DE102019213957B4

DE102019213957B4 - Energiewandlungsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer solchen Energiewandlungsanordnung

Info

Publication number: DE102019213957B4
Application number: DE102019213957.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kottke; Horst Weidele; Christoph Hirschle; Philippe Gorse; Gottfried Kreml; Manuel Boog; Georg Fink
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2039-09-13
Also published as: DE102019213957A1; WO2021047889A1

Abstract

Energiewandlungsanordnung (1), mit- einer Energiewandlungseinrichtung (3), die eingerichtet ist zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische und/oder mechanische Energie,- einer ersten Stoffzufuhreinrichtung (5) zum Zuführen eines ersten Stoffstroms (9) zu der Energiewandlungseinrichtung (3),- einer zweiten Stoffzufuhreinrichtung (7) zum Zuführen eines zweiten Stoffstroms (11) zu der Energiewandlungseinrichtung (3), wobei- die erste Stoffzufuhreinrichtung (5) eingerichtet ist, um einen ersten Stoff des ersten Stoffstroms (9) von einem ersten, höheren Druckniveau auf ein zweites, niedrigeres Druckniveau zu entspannen, mit- einer Nutzungseinrichtung (12), die eingerichtet ist, um die Entspannung des ersten Stoffs thermisch und/oder mechanisch zu nutzen, mit- einer Fluidkraftmaschine (16), wobei die Fluidkraftmaschine (16) der ersten Stoffzufuhreinrichtung (5) derart zugeordnet ist, dass der erste Stoff über der Fluidkraftmaschine (16) oder stromaufwärts der Fluidkraftmaschine (16) im Betrieb der Energiewandlungsanordnung (1) entspannt wird, und mit- einem Verdichter (19), wobei der Verdichter (19) der zweiten Stoffzufuhreinrichtung (11) derart zugeordnet ist, dass ein zweiter Stoff des zweiten Stoffstroms (11) in dem Verdichter (19) im Betrieb der Energiewandlungsanordnung (1) verdichtet wird, gekennzeichnet durch- wenigstens ein Wärmeleitelement (37), wobei die Fluidkraftmaschine (16) und der Verdichter (19) über das wenigstens eine Wärmeleitelement (37) thermisch miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiewandlungsanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Energiewandlungsanordnung.
Eine solche Energiewandlungsanordnung weist eine Energiewandlungseinrichtung auf, sowie eine erste Stoffzufuhreinrichtung, die eingerichtet ist zum Zuführen eines ersten Stoffstroms zu der Energiewandlungseinrichtung, und eine zweite Stoffzufuhreinrichtung, die eingerichtet ist zum Zuführen eines zweiten Stoffstroms zu der Energiewandlungseinrichtung. Die Energiewandlungseinrichtung ist eingerichtet zur Umwandlung von chemischer Energie, insbesondere chemischer Energie des zweiten Stoffstroms und/oder des ersten Stoffstroms, in elektrische und/oder mechanische Energie. Weist der erste Stoffstrom einen in der ersten Stoffzufuhreinrichtung zumindest bereichsweise gasförmigen Stoff auf, kann es nötig sein, diesen von einem ersten, höheren Druckniveau auf ein zweites, niedrigeres Druckniveau zu entspannen. Dies wird typischerweise in einer Gasregelstrecke durchgeführt, die eine Mehrzahl von hintereinandergeschalteten Ventilen zur Entspannung des gasförmigen ersten Stoffs aufweist. Eine derart ausgestaltete Energiewandlungsanordnung ist daher bezüglich ihrer Effizienz verbesserungsfähig.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 54 637 A1 geht eine Brennstoffbereitstellungseinheit sowie ein Verfahren zur Bereitstellung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs eines Brennstoffenergiewandlers zur chemischen Umformung und Energiewandlung des Brennstoffs mit einem Brennstoffdruckspeicher zur Speicherung des mit Druck beaufschlagten Brennstoffs hervor. Weiterhin ist wenigstens eine separate Druckenergieverwertungseinheit zur Umwandlung und Verwertung von Druckenergie des Brennstoffs vorgesehen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 010 264 A1 geht eine Brennstoffanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit und/oder Brennkraftmaschine hervor. Die Brennstoffanlage weist außerdem eine Brennstoffzuführvorrichtung zum Zuführen von mit Druck beaufschlagtem Brennstoff zur Brennstoffzelleneinheit und/oder Brennkraftmaschine auf. Die Brennstoffzuführvorrichtung umfasst wenigstens eine Druckenergieverwertungseinheit zur Umwandlung und Verwertung von Druckenergie des Brennstoffs. Zudem ist die Druckenergieverwertungseinheit als eine wenigstens zwei vom Brennstoff angeströmte, in Bewegung versetzte und ineinander verzahnte Zahnräder umfassende Zahnradmaschine zur Erzeugung von mechanischer Energie ausgebildet.
Weiterhin geht aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2017 215 400 A1 ein Brennstoffzellensystem zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff für mindestens einen elektrischen Verbraucher hervor. Bei dem elektrischen Verbraucher ist ein Brennstoffzellenwandler in einen Hochtemperaturkreislauf des Brennstoffzellensystems stromabwärts eines Wasserstoffwärmetauschers angeordnet und von einem Fluid des Hochtemperaturkreislaufs thermisch regulierbar. Darüber hinaus ist ein Verfahren zum thermischen Regulieren eines Hochtemperaturkreislaufs eines Brennstoffzellensystems offenbart.
Die deutsche Patentschrift DE 10 2007 046 056 B4 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das einen Wärmetauscher und einen Ladeluftkühler zur Reduzierung der Temperatur der Kathodeneinlassluft zu einem Brennstoffzellenstapel bei bestimmten Systembetriebsbedingungen verwendet, so dass die Kathodeneinlassluft in der Lage ist, mehr Feuchtigkeit in einer Wasserdampfübertragungseinheit zu absorbieren. Das System kann ein Ventil aufweisen, das den Wärmetauscher selektiv umgeht, wenn die Kathodeneinlassluft nicht gekühlt werden muss, um die Einlassfeuchteanforderungen zur erfüllen. Alternativ dazu kann der Ladeluftkühler durch eine Umgebungsluftströmung gekühlt werden.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2014 209 506 A1 geht eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung hervor. Zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung ist eine Wärmeübertragungseinrichtung vorgesehen, die einen Kathodengaszuflusspfad der Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Kathodengasabflusspfad der Brennstoffzellenvorrichtung Wärme übertragend verbindet.
Darüber hinaus ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2015 205 933 A1 ein Wärmeübertrager oder Chiller bekannt. Dieser umfasst einen Wärmeübertragerblock mit einem ersten Fluidkanal für ein Kühlmittel und einen zweiten Fluidkanal für ein Kältemittel. Weiterhin umfasst der Wärmeübertrager oder Chiller ein Expansionsventil zur Regelung eines Massenstroms des Kältemittels und einen Anschlussflansch mit einem Einlassventil und einem Auslassventil für das Kältemittel, wobei der Einlasskanal in einem Übergangsbereich mit dem zweiten Fluidkanal verbunden ist. Dabei ist das Expansionsventil als elektronisches Expansionsventil ausgebildet. Zudem weist der Anschlussflansch eine mit dem Übergangsbereich des Einlasskanals kommunizierende Einstecköffnung auf, in welche das Expansionsventil derart eingesteckt ist, dass es einen Massenstrom des Kältemittels im Übergangsbereich reguliert und ein Verdampfen des Kältemittels erst im zweiten Fluidkanal des Wärmeübertragers oder Chillers erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energiewandlungsanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Energiewandlungsanordnung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Energiewandlungsanordnung geschaffen wird, bei welcher die erste Stoffzufuhreinrichtung eingerichtet ist, um den ersten Stoff des ersten Stoffstroms von dem ersten, höheren Druckniveau auf das zweite, niedrigere Druckniveau zu entspannen, wobei die Energiewandlungsanordnung eine Nutzungseinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um die Entspannung des ersten Stoffstroms thermisch und/oder mechanisch zu nutzen. Weiterhin weist die Nutzungseinrichtung eine Fluidkraftmaschine, die der ersten Stoffzufuhreinrichtung derart zugeordnet ist, dass der erste Stoff über der Fluidkraftmaschine oder stromaufwärts der Fluidkraftmaschine im Betrieb der Energiewandlungsanordnung entspannt wird, einen Verdichter, der der zweiten Stoffzufuhreinrichtung derart zugeordnet ist, dass ein zweiter Stoff des zweiten Stoffstroms in dem Verdichter im Betrieb der Energiewandlungsanordnung verdichtet wird, und wenigstens ein Wärmeleitelement auf. Zusätzlich sind die Fluidkraftmaschine und der Verdichter über das wenigstens eine Wärmeleitelement thermisch miteinander verbunden.
