废热回收系统的制作方法

本发明涉及一种废热回收系统。

背景技术：

包括废热回收回路的废热回收系统可以利用例如机动车辆的内燃机中的废热。为此目的，向蒸汽发生器施加所述废热。因此，在蒸汽回路过程中循环的工作流体被加热、蒸发并过热。然后处于高压下的热工作流体在膨胀机中膨胀并执行机械作业，其可以用作例如附加车辆驱动或用于驱动发生器或空调系统。

蒸汽发生器通常由热交换器形成，通过该热交换器可以引导工作流体吸收热量。

在膨胀机(例如轴向活塞机)中，通过执行作业，工作流体从高的第一压力水平膨胀到较低的第二压力水平。活塞由此驱动轴，该轴用于例如使车辆移动。膨胀的流体在冷凝器中被冷却并液化，并经由泵再次供应给流体回路。压力和温度差越大，装置的效率就越高。

水可以用作工作流体，其蒸汽通过输出作业而释放。例如，也可以使用有机工作流体或包括添加剂的水，其可能对环境有害或有价值。那么不希望工作流体逸出。位于膨胀机下游的废热回收系统中的冷凝器装置用于使膨胀的工作流体液化。对于富含能量的蒸汽状态，工作流体的典型温度为几百℃，而在水的情况下，100℃作为冷凝温度。冷凝的工作流体通常供应给形式为适当实现的容器的工作流体贮存器，其存在于废热回收回路中，在那里它可以再次用于废热回收回路而没有损失。

在这种情况下，de10226445c1以及wo2005/001248a1公开了传统的废热回收回路。给水用作工作流体。水在蒸发器中蒸发。通过进行作业使蒸汽在膨胀机中膨胀。在膨胀之后，蒸汽在冷凝器中冷凝，并通过电动或机械操作的泵供应给贮存器，从该贮存器再次可用于回路。所描述的作业机器用作例如机动车辆中的辅助装置。为了在冬天也使用它，已知向工作流体中添加防冻剂。还已知向工作流体中添加润滑剂，例如油。取决于蒸汽发生器中的温度，也使用包含较低沸点和/或可燃工作流体的有机工作流体。

当例如向蒸汽回路过程供应过多热量时，所描述的装置可能过热。那么可能损坏废热回收回路的组件。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是创造一种用于包括废热回收回路的废热回收系统的改进的实施方案，其在冷却回路发生故障时具有改进的过热和过压保护。

根据本发明，该目的是通过独立专利权利要求的主题解决的。有利的实施方案是从属专利权利要求的主题。

因此，本发明的总体思想是经由流体管路将容器中存储的冷却剂引导到废热回收回路的冷凝器中。根据本发明，容器由此以这种方式构造，使得在所述容器中设置彼此流体分开的两个子室，其中第一子室与实际的废热回收回路流体地连接，并且因此可以用废热回收回路的工作流体填充。冷却剂位于第二子室中。两个子室以容积可变的方式实施，即以这种方式实施，使得第二子室的容积减小与第一子室的容积增加相关联，反之亦然。这可以通过例如两个子室通过由柔性材料制成的合适分隔器来分开来实现。工作流体的蒸汽相的上升流体压力导致容器的第一子室的膨胀，这与第二子室的容积的减小相关联，使得冷却剂被推出所述第二子室，并且经由流体管路被引导到冷凝器中。在该位置处发生的工作流体的热交换导致其温度以及因此其流体压力再次降低。然而，至少可以通过这种反馈得到，工作流体的流体压力不会进一步上升并且具有不允许的值，这可能导致废热回收回路的各个部件的损坏。

因此，在根据本发明的废热回收系统的情况下，一方面确保了工作流体的特别有效的冷却并因此提高了废热回收回路的效率。然而，同时还确保了避免由于过压或工作流体以及冷却剂的过高温度而损坏冷凝器并因此损坏整个废热回收回路。因此，可以由此创造具有高效率并且还具有高操作安全性的废热回收回路。

