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WO2012084922A1 - Verfahren und vorrichtung zur nutzung von abwärme einer wärmekraftmaschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur nutzung von abwärme einer wärmekraftmaschine Download PDF

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Publication number
WO2012084922A1
WO2012084922A1 PCT/EP2011/073371 EP2011073371W WO2012084922A1 WO 2012084922 A1 WO2012084922 A1 WO 2012084922A1 EP 2011073371 W EP2011073371 W EP 2011073371W WO 2012084922 A1 WO2012084922 A1 WO 2012084922A1
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WO
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opt
working fluid
operating
heat engine
pressure
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Application number
PCT/EP2011/073371
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English (en)
French (fr)
Inventor
Juergen Stegmaier
Manfred Schmitt
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • 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
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    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
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    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/101—Regulating means specially adapted therefor
    • 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 invention is based on a method for utilizing waste heat of a heat engine according to the preamble of claim 1 and of a device suitable for carrying out this method according to the preamble of claim 6.
  • Expansion machine can be operated with the optimum efficiency.
  • Expansion machine at different operating states (load cases) of the heat engine are operated with improved or optimum efficiency.
  • the optimum pressure and temperature values which depend on the respective operating state can be stored as a characteristic map or characteristic maps.
  • the respective operating state of the heat engine can in operation based on characteristic operating parameters of the heat engine, such as
  • Exhaust gas temperature, exhaust gas mass flow, speed and / or torque can be determined in a simple manner.
  • the temperature of the working fluid as a controlled variable is preferably by
  • the pressure of the expander machine supplied working fluid is preferably by an adjustment of the
  • Expansion engine regulated This can be done by a speed control in reciprocating engines or by adjusting the distributor in steam turbines.
  • Fig. 1 is a block diagram of the device according to the invention for
  • FIG. 2 shows an operating characteristic of the device according to the invention for a selected operating state of the heat engine.
  • Fig. 1 is a highly schematic block diagram of a device 10 for the use of waste heat of e.g. designed as an internal combustion engine
  • Heat engine 12 shown.
  • Apparatus 10 includes a heat exchanger 14 in which the waste heat A of the heat engine 12 is transferred to a working fluid B, which is thereby heated and vaporized.
  • the vaporized working fluid B becomes one
  • Expander 16 supplied by which the energy contained in the evaporated working fluid B is at least partially converted into mechanical work.
  • the expansion machine 16 is followed by a condenser 18, in which the led out of the expansion machine 16 relaxed working fluid B is condensed.
  • the liquid working fluid B is then raised by a pump 20 back to the pressure level required for evaporation and fed again to the heat exchanger 14, so that the working fluid B is guided in total in a closed circuit.
  • the device 10 has to control the vapor pressure p and the
  • the feedforward control 24 determines based on the characteristic
  • Heat engine 12 stored maps of the cycle.
  • the pilot control 24 can also take account of a condenser pressure 34 of the working fluid B which prevails in the condenser 18 because, together with the vapor pressure, the usable pressure ratio and
  • Pilot control 24 as setpoints 36, 38 to the respective controller 28, 30th
  • the vapor pressure regulator 28 comprises a pressure sensor 40 for pressure detection of the expansion machine 16 supplied vaporous working fluid B and regulates via an adjusting device of the expansion machine 16, preferably on the speed, the vapor pressure of the working fluid B to the optimal operation
  • the steam temperature controller 30 includes a
  • the control device 22 with feedforward control 24 and regulators 28, 30 makes it possible to react quickly to changing operating states of the heat engine 12, without having to realize high loop gains that tend to instability. As a result, a high control quality and a stable system behavior are achieved overall.
  • Circuit transmitted heat 52 (indicated as heat flow Q) and the resultant of these sizes useful power 54 of the expansion machine 16 in response to the vapor pressure p (process pressure) of the
  • Expander 16 supplied working fluid B by way of example for a specific operating state (load case) of the heat engine 12 shown.
  • the respective parameter sets can be determined by an optimization calculation in which the steam cycle efficiency and the heat transferred into the steam circuit are jointly optimized.
