DE2852076A1

DE2852076A1 - Anlage zur erzeugung mechanischer energie aus waermequellen unterschiedlicher temperatur

Info

Publication number: DE2852076A1
Application number: DE19782852076
Authority: DE
Inventors: Roberto Faldella; Riccardo Margary
Original assignee: Fiat SpA
Current assignee: Fiat SpA
Priority date: 1977-12-05
Filing date: 1978-12-01
Publication date: 1979-06-07
Also published as: GB2010974A; FR2410742B1; GB2010974B; FR2410742A1

Description

Pctodanw'i'fe

Dif.l, -ng, H. We!4"ir.anr., DI.?!. Phys. Cr. K. FInAe Dipl. Ιι.ί. F. A. WelAiaaitn, D-jsl. Ciwm. B Huber

Dr.-lng. H. Liska Möhlsirafte 22, SOOQ München 86 - 2-852076

Wa fa

FIAT Societa per Azioni

Corso Marconi 10

Turin, Italien " 1. ^Dez- 1978

Anlage zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärmequellen unterschiedlicher Temperatur.

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärmequellen unterschiedlicher Temperatur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage dieser Art zu schaffen, die eine einfache Konstruktion besitzt und einen hohen thermodynamisehen Wirkungsgrad gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Arbeitsflüssigkeit kann für alle Kreise der Anlage die gleiche'sein oder aus einer Mischung von Flüssigkeiten bestehen, von denen sich in den einzelnen·Wärmetauschern jeweils eine durch Destillation abtrennt, um sich anschliessend mit der verbleibenden Flüssigkeit stromaufwärts einer der Expansionseinrichtungen wieder zu vermischen.

Die Anlage gemäß der Erfindung kann überall dort verwendet werden, wo mehrere Wärmequellen mit unterschiedlicher Temperatur zur Verfügung stehen. Sie kann beispielsweise dazu dienen, die aus dem Kühlkreis eines Verbrennungsmotors und aus dem von diesem abgegebenen Auspuffgas wiedergewonnene Wärme in mechanische Energie umzuwandeln. Eine entsprechen-

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de Weiterbildung der Erfindung, bei der die Anlage eine er- · ste und eine zweite Expansionseinrichtung sowie zwei entsprechende Wärmequellen verwendet, die von dem Kühlkreis eines Verbrennungsmotors und einem Wärmetauscher zum Wärmeaustausch mit den von dem Motor abgegebenen Auspuffgasen gebildet sind, ist im Patentanspruch 2 beschrieben.

Die Wärmemengen, die im Mittel aus dem Kühlkreis des Motors einerseits und seinen Auspuffgasen andererseits zurückgewinnbar sind, sind etwa einander gleich. Wenn daher die gesamte Arbeitsflüssigkeit den Wärmetauscher zum Wärmeaustausch mit den Auspuffgasen durchlaufen würde, wäre die bei der Wiedergewinnung der Wärme der Auspuffgase erreichbare Temperaturerhöhung selbst unter günstigsten hypothetischen Bedingungen etwa der Temperaturerhöhung gleich, die bei der Wiedergewinnung der Wärme des Motorkühlkreises erreichbar ist. Da der letztgenannte Temperatursprung durch die optimale Betriebstemperatur des Motors begrenzt ist, wäre die maximal in dem Zyklus erreichbare Temperatur dementsprechend vergleichsweise niedrig, wodurch der gute thermodynamische Wirkungsgrad des Zyklus beeinträchtigt würde. Wenn man durch den Wärmetauscher zum Wärmeaustausch mit den Auspuffgasen nur einen Teil .des Stromes der die aus dem Kühlkreis des Motors wiedergewonnene Wärme aufnehmenden Arbeitsflüssigkeit laufen läßt, ergibt sich der Vor- ·' teil, daß dieser Teil die für einen guten thermodynamischen Wirkungsgrad des verwendeten Zyklus optimale Temperatur-und Druckwerte erreichen kann.

Die die Wärme aus dem Kühlkreis des Motors aufnehmende Flüssigkeit kann entweder die Kühlflüssigkeit des Motors selbst sein oder eine Arbeitsflüssigkeit, die von der Kühlflüssigkeit des Motors mittels.eines Wärmetauschers erwärmt wird.

Der in der Anlage gemäß der vorgenannten Weiterbildung der Erfindung verwendete Motor kann ein beliebiger Verbrennungsmotor, d.h. ein Otto-Motor oder ein Diesel-Motor, sein, der

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entweder flüssigkeitsgekühlt oder luftgekühlt ist.

Falls die erfindungsgemäße Anlage bei einem Verbrennungsmotor Anwendung finden soll, der normalerweise mit Luft gekühlt ist, muß dieser mit einem Kühlungshilfsmantel versehen werden, innerhalb dessen man die Arbeitsflüssigkeit strömen läßt. In diesem Fall ersetzt die Arbeitsflüssigkeit daher die Luft bezüglich der Kühlwirkung des Motors.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung verzweigt sich die Leitung für die Arbeitsflüssigkeit in eine Primärleitung und eine Sekundärleitung stromabwärts der beiden von dem Kühlkreis des Motors und den von ihm abgegebenen Auspuffgasen gebildeten Wärmequellen. Dies erlaubt die Einfügung der ersten Speisepumpe stromaufwärts (statt stromabwärts) der von dem Kühlkreis des Verbrennungsmotors gebildeten Wärmequelle, wodurch die Gefahr einer Kavitation der Pumpe vermieden ist.

