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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Abwärmenutzungssystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2008 017 407 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine bekannt. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung, in der eine Fördereinheit, ein Wärmetauscher, eine Expansionsvorrichtung und eine Kondensationsvorrichtung zu einem Kreislauf verschaltet sind. In dem Kreislauf zirkuliert ein Arbeitsmedium, wobei in dem Wärmetauscher ein Wärmeübergang von einem Wärmemedium zu dem Arbeitsmedium realisiert wird. Bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine wird das Arbeitsmedium mittels der Fördereinheit und/oder der Expansionsvorrichtung unter zumindest weitgehend konstantem Druck in dem Kreislauf zirkuliert.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2009 048 683 A1 eine Abwärmenutzungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt. Die Abwärmenutzungsvorrichtung umfasst eine Expansionseinrichtung zum Entspannen eines komprimierten gasförmigen Arbeitsmediums unter Arbeitsabgabe, eine Kondensationseinrichtung zum Kondensieren des entspannten gasförmigen Arbeitsmediums unter Wärmeabgabe, eine Kompressionseinrichtung zum Komprimieren des flüssigen Arbeitsmediums unter Arbeitszufuhr, eine Heizeinrichtung zum Verdampfen und Überhitzen des komprimierten flüssigen Arbeitsmediums unter Wärmezufuhr und einen Bypass, der unter Umgehung der Heizeinrichtung einen Teil des komprimierten flüssigen Arbeitsmediums dem komprimierten gasförmigen Arbeitsmedium zuführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Betrieb eines Abwärmenutzungssystems anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das Verfahren ist zum Betrieb eines Abwärmenutzungssystems mit einem Abwärmenutzungskreislauf vorgesehen. Der Abwärmenutzungskreislauf umfasst zumindest eine Fördereinheit zur Förderung eines flüssigen Arbeitsmediums, zumindest zwei Wärmeübertrager zur Erwärmung und zumindest teilweisen Verdampfung des Arbeitsmediums mittels Abwärme einer Abwärmequelle, zumindest eine Expansionsmaschine zur Expansion des verdampften Arbeitsmediums und einen Kondensator zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums.
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Erfindungsgemäß werden in einem ersten Betriebsbereich des Abwärmenutzungskreislaufs ein Druckaufbau und ein Massenstrom des Arbeitsmediums innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs ausschließlich mittels der Fördereinheit erzeugt. In zumindest einem weiteren Betriebsbereich, in welchem eine vom Abwärmenutzungssystem abzuführende Wärmemenge eine Kühlkapazität des Abwärmenutzungskreislaufs überschreitet und eine von der Expansionsmaschine abgegebene Leistung einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet oder eine Temperatur des Arbeitsmediums einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird zumindest einer der Wärmeübertrager deaktiviert und der Massenstrom des Arbeitsmediums wird innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs zusätzlich zur Fördereinheit mittels der zumindest einen Expansionsmaschine erzeugt und/oder die Fördereinheit wird überbrückt.
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Das Verfahren ermöglicht auch in einem Hochlastbereich des Abwärmenutzungssystems bei bereits deaktiviertem Wärmeübertrager einen sehr hohen Massenstrom des Arbeitsmediums innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs bei gleichzeitig geringem Druckverhältnis. Des Weiteren kann durch Nutzung der Expansionsmaschine die Fördereinheit kleiner ausgelegt und einfacher an einen engen und somit einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweisenden Betriebsbereich angepasst werden, so dass das Abwärmenutzungssystem sehr effizient betrieben werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch ein Druck-Enthalpiediagramm sowie Druck- und Enthalpieverhältnisse eines Abwärmenutzungskreislaufs eines Abwärmenutzungssystems während eines Normalbetriebs,
- 2 schematisch ein Druck-Enthalpiediagramm sowie Druck- und Enthalpieverhältnisse des Abwärmenutzungskreislaufs gemäß 1 während eines Betriebs mit erhöhter Last, und
- 3 schematisch ein Druck-Enthalpiediagramm sowie Druck- und Enthalpieverhältnisse des Abwärmenutzungskreislaufs gemäß 1 während eines Betriebs mit weiter erhöhter Last.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 bis 3 sind in Druck-Enthalpiediagrammen ein Druck p in Abhängigkeit einer Enthalpie h eines Arbeitsmediums AM sowie Druck- und Enthalpieverhältnisse eines Abwärmenutzungskreislaufs 1 eines Abwärmenutzungssystems 2 in unterschiedlichen Betriebsbereichen dargestellt.
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Das Abwärmenutzungssystem 2 umfasst den Abwärmenutzungskreislauf 1 und basiert auf einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, beispielsweise auf einem so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozess.
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Das Abwärmenutzungssystem 2 ist insbesondere zur Nutzung von Abwärme in einem nicht gezeigten Kraftfahrzeug, beispielsweise in einem Nutzfahrzeug, vorgesehen. Insbesondere werden als Abwärmequellen 3, 4 eine Antriebseinheit, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, und ein Abgassystem der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs verwendet, wobei die Abwärme Verlustwärme der Antriebseinheit ist.
