DE102011003607A1

DE102011003607A1 - Verfahren und System zum Betreiben einer Expansionsmaschine mittels dem Abgas eines Verbrennungsmotors entzogener Wärmeleistung

Info

Publication number: DE102011003607A1
Application number: DE102011003607A
Authority: DE
Inventors: Dr. Seifert Marco; Juergen Ringler; Tilmann Horst
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Ein Verfahren zum Erzeugen mechanischer Ausgangsleistung einer Expansionsmaschine, die mittels dem Abgas eines Verbrennungsmotors entzogener Wärmeleistung betrieben wird, enthält folgende Schritte: Bereitstellen eines mittels einer Speisepumpe in einem Kreislauf geführten, auf einem Verdampfungsdruck befindlichen Arbeitsmediums, Verdampfen des auf dem Verdampfungsdruck befindlichen Arbeitsmediums auf wenigstens seine Verdampfungstemperatur durch Aufheizen mittels dem Abgas entzogener Wärme, Zuführen des verdampften Arbeitsmediums zu der Expansionsmaschine, Expandieren und Abkühlen des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine unter Erzeugung von mechanischer Arbeit. Der Verdampfungsdruck wird bei steigender Abgastemperatur und/oder zunehmendem Abgasmassestrom erhöht und/oder bei sinkender Abgastemperatur und/oder abnehmendem Abgasmassestrom erniedrigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Betreiben einer Expansionsmaschine mittels dem Abgas eines Verbrennungsmotors entzogener Wärmeleistung. Genauer betrifft die Erfindung ein Verfahren und ein System zum Erzeugen mechanischer Ausgangsleistung einer Expansionsmaschine, die mittels dem Abgas eines Verbrennungsmotors entzogener Wärmeleistung betrieben wird.
Eine Möglichkeit zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren, insbesondere von in Kraftfahrzeugen enthaltene Verbrennungsmotoren, liegt in der Nutzung der im Abgas der Verbrennungsmotoren enthaltenen Wärmeenergie. Dazu wird in der DE 10 2007 006 420 A1 beispielsweise vorgeschlagen, die im Abgas enthaltene Wärmeenergie innerhalb eines sogenannten Rankine-Prozesses einer Expansionsmaschine zuzuführen und die von der Expansionsmaschine erzeugte mechanische Energie zu nutzen, beispielsweise unmittelbar für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs, zum Antrieb eines Generators oder zum Antrieb irgendwelcher Nebenaggregate.
Anhand der 9 wird ein an sich bekanntes System zur Nutzung der Abgaswärme innerhalb eines Rankine-Prozesses erläutert:
Eine Kreisleitung KL verbindet einen Vorlagebehälter VB mit einer Speisepumpe SP und führt von dort durch einen Wärmetauscher WT zu einer Expansionsmaschine EX, von der aus die Kreisleitung KL durch einen Kondensator KD zu dem Vorlagebehälter VB zurückführt. In dem Wärmetauscher WT, der vom Abgas des Verbrennungsmotors durchströmt wird, wird dem Abgas eine Wärmeleistung dQ_zu/dt entnommen und dem den Wärmetauscher durchströmenden Arbeitsmedium zugeführt. In dem Kondensator KD wird das durch den Kondensator hindurchströmende Arbeitsmedium abgekühlt, wobei die Wärmeleistung dQ_ab/dt einer Wärmesenke, beispielsweise einem Luftkühler, zugeführt wird.
Im Folgenden werden anhand des in der 9 enthaltenen T-S-Diagramms die Schritte des ablaufenden Kreisprozesses erläutert:
Auf der Abszisse ist die Entropie S dargestellt. Die Ordinate zeigt die Temperatur.
In einem ersten Prozessschritt von 1 nach 2 wird das dem Vorlagebehälter VB entnommene Arbeitsmedium im Wesentlichen adiabat und isentrop verdichtet. In einem weiteren Prozessschritt wird das verdichtete Arbeitsmedium von 2 nach 3 isobar erwärmt, verdampft und überhitzt, indem ihm im Wärmetauscher WT die Wärmeleistung dQ_zu/dt zugeführt wird. In einem weiteren Prozessschritt von 3 nach 4 wird das nunmehr dampfförmige Arbeitsmedium in der Expansionsmaschine unter Abkühlung entspannt, wobei die Expansionsmaschine, beispielsweise eine Turbine oder eine Kolbenmaschine, angetrieben wird und an einer Abgabewelle mechanisch Leistung entnommen werden kann. In einem weiteren Arbeitsschritt von 4 nach 1 erfolgt in dem Kondensator eine isobare Kondensation des Dampfes unter Abgabe der Wärmeleistung dQ_ab/dt an eine Wärmesenke, beispielsweise einen Luft- oder Wasserkühler. Das kondensierte Arbeitsmedium wird dem Vorlagebehälter VB zugeführt.
Unter Annahme einer idealen Prozessführung beträgt der thermische Wirkungsgrad des Rankine-Prozesses (Prozesswirkungsgrad):
wobei T_MED,aus die mittlere Temperatur des Arbeitsmediums während der Wärmeabgabe im Kondensator KD ist und T_MED,ein die mittlere Temperatur des Arbeitsmediums während der Wärmeaufnahme im Wärmetauscher WT ist. Die vorstehende Beziehung zeigt, dass die Wärmezufuhr auf möglichst hohem und die Wärmeabfuhr auf möglichst tiefem Temperaturniveau erfolgen sollten.
