CH632051A5

CH632051A5 - Brennkraftmaschinenanlage.

Info

Publication number: CH632051A5
Application number: CH1102978A
Authority: CH
Inventors: Anton Steiger
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1978-10-25
Filing date: 1978-10-25
Publication date: 1982-09-15
Also published as: NL7907785A; SE7908812L; FR2439871A1; IT7926548A0; DE2847028B1; FR2439871B1; DK145242B; GB2033017A; JPS5557609A; DE2847028C2; IT1123877B; DK145242C; DK437279A; GB2033017B

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschinenanlage gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine derartige Anlage ist bereits in der CH-Anmeldung 14 179/77 vorgeschlagen worden. Bei der Anlage nach diesem Vorschlag dient der Ladeluftkühler als Verdampfer für mindestens einen Teil des Arbeitsmittels des zweiten Dampfkreislaufs, der relativ zum ersten auf einem niedrigeren Druck- und Temperaturniveau arbeitet; bei dieser Anlage wird der erzeugte Dampf vom Ladeluftkühler aus als Sattdampf ohne Überhitzung zur arbeitsleistenden Entspannung einer Turbine bzw. einer Zwischenstufe einer Turbine zugeführt.

Als nicht sehr vorteilhaft hat sich bei der erwähnten Anlage erwiesen, dass der bauliche Aufwand für den Ladeluftkühler relativ gross wird, da beispielsweise die Rohrschlange für den Erhitzer relativ umfangreich wird, in dem die Verdampfung des Arbeitsmittels des zweiten Dampfkreislaufs erfolgt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, unter Beibehaltung der guten Abwärmenutzung, die bei der diskutierten Anlage an sich erreicht wird, den baulichen Aufwand für den Ladeluftkühler zu reduzieren. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gemäss der vorliegenden Erfindung gelöst.

Im Erhitzer der neuen Anlage wird das flüssige Arbeitsmittel des zweiten Dampfkreislaufs erfindungsgemäss so weit aufgeheizt oder «überheizt», dass mit Hilfe einer Entspannungsverdampfung die benötigte Dampfmenge in Strömungsrichtung erst nach dem Ladeluftkühler ohne eine zusätzliche externe Wärmequelle erzeugt wird. Auf der Basis der Grundkonzeption der diskutierten Anlage gelingt es auf diese Weise, den Ladeluftkühler sekundärseitig - wie an sich bekannt, siehe «Schiff- & Hafen/Kommandobrücke» 29 (1977), Heft 5, Seite 488/489 - nur für flüssige Wärmeträgermedien auszulegen, ohne dass dabei die spezifischen Vorteile der diskutierten Anlage verlorengehen.

Die Gesamtnutzung - und insbesondere ihr mechanische Arbeit leistender Anteil - aller Wärmequellen der Brennkraftmaschine kann dabei gesteigert werden, wenn an dem Dampfraum der Trenneinrichtung ein kühlwasserbeheizter Überhitzer für den Dampf des zweiten Dampfkreislaufs vorgesehen ist, wobei es unter Umständen zweckmässig sein kann, dass das Kühlwasser der Brennkraftmaschine vor der Wärmeabgabe an das Arbeitsmittel des zweiten Dampfkreislaufs durch den abgasbeheizten Abhitzekessel der Anlage aufgeheizt ist.

Die Bereitstellung des vorgewärmten Kondensats für den Erhitzer erfolgt zweckmässigerweise aus der Trenneinrichtung heraus über eine mit einer druckerhöhenden Pumpe ausgerüstete Kondensator-Rückführleitung und/oder durch einen Kondensatvorwärmer, der dem Erhitzer in dem Ladeluftkühler vorgeschaltet ist. Weiterhin bietet sich als zusätzliche Verwendungsmöglichkeit des in der Trenneinrichtung anfallenden vorgewärmten Kondensats ein mit einer Umwälzpumpe versehener, an die Trenneinrichtung angeschlossener Verdampfungskreislauf an, der vom Kühlwasser der Brennkraftmaschine beheizt ist.

