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DE102008034977A1 - Steam cycle process device and method for controlling the same - Google Patents

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DE102008034977A1
DE102008034977A1 DE102008034977A DE102008034977A DE102008034977A1 DE 102008034977 A1 DE102008034977 A1 DE 102008034977A1 DE 102008034977 A DE102008034977 A DE 102008034977A DE 102008034977 A DE102008034977 A DE 102008034977A DE 102008034977 A1 DE102008034977 A1 DE 102008034977A1
Authority
DE
Germany
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working fluid
expander
evaporator
steam cycle
cycle device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102008034977A
Other languages
German (de)
Inventor
Jürgen Berger
Michael Bucher
Christian Bausch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SteamDrive GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Priority to DE102008034977A priority Critical patent/DE102008034977A1/en
Priority to PCT/EP2009/005194 priority patent/WO2010009839A2/en
Priority to US12/737,420 priority patent/US20110167823A1/en
Priority to EP09777252A priority patent/EP2432973A2/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dampkreisprozessvorrichtung, umfassend - ein Reservoir für ein flüssiges Arbeitsmittel; - einen Verdampfer, in dem das Arbeitsmittel durch Wärmezufuhr verdampft wird, wobei das dampfförmige Arbeitsmittel einem Expander zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt und nachfolgend in einem Kondensator verflüssigt wird, der mit dem Reservoir in Verbindung steht; - eine Arbeitsmittelpumpe zur Zufuhr von Arbeitsmitteln aus dem Reservoir zum Verdampfer. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in Arbeitsmittelflussrichtung vor oder im Bereich des Kondensators flüssiges Arbeitsmittel dem aus dem Expander austretendem Arbeitsmittel zugeführt wird.The invention relates to a vapor cycle device, comprising - a reservoir for a liquid working fluid; an evaporator in which the working fluid is vaporized by supplying heat, the vaporous working fluid being supplied to an expander for relaxation and mechanical work and subsequently liquefied in a condenser communicating with the reservoir; - A working fluid pump for supplying working fluid from the reservoir to the evaporator. The invention is characterized in that in the working fluid flow direction before or in the region of the condenser liquid working fluid is supplied to the emerging from the expander working fluid.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dampfkreisprozessvorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung derselben, wobei die Dampfkreisprozessvorrichtung insbesondere einen Teil eines Fahrzeugantriebes beziehungsweise eines Hilfsgetriebeantriebes in einem Fahrzeug bildet.The The invention relates to a steam cycle process device and method for controlling the same, wherein the steam cycle device in particular a part of a vehicle drive or an auxiliary gear drive forms in a vehicle.

Dampfkreisprozesse, beispielsweise ein Clausius-Rankine-Prozess, zur Erzeugung mechanischer Leistung aus einem Wärmestrom sind bekannt und können beispielsweise durch eine separate Brennereinheit in einer Kraft-Wärmekopplungs-Einrichtung angetrieben werden. Für Fahrzeuge werden Dampfkreisprozessvorrichtungen bevorzugt zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine verwendet, wobei je nach Wahl des Arbeitsmittels und der Temperaturführung des Dampfkreisprozesses als Wärmequellen der Kühlwasserstrom der Verbrennungskraftmaschine oder bevorzugt deren Abgasstrom dienen.Steam cycles, For example, a Clausius Rankine process, for generating mechanical Power from a heat flow are known and can for example, by a separate burner unit in a combined heat and power plant are driven. For vehicles, steam cycle process devices preferably for the use of waste heat of an internal combustion engine used, depending on the choice of working fluid and the temperature control the steam cycle as heat sources of cooling water flow the internal combustion engine or preferably their exhaust gas flow serve.

Zur Leistungssteuerung von Dampfkreisprozessen wird durch die DE 102 29 250 A1 eine Regelung des Volumenstroms des Arbeitsmittels zum Verdampfer vorgeschlagen. Dies setzt eine Arbeitsmittelpumpe mit variablem Fördervolumen voraus, um einen vorgegebenen Volumenstrom- und/oder Drucksollwert für das Arbeitsmittel in der Zuleitung zum Verdampfer einzustellen. Zur Realisierung dieser Vorgabe kann der Arbeitsmittelpumpe ein drehzahlvariabler Antrieb zugeordnet werden, was für eine elektrisch betriebene Pumpe einen Elektromotor notwendig macht, der jedoch für einen Fahrzeugantrieb aufgrund des erforderlichen Bauraumerfordernisses nachteilig ist. Ferner stellt dieser einen zusätzlichen elektrischen Verbraucher dar. Ist die Dampfkreisprozessvorrichtung Teil eines Fahrzeugantriebs mit einer Verbrennungskraftmaschine, so kann alternativ die Arbeitsmittelpumpe mittels einer Regelkupplung drehzahlvariabel von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden. Allerdings ist auch diese Lösung konstruktiv aufwendig, hinsichtlich des Wirkungsgrades ungünstig und erfordert Bauraum für die zusätzliche Regelkupplung.For power control of steam cycle processes is by the DE 102 29 250 A1 proposed a regulation of the volume flow of the working fluid to the evaporator. This requires a working fluid pump with variable delivery volume to set a predetermined volume flow and / or pressure setpoint for the working fluid in the supply line to the evaporator. To implement this requirement, the working fluid pump can be assigned a variable-speed drive, which makes an electric motor necessary for an electrically operated pump, but which is disadvantageous for a vehicle drive due to the required installation space requirement. Furthermore, this represents an additional electrical consumer. If the steam cycle device is part of a vehicle drive with an internal combustion engine, then alternatively the working fluid pump can be driven by a variable-speed variable by the internal combustion engine. However, this solution is structurally complex, unfavorable in terms of efficiency and requires space for the additional control clutch.

