专利名称：热利用装置以及运行方法
技术领域：
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分特征的、尤其是机动车的热利用装置/ 热回收装置的运行方法。另外，本发明涉及一种用作尤其是机动车的发动机的余热利用装置的热利用装置。
背景技术：
从US 5 327 987已知一种混合动力车辆，该混合动力车辆具有驱动第一车轴的发动机、驱动第二车轴的电机、以及利用排气热和发动机热量的余热利用装置，其中设置有用于对该余热利用装置的供给热的热交换器的区域中的高压进行调节的压力调节装置。在DE 10 2004 024 402 Al中公开了一种热力发动机/热机，该热力发动机具有膨胀机和可用作发电机或电动机的电转动装置。布置在膨胀机与电转动装置之间的力传动装置构造为行星传动装置，其中膨胀机、电转动装置和力传动装置以集成的方式安置在一壳体中。在DE 10 2007 024 894 Al中公开的、设计成克劳修斯-朗肯循环回路的热利用装置通过该热利用装置的冷凝器与一冷却循环回路相连接，其中这两个循环回路共同使用工作流体和冷凝器。在此，如果两个循环回路的预计的总工作流体质量流量超过一给定的阈值，则减小克劳修斯-朗肯循环回路的工作流体质量流量。US 7 174 732 B2公开了一种具有膨胀机、冷凝器、进给泵和蒸发器的热利用装置，其中基于布置在膨胀机下游、冷凝器上游的压力传感器的信号来调节冷凝器风机的转动。通过控制风机来调节膨胀机下游的压力。
发明内容
热利用装置在整体系统中、例如配备有发动机的机动车中的应用的问题还在于热利用装置的设计，该设计主要由整体系统在将该热利用装置的冷凝器中产生的余热排出方面的受限能力确定。这个问题又影响到整体系统的设计，这是因为对于不再能通过冷凝器排出余热量的情况，热利用装置可能由于过热而被损坏。本发明致力于解决该问题，针对热利用装置的运行方法以及用作发动机余热利用装置的热利用装置，提出改进的或至少是不同的实施方式，其突出之处尤其在于，在不使热利用装置高成本地尺寸过大的情况下，即使在热利用装置的蒸发热源的高负载运行期间， 也不会由于过热而导致该热利用装置损坏。根据本发明，所述问题通过独立权利要求的主题而实现。有利的实施方式是从属权利要求的主题。本发明基于的总体思想在于，通过提高热利用装置的冷凝器区域中存在的低压使该冷凝器中的冷凝温度提高，使得来自热利用装置的膨胀机的气态工作流体能在冷凝器中完全液化。如果工作流体未在冷凝器中完全液化，则热利用装置的一在工作流体线路中跟随在后的进给泵便必须实现部分为气态或者说蒸气状的工作流体的液化。在这种情况下，或者以高成本将该进给泵配置成具有这种性能，或者该进给泵在长期运行中由于有时出现的气态或者说蒸气状的工作流体而被损坏。这一点可通过提高冷凝器中的冷凝温度来避免，由此能够实现热利用装置的成本低廉的设计。这优选通过降低膨胀比来实现。膨胀比的定义是，膨胀前的压力与膨胀后的压力之比。该压力比或膨胀比与膨胀机的体积比一也就是说膨胀前的体积与膨胀后的体积之比一直接相关。对于活塞机器可通过对阀控制时间进行匹配来减小该体积比，或者对于开口控制/缝式控制/气口分配(Schlitzgesteuerten)的机器通过对开口控制时间或可变涡轮几何特征进行匹配来减小该体积比。替代或附加于此，也可以使用节流装置。可通过提高循环中的低压、降低高压或同时提高低压和降低高压的方式来减小膨胀比。在一实施方式中，通过增大工作流体进入膨胀机的输入线路的输入横截面来减小膨胀比。在此，可通过开放工作流体进入膨胀机的输入横截面来提高低压。因此，通过开放输入横截面提高在工作流体的低压线路中的低压，而在低压线路中的冷凝温度几乎同时提
尚ο在另一实施方式中，通过改变膨胀机的转速来调节低压，从而使膨胀比减小。在又一实施方式中，通过对工作流体进入膨胀机的输入横截面的开口控制来调节低压，从而使膨胀比减小。除了提高低压的措施之外，也可通过增大工作流体质量流量来增大从工作流体至冷凝器环境的传热量(warmeubergangsstrome)。然而这仅在与升高冷凝温度共同
作用时才充分有效，因为在冷凝温度与冷凝器环境的环境温度之间的温度差非常小的情况下传热量是几乎可忽略的。相应地，工作流体质量流量的减小引起从工作流体至冷凝器环境的传热量的减少。在此，所述环境温度至少部分地可通过冷凝器的冷却介质的温度形成。由从属权利要求、附图、相关的结合附图对附图进行的说明给出了本发明的其它重要的特征和优点。应理解的是，在不超出本发明范围的情况下，上文中提到的以及下文中仍将阐明的特征不仅能以相应给出的组合应用，而且能以其它的组合应用或单独地应用。
