WO2012052226A2 - Vorrichtung zur abwärmenutzung - Google Patents

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WO2012052226A2
WO2012052226A2 PCT/EP2011/065659 EP2011065659W WO2012052226A2 WO 2012052226 A2 WO2012052226 A2 WO 2012052226A2 EP 2011065659 W EP2011065659 W EP 2011065659W WO 2012052226 A2 WO2012052226 A2 WO 2012052226A2
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working fluid
pump
air
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Manfred Schmitt
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D19/00—Degasification of liquids
    • B01D19/0036—Flash degasification
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat

Definitions

  • the invention relates to a device for waste heat recovery. Specifically, the invention relates to a device for waste heat recovery, in an air-compressing, self-igniting internal combustion engine or a mixture-compressing, spark-ignited
  • Vacuum pump required, which pumps off the air before commissioning and also during operation. It is also conceivable that the air is displaced from the steam circuit by the steam circuit is completely filled with working fluid at a standstill. When heating the system, the liquid is partially displaced by the steam forming in a designated tank.
  • this has the disadvantage that large amounts of fluid in the steam circuit are required, which slow down the warm-up and operating point change significantly, and that an additional volume of construction for the fluid tank is required and there is a corresponding additional weight.
  • this concept also has the disadvantage that, when the system is turned off, there are no sufficient air cushions in the lines and components, so that damage is possible during freezing. Disclosure of the invention
  • Claim 1 has the advantage that an improved structure and improved functionality are possible. Specifically, leakage of working fluid from the steam circuit may be reduced and additional may be added
  • Components can be saved.
  • damage can be avoided by freezing and it can also be a quick thawing when restarting the device for
  • Waste heat utilization will be enabled.
  • gas storage can be stored in an advantageous manner air or another gas.
  • vacuum pumps for pumping out the air from the system can be saved, so that there is a cost savings.
  • part of the working fluid is lost when pumping out the air from the system, which is avoided by the absence of the vacuum pump from the outset. A leakage of the
  • Working fluids can be minimized.
  • water or a mixture of water and an additive can be used as the working fluid. This can be done at low ambient temperatures, an expansion of the freezing water.
  • a gas cushion can be realized in a suitable manner by the gas stored in the gas storage in the components of the gas circuit, so that this expansion is possible without damaging the components of the steam circuit.
  • a fast thawing can be made possible when restarting.
  • the steam circuit is not completely filled with the working fluid to displace all of the air therefrom, but only as much working fluid is charged as is required to operate the steam process and to compensate for leakage.
  • the remaining volume of the steam circuit remains filled with air. Thus prevails at standstill almost ambient pressure in the steam circuit, whereby the leakage and the
  • the air in the condenser is at startup in an advantageous manner by a pump, in particular a fluid pump in the
  • Connecting line is much smaller than a length of the connecting line. This can be achieved that in operation as little air in the reservoir
  • the surface (interface) between the air and the liquid is as small as possible.
  • a further advantageous measure to keep the surface between the air and the liquid as small as possible, is that the gas storage has a mean diameter which is much smaller than a length of the gas reservoir.
  • At least one valve is arranged in the connection between the gas reservoir and the high-pressure region.
  • a complete media separation can be achieved by a shut-off valve in the connection between the gas storage and the high pressure area.
  • the shut-off valve is then opened only for intentional storage or discharge of the air in or out of the gas storage. For example, the shut-off valve during commissioning during the
  • Venting phase open and closed in operation after complete venting. If, after a long period of operation, air collects again in front of the shut-off valve, this air can be stored in the gas storage tank by opening it briefly in an operating phase in which the operating pressure is higher than the injection pressure in the gas storage tank.
  • the valve in the connection between the gas storage and the high-pressure region is designed as a media-separating valve.
  • the media-separating valve can be designed as a float valve corresponding to an automatic ventilation valve for heating systems.
  • at least one separating device is provided and that the gas reservoir is connected to the high-pressure region via the separating device.
  • the separating device can be configured advantageously as a settling chamber. The deposition of air can be done by gravity, the Settling chamber is configured for example by an upward funnel in an extended fluid line.
  • the separating device is designed as a separating device. In this case, for example, a cyclone principle, a gas-permeable, but liquid-blocking membrane, a climate membrane or the like can be used. Thus, the separation of the air through the
  • the steam circuit has an expansion device and that a displacement volume of the expansion device can be limited so that a predetermined injection pressure for the high-pressure region can be set. This can be generated without additional components required for storing the air in the gas storage Ein umandruck. It is also advantageous for this purpose that the steam circuit has an evaporator and a valve which is arranged in the high-pressure region, in particular in front of the evaporator, and via which a injection pressure for the high-pressure region can be set.
  • a particular advantage of the valve disposed in front of the evaporator is that the evaporator has a relatively low pressure and can therefore outgas air enriched in the water.
  • this can be used to limit a swallowing volume.
  • the arrangement of the valve in front of the evaporator has the advantage that a relatively small valve can be used.
  • the steam circuit has a condenser, that a pump is provided, that a suction side of the pump is connected to the condenser, that a delivery side of the pump is connected to the gas accumulator and that the suction side of the pump is thus connected to the condenser is that gas from a forming in a condensation of a working gas cushion is sucked into the gas storage.
  • gas forming in the condenser in particular air, can be led directly into the gas reservoir.
  • the condensing capacity available for the condensation is optimized at the same time, since the gas cushion is reduced.
  • the steam circuit is largely filled with air, with little collected water is provided. However, it is unfavorable when starting operation, if air in the
  • Capacitor is because then there is air on the walls of the condenser. Therefore, it is also advantageous that air is sucked out of the condenser during startup.
  • the air can also be advantageously conveyed into the gas storage during commissioning of the device and also during operation by the fluid pump, which can also convey gases, or by an additional vacuum pump.
  • the steam circuit has a condenser and a suction device downstream of the condenser, that a suction line of the suction device in opens the condenser and that an opening point of the suction line is arranged on the condenser, that gas from a forming in a condensation of a working gas cushion in the steam circuit is sucked.
  • This can be done in a simple manner an extraction of the collecting air in the condenser. In this case, for example, a suction jet principle can be exploited.
  • the condensation performance of the capacitor is optimized.
  • the device is at least substantially filled with a working fluid and a gas as a filling.
  • the gas may comprise air and / or nitrogen.
  • the device then contains, in addition to the working fluid, a gas containing the
  • Negative pressure limited during a system shutdown is preferably based on the ambient pressure.
  • the working fluid can be collected in an exhaust gas heat exchanger and / or in a heatable reservoir.
  • the working fluid then collects in the plant standstill in the exhaust gas heat exchanger or in the heatable reservoir.
  • the working fluid for example water
  • the exhaust gas heat exchanger which is made frost-proof, or the heatable reservoir.
