DE2810191C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Wärmeentzug aus mindestens einem strömenden Wärmeträgermedium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmeentzug aus mindestens einem strömenden Wärmeträgermedium mittels mindestens eines Dampfkreislaufs, in dem zur Erzeugung von Nutzleistung ein Arbeitsmittel mindestens vorgewärmt, mindestens teilweise verdampft und arbeitsleistend entspannt sowie kondensiert wird, insbesondere zur Abwärmeverwertung bei Dieselbrennkraftmaschinen, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Verwendung der Abwärme von Dieselbrennkraftmaschinen ist es bekannt (CH-PS 5 86 349), einen Teil der in den Abgasen und/oder im Kühlwasser enthaltenen Wärme mit Hilfe eines oder mehrerer Dampfkreisläufe nutzbar zu machen. Die Abwärme der Maschine dient dabei dazu, das Arbeitsmittel des oder der — auf unterschiedlichen Druck- oder TemperatürnU veaus liegenden — Dampfkreisläufe zu verdampfen und gegebenenfalls zu überhitzen; der Dampf wird anschließend in einer oder mehreren Turbinen entspannt und leistet dabei mechanische Arbeit.

Weiterhin ist auch schon vorgeschlagen werden, zusätzlich einen ähnlichen Kreislauf zur Rekuperation der Ladeluft-Kornpressionswärme vorzusehen, die in einem gegebenenfalls vorhandenen Ladeluftkühler genutzt wird; diesem Vorschlag ist darüberhinaus die Anregung zu entnehmen, in mindestens einem der erwähnten Dampfkreisläufe einen Wärmeverbraucher,

z. B. eine Raumheizung, vorzusehen (DE-AS 27 52 283).

Schließlich ist aus der DE-AS 12 01642 eine

Gasturbinenanlage mit Abwärmeverwertung bekannt, bei der bezüglich des Arbeitsmittels eines Heizkreislaufes und eines Nutzleistungskreislaufes einzelne Wärmetauscher in Serie hintereinander geschaltet sind, in denen den Abgasen der Turbinen die Abwärme entzogen wird. Heizkreislauf und Nutzleistungskreislauf sind dabei in Parallelschaltung zueinander mit den Wärmetauschern verbunden; sie sind derart mit Absperrorganen versehen, daß das in den Wärmetau-. schern erhitzte Wasser wahlweise dem einen oder dem anderen der beiden Kreisläufe zugeleitet werden kann,

d. h. der Heiz- oder der Nutzkreislauf betrieben werden. Dadurch soll die Abwärme, die primär in dem Heizkreislauf verwertet werden soll, durch Erzeugung von Naßdampf auch in Zeiten genutzt werden, in denen kein Bedarf an Heizwärme besteht. Für das Verfahren zur Abwärmeverwertung nach der vorliegenden Erfindung und für die — im folgenden noch ausführlich erläuterten — ihm zugrunde liegende Aufgabe sind dieser DE-AS keinerlei Anregungen zu entnehmen.
Während bei den vorgeschlagenen Anordnungen mit einem zusätzlichen Wärmeverbraucher im Dampfkreislauf diesem und damit der Erzeugung relativ hochwertiger mechanischer Energie ein Teil des in ihm nutzbaren Wärmeinhalts entzogen und als relativ niederwertige Heizenergie verbraucht wird, kann aus den anderen beschriebenen Anlagen, besonders bei gasförmigen Wärmeträgermedien, mit vertretbarem, anlagemäßigem Aufwand für die Wärmetauscher und die Gasleitungen die Abwärme nur unvollständig zurückgewonnen werden. Dieser Nachteil, e'er besonders bei Anlagen mit — durch die zur Verfügung stehende Abwärme begrenztem — relativ niedrigem Temperatur- und Druckniveau ins Gewicht fällt, kann mit Hilfe des Diagramms der F i g. 5 folgendermaßen erläutert werden.

Das erwähnte Diagramm zeigt — in willkürlichen Einheiten aufgetragen — auf der Ordinate Temperaturen t und auf der Abszisse Wärmemengen Q, beispielsweise für eine Rückgewinnung der Kompressionswärme aus der Ladeluft eines Dieselmotors mit Hilfe eines Dampfkreislaufs.

