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WO2011066964A2 - Abwärme beschickte wärmenutzungsvorrichtung - Google Patents

Abwärme beschickte wärmenutzungsvorrichtung Download PDF

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WO2011066964A2
WO2011066964A2 PCT/EP2010/007310 EP2010007310W WO2011066964A2 WO 2011066964 A2 WO2011066964 A2 WO 2011066964A2 EP 2010007310 W EP2010007310 W EP 2010007310W WO 2011066964 A2 WO2011066964 A2 WO 2011066964A2
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WO
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wnv
exhaust gas
steam
pressure
heat
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Individual
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the aim of the invention is, as efficiently as possible, the total waste heat of cooling and / or the exhaust gas of a primary source e / machine (PM),
  • VM lifting or rotary piston
  • DK lifting or rotary piston
  • VM internal combustion engine
  • GT + DT gas + steam turbine
  • III a burner
  • Heat utilization device in a single resource supply circuit use.
  • the WNV consists of one of the resources (BM) promoting and compressing compression device, a compressor or a heat pump (WP), and a subsequent expansion device, a steam / gas engine (DM).
  • BM resources
  • WP heat pump
  • DM steam / gas engine
  • the WNV delivery / compression device consumes practically nothing up to a maximum of 30% (as heat pump WP) of the total additional power PWNZ of the WNZ system,
  • the serious disadvantage of a DT is that it requires a large mass mass flow at high pressure.
  • the high pressure can be built up energetically favorable only in the liquid state of the BM, and thus in the BM circulation after the DT chain a liquefaction of the entire BM ' s is necessary. This is usually done with external cooling and performs the high condensation as useless or lower-grade waste heat.
  • the WNV here for example is designed as a rotary piston machine (DKM), however, depending on the BM mixture, only a quarter to one third of the BM must be in a liquid state, which is acted upon by a high pressure pump with the high, supercritical pressure, while the main body of BM directly as Steam is recirculated to be mixed with the high pressure steam in two of the four BM versions provided in the first stage of the WNV.
  • DKM rotary piston machine
  • the DKM is equipped here with two inlets and outlets per DKM disc and then delivers three cylinder chamber volumes full of BM per one revolution of the respective rotary piston.
  • the WNZ plant presented here then carries in a circulatory system, solely by utilizing the waste heat of a PM, e.g. for a VM or a (GT + DT) plant, a relative additional power to the PM at
  • a VM as a PM is a great advantage is that in a circuit system, the waste heat of the cooling water in the low temperature range (NT) for the evaporation of the BM we used, and the entire exhaust heat of the VM for further heating of the BM then to higher temperatures Available.
  • NT low temperature range
  • the respective additional services PWNZ with a VM or a GT + DT system or the increase in efficiency with a burner can take into account and including several relevant, realistic loss factors ⁇ between
  • WNV should and can be used in principle three other functions:
  • LV and exhaust gas compressor for recuperation of kinetic energy during thrust and braking operations of the VM operated vehicle, or under load operation of a stationary VM, a burner or a GT + DT system
  • the combined heat and power plant can achieve an effective efficiency of:
  • Taking advantage of the WNV booster function can be for the VM in the car under charging with the stored compressed air the short term, e.g. for a few minutes, retrievable, maximum power of the combined plant, PvM + wNV, max, the maximum rated power of the VM, PvM.max, more than doubled PvM + wNv, max> 2.3 pvM, max, see below.
  • the WNV plant can be used behind and with the following primary aggregates:
  • VM unit e.g. in combined heat and power plants (CHP) for schools, swimming pools and hospitals, but also for single and multi-family houses,
  • CHP combined heat and power plants
  • the VM in a motor vehicle or in a stationary unit can also preferably be operated with (natural) gas, the pressure vessels of which can then be used as DLS after the partial consumption of the gas.
  • It may be a one-component liquid / vapor BM 1 1 " , 1 1 or a mixture of high pressure steam 1 1 ', for example H20H_, and superheated steam 1 1, H20d, and / or variable proportions of the exhaust gas 13, whose temperature is still (far ) in the high temperature range can be used.
  • the mixture formation of the H-OHd takes place with the FhOd and / or the exhaust gas, with the production of mixing enthalpy, and
  • Heat exchangers are required for all these WNV systems.
  • a WT in the high-temperature region of the exhaust gas flow can simultaneously be considered as
  • Catalyst can be used, by a corresponding dimensioning and exhaust gas side coating with catalyst - precious metals, and possibly a second, also exhaust side coated WT as an oxidation catalyst with regulated air supply, especially for a diesel engine as PM.
  • the good old steam engine (HbOd) operated steam engine is in the smell of low efficiency.
  • the exhaust steam has flue gas by a negative pressure effect, e.g. with Giesl ejectors, extracted and thus more fresh air into the boiler, for more complete combustion of the heating coal.
  • a negative pressure effect e.g. with Giesl ejectors
  • AI "heat engine” is for a VM using the waste heat in two separate, closed equipment (BM) circuits, a low-temperature and a high-temperature circuit, each with a relaxation device an improvement in the efficiency of a VM of each assumes an initial liquid BM, which is demanded by a pump and brought to operating pressure, evaporated in heat exchangers and heated.
  • BM closed equipment
  • BM vaporized and preheated via evaporator VD and heat exchanger WT in a low temperature (NT) range, the cooling of the VM or the end of the Waste gas burner BR9 or GT, and further heated by WT's in the high temperature range of the exhaust gas of all PM 's .
  • the equipment consists of either BM steam or a mixture of high pressure steam plus steam and / or exhaust gas and is conveyed in separate stage components of the WNV, compressed and / or decompressed under operating power, one component also being used as a clocked mixing chamber for the BM mixtures ,
  • a solution for this is in an intermediate heating of the H20D and as a second stage one or more medium pressure (MD) DT 's and as a third stage (s) low pressure (LP) DT' s use.
  • MD medium pressure
  • LP low pressure
  • the ND DT in this application is also successful for larger units with a total GT + DT power of PGUD ⁇ 300MW
  • the delivery and compression e.g. the EhCro high-pressure steam or steam EhOd
  • the high-pressure pump a fraction and for the WP to just under a third of the WNV total output.
  • Fig. 1 Schematic diagram of a waste heat-charged heat recovery device WNV, for three uses: I. behind a burner, II. Behind a GT + DT system and III. behind an internal combustion engine VM.
  • Fig. 2 a to c T-S diagrams for waste heat fed WNV cycles for a VM with the resources BM versions
  • FIG. 3 a a diagram of an internal combustion engine VM 2 plus heat utilization device WNV system, here a double-disc rotary piston machine (DKM), used as conveyor (DM0) and / or compression (WP5) and expansion device (DM1, DM2, DM3) operated with the BM mixtures
  • DKM double-disc rotary piston machine
  • DM0 conveyor
  • WP5 compression
  • DM1, DM2, DM3 expansion device
  • Fig. 5 Diagram of a WNV plant as DKM behind a gas plus steam turbines
  • Enthalpy is supplied via the evaporator / heat exchanger VD / WT, which is used in the cooling circuit of the VM2 or at the end in the hot exhaust gas flow 13 of the burner BR9, the GT4 and the VM2 to the initially liquid, then vaporous operating medium BM 1 1 " are:
  • VD / WT0 in the low temperature range (75 ° C ⁇ T ⁇ 130 ° C to 250 ° C) for evaporating / preheating the BM
  • the low temperature (90 ° C.-130 ° C.) reservoir of the cooling water of the VM2 and / or the DKM via WT0 or VD / WT0 ' is used for evaporation and preheating of the then present steam BM 1 1.
  • H2O coolant of the VM2 directly as BM 11 ", 1, 1 1 in a closed loop system for the WNV plant.
  • the antifreeze can be released by a simultaneous antifreeze lubricating the DKM.
  • One third to two thirds of the cooling of the VM2 and the DM0 / WP 5 is dissipated by the evaporation of preheating of the BM 1 1, ie a mixture of water and steam cooling used for the VM2 and the DKM.
  • the H20d superheated steam is either after the medium pressure MD
  • the VM2 a 0.6 liter to 1 liter petrol (or rotary) engine with e.g. used two to four cylinders, each with four valves per cylinder, with one
  • PvM.max 50 kW assumed. Due to the higher exhaust gas temperatures required for the WNV plant, operation of the VM2 without exhaust gas turbocharger ATL15 or a DKM as VM2 is to be preferred.
  • PWNV 4.2 kW will be the total power of VM2 + WNV
  • Fig. 3a and b is schematically a combination plant VM2 plus WNV for the two
  • the BM mixture version (3) is calculated in detail, wherein the calculations for the other BM versions (1), ((2)) and ((4)) can be carried out analogously, and the results also in the Tab. 1 are registered.
  • a double-disc rotary piston engine (DKM) is advantageously used, the DK have no piston recesses, and the cylinder surfaces are refined, for example, chrome-plated.
  • This DKM works as a nearly perfect "two-stroke” without valves and allows a very good separation of suction and compression processes.
  • the lower and the upper cylinder chamber of the DKM which are formed alternately with each 120 ° rotation of the rotary piston, can have different functions each with two separate inlets (18 to 18 ") and outlets (19 to 19 "' ).
  • These DKMs can achieve compression factors of ⁇ > 23: 1 without piston recess and are at high speeds of U> 18,000 / min in the situation.
  • the chamber volume of the DKM was 80 cm 3 (90 cm 3 for the BM version (1))
  • Cylinder chamber height A 130 mm and for the first disc 1 a width of
  • the factor 1.5 comes about because per one revolution of the rotary pistons 25, 25 ' in the lower and the upper cylinder chamber 22, 22 ' each 1.5 VT volumes are promoted.
  • Tx ( ⁇ WÜ Va Cp, a Ta + Vd / Hd Cv Tx-1) / ( ⁇ WÜ Va Cp, a + Vd / Hd Cv, d / Hd), where Tx is the temperature of the BM (1 1 ", 1 1 ' , 1 1) after and Tx-i for which stands before the respective WTx
  • Tx is the temperature of the BM (1 1 ", 1 1 ' , 1 1) after and Tx-i for which stands before the respective WTx
  • Tm 350 ° C.
  • the upper chamber of the first DKM disk 1 is filled as the first expansion stage with a ratio of 1: 2, as DM1, via a volume-wise small, short connection 34, whereby the reciprocal density of
  • the HbOa steam relaxes under work performance and partial condensation in the ratio 1: 4.5 on
  • the two chambers 22, 22 'of the second DKM disc are separated as DM2 and DM3 and fed in succession.
  • the WT1 returned, and then only the exhaust gas 13 in the upper chamber 22 ', the third WNV relaxation stage DM 3, the remaining HbOd added steam, said BM wiring is not shown in Fig. 3.
  • FIGS. 2 a to c show the BM versions (1), (3) and ((4)) as T-S diagrams, for the WNV system with the VM 2 and in FIG. 2 d with the GT 4 + DT 3,3 '.
  • BM mixture versions ((2)), (3), and ((4)) are that a low entropy BM state (FbOHd) is mixed with such high entropy (PkOd or exhaust 13) increases the usable exergy.
  • the common density pm and temperature Tm of the BM mixture is so far in the HbOd steam range that the relaxation in the three stages of the WNV does not lead, or only slightly, into the wet steam range of the H2Od.f1.
  • the pressure charging of the HbOHd vapor is done with a high pressure liquid pump 27 and requires much less power than e.g. the heat pump WP5 or a turbine compressor 52 for the H2Üd steam or a gas, e.g. Air.
  • This allows the heat energy to be transferred per unit of time, AQ / At, lighter, ie with smaller ⁇ - and relative ⁇ / ⁇ - losses are transferred from the exhaust gas to this part of the BM 11 ', resulting in a higher end temperature T2 of HbOHd, see the calculations of Fig. 4, or a larger amount of HbOHd can be prepared.
  • the same heat energy in the form of heat of condensation is dissipated by the condensation cooler 41 in relation to the work done and is lost or used as inferior heating energy, and then has to be re-applied as vaporization heat in the cycle from here the GT4 exhaust become.
  • the BM version (1) has the great advantage of the simplest structure.
  • the BM versions (3) and ((4)) yield the highest additional power PWNV, see discussion above, mainly due to the large contribution of the implied enthalpy of mixing Hm and the direct AHm contributions, values with * in Tab. 1 and 2.
  • the primary source / machine PM is deprived of the largest amount of heat energy AQ / h, both the NT range by evaporation of the liquid BM 1 1 " and preheating of the gaseous BM 1 1 or of the liquid BM 1 1 "for the H2Üd or the H20Hd, as well as the HT range, the exhaust gas 13 of the PM, here the VM2, but also in the case of the GT4 or the burner BR9.
  • the optimum mixing ratio H2ÜHd to H2Üd can be calculated by the control computer in each operating state, depending on the number of revolutions rpm, the offered temperatures of the VM2 cooling water, the DM0 / WP5 and possibly also the DM1, and in particular of the temperature of the exhaust gas 13, in order then to be adjusted via the metering valve 7 'and / or the delivery rate of the high pressure pump 27 EhOfi.Hd.
  • the water vapor FhOd cleans in the version ((2)) and ((4)) the exhaust gas further to the exhaust gas catalyst, here in the combination WT2 / KAT, further from SOx, NOx, and other pollutants, and these can End of the cycle in the then condensed FhOfl, before returning to the BM circuit cycle, through filters and / or with chemicals, eg be precipitated with calcium hydroxide, CaOH, as gypsum, similar to the washout in cooling towers at combined cycle power plants.
  • the BM H2O is exchanged after a set number of cycles, depending on the effectiveness of the built-in filters. With the BM versions ((2)) and ((4)) also the exhaust gas cleaning of a rotary piston machine DKM becomes much easier.
  • Ts 100 ° C of H2O at atmospheric pressure shuts down
  • the BM versions (3) and ((4)) can be used in an analogous manner for the cases II and I of the primary sources, the GT4 + GT3 system and the burner BR9, with similarly good results, see description to FIG. 5 and Tab. 2, and the advantages listed above and the, in stationary systems, easier to control disadvantages.
  • Fig. 3b is another advantageous example of the combination plant VM2 + WNV for the BM version (1): pure FhOd steam, with the placement of the WT2 between the WP5 and the DM1 drawn schematically. Small changes that result in the Bergsbowungen before the WP5, see FIG. 1, are not shown in Fig.3 here.
  • the double disc DKM is used here as a conveying heat pump plus working steam engine, WP + DM, the lower cylinder chamber 22 of the first disc 1 of the DKM acting as WP5, the upper as DM1 stage, which more than compensates the power consumption of the upstream WP5, see Tab. 1, the entire second DKM disc 1 ' is again used as DM2 stage.
  • the main part of the cooling water 21 with a pump 27 ' through the cylinder head of the VM2, or through the first disc 1 of DKM (not shown in Fig. 3) in channels or tube coils (26 ' ) is circulated.
  • This main flow of the cooling water 21 can be regulated by a valve 7 "in such a way that the heat dissipation is just compensated by the evaporation and / or preheating of the fuel 1 BM" 1 1 " .
  • the evaporator / heat exchangers VD / WT0 and VD / WT0 ' can be used here in the NT range, for example, cast of AI all tube blocks, which are in good thermal contact with the cylinder block of the VM 2 and the DKM compressor.
  • the cooling water mixed with a lubricating antifreeze
  • hollow cone or ultrasonic nozzles (24) in droplets with a diameter of about 0 20 to 70 ⁇ sprayed into the duct / tube system of the WTC, see FIG. 1, Case III, or ultrasonically sprayed surfaces.
  • the two WT1 and WT2 / KAT in the exhaust gas stream 13 flows inside the stainless steel tube 26, the BM 1 1 and outside they are flowed around by the VM2 exhaust gas 13.
  • the inputs 18, 18 ', 18 “, 18”' and outlets 19, 19 ' , 19 “ , 19 “' are arranged on the DKM cylinder disks 1, 1 'in such a way that, during rotation, the rotary pistons 25, 25 ' No or little overlap of the intake and exhaust stroke results.
  • a flutter check valve 37 is installed to prevent backflow of the BM 1 1 in the lower WP5, DKM chamber.
  • the total internal volume of the WT2 is then equal to the transport volume VT a DKM chamber 22, 22 ' selected, see Fig. 4, so that the compression or expansion ratio of the WP 5 or the DM1 is advantageously 2: 1 or 1: 2.
  • the second DKM disc 1 ' with double chamber width 2B follows as steam engine DM2 as another expansion device, which provides the main additional performance.
  • the H20d BM 11 is introduced into both cylinder chambers 22, 22 'of the second DKM disk as DM2 in parallel and further relaxed under working power.
  • the DKM disc 1 also have the width B, then translated by a gear 16 at twice the speed or by two gears (not shown) and then run in the opposite direction of rotation to the first DKM disc 1, then interchanged with 18 and Outlets 19.
  • the VM2 cooler 40 has to pay for the BM 1 1 version (1): Od, here about 1/3 to 1/2 of the VM2 (DKM) cooling, and for the entire VM2 (DKM) cooling below the VM 2 transition speed Uü ⁇ 2500 / min, for which the WNV works as LV for charging the VM2, and generally when operating the WNV system as LV / AV or as a booster.
  • stage of the DKM H20fl share with the main BM FbOd portion of the DKM can be operated lying and advantageously with side inlets.
  • the two DKM disks are then fed through the inlet 29 in the reverse flow direction to the WNZ / DM + WP operation with atmospheric air and operated as a three-stage air compressor, LV1 to LV3, and a 1: 3 to 4 Reduction of the transmission 16 selected.
  • Circuit system is discharged with the exhaust gas 13, or the small amount of remaining in the WNV plant BM 1 1, HbOd, when switching to LV / AV for charging the VM2 or for storing the compressed air in the DLS 20 / DAS 50 is not significant, or in the exhaust 13 storage due to the 14% FbOd share in the exhaust 13 is negligible, and in the BM (1 1, 1 ⁇ , 13) cycle this proportion in the partially open BM circulatory system lost HbOd at replaced.
  • a compressed air (exhaust) storage DLS 20 (DAS 50) is charged during LV (AV) operation.
  • Compressed air 10 ' (pressure exhaust gas 13 ' ) is then fed via controllable pressure reducer 17, 17 ' :
  • DLS 50 DLS 20
  • compressed air 10 ' stored in a DLS 20 of 100 l contents at a pressure of approx. P ⁇ 100 bar and approx. T ⁇ 500 ° C is sufficient for operating the VM 2 without fuel for approx. 6 min, ie for one driving distance of about 12 km at a mean speed of 120 km / h.
