DE102009057095A1 - Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Wärmenutzungsvorrichtung 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

  • Einleitung
  • Das Ziel der Erfindung ist es, auf möglichst effiziente Weise die gesamte Abwärme der Kühlung und/oder des Abgases einer Primärquelle/-maschine (PM),
    I. eines Brenners, II. einer Gas- + Dampfturbine (GT + DT) oder III. eines Hub- oder Drehkolben (DK) Verbrennungsmotors (VM) 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 Entspannungsvorrichtung, 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 ηPM+WNZ der Umwandlung der Primärmaschine PM mit WNZ Anlage:
    0,41 < ηPM+WNZ < 0,69
    schon bei einer Drehzahl von U = 3000/min (1500/min) für einen VM bis zu ηVM+WNZ = 0,5 und für eine GT + DT Anlage als PM η(GT+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 einer DT Kette eine Verflüssigung des gesamten BM’s erforderlich. Diese erfolgt meistens unter Fremdkühlung und führt die hohe Kondensations- als nutzlose oder geringerer wenige 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. T0 = 30°C auf T2 = 530°C aufgebracht werden muss.!
  • Für die WNV, die hier z. B. als Drehkolbenmaschine (DKM) konzipiert ist, muss, je nach BM Gemisch, nur ein Viertel bis zum Gesamten des BM flüssigem Zustand vorliegen, welches dann durch eine Hochdruckpumpe mit dem hohen, überkritischen Druck beaufschlagt wird, während das nicht kondensierte BM direkt als Dampf dem Kreislauf wieder zurückgeführt wird, um dann in zwei der vorgesehenen vier BM Versionen in der ersten Komponente der WNV mit dem Hochdruckdampf gemischt zu werden.
  • Der Vorteil der Hochdruck-/Heißdampf(Abgas)BMGemische 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 PWNV 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 ηWNZ 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
    17% < PWNZ/PVM(GT+DT) < 61%,
    schon für eine Drehzahl von U = 3000/min (1500/min), z. B. der DKM als WNV.
  • Insbesondere für eine WNV hinter einem VM als PM liegt für den Betrieb mit einem BM Dampf der Vorteil darin, dass in dem einem Kreislaufsystem die Abwärme des Kühlwassers im Niedertemperaturbereich (NT) zur Verdampfung des BM’s eingesetzt wird, und die gesamte Abgaswärme des VM zur weiteren Erhitzung des BM 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 dieses 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 ηx zwischen
    0,75 < ηx < 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 Beschickung des VM bzw. der GT und deren Feuerungsstelle. Die Leistungsabgabe des WNV Booster kann dann die 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 Druckluft/-abgases mit 100 l bis 300 l 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:
    ηVM+WNZ > 0,5 bzw. ηGT+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-Verdampfungsleistung im Falle II, einer GT + DT (GuD) Anlage, siehe unten, 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
    PWNV = 34 MW,
    siehe Beschreibung zu 5a, zur den angenommen Grundleistungen des GuD Kraftwerkes, von PDT = 67 MW und PGuD = 200 MW.
  • So dass dann für die GT + DT Anlage unter der Annahme
    PGT+DT = 3 PDT mit PGT = 2 PDT und
    PDT+WNV = 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 ηGuD+WNV auf Werte nahe oder über ηGuD+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 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.
  • Mit der Abspeicherung des Druckabgases und dessen anschließendem Einsatz mit der WNV als Booster und dem VM als Druck(luft)abgasmotor wird restliche Wärmeinhalt des Abgases auch noch weitgehend verwendet.
  • 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 11'', 11 oder eine Gemisch aus Hochdruck beaufschlagten Dampf 11', z. B. H2OHd, und Heißdampf 11, H2Od, 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 11', H2OHd, niedriger Entropie gemischt wird, entweder mit H2Od Dampf 11 und/oder mit dem (oder Teilen des) Abgas(es) 13 höherer Entropie, zum Gemisch BM 11' + 11 (+ 13) bzw. 11' + 13,
    • – wobei der H2OHd Dampf vorher durch hohe Druckbeaufschlagung mit p ~ pkrit, dem kritischen Druck des flüssigen BM 11'', z. B. H2Ofl, und Erwärmung in WT’s durch die Kühlabwärme und durch das Abgas, z. B. des VM’s, auf Temperaturen Tfl,d > Tkrit präpariert wurde, und
    • – anschließend in der ersten Komponente der WNV, z. B. einer DKM, die Gemischbildung des H2OHd mit dem H2Od und/oder dem Abgas stattfindet, unter Gewinnung von Mischenthalpie, und
    • – die nachfolgende Entspannung unter weiterer Arbeitsleistung in den anderen WNV Komponenten, z. B. den (drei) restlichen Zylinderkammern der Zweischeiben DKM bis an die Taulinie oder in das Zweiphasengebiet des H2Od Naßdampfes erfolgt.
  • In der Regel stellt sich heraus, dass etwa eine massenanteilige 1:3–4 Mischung für den VM und eine 1:1–2 Mischung für die GT + DT Anlage von Hochdruckdampf H2OHd und Heißdampf H2Od und/oder dem Abgas die besten Ergebnisse für die Zusatzleistung der WNV Anlage ergibt, und damit die hohen Werte für
    ηWNV und PWNZ/PVM(GT+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 4.
  • Stand der Technik
  • Die gute alte, mit Wasserdampf (H2Od) betriebene Dampfmaschine steht im Geruch geringer Effizienz. So hatten die DM’s, welche bis 1957 für Dampflokomotiven entwickelt wurden, bei einem maximalen Kesseldruck des H2Od von ca. 25 bar entsprechend einer Temperatur von T = 225°C einen mechanischen Wirkungsgrad von maximal 13%, da der H2Od 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, ηC = (T2 – T1)/T2, (1) zwischen den entsprechenden Temperatur Reservoirs mit T2 = 500 K und T1 = 373 K wäre, ohne die Abdampfverluste, ηC = 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 DE 102 59 488 A1 „Wärmekraftmaschine” wird für einen VM unter Nutzung der Abwärme in zwei getrennten, geschlossenen Betriebsmittel-(BM)Kreisläufen, einem Niedertemperatur- und einem getrennten 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 gefördert 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/oder 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 in getrennten Stufekomponenten der WNV gefördert, komprimiert und/oder unter Arbeitleistung entspannt, wobei eine Komponente für die BM Gemische als getaktete Mischungskammer 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 DE 102 59 488 A1 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 Gasturbine GT allein einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad von ηGT ≲ 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 H2Od, zu verwenden, um damit mehrere DT Stufen zu betreiben. Der Nachteil der DT’s besteht darin, dass sie weitgehend im H2Od Einphasengebiet betrieben werden müssen, da sonst durch Tröpfchenbildung die Turbinenschaufeln abgetragen werden.
  • Eine Lösung dafür besteht in einer Zwischenerhitzung des H2Od 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 ≲ 300 MW
    durch eine WNV Anlage ersetzt, welche dann viel weiter bis in das Zweiphasengebiet, H2Od plus Wasser H2Ofl, hinein betrieben werden kann.
  • Bei den hier beschriebenen WNV’s verbraucht die Förderung und die Kompression, z. B. des H2OHd Hochdruckdampfes bzw. des H2Od Dampfes, in den o. a. BM Versionen für die Hochdruckpumpe einen Bruchteil und für die WP bis knapp ein Drittel der WNV Gesamtleistung.
  • Figuren
  • 1: Schematisches Schaubild einer Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung WNV, für drei Verwendungen: I. hinter einem Verbrennungsmotor VM, II. hinter einer GT + DT Anlage und III. hinter einem Brenner.