  • the working fluid in particular the water, by a suitable arrangement of the components of the device in the evaporator, in particular in a
  • Exhaust heat exchanger run, be pumped by a pump, in particular the fluid pump, or be blown by the gas, in particular the air in the gas storage in the evaporator, which is possible by opening the associated valve. It is therefore advantageous that the working fluid in a mounting position by gravity in a
  • Exhaust heat exchanger flows and / or that the working fluid is at least partially conveyed by means of a fluid pump in the exhaust gas heat exchanger and / or the gas from the
  • Gas storage is available to the working fluid from at least one component,
  • Blowout flows due to the pressure difference gas from the gas storage in the steam circuit.
  • the gas can flow in the two possible directions through the steam circuit.
  • particularly remaining fluid residues which collect, for example, in the form of small puddles in the steam circuit, can be transported away.
  • sensitive components that are disturbed or damaged in function by freezing water or the like may be blown out.
  • FIG. 1 shows a device for utilizing waste heat in a schematic illustration according to a first exemplary embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows a device for waste heat utilization in a schematic representation according to a second embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows a gas storage and a connection line of a device for
  • Fig. 1 shows a device 1 for waste heat recovery in a schematic representation according to a first embodiment of the invention.
  • the device 1 for waste heat utilization can be used in particular for an internal combustion engine.
  • the exhaust gases emitted by the internal combustion engine can be deprived of energy.
  • the device 1 is suitable for waste heat utilization for applications in motor vehicles.
  • the internal combustion engine can in this case be configured in particular as an air-compressing, self-igniting or mixture-compressing, spark-ignited internal combustion engine.
  • the apparatus 1 for waste heat utilization of the invention is also suitable for other applications.
  • the device 1 has a steam circuit 2 with an evaporator 3, a
  • Expansion device 4 and a capacitor 5 The evaporator 3 can
  • a liquid working fluid is evaporated.
  • the expansion device 4 is arranged downstream of the evaporator 3. Via a line 6, the evaporated working fluid to the expansion device 4th guided. As a result, the expansion device 4 is driven.
  • the expansion device 4 may comprise a turbine which drives an electric generator for generating electrical energy.
  • the capacitor 5 is the
  • the steam circuit 2 may have one or more leakage points.
  • An example of such a leakage point is a shaft seal of the expansion device 4.
  • Such leakage points are usually air in the steam circuit 2.
  • the forming at a standstill of the device 1 vacuum is limited.
  • the same pressure arises within the steam circuit 2 as outside.
  • fluid leakage to the outside is minimized.
  • the Ein heading horrin in the high pressure region 1 1 can be set in different ways.
  • One possibility is that a swallow volume of
  • Expansion device 4 is limited. Another possibility is that in the line 10, a valve 12 is disposed in front of the evaporator 3. Via the valve 12, the desired Einariadruck can then be generated and adjusted.
  • An advantage of the valve 12 in front of the evaporator 3 is that in the evaporator 3, a lower pressure prevails and thus can outgas enriched air in the working fluid.
  • the device 1 has a gas storage 15, which serves for storing a gas, in particular air.
  • the gas storage 15 is dimensioned so large that all the air in the device 1, for example, the given at a pressure of about 100 kPa (1 bar) air capacity, can be added at the selected injection pressure.
  • the pressure level for storage should be chosen to be slightly lower than the operating pressure at the frequently approached operating points, so that even during operation still residual air can be stored.
  • the design of the device 1 is such that it can be achieved during operation that as little air as possible accumulates in the working fluid flowing past the gas reservoir 15. Namely, if air accumulates in the working fluid flowing through the line 10, then this air passes back into the condenser, from where it would have to be pumped out again. In order to avoid the accumulation of the working fluid, the interface between the air and the working fluid is kept as small as possible.
  • the gas storage 15 is connected via a line 16 to the high-pressure region 1 1. It is the
  • Inner diameter of the line 16 is much smaller than the length of the line 16 to choose.
  • the gas storage 15 via the line 16 directly to the line 10th is much smaller than the length of the line 16 to choose.
  • shut-off valve 17 is arranged in the conduit 16.
  • shut-off valve 17 is then opened only for the intentional storage or discharge of air into or out of the gas storage 15. In operation, the shut-off valve 17 remains closed after complete venting in the rule. However, collects after a longer period of operation again air in front of the shut-off valve 17, then this air can by briefly opening in an operating phase in which the operating pressure higher than the
  • the gas reservoir 15 is additionally or alternatively connected via a media-separating valve 18 to the high-pressure region 1 1.
  • a media-separating valve 18 for example, serve a float valve.
  • the steam circuit 2 may also have a separator 19.
  • Separating device 19 can in this case exploit the gravity for separating the media.
  • the separation device 19 may comprise an upwardly directed funnel 20 which is arranged behind the pump 8 in the flow direction of the working fluid. Through the funnel 20 an expanded fluid line is formed, which acts as a calming chamber. The entrained air can then go up from the working fluid to the line 16.
  • the separation device 19 can also exploit another principle, in particular a cyclone principle.
  • a gas-permeable, but liquid-blocking membrane or the like may be integrated into the separation device 19.
  • the device 1 also has a suction device 21.
  • the suction device 21 is arranged in the steam circuit 2. This leads a
  • the suction line 22 opens at a suitable mouth point 23 into the condenser 5. Furthermore, an end 24 of the suction line 22 is arranged in front of the pump 8 in the suction line 9. About the
  • Suction lines 9, 22, a suction pump is realized.
  • the suction device 21 operates according to the suction jet principle. Via the suction line 9, liquid working fluid is sucked out of the condenser 5 by the pump 8.
  • the discharge point 23 of the suction line 22 is arranged at a location of the condenser 5, at which preferably air accumulates. This may be, for example, the area above the liquid level of the working fluid.
  • a negative pressure in the suction line 22 is generated.
  • the pump 8 thus enables, in addition to the working fluid, the air is sucked with.
  • the suction line 9 serves at least substantially as a suction line 9 for liquid working fluid, while the suction line 22 at least in
  • the pump 8 Essentially serves as air suction 22.
  • the pump 8 is suitable both for conveying liquid working fluid and for gas delivery.
  • the working fluid of the steam circuit 2 is preferably collected at a point where it can be reheated or thawed as quickly as possible when restarting.
  • the evaporator 3 is particularly suitable. Therefore, the evaporator 3 is structurally preferably designed so that it is not damaged by the freezing working fluid. This can be achieved by releasing air from the gas reservoir 15 when the device 1 is shut off, which air at least partially reaches the evaporator 3. Accordingly, in other components in which it can be damaged by freezing working fluid, a gas cushion can be created, which allows expansion of the freezing working fluid.
