DE102013205648A1

DE102013205648A1 - System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013205648A1
Application number: DE102013205648.6A
Authority: DE
Inventors: Derya Cakallik; Marc Oliver Roehner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-07-03
Also published as: WO2014102027A3; WO2014102027A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine 1, wobei das System einen Arbeitfluidkreislauf 4 mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Verdampfer 3, einer Expansionsmaschine 6, einem von einem Kühlmittel durchströmten Kondensator 9 und einer Pumpe 5 aufweist, und wobei der Kondensator 9 mit einer Kühlmittelzuführleitung 11 und einer Kühlmittelabführleitung 10 verbunden ist. Erfindungsgemäß werden ein System zur Energierückgewinnung und ein Verfahren zum Betreiben des Systems angegeben, bei dem der Kühlbedarf des Systems minimiert ist. Erreicht wird dies dadurch, dass der Kühlmittelmassenstrom, der über die Kühlmittelzuführleitung 10 in den Kondensator 9 gelangt, variabel ist. Dies kann beispielsweise durch einen Bypass erfolgen, der in Abhängigkeit der erforderlichen Kühlleistung des Kondensators 9 die Kühlmittelzuführleitung 11 mit der Kühlmittelabführleitung 10 verbindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine, wobei das System einen Arbeitsfluidkreislauf mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Verdampfer, einer Expansionsmaschine, einem von einem Kühlmittel durchströmten Kondensator und einer Pumpe aufweist, und wobei der Kondensator mit einer Kühlmittelzuführleitung und einer Kühlmittelabführleitung verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren sind aus der EP 2 500 530 A1 bekannt. Das System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine weist zunächst einmal die üblichen Komponenten eines solchen Systems, nämlich einen Arbeitsfluidkreislauf mit zumindest einem in dem Abwärmestrom der Brennkraftmaschine angeordneten Verdampfer, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Pumpe auf, die allesamt miteinander verschaltet sind. Die Besonderheit dieses Systems bzw. des Verfahrens zum Betreiben des Systems ist eine Turbine, die mit einem Kompressor nach Art eines Abgasturboladers verbunden ist. Dabei ist an die die Turbine mit dem Kompresser verbindenden Welle eine elektrische Maschine angebaut, die als Generator oder als Motor betrieben werden kann. Dadurch ist es möglich, beim normalen Betrieb der Turbine die elektrische Maschine als Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen und umgekehrt bei Betrieb des Kompressors als Pumpe die elektrische Maschine als Motor zum Antrieb dieser Pumpe zu nutzen. Das System wird durch die durch den Verdampfer geleitete Menge des Abwärmestroms gesteuert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Energierückgewinnung anzugeben, bei dem der Kühlbedarf des Systems minimiert ist. Weiterhin soll ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems angegeben werden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der die Kühlmittelzuführleitung über einen Bypass mit der Kühlmittelabführleitung verbunden ist. Das entsprechende Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine sieht vor, dass ein Kühlmittelmassenstrom, der über die Kühlmittelzuführleitung in den Kondensator gelangt, in Abhängigkeit einer erforderlichen Kühlleistung des Kondensators variiert werden kann. Hierbei kann der Kondensator des Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine in einen Hochtemperaturkühlkreislauf oder einen Niedertemperaturkühlkreislauf der Brennkraftmaschine integriert werden oder in einen eigenen Kühlkreislauf integriert werden. Des Weiteren kann der Kondensator des Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine parallel zu einer bestehenden Komponente des Hochtemperaturkühlkreislaufs oder Niedertemperaturkühlkreislaufs der Brennkraftmaschine eingebaut werden. Dieser Lösung liegt zunächst einmal die Erkenntnis zugrunde, dass das System zur Energierückgewinnung, das