  • the increased temperature of the compressed air 10 ' (of the pressure exhaust gas 13 ' ) is energetically meaningful, since with the expansive decompression of the stored compressed air by means of the variable pressure reducer 17, 17 ' , to about p ⁇ 2 bar for charging the VM2 or to about a medium pressure from p m ⁇ 6 bar for the operation of the VM 2 without fuel or the WNV as a booster, a significant cooling of the air takes place.
  • a good thermal insulation 53 of the DLS 20 (DAS 50) and all leads (not shown) is provided.
  • a drain tap for H2O residues at the lowest point of the storage container is provided.
  • the DLS 20 and DAS 50 containers are internally protected by a protective layer of plastic or a durable metal coating
  • the switching times are mainly determined by the approximately ten revolutions of the WNV, the DKM, which are necessary for the flushing of the cylinder chambers 22, 22 ' and the lines in the BM version (1) and (3), and amount to eg Transition speed of
  • the WNV can be switched between the various functions with virtually no noticeable delay, which is essential for the energy recuperation during braking and coasting of the car and for activating the LV function for charging the VM2 and the booster function at strong acceleration processes.
  • DLS 50 a minimum pressure in the DLS 20
  • a higher power of the VM2 is required by downshifting to a lower gear (in manual transmissions eg by an electrically on and off overdrive) and the LV / AV function and simultaneously the charging of the VM2 from the DLS 20 via a variable pressure reducer 17 is activated.
  • the performance of the WNV Booster can reach or exceed the maximum rated power of the VM 2 or DT 3 and thus acts similar to the KERS (Kinetic Energy Recovery System) facility at Formula 1 Engines, only with significantly higher power delivery, see introduction.
  • KERS Kinetic Energy Recovery System
  • this compressed air motor function of the WNV possibly saves a second GT4 'for peak load times, see description for FIG. 5.
  • a drive belt 34 which runs over a respective conical wheel 32 on the crankshaft of the VM 2 and on the shaft of the WNV / DKM, advantageously couples the VM 2 to the WNV via a CVT transmission 16 (continuously variable transmission) or a planetary transmission (not shown).
  • This gear 16 can be varied by an electro-magnetic or pneumatic control advantageously continuously between reduction ratios 1: 1 to 4: 1, for optimized operation of the DKM as WNV plant, as WNV booster or as LV / AV or as a mechanical charger for the VM2.
  • Fig. 4 a and b the construction of a high-temperature heat exchanger is shown using the example of WT2 / KAT, consisting of 12 stainless steel tubes 26 with outer diameter
  • a flap-check valve 37 is inserted in the connecting flange 35, which in the rhythm of the intake and compression stroke of the DKM
  • Component WP5 opens or closes the inlet to the 12 tubes 26.
  • This valve 34 is designed so thin-walled and smooth that it copes with the here maximum clock frequency of the discs 1 and 1 'of the DKM of about U ⁇ 9,000 / min.
  • a stainless steel hood 39 is slipped, which is sealed in a groove of the flange 35.
  • two exhaust 13 pipe connections 33 and 33 ' respectively in the lower part of the hood 39, the tube bundles 26 are flowed transversely, and the exhaust gas flow 13 is through a centrally between the tube bundles 26th arranged partition 44 then led to below the upper flange 36 and back to the outlet 33.
  • the tubes 26 are externally coated with Pd or Pt (40), so that the heat exchanger WT2 can simultaneously take over the function of the catalytic converter KAT.
  • the dimensioning of the WT2 KAT is then limited except for the BM version (1) and can be optimized for the catalyst function.
  • the tubes 26 particularly in the WT2 (and the WT1) are designed so that the temperature difference ⁇ necessary to transfer the heat quantity AQ / h by convection from the exhaust gas 13 to the FbOd vapor (the high-pressure H2OH vapor) only is up to ⁇ ⁇ 30 (20) ° C, and the corresponding pressure loss in the WT ' s does not become greater than ⁇ ⁇ 0.2 (5) bar.
  • the total amount of heat transferred to all WTs / hour AQ / h see Tab. 1.
  • Prandtl number Pr ⁇ Cp / ⁇ , dimensionless characteristics, with
  • the values ⁇ for the WNV operated with the BM version (1) can still be reduced below higher ⁇ values, in particular by reducing the pipe radius r and by simultaneously increasing the total length L and, if necessary, by increasing n, wherein the volume content of the heat exchanger in question is kept constant.
  • the dimensioning is much freer to design and optimize, especially with regard to the simultaneous use of the WT2 as a catalyst KAT or the optimal utilization of the exhaust gas (13) heat for the BM mixtures ( (2)), (3) and ((4)).
  • the conditions are completely uncritical, since both the small ⁇ and the ⁇ are well within the specified range of ⁇ ⁇ 5 bar and ⁇ ⁇ 30 ° C and here in particular the high pressure of p ⁇ 190 bar through the high pressure Liquid pump is constructed.
  • a WNV is coupled, here as an example consisting of
  • heat exchanger / evaporator WT0 "VD, WTl, WT2, WT3 and WT4, and a compressed air reservoir DLS 20 (a pressure exhaust gas storage DAS is not shown) with heat insulation 53 for storing the compressed air 10 'is provided so that the WNV by atmospheric air 10 (or exhaust 13) through the port 29 (via a three-way valve 6) in the reverse direction can be operated as air compressor LV1, LV2 and LV3.
  • a condensation cooler 41 ' on which as a foreign cooling waste heat recovery 42, z. B. a district heating, is connected, the BM (11, 1 1 ' ) H20d, Hd after passing through the DT3 and DT3 ' and the three DKM components for the BM version (3) liquefied in its entirety.
  • Three three-way valves 6 allow the electromagnetic switching between the various functions of the WNV.
  • both the WNV as booster and the firing system 51 and thus the GT4 can be operated or charged from the DLS 20 by disconnecting the turbine compressor 52 via a coupling 57 with the compressed air 10'.
  • the WNV with the circuit, as shown in Fig. 5 a operated, which also results for the GT + DT system, the largest additional power in normal mode WNV.
  • the DT3 is only operated with the third of the H20Hd high-pressure steam, while the DT3 ' with the second third, then a 1: 1 mixture of H2ÜHd and H20d and the WNV with the last third of H2ÜHd, ie a 1: 2 mixture of H2ÜHd and HbOd by forwarding each of the resulting H20d superheated steam to the next stage of the chain.
  • Injection into the DM0 can be done by hollow cone or ultrasonic nozzles (not shown in Fig. 5) for strong expansion, so that it by the high-pressure steam jet
  • the first advantage - even in comparison to a pure DT3, 3 ', 3 "combination - is that not every part of the BM must be condensed and liquefied after each decompression stage, but only once at the end of the whole chain saves heat energy from the exhaust stream 13, which is then available for heating the BM to higher temperatures or preparation of a larger BM amount available.
  • the second advantage is the possibility of using the WNV as an air / exhaust compressor and as a booster.
  • the respective proportions of the quantity ⁇ 2 ⁇ TM available after the WT3, which are branched off at the branching points 14 to the three consumers, can be varied by the nominal values, one-third, and optimized by electronic control for the respective power requirement to the combined plant.
  • nwü 0.8 was included.
  • FIG. 5 b the circuit for operation of the WNV with the single-component BM according to version (1): FkOd is shown schematically by dashed lines with dashed lines. This version corresponds to that for the VM2, which was shown in Fig. 3 b and described there in more detail. In this case, the temperature T and thus the FteOd vapor pressure pd in the condensation cooler 41 'can be varied and adapted to the output of the DT3 ' .
  • the DKN combi-plant is not as sensitive to the formation of droplets during the expansion of the FhOd as the steam turbines DT 3, 3 '(3 "). Therefore, the expansion of the FL-Od BM 11 can be (until) far into the Two-phase range, HbOd + FfeOfi, would occur in a DT with an FhOfi fraction of (1 - x)> 0.12. Damage to the turbine blades would result from erosion.
  • the other great advantage of the WNV combination is that it is used in low-consumption times by switching three three-way valves 6 as a multi-stage air compressor LV (or exhaust compressor AV), which sucks via an inlet 29 atmospheric air 10 (or exhaust gas 13), see Fig. 1 and Fig. 3, for charging a here mecanicvolurnigen compressed air reservoir DLS 20 (Druckabgas Eats DAS 50) of (which) is surrounded with a heat insulation 53 (are).
  • LV multi-stage air compressor LV
  • AV exhaust compressor
  • AV exhaust compressor
  • WT2 the exhaust gas 13 heat exchanger WT2
  • WT1 heat exchanger WT1
  • heated compressed air 10 ' (the pressure exhaust gas 13 ' ) can then be operated via an adjustable pressure reducer 17, the WNV system itself and / or the GT4 without or with reduced.
  • the DKM also has the three functions described above.
  • the WMV system booster function can be coupled with charging the GT4 with the stored compressed air 10 'from the DLS (20) via a second pressure reducer 17 ' .
  • the turbine compressor 52 of the GT4 is decoupled, eliminating the 40% power consumption, and charging the fuel 55 charged furnace 52 and the GT4 solely by the compressed air 10 'from the DLS 20, the performance of the GT4 + DT3,3 ' plant even increased by almost two thirds with the WNV booster function for peak load times,
  • the compressed air storage is already used in areas where no water storage pumping station is possible with high efficiencies.

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Abstract

Es wird eine Wärmenutzungsvorichtung WNV beschrieben, die unter Nutzung der Kühl- und/oder der Abgaswärme einer Primärmaschine PM in einem Betriebsmittel BM Kreislauf einen hohen Gesamtwirkungsgrad von 0,45 < ηPM+WNV < 0,69 erzielt. Als PM werden eingesetzt ein Verbrennungsmotor VM, stationär oder eingebaut in einem (Kraft-) Fahrzeug, ein Gas-/ Dampfturbinen Kraftwerk, eine Kraft- Wärme-Kopplungsanlage oder ein (Biogas-) Brenner, und als BM ein Heißdampf oder ein Gemisch aus einem überkritischen Hochdruckdampf plus dem Heißdampf und /oder plus Teilen des Abgases unter Gewinnung von Mischungsenthalpie. Weiterhin ist eine Verwendung der WNV vorgesehen als Luft- oder Abgasverdichter unter Abspeicherung, als mechanischer Lader der PM, die, wie auch die WNV, unter Nutzung der abgespeicherten Druckluft / des -abgases als Druckluft-/ Abgasmaschine bzw. als Booster betrieben werden kann und dann eine relative Gesamtleistung der PM + WNV Kombianlage von 1,6 < PPM+WNV/PPM < 2,3 ergibt.

Description

Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung
Einleitung
Das Ziel der Erfindung ist es, auf möglichst effiziente Weise die gesamte Abwärme der Kühlung und/oder des Abgases einer Primärquell e/-maschine (PM),
I. eines Hub- oder Drehkolben (DK) Verbrennungsmotors (VM),
II. einer Gas- + Dampfturbine (GT + DT) oder III. eines Brenners, mit Hilfe einer
Wärmenutzungsvorrichtung (WNV) in einem einzigen Betriebsmittel Kreislauf einer Nutzung zuzuführen.
Die WNV besteht aus einer die/das Betriebsmittel (BM) fördernden und verdichtenden Kompressionsvorrichtung, einem Verdichter oder einer Wärmepumpe (WP), und einer nachfolgenden Entspannungs- Vorrichtung, einer Dampf-/Gasmaschine (DM).
Die Funktion der Förder- / Kompressions- / Wärmepumpe WP für das dampf- oder gasförmige BM bzw. die einer Hochdruckpumpe für das anfänglich flüssige BM ist essentiell für den hohen effektiven Wirkungsgrad ηρΜ+ν Ζ der Umwandlung der Primärmaschine PM mit WNV Anlage:
0,41 < ηρΜ+WNZ < 0,69,
schon bei einer Drehzahl von U = 3000/min(1500/min) für einen VM bis zu ηνΜ+WNZ = 0,5 und für eine GT + DT Anlage als PM TKGT+DT)+WNZ = 0,7.
Die WNV Förder- / Kompressionsvorrichtung verbraucht hier praktisch nichts bis zu maximal 30% (als Wärmepumpe WP) der Gesamtzusatzleistung PWNZ der WNZ Anlage,
während z.B. der Turbinenverdichter einer GT etwa 40% der PGT Leistung benötigt.
Der gravierende Nachteil einer DT besteht darin, dass diese einen großen Massen -Volumenstrom bei hohem Druck benötigt. Der hohe Druck kann aber energetisch günstig nur im flüssigen Zustand des BM aufgebaut werden, und somit ist im BM Kreislauf nach der DT Kette eine Verflüssigung des gesamten BM's erforderlich. Diese erfolgt meistens unter Fremdkühlung und führt die hohe Kondensations- als nutzlose oder geringerer wertige Abwärme ab.
Die Abwärme der PM, des VM, der GT oder des Brenners (BR) muss vor der Erwärmung des BM, also vor jedem Kreiszyklus, dessen Verdampfungswärme zur Verfügung stellen, welche etwa gleich ist wie diejenige, die zur Erhitzung des BM von z.B. To = 30°C auf T = 530°C aufgebracht werden muss!
Für die WNV, die hier z.B. als Drehkolbenmaschine (DKM) konzipiert ist, hingegen muss, je nach BM Gemisch, nur ein Viertel bis zu einem Drittel des BM in flüssigem Zustand vorliegen, welches durch eine Hochdruckpumpe mit dem hohen, überkritischen Druck beaufschlagt wird, während der Hauptteil des BM direkt als Dampf in den Kreislauf zurückgeführt wird, um dann in zwei der vorgesehenen vier BM Versionen in der ersten Stufe der WNV mit dem Hochdruckdampf gemischt zu werden.
Der Vorteil der Hochdruck- / Heißdampf (Abgas) BM Gemische beruht darauf, dass ein BM Zustand mit niedriger Entropie (Hochdruckdampf) gemischt wird mit einem hoher Entropie (Heißdampf oder Abgas), wodurch sich die nutzbare Exergie erhöht. Die auf diese Weise eingesparte Wärmeenergie von ca. 30% bis 50% kann zum Erhitzen des BM auf höhere Temperaturen oder zur Präparation einer größeren Charge BM eingesetzt werden. Da beide, die Molmenge des BM und dessen Temperatur etwa proportional mit der zur Verfügung stehenden Wärmeenergie ansteigen - aber miteinander in Konkurrenz stehen -, wird auch die erzielbare WNV Zusatzleistung PW V in etwa linear mit der eingebrachten Wärmeenergie ansteigen. Dies und der vorteilhafte Einsatz der DKM, die schon mit deutlich geringerem Druck und Volumenstrom vergleichbare Arbeit leistet, ist die Erklärung für die erzielbaren, hohen Werte der Zusatzleistung PWNV und des hohen Wirkungsgrades TJ WNZ der WNV, siehe unten.
Die DKM wird hier mit zwei Ein- und Auslässen pro DKM Scheibe ausgestattet und fördert dann drei Zylinderkammervolumen voll BM pro eine Umdrehung des jeweiligen Kreiskolbens.
Die hier vorgestellte WNZ Anlage trägt dann in einem Kreislaufsystem, allein unter Ausnutzung der Abwärme einer PM, z.B. für einen VM oder einer (GT + DT) Anlage, eine relative Zusatzleistung zu der PM bei von
Figure imgf000004_0001
schon für eine Drehzahl von U = 3000/min (1500/min), z.B. der DKM als WNV.
Insbesondere für einen VM als PM liegt ein großer Vorteil darin, dass in dem einem Kreislaufsystem die Abwärme des Kühlwassers im Niedertemperaturbereich (NT) zur Verdampfung des BM's eingesetzt wir, und die gesamte Abgas wärme des VM zur weiteren Erhitzung des BM dann auf höhere Temperaturen zur Verfügung steht.
Damit zieht die Umsetzung von (Ab-) Wärme- in mechanische Energie der WNV Kombianlagen hinter einem VM mit der eines modernen Gas- und Dampf- (GuD) Kraftwerkes gleich und übertrifft diese hinter einer GT + DT Anlage deutlich.
Die jeweiligen Zusatzleistungen PWNZ mit einem VM oder einer GT + DT Anlage bzw. die Wirkungsgraderhöhung mit einem Brenner können unter Berücksichtigung und Einrechnung mehrerer einschlägiger, realistischer Verlustfaktoren ηχ zwischen
0,75 < r)x < 0,95, siehe unten,
vergleichbare oder noch höhere Werte erreichen, vor allem unter Einbringung der vorgesehenen Zusatzfunktionen der WNV.
Zusätzlich soll und kann die WNV in prinzipiell drei weiteren Funktionen verwendet werden:
1. als mechanischer Luftverdichter (LV) durch Umkehrung der Beschickungsrichtung
- in der Aufwärmphase des VM, bei niedrigen Drehzahlen und bei hoher Leistungsanforderung zur Aufladung des VM und der GT plus deren Feuerungsstelle, sowie
2. als LV und Abgasverdichter (AV) zur Rekuperation von Bewegungsenergie bei Schub- und Bremsvorgängen des VM betriebenen KFZ, bzw. im Unterlastbetrieb eines stationären VM, eines Brenners oder einer GT + DT Anlage
- unter Abspeicherung der erzeugten Druckluft/ des Druckabgases in einem Druckluftspeicher (DLS) und/oder einem Druckabgasspeicher (DAS) und
- anschließendem kraftstofflosen/-armen Betrieb des VM bzw. der GT mit der abgespeicherten Druckluft / dem Druckabgas, sowie
3. als Booster unter Beschickung der WNV Anlage selbst mit der abgespeicherten Druckluft / dem Druckabgas über einen Druckminderer für starke Beschleunigungsvorgänge im VM betriebenen KFZ und zur Abdeckung von Spitzenlast bei einem stationären VM und bei einer GT + DT Anlage, unter gleichzeitiger Aufladung des VM bzw. der GT und deren Feuerungsstelle. Die Leistungsabgabe des WNV Booster kann dann dje maximale Leistung der Primärmaschine PM in etwa erreichen oder sogar übertreffen, im kurzfristigen Betrieb z.B. des VM in einem KFZ oder längerfristig bei der DT + GT und der stationären VM Anlage, abhängig von der Menge (und dem Druck) der/des gespeicherten Druckluft/-abgases.
Aufgrund der/des in den Energiespeicher DLS / DAS gespeicherten DrucklufV-abgases mit 100 1 bis 300 1 Fassungsvermögen, z.B. in einem PKW, die in ihrer Energiespeicher-Kapazität mit den Batteriespeichern heutiger„Mild Hyprid" Autos vergleichbar sind, werden alle dafür geeigneten Hilfsaggregate in den KFZ's auf Druckluft umgestellt, wie z.B. Bremskraftverstärker, Lenkhilfe und Anlasser, etc..