  • the device 1 can be structurally designed so that the evaporator 3 is arranged at the lowest point and the working fluid expires in a corresponding wiring by gravity into the evaporator 3. If this is structurally not possible, then the working fluid can be pumped into the evaporator 3 by the pump 8 serving as the fluid pump 8. Remaining fluid residues in the lines or components of the steam circuit 2 can be blown out by opening the shut-off valve 17 after the vapor pressure in the steam circuit 2 has dropped. To complete a shutdown as quickly as possible, the condenser cooling can be maintained by the capacitor 5 until the residual heat from the device 1 is largely dissipated and no working fluid condenses more, which would have to be pumped from the pump 8.
  • Fig. 2 shows a device 1 for waste heat recovery in a schematic representation according to a second embodiment.
  • a pump 30 is provided, via the air from the condenser 5 can be pumped.
  • a suction side 31 of the pump 30 is connected to the condenser 5 via the suction line 22 at the point of discharge 23.
  • a delivery side 32 of the pump 30 is connected to the conduit 16 via a gas conduit 33, which in particular serves for the passage of air.
  • the gas line 33 is in this case preferably between the shut-off valve 17 and the
  • the gas line 33 can also be connected to the line 16 between the high-pressure region 11 and the shut-off valve 17. In an embodiment in which no shut-off valve 17 is provided, the gas line 33 is connected to the line 16 in a suitable manner.
  • the pump 30 may in this case be configured as a vacuum pump 30.
  • High pressure range 1 1 is connected and that a mean diameter of the
  • Connecting line 16 is much smaller than a length of the connecting line 16. Additionally or alternatively, it is advantageous if the gas storage 15 has an average diameter which is much smaller than a length of the gas reservoir 15th
  • the gas accumulator 15 is designed such that for a volume of the gas accumulator 15 and a length of the gas accumulator 15, the following relation (1) is fulfilled:
  • both the volume and the length can be determined relatively easily, so that a suitable embodiment can be selected and checked in a simple manner.
  • the condition (1) with the auxiliary control (2) can serve both for a suitable selection of the volume of the gas reservoir 15 and the length of the gas reservoir 15 and for a suitable selection of the volume of the connecting line 16 and the length of the connecting line 16.
  • Connecting line 16 may be advantageously designed, if each of the operation (1) with the auxiliary control (2) meet.
  • the diameter is then smaller than x times the length, where x furthermore satisfies the condition (2):
  • Fig. 3 shows a gas storage 15 and a connecting line 16 of a device 1 for waste heat recovery in an excerpt, schematic, not to scale
  • the gas storage 15 is designed as a cylindrical gas storage 15.
  • the connecting line 16 is designed as a cylindrical connecting line 16.
  • the gas storage 15 has a mean diameter 40, which is equal to the diameter (inner diameter) 40 of the gas reservoir 15 due to the cylindrical configuration. Accordingly, a mean diameter 41 is the
  • Connecting line 16 equal to the diameter (inner diameter) 41 of the
  • the gas storage 15 also has a length 42. Furthermore, the connection line 16 shown in sections has a length 43. Due to gravity is in an upper part 44 of the gas storage 15 air, while in a lower part 45 of the gas reservoir 15 is a liquid. Also, the connection line 16 is with the liquid filled. Preferably, the gas storage 15 is filled to 2/3 with air.
  • An interface 46 results between the air and the liquid.
  • the air can dissolve in the liquid at the interface 15. However, gravity counteracts diffusion of the dissolved air to and through the connecting line 16.
  • the size of the interface 46 is constant regardless of the size of the liquid-filled portion 45.
  • the gas storage 15 is dimensioned for this purpose that it is never completely full of air during operation. At standstill, however, the liquid is pressed out of the gas reservoir 15.
  • the geometry of the gas reservoir 15 is selected so that the condition (3) is satisfied with the constraint (2) and thus the interface 46 is small. As a result, the solution of air in the liquid is reduced as much as possible.
  • the embodiments of the device 1 described with reference to FIGS. 1 and 2 can also be modified by an omission, an exchange, a supplement or a combination of components. As a result, an adaptation to the particular application is possible.

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Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Abwärmenutzung umfasst einen Dampfkreis (2) und einen Gasspeicher (15). Dabei ist der Gasspeicher (15) über eine Verbindungsleitung (16) mit einem Absperrventil (17) mit einem Hochdruckbereich (11) des Dampfkreises (2) verbunden. Durch Öffnen des Absperrventils (17) kann im Betrieb Luft aus dem Hochdruckbereich (11) des Dampfkreises (2) in den Gasspeicher (15) eingespeichert werden.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zur Abwärmenutzunq Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung. Speziell betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung, die bei einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine oder einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten
Brennkraftmaschine zum Einsatz kommt.
Bei einem Dampfkreis zur Erzeugung mechanischer Leistung ist es denkbar, dass dieser nicht hermetisch dicht ausgelegt ist, sondern eine Differenzdruck abhängige Leckage besitzt. Hierdurch kann je nach Druckgefälle zwischen dem Dampfkreis und der Umgebung Arbeitsfluid verloren gehen oder Luft in die Anlage eintreten. Dies hat den Nachteil, dass entweichendes Arbeitsfluid regelmäßig nachgefüllt werden muss, was Kosten verursacht und eine Nachfülleinrichtung erforderlich macht. Außerdem können je nach Arbeitsfluid auch gesetzlich Emissionsbestimmungen betroffen sein oder das Schmiermittel eines gegebenenfalls an der Dichtstelle vorgesehenen Lagers und anderer Schmierstellen verunreinigt werden. Eintretende Luft kann hierbei eine Kondensatorleistung deutlich verschlechtern, weil diese sich dort ansammelt und große Teile des Kondensatorvolumens füllt, die dann nicht mehr zur Kondensation zur Verfügung stehen. Deshalb ist eine
Vakuumpumpe erforderlich, die die Luft vor einer Inbetriebnahme und auch während des Betriebs abpumpt. Denkbar ist es auch, dass die Luft aus dem Dampfkreis verdrängt wird, indem der Dampfkreis im Stillstand vollständig mit Arbeitsfluid gefüllt wird. Beim Erwärmen der Anlage wird die Flüssigkeit durch den sich bildenden Dampf teilweise in einen dafür vorgesehenen Tank verdrängt. Dies hat allerdings den Nachteil, dass große Fluidmengen im Dampfkreis erforderlich sind, die den Warmlauf und Betriebspunktwechsel deutlich verlangsamen, und dass ein zusätzliches Bauvolumen für den Fluidtank erforderlich ist und ein entsprechendes Zusatzgewicht besteht. Außerdem besteht bei diesem Konzept auch der Nachteil, dass bei abgestellter Anlage keine ausreichenden Luftpolster in den Leitungen und Komponenten vorhanden sind, so dass beim Einfrieren Beschädigungen möglich sind. Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwärmenutzung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass ein verbesserter Aufbau und eine verbesserte Funktionsweise ermöglicht sind. Speziell kann ein Austreten von Arbeitsfluid aus dem Dampfkreis verringert werden und es können gegebenenfalls zusätzliche
Komponenten eingespart werden. Insbesondere bei einem auf Wasser basierenden Arbeitsfluid können außerdem Beschädigungen durch Einfrieren vermieden werden und es kann zudem ein schnelles Auftauen beim erneuten Anfahren der Vorrichtung zur
Abwärmenutzung ermöglicht werden.
