Die Erfindung betrifft eine Brayton-Kreisprozess-Maschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Brayton-Kreisprozess-Maschine.

Der grundsätzliche Aufbau einer Brayton-Kreisprozess-Maschine ist aus der Pra- xis bekannt. So verfügt eine Brayton-Kreisprozess-Maschine über einen Verdich- ter, der eingerichtet ist, gasförmiges Arbeitsmedium ausgehend von einem Ein- gangsdruck des Verdichters auf einen Ausgangsdruck des Verdichters zu verdich- ten. Ferner verfügt eine Brayton-Kreisprozess-Maschine über einen ersten Wär- metauscher, der eingerichtet ist, stromabwärts des Verdichters Wärme aus dem gasförmigen, verdichteten Arbeitsmedium auszukoppeln. Ein Expander der Bray- ton-Kreisprozess-Maschine ist eingerichtet, stromabwärts des ersten Wärmetau- schers das Arbeitsmedium zu entspannen, wobei stromabwärts des Expanders die Brayton-Kreisprozess-Maschine einen zweiten Wärmetauscher aufweist, der eingerichtet ist, stromabwärts des Expanders Wärme in das gasförmige Arbeits- medium einzukoppeln. Das Arbeitsmedium liegt während des gesamten Kreispro- zesses in einem gasförmigen Aggregatzustand vor, wobei es sich beim Arbeits- medium um Luft, CO2 oder auch Argon handeln kann. Bei aus der Praxis bekann- ten Brayton-Kreisprozess-Maschinen ist der Verdichter als Turboverdichter ausge- führt. Damit können bei aus der Praxis bekannten Brayton-Kreisprozess- Maschinen stromabwärts des Verdichters Verdichtungsendtemperaturen von ma- ximal 450°C realisiert werden.

Es besteht Bedarf an einer Brayton-Kreisprozess-Maschine, mit welcher höhere Verdichtungstemperaturen realisiert werden können. Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Brayton-Kreisprozess-Maschine und ein Verfahren zum Betreiben derselben zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Brayton-Kreisprozess-Maschine nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist der Verdichter ein Hubkolbenverdichter mit mindes- tens einem Zylinder. Erfindungsgemäß ist der Verdichter ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Zylinder. Hierdurch ist es möglich, höhere Verdichtungsend- temperaturen von bis zu 600°C oder bis zu 800°C zu realisieren.

Vorzugsweise weist die Brayton-Kreisprozess-Maschine einen dritten Wärmetau- scher auf, der eingerichtet ist, stromaufwärts des Verdichters Restwärme des über den ersten Wärmetauscher geführten Arbeitsmediums in das zu verdichtende Ar- beitsmedium einzukoppeln. Insbesondere ist der dritte Wärmetauscher Bestandteil eines Sekundärkreislaufs, der einen weiteren Wärmetauscher aufweist, wobei der weitere Wärmetauscher eingerichtet ist, stromabwärts des ersten Wärmetauscher Restwärme des Arbeitsmediums in ein Prozessmedium des Sekundärkreislaufs einzukoppeln, und wobei der dritte Wärmetauscher eingerichtet ist, stromaufwärts des Verdichters die Restwärme des über den ersten Wärmetauscher geführten Arbeitsmediums in das zu verdichtende Arbeitsmedium einzukoppeln. Hiermit kann die Effizienz der Brayton-Kreisprozess-Maschine weiter gesteigert werden.

Vorzugsweise ist der Hubkolbenverdichter von einem Motor angetrieben und mit dem Expander insbesondere über ein Getriebe und/oder eine Kupplung gekoppelt. Der Expander kann zur Unterstützung des Motors genutzt werden. Es ist ein effi- zienter Betrieb der Brayton-Kreisprozess-Maschine möglich.

Vorzugsweise weist die Brayton-Kreisprozess-Maschine ein eine Injektionseinrich- tung für Wasser auf, die eingerichtet ist, stromabwärts des Expanders und strom- aufwärts des zweiten Wärmetauschers Wasser und/oder im Bereich des zweiten Wärmestauschers Wasser in das zu verdichtende Arbeitsmedium zu injizieren. Es ist möglich, den Brayton-Kreisprozess mit feuchter Luft zu betreiben, um die Effizi- enz des Kreisprozesses weiter zu steigern. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brayton-Kreisprozess- Maschine ist in Anspruch 10 definiert.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü- chen und der nachfolgenden Beschreibung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 : ein Blockschaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Brayton- Kreisprozess-Maschine,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Brayton- Kreisprozess-Maschine,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer dritten erfindungsgemäßen Brayton- Kreisprozess-Maschine.

