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Die
Erfindung betrifft eine Kombination eines Kälte-Kreislaufs zur Klimatisierung
eines Fahrzeuginnenraums mit einem Rankine-Kreislauf gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Im
Clausius-Rankine-Prozess wird in einem geschlossenen Kreislauf zunächst Wasser
in einem Verdampfer verdampft und ggf. überhitzt, wodurch der Druck
ansteigt. In einem nachfolgenden Schritt in einer Turbine (oder
einem Arbeitszylinder o.ä.)
wird der Dampf entspannt und anschließend in einem Kondensator wieder
verflüssigt.
Die Umwälzung
des Wassers erfolgt mit Hilfe einer Pumpe. Im Rahmen des Prozesses
erfolgen die folgenden Zustandsänderungen:
1. Isobare Wärmezufuhr
im Verdampfer, wobei das Wasser zunächst bis zum Verdampfungspunkt
erwärmt,
verdampft und anschließend überhitzt
wird. 2. Adiabate Expansion des Dampfes in der Turbine. 3. Isobare
und isotherme Kondensation des Dampfes im Kondensator. 4. Adiabate,
isentrope Druckerhöhung
durch die Pumpe.
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Wird
an Stelle von Wasser ein anderes Arbeitsmittel verwendet, so bezeichnet
man dieses Verfahren als Organic-Rankine-Prozess oder Organic Rankine
Cycle (ORC).
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Aus
der
DE 10 2005
047 760 A1 ist eine komplexe Fluidmaschine mit einer Kompressorvorrichtung
für einen
Kühlkreislauf
und einer Expansionsvorrichtung für einen Clausius-Rankine-Kreislauf zum
Sammeln von Abwärme
von einem Motor mit einem Motor-Kühlwasserkreislauf und ihr Umwandeln in
eine Drehkraft bekannt. Hierbei bildet der Verdampfer des Motor-Kühlwasserkreislaufs
die Heizvorrichtung für
den Clausius-Rankine-Kreislauf.
Die so rückgewonnene,
im Clausius-Rankine-Kreislauf über
die Expansionsvorrichtung umgewandelte Energie wird zum Antrieb
der Kompressorvorrichtung verwendet, welche den Kühlkreislauf
umwälzt.
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Ein
einfacher Clausius-Rankine-Kreislauf, welcher die Wärme des
Abgases eines Verbrennungsmotors direkt nutzt, ist aus der
US 4,406,127 A bekannt.
Hierbei wird Wasser aus einem Wasserreservoir mit Hilfe einer Pumpe
entnommen und auf den Auspuff des Verbrennungsmotors gesprüht, so dass
es verdampft. Das verdampfte Wasser wird durch eine Drossel und
Zylinder geleitet. Bei Bedarf wird es nachfolgend in einem Kondensator
gekühlt, bevor
es wieder dem Wasserreservoir zugeführt wird.
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Die
DE 28 48 532 A1 offenbart
einen Clausius-Rankine-Kreislauf, dessen aus Abwärme rückgewonnene Energie zum Umwälzen des
Kältemittels
einer Klimaanlage verwendet wird.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine
Kombination eines Kälte-Kreislaufs
zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums mit einem Rankine-Kreislauf
verbesserte zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine Kombination eines Kälte-Kreislaufs zur Klimatisierung
eines Fahrzeuginnenraums mit einem Rankine- Kreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist eine
Kombination eines Klimaanlagen-Kältekreislaufs
zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums, enthaltend ein erstes
Kältemittel,
mit einem Rankine-Kreislauf, enthaltend ein zweites Kältemittel,
vorgesehen, wobei die beiden Kreisläufe zumindest eine Teilstrecke
aufweisen, über
welche ein Wärmeaustausch
der beiden Kältemittel
mit einem dritten Medium vorgesehen ist, und dass in der Teilstrecke
die Kältemittel
aus den beiden Kreisläufen
in gleicher Richtung parallel und benachbart zueinander strömen. Dadurch,
dass die Teilstrecke, in welcher der Wärmeaustausch erfolgt, gemeinsam
für die
beiden Kreisläufe
genutzt werden kann, kann die vorhandene Wärmeübertragungsfläche optimal
ausgenutzt werden, auch wenn ggf. nur ein Kreislauf oder -zweig
in Betrieb ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
für beide
Kreisläufe
das gleiche Kältemittel,
insbesondere bevorzugt R134a, vorgesehen. Hierbei kann bevorzugt
ein Kältemittelaustausch
zwischen den beiden Kreisläufen
vorgesehen sein.
