EP2470755A2 - Method for utilizing the waste heat of internal combustion engines - Google Patents
Method for utilizing the waste heat of internal combustion enginesInfo
- Publication number
- EP2470755A2 EP2470755A2 EP10742762A EP10742762A EP2470755A2 EP 2470755 A2 EP2470755 A2 EP 2470755A2 EP 10742762 A EP10742762 A EP 10742762A EP 10742762 A EP10742762 A EP 10742762A EP 2470755 A2 EP2470755 A2 EP 2470755A2
- Authority
- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- internal combustion
- steam
- engine
- pressure
- exhaust gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
- F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
- F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
- F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
- F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
- F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
- F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
- F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
- F01K27/02—Plants modified to use their waste heat, other than that of exhaust, e.g. engine-friction heat
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
Definitions
- the invention relates to a method for utilizing the waste heat of internal combustion engines, preferably of large gasoline and diesel engines.
- the field of application of the invention is the production and upgrading of, in particular, large internal combustion engines which are used as drives of all kinds, e.g. for vehicles, pumps, compressors, electric generators, etc.
- the internal combustion engines convert the fuels, e.g. Diesel, gasoline or fuel gases by compression, combustion and expansion into technical work by mixing the air required for combustion before or after compression with the fuel and igniting the fuel-air mixture under pressure, or ignited by the compression itself, is converted to combustion gas, which has an elevated temperature and pressure level with respect to the environment.
- the combustion gas expands while giving off technical work, whereby only a part of the released by combustion chemical energy can be converted into technical work, of which in turn a part for overcoming the friction of the machine elements is needed.
- the other part of the supplied energy accumulates as process waste heat.
- the still available heat of the exhaust gas is used in the prior art for the production of hot water or other heat transfer fluids and / or steam of the coolant, usually water vapor, which is also used as a working fluid for steam power processes. It is also known the engine and
- the present invention was therefore based on the object of specifying a method and a device, wherein the thermal energy of the engine cooling, possibly the lubricant and the exhaust gas and optionally the charge air or combustion air for the conversion to technical work are used thermodynamically effective.
- the lubricant is also removed by evaporation of coolant, e.g. by preheated condensate of steam power processes, to a temperature in the range of about 70 to 200 ° C, preferably 100 to 150 ° C is cooled.
- the invention further expansion of the (engine) exhaust gas, ie substantially to the ambient pressure, fully utilizes the exhaust gas pressure is the absolute gas temperature after expansion in the engine to absolute charging temperature higher than the pressure in the cylinder after completion of the load.
- the use according to the invention of motor and lubricant cooling for steam generation is exergetically optimal and makes it possible to provide steam which has a higher working capacity than the liquid or gaseous heat carriers of the prior art.
- the provision of steam from the engine and lubricant cooling subsequently also allows exergetisch better use of the heat of the engine exhaust, even compared to large
- the inventive method for utilizing the waste heat of internal combustion engines, which are cooled by a coolant circuit with coolant and optionally have a lubricant circuit is characterized in that the purpose of cooling, in particular the housing of the internal combustion engine through flowing, cooling liquid, preferably there, i. in the housing, under pressure by the waste heat of the internal combustion engine, heated and then at least partially fed to a connected evaporator while lowering the pressure under its boiling pressure.
- part of the cooling liquid is converted into saturated steam by flash evaporation and the resulting vapor is removed from the cooling circuit and overheated.
- liquid coolant from the evaporation process remains in the cooling circuit.
- the superheated steam is supplied as a working fluid to a connected steam power process, expanded under the delivery of technical work and condensed with the release of heat.
- the condensate obtained is recycled to the coolant circuit.
- the lubricant circuit and the coolant circuit are thermally coupled.
- the coupling is expedient in such a way that the lubricant cooling analogous to Internal combustion engine cooling (engine cooling) by evaporation of coolant takes place.
- the exhaust gas is the
- the preferably expanded exhaust gas of the internal combustion engine is advantageously used for overheating the saturated steam of the coolant.
- the refrigerant condensate can advantageously before its return to the coolant circuit for recuperative cooling of the charge air or combustion air or the fuel-air mixture, in particular fuel gas-air mixture, after the pressure charging and prior to their entry into the internal combustion engine / - are used.
- the cooling of the charge air or combustion air or of the fuel-air mixture is supplied with additional cooling liquid and substantially completely evaporated.
- the subject matter of the present invention is also a device which essentially relates to a combination of internal combustion engine with flash evaporator in the cooling circuit and fluid connection to the cooling circuit arranged steam turbine and optionally a gas turbine arranged in the exhaust gas stream and is preferably suitable for carrying out the method according to the invention.
- a device according to the invention represents a motor-cogeneration plant.
- Another object of the present invention is a method for using the waste heat of internal combustion engines, wherein the exhaust gas is discharged with the release of external technical work to ambient pressure, preferably in a gas turbine.
- the external technical work can be used in particular for the operation of a (electric) generator.
- the present invention makes it possible to apply approximately 1.46 times more energy to the electrical energy.
- the state-of-the-art combined-heat and power plant can generate revenues of € 257 / h at full load and combined heat and power.
- this is usually 2,200 h / a possible, ie 5,500 h / a
- the motor-heating power plant of the prior art only give off electricity and achieve a revenue of 180 € / h.
- these revenues are not sufficient for economic operation, ie such power plants are not built.
- the device according to the invention in the form of a motor-power plant achieves a revenue of 263 € / h in the same mode of operation solely from the power generation.
- the combined heat and power plant according to the invention compensates for the loss of sales of thermal energy through an increased electricity yield of 923 kWh / h and can generate sales of € 2,025,639 / a without heat sales.
- the motor power plant according to the invention is used to drive a large heat pump, which can provide process and district heating in the state of the art with a coefficient of performance of 4 (heat output to electricity), then this combination can generate revenues of € 3.6 million for year-round heat production / a generate.
- the motor-cogeneration plant according to the invention is thus independent of the heat requirement and can produce year-round demand electricity and heat and operated without loss of revenue due to lack of heat sales.
- the present invention also relates to all combinations of preferred embodiments unless they are mutually exclusive.
- the selected gas engine (1) uses methane as fuel (2) with a heating value of 13.87 kWh / kg and achieves an electrical efficiency based on the calorific value of the fuel gas of 42.4%.
- this machine can deliver 2.0 MWh / h of electricity and with cooling of the engine exhaust to 120 0 C 1, 9 MWh / h of useful heat in the form of steam and hot water ,
- the losses of the cogeneration plant amount to approx. 800 kWh / h.
- the combustion of the gas in the internal combustion engine (1) takes place at an air ratio (lambda) of 1.72.
- the combustion air (3) is supplied via the channel, before the turbocompressor (4) with the fuel gas (2) mixed and then compressed by the turbo compressor (4) of ambient pressure to a pressure of 3.5 bar.
- the compaction effort for this is 440 kWh / h.
- the fuel gas-air mixture (8) has after compression an enthalpy difference based on 0 0 C of 560 kWh and a temperature of 186 ° C.
- the turbocompressor (4) sits with the gas turbine (5) and the electric generator (6) on a shaft (7).