Weitere Steuerungen für den Volumenstrom des Arbeitsmittels in der Zuleitung zum Verdampfer sind aus der US 4,573,323 und der US 4,020,637 bekannt. Aus der erstgenannten Druckschrift geht eine Anordnung mehrerer Pumpen hervor, die Arbeitsmittel aus einem Reservoir beziehungsweise aus einem Zwischenbehälter entnehmen, der zwischen einem Verdampfer und einem Überhitzer für die Dampfphase des Arbeitsmittels angeordnet ist. Eine dieser Pumpen ist als steuerbare Injektor-Pumpe ausgebildet, die einer mit konstanter Geschwindigkeit angetriebenen Pumpe vorgelagert ist, deren Fördervolumen eine Funktion der eingangs-zu-ausgangsseitigen Druckdifferenz ist. Je nach Einstellung der Injektor-Pumpe wird entweder Arbeitsmittel aus dem Zwischenbehälter oder dem Reservoir der nachfolgenden Pumpe zugeführt. Mit dieser insbesondere für die Betriebsaufnahme des Dampfkreisprozesses vorgesehenen Vorrichtung ist es nicht möglich, den Volumenstrom des Arbeitsmittels zum Verdampfer im Sinne einer Leistungsregelung für den Dampfkreisprozess genau anzupassen.Further controls for the flow rate of the working fluid in the supply line to the evaporator are from the US 4,573,323 and the US 4,020,637 known. From the first-mentioned document, an arrangement of several pumps is apparent, remove the working fluid from a reservoir or from an intermediate container, which is arranged between an evaporator and a superheater for the vapor phase of the working fluid. One of these pumps is designed as a controllable injector pump, which is preceded by a pump driven at a constant speed, the delivery volume is a function of the input-to-output pressure difference. Depending on the setting of the injector pump either working fluid from the intermediate container or the reservoir of the subsequent pump is supplied. With this particular intended for the start of operation of the steam cycle process device, it is not possible to precisely adjust the flow rate of the working fluid to the evaporator in terms of power control for the steam cycle.

Aus der voranstehend genannten US 4,020,637 ist eine Dampfkreisprozessvorrichtung bekannt, die durch eine Brennereinheit angetrieben wird. Ein Teil der am Expander erzeugten mechanischen Leistung wird zum Antrieb von Pumpen für das Arbeitsmittel zum Verdampfer und für die Kraftstoffzufuhr zur Brennereinheit verwendet. Durch diese Maßnahme besteht im Normalbetrieb ein Gleichgewicht zwischen der Leistungsabgabe am Expander und der hierfür notwendigen Dampfzufuhr, die wiederum vom Druck in der Arbeitsmittelleitung und der Brennertemperatur abhängt. Tritt eine Störung dieses Gleichgewichts ein, so werden Ventile in Bypassleitungen an den Pumpen geöffnet, die eine Rezirkulation des Arbeitsmittels beziehungsweise des Brennstoffs zur Pumpeneingangsseite ermöglichen. Die Ventile in den Bypassleitungen funktionieren als Wegeventile, das heißt als Schalter, die einen Ein- und einen Aus-Zustand einnehmen können. Ferner liegen in den Bypassleitungen Drosselstellen vor, um das Druckgefälle an der Pumpe aufrechtzuerhalten. Aufgrund der Gestaltung der offenbarten Bypassleitungen wird im Falle der Öffnung der Bypassleitung lediglich eine Druckspitze abgebaut, so dass die offenbarte Vorrichtung keine Regelung des Volumenstroms und/oder des Drucks des Arbeitsmittels in der Zuleitung zum Verdampfer entlang einer Sollkurve ermöglicht, stattdessen werden lediglich im Fall eines Überdrucks die voranstehend beschriebenen Maßnahmen getroffen. Entsprechendes gilt für die Pumpeneinrichtung in der Zuleitung zum Brenner.From the above US 4,020,637 For example, a steam cycle device is known which is driven by a burner unit. Part of the mechanical power generated at the expander is used to drive pumps for the working fluid to the evaporator and for the fuel supply to the burner unit. By this measure, there is a balance between the power output on the expander and the necessary steam supply in normal operation, which in turn depends on the pressure in the working fluid line and the burner temperature. If a disturbance of this equilibrium occurs, valves are opened in bypass lines on the pumps, which allow a recirculation of the working fluid or of the fuel to the pump input side. The valves in the bypass lines function as directional valves, that is, as switches that can assume an on and an off state. There are also throttle points in the bypass lines to maintain the pressure differential across the pump. Due to the design of the bypass lines disclosed, in the case of the opening of the bypass line only a pressure peak is reduced, so that the disclosed device does not allow control of the volume flow and / or the pressure of the working fluid in the supply line to the evaporator along a setpoint curve, instead only in the case of Overpressure made the measures described above. The same applies to the pump device in the supply line to the burner.