Bei dem Einsatz des geschilderten Rankine-Prozesses zur Nutzung der Abgasenergie eines Kraftwagens ergeben sich folgende Probleme:
Ein in einer Ebene mit gleichmäßiger Geschwindigkeit fahrendes Fahrzeug benötigt eine Antriebsleistung, die der dritten Potenz seiner Geschwindigkeit proportional ist. Die Verlustwärmeströme des Verbrennungsmotors, beispielsweise der vom Abgas transportierte Wärmestrom, erhöhen sich annähernd proportional zur Antriebsleistung. 10 zeigt diesen Zusammenhang beispielhaft. Die vom Abgas transportierte Wärme liegt bei einer Fahrgeschwindigkeit von 150 km/h im dargestellten Beispiel um etwa 27 kW über dem Wärmestrom des Abgases bei 100 km/h. Die mit Rauten gekennzeichnete Kurve zeigt den verfügbaren Wärmestrom des Abgases in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit. Die mit Quadraten gekennzeichnete Kurve zeigt den nutzbaren Wärmestrom.
Nach dem Stand der Technik erfolgt die Wärmeaufnahme beim Rankine-Prozess bei konstantem Verdampfungsdruck und konstanter Überhitzungstemperatur des Dampfes des Arbeitsmediums. Legt man konstante Betriebsparameter bei der Wärmeaufnahme (Temperatur des Arbeitsmediums vor dem Wärmetauscher WT, Verdampfungstemperatur und Überhitzungstemperatur) zugrunde, so nimmt der vom Abwärmenutzungssystem aufgenommene Wärmestrom ebenfalls proportional zur dritten Potenz der Fahrzeuggeschwindigkeit zu. Um die Betriebsparameter der Wärmeaufnahme konstant halten zu können, muss somit der von der Speisepumpe SP geförderte Massenstrom des Arbeitsmediums mit zunehmender Geschwindigkeit ansteigen.
11 verdeutlicht die Verhältnisse:
Die Abszisse gibt die Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h an. Die Ordinate gibt den Massenstrom des Arbeitsmediums in g/s bzw. den Volumenstrom in l/s an. Dabei ist eine konstante Temperatur des Arbeitsmediums vor dem Wärmetauscher WT bei konstanter Verdampfungs- und Überhitzungstemperatur angenommen.
Wie aus 11 ersichtlich, variiert der Massen- bzw. Volumenstrom in Geschwindigkeitsbereich von 70 bis 150 km/h um einen Faktor von etwa 10. Die dem Wärmetauscher WT nachgeschaltete Expansionsmaschine EX muss somit eine ebenso große Spreizung des Kennfeldes bei gleichzeitig hohen Wirkungsgraden aufweisen. Grundsätzlich wird jede Expansionsmaschine unabhängig vom Typus (Turbomaschine, Kolbenmaschine, usw.) auf einen Nennvolumenstrom ausgelegt und erreicht dort ihren maximalen Wirkungsgrad. Bei vielen Expansionsprinzpien fällt der Wirkungsgrad zu höheren und niedrigeren Volumenströmen hin in der Regel ab, so dass ein guter Wirkungsgrad über den in 11 dargestellten Betriebsbereich von 70 km/h bis 150 km/h nur schwer zu realisieren ist. Bei Expansionsprinzipien bei denen das Schluckvolumen über die Expanderdrehzahl (z. B. Kolbenmaschine) bestimmt wird, führt dies zu erheblichen Drehzahlvariationen. Bei anderen Expansionsprinzipien wie der Gleichdruckturbine wird der Volumenstrom über den Beaufschlagungsgrad variiert. Unabhängig von der Art der Anpassung der Expansionsmaschine an den variierenden Volumenstrom, führt die Variation des Volumenstroms zu Wirkungsgradverlusten. Zusätzlich muss berücksichtigt werden, dass das Verdampfungsdruckniveau bzw. die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums primär den sogenannten Nutzungsgrad der Abwärme, also den Anteil der vom Abwärmestrom maximal auf das Arbeitsmedium übertragbaren Wärme bestimmt (vergleiche Seifert, M; Ringler, J.; Guyotot, V.; Freymann, R.: Potenzial der Abwärmerückgewinnung mittels eines Rankine-Prozesses beim PKW. 12. Tagung „Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors, Graz, 2009). Dieses ist stets so zu wählen, dass der Arbeitsmediumsstrom im Kondensator auch sicher kondensiert werden kann.
Weiter erfolgt die Wärmeabgabe bei einem Rankine-Prozess im Allgemeinen bei Umgebungsdruck, da im Kondensator KD durch seine Verbindung zum Vorlagebehälter VB Atmosphärendruck herrscht. Das bedeutet, dass zum Beispiel für das Arbeitsmedium Wasser die Kondensation unabhängig von der verfügbaren Kühlleistung immer bei 100°C erfolgen muss. Liegt der Druck des Arbeitsmediums bei Auslassöffnung der Expansionsmaschine über dem Atmosphärendruck, so erfolgt eine Nachexpansion des Arbeitsmediums. Im umgekehrten Fall erfolgt eine Nachverdichtung. Sowohl eine Nachexpansion als auch eine Nachverdichtung vermindern den Wirkungsgrad des Prozesses. Aus Gründen der Energieausnutzung bzw. des Prozesswirkungsgrades ist ein Unterdruck im Kondensator vorteilhaft.
