Patentanmeldung

AMOVIS GmbH. Voltastraße 5. D - 13355 Berlin

Dampfkreisprozess mit verbesserter Energieausnutzung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Dampfkreisprozess enthaltend

(a) eine Speisewasserpumpe zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in einem in dem Dampfkreisprozess verwendeten Arbeitsmedium,

(b) einen Wärmeübertrager, zur übertragung von Abwärme aus einem Primärprozess auf das Arbeitsmedium, (c) einen Expander zum Expandieren des Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung, und

(d) einen Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums.

Derartige Dampfkreisprozesse sind als Clausius-Rankine-Rreisprozess oder auch als Kalina-Kreisprozess bekannt. In einem solchen Kreisprozess wird ein Arbeitsmedium mittels einer Speisewasserpumpe umgepumpt. In einem Wärmeübertrager wird Wärme auf das Arbeitsmedium übertragen. Das unter hohem Druck stehende, heiße Arbeitsmedium, zum Beispiel Wasserdampf oder ein Wasserdampf-Gasgemisch, wird in einem Expander auf ein niedrigeres Druckniveau expandiert. Dabei wird Arbeit frei, die von einer Welle zum Beispiel auf einen Generator übertragen werden kann. Das entspannte, heiße Gas wird in einem Kondensator gekühlt und steht dann dem

Kreisprozess wieder zur Verfügung. Der thermodynamische Wirkungsgrad η _e wird bestimmt nach η _e =l-T _u /T _o , wobei T ₁₁ das untere Temperaturniveau ist, auf das das

Arbeitsmedium im Kondensator abgekühlt wird und T ₀ das obere Temperaturniveau, auf welches das Arbeitsmedium im Wärmeübertrager erhitzt wird.

Es versteht sich, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann, wenn der Temperaturunterschied zwischen den beiden Temperaturen groß ist. Bei der Nutzung der

Abwärme von Primärprozessen ist die obere Temperatur im allgemeinen vergleichsweise gering und nicht beeinflussbar. Die untere Temperatur wird durch die Temperatur des

Kühlmediums im Kondensator bestimmt. Bei Schiffsmotoren ist das Kühlmedium üblicherweise Wasser aus dem Gewässer, in dem sich das Schiff bewegt. Bei Fahrzeugmotoren wird die Temperatur des Kühlmediums durch die Lufttemperatur der

Umgebung bestimmt. Diese Temperaturen sind üblicherweise nicht beeinflussbar. Der

Wirkungsgrad ist daher im allgemeinen vorgegeben.

Stand der Technik

Bekannte Kraftwerke sind so ausgelegt, dass sie bei konstanter Leistung arbeiten. Die Speisewasserpumpe arbeitet entsprechend bei konstantem Druck. Auch die Temperatur im Wärmeübertrager ist konstant. Wenn sich die Temperatur des Kühlmittels, zum Beispiel durch Absenkung der Flusswassertemperatur im Winter, ändert, hat dies keine Auswirkungen auf den Wirkungsgrad.

Erdwärme und Abwärme aus Kraftwerken hat im allgemeinen eine vergleichsweise geringe Temperatur. Wie aus der obigen Formel erkennbar, führt dies zu einem geringen Wirkungsgrad. Zur Erhöhung des Wirkungsgrads bei der Abwärmenutzung wird daher im Kalina-Prozess ein Arbeitsmedium verwendet, das wenigstens zwei Komponenten enthält.

Eine dieser Komponenten hat einen besonders niedrigen Siedepunkt. Das Arbeitsfluid wird durch einen Wärmetauscher geleitet. In dem Wärmetauscher wird dem Arbeitsmedium Wärme zugeführt. Dabei verdampft die Komponente mit dem niedrigeren Siedepunkt bereits bei vergleichsweise geringen Temperaturen. In einem Phasentrenner wird der flüssige Teil des Arbeitsmediums abgetrennt. Der gasförmige Teil wird in einem

Expander unter Arbeitsleistung expandiert. Anschließend werden die Komponenten

kondensiert bzw. gekühlt und wieder zusammengeführt. Auch diese Anordnungen arbeiten bei konstanter Leistung.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung einen Dampfkreisprozess mit verbesserter Energieausnutzung zu schaffen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Dampfkreisprozess der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass

(e) Mittel zum Erfassen des Drucks oder der Temperatur am Kondensator vorgesehen sind, und

(f) eine Regelschleife vorgesehen ist, mit der die Speisewasserpumpe mit den so erfassten Druck- oder Temperaturwerten als Führungsgröße auf einen Druck regelbar ist, bei dem die Expanderleistung maximal ist.

