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Stand der Technik
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Es ist bereits eine Strahlpumpenvorrichtung mit zumindest einer Strahlpumpeneinheit zu einem Fördern eines verdichteten Brenngases von zumindest einer Gasreservoireinheit zu zumindest einer Verbrennereinheit, mit zumindest einer Rezirkulatgasleitung zu einem Rückführen eines Anteils des Brenngases nach der zumindest einen Verbrennereinheit als Rezirkulatgas zurück in die Strahlpumpeneinheit, vorgeschlagen worden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Strahlpumpenvorrichtung mit zumindest einer Strahlpumpeneinheit zu einem Fördern eines verdichteten Brenngases von zumindest einer Gasreservoireinheit zu zumindest einer Verbrennereinheit, mit zumindest einer Rezirkulatgasleitung zu einem Rückführen eines Anteils des Brenngases nach der zumindest einen Verbrennereinheit als Rezirkulatgas zurück in die Strahlpumpeneinheit.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Strahlpumpenvorrichtung zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit umfasst, welche dazu ausgebildet ist, mit einer Wärmeenergie des Rezirkulatgases das verdichtete Brenngas zu erwärmen.
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Unter einer „Strahlpumpenvorrichtung“ soll vorzugsweise zumindest ein Teil, bevorzugt eine Unterbaugruppe, einer Strahlpumpe verstanden werden. Vorzugsweise kann die Strahlpumpenvorrichtung auch die gesamte Strahlpumpe umfassen. Vorzugsweise ist die Strahlpumpenvorrichtung zu einem Einsatz an einer Brennstoffzelle oder an einer Turbomaschine vorgesehen. Vorzugsweise ist die Strahlpumpenvorrichtung, insbesondere als Teil der Strahlpumpe, zu einem Beschleunigen eines Gases, bevorzugt des Brenngases, vorgesehen. Vorzugsweise verbindet zumindest eine Gasleitung die zumindest eine Gasreservoireinheit mit der zumindest einen Verbrennereinheit. Vorzugsweise ist die zumindest eine Strahlpumpeneinheit mit der zumindest einen Gasleitung gekoppelt, insbesondere zumindest teilweise in die zumindest eine Gasleitung integriert. Vorzugsweise weist die zumindest eine Gasleitung zumindest eine Gasreservoirleitung und zumindest eine Verbrennerleitung auf. Unter „vorgesehen“ soll vorzugsweise speziell ausgebildet, speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll vorzugsweise verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Unter einem „Betriebszustand der Strahlpumpenvorrichtung“ soll vorzugsweise ein Zustand verstanden werden, in dem die Strahlpumpeneinheit betriebsbereit für einen Pumpvorgang und/oder einen Pumpbetrieb ist und/oder zumindest mit der Gasreservoireinheit und/oder mit der zumindest einen Verbrennereinheit gekoppelt ist und/oder sich in einem Pumpbetrieb befindet, in welchem das Brenngas durch die Strahlpumpeneinheit strömt und dabei vorteilhaft das Rezirkulatgas, welches insbesondere ein Teil des Brenngases ist, mitreißt.
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Vorzugsweise ist die Strahlpumpeneinheit durch die zumindest eine Gasleitung mit der zumindest einen Gasreservoireinheit verbunden. Vorzugsweise ist die Strahlpumpeneinheit durch die zumindest eine Gasleitung mit der zumindest einen Verbrennereinheit verbunden. Vorzugsweise ist das Brenngas als Methan, Wasserstoff, Kohlegas, Ethanol, Propanol, Glycerin, Formaldehyd, Keton, Kohlenwasserstoff, Ameisensäure, Diethylether, Ethylenglycol, Glucose, Ammoniak, Hydrazin, Natriumborhybrid und/oder Methanol ausgebildet. Das Brenngas kann sich in der zumindest einen Gasreservoireinheit auf hohem Druckniveau befinden. Unter einem „hohen Druckniveau“ soll insbesondere ein Druck von mindestens 2,5 bar, bevorzugt mindestens 5 bar, besonders bevorzugt mindestens 10 bar, beispielsweise 11 bar, verstanden werden. Das Brenngas auf dem hohem Druckniveau kann direkt, insbesondere verdichtungsfrei, in die zumindest eine Strahlpumpeneinheit eingeleitet sein. Insbesondere kann das Brenngas aus der zumindest einen Gasreservoireinheit durch die zumindest eine Gasleitung in die zumindest eine Strahlpumpeneinheit einströmen.