auch als Abwärmerückgewinnungssystem bezeichnet wird, einen rechtsgängigen Wärme-Kraftprozess darstellt, bei dem auf einem hohen Temperaturniveau dem Arbeitsfluid Wärme zugeführt wird und ein Teil dieser zugeführten Wärme in Arbeit umgewandelt wird. Der restliche Teil der zugeführten Wärme wird in Form von Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau an die Umgebung abgegeben. Im Kondensator muss das Arbeitsfluid vollständig kondensiert werden, um Kavitation am Pumpeneintritt zu vermeiden. Die benötigte Kühlleistung im Kondensator hängt vom vorliegenden Druck des Arbeitsfluids im Kondensator und vom Arbeitsfluidmassenstrom ab. Je größer der Kondensationsdruck und je kleiner der Massenstrom des Arbeitsfluids ist, umso weniger Kühlleistung wird benötigt, um das Arbeitsfluid vollständig zu kondensieren. Wird dennoch dieselbe Kühlleistung bei jedem Kondensationsdruck und Arbeitsfluidmassenstrom aufgebracht, so wird das Arbeitsfluid bei höheren Kondensationsdrücken und kleineren Massenströmen nach der Kondensation weiter gekühlt. Eine allzu große Unterkühlung sollte jedoch möglichst vermieden werden, um den Kühlkreislauf nicht unnötig zu belasten. Des Weiteren kann bei einer höheren Kondensatoraustrittstemperatur des Arbeitsfluids unter Zufuhr konstanter Wärmeleistung im Verdampfer eine höhere Überhitzungstemperatur des Arbeitsfluids am Austritt aus dem Verdampfer erreicht werden, die eine Erhöhung des Systemwirkungsgrades bewirkt. Die bedarfsgerechte Belastung des Kühlkreislaufs für das System zur Energierückgewinnung erfolgt nun erfindungsgemäß über eine Temperaturregelung oder Temperatursteuerung des Arbeitsfluids am Austritt aus dem Kondensator. Dadurch kann eine vollständige Kondensation des Arbeitsfluids und gleichzeitig eine minimal notwendige Zusatz-Kühlleistung erreicht bzw. erzielt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Bypass zu dem Kondensator als Bypassleitung ausgebildet, wobei wiederum in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Bypass bzw. die Bypassleitung ein Bypassventil aufweist. Insbesondere über die entsprechende Einstellung des Bypassventils kann die Menge des Kühlmittels, das den Kondensator durchströmt, eingestellt werden und somit die Kühlleistung beeinflusst werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Bypassventil elektrisch angesteuert und kann somit problemlos beispielsweise von einer entsprechenden Steuereinrichtung eingestellt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Bypassventil ein Proportionalventil. Entsprechende elektrisch angesteuerte Proportionalventile stehen zur Verfügung, so dass eher auf Serienteile zurückgegriffen werden kann. Im Ergebnis ist somit der mechanische Teil des erfindungsgemäßen Systems zur Energierückgewinnung, der im Wesentlichen aus der Bypassleitung und dem Bypassventil besteht, mit geringem Aufwand umsetzbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Bypass zu dem Kondensator bei einer Parallelschaltung des Kondensators mit einer bestehenden Komponente im Hochtemperaturkühlkreislauf oder Niedertemperaturkühlkreislauf der Brennkraftmaschine entfallen. Dabei ist wiederum in vorteilhafter Weiterbildung vorgesehen, dass die Parallelschaltung ein Ventil aufweist. Insbesondere über die entsprechende Einstellung des Ventils kann die Menge des Kühlmittels, das den Kondensator durchströmt, eingestellt werden, und somit die Kühlleistung beeinflusst werden.
In Weiterbildung kann der Bypass zum Kondensator ebenfalls entfallen, wenn der Kondensator in einem eigenen Kühlkreislauf für das Abwärmerückgewinnungssystem integriert wird. Dabei besteht in einer weiteren Ausgestaltung der eigene Kühlkreislauf für das Abwärmerückgewinnungssystem aus mindestens einem Kühler und einer Umwälzpumpe. In Weiterbildung kann über eine Massenstromregelung oder Massenstromsteuerung im eigenen Kühlkreislauf die Menge des Kühlmittels, die den Kondensator durchströmt, eingestellt werden und somit die Kühlleistung beeinflusst werden.
