DE10328289B3 - Working medium for steam cycle processes - Google Patents

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Abstract

Ein Dampfkreisprozess mit einem Dampferzeuger, in welchem thermische Energie auf ein Arbeitsmedium übertragbar ist und einer Kraftmaschine, in welcher die in dem Arbeitsmedium enthaltene thermische Energie in mechanische Arbeit umwandelbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium wenigstens eine heterozyklische Verbindung, insbesondere eine heterozyklische aromatische Verbindung, zum Beispiel 2-Methylpyridin, 3-Methylpyridin, Pyridin, Pyrrol und/oder Pyridazin enthält. Das Arbeitsmedium kann zusätzlich ein oder mehrere mit Wasser mischbare Polymere, zum Beispiel Polyethylenglykol oder ein Polyphenyl, insbesondere Terphenyl, tensidische und/oder sonstige organische Schmiermittel enthalten.A steam cycle with a steam generator, in which thermal energy is transferable to a working medium and an engine, in which the thermal energy contained in the working medium is convertible into mechanical work, is characterized in that the working medium at least one heterocyclic compound, in particular a heterocyclic aromatic Compound, for example, 2-methylpyridine, 3-methylpyridine, pyridine, pyrrole and / or pyridazine. The working medium may additionally comprise one or more water-miscible polymers, for example polyethylene glycol or a polyphenyl, in particular terphenyl, surface-active and / or other organic lubricants.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hilfsaggregat für Kraftfahrzeuge, enthaltend einen Dampfkreisprozess mit einem Dampferzeuger, in welchem thermische Energie auf ein Arbeitsmedium übertragbar ist und einer Kraftmaschine, in welcher die in dem Arbeitsmedium enthaltene thermische Energie in mechanische Arbeit umwandelbar ist. Die Kraftmaschine kann eine Expansionsmaschine sein, in welcher das Arbeitsmedium unter Leistung von Arbeit entspannt wird.The The invention relates to an auxiliary power unit for motor vehicles, comprising a steam cycle with a steam generator in which thermal energy transferable to a working medium and an engine, in which the in the working medium contained thermal energy convertible into mechanical work is. The engine may be an expansion engine in which the working medium is relaxed under performance of work.

Üblicherweise wird der Dampferzeuger von einem Wärmeübertrager gebildet, durch welchen ein Arbeitsmedium zur Aufnahme von Wärme leitbar ist. Das Arbeitsmedium liegt in Form eines Fluids vor. Das Fluid, beispielsweise Wasser oder Wasserdampf, wird durch einen oder mehrere Kanäle geleitet, der von einem Heißgasstrom umströmt ist. Der Heißgasstrom kann das heiße Rauchgas eines Brenners sein, bei dem Brennstoff exotherm verbrannt wird. Beim Umströmen der fluiddurchstömten Kanäle wird Wärme auf das Fluid übertragen, wobei dieses verdampft und überhitzt wird. Es hat bei Verlassen des Dampferzeugers ein hohes Druck- und Temperaturniveau in der Größenordnung von einigen hundert °C.Usually the steam generator is formed by a heat exchanger through which a working medium for receiving heat can be conducted. The working medium is in the form of a fluid. The fluid, for example water or steam, is passed through one or more channels, that of a hot gas stream flows around is. The hot gas stream can that be hot Be flue gas of a burner in which fuel is exothermally burned. When flowing around the fluid flowed through Channels becomes Heat up transfer the fluid, this evaporates and overheats becomes. It has a high pressure and leaving the steam generator Temperature level in the order of magnitude from a few hundred ° C.

