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WO2008122429A1 - Nutzung von abwärme aus verbrennungsmotoren zur stromerzeugung - Google Patents

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Publication number
WO2008122429A1
WO2008122429A1 PCT/EP2008/002737 EP2008002737W WO2008122429A1 WO 2008122429 A1 WO2008122429 A1 WO 2008122429A1 EP 2008002737 W EP2008002737 W EP 2008002737W WO 2008122429 A1 WO2008122429 A1 WO 2008122429A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
medium
cycle
heat
heat exchanger
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/002737
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Schuhknecht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of WO2008122429A1 publication Critical patent/WO2008122429A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F02G5/04—Profiting from waste heat of exhaust gases in combination with other waste heat from combustion engines
    • 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
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a method of utilizing waste heat from piston internal combustion engines to generate electric power using a cyclic process, the method comprising the steps of:
  • thermodynamic power plant in particular turbine, on which the cycle process medium performs work.
  • ORC ORC
  • the organic cycle medium such as a silicone oil
  • just when using biogas as fuel for the piston internal combustion engine operation of the internal combustion engine is often in a simple environment, such as farms.
  • the use of organic cyclic process media places increased demands on the system for utilizing the waste heat of piston internal combustion engines, which represents an undesirably high barrier against the use of waste heat from biogas-fueled internal combustion engines. It is therefore an object of the present invention to provide a generic method, which can be operated easily and safely and even in an environment with normal to low technological standard - so to speak, in a low-tech environment.
  • the water is used as a recycle medium in liquid and vapor states, it should only be expressed that the water is present in at least one point of the cycle in liquid form and at least one point of the cycle at least in vapor form.
  • the points of liquid and vapor state of aggregation may be the same, for instance if the water has a thermodynamic state which is in its two-phase state. Area in the temperature entropy diagram (Ts diagram).
  • the greatest possible efficiency can be obtained by transferring heat from the exhaust gas in at least one heat exchanger directly to the cycle medium.
  • the waste heat of the exhaust gas can be transmitted as lossless as possible to the cycle medium.
  • a basic functionality of the CRC process can be ensured if exhaust gas flows through at least one evaporator heat exchanger and then an economizer heat exchanger.
  • the exhaust gas flows through the evaporator heat exchanger in its flow direction and then through the economizer heat exchanger, whereas in its flow direction the circulating medium flows first through the economizer heat exchanger and then through the evaporator heat exchanger.
  • water can be effectively heated as a cycle process medium starting from the liquid state of aggregation and converted into the two-phase state up to the saturated steam state.
  • the circuit process medium only slightly overheat and the thermodynamic power plant (when viewed in Ts diagram) in the two-phase area in the vicinity of the saturated steam line to relax.
  • the method can be carried out in such a way that the intermediate medium heated by the absorption of heat from the exhaust gas successively flows through a plurality of heat exchangers, wherein heat is transferred from the intermediate medium to the circulating medium in each throughflowed heat exchanger. It is advantageously provided for the reasons already mentioned above, that the heated intermediate medium an evaporator heat exchanger and then an economizer Heat exchanger flows through.
  • a piston internal combustion engine develops operating heat during its operation, which is usually dissipated by a coolant, such as cooling water.
  • a coolant such as cooling water.
  • the efficiency of the system can be further increased if the heated by receiving operating heat of the piston internal combustion engine coolant emits heat to the cycle medium. It has been found that this is particularly advantageous when heat of the coolant is transferred at one point of the cycle to the cycle medium, which is located between two transfer points, at those derived from the exhaust heat, so either directly or indirectly via an intermediate medium to the cycle process medium is transmitted.
  • a particularly suitable point for the transmission of coolant heat to the cycle medium has thereby proven a point which is located in the flow direction of the cycle medium between the economizer heat exchanger and the evaporator heat exchanger.
  • the piston internal combustion engine in a stationary operating state, ie at a substantially constant speed.
  • a fuel for cost reasons and for reasons of environmental protection is preferably intended to a biofuel, in particular to a biogas, as it is cost-effective in silos in agricultural holdings.
  • the piston internal combustion engine can be operated with any suitable fuel.
  • waste heat in a temperature range between 180 0 C and 500 0 C can be used for power generation.
  • the proposed method can increase the total electrical efficiency, for example of an internal combustion engine of 40%, by up to 55% by using the waste heat recovery described here.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a method according to the invention, in which heat is transferred from the exhaust gas of an internal combustion engine directly to the cycle medium,
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the method according to the invention, in which heat is transferred from the exhaust gas of an internal combustion engine indirectly via an intermediate medium to the cycle medium;
  • FIG. 3 shows a T-s diagram of the cyclic process of the first embodiment
  • FIG. 1 is a Ts diagram of the cycle of the second embodiment.
  • a system for utilizing the waste heat of a stationarily operated internal combustion engine for generating electricity is generally designated 10. It comprises the stationarily operated internal combustion engine 12, in the example illustrated a gas Otto internal combustion engine. This is fed via a fuel line 14 biogas as fuel and 16 air via an air line. In the piston internal combustion engine 12, the biogas and the air in the piston combustion chambers are burned and the combustion products are discharged as exhaust gas via an exhaust pipe 18.
  • the exhaust gas in the exhaust pipe 18 is supplied in a very hot state, with a temperature of between 15O 0 C and 200 0 C, preferably of about 180 0 C, a superheater heat exchanger 20. There, the exhaust gas gives off heat to the water flowing in vapor form through the superheater heat exchanger 20 as the cycle process medium of the cycle process described below.