Das ermöglicht den VM im KFZ auch während des Fahrens gefahrlos abzuschalten, z.B. beim Heranrollen an rote Ampeln und an leichten Gefällstrecken.
Ohne Einrechnung dieser Verwendungen kann die WNV Kombianlage dann im Optimum einen effektiven Wirkungsgrad erreichen von:
rjV +wNZ > 0,5 bzw. TJGT+DT+ WNZ > 0,70.
Unter Ausnutzung der WNV Booster Funktion kann für den VM im KFZ unter Aufladung mit der gespeicherten Druckluft die kurzzeitig, z.B. für einige Minuten, abrufbare, maximale Leistung der Kombianlage, PvM+wNV,max, die maximale Nennleistung des VM, PvM.max, mehr als verdoppelt werden PvM+wNv,max > 2,3 PvM,max, siehe unten.
Durch den Ersparniseffekt an nicht benötigter, mehrmaliger Zwischen-Verdampfungsleis- rung im Falle II, einer GT + DT (GuD) Anlage, siehe oben, und durch den Betrieb der WNV Anlage mit einem 1 : 1 BM Gemisch aus Hochdruck- und Heißdampf, z.B. von H2O, ergibt sich eine erhöhte Zusatzleistung von
Figure imgf000005_0001
siehe Beschreibung zu Fig. 5 a, zur den angenommen Grundleistungen des GuD Kraftwerkes, von PDT = 83 MW und PGUD = 250MW.
So dass dann für die GT + DT Anlage unter der Annahme
PGT+DT = 3 PDT mit PGT = 2 PDT und
PDT+W V = 1,51 PDT
sich mindestens PGT+DT+WNV = 3,51 PDT ergibt, also eine Steigerung von 17%,
(ohne Anrechnung der Booster Funktion der WNV), was den Wirkungsgrad T)GUD+WNV auf Werte nahe oder über r|GuD +WNV > 70% bringt.
Für eine GuD Anlage kann weiterhin unter Aufladung der GT mit der abgespeicherten Druckluft, die mit der LV Funktion der WNV erzeugt und dann abgespeichert wurde, dann unter Wegfall des Turbinenverdichters und den obigen Annahmen,
PGuD+WNVBoost > 5 PDT erreicht werden, also eine Steigerung um einen Faktor 1,61,
für den Einsatz in Spitzenlastzeiten über eine längere Zeit, abhängig von der abgespeicherten Menge der/des Druckluft- / Druckabgases, siehe Beschreibung zu Fig. 5.
Darin liegt für ein GuD Kraftwerk der weitere, große Vorteil der WNV Kombianlage, dass sie sowohl als Wärmenutzungsvorrichtung WNV als auch als LV unter Abspeicherung der erzeugten Druckluft betrieben werden kann, mit den oben beschriebenen Möglichkeiten, und kein zusätzlicher Kompressor benötigt wird.
Die WNV Anlage kann eingesetzt werden hinter und mit folgenden Primäraggregaten:
- mit einem Biogas - Brenner in kleineren lokalen Anlagen, dessen Brenngas nicht als Brennstoff für einen VM oder eine GT genutzt werden kann, oder
- mit einem stationären VM Aggregat, wie z.B. in Kraft- Wärme- Kopplungsanlagen (KWK) für Schulen, Schwimmbäder und Krankenhäuser, aber auch schon für Ein- und Mehrfamilienhäuser,
- präferentiell mit einem Benzin oder Gas betriebenen Otto VM oder einer Drehkolbenmaschine (DKM), einem Wankel Motor, welcher schon bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Abgastemperatur aufweist, und die dann als Kombianlage, stationär oder in einem KFZ betrieben, den Gesamtwirkungsgrad eines vergleichbaren Diesel VM deutlich übertrifft,
- mit einem aufgeladenen Diesel VM für PKW, LKW oder Schiffe,
- sowie mit einer mittleren GuD Anlage mit einer Leistung von bis zu 300 MW. - Auch ein kompakter Nachrüstsatz, z.B. für ältere PKW oder GuD Anlagen, mit einer eigenen Steuerung ist möglich.
Mit der Kombination Biogas- Brenner oder stationäres VM Aggregat plus WNV Anlage kann deren Laufzeit auch im Sommer deutlich erhöht werden, da mehr Leistung zur Stromerzeugung und ggf. Verbund - Einspeisung ins Netz zur Verfügung steht, und die dann geringere, anfallende Restwärme, aber auf ggf. erhöhtem Temperaturniveau, siehe unten, weiter zur Brauchwasser Erhitzung oder als Prozesswärme genutzt werden kann.
Der VM in einem KFZ oder in einem stationären Aggregat kann neben Benzin und Diesel auch präferentiell mit (Erd-) Gas betrieben werden, dessen Druckbehälter dann nach dem Teilverbrauch des Gases als DLS eingesetzt werden können.
Es kann ein einkomponentiges flüssiges / dampfförmiges BM 1 1 ", 1 1 oder eine Gemisch aus Hochdruck beaufschlagten Dampf 1 1 ', z.B. H20H_, und Heißdampf 1 1 , H20d, und/oder variablen Anteilen des Abgases 13, dessen Temperatur sich noch (weit) im Hochtemperatur Bereich befindet, verwendet werden.
Die höchsten Werte für die Zusatzleistung der WNV ergeben sich, wenn der überhitzte, mit Hochdruck beaufschlagte BM Dampf 1 1 H20Hd, niedriger Entropie gemischt wird, entweder mit tbOd Dampf 11 und/oder mit dem (oder Teilen des) Abgas(es) 13 höherer Entropie, zum Gemisch BM 1 1 '+ 1 1 (+ 13) bzw. 1 1 '+ 13,
- wobei der FbOHd Dampf vorher durch hohe Druckbeaufschlagung mit p ~ pkrit, dem kritischen Druck des flüssigen BM 1 1 ", z.B. H20fi, und Erwärmung in WT's durch die Kühlwärme und durch das Abgas, z.B. des VM's, auf Temperaturen Tfi,d > Tkrit präpariert wurde, und
- anschließend in der ersten Komponente der WNV, z.B. einer DKM, die Gemischbildung des H-OHd mit dem FhOd und/oder dem Abgas stattfindet, unter Gewinnung von Mischenthalpie, und
- die nachfolgende Entspannung unter weiterer Arbeitsleistung in den anderen WNV Stufen, den (drei) restlichen Zylinderkammern der Zweischeiben DKM bis an die Tauiinie oder in das Zweiphasengebiet des H20d Naßdampfes erfolgt.
In der Regel stellt sich heraus, dass etwa eine massenanteilige 1 : 3 - 4 Mischung für den VM und eine 1 : 1 Mischung für die GT + DT Anlage von Hochdruckdampf H-OHd und Heißdampf H20d und/oder dem Abgas die besten Ergebnisse für die Zusatzleistung der WNV Anlage ergibt, und damit die hohen Werte für
T|WNV und PWNZ/PVM(OT+DT) erreicht werden, siehe die oben angegebenen und die in Tab. 1 und 2 eingetragenen Werte.
Für alle diese WNV Anlagen werden Wärmetauscher (WT) benötigt.
Insbesondere bei den VM Aggregaten aber auch bei dem Biogas - Brenner, ggf. auch bei einer GT kann ein WT im Hochtemperaturbereich des Abgasstromes gleichzeitig als
Katalysator (KAT) eingesetzt werden, durch eine entsprechende Dimensionierung und abgasseitige Beschichtung mit Katalysator - Edelmetallen, und ggf. ein zweiter, ebenfalls abgasseitig beschichteter WT als Oxydations-Katalysator mit geregelter Luftzufuhr, insbesondere für einen Dieselmotor als PM.
Dies reduziert die Rückwirkung der Wärmetauscher WT auf den VM in eine ähnliche Größenordnung wie bei einem modernen VM mit geregelten Katalysatoren, siehe Fig. 4. Stand der Technik
Die gute alte, mit Wasserdampf (HbOd) betriebene Dampfmaschine steht im Geruch geringer Effizienz. So hatten die DM's, welche bis 1957 für Dampflokomotiven entwickelt wurden, bei einem maximalen Kesseldruck des I-hOd von ca. 25 bar entsprechend einer Temperatur von T = 225°C einen mechanischen Wirkungsgrad von maximal 13%, da der ffcOd Abdampf mit einer Temperatur von ca. T = 100°C durch den Schornstein geblasen wurde.
Davor hat die Abdampfströmung Rauchgas durch einen Unterdruck Effekt, z.B. mit Giesl Ejektoren, ab- und somit mehr Frischluft in den Heizkessel gesaugt, zur vollständigeren Verbrennung der Heizkohle. Der Wirkungsgrad einer entsprechenden, reversiblen, idealen Carnot Maschine,
ηο = (Τ2 - Τ,) / Τ2, (1) zwischen den entsprechenden Temperatur Reservoirs mit T2 = 500 K und T\ = 373 K wäre, ohne die Abdampfverluste, r\c = 0,25.
Die Aufladung von Otto- und Dieselmotoren durch einen Abgasturbolader (ATL) oder einen mechanischen Verdichter und der Betrieb von Hubkolbenmotoren mit Druckluft sind bekannt, ebenso die Turbinenluftverdichter vor einer GT.
In der Patentanmeldung DE102 59 488 AI„Wärmekraftmaschine" wird für einen VM unter Nutzung der Abwärme in zwei getrennten, geschlossenen Betriebsmittel- (BM) Kreisläufen, einem Niedertemperatur- und einem Hochtemperatur- Kreislauf, mit je einer Entspannungsvorrichtung eine Verbesserung des Wirkungsgrades eines VM von jeweils 5% bis 6% erreicht. Es wird jeweils von einem anfänglich flüssigen BM ausgegangen, das mit einer Pumpe gefordert und auf Betriebdruck gebracht, in Wärmetauschern verdampft und erhitzt wird.
In der hier vorliegenden Anmeldung dagegen wird ein einziges geschlossenes bzw. auch ein teiloffenes Kreislaufsystem für das BM verwendet, das verdampft und vorgewärmt wird über Verdampfer VD und Wärmetauscher WT in einem Niedertemperatur- (NT) bereich, der Kühlung des VM bzw. den Endbereichen des Abgases des Brenners BR9 oder der GT, und weiter erhitzt wird durch WT's im Hochtemperaturbereich des Abgases von allen PM's. Das Betriebsmittel besteht entweder aus BM Dampf oder einem Gemisch aus Hochdruckdampf plus Dampf und/oder Abgas, und wird das in getrennten Stufekomponenten der WNV gefördert, komprimiert und/oder unter Arbeitleistung entspannt, wobei eine Komponente auch als getaktete Mischungskammer für die BM Gemische verwendet wird.
Der Einsatz der WNV in den weiteren, oben und unten eingehender beschriebenen Funktionen ist inhärent eingeplant, vorgegeben und wird beansprucht.
In der am 16.09.2008 eingereichten, dann aber zurückgezogenen Gebrauchsmusteranmeldung DE102 59 488 AI wurden schon Grundgedanken dieser Anmeldung in Ansätzen entwickelt.
Zur großtechnischen Erzeugung von elektrischer Energie, Strom werden heute kombinierte Gas-/Dampf- (GuD) kraftwerke eingesetzt, da eine Gasturbjne GT allein einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad von ηστ < 45% hat, wegen des hohen Leistungsbedarfs (rund 40% der Gesamtleistung) des Turbinenverdichters und trotz der sehr hohen Eingangstemperaturen von 1200°C bis 1400°C.
Wegen der hohen Austrittstemperatur des Abgases von Ta = 550 bis 650°C der GT, bei einem Austrittsdruck nur etwas über dem Atmosphärendruck, ist es sinnvoll die Abgaswärme mittels Wärmetauschern zum Erhitzen eines Dampfes, in der Regel HzOd, zu verwenden, um damit mehrere DT Stufen zu betreiben. Der Nachteil der DT 's besteht darin, dass sie weitgehend im H Od Einphasengebiet betrieben werden müssen, da sonst durch Tröpfchenbildung die Turbinenschaufeln abgetragen werden.
Eine Lösung dafür besteht in einer Zwischenerhitzung des H20d und als zweite Stufe eine, oder mehrere Mitteldruck (MD) DT's und als dritte Stufe(n) Niederdruck (ND) DT's einzusetzen.
Die ND DT wird in dieser Anmeldung erfolgreich auch für größere Einheiten mit einer GT + DT Gesamtleistung von PGUD ~ 300MW
durch eine WNV Anlage ersetzt, welche dann viel weiter bis in das Zweiphasengebiet, thOd plus Wasser EhOfi, hinein betrieben werden kann.
Bei den hier beschriebenen WN 's verbraucht die Förderung und die Kompression, z.B. des EhCro Hochdruckdampfes bzw. des EhOd Dampfes, in den o.a. BM Versionen für die Hochdruckpumpe einen Bruchteil und für die WP bis knapp einem Drittel der WNV Gesamtleistung.
Figuren
Fig. 1 : Schematisches Schaubild einer Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung WNV, für drei Verwendungen: I. hinter einem Brenner, II. hinter einer GT + DT Anlage und III. hinter einem Verbrennungsmotor VM.
Fig. 2 a bis c: T-S Diagramme für Abwärme beschickte WNV Kreiszyklen für einen VM mit den Betriebsmitteln BM Versionen
(a) (1): H2Od, (b) (3): HiOm + HiOd und (c) ((4)): H2ÜHd + HaOd + Abgas
Fig. 2 d: für eine GT + DT Anlage mit der BM Version (3): ΗΖΟΗ<Ι + taOd
Fig. 3 a: Schaubild eines Verbrennungsmotors VM2 plus Wärmenutzungsvorrichtung WNV Anlage, hier einer Zweischeiben Drehkolbenmaschine (DKM), eingesetzt als Förder- (DM0) und/oder Kompressions- (WP5) und Entspannungsvorrichtung (DM1, DM2, DM3) betrieben mit den BM Gemischen
(3) : H2ÜHd Hochdruckdampf + H20d Dampf und
((4)): H OHd Hochdruckdampf + H2Od Dampf plus Abgas, beschickt durch die Abwärme eines VM2, und verwendet als Luft- und Abgasverdichter (LV/ AV) bzw. als WNV Booster Fig. 3 b: dito mit der BM Version (1): aus reinem Heißdampf H2Od
Fig. 4 a und b: Längs- und Querschnitt durch einen Hochtemperatur Wärmetauscher
/Katalysator WT2 KAT im Abgasstrom des VM2 mit einem Flatter - Rückschlagventil
Fig. 5: Schaubild einer WNV Anlage als DKM hinter einer Gas- plus Dampfturbinen
GuD Anlage, mit Wärmetauschern
Figurenbeschreibung
In dem Schaubild der Fig. 1 sind schematisch die drei prinzipiellen Verwendungsmöglichkeiten der Abwärme beschickten Wärmenutzungsvorrichtung WNV, hier als mindestens Zweischeiben DKM gezeigt:
I. hinter einem (Biogas-) Brenner BR9 zum Betrieb eines Generators G51 und einer Gebäude - / Brauchwasserheizung 42.
Mit dieser Einsatzmöglichkeit I der WNV kann vorteilhaft minderwertiges Deponie- oder Biogas zur lokalen Stromerzeugung in kleineren Einheiten gekoppelt mit Heiz-/ Prozess- wärme Erzeugung verwendet werden.
II. hinter einer GT4 + DT3,3 ' Anlage zum Betrieb eines Generators G51 und zur Fern-/ Prozessheizung 42 ' ,
III. hinter einem VM2, eingebaut in einem KFZ 60 oder in einem stationären Aggregat, zum Leistungserhöhten Betrieb des KFZ 60 plus Nebenaggregaten bzw. eines Generators G51 plus Heizung 42 '.
Der weitere Einsatz der WNV Anlage als Luft-/(Abgas-)verdichter LV/(AV) mit der Abspeicherung und/oder der Aufladung des VM2, der GT4 plus deren Feuerungsstelle 54 oder des Brenners BR9, und Verwendung der abgespeicherten Druckluft 10' (des Druckabgases 13 ') in einem DLS 20 (DAS 50, siehe Fig. 3) zum kraftstofflosen/- armen Betrieb des VM2, der GT4 oder der WNV Anlage selbst als Booster, wjrd in Fig. 3 und 5 eingehend beschrieben.
Dem anfangs flüssigen, dann dampfförmig vorliegende Betriebsmittel BM 1 1 ", 1 1 wird Enthalpie zugeführt über Verdampfer/Wärmetauscher VD/WT, die in dem Kühlkreislauf des VM2 bzw. endseitig in dem heißen Abgasstrom 13 des Brenners BR9, der GT4 und des VM2 eingesetzt sind:
WT0 und VD/WT0', VD/WT0" im Niedertemperaturbereich (75°C < T < 130°C bis 250°C) zum Verdampfen/Vorerwärmen des BM, und
WT1 bis WT4 im Hochtemperaturbereich (250°C < Ta < 770°C bis 900°C) des Abgases 13 zum Weitererhitzen des BM.
Im Falle III des VM2 wird das Niedertemperatur- (90°C - 130°C) Reservoir des Kühlwassers der VM2 und/oder der DKM über WT0 bzw. VD/WT0' zur Verdampfung und Vorerwärmung des dann dampfförmig vorliegendem BM 1 1 verwendet.
Für den Fall, das nur ein einkomponentiges, dampfförmiges Betriebsmittel verwendet wird, ist es vorteilhaft, das H2O Kühlmittel des VM2 direkt als BM 11 ", 1 , 1 1 in einem geschlossenen Kreislaufsystem für die WNV Anlage zu nutzen.
Der Gefrierschutz kann durch ein gleichzeitig die DKM schmierendes Frostschutzmittel gelöst werden.
Ein Drittel bis zu zwei Dritteln der Kühlung des VM2 und der DM0/WP 5 wird durch die VerdampfÄmg Vorerwärmung des BM 1 1 abgeführt, also eine Mischung aus Wasser- und Dampfkühlung für den VM2 und die DKM verwendet.
Für die Anwendung III, den VM2, wird erwärmtes Kühlwasser des VM2 mit einer Pumpe 27' durch Hohlkegel- oder Ultraschalldüsen 24 in feine ca. 0 = 20 bis 70 μπι Tröpfchen versprüht und unter Kühlung des VM2 und der DM0/WP5 und ggf. der DM1 , verdampft und auf eine Temperatur Ti > 1 15°C bis 130°C erhitzt.
Im Anwendungsfall II wird der H20d Heißdampf entweder nach der Mitteldruck MD
Dampfturbine DT3 ', siehe Fig. 5, oder, wie hier gezeigt, an einem Mittelabgriff 56 der DT3 ' mit der passenden Temperatur Ti und dem Druck pi abgezweigt. Der Abdampf der DT3 ' und der letzten WNV Komponente DM2,3 endet in einem vortejhafterweise fremdgekühlten (42) Kondensationskühler 41.