  • the parameter sets (p_opt, T_opt) can also be determined during an application measurement of the device 10 and stored in each case as a characteristic field in the data memory 26. Overall, the overall efficiency and the utilized heat flow of the working fluid B can be optimally adjusted

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Bei einem Verfahren zur Nutzung von Abwärme (A) einer Wärmekraftmaschine (12), bei dem ein Arbeitsfluid (B) mittels der Abwärme (A) der Wärmekraftmaschine (12) erhitzt und verdampft und nachfolgend einer Expansionskraftmaschine (16) zugeführt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass für unterschiedliche Betriebszustände der Wärmekraftmaschine (12) jeweils betriebsoptimale Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) des der Expansionskraftmaschine (16) zugeführten Arbeitsfluids (B) ermittelt und gespeichert werden und dass im Betrieb der Wärmekraftmaschine (12) der jeweilige Betriebszustand der Wärmekraftmaschine (12) bestimmt wird und dann Druck (p) und Temperatur (T) des der Expansionsmaschine (16) zugeführten Arbeitsfluids (B) auf diejenigen optimalen Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) geregelt werden, die zum jeweils bestimmten Betriebszustand gespeichert sind.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme einer Wärmekraftmaschine
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Nutzung von Abwärme einer Wärmekraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1 und von einer zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Vorrichtung nach der Gattung des Anspruchs 6.
Aus der DE 10 2005 061 214 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem zur
Optimierung der Nutzleistung der Expansionsmaschine in einem Clausius- Rankine-Kreisprozess ein für die Erhitzung und Verdampfung des Arbeitsfluids genutzter Abwärmestrom sowie ein der Expansionsmaschine zugeführter
Arbeitsfluidstrom geregelt werden. Bei dieser Regelung werden allerdings lediglich Teilaspekte des Kreisprozesses optimiert, so dass die Expansionsmaschine nicht am optimalen Betriebspunkt betrieben wird.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend weiterzubilden, dass in allen unterschiedlichen Betriebszuständen der Wärmekraftmaschine die
Expansionsmaschine mit der optimalen Nutzleistung betrieben werden kann.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 6 gelöst. Erfindungsgemäß wird also eine konkrete Betriebsstrategie zur Nutzung der Abwärme einer Wärmekraftmaschine angegeben, die einen
nutzleistungsoptimierten Betrieb der Expansionskraftmaschine ermöglicht.
Insgesamt können der Wirkungsgrad insgesamt sowie der genutzte Wärmestrom des Arbeitsfluids optimal eingestellt werden. Dadurch kann die
Expansionsmaschine bei unterschiedlichen Betriebszuständen (Lastfällen) der Wärmekraftmaschine, wie sie beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs auftreten, mit verbesserter bzw. optimaler Nutzleistung betrieben werden. Die vom jeweiligen Betriebszustand abhängigen optimalen Druck- und Temperaturwerte können als Kennfeld bzw. Kennfelder gespeichert sein. Der jeweilige Betriebszustand der Wärmekraftmaschine kann im Betrieb auf Grundlage von charakteristischen Betriebsparametern der Wärmekraftmaschine, wie
Abgastemperatur, Abgasmassenstrom, Drehzahl und/oder Drehmoment, auf einfache Weise bestimmt werden.
Die Temperatur des Arbeitsfluids als Regelgröße wird vorzugsweise durch
Verstellen der Förderleistung einer das Arbeitsfluid zum Wärmetauscher fördernden Pumpe geregelt. Der Druck des der Expansionsmaschine zugeführten Arbeitsfluids wird vorzugsweise durch eine Verstellung der
Expansionskraftmaschine geregelt. Dies kann durch eine Drehzahlregelung bei Kolbenmaschinen oder durch eine Verstellung des Leitapparats bei Dampfturbinen erfolgen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnungen
Nachstehend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung anhand eines in der Zeichnung stark schematisiert wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Nutzung von Abwärme einer Wärmekraftmaschine; und
Fig. 2 eine Betriebscharakteristik der erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen ausgewählten Betriebszustand der Wärmekraftmaschine.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles
In Fig. 1 ist ein stark schematisiertes Blockschaltbild einer Vorrichtung 10 zum Nutzen von Abwärme einer z.B. als Verbrennungsmotor ausgebildeten
Wärmekraftmaschine 12 gezeigt.
Die nach dem so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozess arbeitende
Vorrichtung 10 umfasst einen Wärmetauscher 14, in dem die Abwärme A der Wärmekraftmaschine 12 auf ein Arbeitsfluid B übertragen wird, welches dadurch erhitzt und verdampft wird. Das verdampfte Arbeitsfluid B wird einer
Expansionsmaschine 16 zugeführt, durch welche die im verdampften Arbeitsfluid B enthaltene Energie zumindest teilweise in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Der Expansionsmaschine 16 ist ein Kondensator 18 nachgeschaltet, in der das aus der Expansionsmaschine 16 herausgeführte entspannte Arbeitsfluid B kondensiert wird. Das flüssige Arbeitsfluid B wird danach von einer Pumpe 20 wieder auf das für eine Verdampfung erforderliche Druckniveau angehoben und erneut dem Wärmetauscher 14 zugeführt, so dass das Arbeitsfluid B insgesamt in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird.