Alternativ kann die Arbeitsmittelpumpe drehstarr von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden. Bei einem solchen Antrieb läuft die Arbeitsmittelpumpe in Abhängigkeit der Verbrennungskraftmaschinendrehzahl um, so dass der geförderte Arbeitsmittelvolumenstrom proportional zur Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine ist. Um auch bei niedrigen bis mittleren Motordrehzahlen einen ausreichend hohen Arbeitsmittelvolumenstrom zur Speisung des Verdampfers beziehungsweise des Expanders zu erhalten, werden entsprechend größer dimensionierte Pumpen eingesetzt. Dies bedeutet aber auch, dass aufgrund der drehstarren Kopplung bei Maximaldrehzahlen des Motors auch ein dementsprechend hoher Arbeitsmittelvolumenstrom zum Verdampfer erzeugt wird. Der von der Arbeitsmittelpumpe geförderte Arbeitsmittelvolumenstrom ist somit deutlich größer als der benötigte Volumenstrom für den Verdampfer beziehungsweise den Expander.Alternatively, the working fluid pump can be rotationally driven by the internal combustion engine. In such a drive, the working fluid pump runs in response to the internal combustion engine speed, so that the funded working fluid flow is proportional to the speed of the internal combustion engine. In order to obtain a sufficiently high working medium volume flow for feeding the evaporator or the expander even at low to medium engine speeds, correspondingly larger-sized pumps are used. However, this also means that due to the torsionally rigid coupling at maximum speeds of the engine, a correspondingly high working medium volume flow to the evaporator is generated. The funded by the working fluid pump working fluid flow is thus significantly greater than the required volume flow for the evaporator or the expander.

Da damit der Fördervolumenstrom immer proportional zur Motordrehzahl und nicht zur anfallenden Wärmemenge ist, ist mit diesem System keine optimale Führung der Dampfparameter möglich. Durch die nicht optimale Prozessführung erhöht sich die vom Kondensator abzuführende Wärmemenge im Verhältnis zur Nutzleistung des Dampfprozesses. Dies ist besonders nachteilig bei der Verwendung der Dampfkreisvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, da dort der zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt ist und größere und schwerere Komponenten zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führen.There so that the flow rate is always proportional to the engine speed and not to the accumulating amount of heat is with this System no optimal guidance of the steam parameters possible. By the non-optimal process management increases the From the condenser dissipated amount of heat in the ratio to the useful power of the steam process. This is particularly disadvantageous when using the steam cycle device in a motor vehicle, because there the available space is limited and larger and heavier components to one lead to higher fuel consumption.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfkreisprozessvorrichtung sowie ein Verfahren zur Steuerung derselben anzugeben, die es ermöglichen, insbesondere für Anwendungen in einem Kraftfahrzeug beziehungsweise dessen Antriebsstrang den Kondensator kleiner und leichter als bisher ausführen.Of the Invention is based on the object, a steam cycle device and to provide a method of controlling the same which makes it possible to in particular for applications in a motor vehicle or whose powertrain makes the capacitor smaller and lighter than before To run.

Bevorzugt soll zugleich auf eine separate, drehzahlvariabel einstellbare Antriebsmaschine für die Arbeitsmittelpumpe verzichtet werden können und dennoch das Fördervolumen des dem Verdampfer beziehungsweise Expander zugeführten Arbeitsmittels zum Zweck einer Leistungsanpassung variabel gestaltet, beziehungsweise der Druck des Arbeitsmittels in der Zuleitung zum Verdampfer entsprechend einer Sollvorgabe eingestellt werden können. Dabei wird eine konstruktiv und fertigungstechnisch einfache Lösung gesucht, welche einen geringen Bauraum beansprucht und darüber hinaus energieeffizient arbeitet.Prefers should at the same time on a separate, variable-speed adjustable drive machine can be dispensed with for the working fluid pump and Nevertheless, the delivery volume of the evaporator or Expander supplied work equipment for the purpose of performance adjustment designed variable, or the pressure of the working fluid set in the supply line to the evaporator according to a target specification can be. Here is a constructive and manufacturing technology sought simple solution, which a small space and also works energy efficient.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Dampfkreisprozessvorrichtung und ein Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.The The object of the invention is achieved by a steam cycle device and a method according to the independent claims solved. Make the dependent claims preferred embodiments of the invention.