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Das Brenngas kann sich alternativ in der zumindest einen Gasreservoireinheit auf einem niedrigen Druckniveau befinden. Unter einem „niedrigen Druckniveau“ soll insbesondere ein Druck von weniger als 2,5 bar, bevorzugt weniger als 2 bar, beispielsweise 1 bar, verstanden werden. In der Gasleitung kann zwischen der zumindest einen Gasreservoireinheit und der zumindest einen Strahlpumpeneinheit die zumindest eine Verdichtereinheit zumindest teilweise angeordnet sein, welche zu einem Erhöhen des Drucks des Brenngases ausgebildet ist. Die zumindest eine Verdichtereinheit kann beispielsweise als eine Kompressoreinheit ausgebildet sein. Unter einem „verdichteten Gas“ soll vorzugsweise Gas verstanden werden, welches sich auf einem hohen Druckniveau befindet. Die Strahlpumpeneinheit kann die zumindest eine Verdichtereinheit und/oder die zumindest eine Gasleitung umfassen. Insbesondere kann die zumindest eine Verdichtereinheit und/oder die zumindest eine Gasleitung mit dem zumindest einen Strahlpumpenkörper, insbesondere einstückig, verbunden ausgebildet sein. Unter „einstückig“ soll insbesondere stoffschlüssig verbunden, wie beispielsweise durch einen Schweißprozess und/oder Klebeprozess usw., und besonders vorteilhaft angeformt verstanden werden, wie durch die Herstellung aus einem Guss und/oder durch die Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren.
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Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Strahlpumpeneinheit zumindest einen Strahlpumpenkörper. Der zumindest eine Strahlpumpenkörper begrenzt zumindest einen Strahlpumpenhohlraum, welcher sich, insbesondere entlang einer Längsachse des zumindest einen Strahlpumpenkörpers, durch den zumindest einen Strahlpumpenkörper erstreckt. Unter einer „Längsachse“ eines Objekts soll insbesondere eine Achse verstanden werden, welche parallel zu einer längsten Kante eines kleinsten geometrischen Quaders verläuft, welcher das Objekt gerade noch vollständig umschließt, und bevorzugt durch einen geometrischen Mittelpunkt des Objekts verläuft. Vorzugsweise weist der zumindest eine Strahlpumpenkörper zumindest zwei Hauptanschlusselemente auf. Vorzugsweise sind die zumindest zwei Hauptanschlusselemente mit der zumindest einen Gasleitung verbunden. Vorzugsweise ist eines der zumindest zwei Hauptanschlusselemente durch die zumindest eine Gasleitung mit der zumindest einen Gasreservoireinheit verbunden. Vorzugsweise ist eines der zumindest zwei Hauptanschlusselemente, insbesondere unmittelbar und/oder abstandslos, mit der zumindest einen Gasreservoirleitung verbunden. Vorzugsweise ist eines der zumindest zwei Hauptanschlusselemente durch die zumindest eine Gasleitung mit der zumindest einen Verbrennereinheit verbunden. Vorzugsweise ist eines der zumindest zwei Hauptanschlusselemente, insbesondere unmittelbar und/oder abstandslos, mit der zumindest einen Verbrennerleitung verbunden.