Somit können ohnehin bei der notwendigen Entspannung des ersten Stoffstroms auftretende Effekte vorteilhaft genutzt werden, wodurch die Effizienz der Energiewandlungsanordnung bevorzugt verbessert ist.
Darüber hinaus ist es somit in vorteilhafter Weise möglich, zugleich Arbeit an dem zweiten Stoffstrom zu leisten, wobei Energie hierfür dem ersten Stoffstrom entzogen wird, und dem zweiten Stoffstrom Wärme zu entziehen, die in vorteilhafter Weise dem ersten Stoffstrom zugeführt werden kann. Weiterhin ist diese Ausgestaltung besonders einfach, insbesondere bedarf es keines zusätzlichen Wärmetauschers oder einer komplizierten Strömungsführung, wenn die Fluidkraftmaschine und der Verdichter thermisch miteinander verbunden sind. Besonders bevorzugt sind die Fluidkraftmaschine und der Verdichter über wenigstens ein Wärmeleitblech, vorzugsweise über eine Mehrzahl von Wärmeleitelementen, insbesondere über eine Mehrzahl von Wärmeleitblechen, oder Heat Pipes als dem wenigstens einen Wärmeleitelement thermisch miteinander verbunden. Dies stellt eine ebenso einfache wie kostengünstige Ausgestaltung der Energiewandlungsanordnung dar.
Unter einer thermischen Nutzung der Entspannung des ersten Stoffstroms ist hier insbesondere eine wärmetechnische, insbesondere eine wärmeübertragende Nutzung der Entspannung zu verstehen. Dabei schließt eine wärmetechnische Nutzung auch eine kältetechnische Nutzung ein. Insbesondere wird die Entspannung des ersten Stoffstroms bevorzugt genutzt, um eine Wärmesenke bereitzustellen, insbesondere um einen anderen Medienstrom, sei es der zweite Stoffstrom oder ein Kühlmittelstrom, zu kühlen.
Unter einer mechanischen Nutzung der Entspannung des ersten Stoffstroms wird insbesondere verstanden, dass durch die Entspannung des ersten Stoffstroms oder aufgrund der Entspannung des ersten Stoffstroms oder mittels der Entspannung des ersten Stoffstroms Arbeit geleistet wird.
Die erste Stoffzufuhreinrichtung ist bevorzugt ein erster Fluidpfad, durch den der erste Stoffstrom der Energiewandlungseinrichtung zugeführt wird. Entlang des ersten Fluidpfads oder in dem ersten Fluidpfad sind bevorzugt weitere Elemente angeordnet, insbesondere die Nutzungseinrichtung oder Teile der Nutzungseinrichtung. Die zweite Stoffzufuhreinrichtung ist bevorzugt ein zweiter Fluidpfad, durch den der zweite Stoffstrom der Energiewandlungseinrichtung zugeführt wird. Entlang des zweiten Fluidpfads oder in dem zweiten Fluidpfad sind bevorzugt weitere Elemente angeordnet, insbesondere gegebenenfalls Teile der Nutzungseinrichtung.
Vorzugsweise ist der erste Stoffstrom zumindest bereichsweise gasförmig. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Stoff um einen Stoff, der unter Normalbedingungen, das heißt insbesondere bei 25 °C und 1013 mbar, gasförmig ist.
Besonders bevorzugt ist der erste Stoff ein Brenngas. Unter einem Brenngas wird insbesondere ein brennbares Gas oder ein brennbares Gasgemisch verstanden, wobei ein brennbares Gasgemisch wenigstens ein brennbares Gas in einer Konzentration aufweist, die eine Verbrennung des brennbaren Gases erlaubt. Der erste Stoff kann insbesondere eine Substanz aufweisen oder aus einer Substanz bestehen, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus Wasserstoff, Methan, Propan und Butan. Der erste Stoff ist vorzugsweise ein Brenngas oder weist ein Brenngas auf, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Erdgas; komprimiertem Erdgas (Compressed Natural Gas - CNG); verflüssigtem Erdgas (Liquefied Natural Gas - LNG); Biogas; Klärgas; Deponiegas; Sondergas; einem Prozessgas der chemischen Industrie, der Montanindustrie, der Hüttenindustrie und/oder der metallerzeugenden Industrie, insbesondere aus der Stahl- oder Aluminiumerzeugung; einem Fackelgas; einem Rohstoffbegleitgas; einem Sondergas; und einem Schwachgas.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Energiewandlungseinrichtung eine Brennstoffzelle. Unter einer Brennstoffzelle wird insbesondere eine Energiewandlungseinrichtung verstanden, die eingerichtet ist zur elektrochemischen Umsetzung von Wasserstoff oder einer Wasserstoffvorläufersubstanz, beispielsweise Methan, mit Sauerstoff zu Wasser unter Gewinnung von elektrischer Leistung.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist die Energiewandlungseinrichtung eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine zum Betrieb mit einem Brenngas eingerichtete Brennkraftmaschine, insbesondere ein Gasmotor. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt eingerichtet zur inneren Verbrennung, insbesondere als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist aber auch möglich, dass die Brennkraftmaschine eine Turbine, eine Rotationskolbenmaschine oder eine andere geeignete Brennkraftmaschine ist. Die Brennkraftmaschine kann auch eingerichtet sein zur äußeren Verbrennung, wobei sie beispielsweise als Stirlingmotor oder Dampfmaschine ausgebildet sein kann.
Die Energiewandlungsanordnung weist bevorzugt eine Druckquelle für den ersten Stoffstrom auf. Die Druckquelle ist dabei eingerichtet, um den ersten Stoffstrom unter Druck, insbesondere auf dem ersten, höheren Druckniveau, bereitzustellen. Bevorzugt ist die Druckquelle ein Vorratsbehälter, insbesondere Drucktank, insbesondere Druckgastank oder Druckflasche, insbesondere Druckgasflasche, für den ersten Stoffstrom. Die Druckquelle kann aber auch eine Druckleitung, insbesondere Druckgasleitung, beispielsweise eines Versorgungsnetzes, sein.
Vorzugsweise ist die Energiewandlungsanordnung frei von einer Gasregelstrecke für den ersten Stoffstrom. In vorteilhafter Weise bedarf es keiner solchen zusätzlichen Gasregelstrecke, da die erste Stoffzufuhreinrichtung mit der Nutzungseinrichtung oder durch die Nutzungseinrichtung, gegebenenfalls mit einem zusätzlich vorgesehenen Entspannungsventil stromaufwärts der Nutzungseinrichtung, hinreichend zur Entspannung des ersten Stoffstroms eingerichtet ist.
Es ist aber möglich, dass die Energiewandlungsanordnung zusätzlich zu der Nutzungseinrichtung noch eine Gasregelstrecke oder zumindest ein Element einer Gasregelstrecke aufweist. Insbesondere ist es möglich, dass stromabwärts der Nutzungseinrichtung und stromaufwärts der Energiewandlungseinrichtung - entlang eines Strömungspfads für den ersten Stoffstrom gesehen -, insbesondere vor einem Eintritt des ersten Stoffstroms in die Energiewandlungseinrichtung, eine zusätzliche Druckminderungseinrichtung, insbesondere ein Druckregelventil, vorgesehen ist. Dieses kann insbesondere eingerichtet sein, um eine gegebenenfalls noch bestehende, vorzugsweise kleinere Druckdifferenz zwischen dem Druck des ersten Stoffstroms stromabwärts der Nutzungseinrichtung und einem Soll-Eintrittsdruck für den ersten Stoffstrom in die Energiewandlungseinrichtung auszugleichen. Dass diese Druckdifferenz eine kleinere Druckdifferenz ist, bedeutet dabei insbesondere, dass sie kleiner, vorzugsweise sehr viel kleiner ist, als eine Druckdifferenz zwischen dem Druck des ersten Stoffstroms stromaufwärts der Nutzungseinrichtung und dem Soll-Eintrittsdruck für den ersten Stoffstrom in die Energiewandlungseinrichtung.
Die Energiewandlungseinrichtung ist bevorzugt eingerichtet zur Umwandlung von chemischer Energie in Rotationsenergie, insbesondere Rotationsenergie einer Abtriebswelle, und/oder in elektrische Energie. Insbesondere ist die Energiewandlungseinrichtung eingerichtet zur Abgabe von elektrischer und/oder mechanischer Leistung.