Für ein vorgegebenes Medium ist die Temperatur, bei der ein Medium kondensiert, druckabhängig. Bei geringerem Druck liegt diese Temperatur niedriger, als bei höherem Druck. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Wirkungsgrad erhöht werden kann, wenn Temperaturschwankungen bei dem Kühlmedium derart ausgenutzt werden, dass das obere Druckniveau auf einen Wert eingestellt wird, bei dem die Kühlleistung des Kühlmediums optimal ausgenutzt werden kann. Mit anderen Worten: Die Förderleistung der Speisewasserpumpe wird so eingestellt, dass das Arbeitsmedium gerade noch kondensiert. Dann wird eine maximale Temperaturdifferenz und der damit verbundene maximale Wirkungsgrad erreicht.

In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Arbeitsfiuid wenigstens zwei Komponenten unterschiedlicher Siedepunkte, und ein Phasentrenner zum Trennen der Komponenten ist zwischen dem Wärmetauscher und dem Expander vorgesehen, so dass nur der gasförmige Anteil des Arbeitsfiuids dem Expander zugeführt wird. Das ist ein

Kalina-Rreisprozess.

Die Erfindung nutzt den Effekt, dass die Leistung eines sekundären Kreisprozesses zur Abwärmenutzung schwanken darf, zur Verbesserung des Wirkungsgrads.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand des Unteranspruchs. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig.l ist eine schematische Darstellung eines Clausius-Rankine-

Dampfkreisprozesses zur Abgaswärmenutzung.

Fig.2 ist ein Diagramm, das den Verlauf der Temperatur in Abhängigkeit von der

Entropie bei einem Dampfkreisprozess aus Fig.1 veranschaulicht.

Fig.3 ist eine schematische Darstellung eines Kalina-Kreisprozesses zur

Abgaswärmenutzung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig.l ist ein allgemein mit 10 bezeichneter Clausius-Rankine-Kreisprozess illustriert. Der Dampfkreisprozess 10 umfasst eine Expansionsmaschine 14 und einen Wärmeübertrager 12. Der Wärmeübertrager 12 wird von der Abwärme eines Primärprozesses beaufschlagt. Solche Primärprozesse können Kraftwerke oder Fahrzeuge, wie Schienenfahrzeuge, Lastkraftwagen, Schiffe oder sonstige Maschinen sein, die

Abwärme erzeugen. Der Kreisprozess umfasst weiterhin eine regelbare Speisewasserpumpe 16 und einen Kondensator 18.

Der Wärmeübertrager 12 ist von Arbeitsmedium in Form von Speisewasser bzw. Speisewasserdampf durchflössen. Das Arbeitsmedium steht dabei unter einem erhöhten

Druck, welcher von einer Pumpe 16 erzeugt wird. Dem Wasser oder Wasserdampf wird eine Wärmemenge φ _H aus der Abwärme zugeführt. Dadurch wird der Wasserdampf stark

überhitzt, d.h. auf eine hohe Temperatur und ein höheres Druckniveau gebracht. Die innere Energie steigt. In einem Expander, zum Beispiel einem Kolbenexpander, Turbine oder dergleichen 14 wird der Wasserdampf entspannt. Dabei sinkt der Druck wieder auf ein niedrigeres Druckniveau. Bei dieser Entspannung wird Arbeit frei, die über eine Welle zum Beispiel an einem Generator für elektrische Energie nutzbar gemacht werden kann.

Der entspannte Wasserdampf wird dann einem Kondensator 18 zugeführt, in welchem er kondensiert wird, damit das Wasser für den Kreisprozess weiter zur Verfügung steht. Dabei wird die Wärmemenge φ _c frei, die zum Beispiel für Wärmezwecke genutzt werden kann. Das kondensierte Wasser wird erneut der Pumpe 16 zugeführt.