Die Erfindung eine Brayton-Kreisprozess-Maschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brayton-Kreisprozess-Maschine.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Brayton-Kreisprozess-Maschine 10, wobei die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 über einen Verdichter 11 verfügt, der einge- richtet ist, gasförmiges Arbeitsmedium ausgehend von einem Eingangsdruck des Verdichters 11 auf einen Ausgangsdruck desselben zu verdichten.

Die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 verfügt ferner über einen ersten Wärme- tauscher 12, der eingerichtet ist, stromabwärts des Verdichters 11 Wärme aus dem gasförmigen, verdichteten Arbeitsmedium auszukoppeln. Ferner verfügt die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 über einen Expander 13, der eingerichtet ist, stromabwärts des ersten Wärmetauschers 12 das gasförmige Arbeitsmedium zu entspannen. Der Exapnder 13 kann auch als Turbine bezeich- net werden.

Stromabwärts des Expanders 13 und stromaufwärts des Verdichters 11 umfasst die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 über einen zweiten Wärmetauscher 14, der eingerichtet ist, stromabwärts des Expanders 13 Wärme in das gasförmige Ar- beitsmedium einzukoppeln.

Während des gesamten Kreisprozesses liegt das Arbeitsmedium, bei welchem es sich um Luft, CO2 oder auch Argon handeln kann, in einem gasförmigen Zustand vor.

Der Verdichter 11 ist erfindungsgemäß ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Zylinder 15. Fig. 1 zeigt lediglich exemplarisch einen Zylinder 15 sowie ei- nen Kolben 16 im Bereich des Zylinders 15. Der Hubkolbenverdichter 11 ist aus- gehend von einem Motor 17 antreibbar. Ebenso kann der Hubkolbenverdichter 11 ausgehend vom Expander 13 zur Unterstützung des Motors 17 angetrieben wer- den, wobei zwischen dem Expander 13 und den Hubkolbenverdichter 11 ein nicht gezeigtes Getriebe und/oder eine nicht gezeigte Kupplung geschaltet sein kann oder eine elektrische Verschaltung von Tubinen-Generator und Verrdichter-Motor.

Dadurch, dass als Verdichter ein Hubkolbenverdichter 11 genutzt wird, können hohe Verdichtungsendtemperaturen stromabwärts des Verdichters 11 von bis zu 600 C oder bis zu 800°C realisiert werden. Als Hubkolbenverdichter 11 kann auf einen Hubkolbenverbrennungsmotor zurückgegriffen werden, in dem dann jedoch kein Kraftstoff verbrannt wird, vielmehr wird in den Zylindern 15 desselben dann ausschließlich das Arbeitsmedium verdichtet. Wie bereits ausgeführt, ist der Hubkolbenverdichter 11 ausgehend vom Motor 17 angetrieben. Im Bereich des zweiten Wärmetauschers 14 wird das zu verdichteten Arbeitsmedium vorgewärmt, über den Hubkolbenverdichter 11 angesaugt und bis auf einen Zieldruck und damit eine Zieltemperatur verdichtet.

Über einen stromabwärts des Hubkolbenverdichters 11 angeordneten Ölfilter oder Ölabscheider 18 kann Öl aus dem Arbeitsmedium entfernt werden.

Im ersten Wärmetauscher 12 kann Wärme aus dem Arbeitsmedium ausgekoppelt werden, insbesondere als Nutzwärme an Dampf, Thermo-Öl, Luft oder Flüssigsalz übertragen werden.

Die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 der Fig. 1 weist einen dritten Wärmetau- scher 19 auf, der eingerichtet ist, stromaufwärts des Verdichters 11 Restwärme des über den ersten Wärmetauscher 12 geführten gasförmigen Arbeitsmediums in das zu verdichtende gasförmige Arbeitsmedium einzukoppeln. Dabei gelangt dann in Fig. 1 das über die beiden Wärmetauscher 12 und 19 geführte Arbeitsmedium anschließend in den Bereich des Expanders 13.