Bei allen Anwendungen der erfindungsgemäßen Anlage zur Umwandlung der aus dem Kühlkreis eines Verbrennungsmotors und aus den von ihm abgegebenen Auspuffgasen zurückgewonnenen Wärme in mechanische Energie ist es.möglich, einen regenerativen thermodynamisehen Zyklus für die Arbeitsflüssigkeit zu realisieren, indem in die Primärleitung stromaufwärts des Wärmetauschers zum Wärmeaustausch mit denAuspuffgasen des Motors ein weiterer Wärmetauscher eingefügt wird, der von der Flüssigkeit am Ausgang der ersten Expansionseinrichtung· durchströmt wird. In diesem Fall kann die Anlage gemäß der Erfindung auch mit einem zweiten Wärmetauscher zum Wärmeaustausch mit den Auspuffgasen ausgestattet sein,'der in die Sekundärleitung eingefügt ist, und von den Auspuffgasen durchströmt wird, die von dem Auspuffgaswärmetauscher kommen, der in die Primärleitung eingefügt ist.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfaßt die Anlage ferner einen Hilfswärmeaustauscher

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zur Aufwärmung der Arbeitsflüssigkeit. Dieser Hilfswärmetauscher kann von dem Motoröl durchflossen sein oder - falls der Motor eine Aufladungsanlage für die Zylinder besitzt - von der Luft dieser Aufladungsanlage.

Eine Anlage gemäß der Erfindung kann beispielsweise auch in Zusammenhang mit schweren Dieselmotoren (z.B. mit Schiffsdieselmotoren oder mit Dieselmotoren für elektrische Kraftwerke) Verwendung finden, bei denen mehrere Wärmequellen mit unterschiedlichen Temperaturen zur Verfügung stehen. Diese Wärmequellen können beispielsweise von der Kühlflüssigkeit der Motorkolben, der Kühlflüssigkeit der Motorzylinder, der Luft der Motoraufladungsanlage und den Auspuffgasen des Motors gebildet sein. In diesem Fall umfaßt die Anlage gemäß der Erfindung zwei Expansionseinrichtungen sowie eine Leitung für die Arbeitsflüssigkeit, die sich stromaufwärts der Wärmequellen in zwei Leitungen verzweigt; Eine Primärleitung, die alle den einzelnen Wärmequellen zugeordneten Wärmetauscher sowie die beiden Expansionseinrichtungen durchläuft, und eine Sekundärleitung, die alle Wärmetauscher und nur eine Expansionseinrichtung durchläuft.

Die Anlage gemäß der Erfindung umfaßt in diesem Fall vorzugsweise einen weiteren Wärmetauscher zur Vorwärmung der Arbeitsflüssigkeit, die die Primärleitung stromaufwärts des den Auspuffgasen des Motors zugeordneten Wärmetauschers durchfließt, wobei dieser weitere Wärmetauscher von der Arbeitsflüssigkeit durchströmt wird, die durch die Primärleitung stromabwärts derjenigen Expansionseinrichtung fließt, durch die nur die Primärleitung verläuft.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert: ·

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Anlage gemäß der Erfindung,

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Fig. 2 zeigt eine Variante von Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Anlage gemäß der Erfindung für die Anwendung mit einem flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor,

Fig. 4 zeigt eine Variante von Fig. 3,

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der.Anlage gemäß der Erfindung zur Anwendung mit einem luftgekühlten Verbrennungsmotor,

Fig. 6 zeigt eine Variante von Fig. 5, Fig. 7 und 8 zeigen Varianten von Fig. 3, Fig. 9 bis 16 zeigen Varianten von Fig. 51

Fig.17 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anlage gemäß der Erfindung zur Anwendung mit einem schweren Dieselmotor.

In Fig. 1 ist eine Anlage gemäß der Erfindung, die in einer Industrieanlage verwendbar ist, in der drei Wärmequellen mit unterschiedlichen Temperaturen zur Verfügung stehen, in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet. Mit 2 ist ein Wärmetauscher bezeichnet, der zum Wärmeaustausch mit einer ersten Wärmequelle niedriger Temperatur dient, die beispielsweise von dem Kühlwasser von Maschinen gebildet ist. Mit 3 ist ein Wärmetauscher bezeichnet, der einer zweiten Wärmequelle mittlerer Temperatur zugeordnet ist, die beispielsweise von Wasserdampf oder Solarplatten gebildet ist, mit 4 ist ein War- -· metauscher zum Wärmeaustausch mit einer dritten Wärmequelle hoher Temperatur bezeichnet, die beispielsweise von Auspuffgasen gebildet ist.