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Der Abwärmenutzungskreislauf 2 ist während seines Betriebs in eine Hochdruckseite HD und eine Niederdruckseite ND unterteilt. Der Abwärmenutzungskreislauf 1 umfasst eine Fördereinheit 1.1 zur Förderung eines flüssigen Arbeitsmediums AM, beispielsweise Wasser oder Ethanol, und zwei Wärmeübertrager 1.2, 1.3 zur Erwärmung und zumindest teilweisen Verdampfung des Arbeitsmediums AM mittels Abwärme der Abwärmequellen 3, 4. Hierbei ist ein erster Wärmeübertrager 1.2 thermisch mit der Verbrennungskraftmaschine (= Abwärmequelle 3) und ein zweiter Wärmeübertrager 1.3 thermisch mit dem Abgassystem (= Abwärmequelle 4) gekoppelt. Weiterhin umfasst der Abwärmenutzungskreislauf 1 zumindest eine Expansionsmaschine 1.4, beispielsweise eine Turbine zur Erzeugung mechanischer Energie durch Expandieren des verdampften Arbeitsmediums AM, und zumindest einen Kondensator 1.5 zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums AM.
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In einem Normalbetrieb gemäß 1 erfolgt in bekannter Weise mittels der Fördereinheit 1.1 eine insbesondere adiabate und isentrope Druckerhöhung des Arbeitsmediums AM, bevor diesem innerhalb des ersten Wärmeübertragers 1.2, insbesondere isobar, Wärme zugeführt wird. Diese Wärme ist Abwärme der beispielsweise als Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Abwärmequelle 3, welche thermisch mit dem Wärmeübertrager 1.2 gekoppelt ist. Die Abwärme wird mittels des Wärmeübertragers 1.2 auf das Arbeitsmedium AM übertragen. Hierbei wird das Arbeitsmedium AM insbesondere zunächst möglichst nahe bis zu einem Verdampfungspunkt erwärmt, anschließend isotherm verdampft und gegebenenfalls zusätzlich überhitzt. Mittels des weiteren Wärmeübertragers 1.3 erfolgt ebenfalls eine isobare Erwärmung des bereits mittels des ersten Wärmeübertragers 1.2 erwärmten Arbeitsmediums AM. Die hierbei zugeführte Wärme ist Abwärme der beispielsweise als Abgassystem der Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Abwärmequelle 4, welche thermisch mit dem weiteren Wärmeübertrager 1.3 gekoppelt ist. In möglichen Ausführungsbeispielen können in nicht näher dargestellter Weise noch weitere Wärmeübertrager zur Realisierung einer oder mehrerer so genannter Zwischenüberhitzungen vorgesehen sein.
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Anschließend wird das verdampfte Arbeitsmedium AM der Expansionsmaschine 1.4 zugeführt, mittels welcher eine insbesondere adiabat ausgebildete Expansion des dampfförmigen Arbeitsmediums AM durchgeführt wird. Die hierbei aus der Expansion resultierende und mittels der Expansionsmaschine 1.4 erzeugte mechanische Energie wird beispielsweise direkt zur Unterstützung der Antriebseinheit beim Antrieb des Kraftfahrzeugs oder zum Antrieb weiterer Aggregate des Kraftfahrzeugs verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird zumindest ein Teil der mechanischen Energie mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt, gespeichert und/oder unmittelbar zum Betrieb elektrischer Verbraucher des Kraftfahrzeugs verwendet.
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Nach der Expansion wird das expandierte oder entspannte Arbeitsmedium AM dem Kondensator 1.5 zugeführt, in welchem eine insbesondere isobar ausgebildete Kondensation des dampfförmigen Arbeitsmediums AM durch Kühlung erfolgt. Für diese Kühlung ist der Kondensator 1.5 beispielsweise mit einem Kühlkreislauf der Antriebseinheit und/oderbefindet sich direkt, insbesondere luftgekühlt, in einem vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs, auch als Fahrzeug-Frontend bezeichnet.
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Bei solchen Abwärmenutzungssystemen 2, bei welchen sowohl die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine als auch eine Abgasenthalpie für eine thermische Rekuperation genutzt werden, stellt die Umgebung eine tiefstmögliche Wärmesenke dar. Dies führt oft zu einem luftgekühlten Wärmetauscher, d. h. Kondensator 1.5. Hierbei übernimmt der Abwärmenutzungskreislauf 1 eine Temperierung der Verbrennungskraftmaschine, wobei dieser entweder direkt in einen Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine eingebunden ist oder mittels eines Wärmetauschers thermisch mit diesem gekoppelt ist.
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Solange eine Kühlkapazität des Abwärmenutzungskreislaufs 1, d. h. insbesondere des Kondensators 1.5, ausreichend ist, wird während des Betriebs des Abwärmenutzungssystems 2 die Wärme des Abgases über den zweiten Wärmeübertrager 1.3 mit aufgenommen, teilweise gewandelt und ebenso über den Kondensator 1.5 abgeführt. Dies entspricht dem in 1 dargestellten Normalbetrieb.