Dieser ist in seiner Ausbildung bezüglich des Drucks dadurch festgelegt, daß am sogenannten Pinch-Point P bzw. P' ein ausreichendes Temperaturgefälle für einen wirksamen Wärmeübergang bzw. -fluß zwischen dem wärmeabgebenden Gas (Temperaturverlauf Kurve a) und dem wärmeaufnehmenden Arbeitsmittel (Temperaturverlauf Kurve b) gegeben ist. Die durch den Dampfkreislauf zirkulierende Arbeitsmittelmenge ist dabei dadurch bestimmt, daß die zwischen dem Pinch-Point und dem Ende der Verdampfung zur Verfügung stehende Abwärme Qv mindestens ausrel· chen muß, die bis auf Verdampfungstemperatur f3 vorgewärmte Arbeitsmittelmenge in Sattdampf umzuwandeln. Durch den Wärmebedarf für diese Verdampf fung wird die Ladeluft während der Verdampfung des Arbeitsmittels von ihrer Anfangstemperatur fi auf die Temperatur fe abgekühlt.

Da die für eine Verdampfung, besonders von Wasser,

benötigte Energie relativ zu derjenigen für die Vorwärmung des Wassers bis auf die Verdampfungstemperatur b sehr groß ist, kann nur eine relativ kleine Arbeitsmittelmenge in dem Nutzleistung erzeugenden Dampfkreislauf zirkulieren. Die Vorwärmung dieser flüssigen Arbeitsmittelmenge von ihrer Kondensattemperatur fs auf die Verdampfungstemperatur {3 benötigt daher nur eine relativ geringe Wärmemenge Qs, was in F i g. 5 durch Jen gestrichelt dargestellten Kurvenzweig c verdeutlicht ist Diese Vorwärmung bewirkt dabei eine Abkühlung des primärseitigen Gases lediglich auf eine Zwischentemperatur U.

Da das wärmeabgebende Gas — unter Berücksichtigung eines ausreichenden Temperaturgefälles für den mit vertretbarem Aufwand erreichbaren Wärmeübergang von dem primärseitigen Gas auf das Kondensat des Dampfkreislaufs — an sich auf eine Temperatur is abgekühlt werden könnte, fließt in dem beschriebenen, bisherigen System mit dem ungenügend abgekühlten Gas somit eine Wärmemenge Qz ungenutzt aus dem System ab, so daß die Energierückgewinnung nur mangelhaft ist

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Energierückgewinnung mit Hilfe von Nutzleistung erzeugenden Dampfkreisläufen bei Dieselbrennkraftmaschinen zu verbessern und insbesondere den gasförmigen Abwärmeträgern, z. B. den Abgasen und der komprimierten Ladeluft, mehr Wärme zu entziehen, als mit konventionellen Mitteln möglich ist Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß in den Nutzleistungskreislauf vor der Vorwärmung eine zusätzliche Menge flüssigen Arbeitsmittels aus einem Heizkreislauf eingespeist wird, welches nach der Vorwärmung aus dem Nutzkreislauf wieder ausgeschieden und mindestens einem Wärmeverbraucher zugeführt wird.

Mit Hilfe des neuen Verfahrens wird die durch die Abwärme der Brennkraftmaschine vorgewärmte Arbeitsmittelmenge (Temperaturverlauf Kurve d) relativ zu der in dem Dampfkreislauf zirkulierenden Menge vervielfacht, wodurch die den Abwärmeträgern bei der Vorwärmung entzogene Wärmemenge, und zwar um den Wert Q_z (Fig. 5), ebenfalls vergiößert wird; diese zusätzlich rückgewonnene Energie wird vorzugsweise zu Heizzwecken ausgenützt Sie wird aber nicht — wie bei den bisherigen Anlagen mit einem Wärmeverbraueher im eigentlichen Dampfkreislauf — der als Nutzleistung zu verwertenden Energie entzogen, sondern beeinträchtigt die Energie, die dem Dampfkreislauf zur Verfügung gestellt werden kann, überhaupt nicht, da sie, wie vorstehend erläutert, in diesem gar nicht verwertet werden kann. Diese Heizenergie, die beispielsweise für Raumheizungen oder für Bunkerheizung auf Schiffen dient steht daher im Gegensatz zu der bei den bisherigen Anlagen frei zur Verfügung, ohne daß dafür Brennstoff verbraucht oder eine Reduktion der Dampfmenge zur Leistungserzeugung in Kauf genommen werden muß.