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Beispielsweise sind die zumindest zwei Hauptanschlusselemente als Anschlussstutzen ausgebildet. Die zumindest eine Gasleitung kann insbesondere mit dem zumindest einen Strahlpumpenkörper, insbesondere an den zumindest zwei Hauptanschlusselementen, fest verbunden, wie beispielsweise verschraubt, verklemmt, verrastet oder verschweißt, sein. Vorzugsweise weist der zumindest eine Strahlpumpenkörper zumindest ein Nebenanschlusselement auf. Vorzugsweise bildet das Nebenanschlusselement eine Saugseite, insbesondere einen Saugbereich, des Strahlpumpenkörpers. Vorzugsweise bilden die Hauptanschlusselemente jeweils einen Treibanschluss, welche dazu vorgesehen sind, das Brenngas als ein Treibmedium in und aus dem Strahlpumpenkörper zu lassen. Vorzugsweise ist das Brenngas als Treibmedium dazu vorgesehen, bei einem Durchqueren des Strahlpumpenkörpers, insbesondere von einem zu dem anderen Hauptanschlusselement, insbesondere an dem Nebenanschlusselement, bevorzugt in dem Saugbereich, das Rezirkulatgas mitzureißen, insbesondere zu pumpen. Vorzugsweise ist das zumindest eine Nebenanschlusselement mit der zumindest einen Rezirkulatgasleitung verbunden. Beispielsweise ist das zumindest eine Nebenanschlusselement als Anschlussstutzen ausgebildet. Die zumindest eine Rezirkulatgasleitung kann insbesondere mit dem zumindest einen Strahlpumpenkörper, insbesondere an dem zumindest einen Nebenanschlusselement, fest verbunden, wie beispielsweise verschraubt, verklemmt, verrastet oder verschweißt, sein. Die zumindest zwei Hauptanschlusselemente und das zumindest eine Nebenanschlusselement begrenzen insbesondere einen Zugang von außen zu dem zumindest einen Strahlpumpenhohlraum durch Außenwandungen des zumindest einen Strahlpumpenkörpers. Vorzugsweise sind die zumindest zwei Hauptanschlusselemente einander gegenüberliegend an dem zumindest einen Strahlpumpenkörper angeordnet. Vorzugsweise ist das zumindest eine Nebenanschlusselement an dem zumindest einen Strahlpumpenkörper, insbesondere entlang des zumindest einen Strahlpumpenhohlraums von einem der zumindest zwei Hauptanschlusselemente zu dem zumindest einen anderen Hauptanschlusselement, zwischen den zumindest zwei Hauptanschlusselementen angeordnet. Vorzugsweise ist das zumindest eine Nebenanschlusselement näher zu dem Hauptanschlusselement der zumindest zwei Hauptanschlusselemente angeordnet, welches mit der Gasreservoirleitung verbunden ist.
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Vorzugsweise ist in dem zumindest einen Strahlpumpenhohlraum an einem der zumindest zwei Hauptanschlusselemente, welches mit der Gasreservoirleitung verbunden ist, zumindest ein Düsenelement angeordnet. Insbesondere kann der Strahlpumpenhohlraum an einer dem Hauptanschlusselement, welches mit der Gasreservoirleitung verbunden ist, zugewandten Seite des Strahlpumpenhohlraums zum Ausbilden des zumindest einen Düsenelements verjüngt ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Strahlpumpeneinheit das zumindest eine Düsenelement.
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Vorzugsweise ist zwischen dem zumindest einen Düsenelement und dem zumindest einen Hauptanschlusselement, welches mit der zumindest einen Gasreservoirleitung verbunden ist, insbesondere der zumindest einen Gasreservoirleitung, bevorzugt an dem Düsenelement, die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit angeordnet. Vorzugsweise ist die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit dazu ausgebildet, mit einer Wärmeenergie des Rezirkulatgases das verdichtete Brenngas hinter dem Hauptanschlusselement, welches mit der zumindest einen Gasreservoirleitung verbunden ist und vor dem zumindest einen Düsenelement, insbesondere an der dem Hauptanschlusselement, welches mit der zumindest einen Gasreservoirleitung verbunden ist, zugewandten Seite des Strahlpumpenhohlraums, zu erwärmen. Vorzugsweise ist die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit in dem Strahlpumpenhohlraum an dem Hauptanschlusselement, welches mit der zumindest einen Gasreservoirleitung verbunden ist, angeordnet. Die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit kann in die Strahlpumpeneinheit, insbesondere in den Strahlpumpenhohlraum, integriert ausgebildet sein. Insbesondere kann die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit einstückig mit dem Strahlpumpenkörper ausgebildet sein. Die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit kann beispielsweise als ein konzentrisches Röhrensystem, als ein geeignet geformter Plattenwärmetauscher und/oder als ein Rohrbündel ausgebildet sein. Die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit kann beispielsweise als schneckenförmige Wendeln ausgebildet sein. Insbesondere kann die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit als ein Plattenwärmetauscher ausgebildet sein, welcher insbesondere verschiedene Platten aufweist, an welche insbesondere Rohre geschweißt sein können. Vorzugsweise ist die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit mit der Rezirkulatgasleitung verbunden.