Wie bereits ausgeführt, kann der Expander 13 bei der Entspannung des gasförmi- gen Arbeitsmediums gewonnene Energie zum Antreiben des Hubkolbenverdich- ters 11 nutzen, wozu der Expander 13 elektrisch und/oder mechanisch, insbeson- dere über ein nicht gezeigtes Getriebe und/oder eine nicht gezeigte Kupplung, mit dem Hubkolbenverdichter 11 gekoppelt sein kann.

Bei der Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 ist in Strömungsrichtung des Arbeits- mediums gesehen stromaufwärts des dritten Wärmetauschers 19 und stromab- wärts des zweiten Wärmetauschers 14 ein weiterer Wärmetauscher 20 angeord- net, der eingerichtet ist, Wärme eines Schmiermediums und/oder eines Kühlmedi- ums des Hubkolbenverdichters 11 in das zu Arbeitsmedium einzukoppeln Hierdurch ist es möglich, einen effektiven Kühlmechanismus für den Hubkolben- verdichter 11 , der hohen Temperaturen ausgesetzt ist, bereitzustellen. Wärme des Schmiermediums und/oder Kühlmediums kann aus dem Gehäuse des Hubkol- benverdichters 11 abgeführt und über den weiteren Wärmetauscher 20 in das zu verdichtende, gasförmige Arbeitsmedium eingekoppelt werden.

Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung der Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 der Fig. 1 , wobei in Fig. 2 der dritte Wärmetauscher 19 Bestandteil eines Sekundärkreislaufs 21 ist, in den ein weiterer Wärmetauscher 22 eingebunden ist. Der weitere Wär- metauscher 22 ist eingerichtet, stromabwärts des ersten Wärmetauschers 12 Restwärme des Arbeitsmediums in ein Prozessmedium des Sekundärkreislaufs 21 einzukoppeln. Der dritte Wärmetauscher 19 ist dann eingerichtet, stromaufwärts des Verdichters 11 die Restwärme des Arbeitsmediums, die in das Prozessmedi- um eingekoppelt wurde, in das gasförmige, zu verdichtende Arbeitsmedium stromaufwärts des Verdichters 11 einzukoppeln. Dabei ist gemäß Fig. 2 in den Sekundärkreis eine Pumpe 23 integriert. Bei dem Prozessmedium des Sekundär- kreises 21 , welches auch als T ransferfluid bezeichnet werden kann, kann es sich um Thermo-Öl oder auch um Wasser handeln. Fig. 2 zeigt weiterhin ein Druckhal- tesystem 24 für den Sekundärkreislauf 21 . Über das Druckhaltesystem 24 kann der Druck im Sekundärkreislauf 21 geregelt werden.

Wie bereits ausgeführt, handelt es sich bei den Verdichtern 11 der Brayton- Kreisprozess-Maschinen 10 der Fig. 1 und 2 um Hubkolbenverdichter. Diese ver- fügen über mindestens einen Zylinder 15 mit einem im Zylinder 15 auf und ab be- wegbaren Kolben 16. Dabei kann es sich bei dem Hubkolbenverdichter 11 um Baugruppen eines Hubkolbenverbrennungsmotors handeln, der jedoch nicht zur Verbrennung von Kraftstoff genutzt wird, sondern lediglich zur Verdichtung des Arbeitsmediums, wobei der Hubkolbenverdichter 11 ausgehend vom Motor 17 ge- gebenenfalls unterstützt durch den Expander 13 angetrieben wird. Die Wärmetauscher 19 und 20 können dabei von Ladeluftkühlern eines Hubkol- benverbrennungsmotors bereitgestellt werden. Auch die anderen Wärmetauscher 12, 14 und 22 können in der Technologie von Ladeluftkühlern von Hubkolbenver- brennungsmotors ausgeführt werden. Hierdurch ist dann ein kompakter, einfacher Aufbau der Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 möglich.

Es ist möglich, ein Modul, welches den Expander 13 und sämtliche Wärmetau- scher 12, 14, 20, 19 und 22 umfasst, als Einheit zusammenzufassen und am Ge- häuse des Hubkolbenverdichters zu verbauen. Ein solches Moduls aus dem Ex- pander 13 und den Wärmetauschern 12, 19, 20, 14 und 22 kann kompakt ausge- führt und am Gehäuse des Hubkolbenverdichters 11 verbaut sein.