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Der
Kältemittelaustausch
der beiden Kreisläufe
erfolgt bevorzugt im Bereich einer gemeinsam durchströmten Teilstrecke
der Kreisläufe,
die besonders bevorzugt durch mindestens einen gemeinsamen Kondensator
gebildet wird. Dabei muss nicht notwendigerweise der gesamte Kondensator
die gemeinsame Teilstrecke bilden. Es ist vielmehr möglich, einen
Kreislauf an einer weiter in Strömungsrichtung liegenden
Stelle des Kondensators einmünden und/oder
einen Kreislauf an einer weiter entgegen der Strömungsrichtung liegenden Stelle
des Kondensators abzweigen zu lassen. Bevorzugt wird jedoch der
gesamte Kondensator vom gesamten Kältemittelstrom durchströmt, so dass
ein herkömmlicher Kondensator verwendet
werden kann. Anpassungen an die beiden Kreisläufe sind lediglich im Bereich
der Anschlussleitungen erforderlich. Ferner lässt sich die gesamte vom Lüfter des
Kondensators beaufschlagte Anblasfläche auch dann nutzen, wenn
nur einer der Kreisläufe
betrieben wird. Das Temperaturniveau des Kältemittels im Kondensator liegt
hierbei ausreichend hoch, um die Kondensationswärme mit einer relativ geringen
Gebläseleistung
an die Umgebungsluft abgegeben werden zu können.
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In
der gemeinsamen Teilstrecke können auch
ein gemeinsamer Sammler und/oder eine gemeinsame Unterkühlstrecke
vorgesehen sein. Die Zusammenlegung der Bereiche verringert die
erforderliche Anzahl von Bauteilen und somit die Kosten, wie auch
das Gesamtgewicht.
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Alternativ
zu einer Vermischung des Kältemittels
der beiden Kreisläufe
in einer gemeinsam genutzten Teilstrecke wird die Teilstrecke durch
einen gemeinsam genutzten Kondensator mit parallel geführten Leitungen
gebildet, welcher für
einen Wärmeaustausch
mit demselben von einem gemeinsam genutzten Medium, insbesondere
Luft, durchströmbar ist.
Hierbei sind die Leitungen bevorzugt in Strömungsrichtung des gemeinsam
genutzten Mediums hintereinander angeordnet. Zwischen den Leitungen können die
wärmeübertragende
Oberfläche
vergrößernde Strukturen,
wie insbesondere Wellrippen, vorgesehen sein.
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Bevorzugt
ist im Rankine-Kreislauf ein Verdampfer vorgesehen, welcher vom
Motor stammende Wärme
an das Kältemittel
des Rankine-Kreislaufs überträgt. Wird
die Wärme über das
Motorkühlmittel übertragen,
so kann zur Erhöhung
des Wirkungsgrades die Regeltemperatur des Motorkühlkreislaufs
erhöht
werden, insbesondere auf über
100°C und
besonders bevorzugt auf über
110°C. Trotz
der erhöhten
Temperatur im Verdampfer liegen die Kältemitteltemperaturen im Rankine-Kreislauf
bei der Verwendung von R134a unter der Zersetzungstemperatur des
Kältemittels.
Entsprechendes gilt auch bei der Verwendung anderer marktüblicher
Kältemittel
und Schmierölen.
