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WO2008131810A2 - Betriebsflüssigkeit für einen dampfkreisprozess und verfahren für dessen betrieb - Google Patents

Betriebsflüssigkeit für einen dampfkreisprozess und verfahren für dessen betrieb Download PDF

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WO2008131810A2
WO2008131810A2 PCT/EP2008/000514 EP2008000514W WO2008131810A2 WO 2008131810 A2 WO2008131810 A2 WO 2008131810A2 EP 2008000514 W EP2008000514 W EP 2008000514W WO 2008131810 A2 WO2008131810 A2 WO 2008131810A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ionic liquid
steam generator
working medium
operating fluid
fluid
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/EP2008/000514
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English (en)
French (fr)
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WO2008131810A3 (de
Inventor
Christian Bausch
Jens Grieser
Jürgen Berger
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.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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 Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Priority to US12/451,009 priority Critical patent/US8468828B2/en
Priority to JP2010504469A priority patent/JP5300837B2/ja
Priority to CA002684974A priority patent/CA2684974A1/en
Publication of WO2008131810A2 publication Critical patent/WO2008131810A2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Publication of WO2008131810A3 publication Critical patent/WO2008131810A3/de
Ceased legal-status Critical Current

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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
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • 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
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids
    • F01K25/065—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids with an absorption fluid remaining at least partly in the liquid state, e.g. water for ammonia

Definitions

  • the invention relates to a working fluid for a steam cycle and an operating method for carrying out the steam cycle.
  • Steam cycle processes serve to convert thermal energy into mechanical energy and are used, for example, for energy generation units which generate a heat flow by means of a burner device, which is supplied to a steam generator.
  • a working medium is vaporized by supplying heat, wherein the resulting vapor phase is fed to an expander for relaxation, performs in this mechanical work and subsequently condensed in the condenser.
  • the condensate is fed to a reservoir, from which by means of a feed pump for the working medium of the renewed influx to the steam generator takes place.
  • a steam engine can also be used to utilize the waste heat of an internal combustion engine, for example, by the exhaust gas stream is fed to a heat exchanger device in the steam generator.
  • a heat exchanger device in the steam generator in the steam generator.
  • the mechanical power generated in the expander can then be at least indirectly supplied to a shaft of the drive system or there is a drive of an electric generator through the expander.
  • a device for carrying out a steam cycle process can be designed as an auxiliary unit utilizing the waste heat of a main drive machine, which either supports the propulsion of the vehicle by engine or provides electrical energy for secondary consumers.
  • the operating fluid for a steam cycle process comprises additives to the working fluid. These can form an azeotrope with the working medium.
  • An example of this is disclosed by DE 103 28 289 B3, which proposes a mixture of water and at least one heterocyclic compound as operating liquid for a steam cycle process and additional, miscible polymers, surface-active and / or other organic lubricants.
  • a heterocyclic compound in particular, 2-methylpyridine, 3-methylpyridine, pyridine, pyrrole and pyridazine are proposed. Due to the use of the heterocyclic compound, the freezing point of the working fluid is set below 0 ° C.
  • the heterocyclic compound forms an azeotrope with water, so that this merges with the water content in the steam generator into the gas phase.
  • lubricants are also transported in the vapor phase to perform a self-lubrication to the expander.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a working fluid for a steam cycle process, which enables a cold start of the steam cycle process at any time, in particular for the discontinuous operation and longer downtimes even at low ambient temperatures, and in particular ensures the antifreeze safety of the system.
  • the operating fluid should be environmentally friendly and, in particular, non-toxic to plants and animals and should be distinguished by a high level of accident safety.
  • a further object of the invention is to provide a method with which the steam cycle can be operated with the operating fluid so that it is designed as energy efficient as possible, and an apparatus for carrying out the method.
  • the operating fluid comprises at least two components.
  • the first component represents a working medium used for the actual operation of the steam cycle process. Accordingly, an evaporation of the working medium by heat in the steam generator, a subsequent relaxation by performing mechanical work in the expander and then a condensation with recycling of the condensate, typically via a reservoir and a feed pump, to re-enter the circuit, that is, for re-evaporation in the steam generator.
  • Another component of the operating fluid according to the invention for the steam cycle process is an antifreeze, which under normal operating conditions substantially no evaporation in the steam generator subject and only serves to keep the operating fluid in the reservoir liquid even at low outside temperatures and thus to allow a cold start of the system.
  • an ionic liquid is used as antifreeze.
  • a salt is understood, which is liquid below 100 0 C.
  • the ionic liquid has a melting point lower than the freezing point of the working medium to increase the antifreeze safety of the working liquid for the steam cycle.
  • an ionic liquid is preferred whose melting point is - 30 0 C or lower.
  • Ionic liquids owe their low melting point to poor ion coordination.
  • the delocalized charges are responsible for this, whereby typically at least one ion is based on an organic molecule and the formation of a stable crystal lattice is prevented even at low temperatures.
  • suitable cations and anions to form an ionic liquid includes, for example, alkylated imidazolium, pyridinium, ammonium or phosphonium in the case of the cations.
  • 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 of ionic liquids is the choice of their physical / chemical properties by the choice of
  • a particular advantage of ionic liquids for use as part of a working fluid for a steam cycle is that the ionic liquid is characterized by a vanishing vapor pressure up to its decomposition temperature. If the decomposition temperature is adjusted by an appropriate choice of the cation / anion pairing for the ionic liquid so that it lies above the temperature of the liquid phase of the operating liquid in the steam generator, it is possible that the ionic liquid does not pass into the gas phase like the actual working medium and is directed to the expander. This results in a simple way to separate the ionic liquid from the operating fluid, in the event that the operating temperature of the steam cycle is reached, or that a temperature is present in the system, in which frost protection is no longer necessary.
  • the operating method comprises the following steps:
  • the starting point is initially the stoppage of the steam cycle in cold outside temperatures.
  • the operating fluid is collected in a reservoir and contains a mixture comprising the working medium, which is provided for evaporation in the steam generator, and the ionic liquid as antifreeze.