  • the water, in the considered here cycle process section more precisely the water vapor, as the cycle medium is thus overheated in the superheater heat exchanger 20 and exits from this in the steam line 22 as a slightly superheated steam.
  • the cycle system is generally indicated at 24 in FIG.
  • the superheated steam is fed to a turbine 26 and expanded therein. It emerges particularly preferably as wet steam with a steam content of about 85% from the turbine 26 again and is condensed in the condenser 28 in a conventional manner to substantially liquid water.
  • the thus condensed liquid cycle medium is fed via the feedwater line 30 of the feedwater pump system 32, where it is raised to a higher pressure level, on which it successively passes through a plurality of heat exchangers, until finally again as weakly superheated saturated steam in the steam line 22 again the turbine 26th is supplied.
  • the cyclic process medium starting from the feedwater pump system 32, passes through an economizer heat exchanger 34, an engine coolant heat exchanger 36 and an evaporator heat exchanger 38 and the superheater heat exchanger 20 already described above.
  • the exhaust gas of the internal combustion engine 12 exits from the superheater heat exchanger 20 due to the heat transfer to the gaseous cycle medium in the superheater heat exchanger 20 at a temperature about 10 K lower than at the heat exchanger inlet and enters the evaporator heat exchanger 38. There, it gives off heat to the circulating process medium entering the evaporator heat exchanger 38 in the liquid state of aggregation, as a result of which the cycle medium is at least partially vaporized.
  • the recycle medium exits the evaporator heat exchanger 38 as saturated steam.
  • the heat transfer from the exhaust gas to the cycle medium in the evaporator heat exchanger is considerably greater than in the superheater heat exchanger 20.
  • the exhaust gas occurs by about 80 to 110 K, preferably by 100 K colder from the Evaporator heat exchanger 38 from when it enters this.
  • the exhaust gas which is now approximately 60 to 80 ° C., is introduced into the economizer heat exchanger 34, where it preheats the cool cycle medium coming from the feedwater pump system 32.
  • the cyclic process fluid enters at a temperature of 30 to 35 ° C, preferably about 33 0 C, in the economizer heat exchanger 34 and leaves it at a temperature of about 6O 0 C.
  • the exhaust gas exits the economizer heat exchanger 34 with a temperature of about 40 0 C and is discharged via an exhaust fan into the environment.
  • the temperature increase of the circulating medium during the flow through the motor-coolant heat exchanger 36 is ideally also 20 K, but may be a few Kelvin lower due to usual losses.
  • energy can be obtained from the heat contained in the exhaust gas of the internal combustion engine 12 in addition to the energy which can be tapped off at the motor shaft of the internal combustion engine 12.
  • An overall electrical efficiency of approximately 52% is achieved.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a method according to the invention or a system with which a method according to the invention can be carried out.
  • Figure 2 will be described in the following only in so far as they differs from Figure 1.
  • the heat of the exhaust gas from the exhaust pipe 118 is not directly transferred in heat exchangers to the cycle medium, but is transferred in an intermediate medium heat exchanger 150 to a thermal oil as an intermediate medium.
  • the thermal oil is pumped through a thermal oil pump 152 in a thermal oil circulation line 154. After the passage of the exhaust gas through the intermediate medium heat exchanger 150, it is blown off by the exhaust fan 140 into the ambient air.
  • the exhaust gas from the exhaust pipe 118 at a temperature of about 170 to 190 0 C, preferably 180 0 C enters the intermediate medium heat exchanger 150 and leaves it at a temperature of about 40 to 60 ° C, preferably from 45 to 50 0 C.
  • the thermal oil is heated during passage through the intermediate medium heat exchanger 150 from a temperature of about 35 to 45 ° C, preferably 40 0 C, to a temperature of about 160 to 180 0 C, preferably 17O 0 C. At this temperature, the thermal oil enters the evaporator heat exchanger 138. Due to the indirect heat transfer of heat from the exhaust gas to the cycle medium, the cycle process plant 124 shown in FIG. 2 does not have a superheater heat exchanger.
  • the cycle medium is introduced into the turbine 126 only as saturated steam in the second embodiment.
  • the thermal oil After the thermal oil has left the evaporator heat exchanger 138 with the release of heat to the cycle medium, it enters the economizer heat exchanger 134, where it preheats the circular process medium flowing towards the evaporator heat exchanger 138.
  • the thermal oil After passing through the economizer heat exchanger 134, the thermal oil is passed through the intermediate medium heat exchanger 150 for re-absorption of heat, etc.
  • FIG. 3 shows a T-s diagram of the cycle medium (water) of the Clausius-Rankine cycle of the first embodiment of FIG.
  • the entropy s is rising to the right plotted, in the ordinate direction, the temperature T is applied upward. Furthermore, in the Ts diagram, a region 60 is shown in which water is liquid only, a two-phase region 62 is shown in which water is both liquid and vapor, the vapor content being left to right in FIG 0% to 100% (at the saturated steam line 64) and a region 66 is shown in which water is exclusively vapor, more specifically superheated steam.
  • KP refers to the critical point of water, which is known to be at an absolute pressure of 220.55 bar and a temperature of 373.98 ° C.
  • the consideration of the cycle of the first embodiment of the method according to the invention begins after the feedwater pump system 32 at point A in the region 60 of the liquid phase of the water. Through the heat exchangers 34 and 36, the water is heated as a cycle medium to the point B, which is located at the edge of the two-phase region 62 to the liquid phase region 60.