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Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Strahlpumpeneinheit zumindest ein Strahldüsenelement. Vorzugsweise ist in dem zumindest einen Strahlpumpenhohlraum in einem mittleren Bereich des Strahlpumpenhohlraums, insbesondere zwischen den zumindest zwei Hauptanschlusselementen, welche insbesondere mit der Gasleitung verbunden sind, das zumindest eine Strahldüsenelement angeordnet. Insbesondere kann der Strahlpumpenhohlraum in dem mittleren Bereich des Strahlpumpenhohlraums, insbesondere zwischen den zumindest zwei Hauptanschlusselementen, welche insbesondere mit der Gasleitung verbunden sind, zum Ausbilden des zumindest einen Strahldüsenelements verjüngt ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das zumindest eine Düsenelement zwischen dem Hauptanschlusselement, welches mit der Gasreservoirleitung verbunden ist, und dem Strahldüsenelement angeordnet.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Strahlpumpenvorrichtung kann eine vorteilhaft hohe Energieeffizienz bei einer Rezirkulation von Brenngas erreicht werden. Es kann insbesondere eine vorteilhafte Aufwärmung des Brenngases vor einem Verbrennen mit einer Wärmeenergie des Rezirkulatgases nach einem Verbrennen erreicht werden. Es kann ein vorteilhafter Wirkungsgrad erreicht werden, welcher insbesondere unabhängig von dem tatsächlich verwendeten Gesamtsystem, in welches die Strahlpumpenvorrichtung eingegliedert ist, erhöht werden kann. Insbesondere kann ein vorteilhafter Wirkungsgrad für Brennstoffzellen, Elektrolysezellen und/oder Turbomaschinen erreicht werden. Es kann insbesondere eine zweistufige Wärme-Kraft Nutzung, insbesondere können sehr günstige Wirkungsgrade, bei mit einfacher und wartungsarmer Mechanik erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Strahlpumpenvorrichtung zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit aufweist, welche an einem Pumpenausgang der Strahlpumpeneinheit angeordnet ist und welche dazu ausgebildet ist, mit einer Wärmeenergie des Rezirkulatgases das Brenngas zu erwärmen. Vorzugsweise ist der Pumpenausgang der Strahlpumpeneinheit ein Bereich des Strahlpumpenhohlraums, welcher dem Hauptanschlusselement zugewandt ist, welches mit der Verbrennerleitung, insbesondere unmittelbar, verbunden ist. Vorzugsweise ist der Pumpenausgang der Strahlpumpeneinheit ein Bereich des Strahlpumpenhohlraums, welcher sich von dem Hauptanschlusselement, welches mit der Verbrennerleitung, insbesondere unmittelbar, verbunden ist, bis zu dem zumindest einen Strahldüsenelement erstreckt. Vorzugsweise ist die weitere Wärmetauschereinheit zumindest teilweise in dem Strahlpumpenhohlraum angeordnet. Vorzugsweise ist die weitere Wärmetauschereinheit zwischen dem zumindest einen Strahldüsenelement und dem zumindest einen Hauptanschlusselement, welches mit der Verbrennerleitung, insbesondere unmittelbar, verbunden ist, angeordnet. Vorzugsweise ist die weitere Wärmetauschereinheit mit der Rezirkulatgasleitung verbunden. Es kann ein vorteilhafter Wärmeeintrag aus dem Rezirkulatgas auf das beschleunigte Brenngas erreicht werden. Insbesondere kann die Wärmeenergie des Rezirkulatgases vorteilhaft effektiv auf das Brenngas, insbesondere Brenngasgemisch mit dem Rezirkulatgas, übertragen werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Strahlpumpenvorrichtung zumindest eine zusätzliche Wärmetauschereinheit umfasst, welche dazu ausgebildet ist, eine Wärmeenergie des Rezirkulatgases an eine Umgebung der Strahlpumpenvorrichtung abzugeben. Vorzugsweise ist die zumindest eine zusätzliche Wärmetauschereinheit mit der Rezirkulatgasleitung verbunden. Vorzugsweise ist die zusätzliche Wärmetauschereinheit als Kühlrippeneinheit