Der beschriebene Kreisprozess ist ein typischer Clausius-Rankine-Rreisprozess. Der Carnot- Wirkungsgrad (s.o.) wird durch die obere Temperatur T ₀ im Wärmeübertrager 12 und die untere Temperatur T ₁₁ im Kondensator 18 bestimmt. Die Temperaturdifferenz ist durch die Temperatur der Abwärme begrenzt, die üblicherweise weit unterhalb von

Verbrennungstemperaturen liegt. Zur Erhöhung des Wirkungsgrads wird daher der durch die Pumpe 16 geförderte Massenstrom an die Kondensatortemperatur angepasst. Die Kondensatortemperatur wird über einen Messfühler ermittelt. Der Messwert wird durch eine schematisch dargestellte Regelschleife an die Motorsteuerung M der Speisewasserpumpe 16 gegeben. Diese regelt die Pumpleistung derart, dass ein optimaler

Wirkungsgrad erreicht wird.

In Fig. 2 sind die Auswirkungen der Regelung anhand eines T-S-Diagramms (Temperatur T, aufgetragen über die Entropie S) dargestellt.

Vor der Erwärmung ist das Arbeitsmedium flüssig und hat die Temperatur T ₁₁ . Dies entspricht dem mit A bezeichneten Zustand. Bei Erwärmung im Wärmeübertrager wird zunächst die Flüssigkeit erwärmt und nimmt Energie auf. Bei der Siedetemperatur T _s beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen. Dies ist der Zustand B. Die Temperatur bleibt dabei zunächst konstant, bis das Arbeitsmedium vollständig in den gasförmigen Zustand übergegangen ist. Dieser Zustand ist in dem Diagramm mit C bezeichnet. Dem nun gasförmige Arbeitsmedium wird nun weiter Wärmeenergie zugeführt, was zu einem

erneuten Temperaturanstieg fuhrt. Wenn die Temperatur T ₀ der Abwärme erreicht ist, ist kein weiterer Wärmeübergang möglich. Der Zustand D ist erreicht. Das unter Druck stehende und heiße Gas wird in einem Expander auf den Zustand E entspannt und in dem Kondensator 18 gekühlt, bis es bei der niedrigen Temperatur wieder vollständig kondensiert ist. Der Zustand D wird auch durch den von der Pumpe 16 erzeugten Druck bestimmt. Unterhalb eines Schwellwerts ist eine Entspannung unabhängig von der Temperatur des Kondensators immer nur bis zur Grenze des Nassdampfgebiets möglich, die durch die Kurve 24 repräsentiert ist. Bei kleineren Temperaturen ist das Arbeitsmedium flüssig und leistet keine Arbeit mehr.

Wenn die Temperatur des Kondensators geringer wird, wird bei der vorliegenden Anordnung die Förderleistung der Pumpe 16 erhöht. Das hat zur Folge, dass das Arbeitsmedium auf einen energiereicheren Punkt D erwärmt wird. Man erkennt jedoch, dass eine Entspannung auf die niedrigere Temperatur T ₁₁ ' (Zustand E') möglich ist und mehr nutzbare Arbeit geleistet wird. Diese Arbeit wird durch die schraffierte Fläche 26 repräsentiert. Der Wirkungsgrad wird erhöht. Durch die Regelung 22 kann die Förderleistung der Pumpe 16 immer optimal an die Kondensatortemperatur oder den zugehörigen, niedrigeren Druck angepasst werden.

Die Anordnung ist besonders dann sinnvoll, wenn der Kreisprozess in Maschinen eingesetzt wird, bei denen das Kühlmedium im Kondensator Temperaturschwankungen unterliegt. Das ist zum Beispiel bei luftgekühlten Fahrzeugen der Fall, da sich die Außenlufttemperatur mit der Jahres- und Tageszeit und der geographischen Lage ändert. Auch bei Schiffen ist dies der Fall, da sich die Wassertemperatur je nach Gewässer und Jahreszeit ändert. Der Wirkungsgrad kann so bei diesen Anwendungen wesentlich erhöht werden.

