WO2009036857A2 - Verdampfer für eine dampfkreisprozessvorrichtung - Google Patents

Verdampfer für eine dampfkreisprozessvorrichtung Download PDF

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WO2009036857A2
WO2009036857A2 PCT/EP2008/006822 EP2008006822W WO2009036857A2 WO 2009036857 A2 WO2009036857 A2 WO 2009036857A2 EP 2008006822 W EP2008006822 W EP 2008006822W WO 2009036857 A2 WO2009036857 A2 WO 2009036857A2
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liquid
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Christian Bausch
Jens Grieser
Jürgen Berger
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Voith Patent Gmbh
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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the invention relates to an evaporator for a steam cycle device and a method for its operation, in particular for waste heat utilization of internal combustion engines.
  • Steam cycle process evaporators are used to supply thermal energy to a liquid, pressurized working fluid to vaporize it. Subsequently, the vapor of the working fluid is expanded in an expander to perform mechanical work and then condensed in a condenser at a lower temperature level, the then liquefied working fluid enters a reservoir or is re-supplied directly via the feed pump to the cycle of Dampf Vietnamese mixesvorraum.
  • Possible heat sources for operating the evaporator of a steam engine are separate burner units in the case of a cogeneration unit or the waste heat of an internal combustion engine.
  • the exhaust gas flow of a gasoline or diesel engine comes into consideration.
  • the heat input can be effected by the cooling liquid of the internal combustion engine.
  • Steam cycle process devices with internal combustion engines are therefore preferably used as hybrid drives for vehicles. In addition to road vehicles their use for large-scale drive machines, such as rail vehicles or ships, advantageous.
  • An example of an evaporator of a steam cycle device can be found in DE 69703334 T2.
  • Disclosed is an oxidation-resistant structure using ceramic materials, wherein a hot exhaust stream flows through a porous ceramic material surrounding a system of ceramic tubes in which the working fluid evaporates.
  • a hot exhaust stream flows through a porous ceramic material surrounding a system of ceramic tubes in which the working fluid evaporates.
  • additional requirements for an evaporator of a steam cycle device particularly when used as part of a vehicle drive. This is on the one hand the demand for a control of the generated vapor volume and the
  • the invention has for its object to provide an evaporator for a Dampf Vietnamese remedies, which is suitable for use in a vehicle drive, that is, the evaporator must be designed in particular frost-proof and should allow high-efficiency litigation. In addition, it should serve to intercept power peaks of thermal input that may occur in the exhaust heat utilization of automobiles.
  • the basic idea of the invention consists in the design of an evaporator which, in the liquid phase, comprises an ionic liquid in addition to the working medium which is converted into the vapor state in the evaporator.
  • the ionic liquid is chosen so that its decomposition temperature is above the evaporation temperature of the working fluid for the steam cycle.
  • the melting point of the ionic liquid is adjusted so that it serves as antifreeze, that is, the melting point must be lower than the freezing point of the working fluid. Due to poor ion coordination, ionic liquids are characterized by a low melting point, whereby the formation of a stable crystal lattice is prevented even at low temperatures. Another characteristic of ionic liquids is their non-measurable vapor pressure below the decomposition temperature.
  • the melting temperature and the decomposition temperature can be set in a wide range, so that a suitable ionic liquid can be selected depending on the working medium of the steam cycle and the temperature level of the heat source.
  • Suitable cations for forming an ionic liquid include, for example, alkylated imidazolium, pyridinium, ammonium or phosphonium.
  • Simple anions may be used as anions, with choices ranging from more complex inorganic ions such as tetrafluoroborates to organic ions such as trifluoromethanesulfonimide.
  • Typical for ionic liquids is the choice of their physical / chemical properties through the choice of cation / anion pairing, so that it is possible to tailor an ionic liquid so that a low melting point in the sense of antifreeze effect arises. This is typically achieved by an appropriate choice of an organic cation.
  • a suitable inorganic anion it is typically possible to influence the mixing ability with other components, for example water or other organic substances, so that it is possible to advantageously adapt the ionic liquid in such a way that it forms a mixture with the working medium.
  • the working medium is enclosed in the form of a colloidal mixture in the ionic liquid, wherein the frost resistance can be ensured even in this case by a correspondingly low melting point of the ionic liquid.
  • the physical properties of the ionic liquid used in the invention are adjusted so that their melting point is -30 0 C and lower and the decomposition temperature assumes a value higher than 200 0 C and preferably higher than 300 0 C and in particular higher than 350 0 C.
  • a non-toxic and accident-resistant ionic liquid is preferred.
  • An example of this is the selection of the cation from that formed by 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium and tris- (2-hydroxyethyl) -methylammonium
  • the ionic liquid according to the invention is part of the liquid phase of the evaporator and remains in a sump, which is referred to below as the inlet reservoir.
  • the working medium for the steam cycle process to be evaporated is supplied to the liquid phase in the inlet reservoir.
  • the evaporator is designed so that the steam generation is preferably carried out in evaporation channels, which are partly filled by the liquid phase, on the other part of the vapor of the working fluid.
  • a vapor collection line is arranged, which serves to dissipate the vapor phase.
  • the main advantages which result from the storage according to the invention of a volume fraction of ionic liquid in the liquid phase of the evaporator are set out below:
  • the first, already mentioned advantage can be seen in the antifreeze safety. Accordingly, a remainder of the liquid phase in the evaporator can also remain at standstill of the associated steam cycle device and the ambient temperature drop below the freezing point of the actual working medium. Accordingly, the working fluid can be selected exclusively with regard to the requirements resulting from the management of the steam cycle process, without taking into account the additional aspect of frost protection.
