DE10328289B3

DE10328289B3 - Arbeitsmedium für Dampfkreisprozesse

Info

Publication number: DE10328289B3
Application number: DE10328289A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoetger; Carsten Bloch
Original assignee: Enginion AG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2003-06-23
Filing date: 2003-06-23
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2023-06-24
Also published as: EP1706600A1; WO2005001248A1; US20060277910A1

Abstract

Ein Dampfkreisprozess mit einem Dampferzeuger, in welchem thermische Energie auf ein Arbeitsmedium übertragbar ist und einer Kraftmaschine, in welcher die in dem Arbeitsmedium enthaltene thermische Energie in mechanische Arbeit umwandelbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium wenigstens eine heterozyklische Verbindung, insbesondere eine heterozyklische aromatische Verbindung, zum Beispiel 2-Methylpyridin, 3-Methylpyridin, Pyridin, Pyrrol und/oder Pyridazin enthält. Das Arbeitsmedium kann zusätzlich ein oder mehrere mit Wasser mischbare Polymere, zum Beispiel Polyethylenglykol oder ein Polyphenyl, insbesondere Terphenyl, tensidische und/oder sonstige organische Schmiermittel enthalten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hilfsaggregat für Kraftfahrzeuge, enthaltend einen Dampfkreisprozess mit einem Dampferzeuger, in welchem thermische Energie auf ein Arbeitsmedium übertragbar ist und einer Kraftmaschine, in welcher die in dem Arbeitsmedium enthaltene thermische Energie in mechanische Arbeit umwandelbar ist. 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. 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,

Durch die geringe, maximal mögliche Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Kondensat ist bei der Verwendung von Speisewasser als Arbeitsmedium der Wirkungsgrad gering. Daher wird bei solchen Anlagen das Wasser durch ein organisches Arbeitsmedium ersetzt. Die zum Beispiel in der DE 100 29 732 A1 verwendeten organischen Arbeitsmedium haben einen geringeren Siedepunkt, der im Bereich von 70°C bis 90°C liegt. Als Arbeitsmedium sind Verbindungen aus den Klassen der Fluorkohlenwasserstoffe oder Alkane bekannt. Durch ihre Verwendung wird die Kondensationstemperatur erniedrigt und die Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Kondensat vergrößert, was mit einem verbesserten Wirkungsgrad verbunden ist. Die Temperaturdifferenz und damit der theoretische Wirkungsgrad ist aber weiterhin kleiner als bei einem mit Wasser betriebenen Kreisprozess.

Aus der DE 34 20 293 C2 ist die Verwendung bizyklischer Kohlenwasserstoffe als Arbeitsfluide bekannt. Diese weisen eine ähnliche Temperaturdifferenz bei einem insgesamt höheren Temperaturniveau auf.

Aus der US 3,841,099 ist ein Rankine-Kreisprozess für den Hauptantrieb von Fahrzeugen bekannt. Als Arbeitsmedium wird dabei eine Mischung aus Wasser und heterozyklischen Verbindungen, zum Beispiel Pyridin verwendet. Der beschriebene Hauptantrieb arbeitet mit einem Öl-geschmierten Kolben. Ein solcher Öl-geschmierter Kolben ist mit Problemen verbunden. So werden die Öltröpfchen durch das Wasser von der Kolbenwandung weggespült und der Kolben läuft mit höherer Reibung. Zur Lösung dieses Problems wird in der Patentschrift vorgeschlagen, den Kreisprozess mehrstufig auszubilden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Hilfsaggregat zu schaffen, der bei hohem Wirkungsgrad ohne zusätzlichen Energiebedarf frostsicher arbeitet und eine gute Schmierung gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Arbeitsmedium wenigstens eine heterozyklische Verbindung, insbesondere eine heterozyklische aromatische Verbindung enthält und das Arbeitsmedium zusätzlich ein oder mehrere mit Wasser mischbare Polymere, tensidische und/oder sonstige organische Schmiermittel enthält. Durch den Zusatz einer heterozyklischen, aromatischen Verbindung kann weiterhin bei hohen Temperaturen und mit Wasser gearbeitet werden. Der Gefrierpunkt wird jedoch soweit herabgesetzt, dass die Anlage auch bei Temperaturen unterhalb 0 °C arbeiten kann. Je nach gewünschtem Gefrierpunkt kann dann mehr oder weniger zugesetzt werden. Vorzugsweise ist das Arbeitsmedium ein Gemisch, welches Wasser und heterozyklische aromatische Verbindungen enthält, wobei das Wasser in einer Menge zwischen 5 und 95 Gew.-% und die heterozyklischen Verbindungen in einer Menge zwischen 5 und 95 Gew.-% vorliegen.

Die meisten heterozyklischen Verbindungen sind im Gegensatz zu einfachen aromatischen Verbindungen gut mit Wasser mischbar und erlauben daher bei Bedarf auch höhere Konzentrationen an zugesetzten Substanzen. Sie weisen eine hohe thermische Stabilität und Dauerhaltbarkeit auf. Das bedeutet, dass sie sich bei den hohen Temperaturen in der Dampfphase nicht zersetzen. Dadurch werden Ablagerungen vermieden.

Wenn Verbindungen ausgewählt werden, deren Siedepunkt in einer ähnlichen Größenordnung wie bei Wasser liegt, wird eine Entmischung im Verdampfer oder Kondensator des Kreisprozesses mit der damit verbundenen verringerten Wirksamkeit vermieden. Auch führt ein zu geringer Siedepunkt des Arbeitsfluids zu Problemen bei der Kondensation. Ein zu hoher Siedepunkt verringert die Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Kondensat. Das bedeutet gleichzeitig, dass sich der Wirkungsgrad verringert.