  • 2a bis c: T-S Diagramme für Abwärme beschickte WNV Kreiszyklen für einen VM (a) bis (c) und eine GT + DT Anlage (d) mit den Betriebsmittel BM Versionen (1), (3) und ((4)) (stehen an den Start- und Endpunkten) mit m = Mischung durch dünne Pfeile → angedeutet und na = nicht adiabatische Korrektur -->:
    (a) (1): H2Od + (b) (3): H2OHd + H2Od X (c) ((4)): H2OHd + H2Od + Abgas ⊗ 2(d): für eine GT + DT Anlage mit der BM Version (3): H2OHd + H2Od ⊙
  • 3a: Schaubild eines Verbrennungsmotors VM2 plus Wärmenutzungsvorrichtung WNV Anlage, hier einer Zweischeiben Drehkolbenmaschine (DKM), eingesetzt als Förder-(DM0)- und/oder Kompression- (WP5) und Entspannungsvorrichtung (DM1, DM2,3) betrieben mit den BM Gemischen
    (3): H2OHd Hochdruckdampf + H2Od Dampf und
    ((4)): H2OHd Hochdruckdampf + H2Od Dampf plus Abgas, beschickt durch die Abwärme eines VM2, und verwendet als Luft- und Abgasverdichter (LV/AV) bzw. als WNV Booster 3b: dito betrieben mit der BM Version (1): reinem Heißdampf H2Od
  • 4a und b: Längs- und Querschnitt durch einen Hochtemperatur Wärmetauscher/Katalysator WT2/KAT im Abgasstrom des VM2 mit einem Flatter-Rückschlagventil
  • 5: Schaubild einer WNV Anlage als DKM hinter einer Gas- plus Dampfturbinen GuD Anlage, mit Wärmetauschern
  • Figurenbeschreibung
  • In dem Schaubild der 1 sind schematisch die drei prinzipiellen Verwendungsmöglichkeiten der Abwärme beschickten Wärmenutzungsvorrichtung WNV, hier als mindestens Zweischeiben DKM gezeigt:
    • I. hinter einem VM2, eingebaut in einem KFZ 60 oder in einem stationären Aggregat, zum Leistungserhöhten Betrieb eines KFZ 60 plus Nebenaggregaten bzw. eines Generators G51 plus Heizung 42'.
    • II. hinter einer GT4 + DT3‚3' Anlage zum Betrieb eines Generators G51 und zur Fern-/Prozessheizung 42,
    • III. hinter einem (Biogas-)Brenner BR9 zum Betrieb eines Generators G51 und einer Gebäude-/Brauchwasserheizung 42'.
  • Mit dieser Einsatzmöglichkeit III der WNV kann vorteilhaft minderwertiges Deponie- oder Biogas zur lokalen Stromerzeugung in kleineren Einheiten gekoppelt mit Heiz-/Prozesswärme Erzeugung verwendet werden.
  • Der weitere Einsatz der WNV Anlage als Luft-/(Abgas-)verdichter LV/(AV) mit der Abspeicherung und/oder der Aufladung des VM2, der Beschickung 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 3) zum kraftstofflosen/-armen Betrieb des VM2, der GT4 oder der WNV Anlage selbst als Booster, wird in 3 und 5 eingehend beschrieben.
  • Dem anfangs flüssigen, dann dampfförmig vorliegende Betriebsmittel BM 11'', 11 wird Enthalpie zugeführt über Verdampfer/Wärmetauscher VD/WT, die in dem Kühlkreislauf des VM2/der DKM bzw. endseitig in dem heißen Abgasstrom 13 des Brenners BR9, der GT4 und des VM2 eingesetzt sind:
    WT0 und VD/WT0', VD/WT0'' im Niedertemperatur(NT)bereich (75°C < T < 130°C bis 250°C) zum Verdampfen/Vorerwärmen des BM, und
    WT1 bis WT4 im Hochtemperatur(HT)bereich (250°C < Ta < 770°C bis 900°C) des Abgases 13 zum Weitererhitzen des BM.
  • Im Falle I 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 11 verwendet.
  • Für den Fall, das nur ein einkomponentiges, dampfförmiges Betriebsmittel verwendet wird, ist es vorteilhaft, das H2O Kühlmittel des VM2 direkt als BM 11'', 11', 11 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/WP5 wird durch die Verdampfung/Vorerwärmung des BM 11 abgeführt, also eine Mischung aus Wasser- und Dampfkühlung für den VM2 und die DKM verwendet.
  • Für die Anwendung I, den VM2, wird erwärmtes Kühlwasser des VM2 mit einer Pumpe 27' durch Hohlkegel- oder Ultraschalldüsen 24 in feine ca. ∅ = 20 bis 70 μm Tröpfchen versprüht und unter Kühlung des VM2 und der DM0/WP5 und ggf. der DM1, verdampft und auf eine Temperatur T1 > 115°C bis 130°C erhitzt.
  • Im Anwendungsfall II wird der H2Od Heißdampf entweder nach der Mitteldruck MD Dampfturbine DT3', siehe 5, oder, wie hier gezeigt, an einem Mittelabgriff 56 der DT3' mit der passenden Temperatur T1 und dem Druck p1 abgezweigt. Der Abdampf der DT3' und der letzten WNV Komponente DM2,3 endet in einem vorteilhafterweise fremdgekühlten (42) Kondensationskühler 41.
  • Für weitere Details der WNV Kombianlagen, siehe 3 und 5.
  • Zum Aufbau z. B. des Wärmetauscher/Katalysators WT2/KAT, siehe 4.
  • Für den Fall I, den VM2, wird ein 0,6 l 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 l/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 ATL 15 oder eine DKM als VM2 vorzuziehen.
  • Die 2 kg/h Benzinverbrauch entsprechen einem Heizwert pro Stunde, h/h = 84.000 kJ/h, von dem ca. 33%, also Δh/h = 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
    PVM = 7,1 kW
    zum Vortrieb des KFZ (ohne WNV) zur Verfügung stehen.
  • Unter Berücksichtigung der WNV Zusatzleistung von
    PWNV = 3,2 kW wird die Gesamtleistung des VM2 + WNV
    PVM+WNV = 10,3 kW = 14 PS,
    und damit kann ein kleineres KFZ im 5. Gang mit einer Geschwindigkeit von ca. 120 km/h in der Ebene betrieben werden.
  • In 3a und b ist schematisch eine Kombianlage VM2 plus WNV für die beiden BM Versionen (3) und (2) gezeigt, und es sind auch die Leitungsführungen für den Betrieb der WNV als LV/AV mit Druckluft- DLS20 bzw. -abgasspeichern DAS50, als LV für den VM2 und als Booster eingezeichnet.
  • Für die WNV können vorteilhaft mit Wasser als BM vier Versionen eingesetzt werden:
    • (1) ein einkomponentiger H2Oa Dampf (11),
    • ((2)) ein Gemisch aus H2OHd Hochdruckdampf (11') plus Anteilen des (Abgases 13),
    • (3) ein Gemisch aus H2OHd Hochdruckdampf (11') plus H2Oa Heißdampf (11) und
    • ((4)) dito plus Zugabe von Anteilen des (Abgases 13) in einer der letzten Entspannungsstufe(n) der WNV, hier der DM3.
  • Für die BM Versionen ((2)), (3) und ((4)) wird nach den Wärmetauschern WT0 und WT0', siehe 1, zunächst vorgewärmtes, flüssiges BM 11'', hier z. B. H2Ofl, 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 H2OHd Dampf wird dann in der DM0, der ersten Stufe der WNV, in den angesaugten Heißdampf H2Od (bzw. das Abgas 13) eingespritzt, und das Gemisch aus Hochdruckdampf H2OHd + Heißdampf H2Od 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 H2Od Dampf kondensiert, der für die Präparation des BM 11' H2OHd Anteils durch die Hochdruckpumpe 27 benötigt und das restliche BM 11, H2Od Heißdampf, ggf. nach einer Reinigung, direkt als H2Od 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 H2Ofl,Hd zuzuführen ist, liegt der eine Vorteil der (mechanischen) WNV Anlage, 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 Kompression- 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 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 2B.
  • Das geförderte H2Od Volumen Vd pro Stunde ergibt sich dann zu Vd/h = VT × U/min × 60 min × 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' die untere und die obere Zylinderkammer 22, 22' jeweils 1,5 mal vorkommen.