本发明的优选实施例在附图中示出并且在下文的描述中更详细地被阐明，其中相同的附图标记表示相同或相似或功能相同的构件。附图是示意性的图1示出在常规运行中克劳修斯-朗肯-循环过程的压力-焓图。图2示出在高负载运行时克劳修斯-朗肯-循环过程的压力-焓图，在该高负载运行中在低压线路中低压压力升高、进而伴随地使冷凝温度升高。
具体实施例方式根据图1，热利用装置1具有作为高温热源的蒸发热源2——例如发动机、具有功率变换器(LeistimgswandlerM的膨胀机3、作为低温热源的冷凝器5和进给泵6。因此， 从作为高温热源的蒸发热源2向作为低温热源的冷凝器5传热，由此通过热利用装置1将所传递的热的一部分转换成可利用的机械功，同时通过所述传递冷却蒸发热源2并且加热冷凝器5的冷凝器环境。示出了热利用装置1的工作流体的压力-焓曲线7，该压力-焓曲线与表示焓h的χ轴8 —起围成一区域9，该区域表明工作流体同时以气态和液态存在。 在压力-焓曲线7与表示压力P的y轴11之间的区域10表明工作流体仅以液态存在。沿 χ轴8的方向布置在区域9后的区域12表明工作流体仅以气态存在。多个蒸发曲线13、14、15、16表示工作流体在不同的温度To、TcATu*,Tu下随着压力降低的行为/表现/特性。开始，在工作流体的液态区域10中，蒸发曲线13、14、15、16表现出接近等焓线的行为。在此，随着压力的降低，蒸发曲线13、14、15、16接近与y轴11平行地延伸，直至与压力-焓曲线7相交于多个曲线点17、18、19、20。在这些曲线点17、18、 19、20处，工作流体在各温度To、TcATU*、TU下并且在通过各曲线点17、18、19、20限定的压力Po、PcA PiA Pu下从液态转变成气态。因为该(转变)过程以等压的方式进行，所以蒸发曲线13、14、15、16在表明工作流体以液态和气态存在的区域9中与X轴8平行。蒸发曲线13、14、15、16在区域9中与压力-焓曲线7第二次相交于多个曲线点17' ,18' ,19'、 20'。随着从区域10起始的蒸发曲线13、14、15、16的曲线轨迹，在曲线点17'、18'、19'、 20'处所有的工作流体从液态转变成气态。因此，在工作流体的气态的区域12中，蒸发曲线13，14，15，16的曲线轨迹显示出气态工作流体在压力进一步降低时的行为。根据蒸发曲线13、14、15、16在区域12中的轨迹，这个过程不是等焓的。此外，图1中示出一循环过程21，其解释了工作流体在该循环过程21中的不同状态A、B、C、D。在位于气态区域12中的点A处，工作流体作为过热蒸气或过热气体存在。在从A至B的路程上，气体流经膨胀机3，其中工作流体的压力和温度下降。在此，通过膨胀机3将焓差Ah转化成可利用的功。在从B至C的路程上，工作流体通过冷凝器5被液化。 随后在从C至D的路程上，工作流体流经进给泵6并且以接近等焓的方式升压，这是因为在压缩液体时的焓升高，对于等焓过程的情况即为体积与压差的乘积与循环过程21的其它的焓差相比是非常小的。在从D至A的路程上，在蒸发热源2中将已液化的工作流体首先被加热至蒸发温度，随后蒸发，并且通过蒸发热源2的余热将所产生的工作流体的蒸气过度加热至点A。在从D至A的路程上，也就是说在工作流体流经蒸发热源2时，工作流体处于蒸发温度To。该蒸发温度To表示工作流体在所存在的高压Po下的蒸发温度。在从B至 C的路程上，也就是说在工作流体流经冷凝器5时，工作流体处于在冷凝器5中存在的低压 Pu下的冷凝温度Tu。上述的具有工作流体的状态A、B、C、D的循环基本上是一理想的循环。也能设想到的是，状态点B不是精确地位于压力-焓曲线7上。亦即，如果工作流体在流经膨胀机3 时已经部分地液化，则状态点B位于区域9的内部。在这种情况下，焓差Ah升高，由此可利用的机械功的能量产出提高。如果还必须在蒸气状态的工作流体能被液化之前使之在流经冷凝器5期间被冷却，则状态点B设置在区域12中。也有可能的是，状态点C同样不位于压力-焓曲线7上。亦即，如果经过冷凝器5的冷却是如此强烈，使得工作流体被液化之外还过冷，则状态点C位于区域10中。如果冷凝器5不能实现工作流体的完全液化，则状态点C位于区域9的内部。冷凝器环境的环境温度和工作流体的冷凝温度Tu之间的温度差ΔΤ与工作流体和冷凝器环境之间的传热量dQ的大小紧密相关。在此，在冷凝器环境与工作流体之间的传热根据下面的公式进行
6
