmerückgewinnungssystem (1) eine Expandereinheit (10) aufweist, wobei die Expandereinheit (10) die Expansionsmaschine (11) und einen Generator (12) umfasst, wobei in der Expandereinheit (10) zumindest ein
Kühlkanal (30) zur Kühlung des Generators (12) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Kühlkanal (30) in dem Kreislauf (2) stromabwärts des Kondensators (5) und stromaufwärts des Verdampfers (4) angeordnet ist.
2. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (12) einen im Wesentlichen zylinderförmigen Stator (17) aufweist, wobei der Kühlkanal (30) über den Umfang des Stators (17) verläuft.
3. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Abwärmerückgewinnungssystem (1) einen Gleichrichter (50) aufweist, wobei der Gleichrichter (50) elektrisch mit dem Generator (12) verbunden ist, wobei zumindest ein Bereich des Kühlkanals (30) benachbart zu dem Gleichrichter (50) angeordnet ist.
4. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (50) auf der der
Expansionsmaschine (11) entgegengesetzten Seite des Generators (12) angeordnet ist.
5. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (30) eine Stirnwandkühlung (31) umfasst, welche zwischen zwei gegenüberliegenden Stirnwänden (17a, 50a) des Generators (12) und des Gleichrichters (50) angeordnet ist.
6. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (11) als Radialturb mit einem Laufrad (19) ausgeführt ist.
7. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (12) einen Rotor (16) aufweist, wobei das Laufrad (19) und der Rotor (16) auf einer gemeinsamen Welle (15) angeordnet sind.
8. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmung des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine (11) in Richtung des Generators (12) erfolgt, wobei die Ausströmung des Arbeitsmediums aus der Expandereinheit (10) durch einen Ausströmkanal (49) erfolgt, wobei der Ausströmkanal (49) zwischen der
Expansionsmaschine (11) und dem Generator (12) ausgebildet ist.
9. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Lager (18) zur Lagerung des Laufrads (19) auf der dem Ausströmkanal (49) entgegengesetzten Rückseite (19a) des Laufrads (19) angeordnet ist.
10. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Expandereinheit (10) eine Isolierung zwischen dem Ausströmkanal (49) und dem Generator (12) angeordnet ist.
11. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (2) eine Fluidpumpe (3) aufweist, wobei der zumindest eine Kühlkanal (30) stromabwärts der Fluidpumpe (3) angeordnet ist.
12. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Expandereinheit (10) eine Mehrzahl von Kühlkanälen (30) ausgebildet ist.
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