DE102008053066A1

DE102008053066A1 - System mit einem Rankine-Kreislauf

Info

Publication number: DE102008053066A1
Application number: DE102008053066A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Grünwald; Roland Dipl.-Phys. Burk; Rainer Dipl.-Ing. Lutz
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2010-04-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors, und einen Rankine-Kreislauf mit einem Arbeitsmedium, wobei das Abgassystem durch einen ersten Wärmeübertrager thermisch an den Rankine-Kreislauf koppelbar ist, und wobei das Arbeitsmedium über einen Kondensator (1) auf eine Kondensationstemperatur kühlbar ist, wobei die Kondensationstemperatur in einem Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs nicht kleiner als etwa 100°C ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System, insbesondere für Kraftfahrzeuge, aufweisend ein Abgassystem und einen Rankine-Kreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Betriebsverfahren für ein solches System.
Zunehmend wird der Einsatz von Systemen zur Wärmerückgewinnung, etwa von Clausius-Rankine Prozessen angedacht.
Der Clausius-Rankine Prozess ist seit langem als geschlossener Dampfkraftprozess bekannt. Eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch wird unter Druck verdampft, in der Regel auch überhitzt und einer Expansionsmaschine zugeführt, die mechanische Arbeit leistet. Das entspannte Arbeitsmittel wird unter Wärmeabgabe vollständig kondensiert und mittels Pumpe wieder auf Verdampfungsdruck gebracht. Bereits in den 1980er Jahren wurde angedacht, diese Technologie in Kraftfahrzeugen einzusetzen, um einen Teil der Abwärme aus der Verbrennung in mechanische Arbeit zu verwandeln. Letztere kann beispielsweise dem Antriebsstrang oder einem elektrischen Generator zugeführt werden. Eine nicht zu unterschätzende Herausforderung ist die im Rankine-Prozess auftretende Kondensationswärme, die auf relativ niedrigem Temperaturniveau anfällt und an die Umgebung abgegeben werden muss. Dies erfolgt nach den gegenwärtigen Konzepten entweder direkt über einen Kondensator im Frontmodul, welcher aufgrund seines niedrigen Temperaturniveaus dem Motorkühler luftseitig vorgeschaltet ist, oder indirekt, z. B. über einen Niedertemperatur-Kühlkreis (NT-Kühlkreis) mit Temperaturen von typisch 70°C.
Um einen möglichst hohen Anteil der Abwärme eines Fahrzeuges für den Prozess zu gewinnen und dessen Leistung zu erhöhen, werden verschiedene Wärmequellen im Fahrzeug genutzt, insbesondere die Abwärme des Motorkühlkreislaufes oder des Abgasrückführsystems. Aufgrund seiner hohen Temperatur stellt das Abgasrückführsystem eine bevorzugte Wärmequelle dar.
JP 2007332853 A offenbart ein Abwärmerückgewinnungssystem, wobei genau ein Heizer die vom Abgas aufgenommene Abwärme an einen Rankine Kreislauf abgibt. Das Medium im Rankine Kreislauf verdampft und expandiert anschließend in einer Expansionsmaschine, um thermische in mechanische Energie umzuwandeln.
DE 10 2007 057 164 A1 beschreibt einen Organic-Rankine-Kreislauf, bei dem ein organisches Arbeitsmittel zur Erhitzung thermisch an einen Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors angebunden ist.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein System mit einem Rankine-Kreislauf anzugeben, bei dem die Abfuhr der Kondensationswärme vereinfacht ist.
Diese Aufgabe wird für ein eingangs genanntes System erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die besonders hohe Kondensationstemperatur von wenigstens etwa 100°C wird die Abfuhr der Kondensationswärme unproblematisch. Dabei liegt der Fokus Erfindung nicht auf einer Optimierung des Wirkungsgrads des Rankine-Kreislaufs, sondern auf einer Vereinfachung der Bauweise bei noch brauchbarem Wirkungsgrad insbesondere in den wichtigsten Betriebssituationen des Kraftfahrzeugs wie Teillast- und Volllastbereich.
Bei einer optimierten bevorzugten Ausführungsform liegt die Kondensationstemperatur im Normalbetrieb zwischen etwa 120°C und etwa 150°C, wodurch die Abführbarkeit der Kondensationswärme noch weiter verbessert wird.
Zur Erlangung eines ausreichend guten Wirkungsgrads ist vorteilhaft vorgesehen, dass eine Überhitzungstemperatur des Arbeitsmediums im Rankine-Kreislauf oberhalb von etwa 250°C, insbesondere oberhalb von etwa 330°C liegt. Die Überhitzungstemperatur ist dabei die maximale Temperatur des Arbeitsmediums unmittelbar vor Eintritt in eine zumindest erste Expansionsmaschine des Rankine-Kreislaufs, die zum Beispiel als Turbine oder Kolbenmaschine ausgebildet sein kann. Besonders bevorzugt liegt die Überhitzungstemperatur dabei im Normalbetrieb zwischen etwa 275°C und etwa 450°C. Bei solchen maximalen Temperaturen sind im Allgemeinen organische Arbeitsmittel nicht mehr chemisch stabil, so dass entsprechend ein anorganisches Arbeitsmittel einzusetzen ist.