  • the preheating of the working fluid is to be seen by the ionic liquid which constantly remains in the liquid phase of the sump in the evaporator.
  • the ionic liquid acts as a heat exchanger for preheating the working fluid and increases the efficiency of the steam cycle process by increasing the average temperature of the heat input in the evaporator.
  • the volume of ionic liquid in the inlet reservoir of the evaporator serves as a thermal buffer, so that fluctuations in the heat input are attenuated in their effect on the generation of steam.
  • Another advantage of the invention is the fact that the ionic liquid can be used as a lubricant in particular for the moving components of the expander. Accordingly, if a portion of the liquid phase, which is rich in ionic liquid, is removed from the evaporator via a liquid outlet from the evaporator, then it can be introduced into a lubricant line for lubrication purposes and guided to the other components of the steam cycle apparatus. In this case, it is advantageous that during operation the liquid phase withdrawn at the liquid outlet at the evaporator is at a raised temperature level. If this is fed to the expander as a lubricant, this does not lead to undesired cooling by the lubricant flow.
  • the liquid supply to the evaporator according to the invention can be designed in different ways.
  • the working fluid or it is a mixture of working fluid and additional additives, such as lubricants that go into the vapor phase supplied.
  • the amount of ionic liquid initially taken up in the evaporator remains unchanged during operation and there is only a subsequent flow of the working fluid in liquid form and a continuous evaporation corresponding to the thermal power input. Due to the inflow of the working fluid to the evaporator and the evaporation, the ionic liquid is constantly cooled, so that it remains permanently below its decomposition temperature.
  • a liquid mixture enters the evaporator, which in addition to the working fluid also comprises an ionic liquid.
  • the ionic liquid would accumulate in the liquid phase in the inlet reservoir, so that a constant flow through the inlet reservoir must be realized by a liquid withdrawal at a liquid outlet of the evaporator.
  • the liquid phase which is rich in ionic liquid, is passed before being returned to a reservoir through a recuperator used to preheat the liquid mixture entering the evaporator.
  • the heat input to the evaporator is adjusted so that the area in which the liquid phase with the ionic liquid is not above the
  • Decomposition temperature thereof is heated.
  • the heating medium is introduced into the evaporator in the region of the vapor manifold and in the counterflow principle is conducted in relation to the steam channels in which the working fluid is evaporated and the ionic liquid remains.
  • Outlet of the heating channel structure is arranged and the controllably releases a connection to a bypass line, which can be used to dissipate an excess of gaseous heating medium.
  • a catalyst and / or a particulate filter are arranged within the housing of the evaporator, so that the catalyst or the particulate filter is brought quickly at system start to temperature and the waste heat of the catalytic reaction is at least partially utilized in the evaporator.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an evaporator according to the invention as part of a steam cycle device.
  • FIG. 2 schematically shows, in simplified form, a preferred embodiment of an evaporator according to the invention.
  • FIG. 1 shows, schematically simplified, a steam cycle device with an evaporator 1 according to the invention.
  • This comprises in an inlet reservoir 7, an ionic liquid which is mixed with the actual, intended for the evaporation of working fluid.
  • the operating fluid contains only in the vapor phase passing components. These are in particular the working fluid and possibly additional additives, for example lubricants, which are entrained with the vapor stream and serve to lubricate the expander 2.
  • the operating liquid supplied to the evaporator 7 is a mixture of the non-evaporating ionic liquid and the vaporizable fraction, in particular the working medium.
  • a constant flow through the inlet reservoir 7 and thus a liquid outlet 12 and a liquid return 23 to the reservoir 4 is necessary.
  • a working fluid which is rich in working fluid. Due to the evaporation of the working medium in the evaporation channels 8, the liquid emerging at the liquid outlet 12 has an increased mass fraction of ionic liquid.
  • the liquid withdrawal from the inlet reservoir 7 is connected to a lubricant line 13.
  • a lubricant line 13 This can serve in particular for supplying lubricant to the expander 2.
  • a heat exchanger 14 which follows the feed pump 5, outlined.
  • the evaporator 1 in the vapor phase converted working fluid can be a one-component working fluid, in the simplest case water, used to perform a Clausius-Rankine cycle, thus evaporating the
  • Working fluid isothermal, while the ionic liquid used in the invention remains in the liquid phase in the evaporator 1. If a two- or multi-component working fluid is used instead, an example of which is a mixture of water and acetone, then a Kalina cycle can be carried out, which in terms of an increase in efficiency, in particular at a low-temperature heat source 10 to a
  • the multicomponent working medium evaporates non-isothermally, but has a concentration-dependent boiling point.
  • components for carrying out a Kalina cycle for example an expeller for separating a liquid phase from the vapor phase, which follows the evaporator 1, are not shown in FIG.
  • components may be provided to lower the boiling pressure by means of concentration changes in the vaporous working medium which is supplied to the condenser 3 for liquefaction.
  • FIG. 1 to simplify the illustration, the devices necessary for setting a specific filling level of the liquid phase in the evaporator 1 are not shown.
  • a level control device is preferably used, which adjusts the level of the liquid phase in the evaporator so that the evaporation channels are filled during operation partly with liquid, partly with the vapor phase of the working fluid.
  • the necessary for this adjustment valve means are not shown. This also applies to the control components for the volume flow in the liquid return 23 and the lubricant line 13.
  • FIG. 2 is a simplified schematic representation of the structure of an evaporator 1 according to the invention. Shown again is the inlet reservoir 7, in which the ionic liquid is mixed with the working fluid. The inflow to the inlet reservoir 7 via the liquid inlet 6, wherein either working fluid or a mixture of working fluid and ionic liquid flows. In the case of the flow through the inlet reservoir 7, the withdrawal of the operating fluid takes place via the fluid outlet 12.