  • the working medium enters into a mixture with the ionic liquid or is enclosed in it in the form of colloids, so that even at low outside temperatures the operating liquid is liquid in the reservoir when the steam cycle process is at a standstill.
  • thermal energy is supplied to the steam generator, for example, via an exhaust gas flow from an internal combustion engine.
  • the operating fluid enters the steam generator; this can be done, for example, by means of a feed pump.
  • an evaporation of the working medium takes place, while the ionic liquid generates no vapor pressure and is returned to the reservoir.
  • the return is not to a reservoir, but to a tank for the ionic liquid.
  • the vaporous working medium is fed to the condenser after its expansion and operation in the expander, according to an advantageous embodiment, the resulting condensate of the working medium is not returned to the reservoir, but a separate tank for the working fluid is supplied.
  • This measure creates a progressive separation of the ionic liquid and the working medium. It should be noted that this separation should advantageously be made only above a certain operating temperature. Therefore, the operating temperature at different locations in the device for
  • Execution of the steam cycle process are measured, advantageously as the location of the temperature measurement, the operating fluid in the reservoir can be used. If a certain temperature is reached in the reservoir, which is above the freezing point of the working medium, the above-described separation of the working medium and the ionic liquid can be made. In this case, different separation methods can be used.
  • a switch can be made and the reservoir can be separated from the steam generator and instead an exclusive liquid supply from the tank for the working fluid can be made.
  • This switching characterizes the operation of the steam cycle process to temperature, in which essentially the working medium without the ionic liquid comes into contact with the heat flow in the steam generator and passes through the steam cycle.
  • the separated ionic liquid can be combined with the other components of the operating fluid at a correspondingly low ambient temperature.
  • mixing takes place only below a lower limit temperature in the reservoir for the operating fluid.
  • the renewed mixing can also take place after a predetermined time interval after switching off the steam cycle process or one of its subcomponents, for example the feed pump for the volume flow to the steam generator.
  • ionic liquids are characterized as a proportion of operating fluids by further advantageous properties.
  • ionic liquids are typically nonflammable, they are electrically conductive and thus suppress the build-up of flow potentials.
  • ionic liquids often inhibit corrosion.
  • by the choice of cations / anion pairing their viscosity and density and their Mixing behavior can be adjusted with other liquids in a wide range.
  • the operating fluid comprises further components, in particular lubricants, which are preferably selected so that they enter into an azeotrope with the intended working fluid for evaporation and thus go into the vapor phase and to perform a self-lubrication, in particular the movable components of the expander , are suitable.
  • lubricants which are preferably selected so that they enter into an azeotrope with the intended working fluid for evaporation and thus go into the vapor phase and to perform a self-lubrication, in particular the movable components of the expander , are suitable.
  • ionic liquids are added to the working fluid for a steam cycle process, which are distinguished by their environmental compatibility, non-toxicity and accident safety.
  • 1-ethyl-3-methylimidazolium is used as cations or 1-butyl-3-methyl-limidazolium or tris- (2-hydroxyethyl) -methylammonium and the anion is selected from the group represented by Cl “ , HSO 4 " , CH 3 SO 3 " , AICI 4 , SCN, CH 3 CO 2 , MeOSO 3 and EtOSO 3 - is formed.
  • FIG. 1 shows in a principle sketch a device for carrying out a steam cycle process, which serves to implement the operating method according to the invention.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment to the device from FIG. 1.
  • FIG. 1 schematically shows in simplified form the basic components for a device for carrying out a steam cycle process 1.
  • the steam process 1 can be designed as a Rankine cycle process or as a Kalina-type cyclic process. In the latter case, the working medium is made several components that pass into the vapor phase at different temperature levels.
  • a reservoir for the operating fluid 2 stores the working fluid as a liquid phase. From there, it is typically conducted to the steam generator 3 by means of a feed pump 8, which is advantageously designed to be variable in speed for adjusting the volume flow.
  • the vapor phase generated there enters the expander 4 and performs mechanical work while relaxing. Subsequently, a condensation takes place in the condenser 5 and the return of the condensate.
  • the operating liquid comprises, in addition to the working medium provided for evaporation in the steam generator 3, at least under cold start conditions, an ionic liquid as antifreeze. Accordingly, the melting point of the ionic liquid is chosen lower than the freezing point of the working medium, being provided as the melting point - 30 0 C or lower.
  • the ionic liquid generates substantially no partial pressure during operation of the steam generator 3. Accordingly, the
  • Decomposition temperature of the ionic liquid is adjusted. Accordingly, it is possible to allow temperatures above the decomposition temperature in parts of the steam generator 3, in which only the working medium is present as a vapor phase, or to provide an operating phase which permits a temperature at least for parts of the steam generator 3 after the removal of the ionic liquid from the operating liquid, which is above the decomposition temperature of the ionic liquid.
  • By the measure described above ensures that the ionic liquid in the steam generator 3 remains stable and does not pass into the vapor phase and thus can be led out liquid from the steam generator 3.
  • the ionic liquid after passing through the steam generator 3, the ionic liquid is returned to the reservoir for the operating fluid 2 by means of a bypass line 10.
  • a tank for the working medium 6 is provided, in which the condensate from the condenser 5 collects.
  • the condensate should contain essentially no ionic liquid. Consequently, after a certain operating temperature has been reached, for example a certain threshold temperature in the reservoir for the operating fluid 2, it is possible to remove the ionic fluid at least partially from the operating fluid so that no unused heat removal from the steam generator results.
  • the removal of the ionic liquid from the operating liquid by the evaporation of the working medium in the steam generator 3 and its collection in the tank for the working medium 6 is preferred after reaching a certain level in the tank for the working medium 6, the corresponds to the necessary for the operation of the steam cycle process 1 volume of working medium, a valve unit 11 which controls the influx of the tank for the working fluid 6 and the reservoir for the operating fluid 2 to the steam generator 3, switched so that the reservoir for the operating fluid 2 decoupled is and the feed pump 8 scoops exclusively from the tank for the working medium 6.