根据本发明的废热回收系统包括废热回收回路，工作流体在该废热回收回路中循环并且该废热回收回路被分成高压区域和低压区域。废热回收系统包括在废热回收回路中设置的用于驱动工作流体的输送装置、在高压区域中设置的用于使工作流体蒸发的蒸汽发生器以及用于通过执行作业而使工作流体膨胀到低压区域的压力的膨胀机。在低压区域中设置有用于使膨胀的工作流体冷凝的至少一个冷凝器。根据本发明，在冷凝器的下游设置容器，在该容器的容器内部设置有分隔器，该分隔器将容器内部分成可变容积的第一子室和第二子室。由此，第一子室在冷凝器下游与废热回收回路的低压区域流体地连接。容器的第二子室填充或可以填充有冷却剂。所述冷却剂可以经由废热回收系统的流体管路与工作流体流体分开地引入冷凝器中，使得工作流体可以以这种方式通过与冷却剂的热相互作用而冷凝。

在优选实施方案的情况下，第一子室经由第一减压阀与废热回收系统的低压区域连接。因此，第一减压阀以这种方式实施，使得响应于超过第一减压阀中的工作流体的预定第一阈值压力，第一减压阀释放第一子室与低压区域之间用于工作流体的流通的流体连接。以这种方式确保了仅在发生故障的情况下(因此在过高流体压力下)将工作流体引入容器中。第一减压阀可以实施为止回阀。

在另一优选实施方案的情况下，对于本实施方案中作为第一减压阀的分隔器具有弹性材料的分隔膜，该分隔膜响应于超过工作流体的预定第一阈值压力而膨胀，使得工作流体可以流入第一子室并且可以容纳在那里。在这种替代方案的情况下，可以免去单独的减压阀—例如以止回阀的方式—的设置，这降低了废热回收系统的生产成本。

在优选实施方案的情况下，还在流体管路中设置第二减压阀。第二减压阀以这种方式实施，使得响应于超过第二减压阀中的冷却剂的预定第二阈值压力，第二减压阀从关闭状态切换到打开状态，从而打开，即以这种方式使得冷却剂可以经由流体出口从流体管路排放到废热回收系统的周围环境中。以这种方式设计第二减压阀，使得响应于超过第二阈值压力，冷却剂可以从流体管路逸出到废热回收回路的周围环境中。以这种方式确保了分别在流体管路中或在冷凝器中的冷却剂的流体压力过高的情况下，前者不会损坏，而是可以从冷凝器排出冷却剂，以降低压力。

在又一优选实施方案的情况下，冷凝器被实施为包括三个流体路径的三流冷凝器。在该替代方案的情况下，第一流体路径被实施为用于工作流体的流通。第二流体路径被实施用于冷却剂的流通，并且第三流体路径被实施为用于附加冷却剂的流通。三个流体路径在冷凝器中彼此流体分开地延伸并且彼此热耦合以用于工作流体与两种冷却剂之间的热交换。工作流体可以经由第三流体路径在废热回收系统的标称运行状态下借助于附加冷却剂根据标准冷却。在发生故障的情况下经由第二流体路径借助于冷却剂进行附加冷却。该替代方案确保了在废热回收系统的标称运行状态下和发生故障的情况下的流体的最佳冷却。

在另一优选实施方案的情况下，冷凝器被实施为包括两个流体路径的双流冷凝器。在该替代方案的情况下，第一流体路径被实施为用于工作流体的流通，而第二流体路径被实施为用于冷却剂的流通，并且可选地或另外地用于附加冷却剂的流通。两个流体路径至少在冷凝器中彼此流体分开地延伸并且彼此热耦合以分别用于工作流体与冷却剂或附加冷却剂之间的热交换。

在有利的进一步发展的情况下，第二流体路径被实施为用于冷却剂和附加冷却剂的同时流通。为此目的，冷凝器外部的流体管路通向第二流体路径，使得冷却剂和附加冷却剂可以混合。以这种方式可以简化冷凝器的设置。尤其是可以免去设置技术上更复杂的三流冷凝器或设置单独的附加冷凝器。这对废热回收系统的生产成本具有有利影响。

在另一有利的进一步发展中，第二流体路径被实施为用于冷却剂的流通。在该替代方案的情况下，在低压区域中设置包括第一流体路径和第二流体路径的又一双流冷凝器。该附加冷凝器的第一流体路径被实施为用于工作流体的流通，而第二流体路径被实施为用于附加冷却剂的流通。由于即使在该替代方案的情况下，在发生故障的情况下冷却剂和附加冷却剂也不能混合，因此在发生故障的情况下，不需要维护废热回收系统以及分离与之相关的两种冷却剂。