  • a plurality of evaporation channels 8.1, 8.2, ..., 8.n which are filled during operation up to a certain level of liquid.
  • the upper part of the evaporation channels is used in the operation of the evaporator, the steam extraction and the further overheating of the vapor of the working fluid.
  • This is in a vapor manifold 9, in which opens the plurality of vapor channels 8.1 - 8.n, collected, and fed via a steam outlet 24 to the expander 2 for relaxation and performance of mechanical work.
  • a heating channel structure 11 is used for supplying thermal energy to the evaporation channels 8.1 - 8.n .
  • a heating channel structure 11 is used for supplying thermal energy to the evaporation channels 8.1 - 8.n .
  • This leads the heating medium in the evaporator wherein either a liquid phase, for example the cooling liquid of an internal combustion engine, or a gaseous heating medium, for example the exhaust gas flow of an internal combustion engine, can be used as the heating medium.
  • the heating channel structure 11 is designed so that it initially applied to those part of the evaporation channels 8.1 - 8.n thermally, in which the working fluid is already in vapor form. There is therefore a further overheating of the vapor phase. Subsequently, in the sense of the countercurrent principle, the heating medium is conducted in the direction of the colder regions of the evaporator 1, in which the inlet reservoir 7 is also located. A meandering guidance of the heating channel structure 11, corresponding to the simplified representation in FIG. 2, is particularly preferred.
  • the evaporator 1 can be operated with a hot exhaust gas stream of an internal combustion engine, the temperature in the inlet for the heating medium 16 can be above the decomposition temperature of the ionic liquid.
  • the liquid level is adjusted in the evaporation channels 8.1 - 8.n so that the liquid phase with the ionic liquid does not reach areas which are at a temperature above the decomposition temperature of the ionic liquids.
  • a device is preferably provided for trapping power peaks in the heat input through the heating medium, which leads the heating medium for the overload case at least at parts of the heating channel structure over to the outlet 17 for the heating medium.
  • the overflow flap 21 sketched in FIG. 1 can be used, which releases the access to a bypass line 22 when opening.
  • a cleaning chamber 18 precedes the heating channel structure 11. This is located within the housing 15 of the evaporator 1.
  • an arrangement of catalysts 19.1, 19.2 and particle filters 20.1 and 20.2 are provided for cleaning as an exhaust gas stream used as heating medium.
  • the catalyst reaches its operating temperature faster after starting. Furthermore, the waste heat of the catalytic reaction and the heat produced during a thermal cleaning of a particle filter 20.1, 20.2 can be used to operate the evaporator 1. If a too high heat output occurs during a filter cleaning, then this in turn can be bypassed via the overflow flap 21 and the bypass line 22 at the main part of the heating channel structure 11. According to one
  • the evaporator according to the invention is made of a material which is sufficiently resistant to corrosion of the mixture of working fluid and ionic liquid.
  • preferred materials are in particular ceramic Materials and stainless steel into consideration. Further modifications of the invention may be made within the scope of the following claims.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für eine Dampfkreisprozessvorrichtung, umfassend ein Gehäuse; eine Heiz-Kanalstruktur für ein flüssiges oder gasförmiges Heizmedium zum Erhitzen des Verdampfers; - ein Einlassreservoir, das in Verbindung mit einem Flüssigkeitseinlass für das Arbeitsmittel der Dampfkreisprozessvorrichtung steht, wobei das Einlassreservoir eine als Frostschutzmittel dienende ionische Flüssigkeit enthält, die einen Schmelzpunkt unterhalb des Gefrierpunkts des Arbeitsmittels und eine Zersetzungstemperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels aufweist, und wobei die ionische Flüssigkeit mit dem Arbeitsmittel gemischt ist oder mit diesem eine kolloidale Mischung eingeht; Verdampfungskanäle, die die Heiz-Kanalstruktur durchqueren und die jeweils an einem Ende mit dem Einlassreservoir in fluidischer Verbindung stehen und jeweils am anderen Ende in eine Dampfsammelleitung münden, die oberhalb des Einlassreservoirs angeordnet ist.

Description

Verdampfer für eine Dampfkreisprozessvorrichtung
Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für eine Dampfkreisprozessvorrichtung sowie ein Verfahren für dessen Betrieb, insbesondere zur Abwärmenutzung von Verbrennungskraftmaschinen.
Verdampfer für Dampfkreisprozessvorrichtungen dienen der Zuführung thermischer Energie zu einem flüssigen, unter Druck stehenden Arbeitsmittel, um dieses in die Dampfphase zu überführen. Nachfolgend wird der Dampf des Arbeitsmittels in einem Expander unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt und kondensiert anschließend in einem Kondensator auf einem niedrigeren Temperaturniveau, wobei das sodann verflüssigte Arbeitsmittel in ein Reservoir gelangt oder unmittelbar über die Speisepumpe dem Kreislauf der Dampfkreisprozessvorrichtung erneut zugeführt wird.
Mögliche Wärmequellen zum Betreiben des Verdampfers eines Dampfmotors stellen separate Brennereinheiten im Fall einer Kraftwärmekopplungseinrichtung oder die Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine dar. Dabei kommt insbesondere der Abgasstrom eines Otto- oder Dieselmotors in Betracht. Alternativ kann der Wärmeeintrag durch die Kühlflüssigkeit der Verbrennungskraftmaschine erfolgen. Bevorzugt werden daher Dampfkreisprozessvorrichtungen mit Verbrennungskraftmaschinen als Hybridantriebe für Fahrzeuge verwendet. Neben Straßenfahrzeugen ist deren Einsatz für großbauende Antriebsmaschinen, beispielsweise von Schienenfahrzeugen oder Schiffen, vorteilhaft.