Das heterozyklische Atom ist vorzugsweise Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel. Das Arbeitsmedium enthält in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung 2-Methylpyridin, 3-Methylpyridin, Pyridin, Pyrrol und/oder Pyridazin als heterozyklische Verbindung. Diese haben geeignete Siedepunkte und sind bis zu sehr hohen Temperaturen thermisch stabil. Alternativ können auch Perfluorkohlenwasserstoffe mit Zersetzungstemperaturen zwischen 420°C und 480°C eingesetzt werden. Diese haben jedoch einen negativen Effekt auf die Ozonschicht der Erde (Treibhauseffekt) und sind daher aus nichttechnischen Gründen nicht besonders geeignet.

Durch den Zusatz heterozyklischer Verbindungen zu Wasser wird die Viskosität der Mischungen gegenüber den reinen Substanzen erhöht. Das Arbeitsmedium kann daher gleichzeitig als Schmierstoff für die beweglichen Teile des Motors, insbesondere der Kolben und/oder Lagerungen, verwendet werden. Ein solches selbstschmierendes Arbeitsmedium hat den wesentlichen Vorteil, dass auf klassische Schmiermittel verzichtet werden kann. Das bedeutet, dass Ölwechsel, Reinigung des Arbeitsmediums von mitgerissenen Schmieröltröpfchen und dergleichen nicht erforderlich sind.

Das Arbeitsmedium enthält zusätzlich ein oder mehrere mit Wasser mischbare Polymere, zum Beispiel Polyethylenglykol oder Terphenyl, tensidische und/oder sonstige organische Schmierstoffe. Dadurch wird die selbstschmierende Wirkung der Mischung aus Speisewasser und heterozyklischen Verbindungen erhöht.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend näher erläutert.

In 1 ist schematisch der Dampfkreisprozess 10 einer Rotationskolben-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 in Form von Speisewasser bzw. Speisewasserdampf mit einigen Zusätzen durchflossen. Das Arbeitsmedium steht dabei unter einem erhöhten Druck, welcher von einer Pumpe 16 erzeugt wird. Dem Wasser oder Wasserdampf wird eine Wärmemenge Φ_H aus dem Rauchgas zugeführt. Dadurch wird der Wasserdampf stark überhitzt, d.h. auf eine hohe Temperatur und ein höheres Druckniveau gebracht. Die innere Energie steigt. In einer Rotationskolbenmaschine 14 wird der Wasserdampf entspannt. Dabei sinkt der Druck wieder auf ein niedrigeres Druckniveau. Bei dieser Entspannung wird Arbeit frei. Der entspannte Wasserdampf wird dann einem Kondensator 18 zugeführt, in welchem er kondensiert wird, damit das Wasser für den Kreisprozess weiter zur Verfügung steht. Dabei wird die Wärmemenge Φ_c frei, die zum Beispiel für Wärmezwecke genutzt werden kann. Das kondensierte Wasser wird erneut der Pumpe 16 zugeführt.
Das Arbeitsmedium ist ein Gemisch aus 10 Gew.-% Wasser, 89 Gew-% 2-Methylpyridin und 1 Gew.-% Polyethylenglykol. Diese Mischung siedet bei einer Temperatur von etwa 95°C. Sie ist bis zu einer Temperatur oberhalb von 400°C thermisch stabil. Es kann also bei einer großen Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Kondensat gearbeitet werden, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
Das Arbeitsmedium gefriert bei einer Temperatur unterhalb von –40°C. Der Kreisprozess kann also auch in Anlagen im Freien eingesetzt werden, die nicht kontinuierlich arbeiten, wie dies bei Hilfsaggregaten für Kraftfahrzeuge der Fall ist.
In 2 ist ein Graph dargestellt, der den Verlauf der Gefrierpunktstemperatur über dem Anteil an 2-Methylpyridin darstellt. Man erkennt deutlich, dass der Gefrierpunkt oberhalb eines Anteils von etwa 60 Gew.-% stark abfällt. Je nach erwarteter minimaler Umgebungstemperatur kann entsprechend der Anteil des zugesetzten 2-Methylpyridins eingestellt werden.

Claims

Hilfsaggregat für Kraftfahrzeuge, enthaltend einen Dampfkreisprozess mit einem Dampferzeuger, in welchem thermische Energie auf ein Arbeitsmedium übertragbar ist und einer Kraftmaschine, in welcher die in dem Arbeitsmedium enthaltene thermische Energie in mechanische Arbeit umwandelbar ist, wobei das Arbeitsmedium wenigstens eine heterozyklische Verbindung enthält und das Arbeitsmedium zusätzlich ein oder mehrere mit Wasser mischbare Polymere, tensidische und/oder sonstige organische Schmiermittel enthält.
Hilfsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium ein Gemisch ist, welches Wasser und heterozyklische aromatische Verbindungen enthält, wobei das Wasser in einer Menge zwischen 5 und 95 Gew.-% und die heterozyklischen Verbindungen in einer Menge zwischen 5 und 95 Gew.-% vorliegen.
Hilfsaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium 2-Methylpyridin, 3-Methylpyridin, Pyridin, Pyrrol und/oder Pyridazin als heterozyklische Verbindung enthält.
Dampfkreisprozess nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer Polyethylenglykol oder ein Polyphenyl, insbesondere Terphenyl ist.
Verwendung von heterozyklischen aromatischen Verbindungen, insbesondere 2-Methylpyridin, in einem Arbeitsmedium für Dampfkreisprozesse nach einem der vorgehenden Ansprüche.