- the fuel gas-air mixture (8) is cooled in the recuperator (9) with condensate (10) from the condenser (19) of the downstream steam power process, which is thereby heated to at least 170 ° C before it is supplied via a line as preheated condensate (11) the hot water generator (12).
- the fuel gas-air mixture is cooled in the recuperator (9) by discharge of 369 kWh / h to 40 0 C, so that with the mixture the engine in addition to the calorific value nor 120 kWh / h of heat energy, ie a total of 4,835 kWh / h via the inlet valves ( 15) are supplied.
- the lubricating oil (13) is also cooled in the hot water generator (12) before it is fed back to the oil pan (14) of the internal combustion engine (1).
- the pressurized fuel gas / air mixture (8) supplied via the inlet valves (15) to the internal combustion engine (1) has the following composition in kg / kg.
- the mass flow of the fuel gas-air mixture (8) is 10,336 kg / h and its pressure in the cylinder (16) of the internal combustion engine (1) should be 3 bar at the end of the load.
- the engine exhaust gas After combustion and expansion in the cylinder (16) of the internal combustion engine (1), the engine exhaust gas has a thermal energy of 1,984 / h kWh and the following gas composition in kg / kg:
- the gas turbine (5) is followed by a steam turbine process (17), in the steam generator (21) the waste heat of the engine and oil cooling in the amount of 679 kWh / h to produce 2 bar saturated steam, the cooling of the fuel gas-air mixture after compression for condensate preheating in the recuperator (9) and the exhaust gas heat of the gas turbine (5) from 290 to 130 0 C for steam superheating with condensate injection in the steam superheater (18) is used.
- the gas then serves in the heat sink (20) to provide hot water.
- the steam turbine plant (17) can perform a technical work in the amount of 287 kWh / h at a condensation temperature of 30 0 C in the condenser (19).
- the invention of the comparison of the selected gas engine taking into account the own requirements for the pressure charging leads to an increase in net electricity generation by 46% from 2,000 kWh / h to 2,923 kWh / h with the same fuel use.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
The invention relates to a method for utilizing the waste heat of large internal combustion engines with the goal of increasing the yield of technical work such that said engines can be operated economically independently of the demand for thermal and process heat. The goal is achieved by a novel coupling of the internal combustion engine to gas and steam turbine power processes, characterized in that the pressure gradient of the engine exhaust gas to the ambient pressure is fully utilized, and the engine and oil are cooled forming saturated steam is achieved, taking flow losses into account. The saturated steam is overheated by the exhaust gas cooled down by expansion, and is subsequently expanded and condensed in a steam power process giving off technical work.
Description
VERFAHREN ZUR NUTZUNG DER ABWÄRME VON VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN PROCESS FOR USING THE HEAT OF COMBUSTION ENGINES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen, bevorzugt von großen Otto- und Dieselmotoren. The invention relates to a method for utilizing the waste heat of internal combustion engines, preferably of large gasoline and diesel engines.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Produktion und Ertüchtigung von insbesondere großen Verbrennungskraftmaschinen, die eingesetzt werden als Antriebe aller Art, z.B. für Fahrzeuge, Pumpen, Kompressoren, elektrische Generatoren usw. The field of application of the invention is the production and upgrading of, in particular, large internal combustion engines which are used as drives of all kinds, e.g. for vehicles, pumps, compressors, electric generators, etc.
Die Verbrennungskraftmaschinen wandeln die Brennstoffe, z.B. Dieselöl, Ottokraftstoffe oder Brenngase durch Kompression, Verbrennung und Expansion in technische Arbeit um, indem die für die Verbrennung erforderliche Luft vor oder nach Kompression mit dem Brennstoff vermischt und das Brennstoff-Luft-Gemisch unter Druck gezündet, oder sich durch die Kompression selbst entzündet, zu Verbrennungsgas umgewandelt wird, das gegenüber der Umgebung ein erhöhtes Temperatur- und Druckniveau hat. Das Verbrennungsgas expandiert unter Abgabe von technischer Arbeit, wobei nur ein Teil der durch Verbrennung frei gesetzten chemischen Energie in technische Arbeit umgewandelt werden kann, wovon wiederum ein Teil zur Überwindung der Reibung der Maschinenelemente benötigt wird. Der andere Teil der zugeführten Energie fällt als Prozessabwärme an. Daraus ergibt sich, dass der größte Teil der zugeführten chemischen Energie mit dem nach der Expansion vorliegenden Abgas, durch Kühlung des Motors und ggfs. des Schmiermittels, wie Schmieröl, sowie durch Abstrahlung an die Umgebung abgeführt oder anderweitig, z.B. für die Wärme- oder Warmwasserversorgung genutzt werden muss. The internal combustion engines convert the fuels, e.g. Diesel, gasoline or fuel gases by compression, combustion and expansion into technical work by mixing the air required for combustion before or after compression with the fuel and igniting the fuel-air mixture under pressure, or ignited by the compression itself, is converted to combustion gas, which has an elevated temperature and pressure level with respect to the environment. The combustion gas expands while giving off technical work, whereby only a part of the released by combustion chemical energy can be converted into technical work, of which in turn a part for overcoming the friction of the machine elements is needed. The other part of the supplied energy accumulates as process waste heat. It follows that most of the supplied chemical energy is dissipated with the exhaust gas present after expansion, by cooling the engine and, if necessary, the lubricant, such as lubricating oil, and by radiation to the environment or otherwise, e.g. for the heat or hot water supply must be used.
Da das Abgas der Verbrennungsmotoren außer einer hohen Temperatur auch noch einen gegenüber der Umgebung höheren Druck aufweist und damit techni-
sches Arbeitsvermögen besitzt, ist es beim Stand der Technik üblich, das Abgas unter Abgabe von interner technischer Arbeit in einem Turbolader zu entspannen, bei dem eine Gasturbine direkt einen Turboverdichter antreibt, der den Druck der Verbrennungsluft bzw. Ladeluft oder des Brenngas-/Luftgemisches anhebt, mit dem diese dann dem Motor zugeführt werden. Since the exhaust gas of the internal combustion engines also has, in addition to a high temperature, a higher pressure than the environment, and thus It is common practice in the prior art to relax the exhaust gas by releasing internal engineering work in a turbocharger in which a gas turbine directly drives a turbocompressor which boosts the pressure of the combustion air or the fuel gas / air mixture with which they are then fed to the engine.
Die danach noch verfügbare Wärme des Abgases wird beim Stand der Technik genutzt zur Erzeugung von Heißwasser oder anderen Wärmeträgern und/oder Dampf des Kühlmittels, meist Wasserdampf, der auch als Arbeitsmittel für Dampfkraftprozesse Verwendung findet. Bekannt ist es weiterhin die Motor- und The still available heat of the exhaust gas is used in the prior art for the production of hot water or other heat transfer fluids and / or steam of the coolant, usually water vapor, which is also used as a working fluid for steam power processes. It is also known the engine and
Schmiermittelkühlung für die Warmwassererzeugung zu nutzen. Use lubricant cooling for hot water production.