Ein Beispiel für einen Verdampfer einer Dampfkreisprozessvorrichtung ist der DE 69703334 T2 zu entnehmen. Offenbart wird ein oxidationsbeständiger Aufbau mittels keramischer Materialien, wobei ein heißer Abgasstrom durch ein poröses Keramikmaterial strömt, das ein System aus Keramikröhren umgibt, in denen das Arbeitsmittel verdampft. Neben der effizienten Ausnutzung der durch die Wärmequelle zur Verfügung gestellten thermischen Energie besteht für einen Verdampfer einer Dampfkreisprozessvorrichtung insbesondere bei der Verwendung als Teil eines Fahrzeugantriebs eine Vielzahl zusätzlicher Anforderungen. Dies ist zum einen die Forderung nach einer Steuerung des erzeugten Dampfvolumens und der
Dampftemperatur, zum anderen sind zusätzlich Sicherheitsaspekte, etwa der sichere Einschluss des Arbeitsmediums, zu beachten. Bei Fahrzeugen tritt zusätzlich ein ständiger Wechsel zwischen Stillstand und Betrieb und eine ständige Variation des thermischen Leistungseintrags am Verdampfer auf. Ferner muss ein Hochfahren der Dampfkreisprozessvorrichtung auch bei tiefen Temperaturen aus dem Stillstand möglich sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdampfer für eine Dampfkreisprozessvorrichtung anzugeben, der für die Verwendung in einem Fahrzeugantrieb geeignet ist, das heißt der Verdampfer muss insbesondere frostsicher ausgelegt sein und sollte eine Prozessführung mit hohem Wirkungsgrad erlauben. Zusätzlich sollte er dazu dienen, Leistungsspitzen des thermischen Wärmeeintrags abzufangen, die bei der Abgaswärmenutzung von Kraftfahrzeugen auftreten können.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs und des unabhängigen Verfahrensanspruchs gelöst.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Ausgestaltung eines Verdampfers, der in der Flüssigphase zusätzlich zum Arbeitsmittel, das im Verdampfer in den Dampfzustand überführt wird, eine ionische Flüssigkeit umfasst. Hierbei wird die ionische Flüssigkeit so gewählt, dass deren Zersetzungstemperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels für den Dampfkreisprozess liegt. Ferner wird der Schmelzpunkt der ionischen Flüssigkeit so eingestellt, dass diese als Frostschutzmittel dient, das heißt der Schmelzpunkt muss tiefer als der Gefrierpunkt des Arbeitsmittels liegen. Ionische Flüssigkeiten zeichnen sich aufgrund einer schlechten lonenkoordination durch einen niedrigen Schmelzpunkt aus, wobei die Bildung eines stabilen Kristallgitters bereits bei tiefen Temperaturen unterbunden wird. Eine weitere charakteristische Eigenschaft ionischer Flüssigkeiten ist deren nicht messbarer Dampfdruck unterhalb der Zersetzungstemperatur. Ferner ist durch die Wahl der Kationen/Anionenpaarung einer ionischen Flüssigkeit die Schmelztemperatur und die Zersetzungstemperatur in einem weiten Bereich einstellbar, sodass in Abhängigkeit des verwendeten Arbeitsmittels des Dampfkreisprozesses und dem Temperaturniveau der Wärmequelle eine geeignete ionische Flüssigkeit ausgewählt werden kann.
Geeignete Kationen zur Ausbildung einer ionischen Flüssigkeit umfassen beispielsweise alkyliertes Imidazolium, Pyridinum, Ammonium oder Phosphonium. Als Anionen können einfache Halogenide verwendet werden, wobei die Wahlmöglichkeiten von komplexeren, anorganischen Ionen, wie Tetrafluoroborate, bis zu organischen Ionen wie Trifluoromethansulfonimid reichen.
Typisch für ionische Flüssigkeiten ist die Auswahlmöglichkeit ihrer physikalisch/chemischen Eigenschaften durch die Wahl der Kationen/Anionenpaarung, sodass es möglich ist, eine ionische Flüssigkeit so maßzuschneidem, dass ein tiefer Schmelzpunkt im Sinne einer Frostschutzwirkung entsteht. Dies gelingt typischerweise durch eine entsprechende Wahl eines organischen Kations. Durch die Auswahl eines geeigneten anorganischen Anions kann typischerweise Einfluss auf die Mischfähigkeit mit weiteren Komponenten, beispielsweise Wasser oder anderen organischen Substanzen, Einfluss genommen werden, sodass es möglich ist, die ionische Flüssigkeit vorteilhaft so anzupassen, dass diese eine Mischung mit dem Arbeitsmedium eingeht. Denkbar ist jedoch auch, dass das Arbeitsmedium in Form einer kolloidalen Mischung in der ionischen Flüssigkeit eingeschlossen wird, wobei auch für diesen Fall durch einen entsprechend tief gewählten Schmelzpunkt der ionischen Flüssigkeit die Frostsicherheit sichergestellt werden kann. Bevorzugt werden die physikalischen Eigenschaften der erfindungsgemäß verwendeten ionischen Flüssigkeit so eingestellt, dass deren Schmelzpunkt bei -30 0C und tiefer liegt und die Zersetzungstemperatur einen Wert höher als 200 0C und bevorzugt höher als 300 0C und insbesondere höher als 350 0C annimmt.
Darüber hinaus wird aus Gründen der Umweltverträglichkeit eine nicht toxische und unfallsichere ionische Flüssigkeit bevorzugt. Ein Beispiel hierfür ist die Auswahl des Kations aus der durch 1-Ethyl-3-Methyl-lmidazolium, 1-Butyl-3- Methyl-Imidazolium und Tris-(2-Hydroxyethyl)-Methylammonium gebildeten
Gruppe. Dies kann mit einem Anion aus folgender Auswahl kombiniert werden: Cf, HSO4 ", CH3SO3 ", AICI4 ', SCN', CH3CO2 ", MeOSO3 und EtOSO3 ".