Für weitere Details der WNV Kombianlagen, siehe Fig. 3 und 5.
Zum Aufbau z.B. des Wärmetauscher/Katalysators WT2/KAT, siehe Fig. 4.
Für den Fall III, den VM2, wird ein 0,6 1 bis 1 l Otto- (oder Drehkolben-) Motor mit z.B. zwei bis vier Zylindern mit je vier Ventilen pro Zylinder verwendet, mit einem
Durchschnittsverbrauch pro Stunde von 2,6 1/h entsprechend 2 kg/h Benzin (Gas), unter Einrechnung der WNV Zusatzleistung. Als Nennleistung des VM2 wird
PvM.max = 50 kW angenommen. Wegen den für die WNV Anlage benötigten höheren Abgastemperaturen ist ein Betrieb des VM2 ohne Abgasturbolader ATL15 oder eine DKM als VM2 vorzuziehen.
Die 2 kg/h Benzinverbrauch entsprechen einem Heizwert h h = 84.000 kJ/h, von dem ca. 33%, also Ah = 27.000 kJ/h, normalerweise jeweils durch die Kühlung und durch das Abgas 13 des VM2 an die Umgebung verloren gehen.
Nur etwa ein Drittel der Heizwertleistung fließt in den Motor und die Hilfsaggregate, deren Leistungsaufnahme mit Hilfe der Umstellung auf Druckluft schon deutlich reduziert angenommen wurden, sodass bei dem Durchschnittsverbrauch von 2 kg h Benzin (Gas) etwa 0,3 h h = 25.500 kJ/h, entsprechend einer Leistung von
Figure imgf000010_0001
zum Vortrieb des KFZ (ohne WNV) zur Verfügung stehen.
Unter Berücksichtigung der WNV Zusatzleistung von
PWNV = 4,2 kW wird die Gesamtleistung des VM2 + WNV
P VM +WNV = 1 1,3 kW = 15,4 PS,
und damit kann damit ein kleineres KFZ im 5. Gang mit einer Geschwindigkeit von ca. 120 km/h in der Ebene betrieben werden.
In Fig. 3 a und b ist schematisch eine Kombianlage VM2 plus WNV für die beiden
BM Versionen (3) und (2) gezeigt.
Für die WNV können vorteilhaft mit Wasser als BM vier Versionen eingesetzt werden:
(1) ein einkomponentiger H20d Dampf (1 1),
((2)) ein Gemisch aus Hochdruckdampf HzOHd (1 1 ') plus Anteilen des (Abgases 13), (3) ein Gemisch aus Hochdruckdampf H20Hd (1 1 ') plus H2Üd Heißdampf (1 1) und
((4)) dito plus Zugabe von Anteilen des (Abgases 13) in einer der letzten Entspannungs- stufe(n) der WNV, hier der DM3.
Für die BM Versionen ((2)), (3) und ((4)) wird nach den Wärmetauschern WT0 und WT0', siehe Fig. 1 , zunächst vorgewärmtes, flüssiges BM 11 ", hier z.B. H-Ofi, durch eine
Hochdruck- (Zahnrad- oder Piezo-) Pumpe 27 mit einen Druck p ~ 190 bar beaufschlagt und durch den WT2 im Abgasstrom 13 der
PM /VM2 auf T = 400°C > Tkrit = 374°C (für H2O) erhitzt. Dieser überhitzte HaOHd Dampf wird dann in der DM0, der ersten Stufe der WNV, in den angesaugten Heißdampf H20d
(bzw. das Abgas 13) eingespritzt, und das Gemisch aus Hochdruckdampf H2ÜHd + Heißdampf H20d und /oder (+ Abgas 13) wird dann in vorteilhafterweise zwei (drei) Stufen der Entspannungsvorrichtung der WNV, DM1, DM2 (und der DM3), unter Arbeitsleistung entspannt. In der letzten Komponente der WNV und nachfolgend in einem Kondensationskühler 41 wird dann gerade der Teil des H20d Dampf kondensiert, der für die Präparation des BM 1 1 ' LUC™ Anteils durch die Hochdruckpumpe 27 benötigt und das restliche BM 11, H 0d Heißdampf, ggf. nach einer Reinigung, direkt als H2Üd Heißdampf durch Ansaugung mit der DM0 durch den WT1 wieder zugeführt wird.
In der daraus resultierenden Ersparnis der Verdampfungswärme und damit der Wärmeenergie, die hauptsächlich aus dem Kühlwasser / der Kühlung dem H20fi,Hd zuzuführen ist, liegt der eine Vorteil der mechanischen WNV, und der zweite Vorteil in der Nutzungsmöglichkeit der WNV als LV/AV und als Booster.
Im Folgenden wird die BM Gemisch -Version (3) im Detail berechnet, wobei die Berechnungen für die anderen BM Versionen (1), ((2)) und ((4)) analog dazu durchgeführt werden können, und die Ergebnisse ebenfalls in die Tab. 1 eingetragen sind. Als WNV Kompressions- und Entspannungsvorrichtung wird vorteilhafterweise eine Zweischeiben Drehkolbenmaschine (DKM) verwendet, deren DK keine Kolbenmulden besitzen, und deren Zylinderlaufflächen veredelt, z.B. verchromt sind.
Diese DKM arbeitet als fast perfekter„Zweitakter" ohne Ventile und erlaubt eine sehr gute Trennung von Ansaug- und Kompressionsvorgängen. Sowohl die untere als auch die obere Zylinderkammer der DKM, welche sich bei jeder 120° Drehung des Drehkolbens abwechselnd ausbilden, können zu unterschiedlichen Funktionen mit jeweils zwei getrennten Ein- (18 bis 18"') und Auslässen (19 bis 19" ') herangezogen werden. Diese DKM können ohne Kolbenmulde Kompressionsfaktoren von κ > 23: 1 erreichen und sind zu hohen Drehzahlen von U > 18.000/min in der Lage.
Das Kammervolumen der DKM sei 80 cm3 (90 cm3 für die BM Version (1))
mit einem Transportvolumen von
VT = 72 (81) cm3 und einem Verdichtungsverhältnis von κ = 22: 1.
Dem entspricht in der Bemaßung der DKM in Fig. 3 für beide Scheiben eine
Zylinderkammerhöhe von A = 130 mm und für die erste Scheibe 1 eine - breite von
B = 24(28)mm und für die zweite Scheibe 1 ' von 2 B.
Das geförderte FhOd Volumen Vd pro Stunde ergibt sich dann zu
Vd /h = VT x U/min x 60 min x 1,5 = 19,4 (22)m3/h (2) bei einer Drehzahl von U = 3000/min der DKM. Der Faktor 1,5 kommt zustande, da pro eine Umdrehung der Drehkolben 25, 25 ' in der unteren und der oberen Zylinderkammer 22, 22' jeweils 1,5 VT Volumina gefördert werden.
Mit einer Dichte des HbOd von p = 1,5 kg/m3 bei einer Temperatur von Ti = 130°C wird die Masse FbOd Dampf pro Stunde, md/h, gefördert
md/h = 29,2(32,6)kg/h entsprechend vd = (1250+35Q) = 1600(1800) mol h H20d
In den unten beschriebenen Rechenbeispielen werden folgende Kriterien in der angegebenen Reihenfolge berücksichtigt:
- maximale Abwärmenutzung aus beiden, dem NT und dem HT Reservoir der PM's, hier des VM2,
- bei den BM Versionen ((2)), (3) und ((4)) wird die FhÜHd Menge soweit beschränkt, dass diese auf eine Temperarur T2 » Tknt 374°C in den WT's im Abgasstrom 13 erhitzt wird; daher der kleine Anteil von vd = 350 mol/h ¥bOm ,
- der maximale Druck in den Rohrleitungen pmax < 250 bar, in der DKM
max < 120 bar, die maximale Temperatur < 530°C,
- die Erfüllung obiger Kriterien bei möglichst kleiner Dimensionierung der DKM als WNV Zusatzaggregat.
Bei größerer Dimensionierung der DKM und damit höherem Fördervolumen Vd/h und niedriger Starttemperatur vor den WNV Entspannungskomponenten kommt man nach der letzten Komponente weiter in das Nassdampfgebiet FkOd+ H-Ofi, vergleiche Fig. 2 a bis c. Prinzipiell das aber an den in Tab. 1 gelisteten Ergebnissen nur wenig, da die geförderte BM Menge und deren maximal erreichbare Temperatur T2 komplementär sind und beide in erster Näherung linear von der eingebrachten Abwärmeenergie abhängen.
Aus den Wärmezufuhren AQ vom Kühlmittel bzw. vom Abgas 13 der PM, hier des VM2, der Temperatur Ta, an das/die BM 11 , 11 ' (11 ") in den WT's werden mit Hilfe der Formel, Gl. 3, die sich ergebenden BM Temperaturen Tx berechnet:
Tx = (η WÜ Va Cp,a Ta + Vd/Hd Cv Tx-l) / (η WÜ Va Cp,a + Vd/Hd Cv,d/Hd), (3) wobei Tx für die Temperatur des BM (1 1 ", 1 1 ', 1 1) nach und Tx-i für die vor dem jeweiligen WTx steht Der nur teilweise Wärmeübertrag durch Konvektion von dem PM Abgas 13 auf das/die verwendete/n BM 1 1 , 1 1 ' (1 1 ") wird durch μ\νϋ = 0,825 berücksichtigt,
mit va = 1 180 mol, die Anzahl der Mole des Abgases 13, für 2 kg Benzin und stöchiome- trischer Verbrennung, zusammengesetzt aus: 75% N2, 14% H2O Heißdampf und 1 1 % CO2 und CO, mit einer Temperatur des hier VM 2 Abgases 13 von
Ta = 350 (bis 520°C) und 770°C vor den Wärmetauschern WT1 bzw. WT2, welcher letzterer direkt hinter dem Abgaskrümmer des VM2 angeordnet ist,
mit der mittleren Molwärme des Abgases 13 bei konstantem Druck
CP,a = 32,3 J/(mol/K) für eine mittlere Temperatur von T = 580°C und
Cv,a = 21 ,5 J/(mol/K) für T = 350°C, siehe unten,
vd = 1250 mol und vHd = 350 mol, die Molzahlen für den H20d Dampf und den H2ÜHd Hochdruckdampf,
sowie der Molwärme von H20d bei konstantem Volumen für eine mittlere Temperatur von T = 300°C, zur Berechnung der Mischtemperatur des BM Gemisches, von H2ÜHd + H20d, Cv,d = 30,8 J/(mol/K), und die mittlere Molwärme von H20Hd
Cv,Hd = 124 J/(mol/K) ! für T = 130 bis 530°C.
Die Entspannung in den WNV Komponenten DM0, DM1 und DM2 (DM3) wird isentrop (adiabatisch) berechnet, mit isochoren, nicht-adiabatischen Korrekturfaktoren r)n.ad zusammen mit den Überström-Korrekturfaktoren
Figure imgf000012_0001
wird die effektive Änderung der Enthalpie dann
AHeff = T|n.ad r|Str ΔΗ,
mit ΔΗ = (+/-)vd Cv,d(a) (T3(2) - T20 )), (4) jeweils für die Kompressions- (mit - Vorzeichen) und die Entspannungsvorgänge (mit + Vorzeichen), mit rjn.ad = 0,75 und r\su = 0,9 bis 0,95.
In der ersten Stufe der WNV, der DM0 als der unteren Zylinderkammer 22 der ersten DKM Scheibe 1 , wird in diesem Falle der in dem WT1 auf Ti = 270°C aufgeheizten FbOd Dampf mit der reziproken Dichte 1/pd = 0,65 m3/ kg angesaugt.
Nach Schließen des Einlasses 18 durch Drehung des Drehkolbens (DK) 25, der damit die Funktion eines Rückschlagventils versieht, wird der überhitzte Hochdruckdampf, H2ÜHd (11 ') mit p ~ 190 bar und hier auf eine Temperatur von T2 = 400°C im Wärmetauscher WT2 aufgeheizt, über ein regelbares Dosierventil 7' ggf. über eine Hohlkegel-, Ultraschall- oder eine Überschalldüse, siehe Fig. 1 , zugemischt und bleibt dabei dampfförmig.
Die Mischungstemperatur Tm wird isentropisch (für das Gesamtsystem) nach Gl. 3, und wegen der verlustfreien Mischung der beiden Gase mit nwu = 1 , berechnet zu
Tm = 350°C.
Für die Gemischdichte pm gilt nach dem Gesetz von Amagat
1/pm = (Wd/pd + WHd/pHd), (5) mit Wd = 0,78 und wHd = 0,22, den Mol - Massenanteilen des H20d Dampfes bzw. des Hochdruckdampfes H20HÖ, sodass sich mit 1/pHd = 0,012 m3/kg für das BM (1 1 ,1 1 ') Gemisch ergibt 1/pm = 0,51 mVkg.
Mit dem Enthalpiewert H = 3170 kJ/kg als Ausgangspunkt 2 ist der höchste Punkt in den T-S Diagrammen für das Gemisch, H20d plus H20Hd, des jetzt gemeinsamen BM 1 1 , mit jetzt vd = 1600 mol H20d Dampf erreicht,
siehe Fig. 2 b.
Nach Öffnen des Auslasses 19 wird über eine volumenmäßig kleine, kurze Verbindung 34 die obere Kammer der ersten DKM Scheibe 1 als erste Entspannungsstufe mit einem - Verhältnis 1 : 2, als DM1 befällt, wodurch sich die reziproke Dichte von
1/p = 0,51 auf 0,87 mV kg erhöht, die Überströmung mit n.STR = 0,85 eingerechnet.
Durch Einleiten des HbOd BM 1 1 parallel in die beiden Zylinderkammern 22 und 22' der zweiten DKM Scheibe 1 ' entspannt sich der HbOa Dampf unter Arbeitsleistung und Teilkondensation im Verhältnis 1 : 4,5 weiter auf
l/p = 3,33 m3/ kg,
bevor er in dem Kühler 41 weiter gerade so weit teilkondensiert, dass der für die Hochdruckpumpe 27 benötigte flüssige HbOfi BM 11 " Anteil und der verbleibende Y Oä BM 1 1 Dampfanteil dem BM Kreislauf getrennt wieder zugeführt werden, siehe Fig. 3 a.
Bei der BM Version ((4)), siehe Tab. 1, werden die beiden Kammern 22, 22' der zweite DKM Scheibe als DM2 und DM3 getrennt und nacheinander beschickt. Nach der DM2 werden 2/3 bis 3/4 des ΐίιθά Dampfes mit ca. T = 140°C in den BM Kreislauf, den WT1 , zurückgeführt, und dann erst das Abgas 13 in der oberen Kammer 22', der dritten WNV Entspannungsstufe DM 3, dem verbleibenden HbOd Dampf beigemischt, wobei diese BM Leitungsführung in Fig. 3 nicht eingezeichnet ist.
Das hier frühzeitige Rückführen des FbOd Dampfes hat den Nachteil, dass die Entspannung nicht bis (weit) in den Nassdampfbereich ausgedehnt wird, hat aber den vergleichsweise viel größeren Ersparniseffekt, dass nur der für den H2ÜHd nötige HteOfi Anteil kondensiert und wieder verdampft werden muss. Dies gilt auch, in ähnlichem Umfang für die BM Version (3). Die Einsparung an zuzuführender Wärmeenergie AQ ist dann um ca. eine Größenordnung höher als die entgangene, restliche Arbeitsenergie.
In der Rückführung des EbOd direkt in der Dampfphase in den BM Kreislauf ohne vorherige Kondensation liegt einer der Gründe für die hohen Wirkungsgrade für alle drei BM Versionen ((2)), (3) und ((4)), welche ein Gemisch HbOHd + FhOd (+ Abgas 13) nutzen.
Das Abgas 13 in der BM Version ((4)) hat nach dem WT1 noch einen Druck p4 ~ 1,6 bar und eine Temperatur von T4 = 350°C und heizt den verbliebenen FhOd BM Dampf (1 1) dann von T =140°C wieder auf eine Mischtemperatur von T= 290°C auf.
Es findet also eine Zwischenerhitzung des BM 1 1 FteOd Dampfes statt, ähnlich der bei einer mehrstufigen HD, MD (und ND) Dampfturbinen DT3,3' Anlage, siehe Fig. 5.
Voraussetzung dafür ist, dass der Druck des Abgases pa ~ 1 ,6 bar > pd, ~ 1 ,2 bar, dem Druck des H20d Dampfes in der Zylinderkammern 22', der DM3, zum Zeitpunkt der Abgas (13) Zufuhr, d.h. der H-Od BM Dampf 1 1 hat sich schon soweit entspannt.
Das neue BM Gemisch (1 1 , 13) entspannt sich weiter unter Arbeitsleistung auf pa ~ 1 bar für das Abgas 13 und den Temperaturen von T ~ 210°C bis T = 100°C und den entsprechenden Dampfdrucken für FhOd und wird dem Kondensationskühler 41 zugeführt, in dem das restliche HkOd plus der 14% H20d Dampfanteil des Abgases 13 weiter bei T < 100°C auskondensieren und in den BM Kreislauf als H-Ofi über die Hochdruckpumpe 27
zuriickgeführt werden, und das Abgas 13 nach der zusätzlichen Waschreinigung an die Atmosphäre abgegeben wird. Diese 14% H20d Dampfanteil des Abgases 13 füllen in etwa die FhOd Dampfverluste in dem offenen Flusssystem wieder auf.
Die mit einem * gekennzeichneten AHm Werte resultieren a\is der Volumenarbeit gemäß Gl. 6 durch die Mischung, d.h. den Eintrag des H20HÜ Hochdruck- in den H 0d Heißdampf:
AHm = Ap x A(l/p) = (5,8-3,8)10s Pa (0,65-Q,51)mV kg = 28 kJ/kg, (6) als Beispiel für die BM Version (3) in der WNV Komponente DM0, sieheTab. 1.