Ein weiteres Problem des Standes der Technik liegt darin, dass, wenn die in den Kondensator KD eingetragene Wärmeleistung aus der Expansionsmaschine EX die für ein Kondensationstemperaturniveau von etwa 100°C zur Verfügung stehende Kühlleistung übersteigt das expandierte Arbeitsmedium nicht vollständig kondensiert, was zur Zerstörung beispielsweise einer nachgeschalteten Pumpe führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Abhilfe für die vorgenannten Probleme zu schaffen, das heisst insbesondere den Systemwirkungsgrad zu verbessern und die Betriebssicherheit zu erhöhen.
Die beigefügten Verfahrensansprüche sind auf Verfahren gerichtet, mit denen die vorgenannte Aufgabe gelöst wird.
Die beigefügten Systemansprüche kennzeichnen Systeme zur Lösung der Erfindungsaufgabe.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Lehre erfolgt die Verbesserung des Rankine-Prozesses dadurch, dass bei der Wahl der Prozessführung, wie Verdampfungs-, Überhitzungs- und Kondensationstemperatur die Wirkungsgrade der Systemkomponenten, insbesondere der Wirkungsgrad der Expansionsmaschine, und die im Kondensator verfügbare Kühlleistung berücksichtigt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Figuren stellen dar:
1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Systems,
2 einen Ausschnitt aus der 1 zur Erläuterung der Wärmeaufnahme,
3 Diagramme einer Betriebsführung für einen konstanten Volumenstrom am Eintritt der Expansionsmaschine bei konstanter geometrischer Expansion,
4 den Abgasnutzungsgrad als Funktion der Verdampfungstemperatur,
5 den thermischen Wirkungsgrad als Funktion der Verdampfungstemperatur, des Verdampfungsdruckes und der Überhitzungstemperatur,
6 den Systemwirkungsgrad als Funktion der Verdampfungs- und Abgastemperatur,
7 eine der 2 ähnliche Ansicht zur Erläuterung der Wärmeabgabe,
8 ein Diagramm zur beispielhaften Erläuterung der Abhängigkeit des Kondensationsdrucks von der Temperatur der Wärmesenke,
9 ein an sich bekanntes System zur Durchführung eines Rankine-Prozesses,
10 die Abhängigkeit der Wärmeströme bei Anwendung eines Systems gemäß 6 in einen Kraftfahrzeug und
11 die Abhängigkeit des Massen- bzw. Volumenstroms von der Fahrzeuggeschwindigkeit.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes System zur Nutzung des vom Abgas eines Verbrennungsmotors transportierten Wärmestroms in einem Kraftfahrzeug. Für sich entsprechende Bauteile sind die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in der bereits erläuterten 6.
Im Unterschied zu der Ausführungsform des Systems gemäß 6 befindet sich bei der Ausführungsform gemäß 1 zwischen dem Kondensator KD und dem Vorlagebehälter VB eine Kondensatpumpe KP. Im Wärmetauscher WT wird dem von der Speisepumpe SP unter Druck gesetzten Arbeitsmedium Wärme aus dem Abgas eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors zugeführt, das durch eine Abgasleitung AG strömt. Durch Steuerung des Fördervolumens der Kondensatpumpe KP kann der Druck strömungsabwärts des Kondensators KD zwischen Werten über dem Atmosphärendruck und Werten unter dem Atmosphärendruck eingestellt werden. Die ein Drucksteuerelement bildende Kondensatpumpe kann durch ein Drucksteuerventil ersetzt werden, das bei einem vorbestimmten Druck öffnet, wenn nur über dem Atmosphärendruck liegende Druck eingestellt werden sollen.
Die Expansionsmaschine EX treibt eine Last L an, beispielsweise einen Generator, sonstige Hilfsaggregate oder ist mit der Ausgangswelle einer Brennkraftmaschine beispielsweise über einen Variator verbunden.
Im Kondensator KD gibt das Arbeitsmedium Wärme an ein Kühlmittel ab, das eine Kühlmittelleitung KM durchströmt. Die Kühlmittelleitung KM kann eine Kühlwasserleitung, beispielsweise die Kühlwasserleitung der Brennkraftmaschine, sein oder durch Kanäle gebildet sein, durch die Umgebungsluft strömt, gegebenenfalls von einem Lüfter unterstützt. Das Kühlmittel stellt eine Wärmesenke dar.
Das System kann mit Sensoren bestückt sein, beispielsweise Temperatursensoren und Drucksensoren. Ein Temperatursensor T1 misst die Temperatur des Arbeitsmediums strömungsoberhalb des Wärmetauschers WT. Temperatursensoren T2 und T3 messen die Temperatur des Abgases strömungsoberhalb und strömungsunterhalb des Wärmetauschers WT. Ein Temperatursensor T4 misst die Temperatur des Arbeitsmediums zwischen dem Wärmetauscher WT und der Expansionsmaschine EX. Ein Temperatursensor T5 misst die Temperatur des Arbeitsmediums zwischen der Expansionsmaschine EX und dem Kondensator. Ein Temperatursensor T6 misst die Temperatur des Arbeitsmediums strömungsunterhalb des Kondensators und strömungsoberhalb der Kondensatpumpe KP. Temperatursensoren T7 und T8 messen die Temperatur des Kühlmittels strömungsoberhalb und strömungsunterhalb des Kondensators.