Die ionische Flüssigkeit ist erfindungsgemäß ein Teil der Flüssigphase des Verdampfers und verbleibt in einem Sumpf, der nachfolgend als Einlassreservoir bezeichnet wird. Zusätzlich zur ionischen Flüssigkeit wird beim Betrieb des Verdampfers das zu verdampfende Arbeitsmittel für den Dampfkreisprozess der Flüssigphase im Einlassreservoir zugeführt. Alternativ erfolgt ein Zustrom einer Mischung aus Arbeitsmittel und ionischer Flüssigkeit. Diese Mischung kann ferner zusätzliche Additive enthalten.
Der Verdampfer ist so gestaltet, dass die Dampferzeugung vorzugsweise in Verdampfungskanälen erfolgt, die zum einen Teil von der Flüssigphase, zum anderen Teil vom Dampf des Arbeitsmittels ausgefüllt sind. Am vom Einlassreservoir abgewandten, oberen Ende dieser Verdampfungskanäle ist eine Dampfsammelleitung angeordnet, die zur Abführung der Dampfphase dient.
Die wesentlichen Vorteile, die sich aus der erfindungsgemäßen Bevorratung eines Volumenanteils an ionischer Flüssigkeit in der Flüssigphase des Verdampfers ergeben, werden im Folgenden dargelegt: Der erste, bereits genannte Vorteil ist in der Frostschutzsicherheit zu sehen. Demnach kann ein Rest der Flüssigphase im Verdampfer auch beim Stillstand der zugeordneten Dampfkreisprozessvorrichtung verbleiben und die Umgebungstemperatur unterhalb des Gefrierpunkts des eigentlichen Arbeitsmittels abfallen. Das Arbeitsmittel kann demnach ausschließlich im Hinblick auf die sich aus der Führung des Dampfkreisprozesses ergebenden Anforderungen gewählt werden, ohne den zusätzlichen Aspekt der Frostsicherheit zu berücksichtigen.
Als weiterer Vorteil der Erfindung ist die Vorwärmung des Arbeitsmittels durch die ständig in der Flüssigphase des Sumpfs im Verdampfer bleibende ionische Flüssigkeit zu sehen. Demnach wirkt die ionische Flüssigkeit wie ein Wärmetauscher zur Vorwärmung des Arbeitsmittels und erhöht den Wirkungsgrad des Dampfkreisprozesses, indem die mittlere Temperatur der Wärmezufuhr im Verdampfer erhöht wird. Zugleich dient das Volumen an ionischer Flüssigkeit im Einlassreservoir des Verdampfers als thermischer Puffer, sodass Fluktuationen im Wärmeeintrag in ihrer Wirkung auf die Dampferzeugung abgeschwächt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die ionische Flüssigkeit als Schmiermittel insbesondere für die bewegten Komponenten des Expanders verwendet werden kann. Wird demnach über einen Flüssigkeitsauslass vom Verdampfer ein Teil der Flüssigphase, die reich an ionischer Flüssigkeit ist, aus dem Verdampfer entnommen, so kann dieser zu Schmierzwecken in eine Schmiermittelleitung eingebracht und zu den weiteren Komponenten der Dampfkreisprozessvorrichtung geführt werden. Hierbei ist von Vorteil, dass während des Betriebs die am Flüssigkeitsauslass am Verdampfer entnommene Flüssigphase sich auf einem angehobenem Temperaturniveau befindet. Wird diese als Schmiermittel dem Expander zugeleitet, so führt dies nicht zu einer unerwünschten Abkühlung durch den Schmiermittelstrom. Darüber hinaus kann ein Anteil der Flüssigphase aus dem Verdampfer entnommen werden, um weitere Komponenten der Dampfkreisprozessvorrichtung vorzuwärmen. Die Flüssigkeitszuführung zum erfindungsgemäßen Verdampfer kann auf unterschiedliche Art und Weise gestaltet werden. Gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante tritt über einen Flüssigkeitseinlass am Verdampfer das Arbeitsmittel ein oder es wird eine Mischung aus Arbeitsmittel und zusätzlichen Additiven, beispielsweise Schmierstoffen, die in die Dampfphase übergehen, zugeführt. Demnach bleibt die ursprünglich in den Verdampfer aufgenommene Menge an ionischer Flüssigkeit während des Betriebs unverändert und es erfolgt lediglich ein Nachströmen des Arbeitsmittels in flüssiger Form und ein ständiges Verdampfen entsprechend des thermischen Leistungseintrags. Durch den Zustrom des Arbeitsmittel zum Verdampfer und die Verdampfung wird die ionische Flüssigkeit ständig gekühlt, sodass diese dauerhaft unterhalb ihrer Zersetzungstemperatur verbleibt.
Alternativ tritt in den Verdampfer eine Flüssigkeitsmischung ein, die neben dem Arbeitsmittel auch eine ionische Flüssigkeit umfasst. Durch das Abdampfen des Arbeitsmittels im Verdampfer würde sich die ionische Flüssigkeit in der Flüssigphase im Einlassreservoir anreichern, sodass eine ständige Durchströmung des Einlassreservoirs durch einen Flüssigkeitsabzug an einem Flüssigkeitsauslass des Verdampfers realisiert werden muss. Bevorzugt wird die Flüssigphase, welche reich an ionischer Flüssigkeit ist, vor der Rückführung in ein Reservoir durch einen Rekuperator geleitet, der zur Vorwärmung der in den Verdampfer eintretenden Flüssigkeitsmischung verwendet wird.