Die Energiewandlungseinrichtung ist insbesondere eingerichtet, um den ersten Stoffstrom und den zweiten Stoffstrom miteinander chemisch umzusetzen, um elektrische und/oder mechanische Energie, insbesondere mechanische und/oder elektrische Leistung, zu erhalten. Der Begriff „chemisch umsetzen“ schließt dabei eine elektrochemische Umsetzung ein. Im Falle einer elektrochemischen Umsetzung ist es möglich, dass der erste Stoffstrom und der zweite Stoffstrom nicht direkt miteinander reagieren. Insbesondere können sie in verschiedenen Halbzellen einer elektrochemischen Zelle umgesetzt werden, wobei die Halbzellen elektrisch miteinander verbunden sind. Der Begriff „chemisch umsetzen“ schließt aber auch eine unmittelbare chemische Reaktion der beiden Stoffströme miteinander ein, insbesondere eine Gasphasenreaktion, insbesondere eine Verbrennungsreaktion.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nutzungseinrichtung eine Übertragungseinrichtung aufweist oder als Übertragungseinrichtung ausgebildet ist, wobei die Übertragungseinrichtung eingerichtet ist, um die Entspannung des ersten Stoffs zu nutzen, um Wärme und/oder Arbeit zwischen dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom zu übertragen.
Somit können ohnehin bei der notwendigen Entspannung des ersten Stoffstroms auftretende Effekte insbesondere genutzt werden, um den zweiten Stoffstrom in ebenfalls typischerweise ohnehin erforderlicher oder zumindest vorteilhafter Weise zu behandeln, insbesondere zu verdichten und/oder zu kühlen. Die Energiewandlungsanordnung ist daher besonders effizient, insbesondere weil es für die Behandlung des zweiten Stoffstroms keiner oder aber einer deutlich verringerten zusätzlichen Energiezufuhr, bedarf. Insbesondere nutzt die hier vorgeschlagene Energiewandlungsanordnung in geschickter Weise sich im Zuge der Entspannung des ersten Stoffstroms ergebende Synergieeffekte aus, um erwünschte, notwendige und/oder vorteilhafte Wirkungen an dem oder für den zweiten Stoffstrom zu erreichen.
Dass die Übertragungseinrichtung eingerichtet ist, um die Entspannung des ersten Stoffes zu nutzen zur Übertragung von Wärme und/oder Arbeit, bedeutet insbesondere, dass die Übertragungseinrichtung eingerichtet ist, um einen bei der Entspannung auftretenden Gradienten zur Übertragung von Wärme und/oder Arbeit zu nutzen. Dabei kann es sich entweder um einen Druckgradient handeln, der entlang des ersten Stoffstroms im Zuge der Entspannung, insbesondere über einer Entspannungsstelle oder Entspannungseinrichtung abfällt, wobei der Druckgradient insbesondere genutzt werden kann, um mechanische Arbeit zu übertragen. Bei dem Gradient kann es sich aber auch um einen Temperaturgradient handeln, der zwischen dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom im Zuge der Entspannung ausgebildet wird, insbesondere da der erste Stoffstrom sich durch die Entspannung des ersten Stoffes abkühlt, sodass seine Temperatur unter diejenige des zweiten Stoffstroms fällt. Aufgrund des so entstandenen Temperaturgradienten kann nun Wärme zwischen dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom übertragen werden.
Dass die Übertragungseinrichtung eingerichtet ist, um Wärme und/oder Arbeit zwischen dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom zu übertragen, bedeutet insbesondere, dass die Übertragungseinrichtung eingerichtet ist, um Wärme und/oder Arbeit von einem Stoffstrom, ausgewählt aus dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom, auf den anderen Stoffstrom, ausgewählt aus dem zweiten Stoffstrom und dem ersten Stoffstrom, zu übertragen. Es ist aber auch möglich, dass Wärme und/oder Arbeit in der Übertragungseinrichtung zwischen den Stoffströmen ausgetauscht wird/werden. Insbesondere ist die Übertragungseinrichtung bevorzugt eingerichtet, um dem ersten Stoffstrom Energie zu entziehen und zugleich Arbeit an dem zweiten Stoffstrom zu leisten. Alternativ oder zusätzlich ist die Übertragungseinrichtung eingerichtet, um dem zweiten Stoffstrom Wärme zu entziehen und dem ersten Stoffstrom die dem zweiten Stoffstrom entzogene Wärme - gegebenenfalls abzüglich von allfälligen Verlusten - zuzuführen. Insbesondere ist die Übertragungseinrichtung bevorzugt eingerichtet, um den zweiten Stoffstrom zu verdichten, und/oder um den zweiten Stoffstrom abzukühlen; dies jeweils insbesondere getrieben durch die Entspannung des ersten Stoffstroms.
Beim Entspannen kühlt der erste Stoffstrom stark ab. Dies kann genutzt werden, um den zweiten Stoffstrom, insbesondere den verdichteten zweiten Stoffstrom, auf ein in der Energiewandlungseinrichtung nutzbares Temperaturniveau abzukühlen oder vorzukühlen, wobei ein Ladeluftkühler, wenn überhaupt noch nötig, kleiner ausgeführt werden kann.
Die Übertragungseinrichtung kann gemäß einer Ausgestaltung eingerichtet sein, um ausschließlich Arbeit zwischen dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom zu übertragen.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung kann die Übertragungseinrichtung eingerichtet sein, um ausschließlich Wärme zwischen dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom zu übertragen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die Übertragungseinrichtung aber eingerichtet, um Wärme und Arbeit zwischen dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom zu übertragen.
Vorzugsweise sind sowohl der erste Stoff des ersten Stoffstroms als auch der zweite Stoff des zweiten Stoffstroms zumindest bereichsweise gasförmig. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Stoff und/oder bei dem zweiten Stoff, besonders bevorzugt bei beiden Stoffen, um jeweils einen Stoff, der unter Normalbedingungen, das heißt insbesondere bei 25 °C und 1013 mbar, gasförmig ist.
Der zweite Stoff ist vorzugsweise Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, insbesondere Luft.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Nutzungseinrichtung eine Fluidkraftmaschine aufweist, die der ersten Stoffzufuhreinrichtung derart zugeordnet ist, dass der erste Stoff über der Fluidkraftmaschine oder stromaufwärts der Fluidkraftmaschine im Betrieb der Energiewandlungsanordnung entspannt wird. Auf diese Weise kann die Entspannung des ersten Stoffs mechanisch genutzt werden, indem die bei der Entspannung des ersten Stoffstroms frei werdende Energie durch die Fluidkraftmaschine in mechanische Arbeit gewandelt wird.
Die Fluidkraftmaschine ist bevorzugt eine Strömungsmaschine oder eine Kolbenmaschine. Ist die Fluidkraftmaschine als Strömungsmaschine ausgebildet, findet die Entspannung des ersten Stoffs bevorzugt stromaufwärts der Fluidkraftmaschine statt, wobei in bevorzugter Ausgestaltung über der Strömungsmaschine selbst nur ein geringer oder sogar kein Druckgradient vorhanden ist, sondern vielmehr lediglich die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Stoffstroms abnimmt. Unter diesen Bedingungen kann die Strömungsmaschine mit besonders hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Es ist aber auch möglich, dass die Entspannung zumindest teilweise über der als Strömungsmaschine ausgebildeten Fluidkraftmaschine stattfindet. Die Fluidkraftmaschine ist in bevorzugter Ausgestaltung als Turbine ausgebildet.
Ist die Fluidkraftmaschine als Kolbenmaschine ausgebildet, erfolgt die Entspannung des ersten Stoffs bevorzugt über der Fluidkraftmaschine selbst, sodass der Druckgradient im ersten Stoffstrom, welcher der Entspannung zugeordnet ist oder der Entspannung entspricht, zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, über der Kolbenmaschine abfällt.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist die Fluidkraftmaschine mit einer elektrischen Maschine antriebswirkverbunden. Mechanische Arbeit der Fluidkraftmaschine kann so in der elektrischen Maschine in elektrische Energie gewandelt werden. Die elektrische Maschine ist insbesondere als Generator ausgebildet oder als Generator geschaltet. Auf diese Weise kann die Entspannung des ersten Stoffs vorteilhaft genutzt werden, um elektrische Leistung zu erzeugen.
Alternativ oder zusätzlich ist die Fluidkraftmaschine mit wenigstens einem Nebenaggregat der Energiewandlungseinrichtung antriebswirkverbunden. Eine Energiewandlungseinrichtung, beispielsweise eine Brennkraftmaschine, weist typischerweise eine Mehrzahl von Nebenaggregaten auf, wobei die Entspannung des ersten Stoffstroms vorteilhaft genutzt werden kann, um zumindest eines dieser Nebenaggregate anzutreiben. Ein solches Nebenaggregat kann in bevorzugter Ausgestaltung eine Kühlmittelpumpe sein, die ein zur Kühlung der Energiewandlungseinrichtung vorgesehenes Kühlmittel entlang eines Kühlmittelkreislaufs fördert.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Nutzungseinrichtung, insbesondere die Übertragungseinrichtung, die - vorzugsweise als Turbine ausgebildete - Fluidkraftmaschine und einen Verdichter aufweist. Die Fluidkraftmaschine ist mit dem Verdichter antriebswirkverbunden, insbesondere um den Verdichter anzutreiben. Der Verdichter ist der zweiten Stoffzufuhreinrichtung zugeordnet, derart, dass der zweite Stoff des zweiten Stoffstroms in dem Verdichter im Betrieb der Energiewandlungsanordnung verdichtet wird. Vorteilhaft kann so die dann insbesondere als Übertragungseinrichtung ausgebildete Nutzungseinrichtung zugleich zum Entspannen des ersten Stoffstroms und zum Verdichten des zweiten Stoffstroms genutzt werden. Vorzugsweise weist die Nutzungseinrichtung, insbesondere die Übertragungseinrichtung, einen Turbolader auf, der seinerseits die Turbine und den Verdichter aufweist, oder die Nutzungseinrichtung, insbesondere die Übertragungseinrichtung, ist selbst als Turbolader ausgebildet.