冷凝器可以有利地位于第二减压阀与容器之间。在另一替代方案中，第二减压阀可以位于冷凝器与容器之间。两种替代方案仅需要非常小的安装空间。

在有利的进一步发展的情况下，分隔器被实施为柔性的、尤其是弹性材料的分隔膜。通过这种方式，可以以技术上简单且因此成本有效的方式实现对于本发明必不可少的两个部分容积的可变性。

在进一步有利的进一步发展的情况下，分隔器具有膨胀状态，其中第一子室具有最大容积，而第二子室具有最小容积。在该替代方案的情况下，分隔器还具有松弛状态，其中第一子室具有最小容积，而第二子室具有最大容积。如果冷凝器下游的工作流体的流体压力升高，则工作流体的蒸汽相可以流入第一子室，由此分隔器膨胀，使得第一子室增大。与之相关的第二子室的减小导致冷却剂被推出容器进入流体管路并经由后者被引导到冷凝器中，在那里它可以通过与其进行热交换来冷却所述工作流体。

在可以与上述实施方案结合的又一优选实施方案的情况下，设置与第一减压阀流体平行的止回阀，该止回阀使得当冷却剂已经从流体管路中逸出并且当容器中已经超过工作流体的预定第三压力时，工作流体可以从容器流回到废热回收回路中。所述止回阀用作于下目的：使得当冷却剂已经从流体管路逸出到周围环境中时(因此在“清空”流体管路的情况下)，可以为使工作流体从容器流回到废热回收回路中做准备。因此，在这种场景下，不需要用另外的工作流体a填充废热回收回路。

特别优选地，冷却剂的蒸发温度与工作流体的冷凝温度之间的温度差至少为30℃，优选地至少为80℃。通过这种方式可以确保工作流体与冷却剂之间的特别高的热传递，这对废热回收系统的效率具有有利的影响。

工作流体可以有利地是乙醇、丙酮或环戊烷，并且第一阈值压力可以是大约10巴。在适当确定第一阈值压力的情况下，可以通过这种方式实现工作流体在约150℃下冷凝。冷却剂有利地包括水，并且第二阈值压力在1巴与1.5巴之间。通过这种方式，可以在约20℃与约50℃之间的温度下进行冷却流体(因此水)的蒸发。

特别有利地，冷却剂可以含有乙二醇和/或盐。通过这种添加可以产生特别高的防冻效果。

在进一步有利的进一步发展的情况下，在低压区域中的废热回收回路中设置用于临时存储工作流体的可变容积的临时存储器。

本发明的其他重要特征和优点由从属权利要求、附图以及借助于附图的相应附图描述获得。

不言而喻，上述特征以及下面将描述的特征不仅可以在各特定组合中使用，而且还可以以其他组合或者单独使用，而不脱离本发明的范围。

附图说明

本发明的优选示例性实施方案在附图中示出，并且将在以下描述中更详细地描述，其中相同的附图标记指示相同或相似或功能相同的组件。

在每种情况下示意性地：

图1示意性地示出了根据本发明的废热回收系统的示例，包括三流冷凝器。

图2以局部图示示出了图1的示例的第一替代方案，包括两个双流冷凝器，图3示出了图1的示例的第二替代方案，仅包括一个双流冷凝器。

具体实施方式

示意性地，图1示出了根据本发明的废热回收系统1的示例。废热回收系统1包括废热回收回路2，工作流体a在该废热回收回路中循环，并且该废热回收回路被分成高压区域3和低压区域4。在废热回收回路2中设置形式为泵6的输送装置5，其用于驱动工作流体a。还在输送装置5的下游(因此在高压区域3中)设置用于使工作流体a蒸发的蒸汽发生器7。在蒸汽发生器7的下游设置用于通过输出机械作业使工作流体a膨胀的膨胀机8。在膨胀机8的下游(因此在低压区域4中)设置用于使膨胀的工作流体a冷凝的冷凝器9。

在低压区域4中的冷凝器9的下游设置容器10，在该容器的容器内部11中设置分隔器12。所述分隔器12以流体密封的方式将容器内部11分成各自具有可变容积的第一子室13a和第二子室13b。

已经提到的输送装置6位于容器10的下游，使得废热回收回路2关闭。

分隔器12可以实施为柔性材料的分隔膜19。优选地是弹性材料。实施为分隔膜19的分隔器12可以具有展开状态，其在图1中示出，其中第一子室13a具有最大容积，而第二子室13b具有最小容积。然而，实施为分隔膜19的分隔器12也具有松弛状态，其中第一子室13a具有最小容积，而第二子室13b具有最大容积。为了说明的目的，在图1中分别以虚线图示了处于松弛状态的分隔构件19或分隔器12。