Ein Drucksensor P1 misst den Druck des Arbeitsmediums strömungsunterhalb der Speisepumpe SP. Ein Drucksensor P2 misst den Druck des Arbeitsmediums strömungsunterhalb des Wärmetauschers WT; dieser Druck ist im Allgemeinen annähernd gleich dem vom Drucksensor P1 gemessenen Druck, so dass P2 entfallen kann. Ein Drucksensor P3 misst den Druck des Arbeitsmediums zwischen der Expansionsmaschine und dem Kondensator.
Die Förderleistungen der Pumpen SP und KP sind mit Aktoren A1 bzw. A2 einstellbar. Die Last L ist mittels eines Aktors A3 einstellbar.
Zur Steuerung der Aktoren dient eine elektronische Steuereinrichtung ES, deren Eingänge mit den Sensoren verbunden sind und deren Ausgänge den Betrieb der Aktoren steuern. In der elektronischen Steuereinrichtung ES, deren Aufbau an sich bekannt ist, sind Programme abgelegt, die die Steuergrößen der Aktoren den von zumindest einigen der Sensoren sowie gegebenenfalls weiteren Sensoren ermittelten Betriebsgrößen zuordnen. Der Durchsatz des Abgases durch die Abgasleitung kann beispielsweise aus der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt werden, so dass der den Wärmetauscher WT durchströmende, im Abgas enthaltene, Wärmestrom ermittelt werden kann. Auch der Kühlmittelstrom bzw. der vom Kühlmittel aufgenommene, dem Arbeitsmedium entzogene Wärmestrom kann ermittelt werden, indem die Durchflussmenge an Kühlmittel zusätzlich gemessen wird.
Mit Hilfe der Kondensatpumpe KP ist es möglich, den Druck des Arbeitsmediums im Kondensator KD vom Druck im Vorlagebehälter VB (im Allgemeinen Atmosphärendruck) zu entkoppeln, wobei sowohl ein über als auch ein unter dem Atmosphärendruck liegender Druck eingestellt werden kann. Der in dem geschilderten System ablaufende Rankine-Prozess kann dadurch optimiert werden, dass die im Wärmetauscher WT vorherrschenden Verdampfungs- und Überhitzungstemperaturen sowie die Kondensationstemperaturen im Kondensator unter Berücksichtigung der Wirkungsgrade der Systemkomponenten, insbesondere des Wirkungsgrades der Expansionsmaschine EX sowie der im Kondensator KD verfügbaren Kühlleistung gesteuert werden.
Bei durch die Fördermenge der Speisepumpe SP gegebenem Arbeitsmediumstrom dm_AM/dt und gegebenem Wärmeeintrag dQ_AM/dt in das Arbeitsmedium im Wärmetauscher WT kann durch Variation der Drehzahl der Expansionsmaschine EX und des damit verbundenen durch die Expansionsmaschine strömenden Volumenstroms (dV_EX/dt) der Verdampfungsdruck P_V beziehungsweise die Verdampfungstemperatur T_V eingestellt werden. Dies ist in 2 veranschaulicht, die die Wärmeaufnahme des Arbeitsmediums im Wärmetauscher WT darstellt.
Der Pfeil der 2 deutet die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums an.
Die Speisepumpe SP fördert einen Massenstrom des Arbeitsmediums dm_AM/dt zu dem Wärmetauscher WT. Das Arbeitsmedium nimmt im Wärmetauscher die Wärmeleistung dQ_AM/dt auf, die von der Verdampfungstemperatur T_V, der Überhitzungstemperatur T_Ü, dem Wärmequellenmedium dm_WQM/dt und der Temperatur des Wärmequellenmediums (Abgas) abhängt.
3 zeigt eine mögliche Betriebsführung, bei der der Volumenstrom des Arbeitsmediums am Eintritt der Expansionsmaschine EX im gesamten dargestellten Betriebsbereich konstant gehalten wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das Schluckvolumen und die zugehörige Expanderdrehzahl bzw. Beaufschlagung der Expansionsmaschine EX nicht verändert werden, indem beispielsweise die Last L, beispielsweise die Leistungsaufnahme eines Generators, derart gesteuert wird, dass die Drehzahl der Expansionsmaschine EX konstant bleibt. Der konstante Volumenstrom am Eintritt der Expansionsmaschine EX hat zur Folge, dass der Verdampfungsdruck p_V bzw. die Verdampfungstemperatur T_V beziehungsweise mit zunehmendem Wärmestrom im Abgas, das heisst zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit, zunehmen. Im Fall einer Expansionsmaschine EX mit konstantem inneren Expansionsverhältnis nimmt dabei auch der Druck zu, den das Arbeitsmedium bei Auslassbeginn der Expansionsmaschine hat. 3 zeigt beispielhaft den mit zunehmender Geschwindigkeit zunehmenden Verdampfungsdruck p_V (Kurve mit Rauten) sowie den am Auslass der Expansionsmaschine herrschenden Kondensationsdruck p_k (Kurve mit Quadraten) des Arbeitsmediums in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit.