  • the water in the evaporator heat exchanger 38 is isobarically and isothermally vaporized to the state of saturated steam (point C). Subsequently, the vaporous water in the superheater heat exchanger 20 is ideally isobarically overheated to point D, at about 170 ° C. Starting from point D, the water is released into the wet steam area, that is, into the two-phase area 62 up to a steam content of about 85% in the turbine, thereby performing work.
  • the point E After relaxation in the turbine, the point E is reached, which is at a temperature of about 33 ° C and an absolute pressure of 50 mbar.
  • the stated values of the water in point E are predetermined by the capacitor 28.
  • the water In the condenser 28, the water is isobaric and isothermal condensed starting from point E until at point F, the entire water is liquid again.
  • the feedwater pump system 32 then ideally raises the pressure of the liquid circulating medium to isentropically increasing the temperature T to the point A, whereupon the cycle medium passes through the cycle again.
  • FIG. 4 shows the Ts diagram of the cycle medium (water) of the Rankine cycle process of the second embodiment of FIG.
  • the representation of the cyclic process in the Ts diagram is substantially the same as that of Figure 3.
  • Analogous points in the cyclic process of Figure 4 are denoted by the same capital letters as those of Figure 3 but provided with an apostrophe.
  • Identical regions or lines as in FIG. 3 are given the same reference symbols in FIG. 4, but increased by the number 100.
  • the points E 1 and F 1 which are predetermined by the capacitor used, are identified by the points E and F of FIG identical.
  • the point B 1 is at a lower temperature level than the corresponding point B of Figure 3, namely at about 160 0 C. and an absolute pressure of just over 6 bar. At these values, the water is isobarically and isothermally evaporated by the evaporator heat exchanger 138. Because in the second
  • the cycle medium is relaxed as saturated steam from point C in the turbine 126 in the two-phase region 162 to point E '.
  • the relaxation preferably ends again at a steam content of about 85%. It can easily be seen from a comparison of the two diagrams of FIGS. 3 and 4 that the
  • Circular process medium in the cycle of the first embodiment performs more work than in the cycle of the second embodiment.

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Abstract

Ein Verfahren zur Nutzung von Abwärme aus Kolben-Verbrennungsmotoren zur Erzeugung von elektrischem Strom unter Verwendung eines Kreisprozesses, umfasst folgende Schritte: Antreiben des Kreislaufmediums zu einer Kreislaufströmung; Betreiben eines Kolben-Verbrennungsmotors (12) unter Zufuhr von Brennstoff und Luft, welche bei dem Betrieb zu Abgas verbrannt werden; Übertragen von Wärme aus dem Abgas des Kolben-Verbrennungsmotors (12) an das Kreisprozessmedium; Betreiben einer thermodynamischen Kraftanlage, insbesondere Turbine (26), an welcher das Kreisprozessmedium Arbeit verrichtet, wobei der Kreisprozess ein Clausius-Rankine-Kreisprozess ist, bei welchem Wasser in flüssigen und dampfförmigen Aggregatszuständen als Kreisprozessmedium verwendet wird.

Description

Nutzung von Abwärme aus Verbrennungsmotoren zur Stromerzeugung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von Abwärme aus Kolben-Verbrennungsmotoren zur Erzeugung von elektrischem Strom unter Verwendung eines Kreisprozesses, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Antreiben des Kreislaufmediums zu einer Kreislaufströmung, - Betreiben eines Kolben-Verbrennungsmotors unter Zufuhr von Brennstoff und Luft, welche bei dem Betrieb zu Abgas verbrannt werden,
- Übertragen von Wärme aus dem Abgas des Kolben-Verbrennungsmotors an das Kreisprozessmedium,
- Betreiben einer thermodynamischen Kraftanlage, insbesondere Turbine, an welcher das Kreisprozessmedium Arbeit verrichtet .
Ein derartiges Verfahren in ist bereits aus dem Artikel "Biogas effizient genutzt" aus BWK Bd. 58 (2006) Nr. 6, S. 8 u. 9 bekannt. Dort ist in die Nutzung von Abwärme eines mit Biogas betriebenen Gas-Otto-Motors durch einen Kreisprozess mit einem organischen Kreisprozessmedium beschrieben. Als ein Kreisprozess wird der so genannte "Organic-Rankine- Cycle" (ORC) verwendet.
Nachteilig an dem ORC ist die Verwendung des organischen Kreisprozessmediums, etwa eines Silikonöls, da gerade bei der Nutzung von Biogas als Brennstoff für den Kolben-Verbrennungsmotor der Betrieb das Verbrennungsmotors häufig in einfacher Umgebung, etwa auf Bauernhöfen, erfolgt. Dabei stellt die Verwendung organischer Kreisprozessmedien erhöhte Anforderungen an die Anlage zur Nutzung der Abwärme von Kolben-Verbrennungsmotoren, was eine unerwünscht hohe Barriere gegen die Nutzung von Abwärme aus mit Biogas betriebenen Verbrennungsmotoren darstellt. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren bereitzustellen, welches einfach und sicher auch und gerade in einer Umgebung mit normalem bis niedrigem technologischem Standard betrieben werden kann - sozusagen in einer Low-Tech-Umgebung.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei welchem der Kreisprozess ein Clausius-Rankine-Kreisprozess ist, bei dem Wasser in flüssigen und dampfförmigen Aggregatszuständen als Kreisprozessmedium verwendet wird.