  • Mit einer Dichte des H2Od von ρ = 1,5 kg/m3 bei einer Temperatur von T1 = 130°C wird die Masse H2Od Dampf pro Stunde, md/h, gefördert
    md/h = 29,2 (32,6) kg/h entsprechend νd = (1250 + 350) = 1600 (1800) mol/h H2Od
  • In den unten beschriebenen Rechenbeispielen werden folgende Kriterien in der angegebenen Reihenfolge berücksichtigt:
    • – maximale Abwärmenutzung aus beiden, dem NT und vornehmlich dem HT Reservoir der PM’s, hier des VM2,
    • – bei den BM Versionen ((2)), (3) und ((4)) wird die H2OHd Menge soweit beschränkt, dass diese auf eine Temperatur T2 >> Tkrit 374°C in den WT’s im Abgasstrom 13 erhitzt wird; daher der kleine Anteil von νd = 350 mol/h H2OHd, siehe unten,
    • – der maximale Druck in den Rohrleitungen pmax < 250 bar, in der DKM pmax < 120 bar, die maximale Temperatur < 530°C nicht überschritten wird, und
    • – 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 des BM/BM Gemisches vor den WNV Entspannungskomponenten kommt man nach der letzten Komponente weiter in das Nassdampfgebiet H2Od + H2Ofl, vergleiche 2a 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 ΔQ vom Kühlmittel bzw. vom Abgas 13 der PM, hier des VM2, mit 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 = (ηWÜνaCp,aTa + νd/HdCvTx-1)/(ηWÜνaCp,a + νd/HdCv,d/Hd), (3) wobei Tx für die Temperatur des BM (11'', 11', 11) nach und Tx-1 für die vor dem jeweiligen WTx steht.
  • Der nur teilweise Wärmeübertrag durch Konvektion von dem PM Abgas 13 auf das/die verwendete/n BM 11, 11' (11'') wird durch μWÜ = 0,8 berücksichtigt,
    mit νa = 1180 mol, die Anzahl der Mole des Abgases 13, für 2 kg Benzin und stöchiometrischer Verbrennung, zusammengesetzt aus: 75% N2, 14% H2O Heißdampf und 11% CO2 und CO, mit einer Temperatur des VM2 Abgases 13 mit
    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 und konstantem Volumen 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,
    νd = 1250 mol und νHd = 350 mol, die Molzahlen für den H2Od Dampf und den H2OHd Hochdruckdampf,
    sowie der Molwärme von H2Od bei konstantem Volumen für eine mittlere Temperatur von
    T = 300°C, zur Berechnung der Mischtemperatur des BM Gemisches, von H2OHd + H2Od,
    Cv,d = 30,8 J/(mol/K), und die mittlere Molwärme von H2OHd
    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 ηn.ad zusammen mit den Überström-Korrekturfaktoren ηStr, wird die effektive Änderung der Enthalpie dann
    ΔHeff = ηn.adηStrΔH,
    mit ΔH = (+/–)νdCv,d(a)(T3(2) – T2(1)), (4) jeweils für die Kompressions- (mit – Vorzeichen) und die Entspannungsvorgänge (mit + Vorzeichen), mit ηn.ad = 0,8 und ηStr = 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 T1 = 270°C aufgeheizten H2Od Dampf mit der reziproken Dichte 1/ρd = 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, H2OHd (11') mit p ~ 190 bar und hier auf eine Temperatur von P2 = 400°C im Wärmetauscher WT2 aufgeheizt, über ein regelbares Dosierventil 7' ggf. über eine Hohlkegel-, Ultraschall- oder eine Überschalldüse, siehe 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 ηWÜ = 1, berechnet zu Tm = 350°C.
  • Für die Gemischdichte ρm gilt nach dem Gesetz von Amagat 1/ρm = (wd/ρd + wHd/ρHd), (5) mit wd = 0,78 und wHd = 0,22, den Mol-Massenanteilen des H2Od Dampfes bzw. des Hochdruckdampfes H2OHd, sodass sich mit 1/ρHd = 0,012 m3/kg für das BM (11, 11') Gemisch ergibt 1/ρm = 0,51 m3/kg.
  • Mit dem Enthalpiewert H = 3170 kJ/kg als Ausgangspunkt 2 ist der höchste Punkt in den T-S Diagrammen für das Gemisch, H2Od plus H2OHd, des jetzt gemeinsamen BM 11, mit jetzt νd = 1600 mol H2Od Dampf erreicht, siehe 2b.
  • 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 befüllt, wodurch sich die reziproke Dichte von
    1/ρ = 0,51 auf 0,87 m3/kg erhöht,
    wobei Verluste durch Verbindungsleitungen (34) und durch Überströmen mit einem Kompressionsverlustfaktor von ηKV = 0,85 eingerechnet wurden.
  • Durch Einleiten des H2Od BM 11 parallel in die beiden Zylinderkammern 22 und 22' der zweiten DKM Scheibe 1' entspannt sich der H2Od Dampf unter Arbeitsleistung und Teilkondensation im Verhältnis 1:4,5 weiter auf
    1/ρ = 3,33 m3/kg,
    bevor er in dem Kühler 41 weiter gerade so weit teilkondensiert, dass der für die Hochdruckpumpe 27 benötigte flüssige H2Ofl BM 11'' Anteil und der in Dampfform verbleibende H2Od BM 11 Anteil dem BM Kreislauf getrennt wieder zugeführt werden, siehe 3a.
  • 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 H2Od 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 DM3, dem verbleibenden H2Od Dampf beigemischt, wobei diese BM Leitungsführung in 3 nicht eingezeichnet ist.
  • Das hier frühzeitige Rückführen des H2Od 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 H2OHd nötige H2Ofl Anteil kondensiert und wieder verdampft werden muss. Dies gilt auch, in ähnlichem Umfang für die BM Version (3).
  • Die Einsparung an zuzuführender Wärmeenergie ΔQ ist dann um ca. eine Größenordnung höher als die entgangene, restliche Arbeitsenergie.
  • In der Rückführung des H2Od 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 H2OHd + H2Od (+ 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 H2Od BM Dampf (11) dann von T = 140°C wieder auf eine Mischtemperatur von T = 290°C auf.
  • Es findet also eine Zwischenerhitzung des BM 11 H2Od Dampfes statt, ähnlich der bei einer mehrstufigen HD, MD (und ND) Dampfturbinen DT3,3' Anlage, siehe 5.
  • Voraussetzung dafür ist, dass der Druck des Abgases pa ~ 1,6 bar > pd, ~ 1,2 bar, dem Druck des H2Od Dampfes in der Zylinderkammern 22', der DM3, zum Zeitpunkt der Abgas (13) Zufuhr, d. h. der H2Od BM Dampf 11 hat sich schon soweit entspannt.
  • Das neue BM Gemisch (11, 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 H2Od und wird dem Kondensationskühler 41 zugeführt, in dem das restliche H2Od plus der 14% H2Od Dampfanteil des Abgases 13 weiter bei T < 100°C auskondensieren und in den BM Kreislauf als H2Ofl über die Hochdruckpumpe 27 zurückgeführt werden, und das Abgas 13 nach der zusätzlichen Waschreinigung an die Atmosphäre abgegeben wird. Diese 14% H2Od Dampfanteil des Abgases 13 füllen in etwa die H2Od Dampfverluste in dem offenen Flusssystem wieder auf. Tab. 1: Werte für Kreiszyklen der WNV mit vier verschiedenen Betriebsmitteln BM Versionen mit Vor- und Nachteilen
    BM Versionen eff. (1) Dampf ((2)) HDdampf + Abgas (3) HDdampf + Dampf/((4)) + Abgas
    H2Od H2OHd + Abgas H2OHd + H2Od/ + Abgas
    Enthalpieänderung ΔHeff ΔHeff/ΔHm ΔHeff ΔHeff/ΔHm ΔHeff/ΔHm
    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 343 × 32,6 kg/h 503 × 9,3 kg/h + 190 × 29,2 kg/h 407 × 29,2 kg/h 387 × 29,2 kg/h kJ/h
    ΔW/h 11.180 9.380 11.900 11.300 kJ/h
    PWNV 3,1 2,6 3,3 – 0,1 = 3,2 3,15 – 0,1 = 3,05 kW
    PWNV/PVM 0,44 0,37 0,45 0,43
    ηVM+WNV 0,47 0,45 0,48 0,47
    ΔK/K –29% –27% –31% – 30%
    ΔQ/h 25.000 24.000 25.700 27.500 kJ/h
    ηWNV = ΔQ/ΔW 0,45 0,39 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
  • Die in Tab. 1 mit einem * gekennzeichneten ΔHm Werte resultieren aus der Volumenarbeit gemäß Gl. 6 durch die Mischung, d. h. den Eintrag des H2OHd Hochdruck- in den H2Od Heißdampf: ΔHm = ∫∫Δp × Δ(1/ρ) = (5,8 – 3,8)105 Pa(0,65 – 0,51) m3/kg = 28 kJ/kg, (6) als Beispiel für die BM Versionen (3) und ((4)) in der WNV Komponente DM0.