Die Anlage 1 umfaßt drei Expansionseinrichtungen: Eine erste Expansionseinrichtung 5 mit hohem Druck, eine zweite Expansionse'inrichtung 6 sowie eine dritte Expansions einrichtung 7 mit niedrigem Druck. Außerdem umfaßt die Anlage eine Leitung 8, in die eine Speisepumpe 9 eingefügt ist. Stromabwärts der Speisepumpe 9 verzweigt sich die Leitung 8 in zwei Leitungen 10 und 11, die beide durch den Wärmetauscher 2 laufen. In die Leitung 10 ist stromaufwärts des Wärmetau-

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.sr.

schers 2 eine zweite Speisepumpe 12 eingefügt. Stromabwärts ·· des Wärmetauschers 2 verzweigt sich die Leitung 10 in zwei Leitungen 13 und 14, die beide den Wärmetauscher 3 zum Wärmeaustausch mit der Wärmequelle mittlerer Temperatur durchlaufen. Mit 13a ist eine weitere Speisepumpe bezeichnet,die stromaufwärts des Wärmetauschers 3 in die Leitung 13 eingefügt ist. Die Leitung 13 durchläuft stromabwärts des Wärmetauschers 3 nacheinander den der Wärmequelle hoher Temperatur zugeordneten Wärmetauscher 4 und die Hochdruck-Expansionseinrichtung 5 und vereinigt sich stromabwärts der Expansionseinrichtung 5 mit der von dem Wärmetauscher 3 kommenden Leitung 14. Die beiden vereinigten Leitungen bilden eine Leitung 15» der die zweite Expansionseinrichtung 6 durchläuft und sich stromabwärts von dieser mit der von dem Wärmetauscher 2 kommenden Leitung 11 vereinigt. Die vereinigten Leitungen 11 und 15 bilden eine Leitung 16,die die Arbeitsflüssigkeit in die Niederdruck-Expansionseinrichtung 7 einspeist. Der Ausgang des Expansionseinrichtung 7 steht mit der Leitung.8 in Verbindung, in welche zwischen der Expansionseinrichtung 7 und der Speisepumpe 9 ein Kondensator zur Kondensierung der Flüssigkeit am Ausgang der Expansionseinrichtung 7 eingefügt ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage umfaßt drei Kreise für die Arbeitsflüssigkeit: Einen ersten aus den Leitungen 8, 11 und· 16 -bestehenden Kreis 1a, einen zweiten aus den Leitungen 8, 10, 14, 15, 16. bestehenden Kreis 1b sowie einen dritten aus den Leitungen 8, 10, 13, 15, 16 bestehenden Kreis 1c. Jeweils zwei der drei Kreise für die Arbeitsflüssigkeit haben einen Kreisabschnitt gemeinsam, in dem wenigstens eine Expansionseinrichtung sowie der Kondensator 17 enthalten ist. Der erste Kreis 1a und der zweite Kreis 1b haben beispielsweise den von den Leitungen 16 und 8 gebildeten Abschnitt gemeinsam, Der zweite Kreis 1b und der dritte Kreis 1c haben den von den Leitungen 15, 16, 8 und 10 gebildeten Abschnitt gemeinsam. Der erste Kreis 1a und der dritte Kreis 1-c haben den von den Leitungen 16 und 8 gebildeten Abschnitt gemeinsam.

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Infolge der beschriebenen Struktur durchläuft ein erster Teil des Gesamtflusses der Arbeitsflüssigkeit - und zwar der durch die Leitung 11 fließende Teil - den Wärmetauscher 2 und die Expansionseinrichtung 7. Ein zweiter Teil des Gesamtflusses der Arbeitsflüssigkeit - und zwar der in· den Leitungen 12 und 14 fließende Teil - durchläuft die Wärmetauscher 2 und 3 und die Expansionseinrichtungen 6 und 7. Der dritte Teil des Gesamtflusses der Arbeitsflüssigkeit durchläuft die drei Wärmetauscher 2, 3 und 4 und die drei Expansionseinrichtungen 5, 6 und 7.

Fig. 2 zeigt eine Variante von Fig. 1, bei der die Arbeitsflüssigkeit aus einer Mischung von drei Flüssigkeiten besteht. Jede von diesen trennt sich im Bereich jeweils eines der Wärmetauscher durch Destillation von der Mischung.

Diejenigen in Fig. 2 dargestellten Teile, die Teilen von Fig. 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie diese. Die Hauptunterscheidung zu der in Fig. 1 dargestellten Anlage besteht darin, daß bei der Anlage gemäß Fig. 2 jeder Wärmetauscher von nur einer Leitung durchlaufen wird, die sich stromabwärts des Wärmetauschers in zwei getrennte Leitungen verzweigt. .Außerdem sind die Speisepumpen 12 und 13a stromabwärts der Wärmetauscher 2 bzw. 3 statt stromaufwärts von ihnen angeordnet.