In Weiterbildung der Erfindung sieht eine Fortbildung des Verfahrens zum Betreiben des Systems vor, dass die erforderliche Kühlleistung aus dem Druck des Arbeitsfluids in dem Kondensator, aus dem Arbeitsfluidmassenstrom in dem Kondensator und aus der Temperatur beziehungsweise spezifischen Enthalpie des Arbeitsfluids am Eintritt in den Kondensator sowie aus der geforderten Sollaustrittstemperatur aus dem Kondensator ermittelt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Fall eines dampfförmigen Zustands des Arbeitsfluids am Eintritt in den Kondensator der Kühlmittelmassenstrom nach der Beziehung 1
mit Q ._{Kühl,Kond,erforderlich} = ṁ_{Arbeitsfluid,Kond} ·[c_{p,Arbeitsfluid}·(ϑ_{Arbeitsfluid,Kond,ein} – ϑ_{s,Arbeitsfluid}(p_Arbeitsfluid)) + Δh_{v,Arbeitsfluid}(p_Arbeitsfluid) + c_{p,Arbeitsfluid}·(ϑ_{s,Arbeitsfluid}(p_Arbeitsfluid) – ϑ_{Arbeitsfluid,Kond,aus,soll})] (Beziehung 2) ermittelt wird. Je nach Wahl des Arbeitsfluids kann, abhängig von den stoffspezifischen Eigenschaften, in jedem Betriebspunkt am Eintritt des Arbeitsfluids in den Kondensator ein dampfförmiger Zustand sichergestellt werden. Tritt dieser Fall zu, so ist für die Temperaturregelung die Kenntnis des Arbeitsfluidsmassenstroms, der Eintrittstemperatur und des Eintrittsdrucks des Arbeitsfluids in den Kondensator erforderlich. Ausgehend vom Eintrittsdruck des Arbeitsfluids, der unter idealen Bedingungen dem Kondensationsdruck entspricht (unter realen Bedingungen entsteht im Kondensator ein geringer Druckverlust, der im Allgemeinen von den Fluiden im Kondensator und der Kondensatorbauart und dem Kondensatormaterial abhängt) kann die Siedetemperatur anhand von Stoffwerten ermittelt werden. Da bei der Kondensation die Temperatur konstant bleibt, muss zur Sicherstellung eines flüssigen Zustands die Sollaustrittstemperatur des Arbeitsfluids aus dem Kondensator um eine minimale Temperaturdifferenz ausgehend von der Siedetemperatur gesenkt werden ϑ_{Arbeitsfluid,Kond,aus,soll} = ϑ_{s,Arbeitsfluid}(p_Arbeitsfluid) – ΔT_Sicherheit (Beziehung 3). Die Temperaturdifferenz ΔT_Sicherheit dient als Sicherheitsfaktor und muss abhängig vom gewählten Arbeitsfluid bestimmt werden. Sie kann für jeden Betriebspunkt konstant angenommen werden oder als Funktion von Kondensatordruck bzw. Kondensatortemperatur bestimmt werden. Mit Hilfe der gemessenen Eintrittstemperatur des Arbeitsfluid in den Kondensator, der Kenntnis über den Arbeitsfluidmassenstrom und der berechneten Soll-Austrittstemperatur des Arbeitsfluids kann der erforder liche Kühlbedarf ermittelt werden. Ausgehend von der erforderlichen Kühlleistung und der maximal zulässigen Temperaturdifferenz des Kühlmittels im Kondensator sowie de spezifischen Wärmekapazität des Kühlwassers kann der erforderliche Kühlmittelmassenstrom im Steuergerät nach der Beziehung 1 in einem Steuergerät berechnet werden. Über das Bypassventil beziehungsweise Ventil (bei Parallelschaltung) oder über die Massenstromregelung (bei Einbau des Kondensators in einen eigenen Kühlkreislauf) kann der erforderliche Kühlmittelmassenstrom durch den Kondensator eingestellt werden, so dass der erforderliche Kühlbedarf und damit die Soll-Austrittstemperatur des Arbeitsfluids aus dem Kondensator erreicht wird. Der Kühlmittelmassenstrom dient damit als Stellgröße für die Temperaturregelung. Alternativ zu der Temperaturregelung kann auch eine Temperatursteuerung zum Einsatz kommen, um eine bedarfsgerechte Kühlleistung zu erreichen. Der nicht durch den Kondensator geführte Kühlmittelmassenstrom