  • This switching by means of the valve unit 11 can either time and / or level control and / or temperature controlled and / or dependent on the Concentration of the ionic liquid can be controlled in the operating fluid.
  • Figure 2 shows another possible embodiment variant of an apparatus for carrying out a steam cycle with the process according to the invention
  • FIG. 2 a separate tank for the ionic liquid 7 is sketched in FIG. 2, which is connected to a drain for the liquid phase at the steam generator 3. Accordingly accumulate in the tank for the ionic liquid 7 preferably the non-evaporated portions of the operating fluid, so that there is an enrichment of the ionic liquid here.
  • the ionic liquid is returned from the tank for the ionic liquid 7 to the reservoir for the operating liquid 2. This can be done, for example, via the line connection sketched in FIG. 2 and a return pump 9 provided therein respectively.
  • this flow can be reduced or reduced to zero, so that an enrichment of the ionic liquid in the tank for the ionic liquid 7 during further operation of the steam generator 3 results and at the same time reduces the proportion of ionic liquid in the reservoir for the operating fluid 2 is by constantly the condensate of the working medium from the capacitor 5 is supplied. After a certain period of time, a major part, and preferably substantially all, of the ionic liquid is removed from the steam cycle process. After this is achieved, it is in accordance with a
  • Embodiment possible to close the connection between the steam generator 3 and the tank for the ionic liquid 7 and adjust a suitable high temperature for the exhaust steam according to a possible embodiment of the steam generator.
  • the above-mentioned requirements for the ionic liquid with respect to a sufficiently low melting point for an antifreeze and a sufficiently high decomposition temperature to prevent evaporation of the working fluid from the working fluid and decomposition of the ionic liquid in the steam generator 3, are met by a suitable choice for the cations and the anions of the ionic liquid. Further, the cation / anion pairing is selected to select an environmentally friendly, non-toxic and reliable ionic liquid.
  • EMIM 1-ethyl-3-methyl-imidazolium
  • BMIM 1-butyl-3-methyl-limidazolium
  • MEOA tris- (2-hydroxyethyl) -methyl-ammonium
  • Additional components are corrosion inhibitors and lubricants, more preferably an azeotropic compound to the remainder of the working fluid and forming portions of the vapor phase which are fed to the expander. These measures can achieve self-lubrication.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betriebsflüssigkeit für einen Dampfkreisprozess, der in einer Vorrichtung umfassend einen Dampferzeuger, einen Expander, einen Kondensator und ein Reservoir für die Betriebsflüssigkeit ausgeführt wird, umfassend ein Arbeitsmedium, das durch Wärmezufuhr im Dampferzeuger verdampft, in der Dampfphase durch Entspannen im Expander mechanische Arbeit verrichtet und im Kondensator kondensiert; eine ionische Flüssigkeit, die als Frostschutzmittel dient und im Reservoir einen Schmelzpunkt unterhalb des Gefrierpunkts des Arbeitsmediums aufweist, wobei die Zersetzungstemperatur der ionischen Flüssigkeit oberhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums im Dampferzeuger liegt

Description

Betriebsflüssigkeit für einen Dampfkreisprozess und Verfahren für dessen Betrieb
Die Erfindung betrifft eine Betriebsflüssigkeit für einen Dampfkreisprozess sowie ein Betriebsverfahren zur Ausführung des Dampfkreisprozesses.
Dampfkreisprozesse dienen zur Umsetzung von Wärmeenergie in mechanische Energie und werden beispielsweise für Energieerzeugungseinheiten verwendet, die mittels einer Brennereinrichtung einen Wärmestrom erzeugen, der einem Dampferzeuger zugeleitet wird. Im Dampferzeuger wird ein Arbeitsmedium durch Wärmezufuhr verdampft, wobei die so entstehende Dampfphase zur Entspannung einem Expander zugeführt wird, in diesem mechanische Arbeit leistet und nachfolgend im Kondensator kondensiert. Typischerweise wird das Kondensat einem Reservoir zugeführt, aus dem mittels einer Speisepumpe für das Arbeitsmedium der erneute Zustrom zum Dampferzeuger erfolgt.
Ein Dampfmotor kann ferner zur Ausnutzung der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine verwendet werden, indem beispielsweise deren Abgasstrom einer Wärmetauschereinrichtung im Dampferzeuger zugeleitet wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Abwärme im Kühlwasser einer Verbrennungskraftmaschine zum Betrieb eines Dampfkreisprozesses heranzuziehen. Die im Expander erzeugte mechanische Leistung kann dann wenigstens mittelbar einer Welle des Antriebssystems zugeführt werden oder es erfolgt ein Antrieb eines elektrischen Generators durch den Expander. Auf diese Weise kann eine Vorrichtung zur Ausführung eines Dampfkreisprozesses als ein die Abwärme einer Hauptantriebsmaschine nutzendes Hilfsaggregat ausgebildet sein, welches entweder den Vortrieb des Fahrzeuges motorisch unterstützt oder elektrische Energie für Nebenverbraucher zur Verfügung stellt.
An das Arbeitsmedium zum Betrieb des Dampfkreisprozesses wird grundsätzlich zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads die Anforderung gestellt, dass eine große Temperaturdifferenz zwischen der Dampfphase und dem Kondensat besteht. Dies setzt voraus, dass das Arbeitsmedium bis zu hohen Temperaturen, typischerweise oberhalb 400 0C thermisch stabil bleibt. Darüber hinaus bestehen noch weitere Anforderungen bezüglich des Korrosionsschutzes der Dampferzeugungsvorrichtung und des Transports von Schmiermitteln in der Dampfphase, insbesondere zur Ausführung einer Selbstschmierung der beweglichen Komponenten des Expanders. Ferner ist zur Ausführung eines nicht kontinuierlichen Betriebs, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug, ein längerer Stillstand des Dampfkreisprozesses bei gleichzeitig tiefen Umgebungstemperaturen zu beachten, so dass Vorkehrungen zum Frostschutz getroffen werden müssen.