Während des Betriebes wird die Mischung der drei Arbeitsflüssigkeiten am Ausgang der Expansionseinrichtung 7 in dem Kondensator 17 kompensiert und unterkühlt. Die aus dem Kondensator 17 austretende Mischung, die in der Leitung 8 fließt, durchläuft nacheinander die Speisepumpe 9 und den Wärmetauscher 2, der der Wärmequelle mit der niedrigsten Temperatur zugeordnet ist. Die Werte des Durchsatzes und des Druckes sind so bestimmt, daß eine der drei Arbeitsflüssigkeiten verdampft und sich "stromabwärts des Wärmetauschers 2 von der Mischung trennt. Die verdampfte Flüssigkeit läuft daher durch die Leitung 11, und mischt sich

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mit der Flüssigkeit am Ausgang der Expansionseinrichtung 6. Die resultierende Mischung durchläuft die Expansionseinrichtung 7 und kehrt dann in die Leitung 8 zurück.

Die Mischung der beiden in dem Wärmetauscher 2 nicht verdampften Flüssigkeiten läuft durch die Leitung 10 über die Speisepumpe 12 und den Wärmetauscher 3» der der Wärmequelle mittlerer Temperatur zugeordnet ist.· In dem Wärmetauscher 3 gelangt eine der beiden Flüssigkeiten, die die Leitung 10 durchlaufende Mischung bilden, zur Verdampfung und läuft, nachdem sie sich von der anderen im flüssigen Zustand verbliebenen Flüssigkeit getrennt hat, über die Leitung 14, um sich mit der Flüssigkeit am Ausgang der Expansionseinrichtung 5 zu vermischen. Die resultierende Mischung durchläuft die Expansionseinrichtung 6, mischt sich mit der aus der Leitung 11 kommenden Flüssigkeit und fließt wieder in die Leitung 8. Die Flüssigkeit, die in dem Wärmetauscher^nicht verdampft ist, fließt in die Leitung 13 und durchläuft nacheinander die Speisepumpe 13a» den der Wärmequelle mit der höchsten Temperatur zugeordneten Wärmetauscher 4 und die Expansionseinrichtung 5f um sich dann mit der aus der Leitung 14 kommenden Flüssigkeit zu mischen.

Die konstruktiven Einzelheiten der in Fig. 1 und 2 dargestellten Anlagen können selbstverständlich in einem weiten Rahmen verändert werden. Insbesondere ist es möglich, regenerative Zyklen für die Arbeitsflüssigkeit vorzusehen, indem weitere Wärmetauscher verwendet werden, mittels derer die Flüssigkeit am Ausgang eines der Wärmetauscher zum Wärmeaustausch mit den Wärmequellen vorgewärmt wird, wobei die Wärme ausgenützt wird, die die Flüssigkeit am Ausgang einer der Expansionseinrichtungen besitzt. Die Anlage gemäß Fig.1 oder 2 kann außerdem mit entsprechenden Änderungen auch in Fällen eingesetzt· werden, in denen eine beliebige Anzahl von Wärmequellen mit unterschiedlichen Temperaturen zur Verfügung stehen.

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Fig. 3 zeigt eine Anlage gemäß der Erfindung mit einer er- sten Expansionseinrichtung 19 mit hohem Druck und einer zweiten Expansionseinrichtung 20 mit niedrigem Druck. In diesem Fall sind zwei Wärmequellen vorhanden, die von der Flüssigkeitskühlung eines .Verbrennungsmotors 30 bzw. den von diesem Motor 30 abgegebenen Auspuffgasen gebildet sind, die durch einen Wärmetauscher 40 geleitet werden. Der Kühlkreis des Motors 30 umfaßt eine außerhalb des Motors 30 verlaufende Leitung 50, in die eine Pumpe 60 und ein Wärmetauscher 70 zur Erwärmung der in der Anlage verwendeten Arbeitsflüssigkeit eingefügt sind. Der Kreis für die Arbeitsflüssigkeit umfaßt eine Leitung 80, in die eine Speisepumpe 90 eingefügt ist. Die Leitung 80 durchläuft den Wärmetauscher 70 stromabwärts der Pumpe 90 und verzweigt sich stromabwärts des Wärmetauschers 70 in zwei Leitungen: Eine Primärleitung 100, die den den Auspuffgasen zugeordneten Wärmetauscher 40 sowie die Hochdruck-Expansionseinrichtung 19 durchläuft, sowie eine Sekundärleitung 110, die sich mit der Primärleitung stromabwärts der Expansionseinrichtung 19 vereinigt. In die Leitung 100 ist stromaufwärts des Wärmetauschers 40 eine weitere Speisepumpe 120 eingefügt. Die beiden vereinigten Leitungen 100 und 110 bilden eine Leitung 130, die die Arbeitsflüssigkeit in die Niederdruck-Expansionseinrichtung 20 einspeist. Der Ausgang der Niederdruck-Expansionseinrichtung 20 steht mit der Leitung 80 in Verbindung, in die zwischen der Expansionseinrichtung 20 und der Speisepumpe 90 ein Kondensator 140 zur Kondensation der Arbeitsflüssigkeit am Ausgang der Expansionseinrichtung 20 eingefügt ist.