Eine Anlage zur Durchführung des neuen Verfahrens mit mindestens einem Vorwärmer, einem Verdampfer, einer arbeitsleistenden Entspannungsmaschine, einem Kondensator und einer Pumpe, die zu dem Nutzleistung erzeugenden System des Dampfkreislaufs zusammengeschlossen sind, zeichnet sich dadurch aus, daß an den Vorwärmer parallel zu dem Nutzleistungssystem ein Heizleistungssystcm angeschlossen ist, das mindestens einen Wärmeverbraucher enthält.

Bei den eingangs cii:ykutierten Anlagen, bei denen mehrere Dampfkreisläufe unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus vorhanden sind, kann der anlageseitige Aufwand durch die Durchführung des neuen Verfahrens vereinfacht und reduziert werden, wenn mindestens einzelne Vorwärmer der Systeme bezüglich des Arbeitsmittelflusses partiell hintereinander geschaltet sind, wenn ferner das Heizleistungssystem parallel zu dieser Serienschaltung angeordnet ist, und wenn für die Aufteilung des Arbeitsmittels auf die verschiedenen Systeme einstellbare Drosselorgane oder in ihrer Förderleistung einstellbare Fördermittel für den Arbeitsmittelstrom vorgesehen sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert

F i g. 1 zeigt schematisch eine Anlage zur Durchführung des neuen Verfahrens mit einem Dampfkreislauf, in dem wegen des relativ niedrigen Temperaturniveaus des Wärmeträgermediums, beispielsweise der zu kühlenden Lzdeluft lediglich Sattdampf benutzt wird;

F i g. 2 stellt eine Variante von F', ,„ 1 dar;

F i g. 3 gibt eine von den Abgaser der Maschine beheizte Anlage wieder, in der überhitzter Dampf erzeugt und verwertet wird;

F i g. 4 schließlich ist eine Anlage mit zwei verschiedenen Dampfkreisläufeii unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus;

Fig. 5 stellt ein Temperatur/Wärmefluß-Diagramm dar.

Ein Wärmetauscher 1 (Fig. 1) wire! primärseitig, wie durch Pfeile angedeutet, von links nach rechts von einem Wärmeträgermedium durchsetzt dem möglichst viel Wärme entzogen werden soll. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sei dieses Wärmeträgermedium beispielsweise die komprimierte Ladeluft eines Dieselmotors, der die Kompressionswärme bei ihrem Eintritt in den Motor soweit wie möglich wieder entzogen werden muß.

Die der Ladeluft zu entziehende Wärme wVd über drei verschiedene sekundärseitige Wärmetauscherflächen abgeführt, die von unterschiedlichen Medien bzw. unterschiedlichen Mengen eines Mediums durchströmt werden. In Richtung des Ladeluftstromes ist zunächst eine als direkter oder indirekter Verdampfer dienende Wärmetauscher- oder Heizfläche 2 vorhanden, in der das zu verdampfende Arbeitsmittel eines noch näher zu bezeichnenden Dampfkreislaufs 3 entweder verdampft uder so weit aufgeheizt wird, daß es in einem anschließenden Gefäß 4 durch Entspannung verdampft werden kann oder via weiterem Wärmetauscher ein drittes Medium zum Verdampfen bringt.

Das Arbeitsmittel des Dampfkreislaufs 3, im allgemeinen Wasser, wird mindestens nahezu bis auf seine Ver^ampfungstemperatur vorgewärmt in einem Vorwärmer 5, der in Strömungsrichtung der Ladeluft durch den Wärmetauscher 1 auf die Fläche 2 folgt.