Dabei ist zu beachten, dass in der Fachwelt gerade die Verwendung von Wasser beziehungsweise Wasserdampf als Kreisprozessmedium zur Nutzung von Abwärme eines Abgases eines Kolben-Verbrennungsmotors als ungeeignet galt, gerade bei mit Biogas betriebenen Motoren. Es ist das Verdienst des Erfinders der vorliegenden Erfindung, sich über dieses
Vorurteil hinweggesetzt zu haben. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat sogar festgestellt, dass mit dem mit Wasser beziehungsweise Wasserdampf betriebenen Clausius-Rankine-Kreisprozess ein deutlich höherer Gesamtwirkungsgrad als mit dem bisher verwendeten ORC-Prozess erzielbar ist. In dem oben genannten Artikel ist nämlich der elektrische
Wirkungsgrad einer mit dem ORC-Prozess betriebenen Anlage mit maximal 45% angegeben. Demgegenüber können, bei geeigneter Prozessführung, mit dem Clausus-Rankine-Kreisprozess (CRC-Prozess) Wirkungsgrade von bis zu 52% erzielt werden.
Wenn in der vorliegenden Anmeldung ausgesagt ist, das Wasser als Kreisprozessmedium in flüssigen und dampfförmigen Aggregatszuständen verwendet wird, so soll lediglich zum Ausdruck gebracht werden, dass das Wasser an wenigstens einer Stelle des Kreisprozesses in flüssiger Form vorliegt und an wenigstens einer Stelle des Kreisprozesses zumindest auch in dampfförmiger Form vorliegt. Dabei können die Stellen flüssigen und dampfförmigen Aggregatszustands dieselben sein, etwa wenn das Wasser einen thermodynamischen Zustand aufweist, der in desssen Zwei-Phasen- Gebiet im Temperatur-Entropie-Diagramm (T-s-Diagramm) liegt.
Den größtmöglichen Wirkungsgrad kann man dadurch erhalten, dass Wärme aus dem Abgas in wenigstens einem Wärmetauscher unmittelbar an das Kreisprozessmedium übertragen wird. Dabei kann die Abwärme des Abgases möglichst verlustfrei an das Kreisprozessmedium übertragen werden.
Zwar ist grundsätzlich denkbar, in einem sehr einfachen und nicht bevorzugten Fall lediglich einen einzigen Wärmetauscher zu verwenden, in welchem Wärme von dem Abgas unmittelbar zu dem Kreisprozessmedium übertragen wird. Dies wäre in diesem Fall ein Verdampfer-Wärmetauscher. Für eine möglichst gute Ausnutzung der Abwärme des Abgases ist es jedoch vorteilhaft, wenn Abgas nacheinander eine Mehrzahl von Wärmetauschern durchströmt, wobei in jedem durchströmten Wärmetauscher Wärme vom Abgas an das Kreisprozessmedium abgegeben wird.
Dabei kann eine grundlegende Funktionalität des CRC-Prozesses sichergestellt werden, wenn Abgas wenigstens einen Verdampfer- Wärmetauscher und anschließend einen Economizer-Wärmetauscher durchströmt. Das Abgas durchströmt in seiner Strömungsrichtung dabei zuerst den Verdampfer-Wärmetauscher und danach den Economizer- Wärmetauscher, wohingegen das Kreisprozessmedium in seiner Strömungsrichtung zuerst den Economizer-Wärmetauscher und anschließend den Verdampfer-Wärmetauscher durchströmt. Dadurch kann Wasser als Kreisprozessmedium ausgehend vom flüssigen Aggregatszustand effektiv erwärmt und in den Zwei-Phasen-Zustand bis hin zum Sattdampfzustand überführt werden.
Im hier diskutierten bevorzugten Fall einer bevorzugten unmittelbaren Übertragung von Wärme vom Abgas auf das Kreisprozessmedium kann jedoch aufgrund des hohen Wärmeinhalts des Abgases dieses auch einem Überhitzer-Wärmetauscher zugeführt werden, so dass das Kreisprozessmedium als überhitzter Dampf, vorzugsweise schwach überhitzter Dampf am Ausgang des Überhitzer-Wärmetauscher vorliegt. Dadurch ist die Menge an Arbeit größer, welche das Kreisprozessmedium an der thermodynamischen Kraftanlage, etwa durch Entspannung in einer Turbine, zu leisten vermag.
Dabei hat sich für einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig einfacher Anlagengestaltung und Prozessführung als besonders vorteilhaft herausgestellt, das Kreisprozessmedium lediglich schwach zu überhitzen und an der thermodynamischen Kraftanlage (bei Betrachtung im T-s- Diagramm) in das Zwei-Phasen-Gebiet in die Nähe der Sattdampflinie zu entspannen. Damit ist insbesondere ein Bereich von 70% bis 95% Dampfgehalt, besonders bevorzugt 85% Dampfgehalt, gemeint.