Für die implizite Erhöhung der Ausgangs Enthalpiewerte für die Mischung H2Üd + H2ÜHd, siehe die T-S Diagramme in Fig. 2 b und c. Tab. 1: Werte für Kreiszyklen der WNV mit vier verschiedenen Betriebsmitteln
BM Versionen mit Vor- und Nachteilen
BM Versionen (l)Dampf ((2))HDdampf + Abgas (3)HDdampf+Dampf /((4))+Abgas
H20d H20Hd + Abgas H20Hd + KbOd /+ Abgas eff.Enthalpie- AHeff AHeff AHeff AHeff AHeff
änderung
WNZ Komp. Einheit
WP5 / DM0 - 133 +29* +28* +28* kJ/kg DM1 +151 +177 +99 +133 +133 kJ/kg DM2 +325 +297 +62 +246 +139+71+16 kJ/kg
Summe 343x32,6kg/h 474x9,3kg/h+190x29,2kg/h 407x29,2kg/h 387x29,2kg/h kJ/h
AW/h 1 1.180 9.970 1 1.900 1 1.300 kJ/h
PWNV 3,1 2,77 3,3-0,1=3,2 3, 15-0, 1=3,05 kW
PWNV/PVM 0,44 0,39 0,45 0,43
ηνΜ+WNV 0,47 0,46 0,49 0,47
AK K - 29% - 28% - 31% - 30%
AQ/h 25.000 24.000 25.700 27.500 kJ/h
T| WNV=AQ/AW 0,45 0,42 0,46 0,41
Vorteile
Ein BM zusätzliche Abgasreinigung Höchste Zusatzleistungen Einfachster Aufbau Pumpe 27 kleine Leistung Pumpe 27 kleine Leistung Niederdrucksystem Weitere Regelparameter Weitere Regelparameter
Weiterer Abgas KAT Weiterer Abgas KAT
Nachteile
Niedrigste Zusatzleistung
Zwei BM Zwei BM / Drei BM
Höchste Starttemperatur Verunreinigt BM Verunreinigt BM WP5 Leistungsminus Teil Hochdrucksystem Teil Hochdrucksystem teiloffenes Flusssystem teiloffenes Flusssystem kleinvolumiger WT2
Austausch des BM nötig Austausch des BM
Für die BM Gemische nach den Versionen (1) bis ((4)) ergeben sich nun die Werte in Tab. 1 : AHeff (AHm) die effektive Enthalpiedifferenz,
AW/h, PWNV, die Zusatzleistung der WNV, alle in den angegeben Einheiten, und
Pwnv/PvM, das Leistungsverhältnis von WNV zu VM2,
T)VM+WNV = T]V ( 1 + ην^ν) des effektiven Wirkungsgrades des VM2 plus der WNV Anlage im Normalbetrieb, wobei hier ein Wert von ην = 0,33 eingesetzt wird, der mit modernen, aufgeladenen Gas-/Benzin betriebenen Otto- oder DK-Motoren und erreichbar ist, bei einer klugen Reduzierung der Nebenaggregate, z.B. mittels Druckluft(-abgas) aus den DLS (DAS), und AK/K, die relative Kraftstoffersparnis.
Für die eingehender diskutierte BM Version (3): H_OHd + H20d, ergibt sich als zusätzliche Leistung der WNV Anlage
PWNV/ PVM = (3,3 - 0,1 ) kW/ 7,1 kW = 0,45,
wobei die Leistungsaufnahme der Hochdruckpumpe 27 von 0, 1 kW abgezogen wurde. Die relative Kraftstoffersparnis ΔΚ Κ wird dann
ΔΚ/Κ = - (1 - 1/(1+ PWNV/PVM))/K = - 31%. (7) mit der Erhöhung der Leistung der VM2 plus WNV Kombianlage auf
(PVM + PWNVVPVM = 1,45.
Im gemischten Fahrbetrieb nach dem NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) sind durch die vorgesehene Rekuperation von Brems- und Schubenergie weitere, niedrige, zweistellige Prozentgewinne zu erwarten, so dass sich eine tatsächliche, relative Kraftstoffersparnis mit der Kombianlage VM + WNV von ca.
ΔΚ/Κ ~ - 36% ergibt.
Die hohen Zusatzleistungen der WNV von 39% bis 45% zur Leistung des VM2 ergeben sich schon bei U = 3000/min der VM2 + WNV Kombianlage mit den BM Versionen (1) bis ((4)), womit der effektive Wirkungsgrad sich auf bis rund
ηνΜ+wNv ~ 0,5 erhöht,
also in die Nähe der Wirkungsgrade heutiger GuD Anlagen kommt, sodass die Frage erlaubt ist, ob der Einsatz von Elektrofahrzeugen im Alltagsbetrieb noch sinnvoll erscheint?
Als Probe wird berechnet
- ein thermischer Wirkungsgrad
Figure imgf000015_0001
der WNZ Anlage mit der BM Version (3) (nach einem angenäherten, irreversiblen Clausius-Rankine Prozess) zu
Figure imgf000015_0002
der als letzter Wert in der Tab. 1 eingetragen ist, wobei die jeweils insgesamt im BM Kreiszyklus zugeführten Wärmemengen pro Stunde, AQ/h, auf- oder abgerundet, verwendet wurden, aber Effekte der Mischung(senthalpie) der BM Gemische nicht berücksichtigt werden. Der reversible Carnotprozess hätte bei der oberen T = 1043 K und der unteren Temperatur T = 347 K einen Wirkungsgrad nach Gl. 1 von
T]C = (1043 - 347V1043 = 0,68,
wobei hier die Mischungen mit dem FteOvid Dampf nicht berücksichtigt sind.
In Fig. 2 a bis c sind die BM Versionen (1), (3) und ((4)) als T-S Diagramme eingezeichnet, für die WNV Anlage mit dem VM2 und in Fig. 2 d mit der GT4 + DT3,3 '
Der Vorteil der BM Gemisch Versionen ((2)), (3) und ((4)) beruht darauf, dass ein BM Zustand mit niedriger Entropie (FbOHd) gemischt wird mit einem solchen hoher Entropie (PkOd oder Abgas 13), wodurch sich die nutzbare Exergie erhöht.
Die Vorteile der WMV Kombianlage hinter dem VM2 und der GT4 + Dt3,3', siehe Fig. 5, für die BM Version (1) bzw. die BM Gemischen ((2)) bis ((4)) sind:
1. Die Summe beider (der drei) Massen geht linear in die Zusatzleistung PWNZ ein, und auch der Wärmeinhalt und die restliche Druckarbeit des Abgases 13 wird in der Version ((2)) und ((4)) noch zum Teil ausgenutzt.
Die gemeinsame Dichte pm und Temperatur Tm des BM Gemisches liegt so weit im HbOd Dampfbereich, dass die Entspannung in den drei Stufen der WNV noch nicht oder nur knapp in den Nassdampfbereich des H2Od.f1 führt.
2. Die Druckaufladung des HbOHd Dampfes erfolgt mit einer Hochdruck-Flüssigkeitspumpe 27 und benötigt viel weniger Leistung als z.B. die Wärmepumpe WP5 oder ein Turbinenverdichter 52 für den H2Üd Dampf bzw. ein Gas, z.B. Luft.
3. Weiterhin hat H2ÜHd den Vorteil, dass es im unteren Temperaturbereich bis Tkrit = 374°C flüssig vorliegt und darüber in überkritischer Dampfform, und das für beide die Wärmeleitfähigkeit höher ist als für den H2Üd Dampf. Dadurch kann die zu übertragende Wärmeenergie pro Zeiteinheit, AQ/At, leichter, d.h. mit kleinerem ΔΤ- und relativen Δρ/ρ - Verlusten vom Abgas auf diesen Teil des BM 11 ' übertragen werden, resultierend in einer höheren Endtemperatur T2 des HbOHd, siehe die Berechnungen zu Fig. 4, oder es kann eine größere Menge HbOHd präpariert werden.
4. Im Falle der BM Version ((2)) und ((4)), der Beimischung des Abgases 13 zu dem als HbOd vorliegenden BM 1 1 wird wieder die letzte Stufe der WNV aufgeteilt in die DM2 und DM3, hier die untere und obere Zylinderkammer 22, 22' der zweiten Scheibe 1 ' der DKM.
Nach der DM2 werden z.B. zwei Drittel des FbOd abgezweigt und in den BM Kreislauf zurückgeführt, und nur ein Drittel des HbOd BM 1 1, der für die Hochdruckpumpe27 in flüssiger Form, als FhOfi, vorliegen muss, in dem Kondensationskühler 41, 41 ' verflüssigt, während der verbleibende EhOd Dampf direkt in den Kreiszyklus zurückgeführt wird.
Dies bedeutet eine Ersparnis der entsprechenden Verdampfungs wärmen, die sich auf mindestens ein Drittel der gesamten einzusetzenden Wärmeenergie beläuft.
In einer normalen DT Anlage wird im Verhältnis zur geleisteten Arbeit etwa die gleiche Wärmeenergie in Form von Kondensationswärme durch den Kondensationskühler 41 abgeführt und geht verloren, bzw. wird als minderwertige Heizenergie genutzt, und muss dann als Verdampfungswärme im Kreiszyklus aus hier dem GT4 Abgas wieder aufgebracht werden.
Dies hat den weiteren Vorteil, dass die BM Mischung FhOd 11 + Abgas 13 auf der Isobaren p = 1 bar im T-S Diagramm nach links auf den Siedepunkt Ts = 100°C des FkOd bei Atmosphärendruck entspannt und dann im Kühler 41 weiter auskondensiert und als FfcOfl der Hochdruckpumpe 27 wieder zugeführt wird.
5. Schon die erste Stufe DM0 der WNV leistet durch die H2ÜHd Zugabe Arbeit bzw.
verbraucht keine, während bei der BM Version (1) die Wärmepumpe WP5, die als erste Stufe für das Ansaugen, den Transport und die Kompression des reinen H20d Dampf eingesetzt wird, ein knappes Drittel der gesamten WNV Zusatzleistung verbraucht.
Das wird dadurch kompensiert, dass bei der BM Version (1) der Hauptteil des H20d ohne Verflüssigung in den BM Kreislauf zurückgeführt wird, und dass hier etwas größere H20d Molmenge mit höherer Ausgangstemperatur zur Verfügung gestellt werden können. Die benötigte Verdampfüngswärme für die kleine Menge verflüssigtes H20fi von dem VM2 bzw. DKM Kühlwasser im NT Bereich aufgebracht und geht somit nicht negativ in die
Energiebilanz des HT Abgas 13 Bereichs ein.
Es fehlen hier Beiträge der Mischungsenthalpie.
Die BM Version (1) hat aber den großen Vorteil des einfachsten Aufbaus.
6. Der Leistungszuwachs zum VM2, zu der GT4 + DT3 Anlage, bzw. die Ausbeute für den Brenner BR9 steigt damit auf optimal rund 50% bzw. 70%, siehe Tab. 1 und 2.
Die BM Versionen (3) und ((4)) ergeben die höchste Zusatzleistungen PWNV, siehe Diskussion oben, in der Hauptsache wegen des großen Beitrags der impliziten Mischungsenthalpie Hm und der direkten AHm Beitäge, Werte mit * in Tab. 1 und 2.
Der Primärquelle/-maschine PM wird bei den BM Versionen ((2)) und ((4)) die größte Wärmeenergiemenge AQ/h entzogen, sowohl dem NT Bereich durch Verdampfen des flüssigen BM 1 1 " und Vorerhitzen des gasförmigen BM 1 1 bzw. des flüssigen BM 1 1 " für das H2Üd bzw. den H20Hd, als auch dem HT Bereich, dem Abgas 13 der PM, hier dem VM2, aber auch im Falle der GT4 oder dem Brenner BR9.
7. Durch eine Extremwertaufgabe kann in jedem Betriebszustand das optimale Mischungsverhältnis H2ÜHd zu H2Üd durch den Steuerungscomputer berechnet werden, in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl U/min, der angebotenen Temperaturen des VM2 Kühlwassers, der DM0/WP5 und ggf. auch der DM1 , sowie insbesondere von der Temperatur des Abgases 13, um dann über das Dosierventil 7 'und /oder die Fördermenge des EhOfi.Hd der Hochdruckpumpe 27 eingestellt zu werden.
8. Der Wasserdampf FhOd reinigt in der Version ((2)) und ((4)) das Abgas weiter nach dem Abgas Katalysator, hier in der Kombination WT2/KAT, weiter von SOx, NOx, und anderen Schadstoffen, und diese können am Ende des Zyklus im dann kondensierten FhOfl, vor der Rückführung in den BM Kreiszyklus, durch Filter und /oder mit Chemikalien, z.B. mit Calciumhydroxid, CaOH, als Gips, ausgefällt werden, ähnlich der Auswaschreinigung in Kühltürmen bei GuD Kraftwerken. Das BM H2O wird nach einer festzulegenden Zahl von Zyklen, abhängig von der Effektivität der eingebauten Filter, ausgetauscht. Mit den BM Versionen ((2)) und ((4)) wird auch die Abgasreinigung einer Drehkolbenmaschine DKM deutlich einfacher.
Das verbliebene Druck- und das restliche Temperaturpotenzial des Abgases 13, auch dessen 14%igen FkOd Anteils, siehe oben, wird in den Versionen ((2)) und ((4)) weitgehend genutzt. Für die BM Version (3) gilt das gleiche wie für ((4)) bis auf die Nicht-Nutzung des verbliebenen Druck- und Temperaturpotentials des Abgases 13.
Der weitere Unterschied zwischen den BM Versionen ((2)), ((4)) und (3) besteht
in den Vorteilen von ((4)), dass
-eine Zwischenerhitzung des BM (1 1) in derDMO bzw. DM3 Abgaszugabe-Stufe durch das restliche Wärrnepotential des Abgases 13 stattfindet,
- das teilweise abgekühlte Abgas 13 noch zur direkten Arbeitsleistung herangezogen wird,
- das BM Gemisch (11 , 13) am Ende der Entspannungs- und Abkühlungskette auf der Isobaren mit p = 1 bar im T-S Diagramm nach links bis auf die Siedetemperatur von
Ts = 100°C des H2O bei Normaldruck herunterfährt,
- nach dem KAT/WT2 eine weitere Schadstoff Reinigung des Abgases 13 durch Auswaschung im dampfförmigen/flüssigen BM stattfindet, wie in der BM Version (2), und
- das Spülen der WNV Anlage vor und nach Umschaltvorgängen zwischen den Funktionen der WNV wegen des teiloffenen BM Flusssystems ganz entfallen, bzw. auf zwei bis drei Umdrehungen der WNV reduziert werden kann, und
in den Nachteilen von ((4)), dass
- der komplexeste Aufbau verwendet wird, und
drei BM Sorten in einem teiloffenen BM Kreislaufsystem verwendet werden,
- eine Reinigung des zirkulierenden BM durch Filter und/oder Zugabe von Chemikalien mit Ausfällung vorzusehen ist, und
- das BM ersetzt und recycelt werden muss nach einer festzulegenden (großen) Zahl von Stundenzyklen, und
- nur in der Version ((2)) der gesamte, geringere FfeOd Anteil, aus der FhOHd Charge, zu bOfl vor der Rückführung auskondensiert werden muss, was aber nicht negativ in die Energiebilanz des HT Abgas 13 Bereichs eingeht, da die Vorerwärmung des FhOfi aus dem Kühlwasser des VM2 und der DKM im NT Bereich effizient erfolgt..
Die BM Versionen (3) und ((4)) können in analoger Weise auch für die Fälle II und I der Primärquellen, die GT4 + GT3 Anlage und den Brenner BR9, eingesetzt werden mit ähnlich guten Resultaten, siehe Beschreibung zu Fig. 5 und Tab. 2, und die oben angeführten Vorteile und die, bei stationären Anlagen, leichter zu beherrschenden Nachteile.
Alle Werte in Tab. 1 ergeben sich bei U = 3000/min derVM2 +WNV Anlage und ohne Einrechnung der weiteren, sich sparwirksam und /oder Energie steigernd sich auswirkenden Funktionen der WNV Anlage, siehe unten. Für hohe Leistungsanforderungen wird auch der VM2 in dem WNV Booster Modus mit der Druckluft aufgeladen, was der VM2 kurzzeitig verträgt, und womit zu den 50 kW nochmals mindestens 15 kW Leistung hinzukommen.
Mit der Booster Funktion der WNV Anlage lässt sich kurzzeitig von einem vollem 100 1 Druckluftspeicher DLS 20 ausgehend für ca. 2 bis 3 min mindestens nochmals die maximale VM Nennleistung abrufen, also
PvM+LV,max + PwNVBoost = (65 + 50) kW = 1 15 kW.
Also wird aus einem 50 kW KFZ VM2 mit der WNV Kombianlage ein Sportgerät mit einer Leistung von 1 15 kW entsprechend 156 PS, was in einem Kleinwagen, z.B. der Poloklasse, eine enorme Kraftentfaltung ermöglicht, wobei die Steigerung im Drehmoment - maßgebend für die Beschleunigung- prozentual noch höher ausfällt.
Bei einer Drehzahl Änderung des VM 2 und der WNV ist die Zusatzleistung PWNV
proportional der geförderten BM Molzahl vd, welche linear mit der Umdrehungszahl U/min anwächst, siehe Gl. 2. Die Abhängigkeit der Temperatur des VM2 Abgases 13 von der VM 2 Umdrehungszahl zeigt ein etwas komplexeres Verhalten, steigt aber auch mit U/min an.
Also wird eine in erster Näherung angenommene Abhängigkeit
PVM + WNV - U1 ,25- 1'75 (8) im Bereich 2500 < U/min < 5000 brauchbar sein, welche stärker als linear mit der Drehzahl U/min ansteigt.
In Fig. 3 b ist ein weiteres vorteilhaftes Beispiel der Kombianlage VM2 + WNV für die BM Version (1): reiner FhOd Dampf, mit der Plazierung des WT2 zwischen die WP5 und die DM1 schematisch gezeichnet. Kleine Änderungen, die sich in den Leitungsfuhrungen vor der WP5 ergeben, vergleiche Fig. 1 , sind hierin Fig.3 nicht eingezeichnet.
Die Zweischeiben DKM wird hier als fördernde Wärmepumpe plus Arbeit leistende Dampfmaschine, WP + DM, verwendet, wobei die untere Zylinderkammer 22 der ersten Scheibe 1 der DKM als WP5 fungiert, die obere als DM1 Stufe, welche die Leistungsaufnahme der vorgeschalteten WP5 mehr als kompensiert, siehe Tab. 1 , die gesamte zweite DKM Scheibe 1 ' ist wieder als DM2 Stufe eingesetzt.
Als Betriebsmittel H20fi,d BM 1 1 ", 1 1 kann das Kühlwasser HbOfl 21 selbst, wie hier angenommen, bzw. ein anderes, zunächst flüssiges BM 1 1 " verwendet werden.
Aus dem Kühler 40 des VM2 wird der Hauptteil des Kühlwassers 21 mit einer Pumpe 27 ' durch den Zylinderkopf des VM2, bzw. durch die erste Scheibe 1 der DKM (in Fig. 3 nicht eingezeichnet) in Kanälen oder Röhrenschlangen (26') zirkuliert. Dieser Hauptfluss des Kühlwassers 21 kann durch ein Ventil 7" so geregelt werden, dass die Wärmeabfuhr durch die Verdampfung und/oder Vorerwärmung des FüOfi.d BM 1 1 ", 1 1 gerade kompensiert wird.