Durch den Gasspeicher kann in vorteilhafter Weise Luft oder ein anderes Gas gespeichert werden. Hierdurch können Vakuumpumpen zum Abpumpen der Luft aus der Anlage eingespart werden, so dass sich eine Kosteneinsparung ergibt. Außerdem geht beim Abpumpen der Luft aus der Anlage auch ein Teil des Arbeitsfluids verloren, was durch den Verzicht auf die Vakuumpumpe von vornherein vermieden wird. Ein Austreten des
Arbeitsfluids kann dadurch minimiert werden. Als Arbeitsfluid kann insbesondere Wasser oder ein Gemisch aus Wasser und einem Zusatzstoff zum Einsatz kommen. Hierbei kann bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine Ausdehnung des gefrierenden Wassers erfolgen. Hierbei kann auf geeignete Weise ein Gaspolster durch das in dem Gasspeicher gespeicherte Gas in den Komponenten des Gaskreises realisiert werden, so dass diese Ausdehnung ohne eine Beschädigung der Komponenten des Dampfkreises möglich ist. Außerdem kann ein schnelles Auftauen beim erneuten Anfahren ermöglicht werden. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung zur Abwärmenutzung möglich.
Vorzugsweise wird der Dampfkreis nicht vollständig mit dem Arbeitsfluid gefüllt, um die gesamte Luft aus diesem zu verdrängen, sondern es wird nur so viel Arbeitsfluid eingefüllt, wie zum Betrieb des Dampfprozesses und zur Leckagekompensation erforderlich ist. Das verbleibende Volumen des Dampfkreises bleibt mit Luft gefüllt. Somit herrscht im Stillstand nahezu Umgebungsdruck in dem Dampfkreis, wodurch die Leckage und der
Abdichtaufwand minimiert sind.
Außerdem wird die im Kondensator befindliche Luft bei einer Inbetriebsetzung in vorteilhafter Weise durch eine Pumpe, insbesondere eine Fluidpumpe, in den
Hochdruckbereich des Dampfkreises gefördert. Hier wird die Luft in den Gasspeicher abgeschieden, in dem sie während des Betriebs der Vorrichtung verbleibt. Sinkt der Druck beim Abschalten der Vorrichtung wieder ab, dann dehnt sich die Luft wieder aus und verhindert so ein nennenswertes Druckgefälle zwischen dem Dampfkreis und der
Umgebung. Hierdurch ist die Leckage minimiert.
Vorteilhaft ist es, dass der Gasspeicher über eine Verbindungsleitung mit dem
Hochdruckbereich verbunden ist und dass ein mittlerer Durchmesser der
Verbindungsleitung viel kleiner ist als eine Länge der Verbindungsleitung. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich im Betrieb möglichst wenig Luft in dem am Reservoir
vorbeiströmenden Arbeitsfluid anreichert und so in den Kondensator gelangt, von wo die Luft erneut abgepumpt werden müsste. Durch den Anschluss des Gasspeichers über die im Vergleich zum mittleren Durchmesser lange Verbindungsleitung mit dem kleinen
Innenquerschnitt wird die Oberfläche (Grenzfläche) zwischen der Luft und der Flüssigkeit möglichst klein. Eine weitere vorteilhafte Maßnahme, um die Oberfläche zwischen der Luft und der Flüssigkeit möglichst klein zu halten, besteht darin, dass der Gasspeicher einen mittleren Durchmesser aufweist, der viel kleiner ist als eine Länge des Gasspeichers.
Ferner ist es vorteilhaft, dass in der Verbindung zwischen dem Gasspeicher und dem Hochdruckbereich zumindest ein Ventil angeordnet ist. Eine vollständige Medientrennung kann hierbei durch ein Absperrventil in der Verbindung zwischen dem Gasspeicher und dem Hochdruckbereich erzielt werden. Das Absperrventil wird dann nur zum gewollten Einspeichern oder Ablassen der Luft in beziehungsweise aus dem Gasspeicher geöffnet. Beispielsweise kann das Absperrventil bei der Inbetriebnahme während der
Entlüftungsphase geöffnet und im Betrieb nach abgeschlossener Entlüftung geschlossen werden. Sammelt sich nach längerem Betrieb wieder Luft vor dem Absperrventil an, dann kann diese Luft durch kurzes Öffnen in einer Betriebsphase, in der der Betriebsdruck höher als der Einspeicherdruck im Gasspeicher ist, in den Gasspeicher eingespeichert werden.
Ferner ist es vorteilhaft, dass das Ventil in der Verbindung zwischen dem Gasspeicher und dem Hochdruckbereich als Medien-trennendes Ventil ausgestaltet ist. Hierdurch kann eine noch bessere Medientrennung erreicht werden. Beispielsweise kann das Medien-trennende Ventil als Schwimmerventil entsprechend einem automatischen Entlüftungsventil für Heizungsanlagen ausgestaltet sein. Ferner ist es vorteilhaft, dass zumindest eine Trenneinrichtung vorgesehen ist und dass der Gasspeicher über die Trenneinrichtung mit dem Hochdruckbereich verbunden ist. Hierbei kann die Trenneinrichtung in vorteilhafter Weise als Beruhigungskammer ausgestaltet sein. Das Abscheiden der Luft kann hierbei durch die Schwerkraft erfolgen, wobei die Beruhigungskammer beispielsweise durch einen nach oben gerichteten Trichter in einer erweiterten Fluidleitung ausgestaltet ist. Vorteilhaft ist es auch, dass die Trenneinrichtung als Abscheideeinrichtung ausgebildet ist. Hierbei kann beispielsweise ein Zyklonprinzip, eine gasdurchlässige, aber flüssigkeitssperrende Membran, eine Klimamembran oder dergleichen zum Einsatz kommen. Somit kann das Abscheiden der Luft durch die
Abscheideeinrichtung begünstigt werden.
Vorteilhaft ist es auch, dass der Dampfkreis eine Expansionseinrichtung aufweist und dass ein Schluckvolumen der Expansionseinrichtung so begrenzbar ist, dass ein vorgegebener Einspeicherdruck für den Hochdruckbereich eingestellt werden kann. Hierdurch kann ohne zusätzliche Komponenten der zum Einspeichern der Luft in den Gasspeicher erforderliche Einspeicherdruck erzeugt werden. Vorteilhaft ist es hierfür auch, dass der Dampfkreis einen Verdampfer und ein Ventil aufweist, das im Hochdruckbereich, insbesondere vor dem Verdampfer, angeordnet ist und über das ein Einspeicherdruck für den Hochdruckbereich einstellbar ist. Ein spezieller Vorteil des vor dem Verdampfer angeordneten Ventils ist, dass im Verdampfer ein relativ niedriger Druck herrscht und dadurch im Wasser angereicherte Luft ausgasen kann. In vorteilhafter Weise kann dadurch ein Schluckvolumen begrenzt werden. Die Anordnung des Ventils vor dem Verdampfer hat den Vorteil, dass ein relativ kleines Ventil zum Einsatz kommen kann.