Alternativ zu der gerade beschriebenen Ausgestaltung des Verfahrens kann es unter Umständen unmöglich sein, das heiße Abgas und das Kreisprozessmedium in einem Wärmetauscher Wärme austauschen zu lassen. Dies kann etwa dann der Fall sein, wenn sich der Kolben- Verbrennungsmotor und der Kreisprozess an räumlich weit auseinanderliegenden Orten befinden. In solchen Fällen kann daran gedacht sein, dass Wärme aus dem Abgas an ein Zwischenmedium, vorzugsweise ein Thermoöl, übertragen wird und von diesem weiter an das Kreisprozessmedium übertragen wird. Dann wird außerdem in vorteilhafter Vereinfachung der Anlagentechnik nur ein Wärmetauscher für den Wärmeübergang vom Abgas auf ein Medium benötigt. Analog zur obigen Darstellung kann zur Steigerung des Wirkungsgrads das Verfahren derart ausgeführt werden, dass das durch Aufnahme von Wärme aus dem Abgas erwärmte Zwischenmedium nacheinander eine Mehrzahl von Wärmetauschern durchströmt, wobei in jedem durchströmten Wärmetauscher Wärme vom Zwischenmedium an das Kreisprozessmedium abgegeben wird. Dabei ist vorteilhafter Weise aus den oben bereits genannten Gründen vorgesehen, dass das erwärmte Zwischenmedium einen Verdampfer-Wärmetauscher und anschließend einen Economizer- Wärmetauscher durchströmt.
Außerdem entwickelt eine Kolben-Verbrennungsmotor während seines Betriebs Betriebswärme, welche üblicherweise durch ein Kühlmittel, wie etwa Kühlwasser, abgeführt wird. Der Wirkungsgrad der Anlage kann weiter erhöht werden sein, wenn das durch Aufnahme von Betriebswärme des Kolben-Verbrennungsmotors erwärmte Kühlmittel Wärme an das Kreisprozessmedium abgibt. Dabei hat sich herausgestellt, dass das besonders vorteilhaft ist, wenn Wärme des Kühlmittels an einer Stelle des Kreisprozesses an das Kreisprozessmedium übertragen wird, welche zwischen zwei Übertragungsstellen gelegen ist, an denen vom Abgas stammende Wärme, also entweder unmittelbar oder mittelbar über ein Zwischenmedium, an das Kreisprozessmedium übertragen wird. Als besonders geeignete Stelle zur Übertragung von Kühlmittelwärme an das Kreisprozessmedium hat sich dabei eine Stelle erwiesen, welche in Strömungsrichtung des Kreisprozessmediums zwischen dem Economizer-Wärmetauscher und dem Verdampfer- Wärmetauscher gelegen ist.
Im Hinblick auf eine möglichst geringe Umweltbelastung ist es vorteilhaft, den Kolben-Verbrennungsmotor in einem stationären Betriebszustand zu halten, also mit im Wesentlichen konstanter Drehzahl. Als Brennstoff ist aus Kostengründen und aus Gründen des Umweltschutzes vorzugsweise an einen Biokraftstoff gedacht, insbesondere an ein Biogas, wie es in landwirtschaftlichen Betrieben kostengünstig in Silospeichern entsteht. Grundsätz- lieh kann der Kolben-Verbrennungsmotor jedoch mit jedem beliebigen geeigneten Kraftstoff betrieben werden.
Mit dem entwickelten Verfahren kann Abwärme in einem Temperaturbereich zwischen 1800C und 5000C zur Stromerzeugung genutzt werden.
Dies ist insbesondere für stationäre Verbrennungsmotoren (Kolbenmotoren) mit biogenen Brennstoffen (Pflanzenöl, Biogas) oder fossilen Brennstoffen (Erdgas, Dieselöl, Benzin) von Bedeutung. Die Abgastemperatur bewegt sich dabei nach Angaben von Herstellern derartiger Motoren zwischen 4000C und 5000C1 im Mittel ca. 450°C, weshalb es sich bei diesem Temperaturbereich im einen bevorzugten Betriebstemperaturbereich des hier vorgeschlagenen Verfahrens handelt.
Es ergeben sich jedoch darüber hinaus noch weitere Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere die Nutzbarmachung industrieller Abwärme, wobei sich hier die Untergrenze der nutzbaren Abwärmetemperatur systembedingt im Bereich von 1700C oder bevorzugt von 18O0C bewegt.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich nach den Berechnungen des Anmelders der elektrische Gesamtwirkungsgrad beispielsweise eines Verbrennungsmotors von 40% durch Anwendung der hier beschriebenen Abwärmenutzung auf bis zu 55% steigern.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Es stellt dar:
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem Wärme vom Abgas eines Verbrennungsmotors unmittelbar an das Kreisprozessmedium übertragen wird,
Figur 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah- rens, bei welchem Wärme vom Abgas eines Verbrennungsmotors mittelbar über ein Zwischenmedium an das Kreisprozessmedium übertragen wird,
Figur 3 ein T-s-Diagramm des Kreisprozesses der ersten Ausführungs- form, und
Figur 4 ein T-s-Diagramm des Kreisprozesses der zweiten Ausführungsform. In Figur 1 ist eine Anlage zur Nutzung der Abwärme eines stationär betriebenen Verbrennungsmotors zur Stromerzeugung allgemein mit 10 bezeichnet. Sie umfasst den stationär betriebenen Verbrennungsmotor 12, im dargestellten Beispiel einen Gas-Otto-Verbrennungsmotor. Dieser wird über eine Brennstoffleitung 14 Biogas als Brennstoff und über eine Luftleitung 16 Luft zugeführt. In dem Kolben-Verbrennungsmotor 12 werden das Biogas und die Luft in den Kolben-Brennräumen verbrannt und die Verbrennungsprodukte als Abgas über eine Abgasleitung 18 ausgestoßen.