Vorteilhaft an der mechanischen Nutzung der Energie aus der Entspannung des ersten Stoffstroms ist insbesondere, dass gerade beim Start der Energiewandlungsanordnung die meiste Energie zur Verfügung steht, wobei auch in diesem Betriebspunkt gerade die meiste Energie benötigt wird, um den zweiten Stoffstrom zu verdichten. Insbesondere benötigt in diesem Betriebszustand der Verdichter am meisten Energie, im Vergleich mit anderen Betriebszuständen, insbesondere einem späteren Volllastbetrieb.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass stromaufwärts der Turbine in der ersten Stoffzufuhreinrichtung ein Entspannungsventil angeordnet ist. Somit ist es möglich, den ersten Stoff vor dessen Eintritt in die Turbine vorzuentspannen, oder die Entspannung kann sogar vollständig in dem Entspannungsventil stromaufwärts der Turbine stattfinden, wobei dann die Turbine besonders effizient und mit sehr hohem Wirkungsgrad mit nur geringem Druckgradient oder ohne Druckgradient über der Turbine betrieben werden kann. Die Turbine ist besonders effizient betreibbar, wenn sich über der Turbine lediglich die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Stoffstroms ändert, ohne oder nur mit geringer Druckänderung.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Energiewandlungsanordnung einen Abgaspfad aufweist, über den Abgas der Energiewandlungseinrichtung der Übertragungseinrichtung - insbesondere zur Unterstützung der Übertragung von Wärme und/oder Arbeit- zuführbar ist. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn die Energie des ersten Stoffstroms nicht ausreicht, um den zweiten Stoffstrom hinreichend zu behandeln, insbesondere hinreichend zu verdichten. Der Abgaspfad ist insbesondere einerseits mit der Energiewandlungseinrichtung und andererseits mit der Übertragungseinrichtung strömungstechnisch verbunden, um Abgas von der Energiewandlungseinrichtung zu der Übertragungseinrichtung zu leiten. Insbesondere ist also bevorzugt die Energiewandlungseinrichtung über den Abgaspfad strömungstechnisch mit der Übertragungsreinrichtung verbunden, so dass Abgas von der Energiewandlungseinrichtung zu der Übertragungseinrichtung geführt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Abgaspfad als Abgasrückführpfad ausgebildet, der mit der ersten Stoffzufuhreinrichtung stromaufwärts der insbesondere als Turbine ausgebildeten Fluidkraftmaschine oder an der Fluidkraftmaschine strömungstechnisch verbunden ist, um Abgas stromaufwärts der Fluidkraftmaschine in die erste Stoffzufuhreinrichtung oder direkt in die Fluidkraftmaschine einzuleiten. Somit kann der entlang des Abgasrückführpfads strömende Abgasstrom unmittelbar zum Antrieb der Fluidkraftmaschine beitragen, das heißt diese unterstützen. In dem Abgasrückführpfad ist vorzugsweise ein Steuerventil oder Regelventil angeordnet, um einen Anteil des rückgeführten Abgases einzustellen, vorzugsweise zwischen einem maximalen Abgasstrom und einer vollständigen Sperrung des Abgasrückführpfads. Vorteilhaft an der Ausgestaltung des Abgaspfads als Abgasrückführpfad ist insbesondere, dass im Abgas noch enthaltene, nicht umgesetzte Restanteile des ersten Stoffes und/oder des zweiten Stoffes der Energiewandlungseinrichtung erneut zur Umsetzung zugeführt werden können.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung weist die Übertragungseinrichtung eine zusätzliche Turbine oder ein zusätzliches Antriebsrad auf, wobei der Abgaspfad strömungstechnisch mit der zusätzlichen Turbine oder dem zusätzlichen Antriebsrad verbunden ist. In diesem Fall ist der Abgaspfad vorzugsweise strömungstechnisch nicht mit der ersten Stoffzufuhreinrichtung verbunden; insbesondere ist er strömungstechnisch von dieser getrennt. Die zusätzliche Turbine oder das zusätzliche Antriebsrad ist mit der Fluidkraftmaschine und/oder mit dem Verdichter antriebswirkverbunden, um deren Antrieb abgasgetrieben zu unterstützen. Bei dieser Ausgestaltung wird eine Rückführung des Abgases in die Energiewandlungseinrichtung vermieden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Übertragungseinrichtung einen elektrischen Antrieb aufweist, der eingerichtet ist, um die Übertragung von Arbeit zwischen dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom zu unterstützen. Auf diese Weise ist eine sehr einfache, wartungsarme und wenig fehleranfällige, insbesondere verschleißarme Möglichkeit geschaffen, die Übertragungseinrichtung zu unterstützen, insbesondere wenn die aus dem ersten Stoffstrom zur Verfügung stehende Energie nicht ausreicht, um den zweiten Stoffstrom hinreichend zu behandeln. Der elektrische Antrieb kann in diesem Fall aber jedenfalls vorteilhaft kleiner dimensioniert werden, insbesondere mit geringerer Leistungsaufnahme, als wenn der zweite Stoffstrom beispielsweise allein über einen Kompressor verdichtet werden muss. Die Übertragungseinrichtung weist den elektrischen Antrieb insbesondere zusätzlich zu der Fluidkraftmaschine auf. Der elektrische Antrieb ist in bevorzugter Ausgestaltung als Elektromotor ausgebildet.
Insbesondere ist der elektrische Antrieb bevorzugt mit der Fluidkraftmaschine und/oder mit dem Verdichter antriebswirkverbunden, insbesondere um diese im Betrieb der Energiewandlungsanordnung zu unterstützen.
Es ist bevorzugt eine Wärmekopplung zwischen einer warmen Seite der Übertragungseinrichtung einerseits und einer kalten Seite der Übertragungseinrichtung andererseits vorgesehen. Dies ist vorteilhaft, da der zweite Stoff beim Verdichten erwärmt wird, wobei er vor dem Einleiten in die Energiewandlungseinrichtung vorzugsweise gekühlt wird. Der erste Stoff kühlt beim Entspannen stark ab, wobei er vorzugsweise vor dem Einleiten in die Energiewandlungseinrichtung aufgewärmt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Übertragungseinrichtung eine Strömungsführung aufweist, durch welche der in dem Verdichter verdichtete zweite Stoffstrom in thermischem Kontakt zu dem stromaufwärts der und/oder in der Fluidkraftmaschine entspannten ersten Stoffstrom führbar ist. Auch auf diese Weise ist es einfach und mit geringem Aufwand möglich, dem zweiten Stoffstrom - in Kombination mit der an ihm geleisteten Arbeit - Wärme zu entziehen. Insbesondere ist die Strömungsführung bevorzugt so ausgestaltet, dass der zweite Stoffstrom stromabwärts des Verdichters an einer kalten Seite der Fluidkraftmaschine vorbeigeleitet, oder stromabwärts der Fluidkraftmaschine in thermischem Kontakt zu dem ersten Stoffstrom geführt wird. Dabei wird dem verdichteten zweiten Stoffstrom Wärme entzogen und dem durch die Entspannung abgekühlten ersten Stoffstrom zugeführt. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass die Strömungsführung einen Wärmetauscher aufweist, durch welchen der erste Stoffstrom einerseits und der zweite Stoffstrom andererseits stromabwärts der Fluidkraftmaschine sowie stromabwärts des Verdichters in thermischem Kontakt miteinander geführt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Übertragungseinrichtung einen Wärmetauscher aufweist, der im Betrieb der Energiewandlungsanordnung einerseits von dem zweiten Stoffstrom und andererseits von dem entspannten ersten Stoffstrom durchströmt ist, sodass der entspannte erste Stoffstrom und der zweite Stoffstrom in dem Wärmetauscher in thermischem Kontakt miteinander sind. Auch auf diese Weise ist es einfach möglich, die Entspannung des ersten Stoffstroms zu nutzen, um den zweiten Stoffstrom vor dessen Einleitung in die Energiewandlungseinrichtung vorteilhaft zu kühlen. Zugleich wird der durch die Entspannung abgekühlte erste Stoffstrom vorteilhaft vor seiner Einleitung in die Energiewandlungseinrichtung aufgewärmt.