Schliesslich kann es zweckmässig sein, wenn mindestens der Erhitzer für die Arbeitsmittelmenge beider Dampfkreisläufe ausgelegt ist, und der Arbeitsmittelstrom zwischen Erhitzer und Expansionsorgan auf die beiden Dampfkreisläufe aufgeteilt ist, da dadurch die Wärmeausnützung des Ladeluftkühlers nicht unwesentlich erhöht wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Anlage.

Dem nur schematisch dargestellten Motor 1 ist eine Aufladegruppe zugeordnet, deren Ladeluftgebläse 3 aus der Atmosphäre Luft über ein Filter 2 und durch eine Leitung 4 ansaugt und in einer Leitung 6 in die Maschine oder den Motor 1 fördert. In der Leitung 6 ist ein Ladeluftkühler 7 für die komprimierte Luft vorgesehen.

Das Ladegebläse 3 wird von einer Abgasturbine 8 über eine Welle 10 angetrieben, wobei die heissen Auspuffgase des Motors 1 der Turbine 8 über eine Leitung 9 zufliessen und nach der Entspannung in der Turbine 8 durch die Leitung 11 abgeführt werden, in der ein Wärmetauscher oder Abhitzekanal 12 angeordnet ist.

Der Wärmetauscher 12 dient als Verdampfer und Überhitzer für das Arbeitsmittel eines Dampfkreislaufs 13, der mit

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relativ hohen Drücken arbeitet und der Verwertung der Abgaswärme dient.

Das nur ihm zugehörige System zweigt an einer Stelle 15 aus einer Kondensatleitung 16 ab, die bis zu diesem Punkt dem Dampfkreislauf 13 mit höher liegendem Energiepotential und einem zweiten Dampfkreislauf 25 mit niedriger liegendem Energiepotential gemeinsam ist. Der Ausbau des Dampfkreislaufs 25 wird nachfolgend noch ausführlicher beschrieben.

Im Dampfkreislaufsystem 13 verbindet eine kondensatführende Leitung 14 die Stelle 15 mit einem abgasbeheizten Verdampfer 17, an den ein Flüssigkeitsabschneider 18 anschliesst; die in diesem abgeschiedene Flüssigkeit wird über eine Leitung 49 weggeführt und nach teilweiser Verwertung ihres Restwärmeinhalts in den gemeinsamen Arbeitsmittelstrom beider Dampfkreisläufe 13 und 25 zurückgeführt. Der Dampfraum des Abscheiders 18 ist mit einem ebenfalls abgasbeheizten Überhitzer 19 verbunden, von dem aus eine Dampfleitung 20 zur Hochdruckseite einer ebenfalls beiden Dampfkreisläufen 13 und 25 gemeinsamen Turbine 32 führt, die einen Generator 33 antreibt.

Am Motor 1 ist in der Figur weiterhin ein Heisswasserkühl-kreislauf 21 vorhanden, der von der Kühlwasserseite her gesehen einen ebenfalls abgasbeheizten, im Abhitzekessel 12 gelegenen Aufheizwärmetauscher 24, einen Kühler 22 und eine Pumpe 23 enthält. Die an sich bekannte Heisswasserküh-lung unterscheidet sich von den allgemein üblichen Kühlsystemen dadurch, dass sie bei Temperaturen über 100°C arbeitet, wobei beispielsweise das Kühlwasser mit etwa 130°C den Motor 1 verlässt - abweichend von üblichen Anlagen -, in der vorliegenden Anlage zunächst im Wärmetauscher 24 auf etwa 133°C aufgeheizt wird, in den Kühler 22 eintritt, in diesem um etwa 13° auf 120°C abgekühlt wird und, von der Pumpe 23 gefördert, in den Motor 1 zurückfliesst.

Da in diesem Kühlwasserkreislauf Verdampfung verhindert werden muss, steht das Kreislaufsystem unter einem Überdruck, der beispielsweise durch einen nicht dargestellten künstlichen Hochtank mit Hilfe von komprimierter Luft auf 5 ata gehalten wird.