Der Wärmeeintrag zum Verdampfer wird so eingestellt, dass der Bereich, in dem sich die Flüssigphase mit der ionischen Flüssigkeit befindet, nicht über die
Zersetzungstemperatur derselben erwärmt wird. Dies gelingt dadurch, dass das Heizmedium im Bereich der Dampfsammelleitung in den Verdampfer eingeführt wird und im Verhältnis zu den Dampfkanälen, in denen das Arbeitsmittel verdampft wird und die ionische Flüssigkeit zurückbleibt, im Gegenstromprinzip geführt wird. Ferner ist es wünschenswert, im Falle eines zu hohen Wärmeeintrags einen Teil der thermischen Leistung des Heizmediums abzuführen. Wird zur Erwärmung des Verdampfers ein erhitztes Gas aus einer Brennereinheit oder der Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine als Heizmedium genutzt, so bietet sich die Verwendung einer Überströmklappe an, die zwischen dem Einlass und dem
Auslass der Heiz-Kanalstruktur angeordnet ist und die steuerbar eine Verbindung zu einer Bypassleitung freigibt, die zur Ableitung eines Überschusses an gasförmigem Heizmedium verwendet werden kann.
Darüber hinaus wird für eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdampfers, der von einem Abgasstrom beaufschlagt wird, in der Heizgasführung ein Katalysator und/oder ein Partikelfilter vorgesehen. Bevorzugt wird dieser innerhalb des Gehäuses des Verdampfers angeordnet, sodass der Katalysator beziehungsweise der Partikelfilter beim Systemstart schnell auf Temperatur gebracht wird und die Abwärme der katalytischen Reaktion wenigstens zum Teil im Verdampfer verwertet wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausgestaltungsbeispiele und in Verbindung mit Figuren genauer erläutert, welche im Einzelnen Folgendes darstellen:
Figur 1 zeigt in einer Prinzipienskizze einen erfindungsgemäßen Verdampfer als Teil einer Dampfkreisprozessvorrichtung.
Figur 2 zeigt schematisch vereinfacht eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verdampfers.
In Figur 1 ist schematisch vereinfacht eine Dampfkreisprozessvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Verdampfer 1 dargestellt. Dieser umfasst in einem Einlassreservoir 7 eine ionische Flüssigkeit, die mit dem eigentlichen, für die Verdampfung vorgesehenen Arbeitsmittel vermischt ist. Der Zustrom zum Einlassreservoir 7 erfolgt über einen Flüssigkeitseinlass 6, dem über eine Speisepumpe 5 eine das Arbeitsmittel umfassende Betriebsflüssigkeit zugeführt wird. Gemäß einer ersten Ausgestaltung enthält die Betriebsflüssigkeit ausschließlich in die Dampfphase übergehende Bestandteile. Dies sind insbesondere das Arbeitsmittel sowie eventuell zusätzliche Additive, beispielsweise Schmiermittel, die mit dem Dampfstrom mitgerissen werden und der Schmierung des Expanders 2 dienen.
Gemäß einer Ausgestaltungsalternative wird als Betriebsflüssigkeit dem Verdampfer 7 eine Mischung aus der nicht verdampfenden ionischen Flüssigkeit und dem verdampfbaren Anteil, insbesondere dem Arbeitsmittel, zugeführt. Für diesen Fall ist ein ständiges Durchströmen des Einlassreservoirs 7 und damit ein Flüssigkeitsauslass 12 und eine Flüssigkeitsrückführung 23 zum Reservoir 4 notwendig. Für den Fall einer Durchströmung des Einlassreservoirs 7 tritt am Flüssigkeitseinlass 6 eine Betriebsflüssigkeit ein, die reich an Arbeitsmittel ist. Die am Flüssigkeitsauslass 12 austretende Flüssigkeit weist aufgrund der Abdampfung des Arbeitsmittels in den Verdampfungskanälen 8 einen erhöhten Massenanteil an ionischer Flüssigkeit auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Flüssigkeitsabzug aus dem Einlassreservoir 7 mit einer Schmiermittelleitung 13 verbunden. Diese kann insbesondere zur Zuführung von Schmiermittel zum Expander 2 dienen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, die Wärmeenergie der aus dem Verdampfer 1 zurückgeführten Betriebsflüssigkeit zur Vorwärmung der zugeführten Betriebsflüssigkeit zu nutzen. Hierzu ist in Figur 1 ein Wärmetauscher 14, der der Speisepumpe 5 nachfolgt, skizziert.
Als im Verdampfer 1 in die Dampfphase überführtes Arbeitsmittel kann ein einkomponentiges Arbeitsmittel, im einfachsten Fall Wasser, zur Ausführung eines Clausius-Rankine-Zykluses verwendet werden, demnach verdampft das
Arbeitsmittel isotherm, während die erfindungsgemäß verwendete ionische Flüssigkeit in der Flüssigphase im Verdampfer 1 verbleibt. Wird stattdessen ein zwei- oder mehrkomponentiges Arbeitsmittel verwendet, ein Beispiel hierfür ist eine Mischung aus Wasser und Aceton, so kann ein Kalina- Zyklus ausgeführt werden, der im Hinblick auf eine Wirkungsgradsteigerung, insbesondere bei einer Wärmequelle 10 niedriger Temperatur zu einer
Wirkungsgradsteigerung führt. Für diesen Fall verdampft das mehrkomponentige Arbeitsmittel nicht-isotherm, sondern weist eine konzentrationsabhängige Siedetemperatur auf.