Dadurch, dass bei konstantem Schluckvolumen bei zunehmendem Wärmestrom des Abgases, d. h. steigender Abgastemperatur und/oder steigendem Abgasmassenstrom, der Verdampfungsdruck p_V und die Verdampfungstemperatur T_V zunehmen, wird zunehmend weniger Wärme aus dem Abgas auf das Arbeitsmedium übertragen, so dass sich der Massenstrom des Arbeitsmediums vermindert. Dies führt weiter dazu, dass der Volumenstrom des Arbeitsmediums bei zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit (zunehmendem Abwärmestrom) nicht zunimmt, sondern annähernd konstant bleibt.
Für das Abgas berechnet sich der Nutzungsgrad (ξAbgas) aus dem Verhältnis der vorn Arbeitsmedium im Wärmetauscher aufgenommenen Wärme und der Abgasenthalpie vor dem Wärmetauscher. Dabei gibt der Nutzungsgrad (ξ) das Verhältnis zwischen der vom Arbeitsmedium aufgenommenen Wärme zu der verfügbaren Abwärme wieder. Für das Abgas berechnet sich der Nutzungsgrad (ξ_Abgas) aus dem Verhältnis der vom Arbeitsmedium im Wärmetauscher aufgenommenen Wärme und der Abgasenthalpie vor dem Wärmetauscher. Für einen idealisierten Wärmetauscher hängt der Nutzungsgrad von der Abgastemperatur vor dem Wärmetauscher (T_Abgas), sowie von der Betriebsführung (T_K, T_V, T_Ü) Gleichung 2:
4 zeigt den Abgasnutzungsgrad (Abszisse) als Funktion der Verdampfungstemperatur (linke Ordinate) bzw. des Verdampfungsdruckes (rechte Ordinate). Der Energiebedarf für die Vorwärmung ist dabei nicht berücksichtigt.
Der Einfluss der Verdampfungstemperatur auf den Nutzungsgrad kann am besten mit Hilfe von zwei Extremfällen veranschaulicht werden, die für die in 4 dargestellte Linie T_Abgas = 400°C diskutiert werden. Würde man einen Dampfprozess mit T₀ = T_V = 25°C betreiben, könnte man den Wärmestrom aus dem Abgas vollständig aufnehmen (ξ_Abgas = 1). Eine Verdampfungstemperatur von 400°C würde dagegen dazu führen, dass keinerlei Wärme mehr aus dem Abgas aufgenommen werden kann (ξ_Abgas = 0). Hieraus geht auch hervor, dass der Nutzungsgrad bei gegebener Verdampfungstemperatur mit der Abgastemperatur zunimmt. D. h., je höher das Temperaturniveau des Abgases, desto größer ist der Anteil des Wärmestroms im Abgas, der rekuperiert werden kann. Bei einer Verdampfungstemperatur von 180°C (p_V = 10 bar) liegt der Nutzungsgrad für T_Abgas = 400°C bei 60%, wohingegen bei tieferen Temperaturen (T_Abgas = 200°C, ξ_Abgas ≈ 10%) deutlich kleinere Werte und bei höheren Temperaturen deutlich größere Werte (T_Abgas = 800°C, ξ_Abgas ≈ 80%) erreicht werden. Wie aus 4 zu entnehmen ist, fällt der maximale thermische Wirkungsgrad nicht mit dem maximalen Nutzungsgrad zusammen. So werden bei T_V = 110°C deutlich höhere Nutzungsgrade erzielt als bei T_V = 180°C. Für den diskutierten Fall T_Abgas = 400°C werden bei T_V = 110°C etwa 80% der Verlustwärme im Abgas vom Arbeitsmedium aufgenommen.
Für das Potenzial des Gesamtsystems ist nicht nur die aufgenommene Wärme, sondern auch der thermische Wirkungsgrad des Prozesses von entscheidender Bedeutung. Wie aus Gleichung (1) hervorgeht wird η_Rankine durch T_MED,ein und T_MED,aus als den mittleren Temperaturen der Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe bestimmt. Daher sollte die Wärmeaufnahme auf möglichst hohem und die Wärmeabgabe auf möglichst tiefen Temperaturniveau erfolgen. Dies setzt aber voraus, dass die zugehörigen Druckniveaus (Verdampfungsdruck und Kondensationsdruck) sowie das zugehörige Volumen- u. Druckverhältnisse von Abwärmenutzungssystem und damit insbesondere der Expansionsmaschine umgesetzt werden können.
Wie bereits diskutiert, wird der höchste thermische Wirkungsgrad erreicht, wenn die Wärme aufnahme auf möglichst hohem und die Wärmeabgabe auf möglichst tiefem Temperaturniveau erfolgt. Dieser Zusammenhang ist in 5 dargestellt, wo der thermische Wirkungsgrad für beide Arbeitsmedien in den jeweils relevanten Temperaturbereichen aufgetragen ist. Die Abszisse zeigt die Verdampfungs- bzw. Überhitzungstemperatur in Grad Celsius, die linke Ordinate zeigt die Verdampfungstemperatur T_V in Grad Celsius, die rechte Ordinate zeigt den Verdampfungsdruck p_V in bar. Arbeitsmedium ist im dargestellten Beispiel Wasser mit einer Temperatur von 90°C. Die nach dem jeweiligen thermischen Wirkungsgrad (η_Rankine) eingefügten Angaben geben den prozentualen. Unterschied zu einer Wassertemperatur von 70°C an. Der obere Teil der Figur zeigt die Zunahme des thermischen Wirkungsgrads mit der Verdampfungstemperatur für das Arbeitsmedium Wasser. Beschränkt man den Systemdruck auf 0,7–10 bar, so liegt der thermische Wirkungsgrad (η_Rankine) bei 19%. Dieser Wert erhöht sich um 4 Prozentpunkte, wenn keine untere Druckbegrenzung vorliegt, d. h. die Wärmeabgabe bei 70°C erfolgen kann.