Die Kühlung der Zwei(Mehr-) Scheiben DKM, siehe Fig. 1 , erfolgt bei Temperaturen ti > 1 10°C bis 130°C entweder mit Wasser unter erhöhtem Druck oder direkt mit FfeOd
Dampf aus dem BM 1 1 Dampfkreislauf, unter weiterer Aufheizung des BM 1 1.
Für die Verdampfer/Wärmetauscher VD/WT0 und VD/WT0', siehe Fig. 1 , können hier im NT Bereich z.B. auch aus AI gegossene Rohrblöcke verwendet werden, die in gutem thermischen Kontakt mit dem Zylinderblock des VM 2 und des DKM Kompressors stehen. Zur Verbesserung der Verdampfung wird das Kühlwasser (versetzt mit einem schmierenden Frostschutzmittel) und durch Hohlkegel- oder Ultraschalldüsen (24) in Tröpfchen mit einem Durchmesser von ca. 0 = 20 bis 70 μπι in das Kanal-/ Röhrensystem des WTC versprüht, siehe Fig. 1 , Fall III, oder von mit Ultraschall beaufschlagten Oberflächen vernebelt. In den beiden WT1 und WT2/KAT im Abgasstrom 13 strömt innen in den Edelstahl- Röhrchen 26 das BM 1 1 und außen werden diese vom VM2 Abgas 13 umströmt.
Zum Aufbau des WT2/KAT als Beispiel, siehe Fig. 4.
Die Ein- 18,18',18", 18 "' und Auslässe 19, 19', 19", 19" ' sind an den DKM Zylinderscheiben 1 , 1 ' so angeordnet, dass sich bei der Drehung der Kreiskolben 25, 25' keine oder kaum eine Überlappung des Ansaug- und Ausstoßtaktes ergibt.
Insbesondere für die BM Version (1) muss hier darauf geachtet werden, dass die Todvolumina im WT2 am Auslass 19 und Einlass 18' so klein wie möglich gehalten werden.
Hinter dem DKM Auslass 19 ist ein Flatter- Rückschlagventil 37 eingebaut, um ein Rückströmen des BM 1 1 in die untere WP5, DKM Kammer zu verhindern.
Für den Betrieb der WNV mit der BM Version (1) wird das gesamte Innenvolumen des WT2 dann gleich dem Transportvolumen VT einer DKM Kammer 22, 22' gewählt, siehe Fig. 4, so dass das Verdichtungs- bzw. Entspannungsverhältnis der WP 5 bzw. der DM1 vorteilhafterweise 2: 1 bzw. 1 :2 beträgt.
Für die anderen BM Versionen ist man in der Wahl freier, und kann eine optimale Auslegung wählen, z.B. als WT2 + KAT oder bezüglich des Druckverlustes Δρ und der
Temperaturdifferenz ΔΤ, siehe Gin. 9 und 10.
Nach dem WT2/KAT folgt die zweite DKM Scheibe 1 ' mit doppelter Kammerbreite 2B als Dampfmaschine DM2 als weitere Entspannungsvorrichtung, welche die hauptsächliche Zusatzleistung erbringt. Dazu wird das H20d BM 11 in beide Zylinderkammern 22, 22' der zweite DKM Scheibe als DM2 parallel eingeleitet und unter Arbeitleistung weiter entspannt.
Alternativ kann die DKM Scheibe 1 ' ebenfalls die Breite B aufweisen, dann übersetzt durch ein Getriebe 16 mit der doppelten Drehzahl oder durch zwei Zahnräder (nicht eingezeichnet) und dann in umgekehrtem Drehsinn zur ersten DKM Scheibe 1 laufen, mit dann vertauschten Ein- 18 und Auslässen 19.
Nach der DM2(3) Stufe wird das BM H2O- in einen Kondensationskühler 41 geleitet, in dem es weiter zu einem geringen Teil von (1-x) < 0,2 kondensiert, mit x = dem verbleibenden FbOd Dampfanteil, der über den WT1 wieder dem BM Kreislauf zugeführt wird.
Der VM2 Kühler 40 muss für die BM 1 1 Version (1): Od, hier etwa für 1/3 bis zu 1/2 der VM2 (DKM) Kühlung aufkommen, und für die gesamte VM2 (DKM) Kühlung unterhalb der VM 2 Übergangsdrehzahl Uü < 2500/min, für welche die WNV als LV zum Aufladen des VM2 arbeitet, und allgemein beim Betrieb der WNV Anlage als LV/AV bzw. als Booster.
Zum Austreiben des schon in der DM2(3) Stufe der DKM kondensierten H20fl Anteils mit dem BM FbOd Hauptanteil kann die DKM liegend und vorteilhafterweise mit Seiteneinlässen betrieben werden.
Für Uü < 2500/min des VM2 werden dann die beiden DKM Scheiben durch den Einlass 29 in umgekehrter Flussrichtung zum WNZ/DM +WP Betrieb mit Atmosphärenluft beschickt und so als dreistufiger Luftverdichter, LV1 bis LV3, betrieben, und eine 1 : 3 bis 4 Untersetzung des Getriebes 16 gewählt.
Zum Umschalten von WNV/DM +WP auf LV/AV Betrieb sind alle vier Dreiwegeventile 6, die vor den Ein- 18, 18 " und hinter den Auslässen 19', 19" 'der DK Scheiben lund 1 ' angeordnet sind, z.B. elektro-magnetisch, umschaltbar vorgesehen. Das gilt auch für alle anderen Ventile und Regeleinheiten. Bei den BM Versionen (1) und (3) werden die DKM Kammern 21 , 21 ' über die Belüftungs- ventile 8 für etwa zehn Umdrehungen vor und nach jeder Umschaltung gespült.
Für die BM Versionen ((2)) und ((4)) reichen weniger Umdrehungen, bzw. muss überhaupt nicht gespült werden, da die durch das Port 29 angesaugte Luft 10 in dem teiloffenen
Kreislaufsystem mit dem Abgas 13 ausgestoßen wird, bzw. die geringe Menge des in der WNV Anlage verbliebenen BM 1 1 , HbOd, bei der Umschaltung auf LV/AV zur Aufladung des VM2 oder zur Abspeicherung der komprimierten Luft in dem DLS 20 / dem DAS 50 nicht ins Gewicht fällt, bzw. bei der Abgas 13 Speicherung wegen des 14%igen FbOd Anteils im Abgas 13 vernachlässigbar ist, und im BM (1 1 , 1 Γ, 13) Kreislauf dieser Anteil das in dem teiloffenen BM Kreislaufsystem verloren gegangene HbOd bei weitem ersetzt.
Bei Brems- und Schubvorgängen und bei Drehzahlen des VM2 unter Uü < 2500/min wird im LV (AV) Betrieb ein Druckluft(abgas)speicher DLS 20 (DAS 50) aufgeladen. Dessen
Druckluft 10' (Druckabgas 13 ') wird dann über regelbare Druckminderer 17, 17 ' zugeführt:
- dem VM2 über den Ansaugstutzen 38 zur mechanischen Aufladung des VM2 unter
Uü < 2500/ min und bei hoher Leistungsanforderung, oder
- zum Betrieb des VM 2 ohne Kraftstoff bei genügender Füllung des DLS 20 (DAS 50), oder
- zum Betrieb der WNV Anlage als Booster.
So reicht die in einem DLS 20 von 100 1 Inhalt abgespeicherte Druckluft 10' mit einem Druck von ca. p ~ 100 bar und ca. T ~ 500°C zum Betrieb des VM 2 ohne Kraftstoff für ca. 6 min, d. h. für eine Fahrstrecke von ca. 12 km bei einer mittleren Geschwindigkeit von 120 km/h.
Die erhöhte Temperatur der Druckluft 10' (des Druckabgases 13 ') ist energetisch sinnvoll, da bei der expansiven Dekompression der gespeicherte Druckluft mittels der variablen Druckminderer 17, 17 ', auf ca. p ~ 2 bar zur Aufladung des VM2 oder auf etwa einen Mitteldruck von pm ~ 6 bar zum Betrieb des VM 2 ohne Kraftstoff bzw. der WNV als Booster, eine deutliche Abkühlung der Luft stattfindet. Eine gute thermische Isolierung 53 des DLS 20 (DAS 50) sowie aller Zuleitungen (nicht gezeichnet) ist vorgesehen.
Im Falle des Abkühlens des DLS 20 und insbesondere des DAS 50 unter den Taupunkt des mit abgespeicherten H2O, ist ein Entleerungshahn für H2O Rückstände am tiefsten Punkt der Speicherbehälter vorgesehen. Die DLS 20 und DAS 50 Behälter sind innen durch eine Schutzschicht aus Kunststoff oder eine widerstandsfähige Metallbeschichtung gegen
Korrosion geschützt.
Da der WT2/KAT und/oder der WT1 auch bei LV(AV) Betrieb im Druckluft (10')(-abgas 13 ')- Strömungsverlauf bleibt, werden diese Wärmetauscher auf einer Temperatur von T> 300 bzw. > 400°C gehalten, sodass die energetisch effiziente Umschaltung auf WNV Betrieb ohne zeitliche Verzögerung erfolgen kann, und in jedem Fahrzustand des KFZ Leistung steigernd eingesetzt und optimal genutzt werden.
Die Umschaltzeiten sind hauptsächlich bestimmt durch die ca. zehn Umdrehungen der WNV, der DKM, die für die Spülung der Zylinderkammern 22, 22 ' und der Leitungen bei der BM Version (1) und (3) nötig sind, und belaufen sich z.B. bei der Übergangsdrehzahl von
U = 2500/min auf At = 0,2 s, die etwa einer schnellen menschlichen Reaktionszeit entsprechen. Beim Betrieb der WNV mit den BM Versionen ((2)) und ((4)) ohne Spülung liegt die Umschaltzeit unter At < 0, 1 s.
Auf diese Weise kann die WNV mit praktisch kaum merkbarer Verzögerung zwischen den verschiedenen Funktionen umgeschaltet werden, was essentiell ist für die Energie Rekupe- rierung bei Brems- und Schubbetrieb des KFZ und für die Aktivierung der LV Funktion zur Aufladung des VM2 und der Booster Funktion bei starken Beschleunigungsvorgängen. Beim Betrieb des VM2 in unwirtschaftlichen Bereichen des VM2 Kennfeldes und bei Unterschreitung eines Mindestdruckes in den DLS 20 (DAS 50) wird eine höhere Leistung des VM2 durch Herunterschalten in einen niedrigeren Gang abgefordert (bei Schaltgetrieben z.B. durch einen elektrisch zu- und abschaltbaren Overdrive) und die LV/AV Funktion und gleichzeitig die Aufladung des VM2 aus dem DLS 20 über einen variablen Druckminderer 17 aktiviert.
Die kürzer- oder längerfristige Abrufung, je nach Volumenauslegung des DLS 20, der Leistung des WNV Boosters kann die maximale Nennleistung des VM 2 oder der DT 3 erreichen bzw. überschreiten und wirkt also ähnlich der KERS (Kinetic Energy Recovery System) Einrichtung bei Formel 1 Motoren, nur mit deutlich höherer Leistungsentfaltung, siehe Einleitung.
Diese Druckluftmotor - Funktion der WNV erspart in der Anwendung II ggf. eine zweite GT4' für Spitzenlastzeiten, siehe dazu Beschreibung für Fig. 5.
Bei diesen drei Funktionen der WNV Anlage werden alle Vorgänge durch eine intelligente, elektronische Steuerung optimal eingesetzt und geregelt.
Ein Treibriemen 34, der über je ein konisches Rad 32 auf der Kurbelwelle des VM 2 und auf der Welle der WNV / DKM läuft, koppelt den VM 2 mit der WNV vorteilhafterweise über ein CVT Getriebe 16 (Continously Variable Transmission) oder ein Planetengetriebe (nicht eingezeichnet). Dieses Getriebe 16 kann durch eine elektro-magnetische oder pneumatische Steuerung vorteilhafterweise kontinuierlich zwischen Untersetzungsverhältnissen 1 :1 bis 4: 1 variiert werden, zum optimierten Betrieb der DKM als WNV Anlage, als WNV Booster oder als LV/AV bzw. als mechanischer Lader für den VM2.
In Fig. 4 a und b ist der Aufbau eines Hochtemperatur- Wärrnetauschers am Beispiel des WT2/KAT gezeigt, bestehend aus 12 Edelstahl-Röhrchen 26 mit Außendurchmesser
0 = 3,4 mm oder 3,6 mm mit einer Wandstärke d = 0,2 mm bzw. 0,3 mm, mit einer
Gesamtlänge von
L = 850 mm. Diese Röhrchen aus entsprechend Hochtemperaturfestem Edelstahl halten einem Prüfdruck von p = 160 bar bzw. 280 bar stand.
Über dem Ein- 18 ' und dem Auslass 19 der DKM 1 sind je vier Röhrchen 26 in drei versetzten Reihen zu einem 12er Bündel in dem Anschlußflansch 35 an die DKM in einem Rechteck angeordnet, mit den Außenmaßen b = 30 mm und a = 13 mm.
Die Röhrchen 26 sind mit einer vierfachen Umlenkung in jeweils vier Teilabschnitte mit einer Länge 1 = 212 mm in einer Gesamtweite w = 55 mm eingeteilt und an einem Ende in den Anschlussflansch 35 und am anderen Ende in einen gemeinsamen Umlenkflansch 36 hart eingelötet. Beide Flansche 35 und 36 sind ebenfalls aus Edelstahl, und die Lötung erfolgt mit einem Nickellot bei ca. 1000°C im Vakuum oder unter Schutzgas.
In der Auslassöffnung 19 der DKM ist in dem Anschlussflansch 35 ein Flatter- Rückschlagventil 37 eingesetzt, das im Rhythmus des Ansaug- und Kompressionstaktes der DKM
Komponente WP5 den Einlass zu den 12 Röhrchen 26 öffnet bzw. verschließt.
Dieses Ventil 34 ist so dünnwandig und leichtgängig ausgeführt, dass es die hier maximale Taktfrequenz der Scheiben 1 und 1 ' der DKM von ca. U < 9.000/min bewältigt.
Über die gesamten, gefalteten Röhrchen 26 Anordnung ist eine Edelstahlhaube 39 gestülpt, die dicht in einer Nut des Flansches 35 eingelassen ist. Durch zwei Abgas 13 Rohranschlüsse 33 und 33 ', jeweils im unteren Teil der Haube 39, werden die Röhrchenbündel 26 quer angeströmt, und der Abgasfluss 13 wird durch eine mittig zwischen den Röhrchenbündeln 26 angeordnete Trennwand 44 dann bis unter den oberen Flansch 36 und zurück bis zum Auslass 33 geführt.
Vorteilhafterweise werden die Röhrchen 26 außen mit Pd oder Pt (40) beschichtet, so dass der Wärmetauscher WT2 gleichzeitig die Funktion des Abgaskatalysators KAT übernehmen kann. Die Dimensionierung des WT2 KAT ist dann außer für die BM Version (1) nur in Grenzen festgelegt und kann für die Katalysatorfunktion optimiert werden.
Der Volumeninhalt des WT2, inklusive Flatter- Rückschlagventil 37 entspricht dann dem Transportvolumen von VT = 81 cm3 für die BM Version (1).
Die Röhrchen 26 insbesondere in dem WT2 (und dem WT1) sind so ausgelegt, dass die Temperarurdifferenz ΔΤ, die nötig ist, um die Wärmemenge AQ/h durch Konvektion vom Abgas 13 auf den FbOd Dampf (den H2OH- Hochdruckdampf) zu übertragen, nur bis zu ΔΤ < 30(20)°C beträgt, und der entsprechende Druckverlust in den WT's nicht größer als Δρ < 0,2(5) bar wird. Für die insgesamt in alle WT's übertragenen Wärmemengen/Stunde AQ/h, siehe Tab. 1.
Die Wärmeübertragung in dem strömenden Betriebsmitteln FteOd Dampf und H2OH- Hochdruckdampf wird berechnet für die BM Versionen (1) und (3), wobei die Daten und Werte für FhOd ohne und die für (FhOHd) in Klammern angegeben sind.
Sie erfolgt vornehmlich durch Konvektion in dem aus den Rohr-26 bündeln bestehenden Wärmetauscher WT. Für den Wärmestrom pro Zeiteinheit gilt nach Newton:
dQ/dt = α ο A ΔΤ, (9) mit A = 2 π n r L, die effektive Innenfläche des WT, siehe Werte für den WT2 in Fig. 4, mit der Gesamtlänge L = 0,85(0,85) m der n = 12 Röhrchen 26 mit r = 0,0015 m und
ακο = Nu λ/2Γ, dem Wärmeübertragungskoeffizienten für Konvektion, mit
λ = 0,055(0,1) W/(m K), der Wärmeleitfähigkeit des FbOd (des bOHd) gemittelt über den entsprechenden Temperaturbereich, und der
Nußelt-Zahl Nu = 0,0235 Re0'8 Pr0'48, mit der Reynolds-Zahl Re = v p 2Γ/η und der
Prandtl-Zahl Pr = η Cp/λ, dimensionslose Kenngrößen, mit
η = 22 (62) 10"6 kg/(m s), der dynamischen Viskosität und
cP = 2100 (7600) J/(kg K), der spezifischen Wärme bei konstantem Druck.
Mit der Strömungsgeschwindigkeit
v = (Vd (Hd)/3600 s)/n n r2 = (19,4 (0,29)m3/3600 s)/ 8,5 10"5 m2 = 63(1 1) m/s nach Gl. 2, für U = 3000/min der DKM, ergibt sich der Druckverlust in dem Röhrchen-26 Bündel zu
Δρ = λ'(1/2Γ) p/2 ν 1·75, (10) πώ '= 0,3164/Re0'25.
Mit der Dichte p = 1 ,54(100) m3/kg ergeben sich die dimensionslose Kenngrößen zu
Re = 13.000(53.000) und Pr = 0,84(4,7) und eingesetzt in die Gin. 9 und 10 ergeben sich für den H-Od (EbOHd) Dampf ein Druckverlust Δρ bzw. eine Temperaturdifferenz ΔΤ von
Δρ = 0,1(0,46) bar und ΔΤ = 25(4)°C.
Für den WT2/KAT können die Werte ΔΤ für die mit der BM Version (1) betriebene WNV noch unter in Kaufnahme von höheren Δρ Werten reduziert werden, insbesondere durch Verkleinerung des Rohrradius r und durch simultane Verlängerung der Gesamtlänge L und ggf. durch Vergrößerung von n, wobei der Volumeninhalt des betreffenden Wärmetauschers konstant gehalten wird.