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Das
in den Kreisläufen
strömende
Kältemittel
erreicht vorzugsweise in einem Bereich des einen Kreislaufs einen überkritischen
Zustand, während
es im anderen Kreislauf bei normalen Betriebsbedingungen keinen überkritischen
Zustand erreicht.
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Besonders
bevorzugt ist die Verwendung von R134a oder eines Kältemittels
mit ähnlichen
thermodynamischen Eigenschaften als Kältemittel im Rankine-Kreislauf und/oder
im Klimaanlagen-Kältekreislauf.
Ein derartiges Kältemittel
ist insbesondere gut für
die Verwendung eines Scroll-Expanders im Rankine-Kreislauf geeignet, da bei üblichen
Kältemittelströmen der
Expansionsvolumenstrom gut zum Hubvolumen und Drehzahlbereich der
aus Scroll-Kompressoren abgeleiteten Expandern passt, so dass keine
Sonderkonstruktionen für
den Expander erforderlich sind und somit die Kosten verringert werden
können.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Kombination eines Kälte-Kreislaufs zur Klimatisierung eines
Fahrzeuginnenraums mit einem Rankine-Kreislauf gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel,
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2 ein
Druck-Enthalpie-Diagramm (p-h-Diagramm) für R134a mit schematisch eingezeichneten
Prozessen des Organic-Rankine-Kreislaufs
und eines Kältemittel-Kreislaufs,
wie sie gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
vorgesehen sind,
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3 ein
Temperatur-Enthalpie-Diagramm (T-h-Diagramm) für R134a mit ausreichender Rückkondensation
des Arbeitsmittels R134a,
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4 eine
schematische Ansicht einer eines Kälte-Kreislaufs zur Klimatisierung
eines Fahrzeuginnenraums mit einem Rankine-Kreislauf gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
und
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5a und 5b schematische
Darstellungen von Beispielen für
die thermische Kopplung im Bereich der Kondensatoren der beiden
Kreisläufe, wie
sie gemäß dem ersten
oder zweiten Ausführungsbeispiel
vorgesehen ist.
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Ein
Klimaanlagen-Kältekreislauf 10,
welcher der Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums dient, weist
einen Kompressor 11, einen nachfolgend angeordneten Kondensator 12 mit
integriertem Sammler 13 und Unterkühlstrecke 14, ein
Expansionsorgan 15 und einen von der dem Fahrzeuginnenraum
zuzuführenden
Luft durchströmten
Verdampfer 16 auf. Als Kältemittel wird vorliegend R134a
verwendet, welches im unterkritischen Zustand den Kältekreislauf 10 durchströmt.
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Um überschüssige Energie,
vorliegend aus dem Motorkühlkreislauf
eines Verbrennungsmotors (nicht dargestellt), rückzugewinnen, ist ein Organic-Rankine-Kreislauf 20 vorgesehen,
der von einer elektrisch angetriebenen Pumpe 21 umgewälzt wird. Das
Kältemittel
des ORC-Kreislaufs 20, ebenfalls R134a, wird von der ORC-Pumpe 21 zu
einem ORC-Verdampfer 22 gefördert, in welchem das Kältemittel
verdampft und überhitzt
wird, wofür
besagte überschüssige Energie
aus dem Motorkühlkreislauf, vorliegend übertragen
durch das Motor-Kühlmittel, verwendet
wird. Der Verdampfer 22 wird im Gegenstrombetrieb durchströmt, wobei
die Wärmeübertragung
vorliegend in einer Stufe erfolgt. Es ist alternativ jedoch auch
eine mehrstufige Wärmeübertragung möglich.
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Um
eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen Motor-Kühlmittel
und Kältemittel
zur Verfügung
zu stellen, wird im Motor-Kühlkreislauf
vorliegend ein Kühlmittel
mit erhöhtem
Glycolanteil und ein Überdrucksystem
verwendet, wobei eine Regeltemperatur des den Motorkühlkreislauf
regelnden Thermostaten von vorliegend 110°C ergibt. Bevorzugte Regeltemperaturen
liegen über
100°C, insbesondere über 110°C. An Stelle
von Wasser als Kühlmittel
können
auch andere flüssige
Medien, die zur Kühlung des
Motors geeignet sind, verwendet werden.