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich der Nutzungsgrad und der thermische Wirkungsgrad in Bezug auf die Verdampfungstemperatur gegenläufig verhalten. Eine Erhöhung der Verdampfungstemperatur erhöht die mittlere Temperatur der Wärmeaufnahme und damit nach Gleichung (1) den thermischen Wirkungsgrad; gleichzeitig reduziert sich aber nach Gleichung (2) die übertragene Wärmemenge aus dem Abgas. Es gilt also die optimale Verdampfungstemperatur in Abhängigkeit von der Abgastemperatur zu ermitteln, um so die Systemleistung zu maximieren. Die ideale Zusatzleistung wird durch folgende Gleichung gegegeben.
Gleichung 3: P_ideal,A = Q ._Abgas·η_Rankine,A·ξ_Abgas,A (6) mit ξ_Abgas,A als dem Nutzungsgrad der Abgaswärme sowie den thermischen Wirkungsgraden η_Rankine,A. Dabei beschreibt das Produkt (η_Rankine,ξ_Abgas,A) den Systemwirkungsgrad für System A, der im Folgenden näher diskutiert wird. Gleichung 4:
In 6 ist der Systemwirkungsgrad als Funktion von Verdampfungs- und Abgastemperatur dargestellt. Die Abszisse gibt die Abgastemperatur in Grad Celsius an, die linke Ordinate gibt die Verdampfungstemperatur in Grad Celsius an und die rechte Ordinate gibt die Verdampfungstemperatur in bar an. Im dargestellten Beispiel liegt die Kondensationstemperatur bei 90°C. Zunächst wird der Einfluss der Abgastemperatur auf den Systemwirkungsgrad für den Fall eines konstanten Verdampfungsdrucks von 10 bar untersucht. Wie in 6 dargestellt, führt eine Erhöhung der Abgastemperatur von 200 auf 800°C zu einer Steigerung des Systemwirkungsgrades von ≈ 5 auf ≈ 18%. Dies lässt sich auf den Nutzungsgrad zurückführen, der, wie bereits für 4 diskutiert, mit der Abgastemperatur zunimmt.
Für den Fall einer gegebenen Abgastemperatur nimmt der Systemwirkungsgrad mit der Verdampfungstemperatur bis zu einem Maximum zu. Eine weitere Erhöhung der Verdampfungstemperatur führt dazu, dass das Produkt aus η_Rankine,A und ξ_Abgas,A abnimmt. Demzufolge gibt es für jede Abgastemperatur eine optimale Verdampfungstemperatur, die in 6 durch die Optimumlinie dargestellt ist. Die optimale Verdampfungstemperatur nimmt stetig mit der Abgastemperatur zu. Für Abgastemperaturen oberhalb von 400°C liegt das Optimum allerdings außerhalb des dargestellten Datenbereichs, der im Hinblick auf ein mit einer Expansionsmaschine realistisch erreichbares Druckverhältnis auf p_V = 40 bar begrenzt wurde.
Für den Fall der realen Prozessführung ist zu berücksichtigen, dass die verschiedenen verlustbehafteten Komponenten einen erheblichen Einfluss auf die realisierbare Zusatzleistung und damit auf das Potenzial eines TS-Systems haben.
Gleichung 5: P_real = Q_Abgas·ξ_Abgas,A·η_WT,Abgas·η_Rankine·η_WV·η_DV·η_EXP·η_NA
Bei der Wärmeübertragung muss der Wirkungsgrad eines realen Wärmetauscher berücksichtigt werden (η_WT,Abgas). Während der Wärmeübertragung aus Abgas geht jedoch – wie auch in der Verrohrung von der Wärmetauscheranordnung zum Expander – zusätzlich ein Teil der Wärme durch Leitung, Abstrahlung und Konvektion an die Umgebung verloren (η_WV). Zusätzlich gilt es Druckverluste beim Transport des Arbeitsmediums zu berücksichtigen (η_DV). Auch der dem Expander zugeführte Volumenstrom wird nur verlustbehaftet in mechanische Energie umgewandelt. Der Expanderwirkungsgrad (η_EXP) berücksichtigt sowohl den inneren, als auch den mechanischen Wirkungsgrad der Expansionsmaschine. Abschließend geht noch der Eigenbedarf der Nebenaggregate (vorallen Verluste der Arbeitsmediumpumpe, Sensoren etc.) (η_NA) in die Wirkungsgradkette mit ein.
Eine zentrale Rolle für den Wirkungsgrad eines realen Systems spielt die Expansionsmaschine. Es gilt dabei zu beachten, dass eine Expansionsmaschine nur ein bestimmtes Schluckvolumen abdecken kann, das z. B. von der Expanderdrehzahl (z. B. bei Kolbenmaschine) oder vom Beaufschlagungsgrad (z. B. bei Gleichdruckturbine) abhängt. Weiterhin muss das Temperaturniveau bzw. Druckniveau der Temperaturaufnahme sowie Temperaturniveau bzw. Druckniveau der Temperaturabgabe an das innere Expansionsverhältnis und darstellbare Druckverhältnis der Expansionsmaschine angepasst sein.