Zusätzlich ist in dem Wärmetauscher 1 eine dritte Wärmetauscherfläche 6 vorgesehen, die sekundärseitig nicht vom Arbeitsmittel des Dampfkreislaufs 3, sondern von einem Kühi.nittel durchsetzt wird. Der Kühler 6 liegt sekundärseitig z. B. parallel zu einem die Kondensationswärme aus einem Kondensator 7 des Dampfkreislaufs 3 abführenden Kühiwassersystero, wobei die Mengenaufteilung zwischen beiden durch einstellbare Drosselorgane 8 und 9 sichergestellt wird. Der Kühler 6 hat üitr Aufgabe, einen zusätzlichen, nicht rekuperierbaren Wärmeentzug aus der Ladeluft zu bewirken, falls diese durch das erfindungsgemäße Vorgehen nicht in für den Motor optimaler Weise

ϊ J

zufückgekühlt werden kann.

Der Dampfkreislauf 3 wird vervollständigt durch eine Pumpe 10 und eine Turbine 11, die einen Generator 17 antreibt.

Zur Durchführung des neuen Verfahrens ist, dem Nutzleistungssystem 3 bezüglich des Vorwärmers 5 parallel geschaltet, ein Heizleistungssystem i2 vorgesehen, durch das, von einer Pumpe 13 umgewälzt, das gleiche, flüssige Arbeitsmittel wie im Kreislauf 3 zirkuliert. Dieses Arbeitsmittel aus dem System 12 wird an der Stelle 14 in den Kreislauf'3 eingespeist und an der Stelle 15 wieder auf die beiden Systeme 3 und 12 verteilt, wobei die Aufteilung durch die Auslegung der beiden Systeme 3 und 12 hinsichtlich der Strömungswiderstände und die Förderleistung der in ihnen vorhandenen Pumpen 10 und 13 bestimmt ist. Auslegung und Förderleistung der Pumpen sind — bei allen Ausführungsbeispielen — auf optimale Abwärmeverwertung bei Vollast-Leistung der Brennkraftmaschine abgestimmt und der Einfachheit der Systeme wegen Tür einen Teillastbetrieb nicht regelbar, sondern werden nur einmal eingestellt.

Die aus dem Kreislauf 3 ausgeschiedene Arbeitsmittelmenge, die in sehr vielen Fällen ein Mehrfaches der in ihm verbleibenden Menge beträgt, durchfließt als primärseitiges, d. h. wärmeabgebendes Medium einen Wärmetauscher 16, dessen sekundärseitiges Medium Heizzwecken, beispielsweise zur Raumheizung oder — auf Schiffen — zur Bunkerheizung, dient.

Die Anlage nach F i g. 2 unterscheidet sich nur geringfügig von derjenigen nach F i g. 1. Zum einen fehlt bei ihr der Kühler 6 und zum anderen ist die Ankuppelung des Systems 12 an den Vorwärmer 5 etwas unterschiedlich aufgebaut. Bei diesem Beispiel fließen die an der Stelle 14 zusammengeführten Arbeitsmittelmengen beider Systeme 3 und 12 gemeinsam einem Mischer 20 zu. in den auch das vom Vorwärmer 5 aufgewärmte Arbeitsmittel eingespeist wird; von diesem Mischer 20 aus fließt die im Dampfkreislauf benötigte Menge in die Wärmetauscherfläche 2, während das restliche Arbeitsmittel zu einem Verzweigungspunkt 21 gelangt, an dem es gemäß der Förderleistung einer zusätzlichen Pumpe 22 auf den Vorwärmer 5 und den Wärmetauscher 16 verteilt wird. Da das Arbeitsmittel den Mischer 20 — bei gleichbleibenden sonstigen Verhältnissen — mit einer tieferen Temperatur als derjenigen am Punkt 15 des ersten Beispiels verläßt, wird in der Fläche 2 der Wärmeübergang durch das höhere zur Verfügung stehende Temperaturgefälle verbessert, so daß die gesamte Wärmetauscherfläche für einen gleichen Wärmeentzug aus der Ladelurt relativ zum Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 kleiner gehalten werden kann.