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Anschließend an
den ORC-Verdampfer 22 wird der überhitzte Dampf des ORC-Kreislaufs 20 in einem
ORC-Expander 23 entspannt, wobei mit der gewonnenen Energie
ein Generator 23' angetrieben wird.
Die Übertragung
erfolgt mechanisch, wobei die Leistung oder das Lastmoment des Generators 23' regelbar ist.
Beim ORC-Expander 23 handelt es sich vorliegend um eine
Volumen-Expansionsmaschine, nämlich
einen Scroll-Expander,
der ein Volumen-Expansionsverhältnis
von 3,0 aufweist. Bevorzugte Volumen-Expansionsverhältnisse
derartiger Scroll-Expander liegen zwischen 1,5 und 5,0, insbesondere bevorzugt
zwischen 2,0 und 3,5.
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Der
Dampf gelangt nachfolgend dem Expander 23 zur Rückkondensation
in einen ORC-Kondensator 24 mit Sammler 25 und
Unterkühlstrecke 26.
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Hierbei
sind die beiden Kreisläufe 10 und 20 im
Bereich des Kondensators 12 oder 24 samt Sammler 13 oder 25 und
Unterkühlstrecke 14 oder 26 zusammengelegt,
d.h. die Bauteile sind nur einfach vorhanden, wobei in Folge der
Zusammenlegung eine Vermischung der Kältemittel verbunden mit einem
Temperatur- und Druckausgleich erfolgt. Aus diesem Grund werden
die entsprechenden Bauteile in der Zeichnung und im Folgenden mit
den Bezugszeichen 12/24, 13/25 bzw. 14/26 bezeichnet.
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Ein
Diagramm mit einer Darstellung des Druckes p über der Enthalpie h für die beiden
Kreisläufe 10 und 20 zeigt 2.
In Folge der nachfolgend der Verzweigung im ORC-Kreislauf 20 angeordneten Pumpe 21 erhöht sich
der Druck des unterkühlten Kältemittels,
während
im anderen Zweig in Folge des nachfolgend angeordneten Expansionsorgans 15 der Druck
senkt, während
in beiden Zweigen die Enthalpie im Wesentlichen konstant bleibt.
In den nachfolgend angeordneten Verdampfern 16 bzw. 22 erhöht sich
die Enthalpie bei im Wesentlichen konstantem Druck. Anschließend wird
durch den Kompressor 11 im Klima-Kältekreislauf 10 der
Druck bei im Wesentlichen konstanter Temperatur erhöht, während im ORC-Kreislauf 20 der
Druck bei im Wesentlichen konstanter Temperatur im ORC-Expander 23 absinkt. Hierbei
erfolgt die Regelung derart, dass der Druck im Bereich des Zusammentreffens
der beiden Zweige etwa gleich ist. Wie aus der Darstellung von 2 ersichtlich,
arbeitet der Klima-Kältekreislauf 10 im Wesentlichen
im unterkritischen Bereich, während der
ORC-Kreislauf 20 diesen Bereich verlassen kann.
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Beim
Kondensator 12/24 handelt es sich gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen um einen herkömmlichen
luftgekühlten
Kühler, wie
er üblicherweise
zur Kühlung
des Kältekreislaufs einer
Klimaanlage verwendet wird.