In der Expansionsmaschine, zum Beispiel einer Hub- oder Rotationskolbenmaschine, wird das Arbeitsmedium von dem hohen ersten Druckniveau auf ein niedrigeres zweites Druckniveau unter Arbeitsleistung expandiert. Dabei treibt der Kolben eine Welle an,In the expansion machine, for example a reciprocating or rotary piston machine, The working fluid is from the high first pressure level on lower second pressure level expanded under work performance. The piston drives a shaft,

Durch die geringe, maximal mögliche Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Kondensat ist bei der Verwendung von Speisewasser als Arbeitsmedium der Wirkungsgrad gering. Daher wird bei solchen Anlagen das Wasser durch ein organisches Arbeitsmedium ersetzt. Die zum Beispiel in der DE 100 29 732 A1 verwendeten organischen Arbeitsmedium haben einen geringeren Siedepunkt, der im Bereich von 70°C bis 90°C liegt. Als Arbeitsmedium sind Verbindungen aus den Klassen der Fluorkohlenwasserstoffe oder Alkane bekannt. Durch ihre Verwendung wird die Kondensationstemperatur erniedrigt und die Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Kondensat vergrößert, was mit einem verbesserten Wirkungsgrad verbunden ist. Die Temperaturdifferenz und damit der theoretische Wirkungsgrad ist aber weiterhin kleiner als bei einem mit Wasser betriebenen Kreisprozess.Due to the low, maximum possible temperature difference between steam and condensate, the efficiency is low when using feed water as the working medium. Therefore, in such plants, the water is replaced by an organic working medium. For example, in the DE 100 29 732 A1 used organic working medium have a lower boiling point, which is in the range of 70 ° C to 90 ° C. As a working medium, compounds from the classes of fluorocarbons or alkanes are known. By their use, the condensation temperature is lowered and increases the temperature difference between steam and condensate, which is associated with improved efficiency. The temperature difference and thus the theoretical efficiency is still smaller than in a water-operated cycle.

Aus der DE 34 20 293 C2 ist die Verwendung bizyklischer Kohlenwasserstoffe als Arbeitsfluide bekannt. Diese weisen eine ähnliche Temperaturdifferenz bei einem insgesamt höheren Temperaturniveau auf.From the DE 34 20 293 C2 the use of bicyclic hydrocarbons as working fluids is known. These have a similar temperature difference at a higher overall temperature level.

Aus der US 3,841,099 ist ein Rankine-Kreisprozess für den Hauptantrieb von Fahrzeugen bekannt. Als Arbeitsmedium wird dabei eine Mischung aus Wasser und heterozyklischen Verbindungen, zum Beispiel Pyridin verwendet. Der beschriebene Hauptantrieb arbeitet mit einem Öl-geschmierten Kolben. Ein solcher Öl-geschmierter Kolben ist mit Problemen verbunden. So werden die Öltröpfchen durch das Wasser von der Kolbenwandung weggespült und der Kolben läuft mit höherer Reibung. Zur Lösung dieses Problems wird in der Patentschrift vorgeschlagen, den Kreisprozess mehrstufig auszubilden.From the US 3,841,099 is a Rankine cycle for the main drive of vehicles known. The working medium used is a mixture of water and heterocyclic compounds, for example pyridine. The main drive described works with an oil-lubricated piston. Such an oil-lubricated piston is associated with problems. Thus, the oil droplets are washed away by the water from the piston wall and the piston runs with higher friction. To solve this problem, it is proposed in the patent to form the cycle in several stages.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Hilfsaggregat zu schaffen, der bei hohem Wirkungsgrad ohne zusätzlichen Energiebedarf frostsicher arbeitet und eine gute Schmierung gewährleistet.It The object of the invention to provide an auxiliary unit, the at high efficiency without additional Energy requirement works frost-free and ensures good lubrication.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Arbeitsmedium wenigstens eine heterozyklische Verbindung, insbesondere eine heterozyklische aromatische Verbindung enthält und das Arbeitsmedium zusätzlich ein oder mehrere mit Wasser mischbare Polymere, tensidische und/oder sonstige organische Schmiermittel enthält. Durch den Zusatz einer heterozyklischen, aromatischen Verbindung kann weiterhin bei hohen Temperaturen und mit Wasser gearbeitet werden. Der Gefrierpunkt wird jedoch soweit herabgesetzt, dass die Anlage auch bei Temperaturen unterhalb 0 °C arbeiten kann. Je nach gewünschtem Gefrierpunkt kann dann mehr oder weniger zugesetzt werden. Vorzugsweise ist das Arbeitsmedium ein Gemisch, welches Wasser und heterozyklische aromatische Verbindungen enthält, wobei das Wasser in einer Menge zwischen 5 und 95 Gew.-% und die heterozyklischen Verbindungen in einer Menge zwischen 5 und 95 Gew.-% vorliegen.According to the invention Task solved by that the working medium at least one heterocyclic compound, in particular a heterocyclic aromatic compound and the working medium additionally one or more water-miscible polymers, surface-active and / or Contains other organic lubricants. By the addition of a heterocyclic, aromatic compound may continue at high Temperatures and to work with water. The freezing point However, it is reduced so much that the system even at temperatures below 0 ° C can work. Depending on the desired Freezing point can then be more or less added. Preferably the working medium is a mixture which is water and heterocyclic contains aromatic compounds, wherein the water in an amount between 5 and 95 wt .-% and the heterocyclic compounds in an amount between 5 and 95% by weight available.