Die Erfinder haben erkannt, dass durch eine Abzweigung wenigstens eines Teils des Arbeitsmittelvolumenstroms stromauf der Arbeitsmittelpumpe und Zuführung des abgezweigten Teils zum den Expander stromab verlassenden Arbeitsmittel, die Wärmeabführfläche verringert und der Kondensator baulich kleiner ausgeführt werden kann.The Inventors have recognized that by branching at least one Part of the working medium volume flow upstream of the working fluid pump and Feeding the branched part to the expander downstream leaving work equipment, the heat dissipation surface reduced and the capacitor structurally smaller running can be.

Eine erfindungsgemäße Dampfkreisprozessvorrichtung umfasst ein Reservoir für ein flüssiges Arbeitsmittel sowie einen Verdampfer, in dem das Arbeitsmittel durch Wärmezufuhr verdampft wird, wobei das dampfförmige Arbeitsmittel einem Expander zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt und nachfolgend in einem Kondensator verflüssigt wird, der mit dem Reservoir in Verbindung steht. Erfindungsgemäß ist eine Arbeitsmittelpumpe zur Zufuhr von Arbeitsmittel aus dem Reservoir zum Verdampfer vorgesehen. Dabei wird in Arbeitsmittelflussrichtung vor oder im Bereich des Kondensators flüssiges Arbeitsmittel dem aus dem Expander austretendem Arbeitsmittel zugeführt.A Steam cycle process device according to the invention includes a reservoir for a liquid working fluid and an evaporator in which the working fluid is supplied by heat is evaporated, wherein the vaporous working medium a Expander supplied for relaxation and performing mechanical work and subsequently liquefied in a condenser, which communicates with the reservoir. According to the invention a working fluid pump for supplying working fluid from the reservoir provided to the evaporator. It is in working fluid flow direction before or in the area of the condenser liquid working medium supplied to the emerging from the expander work equipment.

Auch wenn die Erfindung besonders vorteilhaft bei Kraftfahrzeugen, insbesondere Schienen-, Lastkraft- oder Personenwagen, verwendet werden kann, ist es auch denkbar die erfindungsgemäße Dampfkreisprozessvorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren bei anderen mobilen Einrichtungen oder stationären Anlagen, insbesondere zur Abgasenergierückgewinnung in Industrieanlagen einzusetzen. Beispielsweise könnte der Expander dann zum Antrieb von Aggregaten eingesetzt werden.Also when the invention is particularly advantageous in motor vehicles, in particular Rail, truck or passenger car, can be used it is also conceivable Dampfkreisprozessvorrichtung the invention or the control method according to the invention in other mobile devices or stationary systems, in particular to use for exhaust gas energy recovery in industrial plants. For example, the expander could then be used to drive Aggregates are used.

Besonders vorteilhaft ist eine Bypassleitung zur Zuführung des flüssigen Arbeitsmittels vorgesehen, welche eine Verbindung zwischen einer Ausgangsseite der Arbeitsmittelpumpe und einer Eingangsseite des Kondensators herstellt. Dabei kann die Bypassleitung zum Beispiel direkt im Druckraum der Arbeitsmittelpumpe münden, also innerhalb der Arbeitsmittelpumpe angeordnet sein oder aber in einer Verbindungsleitung zum Verdampfer. Ebenso kann das andere Ende der Bypassleitung direkt im Kondensator oder in einer Leitung in Arbeitsmitteflussrichtung vor dem Kondensator münden.Especially advantageous is a bypass line for supplying the liquid Working means provided which a connection between a Output side of the working fluid pump and an input side of the Condenser manufactures. In this case, the bypass line, for example open directly in the pressure chamber of the working fluid pump, ie be arranged within the working fluid pump or in a Connecting line to the evaporator. Likewise, the other end of the Bypass line directly in the condenser or in a line in working center flow direction in front of the condenser.

Eine weitere, bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Bypassleitung mit ihrem einen Ende in einer Leitung zwischen Expander und Kondensator mündet. Eine solche Mündung kann beispielsweise als T-förmiges Verbindungsrohr ausgeführt sein. Aber auch andere Formen sind denkbar.A Another preferred embodiment provides that the bypass line with one end in a line between expander and capacitor empties. Such a mouth can, for example be designed as a T-shaped connecting pipe. But other forms are conceivable.