Demgemäß umfasst die Betriebsflüssigkeit für einen Dampfkreisprozess Zusatzstoffe zum Arbeitsmedium. Diese können mit dem Arbeitsmedium ein Azeotrop bilden. Ein Beispiel hierfür wird durch die DE 103 28 289 B3 offenbart, die als Betriebsflüssigkeit für einen Dampfkreisprozess eine Mischung aus Wasser und wenigstens einer heterozyklischen Verbindung sowie zusätzliche, mischbare Polymere, tensidische und/oder sonstige organische Schmiermittel vorschlägt. Als heterozyklische Verbindung wird insbesondere 2-Methylpyridin, 3-Methylpyridin, Pyridin, Pyrrol und Pyridazin vorgeschlagen. Aufgrund der Verwendung der heterozyklischen Verbindung wird der Gefrierpunkt der Betriebsflüssigkeit unterhalb 0 0C eingestellt. Zugleich bildet die heterozyklische Verbindung mit Wasser ein Azeotrop, so dass dies zusammen mit dem Wasseranteil im Dampferzeuger in die Gasphase übergeht. Hierbei werden Schmiermittel ebenfalls in der Dampfphase zur Ausführung einer Selbstschmierung zum Expander transportiert.
Nachteilig an den bekannten Betriebsflüssigkeiten für Dampfkreisprozesse ist deren Toxizität, so dass aufwendige Vorkehrungen getroffen werden müssen, um einen Austritt der Betriebsflüssigkeit beziehungsweise deren Gasphase sicher zu verhindern. Bei Verwendung in Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, kann dies allerdings im Hinblick auf mögliche Unfallgefahren nicht vollständig ausgeschlossen werden. Zum druckschriftlichen Stand der Technik wird auf die Dokumente DE 102 28 868 B4 und US 3,841,099 verwiesen. Das Erstgenannte beschreibt ein Arbeitsfluid zur Verwendung in einem Rankine-Kreisprozess in Kraftfahrzeugen. Das Zweitgenannte beschreibt eine Dampfmaschine mit geschlossenem Kreislauf, wobei Wasser als Arbeitsmedium verwendet wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Betriebsflüssigkeit für einen Dampfkreisprozess anzugeben, die insbesondere für den diskontinuierlichen Betrieb und für längere Stillstandszeiten auch bei tiefen Umgebungstemperaturen einen Kaltstart des Dampfkreisprozesses zu jeder Zeit ermöglicht und insbesondere die Frostschutzsicherheit des Systems gewährleistet. Gleichzeitig soll die Betriebsflüssigkeit umweltverträglich und insbesondere nicht toxisch für Pflanzen und Lebewesen sein und sich durch eine hohe Unfallsicherheit auszeichnen. Darüber hinaus besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem der Dampfkreisprozess mit der Betriebsflüssigkeit so betrieben werden kann, dass dieser möglichst energieeffizient gestaltet ist, sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Betriebsflüssigkeit wenigstens zwei Komponenten umfasst. Die erste Komponente stellt ein Arbeitsmedium dar, das zum eigentlichen Betrieb des Dampfkreisprozesses verwendet wird. Demnach erfolgt eine Verdampfung des Arbeitsmediums durch Wärmezufuhr im Dampferzeuger, eine nachfolgende Entspannung unter Verrichtung mechanischer Arbeit im Expander und sodann eine Kondensation unter Rückführung des Kondensats, typischerweise über ein Reservoir und eine Speisepumpe, zum erneuten Eintritt in den Kreislauf, das heißt zur erneuten Verdampfung im Dampferzeuger.
Eine weitere Komponente der erfindungsgemäßen Betriebsflüssigkeit für den Dampfkreisprozess stellt ein Frostschutzmittel dar, das unter normalen Betriebsbedingungen im Wesentlichen keiner Verdampfung im Dampferzeuger unterliegt und lediglich dazu dient, auch bei tiefen Außentemperaturen die Betriebsflüssigkeit im Reservoir flüssig zu halten und somit einen Kaltstart des Systems zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird als Frostschutzmittel eine ionische Flüssigkeit verwendet. Unter einer ionischen Flüssigkeit wird ein Salz verstanden, das unterhalb 100 0C flüssig ist. Für die vorliegende Aufgabe ist es jedoch notwendig, dass die ionische Flüssigkeit einen Schmelzpunkt aufweist, der tiefer liegt als der Gefrierpunkt des Arbeitsmediums, um die Frostschutzsicherheit der Betriebsflüssigkeit für den Dampfkreisprozess zu erhöhen. Insbesondere wird eine ionische Flüssigkeit bevorzugt, deren Schmelzpunkt bei - 30 0C oder tiefer liegt.
Ionische Flüssigkeiten verdanken ihren niedrigen Schmelzpunkt einer schlechten lonenkoordination. Hierfür sind die delokalisierte Ladungen verantwortlich, wobei typischerweise wenigstens ein Ion auf einem organischen Molekül basiert und die Bildung eines stabilen Kristallgitters bereits bei tiefen Temperaturen unterbunden wird. Die Auswahl geeigneter Kationen und Anionen zur Ausbildung einer ionischen Flüssigkeit umfasst beispielsweise im Falle der Kationen 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, so dass es möglich ist, eine ionische Flüssigkeit für die erfindungsgemäße Betriebsflüssigkeit für den Dampfkreisprozess so maßzuschneidern, 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, so dass 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 der Betriebsflüssigkeit sichergestellt werden kann.
Einen besonderen Vorteil ionischer Flüssigkeiten zur Verwendung als Teil einer Betriebsflüssigkeit für einen Dampfkreisprozess ist darin zu sehen, dass die ionische Flüssigkeit bis zu ihrer Zersetzungstemperatur durch einen verschwindenden Dampfdruck gekennzeichnet ist. Wird nun durch eine entsprechende Wahl der Kationen/Anionenpaarung für die ionische Flüssigkeit die Zersetzungstemperatur so eingestellt, dass diese oberhalb der Temperatur der Flüssigphase der Betriebsflüssigkeit im Dampferzeuger liegt, ist es möglich, dass die ionische Flüssigkeit nicht wie das eigentliche Arbeitsmedium in die Gasphase übertritt und zum Expander geleitet wird. Hierdurch ergibt sich eine einfache Möglichkeit zum Abtrennen der ionischen Flüssigkeit von der Betriebsflüssigkeit, für den Fall, dass die Betriebstemperatur des Dampfkreisprozesses erreicht wird, beziehungsweise dass eine Temperatur im System vorliegt, bei der eine Frostsicherheit nicht mehr nötig ist.