Die Kombinationen von Verbrennungsmotoren mit Gasturboladern und Dampfprozessen und damit die Kraft-Wärme-Kopplung sind an sich bekannt. The combinations of internal combustion engines with gas turbochargers and steam processes and thus the combined heat and power generation are known per se.
Die bekanntesten technischen Lösungen sind Motor-Heizkraftwerke mit im Druck aufgeladenen Verbrennungsmotoren, so wie sie im Datenblatt der Gasmotoraggregate Baureihe 3.500 E der Firma Zeppelin Power Systems aufgezeigt sind. The best-known technical solutions are engine-fired cogeneration plants with pressure-charged combustion engines, as shown in the data sheet of the gas engine power units series 3.500 E Zeppelin Power Systems.
Der grundsätzliche Mangel des Standes der Technik sind die hohen Exergie- verluste bei der Umsetzung der Abwärme der Verbrennungsmotoren in Nutzwärme oder Arbeitsmittel für nachgelagerte Kraftprozesse. So nutzt der Stand der Technik die gegebene Druckdifferenz zwischen Abgas nach der Expansion im Motor und Umgebungsdruck nicht vollständig, da die üblichen Turbolader zur Aufladung des Verbrennungsmotors das Arbeitsvermögen des Abgases nicht nutzen können. The fundamental deficiency of the state of the art is the high exergy losses during the conversion of the waste heat of the internal combustion engines into useful heat or working medium for downstream power processes. Thus, the prior art does not fully utilize the given pressure difference between exhaust gas after expansion in the engine and ambient pressure, since the usual turbochargers for supercharging the internal combustion engine can not utilize the working capacity of the exhaust gas.
Ein bedeutender Nachteil bekannter Lösungen zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung bei der praktischen Anwendung ist, dass an vielen Standorten kein oder nur saisonbedingter Wärmebedarf vorliegt, so dass die Verbrennungskraft-
maschine die meiste Zeit im Jahr nur zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann, was die Wirtschaftlichkeit des Betriebes und damit die Investition infrage stellt. A significant disadvantage of known solutions for the coupled generation of electricity and heat in practical application is that in many locations there is no or only seasonal heating demand, so that the combustion force machine most of the time in the year can only be used to generate electricity, which puts the economic viability of the operation and thus the investment in question.
Es besteht daher ein Interesse daran, die Kopplung von Verbrennungskraftmaschinen (-motoren), Gasturbinen und Dampfprozessen exergetisch zu optimieren und somit den Anteil der technischen Arbeit an der Energiebilanz dieser Kombination so zu erhöhen, dass diese weitgehend unabhängig vom Wärmebedarf wirtschaftlich betrieben werden kann. There is therefore an interest in exergetically optimizing the coupling of internal combustion engines (engines), gas turbines and steam processes and thus increasing the proportion of technical work on the energy balance of this combination so that it can be operated economically largely independently of the heat requirement.
Der vorliegenden Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, worin die thermische Energie der Motorkühlung, gegebenenfalls des Schmiermittels sowie des Abgases und gegebenenfalls der Ladeluft bzw. Verbrennungsluft für die Umwandlung in technische Arbeit thermo- dynamisch effektiver genutzt werden. The present invention was therefore based on the object of specifying a method and a device, wherein the thermal energy of the engine cooling, possibly the lubricant and the exhaust gas and optionally the charge air or combustion air for the conversion to technical work are used thermodynamically effective.
Die technische Aufgabe wird gelöst durch eine neuartige Kombination des The technical problem is solved by a novel combination of
Verbrennungskraftmaschinenprozesses (-motorprozesses) mit Gasturbinen, die neben einem Verdichter für die Verbrennungsluft oder das Brennstoff-Luftgemisch auch elektrische Generatoren antreiben (d.h. externe technische Arbeit verrichten), und Dampfkraftprozessen, wobei - unter Beachtung der Strömungsverluste - eine vollständige Nutzung des Druckgefälles des Motorabgases im wesentlichen bis zum Umgebungsdruck und die Motor- und Schmiermittelkühlung unter Bildung von (Satt)Dampf des Kühlmittels erfolgt, der durch das durch Expansion in der Gasturbine abgekühlte Abgas überhitzt und danach unter Abgabe von technischer Arbeit in einem Dampfkraftprozess expandiert und kondensiert wird. Erfindungsgemäß ist somit vergesehen, daß
• die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine durch übliche, im wesentlichen flüssige Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, im Siedezustand annähernd isotherm unter Bildung von Sattdampf erfolgt, Internal combustion engine process (engine process) with gas turbines, in addition to a compressor for the combustion air or the fuel-air mixture and electric generators (ie external technical work perform), and steam power processes, taking into account the flow losses - a full utilization of the pressure gradient of the engine exhaust gas in Substantially to the ambient pressure and the engine and lubricant cooling to form (saturated) steam of the refrigerant is overheated by the exhaust gas cooled by expansion in the gas turbine and then expanded and condensed while giving off technical work in a steam power process and condensed. According to the invention, it is thus envisaged that Cooling the internal combustion engine by means of customary, substantially liquid coolant, preferably water, in the boiling state approximately isothermally with the formation of saturated steam,
• der Sattdampf, gegebenenfalls unter Zugabe von flüssigem Kühlmittel, durch das nach der Expansion vorliegende, auf annähernd Umgebungsdruck abgesenkte Motorabgas, überhitzt auf eine Temperatur im Bereich von ca. 100 bis 6000C, bevorzugt 300 bis 5000C, und danach durch Expansion unter Abgabe technischer Arbeit auf Umgebungstemperatur abgekühlt und kondensiert wird, • The saturated steam, optionally with the addition of liquid coolant, by the present after the expansion, reduced to approximately ambient engine engine exhaust superheated to a temperature in the range of about 100 to 600 0 C, preferably 300 to 500 0 C, and then by expansion cooled and condensed to ambient temperature while giving off technical work,
• die Ladeluft bzw. Verbrennungsluft oder das komprimierte Brennstoff- /Luftgemisch, insbesondere Brenngas/Luftgemisch vor Einleitung in den Verbrennungsmotor mit dem Kondensat des Kühlmittels auf eine Temperatur im Bereich von ca. 5 bis 800C, bevorzugt 25 bis 350C, gekühlt und das Kondensat so vor seiner Wiederverwendung als flüssiges Kühlmittel vorgewärmt wird, • the charge air or combustion air or the compressed fuel / air mixture, in particular fuel gas / air mixture before introduction into the internal combustion engine with the condensate of the coolant to a temperature in the range of about 5 to 80 0 C, preferably 25 to 35 0 C, cooled and the condensate is preheated as a liquid coolant prior to its reuse,
• das Schmiermittel ebenfalls durch Verdampfung von Kühlmittel, z.B. durch vorgewärmtes Kondensat des Dampfkraftprozesse, auf eine Temperatur im Bereich von ca. 70 bis 200°C, bevorzugt 100 bis 150°C gekühlt wird. The lubricant is also removed by evaporation of coolant, e.g. by preheated condensate of steam power processes, to a temperature in the range of about 70 to 200 ° C, preferably 100 to 150 ° C is cooled.