  • Für die implizite Erhöhung der Enthalpiewerte für das Gemisch H2Od + H2OHd, siehe die Pfeile in den T-S Diagrammen in 2b und c (d).
  • Für die BM Gemische nach den Versionen (1) bis ((4)) ergeben sich nun die Werte in Tab. 1: ΔHeff (ΔHm) die effektive Enthalpiedifferenz,
    ΔW/h, PWNV, die Zusatzleistung der WNV, alle in den angegeben Einheiten, und
    PWNV/PVM, das Leistungsverhältnis von WNV zu VM2,
    ηVM+WNV = ηVM(1 + PWNV/PVM) des effektiven Wirkungsgrades des VM2 plus der WNV Anlage im Normalbetrieb, wobei hier ein Wert von ηVM = 0,33 eingesetzt wird, der mit modernen (aufgeladenen) Gas-/Benzin betriebenen Otto- oder DK-Motoren und erreichbar ist, bei einer klugen Verbrauchsreduzierung der Nebenaggregate, z. B. mittels Druckluft(-abgas) aus den DLS (DAS), und ΔK/K, die relative Kraftstoffersparnis.
  • Für die eingehender diskutierte BM Version (3): H2OHd + H2Od, ergibt sich als relative Zusatzleistung 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.
  • Für die implizite Erhöhung der Ausgangs Enthalpiewerte für den Kreiszyklus der Mischung H2Od + H2OHd, siehe die T-S Diagramme in 2b und c.
  • Die relative Kraftstoffersparnis ΔK/K wird dann ΔK/K = –(1 – 1/(1 + PWNV/PVM))/K = –31%. (7) mit dem effektiven Wirkungsgrad des VM2 plus der WNV Kombianlage
    ηVM+WNV = ηVM(1 + PWNV/PVM) = 0,48 rund 50%,
    der damit schon bei U = 3000/min in die Nähe der Wirkungsgrade heutiger GuD Anlagen kommt, sodass die Frage erlaubt ist, ob der Einsatz von Elektrofahrzeugen im Alltagsbetrieb noch sinnvoll erscheint?
  • 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.
    ΔK/K ~ –36% ergibt.
  • Als Probe wird berechnet
    • – ein thermischer Wirkungsgrad ηWNZ der WNZ Anlage mit der BM Version (3) (nach einem angenäherten, irreversiblen Clausius-Rankine Prozess) zu ηWNZ = ΔW/ΔQ = 0,60, (8) der als letzter Wert in der Tab. 1 eingetragen ist, wobei die jeweils insgesamt im BM Kreiszyklus zugeführten Wärmemengen pro Stunde, ΔQ/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 ηC = (1043 – 347)/1043 = 0,68, wobei hier die Mischungen mit dem H2OHd Dampf nicht berücksichtigt sind.
  • In 2a bis c sind die Kreiszyklen der BM Versionen (1), (3) und ((4)) als T-S Diagramme eingezeichnet, für die WNV Anlage mit dem VM2 und in 2d mit der GT4 + DT3,3'.
  • Der Vorteil der BM Gemisch Versionen ((2)), (3) und ((4)) beruht darauf, dass ein BM Zustand mit niedriger Entropie (H2OHd) gemischt wird mit einem solchen hoher Entropie (H2Od oder Abgas 13), wodurch sich die nutzbare Exergie erhöht.
  • Die Vorteile der WMV Kombianlage hinter dem VM2 und der GT4 + Dt3,3', siehe 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 Volumenarbeit des Abgases 13 wird in der Version ((2)) und ((4)) noch zum Teil ausgenutzt. Die gemeinsame Dichte ρm und Temperatur Tm des BM Gemisches liegt so weit im H2Od Dampfbereich, dass die Entspannung in den drei Stufen der WNV noch nicht oder nur knapp in den Nassdampfbereich des H2Od,fl führt.
    • 2. Die Druckaufladung des H2OHd Dampfes erfolgt mit einer Hochdruck-Flüssigkeitspumpe 27 und benötigt viel weniger Leistung als z. B. die Wärmepumpe WP5 oder ein Turbinenverdichter 52 für den H2Od Dampf bzw. ein Gas, z. B. Luft.
    • 3. Weiterhin hat das H2OHd BM 11' 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 H2Od Dampf. Dadurch kann die zu übertragende Wärmeenergie pro Zeiteinheit, ΔQ/Δt, leichter, d. h. mit kleinerem ΔT- und relativen Δp/p-Verlusten vom Abgas auf diesen Teil des BM 11' übertragen werden, resultierend in einer höheren Endtemperatur T2 des H2OHd, siehe die Berechnungen zu 4, oder es kann eine größere Menge H2OHd präpariert werden.
    • 4. Im Falle der BM Version ((2)) und ((4)), der Beimischung des Abgases 13 zu dem als H2Od vorliegenden BM 11 wird wieder die letzte Komponente 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 H2Od abgezweigt und in den BM Kreislauf zurückgeführt, und nur ein Drittel des H2Od BM 11, der für die Hochdruckpumpe 27 in flüssiger Form, als H2Ofl, vorliegen muss, in dem Kondensationskühler 41 (41') verflüssigt, während der verbleibende H2Od Dampf direkt in den BM Kreiszyklus zurückgeführt wird. Dies bedeutet eine Ersparnis der entsprechenden Verdampfungswärmen, 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 z. B. dem GT4 Abgas wieder aufgebracht werden. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Mischung aus restlichem H2Od und dem Abgas 13 auf der Isobaren p = 1 bar im T-S Diagramm nach links auf den Siedepunkt TS = 100°C des H2Od bei Atmosphärendruck entspannt und dann im Kühler 41 weiter auskondensiert und als H2Ofl der Hochdruckpumpe 27 wieder zugeführt wird.
    • 5. Schon die erste Stufe DM0 der WNV leistet durch die H2OHd Mischungszugabe Volumenarbeit (ΔHm Werte mit * in Tab. 1) 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 H2Od Dampf eingesetzt wird, ein knappes Drittel der gesamten WNV Zusatzleistung verbraucht. Das wird dadurch kompensiert, dass bei der BM Version (1) der Hauptteil des H2Od ohne Verflüssigung in den BM Kreislauf zurückgeführt wird, und dass hier etwas größere H2Od Molmenge mit höherer Ausgangstemperatur zur Verfügung gestellt werden können. Die benötigte Verdampfungswärme für die kleine Menge verflüssigtes H2Ofl 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 Vorteil des einfachsten Aufbaus der WNV.
    • 6. Durch den Leistungszuwachs zum VM2, zu der GT4 + DT3 Anlage mit der WNV Kombianlage steigt der Gesamtwirkungsgrad auch für den Brenner BR9 auf optimal rund 50% bzw. 70%, vergleiche Tab. 1 und 2. Die BM Versionen (3) und ((4)) ergeben die höchste Zusatzleistungen PWNV, siehe Diskussion oben, vornehmlich wegen des großen Beitrags der impliziten Mischungsenthalpie Hm und der direkten ΔHm Beiträge, Werte mit * in Tab. 1 und 2, durch die Volumenarbeit. Der Primärquelle/-maschine PM wird bei den BM Versionen ((2)) und ((4)) die größte Wärmeenergiemenge ΔQ/h entzogen, sowohl dem NT Bereich durch Verdampfen des flüssigen BM 11'' und Vorerhitzen des gasförmigen BM 11 bzw. des flüssigen BM 11'' für den H2OHd, 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 H2OHd zu H2Od durch den Steuerungscomputer berechnet werden, in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl U/min, der angebotenen Temperaturen des VM2 Kühlwassers, der DM0/WP5 und auch der DM1, sowie insbesondere von der Temperatur des Abgases 13, um dann über das Dosierventil 7' und/oder die H2Ofl,Hd Fördermenge der Hochdruckpumpe 27 eingestellt zu werden.