dQ = α . Α. Δ Τ. dt其中A是传热面积；Δ T是冷凝器5的环境温度与工作流体的冷凝温度Tu之间的温度差；α是传热系数，该传热系数主要与工作流体的工作流体质量流量相关。由上述公式可见，通过工作流体质量流量也可以提高传热量dQ的大小，这是因为传热系数α与工作流体质量流量相关，而且工作流体质量流量越大，传热系数就越大。在用于热利用装置1的运行方法——在该方法中冷凝器5必须对工作流体进行液化——的一优选实施方式中，在特定的情况下有利的是，提高工作流体在冷凝器5中的冷凝温度Tu。因为由此增大了温度差Δ T，所以根据上述公式实现从工作流体至冷凝器环境的更大的传热量dQ。通过升高低压Pu实现这种冷凝温度Tu的提高。如果以这种方式将低压 Pu升高至ΡιΛ则循环过程21的B/C段根据方向23移动。同时，为此可以使工作流体例如在流经膨胀机2时具有的蒸发温度To和高压Po降低。通过以这种方式来降低高压Po和蒸发温度To，使循环过程21的D/A段沿着方向22移动。不是必须使高压下降，而是通常与工作流体的系统填充量、膨胀机的设计和运行策略、以及泵的输送量有关。图2示出循环过程21的低压以这种方式从Pu升高至Pu*的结果。根据图2，工作流体在例如流经蒸发热源2期间具有下降的高压Po*和下降的蒸发温度TcA同时，工作流体例如在流经冷凝器5时的低压Pu*和冷凝温度Tu*升高。这种措施有助于工作流体在冷凝器5中的完全液化。通过减小膨胀比、例如通过改变通入热利用装置1的膨胀机3的工作流体输入线路的输入横截面能够使低压从Pu变化至Pu*。在适当的实施方式中，通过例如节流阀、可变涡轮几何特征等形式的节流装置M根据需要使输入横截面减小或增大。在此，通过增大输入横截面自动且同时实现工作流体在冷凝器5区域中的低压Pu和冷凝温度Tu的升高，同时还实现在蒸发热源2区域中的高压Po和蒸发温度To的升高。因此，能够通过提高工作流体的冷凝温度Tu，尤其是在短暂的高负载区域中对负载尖峰立即做出反应，并且保护热利用装置免受过热导致的损坏。在此有利的是，通过这种调节方法，尤其是在高负载运行时在安装位置中的冷凝器5的散热能力对负载区域的限制不那么大。同样地，可通过改变膨胀机3的转速来使低压Pu与相应的情况相匹配、进而使冷凝温度Tu与相应的情况相匹配。在一改进的实施方式中，除了通过改变泵转速来提高冷凝温度Tu之外，还可以通过例如进给泵6来提高工作流体质量流量。工作流体质量流量的提高通过使传热系数α 增大而引起从工作流体至冷凝器环境的传热量dQ的增大。在增大工作流体质量流量方面不利的是，尽管增大了传热系数并且增大了被传递的热量，但是为了使工作流体完全冷凝而待散出/输出的热量也增加。出于这个原因有利的是，在提高低压Pu*的同时还使工作流体质量流量降低，这是因为使在冷凝器中至少与质量流量成比例的、待传递的全部热功率降低。相比之下，可散出的功率略降低的缺点是微不足道的。在一优选实施方式中考虑正是在热利用装置1的蒸发热源2的高负载运行中，冷凝器5可能不再能够将所出现的热量完全散出，所以不再保证工作流体的完全冷凝。特别是在这种情况下，通过提高工作流体的冷凝温度Tu来增大传热量dQ。因为这时更多的热量能从工作流体传递至冷凝器环境，所以再次保证了工作流体的完全液化。在此，在进一步改进的实施方式中，也考虑了冷凝器环境的环境温度，并且必要时在常规负载运行中也对工作流体的冷凝温度Tu进行匹配。这在环境温度非常高时、例如夏天是确保工作流体的完全液化所必需的。此外，在一有利的实施方式中可配备有传感器装置，该传感器装置测定循环过程 21的至少一个位置处的压力和/或温度。随后，基于所述至少一个被测定的测量值来对低压Pu进行匹配。出于这个原因有利的是，确定紧邻在膨胀机3之后的冷凝器5中的压力和 /或温度以及在蒸发热源中的压力和/或温度。同样有利的是，确定工作流体质量流量。在一优选实施方式中，循环过程21设计为克劳修斯-朗肯-循环过程。然而，也应想到的是，也可设计为卡诺(Carnot)循环过程、斯特林(Stirling)循环过程或类似的循环过程。以上述方式用作发动机余热利用装置的热利用装置1具有以下优点能够在不会由于过热而在特定状况中导致损坏的情况下使整个热利用装置1的尺寸较小。附图标记列表
1余热利用装置
2蒸发热源
3膨胀机
4功率变换器
5冷凝器
6进给泵
7压力-焓曲线
8X轴
9区域
10区域
11Y轴
12区域
13蒸发曲线Tu
14蒸发曲线Tu*
15蒸发曲线Tc/
16蒸发曲线To
17,17'曲线点
18,18'曲线点
19,19'曲线点
20,20'曲线点
21循环过程
22方向
23方向
24节流装置
A工作流体的状态点B工作流体的状态点C工作流体的状态点D工作流体的状态点To、To*蒸发温度Tu, Tu*冷凝温度Po、Po*高压Pu、Pu*低压Ah焓差H焓
权利要求