Die Vorrichtung 10 weist zur Regelung des Dampfdrucks p und der
Dampftemperatur T des der Expansionsmaschine 16 zugeführten dampfförmigen Arbeitsfluids B eine Regeleinrichtung 22 auf, die eine Vorsteuerung 24, einen Datenspeicher 26 sowie einen Regler 28 für den Dampfdruck und einen Regler 30 für die Dampftemperatur des der Expansionsmaschine 16 zugeführten
Arbeitsfluids B aufweist.
Als primäre Eingangsgrößen der Vorsteuerung 24 dienen charakteristische Betriebsparameter 32 der Wärmekraftmaschine 12, wie zum Beispiel Abgasmassenstrom, Abgastemperatur, Drehmoment und/oder Drehzahl. Die Vorsteuerung 24 bestimmt auf Grundlage der charakteristischen
Betriebsparameter 32 den jeweiligen Betriebszustand der Wärmekraftmaschine 12 und ordnet diesem Betriebszustand die bezüglich der Nutzleistung der
Expansionskraftmaschine 16 betriebsoptimalen Dampfdruck- und
Dampftemperaturwerte p_opt, T_opt für das Arbeitsfluid B zu. Diese Zuordnung erfolgt anhand von im Datenspeicher 26 für eine Vielzahl von in der Praxis typischerweise anzutreffenden Betriebszuständen (Lastfällen) der
Wärmekraftmaschine 12 hinterlegten Kennfeldern des Kreisprozesses. Bei der Bestimmung des optimalen Dampfdruckwerts p_opt des Arbeitsfluids B kann von der Vorsteuerung 24 auch ein im Kondensator 18 ausgangsseitig herrschender Kondensatordruck 34 des Arbeitsfluids B berücksichtigt werden, weil dieser zusammen mit dem Dampfdruck das nutzbare Druckverhältnis und den
erreichbaren Dampfkreiswirkungsgrad festlegt. Die so bestimmten optimalen Dampfdruck- und Dampftemperaturwerte p_opt, T_opt werden von der
Vorsteuerung 24 als Sollgrößen 36, 38 an die jeweiligen Regler 28, 30
ausgegeben.
Der Dampfdruckregler 28 umfasst einen Drucksensor 40 zur Druckerfassung des der Expansionsmaschine 16 zugeführten dampfförmigen Arbeitsfluids B und regelt über eine Versteileinrichtung der Expansionsmaschine 16, vorzugsweise über die Drehzahl, den Dampfdruck des Arbeitsfluids B auf den betriebsoptimalen
Dampfdruckwert p_opt. Der Dampftemperaturregler 30 umfasst einen
Temperatursensor 42 zur Temperaturerfassung des der Expansionsmaschine 12 zugeführten Arbeitsfluids B und regelt über den Förderstrom der Pumpe 20 die Temperatur des Arbeitsfluids B auf den optimalen Dampftemperaturwert T_opt.
Die Regeleinrichtung 22 mit Vorsteuerung 24 und Reglern 28, 30 ermöglicht es, schnell auf wechselnde Betriebszustände der Wärmekraftmaschine 12 reagieren zu können, ohne dabei zu hohe Regelkreisverstärkungen realisieren zu müssen, die zur Instabilität neigen. Hierdurch werden insgesamt eine hohe Regelgüte und ein stabiles Systemverhalten erreicht. In Fig. 2 sind der Wirkungsgrad (Eta) 50 des Kreisprozesses, die in dem
Kreisprozess übertragene Wärme 52 (angegeben als Wärmestrom Q) sowie die sich aus diesen Größen ergebende Nutzleistung 54 der Expansionsmaschine 16 in Abhängigkeit von dem Dampfdruck p (Prozessdruck) des der
Expansionsmaschine 16 zugeführten Arbeitsfluids B beispielhaft für einen bestimmten Betriebszustand (Lastfall) der Wärmekraftmaschine 12 gezeigt.
Während mit steigendem Druck p des Arbeitsfluids B der Wirkungsgrad 50 des Kreisprozesses ansteigt, sinkt die in den Kreisprozess übertragene bzw.
übertragbare Wärme 52. Aus dem gegenläufigen Verhalten dieser beiden Größen ergibt sich für den in Fig. 2 gezeigten Betriebszustand der Wärmekraftmaschine 12 ein Nutzleistungsmaximum 56 bei einem optimalen Dampfdruck p_opt des Arbeitsfluids B von ca. 18 bar. Dieser optimale Dampfdruck p_opt wird von der Vorsteuerung 24 als Sollgröße 36 an den Dampfdruckregler 28 ausgeben. Für den in Fig. 2 gezeigten Betriebszustand der Wärmekraftmaschine 12 ist im
Datenspeicher 26 in entsprechender Weise die optimale Temperatur T_opt des der Expansionsmaschine 12 zugeführten Arbeitsfluids B von ca. 320° im Kennfeld abgelegt, die von der Vorsteuerung 24 als Sollgröße 38 an den
Dampftemperaturregler 30 ausgegeben wird.