In bevorzugter Ausführungsform beträgt ein Verdampfungsdruck des Arbeitsmediums mehr als 30 bar, insbesondere mehr als etwa 35 bar. Durch diesen Druck kann ein hoher Wirkungsgrad bei kleinbauender Expansionsmaschine erreicht werden. Weiterhin bevorzugt beträgt ein Kondensationsdruck des Arbeitsmediums zwischen etwa 2 bar und etwa 5 bar.
Bevorzugt wird bei vorliegendem Verdampfungsdruck so gering wiemöglich überhitzt, aber mindestens so weit, dass nach nicht-isentroper Expansion der Dampfgehalt nach der Expansion mindestens 0,9 beträgt.
Allgemein vorteilhaft ist das Arbeitsmittel des Rankine-Kreislaufs Wasser oder ein azeotropes Gemisch auf Wasserbasis. Dieses Arbeitsmittel ist kostengünstig, umweltverträglich und aufgrund seiner thermischen Stabilität für besonders hohe Überhitzungstemperaturen geeignet.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist der Kondensator in einem gemeinsamen Kühlmodul mit einem Kühlmittelkühler des Verbrennungsmotors angeordnet, insbesondere in einer Luftströmungsrichtung hinter dem Kühlmittelkühler. Die erfindungsgemäß hohe Kondensationstemperatur erlaubt eine solche Anordnung hinter dem Kühlmittelkühler, so dass die übliche Auslegung des Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors nicht geändert werden muss. Auch bezüglich weiterer Kühler des Kühlmoduls wie etwa Ladeluftkühler und/oder Niedertemperaturkühler kann der Kondensator in Luftströmungsrichtung als letzter Kühler angeordnet werden. Dies ermöglicht insbesondere eine einfache Nachrüstbarkeit von bestehenden Fahrzeugsystemen.
Alternativ oder ergänzend kann der Kondensator thermisch an einen Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors angebunden sein. Typische Kühlmitteltemperaturen von Kühlmittelkreisläufen liegen je nach Ausführung im Bereich 90°C bis 110°C, so dass die Kondensationstemperatur durch indirekte Kühlung bzw. Wärmeabgabe an das Kühlsystem des Verbrennungsmotors ermöglicht ist.
Weiterhin alternativ oder ergänzend ist der Kondensator als luftgekühlter Wärmetauscher ausgebildet. Besonders bevorzugt kann dabei aus Kostengründen vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher keinen Lüftermotor auf weist. Dabei wird berücksichtigt, dass der Rankine-Kreislauf nur bei höherer Last des Verbrennungsmotors besonders effektiv zum Gesamtwirkungsgrad beiträgt, was in der Regel mit einer ausreichenden Fahrtgeschwindigkeit zur lüfterlosen Luftkühlung einher geht. Ein solcher luftgekühlter Wärmetauscher kann zum Beispiel oberhalb eines Fahrgastbereichs oder an anderen geeigneten Stellen des Fahrzeugs vorgesehen sein.
Zur Erreichung einer besonders hohen Überhitzungstemperatur ist der erste Wärmeübertrager bevorzugt stromaufwärts eines Turboladers des Verbrennungsmotors an das Abgassystem angekoppelt.
Allgemein vorteilhaft umfasst das Abgassystem eine Abgasrückführung zu dem Verbrennungsmotor, wobei insbesondere eine Wärmemenge des rückgeführten Abgases in den Rankine-Kreislauf eingebracht wird. Die ohnehin notwendige Abgaskühlung eines zum Beispiel zur Schadstoffreduzierung eingesetzten Abgas-Rückführsystems wird dabei zumindest teilweise durch den Rankine-Kreislauf übernommen.
Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch ein Betriebsverfahren für ein erfindungsgemäßes System mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt ein Entropie-Temperatur-Diagramm mit eingezeichneten beispielhaften Kreisprozessen eines erfindungemäßen Rankine-Kreislaufs.
2 zeigt eine teilweise Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
3 zeigt eine teilweise Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Das Diagramm 1 zeigt in üblicher Darstellung der Temperatur als Funktion der Entropie einen erfindungsgemäßen Kreisprozess. Aufgetragen sind die absolute Temperatur in °K über der Entropie in kJ je kg und °K. Die dünnen Linien sind Isobaren des Arbeitsmittels Wasser. Die unterste eingezeichnete Isobare von 0,1 MPa entspricht Normaldruck.
Der thermodynamische Kreisprozess verläuft entlang der dicken eingezeichneten Linie in Pfeilrichtung, wobei im unteren Teil des Diagramms zwei alternative Kondensationslinien bei 120°C und 150°C zur Kennzeichnung eines besonders bevorzugten Kondensationsbereichs eingezeichnet sind. Die maximale Überhitzungstemperatur des Wassers vor der isentropen Expansion bzw. der Verrichtung von Arbeit in einer Expansionsmaschine beträgt 407°C bei einem Druck von 40 bar.