Außerdem ist es vorteilhaft, dass der Dampfkreis einen Kondensator aufweist, dass eine Pumpe vorgesehen ist, dass eine Saugseite der Pumpe mit dem Kondensator verbunden ist, dass eine Förderseite der Pumpe mit dem Gasspeicher verbunden ist und dass die Saugseite der Pumpe so mit dem Kondensator verbunden ist, dass Gas aus einem sich bei einer Kondensation eines Arbeitsfluids bildenden Gaspolster in den Gasspeicher absaugbar ist. Hierdurch kann sich im Kondensator bildendes Gas, insbesondere Luft, direkt in den Gasspeicher geführt werden. Hierbei wird zugleich die für die Kondensation zur Verfügung stehende Kondensationsleistung optimiert, da das Gaspolster reduziert wird. Im Stillstand der Vorrichtung ist der Dampfkreis weitgehend mit Luft gefüllt, wobei wenig gesammeltes Wasser vorgesehen ist. Allerdings ist es bei Betriebsbeginn ungünstig, wenn Luft im
Kondensator ist, da dort dann auch an den Wänden des Kondensators Luft ist. Deshalb ist es auch vorteilhaft, dass bei der Inbetriebnahme Luft aus dem Kondensator abgesaugt wird. Die Luft kann auch in vorteilhafter Weise bei der Inbetriebsetzung der Vorrichtung und auch im Betrieb durch die Fluidpumpe, die auch Gase fördern kann, oder durch eine zusätzliche Vakuumpumpe in den Gasspeicher befördert werden.
Vorteilhaft ist es auch, dass der Dampfkreis einen Kondensator und eine dem Kondensator nachgeordnete Saugeinrichtung aufweist, dass eine Saugleitung der Saugeinrichtung in den Kondensator mündet und dass eine Mündungsstelle der Saugleitung so an dem Kondensator angeordnet ist, dass Gas aus einem sich bei einer Kondensation eines Arbeitsfluids bildenden Gaspolster in den Dampfkreis saugbar ist. Hierdurch kann in einfacher Weise eine Absaugung der sich im Kondensator sammelnden Luft erfolgen. Hierbei kann beispielsweise ein Saugstrahlprinzip ausgenutzt werden. Somit wird die Kondensationsleistung des Kondensators optimiert.
Vorteilhaft ist es, dass die Vorrichtung zumindest im wesentlichen mit einem Arbeitsfluid und einem Gas als Füllung gefüllt ist. Beispielsweise kann das Gas Luft und/oder Stickstoff aufweisen. Die Vorrichtung enthält dann neben dem Arbeitsfluid ein Gas, das den
Unterdruck bei einem Anlagenstillstand begrenzt. Die Begrenzung erfolgt vorzugsweise auf den Umgebungsdruck.
Vorteilhaft ist es auch, dass das Arbeitsfluid in einem Abgaswärmetauscher und/oder in einem beheizbaren Reservoir sammelbar ist. Das Arbeitsfluid sammelt sich dann im Anlagenstillstand in dem Abgaswärmetauscher beziehungsweise in dem beheizbaren Reservoir. Im Anlagenstillstand wird das Arbeitsfluid, zum Beispiel Wasser, in einem Bereich gesammelt, in dem es schnell aufgewärmt beziehungsweise aufgetaut werden kann. Hierfür eignen sich besonders der Abgaswärmetauscher, der frostsicher ausgeführt ist, oder das beheizbare Reservoir.
Das Arbeitsfluid, insbesondere das Wasser, kann durch eine geeignete Anordnung der Komponenten der Vorrichtung in den Verdampfer, insbesondere in einen
Abgaswärmetauscher, laufen, von einer Pumpe, insbesondere der Fluidpumpe, abgepumpt werden oder von dem Gas, insbesondere der Luft, im Gasspeicher in den Verdampfer geblasen werden, was durch Öffnen des zugehörigen Ventils möglich ist. Vorteilhaft ist es daher, dass das Arbeitsfluid in einer Einbaulage durch die Schwerkraft in einen
Abgaswärmetauscher fließt und/oder dass das Arbeitsfluid zumindest teilweise mittels einer Fluidpumpe in den Abgaswärmetauscher förderbar ist und/oder das Gas aus dem
Gasspeicher nutzbar ist, um das Arbeitsfluid aus zumindest einer Komponente,
insbesondere einem Kondensator und/oder einer Fluidpumpe, auszublasen. Beim
Ausblasen strömt aufgrund des Druckunterschieds Gas aus dem Gasspeicher in den Dampfkreis. Hierbei kann das Gas auch in den beiden möglichen Richtungen durch den Dampfkreis strömen. Hierdurch können besonders verbleibende Fluidreste, die sich beispielsweise in Form von kleinen Pfützen im Dampfkreis sammeln, wegtransportiert werden. Speziell können empfindliche Komponenten, die durch gefrierendes Wasser oder dergleichen in ihrer Funktion gestört oder beschädigt werden, freigeblasen werden.
Beispielsweise ist es vorteilhaft, die Fluidpumpe oder den Kondensator freizublasen. Das Ausströmen von Gas endet, wenn sich die Drücke im Dampfkreis und im Gasspeicher aneinander angeglichen haben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 3 einen Gasspeicher und eine Verbindungsleitung einer Vorrichtung zur
Abwärmenutzung in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung entsprechend einer möglichen Ausgestaltung. Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung 1 zur Abwärmenutzung kann insbesondere für eine Brennkraftmaschine dienen. Hierbei kann beispielsweise den von der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgasen Energie entzogen werden. Speziell eignet sich die Vorrichtung 1 zur Abwärmenutzung für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen. Die Brennkraftmaschine kann hierbei insbesondere als luftverdichtende, selbstzündende oder gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine ausgestaltet sein. Die Vorrichtung 1 zur Abwärmenutzung der Erfindung eignet sich allerdings auch für andere Anwendungsfälle.