Es gilt die Expansionsmaschine und die Betriebsführung des realen Prozesses so anzupassen, dass das System die maximale Rekuperationsleistung erzeugt.
Durch Anpassung der Rahmenbedingungen der Verdampfung des Rankine-Prozesses an die Wärmeströme kann somit die Spreizung der Volumenströme im Betriebsbereich vermindert werden, wodurch die Expansionsmaschine. EX auf einem schmalen Drehzahlbereich mit konstant hohem Wirkungsgrad ausgelegt werden kann.
Aus Gründen der Betriebssicherheit muss sichergestellt werden sein, dass in dem Kondensator KD das gesamte die Expansionsmaschine verlassende Arbeitsmedium kondensiert wird. Wegen der begrenzten zur Verfügung stehenden Kühlleistung, das heisst der an ein Kühlmedium abführbaren Wärmeleistung, kann dies zu Schwierigkeiten führen, wenn die Kondensation, wie im Stand der Technik üblich, unter Atmosphärendruck verläuft. Unter der Annahme, dass das Wärmeübertragungsverhalten des Kondensators unabhängig vom Kondensationsdruck des Arbeitsmediums konstant ist, wird der maximal abführbare Kondensationswärmestrom nur von der Differenz zwischen der Temperatur des kondensierenden Arbeitsmediums und der Temperatur des eine Wärmesenke bildenden Kühlmittels bestimmt. Mit steigender Temperatur der Wärmesenke muss der Kondensationsdruck somit angehoben werden, um die treibende Temperaturdifferenz der Wärmeabfuhr zu erhöhen und somit eine vollständige Kondensation sicher zu stellen.
7 zeigt die Verhältnisse am Kondensator KD. Das Arbeitsmedium strömt in Richtung des Pfeils. Das die Expansionsmaschine EX verlassende Arbeitsmedium durchstromt den Kondensator KD und gibt dabei eine Wärmeleistung dQ_AM/dt ab, die eine Funktion der Kondensationstemperatur T_K, des Massenstroms dm_WSM des Wärmesenkemediums (z. B. Kühlwasser oder Luft) sowie der Temperatur T_WSM des Wärmesenkemediums ist. Die Kondensatpumpe fördert einen Massenstrom dm_AM/dt des kondensierten Arbeitsmediums.
Die Verwendung der Kondensatpumpe KP ermöglicht den im Kondensator herrschenden Kondensationsdruck vom Druck im Vorlagebehälter VB abzukoppeln. Insbesondere in Verbindung mit einer Expansionsmaschine mit variablem inneren Expansionsverhältnis kann der Systembetrieb auf diese Weise in Abhängigkeit vom zur Verfügung stehenden Abwärmestrom und dessen Temperaturniveau optimiert werden.
8 zeigt ein Beispiel für die Abhängigkeit des in Abhängigkeit von der Temperatur der Senke bzw. des Kühlmediums eingestellten Kondensationsdruckes. Wie ersichtlich wird der Kondensationsdruck im dargestellten Beispiel derart eingestellt, dass er bei einer Temperatur der Senke von 20°C ein bar beträgt, wohingegen er bei einer Temperatur der Senke von 70° auf 4 bar ansteigt.
Vorteilhafterweise wird der Kondensationsdruck im Kondensator bzw. der Druck, den das Arbeitsmedium am Ausgang der Expansionsmaschine hat, so eingestellt, dass das Produkt aus Nutzungsgrad des zur Verfügung stehenden Abwärmestroms, dem thermischen Prozesswirkungsgrad (unter Berücksichtigung des jeweils notwendigen Kondensationstemperaturniveaus) und dem Wirkungsgrad der Expansionsmaschine, Zur Verhinderung einer Nachexpansion bzw. Nachverdichtung am Auslass der Expansionsmaschine EX wird das innere Expansionsverhältnis der jeweiligen Spreizung von Verdampfungsdruck im Wärmetauscher WT und Kondensationsdruck im Kondensator KD angepasst.
Im Fall einer Expansionsmaschine mit konstantem inneren Expansionsverhältnis wird der optimale Betriebspunkt unter zusätzlicher Berücksichtigung des Einflusses einer eventuellen Nachverdichtung bzw. nach Expansion am Auslass der Expansionsmaschine auf den Wirkungsgrad festgelegt.
Im Fall einer Expansionsmaschine mit festem Schluckvolumen, z. B. einer Gleichdruckturbine mit einer Lavaldüse, wird der Volumenstrom durch die Expansionsmaschine durch Lavaldüsen eingestellt, die jeweils mit einem definierten Volumenstrom freigeben. Bei gegebenem Volumenstrom kann der Druck nach Turbine so eingestellt werden, dass einerseits der maximale Systemwirkungsgrad erreicht wird, andererseits im Kondensator auch sicher kondensiert wird.
Als Expansionsmaschinen können beispielsweise als Motoren laufende Taumelscheibenpumpen, Flügelzellenpumpen oder Kolbenmaschinen verwendet werden, wobei unterschiedliche Expansionsverhältnisse durch Verstellung der Taumelscheibe, exzentrische Verschiebung des Flügelzellenrades sowie unterschiedliche Steuerzeiten der Ventile der Kolbenpumpe eingestellt werden können. Als Arbeitsmedium eignen sich übliche in Fahrzeugklimaanlagen eingesetzte Fluide, wie R134a, oder Alkohole, Ammoniak usw.
Bezugszeichenliste