Der Wärmetauscher 31 der Anlage nach F i g. 3 ist primärseitig von den wesentlichen heißeren Abgasen des Motors beaufschlagt; der von ihm mit Energie versorgte Dampfkreislauf 33 liegt daher in seinem Dampfbereich auf wesentlich höherem Druck- und Temperaturniveau als der Dampfkreislauf 3 der F i g. 1 und 2. Bei der Anlage nach F i g. 3 wird dem Sattdampf enthaltenden Gefäß 34 zusätzlich vor der Turbine 11 ein Oberhitzer 36 nachgeordnet, der primärseitig m Strömungsrichtung der Abgase in einem Wärmetauscher 31 der Wärmetauscher- oder Heizfläche 32 vorangestellt ist.

Wie F«g. 3 weiterhin erkennen läßt, wird in der Heizfläche 32 nur eine teilweise Verdampfung des von der Stelle 15 kommenden, im Kreislauf 33 zirkulierenden Arbeitsmittels durchgeführt, so daß ein Dampf/ Wasser^Gemisch über Düsen 37 in das Gefäß 34 eingespritzt wird. Die nur teilweise Verdampfung in der Tauscherfläche 32 verbessert zum einen infolge der verbleibenden Restfeuehte den Wärmeübergang auf das Arbeitsmittel und verhindert zum anderen, daß sich evtl. zugesetzte Korrosionsschutzmittel an den trockenen Wänden der Tauscherfläche 32 festsetzen können. Die verbleibende Feuchte bewirkt also, daß evtl. aus dem Dampf ausgeschiedene Korrosionsschutzmittel wieder in Lösung gehen und von den Wänden abgespült werden.

Der Wasserraum des Gefäßes 34 steht über eine Umwälzpumpe 38 mit dem Arbeitsmittelfluß am Eintritt in den Vorwärmer 35 in Verbindung; die Pumpe 38 hat die Funktion, die Druckverluste in den Zirkulationssystemen 35,32, 34 auszugleichen.

Der Sinn der Wasserbeimischung aus dem Gefäß 34 besteht primär darin, die Temperatur des Arbeitsmittels am Eintritt in den Vorwärmer 35 über einem — zur Vermeidung von Korrosionen auf der Gasseite — notwendigen Minimalwert zu halten; weiterhin wird durch diese Wasserzirkulation der Tauscherfläche 32 immer ausreichend flüssiges Arbeitsmittel zur Verfügung gestellt, so daß in ihr die erwähnte, erforderliche Restfeuehte gewährleistet bleibt

Die Aufteilung des Arbeitsmittels am Verzweigungspunkt 15 ist wiederum durch die — auf Voll-Last des Motors abgestimmte — Förderleistung der Pumpen 10, 13 und 38 bestimmt.

Das Anlageschema nach F i g. 4 stellt eine Anlage dar. bei der ein ladeluftbeheizter Dampfkreislauf niedrigen Druck- und Temperaturniveaus — ähnlich demjenigen nach F i g. 2 — und ein abgasbeheizter Dampfkreislauf höheren Drucks und höherer Temperatur miteinander kombiniert sind, wobei beiden die Turbine 41, in die der Dampf des Kreislaufs 3 an eine Zwischenstelle geeigneten Drucks eingespeist wird, der Kondensator 7 und die Speisepumpe 10 gemeinsam sind.

Von der Pumpe 10 gefördert, durchströmt die — abgesehen von der relativ geringen, mit Hilfe der Pumpe 38 durch die Elemente 35, 32 und 34 ziikuiicreiiue w'assermenge — gesainie Aibcusimiicimenge der drei Teilsysteme 3, 33 und 12 zunächst den Vorwärmer 5; an der Stelle 15 wird ihr die im Kreislauf 3 benötigte Menge entzogen, während der Rest einer Einspeise- und Verzweigungsstelle 44 zufließt An dieser wird dem Strom, der zu dem arbeitsmittelseitig dem Vorwärmer 5 in partieller Serienschaltung nachgeordneten Vorwärmer 35 fließt, zum einen das im Zusammenhang mit Fig.3 beschriebene Zirku'itionswasser aus dem Gefäß 34 hinzugefügt und zum anderen eine Teilmenge entzogen, die über einen Bypaß 50 direkt in das Heizsystem 16 geführt und durch ein einstellbares Drosselorgan 51 gesteuert wird. Mit Hilfe dieses Bypasses ist es möglich — wiederum wegen Korrosion —, den Wärmeentzug aus den Abgasen im Vorwärmer 35 zu beschränken.