Die wesentlichen Parameter eines besonders bevorzugten Kreisprozesses sind in nachfolgender Tabelle aufgeführt, wobei sie einem beispielhaften Rankine-Prozess mit organischem Arbeitsmittel R245fa vergleichend gegenübergestellt sind:

	Wasser	R245fa
Massenstrom [kg/s]	0,05	0,75
Verdampfungsdruck [bar]	40	30
Verdampfungstemperatur [°C]	250	140
Überhitzung auf [°C]	407	160
Kondensationsdruck [bar]	3,5	5
Kondensationstemperatur [°C]	140	65
Volumenstrom nach Expansionsende [L/min]	1600	1650
Volumetrisches Expansionsverhältnis [–]	1:7	1:6
Exergie (maximale Expanderleistung, isentrop) [kW]	28	26

Bei dem erfindungsgemäßen Kreisprozess wird im Ergebnis eine sogar größere mechanische Arbeit (28 kW) entnommen, obwohl die Kondensationstemperatur erheblich über derjenigen des R245fa liegt. Für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug bietet daher der erfindungsgemäß optimierte Kreislauf erhebliche Vorteile insbesondere im Hinblick auf die Abführung der Kondensationswärme, insbesondere ist keine zusätzliche oder nur geringfügig erhöhte Lüfterleistung erforderlich, welche ansonsten dem Gesamtwirkungsgrad des Systems abträglich wäre.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes System, bei dem von dem Rankine-Kreislauf nur der Kondensator 1 eingezeichnet ist. Ein solcher Rankine-Kreislauf umfasst zudem wenigstens eine Pumpe zur Förderung des Arbeitsmittels in flüssiger Phase, einen ersten Wärmeübertrager zur Erhitzung/Überhitzung des Arbeitsmittels und eine Expansionsmaschine zur Verrichtung mechanischer Arbeit.
Der Kondensator 1 ist zur Abgabe der Kondensationswärme thermisch an einen Kühlmittel-Kreislauf 2 eines Verbrennungsmotors 3 angebunden. Je nach Anforderungen kann der Kondensator 1 in Strömungsrichtung vor oder nach dem Verbrennungsmotor 3 vorgesehen sein. Auch Parallelschaltungen sind denkbar. Die über Kondensator 1 und Motor 3 in das Kühlmittel (z. B. Wasser-Glykol-Gemisch) eingetragene Wärme wird in einem Hochtemperatur-Kühlmittelkühler 4 bei einer typischen Kühlmitteltemperatur von etwa 100°C an die Umgebungsluft 5 abgegeben. Zudem ist ein optionaler Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 6, zum Beispiel für eine Ladeluftkühlung, eingezeichnet, der in Strömungsrichtung der Kühlluft 5 vor dem Kühlmittelkühler 4 abgeordnet ist. Dies verdeutlicht, dass die Integration eines erfindungsgemäß optimierten Rankine-Kreislaufs in übliche Fahrzeugkonzepte insbesondere aufgrund der hohen Kondensationstemperatur unproblematisch ist.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der der Kondensator 1 im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel als direkter Kühler in einem Frontmodul des Fahrzeugs angeordnet ist. Die Lufttemperatur steigt in Strömungsrichtung von rechts nach links an, wobei zunächst der Niedertemperatur-Kühler 6 mit einer Kühlflüssigkeitstemperatur von 65°C, dann der Hochtemperatur-Kühlmittelkühler 4 mit einer Kühlmitteltemperatur von 100°C und abschließend der Kondensator mit einer Arbeitsmitteltemperatur von 120°C–150°C von der Luft durchströmt werden.