Ferner wird eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der die Bypassleitung mit ihrem einen Ende direkt im Expander mündet. Die Mündung kann zum Beispiel im Auslassbereich, also stromab des Expansionsraumes des Expanders vorgesehen sein, so dass die Zufuhr von flüssigem, am Verdampfer vorbeigeleiteten Arbeitsmittel im Expandergehäuse erfolgt.Further an embodiment is preferred in which the bypass line with its one end opens directly into the expander. The estuary can, for example, in the outlet area, ie downstream of the expansion space be provided of the expander, so that the supply of liquid, at the evaporator bypassed working fluid in the expander housing he follows.

Die Zuführung von flüssigem, vom Verdampfer abgezweigten Arbeitsmittel zu dem den Expander verlassenden, in der Regel vollständig dampfförmigen Arbeitsmittel, hat den Vorteil, dass der Dampf kondensiert beziehungsweise wenigstens teilweise verflüssigt wird. Durch das Zusammenbrechen des Dampfes an der Stelle der Zuführung des flüssigen Arbeitsmittels ergibt sich ein verbesserter Wärmeübergang sowie ein verringertes Volumen des aus dem Expander in den Kondensator strömenden Arbeitsmittels, so dass die Wärmeüberträgerfläche zur Abfuhr der Abwärme im Kondensator kleiner ausgeführt werden kann. Dadurch kann im Kondensator trotz kleinerer Dimensionierung wenigstens die gleiche Wärmemenge wie bei herkömmlichen größeren Kondensatoren ohne Zufuhr von flüssigem Arbeitsmittel abgeführt werden.The supply of liquid, diverted from the evaporator working fluid to the expander leaving, usually completely vaporous working fluid has the advantage that the steam is condensed or at least partially liquefied. The collapse of the vapor at the point of supply of the liquid working fluid results in an improved heat transfer and a reduced volume of working fluid flowing from the expander into the condenser, so that the heat transfer surface can be made smaller to dissipate the waste heat in the condenser. As a result, at least the sliding in the capacitor despite smaller dimensions che amount of heat as conventional larger capacitors without supply of liquid working fluid to be dissipated.

Besonders vorteilhaft wird im Bereich der Zufuhr des flüssigen Arbeitsmediums zu dem Expander verlassenden Arbeitsmedium die Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen Arbeitsmediums vergrößert. Eine Vergrößerung der Flüssigkeitsoberfläche kann beispielsweise durch Zerstäuben des abgezweigten flüssigen Arbeitsmediums erfolgen. Hierzu kann beispielsweise nach Art eines Aerosols dem flüssigen Arbeitsmittel Luft zugeführt werden, so dass ein Sprühnebel entsteht. Eine solche Zerstäubung kann zum Beispiel mittels einer Venturi-Düse erfolgen. Auch kann lediglich mittels hohen Druckes das flüssige Arbeitsmittel durch eine geeignete Düse in eine Art Sprühstrahl überführt werden. Der Vorteil einer Zerstäubung liegt auch darin, dass das den Expander verlassende Arbeitsmittel besser mit dem zugeführten flüssigen Arbeitsmittel vermischt wird.Especially is advantageous in the field of supply of the liquid working medium to the expander leaving working medium the liquid surface of the liquid working medium increases. An enlargement of the liquid surface For example, by spraying the branched liquid Working medium done. For this purpose, for example, in the manner of a Aerosols supplied to the liquid working fluid air so that a spray is created. Such atomization can be done for example by means of a Venturi nozzle. Also can only by means of high pressure, the liquid working fluid transferred by a suitable nozzle in a kind of spray become. The advantage of atomization is also that the working medium leaving the expander gets better with the supplied liquid working fluid is mixed.

Auch ist es denkbar, das den Dampf führende Rohr im des Zusammenführens von flüssigem und dampfförmigem Arbeitsmittel auf der Innenseite mit flüssigem Arbeitsmittel zu benetzen.Also It is conceivable, the tube leading the steam in the merging of liquid and vaporous working medium to wet on the inside with liquid working medium.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung einer Dampfkreisprozessvorrichtung variiert der von der Arbeitsmittelpumpe geförderte Arbeitsmittelvolumenstrom unabhängig von einem Sollwert für den Druck und/oder den Volumenstrom des Arbeitsmittels zum Verdampfer, und der dem Verdampfer und/oder Expander zugeführte Arbeitsmittelvolumenstrom dadurch geregelt und/oder gesteuert, dass ein Teil des Arbeitsmittelvolumenstromes aus der Arbeitsmittelpumpe dem aus dem Expander austretenden Arbeitsmittel zugeführt wird und somit nicht in den Verdampfer gelangt.at a method according to the invention for the control a steam cycle device varies from that of the working fluid pump pumped working fluid flow independent from a setpoint for the pressure and / or the flow rate the working fluid to the evaporator, and the evaporator and / or Expander supplied working fluid flow regulated thereby and / or controlled that a part of the working medium volume flow the working fluid pump emerging from the expander work equipment is fed and thus does not get into the evaporator.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren exemplarisch erläutert werden.The Invention will be described below with reference to embodiments and the attached figures explained by way of example become.