wird über die Bypassleitung am Kondensator vorbeigeführt und mit dem erwärmten, aus dem Kondensator austretenden Kühlmittelmassenstrom wieder zusammengeführt. Durch die Zusammenführung des wärmeren und des kälteren Kühlmittelmassenstroms kann die Temperatur des aus dem Kondensator austretenden Kühlmittelmassenstroms gesenkt werden, bevor die Gesamtmenge in den Kühler gelangt. Dies gilt im Falle einer Bypassleitung mit einem Bypassventil am Kondensator. Im Falle einer Parallelschaltung wird der nicht durch den Kondensator geführte Kühlmittelmassenstrom durch die zum Kondensator parallel verschaltete Kühlkreislaufkomponente geführt und nach dem Austritt aus der parallel geschalteten Kühlkreislaufkomponente mit dem aus dem Kondensator austretenden Kühlmittelmassenstrom zusammengeführt.
In Weiterbildung der Erfindung wird für den Fall eines gesättigten, dampfförmigen Zustand des Arbeitsfluids (Dampfgehalt x = 1) oder zweiphasigen Zustand des Arbeitsfluids (Dampfgehalt 0 < x < 1) am Eintritt des Arbeitsfluids in den Kondensator der Kühlmittelmassenstrom ebenfalls nach der Beziehung 1
mit Q ._{Kühl,Kond,erforderlich} = ṁ_{Arbeitsfluid,Kond} ·[(h_{Arbeitsfluid,Kond,ein}(p_Arbeitsfluid, x_Arbeitsfluid) – h_Arbeitsfluid(p_Arbeitsfluid, x_Arbeitsfluid = 0)) + c_{p,Arbeitsfluid}·(ϑ_{s,Arbeitsfluid}(p_Arbeitsfluid) – ϑ_{Arbeitsfluid,Kond,aus,soll})] (Beziehung 4) bestimmt. Hier ist das System zur Energierückgewinnung also ausgelegt, das im Betrieb am Eintritt des Kondensators das Arbeitsfluid gesättigt dampfförmig oder im zweiphasigen Zustand vorliegen kann. Für diesen Fall ist es nicht möglich, anhand der Arbeitsfluidtemperatur und des Drucks am Eintritt des Kondensators die spezifische Enthalpie des Arbeitsfluids am Eintritt zu ermitteln. In diesem Fall müssen die Arbeitsfluidtemperatur und der Arbeitsfluiddruck vor der Expansionsmaschine gemessen werden und über komponentenspezifische Eigenschaften der Expansionsmaschine, wie zum Beispiel isentroper Wirkungsgrad, die spezifische Enthalpie am Eintritt des Kondensators bestimmt werden. Über den Kondensatoreintrittsdruck und die spezifische Enthalpie am Eintritt des Kondensators kann der Dampfgehalt des Arbeitsfluids am Eintritt in den Kondensator bestimmt werden. Über den Kondensatoreintrittsdruck, der spezifischen Enthalpie am Eintritt des Kondensators, der berechneten Sollaustrittstemperatur und des Massenstroms kann die erforderliche Kühlleistung nach der zuvor genannten Beziehung 4 ermittelt werden. Als Stellgröße für die Regelung oder die auch hier alternativ vorgesehene Steuerung wird der zuvor beschriebene Kühlmittelmassenstrom durch den Kondensator gewählt. Bei allen Ausführungen kann die Kühlmitteleintrittstemperatur über verschiedene Wege ermittelt werden. Eine erste Möglichkeit ist der Einbau eines ggf. zusätzlichen Temperatursensors auf der Kühlmittelseite am Eintritt in den Kondensator. Eine zweite Möglichkeit ist die Berechnung der Kühlmit teleintrittstemperatur mit Hilfe einer im Steuergerät hinterlegten Kühlmitteltemperatur unter Berücksichtigung eines Übertragungsverhaltens. Eine dritte Möglichkeit ist die Hinterlegung eines Kennfeldes für die Kühlmitteleintrittstemperatur, das zuvor durch Messungen erstellt wurde.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in der einzigen Figur dargestellte Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigt:
1 in schematischer Darstellung ein Schaltbild eines Systems zur Energierückgewinnung aus dem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine.
Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt in schematischer Darstellung ein System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine. Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine werden dieser Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen der Brennkraftmaschine beim Betrieb derselben unter Wärmeentwicklung verbrennen. Der entstandene Abwärmestrom wird über eine an der Brennkraftmaschine 1 angebrachte Abgasleitung 2 abgeführt und durch einen Verdampfer 3 geführt. Der Verdampfer 3 ist beispielsweise als Röhrenwärmetauscher ausgebildet und weist eine Anzahl von Röhren auf, durch die das heiße Abgas geleitet wird, bevor es auf der Ausgangsseite des Verdampfers 3 in die weiterführende Abgasleitung 2 gelangt. In die Abgasleitung 2 können vor oder hinter dem Verdampfer 3 zumindest ein Abgasschalldämpfer und/oder eine Einrichtung zur Nachbehandlung des Abgases beispielsweise in Form eines Katalysators und/oder eines Rußfilters eingebaut sein, bevor das Abgas aus der Abgasleitung 2 in die Umgebung abgeleitet wird.
Der Verdampfer 3 ist Teil eines Systems zur Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine 1 und weist einen Arbeitsfluidkreislauf 4 auf, der von einem Arbeitsfluid, das beispielsweise Wasser oder ein organisches Medium wie Ethanol ist, durchströmt wird. Dazu ist eine Pumpe 5 in den Arbeitsfluidkreislauf 4 eingeschaltet, die das Arbeitsfluid durch den Arbeitsfluidkreislauf 4 fördert. Die Pumpe 5 kann mechanisch, hydraulisch oder vorzugsweise elektrisch betrieben werden, wobei der Betrieb gesteuert werden kann. Das heißt, dass die Pumpe 5 zumindest in Abhängigkeit von Betriebszuständen des Systems eingeschaltet und ausgeschaltet werden kann. Gegebenenfalls kann die Pumpe 5 darüber hinaus mit einer Leerlaufdrehzahl betrieben werden, bei der gerade so viel Arbeitsfluid durch den Arbeitsfluidkreislauf 4 befördert wird, dass eine Expansionsmaschine 6 gerade mit einer Leerlaufdrehzahl betrieben wird. Die Expansionsmaschine 6 weist beispielsweise eine in einem Gehäuse gelagerte Turbine auf, die von dem strömenden Arbeitsfluid bei einer Durchströmung in Drehbewegung versetzt wird. Die Turbine weist eine in Lagern gelagerte Welle 7 auf, die mit einer Arbeitsmaschine 8 verbunden ist. Die Arbeitsmaschine 8 ist beispielsweise ein Generator, mit dem Strom erzeugt wird und ggf. beispielsweise in einer Batterie gespeichert wird. Die so in Form von Strom erzeugte Energie kann in beliebiger Art und Weise, beispielsweise beim Einbau der Brennkraftmaschine in ein Fahrzeug, zum Betrieb des Fahrzeugs genutzt werden. Die Arbeitsmaschine 8 kann aber auch beispielsweise eine hydraulische Maschine sein, mit der ein Hydraulikfluid beispielsweise in einen Speicher gefördert wird. Schließlich kann die Arbeitsmaschine 8 auch eine mechanische Maschine sein, die beispielsweise direkt mit einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine eingebaut ist, verbunden ist.