Nach dem Abtrennen der ionischen Flüssigkeit aus der Betriebsflüssigkeit kann für den Betrieb auf Temperatur der energetisch nachteilige Fall verhindert werden, dass die Frostschutzmittel-Komponente, das heißt die ionische Flüssigkeit, im Dampferzeuger erwärmt werden muss, ohne einen energetischen Beitrag im Dampfkreis zu leisten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Betriebsverfahren folgende Arbeitsschritte: Ausgangspunkt ist zunächst der Stillstand des Dampfkreisprozesses bei kalten Außentemperaturen. Hierbei wird die Betriebsflüssigkeit in einem Reservoir gesammelt und enthält eine Mischung umfassend das Arbeitsmedium, das zur Verdampfung im Dampferzeuger vorgesehen ist, und die ionische Flüssigkeit als Frostschutzmittel. Erfindungsgemäß liegt der Schmelzpunkt der ionischen
Flüssigkeit unter dem Gefrierpunkt des Arbeitsmediums und insbesondere bei - 30 0C oder tiefer. Das Arbeitsmedium geht eine Mischung mit der ionischen Flüssigkeit ein oder ist in dieser in Form von Kolloiden eingeschlossen, so dass auch bei tiefen Außentemperaturen die Betriebsflüssigkeit beim Stillstand des Dampfkreisprozesses flüssig im Reservoir vorliegt.
Beim Starten des Dampfkreisprozesses wird dem Dampferzeuger thermische Energie, beispielsweise über einen Abgasstrom aus einer Verbrennungskraftmaschine, zugeführt, gleichzeitig tritt die Betriebsflüssigkeit in den Dampferzeuger ein, dies kann beispielsweise mittel einer Speisepumpe erfolgen. Im Dampferzeuger erfolgt eine Verdampfung des Arbeitsmediums, während die ionische Flüssigkeit keinen Dampfdruck erzeugt und zum Reservoir zurückgeführt wird. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung erfolgt die Rückführung nicht zu einem Reservoir, sondern zu einem Tank für die ionische Flüssigkeit.
Das dampfförmige Arbeitsmedium wird nach dessen Entspannung und Arbeitsverrichtung im Expander dem Kondensator zugeführt, wobei gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung das so entstehende Kondensat des Arbeitsmediums nicht wieder zum Reservoir zurückgeführt wird, sondern einem separaten Tank für das Arbeitsmedium zugeleitet wird. Durch diese Maßnahme entsteht eine fortschreitende Trennung der ionischen Flüssigkeit und des Arbeitsmediums. Hierbei ist zu beachten, dass diese Trennung vorteilhafterweise erst oberhalb einer bestimmten Betriebstemperatur vorgenommen werden sollte. Daher kann die Betriebstemperatur an unterschiedlichen Stellen in der Vorrichtung zur
Ausführung des Dampfkreisprozesses gemessen werden, wobei vorteilhafterweise als Ort der Temperaturmessung die Betriebsflüssigkeit im Reservoir herangezogen werden kann. Wird im Reservoir eine bestimmte Temperatur erreicht, die oberhalb des Gefrierpunkts des Arbeitsmediums liegt, kann die voranstehend beschriebene Trennung des Arbeitsmediums und der ionischen Flüssigkeit vorgenommen werden. Hierbei können unterschiedliche Trennverfahren verwendet werden.
Nach einer bestimmten Zeitdauer und/oder beim Erreichen eines bestimmten Füllstands im Tank für das Arbeitsmedium kann eine Umschaltung vorgenommen und das Reservoir vom Dampferzeuger getrennt werden und stattdessen eine ausschließliche Flüssigkeitszuführung aus dem Tank für das Arbeitsmedium vorgenommen werden. Diese Umschaltung kennzeichnet den Betrieb des Dampfkreisprozesses auf Temperatur, bei dem im Wesentlichen das Arbeitsmedium ohne die ionische Flüssigkeit in Kontakt mit dem Wärmestrom im Dampferzeuger tritt und den Dampfkreisprozess durchläuft.
Beim erneuten Stillsetzen des Dampfkreisprozesses kann bei entsprechend tiefer Umgebungstemperatur die abgetrennte ionische Flüssigkeit mit den weiteren Komponenten der Betriebsflüssigkeit vereinigt werden. Vorteilhafterweise erfolgt eine Vermischung erst unterhalb einer unteren Grenztemperatur im Reservoir für die Betriebsflüssigkeit. Gemäß einer vereinfachten Ausführung kann die erneute Vermischung auch nach einem vorgegebenen Zeitintervall nach dem Abschalten des Dampfkreisprozesses oder einer seiner Teilkomponenten erfolgen, beispielsweise der Speisepumpe für den Volumenstrom zum Dampferzeuger.
Neben der voranstehend dargelegten Möglichkeit, die ionische Flüssigkeit als ein Frostschutzmittel zu verwenden, das beim Betrieb auf Temperatur aus dem Dampfkreis entnommen werden kann, zeichnen sich ionische Flüssigkeiten als Anteil der Betriebsflüssigkeiten durch weitere vorteilhafte Eigenschaften aus. So sind ionische Flüssigkeiten typischerweise nicht brennbar, sie sind elektrisch leitend und unterdrücken so den Aufbau von Strömungspotentialen. Ferner wirken ionische Flüssigkeiten oftmals korrosionshemmend. Darüber hinaus kann durch die Wahl der Kationen/Anionenpaarung deren Viskosität und Dichte sowie deren Mischungsverhalten mit anderen Flüssigkeiten in einem weiten Bereich eingestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Betriebsflüssigkeit weitere Komponenten, insbesondere Schmierstoffe, welche bevorzugt so ausgewählt sind, dass sie mit dem für die Verdampfung vorgesehenen Arbeitsmedium ein Azeotrop eingehen und folglich mit in die Dampfphase übergehen und zur Ausführung einer Selbstschmierung, insbesondere der beweglichen Komponenten des Expanders, geeignet sind.