Die meisten heterozyklischen Verbindungen sind im Gegensatz zu einfachen aromatischen Verbindungen gut mit Wasser mischbar und erlauben daher bei Bedarf auch höhere Konzentrationen an zugesetzten Substanzen. Sie weisen eine hohe thermische Stabilität und Dauerhaltbarkeit auf. Das bedeutet, dass sie sich bei den hohen Temperaturen in der Dampfphase nicht zersetzen. Dadurch werden Ablagerungen vermieden.The Most heterocyclic compounds are in contrast to simple ones aromatic compounds miscible well with water and therefore allow if necessary, higher Concentrations of added substances. They have a high thermal stability and durability. This means that they are at the high Do not decompose vapor-phase temperatures. This will cause deposits avoided.

Wenn Verbindungen ausgewählt werden, deren Siedepunkt in einer ähnlichen Größenordnung wie bei Wasser liegt, wird eine Entmischung im Verdampfer oder Kondensator des Kreisprozesses mit der damit verbundenen verringerten Wirksamkeit vermieden. Auch führt ein zu geringer Siedepunkt des Arbeitsfluids zu Problemen bei der Kondensation. Ein zu hoher Siedepunkt verringert die Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Kondensat. Das bedeutet gleichzeitig, dass sich der Wirkungsgrad verringert.When compounds are selected whose boiling point is similar to that of water, segregation in the evaporator or condenser of the cyclic process is avoided, with the associated reduced efficiency. Also leads to a low boiling point of the working fluid to problems in the Kondensati on. Too high a boiling point reduces the temperature difference between steam and condensate. At the same time this means that the efficiency is reduced.

Das heterozyklische Atom ist vorzugsweise Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel. Das Arbeitsmedium enthält in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung 2-Methylpyridin, 3-Methylpyridin, Pyridin, Pyrrol und/oder Pyridazin als heterozyklische Verbindung. Diese haben geeignete Siedepunkte und sind bis zu sehr hohen Temperaturen thermisch stabil. Alternativ können auch Perfluorkohlenwasserstoffe mit Zersetzungstemperaturen zwischen 420°C und 480°C eingesetzt werden. Diese haben jedoch einen negativen Effekt auf die Ozonschicht der Erde (Treibhauseffekt) und sind daher aus nichttechnischen Gründen nicht besonders geeignet.The heterocyclic atom is preferably nitrogen, oxygen or Sulfur. The working medium contains in a particularly preferred embodiment 2-methylpyridine, 3-methylpyridine, Pyridine, pyrrole and / or pyridazine as a heterocyclic compound. These have suitable boiling points and are up to very high temperatures thermally stable. Alternatively you can also perfluorocarbons with decomposition temperatures between 420 ° C and 480 ° C used become. However, these have a negative effect on the ozone layer the earth (greenhouse effect) and are therefore not for non-technical reasons particularly suitable.

Durch den Zusatz heterozyklischer Verbindungen zu Wasser wird die Viskosität der Mischungen gegenüber den reinen Substanzen erhöht. Das Arbeitsmedium kann daher gleichzeitig als Schmierstoff für die beweglichen Teile des Motors, insbesondere der Kolben und/oder Lagerungen, verwendet werden. Ein solches selbstschmierendes Arbeitsmedium hat den wesentlichen Vorteil, dass auf klassische Schmiermittel verzichtet werden kann. Das bedeutet, dass Ölwechsel, Reinigung des Arbeitsmediums von mitgerissenen Schmieröltröpfchen und dergleichen nicht erforderlich sind.By the addition of heterocyclic compounds to water will increase the viscosity of the mixtures across from increased the pure substances. The working medium can therefore simultaneously as a lubricant for the mobile Parts of the engine, in particular the piston and / or bearings, are used. Such a self-lubricating working medium has the essential Advantage that can be dispensed with classic lubricant. That means that oil changes, Cleaning the working medium of entrained lubricating oil droplets and the like are not required.