• das Abgas mit dem vom Zylinder des Verbrennungsmotors gelieferten • the exhaust gas with that supplied by the cylinder of the internal combustion engine
Druck von ca. 2 bis 20 bar, bevorzugt 8 bis 12 bar, unter Beachtung der Strömungswiderstände unter Abgabe von technischer Arbeit auf Umgebungsdruck expandiert und somit gegenüber dem Stand der Technik weiter auf eine Temperatur im Bereich von unter 5000C, bevorzugt unter 4000C abgekühlt wird. Pressure of about 2 to 20 bar, preferably 8 to 12 bar, in consideration of the flow resistances with the release of technical work expanded to ambient pressure and thus over the prior art further to a temperature in the range of below 500 0 C, preferably below 400 0 C is cooled.
Die erfindungsgemäß weitergehende Expansion des (Motor)Abgases, d.h. im wesentlichen bis zum Umgebungsdruck, nutzt vollständig den Abgasdruck, der um das Verhältnis absolute Gastemperatur nach Expansion im Motor zu absoluter Ladetemperatur höher ist als der Druck im Zylinder nach Abschluss der Beladung.
Die erfindungsgemäße Nutzung der Motor- und Schmiermittelkühlung zur Dampferzeugung ist exergetisch optimal und ermöglicht die Bereitstellung von Dampf, der gegenüber den flüssigen oder gasförmigen Wärmeträgern des Standes der Technik ein höheres Arbeitsvermögen hat. Die Bereitstellung von Dampf aus der Motor- und Schmiermittelkühlung ermöglicht nachfolgend auch eine exergetisch bessere Nutzung der Wärme des Motorabgases, auch gegenüber großen The invention further expansion of the (engine) exhaust gas, ie substantially to the ambient pressure, fully utilizes the exhaust gas pressure is the absolute gas temperature after expansion in the engine to absolute charging temperature higher than the pressure in the cylinder after completion of the load. The use according to the invention of motor and lubricant cooling for steam generation is exergetically optimal and makes it possible to provide steam which has a higher working capacity than the liquid or gaseous heat carriers of the prior art. The provision of steam from the engine and lubricant cooling subsequently also allows exergetisch better use of the heat of the engine exhaust, even compared to large
Verbrennungskraftmaschinen, die in einigen Anwendungen des Standes der Technik bereits die Wärme des Abgases nach dem Turbolader zur Erzeugung von Wasserdampf und die der Motor- und Verbrennungsluftkühlung zur Erzeugung von heißem Wasser nutzen. Internal combustion engines which, in some prior art applications, already utilize the heat of the exhaust gas after the turbocharger to produce water vapor and those of engine and combustion air cooling to produce hot water.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen, die durch einen Kühlmittelkreislauf mit Kühlflüssigkeit gekühlt werden und optional einen Schmiermittelkreislauf aufweisen, zeichnet sich dadurch aus, dass die zum Zwecke der Kühlung, insbesondere das Gehäuse der Verbrennungskraftmaschine durchfließende, Kühlflüssigkeit, bevorzugt dort, d.h. im Gehäuse, unter Druck durch die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine, erhitzt und anschließend unter Absenkung des Druckes unter ihren Siededruck zumindest teilweise einem angeschlossenen Verdampfer zugeführt wird. In dem Verdampfer wird ein Teil der Kühlflüssigkeit durch Flashverdampfung in Sattdampf umgewandelt und der erhaltende Dampf aus dem Kühlkreislauf abgeführt und ü- berhitzt. Dabei verbleibt flüssiges Kühlmittel aus dem Verdampfungsprozeß im Kühlkreislauf. Der überhitzte Dampf wird als Arbeitsmittel einem angeschlossenen Dampfkraftprozess zugeführt, unter Abgabe von technischer Arbeit expandiert und unter Abgabe von Wärme kondensiert. Das erhaltene Kondensat wird in den Kühlmittelkreislauf rückgeführt. The inventive method for utilizing the waste heat of internal combustion engines, which are cooled by a coolant circuit with coolant and optionally have a lubricant circuit, is characterized in that the purpose of cooling, in particular the housing of the internal combustion engine through flowing, cooling liquid, preferably there, i. in the housing, under pressure by the waste heat of the internal combustion engine, heated and then at least partially fed to a connected evaporator while lowering the pressure under its boiling pressure. In the evaporator, part of the cooling liquid is converted into saturated steam by flash evaporation and the resulting vapor is removed from the cooling circuit and overheated. In this case, liquid coolant from the evaporation process remains in the cooling circuit. The superheated steam is supplied as a working fluid to a connected steam power process, expanded under the delivery of technical work and condensed with the release of heat. The condensate obtained is recycled to the coolant circuit.
Bevorzugt sind Schmiermittelkreislauf und Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt. Die Kopplung ist zweckmäßig derart, daß die Schmiermittelkühlung analog der
Verbrennungskraftmaschinenkühlung (Motorkühlung) durch Verdampfung von Kühlmittel erfolgt. Preferably, the lubricant circuit and the coolant circuit are thermally coupled. The coupling is expedient in such a way that the lubricant cooling analogous to Internal combustion engine cooling (engine cooling) by evaporation of coolant takes place.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Abgas der According to a further preferred embodiment, the exhaust gas is the
Verbrennungskraftmaschine unter Abgabe von externer technischer Arbeit bis auf Umgebungsdruck, vorzugsweise in einer Gasturbine, expandiert. Dabei sind zweckmäßig die Strömungswiderstände zu beachten. Die externe technische Arbeit kann insbesondere zum Betrieb eines (Elektro)Generators dienen. Internal combustion engine with the release of external technical work to ambient pressure, preferably in a gas turbine, expanded. It is useful to note the flow resistance. The external technical work can be used in particular for the operation of a (electric) generator.
Vorteilhaft wird das vorzugsweise expandierte Abgas der Verbrennungskraftmaschine zum Überhitzen des Sattdampf des Kühlmittels eingesetzt. The preferably expanded exhaust gas of the internal combustion engine is advantageously used for overheating the saturated steam of the coolant.
Das Kühlmittelkondensat kann vorteilhaft vor seiner Rückführung in den Kühlmittelkreislauf zur rekuperativen Kühlung der Ladeluft bzw. Verbrennungsluft oder des Brennstoff-Luftgemisches, insbesondere Brenngas-Luftgemisches, nach deren Druckaufladung und vor deren Eintritt in den Verbrennungsmotor/- kraftmaschine eingesetzt werden. The refrigerant condensate can advantageously before its return to the coolant circuit for recuperative cooling of the charge air or combustion air or the fuel-air mixture, in particular fuel gas-air mixture, after the pressure charging and prior to their entry into the internal combustion engine / - are used.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Verfahrensführung wird der Kühlung der Ladeluft bzw. Verbrennungsluft oder des Brennstoff-Luftgemisches zusätzliche Kühlflüssigkeit zugeführt und im wesentlichen vollständig verdampft. According to a further preferred process control, the cooling of the charge air or combustion air or of the fuel-air mixture is supplied with additional cooling liquid and substantially completely evaporated.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung, welche im wesentlichen eine Kombination von Verbrennungskraftmaschine mit Flashverdampfer im Kühlkreislauf und in fluider Verbindung mit dem Kühlkreislauf angeordneter Dampfturbine sowie optional einer im Abgasstrom angeordneten Gasturbine betrifft und bevorzugt zur Duchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Bevorzugt stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein Motor-Heizkraftwerk dar.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen, wobei das Abgas unter Abgabe von externer technischer Arbeit bis auf Umgebungsdruck, vorzugsweise in einer Gasturbine, expandiert wird. Die externe technische Arbeit kann insbesondere zum Betrieb eines (Elektro)Generators dienen. The subject matter of the present invention is also a device which essentially relates to a combination of internal combustion engine with flash evaporator in the cooling circuit and fluid connection to the cooling circuit arranged steam turbine and optionally a gas turbine arranged in the exhaust gas stream and is preferably suitable for carrying out the method according to the invention. Preferably, a device according to the invention represents a motor-cogeneration plant. Another object of the present invention is a method for using the waste heat of internal combustion engines, wherein the exhaust gas is discharged with the release of external technical work to ambient pressure, preferably in a gas turbine. The external technical work can be used in particular for the operation of a (electric) generator.