Weitere Komponenten zur Ausführung eines Kalina-Zykluses, beispielsweise ein Austreiber zur Abscheidung einer Flüssigphase von der Dampfphase, der dem Verdampfer 1 nachfolgt, sind in Figur 1 nicht dargestellt. Beispielsweise können Komponenten vorgesehen sein, um über Konzentrationsänderungen im dampfförmigen Arbeitsmittel, das zur Verflüssigung dem Kondensator 3 zugeführt wird, den Siededruck abzusenken.
Weiterhin sind in Figur 1 zur Vereinfachung der Darstellung die zur Einstellung eines bestimmten Füllgrads der Flüssigphase im Verdampfer 1 notwendigen Einrichtungen nicht gezeigt. Hierzu wird bevorzugt eine Füllstandsregeleinrichtung verwendet, die den Pegel der Flüssigphase im Verdampfer so einstellt, dass die Verdampfungskanäle beim Betrieb teils mit Flüssigkeit, teils mit der Dampfphase des Arbeitsmittels gefüllt sind. Weiterhin sind die für diese Einstellung notwendigen Ventileinrichtungen nicht dargestellt. Dies trifft auch auf die Steuerungskomponenten für den Volumenstrom in der Flüssigkeitsrückführung 23 und der Schmiermittelleitung 13 zu.
In Figur 2 ist schematisch vereinfacht der Aufbau eines erfindungsgemäßen Verdampfers 1 dargestellt. Gezeigt ist wiederum das Einlassreservoir 7, in dem sich die ionische Flüssigkeit vermischt mit dem Arbeitsmittel befindet. Der Zustrom zum Einlassreservoir 7 erfolgt über den Flüssigkeitseinlass 6, wobei entweder Arbeitsmittel oder eine Mischung aus Arbeitsmittel und ionischer Flüssigkeit einströmt. Im Fall der Durchströmung des Einlassreservoirs 7 erfolgt der Abzug der Betriebsflüssigkeit über den Flüssigkeitsauslass 12.
Vom Einlassreservoir 7 geht eine Vielzahl von Verdampfungskanälen 8.1, 8.2, ..., 8.n aus, die beim Betrieb bis zu einem bestimmten Flüssigkeitsstand gefüllt sind. Der obere Teil der Verdampfungskanäle dient beim Betrieb des Verdampfers dem Dampfabzug und der weiteren Überhitzung des Dampfs des Arbeitsmittels. Dieser wird in einer Dampfsammelleitung 9, in die die Vielzahl der Dampfkanäle 8.1 - 8.n mündet, gesammelt, und über einen Dampfauslass 24 dem Expander 2 zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt. Zur Zuführung thermischer Energie zu den Verdampfungskanälen 8.1 - 8.n wird eine Heiz- Kanalstruktur 11 verwendet. Diese führt das Heizmedium im Verdampfer, wobei als Heizmedium entweder eine flüssige Phase, beispielsweise die Kühlflüssigkeit einer Verbrennungskraftmaschine, oder ein gasförmiges Heizmedium, beispielsweise der Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, Verwendung finden kann.
Vorteilhafterweise ist die Heiz-Kanalstruktur 11 so angelegt, dass diese zunächst jenen Teil der Verdampfungskanäle 8.1 - 8.n thermisch beaufschlagt, in dem das Arbeitsmittel bereits dampfförmig vorliegt. Es erfolgt demnach eine weitere Überhitzung der Dampfphase. Nachfolgend wird im Sinne des Gegenstromprinzips das Heizmedium in Richtung der kälteren Bereiche des Verdampfers 1 geleitet, in denen sich auch das Einlassreservoir 7 befindet. Besonders bevorzugt wird eine mäanderförmige Führung der Heiz-Kanalstruktur 11 , entsprechend zur vereinfachten Darstellung in Figur 2. Durch eine solchermaßen angelegte Heiz-Kanalstruktur 11 kann der Verdampfer 1 mit einem heißen Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine betrieben werden, wobei die Temperatur im Einlass für das Heizmedium 16 über der Zersetzungstemperatur der ionischen Flüssigkeit liegen kann. Dieser wird jedoch beim Betrieb des Verdampfers durch die gewählte Führung der Heiz-Kanalstruktur 11 und aufgrund des Zustroms von kühlem, flüssigen Arbeitsmittel und durch dessen Abdampfskühlung unterhalb der Zersetzungstemperatur gehalten. Entsprechend wird der Flüssigkeitspegel so in den Verdampfungskanälen 8.1 - 8.n eingestellt, dass die Flüssigphase mit der ionischen Flüssigkeit nicht in Bereiche gelangt, die auf einer Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur der ionischen Flüssigkeiten liegen.
Ferner wird bevorzugt zum Abfangen von Leistungsspitzen im Wärmeeintrag durch das Heizmedium eine Vorrichtung vorgesehen, die das Heizmedium für den Überlastfall wenigstens an Teilen der Heiz-Kanalstruktur vorbei zum Auslass 17 für das Heizmedium führt. Im Fall eines gasförmigen Heizmediums kann beispielsweise die in Figur 1 skizzierte Überströmklappe 21 verwendet werden, die beim Öffnen den Zugang zu einer Bypassleitung 22 freigibt.