Das Arbeitsmedium enthält zusätzlich ein oder mehrere mit Wasser mischbare Polymere, zum Beispiel Polyethylenglykol oder Terphenyl, tensidische und/oder sonstige organische Schmierstoffe. Dadurch wird die selbstschmierende Wirkung der Mischung aus Speisewasser und heterozyklischen Verbindungen erhöht.The Contains working medium additionally one or more water-miscible polymers, for example polyethylene glycol or terphenyl, surfactant and / or other organic lubricants. Thereby becomes the self-lubricating effect of the mixture of feed water and heterocyclic compounds.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend näher erläutert.refinements The invention are the subject of the dependent claims. An embodiment is below explained.

In 1 ist schematisch der Dampfkreisprozess 10 einer Rotationskolben-Expansionsmaschine 10 dargestellt. Der Dampfkreisprozess umfasst eine Expansionsmaschine 14 und einen Durchlaufdampferzeuger 12. Der Durchlaufdampferzeuger 12 ist mit dem heißen Rauchgas eines Brenners beaufschlagt. Der Kreisprozess umfasst weiterhin eine drehzahlregelbare Speisewasserpumpe 16 und einen Kondensator 18. Der Durchlaufdampferzeuger 12 ist von Arbeitsmedium in Form von Speisewasser bzw. Speisewasserdampf mit einigen Zusätzen durchflossen. Das Arbeitsmedium steht dabei unter einem erhöhten Druck, welcher von einer Pumpe 16 erzeugt wird. Dem Wasser oder Wasserdampf wird eine Wärmemenge ΦH aus dem Rauchgas zugeführt. Dadurch wird der Wasserdampf stark überhitzt, d.h. auf eine hohe Temperatur und ein höheres Druckniveau gebracht. Die innere Energie steigt. In einer Rotationskolbenmaschine 14 wird der Wasserdampf entspannt. Dabei sinkt der Druck wieder auf ein niedrigeres Druckniveau. Bei dieser Entspannung wird Arbeit frei. Der entspannte Wasserdampf wird dann einem Kondensator 18 zugeführt, in welchem er kondensiert wird, damit das Wasser für den Kreisprozess weiter zur Verfügung steht. Dabei wird die Wärmemenge Φc frei, die zum Beispiel für Wärmezwecke genutzt werden kann. Das kondensierte Wasser wird erneut der Pumpe 16 zugeführt.In 1 is schematically the steam cycle process 10 a rotary piston expansion machine 10 shown. The steam cycle process includes an expansion engine 14 and a continuous steam generator 12 , The continuous steam generator 12 is acted upon by the hot flue gas of a burner. The cycle also includes a variable speed feedwater pump 16 and a capacitor 18 , The continuous steam generator 12 is traversed by working medium in the form of feed water or feed water vapor with some additives. The working fluid is under an increased pressure, which of a pump 16 is produced. The water or steam, a quantity of heat Φ H is supplied from the flue gas. As a result, the water vapor is greatly overheated, that is brought to a high temperature and a higher pressure level. The inner energy increases. In a rotary piston machine 14 the steam is released. The pressure drops back to a lower pressure level. With this relaxation, work becomes free. The relaxed water vapor then becomes a condenser 18 in which it is condensed, so that the water for the cycle continues to be available. In this case, the amount of heat Φ c is released, which can be used for example for heat purposes. The condensed water is returned to the pump 16 fed.