Das Abgas in der Abgasleitung 18 wird in sehr heißem Zustand, mit einer Temperatur von zwischen 15O0C und 2000C, vorzugsweise von circa 1800C, einem Überhitzer-Wärmetauscher 20 zugeführt. Dort gibt das Abgas Wärme an das den Überhitzer-Wärmetauscher 20 dampfförmig durchströmende Wasser als das Kreisprozessmedium des weiter unten beschriebenen Kreisprozesses ab. Das Wasser, in dem hier betrachteten Kreisprozessabschnitt genauer der Wasserdampf, als das Kreisprozessmedium wird somit in dem Überhitzer-Wärmetauscher 20 überhitzt und tritt aus diesem in der Dampfleitung 22 als schwach überhitzter Dampf aus.
Die Kreisprozess-Anlage ist in Figur 1 allgemein mit 24 bezeichnet. Ausgehend von der Dampfleitung 22 wird der überhitzte Dampf einer Turbine 26 zugeführt und in dieser entspannt. Er tritt besonders bevorzugt als Nassdampf mit einem Dampfgehalt von circa 85% aus der Turbine 26 wieder aus und wird im Kondensator 28 in an sich bekannter Weise zu im Wesentlichen flüssigen Wasser kondensiert. Das so kondensierte flüssige Kreisprozessmedium wird über die Speisewasserleitung 30 der Speisewasserpumpenanlage 32 zugeführt, wo es auf ein höheres Druckniveau angehoben wird, auf welchem es nacheinander eine Mehrzahl von Wärmetauschern durchläuft, bis es schließlich wieder als schwach überhitzter Sattdampf in der Dampfleitung 22 erneut der Turbine 26 zugeführt wird. Nacheinander durchläuft das Kreisprozessmedium ausgehend von der Speisewasserpumpenanlage 32 einen Economizer-Wärmetauscher 34 einen Motor-Kühlmittel-Wärmetauscher 36 und einen Verdampfer-Wärmetauscher 38 sowie den zuvor bereits beschriebenen Überhitzer-Wärmetauscher 20.
Das Abgas des Verbrennungsmotors 12 tritt aufgrund der Wärmeabgabe an das dampfförmige Kreisprozessmedium im Überhitzer-Wärmetauscher 20 mit einer um circa 10 K geringeren Temperatur als am Wärmetauschereinlass aus dem Überhitzer-Wärmetauscher 20 aus und tritt in den Verdampfer-Wärmetauscher 38 ein. Dort gibt es Wärme an das in flüssigem Aggregatszustand in den Verdampfer-Wärmetauscher 38 eintretende Kreisprozessmedium ab, wodurch das Kreisprozessmedium wenigstens teilweise verdampft wird. Vorzugsweise tritt das Kreisprozessmedium als Sattdampf aus dem Verdampfer-Wärmetauscher 38 aus. Durch die wenigstens teilweise Verdampfung von Kreisprozessmedium und die hierzu notwendige Verdampfungsenthalpie ist der Wärmeübertrag vom Abgas auf das Kreisprozessmedium im Verdampfer-Wärmetauscher erheblich größer als im Überhitzer- Wärmetauscher 20. Das Abgas tritt um circa 80 bis 110 K, vorzugsweise um 100 K kälter aus dem Verdampfer-Wärmetauscher 38 aus als es in diesen eintritt.
Von dem Verdampfer-Wärmetauscher 38 ausgehend wird das nun circa 60 bis 800C warme Abgas in den Economizer-Wärmetauscher 34 eingeleitet, wo es das von der Speisewasserpumpenanlage 32 kommende kühle Kreisprozessmedium vorerwärmt. Das Kreisprozessmedium tritt mit einer Temperatur von 30 bis 35°C, vorzugsweise ca. 330C, in den Economizer- Wärmetauscher 34 ein und verlässt diesen mit einer Temperatur von circa 6O0C. Das Abgas verlässt den Economizer-Wärmetauscher 34 mit einer Temperatur von circa 400C und wird über einen Abgasventilator in die Umgebung abgelassen. Zwischen dem Economizer-Wärmetauscher 34 und dem Verdampfer- Wärmetauscher 38 wird circa 85°C bis 95°C, vorzugsweise 900C, heißes Kühlmittel aus dem Verbrennungsmotor 12 dem Motor-Kühlmittel- Wärmetauscher 36 zugeführt, wo es unter Abgabe von Wärme an das Kreisprozessmedium um circa 20 K abgekühlt wird und dem Verbrennungsmotor 12 wieder zugeführt wird.
Die Temperaturerhöhung des Kreisprozessmediums während der Durchströmung des Motor-Kühlmittel-Wärmetauschers 36 beträgt idealerweise ebenfalls 20 K, kann aufgrund von üblichen Verlusten jedoch einige Kelvin geringer ausfallen.
Mit der in Figur 1 gezeigten Anlage kann zusätzlich zu der an der Motorwelle des Verbrennungsmotors 12 abgreifbaren Energie Energie aus der im Abgas des Verbrennungsmotors 12 enthaltenen Wärme gewonnen werden. Dabei wird ein elektrischer Gesamtwirkungsgrad von circa 52% erreicht.
In Figur 2 ist eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise einer Anlage gezeigt, mit welcher ein erfindungsgemäßes Verfahren ausgeführt werden kann. Gleiche Bauteile beziehungsweise Baugruppen wie in der in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsform, auf deren Beschreibung ausdrücklich Bezug genommen wird, sind in Figur 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen, jedoch erhöht um die Zahl 100. Figur 2 wird im folgenden lediglich insofern beschrieben werden, als sie sich von Figur 1 unterscheidet.
Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform wird in der in Figur 2 dargestellten zweiten Ausführungsform die Wärme des Abgases aus der Abgasleitung 118 in Wärmetauschern nicht unmittelbar an das Kreisprozessmedium übertragen, sondern wird in einem Zwischenmedium- Wärmetauscher 150 an ein Thermoöl als Zwischenmedium übertragen. Das Thermoöl wird durch eine Thermoöl-Pumpe 152 in einer Thermoöl- Kreislaufleitung 154 umgepumpt. Nach dem Durchlauf des Abgases durch den Zwischenmedium- Wärmetauscher 150 wird es durch den Abgasventilator 140 in die Umgebungsluft abgeblasen. Wiederum tritt das Abgas aus der Abgasleitung 118 mit einer Temperatur von circa 170 bis 1900C, vorzugsweise 1800C, in den Zwischenmedium-Wärmetauscher 150 ein und verlässt diesen mit einer Temperatur von circa 40 bis 60°C, vorzugsweise von 45 bis 500C. Das Thermoöl wird beim Durchgang durch den Zwischenmedium- Wärmetauscher 150 von einer Temperatur von circa 35 bis 45°C, vorzugsweise 400C, auf eine Temperatur von circa 160 bis 1800C, vorzugsweise 17O0C erwärmt. Mit dieser Temperatur tritt das Thermoöl in den Verdampfer-Wärmetauscher 138 ein. Aufgrund der mittelbaren Wärmeübertragung von Wärme vom Abgas auf das Kreisprozessmedium weist die in Figur 2 dargestellte Kreisprozess-Anlage 124 keinen Überhitzer- Wärmetauscher auf.
Das Kreisprozessmedium wird in der zweiten Ausführungsform lediglich als Sattdampf in die Turbine 126 eingeleitet.
Nachdem das Thermoöl den Verdampfer-Wärmetauscher 138 unter Abgabe von Wärme an das Kreisprozessmedium verlassen hat, tritt es in den Economizer-Wärmetauscher 134 ein, wo es das zum Verdampfer- Wärmetauscher 138 hin strömende Kreisprozessmedium vorerwärmt.
Nach dem Durchlauf durch den Economizer-Wärmetauscher 134 wird das Thermoöl zur erneuten Wämeaufnahme durch den Zwischenmedium- Wärmetauscher 150 geleitet, usw.
In Figur 3 ist ein T-s-Diagramm des Kreisprozessmediums (Wasser) des Clausius-Rankine-Kreisprozesses der ersten Ausführungsform von Figur 1 dargestellt.
In der Abszissenrichtung ist nach rechts ansteigend die Entropie s aufgetragen, in der Ordinatenrichtung ist nach oben ansteigend die Temperatur T aufgetragen. Weiterhin ist in dem T-s-Diagramm ein Gebiet 60 gezeigt, in welchem Wasser ausschließlich flüssig vorliegt, ist ein Zwei- Phasen-Gebiet 62 gezeigt, in welchem Wasser sowohl flüssig als auch dampfförmig vorliegt, wobei der Dampfgehalt von links nach rechts in Figur 3 von 0% bis 100% (bei der Sattdampflinie 64) ansteigt, sowie ein Gebiet 66 gezeigt, in welchem Wasser ausschließlich dampfförmig, genauer als überhitzter Dampf vorliegt. Mit KP ist der kritische Punkt von Wasser bezeichnet, welcher bekanntermaßen bei einem Absolutdruck von 220,55 bar und einer Temperatur von 373,98°C liegt.
Die Betrachtung des Kreisprozesses der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beginnt nach der Speisewasserpumpenanlage 32 bei Punkt A im Gebiet 60 der flüssigen Phase des Wassers. Durch die Wärmetauscher 34 und 36 wird das Wasser als Kreisprozessmedium erwärmt bis zum Punkt B, welcher am Rande des Zwei-Phasen-Gebietes 62 zum Gebiet 60 der flüssigen Phase gelegen ist.
Ausgehend von dem Punkt B, welcher etwa bei einer Temperatur von 1650C und bei einem Absolutdruck von circa 7 bar gelegen ist, wird das Wasser im Verdampfer-Wärmetauscher 38 bis zum Zustand des Sattdampfes (Punkt C) isobar und isotherm verdampft. Anschließend wird das dampfförmige Wasser im Überhitzer-Wärmetauscher 20 bis zum Punkt D, bei circa 1700C idealerweise isobar überhitzt. Von Punkt D ausgehend wird das Wasser in das Nassdampfgebiet, das heißt in das Zwei-Phasen-Gebiet 62 bis zu einem Dampfgehalt von circa 85% in der Turbine entspannt und verrichtet dabei Arbeit.
Nach der Entspannung in der Turbine ist der Punkt E erreicht, welcher bei einer Temperatur von circa 33°C und einem Absolutdruck von 50 mbar liegt. Die genannten Werte des Wassers in Punkt E werden durch den Kondensator 28 vorgegeben. Im Kondensator 28 wird das Wasser ausgehend von Punkt E isobar und isotherm kondensiert bis bei Punkt F das gesamte Wasser wieder flüssig vorliegt. Die Speisewasserpumpenanlage 32 hebt dann den Druck des flüssigen Kreisprozessmediums idealerweise isentrop unter Erhöhung der Temperatur T zum Punkt A an, woraufhin das Kreisprozessmedium den Kreisprozess erneut durchläuft.