Es zeigen:It demonstrate:

1 schematisch vereinfacht eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Dampfkreisprozessvorrichtung. 1 schematically simplifies an embodiment of a Dampfkreisprozessvorrichtung invention.

2 eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Dampfkreisprozessvorrichtung. 2 a further embodiment of a Dampfkreisprozessvorrichtung invention.

1 zeigt schematisch vereinfacht die Grundkomponenten einer Dampfkreisprozessvorrichtung. Aus einem Reservoir 5 wird flüssiges Arbeitsmittel mittels einer Arbeitsmittelpumpe 1 zum Verdampfer 2 gepumpt. Im Verdampfer 2 erfolgt die Verdampfung des Arbeitsmittels, wobei die hierfür notwendige thermische Energie aus einer im Einzelnen nicht dargestellten Brennereinheit zugeführt wird. Besonders bevorzugt ist die Dampfkreisprozessvorrichtung Teil eines Fahrzeugantriebs mit einer Verbrennungskraftmaschine, deren Abwärme das Arbeitsmittel im Verdampfer 2 erhitzt. Dabei kommen insbesondere die Abgase einer Verbrennungskraftmaschine in Betracht, wobei die hierfür notwendigen Komponenten zur Vereinfachung der Darstellung im Einzelnen nicht in 1 gezeigt sind. Der Verdampfer 2 kann mehrstufig aufgebaut werden, insbesondere kann eine Überhitzungseinheit für die Dampfphase vorgesehen sein. 1 shows schematically simplified the basic components of a Dampfkreisprozessvorrichtung. From a reservoir 5 becomes liquid working fluid by means of a working fluid pump 1 to the evaporator 2 pumped. In the evaporator 2 the evaporation of the working fluid, wherein the thermal energy necessary for this is supplied from a burner unit, not shown in detail. Particularly preferably, the steam cycle device is part of a vehicle drive with an internal combustion engine whose waste heat is the working fluid in the evaporator 2 heated. In particular, the exhaust gases of an internal combustion engine come into consideration, with the components necessary for the simplification of the representation in detail not in 1 are shown. The evaporator 2 can be constructed in several stages, in particular, a superheating unit may be provided for the vapor phase.

Das Arbeitsmittel wird im dampfförmigen Zustand vom Verdampfer 2 dem Expander 3 über eine Leitung 8 zugeführt, in dem dieses unter Entspannung mechanische Arbeit verrichtet. Nachfolgend zum Expander 3 wird das Arbeitsmittel im Kondensator 4 verflüssigt und wieder in das Reservoir 5 zurückgeführt.The working fluid is in the vapor state of the evaporator 2 the expander 3 over a line 8th supplied, in which this performs mechanical work under relaxation. Following to the expander 3 the working fluid is in the condenser 4 liquefied and returned to the reservoir 5 recycled.

Der Expander 3, der allgemein auch als dampfgetriebene Kraftmaschine bezeichnet werden kann, ist zum Beispiel als Kolbenmaschine, Dampfturbine oder Kreiselmaschine ausgeführt.The expander 3 , which may also be generally referred to as a steam-driven engine, is designed, for example, as a piston engine, steam turbine or centrifugal machine.

Als bevorzugte Arbeitsmittelpumpe 1 wird eine Innenzahnradpumpe verwendet, deren Drehzahl unabhängig von der Volumenstromvorgabe in der Zuleitung zum Verdampfer 2 eingestellt wird.As preferred working fluid pump 1 an internal gear pump is used whose speed is independent of the volume flow specification in the supply line to the evaporator 2 is set.

Im Bereich der Ausgangsseite der Arbeitsmittelpumpe 1 ist eine Bypassleitung 7 vorgesehen, welche mit ihrem einen Ende im Kondensator 4 mündet und somit flüssiges Arbeitsmittel mit dem aus dem Expander 3 in den Kondensator 4 einströmenden dampfförmigen Arbeitsmittels mischt. Die Bypassleitung 7 umfasst ein Ventil 6, welches beispielsweise als gesteuertes Überströmventil oder Druckbegrenzungsventil ausgeführt sein kann. Auch kann es sich hierbei um ein elektrisch, elektromagnetisch, pneumatisch oder mechanisch betätigbares Proportionalventil handeln. Das Ventil 6 kann beispielsweise von einer zentralen Steuereinheit, wie einem Bordrechner betätigt werden.In the area of the outlet side of the working fluid pump 1 is a bypass line 7 provided, which with its one end in the capacitor 4 opens and thus liquid working fluid with the expander 3 in the condenser 4 inflowing vaporous working fluid mixes. The bypass line 7 includes a valve 6 which can be designed, for example, as a controlled overflow valve or pressure relief valve. It may also be an electrically, electromagnetically, pneumatically or mechanically operable proportional valve. The valve 6 For example, it can be operated by a central control unit, such as an on-board computer.