Die Vorrichtung 1 weist einen Dampfkreis 2 mit einem Verdampfer 3, einer
Expansionseinrichtung 4 und einem Kondensator 5 auf. Der Verdampfer 3 kann
beispielsweise als Abgaswärmetauscher ausgestaltet sein. In dem Verdampfer 3 wird ein flüssiges Arbeitsfluid verdampft. Hierbei wird beispielsweise die Abwärme der
Brennkraftmaschine, insbesondere die Energie der heißen Abgase, zum Verdampfen des Arbeitsfluids genutzt. Die Expansionseinrichtung 4 ist dem Verdampfer 3 nachgeordnet. Über eine Leitung 6 wird das verdampfte Arbeitsfluid zu der Expansionseinrichtung 4 geführt. Hierdurch wird die Expansionseinrichtung 4 angetrieben. Beispielsweise kann die Expansionseinrichtung 4 eine Turbine aufweisen, die einen elektrischen Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie antreibt. Der Kondensator 5 ist der
Expansionseinrichtung 4 nachgeordnet. Das über die Expansionseinrichtung entspannte, gasförmige Arbeitsfluid wird über eine Leitung 7 in den Kondensator 5 geführt. In dem Kondensator kondensiert das Arbeitsfluid. Hinter dem Kondensator 5 ist eine Pumpe 8 des Dampfkreises 2 angeordnet. Hierbei wird über eine Saugleitung 9 das flüssige Arbeitsfluid aus dem Kondensator 5 durch die Pumpe 8 angesaugt. Die Pumpe 8 fördert in eine Leitung 10, die das Arbeitsfluid zurück in den Verdampfer 3 führt. Hierdurch ist der Dampfkreis 2 geschlossen.
Der Dampfkreis 2 kann eine oder mehrere Leckagestellen aufweisen. Ein Beispiel für solch eine Leckagestelle ist eine Wellenabdichtung der Expansionseinrichtung 4. Durch solche Leckagestellen befindet sich in der Regel Luft in dem Dampfkreis 2. Hierdurch wird der sich bei einem Stillstand der Vorrichtung 1 ausbildende Unterdruck begrenzt. Im Extremfall stellt sich innerhalb des Dampfkreises 2 hierbei der gleiche Druck ein wie außerhalb. Hierdurch wird eine Fluidleckage nach außen minimiert. Bei der Inbetriebnahme der Vorrichtung 1 wird zuerst die Luft durch die Pumpe 8, die neben dem Arbeitsfluid auch gasförmige Medien fördern kann, aus dem Kondensator 5 in einen Hochdruckbereich 1 1 der Leitung 10 des Dampfkreises 2 gefördert. Hierbei wird in dem Hochdruckbereich 1 1 ein Einspeicherdruck eingestellt.
Der Einspeicherdruck im Hochdruckbereich 1 1 kann auf unterschiedliche Weise eingestellt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, dass ein Schluckvolumen der
Expansionseinrichtung 4 begrenzt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass in der Leitung 10 ein Ventil 12 vor dem Verdampfer 3 angeordnet ist. Über das Ventil 12 kann dann der gewünschte Einspeicherdruck erzeugt und eingestellt werden. Ein Vorteil des Ventils 12 vor dem Verdampfer 3 ist, dass im Verdampfer 3 ein niedrigerer Druck herrscht und somit im Arbeitsfluid angereicherte Luft ausgasen kann.
Die Vorrichtung 1 weist einen Gasspeicher 15 auf, der zum Speichern eines Gases, insbesondere von Luft, dient. Der Gasspeicher 15 ist so groß bemessen, dass die gesamte Luft in der Vorrichtung 1 , beispielsweise die bei einem Druck von etwa 100 kPa (1 bar) gegebene Luftfüllmenge, bei dem gewählten Einspeicherdruck aufgenommen werden kann. Das Druckniveau zum Einspeichern sollte dabei etwas niedrigerer gewählt werden als der Betriebsdruck bei den häufig angefahrenen Betriebspunkten, damit auch während des Betriebs noch restliche Luft eingespeichert werden kann. Die Auslegung der Vorrichtung 1 erfolgt so, dass im Betrieb erreicht werden kann, dass sich möglichst wenig Luft in dem am Gasspeicher 15 vorbeiströmenden Arbeitsfluid anreichert. Wenn sich nämlich Luft in dem durch die Leitung 10 strömenden Arbeitsfluid anreichert, dann gelangt diese Luft zurück in den Kondensator, von wo sie erneut abgepumpt werden müsste. Um die Anreicherung des Arbeitsfluids zu vermeiden, wird die Grenzfläche zwischen der Luft und dem Arbeitsfluid möglichst klein gehalten. Der Gasspeicher 15 wird über eine Leitung 16 an den Hochdruckbereich 1 1 angeschlossen. Dabei ist der
Innendurchmesser der Leitung 16 viel kleiner als die Länge der Leitung 16 zu wählen. Hierbei kann der Gasspeicher 15 über die Leitung 16 direkt an die Leitung 10
angeschlossen werden.
Außerdem ist es möglich, dass in der Leitung 16 ein Absperrventil 17 angeordnet ist.
Hierdurch kann eine weitgehende Trennung der Medien Luft und Arbeitsfluid erfolgen. Das Absperrventil 17 wird dann nur zum gewollten Einspeichern oder Ablassen von Luft in beziehungsweise aus dem Gasspeicher 15 geöffnet. Im Betrieb bleibt das Absperrventil 17 nach abgeschlossener Entlüftung in der Regel geschlossen. Sammelt sich allerdings nach einer längeren Betriebsdauer wieder Luft vor dem Absperrventil 17, dann kann diese Luft durch kurzes Öffnen in einer Betriebsphase, in der der Betriebsdruck höher als der
Einspeicherdruck im Gasspeicher 15 ist, zusätzlich in den Gasspeicher 15 eingespeichert werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Medientrennung besteht darin, dass der Gasspeicher 15 zusätzlich oder alternativ über ein Medien-trennendes Ventil 18 mit dem Hochdruckbereich 1 1 verbunden ist. Als Ventil 18 kann beispielsweise ein Schwimmerventil dienen.
Der Dampfkreis 2 kann außerdem eine Abscheideeinrichtung 19 aufweisen. Die
Abscheideeinrichtung 19 kann hierbei die Schwerkraft zur Trennung der Medien ausnutzen. Beispielsweise kann die Abscheideeinrichtung 19 einen nach oben gerichteten Trichter 20 umfassen, der in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids hinter der Pumpe 8 angeordnet ist. Durch den Trichter 20 ist eine erweiterte Fluidleitung gebildet, die als Beruhigungskammer wirkt. Die mitgeführte Luft kann dann nach oben aus dem Arbeitsfluid zu der Leitung 16 gelangen.