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Überschreitet gemäß 2 in einem höherlastigen Betriebsbereich des Abwärmenutzungssystems 2 die vom gesamten Abwärmenutzungssystem 2 abzuführende Wärmemenge diese Kühlkapazität jedoch, steigt zuerst der Druck p des Arbeitsmediums AM auf der Niederdruckseite ND, so dass ein über der Expansionsmaschine 1.4 anliegendes Druckverhältnis sinkt. Somit sinkt aufgrund des höheren Wärmeaustrags eine Effizienz des Abwärmenutzungskreislaufs 1 und die rekuperierte Leistung sinkt. Ein solcher Betrieb des Abwärmenutzungskreislaufs 1 kann solange fortgeführt werden bis entweder die rekuperierte Leistung zu klein ist oder ein der Verbrennungskraftmaschine mittels des Abwärmenutzungskreislaufs 1 zur Verfügung gestelltes Temperaturniveau zu hoch ist.
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Um dies zu vermeiden, wird gemäß 3 zunächst der mit dem Abgassystem gekoppelte Wärmeübertrager 1.3 deaktiviert, so dass der Wärmeeintrag in den Abwärmenutzungskreislauf 1 sinkt. Hierzu wird der Wärmeübertrager 1.3 oder ein nicht dargestellter, mit dem Wärmeübertrager 1.3 gekoppelter Wärmetauscher abgasseitig mit einem Bypass überbrückt.
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Viele der zur thermischen Rekuperation genutzte Arbeitsmedien AM haben eine geringere spezifische Wärmekapazität als ein konventionelles Wasser-Glysantin-Gemisch. Dies führt insbesondere bei hohen Lasten der Verbrennungskraftmaschine dazu, dass eine geforderte Wärmestromdichte im Abwärmenutzungskreislauf 1 nur mittels hoher Massenströme des Arbeitsmediums AM realisiert werden kann.
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Hieraus ergibt sich für eine Auslegung der Fördereinheit 1.1 des Abwärmenutzungskreislaufs 1 ein Zielkonflikt. Während im Großteil eines Kennfeldbereichs zur thermischen Rekuperation ein hohes Druckverhältnis an der Expansionsmaschine 1.4 gefordert wird, ist in den wenig genutzten, aber ebenso abzusichernden Betriebspunkten, insbesondere bei bereits deaktiviertem Wärmeübertrager 1.3, ein sehr hoher Massenstrom bei möglichst geringem Druckverhältnis an der Expansionsmaschine 1.4 zielführend. Bei diesen Betriebspunkten muss trotz des Wegfalls des Wärmeeintrags aus dem Abgas in den Abwärmenutzungskreislauf 1 ein hoher Massenstrom des Arbeitsmediums AM sichergestellt werden, insbesondere dann, wenn in der Verbrennungskraftmaschine kein Phasenwechsel des Arbeitsmediums AM gewünscht oder zulässig ist.
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Um diesen hohen Massenstrom auch bei möglichst geringem Druckverhältnis an der Expansionsmaschine 1.4 zu realisieren, ist vorgesehen, dass zusätzlich zur Deaktivierung des Wärmeübertragers 1.3 der Massenstrom des Arbeitsmediums AM innerhalb des Abwärmenutzungskreislaufs 1 zusätzlich zur Fördereinheit 1.1 mittels der Expansionsmaschine 1.4 erzeugt wird. Das heißt, die Fördereinheit 1.1 wird in diesen hochlastigen Betriebspunkten durch die Expansionsmaschine 1.4 unterstützt. Da in diesen Fällen aufgrund der beschränkten Kühlkapazität und des geringen Druckverhältnisses an der Expansionsmaschine 1.4 der Rekuperationsbetrieb nicht sinnvoll aufrechterhalten werden kann, wird die Expansionsmaschine 1.4 ebenso angetrieben. Hierdurch ist eine kleinere, zielgerichtetere Auslegung der Fördereinheit 1.1 möglich.
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In einer möglichen Ausgestaltung wird zusätzlich zur Deaktivierung des Wärmeübertragers 1.3 und zur Nutzung der Expansionsmaschine 1.4 zur Erzeugung des Massenstroms die Fördereinheit 1.1 überbrückt bzw. bypassiert, damit diese keine Engstelle oder Drossel im Abwärmenutzungskreislauf 1 darstellt. In dieser Ausgestaltung erfolgt eine Umwälzung des Arbeitsmediums AM im Abwärmenutzungskreislaufs 1 vollständig mittels der Expansionsmaschine 1.4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abwärmenutzungskreislauf
- 1.1
- Fördereinheit
- 1.2
- Wärmeübertrager
- 1.3
- Wärmeübertrager
- 1.4
- Expansionsmaschine
- 1.5
- Kondensator
- 2
- Abwärmenutzungssystem
- 3
- Abwärmequelle
- 4
- Abwärmequelle
- AM
- Arbeitsmedium
- HD
- Hochdruckseite
- h
- Enthalpie
- ND
- Niederdruckseite
- p
- Druck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008017407 A1 [0002]
- DE 102009048683 A1 [0003]