Fig. 4 zeigt eine Variante von Fig. 3, bei der ein regenerativer Zyklus für die Arbeitsflüssigkeit realisiert wird.Diese Anl'age umfaßt einen weiteren Wärmetauscher 150, der stromaufwärts des Wärmetauschers 40 in die Primärleitung 100a eingefügt ist und der dazu dient, die Arbeitsflüssigkeit vorzuwärmen, bevor sie den Wärmetauscher 40 erreicht. Durch den Wärmetauscher 150 läuft der Abschnitt der Primärleitung 100 der sich stromabwärts der Hochdruck-Expansionseinrichtung 19 befindet. - - "

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Die Anlage umfaßt außerdem vorzugsweise einen weiteren War- -· metauscher 160 zum Wärmeaustausch mit den Auspuffgasen, der in die Sekundärleitung 110 eingefügt ist und von den aus dem Wärmetauscher 40 kommenden Auspuffgasen durchströmt wird.

Fig. 5 und 6 zeigen eine Variante der Anlage.gemäß der Erfindung zur Anwendung im Zusammenhang mit einem Verbrennungsmotor, der normalerweise mit Luft gekühlt wird. In diesem Fall muß der Motor mit einem Hilfskühlmantel umgeben werden, durch den die Arbeitsflüssigkeit der Anlage fließt, die auf diese Weise die Luft bei der Kühlung des Motors ersetzt.

Diejenigen Anlagenteile, die Teilen von Fig. 3 und 4 entsprechen, tragen dieselben Bezugszeichen wie diese. Der Hauptunterschied gegenüber der Anlage gemäß Fig. 3 besteht darin, daß die Leitung 80 für die Arbeitsflüssigkeit anstelle eines Wärmetauschers zum Wärmeaustausch mit der Kühlflüssigkeit des Motors den Hilfskühlmantel durchläuft, mit dem der Verbrennungsmotor 30 ausgestattet ist.

Ein weiterer Vorteil der Anlage gemäß der Erfindung ist ihre konstruktive Einfachheit und die geringe Anzahl von Bauteilen: Dem Motor 30 werden lediglich der Wärmetauscher 40 zum Wärmeaustausch mit den Auspuffgasen, die Speisepumpe 12 sowie die Expansionseinrichtungen 19 und 20 hinzugefügt. Der ■■ Kondensator 140 und die Speisepumpe 90 ersetzen den Kühlradiatbr bzw. die Pumpe für die Zirkulation der Kühlflüssigkeit, die üblicherweise in den Kühlanlagen von Verbrennungsmotoren verwendet werden. Die Anlage gemäß der Erfindung ist daher konstruktiv einfach, wenig platzraubend und wenig kostspielig.

Die Variante gemäß Fig.. 6 entspricht der beschriebenen Lösung mit regenerativem thermodynamischem Zyklus, der durch die Einfügung der Wärmetauscher 150 und 160 realisiert wird.

Fig. 7 und 8 betreffen wieder einen Verbrennungsmotor mit.

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Flüssigkeitskühlung. Die gegenüber der Darstellung in Fig. und 4 gleichen Bauteile sind wieder mit denselben Bezugszeichen versehen wie dort. Der Hauptunterschied gegenüber der Anlage gemäß Fig. 3 besteht bei der Anlage gemäß Fig. 7 darin, daß die Leitung 80 für die· Arbeitsflüssigkeit sich stromaufwärts des der Kühlflüssigkeit zugeordneten Wärmetauschers in die Primär- und Senkundärleitung 100 bzw. 110 verzweigt. Sowohl die Primärleitung 100 als auch die Sekundärleitung 110 durchlaufen den genannten Wärmetauscher. Die besondere Anordnung der Speisepumpe 120 bringt gegenüber der Anordnung gemäß Fig. 3 und 4 den Vorteil mit sich, daß das Risiko einer eventuellen Kavitation der Speisepumpe vermieden ist.

Die in Fig. 8 dargestellte Variante unterscheidet sich von derAnlage gemäß Fig. 7 dadurch, daß durch die Einfügung der Wärmetauscher 150 und 160 ein regenerativer thermodynamischer Zyüus realisiert ist.

Fig. 9 bis 16 betreffen wieder Verbrennungsmotoren mit Luftkühlung. Diejenigen Teile, die den bei der Anlage gemäß Fig. 5 bzw. 6 entsprechen, tragen dieselben Bezugszeichen wie diese.

Der Hauptunterschied der in Fig. 9 dargestellten Anlage gegenüber der Anlage gemäß Fig. 5 besteht darin, daß die Lei- ' tung 80 für die Arbeitsflüssigkeit sich nicht stromabwärts sondern stromaufwärts des Hilfskühlmantels des Verbrennungsmotors 30 verzweigt. Von den beiden Leitungen 100 und 110 durchläuft nur die Sekundärleitung 100 den Hilfskühlmantel des Verbrennungsmotors 30, um sich dann mit der Primärleitung 100 stromabwärts der Hochdruck-Expansionseinrichtung 19 zu vereinigen. Die Variante gemäß Fig. 10 entspricht der Lösung mit regenerativem thermodynamischem Zyklus, die durch die Einfügung der Wärmetauscher 150 und 160 realisiert ist.