第一子室13a经由第一减压阀14a与冷凝器9下游的废热回收回路2的低压区域4连接。以这种方式实施第一减压阀14a，即当超过第一减压阀14a中的工作流体的预定第一阈值压力p1时，该第一减压阀从关闭状态切换到打开状态，在该关闭状态中用于第一子室与低压区域4之间的工作流体a的流体连接关闭。在该打开状态中，第一子室13a与低压区域4之间的流体连接被释放以用于工作流体a的流通。如果使用乙醇、丙酮或环戊烷作为工作流体a，则可以选择大约10巴的值作为第一阈值压力p1。

容器内部11的第二子室13b用冷却剂k填充，该冷却剂可以经由流体管路15与工作流体流体分开地被引导到冷凝器9中。工作流体a可以在冷凝器9中通过与冷却剂k的热相互作用而冷凝。可以含有乙二醇或盐的水可以用作冷却剂k。因此，理想地以这种方式选择冷却剂k，使得响应于所述冷却剂的蒸发，可以排出尽可能多的热量。

如在图1中还可以看到，在流体管路15中设置第二减压阀14b。以这种方式实施第二减压阀14b，使得当超过第二减压阀14b中的冷却剂k的预定第二阈值压力p2时，该第二减压阀从关闭状态切换到打开状态，使得冷却剂k可以经由流体出口21从流体管路15排放到废热回收系统1的周围环境16中。在替代方案中，可以免去第二减压阀14b。在这种情况下，周围环境16的环境压力p2取代了减压阀14b的阀功能。

如果使用含有乙二醇或盐的水作为冷却剂k，如上所述，特别建议1巴与1.5巴之间作为第二阈值压力p2的值。

在图1的示例中，冷凝器9位于第二减压阀14b与容器10之间。然而，在图中未示出的替代方案中，第二减压阀14b也可以位于冷凝器9与容器10之间。在图1的示例中，冷凝器9还被实施为用于工作流体a同时与来自容器的冷却剂k以及与另外的附加冷却剂k^*(例如，与冷却水)的热相互作用。因此，冷凝器9具有用于工作流体、从容器10引入到冷凝器9中的冷却剂k以及所述附加冷却剂k^*的彼此流体分开的三个流体路径17a、17b、17c。

如从图1中还可以获得，可以在容器10与废热回收回路2之间设置与第一减压阀14a流体平行的止回阀18。所述止回阀18用于以下目的：使得当冷却剂k已经从流体管路15逸出到周围环境16中时(因此，在准“清空”流体管路15的情况下)，工作流体a可以从容器10的第一子室13a流回到废热回收回路2中。

因此，在这种场景下，不需要用另外的工作流体a填充废热回收回路2。为此目的，止回阀18响应于超过在容器10中并且因此也在止回阀18中的工作流体a的预定第三压力p3而打开，使得工作流体a可以流回到实际的废热回收回路1中。可以在废热回收回路2的低压区域4中设置用于临时存储工作流体a的可变容积的临时存储器20。如图1所示的分别位于容器10或冷凝器9的下游以及输送装置5的上游的临时存储器20的布置是特别可以想到的。

废热回收系统2中的容器10以及两个减压阀14a、14b的操作模式如下：

如果冷凝器9下游的工作流体a的流体压力上升超过第一阈值压力p1，则第一减压阀14a打开并且工作流体a可以以蒸汽的形式流入容器的第一部分13a中。分隔膜19形式的分隔器12以这种方式膨胀，使得第一子室13a的容积增加，而第二子室13b的容积相应地减小相同的量。由此，位于第二子室13b中的冷却剂k经由流体管路15被推入冷凝器9中，在该冷凝器中也发生与工作流体a的热交换。以这种方式冷却工作流体a。由于两个减压阀14a、14b的不同阈值压力p1、p2，现在是液体的工作流体a继续流入第一子室13a并继续从第二子室中取代冷却剂k。以这种方式仍然确保了工作流体a在冷凝器9中的冷凝。如果第二减压阀14b中的冷却剂k超过第二阈值压力p2，则第二减压阀14b打开并且冷却剂k可以逸出到废热回收回路2的周围环境16中。以这种方式避免了对废热回收回路2的损害，尤其是对冷凝器9的损害。

