DE102012108468A1

DE102012108468A1 - Arbeitsmittelgemisch für Dampfkraftanlagen

Info

Publication number: DE102012108468A1
Application number: DE102012108468.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoetger; Jörg Collisi
Original assignee: Amovis GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2014-03-13
Also published as: WO2014040875A2; US9856756B2; EP2895707B1; US20150240668A1; WO2014040875A3; EP2895707A2

Abstract

Eine Verwendung eines Arbeitsmittels in Dampfkraftanlagen mit einem Dampferzeuger zur Erzeugung von Arbeitsmitteldampf, einer Pumpe zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in dem Arbeitsmitteldampf, einer Expansionsmaschine zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Arbeit durch Expansion des Arbeitsmittels von einem erhöhten Druck auf ein niedrigeres Druckniveau unter Arbeitsleistung und einem Kondensator zur Kondensation des Arbeitsmittels, wobei das Arbeitsmittel ein Schmiermittel enthält, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Aceton und Schmiermittel enthält.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Arbeitsmittels in Dampfkraftanlagen mit einem Dampferzeuger zur Erzeugung von Arbeitsmitteldampf, einer Pumpe zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in dem Arbeitsmitteldampf, einer Expansionsmaschine zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Arbeit durch Expansion des Arbeitsmittels von einem erhöhten Druck auf ein niedrigeres Druckniveau unter Arbeitsleistung und einem Kondensator zur Kondensation des Arbeitsmittels, wobei das Arbeitsmittel ein Schmiermittel enthält.
Bei einem Dampfkreisprozess mit einem Dampferzeuger ist thermische Energie auf ein Arbeitsmedium übertragbar. In einer Kraftmaschinewird die in dem Arbeitsmedium enthaltene thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt. Die Kraftmaschine kann eine Expansionsmaschine sein, in welcher das Arbeitsmedium unter Leistung von Arbeit entspannt wird.
Üblicherweise wird der Dampferzeuger von einem Wärmeübertrager gebildet, durch welchen ein Arbeitsmedium zur Aufnahme von Wärme leitbar ist. Das Arbeitsmedium liegt in Form eines Fluids vor. Das Fluid, beispielsweise Wasser oder Wasserdampf, wird durch einen oder mehrere Kanäle geleitet, der von einem Heißgasstrom umströmt ist. Der Heißgasstrom kann das heiße Rauchgas eines Brenners sein, bei dem Brennstoff exotherm verbrannt wird, oder die Abwärme eines Verbrennungsmotors. Beim Umströmen der fluiddurchstömten Kanäle wird Wärme auf das Fluid übertragen, wobei dieses verdampft und überhitzt wird. Es hat bei Verlassen des Dampferzeugers ein hohes Druck- und Temperaturniveau in der Größenordnung von einigen hundert °C.
In der Expansionsmaschine, zum Beispiel einer Hub- oder Rotationskolbenmaschine, wird das Arbeitsmedium von dem hohen ersten Druckniveau auf ein niedrigeres zweites Druckniveau unter Arbeitsleistung expandiert. Dabei treibt der Kolben eine Welle an, welche beispielsweise einen Stromgenerator antreibt oder zum Bewegen eines Fahrzeugs dient. Das expandierte Fluid wird in einem Kondensator gekühlt und verflüssigt und dem Fluidkreislauf über eine Pumpe erneut zugeführt. Je höher die Druck- und Temperaturdifferenz, um so höher ist der Wirkungsgrad der Anlage.
Unter einer Expansionsmaschine soll hier jede Kraftmaschine verstanden werden, die mit einem gas- oder dampfförmigen Arbeitsmedium in Phasenwechsel arbeitet. Zu unterscheiden sind davon Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung, wie z.B. ein Zweitaktmotor, bei denen ein Brennstoff innerhalb der Kraftmaschine verbrannt wird. Als Arbeitsmedium wird gewöhnlich Wasserdampf verwendet, der unter Abgabe von Arbeit entspannt wird. Eine Verbrennung findet außerhalb der Kraftmaschine statt, um das Wasser zu verdampfen. Eine nachgeschaltete Kondensatoranordnung dient zur Verflüssigung des expandierten Arbeitsmediums. Typische Temperaturen des Arbeitsmediums liegen bei 550°C für den energiereichen Dampfzustand und 100°C als Kondenstationstemperatur.
Stand der Technik
Ein solcher Dampfkreisprozess ist zum Beispiel aus der DE 10226445 C1 oder WO 2005/001248 A1 bekannt. Dort wird ein Kreislauf der eingangs genannten Art beschrieben. Als Arbeitsmedium wird Speisewasser verwendet. Wasser ist problemlos handhabbar, kostengünstig und verfügt über gute thermodynamische Eigenschaften. Das Wasser wird in einem Verdampfer verdampft. Der Dampf wird in einer Expansionsmaschine unter Arbeitsleistung expandiert. Nach der Expansion wird der Dampf in einem Kondensator kondensiert und mittels einer Pumpe einem Reservoir zugeführt, aus welchem es für den Kreislauf erneut zur Verfügung steht. Die beschriebene Arbeitsmaschine wird zum Beispiel als Hilfsaggregat in Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, Arbeitsmittel der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem der Wirkungsgrad einer Dampfkraftanlage verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Arbeitsmittel Aceton und Schmiermittele enthält. Aceton wird auch als Propanon, 2-Propanon, Dimethylketon oder Propan-2-on bezeichnet. Es ist als Entfettungsmittel, bei Zahnärzten zur Zahnreinigung als Nagelreiniger und Verdünner bekannt. Die Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass der Wirkungsgrad einer Dampfkraftanlage durch die Zugabe von Aceton verbessert wird. Die Polaritätseigenschaften von Aceton verbessern die Stabilität der Lösung mit den einzelnen Komponenten und dem Schmiermittel. Das Schmiermittel ist besser löslich. Die Expansionsmaschine ist dann besser geschmiert und hat weniger Reibungsverluste. Dadurch kann der Wirkungsgrad verbessert werden. Zudem kann auf eine aufwendige, nachgeschaltete Trennvorrichtung zur Separation von Arbeitsmedium und Schmiermittel verzichtet werden
Vorzugsweise enthält das Arbeitsmittel Pentan oder ein anderes das Siedeverhalten beeinflussendes Mittel. Als Schmiermittel sind Polyalphaolefine PAO, Polyalkylenglykole PAG, Silikonöle, Esther oder Polyethylenglykole PEG und/oder deren Mischungen besonders gut geeignet. Dabei werden besonders gute Wirkungsgrade erreicht, wenn das Schmiermittel in einer Menge zwischen 2 und 20 Vol.-% vorliegt.
Das vorstehend beschriebene Arbeitsmittelgemisch in Form einer stabilen Emulsion oder einer Lösung ist auch für den Hochdruck- und Hochtemperaturbereich gut geeignet, wie er bei typischen Dampfkreisprozessen auftritt.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch einen Dampfkreisprozess
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist schematisch der Dampfkreisprozess 10 einer Expansionsmaschine 10 dargestellt. Der Dampfkreisprozess umfasst eine Expansionsmaschine 14 und einen Durchlaufdampferzeuger 12. Der Durchlaufdampferzeuger 12 ist mit dem heißen Rauchgas eines Brenners beaufschlagt. Der Kreisprozess umfasst weiterhin eine drehzahlregelbare Speisewasserpumpe 16 und einen Kondensator 18. Der Durchlaufdampferzeuger 12 ist von Arbeitsmedium mit einigen Zusätzen durchflossen. Das Arbeitsmedium steht dabei unter einem erhöhten Druck, welcher von einer Pumpe 16 erzeugt wird. Dem Arbeitsmedium oder Arbeitsmediendampf wird eine Wärmemenge Φ_H aus dem Rauchgas zugeführt. Dadurch wird der Arbeitsmediendampf überhitzt, d.h. auf eine hohe Temperatur gebracht. Die innere Energie steigt. In einer Expansionsmaschine 14 wird der Arbeitsmediendampf entspannt. Dabei sinkt der Druck wieder auf ein niedrigeres Druckniveau. Bei dieser Entspannung wird Arbeit frei. Der entspannte Arbeitsmediendampf wird dann einem Kondensator 18 zugeführt, in welchem er kondensiert wird, damit das Arbeitsmedium für den Kreisprozess weiter zur Verfügung steht. Dabei wird die Wärmemenge Φ_c frei, die zum Beispiel für Wärmezwecke genutzt werden kann. Das kondensierte Arbeitsmedium wird erneut der Pumpe 16 zugeführt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsmedium reines Aceton mit einem Siedepunkt bei 56 °C mit 15% Schmiermittel. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsmedium ein Gemisch aus 65 Gew.-% Pentan, 18 Gew.-% Aceton, 5 Gew.-% Wasser und 12 Gew.-% Polyalphaolefin PAO. Diese Mischung siedet ab einer Temperatur von 32°C.
In einem weiteren, alternativen Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsmedium ein Gemisch aus 50% Aceton, 35% Hexan und 15% Schmiermittel. Diese Mischung siedet bei 50°C.
Sie ist bis zu einer Temperatur von 400°C thermisch stabil. Es kann also bei einer großen Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Kondensat gearbeitet werden, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10226445 C1 [0006]
WO 2005/001248 A1 [0006]

Claims

Verwendung eines Arbeitsmittels in Dampfkraftanlagen mit einem Dampferzeuger zur Erzeugung von Arbeitsmitteldampf, einer Pumpe zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in dem Arbeitsmitteldampf, einer Expansionsmaschine zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Arbeit durch Expansion des Arbeitsmittels von einem erhöhten Druck auf ein niedrigeres Druckniveau unter Arbeitsleistung und einem Kondensator zur Kondensation des Arbeitsmittels, wobei das Arbeitsmittel ein Schmiermittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Aceton und Schmiermittel enthält.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Pentan, Hexan, Wasser oder ein anderes das Siedeverhalten beeinflussendes Mittel enthält.
Verwendung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Polyalphaolefine, Polyalkylenglykole, Silikonöle, Esther oder Polyethylenglykole und/oder deren Mischungen als Schmiermittel enthält.
Verwendung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiermittel in einer Menge zwischen 2 Vol.-% und 20 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 10 Vol.-% und 20 Vol.-% und höchst vorzugsweise zwischen 15 Vol.-% und 20 Vol.-% vorliegt.