Auch können im Ventil 6 und/oder in der Bypassleitung 7 geeignete Sensoren zur Druckaufnahme angeordnet sein, welche Signale zur Regelung oder Steuerung an eine zentrale Steuereinheit senden.Also, in the valve 6 and / or in the bypass line 7 be arranged suitable sensors for pressure recording, which send signals for control or control to a central control unit.

Die 2 zeigt ein weiteres Ausgestaltungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dampfkreisprozessvorrichtung, wobei für übereinstimmende Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet werden. Für das dargestellte Ausführungsbeispiel mündet die Bypassleitung 7 in einer Leitung 8, welche Expander 3 und Kondensator 4 arbeitsmediumleitend miteinander verbindet. Die Verbindungsstelle kann beispielsweise als T-förmiges Verbindungsrohr ausgeführt sein. In dem der Bypassleitung 7 zugewandten Teil des Verbindungsrohres kann eine Düse vorgesehen sein, welche das flüssige Arbeitsmittel aus der Bypassleitung 7 zerstäubt. Die Düse kann auch in der Bypassleitung 7 angeordnet sein. Durch die Düse soll eine Vergrößerung der Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen Arbeitsmittels erfolgen, so dass das den Expander 3 verlassende, dampfförmige Arbeitsmittel schneller abkühlt, wenn es auf die Flüssigkeitstropfen des zerstäubten Arbeitsmittels trifft. Eine Zerstäubung kann beispielsweise durch Ansaugen oder Zuführen von Luft, wie Umgebungsluft erfolgen. Auch ist es natürlich denkbar, das abgezweigte flüssige Arbeitsmittel aus der Bypassleitung 7 im Verbindungsrohr beziehungsweise in der Zuführleitung durch Benetzung auf die Innenseiten der Leitung 8 oder des Verbindungsrohres aufzubringen.The 2 shows a further embodiment example of a Dampfkreisprozessvorrichtung invention, wherein for the same components the same reference numerals as in 1 be used. For the illustrated embodiment opens the bypass line 7 in a pipe 8th which expanders 3 and capacitor 4 connects working medium conducting together. The connection example, can be designed as a T-shaped connecting pipe. In the bypass line 7 facing part of the connecting pipe, a nozzle may be provided which the liquid working fluid from the bypass line 7 atomized. The nozzle can also be in the bypass line 7 be arranged. Through the nozzle, an enlargement of the liquid surface of the liquid working medium is carried out, so that the expander 3 leaving vaporous working fluid cools faster when it hits the liquid droplets of the atomized working fluid. Atomization can be carried out, for example, by sucking in or supplying air, such as ambient air. It is also conceivable, of course, the branched liquid working fluid from the bypass line 7 in the connecting tube or in the feed line by wetting on the inner sides of the line 8th or of the connecting pipe.

Weiterhin sind eine Vielzahl von Ausführungsformen denkbar, wobei das Grundprinzip dasselbe bleibt: Das Arbeitsmittel wird am Austritt der Arbeitsmittelpumpe 1 oder stromab der Arbeitsmittelpumpe 1, vor oder im Bereich des Verdampfers 2 abgezweigt und dem dampfförmigen Arbeitsmittel des Expanders 3 zur Kühlung zugeführt.Furthermore, a variety of embodiments are conceivable, the basic principle remains the same: The working fluid is at the outlet of the working fluid pump 1 or downstream of the working fluid pump 1 , in front of or in the area of the evaporator 2 branched off and the vaporous working medium of the expander 3 supplied for cooling.