In Fig.3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine Regelschleife in einen Kalina- Kreisprozess integriert ist. Der Kreisprozess ist zum Beispiel in einem Motors für Personenkraftwagen integriert.

Der Dieselmotor ist allgemein mit 110 bezeichnet. Der Dieselmotor 110 treibt eine Antriebswelle 112 an. Die Funktionsweise eines Dieselmotors ist übliche Technik und braucht daher nicht näher erläutert werden. Der Dieselmotor 110 arbeitet in einem typischen Leistungsbereich von 100 kW. Er erzeugt Abwärme im Bereich von 250 kW. Die entstehende Abwärme wird einerseits über ein erstes Kühlsystem 114 bzw. 116 an

Kühlwasser abgegeben. Andererseits wird heißes Abgas erzeugt, wovon ein Teilstrom zur Vermeidung von Emissionsbildung über eine Abgasrückführung 118 dem Motor erneut zugeführt wird. Dies ist durch eine gestrichelte Linie 120 repräsentiert.

Die soweit beschriebenen Komponenten sind bekannte Komponenten eines Motor-

Antriebssystems. Im Gegensatz zu herkömmlichen Antriebssystemen wird nun der Kühlkreislauf 114 bzw. 116 von einem weiteren Kreislauf gekühlt. In diesem Kreislauf wird eine Mehrkomponentenlösung als Arbeitsfluid mit einer Pumpe 128 auf einem erhöhten Druckniveau von etwa 15 bar umgepumpt. Das Arbeitsfluid besteht im vorliegenden Fall aus einer Trägersubstanz, nämlich Wasser, in die ein Gas, nämlich

Ammoniak gelöst ist. Das Massenverhältnis Wasser: Ammoniak beträgt 65:35.

Die wässrige Ammoniaklösung nimmt zunächst von dem mit etwa 90 ⁰ C betriebenen Kühlkreislauf des Motors Wärme über einen Plattenwärmetauscher 132 auf. In diesem Plattenwärmetauscher wird der erste Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 110 gekühlt.

Das ca.90°C heiße Kühlwasser 114 wird dabei auf etwa 83°C gekühlt. Das Arbeitsfluid erwärmt sich bei diesem Wärmeübergang auf annähernd 90 ⁰ C. Dadurch wird ein Teil des gelösten Ammoniak-Gases verdampft. Die Wärmeaufnahme des Arbeitsfluids ist infolge des teilweisen Verdampfens des Ammoniaks aus dem Arbeitsfluid derart groß, das mit kleinen Volumenströmen die gesamte anfallende Abwärme des Kühlsystems in das

Arbeitsfluid übertragen werden kann.

Bei einem zweiten Wärmeübergang wird dem Arbeitsfluid die Wärme des Abgases der

Abgasrückführung 118 zugeführt. Der Wärmeübergang liegt im Bereich von 17 kW. Die Temperatur des rückgeführten Abgases sinkt dabei erheblich, so dass auch durch diese

Maßnahme die Spitzentemperatur der Verbrennung im Verbrennungsmotor und damit die

Stickoxid-Emissionen gesenkt werden. Die mittlere Temperatur des Arbeitsfluids liegt dann bei etwa 110 ⁰ C.

In einem dritten Wärmetauscher wird nun ein der Teil der Abgaswärme auf das Arbeitsfluid übertragen, der die gewünschte Endtemperatur des Arbeitsfluids herbeiführt.

Die Temperatur des Arbeitsfluids erreicht dann 150 ⁰ C und ein Großteil des ursprünglich im Wasser gelösten Ammoniaks ist ausgedampft.

In einem Phasentrenner 134 wird anschließend die flüssige Phase des Arbeitsfluids, im wesentlichen Wasser, von der Gasphase - überwiegend Ammoniak - getrennt. Das flüssige