Es ist eine Ausgestaltung möglich, bei welcher die Übertragungseinrichtung nicht eingerichtet ist, um Arbeit zwischen dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom zu übertragen.
Insbesondere ist es möglich, dass die Übertragungseinrichtung weder eine Fluidkraftmaschine noch einen Verdichter aufweist.
Insbesondere ist es möglich, dass die Übertragungseinrichtung nur einen Wärmetauscher und keine Fluidkraftmaschine/keinen Verdichter aufweist. Alternativ ist es möglich, dass die Übertragungseinrichtung nur eine Fluidkraftmaschine und einen Verdichter und keinen Wärmeübertrager oder Wärmetauscher aufweist.
Es ist gleichwohl möglich, dass der Wärmetauscher der Übertragungseinrichtung eingerichtet ist, um von dem verdichteten zweiten Stoffstrom durchströmt zu werden. Der zweite Stoffstrom kann insbesondere durch einen unabhängig von der Übertragungseinrichtung vorgesehenen Verdichter, beispielsweise einen Kompressor, verdichtet sein.
Es ist aber auch möglich, dass die Übertragungseinrichtung zusätzlich zu dem Wärmetauscher eine Fluidkraftmaschine und einen Verdichter aufweist. Der Wärmetauscher ist in diesem Fall bevorzugt durch den von dem Verdichter der Übertragungseinrichtung verdichteten zweiten Stoffstrom durchströmt.
Der Wärmetauscher weist vorzugsweise eine warme Seite und eine kalte Seite auf. Die warme Seite ist dabei der zweiten Stoffzufuhreinrichtung zugeordnet, insbesondere mit der zweiten Stoffzufuhreinrichtung strömungstechnisch verbunden, sodass die warme Seite von dem zweiten Stoffstrom durchströmt wird. Die kalte Seite ist vorzugsweise der ersten Stoffzufuhreinrichtung zugeordnet, insbesondere mit der ersten Stoffzufuhreinrichtung strömungstechnisch verbunden, sodass die kalte Seite von dem entspannten ersten Stoffstrom durchströmt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Übertragungseinrichtung ein in den Wärmetauscher integriertes Entspannungsventil aufweist, das eingerichtet ist, um den ersten Stoffstrom zu entspannen, insbesondere um den ersten Stoff von dem ersten, höheren Druckniveau auf das zweite, niedrigere Druckniveau zu entspannen. Somit kann eine besonders kompakte Ausgestaltung der Übertragungseinrichtung bereitgestellt werden. Diese kann insbesondere Anwendung finden, wenn die Übertragungseinrichtung ausschließlich zur Übertragung von Wärme eingerichtet ist, und nicht zur Übertragung von mechanischer Arbeit, insbesondere nicht zum Verdichten des zweiten Stoffstroms.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass stromaufwärts des Wärmetauschers ein Entspannungsventil in der ersten Stoffzufuhreinrichtung angeordnet ist. Dieses Entspannungsventil ist dann insbesondere separat und unabhängig von dem Wärmetauscher ausgebildet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Energiewandlungsanordnung eine Temperiereinrichtung zum Temperieren eines Stoffstroms, ausgewählt aus dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom, aufweist. Auf diese Weise können die Temperaturen der Stoffströme geeignet beeinflusst werden, insbesondere wenn eine Kühlung oder Erwärmung durch thermischen Kontakt mit dem jeweils anderen Stoffstrom nicht ausreicht, um die Stoffströme vor deren Einleitung in die Energiewandlungseinrichtung hinreichend zu temperieren, oder zu stark ausgeprägt wäre.
Die Temperiereinrichtung ist vorzugsweise regelbar. Somit kann die Temperatur eines Stoffstroms bevorzugt auf einen Sollwert geregelt werden.
Die Temperiereinrichtung ist vorzugsweise stromaufwärts der Übertragungseinrichtung angeordnet. Somit ist es möglich, den entsprechenden Stoffstrom vorzubehandeln, bevor er in der Übertragungseinrichtung mit dem anderen Stoffstrom zusammenwirkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Temperiereinrichtung als Temperier-Wärmetauscher ausgebildet und eingerichtet, um den ersten Stoffstrom, insbesondere stromaufwärts der Übertragungseinrichtung, vorzuwärmen. Der Temperier-Wärmetauscher ist vorzugsweise temperaturgeregelt, auf eine Soll-Temperatur für den zweiten Stoffstrom, wobei eine Ist-Temperatur vorzugsweise an einer Einlassstelle für den zweiten Stoffstrom zu der Energiewandlungseinrichtung gemessen wird. Vorzugsweise ist der Temperier-Wärmetauscher als kühlmittel-durchströmter Wärmetauscher ausgebildet, wobei er von einem erwärmten Kühlmittel durchsetzt wird, welches zur Kühlung der Energiewandlungseinrichtung vorgesehen ist. Somit kann Abwärme der Energiewandlungseinrichtung vorteilhaft verwendet werden, um den ersten Stoffstrom vorzuwärmen. Insbesondere ist der Temperier-Wärmetauscher ladelufttemperaturgeregelt.
Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, wenn die Kältemenge des entspannten ersten Stoffstroms zu groß ist, sodass der zweite Stoffstrom ohne Vorwärmung des ersten Stoffstroms zu stark gekühlt würde.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die Temperiereinrichtung als Kühler, insbesondere Luftkühler, insbesondere mit einem Lüfter, ausgebildet, insbesondere um den zweiten Stoffstrom stromaufwärts der Übertragungseinrichtung vorzukühlen. Dies ist vorteilhaft, wenn die Kälteenergie des entspannten ersten Stoffstroms nicht ausreicht, um den zweiten Stoffstrom ausreichend zu kühlen. Der Kühler ist vorzugsweise temperaturgeregelt, wobei die Ist-Temperatur vorzugsweise wiederum unmittelbar stromaufwärts der Einlassstelle des zweiten Stoffstroms in die Energiewandlungseinrichtung erfasst wird. Insbesondere ist der Kühler ladelufttemperaturgeregelt.
Es ist auch möglich, dass die Temperiereinrichtung sowohl einen Temperier-Wärmetauscher für den ersten Stoffstrom als auch einen Kühler, insbesondere mit Lüfter, für den zweiten Stoffstrom aufweist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nutzungseinrichtung einen Nutz-Wärmetauscher aufweist, der eingerichtet ist, um Wärme von einem Kühlmittelkreislauf der Energiewandlungseinrichtung auf den ersten Stoffstrom zu übertragen. So kann vorteilhaft die in Zusammenhang mit der Entspannung des ersten Stoffs auftretende Kühlleistung genutzt werden, um das in dem Kühlmittelkreislauf strömende Kühlmittel zu kühlen, dem Kühlmittelkreislauf somit Wärme zu entziehen. Insbesondere kann der Nutz-Wärmetauscher vorteilhaft als Kühler, insbesondere als einziger Kühler oder zusätzlich zu einem Außenluftkühler zur Rückkühlung des Kühlmittelkreislaufs verwendet werden. Ein ansonsten vorgesehener Außenluftkühler kann dann vorteilhaft kleiner ausfallen oder sogar ganz entfallen.
Es wird auch ein nicht zur Erfindung gehörendes Verfahren zum Betreiben einer Energiewandlungsanordnung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Energiewandlungsanordnung oder einer Energiewandlungsanordnung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, beschrieben. Im Rahmen des Verfahrens werden einer Energiewandlungseinrichtung der Energiewandlungsanordnung ein erster Stoffstrom und ein zweiter Stoffstrom zugeführt, wobei der erste Stoffstrom und der zweite Stoffstrom in der Energiewandlungseinrichtung miteinander chemisch umgesetzt werden, wobei chemische Energie der Stoffströme in elektrische und/oder mechanische Energie gewandelt wird. Ein erster Stoff des ersten Stoffstroms wird dabei von einem ersten, höheren Druckniveau auf ein zweites, niedrigeres Druckniveau entspannt, wobei die Entspannung des ersten Stoffs thermisch und/oder mechanisch genutzt wird. In Zusammenhang mit dem Verfahren verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits im bereits in Zusammenhang mit der Energiewandlungsanordnung erläutert wurden.
Ein erster Stoff des ersten Stoffstroms und ein zweiter Stoff des zweiten Stoffstroms liegen zumindest bereichsweise gasförmig vor.
Gemäß einer Weiterbildung des nicht zur Erfindung gehörenden Verfahrens ist vorgesehen, dass die Entspannung des ersten Stoffes genutzt wird, um Wärme und/oder Arbeit zwischen dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom zu übertragen, vorzugsweise um den zweiten Stoffstrom zu verdichten und/oder abzukühlen. Auch hierbei verwirklichen sich insbesondere die bereits zuvor genannten Vorteile.