由于第二减压阀14b在压力区域中在1巴与1.5巴之间的阈值压力p2下打开，当冷却剂是水时，在大约100℃至110℃下在示例场景中发生水的蒸发，当冷却剂是水时，在大约100℃至110℃下发生水的蒸发。

由于蒸发冷却剂需要蒸发焓，因此少量冷却剂k可以吸收相对大量的热量，使得相对少的冷却剂k必须分别储存在冷凝器9或容器10中。由于第一减压阀14a的第一阈值压力p1约为10巴，可以得到，当使用乙醇、丙酮或环戊烷作为工作流体a时，后者在150℃下冷凝，而如已经描述的那样，冷却剂k在大约100℃至110℃下蒸发。冷却剂k的蒸发温度和工作流体a的冷凝温度的这种驱动温度差导致工作流体a与冷却剂k之间更好的热传递，从而导致提高冷凝器9的效率以及因此提高整个废热回收回路2的效率。

优选地以这种方式选择工作流体a和冷却剂k，并且以这种方式确定两个阈值压力p1、p2，使得冷却剂k的蒸发温度与工作流体a的冷凝温度之间的所述温度差至少为30℃，优选地至少为80℃。通过这种方式可以确保工作流体a与冷却剂k之间的特别高的热传递，这对废热回收系统1的效率具有有利的影响并且这尤其提高了操作安全性，因为响应于功能不良，可以在系统中没有危险的情况下大大降低过压。

图2示出了图1的废热回收系统1的第一替代方案。在图2的示例中，在废热回收回路2中设置彼此分开的两个冷凝器9a、9b，用于冷凝低压区域4中的工作流体a。两个冷凝器9a、9b均实现为双流冷凝器。冷凝器9a具有用于工作流体a的流通的第一流体路径17a，以及用于冷却剂k的流通的第二流体路径17b。两个流体路径17a、17b在冷凝器9a中彼此流体分开地延伸，但是彼此热耦合以用于工作流体a与冷却剂k之间的热交换。

附加冷凝器9b具有用于工作流体a的流通的第一流体路径28a，以及用于附加冷却剂的流通的第二流体路径28b。两个流体路径28a、28b在冷凝器9b中彼此流体分开地延伸，但是彼此热耦合以用于工作流体a与附加冷却剂k^*之间的热交换。第一冷凝器9a用于在发生故障的情况下(因此在工作流体a的流体压力由于冷却不充分而过高的情况下)冷却工作流体a。附加冷凝器9b还在废热回收系统1的标称操作期间(因此在当前没有故障时)冷却工作流体a。

图3示出了图1的废热回收系统1的第二替代方案。在图3的示例中—以及在图1的示例中—冷凝器9被实施为用于工作流体a同时与来自容器10的冷却剂k以及与另外的附加冷却剂k^*(例如与冷却剂水)的热相互作用。然而，冷凝器9仅具有两个—而不是三个—流体路径17a、17b。流体路径17a用于工作流体a的流通。流体路径17b通常用于附加冷却剂k^*在废热回收系统1的标称操作中的流通。

图3的废热回收系统1与图1的废热回收系统1的不同之处在于，流体管路15在出口点25处通向第二流体路径17b，即第二子室13b和第二子室13b流体地连接。因此，在发生故障的情况下，借助于附加冷却剂k^*将冷却剂k从容器10推到第二流体路径17中。借助于在流体路径17b中设置的止回阀26，确保冷却剂k在附加冷却剂k^*的流动方向上流入流体路径17b。当超过预定第三阈值压力p3时，在流体路径17b中设置的(第三)减压阀14c打开，使得冷却剂k与附加冷却剂k^*的混合物可以以类似图1和图2的示例的方式排出到周围环境16中。因此，第三阈值压力p3必须大于附加冷却剂k^*在废热回收系统1的标称运行状态下的工作压力。第三减压阀14c可以被实施为止回阀27。

在图3的替代方案的情况下，冷却剂k与冷却剂k^*的混合是可接受的，因为在发生所述故障时，无论如何都需要进行整个废热回收系统1的维护。与图1的废热回收系统1相比，根据图3的废热回收系统1具有可以免去(第二)冷凝器9b的优点。

在图1至图3的替代方案中，在每种情况下均可以免去第一减压阀14a。在该替代方案的情况下，分隔器12用作减压阀。为此目的，它包括弹性材料的分隔膜19，该分隔膜在超过工作流体a的预定第一阈值压力p1时展开，这样使得工作流体a可以流入第一子室13a。