Die erfindungsgemäß The invention
• vollständige Nutzung des Druckgefälles des Motorabgases zur • full use of the pressure gradient of the engine exhaust gas for
Auskopplung von technischer Arbeit, Extraction of technical work,
• die Dampferzeugung durch Motor- und Schmiermittelkühlung und • Steam generation by engine and lubricant cooling and
• die Dampfüberhitzung durch das auf Umgebungsdruck expandierte Motorabgas • steam overheating due to engine exhaust gas expanded to ambient pressure
führen zu wirtschaftlichen Vorteilen, die der nachfolgende Vergleich der Energiebilanzen zeigt. lead to economic benefits, which the subsequent comparison of the energy balances shows.
Vergleich der Energiebilanzen in kWh am Beispiel eines Motor-Heizkraftwerks Comparison of energy balances in kWh using the example of a combined heat and power plant
St. d. T. erfindungsgemäß Motorkraftprozess Hours. T. according to the invention engine power process
• Heizwert des zugeführten Brenngases 4.715 4.715 • calorific value of the fuel gas supplied 4,715 4,715
• Fühlbare Wärme Brenngas-Luftgemisch 120 120• Sensible heat fuel gas-air mixture 120 120
• Zugeführte Energie 4.835 4.835• Energy supplied 4,835 4,835
• Abstrahlung 125 125• Radiation 125 125
• Verluste Elektrogenerator 47 47• Electric generator losses 47 47
• Stromerzeugung 2.000 2.000• Power generation 2,000 2,000
• Abwärme im Schmieröl 143 143• Waste heat in the lubricating oil 143 143
• Abwärme Motorkühlung 536 536• Waste heat engine cooling 536 536
• Abwärme im Abgas 1.984 1.984• Waste heat in the exhaust 1.984 1.984
• Abgastemperatur in 0C 610 610
Abgasdruck in bar : 8,5 8,5 • Flue gas temperature in 0 C 610 610 Exhaust gas pressure in bar: 8.5 8.5
Gasturbinenprozess Gas turbine process
• Nettostromerzeugung - 635 • Net Electricity Generation - 635
• Abwärme im Abgas nach Turbolader 1.435 907• Waste heat in the exhaust gas after turbocharger 1.435 907
• Abgastemperatur nach Gasturbine in 0C 450 290 • Exhaust temperature after gas turbine in 0 C 450 290
Heizwärmeauskopplung/Dampfturbinenkraftprozess Heating extraction / steam turbine power process
Wärmeangebot available heat
• Motorkühlung (125-13O 0C): 536 536• Engine cooling (125-13O 0 C): 536 536
• Schmierölkühlung (125-13O 0C): 143 143• Lubricating oil cooling (125-13O 0 C): 143 143
• Kühlung Brenngas-Luftgemisch (80-150 0C) : 213 -• cooling fuel gas-air mixture (80-150 0 C): 213 -
(40-170 0C) : - 369(40-170 0 C): - 369
• Nutzbare Abgaswärme bis 120 - 1300C : 034 200 Energieauskopplung • Usable exhaust heat up to 120 - 130 0 C: 034 200 Energy output
• Heißwasser (70-90 0C) : 1.926 • hot water (70-90 0 C): 1,926
• Stromerzeugung im Dampfkraftprozess : - 287 • Electricity generation in the steam power process: - 287
Zusammenfassender Vergleich Summary comparison
• Nettostromerzeugung 2.000 2.923• Net electricity generation 2,000 2,923
• Elektroenergie : Brennstoffheizwert 0,424 0,620• Electric energy: fuel calorific value 0.424 0.620
• Heizwärme 1.926 200• Heating heat 1.926 200
• Energetischer Wirkungsgrad im Heizbetrieb 0.83 0,66 • Energetic efficiency in heating mode 0.83 0.66
Die vorliegende Erfindung ermöglicht unter Berücksichtigung des Energieaufwandes für die Druckaufladung des Motors ein ca. 1 ,46-fach höheres Ausbringen an Elektroenergie.
Bei einem üblichen Marktpreis für Strom von 90€/MWh und einem Wärmepreis von 40€/MWh kann das Motor-Heizkraftwerk des Standes der Technik bei Volllastbetrieb und Kraft-Wärme-Kopplung Erlöse von 257€/h erzielen. In der öffentlichen Stromversorgung ist das in der Regel 2.200 h/a möglich, d.h. 5.500 h/a kann das Motor-Heiz-Kraftwerk des Standes der Technik nur Strom abgeben und einen Erlös von 180€/h erzielen. Die möglichen Erlöse betragen dann 1.555.400€/a. Meist reichen diese Erlöse für einen wirtschaftlichen Betrieb nicht aus, d.h. solche Kraftwerke werden nicht gebaut. Taking into account the energy expenditure for the pressure charging of the engine, the present invention makes it possible to apply approximately 1.46 times more energy to the electrical energy. With a standard market price of € 90 / MWh and a heat price of € 40 / MWh, the state-of-the-art combined-heat and power plant can generate revenues of € 257 / h at full load and combined heat and power. In the public power supply, this is usually 2,200 h / a possible, ie 5,500 h / a, the motor-heating power plant of the prior art only give off electricity and achieve a revenue of 180 € / h. The possible proceeds amount to € 1,555,400 / a. Usually, these revenues are not sufficient for economic operation, ie such power plants are not built.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung in Form eines Motor-Heizkraftwerks erzielt bei gleicher Betriebsweise allein aus der Stromerzeugung einen Erlös von 263€/h. Damit kompensiert das erfindungsgemäße Heizkraftwerk durch erhöhte Stromausbeute von 923 kWh/h die Verkaufsausfälle bei Wärmeenergie und kann ohne Wämneabsatz Erlöse von 2.025.639€/a erzielen. The device according to the invention in the form of a motor-power plant achieves a revenue of 263 € / h in the same mode of operation solely from the power generation. As a result, the combined heat and power plant according to the invention compensates for the loss of sales of thermal energy through an increased electricity yield of 923 kWh / h and can generate sales of € 2,025,639 / a without heat sales.