Der Arbeitsfluidkreislauf 4 weist weiterhin einen Kondensator 9 auf, der von dem Arbeitsfluid und einem Kühlfluid durchströmt wird. Dazu weist der Kondensator 9 eine Kühlmittelzuführleitung 11 und eine Kühlmittelabführleitung 10 auf. Die Kühlmittelzuführleitung 11 und die Kühlmittelabführleitung 10 sind beispielsweise mit dem Kühlsystem der Brennkraftmaschine verbunden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Kühlmittelzuführleitung 11 und die Kühlmittelabführleitung 10 mit einem eigenen Kühler und einer eigenen Umwälzpumpe zur Förderung des Kühlmittels versehen sind. Die Kühlmittelzuführleitung 11 und die Kühlmittelabführleitung 10 sind über eine Bypassleitung 12 mit einem eingesetzten Bypassventil 13 verbunden. Wie zuvor beschrieben, kann der Kondensator 9 auch parallel zu einer Kühlkreislaufkomponente angeordnet sein oder in einen separaten Kühlkreislauf integriert werden. Das Bypassventil 13 ist beispielsweise als elektrisch angesteuertes Proportionalventil ausgebildet. Durch eine entsprechende Einstellung des Bypassventils 13 kann die Kühlleistung des Kondensators eingestellt werden, indem der Massenstrom des durch den Kondensator geleiteten Kühlmittels eingestellt wird.
Der eigentliche Arbeitsfluidkreislauf 4 funktioniert folgendermaßen:
Die Pumpe 5 fördert das in der flüssigen Phase befindliche Arbeitsfluid in den Verdampfer 3, in dem das Arbeitsfluid durch das heiße Abgas in die dampfförmige Phase überführt wird. Ausgangsseitig des Verdampfers 3 ist die Expansionsmaschine 6 angeordnet, in der das gasförmige Arbeitfluid unter Antrieb der Expansionsmaschine 6 expandiert. Nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine 6 wird das Arbeitsfluid dem Kondensator 9 zugeführt, in dem das Arbeitsfluid soweit herunter gekühlt wird, dass es wieder in die flüssige Phase überführt wird, bevor es wiederum der Pumpe 5 zugeführt wird.
Symbolverzeichnis

Q ._{Kühl,Kond,erforderlich} erforderliche Kühlleistung im Kondensator
ṁ_{Kühlmittel,Kond} Kühlmittelmassenstrom im Kondensator
c_{p,Kühlmittel} spezifische (isobare) Wärmekapazität des Kühlmittels
ΔT_{Kühlmittel,Kond} Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittelein- und Austrittstemperatur am Kondensator
ṁ_{Arbeitsfluid,Kond} Arbeitsfluidmassenstrom im Kondensator
c_{p,Arbeitsfluid} spezifische (isobare) Wärmekapazität des Arbeitsfluids
ϑ_{Arbeitsfluid,Kond,ein} Arbeitsfluidtemperatur am Eintritt des Kondensators
ϑ_{Arbeitsfluid,Kond,aus,soll} Sollarbeitsfluidtemperatur am Austritt des Kondensators
p_Arbeitsfluid Druck des Arbeitsfluids
x_Arbeitsfluid Dampfgehalt des Arbeitsfluids
ϑ_{s,Arbeitsfluid}(p_Arbeitsfluid) Siedetemperatur des Arbeitsfluids (in Abhängigkeit des Drucks)
Δh_{v,Arbeitsfluid}(p_Arbeitsfluid) spezifische Verdampfungsenthalpie des Arbeitsfluids (in Abhängigkeit des Drucks)
h_{Arbeitsfluid,Kond,ein}(p_Arbeitsfluid, x_Arbeitsfluid) spezifische Enthalpie des Arbeitsfluids am Eintritt des Kondensators (in Abhängigkeit von Druck und Dampfgehalt)
h_Arbeitsfluid(p_Arbeitsfluid, x_Arbeitsfluid) spezifische Enthalpie des Arbeitsfluids (in Abhängigkeit von Druck und Dampfgehalt)
ΔT_Sicherheit Temperaturdifferenz zur Absenkung der Temperatur ausgehend von der Siedetemperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2500530 A1 [0002]

Claims

System zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine (1), wobei das System einen Arbeitfluidkreislauf (4) mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Verdampfer (3), einer Expansionsmaschine (6), einem von einem Kühlmittel durchströmten Kondensator (9) und einer Pumpe (5) aufweist, und wobei der Kondensator (9) mit einer Kühlmittelzuführleitung (11) und einer Kühlmittelabführleitung (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittelmassenstrom, der über die Kühlmittelzuführleitung (11) in den Kondensator (9) gelangt, variabel ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuführleitung (11) über einen Bypass mit der Kühlmittelabführleitung (10) verbunden ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass als Bypassleitung (12) ausgebildet ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass ein Bypassventil (13) aufweist.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassventil (13) elektrisch angesteuert ist.