Als wärmeaufnehmendes Medium dient in dem Heisswas-serkühler 22 das Arbeitsmittel des zweiten Dampfkreislaufs 25, das in parallelen Strömen einen Überhitzer 36 und einen Verdampfer 40 durchsetzt. Dieser zweite Dampfkreislauf 25, der relativ zum ersten auf niederem Druck- und Temperaturniveau arbeitet, ist vom Austritt der Turbine 32 bis zum Verzweigungspunkt 15 mit dem ersten Dampfkreislauf 13 vereinigt; in diesem gemeinsamen Teilbereich ist eine Speisepumpe 26 vorhanden, von der das Arbeitsmittel, im allgemeinen Wasser, aus einem Kondensator 27 zu einem Kondensat-Vorwärmer 28 gefördert wird.

In diesem, in dem Ladeluftkühler 7 liegenden Vorwärmer 28 wird das kalte Kondensat durch die komprimierte Ladeluft vorgewärmt, ehe es in einem Erhitzer 29 möglichst hoch erhitzt wird, ohne dass eine Dampfbildung eintritt. Wärmeabgebendes Medium im Erhitzer 29 ist ebenfalls die komprimierte Ladeluft.

Zwischen dem Vorwärmer 28 und dem Erhitzer 29 mündet eine, vorgewärmtes Kondensat vor den Erhitzer 29 zurückführende Kondensat-Rückführleitung 30 ein. An das strom-abwärtige Ende des Erhitzers 29 schliesst die bereits erwähnte Kondensatleitung 16 an.

Über den Punkt 15, in dem die Leitung 14 für das vorgeheizte flüssige Arbeitsmittel des ersten Dampfkreislaufs 13 abzweigt, führt die Leitung 16 zu einem Expansions- oder

Entspannungsorgan 31, beispielsweise einem Drosselorgan. In diesem wird ein Teil des Arbeitsmittels, das in dem zweiten Dampfkreislauf 25 zirkuliert, durch Entspannung - bei gleichzeitiger Abkühlung - verdampft. Dampf und Restkondensat fliessen in der Leitung 16 gemeinsam einer Trenneinrichtung 34 für die Trennung von Dampf und Flüssigkeit zu.

Aus dem Dampfraum dieser Trenneinrichtung 34 führt eine Leitung 35 zum kühlwasserbeheizten Überhitzer 36, von dem aus überhitzter Dampf durch eine Leitung 37 zur arbeitsleistenden Entspannung in eine Zwischenstufe der gemeinsamen Turbine 32 gelangt.

Aus dem Kondensatraum der Trenneinrichtung 34 fördert eine gleichzeitig den durch die Entspannung hervorgerufenen Druckabfall ausgleichende Pumpe 38 das vorgewärmte Kondensat über die Kondensatrückführleitung 30 zurück an die zwischen dem Vorwärmer 28 und dem Erhitzer 29 gelegene Stelle 39 des gemeinsamen Teilbereichs der beiden Dampfkreisläufe 13 und 25. Dieses rückgeführte, vorgewärmte Kondensat kann erneut erhitzt und anschliessend der Entspannungsverdampfung zugeleitet werden.

Der zusätzlichen Dampferzeugung im zweiten Dampfkreislauf 25 dient der bereits erwähnte kühlwasserbeheizte Verdampfer 40, der über eine kondensatführende Leitung 41 mit der Leitung 30 bzw. dem Kondensatraum der Trenneinrichtung 34 und durch eine Leitung 42 mit dem Dampfraum dieser Trenneinrichtung 34 verbunden ist; der Strom durch den Verdampfer 40 wird dabei mit Hilfe einer in der Leitung 41 gelegenen Umwälzpumpe 43 gewährleistet.

Reicht der durch das vom Vorwärmer 28 und Erhitzer 29 zirkulierende Arbeitsmittel hervorgerufene Wärmeentzug nicht aus, die Ladeluft in ausreichendem Masse abzukühlen, so ist, für die Luft am Ende des Ladeluftkühlers 7, ein mit einem externen Kühlmittel mit Hilfe einer Pumpe 44 gekühlter Wärmetauscher 45 vorhanden, wobei das externe Kühlmittel gleichzeitig als wärmeabführendes Medium im Kondensator 27 dient. Zu diesem Zweck ist, für das Kühlmittel parallel zum Wärmetauscher 45, ein Wärmetauscher 46 im Kondensator 27 angeordnet. Die Aufteilung des Kühlmittelstroms auf beide Aggregate 45 und 46 erfolgt durch einstellbare Drosselorgane 47 und 48, die nur schematisch dargestellt sind.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere können je nach Menge und Temperaturverteilung der anfallenden Abwärme auf die Abwärmequelle Kühlwasser und Ladeluft unter Umständen der Verdampfer 40 oder die Kondensator-rückführleitung 30 entfallen und durch eine dieser beiden Möglichkeiten für die Dampferzeugung im zweiten Dampfkreislauf 25, in Verbindung mit dem Expansionsorgan 31, ersetzt sein.