    • 8. Der Wasserdampf H2Od 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 H2Ofl, 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 H2Od 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)) gegenüber (3) besteht in den Vorteilen von ((4)), dass
    • – eine Zwischenerhitzung des BM (11) in der DM0 bzw. DM3 Abgaszugabe-Stufe durch das restliche Wärmepotential 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 der WNV mit drei BM Sorten in einem teiloffenen BM Kreislaufsystem verwendet wird,
    • – die Endtemperatur des BM Kreiszyklus am höchsten liegt, was der Grund ist für die gegenüber (3) niedrigere Zusatzleistung,
    • – 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
    • – in der Version ((2)) der gesamte, geringe H2Od Anteil, aus der H2OHd Charge, vor der Rückführung zu H2Ofl auskondensiert werden muss, was aber nicht negativ in die Energiebilanz des HT Abgas 13 Bereichs eingeht, da die Vorerwärmung des H2Ofl 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 III der Primärquellen, die GT4 + GT3 Anlage und den Brenner BR9, eingesetzt werden mit ähnlich guten Resultaten, siehe Beschreibung zu 5 und Tab. 2, und die oben angeführten Vorteile und die, bei stationären Anlagen, leichter zu beherrschenden Nachteile.
  • Alle Daten in Tab. 1 ergeben sich bei U = 3000/min der VM2 + WNV Anlage und ohne Einrechnung der weiteren, sich sparwirksam und/oder Energie steigernd sich auswirkenden Funktionen der WNV Anlage. Die absoluten Werte werden mit der Leistung/der Umdrehungszahl des VM2 gemäß G. 8, siehe unten, ansteigen.
  • Für hohe Leistungsanforderungen wird auch der VM2 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 l 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 = 115 kW.
  • Also wird aus einem 50 kW KFZ VM2 mit der WNV Kombianlage ein Sportgerät mit einer Leistung von 115 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 VM2 und der WNV ist die Zusatzleistung PWNV proportional der geförderten BM Molzahl νd, welche linear mit der Umdrehungszahl U/min anwächst, siehe Gl. 2. Die Abhängigkeit der Temperatur des VM2 Abgases 13 von der VM2 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 < 6500 brauchbar sein, welche stärker als linear mit der Drehzahl U/min ansteigt.
  • In 3b ist ein weiteres vorteilhaftes Beispiel der Kombianlage VM2 + WNV für die BM Version (1): reiner H2Od Dampf, mit der Plazierung des WT2 zwischen die WP5 und die DM1 schematisch gezeichnet.
  • 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 H2Ofl,d BM 11'', 11 kann das H2Ofl Kühlwasser 21 selbst, wie hier angenommen, bzw. ein anderes, zunächst flüssiges BM 11'' 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 beiden Scheiben 1, 1' der DKM (in 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 H2Ofl,d BM 11'', 11 gerade in der VM2/DKM Kühlung kompensiert wird.
  • Die Kühlung der Zwei(Mehr-)Scheiben DKM, siehe 1, erfolgt bei Temperaturen t1 > 110°C bis 130°C entweder mit Wasser unter erhöhtem Druck oder direkt mit H2Od Dampf aus dem BM 11 Dampfkreislauf, unter weiterer Aufheizung des BM 11.
  • Für die Verdampfer/Wärmetauscher WT0 und VD/WT0', siehe 1, können hier im NT Bereich z. B. auch aus Al gegossene Rohrblöcke verwendet werden, die in gutem thermischen Kontakt mit dem Zylinderblock des VM2 und der DKM stehen.
  • Zur Verbesserung der Verdampfung wird das Kühlwasser (versetzt mit einem schmierenden Frostschutzmittel) durch Hohlkegel- oder Ultraschalldüsen (24) in Tröpfchen mit einem Durchmesser von ca. ∅ = 20 bis 70 μm in das Kanal-/Röhrensystem des VD/WTO' versprüht, siehe 1, Fall I, 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 11 und außen werden diese vom VM2 Abgas 13 umströmt.
  • Zum Aufbau des WT2/KAT als Beispiel, siehe 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 11 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 4, so dass das Verdichtungs- bzw. Entspannungsverhältnis der WP5 bzw. der DM1 vorteilhafterweise 2:1 bzw. 1:2 beträgt.
  • Für die anderen BM Versionen ist man in der Wahl insbesondere der Volumendimension der Wärmetauscher freier, und kann eine optimale Auslegung wählen, z. B. für den WT2 als KAT oder bezüglich des Druckverlustes Δp und der Temperaturdifferenz ΔT, siehe Gln. 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 H2Od BM 11 in beide Zylinderkammern 22, 22' der zweiten 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 H2Od in einen Kondensationskühler 41 geleitet, in dem es weiter zu einem geringen Teil von (1 – x) < 0,2 kondensiert, mit x = dem verbleibenden H2Od Dampfanteil, der über den WT1 wieder dem BM Kreislauf zugeführt wird.
  • Der Kondensationskühler 41 steht zum Vorwärmen in einer regelbaren Verbindung zum VM2 (DKM) Hauptkühler 40.
  • Der VM2 Kühler 40 muss für die BM 11 Version (1): H2Od, hier etwa für 1/3 bis zu 1/2 der VM2 (DKM) Kühlung aufkommen, und für die gesamte VM2 (DKM) Kühlung unterhalb der VM2 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 H2Ofl Anteils mit dem BM H2Od 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 für den VM2 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 DKM Scheiben 1 und 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 Belüftungsventile 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 (das Abgas) in dem teiloffenen Kreislaufsystem mit dem Abgas 13 ausgestoßen wird, bzw. die geringe Menge des in der WNV Anlage verbliebenen BM 11, H2Od, 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 H2Od Anteils im Abgas 13 vernachlässigbar ist, und im BM (11'', 11, 11', 13) Kreislauf dieser Anteil das in dem teiloffenen BM Kreislaufsystem verloren gegangene H2Od 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 VM2 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 l Inhalt abgespeicherte Druckluft 10' mit einem Druck von ca. p ~ 100 bar und ca. T ~ 500°C zum Betrieb des VM2 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 VM2 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 (in 3 nicht eingezeichnet). 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 und in jedem Fahrzustand des KFZ Leistung steigernd eingesetzt und optimal genutzt werden kann.
  • 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 Δt = 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 Δt < 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 Rekuperierung 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 VM2 oder der DT3 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 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 VM2 und auf der Welle der WNV/DKM läuft, koppelt den VM2 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 4a und b ist der Aufbau eines Hochtemperatur-Wärmetauschers am Beispiel des WT2/KAT gezeigt, bestehend aus 12 Edelstahl-Röhrchen 26 mit Außendurchmesser ∅ = 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 l = 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 = 90 cm3 für die BM Version (1).
  • Die Röhrchen 26 insbesondere in dem WT2 (und dem WT1) sind so ausgelegt, dass die Temperaturdifferenz ΔT, die nötig ist, um die Wärmemenge ΔQ/h durch Konvektion vom Abgas 13 auf den H2Od Dampf (den H2OHd Hochdruckdampf) zu übertragen, nur bis zu ΔT < 30 (20)°C beträgt, und der entsprechende Druckverlust in den WT’s nicht größer als Δp < 0,2 (5) bar wird. Für die insgesamt in alle WT’s übertragenen Wärmemengen/Stunde ΔQ/h, siehe Tab. 1.