Darüber hinaus werden solche ionische Flüssigkeiten der Betriebsflüssigkeit für einen Dampfkreisprozess zugegeben, die sich durch ihre Umweltverträglichkeit, Nicht-Toxizität und Unfallsicherheit auszeichnen. Für ein bevorzugtes Beispiel ionischer Flüssigkeiten wird als Kationen 1-Ethyl-3-Methyl-lmidazolium verwendet oder 1 -Butyl-3-Methyl-Limidazolium oder Tris-(2-Hydroxyethyl)-Methylammonium und das Anion aus der Gruppe ausgewählt, die durch Cl", HSO4 ", CH3SO3 ", AICI4 , SCN-, CH3CO2 , MeOSO3 und EtOSO3- gebildet wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren genauer beschrieben. In diesen ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt in einer Prinzipienskizze eine Vorrichtung zur Ausführung eines Dampfkreisprozesses, die zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens dient.
Figur 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung zur Vorrichtung aus Figur 1.
Figur 1 zeigt schematisch vereinfacht die Grundkomponenten für eine Vorrichtung zur Ausführung eines Dampfkreisprozesses 1. Als mögliche Ausgestaltungen kann der Dampfprozess 1 als Clausius-Rankine-Prozess oder als Kreisprozess vom Kalina-Typ ausgeführt sein. Im letzteren Fall besteht das Arbeitsmedium aus mehreren Komponenten, die auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in die Dampfphase übergehen.
Ein Reservoir für die Betriebsflüssigkeit 2 bevorratet die Betriebsflüssigkeit als flüssige Phase. Von dort wird sie typischerweise mittels einer Speisepumpe 8, die vorteilhaft zur Anpassung des Volumenstroms drehzahlvariabel ausgebildet ist, zum Dampferzeuger 3 geführt. Die dort erzeugte Dampfphase tritt in den Expander 4 ein und verrichtet beim Entspannen mechanische Arbeit. Nachfolgend erfolgen eine Kondensation im Kondensator 5 und die Rückführung des Kondensats.
Erfindungsgemäß umfasst die Betriebsflüssigkeit neben dem für die Verdampfung im Dampferzeuger 3 vorgesehenen Arbeitsmedium wenigstens unter Kaltstartbedingungen eine ionische Flüssigkeit als Frostschutzmittel. Entsprechend wird der Schmelzpunkt der ionischen Flüssigkeit niedriger als der Gefrierpunkt des Arbeitsmediums gewählt, wobei als Schmelzpunkt - 30 0C oder tiefer vorgesehen ist.
Die ionische Flüssigkeit erzeugt beim Betrieb des Dampferzeugers 3 im Wesentlichen keinen Partialdruck. Entsprechend wird die
Kationen/Anionenpaarung der ionischen Flüssigkeit so gewählt, dass die Zersetzungstemperatur oberhalb der Betriebstemperaturen im Dampferzeuger 3 liegt. Hierbei ist es möglich, dass der Dampferzeuger 3 so ausgebildet ist, dass wenigstens während einer bestimmten Betriebsphase die Temperatur in der Flüssigphase der Betriebsflüssigkeit im Dampferzeuger 3 unterhalb der
Zersetzungstemperatur der ionischen Flüssigkeit eingestellt wird. Entsprechend ist es möglich, in Teilen des Dampferzeugers 3, in denen nur das Arbeitsmedium als Dampfphase vorliegt, Temperaturen oberhalb der Zersetzungstemperatur zuzulassen oder eine Betriebsphase vorzusehen, die nach der Entnahme der ionischen Flüssigkeit aus der Betriebsflüssigkeit eine Temperatur wenigstens für Teile des Dampferzeugers 3 zulässt, die oberhalb der Zersetzungstemperatur der ionischen Flüssigkeit liegt. Durch die voranstehend beschriebene Maßnahme wird sichergestellt, dass die ionische Flüssigkeit im Dampferzeuger 3 stabil bleibt und nicht in die Dampfphase übergeht und somit flüssig aus dem Dampferzeuger 3 herausgeführt werden kann.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung, die in Figur 1 skizziert ist, wird die ionische Flüssigkeit nach dem Durchlaufen des Dampferzeugers 3 mittels einer Bypassleitung 10 zum Reservoir für die Betriebsflüssigkeit 2 zurückgeführt. Zusätzlich ist ein Tank für das Arbeitsmedium 6 vorgesehen, in dem sich das Kondensat aus dem Kondensator 5 sammelt. Das Kondensat sollte im Wesentlichen keine ionische Flüssigkeit enthalten. Folglich ist es möglich, nachdem eine bestimmte Betriebstemperatur erreicht ist, beispielsweise eine bestimmte Schwellwerttemperatur im Reservoir für die Betriebsflüssigkeit 2, die ionische Flüssigkeit wenigstens teilweise aus der Betriebsflüssigkeit zu entnehmen, so dass keine ungenutzte Wärmeabfuhr aus dem Dampferzeuger resultiert. Hierzu wird bevorzugt, einen Gewichtsanteil von wenigstens 50 % der ursprünglich in der Betriebsflüssigkeit vorhandenen ionischen Flüssigkeit aus dem Dampfkreisprozess zu nehmen. Bevorzugt wird die Entnahme eines höheren Anteils, insbesondere von 80 % und mehr, besonders bevorzugt von wenigstens 95 %.