1.一种用于运行机动车中的热利用装置(1)的方法，其中所述热利用装置(1)具有工作流体，在所述热利用装置(1)的膨胀机(3)中使所述工作流体膨胀之后通过所述热利用装置(1)的冷凝器( 使所述工作流体液化，其特征在于，通过改变所述热利用装置(1)的膨胀比将所述工作流体的至少一个冷凝温度(Tu、To)调节成，使得所述工作流体在所述冷凝器(5)中完全冷凝。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过改变所述热利用装置(1)的低压 (Pu)将所述工作流体的冷凝温度(Tu)调节成，使得所述工作流体在所述冷凝器( 中完全冷凝。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过改变所述工作流体进入所述膨胀机 (3)的输入线路的输入横截面来调节所述低压(Pu)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，借助开口控制来改变所述工作流体进入所述膨胀机(3)的输入线路的输入横截面，从而调节所述低压(Pu)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，通过改变所述膨胀机(3)的转速来调节所述低压(Pu)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过改变所述热利用装置 (1)的高压(Po)将所述工作流体的冷凝温度(Tu)调节成，使得所述工作流体在所述冷凝器 (5)中完全冷凝。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过改变所述热利用装置(1)的所述工作流体的工作流体质量流量将所述工作流体的冷凝温度(Tu)调节成，使得所述工作流体在所述冷凝器(5)中完全冷凝。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过改变所述冷凝温度(Tu) 来调节从所述冷凝器( 至所述工作流体的传热量(dQ)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述热利用装置(1)的所述蒸发热源(2)的高负载运行中，使所述工作流体在所述冷凝器( 中的冷凝温度(Tu)升高，以使所述传热量(dQ)提高，进而在所述高负载运行中也确保所述工作流体在所述冷凝器( 中完全液化。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，附加地通过所述工作流体质量流量来调节所述传热量(dQ)。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，通过改变所述热利用装置 (1)的进给泵(6)的输送量来调节所述工作流体质量流量。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于所述冷凝器(5)的环境温度来对所述工作流体的冷凝温度(Tu)进行匹配，以保证所述工作流体在所述冷凝器(5) 中完全冷凝。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，基于所述冷凝器( 的所述环境温度来对所述工作流体质量流量进行匹配，以保证所述工作流体在所述冷凝器(5)中完全冷凝。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热利用装置(1)的循环过程设计为卡诺循环过程、克劳修斯-朗肯-循环过程、斯特林循环过程或类似的循环过程。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，通过传感器装置来测量所述工作流体在所述循环过程的至少一个位置处的压力和/或温度，并且基于至少一个测量值来对所述低压(Pu)进行匹配。
16. 一种用作尤其是机动车的发动机余热利用装置的热利用装置，所述热利用装置构造成适于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于运行尤其是机动车的热利用装置(1)的方法，其中所述热利用装置(1)具有工作流体，所述工作流体在所述热利用装置(1)的膨胀机(3)中膨胀之后通过所述热利用装置(1)的冷凝器(5)液化。通过开放所述余热利用装置(1)的工作流体至所述热利用装置(1)的膨胀机(3)的输入横截面，能够通过立即升高所述工作流体在所述冷凝器(5)区域中的低压(Pu、Pu*)、从而伴随地立刻升高所述工作流体在所述冷凝器(5)区域中的冷凝温度(Tu、Tu*)，来增大从所述工作流体至所述冷凝器环境的传热量(dQ)，从而保证所述工作流体在所述冷凝器(5)中完全液化。
文档编号F01K23/06GK102414400SQ201080018833
公开日2012年4月11日 申请日期2010年3月18日 优先权日2009年4月29日
发明者J·盖特纳, T·科赫 申请人:戴姆勒股份公司