Für die anderen BM Versionen und die entsprechenden WT's ist die Dimensionierung viel freier gestalt- und optimierbar, insbesondere im Hinblick auf die gleichzeitige Verwendung des WT2 als Katalysator KAT bzw. der optimalen Ausnutzung der Abgas-(13)wärme für die BM Gemische ((2)), (3) und ((4)). Für den HbOHd Hochdruckdampf sind die Verhältnisse völlig unkritisch, da sowohl das kleine Δρ als auch das ΔΤ weit im vorgegebenen Rahmen von Δρ < 5 bar und ΔΤ < 30°C liegen und hier insbesondere der hohe Druck von p ~ 190 bar durch die Hochdruck- Flüssigkeitspumpe aufgebaut wird.
In Fig. 5 ist als Beispiel ein PGUD = 200 MW (ohne WNV) GuD Kraftwerk (mit WNV PGUD+WNV = 234 MW) mit einer Gasturbine GT4, befeuert z.B. durch einen Gas- oder Öl-(55) brenner 54, mit Verdichterturbine 52 gezeigt, welche den Abgasstrom 13 zum Betrieb einer Hoch- HD DT3 und einer Mitteldruck Dampfturbine MD DT3 ' (und ohne WNV mit einer Niederdruck ND DT3 ' ') erzeugt.
Die GT4 wird direkt beschickt mit dem bis zu 1250°C heißen Abgas 13 der Feuerungsanlage 54 und erbringt mit PGT = 134 MW circa zwei Drittel der Leistung der GuD Anlage, das restliche Drittel von PGT = 66 MW würde von den DT3,3 ',3 " ohne WNV erbracht.
An die beiden DT 's, die HD DT3 und die MD DT3, ist anstelle der ND DT3 " eine WNV angekoppelt, hier als Beispiel bestehend aus
fünf großvolumigen Zweischeiben Drehkolbenmaschinen DKM, welche die
Maße A = 1100 mm und B = 450 mm, vergleiche Fig. 3, bei einer Drehzahl von
U = 1500/min aufweisen.
Von den fünf DKM's ist nur eine schematisch als DM0/ P5, DM1 und DM2, als den drei
Komponenten der WNV, in Fig. 5 a eingezeichnet.
Jede der fünf DKM's fördert bei einem Transportvolumen von VT = 85 Liter nach Gl. 2
Vd/s = VT x 1500/min/60 x 1 ,5 = 3,2 m3/s
Was mit einer H20d Dampfdichte von pd = 4 kg/m3, eine geförderte H20d Masse von
md/s = 5 x 3,3 m3/s x 4 kg/m3 = 64 kg/s
für alle 5 DKM's entspricht, siehe unten.
Der Einsatz von großvolumigen Drehkolbenmaschinen DKM bis zu einem Zylinderdurchmesser von A = 100 cm, für die Bemaßung siehe Fig. 3, ist möglich und wurde von Curtis- Wright und Ingersoll Rand unter Beweis gestellt, wobei die hier genutzten, kontinuierlicheren Verdichtungs- und Entspannungsvorgängen einfacher kontrolliert werden können als die explosionsartigen Verbrennungsvorgänge beim Einsatz einer großvolumigen DKM als VM.
Weiterhin sind Wärmetauscher/Verdampfer, WT0" VD, WTl , WT2, WT3 und WT4, und ein Druckluftspeicher DLS 20 (ein Druckabgasspeicher DAS ist nicht eingezeichnet) mit Wärmeisolierung 53 zur Abspeicherung der Druckluft 10' vorgesehen, damit die WNV durch Beschickung mit Atmosphärenluft 10 (oder Abgas 13) durch den Port 29 (über ein Dreiwegeventil 6) in umgekehrter Richtung als Luftverdichter LV1, LV2 und LV3 betrieben werden kann.
In einem Kondensationskühler 41 ', an dem als Fremdkühlung eine Abwärmeverwertung 42, z. B. eine Fernheizung, angeschlossen ist, wird das BM (11 , 1 1 ') H20d,Hd nach Durchlaufen der DT3 und DT3 ' sowie der drei DKM Komponenten für die BM Version (3) in Gänze verflüssigt.
Für die BM Version (1) mit der gestrichelten Leitungsführung in Fig. 5 b wird nur etwa drei Viertel des verfüssigt und das restliche Viertel direkt als H20d Dampf dem Kreislauf wieder zugeführt, ggf. durch Ansaugen mit einer Venturi Strahlpumpe 34 im Dampfstrom ausgangs der DT3, um Druckunterschiede auszugleichen.
Drei Dreiwegeventile 6 erlauben das elektro-magnetische Umschalten zwischen den verschiedenen Funktionen der WNV. Über zwei Druckminderer 17 und 17' können sowohl die WNV als Booster, als auch die Feuerungsanlage 51 und damit die GT4, unter Abkoppelung des Turbinenverdichters 52 über eine Kupplung 57, mit der Druckluft 10' aus den DLS 20 betrieben bzw. beschickt werden.
Für der BM Version (3) wird die WNV mit der Schaltung, wie in Fig. 5 a eingezeichnet, betrieben, was auch für die GT + DT Anlage die größte Zusatzleistung im WNV Normalbetrieb ergibt.
Das Besondere daran ist, dass der Hochdruckdampf HbOHd mit p = 190 bar und T = 530°C, erzeugt durch eine Hochdruckpumpe 27 für Η_Οη aus dem Kondensationskühler 41 ' und durch Erhitzung im ersten Wärmetauscher WT0" und dann im WT3, die am Ende bzw. ganz vorn direkt hinter der PM im Abgasstrom 13 angeordnet sind, in alle drei Einheiten, die HD DT3, die MD DT3 ' und die DM0, an den Punkten 14 verzweigt, geregelt und in der Regel so dosiert (7') mit je einem Drittel eingeleitet wird.
Die DT3 wird nur mit dem Drittel des H20Hd Hochdruckdampfes betrieben, während die DT3 ' mit dem zweiten Drittel, also dann einem 1 : 1 Gemisch aus H2ÜHd und H20d und die WNV mit dem letzten Drittel des H2ÜHd, also einem 1 : 2 Gemisch aus H2ÜHd und HbOd gefahren werden, indem jeweils der entstehende H20d Heißdampf in die nächste Stufe der Kette weitergeleitet wird.
In der BM Version (3) wird der gesamte expandierte H2Üd Dampf für die WNV Anlage am Ausgang der MD DT3 ', mit ca. p ~ 8 bar, entsprechend 1/p = 0,25 m3/kg und T = 190°C, abgezweigt, und anstelle einer weiteren Niederdruck ND DT 3 ' ' Stufe, dem WNV
BM Kreislauf zugeführt und von den hier als Beispiel eingesetzten fünf parallelen
geschalteten DKM 's , der ersten Komponente der WNV, der DM0, angesaugt.
Dieser hohe Anfangsdruck p ~ 8 bar ist nötig, um einen hohen Massentransport von
Amd/At = 64 kg/s H20d durch die fünf DKM's zu erreichen.
Die 1 : 1 Mischung von Η2θ™ + H2Üd erfolgt am Eingang der DT3 ' ähnlich wie in einem
(Stau-)Strahltriebwerk und in der DM0 durch getaktetes Einspritzen in die untere Kammer der ersten DKM Scheiben nach Schließen des Einlasses 18 durch die Drehung des Drehkolbens
(25), der damit wieder die Funktion eines Rückschlagventils übernimmt.
Das Einspritzen in die DM0 kann über Hohlkegel- oder auch Ultraschalldüsen (in Fig. 5 nicht gezeichnet) zur starken Aufweitung erfolgen, damit es durch den Hochdruckdampfstrahl
H2ÜHd mit p = 190 bar nicht zu einer Abtragung des Drehkolbens kommt.
Die großen Vorteile der Nutzung des Gemisches, H2ÜHd + H20d, für die beiden Einheiten, die
DT3 'und die WNV, anstelle einer ND DT, wurde schon bei der Fig. 3 a und in der Einleitung eingehend diskutiert.
Hier wirkt sich wieder als erster Vorteil aus - auch im Vergleich zu einer reinen DT3,3 ',3 " Kombination -, dass nicht nach jeder Entspannungsstufe ein Teil des BM's kondensiert und verflüssigt werden muss, sondern nur einmal am Ende der ganzen Kette. Damit erspart man Wärmeenergie aus dem Abgasstrom 13, die dann für eine Erhitzung des BM auf höhere Temperaturen oder Präparation einer größeren BM Menge zur Verfügung steht.
Der zweite Vorteil besteht in der Nutzungsmöglichkeit der WNV als Luft-/ Abgasverdichter und als Booster.
Die Berechnung der Leistung der GuD Anlage mit nachgeschalteter WNV Anlage in der hier verwendeten BM Version (3) wird analog zu der für den Verbrennungsmotor VM 2 durchgeführt, und das entsprechende T-S Diagramm ist als Kreiszyklus für die WNV, DM0, DM1 und DM2, in Fig. 2 d in eingezeichnet. Tab. 2: Werte für den Kreiszyklus einer WNV mit einer Dampfturbine DT und dem BM Gemisch (3), Hochdruckdampf EbOHd plus Heißdampf H20d
H2ÜHd mOd eff.Enthalpie- änderung
DT/WNZ Komp. p/bar T/°C p/bar T/°C Tm/°C AHeff Einheit
HD DT3 190 530 383 x 0,5 kJ/kg
MD DT3 ' 190 530 35 447 500 502 kJ/kg
71 * kJ/ke
573 x 1 kJ/kg
DM0 190 530 0,95 350 440 42* kJ/kg
DM1 15-7,5 440-300 172 kJ kg
DM2 7,5- 1 300-100 333 kJ/ke
547 x 1,5 kJ/ke
Summe 1585)x64 kg/s kJ/kg
PDT+WNV 101 MW
AQ/At . 153 MW ηρτ+WNV = PDT+WNv/(AQ/At) 0,51
Die entsprechenden Zahlenwerte für die BM 11, 1 1 ' (3): H20d + H2ÜHd werden aus der Summe der AHeff Werte berechnet, unter Abzug des Leistungsverbrauchs der Hochdruckpumpe HP mit PHP = 18 kJ/kg x 64 kg/s = 1 ,2 MW von der Leistung der DT3,3 ' mit WNV
Anlage abgezogen, sodass sich multipliziert mit dem Massenstrom Am/At = 64 kg/s eine Gesamtleistung von PDT+WNV = 101 MW für die DT + WNV ergibt.
Die Leistung der GT + DT Anlage erfährt durch die WNV eine Steigerung um
Pvwv = 35 MW auf
PGT+DT+WNV = 234 MW,
also um 18%, die Leistung der DT3,3 ' wurde um 53% angehoben.
Die mit einem * gekennzeichneten AHeff Werte resultieren wieder aus der Volumenarbeit gemäß Gl. 6 durch den Eintrag des H20Hd Hochdruck- in den H20d Heißdampf sieheTab. 1. Für die implizite Erhöhung der Enthalpiewerte das Gemisch H20d + H20Hd, siehe das T-S Diagramm in Fig. 2 d.
Die jeweiligen Anteile der nach dem WT3 zur Verfügung stehenden Menge Η2θ™, die an den Verzweigungspunkten 14 an die drei Verbraucher abgezweigt werden, können um die Sollwerte, ein Drittel, variiert und durch eine elektronische Steuerung für die jeweilige Leistungsanforderung an die Kombianlage optimiert werden.
Aus dem Quotienten von PDT+WNV und der zugeführten Wärmeenergie pro Zeiteinheit AQ/At ergibt sich ein gemeinsamer Wirkungsgrad für DT +WNV von
DT+WNV = 0,51.
Für den gemeinsamen Wirkungsgrad T|GUD+WNV des GuD Kraftwerkes mit WNV erbringt diese Kombination mit der zweistufigen DT3,3 ' somit eine Erhöhung des Wirkungsgrades auf ηGuD+WN = ηGT + ηwü ηDT+WNv(l - ηστ) = 0,45 +0,85 x 0,51(1-0.45) = 0,69 (11) also auf fast als 70%, wobei für die GT4 T\GT = 0,45 angenommen und der Wärmeübertrag in den WT's vom Abgas 13 der GT4 auf die BM (1 Γ, 1 1) mit einem Wirkungsgrad von
nwü = 0,8 eingerechnet wurde. In Fig. 5 b ist mit der gestrichelten Leitungsführung schematisch die Schaltung für einen Betrieb der WNV mit dem einkomponentigen BM nach Version (1): FkOd gestrichelt eingezeichnet. Diese Version entspricht der für den VM2, die in Fig. 3 b dargestellt und dort eingehender beschrieben wurde. Dabei kann die Temperatur T und damit der FteOd Dampfdruck pd in dem Kondensationskühler 41 ' variiert und an den ausgangs der DT3 ' angepasst werden.
Als Ergebnis einer analog zu oben durchgeführten Rechnung ergibt einen Wirkungsgrad von
T|DT+WNV = 0,47
woraus sich für die Gesamtleistung der GT + DT + WNV ein Wirkungsgrad ergibt zu
T|GuD+WNV = 0,67.
Die als DKM vorgesehene WNV Kombianlage ist darüber hinaus nicht so empfindlich auf Tröpfchenbildung bei der Entspannung des FhOd wie die Dampfturbinen DT 3, 3 '(3 "), deshalb kann ggf. die Entspannung des FL-Od BM 11 bis (weit) in den Zweiphasenbereich, HbOd + FfeOfi hinein erfolgen. Bei einer DT würden bei einem FhOfi Anteil von (1 - x) > 0,12 Schäden an den Turbinenschaufeln durch Erosion auftreten.
Der weitere große Vorteil der WNV Kombination besteht darin, dass sie in verbrauchsschwachen Zeiten durch Umschalten von drei Dreiwege- Ventilen 6 als mehrstufiger Luftverdichter LV (oder Abgasverdichter AV) eingesetzt wird, der über einen Einlass 29 Atmosphärenluft 10 (oder Abgas 13) ansaugt, siehe Fig. 1 und vergleiche Fig. 3, zum Aufladen eines hier großvolurnigen Druckluftspeichers DLS 20 ( Druckabgasspeichers DAS 50) der (die) mit einer Wärmeisolation 53 umgeben ist (sind). Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, bleiben zumindest der Abgas 13 Wärmetauscher WT2 (und ggf. auch der WT1) in dem LV Strömungsverlauf und zwischenheizen somit auch die komprimierte Luft 10'.
Zur Booster Funktion, siehe unten.
Mit der abgespeicherten, erhitzten Druckluft 10' (dem Druckabgas 13 ') kann dann über einen regelbaren Druckminderer 17 die WNV Anlage selbst und/oder die GT4 ohne oder mit reduzierter betrieben werden.
Die DKM hat also auch hier wieder die drei oben beschriebenen Funktionen.
In Spitzenlastzeiten kann die Boosterfunktion der WMV Anlage gekoppelt werden mit dem Aufladen der GT4 mit der abgespeicherten Druckluft 10' aus dem DLS (20) über einen zweiten Druckminderer 17'. Wird der Turbinenverdichter 52 der GT4 abgekoppelt, unter Wegfall des 40%igen Leistungskonsums, und unter Aufladung der mit Brennstoff 55 beschickten Feuerungsanlage 52 und der GT4 allein durch die Druckluft 10' aus dem DLS 20 kann die Leistung der GT4 + DT3,3 ' Anlage mit der WNV Boosterfunktion für Spitzenlastzeiten sogar um fast zwei Drittel erhöht werden,
PGT+DT+WJVBOOSI/PGT+DT = (PGT/0,6 + PDT+WNV) /PGT+DT > 1,61,
vorausgesetzt, die GT4 ist konstruktiv für die höhere Leistungsabgabe ausgelegt, und die Kapazität des DLS 20 ist entsprechen groß.
Die Druckluftspeicherung wird heute schon in Gebieten, in denen kein Wasserspeicher- Pumpwerk möglich ist, mit hohen Wirkungsgraden eingesetzt.
Die DKM hat wieder die Vorteile:
- drei Ansaug-, Kompressions- und Ausstoßtakte pro Umdrehung, mit hier getrennter Nutzung der unteren und der oberen Zylinderkammer 22, 22',
- keine Ventile, und
- im Vergleich mit Hubkolbenmaschine höhere Drehzahlen möglich, und damit ein inhärent hohes Leistungs-/V olumenverhältnis gegeben. Die Problematik der Dichtleisten sollte mit den neuen Werkstoffen, SiC und ähnlichem, gelöst werden können.
Als Resümee kann gezogen werden, dass
- die WNV plus die verschiedenen Primärmaschinen (PM), mit den vorgesehenen BM Versionen allein durch die Nutzung der Abwärme der PM, Wirkungsgrade von
0,41 < η ρΜ +wNV > 0,59 bis 0,69 erreicht werden, für die PM, den VM2 bzw. die GT4 + DT3 oder den Brenner BR9, ohne Einrechung der weiteren Nutzungsmöglichkeiten der WNV
- die Leistung eines VM2 um Faktoren 1,59 bis zu 2.3 und
die einer GuD Anlage um Faktoren 1,23 bis zu 1,7 gesteigert werden können, wobei die ersten Werte unter Normaleinsatz und die zweiten unter Nutzung der WNV als Booster erreicht werden,
teilweise ohne große bzw. mit konstruktiven Änderungen, die an den PM's vorgenommen werden müssen.
Eine Nachrüstung ist auch im Falle der GT + DT Anlagen denkbar.