  • Die Wärmeübertragung in dem strömenden Betriebsmitteln H2Od Dampf und H2OHd Hochdruckdampf wird berechnet für die BM Versionen (1) und (3), wobei die Daten und Werte für H2Od ohne und die für (H2OHd) 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 = αKoAΔT, (9) mit A = 2πnrL, die effektive Innenfläche des WT, siehe Werte für den WT2 in 4, mit der Gesamtlänge L = 0,85 (0,85) m der n = 12 Röhrchen 26 mit r = 0,0015 m und
    αKo = Nuλ/2r, dem Wärmeübertragungskoeffizienten für Konvektion, mit
    λ = 0,055 (0,1) W/(mK), der Wärmeleitfähigkeit des H2Od (des H2OHd) gemittelt über den entsprechenden Temperaturbereich, und der
    Nußelt-Zahl Nu = 0,0235 Re0,8Pr0,48, mit der Reynolds-Zahl Re = vρ2r/η und der
    Prandtl-Zahl Pr = ηcp/λ, dimensionslose Kenngrößen, mit
    η = 22 (62) 10–6 kg/(ms), der dynamischen Viskosität und
    cp = 2100 (7600) J/(kgK), der spezifischen Wärme bei konstantem Druck.
  • Mit der Strömungsgeschwindigkeit
    v = (Vd(Hd)/3600 s)/πnr2 = (19,4 (0,29) m3/3600 s)/8,5 10–5 m2 63 (11) m/s nach Gl. 2, für U = 3000/min der DKM, ergibt sich der Druckverlust in dem Röhrchen-26 Bündel zu Δp = λ'(1/2r)ρ/2v1,75, (10) mit λ' = 0,3164/Re0,25
  • Mit der Dichte ρ = 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 Gln. 9 und 10 ergeben sich für den H2Od (H2OHd) Dampf ein Druckverlust Δp bzw. eine Temperaturdifferenz ΔT von
    Δp = 0,1 (0,46) bar und ΔT = 25 (4)°C.
  • Für den WT2/KAT können die Werte ΔT für die mit der BM Version (1) betriebene WNV noch unter in Kaufnahme von höheren Δp 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 H2OHd Hochdruckdampf sind die Verhältnisse völlig unkritisch, da sowohl das kleine Δp als auch das ΔT weit im vorgegebenen Rahmen von Δp < 5 bar und ΔT < 30°C liegen und hier insbesondere der hohe Druck von p ~ 190 bar durch die Hochdruck- Flüssigkeitspumpe aufgebaut wird.
  • In 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 = 133 MW circa zwei Drittel der Leistung der GuD Anlage, das restliche Drittel von PDT = 67 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 3, bei einer Drehzahl von
    U = 1500/min aufweisen.
  • Von den fünf DKM’s ist nur eine schematisch mit DM0/WP5, DM1 und DM2,3, als den drei (vier) Komponenten der WNV, in 5a eingezeichnet.
  • Jede der fünf DKM’s fördert bei einem Transportvolumen von VT = 85 Liter nach Gl. 2
    Vd/s = VT × 1500/min/60 × 1,5 = 3,2 m3/s
  • Was mit einer H2Od Dampfdichte von ρd = 4 kg/m3, eine geförderte H2Od Masse von
    md/s = 5 × 3,2 m3/s × 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 3, ist mit der o. a. Drehzahl 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, WT1, 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 zwei Dreiwegeventile 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, 11') H2Od,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 5b wird nur etwa drei Viertel des H2Od verflüssigt und das restliche Viertel direkt als H2Od 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 54 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 5a eingezeichnet, betrieben, was auch für die GT + DT Anlage die größte Zusatzleistung im WNV Normalbetrieb ergibt.
  • Das Besondere daran ist, dass der Hochdruckdampf H2OHd mit p = 190 bar und T = 530°C, erzeugt durch eine Hochdruckpumpe 27 für H2Ofl 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, in die HD DT3, die MD DT3' und die erste WNV Komponente DM0, an den Punkten 14 verzweigt, geregelt und dosiert (7') in der Regel mit je einem Drittel eingeleitet wird.
  • Die DT3 wird allein mit dem ersten Drittel des H2OHd Hochdruckdampfes betrieben, während die DT3' mit dem zweiten Drittel, also dann einem 1:1 Gemisch aus H2OHd und H2Od und die WNV mit dem letzten Drittel des H2OHd, also einem 1:2 Gemisch aus H2OHd und H2Od gefahren werden, indem jeweils der entstehende H2Od Heißdampf in die nächste Stufe der Kette weitergeleitet wird.
  • Diese Verteilung kann um die Sollwerte, je ein Drittel, etwas variieren und durch eine elektronische Steuerung für die jeweilige Leistungsanforderung an die Kombianlage optimiert werden.
  • Mit der BM Version (3) wird der gesamte expandierte H2Od Dampf für die WNV Anlage am Ausgang der MD DT3', mit ca. p ~ 8 bar, entsprechend einer reziproken Dichte von 1/ρ = 0,25 m3/kg und T = 190°C, abgezweigt, und anstelle einer weiteren Niederdruck ND DT3'' 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 den hohen Massentransport von
    Δmd/Δt = 64 kg/s H2Od durch die fünf DKM’s zu erreichen.
  • Die 1:1 Mischung von H2OHd + H2Od erfolgt am Eingang der DT3' ähnlich wie in einem Strahltriebwerk und in der ersten WNV Komponente 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 erfüllt.
  • Das Einspritzen in die DM0 kann über Hohlkegel- oder auch Ultraschalldüsen (in 5 nicht gezeichnet) zur starken Aufweitung erfolgen, damit es durch den Hochdruckdampfstrahl H2OHd mit p = 190 bar nicht zu einer Abtragung des Drehkolbens kommt.
  • Die Vorteile der Nutzung des Gemisches, H2OHd + H2Od, für die beiden Einheiten, die DT3' und die WNV, anstelle einer ND DT, wurde schon bei der 3a und in der Einleitung eingehend diskutiert.
  • 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 für die hier verwendete BM Version (3) wird analog zu der für den Verbrennungsmotor VM2 durch geführt, und das entsprechende T-S Diagramm ist als Kreiszyklus für die WNV, DM0, DM1 und DM2, in 2d in eingezeichnet.
  • Es werden die folgenden Korrekturfaktoren verwendet:
    ηn.ad = ηWÜ = 0,8, ηStr = 0,95 und ηKV = 0,85. Tab. 2: Werte für den Kreiszyklus einer WNV mit einer Dampfturbine DT und dem BM Gemisch (3), Hochdruckdampf H2OHd plus Heißdampf H2Od
    H2OHd H2Od eff. Enthalpieänderung
    DT/WNZ Komp. p/bar T/°C p/bar T/°C Tm/°C ΔHeff Einheit
    HD DT3 190 530 383 × 0,5 kJ/kg
    MD DT3' 190 530 35 447 500 502 kJ/kg
    71* kJ/kg
    573 × 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/kg
    547 × 1,5 kJ/kg
    Summe (–12 + 1585) × 64 kg/s kJ/kg
    PDT+WNV = 101 MW
    PDT+WNV/PDT 101 MW/67 MW = 1,51
    ΔQ/Δt 153 MW
    ηDT+WNV = PDT+WNV/(ΔQ/Δt) 0,51
  • Die entsprechenden Zahlenwerte für die BM 11, 11' (3): H2Od + H2OHd werden aus der Summe der ΔHeff Werte berechnet, unter Abzug des Leistungsverbrauchs der Hochdruckpumpe HP mit PHP = 12 kJ/kg × 64 kg/s = 0,77 MW von der Leistung der DT3,3' mit WNV Anlage abgezogen, sodass sich multipliziert mit dem Massenstrom Δm/Δt = 64 kg/s eine Gesamtleistung von PDT+WNV = 101 MW für die DT + WNV ergibt, also ein Zuwachs von PWNV = 34 MW entsprechend 51%.
  • Die Leistung der GT + DT Anlage erfährt durch die WNV eine Steigerung auf
    PGT+DT+WNV = 234 MW, also um 17%.
  • Die mit einem * gekennzeichneten ΔHeff Werte resultieren wieder aus der Volumenarbeit gemäß Gl. 6 durch den Eintrag des H2OHd Hochdruck- in den H2Od Heißdampf siehe Tab. 1.
  • Für die implizite Erhöhung der Enthalpiewerte das Gemisch H2Od + H2OHd, siehe die dünnen Pfeile --> in den T-S Diagrammen in 2d (b und c).