Bevorzugt kann bedarfsweise - insbesondere für einen Start der Energiewandlungsanordnung - die Nutzungseinrichtung und insbesondere die für die Entspannung des ersten Stoffstroms vorgesehene Entspannungseinrichtung, insbesondere die Fluidkraftmaschine, umgangen werden. Hierdurch ist ein schnellerer und effizienterer Start der Energiewandlungsanordnung möglich. Insbesondere weist die Energiewandlungsanordnung hierfür einen Bypass auf, der eingerichtet ist zur strömungstechnischen Umgehung der Nutzungseinrichtung.
Je nach Bedarf und Angebot an Kälteleistung ist eine unterschiedliche beziehungsweise flexibel regelbare Nutzung der Entspannungskälte des ersten Stoffstroms zur Kühlung des zweiten Stoffstroms und/oder Rückkühlung des Kühlmittelkreislaufs der Energiewandlungseinrichtung möglich.
Insbesondere dann, wenn die Kälteleistung, die durch die Entspannung des ersten Stoffstroms bereitgestellt werden kann, zumindest in bestimmten Betriebszuständen nicht ausreicht, ist es möglich, zusätzlich einen Ladeluftkühler und/oder Kühlmittelrückkühler, insbesondere Außenluftkühler, vorzusehen. Solche zusätzlichen Kühler können aber vorteilhaft kleiner ausfallen, als wenn die durch die Entspannung des ersten Stoffstroms zur Verfügung stehende Kälteleistung nicht zur Kühlung der entsprechenden Medien herangezogen würde.
Die Beschreibung der Energiewandlungsanordnung einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Energiewandlungsanordnung erläutert wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Merkmale der Energiewandlungsanordnung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Energiewandlungsanordnung. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal der erfindungsgemäßen Energiewandlungsanordnung oder eines Ausführungsbeispiels der Energiewandlungsanordnung bedingt ist. Die Energiewandlungsanordnung zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden ersten Beispiels einer Energiewandlungsanordnung;
2 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden zweiten Beispiels einer Energiewandlungsanordnung;
3 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden dritten Beispiels einer Energiewandlungsanordnung;
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Energiewandlungsanordnung;
5 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden vierten Beispiels einer Energiewandlungsanordnung;
6 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden fünften Beispiels einer Energiewandlungsanordnung;
7 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden sechsten Beispiels einer Energiewandlungsanordnung;
8 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden siebten Beispiels einer Energiewandlungsanordnung;
9 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden achten Beispiels einer Energiewandlungsanordnung, und
10 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden neunten Beispiels einer Energiewandlungsanordnung.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden ersten Beispiels einer Energiewandlungsanordnung 1, die eine Energiewandlungseinrichtung 3 aufweist. Die Energiewandlungseinrichtung 3 ist eingerichtet zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische und/oder mechanische Energie. Die Energiewandlungsanordnung 1 weist außerdem eine erste Stoffzufuhreinrichtung 5 und eine zweite Stoffzufuhreinrichtung 7 auf. Die erste Stoffzufuhreinrichtung 5 ist eingerichtet zum Zuführen eines ersten Stoffstroms 9 zu der Energiewandlungseinrichtung 3. Die zweite Stoffzufuhreinrichtung 7 ist eingerichtet zum Zuführen eines zweiten Stoffstroms 11 zu der Energiewandlungseinrichtung 3. Die Energiewandlungseinrichtung 3 ist insbesondere eingerichtet, um die Stoffströme 9, 11 miteinander chemisch, insbesondere unmittelbar oder elektrochemisch, umzusetzen, um mechanische und/oder elektrische Leistung zu erhalten.
Die erste Stoffzufuhreinrichtung 5 ist eingerichtet, um einen ersten Stoff des ersten Stoffstroms 9 von einem ersten, höheren Druckniveau auf ein zweites, niedrigeres Druckniveau zu entspannen. Die Energiewandlungsanordnung 1 weist eine Nutzungseinrichtung 12 auf, die eingerichtet ist, um die Entspannung des ersten Stoffs thermisch und/oder mechanisch zu nutzen.
Die Nutzungseinrichtung 12 ist hier insbesondere als Übertragungseinrichtung 13 ausgebildet, die eingerichtet ist, um die Entspannung des ersten Stoffstroms 9 zu nutzen, um Wärme und/oder Arbeit zwischen dem ersten Stoffstrom 9 und dem zweiten Stoffstrom 11 zu übertragen. Somit ist es in sehr effizienter und kostengünstiger Weise möglich, bei der Entspannung des ersten Stoffs auftretende Effekte zu nutzen, um den zweiten Stoffstrom in erforderlicher oder vorteilhafter Weise zu behandeln.
Insbesondere ist die Übertragungseinrichtung 13 eingerichtet, um den zweiten Stoffstrom unter Ausnutzung der Entspannung des ersten Stoffstroms 9 zu verdichten und/oder abzukühlen.
Vorzugsweise sind der erste Stoff und ein zweiter Stoff des zweiten Stoffstroms 11 zumindest bereichsweise gasförmig. Vorzugsweise sind der erste Stoff und der zweite Stoff unter Normalbedingungen, insbesondere bei 25 °C und 1013 mbar, gasförmig. Der erste Stoff ist vorzugsweise eine Brenngas oder ein Gasgemisch, das wenigstens ein Brenngas aufweist, insbesondere Wasserstoff, Methan, oder ein wasserstoffhaltiges und/oder methanhaltiges Gas. Der zweite Stoff ist vorzugsweise Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft.
Die Energiewandlungsanordnung 1 weist vorzugsweise eine Druckquelle 15 für den ersten Stoffstrom auf. Die Druckquelle 15 ist vorzugsweise als Vorratsbehälter, insbesondere als Drucktank oder Druckflasche, insbesondere Druckgasflasche, ausgebildet. Sie kann aber auch als Druckleitung ausgebildet sein, beispielsweise als Versorgungsnetz oder Teil eines Versorgungsnetzes.
Die Energiewandlungseinrichtung 3 ist vorzugsweise als Brennstoffzelle oder als zum Betrieb mit einem Brenngas eingerichtete Brennkraftmaschine ausgebildet, insbesondere als Gasmotor.
Bei dem hier dargestellten nicht zur Erfindung gehörenden ersten Beispiel weist die Übertragungseinrichtung 13 eine Fluidkraftmaschine 16 auf, die hier als Turbine 17 ausgebildet ist, sowie einen Verdichter 19, wobei die Turbine 17 mit dem Verdichter 19 - hier über eine Welle 21 - antriebswirkverbunden ist. Die Turbine 17 ist dabei der ersten Stoffzufuhreinrichtung 7 zugeordnet, derart, dass der erste Stoff über der Turbine 17 und/oder stromaufwärts der Turbine 17 im Betrieb der Energiewandlungsanordnung 1 entspannt wird, wobei der Verdichter 19 der zweiten Stoffzufuhreinrichtung 7 zugeordnet ist, derart, dass der zweite Stoff in dem Verdichter 19 im Betrieb der Energiewandlungsanordnung 1 verdichtet wird. Insbesondere ist die Übertragungseinrichtung 13 hier als Turbolader 23 ausgebildet.
In bevorzugter Ausgestaltung ist stromaufwärts der Turbine 17 in der ersten Stoffzufuhreinrichtung 5 ein Entspannungsventil 25 zum Vorentspannen oder Entspannen des ersten Stoffs angeordnet.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden zweiten Beispiels der Energiewandlungsordnung 1.
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, sodass insoweit jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Insbesondere dann, wenn die Energie aus der Entspannung des ersten Stoffs nicht ausreicht, um den zweiten Stoffstrom hinreichend zu behandeln, ist vorteilhaft gemäß der hier dargestellten zweiten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Energiewandlungsanordnung 1 einen Abgaspfad 27 aufweist, über den Abgas 29 der Energiewandlungseinrichtung 3 der Übertragungseinrichtung 13 - insbesondere zur Unterstützung der Übertragung von Wärme und/oder Arbeit - zuführbar ist. Hierfür ist der Abgaspfad 27 einerseits mit der Energiewandlungseinrichtung 3 und andererseits mit der Übertragungseinrichtung 13, insbesondere mit der ersten Stoffzufuhreinrichtung 5, wirkverbunden.
Gemäß dem hier dargestellten nicht zur Erfindung gehörenden zweiten Beispiel ist der Abgaspfad 27 als Abgasrückführpfad 31 ausgebildet, der hier stromaufwärts der Turbine 17 in die erste Stoffzufuhreinrichtung 5 mündet, sodass das Abgas 29 in den ersten Stoffstrom 9 zurückgeführt wird und so direkt die Turbine 17 beaufschlagt und unterstützt. Es ist auch möglich, dass der Abgasrückführpfad 31 direkt in die Turbine 17 mündet. Vorteilhaft an der Ausgestaltung des Abgaspfads 27 als Abgasrückführpfad 31 ist, dass im Abgas noch enthaltene Anteile des ersten Stoffs und/oder des zweiten Stoffs erneut in der Energiewandlungseinrichtung 3 umgesetzt werden können.