Die in Fig. 11 dargestellte Anordnung unterscheidet sich gegenüber der Anordnung gemäß Fig. 9 dadurch, daß sie einen

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Hilf swärmertaus eher.-1-70 beinhaltet, der in die Primärleitung· 100 eingefügt ist und der von einer Leitung 180 durchdrungen ist, durch die beispielsweise das Schmieröl des Motors 30 oder die Luft der Aufladungsanlage des Motors fließen kann, falls dieser mit einer solchen Anlage ausgestattet ist. In die Leitung 180 ist außerdem eine Speisepumpe 190 eingefügt. Die Anlage gemäß Fig. 12 stellt eine Variante gegenüber Fig. 11 dar, bei der wieder durch die Einfügung der Wärmetauscher 150 und 16O ein regenerativer thermodynamischer Zyklus realisiert wird. Die in Fig. 13 dargestellte Anlage unterscheidet sich von der Anlage gemäß Fig. 11 dadurch, daß der Hilfswärmetauscher 170 nicht in die Primärleitung 100 sondern in die Leitung 80 für die Arbeitsflüssigkeit stromabwärts in ihrer Verzweigung in die beiden Leitungen 100 und 110 eingefügt ist. In diesem Fall läuft der gesamte Durchsatz der durch die Leitung 80 fließenden Arbeitsflüssigkeit auch den Wärmetauseher 170.

Die in Fig. 14 dargestellte Anlage stellt durch die Einfügung der Wärmetauscher 150 und 16O wieder eine Lösung mit regenerativem thermodynamisehern Zyklus dar.

Die in Fig. 15 dargestellte Anlage unterscheidet sich von der Anlage gemäß Fig. 11 lediglich dadurch, daß auch die Sekundärleitung 110 den Wärmetauscher 170 durchläuft, bevor sie in "den Hilfskühlmantel des Verbrennungsmotors .30 eintritt.

Die Anlage gemäß Fig. 16 entspricht durch die Einfügung der Wärmetauscher 150 und 160 wieder einer Lösung mit regenerativem thermodynamisehern Zyklus.

Die- Anwendung einer Anlage gemäß Fig. 3 und 4 bei flüssigkeitsgekühlten Dieselmotoren mit Leistungen zwischen 200 und 500 PS ermöglicht nach Erfahrungen der Anmelderin eine zusätzliche mechanische Leistungserzeugung in der Größenordnung von 14 bis 18 % der Motorleistung.

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Fig. 17 zeigt ein Beispiel für die Anwendung einer Anlage gemäß der Erfindung bei einem schweren Dieselmotor. Im dargestellten Fall stehen vier Wärmequellen zur Verfügung: Eine erste Qärmequelle mit niedriger Temperatur, die aus einem Wärmetauscher 31 besteht, durch den das Kühlwasser der Motorkolben mit etwa 50° C läuft; eine zweite Wärmequelle, die aus zwei Wärmetauschern 32 und 33 besteht,durch die das Kühlwasser der Motorzylinder mit einer Temperatur von etwa 60° C läuft; eine dritte Wärmequelle, die aus zwei Wärmetauschern 34 und 45 besteht,durch die die Luft der Aufladungsanlage des Motors mit einer Temperatur von etwa 90 bis 120° C strömt; eine vierte Wärmequelle, die aus zwei Wärmetauschern 36 und 37 besteht, durch die die Auspuffgase des Motors mit einer Temperatur von etwa 300° C strömen. Die Anlage umfaßt eine erste Expansionseinrichtung 45 mit hohem Druck sowie eine zweite Expansionseinrichtung 46 mit niedrigem Druck. Die Anlage umfaßt ferner eine Leitung 38, in die eine Speisepumpe 39 eingefügt ist und die sich in zwei Leitungen, nämlich eine Primärleitung 41a und eine Sekundärleitung 41b, verzweigt. Die Primärleitung 41a, in die eine zweite Pumpe 42 eingefügt ist, durchläuft nacheinander die Wärmetauscher 31» 32, 34 und 36 sowie die Expansionseinrichtungen 45 und '46. In_ die Leitung 38 ist zwischen der Expansionseinrichtung 46 und der Pumpe 39 ein Kondensator 43 zur Kondensation der die Expansionseinrichtung 46' verlassenden Flüssigkeit eingefügt. In die Primärleitung 41a ist zwischen dem Wärmetauscher 34 und dem Wärmetauscher 36 ein Wärmetauscher 44 eingefügt, der von der Flüssigkeit· durchströmt wird, die durch den stromabwärts der Expansionseinrichtung 45 gelegenen Abschnitt der Primärleitung 41a läuft. Auf diese Weise erzielt man eine Vorwärmung der Flüssigkeit, die durch die Leitung 41a stromaufwärts des Wärmetauschers 36 läuft, in dem die Wärme ausgenutzt wird, die die Flüssigkeit am Ausgang der Expansionseinrichtung 45 besitzt. Die"Sekundärleitung 41b durchläuft nacheinander die Wärmetauscher 31, 33,"35 und 37, um sich sodann stromabwärts desWärmetauschers 44 und stromauf-