11
ArbeitsmittelpumpeWorking medium pump
22
VerdampferEvaporator
33
Expanderexpander
44
Kondensatorcapacitor
55
Reservoirreservoir
66
VentilValve
77
Bypassleitungbypass line
88th
Leitungmanagement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Dampfkreisprozessvorrichtung, umfassend 1.1 ein Reservoir (5) für ein flüssiges Arbeitsmittel; 1.2 einen Verdampfer (2), in dem das Arbeitsmittel durch Wärmezufuhr verdampft wird, wobei das dampfförmige Arbeitsmittel einem Expander (3) zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt und nachfolgend in einem Kondensator (4) verflüssigt wird, der mit dem Reservoir (5) in Verbindung steht; 1.3 eine Arbeitsmittelpumpe (1) zur Zufuhr von Arbeitsmittel aus dem Reservoir (5) zum Verdampfer (2); dadurch gekennzeichnet, dass 1.4 in Arbeitsmittelflussrichtung vor oder im Bereich des Kondensators (4) flüssiges Arbeitsmittel dem aus dem Expander (3) austretendem Arbeitsmittel zugeführt wird.Steam cycle device comprising 1.1 a reservoir ( 5 ) for a liquid working fluid; 1.2 an evaporator ( 2 ), in which the working fluid is vaporized by supplying heat, wherein the vaporous working medium an expander ( 3 ) for relaxation and performance of mechanical work and subsequently in a condenser ( 4 ) liquefied with the reservoir ( 5 ); 1.3 a working fluid pump ( 1 ) for the supply of working fluid from the reservoir ( 5 ) to the evaporator ( 2 ); characterized in that 1.4 in the working fluid flow direction before or in the region of the capacitor ( 4 ) liquid working fluid from the expander ( 3 ) is exiting working fluid. Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zuführung des flüssigen Arbeitsmittels eine Bypassleitung (7) vorgesehen ist, welche eine Verbindung zwischen der Ausgangsseite der Arbeitsmittelpumpe (1) und der Eingangsseite des Kondensators (4) herstellt.Steam cycle device according to claim 1, characterized in that for supplying the liquid working fluid a bypass line ( 7 ) is provided, which a connection between the output side of the working fluid pump ( 1 ) and the input side of the capacitor ( 4 ). Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (7) mit ihrem einen Ende in eine Leitung (8) zwischen Expander (3) und Kondensator (4) mündet.Steam cycle device according to claim 2, characterized in that the bypass line ( 7 ) with one end in a line ( 8th ) between expander ( 3 ) and capacitor ( 4 ) opens. Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (7) mit ihrem einen Ende im Kondensator (4) mündet.Steam cycle device according to claim 2, characterized in that the bypass line ( 7 ) with one end in the capacitor ( 4 ) opens. Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (7) mit ihrem einen Ende im Expander (3) mündet.Steam cycle device according to claim 2, characterized in that the bypass line ( 7 ) with one end in the expander ( 3 ) opens. Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypassleitung (7) ein Ventil (6) angeordnet ist, mittels welchem durch Verändern des Arbeitsmittelvolumenstromes durch die Bypassleitung (7) der Druck und/oder Volumenstrom des nicht durch die Bypassleitung (7) abgezweigten Arbeitsmittels zum Verdampfer (2) regelbar oder steuerbar ist.Steam cycle device according to one of claims 2 to 5, characterized in that in the bypass line ( 7 ) a valve ( 6 ) is arranged, by means of which by changing the working medium volume flow through the bypass line ( 7 ) the pressure and / or volume flow of not through the bypass line ( 7 ) diverted working fluid to the evaporator ( 2 ) is controllable or controllable. Verfahren zur Steuerung einer Dampfkreisprozessvorrichtung gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Arbeitsmittelpumpe (1) geförderte Arbeitsmittelvolumenstrom unabhängig von einem Sollwert für den Druck und/oder den Volumenstrom des Arbeitsmittels zum Verdampfer (2) variiert, und der dem Verdampfer (2) und/oder Expander (3) zugeführte Arbeitsmittelvolumenstrom dadurch geregelt und/oder gesteuert wird, dass ein Teil des Arbeitsmittelvolumenstromes aus der Arbeitsmittelpumpe (1) dem aus dem Expander (3) austretenden Arbeitsmittel zugeführt wird.Method for controlling a steam cycle device according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that that of the working medium pump ( 1 ) conveyed working fluid flow independent of a setpoint for the pressure and / or the flow rate of the working fluid to the evaporator ( 2 ), and the evaporator ( 2 ) and / or expander ( 3 ) supplied working fluid flow is controlled and / or controlled by a part of the working medium volume flow from the working fluid pump ( 1 ) from the expander ( 3 ) escaping working fluid is supplied. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Arbeitsmittel vor oder bei der Zuführung zum aus dem Expander (3) austretenden Arbeitsmittel zerstäubt wird.A method according to claim 7, characterized in that the liquid working fluid before or during the supply to the expander ( 3 ) exiting working fluid is atomized. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stelle des Zusammenführens von flüssigem und den Expander (3) verlassendem Arbeitsmittel die Innenseite der Leitung (8), welche das Arbeitsmittel aus dem Expander (3) führt, mit flüssigem Arbeitsmittel erfolgt.A method according to claim 7, characterized in that at the point of merging liquid and the expander ( 3 ) leaving the inside of the pipe ( 8th ), which the working medium from the expander ( 3 ), carried out with liquid working fluid. Antriebseinheit für ein Fahrzeug, umfassend 10.1 eine Dampfkreisprozessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6; 10.2 eine Verbrennungskraftmaschine, deren Abgase dem Verdampfer (2) zur Erhitzung und/oder Verdampfung des Arbeitsmittels zugeführt werden; dadurch gekennzeichnet, dass 10.3 die Verbrennungskraftmaschine die Arbeitsmittelpumpe (1) wenigstens mittelbar antreibt.A drive unit for a vehicle, comprising: 10.1 a steam cycle device according to any one of claims 1 to 6; 10.2 an internal combustion engine, the exhaust gases of the evaporator ( 2 ) are supplied for heating and / or evaporation of the working fluid; characterized in that 10.3 the internal combustion engine the working fluid pump ( 1 ) drives at least indirectly.
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