Gemäß der in Figur 1 dargestellten Skizze erfolgt die Entnahme der ionischen Flüssigkeit aus der Betriebsflüssigkeit durch das Abdampfen des Arbeitsmediums im Dampferzeuger 3 und dessen Sammlung im Tank für das Arbeitsmedium 6. Bevorzugt wird nach dem Erreichen eines bestimmten Füllstands im Tank für das Arbeitsmedium 6, der dem für den Betrieb des Dampfkreisprozesses 1 notwendigen Volumen an Arbeitsmedium entspricht, eine Ventileinheit 11 , die den Zustrom aus dem Tank für das Arbeitsmedium 6 beziehungsweise dem Reservoir für die Betriebsflüssigkeit 2 zum Dampferzeuger 3 steuert, so geschaltet, dass das Reservoir für die Betriebsflüssigkeit 2 abgekoppelt wird und die Speisepumpe 8 ausschließlich aus dem Tank für das Arbeitsmedium 6 schöpft. Diese Umschaltung mittels der Ventileinheit 11 kann entweder zeit- und/oder füllstandgesteuert und/oder temperaturgesteuert und/oder abhängig von der Konzentration der ionischen Flüssigkeit in der Betriebsflüssigkeit gesteuert ausgeführt werden.
Figur 2 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltungsvariante einer Vorrichtung zur Ausführung eines Dampfkreisprozesses mit der erfindungsgemäßen
Betriebsflüssigkeit mit einer Möglichkeit zur Abtrennung der ionischen Flüssigkeit aus der Betriebsflüssigkeit für ein System auf Temperatur. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß Figur 1 wird in Figur 2 ein separater Tank für die ionische Flüssigkeit 7 skizziert, der mit einem Abfluss für die Flüssigphase am Dampferzeuger 3 verbunden ist. Demnach sammeln sich im Tank für die ionische Flüssigkeit 7 bevorzugt die nicht verdampften Anteile der Betriebsflüssigkeit, so dass hier eine Anreicherung der ionischen Flüssigkeit vorliegt. Unterhalb der Betriebstemperatur und insbesondere bei Temperaturen, bei denen Frostgefahr besteht, erfolgt eine Rückführung der ionischen Flüssigkeit aus dem Tank für die ionische Flüssigkeit 7 zum Reservoir für die Betriebsflüssigkeit 2. Dies kann beispielsweise über die in Figur 2 skizzierte Leitungsverbindung und eine darin vorgesehene Rückführpumpe 9 erfolgen. Ist die Betriebstemperatur erreicht, kann dieser Förderstrom verringert oder auf Null zurückgeführt werden, so dass eine Anreicherung der ionischen Flüssigkeit im Tank für die ionische Flüssigkeit 7 beim weiteren Betrieb des Dampferzeugers 3 resultiert und gleichzeitig der Anteil der ionischen Flüssigkeit im Reservoir für die Betriebsflüssigkeit 2 verringert wird, indem ständig das Kondensat des Arbeitsmediums vom Kondensator 5 zugeführt wird. Nach einer gewissen Zeitdauer ist ein Hauptteil und bevorzugt im Wesentlichen der gesamte Anteil der ionischen Flüssigkeit aus dem Dampfkreisprozess entfernt. Nachdem dies erreicht ist, ist es gemäß einer
Ausgestaltung möglich, die Verbindung zwischen dem Dampferzeuger 3 und dem Tank für die ionische Flüssigkeit 7 zu schließen und gemäß einer möglichen Ausgestaltung am Dampferzeuger eine geeignet hohe Temperatur für den Abdampf einzustellen.
Die voranstehend genannten Anforderungen an die ionische Flüssigkeit betreffend eines für ein Frostschutzmittel hinreichend tiefen Schmelzpunkts und einer hinreichend hohen Zersetzungstemperatur, um ein Abdampfen des Arbeitsmediums aus der Betriebsflüssigkeit und eine Zersetzung der ionischen Flüssigkeit im Dampferzeuger 3 zu vermeiden, werden durch eine geeignete Wahl für die Kationen und die Anionen der ionischen Flüssigkeit erfüllt. Ferner wird die Kationen/Anionenpaarung so gewählt, dass eine umweltfreundliche, nicht toxische und betriebssichere ionische Flüssigkeit gewählt wird. Insbesondere wird, wie voranstehend dargelegt, als mögliche Wahl für das Kation 1-Ethyl-3-Methyl- Imidazolium (EMIM) oder 1-Butyl-3-Methyl-Limidazolium (BMIM) oder Tris-(2- Hydroxyethyl)-Methylammonium (MTEOA) verwendet und mit einem Anion aus der Gruppe CP, HSO4 ", CH3SO3 ", AICI4 ', SCN", CH3CO2 ", MeOSO3 und EtOSO3 " verknüpft.
Zusätzliche Komponenten sind korrosionshemmende Stoffe und Schmiermittel, wobei diese besonders bevorzugt eine azeotrope Verbindung zum restlichen Teil des Arbeitsmediums eingehen und Teile der Dampfphase bilden, die dem Expander zugeführt werden. Durch diese Maßnahmen lässt sich eine Selbstschmierung erreichen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind im Rahmen des fachmännischen Könnens denkbar. So ist es möglich, zur Ausführung eines Kalina-Prozesses eine Kombination unterschiedlicher Arbeitsmedien zu verwenden und Wärmequellen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zur Bildung unterschiedlicher Dampfphasen vorzusehen. Entsprechend ist es denkbar, den Expander mehrstufig auszubilden. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, den Expander so zu gestalten, dass im Fall eines auftretenden Fehlers, bei dem eine flüssige
Komponente, beispielsweise ein Anteil der ionischen Flüssigkeit, in den Expander gelangt, eine hinreichende Wasserschlagsbeständigkeit besteht. Eine mögliche Ausgestaltung, die diese Anforderung erfüllt, ist ein Schraubenexpander. Weitere Expander-Ausführungen sind denkbar, insbesondere dann, wenn ein möglicher Wasserschlag auszuschließen ist, für diesen Fall sind Hub- oder Rotationskolbenmaschinen als Expander vorzuziehen. Bezugszeichenliste
Dampfkreisprozess
Reservoir für Betriebsflüssigkeit
Dampferzeuger
Expander
Kondensator
Tank für Arbeitsmedium
Tank für die ionische Flüssigkeit
Speisepumpe
Rückführpumpe
Bypassleitung
Ventileinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Betriebsflüssigkeit für einen Dampfkreisprozess (1 ), der in einer Vorrichtung umfassend einen Dampferzeuger (3), einen Expander (4), einen Kondensator (5) und ein Reservoir für die Betriebsflüssigkeit (2) ausgeführt wird, umfassend
1.1 ein Arbeitsmedium, das durch Wärmezufuhr im Dampferzeuger (3) verdampft, in der Dampfphase durch Entspannen im Expander (4) mechanische Arbeit verrichtet und im Kondensator (5) kondensiert; 1.2 eine ionische Flüssigkeit, die als Frostschutzmittel dient und im Reservoir (2) einen Schmelzpunkt unterhalb des Gefrierpunkts des Arbeitsmediums aufweist, wobei die Zersetzungstemperatur der ionischen Flüssigkeit oberhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums im Dampferzeuger (3) liegt.
2. Betriebsflüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt der ionischen Flüssigkeit bei - 30 °C oder tiefer liegt.
3. Betriebsflüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zersetzungstemperatur der ionischen Flüssigkeit höher als 200 0C und bevorzugt höher als 300 0C und insbesondere höher als 350 0C liegt.
4. Betriebsflüssigkeit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium mit der ionischen Flüssigkeit mischbar ist.
5. Betriebsflüssigkeit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit als Kationen 1 -Ethyl-3- Methyl-Imidazolium (EMIM) oder 1-Butyl-3-Methyl-l_imidazolium (BMIM) oder Tris-(2-Hydroxyethyl)-Methylammonium (MTEOA) umfasst und die Anionen aus der Gruppe gewählt sind, die durch Cl", HSO4 ", CH3SO3 ", AICI4, SCN-, CH3CO2 ", MeOSO3 und EtOSO3 " gebildet wird.
6. Betriebsflüssigkeit nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Wasser umfasst.
7. Betriebsflüssigkeit nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium eine heterozyklische Verbindung und insbesondere eine heterozyklische, aromatische Verbindung umfasst.
8. Betriebsflüssigkeit nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsflüssigkeit ein zusätzliches, mit dem Arbeitsmedium mischbares polymeres und/oder tensidisches und/oder sonstiges organisches Schmiermittel umfasst.
9. Betriebsflüssigkeit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium mit einem Schmiermittel ein Azeotrop bildet.
10. Verfahren zum Betrieb eines Dampfkreisprozesses (1), der in einer
Vorrichtung umfassend einen Dampferzeuger (3), einen Expander (4), einen Kondensator (5) und ein Reservoir für eine Betriebsflüssigkeit (2) ausgeführt wird, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: 10.1 beim Kaltstart des Dampfkreisprozesses (1) wird eine Betriebsflüssigkeit dem Dampferzeuger (3) zugeführt, die ein Arbeitsmedium und eine ionische
Flüssigkeit umfasst, wobei die ionische Flüssigkeit als Frostschutzmittel dient und im Reservoir (2) ein Schmelzpunkt unterhalb des Gefrierpunkts des Arbeitsmediums aufweist, wobei die Zersetzungstemperatur der ionischen Flüssigkeit oberhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums im Dampferzeuger (3) liegt;
10.2 im Dampferzeuger (3) wird das Arbeitsmedium verdampft und dampfförmig zur Entspannung unter Verrichtung mechanischer Arbeit dem Expander (4) zugeführt und nachfolgend im Kondensator (5) kondensiert;
10.3 beim Erreichen einer vorgegebenen Betriebstemperatur findet eine Trennung der ionischen Flüssigkeit und des Arbeitsmediums statt, so dass sich der Gewichtsanteil der ionischen Flüssigkeit an der Betriebsflüssigkeit, die dem Dampferzeuger (3) zugeführt wird, um wenigstens 50 % und bevorzugt 80 % und besonders bevorzugt 95 % verringert.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ab einer bestimmten Betriebstemperatur das im Kondensator (5) erzeugte Kondensat des Arbeitsmediums in einem vom Reservoir für die Betriebsflüssigkeit (2) separaten Tank für das Arbeitsmedium (6) geleitet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ab einem bestimmten Füllstand im separaten Tank für das Arbeitsmedium (6) der Zustrom der Betriebsflüssigkeit vom Reservoir (2) zum Dampferzeuger (3) unterbrochen wird und ausschließlich Arbeitsmedium aus dem separaten Tank für das Arbeitsmedium (6) dem Dampferzeuger (3) zugeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das im Dampferzeuger (3) nicht verdampfte Betriebsflüssigkeit einem Tank für die ionische Flüssigkeit (7) zugeführt wird, der getrennt zum Reservoir für die Betriebsflüssigkeit (2) ausgebildet ist.
14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur durch eine Messung der Temperatur der Betriebsflüssigkeit im Reservoir (2) bestimmt wird.
15. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass beim Stillsetzen des Dampfkreisprozesses (1) nach einer vorbestimmten Zeitdauer und/oder unterhalb einer bestimmten Umgebungstemperatur die ionische Flüssigkeit und das Arbeitsmedium vereinigt werden.
16. Dampfkreisprozessvorrichtung, umfassend einen Dampferzeuger (3);
16.1 einen Expander (4);
16.2 einen Kondensator (5);
16.3 ein Reservoir für eine Betriebsflüssigkeit (2), wobei die Betriebsflüssigkeit ein Arbeitsmedium und eine ionische Flüssigkeit umfasst und das Arbeitsmedium im Dampferzeuger (3) verdampft und die ionische
Flüssigkeit im Dampferzeuger im Wesentlichen keinen Dampfdruck aufweist;
16.4 ein Tank für das Arbeitsmedium (6), der das Kondensat aus dem Kondensator sammelt und/oder ein Tank für die ionische Flüssigkeit (7), der in Verbindung zum Dampferzeuger (3) steht, wobei beide Tanks (6, 7) jeweils separat zum Reservoir für die Betriebsflüssigkeit (2) ausgebildet sind.
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