Wird das erfindungsgemäße Motor-Heizkraftwerk zum Antrieb einer Großwärmepumpe, die beim Stand der Technik mit einer Leistungszahl von 4 (Wärmeabgabe zu Stromeinsatz) Prozess- und Fernwärme liefern kann, verwendet, dann kann diese Kombination bei ganzjähriger Wärmeproduktion Erlöse in Höhe von 3.6 Mio. €/a erwirtschaften. If the motor power plant according to the invention is used to drive a large heat pump, which can provide process and district heating in the state of the art with a coefficient of performance of 4 (heat output to electricity), then this combination can generate revenues of € 3.6 million for year-round heat production / a generate.
Das erfindungsgemäße Motor-Heizkraftwerk ist somit unabhängig vom Wärmebedarf und kann ganzjährig bedarfsgerecht Strom und Wärme produzieren und ohne Erlösausfall wegen fehlendem Wärmeabsatz betrieben werden. The motor-cogeneration plant according to the invention is thus independent of the heat requirement and can produce year-round demand electricity and heat and operated without loss of revenue due to lack of heat sales.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf sämtliche Kombinationen von bevorzugten Ausgestaltungen, soweit diese sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Angaben "etwa" oder "ca." in Verbindung mit einer Zahlenangabe bedeuten, dass zumindest um 10 % höhere oder niedrigere Werte oder um 5 % höhere oder nied-
rigere Werte und in jedem Fall um 1 % höhere oder niedrigere Werte eingeschlossen sind. The present invention also relates to all combinations of preferred embodiments unless they are mutually exclusive. The information "about" or "approx." in conjunction with a numerical indication, mean that at least 10% higher or lower values or 5% higher or lower values higher values and, in any case, 1% higher or lower values are included.
Die Erfindung soll anhand des folgenden Beispiels erläutert werden, ohne jedoch auf die speziell beschriebene Ausführungsform beschränkt zu sein. The invention will be explained with reference to the following example, but without being limited to the specifically described embodiment.
Ausführungsbeispiel embodiment
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Figur 1 im Vergleich zum Stand der Technik von Gasmotoren für die Stromerzeugung beschrieben. Der ausgewählte Gasmotor (1) verwendet Methan als Brennstoff (2) mit einem Heizwert von 13,87 kWh/kg und erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad bezogen auf den Heizwert des Brenngases von 42,4 %. Bei einem Brennstoffeinsatz von 4,715 MWh/h, entsprechend 340 kg/h Methan, kann diese Maschine 2,0 MWh/h Strom und bei einer Abkühlung des Motorabgases auf 120 0C 1 ,9 MWh/h Nutzwärme in Form von Dampf und Heißwasser abgeben. Die Verluste des Motorheizkraftwerkes betragen ca. 800 kWh/h. The invention will be described below with reference to FIG. 1 in comparison to the prior art of gas engines for power generation. The selected gas engine (1) uses methane as fuel (2) with a heating value of 13.87 kWh / kg and achieves an electrical efficiency based on the calorific value of the fuel gas of 42.4%. With a fuel input of 4.715 MWh / h, corresponding to 340 kg / h of methane, this machine can deliver 2.0 MWh / h of electricity and with cooling of the engine exhaust to 120 0 C 1, 9 MWh / h of useful heat in the form of steam and hot water , The losses of the cogeneration plant amount to approx. 800 kWh / h.
Die Verbrennung des Gases im Verbrennungsmotor (1) erfolgt bei einer Luftzahl (Lambda) von 1 ,72. Die Verbrennungsluft (3) wird über den Kanal zugeführt, vor dem Turboverdichter (4) mit dem Brenngas (2) vermischt und danach durch den Turboverdichter (4) von Umgebungsdruck auf einen Druck von 3.5 bar verdichtet. Der Verdichtungsaufwand dafür beträgt 440 kWh/h. Das Brenngas-Luftgemisch (8) hat nach der Kompression eine Enthalpiedifferenz bezogen auf 0 0C von 560 kWh und eine Temperatur von 186 °C. The combustion of the gas in the internal combustion engine (1) takes place at an air ratio (lambda) of 1.72. The combustion air (3) is supplied via the channel, before the turbocompressor (4) with the fuel gas (2) mixed and then compressed by the turbo compressor (4) of ambient pressure to a pressure of 3.5 bar. The compaction effort for this is 440 kWh / h. The fuel gas-air mixture (8) has after compression an enthalpy difference based on 0 0 C of 560 kWh and a temperature of 186 ° C.
Der Turboverdichter (4) sitzt mit der Gasturbine (5) und dem elektrischen Generator (6) auf einer Welle (7). Das Brenngas-Luftgemisch (8) wird im Rekuperator (9) mit Kondensat (10) aus dem Kondensator (19) des nach geschalteten Dampfkraftprozesses gekühlt, das dadurch auf mindestens 170 °C erwärmt wird, bevor es
über eine Leitung als vorgewärmtes Kondensat (11) dem Heißwasserzeuger (12) zugeführt wird. Das Brenngas-Luftgemisch wird im Rekuperator (9) durch Abführung von 369 kWh/h auf 40 0C gekühlt, so dass mit dem Gemisch dem Motor neben dem Heizwert noch 120 kWh/h Wärmeenergie, also insgesamt 4.835 kWh/h über die Einlassventile (15) zugeführt werden. The turbocompressor (4) sits with the gas turbine (5) and the electric generator (6) on a shaft (7). The fuel gas-air mixture (8) is cooled in the recuperator (9) with condensate (10) from the condenser (19) of the downstream steam power process, which is thereby heated to at least 170 ° C before it is supplied via a line as preheated condensate (11) the hot water generator (12). The fuel gas-air mixture is cooled in the recuperator (9) by discharge of 369 kWh / h to 40 0 C, so that with the mixture the engine in addition to the calorific value nor 120 kWh / h of heat energy, ie a total of 4,835 kWh / h via the inlet valves ( 15) are supplied.
Das Schmieröl (13) wird ebenfalls im Heißwassererzeuger (12) gekühlt, bevor es der Ölwanne (14) des Verbrennungsmotors (1) wieder zugeführt wird. The lubricating oil (13) is also cooled in the hot water generator (12) before it is fed back to the oil pan (14) of the internal combustion engine (1).
Das über die Einlassventile (15) dem Verbrennungsmotor (1) zugeführte im Druck aufgeladen Brenngas-Luftgemisch (8) hat folgende Zusammensetzung in kg/kg.The pressurized fuel gas / air mixture (8) supplied via the inlet valves (15) to the internal combustion engine (1) has the following composition in kg / kg.
• 0.033 Methan • 0.033 methane
• 0.967 Luft. • 0.967 air.
Der Massestrom des Brenngas-Luftgemisches (8) beträgt 10.336 kg/h und sein Druck im Zylinder (16) des Verbrennungsmotors (1) soll am Ende der Beladung 3 bar betragen. The mass flow of the fuel gas-air mixture (8) is 10,336 kg / h and its pressure in the cylinder (16) of the internal combustion engine (1) should be 3 bar at the end of the load.