Ferner ist in der in Figur 2 dargestellten bevorzugten Ausgestaltung eine Reinigungskammer 18 der Heiz-Kanalstruktur 11 vorgelagert. Diese befindet sich innerhalb des Gehäuses 15 des Verdampfers 1. In der Reinigungskammer 18 sind zur Reinigung als eines als Heizmedium verwendeten Abgasstroms eine Anordnung aus Katalysatoren 19.1 , 19.2 und Partikelfiltern 20.1 und 20.2 vorgesehen. Eine solche Anordnung innerhalb des Gehäuses 15 des Verdampfers
I ist aus thermischen Gründen vorteilhaft. Der Katalysator gelangt nach dem Start schneller auf seine Betriebstemperatur. Ferner kann die Abwärme der katalytischen Reaktion sowie die bei einer thermischen Reinigung eines Partikelfilters 20.1 , 20.2 entstehende Wärme zum Betrieb des Verdampfers 1 verwendet werden. Entsteht bei einer Filterreinigung eine zu hohe Wärmeleistung, so kann diese wiederum über die Überströmklappe 21 und die Bypassleitung 22 am Hauptteil der Heiz-Kanalstruktur 11 vorbeigeleitet werden. Gemäß einer
Ausgestaltungsvariante kann die Reinigungskammer 18 in die Heiz-Kanalstruktur
I I integriert werden.
Der erfindungsgemäße Verdampfer wird aus einem Material hergestellt, das gegenüber der Mischung aus Arbeitsmittel und ionischer Flüssigkeit hinreichend korrosionsfest ist. Als bevorzugte Materialien kommen insbesondere keramische Werkstoffe und Edelstahl in Betracht. Weitere Modifikationen der Erfindung können im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche ausgeführt werden.
Bezugszeichenliste
1 Verdampfer
2 Expander
3 Kondensator
4 Reservoir
5 Speisepumpe
6 Flüssigkeitseinlass
7 Einlassreservoir
8, 8.1 , 8.2, ..., 8.n Verdampfungskanal
9 Dampfsammelleitung
10 Wärmequelle
11 Heiz-Kanalstruktur
12 Flüssigkeitsauslass
13 Schmiermittelleitung
14 Wärmetauscher
15 Gehäuse
16 Einlass für das Heizmedium
17 Auslass für das Heizmedium
18 Reinigungskammer
19.1, 19.2 Katalysator
20.1, 20.2 Partikelfilter
21 Überströmklappe
22 Bypassleitung
23 Flüssigkeitsrückführung
24 Dampfauslass

Claims

Patentansprüche
1. Verdampfer für eine Dampfkreisprozessvorrichtung, umfassend 1.1 ein Gehäuse (15); 1.2 eine Heiz-Kanalstruktur (11) für ein flüssiges oder gasförmiges Heizmedium zum Erhitzen des Verdampfers (1);
1.3 ein Einlassreservoir (7), das in Verbindung mit einem Flüssigkeitseinlass (6) für das Arbeitsmittel der Dampfkreisprozessvorrichtung steht, wobei das Einlassreservoir eine als Frostschutzmittel dienende ionische Flüssigkeit enthält, die einen Schmelzpunkt unterhalb des Gefrierpunkts des
Arbeitsmittels und eine Zersetzungstemperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels aufweist, und wobei die ionische Flüssigkeit mit dem Arbeitsmittel gemischt ist oder mit diesem eine kolloidale Mischung eingeht; 1.5 Verdampfungskanäle (8.1, ..., 8.n), die die Heiz-Kanalstruktur (11) durchqueren und die jeweils an einem Ende mit dem Einlassreservoir in fluidischer Verbindung stehen und jeweils am anderen Ende in eine Dampfsammelleitung münden, die oberhalb des Einlassreservoirs angeordnet ist.
2. Verdampfer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer einen Flüssigkeitsauslass (12) am Einlassreservoir (7) umfasst.
3. Verdampfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsauslass (12) in fluidischer Verbindung zu einem dem
Verdampfer vorgeschalteten Wärmetauscher (14) der Dampfkreisprozessvorrichtung steht.
4. Verdampfer nach wenigstens einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsauslass (12) in fluidischer Verbindung zu einer Schmiermittelleitung (13) für einen Expander (2) der Dampfkreisprozessvorrichtung steht.
5. Verdampfer nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer eine Füllstandsregeleinrichtung umfasst, die den Füllstand der Flüssigkeitsphase im Einlassreservoir (7) und/oder den Verdampfungskanälen (8.1 , ..., 8.n) steuert oder regelt.
6. Verdampfer nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz-Kanalstruktur (11) mäanderförmig angelegt ist.
7. Verdampfer nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungskanäle (8.1 , ..., 8.n) und die Heiz-Kanalstruktur nach dem Gegenstromprinzip ausgebildet sind.
8. Verdampfer nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Heiz-Kanalstruktur (11) wenigstens eine steuerbare Überströmklappe (21) zu einer Bypassleitung (22) vorgesehen ist.
9. Verdampfer nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (15) wenigstens ein Katalysator (19.1 , 19.2) und/oder wenigstens ein Partikelfilter (20.1 , 20.2) angeordnet ist.
10. Verfahren zum Betrieb eines Verdampfers für eine Dampfkreisprozessvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigphase im Verdampfer ein Arbeitsmittel zum Betrieb des Dampfkreisprozesses und eine als Frostschutzmittel dienende ionische Flüssigkeit umfasst, die einen Schmelzpunkt unterhalb des Gefrierpunkts des Arbeitsmittels und eine Zersetzungstemperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels aufweist, und wobei die ionische Flüssigkeit mit dem Arbeitsmittel gemischt ist oder mit diesem eine kolloidale Mischung eingeht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des Verdampfers dem Verdampfer eine Flüssigphase mittels einer
Speisepumpe (5) zugeführt wird, wobei die Zuführung durch einen Flüssigkeitseinlass (6) zu einem Einlassreservoir (7) erfolgt, das in fluidischer Verbindung zu Verdampfungskanälen (8.1 , ..., 8.n) steht, die in einer Dampfsammelleitung (9) münden und wobei durch eine Entnahme der Flüssigphase über einen Flüssigkeitsausgleich eine ständige
Durchströmung des Einlassreservoirs (7) erfolgt.
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