AG

Abgasleitung

ES

elektronische Steuereinrichtung

EX

Expansionsmaschine

KD

Kondensator

KL

Kreisleitung

KM

Kühlmittelleitung

KP

Kondensatpumpe

SP

Speisepumpe

VB

Vorlagebehälter

WT

Wärmetauscher

L

Last

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007006420 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Seifert, M; Ringler, J.; Guyotot, V.; Freymann, R.: Potenzial der Abwärmerückgewinnung mittels eines Rankine-Prozesses beim PKW. 12. Tagung „Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors, Graz, 2009 [0010]

Claims

Verfahren zum Erzeugen mechanischer Ausgangsleistung einer Expansionsmaschine (EX), die mittels dem Abgas eines Verbrennungsmotors entzogener Wärmeleistung betrieben wird, enthaltend folgende Schritte: Bereitstellen eines mittels einer Speisepumpe (SP) in einem Kreislauf (KL) geführten, auf einem Verdampfungsdruck befindlichen Arbeitsmediums, Verdampfen des auf dem Verdampfungsdruck befindlichen Arbeitsmediums auf wenigstens seine Verdampfungstemperatur durch Aufheizen mittels dem Abgas entzogener Wärme, Zuführen des verdampften Arbeitsmediums zu der Expansionsmaschine (EX), Expandieren und Abkühlen des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine (EX) unter Erzeugung von mechanischer Arbeit, bei welchem Verfahren der Verdampfungsdruck bei steigender Abgastemperatur und/oder zunehmendem Abgasmassenstrom erhöht wird und/oder bei sinkender Abgastemperatur und/oder abnehmendem Abgasmassenstrom erniedrigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verdampfungsdruck durch Steuerung des die Expansionsmaschine (EX) durchströmenden Volumenstroms des Arbeitsmediums gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Volumenstrom des der Expansionsmaschine (EX) zugeführten verdampften Arbeitsmediums unabhängig von der Abgastemperatur annähernd konstant ist.
Verfahren zum Erzeugen mechanischer Ausgangsleistung einer Expansionsmaschine (EX), die mittels dem Abgas eines Verbrennungsmotors entzogener Wärmeleistung betrieben wird, enthaltend folgende Schritte: Bereitstellen eines mittels einer Speisepumpe (SP) in einem Kreislauf (KL) geführten, auf einem Verdampfungsdruck befindlichen Arbeitsmediums, Verdampfen des auf dem Verdampfungsdruck befindlichen Arbeitsmediums auf wenigstens seine Verdampfungstemperatur durch Aufheizen mittels dem Abgas entzogener Wärme, Zuführen des verdampften Arbeitsmediums zu der Expansionsmaschine (EX), Expandieren und Abkühlen des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine (EX) unter Erzeugung von mechanischer Arbeit, Kondensieren des aus der Expansionsmaschine (EX) ausgetretenen Arbeitsmediums durch Abgabe von Wärme an eine Wärmesenke, bei welchem Verfahren der Kondensationsdruck des Abeitsmediums bei steigender Temperatur der Wärmesenke und/oder abnehmendem Massenstrom eines die Wärmesenke bildenden Kühlmediums erhöht wird, um eine möglichst vollständige Kondensation des Arbeitsmediums zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in Verbindung mit Anspruch 4, wobei der Verdampfungsdruck derart eingestellt wird, dass das Produkt aus Nutzungsgrad des verfügbaren Abwärmestroms, dem thermischen Prozesswirkungsgrad bei der jeweils notwendigen Kondensationstemperatur und dem Wirkungsgrad der Expansionsmaschine (EX) maximal ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das innere Expansionsverhältnis der Expansionsmaschine (EX) zur Verhinderung einer Nachexpansion oder Nachverdichtung am Auslass der Expansionsmaschine (EX) an den jeweiligen Unterschied zwischen Verdampfungsdruck und Kondensationsdruck angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei der Einstellung des Verdampfungsdruckes der Einfluss einer Nachverdichtung oder Nachexpansion des Arbeitsmediums am Ausgang der Expansionsmaschine auf den Wirkungsgrad der Expansionsmaschine berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in Verbindung mit Anspruch 4, wobei bei einer Expansionsmaschine mit festen Schluckvolumen der Druck nach der Expansionsmaschine so gewählt wird, dass der maximale Systemwirkungsgrad erreicht wird und im Kondensator sicher kondensiert wird.
System zum Erzeugen mechanischer Ausgangsleistung einer Expansionsmaschine (EX), die mittels dem Abgas eines Verbrennungsmotors entzogener Wärmeleistung betrieben wird, enthaltend eine Speisepumpe (SP), einen Wärmetauscher (WT), eine Expansionsmaschine (EX), einen Kondensator (KD) und einem Drucksteuerelement (KP), welche Bauteile in Reihe in einer Kreisleitung (KL) angeordnet sind, die zwischen der Speisepumpe und dem Drucksteuerelement an einen Vorlagebehälter (VB) zur Aufnahme eines Arbeitsmediums angeschlossen ist, wobei der Wärmetauscher für die Übertragung wenigstens eines Teils der im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Wärme auf das Arbeitsmedium geeignet ist und der Kondensator zur Abkühlung des ihn durchströmenden Arbeitsmediums durch Abgabe von Wärmeenergie an eine Wärmesenke geeignet ist, und weiter enthaltend wenigstens einige von Sensoren (T1–T8; P1–P3) zum mittelbaren oder unmittelbaren Erfassen von Betriebsparametern des Arbeitsmediums strömungsoberhalb und/oder strömungsunterhalb des Wärmetauschers, der Expansionsmaschine und des Kondensators sowie der Temperatur des Abgases und der Temperatur der Wärmesenke, Aktoren (A1–A3) zur Steuerung des Betriebs der Speisepumpe und des Drucksteuerelements sowie einer von der Expansionsmaschine angetriebenen Last (L) und eine mit den Sensoren und Aktoren verbundene elektronische Steuereinrichtung (ES), die den Betrieb der Speisepumpe, des Drucksteuerelements und der Last zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 steuert.
System nach Anspruch 9, wobei der in die Expansionsmaschine (EX) eintretende Volumenstrom des Arbeitsmediums bei sich ändernder Abgastemperatur konstant gehalten wird, indem das Schluckvermögen und die Drehzahl der Expansionsmaschine (EX) konstant gehalten wird.
System nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Expansionsverhältnis der Expansionsmaschine (EX) veränderbar ist und derart eingestellt wird, dass am Auslass der Expansionsmaschine keine Nachexpansion oder Nachverdichtung des Arbeitsmediums erfolgt.