Vorzugsweise ist in dem Abgasrückführpfad 31 ein Steuerventil 33, in einfacher Ausgestaltung eine Steuerklappe, insbesondere Abgasrückführklappe angeordnet, mit der der Anteil des rückgeführten Abgases 29 eingestellt werden kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden dritten Beispiels der Energiewandlungsanordnung 1. Dabei weist hier die Übertragungseinrichtung 13 eine zusätzliche Turbine 35 auf, wobei der Abgaspfad 27 mit der zusätzlichen Turbine 35 strömungstechnisch verbunden ist. Zugleich ist hier der Abgaspfad 27 strömungstechnisch von der ersten Stoffzufuhreinrichtung 5 getrennt, sodass das Abgas nicht zurück in die erste Stoffzufuhreinrichtung 5 und insbesondere nicht zurück in die Energiewandlungseinrichtung 3 geführt wird. Insbesondere wird das Abgas nicht mit dem ersten Stoffstrom 9 vermengt. Die zusätzliche Turbine 35 ist mit der Turbine 17 und/oder mit dem Verdichter 19 antriebswirkverbunden, sodass diese von der zusätzlichen Turbine 35, getrieben von dem Abgas, unterstützt werden können. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die zusätzliche Turbine 35 auf derselben Welle 21 angeordnet wie die Turbine 17 und der Verdichter 19.
Auch bei diesem nicht zur Erfindung gehörenden dritten Beispiel ist es möglich, das in dem Abgaspfad 27 ein hier nicht dargestelltes Steuerventil 33 angeordnet ist, um die Beaufschlagung der zusätzlichen Turbine 35 mit Abgas zu steuern, vorzugsweise zu regeln.
Bei dem hier dargestellten nicht zur Erfindung gehörenden dritten Beispiel wird der Turbolader 23 separat und strömungstechnisch getrennt sowohl durch den ersten Stoffstrom 9 als auch durch das Abgas 29 angetrieben.
Es ist auch möglich, dass die Übertragungseinrichtung 13 einen elektrischen Antrieb 36 aufweist, insbesondere einen Elektromotor, der eingerichtet ist, um die Übertragung von Arbeit zwischen dem ersten Stoffstrom 9 und dem zweiten Stoffstrom 11 zu unterstützen, insbesondere um den Verdichter 19 zusätzlich zu der Turbine 17 anzutreiben.
Es ist auch möglich, dass der elektrische Antrieb zusätzlich zu der zusätzlichen Turbine 35 vorgesehen ist.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Energiewandlungsanordnung 1. Dabei ist hier schematisch dargestellt, dass die Turbine 17 und der Verdichter 19 bevorzugt thermisch miteinander verbunden sind, insbesondere über ein Wärmeleitelement 37, das hier lediglich durch einen Doppelpfeil symbolisiert ist. Das Wärmeleitelement ist bevorzugt als Wärmeleitblech ausgebildet. Besonders bevorzugt sind eine Mehrzahl von Wärmeleitelementen, insbesondere eine Mehrzahl von Wärmeleitblechen, oder Heat Pipes, vorgesehen. Es wird so eine Wärmekopplung zwischen dem entspannten, kalten ersten Stoffstrom 9 und dem warmen, verdichteten zweiten Stoffstrom 11 bereitgestellt.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden vierten Beispiels der Energiewandlungsanordnung 1. Dabei weist die Übertragungseinrichtung 13 hier eine Strömungsführung 39 auf, durch welche der in dem Verdichter 19 verdichtete zweite Stoffstrom 11 in thermischem Kontakt zu dem in der Turbine 17 entspannten ersten Stoffstrom 9 führbar ist. Insbesondere strömt dabei der erwärmte zweite Stoffstrom 11 an der erkalteten Seite der Turbine 17 vorbei und wird so effizient gekühlt.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden fünften Beispiels der Energiewandlungsanordnung 1. Die Übertragungseinrichtung 13 weist bei diesem Beispiel einen Wärmetauscher 41 auf, der im Betrieb der Energiewandlungsanordnung 1 einerseits von dem zweiten Stoffstrom 11 und andererseits von dem entspannten ersten Stoffstrom 9 durchströmt ist, sodass der erste Stoffstrom 9 und der zweite Stoffstrom 11 in dem Wärmetauscher 41 in thermischem Kontakt miteinander sind. Die Energieübertragungseinrichtung 13 weist bei diesem Beispiel keinen Verdichter auf. Es ist möglich, dass separat hierzu ein nicht dargestellter Verdichter in der zweiten Stoffzufuhreinrichtung 7 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 41 kann aber selbstverständlich auch mit einem Verdichter 19 der Übertragungseinrichtung 13 kombiniert werden.
Stromaufwärts des Wärmetauschers 41 ist hier das Entspannungsventil 25 angeordnet. Dieses ist insofern separat von dem Wärmetauscher 41 vorgesehen.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden sechsten Beispiels der Energiewandlungsanordnung 1. Dabei weist die Übertragungseinrichtung 13 hier ein in den Wärmetauscher 41 integriertes Entspannungsventil 25 zum Entspannen des ersten Stoffstroms 9 auf. Dies hat zum einen den Vorteil einer optimalen Kälteausnutzung, zum anderen ist die Bauweise der Energiewandlungsanordnung 1 auf diese Art sehr kompakt.
Ist die Kältemenge des entspannten ersten Stoffstroms 9 zu groß, kann dieser durch einen Temperier-Wärmetauscher vorgewärmt werden, der vorzugsweise mittels einer Ladelufttemperaturregelung geregelt wird.
Insoweit zeigt 8 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden siebten Beispiels der Energiewandlungsanordnung 1. Diese weist hier eine Temperiereinrichtung 43 zum Temperieren eines Stoffstroms 9, 11, ausgewählt aus dem ersten Stoffstrom 9 und dem zweiten Stoffstrom 11, auf. Die Temperiereinrichtung 43 ist vorzugsweise geregelt. Vorzugsweise ist die Temperiereinrichtung 43 stromaufwärts der Übertragungseinrichtung 13 angeordnet.
Bei dem hier dargestellten nicht zur Erfindung gehörenden siebten Beispiel ist die Temperiereinrichtung als Temperier-Wärmetauscher 45 ausgebildet oder weist einen Temperier-Wärmetauscher 45 auf. Dieser ist in der ersten Stoffzufuhreinrichtung 5 angeordnet, um den ersten Stoffstrom 9 vorzuwärmen. Der Temperier-Wärmetauscher 45 ist bevorzugt von einem in der Energiewandlungseinrichtung 3 vorgewärmten Kühlmittel 47 durchströmt. Das Kühlmittel 47 dient dabei im Betrieb der Energiewandlungsanordnung 1 zur Kühlung der Energiewandlungseinrichtung 3 und wird hier vorteilhaft zusätzlich verwendet, um den ersten Stoffstrom 9 vorzuwärmen.
Wie bereits ausgeführt, ist der Temperier-Wärmetauscher 45 bevorzugt temperaturgeregelt, wobei er als Stellglied angesteuert wird, um eine Eintrittstemperatur des zweiten Stoffstroms 11 in die Energiewandlungseinrichtung 3 zu regeln. Hierzu ist zur Erfassung eines Ist-Temperaturwerts ein Temperatursensor 49 an einem Eingang oder im Bereich eines Eingangs für den zweiten Stoffstrom 11 in die Energiewandlungseinrichtung 3 angeordnet, um dort die Temperatur des zweiten Stoffstroms 11 zu erfassen. Es ist ein Steuergerät 51 vorgesehen, welches einerseits mit dem Temperatursensor 49 und andererseits mit dem Temperier-Wärmetauscher 45 wirkverbunden ist, um den Temperier-Wärmetauscher 45 als Stellglied zur Temperaturregelung der Eintrittstemperatur des zweiten Stoffstroms 11 in die Energiewandlungseinrichtung 3 anzusteuern.
Es ist aber auch möglich, dass die Kälteenergie des entspannten ersten Stoffstroms 9 nicht ausreicht, um den zweiten Stoffstrom 11 hinreichend zu kühlen.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden achten Beispiels einer Energiewandlungsanordnung 1. Hierbei ist die Temperiereinrichtung 43 als Kühler 53 ausgebildet, der in der zweiten Stoffzufuhreinrichtung 7 angeordnet ist, um den zweiten Stoffstrom 11 vorzukühlen. Der Kühler 53 ist vorzugsweise mit einem Lüfter versehen, insbesondere also als Luftkühler ausgebildet. Auch der Kühler 53 ist bevorzugt ladetemperaturgeregelt, dient also - wie zuvor in Zusammenhang mit dem Temperier-Wärmetauscher 45 erläutert - zur Regelung der Eintrittstemperatur des zweiten Stoffstroms 11 in die Energiewandlungseinrichtung 3. Hierzu ist er mit dem Steuergerät 51 wirkverbunden, das seinerseits wiederum mit dem Temperatursensor 49 wirkverbunden ist.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Energiewandlungsanordnung 1, insbesondere die Temperiereinrichtung 43, sowohl den Temperier-Wärmetauscher 45 als auch den Kühler 53 aufweist. Es ist dann eine besonders flexible und effiziente Regelung der Temperatur des zweiten Stoffstroms 11 in jedem Betriebspunkt möglich.