Fig. 3 zeigt eine weitere Abwandlung der Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 der Fig. 1 , wobei die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 der Fig. 3 eine Injektionsein- richtung 25 aufweist, die eingerichtet ist, stromabwärts des Expanders 13 und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 14 Wasser in das zu verdichtende, gasförmige Arbeitsmedium zu injizieren, und zwar gemäß Fig. 3 unmittelbar vor dem zweiten Wärmetauscher 14 und/oder im Bereich des zweiten Wärmetau- schers 14. So zeigt Fig. 3 eine Düse 26 zur Injektion des Wassers in das gasför- mige Arbeitsmedium unmittelbar stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 14 und einen Injektor 27 für eine Injektion des Wassers in das gasförmige Arbeitsme- dium unmittelbar im zweiten Wärmetauscher 14.

In der Variante der Fig. 3 wird also die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 mit feuchter Luft betrieben. Hierbei wird stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 14 und/oder unmittelbar im Bereich des zweiten Wärmetauschers 14 Wasser in das gasförmige Arbeitsmedium injiziert, und zwar maximal so viel Wasser, dass stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 14 und stromaufwärts des Hubkol- benverdichters 11 voll gesättigtes Arbeitsmedium mit einer Feuchtigkeit von ma- ximal 100% vorliegt. Fig. 3 zeigt stromabwärts des Expanders 13 einen Kondensatabscheider 28, über welchen stromabwärts des Expanders 13 anfallendes Kondensat aus dem gas- förmigen Arbeitsmedium abgeschieden werden kann, um dasselbe in einem Tank 29 zu sammeln und über eine Pumpe 30 wiederum der Injektionseinrichtung 25 zur Verfügung zu stellen. Insbesondere kann durch eine direkte Verschaltung mit kurzen Leitungswegen auf den Kondensatabscheider 28 und/oder die Injektions- einrichtung 25 verzichtet werden. Es bilden sich Flüssigkeitströpfchen aus, die im Strom des Arbeitsmediums mitgerissen werden und im nachfolgenden zweiten Wärmetauscher 14 von dem gasförmigen Arbeitsmedium aufgenommen werden. Somit benötigt die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 eigentlich keine Injektions- einrichtung 25 und keine Kondensatabscheidung 28. Zum Anfahren der Brayton- Kreisprozess-Maschine 10 und zum Nachregeln der Feuchtigkeit sind die Injekti- onseinrichtung 25 und die Kondensatabscheidung 28 jedoch von Vorteil. Die Ein- düsung oder Injektion von Wasser in das gasförmige Arbeitsmedium kann zum Anfahren auch an einer anderen Stelle im Kreisprozess vorgesehen sein.

Je mehr Wasser in Fig. 3 in das Arbeitsmedium der Brayton-Kreisprozess- Maschine 10 injiziert wird, desto höher ist die Effizienz des Kreisprozesses. Zu- sätzlich kann die Eindüsung des Wassers zur Regelung der Austrittstemperatur des Expanders 13 genutzt werden, um zum Beispiel eine Vereisung im Bereich des Expanders 13 zu vermeiden. Je mehr Wasser in das Arbeitsmedium injiziert wird, desto höher ist die Austrittstemperatur des Expanders 13.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brayton- Kreisprozess-Maschine 10, nämlich der Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 der Fig. 3, bei welchem Wasser in das gasförmige Arbeitsmedium stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 14 und/oder im Bereich des zweiten Wärmetauschers 14 in das gasförmige Arbeitsmedium injiziert wird. Dies kann gesteuert und/oder geregelt erfolgen, insbesondere abhängig von einer gemessenen Austrittstempe- ratur des Expanders 13. Abhängig von der Austrittstemperatur des Expanders 13 kann die Menge des injizierten Wassers eingestellt werden, um ein Vereisen des Expanders 13 auszuschließen. Bezugszeichenliste

10 Brayton-Kreisprozess-Maschme

11 Verdichter

12 Wärmetauscher

13 Expander

14 Wärmetauscher

15 Zylinder

16 Kolben

17 Motor

18 Ölabscheider/Ölfilter

19 Wärmetauscher

20 Wärmetauscher

21 Sekundärkreislauf

22 Wärmetauscher

23 Pumpe

24 Druckhaltesystem

25 Injektionseinrichtung

26 Düse

27 Injektor

28 Kondensatabscheider

29 Tank

30 Pumpe