Bei einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der luftgekühlte Kondensator 1 aus 3 auch an einem anderen Ort des Fahrzeugs als dem Frontmodul angeordnet sein. Insofern dieser Einbauort von Fahrtwind bestrichen werden kann ist es nicht erforderlich, einen Kühllüfter vorzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2007332853 A [0005]
- DE 102007057164 A1 [0006]

Claims

System, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors, und einen Rankine-Kreislauf mit einem Arbeitsmedium, wobei das Abgassystem durch einen ersten Wärmeübertrager thermisch an den Rankine-Kreislauf koppelbar ist, und wobei das Arbeitsmedium über einen Kondensator (1) auf eine Kondensationstemperatur kühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationstemperatur in einem Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs nicht kleiner als etwa 100°C ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationstemperatur im Normalbetrieb zwischen etwa 120°C und etwa 150°C liegt.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überhitzungstemperatur des Arbeitsmediums im Rankine-Kreislauf oberhalb von etwa 250°C, insbesondere oberhalb von etwa 330°C liegt.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überhitzungstemperatur im Normalbetrieb zwischen etwa 275°C und etwa 450°C liegt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdampfungsdruck des Arbeitsmediums mehr als 30 bar, insbesondere mehr als etwa 35 bar, beträgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensationsdruck des Arbeitsmediums zwischen etwa 2 bar und etwa 5 bar beträgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Wasser oder ein azeotropes Gemisch auf Wasserbasis ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (1) in einem gemeinsamen Kühlmodul mit einem Kühlmittelkühler (4) des Verbrennungsmotors angeordnet ist, insbesondere in einer Luftströmungsrichtung hinter dem Kühlmittelkühler (4).
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (1) thermisch an einen Kühlmittelkreislauf (2) des Verbrennungsmotors angebunden ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (1) als luftgekühlter Wärmetauscher ausgebildet ist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) keinen Lüftermotor aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmeübertrager stromaufwärts ei nes Turboladers des Verbrennungsmotors an das Abgassystem angekoppelt ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem eine Abgasrückführung zu dem Verbrennungsmotor umfasst, wobei insbesondere eine Wärmemenge des rückgeführten Abgases in den Rankine-Kreislauf eingebracht wird.
Verfahren zum Betrieb eines Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: – Fördern des Arbeitsmittels durch eine angetriebene Pumpe; – Erhitzen des Arbeitsmittels in dem ersten Wärmeübertrager; – Expansion des Arbeitsmittels in einer Expansionsmaschine unter Verrichtung von Arbeit; – Kondensation des Arbeitsmittels in dem Kondensator (1) und Rückführung zu der Pumpe.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Expansion des Arbeitsmittels in einer Expansionsmaschine der Dampfgehalt des Arbeitsmittels mindestens 0,9 beträgt.