Nach der Verbrennung und Expansion im Zylinder (16) des Verbrennungsmotors (1) verfügt das Motorabgas über eine Wärmeenergie von 1.984/h kWh und folgende Gaszusammensetzung in kg/kg: After combustion and expansion in the cylinder (16) of the internal combustion engine (1), the engine exhaust gas has a thermal energy of 1,984 / h kWh and the following gas composition in kg / kg:
• CO2 0,090 • CO 2 0.090
• H2O 0,073 • H 2 O 0.073
• N2 0,431 • N 2 0.431
• Luft 0,406. • Air 0.406.
Daraus errechnet sich eine Abgastemperatur nach der Expansion im Verbrennungsmotor von 610 0C und ein Druck von 8,5 bar.
Erfindungsgemäß wird das Abgas nun in einer Gasturbine (5) von 8,0 auf 1.05 bar unter Abgabe von 1.070 kWh/h technischer Arbeit zum Zwecke der Stromerzeugung im Elektrogenerator (6) auf eine Temperatur von 290 0C expandiert. This results in an exhaust gas temperature after expansion in the internal combustion engine of 610 0 C and a pressure of 8.5 bar. According to the invention, the exhaust gas is now expanded in a gas turbine (5) from 8.0 to 1.05 bar with delivery of 1070 kWh / h of technical work for the purpose of generating electricity in the electric generator (6) to a temperature of 290 0 C.
Weiterhin erfindungsgemäß wird der Gasturbine (5) ein Wasserdampfturbinen- prozess (17) nachgeschaltet, in dessen Dampferzeuger (21) die Abwärme der Motor- und Ölkühlung in Höhe von 679 kWh/h zur Erzeugung von 2 bar Sattdampf, die Kühlung des Brenngas-Luftgemisches nach der Kompression zur Kondensat- vorwärmung im Rekuperator (9) und die Abgaswärme der Gasturbine (5) von 290 bis 130 0C für die Dampfüberhitzung mit Kondensateinspritzung im Dampfüberhitzer (18) eingesetzt wird. Das Gas dient danach in der Wärmesenke (20) zur Bereitstellung von Warmwasser. Furthermore, according to the invention, the gas turbine (5) is followed by a steam turbine process (17), in the steam generator (21) the waste heat of the engine and oil cooling in the amount of 679 kWh / h to produce 2 bar saturated steam, the cooling of the fuel gas-air mixture after compression for condensate preheating in the recuperator (9) and the exhaust gas heat of the gas turbine (5) from 290 to 130 0 C for steam superheating with condensate injection in the steam superheater (18) is used. The gas then serves in the heat sink (20) to provide hot water.
Für die Erzeugung von Frischdampf mit einem Druck von 2 bar und einer Temperatur von 280 0C stehen somit 1.630 kWh/h zur Verfügung, ausreichend für eine Dampferzeugung von 2.164 kg/h. Die Dampfturbinenanlage (17) kann bei einer Kondensationstemperatur von 30 0C im Kondensator (19) eine technische Arbeit in Höhe von 287 kWh/h leisten. For the production of live steam with a pressure of 2 bar and a temperature of 280 0 C, 1,630 kWh / h are available, sufficient for a steam production of 2,164 kg / h. The steam turbine plant (17) can perform a technical work in the amount of 287 kWh / h at a condensation temperature of 30 0 C in the condenser (19).
Im Ausführungsbeispiel führt die erfindungsgemäße Ertüchtigung des zum Vergleich gewählten Gasmotors unter Beachtung des Eigenbedarfs für die Druckaufladung zu einer Steigerung der Nettostromerzeugung um 46 % von 2.000 kWh/h auf 2.923 kWh/h bei gleichem Brennstoffeinsatz.
In the exemplary embodiment, the invention of the comparison of the selected gas engine, taking into account the own requirements for the pressure charging leads to an increase in net electricity generation by 46% from 2,000 kWh / h to 2,923 kWh / h with the same fuel use.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Verbrennungsmotor/Gasmotor1 internal combustion engine / gas engine
2 Brennstoff/Brenngas 2 fuel / fuel gas
3 Verbrennungsluft 3 combustion air
4 Turboverdichter 4 turbo compressors
5 Gasturbine 5 gas turbine
6 elektrischer Generator 6 electric generator
7 Welle 7 wave
8 Brenngas-Luftgemisch θ Rekuperator 8 fuel gas-air mixture θ recuperator
10 Kondensat 10 condensate
11 vorgewärmtes Kondensat 11 preheated condensate
12 Heißwasserzeuger 12 hot water generators
13 Schmiermittel/Schmieröl 13 lubricant / lubricating oil
14 Ölwanne 14 oil pan
15 Einlassventile 15 intake valves
16 Zylinder 16 cylinders
17 (Wasser)Dampfturbinenanlage 17 (water) steam turbine plant
18 Dampfüberhitzer 18 steam superheaters
19 Kondensator 19 capacitor
20 Wärmesenke 20 heat sink
21 Dampferzeuger 21 steam generator
22 Motorabgas 22 engine exhaust
23 Turbinenabgas
23 turbine exhaust
Claims
1. Verfahren zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen, die durch einen Kühlmittelkreislauf mit Kühlflüssigkeit gekühlt werden und optional einen Schmiermittelkreislauf aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit unter Druck durch die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine erhitzt und anschließend unter Absenkung des Druckes unter ihren Siededruck zumindest teilweise einem Verdampfer zugeführt wird, 1. A method for using the waste heat of internal combustion engines, which are cooled by a coolant circuit with coolant and optionally have a lubricant circuit, characterized in that the cooling liquid is heated under pressure by the waste heat of the internal combustion engine and then under lowering of the pressure under its boiling pressure at least partially Evaporator is supplied,
in dem Verdampfer ein Teil der Kühlflüssigkeit durch Flashverdampfung in Sattdampf umgewandelt wird, in the evaporator a part of the cooling liquid is converted into saturated steam by flash evaporation,
der erhaltende Dampf aus dem Kühlkreislauf abgeführt und überhitzt wird, der überhitzte Dampf in einem Dampfkraftprozess unter Abgabe von technischer Arbeit expandiert und kondensiert wird, the conserving steam is removed from the refrigeration cycle and superheated, the superheated steam is expanded and condensed in a steam power process with delivery of technical work,
und das erhaltene Kondensat in den Kühlmittelkreislauf rückgeführt wird. and the resulting condensate is recycled to the refrigerant circuit.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit das Gehäuse der Verbrennungskraftmaschine durchfließt und bevorzugt dort unter Druck erhitzt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the cooling liquid flows through the housing of the internal combustion engine and is preferably heated there under pressure.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiermittelkreislauf und Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt sind. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the lubricant circuit and coolant circuit are thermally coupled.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorabgas unter Abgabe von externer technischer Arbeit bis auf Umgebungsdruck vorzugsweise in einer Gasturbine expandiert wird. 4. The method according to any one of claims 1-3, characterized in that the engine exhaust gas is dispensed with the release of external technical work to ambient pressure, preferably in a gas turbine.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sattdampf des Kühlmittels durch das expandierte (Gasturbinen)Abgas überhitzt wird. 5. The method according to claim 4, characterized in that the saturated steam of the coolant is overheated by the expanded (gas turbine) exhaust gas.