Wasser wird problemlos mit 150° auf ein niedrigeres Druckniveau von etwa 2 bar gebracht und direkt einem z.B. luftgekühlten Kühler zugeführt. Das unter einem Druck von 15 bar stehende Gas wird einer Expansionsmaschine 138, z.B. einer Rotationskolbenmaschine, Kolbenmaschine, Schraubenmaschine oder einer Turbine zugeführt und dort auf einen Druck von 2 bar entspannt. Die dabei frei werdende, nutzbare Arbeit liegt im Bereich von bis zu 10 kW und kann der Welle 112 zugeführt werden. Bei der Entspannung wird nicht nur das Druckniveau, sondern auch die Temperatur dieser Komponente des Arbeitsfluids gesenkt. Das kalte Arbeitsfluid wird dann ebenfalls dem Kühler zugeführt. Dort löst es sich in dem heißen Trägermedium, wobei u.U. Lösungswärme frei wird. Von dem Kühler aus wird das gekühlte Arbeitsfluid über die Pumpe 128 wieder dem Kreislauf zugeführt wird. Der Kühler kann auch zeiteilig ausgeführt werden, da die Vorgänge „Mischen,, bzw. „Kühlen,, des Arbeitsfluids unterschiedliche Anforderungen an die Bauteilauslegung stellen. So kann z.B. eine Mischstrecke unterhalb des Kühlers angeordnet sein um eine möglichst gute Mischung der Arbeitsfluidströme zu erreichen und um sie dann möglichst gut vermischt dem Kühler 136 zuzuführen.

Die von dem Kühlsystem 136 aufzubringende Kühlleistung ist trotz der Wärmeaufnahme aus dem Abgas gegenüber einem konventionellen Antriebssystem, das ohne den zweiten Kreislauf arbeitet, ähnlich.

Die hier beispielhaft genannten Werte für die Leistung des Verbrennungsmotors und die Wärmeübergänge können selbstverständlich an die verschiedenen Anwendungsfälle angepasst werden. So können weitere Wärmequellen, wie etwa eine ölkühlung, eine Ladeluftkühlung oder dergleichen, in den zweiten Kreislauf integriert werden. Es können auch Lösungen mit anderen und/oder weiteren Komponenten verwendet werden, die in

Art und Anteil an die jeweiligen Wärmequellen angepasst sind. Ziel ist es dabei, einen möglichst guten Wärmeübergang und eine hohe Aufnahme an Verdampfungsenthalpie zu ermöglichen. Dadurch können alle Komponenten kompakt ausgebildet werden. Die Antriebsleistung wird erhöht. Der Wirkungsgrad des gesamten Antriebs wird ebenfalls erhöht. Dadurch reduziert sich bei gleicher benötigter Gesamtleistung der

Schadstoffausstoß.

Die thermodynamisch mittlere Temperatur des vom Fahrtwind gekühlten Kühlers liegt bei etwa 110 ⁰ C und ist damit höher, als bei gewöhnlichen Kühlkreisläufen mit etwa 90 ⁰ C. Dies führt zu einer Verringerung der erforderlichen Kühlfläche. Dadurch kann die

Baugröße des Kühlers reduziert werden. Durch die Verwendung einer Komponente mit niedrigen Siedepunkt (Ammoniak) ist die höchste Temperatur mit etwa 150 ⁰ C niedriger, als dies bei bekannten Einstoff-Systemen wie z.B. Wasser der Fall ist. Diese müssen bei etwa 500 ⁰ C arbeiten, um einen ausreichenden Wirkungsgrad zu erreichen. Durch die niedrigere untere Temperatur von bis zu 10 ⁰ C ist die minimale Temperatur des

Kreisprozesses erheblich niedriger als bei einem im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Einstoff System. Zum Vergleich: Ein mit Wasser arbeitendes Einstoff- System hat beispielsweise eine niedrigste Temperatur von 100 ⁰ C bei 1 bar. Durch diese geringere unterste Temperatur wird ein guter thermischer Wirkungsgrad erreicht.

Der Wirkungsgrad wird nun weiter verbessert, indem auf die oben beschriebene Weise eine Regelung der Pumpe 128 in Abhängigkeit vom Druck im Kühler 136 erfolgt. Ein Drucksensor 138 ermittelt den Druck bei dem das Arbeitsmittel kondensiert. über eine Regelung 140 wird dann die Pumpe 128 gesteuert. Wie bei Einstoff-Systemen kann eine erhebliche Erhöhung des mittleren Wirkungsgrads erreicht werden, wenn das Kühlmittel im Kühler Temperaturschwankungen unterliegt.