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wärts der Expansionseinrichtung 46 mit der Primärleitung 41a zu vereinigen. Die Konstruktionseinzelheiten der Anlage gemäß Fig. 17 können selbstverständlich in weitem Rahmen verändert werden. Beispielsweise kann die Verzweigung der Leitung 38 statt stromaufwärts des Wärmetauschers 41 auch an einer anderen Stelle des Kreises beispielsweise stromabwärts des Wärmetauschers 31 angeordnet sein. Auch die Mischung der den Primärkreis durchfließenden Flüssigkeit mit der den Sekundärkreis durchfließenden Flüssigkeit kann an einer anderen als der in Fig. 17 gezeigten Stelle stattfinden. Offensichtlich sind nicht alle der in Fig.17 dargestellten Wärmetauscher unbedingt erforderlich. Das Weglassen beispielsweise des Wärmetauschers 44 bedingt zwar eine geringere Wärmerückgewinnung, bringt gleichzeitig jedoch eine Vereinfachung der Anlage mit sich. Auch die Pumpen 39 und 42 können an deren Stellen angeordnet sein. Es ist außerdem möglich,eine Fig. 17 entsprechende Anlage unter Vervrendung einer größeren Anzahl von Wärmequellen herzustellen.

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Claims

Patentansprüche

I.JAnlage zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärmequellen mit unterschiedlichen Temperaturen g e k e η η ζ e i c h η e t durch ...

— eine Mehrzahl von Wärmequellen mit unterschiedlichen Temperaturen,

— eine Mehrzahl von Expansionseinrichtungen (5, 6, 7),

— eine Mehrzahl von Kreisen (1a, 1b, 1c) für eine Arbeitsflüssigkeit, die von den Wärmequellen mit unterschiedlicher Temperatur Wärmeenergie aufnimmt und die Expansions einrichtung en (5> β, 7) zur Umwandlung der von den Wärmequellen aufgenommenen Wärmeenergie in mechanische

"Energie durchläuft, v/ob ei jeder dieser Kreise (1a, 1b, 1c) für die Arbeitsflüssigkeit folgende Komponenten umfaßt: -

— Wenigstens einen Wärmetauscher (2, 3, 4) zum Wärmeaustausch mit einer der Wärmequellen mit unterschiedlichen Temperaturen,

— wenigstens eine der Expansionseinrichtungen (5, 6» 7) zur Expandierung der Arbeitsflüssigkeit am Ausgang des Wärmetauschers,

— einen Kondensator (17) zur Kondensierung der Flüssigkeit am Ausgang der Expansionseinrichtungen (5, 6, 7) der stromaufwärts des Wärmetauschers (2, 3, 4) angeordnet ist sowie

— wenigstens eine Speisepumpe (9. 10) zur Aktivierung der Zirkulation der Arbeitsflüssigkeit in dem jeweiligen Kreis·,-

wobei die genannten Kreise (1a, 1b, 1c) für die Arbeitsflüssigkeit jeweils paarweise einen Teilabschnitt gemeinsam haben, in dem wenigstens eine der genannten Expansionseinrichtungen (5, 6, 7) sowie der genannte Kondensator (17) eingefügt sind.
2. Anlage nach Anspruch 1 mit einer ersten und einer zweiten Expansionseinrichtung sowie mit zwei Wärmequellen, die

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ORlGiNAL INSPECTED

von dem Kühlkreis eines Verbrennungsmotors bzw. einem Wärmetauscher zum Wärmeaustausch mit den von dem Motor abgegebenen Auspuffgasen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage eine Leitung (SO) für eine Arbeitsflüssigkeit beinhaltet, die Wärme aus dem - Kühlkreis des Motors (30) aufnimmt, und die sich stromabwärts des Kühlkreises in zwei Leitungen verzweigt: eine Primärleitung (100) die den Wärmetauscher (40) zum Wärmeaustausch mit den Auspuffgasen sowie die erste Expansionseinrichtung (19) durchläuft, sowie eine Sekundärleitung (110) die sich mit der Primärleitung (100) stromaufwärts der zweiten Expansionseinrichtung (20) vereinigt, und daß eine erste Speisepumpe (120) in die Primärleitung (100) und eine zweite Speisepumpe (90) sowie der Kondensator (140) in die Leitung (80) für die Arbeitsflüssigkeit stromabwärts der zweiten Expansionseinrichtung (20) eingefügt sind.
3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit der Anlage die Kühlflüssigkeit des Verbrennunsmotors ist.
4. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitung (80) für die Arbeitsflüssigkeit ein Wärmetauscher (70) zum Wärmeaus tausch mit der Kühlflüssigkeit -· "des Motors eingefügt ist.
5. Anlage nach Anspruch 1 mit einer ersten und einer zweiten Expansionseinrichtung sowie mit zwei Wärmequellen, die von dem Kühlkreis des Verbrennungsmotors bzw. von einem mit den von dem Motor abgegebenen Auspuffgasen in Wärmeaustausch stehenden Wärmetauscher gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (80) für eine Arbeitsflüssigkeit vorgesehen ist, die sich in eine durch den den Auspuffgasen zugeordneten Wärmetauscher (40) und die erste Expansionseinrichtung (19) laufende Primärleitung (100) und eine sich mit der Primärleitung (100) strom-