Zusätzlich oder alternativ kann die Abscheideeinrichtung 19 auch ein anderes Prinzip, insbesondere ein Zyklonprinzip, ausnutzen. Ferner kann auch eine gasdurchlässige, aber flüssigkeitsperrende Membran oder dergleichen in die Abscheideeinrichtung 19 integriert sein. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Vornchtung 1 außerdem eine Saugeinrichtung 21 auf. Die Saugeinrichtung 21 ist in dem Dampfkreis 2 angeordnet. Hierbei führt eine
Saugleitung 22 der Saugeinrichtung 21 zu dem Kondensator 5. Die Saugleitung 22 mündet dabei an einer geeigneten Mündungsstelle 23 in den Kondensator 5. Ferner ist ein Ende 24 der Saugleitung 22 vor der Pumpe 8 in der Saugleitung 9 angeordnet. Über die
Saugleitungen 9, 22 ist eine Saugpumpe realisiert. Die Saugeinrichtung 21 arbeitet hierbei nach dem Saugstrahlprinzip. Über die Saugleitung 9 wird durch die Pumpe 8 flüssiges Arbeitsfluid aus dem Kondensator 5 angesaugt. Die Mündungsstelle 23 der Saugleitung 22 ist an einer Stelle des Kondensators 5 angeordnet, an der sich bevorzugt Luft ansammelt. Dies kann zum Beispiel der Bereich oberhalb des Flüssigkeitspegels des Arbeitsfluids sein. Durch das an dem Ende 24 der Saugleitung 22 vorbeiströmende Arbeitsfluid wird ein Unterdruck in der Saugleitung 22 erzeugt. Somit wird die Luft aus dem Kondensator 5 an der Mündungsstelle 23 der Saugleitung 22 angesaugt und in die Saugleitung 9 geführt. Die Pumpe 8 ermöglicht somit, dass neben dem Arbeitsfluid auch die Luft mit abgesaugt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel dient die Saugleitung 9 zumindest im Wesentlichen als Saugleitung 9 für flüssiges Arbeitsfluid, während die Saugleitung 22 zumindest im
Wesentlichen als Luftsaugleitung 22 dient. Die Pumpe 8 ist hierbei sowohl zum Fördern von flüssigem Arbeitsfluid als auch zur Gasförderung geeignet.
Beim Abstellen der Vorrichtung 1 wird das Arbeitsfluid des Dampfkreises 2 vorzugsweise an einer Stelle gesammelt, an der es bei einer Wiederinbetriebnahme möglichst schnell wieder erwärmt beziehungsweise aufgetaut werden kann. Hierfür eignet sich besonders der Verdampfer 3. Daher ist der Verdampfer 3 konstruktiv vorzugsweise so ausgelegt, dass dieser durch das einfrierende Arbeitsfluid nicht beschädigt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass beim Abstellen der Vorrichtung 1 Luft aus dem Gasspeicher 15 ausgelassen wird, die zumindest teilweise in den Verdampfer 3 gelangt. Entsprechend kann auch in anderen Komponenten, in denen es durch einfrierendes Arbeitsfluid zu Beschädigungen kommen kann, ein Gaspolster geschaffen werden, das eine Ausdehnung des gefrierenden Arbeitsfluids ermöglicht.
Die Vorrichtung 1 kann konstruktiv so ausgelegt werden, dass der Verdampfer 3 an der tiefsten Stelle angeordnet ist und das Arbeitsfluid bei einer entsprechenden Leitungsführung durch die Schwerkraft in den Verdampfer 3 abläuft. Ist dies konstruktiv nicht möglich, dann kann das Arbeitsfluid durch die als Fluidpumpe 8 dienende Pumpe 8 in den Verdampfer 3 gepumpt werden. Noch verbleibende Fluidreste in den Leitungen oder Komponenten des Dampfkreises 2 können durch Öffnen des Absperrventils 17 nach dem Absinken des Dampfdrucks in dem Dampfkreis 2 ausgeblasen werden. Um einen Abschaltvorgang möglichst schnell abzuschließen, kann die Kondensatorkühlung durch den Kondensator 5 solange aufrechterhalten werden, bis die Restwärme aus der Vorrichtung 1 weitestgehend abgeführt ist und kein Arbeitsfluid mehr kondensiert, das von der Pumpe 8 abgepumpt werden müsste.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Abwärmenutzung in einer schematischen Darstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Pumpe 30 vorgesehen, über die Luft aus dem Kondensator 5 abpumpbar ist. Hierfür ist eine Saugseite 31 der Pumpe 30 über die Saugleitung 22 an der Mündungsstelle 23 mit dem Kondensator 5 verbunden. Eine Förderseite 32 der Pumpe 30 ist über eine Gasleitung 33, die insbesondere zum Durchführen von Luft dient, mit der Leitung 16 verbunden. Die Gasleitung 33 ist hierbei vorzugsweise zwischen dem Absperrventil 17 und dem
Gasspeicher 15 mit der Leitung 16 verbunden. Die Gasleitung 33 kann aber auch zwischen dem Hochdruckbereich 1 1 und dem Absperrventil 17 mit der Leitung 16 verbunden sein. Bei einer Ausgestaltung, bei der kein Absperrventil 17 vorgesehen ist, ist die Gasleitung 33 auf geeignete Weise mit der Leitung 16 verbunden.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 kann Luft aus einem sich in dem Kondensator 5 bildenden Luftpolster abgesaugt werden und direkt in den Gasspeicher 15 gepumpt werden. Die Pumpe 30 kann hierbei als Vakuumpumpe 30 ausgestaltet sein.
Vorteilhaft ist es, dass der Gasspeicher 15 über die Verbindungsleitung 16 mit dem
Hochdruckbereich 1 1 verbunden ist und dass ein mittlerer Durchmesser der
Verbindungsleitung 16 viel kleiner ist als eine Länge der Verbindungsleitung 16. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn der Gasspeicher 15 einen mittleren Durchmesser aufweist, der viel kleiner ist als eine Länge des Gasspeichers 15.
Vorteilhaft ist es auch, dass der Gasspeicher 15 so ausgestaltet ist, dass für ein Volumen des Gasspeichers 15 und eine Länge des Gasspeichers 15 die folgende Relation (1 ) erfüllt ist:
(1 ) Volumen < (χ/2)Λ2 * LängeA3 * Pi, wobei für den positiven Faktor x gilt, dass dieser viel kleiner als 1 ist:
(2) 0 < x « 1 , und wobei Pi die Ludolfsche Zahl (3,1415...) ist.
Hierbei können sowohl das Volumen als auch die Länge relativ einfach bestimmt werden, so dass in einfacher Weise eine geeignete Ausgestaltung ausgewählt und überprüft werden kann. Die Bedingung (1 ) mit der Nebenbedienung (2) kann sowohl für eine geeignete Auswahl des Volumens des Gasspeichers 15 und der Länge des Gasspeichers 15 als auch für eine geeignete Auswahl des Volumens der Verbindungsleitung 16 und der Länge der Verbindungsleitung 16 dienen. Somit können der Gasspeicher 15 und/oder die
Verbindungsleitung 16 vorteilhaft ausgestaltet sein, wenn diese jeweils der Bedienung (1 ) mit der Nebenbedienung (2) genügen.
Für den Sonderfall eines zylinderförmigen Volumens ist dann der Durchmesser kleiner als das x-fache der Länge, wobei x weiterhin der Bedingung (2) genügt:
(3) Durchmesser < x * Länge.