Für jeden Betriebszustand bzw. -punkt der Wärmekraftmaschine 12 gibt es also einen optimalen Satz von Dampfparametern (p_opt, T_opt), mit dem die höchste Nutzleistung der Expansionsmaschine 16 erzielt werden kann. Die jeweiligen Parametersätze können durch eine Optimierungsrechnung ermittelt werden, bei der der Dampfkreiswirkungsgrad und die in den Dampfkreis übertragenen Wärme gemeinsam optimiert werden. Alternativ können die Parametersätze (p_opt, T_opt) auch bei einer Applikationsmessung der Vorrichtung 10 ermittelt und jeweils als Kennfeld im Datenspeicher 26 abgelegt werden. Insgesamt können der Wirkungsgrad insgesamt sowie der genutzte Wärmestrom des Arbeitsfluids B optimal eingestellt werden

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Nutzung von Abwärme (A) einer Wärmekraftmaschine (12), wobei ein Arbeitsfluid (B) mittels der Abwärme (A) der Wärmekraftmaschine (12) erhitzt und verdampft und nachfolgend einer Expansionskraftmaschine (16) zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass für unterschiedliche Betriebszustände der Wärmekraftmaschine (12) jeweils betriebsoptimale Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) des der Expansionskraftmaschine (16) zugeführten Arbeitsfluids (B) ermittelt und gespeichert werden und dass im Betrieb der Wärmekraftmaschine (12) der jeweilige Betriebszustand der Wärmekraftmaschine (12) bestimmt wird und dann Druck (p) und Temperatur (T) des der Expansionsmaschine (16) zugeführten Arbeitsfluids (B) auf diejenigen betriebsoptimalen Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) geregelt werden, die zum jeweils bestimmten Betriebszustand gespeichert sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Betriebszustand der Wärmekraftmaschine (12) auf Grundlage von
Betriebsparametern der Wärmekraftmaschine (12) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ermitteln des betriebsoptimalen Druckwerts (p_opt) ein Kondensatordruck (34) des Arbeitsfluids (B), der ausgangsseitig eines der
Expansionsmaschine (16) nachgeschalteten Kondensators (18) herrscht, berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) des Arbeitsfluids (B) über den Förderstrom einer das Arbeitsfluid (B) fördernden Pumpe (20) auf den betriebsoptimalen Temperaturwert (T_opt) geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Druck (p) des Arbeitsfluids (B) über die Drehzahl der Expansionsmaschine (16) auf den betriebsoptimalen Druckwert (p_opt) geregelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Druck (p) des Arbeitsfluids (B) durch eine
Verstellung der Strömungsverhältnisse innerhalb der Expansionsmaschine (16) auf den betriebsoptimalen Druckwert (p_opt) geregelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die betriebsoptimalen Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) über eine Kombination aus Vorsteuerung und Regelung eingestellt werden.
8. Vorrichtung (10) zur Nutzung von Abwärme einer Wärmekraftmaschine (12),
mit einer Wärmekraftmaschine (12),
mit einem Wärmetauscher (14) zum Erhitzen und Verdampfen eines Arbeitsfluids (B) mittels der Abwärme (A) der Wärmekraftmaschine (12), mit einer Expansionsmaschine (16) zum Umwandeln der im verdampften Arbeitsfluid (B) enthaltenen Wärmeenergie in mechanische Arbeit, und mit einer Steuereinrichtung (22) zur Steuerung von Prozessparametern für das Arbeitsfluid (B),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Steuereinrichtung (22) ein Datenspeicher (26) zugeordnet ist, in dem für unterschiedliche Betriebszustände der Wärmekraftmaschine (12) jeweils betriebsoptimale Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) des der Expansionskraftmaschine (16) zugeführten Arbeitsfluids (B) gespeichert sind, und dass die Steuereinrichtung (22) derart programmiert ist, dass Druck (p) und Temperatur (T) des der Expansionsmaschine (16) zugeführten Arbeitsfluids (B) auf diejenigen betriebsoptimalen Druck- und Temperaturwerte (p_opt, T_opt) geregelt werden, die im Datenspeicher (26) zum jeweiligen Betriebszustand gespeichert sind. orrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinrichtung (22) durch eine Kombination aus einer Vorsteuerung (24) und einer Reglung (28, 30) gebildet ist.
PCT/EP2011/073371 2010-12-21 2011-12-20 Verfahren und vorrichtung zur nutzung von abwärme einer wärmekraftmaschine WO2012084922A1 (de)

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