  • Aus dem Quotienten von PDT+WNV und der zugeführten Wärmeenergie pro Zeiteinheit ΔQ/Δt ergibt sich ein gemeinsamer Wirkungsgrad für die DT3,3' + WNV Anlage von
    ηDT+WNV = 0,51.
  • Das GuD Kraftwerk mit WNV und der zweistufigen DT3,3' erbringt somit eine Erhöhung des gemeinsamen Wirkungsgrades ηGuD+WNV auf ηGuD+WNV = ηGT + ηWÜηDT+WNV(1 – ηGT) = 0,45 + 0,85 × 0,51(1 – 0.45) = 0,69 (11) also auf fast 70%, wobei für die GT4 ein Wirkungsgrad ηGT = 0,45 angenommen und der Wärmeübertrag in den WT’s vom Abgas 13 der GT4 auf die BM (11', 11) mit einem Wirkungsgrad von ηWÜ = 0,85 eingerechnet wurde.
  • Dieser hohe Wert für ηWÜ = 0,85 ist gerechtfertigt, da der größte Teil des BM aus dem überkritischen H2OHd Hochdruckdampf 11'' besteht und der Wärmeübertrag vom Abgasstrom 13 leichter als für den H2Od Heißdampf erfolgt, siehe Beschreibung zu 4.
  • In 5b ist mit der gestrichelten Leitungsführung schematisch die Schaltung für einen Betrieb der WNV mit dem einkomponentigen BM nach Version (1): H2Od gestrichelt eingezeichnet. Diese Version entspricht der für den VM2, die in 3b dargestellt und dort eingehender beschrieben wurde. Dabei kann die Temperatur T und damit der H2Od Dampfdruck pd in dem Kondensationskühler 41' variiert und an den Dampfdruck ausgangs der DT3' angepasst werden.
  • Als Ergebnis einer analog zu oben durchgeführten Rechnung ergibt einen Wirkungsgrad von
    ηDT+WNV = 0,47
    woraus sich für die Gesamtleistung der GT + DT + WNV ein Wirkungsgrad ergibt zu
    ηGuD+WNV = 0,67.
  • Die als DKM vorgesehene WNV Kombianlage ist darüber hinaus nicht so empfindlich auf Tröpfchenbildung bei der Entspannung des H2Od wie die Dampfturbinen DT3,3'(3''), und deshalb kann die Entspannung des H2Od BM 11 bis (weit) in den Zweiphasenbereich, H2Od + H2Ofl, hinein erfolgen. Bei einer DT würden bei einem H2Ofl Anteil von (1 – x) > 0,12 Schäden an den Turbinenschaufeln durch Erosion auftreten.
  • Der weitere 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 werden kann, der über einen Einlass 29 Atmosphärenluft 10 (oder Abgas 13) ansaugt, siehe 1 und vergleiche 3, zum Aufladen eines hier großvolumigen Druckluftspeichers DLS 20 (Druckabgasspeichers DAS 50) der (die) mit einer Wärmeisolation 53 umgeben ist (sind).
  • 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 Brennstoffzuführung betrieben werden.
  • Wie aus 5 zu ersehen ist, bleiben zumindest der Abgas 13 Wärmetauscher WT1 (und ggf. auch der WT2) in dem LV Strömungsverlauf und werden somit durch die heiße, komprimierte Luft 10' geheizt.
  • 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 zusammen mit der WNV Boosterfunktion für Spitzenlastzeiten sogar um fast zwei Drittel erhöht werden,
    PGT+DT+WNVBoost/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-/Volumenverhältnis gegeben.
  • Die Problematik der Dichtleisten sollte mit den Werkstoffen, SiC, Nikosil, Ferotic, Kohle-Antimon, Kohle-Aluminium oder hier wegen der Aggressivität der BM’s mit Gussdichtleisten gegen eine Chrom Beschichtung der Drehkolben-Oberflächen, 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 < ηPM+WNV > 0,59 bis 0,69 erreicht werden, für die PM, den VM2 bzw. die GT4 + DT3 oder auch 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 1,17 bis zu 1,61 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10259488 A1 [0038, 0041]

Claims (10)

  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 teilweise gasförmig vorliegenden Betriebsmittel BM (11'', 11', 11, 13) fördern und komprimieren (DM0, WP5, 27) und nachfolgend entspannen (DM1, DM2, DM3), in einem einzigen geschlossenen oder teiloffenen BM (11'', 11', 11, 13) Flusssystem, und c) als Betriebsmittel BM der WNV folgende Versionen eingesetzt werden können (1) ein reiner Heißdampf (11) oder ((2)) ein Gemisch aus Teilen des Abgases (13) und einem überkritischen Hochdruckdampf (11') oder (3) ein Gemisch aus Heißdampf (11) und dem Hochdruckdampf (11'), oder ((4)) einem Gemisch aus BM Dampf (11) und dem Hochdruckdampf (11'), welchem Gemisch in der letzten oder in einer der letzten WNV Entspannungskomponenten (DM3) noch Teile des Abgases (13) zugegeben werden, und c) alle diese Betriebsmittel BM (11'', 11, 11', 13) verschiedene Verdampfern (VD) und/oder Wärmetauscher (WT0, VD/WT0', VD/WT0'', WT1, WT2, WT3, WT4) unter Enthalpieaufnahme und nachfolgend die WNV Entspannungskomponenten (DM0, DM1, DM2, DM3) unter Arbeitsleistung durchlaufen, und d) je nach BM Version teilweise ((1)), ((2, 4))) oder ganz ((3)) auskondensieren und die entstandene BM Flüssigkeit (11'') über eine Hochdruckpumpe (27) zur Erzeugung des überkritischen Hochdruckdampfes (11') und der verbliebene BM Dampf (11) beide in den BM Kreislauf zurückgeführt werden, und e) die WNV zu weiteren leistungsteigernden, energiesparenden und/oder -rekuperierenden Funktionen eingesetzt werden kann.
  2. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) dass das BM (11', 11, 13) direkt aus dem Primäraggregat entnommen wird und/oder dem separaten gestellten BM (11'', 11', 11, 13) durch die Kühlabwärme und/oder dem Abgas (13) des VM2, der GT4 + DT3 Anlage oder des Brenners (BR9) in Verdampfern (VD) und/oder Wärmetauschern (WT0, VD/WT0', VD/WT0'', WT1, WT2, WT3, WT4) Enthalpie zugeführt wird, und c) das Betriebsmittel BM besteht aus (1) einem reinen Dampf (11) oder ((2)) einem Gemisch aus einem Teil des Abgases (13) eines der Primäraggregate und einem BM Hochdruckdampf (11'), der durch eine Hochdruckpumpe (27) auf p ≈ pkrit beaufschlagt und mit Wärmetauschern (WT0, WT0', WT0'', WT1, WT3) auf eine Temperatur T > Tkrit aufgeheizt wurde, oder (3) einem Gemisch aus BM Dampf (11) und dem Hochdruckdampf (11'), der wie in Version ((2)) präpariert wird, oder ((4)) einem Gemisch aus BM Dampf (11) und dem Hochdruckdampf (11'), dem in der oder in einer der letzten WNV Entspannungskomponenten (DM3) noch Teile des Abgases (13) zugegeben werden, nachdem, wie auch für die BM Version ((2)) hinter der vorherigen WNV Komponente (DM2) der Hauptteil des BM (11) Dampfes schon in den BM (11, 11', 11'') Kreislauf zurückgeführt wurde, und d) das jeweilige Betriebsmittel BM (11', 11, 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 durchlauft und dabei in der/den letzten WNV Komponenten (DM2, DM3) zu einem geringem Teil kondensiert, und e) in einem Kondensationskühler (41, 41') – für die BM Version (1) ein weiterer Teil auskondensiert, der über Verdampfer/Wärmetauscher (VD/WT0, WT0') wie auch der verbliebene BM (11) Dampf in den BM (11, 11', 11'') Kreislauf zurückgeführt wird, oder – für die BM Version (3) der gesamte BM (11) Dampf auskondensiert und über die Hochdruckpumpe (27) in den BM (11, 11', 11'') Kreislauf zurückgeführt wird, oder – für die BM Versionen ((2)) und ((4)) das gesamte, im Dampfbereich verbliebene BM (11) zu der BM Flüssigkeit (11'') auskondensiert und über die Hochdruckpumpe (27) in den BM (11, 11', 11'') Kreislauf zurückgeführt und der BM Abgas-(13)anteil an die Umgebung abgegeben wird.