Andererseits besteht auch die Möglichkeit, aus einem beliebigen Volumen einen mittlerer Durchmesser zu bestimmen:
(4) Volumen = Länge * Pi * (mittlerer Durchmesser / 2)Λ2.
Fig. 3 zeigt einen Gasspeicher 15 und eine Verbindungsleitung 16 einer Vorrichtung 1 zur Abwärmenutzung in einer auszugsweise, schematischen, nicht maßstabsgetreuen
Darstellung entsprechend einer möglichen Ausgestaltung. Hierbei ist der Gasspeicher 15 als zylinderförmiger Gasspeicher 15 ausgestaltet. Die Verbindungsleitung 16 ist als zylinderförmige Verbindungsleitung 16 ausgestaltet.
Der Gasspeicher 15 weist einen mittleren Durchmesser 40 auf, der aufgrund der zylinderförmigen Ausgestaltung gleich dem Durchmesser (Innendurchmesser) 40 des Gasspeichers 15 ist. Entsprechend ist auch ein mittlerer Durchmesser 41 der
Verbindungsleitung 16 gleich dem Durchmesser (Innendurchmesser) 41 der
Verbindungsleitung 16. Der Gasspeicher 15 weist außerdem eine Länge 42 auf. Ferner weist die abschnittsweise dargestellte Verbindungsleitung 16 eine Länge 43 auf. Aufgrund der Schwerkraft befindet sich in einem oberen Teil 44 des Gasspeichers 15 Luft, während sich in einem unteren Teil 45 des Gasspeichers 15 eine Flüssigkeit befindet. Auch die Verbindungsleitung 16 ist mit der Flüssigkeit gefüllt. Vorzugsweise ist der Gasspeicher 15 zu 2/3 mit Luft gefüllt.
Zwischen der Luft und der Flüssigkeit ergibt sich eine Grenzfläche 46. Die Luft kann an der Grenzfläche 15 in der Flüssigkeit in Lösung gehen. Die Schwerkraft wirkt aber einer Diffusion der gelösten Luft zu und durch die Verbindungsleitung 16 entgegen.
Im Fall der zylinderförmigen Ausgestaltung ist die Größe der Grenzfläche 46 unabhängig von der Größe des mit der Flüssigkeit gefüllten Teils 45 konstant. Der Gasspeicher 15 ist hierfür so dimensioniert, dass dieser im Betrieb nie ganz voll Luft ist. Im Stillstand wird die Flüssigkeit allerdings aus dem Gasspeicher 15 gedrückt.
Die Geometrie des Gasspeichers 15 ist so gewählt, dass die Bedingung (3) mit der Nebenbedingung (2) erfüllt ist und somit die Grenzfläche 46 klein ist. Dadurch wird die Lösung von Luft in der Flüssigkeit möglichst reduziert.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
Insbesondere können die anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausgestaltungen der Vorrichtung 1 auch durch einen Entfall, einen Austausch, eine Ergänzung oder eine Kombination von Komponenten abgewandelt werden. Hierdurch ist eine Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall möglich.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zur Abwärmenutzung mit einem Dampfkreis (2) und einem Gasspeicher (15), wobei der Gasspeicher (15) mit einem Hochdruckbereich (1 1 ) des Dampfkreises (2) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gasspeicher (15) über eine Verbindungsleitung (16) mit dem Hochdruckbereich (1 1 ) verbunden ist und dass ein mittlerer Durchmesser (41 ) der Verbindungsleitung (16) viel kleiner ist als eine Länge (43) der Verbindungsleitung (16).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Verbindung zwischen dem Gasspeicher (15) und dem Hochdruckbereich (1 1 ) zumindest ein Ventil (17, 18) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ventil als Absperrventil (17) oder als Medien-trennendes Ventil (18) ausgestaltet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gasspeicher (15) einen mittleren Durchmesser (40) aufweist, der viel kleiner ist als eine Länge (42) des Gasspeichers (15).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine Trenneinrichtung (19) vorgesehen ist und dass der Gasspeicher (15) über die Trenneinrichtung (19) mit dem Hochdruckbereich (1 1 ) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (19) als Beruhigungskammer oder als Abscheideeinrichtung ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Dampfkreis (2) eine Expansionseinrichtung (4) aufweist und dass ein
Schluckvolumen der Expansionseinrichtung (4) so begrenzbar ist, dass ein vorgegebener Einspeicherdruck für den Hochdruckbereich (1 1 ) eingestellt werden kann,
und/oder
dass der Dampfkreis (2) einen Verdampfer (3) und ein Ventil (12) aufweist, das im
Hochdruckbereich (1 1 ), insbesondere vor dem Verdampfer (3), angeordnet ist und über das ein Einspeicherdruck für den Hochdruckbereich (1 1 ) einstellbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Dampfkreis (2) einen Kondensator (5) aufweist, dass eine Pumpe (30) vorgesehen ist, dass eine Saugseite (31 ) der Pumpe (30) mit dem Kondensator (5) verbunden ist, dass eine Förderseite (32) der Pumpe (30) zumindest mittelbar mit dem Gasspeicher (15) verbunden ist und dass die Saugseite (31 ) der Pumpe (30) so mit dem Kondensator (5) verbunden ist, dass Gas aus einem sich bei einer Kondensation eines Arbeitsfluids bildenden Gaspolster in den Gasspeicher (15) absaugbar ist.
10. Vorrichtung nach Ansprüche 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Pumpe (30) bei einer Inbetriebnahme des Dampfkreises (2) ein Absaugen von Luft aus dem Kondensator (5) ermöglicht.
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Dampfkreis einen Kondensator (5) und eine dem Kondensator (5) nachgeordnete Saugeinrichtung (21 ) aufweist, dass eine Saugleitung (22) der Saugeinrichtung (21 ) in den Kondensator (5) mündet und dass eine Mündungsstelle (23) der Saugleitung (22) so an dem Kondensator (5) angeordnet ist, dass Gas aus einem sich bei einer Kondensation eines Arbeitsfluids bildenden Gaspolster in den Dampfkreis (2) saugbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest im wesentlichen mit einem Arbeitsfluid und einem Gas gefüllt ist
und/oder
dass das Gas Luft und/oder Stickstoff aufweist.
13. Vorrichtung nach Ansprüche 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Arbeitsfluid in einem Verdampfer (3) und/oder in einem beheizbaren Reservoir (3) sammelbar ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Arbeitsfluid in einer Einbaulage durch die Schwerkraft in einen Verdampfer (3) fließt
und/oder
dass das Arbeitsfluid zumindest teilweise mittels einer Fluidpumpe (8) in den Verdampfer
(3) förderbar ist
und/oder
dass das Gas aus dem Gasspeicher (15) nutzbar ist, um das Arbeitsfluid aus zumindest einer Komponente, insbesondere einem Kondensator (5) und/oder einer Fluidpumpe (8), auszublasen.
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