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aufwärts der zweiten Expansionseinrichtung (20) vereini- ·. gende Sekundärleitung (110) verzweigt, daß außerdem ein Wärmetauscher (70) zum Wärmeaustausch mit der Kühlflüssigkeit des Motors vorgesehen ist, daß dieser Wärmetauscher (70) sowohl von d.em Primärkreis (110) stromaufwärts des den Auspuffgasen zugeordneten Wärmetauschers (40) als auch von dem Sekundärkreis (100) durchlaufen wird, daß eine erste Speisepumpe (110) in den Primärkreis (100) stromaufwärts des der Kühlflüssigkeit des Motors zugeordneten Wärmetauschers (70) eingefügt ist,und daß eine zweite Speisepumpe (90) sowie der Kondensator (140) in die genannte Leitung (80) für die Arbeitsflüssigkeit stromabwärts der zweiten Expansionseinrichtung (20) eingefügt sind.
6. Anlage nach Anspruch 1, mit einer ersten und einer zweiten Expansionseinrichtung sowie mit zwei Wärmequellen, die von dem Kühlkreis eines Verbrennungsmotors bzw. von einem mit den Auspuffgasen dieses Motors im Wärmeaustausch stehenden Wärmetauscher gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung für eine Arbeitsflüssigkeit (80) vorgesehen ist, die sich in eine Primärleitung (100) sowie eine Sekundärleitung (110) verzweigt, wobei die Primärleitung (100) einen im Wärmeaustausch mit den Auspuffgasen stehenden Wärmetauscher (40) sowie die erste Expansionsein- "richtung (19) durchläuft, während die Sekundär leitung (110) den Kühlkreis des Motors durchläuft und sich mit der Primärleitung (100) stromaufwärts der zweiten Expansionseinrichtung-· (20) vereinigt, daß eine erste Speisepumpe (120) in die genannte Primärleitung (100) eingefügt ist und daß eine zweite Speisepumpe (50) sowie der Kondensator (100) in die Leitung (80) für die Arbeitsflüssigkeit stromabwärts der zweiten Expansionseinrichtung (7) eingefügt sind.
7. Anlage nach Anspruch 6, dad'urch gekennzeichnet, daß in die Primärleitung (100) zwischen der ersten"Speisepum-

- pe (120) und dem den Auspuffgasen zugeordneten Wärmetau-

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scher (40) ein Hilfswärmetauscher (170) angeordnet ist.
8. Anlage nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitung (80) für die Arbeitsflüssigkeit stromaufwärts der genannten Verzweigung ein Hilfswärmetauscher (170) eingefügt ist.
9. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Hilfswärmetauscher (170) vorgesehen ist, der sowohl von der Primärleitung (100) stromaufwärts des den Auspuffgasen zugeordneten Wärmetauschers (40) als auch von der Sekundärleitung (110) stromaufwärts des Kühlkreises des Motors durchlaufen wird.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 7 "bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswärmetauscher (170) von dem Schmieröl des Motors durchflossen wird.
11. Anlage nach einem der Ansprüche 7 "bis 9, in der der Motor mit einer Aufladungsanlage ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswärmetauseher (170) von der Luft der Aufladungsanlage des Motors durchströmt wird.
12. Anlage nach einem der Ansprüche 2, 5 oder 6, dadurch .gekennzeichnet, daß ein weiterer Wärmetauscher (150) ,vorgesehen ist, der stromaufwärts des den Auspuffgasen zugeordneten Wärmetauschers (40) in die Primärleitung (100) eingefügt ist und der von einem Abschnitt der Primärleitung (100) durchdrungen wird, der sich stromabwärts der ersten Expansionseinrichtung (19) befindet.
13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,daß ein zweiter mit den Auspuffgasen des Motors im Wärmeaus-' tausch stehender Wärmetauscher (160) vorgesehen ist, der in die Sekundärleitung (110) eingefügt ist und von den Auspuffgasen durchströmt wird, die aus dem erstgenannten

..den Auspuffgasen zugeordneten Wärmetauscher (40) kommen.

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14. Anlage nach Anspruch 1, bei der eine erste und eine zweite Expansionseinrichtung vorgesehen sind und bei der wenigstens vier Wärmequellen zur Verfügung stehen, die von der Kühlflüssigkeit der Kolben eines Dieselmotors bzw. der Kühlflüssigkeit der Zylinder des Motors bzw. der Luft der Aufladungsanlage des Motors bzw. den von dem Motor abgegebenen Auspuffgasen gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (3S) für die Arbeitsflüssigkeit vorgesehen ist, die sich stromaufwärts der Wärmequellen in eine Primärleitung (41a) sowie eine Sekundärleitung (41b) verzweigt, wobei die Primärleitung (41a) alle Wärmequellen, die erste (45) sowie die zweite Expansionseinrichtung (46) durchläuft, während die Sekundärleitung (41b) alle Wärmequellen sowie die zweite Expansionseinrichtung (46) durchläuft.
15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,daß wenigstens ein weiterer Wärmetauscher (44) vorgesehen ist, der in die Primärleitung (41a) zwischen zwei aufeinanderfolgende Wärmequellen eingefügt ist und der von einem Abschnitt der Primärleitung (41a) durchlaufen wird, der sich stromabwärts der ersten Expansionseinrichtung (45) befindet.

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