10 zeigt eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden neunten Beispiels einer Energiewandlungsanordnung 1. Hier ist die Fluidkraftmaschine 16 mit einer elektrischen Maschine 55, insbesondere einem Generator, antriebswirkverbunden. Die mechanische Arbeit der Fluidkraftmaschine 16 kann somit zur Erzeugung von elektrischer Leistung genutzt werden.
Die Fluidkraftmaschine 16 ist auch bei diesem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel als Turbine 17 ausgebildet. Es ist aber alternativ - bei jedem der in den Figuren dargestellten Beispiele und Ausführungsbeispiele - in bevorzugter Weise möglich, dass die Fluidkraftmaschine 16 als Kolbenmaschine, insbesondere Hubkolbenexpander, ausgebildet ist. Auch ist es möglich, dass die Fluidkraftmaschine 16 als eine andere Strömungsmaschine als eine Turbine ausgebildet ist.
Durch eine gestrichelte Linie ist angedeutet, dass die Fluidkraftmaschine 16 alternativ oder zusätzlich zu der Wirkverbindung mit der elektrischen Maschine 55 mit wenigstens einem Nebenaggregat 57 der Energiewandlungseinrichtung 3 antriebswirkverbunden sein kann. Das Nebenaggregat 57 ist hier insbesondere eine Kühlmittelpumpe 58.
Weiterhin ist in 10 dargestellt, dass die Nutzungseinrichtung 12 - alternativ oder zusätzlich zu der Fluidkraftmaschine 16 - einen Nutz-Wärmetauscher 59 aufweist, der eingerichtet ist, um Wärme von einem Kühlmittelkreislauf 61 der Energiewandlungseinrichtung 3 auf den ersten Stoffstrom 9 zu übertragen. Der Kühlmittelkreislauf 61 kann somit durch Kälteleistung, die durch die Entspannung des ersten Stoffstroms 9 bereitgestellt wird, rückgekühlt werden.
Die Kühlmittelpumpe 58 ist vorzugsweise angeordnet und eingerichtet, um Kühlmittel 47 zur Kühlung der Energiewandlungseinrichtung 3 entlang des Kühlmittelkreislaufs 61 zu fördern.
In 10 ist auch dargestellt, ebenfalls mit einer gestrichelten Linie, dass die Fluidkraftmaschine 16 alternativ oder zusätzlich zu der Wirkverbindung mit der elektrischen Maschine 55 und/oder dem Nebenaggregat 57 mit dem Verdichter 19 antriebswirkverbunden sein kann.
Es wird deutlich, dass die dargestellten Ausgestaltungen zur thermischen und/oder mechanischen Nutzung der Entspannung des ersten Stoffstroms 9 jeweils alternativ oder auch in beliebiger Kombination miteinander vorgesehen sein können.
Im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben der Energiewandlungsanordnung 1 wird der Energiewandlungseinrichtung 3 sowohl der erste Stoffstrom 9 als auch der zweite Stoffstrom 11 zugeführt, wobei diese Stoffströme 9, 11 in der Energiewandlungseinrichtung 3 miteinander chemisch umgesetzt werden, wobei chemische Energie der Stoffströme 9, 11 in elektrische und/oder mechanische Energie gewandelt wird. Dabei wird der erste Stoff des ersten Stoffstroms 9 von dem ersten, höheren Druckniveau auf das zweite, niedrigere Druckniveau entspannt, wobei die Entspannung des ersten Stoffs thermisch und/oder mechanisch genutzt wird, insbesondere um Wärme und/oder Arbeit zwischen dem ersten Stoffstrom 9 und dem zweiten Stoffstrom 11 zu übertragen.
Insbesondere wird die Entspannung des ersten Stoffs genutzt, um den zweiten Stoffstrom 11 zu verdichten und/oder zu kühlen.
Somit wird im Rahmen der hier vorgestellten technischen Lehre eine besonders effiziente Energiewandlungseinrichtung 1 vorgestellt.

Claims

Energiewandlungsanordnung (1), mit - einer Energiewandlungseinrichtung (3), die eingerichtet ist zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische und/oder mechanische Energie, - einer ersten Stoffzufuhreinrichtung (5) zum Zuführen eines ersten Stoffstroms (9) zu der Energiewandlungseinrichtung (3), - einer zweiten Stoffzufuhreinrichtung (7) zum Zuführen eines zweiten Stoffstroms (11) zu der Energiewandlungseinrichtung (3), wobei - die erste Stoffzufuhreinrichtung (5) eingerichtet ist, um einen ersten Stoff des ersten Stoffstroms (9) von einem ersten, höheren Druckniveau auf ein zweites, niedrigeres Druckniveau zu entspannen, mit - einer Nutzungseinrichtung (12), die eingerichtet ist, um die Entspannung des ersten Stoffs thermisch und/oder mechanisch zu nutzen, mit - einer Fluidkraftmaschine (16), wobei die Fluidkraftmaschine (16) der ersten Stoffzufuhreinrichtung (5) derart zugeordnet ist, dass der erste Stoff über der Fluidkraftmaschine (16) oder stromaufwärts der Fluidkraftmaschine (16) im Betrieb der Energiewandlungsanordnung (1) entspannt wird, und mit - einem Verdichter (19), wobei der Verdichter (19) der zweiten Stoffzufuhreinrichtung (11) derart zugeordnet ist, dass ein zweiter Stoff des zweiten Stoffstroms (11) in dem Verdichter (19) im Betrieb der Energiewandlungsanordnung (1) verdichtet wird, gekennzeichnet durch - wenigstens ein Wärmeleitelement (37), wobei die Fluidkraftmaschine (16) und der Verdichter (19) über das wenigstens eine Wärmeleitelement (37) thermisch miteinander verbunden sind.
Energiewandlungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzungseinrichtung (12) eine Übertragungseinrichtung (13) aufweist oder als Übertragungseinrichtung (13) ausgebildet ist, die eingerichtet ist, um die Entspannung des ersten Stoffs zu nutzen, um Wärme und/oder Arbeit zwischen dem ersten Stoffstrom (9) und dem zweiten Stoffstrom (11) zu übertragen.
Energiewandlungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Fluidkraftmaschine (16) mit einer elektrischen Maschine (55) und/oder wenigstens einem Nebenaggregat (57) der Energiewandlungseinrichtung (3) antriebswirkverbunden ist, und/oder wobei b) die Fluidkraftmaschine (16) mit dem Verdichter (19) antriebswirkverbunden ist.
Energiewandlungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlungsanordnung (1) einen Abgaspfad (27) aufweist, über den Abgas (29) aus der Energiewandlungseinrichtung (3) der Übertragungseinrichtung (13) zuführbar ist.
Energiewandlungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung (13) einen elektrischen Antrieb (36) aufweist, der eingerichtet ist, um die Übertragung von Arbeit zwischen dem ersten Stoffstrom (9) und dem zweiten Stoffstrom (11) zu unterstützen.
Energiewandlungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung (13) eine Strömungsführung (39) aufweist, durch welche der in dem Verdichter (19) verdichtete zweite Stoffstrom (11) in thermischem Kontakt zu dem in der Fluidkraftmaschine (16) oder stromaufwärts der Fluidkraftmaschine (16) entspannten ersten Stoffstrom (9) führbar ist.
Energiewandlungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung (13) einen Wärmetauscher (41) aufweist, der im Betrieb der Energiewandlungsanordnung (1) einerseits von dem zweiten Stoffstrom (11) und andererseits von dem entspannten ersten Stoffstrom (9) durchströmt ist, derart, dass der erste Stoffstrom (9) und der zweite Stoffstrom (11) in dem Wärmetauscher (41) in thermischem Kontakt miteinander sind.
Energiewandlungsanordnung (1) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung (13) ein in den Wärmetauscher (41) integriertes Entspannungsventil (25) zum Entspannen des ersten Stoffs von dem ersten, höheren Druckniveau auf das zweite, niedrigere Druckniveau aufweist.
Energiewandlungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlungsanordnung (1) eine Temperiereinrichtung (43) zum Temperieren eines Stoffstroms (9,11), ausgewählt aus dem ersten Stoffstrom (9) und dem zweiten Stoffstrom (11), aufweist.
Energiewandlungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzungseinrichtung (12) einen Nutz-Wärmetauscher (59) aufweist, der eingerichtet ist, um Wärme von einem Kühlmittelkreislauf (61) der Energiewandlungseinrichtung (3) auf den ersten Stoffstrom zu übertragen.