In Figur 4 ist das T-s-Diagramm des Kreisprozessmediums (Wasser) des Clausius-Rankine-Kreisprozesses der zweiten Ausführungsform von Figur 2 dargestellt. Die Darstellung des Kreisprozesses in T-s-Diagramm entspricht im Wesentlichen jener von Figur 3. Analoge Punkte im Kreisprozess von Figur 4 sind mit gleichen Großbuchstaben wie jene von Figur 3 bezeichnet, jedoch versehen mit einem Apostroph. Gleiche Gebiete oder Linien wie in Figur 3 sind in Figur 4 mit gleichen Bezugszeichen versehen, jedoch erhöht um die Zahl 100. Die Punkte E1 und F1, welche durch den verwendeten Kondensator vorgegeben sind, sind mit den Punkten E und F von Figur 3 identisch.
Da durch das Thermoöl als Zwischenmedium in dem Economizer- Wärmetauscher 134 weniger Wärme an das Kreisprozessmedium abgegeben wird als in der ersten Ausführungsform, befindet sich der Punkt B1 auf einem niedrigeren Temperaturniveau als der entsprechende Punkt B von Figur 3, nämlich bei circa 1600C und einem Absolutdruck von etwas über 6 bar. Bei diesen Werten wird das Wasser durch den Verdampfer- Wärmetauscher 138 isobar und isotherm verdampft. Da in der zweiten
Ausführungsform eine Überhitzung fehlt, wird das Kreisprozessmedium als Sattdampf von Punkt C aus in der Turbine 126 in das Zwei-Phasen-Gebiet 162 zu Punkt E' entspannt. Dabei endet die Entspannung vorzugsweise wiederum bei einem Dampfgehalt von circa 85%. Es ist aus einem Vergleich der beiden Diagramme der Figuren 3 und 4 leicht erkennbar, dass das
Kreisprozessmedium in dem Kreisprozess der ersten Ausführungsform mehr Arbeit leistet als im Kreisprozess der zweiten Ausführungsform.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Nutzung von Abwärme aus Kolben- Verbrennungsmotoren zur Erzeugung von elektrischem Strom unter
Verwendung eines Kreisprozesses, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Antreiben des Kreislaufmediums zu einer Kreislaufströmung,
- Betreiben eines Kolben-Verbrennungsmotors (12; 112) unter Zufuhr von Brennstoff und Luft, welche bei dem Betrieb zu Abgas verbrannt werden,
- Übertragen von Wärme aus dem Abgas des Kolben- Verbrennungsmotors (12; 112) an das Kreisprozessmedium, Betreiben einer thermodynamischen Kraftanlage, insbesondere Turbine (26; 126), an welcher das Kreisprozessmedium Arbeit verrichtet, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisprozess ein Clausius- Rankine-Kreisprozess ist, bei welchem Wasser in flüssigen und dampfförmigen Aggregatszuständen als Kreisprozessmedium verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme aus dem Abgas in wenigstens einem Wärmetauscher (20, 34, 38) unmittelbar an das Kreisprozessmedium übertragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas nacheinander eine Mehrzahl von Wärmetauschern (20, 34, 38) durchströmt, wobei in jedem durchströmten Wärmetauscher (20, 34, 38) Wärme vom Abgas an das Kreisprozessmedium abgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas wenigstens einen Verdampfer-Wärmetauscher (38) und anschließend einen Economizer-Wärmetauscher (34) durchströmt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas einen Überhitzer- Wärmetauscher (20) durchströmt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Wärme aus dem Abgas an ein
Zwischenmedium, vorzugsweise ein Thermoöl, übertragen wird und von diesem weiter an das Kreisprozessmedium übertragen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das durch Aufnahme von Wärme aus dem Abgas erwärmte Zwischenmedium nacheinander eine Mehrzahl von Wärmetauschern (138, 134) durchströmt, wobei in jedem durchströmten Wärmetauscher (138, 134) Wärme vom Zwischenmedium an das Kreisprozessmedium abgegeben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erwärmte Zwischenmedium einen Verdampfer-Wärmetauscher (138) und anschließend einen Economizer-Wärmetauscher (134) durchströmt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben-Verbrennungsmotor (12; 112) durch ein Kühlmittel gekühlt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das durch Aufnahme von Betriebswärme des Kolben-Verbrennungsmotors erwärmte Kühlmittel Wärme an das Kreisprozessmedium abgibt (bei 36; bei 136).
11. Verfahren nach Anspruch 10 in Verbindung mit Anspruch 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe von Wärme durch das Kühlmittel an das Kreisprozessmedium (bei 36; bei 136) in Strömungsrichtung des Kreisprozessmediums zwischen zwei Orten
(34, 38; 134, 138) erfolgt, an welchen vom Abgas her stammende Wärme an das Kreisprozessmedium übertragen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 in Verbindung mit Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe von Wärme durch das
Kühlmittel an das Kreisprozessmedium (bei 36; bei 136) in Strömungsrichtung des Kreisprozessmediums zwischen dem Economizer-Wärmetauscher (34; 134) und dem Verdampfer- Wärmetauscher (38; 138) erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben-Verbrennungsmotor (12; 112) in einem stationären Betriebszustand betrieben wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben-Verbrennungsmotor (12; 112) mit einem Biokraftstoff, insbesondere Biogas, betrieben wird.
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