6. Verfahren nach nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelkondensat vor seiner Rückführung in den Kühlmittelkreislauf zur rekuperativen Kühlung der Verbrennungsluft oder des Brennstoff-Luftgemisches nach deren Druckaufladung eingesetzt wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the refrigerant condensate is used before its return to the coolant circuit for recuperative cooling of the combustion air or the fuel-air mixture after the pressure charging.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlung der komprimierten Verbrennungsluft oder des Brennstoff- Luftgemisches zusätzlich Kühlflüssigkeit zugeführt und über die Siedetemperatur des Kühlmittelkreislaufes erhitzt wird und danach der Flashverdampfung des Kühlmittelkreislaufs zugeführt wird. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the cooling of the compressed combustion air or the fuel-air mixture additionally supplied cooling liquid and is heated above the boiling temperature of the coolant circuit and then the flash evaporation of the coolant circuit is supplied.
8. Verfahren zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas unter Abgabe von externer technischer Arbeit bis auf Umgebungsdruck vorzugsweise in einer Gasturbine expandiert wird. 8. A method for using the waste heat of internal combustion engines, characterized in that the exhaust gas is preferably discharged in a gas turbine under delivery of external technical work to ambient pressure.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200910038585 DE102009038585A1 (en) | 2009-08-26 | 2009-08-26 | Method for using the waste heat of internal combustion engines |
PCT/EP2010/004820 WO2011023283A2 (en) | 2009-08-26 | 2010-08-06 | Method for utilizing the waste heat of internal combustion engines |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EP2470755A2 true EP2470755A2 (en) | 2012-07-04 |
Family
ID=43628464
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EP10742762A Withdrawn EP2470755A2 (en) | 2009-08-26 | 2010-08-06 | Method for utilizing the waste heat of internal combustion engines |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP2470755A2 (en) |
DE (1) | DE102009038585A1 (en) |
WO (1) | WO2011023283A2 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012022865B4 (en) * | 2012-11-20 | 2014-08-21 | Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr | Device for using the waste heat of an internal combustion engine |
CN103335297B (en) * | 2013-07-22 | 2015-01-07 | 王瑞良 | Full-automatic industrial flash evaporator |
FR3042538B1 (en) * | 2015-10-20 | 2022-12-16 | Soc De Motorisations Aeronautiques | ENGINE ASSEMBLY WITH OPTIMIZED COOLING SYSTEM |
DE102015119531A1 (en) | 2015-11-12 | 2017-05-18 | Hochschule Düsseldorf | Arrangement and method for recovering energy from the waste heat of at least one internal combustion engine |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3000044A1 (en) * | 1979-11-15 | 1981-05-21 | Robert H. Bronxville N.Y. Johnson | METHOD AND DEVICE FOR RECOVERY OF LOSS ENERGY FROM THE COMBINATION OF A GAS COMPRESSOR AND A DRIVE MOTOR FOR THE COMPRESSOR |
FI102405B1 (en) * | 1993-07-08 | 1998-11-30 | Waertsilae Nsd Oy Ab | Process for improving the total utility energy production and power plant of a thermal power machine with a liquid cooled thermal power machine |
DE19916676C1 (en) * | 1999-04-14 | 2000-11-30 | Daimler Chrysler Ag | Cooling system for liquid-cooled i.c. engine has cooling medium feed with feed and return pumps with different volumetric pumping rates and turbine driven by circulated cooling medium |
JP2000345835A (en) * | 1999-06-07 | 2000-12-12 | Nissan Motor Co Ltd | Internal combustion engine |
CN1469969A (en) * | 2000-10-10 | 2004-01-21 | 本田技研工业株式会社 | Rankine cycle device of internal combustion engine |
US20030005696A1 (en) * | 2000-10-18 | 2003-01-09 | Wilson Benjamin Raymond | Internal combustion engine energy extraction devices |
-
2009
- 2009-08-26 DE DE200910038585 patent/DE102009038585A1/en not_active Withdrawn
-
2010
- 2010-08-06 EP EP10742762A patent/EP2470755A2/en not_active Withdrawn
- 2010-08-06 WO PCT/EP2010/004820 patent/WO2011023283A2/en active Application Filing
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
See references of WO2011023283A2 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102009038585A1 (en) | 2011-09-15 |
WO2011023283A3 (en) | 2011-06-16 |
WO2011023283A2 (en) | 2011-03-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69429769T2 (en) | MULTI-SHAFT, INTERMEDIATE GAS TURBINE WITH INTERCOOLING AND HEAT RECOVERY | |
EP1053438B1 (en) | Method and apparatus for heat transformation for generating heating media | |
DE69927925T2 (en) | Recovery of waste heat in an organic energy converter by means of an intermediate liquid circuit | |
DE102010027302B4 (en) | Energy storage system | |
EP2538040B1 (en) | Combined heat and power device and associated method | |
WO2015154894A1 (en) | Method and device for storing and recovering energy | |
EP2447506A2 (en) | System for generating mechanical and/or electrical energy | |
DE102013112733A1 (en) | Gas turbine with integrated bottom-circle process system | |
EP2610470A2 (en) | Method for operating a stationary power plant with at least one combustion engine | |
EP2256316A1 (en) | Intake air tempering device and a method for operating same | |
EP0008680A2 (en) | Method of producing thermal energy by the combination of a heat engine with a heat pump | |
EP2876280B1 (en) | Micro gas turbine assembly | |
WO2011023283A2 (en) | Method for utilizing the waste heat of internal combustion engines | |
EP2553244A1 (en) | Method for increasing the efficiency of a power plant equipped with a gas turbine, and power plant for carrying out the method | |
DE10055202A1 (en) | Electrical generation steam cycle with increased efficiency, branches off working fluid and condenses it for cooling during expansion process | |
WO2005056994A1 (en) | Air-storage plant | |
DE102012110579B4 (en) | Plant and process for generating process steam | |
DE102012003267A1 (en) | Method for high-efficient storage of surplus electrical energy produced in large power plant, involves performing re-conversion process in highly-efficient thermal power plant using high temperature level of stored heat energy | |
WO2024068197A1 (en) | Combination system and method for operating a combination system | |
EP1482131A1 (en) | Indirectly heated process for generating electric power in a cycle and device for the implementation thereof | |
DE4015104A1 (en) | Combination of heat engine units - comprises heat engines whose waste heat is transferred to other heat engines to generate steam power | |
DE2726924A1 (en) | PLANT FOR CENTRAL GENERATION OF USEFUL THERMAL ENERGY | |
DE3815993A1 (en) | Binary-vapour turbine plant | |
DE19742031A1 (en) | Internal combustion engine with exhaust gas turbocharger and additional energy converter | |
EP2610445A2 (en) | Method for operating a stationary power plant with at least one combustion engine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PUAI | Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012 |
|
17P | Request for examination filed |
Effective date: 20120326 |
|
AK | Designated contracting states |
Kind code of ref document: A2 Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK SM TR |
|
DAX | Request for extension of the european patent (deleted) | ||
STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN |
|
18D | Application deemed to be withdrawn |
Effective date: 20150301 |