Das Arbeitsmedium ist ein Gemisch aus 10 Gew.-% Wasser, 89 Gew-% 2-Methylpyridin und 1 Gew.-% Polyethylenglykol. Diese Mischung siedet bei einer Temperatur von etwa 95°C. Sie ist bis zu einer Temperatur oberhalb von 400°C thermisch stabil. Es kann also bei einer großen Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Kondensat gearbeitet werden, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.The Working medium is a mixture of 10 wt .-% water, 89% by weight of 2-methylpyridine and 1% by weight of polyethylene glycol. This mixture boils at a temperature from about 95 ° C. It is thermally stable up to a temperature above 400 ° C. It can So with a big one Temperature difference between steam and condensate are worked, whereby a high efficiency is achieved.

Das Arbeitsmedium gefriert bei einer Temperatur unterhalb von –40°C. Der Kreisprozess kann also auch in Anlagen im Freien eingesetzt werden, die nicht kontinuierlich arbeiten, wie dies bei Hilfsaggregaten für Kraftfahrzeuge der Fall ist. The Working medium freezes at a temperature below -40 ° C. The cycle process So it can also be used in outdoor facilities that are not work continuously, as with auxiliary equipment for motor vehicles the case is.

In 2 ist ein Graph dargestellt, der den Verlauf der Gefrierpunktstemperatur über dem Anteil an 2-Methylpyridin darstellt. Man erkennt deutlich, dass der Gefrierpunkt oberhalb eines Anteils von etwa 60 Gew.-% stark abfällt. Je nach erwarteter minimaler Umgebungstemperatur kann entsprechend der Anteil des zugesetzten 2-Methylpyridins eingestellt werden.In 2 is a graph showing the course of the freezing point temperature over the proportion of 2-methylpyridine. It can be clearly seen that the freezing point falls sharply above a level of about 60% by weight. Depending on the expected minimum ambient temperature can be adjusted according to the proportion of added 2-methylpyridine.

Claims (5)

Hilfsaggregat für Kraftfahrzeuge, enthaltend einen Dampfkreisprozess mit einem Dampferzeuger, in welchem thermische Energie auf ein Arbeitsmedium übertragbar ist und einer Kraftmaschine, in welcher die in dem Arbeitsmedium enthaltene thermische Energie in mechanische Arbeit umwandelbar ist, wobei das Arbeitsmedium wenigstens eine heterozyklische Verbindung enthält und das Arbeitsmedium zusätzlich ein oder mehrere mit Wasser mischbare Polymere, tensidische und/oder sonstige organische Schmiermittel enthält.Auxiliary unit for motor vehicles, containing a Steam cycle process with a steam generator in which thermal Energy transferable to a working medium and an engine, in which the in the working medium contained thermal energy is convertible into mechanical work, wherein the working medium at least one heterocyclic compound contains and the working medium in addition one or more water-miscible polymers, surface-active and / or Contains other organic lubricants. Hilfsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium ein Gemisch ist, welches Wasser und heterozyklische aromatische Verbindungen enthält, wobei das Wasser in einer Menge zwischen 5 und 95 Gew.-% und die heterozyklischen Verbindungen in einer Menge zwischen 5 und 95 Gew.-% vorliegen.Auxiliary unit according to claim 1, characterized that the working medium is a mixture which is water and heterocyclic contains aromatic compounds, wherein the water in an amount between 5 and 95 wt .-% and the heterocyclic compounds in an amount between 5 and 95% by weight available. Hilfsaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium 2-Methylpyridin, 3-Methylpyridin, Pyridin, Pyrrol und/oder Pyridazin als heterozyklische Verbindung enthält.Auxiliary unit according to claim 1 or 2, characterized that the working medium 2-methylpyridine, 3-methylpyridine, pyridine, Pyrrole and / or pyridazine contains as a heterocyclic compound. Dampfkreisprozess nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer Polyethylenglykol oder ein Polyphenyl, insbesondere Terphenyl ist.Steam cycle process according to one of the preceding claims, characterized in that the polymer is polyethylene glycol or a polyphenyl, especially terphenyl. Verwendung von heterozyklischen aromatischen Verbindungen, insbesondere 2-Methylpyridin, in einem Arbeitsmedium für Dampfkreisprozesse nach einem der vorgehenden Ansprüche.Use of heterocyclic aromatic compounds, in particular 2-methylpyridine, in a working medium for Steam cycle processes according to one of the preceding claims.
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