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Gemäß dem zweiten,
in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der
prinzipielle Aufbau der Kreisläufe 10 und 20 demjenigen
des ersten Ausführungsbeispiels,
sofern im Folgenden nicht ausdrücklich
erwähnt.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
ist jedoch kein Kältemittelaustausch
zwischen den beiden Kreisläufen 10 und 20 vorgesehen,
d.h. der gemeinsam durchströmte
Kondensator 12/24 entfällt und wird durch einen Kondensator 12 und
einen Kondensator 24 ersetzt, die parallel zueinander von
den Kältemitteln
durchströmt
werden und ferner im gleichen Luftstrom angeordnet sind. Vorliegend
bilden die Kondensatoren 12 und 24 eine bauliche
Einheit (siehe 5a), wobei parallel dicht nebeneinander
verlaufende, aber getrennt ausgebildete Leitungen 12' und 24' in Form von
Flachrohren für
die beiden Kältekreisläufe 10, 20 vorgesehen
sind. Zwischen den Flachrohren sind gemeinsame Weltrippen vorgesehen,
so dass die Leitungen 12' und 24' thermisch miteinander
gekoppelt sind.
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Gemäß einer
Variante in Hinblick auf die Ausgestaltung der Leitungen 12', 24' kann, wie in 5b dargestellt,
auch ein gemeinsam genutztes Flachrohr mit Mehrkammerprofil verwendet
werden, wodurch die thermische Kopplung zwischen den beiden Leitungen 12', 24' verbessert
wird. Hierbei wird ein Teil der Kammern vom Kältemittel des Klimaanlagen-Kältekreislaufs 10 und
der andere Teil der Kammern vom Kältemittel des ORC-Kreislaufs 20 durchströmt. Auch
in diesem Fall kann eine gemeinsame Wellrippe vorgesehen sein.
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Nachfolgend
dem vorliegend als bauliche Einheit ausgebildeten, gemeinsam genutzten
Kondensator durchströmen
die getrennten Kältemittelströme getrennt
ausgebildete Sammler 13, 25. Der weitere Aufbau
der Kältekreisläufe 10, 20 entspricht dem
des ersten Ausführungsbeispiels,
so dass hierauf nicht nochmals eingegangen wird. Beide Sammler könne auch
mit einem kombinierten Kondensator eine Baueinheit bilden, wobei
abströmseitig
nachgelagert Unterkühlstrecken
ausgebildet sind.
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Auf
Grund der Trennung der beiden Kreisläufe in Bezug auf die Kältemittel
können
unterschiedliche Kältemittel
für den
Klimaanlagen-Kältekreislauf 10 und
den ORC-Kreislauf 20 verwendet werden. Ebenso können deutlich
sich unterscheidende Drücke
in den Kreisläufen 10 und 20 vorliegen.
Auf Grund der thermischen Kopplung erfolgt die Kondensation jedoch
im Wesentlichen auf dem gleichen Temperaturniveau.
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Die
Regelung der bevorzugt in beiden Ausführungsbeispielen elektrisch
angetriebenen Pumpe 21 des ORC-Kreislaufs 20 kann
in Abhängigkeit
der Förderleistung
erfolgen. Alternativ ist eine Regelung in Abhängigkeit einer vorgegebenen
Druckdifferenz oder eines definierten Druckverhältnisses, einer vorgegebenen
Kältemitteltemperatur
nach der (letzten) Heizstufe des Verdampfers 22 oder eines
vorgegebenen Dichteverhältnisses
vor und nach dem Expander 23 möglich.
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Die
Förderleistung
der Pumpe 21 sowie die abgegriffene Leistung des Generators 23' werden gemäß beiden
zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
derart geregelt, dass einerseits das Dichteverhältnis des am Expander 23 anliegenden
Kältemittels
nicht mehr als 50%, insbesondere nicht mehr als 20%, vom Volumenexpansionsverhältnis des
Expanders 23 abweicht. Um die im Kondensator an die denselben
durchströmende
Umgebungsluft abgebbare Wärmemenge
bei beiden Ausführungsbeispielen
zu erhöhen,
werden die Pumpe 21 und der Expander 23 im entsprechenden
ORC-Kreislauf 20 derart geregelt, dass im expandierten
Zustand nach dem Expander das Kältemittel
noch eine definierte Überhitzung
aufweist.
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Das
Kältemittel
kann auch ein Arbeitsmittel sein. Das Kältemittel ist insbesondere
R134a, R152a, CO2, Blend H oder ein ähnliches Mittel.