Weiterhin ist es möglich, beide Dampfkreisläufe 13 und 25 unter Umständen stufenweise weiter voneinander zu trennen, beispielsweise für beide getrennte Kondensatorvorwärmer und -erhitzer oder sogar getrennte Speisepumpen, Kondensatoren und/oder Turbinen vorzusehen.

Welche der verschiedenen Möglichkeiten für eine optimale Wärmerückgewinnung mit der neuen Anlage am günstigsten ist, muss aus den Temperaturen und Wärmemengen der beiden Abwärmequellen im einzelnen Fall festgelegt werden. Um einen Eindruck von den gegebenen Temperaturverhältnissen zu vermitteln, sind für eine Versuchsanlage in der Figur die an verschiedenen Stellen vorhandenen Temperaturwerte in °C eingetragen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

632051 PATENTANSPRÜCHE

1. Brennkraftmaschinen-Anlage mit einem aufgeladenen, wassergekühlten Motor, ferner mit mindestens einer Auflagegruppe, in deren Ladeluftleitung mindestens ein Luftkühler vorgesehen ist, und schliesslich mit mindestens einem Dampfkreislauf, in dem mindestens ein Teil der Abwärme der Maschine mindestens der Erwärmung und Verdampfung eines Arbeitsmittels dient, wobei für die Abwärmeverwertung aus den Abgasen ein erster Dampfkreislauf höheren Druck-und Temperaturniveaus und für die Verwertung der Kompressionswärme der Ladeluft und der Abwärme des Kühlwassers ein zweiter Dampfkreislauf geringeren Druck- und Temperaturniveaus vorgesehen sind, und das Arbeitsmittel mindestens zum Teil zur arbeitsleistenden Entspannung mindestens einer Dampfturbine zugeführt wird, und wobei ferner der Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine als Heiss-wasser-Kreislauf ausgebildet ist, der unter Überdruck steht und Kühl Wassertemperaturen über 100°C aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Dampfkreislauf (25) für die Verdampfung des Arbeitsmittels ein in dem Ladeluftkühler (7) angeordneter Erhitzer (29) für vorgewärmtes, flüssiges Arbeitsmittel, ein Expansionsorgan (31) für die Dampferzeugung und eine Einrichtung (34) für die Dampf-Flüssigkeitstrennung vorgesehen sind.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von der Trenneinrichtung (34) eine mit einer druckerhöhenden Pumpe (38) versehene Kondensat-Rückführleitung (30) vor den Erhitzer (29) führt.

3. Anlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Erhitzer (29) in dem Ladeluftkühler (7) ein Kondensatvorwärmer (28) vorgeschaltet ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Trenneinrichtung (34) ein mit einer Umwälzpumpe (43) versehener Verdampfungskreislauf angeschlossen ist, der von dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine (1) beheizt ist.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Dampfraum der Trenneinrichtung (34) ein kühlwasserbeheizter Überhitzer (36) für den Dampf des zweiten Dampf kreislaufs (25) vorgesehen ist.

6. Anlage nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Erhitzer (29) für die Arbeitsmittelmenge beider Dampfkreisläufe (13,25) ausgelegt ist, und dass der Arbeitsmittelstrom zwischen Erhitzer (29) und Expansionsorgan (31) auf die beiden Dampfkreisläufe (13 und 25) aufgeteilt ist.

7. Anlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlwasser der Brennkraftmaschine (1) vor der Wärmeabgabe an das Arbeitsmittel des zweiten Dampfkreislaufs (25) durch den abgasbeheizten Abhitzekessel ( 12) der Anlage aufgeheizt ist.