System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassventil (13) ein Proportionalventil ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (9) mit einer bestehenden Komponente in einem Hochtemperaturkühlkreislauf oder Niedertemperaturkühlkreislauf der Brennkraftmaschine parallel geschaltet ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (9) in einem eigenen Kühlkreislauf für das Abwärmerückgewinnungssystem integriert ist.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Massenstromregelung oder Massenstromsteuerung im eigenen Kühlkreislauf die Menge des Kühlmittels, die den Kondensator (9) durchströmt, einstellbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine (1), wobei das System einen Arbeitfluidkreislauf (4) mit zumindest einem in dem Abwärmestrom angeordneten Verdampfer (3), einer Expansionsmaschine (6), einem von einem Kühlmittel durchströmten Kondensator (9) und einer Pumpe (5) aufweist, und wobei der Kondensator (9) mit einer Kühlmittelzuführleitung (11) und einer Kühlmittelabführleitung (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittelmassenstrom, der über die Kühlmittelzuführleitung (11) in den Kondensator (9) gelangt, entsprechend einer erforderlichen Kühlleistung variiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Kühlleistung aus dem Druck des Arbeitsfluids in dem Kondensator (9), aus dem Massenstrom des Arbeitsfluids in dem Kondensator (9) und aus der Temperatur beziehungsweise der spezifischen Enthalpie des Arbeitsfluids am Eintritt in den Kondensator (9) sowie aus einer geforderten Sollaustrittstemperatur aus dem Kondensator (9) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall eines überhitzten Eintritts des Arbeitsfluids in den Kondensator (9) der Kühlmittelmassenstrom nach der Beziehung
mit Q ._{Kühl,Kond,erforderlich} = ṁ_{Arbeitsfluid,Kond} ·[c_{p,Arbeitsfluid}·(ϑ_{Arbeitsfluid,Kond,ein} – ϑ_{s,Arbeitsfluid}(p_Arbeitsfluid)) + Δh_{v,Arbeitsfluid}(p_Arbeitsfluid) + c_{p,Arbeitsfluid}·(ϑ_{s,Arbeitsfluid}(p_Arbeitsfluid) – ϑ_{Arbeitsfluid,Kond,aus,soll})] ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall eines gesättigten dampfförmigen Zustands des Arbeitsfluids oder eines zweiphasigen Zustands des Arbeitsfluids am Eintritts des Arbeitsfluids in den Kondensator der Kühlmittelmassenstrom nach der Beziehung
mit Q ._{Kühl,Kond,erforderlich} = ṁ_{Arbeitsfluid,Kond} ·[(h_{Arbeitsfluid,Kond,ein}(p_Arbeitsfluid, x_Arbeitsfluid) – h_Arbeitsfluid(p_Arbeitsfluid, x_Arbeitsfluid = 0)) + c_{p,Arbeitsfluid}·(ϑ_{s,Arbeitsfluid}(p_Arbeitsfluid) – ϑ_{Arbeitsfluid,Kond,aus,soll})] bestimmt wird.