  3. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der WNV, die WP5/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 Port (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, WT0'') bei Schub- und Bremsbetrieb des KFZ zur Rekuperierung der Bewegungsenergie bzw. im Unterlastbetrieb eines stationären VM2 oder einer GT4 + 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 plus Feuerungsstelle (54) 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), 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.
  4. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass a) als BM allein ein Dampf (11) verwendet wird, der vorgewärmt und verdampft in Wärmetauschern WT0, WT0' im Niedertemperaturbereich der PM und dann von der ersten Komponente der WNV, die als Wärmepumpe WP5 arbeitet, durch Wärmetauscher WT0 und WT1 angesaugt und hinter der WP5 in einen weiteren WT2, der mit einem Rückschlagventil (34) ausgestattet ist und ein gesamtes Innenvolumen aufweist etwa gleich dem Transportvolumen VT der ersten WNV Komponente (WP5), komprimiert wird, wobei der WT2 im Abgasstrom (13) direkt hinter der Primärmaschine PM angeordnet ist, und b) der so maximal erhitze BM Heißdampf (11) die weiteren Komponenten der WNV (DM1 und DM2), unter Entspannung und Arbeitsleistung durchlauft und dabei zu einem kleineren Teil (1 – x) < 0,25, mit x = BM Dampfanteil, in der letzten Komponente (DM2) bzw. in dem nachfolgenden Kühler (41, 41') kondensiert, und der verbleibende BM Dampf-(11)Hauptteil x unter Ersetzung des kondensierten (1 – x) Anteils, durch Verdampfung von flüssigem BM (11'') in Verdampfern (VD) dem BM Kreislauf direkt oder mittels einer Venturi-Strahlpumpe (57) wieder zugeführt wird, und c) als Betriebsmittel BM (11'', 11', 11, 13) genutzt werden: – Wasser versetzt mit einem Schmier- und/oder einem selbstschmierenden Gefrierschutzmittel, oder – eine geeignete Kohlen-Wasserstoff-Sauerstoffverbindung mit selbstschmierenden Eigenschaften oder versetzt mit einem Schmiermittel, oder – ein Glycerin oder Silikon oder eine andere synthetische Flüssigkeit mit selbstschmierenden Eigenschaften und geeignetem. Siedepunkten und Dampfdrucken.
  5. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein Teil des zunächst flüssigen BM (11''), vorgewärmt durch Wärmetauscher (WT0, WT0') im Kühlsystem der PM und/oder um die erste Stufe der WNV bzw. vorerwärmt durch Wärmetauscher (WT0'') im Abgasstrom (13) der PM, 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 WNV Komponente (DM0) entweder der andere Teil des BM (11) in Dampfform, verdampft in dem Verdampfer/Wärmetauscher (VD/WT0) und erhitzt in dem WT1 oder ein Teil des Abgases (13), nach der teilweisen Wärmeabgabe an alle Wärmetauscher, angesaugt wird, und nach Schließen der Zuführung, des Einlasses (18) der ersten WNV Komponente (DM0), das überkritische, auf Hochdruck gebrachte BM (11') über ein Dosierventil (7') durch einen Port (28) dosiert eingespritzt wird, und sich ein 1:1 bis 1:4 Gemisch aus Hochdruckdampf-/Dampf (11', 11) bzw. /Abgas (11', 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 (11) Dampf auskondensiert, um dann in flüssiger Form, gemäß Punkt a), der Hochdruckpumpe (27) und damit dem BM Kreislauf wiederzugeführt zu werden, oder e) der Dampfanteil (11) des BM Gemisches (11, 13) Dampf-/Abgas bei der Entspannung und nachfolgend in dem Kühler (41, 41') voll auskondensiert und nach einer Reinigung dem BM (11'', 11) 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 durch die Mischung mit dem dampfförmigen bzw. flüssigen BM (11, 11'') weiter gereinigt und in dem Kühler (41') heruntergekühlt wurde, an die Atmosphäre abgegeben wird, und f) eine Reinigung des flüssigen BM (11'') durch Filter und/oder Chemikalien mit Ausfällung vorgesehen ist, und nach einem hohen Stundenzyklus größer als 500 h ein Austausch unter Recycling des BM (11'') erfolgt.
  6. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittels BM (11', 11) nach den Punkten a) und b) des Anspruches 5 präpariert und die letzte WNV Entspannungskomponente in zwei Stufen (DM2 und DM3) aufgeteilt ist, wobei nach der DM2 der für den periodischen BM Kreiszyklus benötigte Dampf-(11)anteil in den BM Kreislauf zurückgeführt wird, und erst in der letzten Komponente (DM3) das gesamte (oder Teile des) Abgas(es) (13) des Primäraggregates, des VM2, der GT4 oder des Brenners (BR9), dem restlichen BM (11) Dampf zugegeben wird, nachdem dieser auf einen Druck pd < pa, dem Druck des Abgases (13), entspannt wurde, und das neue Gemisch (11, 13) aus restlichem BM Dampf (11) und dem zugemischten Abgas (13) dann die Punkte e) und f) von Anspruch 5 durchlaufen.
  7. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Komponenten der WNV Anlage für die Kompression-/Entspannungsvorgänge Hub-, Dreh- oder Radialkolbenmaschinen sind, oder dafür Drehschieber- oder Flügelzellenmaschinen verwendet werden, und b) als Verbrennungsmotor VM2 ein Otto-, ein Drehkolbenmotor, ein Diesel- oder Diesottomotor Verwendung finden, und c) eine (kompakte) WNV Anlage (auch als Nachrüstsatz) hinter einer PM, eingebaut ist hinter einem VM2 in einem beliebigen (Kraft-)Fahrzeug oder hinter stationären VM2 oder GT4 + DT3 Anlagen, jeweils mit einer eigenen Steuerung, und d) der VM2 mit komprimierten (Erd-)Gas betrieben wird, und die dazu benutzten Druckbehälter nach deren verbrauchsbedingter Entleerung als Druckluft- DLS (20) oder Druckabgasspeicher DAS (50) verwendet werden.
  8. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, 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 (11'', 11) 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 -auslässen (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.
  9. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Aufbau der Wärmetauscher WT0,0', WT1 und insbesondere der des WT2 so optimiert ist, dass der Enthalpietransfer zwischen dem Abgas (13) und dem aufzuheizenden BM (11', 11) bei möglichst kleiner Temperaturdifferenz ΔT < 30 (20)°C zwischen beiden erfolgt und gleichzeitig der Druckverlust Δp < 0,2 bar (2 bar für den H2OHd Hochdruckdampf) für den Einsatz hinter einer VM2 oder einer DT3,3' nicht übersteigt, und b) das gesamte 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 (37) mit möglichst kleinem Volumenbedarf angeordnet ist, und c) 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 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 d) 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 e) in den auch als Verdampfer (VD) genutzten Wärmetauschern (WT0, WT0') Hohlkegel- oder Ultraschalldüsen (24) zum Versprühen in feine Tröpfchen oder Ultraschall beschickte Oberflächen zum Vernebeln des flüssigen BM (11'') angebracht sind, und f) durch eine Extremwertaufgabe in jedem Betriebszustand das optimale Mischungsverhältnis BM Dampf (11) zu BM Hochdruckdampf (11') 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 Dosierventil 7' die Einspritzmenge des H2OHd eingestellt wird.
  10. Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, 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 Luft-/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 einem 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 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'), die/das auch im abgeschalteten Zustand des VM2 die anderen nötigen Funktionen des KFZ, wie Lenk- und Bremshilfe, aufrechterhalten, und g) die elektronische Steuerung zusammen mit einem Nachrüstsatz für alle drei Primäraggregate eingesetzt wird.
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