Claims

Ansprüche
1. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung (WNV) hinter einem die Abwärme / das Abgas liefernden Primäraggregat, einem Brenner, einer Gas-/Dampfturbine (GT / DT) oder einem Verbrennungsmotor (VM), dadurch gekennzeichnet, dass
a) die WNV aus mehreren Komponenten besteht, welche das oder die flüssig/dampf- und/oder gasförmig vorliegenden Betriebsmittel BM (1 1 ", 1 Γ, 11 , 13) fördern und komprimieren (27, WP5) und nachfolgend entspannen (DM0, DM1, DM2, DM 3), in einem einzigen geschlossenen oder teiloffenen BM (11 ", 1 , 1 1, 13) Flusssystem, und
b) dass das BM (1 1 ',1 1, 13) direkt aus dem Primäraggregat entnommen wird und/oder dem BM (1 1 ', 1 1, 13) durch die Abwärme und/oder dem Abgas (13) des Brenners (BR9), der GT4 + DT3 Anlage oder des VM2 in Verdampfern (VD) und/oder Wärmetauschern
(WTO, VD/WTO', VD/WTO", WT1 , WT2, WT3, WT4) Enthalpie zugeführt wird, und c) das Betriebsmittel BM besteht aus
- (1) einem reinen Dampf (1 1) oder
- ((2)) einem Gemisch aus einem Teil des Abgases (13) eines der Primäraggregate und einem BM Hochdruckdampf (1 1 '), der durch eine Hochdruckpumpe (27) auf p ~ pkrit beaufschlagt und mit Wärmetauschern (WTO, WTO', WTO", WT1 , WT3) auf eine Temperatur T > Tkrit aufgeheizt wurde, oder
- (3) einem Gemisch aus BM Dampf (1 1) und dem Hochdruckdampf (1 1 '), der wie in
Version (2) präpariert wird, oder
- ((4)) einem Gemisch aus BM Dampf (1 1) und dem Hochdruckdampf (1 1), dem in der oder in einer der letzten WNV Entspannungskomponenten (DM3) noch Teile des Abgases (13) zugegeben werden, nachdem nach der vorherigen WNV Komponente (DM2) der Hauptteil des BM (1 Γ) Dampfes schon in den BM (Ι Ι ,Ι ,Ι Γ ') Kreislauf zurückgeführt wurde, und d) das jeweilige Betriebsmittel BM (1 1 ', 1 1, 13) nach dem Ansaugen, der Komprimierung oder Mischung in der ersten WNV Komponente (WP5 bzw, DM0) nachfolgend die WNV Entspannungskomponenten (DM0, DM1 , DM2, DM3) unter Arbeitsleistung durchläuft und dabei in der/den letzten WNV Komponenten (DM2, DM3) zu einem geringem Teil kon- ensiert, und
e) in einem Kondensationskühler (41, 41 ')
- für die BM Version (1) ein weiterer Teil auskondensiert, der über Verdampfer/ Wärmetauscher (VD/WTO, WTO') wie auch der verbliebene BM ( 1) Dampf in den
BM (11,1 1 ',11 ") Kreislauf zurückgeführt wird, oder
- für die BM Version (3) gerade soviel BM Flüssigkeit (1 1 ") auskondensiert, wie für die Beschickung der Hochdruckpumpe (27) benötigt und der verbliebene BM (1 1) Dampf ebenfalls in den BM (1 1,1 1 ',1 1 ") Kreislauf zurückgeführt wird, oder
- für BM Versionen ((2)) und ((4)) das gesamte, verbliebene BM (1 1) zu der BM Flüssigkeit (1 1 ") auskondensiert und über die Hochdruckpumpe (27) in den BM (1 1,1 1 ',1 1 ") Kreislauf zurückgeführt und der BM Abgas-(13)anteil an die Umgebung abgegeben wird, und f) die WNV zu weiteren leistungsteigernden, energiesparenden und/oder - rekuperierenden Funktionen eingesetzt werden kann.
2. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass
die Komponenten der WNV, die WP 5 / DM0 und/oder die Entspannungsvorrichtungen DM1 und DM2,3 in umgekehrter Beschickungsrichtung eingesetzt werden,
a) als Luftverdichter (LV), unter Ansaugung von Luft (10) aus der umgebenden Atmosphäre durch einen Einlass (29), zur Aufladung des VM2 in dessen Aufwärmphase, im unteren Teillastbetriebes des VM2 bis zu einer festzulegenden Übergangsdrehzahl Uü/min und bei hoher Leistungsanforderung an den VM2 oder zur Aufladung der Primärmaschine (PM), und b) als LV oder als Abgasverdichter (AV), unter Ansaugung von teilabgekühlten Abgas (13) hinter dem letzten Wärmetauscher WT1, WTO" bei Schub- und Bremsbetrieb des KFZ zur Rekuperierung der Bewegungsenergie bzw. im Unterlastbetrieb einer stationären VM2 oder einer GT4 -t- DT3 Anlage oder eines Brenners (BR9), unter Speicherung der erzeugten Druckluft (10') / des Druckabgases (13 ') in einem Druckluftspeicher DLS (20) bzw. einem Druckabgasspeicher DAS (50), die jeweils gut Wärme isoliert (53) sind, wobei anschließend die gespeicherte Druckluft (10') / das Druckabgas (13 ') über regelbare Druckminderer
(17, 17') in den VM2 bzw. die GT4 geleitet wird zum Betrieb ohne oder mit verminderter Kraftstoffzufuhr, bzw. ohne Einsatz des Turbinenverdichters (53) der GT4, oder
c) die WNV selbst als Booster betrieben wird, durch Beschickung mit der gespeicherten Druckluft (10') / dem Druckabgas (13 ') über einen regelbaren Druckminderer (17, 17'), und d) die Zusatzaggregate des VM2 in einem KFZ, der Bremskraftverstärker, die Lenkhilfe, der Anlasser sowie weitere dafür geeignete Hilfsaggregate, auf Druckluft (10') umgestellt sind, und
e) vor und nach jedem Umschalten der WNV auf LV / AV Betrieb über mehrere Umdrehungen der WNV diese mit Luft aus der Atmosphäre (10) bzw. mit BM Dampf (11) aus dem BM Kreislauf durch Spülventile (8) gespült wird.
3. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass
a) als BM allein ein Dampf (1 1) verwendet wird, der vorgewärmt und verdampft in
Wärmetauschern WTO, WTO' im Niedertemperaturbereich der PM und dann von der ersten Komponente der WNV, die als Wärmepumpe WP5 arbeitet, durch Wärmetauscher WTO und WT1 angesaugt und hinter der WP5 in einen weiteren WT2 komprimiert wird, der im Abgasstrom (13) direkt hinter der Primärmaschine PM angeordnet ist, und
b) der so maximal erhitze BM Heißdampf (1 1) die weiteren Komponenten der WNV, DM1 und DM2, unter Entspannung und Arbeitsleistung durchläuft und dabei zu einem kleinen Teil (1-x) < 15%, mit x = BM Flüssigkeitsanteil, in der letzten Komponente DM2 bzw. in dem nachfolgenden Kühler (41, 41 ') kondensiert, und der verbleibende BM Dampf-(11) anteil x unter Ersetzung des kondensierten (1-x) Anteils, durch Verdampfung von flüssigem BM (1 1 ") in Verdampfern (VD) dem BM Kreislauf wieder zugeführt wird, und
c) das Innenvolumen des Wärmetauschers WT2 etwa gleich dem Transportvolumen VT der ersten WNV Komponente (WP5) gewählt wird, und am Eingang des WT2, dem Auslass (19) des WP5 Kompressors, ein leichtgängiges Rückschlagventil (31 , 34) mit möglichst kleinem Volumen-bedarf angeordnet ist, und
d) mindestens ein Wärmetauscher WT2 abgasseits zu einem Teil mit Edelmetall(en) beschichtet und dimensionsmäßig so ausgelegt ist, dass dieser gleichzeitig als Abgas (13) Katalysator (KAT) nutzbar ist, und
e) mindestens ein Wärmetauscher WT1 abgasseits zu einem Teil als Oxydationskatalysator präpariert und unter Frischluftzugabe und/oder als Träger eines Partikelfilters nutzbar ist und dimensionsmäßig dafür ausgelegt ist
4. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach der Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) ein Teil des zunächst flüssigen BM (1 1 "), vorgewärmt durch Wärmetauscher
(WTO, WTO') im Kühlsystem der PM und /oder um die erste Stufe der WNV bzw. weiter erhitzt durch Wärmetauscher (WTO") im Abgasstrom (13) der PM, wird durch eine
Hochdruckpumpe (27) auf einen Druck von p ~ pkrit gebracht und durch einen Wärmetauscher WT2 oder WT3 im Abgasstrom (13) auf mindestens eine Temperatur T > Tkrit erhitzt wird, und
b) von der ersten Komponente DM0 der WNV Anlage entweder der andere Teil des BM (1 1) in Dampfform, verdampft in dem Verdampfer/ Wärmetauscher VD/WTO und erhitzt in dem WT1 oder ein Teil des Abgases (13), nach der teilweisen Wärmeabgabe an die Wärmetauscher WT1 und WT2, angesaugt wird, und nach Schließen der Zuführung, des Einlasses (18) der ersten WNV Komponente DM0, das überhitzte, auf Hochdruck gebrachte BM (1 1 ') durch ein Dosierventil (7') durch einen Port (28) dosiert eingespritzt wird, und sich ein 1 : 1 bis 1 :4 Gemisch aus Hochdruckdampf-/ Dampf (1 1 ', 1 1) bzw. /Abgas (1 1 ', 13) einstellt, c) welches nachfolgend in mindestens zwei WNV Entspannungsvorrichtungen DM1 und DM2 unter Arbeitsleistung entspannt wird, und entweder
d) dabei und/oder in einem nachfolgenden Kondensationskühler (41 , 41 ') gerade soviel BM (1 1) Dampf auskondensiert, um dann in flüssiger Form als erster Teil des BM (1 1 "), gemäß Punkt a), der Hochdruckpumpe (27) und damit dem BM Kreislauf wiederzugeführt zu werden, oder
e) der Dampfanteil (1 1) des BM Gemisches (1 1, 13) Dampf- / Abgas bei der Entspannung und nachfolgend in dem Kühler (41 , 41 ') voll auskondensiert und nach einer Reinigung dem BM (1 1 ", 1 1) Kreislauf flüssig, wie in Punkt a), wieder zugeführt wird, und dabei der Wasseranteil des Abgases (13) Verdampfungsverluste in dem teiloffenen BM Flusssystem ausgeglichen hat, und das restliche Abgas (13), das vorher abgasseits an dem WT2/KAT vor- und dann in dem dampfförmigen bzw. flüssigen BM (1 1 , 1 1 ") weiter gereinigt und in dem Kühler (41) heruntergekühlt wurde, an die Atmosphäre abgegeben wird, und
f) eine Reinigung des flüssigen BM (1 1 ") durch Filter und/oder Chemikalien mit Ausfällung vorgesehen ist, und nach einem hohen Stundenzyklus größer als 500 h ein Austausch unter Recycling des BM (1 1 ") erfolgt.
5. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, dass
das Betriebsmittels BM (1 1 ', 1 1) nach den Punkten a) und b) des Anspruches 4 präpariert und die Entspannungsstufe DM2 in zwei Stufen DM2 und DM3 aufgeteilt ist, wobei in DM2 der für den periodischen BM Kreiszyklus benötigte Dampf-(1 l)anteil in den BM Kreislauf zurückgeführt wird, und erst in der letzten Stufe DM3 das gesamte(oder Teile des)Abgas(es) (13) des Primäraggregates, des VM2, der GT4 oder des Brenners (BR9) dem restliche
BM (1 1) Dampf zugegeben wird, nachdem dieser sich auf einen Druck pd < pa, dem Druck des Abgases (13), entspannt wurde und, und das neue Gemisch (1 1 , 13) aus restlichem BM Dampf (1 1) und dem zugemischten Abgas (13) dann die Punkte e) und f) von Anspruch 4 durchlaufen.
6. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Komponenten der WNV für die Kompressions- / Entspannungsvorgänge
Hub-, Dreh- oder Radialkolbenmaschinen sind, oder dafür
Drehschieber- oder Flügelzellenmaschinen verwendet werden, und
b) als Verbrennungsmotor VM2 ein Otto-, ein Drehkolbenmotor (DKM), ein Diesel- oder Diesottomotor Verwendung finden, und
c) eine kompakte WNV als Nachrüstsatz in ältere KFZ's mit einemVM2 oder stationäre VM2 oder GT4 + DT3 Anlagen mit einer eigenen Steuerung eingebaut wird, und d) der VM2 mit komprimierten (Erd-) Gas betrieben wird, und die dazu benutzten Druckbehälter nach deren Entleerung als Druckluft- DLS (20) oder Druckabgasspeicher
DAS (50) verwendet werden. 7Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmenutzungsvorrichtung WNV
a) eine Drehkolbenmaschine DKM ist, die als Kompressions- WP5 und Entspannungsvorrichtung DM0, DM1 und DM2 verwendet wird und veredelte Zylinderlaufflächen und geeignete Dichtleisten aufweist, und
b) diese eine Mehrscheiben DKM ist mit einer zweibogigen Trochoide als Zylindergehäuse (1, 1 ') und je einem Kolben (25, 25 ') in Form eines gleichseitigen Bogendreiecks, welcher in dem Gehäuse (1 , 1 ') planetenartig rotiert, und
c) an jeder DKM Gehäusescheibe (1, 1 ') je zwei Ein- (18 bis 18" ') und Auslässe
(19 bis 19"') für die beiden jeweils bei einer 2/3 Drehung der Drehkolben (25, 25 ') sich ausbildenden Zylinderkammern (22, 22') so angeordnet sind, dass sich der Ansaug- und Ausstoßtakt nicht oder kaum überlappen, und
d) die zwei Zylinderkammern (22, 22') für getrennte Funktionen, zur Kompression und/oder zur Entspannung oder als verschließbare Mischkammer (DM0) eingesetzt werden, und eine Kühlung durch Wasser (21), durch das flüssige und/oder das dampfförmige BM (1 1 ", 1 1) vorgesehen ist, und
e) die DKM auf der Seite liegend verwendet wird und jede Scheibe (1, 1 ') mit mindestens je zwei Seitenein- (18 bis 18" ') und -auslassen (19 bis 19" ') versehen ist, und
f) die DKM als WNV Anlage mit oder ohne einer Übersetzung durch ein variables Getriebe (16) mit der Antriebs-/Kurbelwelle (29) eines VM2 oder einer Dampfturbine DT3,3 ' gekoppelt ist.
8. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
a) der Aufbau der Wärmetauscher WT0,0', WTlund insbesondere der des WT2 so optimiert ist, dass der Enthalpietransfer zwischen dem Abgas (13) und dem aufzuheizenden
BM (11 ', 11) bei möglichst kleiner Temperaturdifferenz ΔΤ < 30°C zwischen beiden erfolgt und gleichzeitig der Druckverlust Δρ < 0,2 bar (5 bar für den Hochdruckdampf FhOHd) für den Einsatz hinter einer VM2 oder einer DT3,3 ' nicht übersteigt, und
b) die Wärmetauscher WT1, WT2, WT3 aus mehreren parallel angeordneten Kanälen oder Röhren (26) der Länge (L), des Durchmessers (0) und der Wandstärke (d) bestehen, und diese sich gegenseitig beeinflussenden Größen für den WNV Betrieb der DKM gemäß Punkt a) optimal gewählt werden, und
c) die Materialien der Kanalröhren (26) so gewählt werden, dass diese gegen die aggressiven BM Flüssigkeiten (11 ") und die BM Dämpfe (11 ', 11) und die Abgas (13) Bestandteile inert sind, und deren Wandstärken (d) so dick gewählt werden, dass die Kanäle (26) den erforderlichen Drucken beim Betrieb der WNV, auch als Luft- (LV) und Abgasverdichter (AV), standhalten, und
d) in den auch als Verdampfer (VD) genutzten Wärmetauschern (WT0, WT0') Hohlkegeloder Ultraschalldüsen (24) zum Versprühen in feine Tröpfchen oder Ultraschall beschickte Oberflächen zum Vernebeln des flüssigen BM (1 1 ") angebracht sind, und
e) durch eine Extrem wertauf gäbe in jedem Betriebszustand das optimale Mischungsverhältnis BM Dampf (11) zu BM Hochdruckdampf (1 Γ) durch den Steuerungscomputer berechnet wird, in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl U/min, der angebotenen Temperaturen des VM2 Kühlwassers, der DM0/WP5 und ggf. auch der DM1, sowie insbesondere von der des Abgases 13, um dann die Fördermenge der Hochdruckpumpe 27 und/oder über das Dosier- ntil 7' die Einspritzmenge des H-OHÖ eingestellt wird.
9. Abwärme beschickte Wärmenutzungs Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
eine elektronische Steuerung für die Wärmenutzungsvorrichtung WNV, hier z.B. die DKM, welche als Kompressions- und/oder als Entspannungsvorrichtung, als Wärmepumpe plus Dampfmaschine (WP + DM), als Booster, oder als Luf Abgasverdichter LV/AV oder als Abgasverdichter AV Anlage arbeitet, für die jeweiligen Betriebszustände des VM2 oder der DT3 die folgenden Parameter so variiert, dass der Beitrag zur Leistung PWNV und die anderen Nutzungsmöglichkeiten der WNV Anlage zu der Abwärme liefernden Primärmaschine (PM), dem VM2 bzw. der GT4 / DT3 optimal (eingesetzt) werden,
a) das Über- bzw. das Untersetzungsverhältnis des Getriebes (16), welches zur Kopplung zwischen der WNV und dem VM2 oder der DT3 eingeschaltet ist, und
b) für den Fall des VM2 eingebaut in einen KFZ, dessen Leistungsabforderung optimiert wird, unter Aufladung des VM2 und/oder des DLS (20) oder des DAS (50) direkt bei LV/AV Betrieb der WNV, oder die Aufladung des VM2 aus dem DLS (20) über das regelbare Druckminderungsventil (17), und
c) unter Beschickung mit Druckluft (10') oder mit Druckabgas (13 ') über die Druckminderer (17, 17') aus dem DLS (20) oder dem DAS (50): den Einsatz der WNV als Booster, des VM2 als Druckluftmotor oder den Betrieb der GT4 und deren Feuerungsanlage 54 unter Abkopplung des Turbineverdichters 52, und
d) die Schaltung der Dreiwegeventile (6) und der Spülventile (8), bei der Umschaltung der DKM 112 von WNV auf LV/AV Betrieb, und
e) die regelbaren Druckminderer (17, 17 ') hinter dem Druckluft- DLS (20) und dem Druckabgasspeicher DAS (50) und das Sperrventil (7) im Ansaugstutzen (38) des VM2, sowie f) das gefahrlose Ab- und Wiederanschalten des KFZ VM2 auch während des Fahrens mit Hilfe der abgespeicherte Druckluft (10') oder des Druckabgases (13 '), das auch im abgeschalteten Zustand des VM2 die anderen nötigen Funktionen des KFZ, wie Lenk- und Bremshilfe, aufrechterhält, und
g) die elektronische Steuerung zusammen mit einem Nachrüstsatz für alle drei Primäraggregate eingestzt wird.
10. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsmittel BM genutzt werden:
a) Wasser versetzt mit einem Schmier - und/oder einem selbstschmierenden Gefrierschutzmittel, oder
b) eine geeignete Kohlen - Wasserstoff - Sauerstoffverbindung mit selbstschmierenden Eigenschaften oder versetzt mit einem Schmiermittel, oder
c) ein Glycerin oder Silikon oder eine andere synthetische Flüssigkeit mit selbstschmierenden Eigenschaften und geeignetem Siedepunkten und Dampfdrucken.
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