Der Hauptsirom des Arbeitsmittels gelangt daraufhin durch den Vorwärmer 35 zur Verzweigung 45, an der die für den Dampfkreislauf 33 und für den Heizkreislauf 12 benötigten Teilmengen voneinander getrennt und den Wärmetauschern 32 bzw. 16 zugeleitet werden.

Die Druckerhöhung und Zirkulation wird in dem kobinierten System allein von der Pumpe 10 bewirkt wofür die Einspeisestelle 14 des flüssigen Arbeitsmittels aus dem System 12 in das System der Dampfkreisläufe 3 und 33 auf der Saugseite der Pumpe 10 angeordnet ist

Die Aufteilung in den verschiedenen Verzweigungspunkten 15 bzw. 45 wird mit Hilfe von einstellbaren Drosselorganen 18 bzw. 48 und 49 durchgeführt, Während im Heizkreislauf 12 vor der Einspeisestelle 14 für den Abbau des relativ hohen Drucks ein Gegendruck-Drosselorgan 43 anstelle der Pumpe 13 eingesetzt ist.

Stritetverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt; insbesondere ist sie nicht auf die Wärmerückgewinnung bei Dieselmotoren und auf die Verwendung von gasförmigen Wäfrrieträgermedien auf der Primärseite der Wärmetauscher 1 und 31 beschränkt, obwohl gerade für derartige Medien die Anwendung der Erfindung besonders vorteilhaft ist, weil dadurch der Wärmeentzug aus ihnen ohne eine erhebliche Vergrößerung der Wärmetauscherflächen möglich Wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

•30 251/320

^ Λϊ&ί.»* ™ϋ Λ* *.U,fjfc'i-Λί*---

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Wärmeentzug aus mindestens einem strömenden Wärmeträgermedium mittels mindestens eines Dampfkreislaufs, in dem zur Erzeugung von Nutzleistung ein Arbeitsmittel mindestens vorgewärmt, mindestens teilweise verdampft und arbeitsleistend entspannt sowie kondensiert wird, insbesondere zur Abwärmeverwertung bei Dieselbrennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß in den Nutzleistungskreislauf (3, 33) vor der Vorwärmung eine zusätzliche Menge flüssigen Arbeitsmittels aus einem Heizkreislauf (12) eingespeist wird, welches nach der Vorwärmung aus dem Nutzkreislauf (3, 33) wieder ausgeschieden und mindestens einem Wärmeverbraucher (16) zugeführt wird.

2. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch l_v mit mindestens einem Vorwärmer, einem Veraampfer, einer arbeitsleistenden Entspannungsmpschine, einem Kondensator und einer Pumpe, die zu dem Nutzleistung erzeugenden System des Dampfkreislaufs zusammengeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an den Vorwärmer (5, 35) parallel zu dem Nutzleistungssystem (3, 33) ein Heizleistungssystem {12) angeschlossen ist, das mindestens einen Wärmeverbraucher (16) enthält.

3. Anlage nach Anspruch 2, bei der mindestens zwei Nutzleistung erzeugende Systeme unterschiedlichen Dru.'c- und Temperaturniveaus mit einem Vorwärmer und Verdampfe·" vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einzelne Vorwärmer (5, 35) der Systeme (3, 33) bezüglich eines Teiles des Arbeitsmittelflusses hintereinander geschaltet sind, daß ferner das Heizleistungssystem (12) parallel zu dieser partiellen Serienschaltung angeordnet ist, und daß für die Aufteilung des Arbeitsmittels auf die verschiedenen Systeme (3,33, 12) einstellbare Drosselorgane (18, 19, 48, 49, 51) und/oder in ihrer Förderleistung einstellbare Fördermittel (10, 13, 22) für den Arbeitsmittelstrcn vorgesehen sind.