ausgebildet. Vorzugsweise ist die zusätzliche Wärmetauschereinheit zwischen der weiteren Wärmetauschereinheit und dem Strahlpumpenkörper, insbesondere dem Nebenanschlusselement, mit der Rezirkulatgasleitung verbunden, insbesondere an der Rezirkulatgasleitung angeordnet. Es kann ein vorteilhafter Druck des Rezirkulatgases bei einem Eintritt in den Strahlpumpenhohlraum erreicht werden. Insbesondere kann ein Druck des Rezirkulatgases erreicht werden, welcher dem Brenngas als Treibmedium vorteilhaft erlaubt, das Rezirkulatgas effizient mitzureißen, insbesondere zu pumpen. Es kann eine vorteilhafte Temperatur des Rezirkulatgases bei einem Eintritt in den Strahlpumpenhohlraum erreicht werden. Insbesondere kann eine serieller Wärmeenergieübertrag vom Rezirkulatgas auf das Brenngas erfolgen, welcher vorteilhaft eine für diese Anordnung maximale Ausnutzung der Wärmeenergie des Rezirkulatgases erlaubt, insbesondere durch einen Eintrag vor einem Beschleunigen des Brenngases, bei einem Mischen des Brenngases mit dem Rezirkulatgas und nach einem Beschleunigen der Mischung des Brenngases mit dem Rezirkulatgas, sodass vorteilhafte Druckbedingungen und vorteilhafte Temperaturbedingungen am Ausgang des Strahlpumpenkörpers erreicht werden können.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit in der zumindest einen Rezirkulatgasleitung vor der zumindest einen weiteren Wärmetauschereinheit angeordnet ist. Vorzugsweise ist die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit in der zumindest einen Rezirkulatgasleitung strömungstechnisch vor der zumindest einen weiteren Wärmetauschereinheit angeordnet. Vorzugsweise ist die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit in der zumindest einen Rezirkulatgasleitung entlang eines Gasstroms durch die Rezirkulatgasleitung von der Verbrennereinheit zu der Strahlpumpeneinheit vor der zumindest einen weiteren Wärmetauschereinheit angeordnet. Es kann ein vorteilhaft hoher Wärmeübertrag durch die Rezirkulatwärmetauschereinheit auf das verdichtete Brenngas erfolgen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit in der zumindest einen Rezirkulatgasleitung vor der zumindest einen zusätzlichen Wärmetauschereinheit angeordnet ist. Vorzugsweise ist die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit in der zumindest einen Rezirkulatgasleitung strömungstechnisch vor der zumindest einen zusätzlichen Wärmetauschereinheit angeordnet. Vorzugsweise ist die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit in der zumindest einen Rezirkulatgasleitung entlang eines Gasstroms durch die Rezirkulatgasleitung von der Verbrennereinheit zu der Strahlpumpeneinheit vor der zumindest einen zusätzlichen Wärmetauschereinheit angeordnet. Es kann ein vorteilhaft hoher Wärmeübertrag durch die Rezirkulatwärmetauschereinheit auf das beschleunigte Brenngas erfolgen.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit, die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit und die zumindest eine zusätzliche Wärmetauschereinheit dazu ausgebildet sind, zusammen mindestens 50% einer Wärmeenergie, welche das Rezirkulatgas oberhalb von 0°C aufweist, auf das Brenngas und auf eine Umgebung zu übertragen. Unter einer „Wärmeenergie oberhalb von 0°C“ soll vorzugsweise eine Wärmeenergie einer Substanz verstanden werden, welche einer Differenz zweier Energien entspricht, welche die Substanz bei 0°C und bei einer Betriebstemperatur, welche größer ist als 0°C ist, aufweist. Insbesondere ist die Wärmeenergie oberhalb von 0°C der Substanz eine Energie, welche die Substanz bei einer Abkühlung von der Betriebstemperatur auf 0°C abgibt. Beispielsweise ist die Wärmeenergie oberhalb von 0°C der Substanz eine Energie, welche die Substanz bei einer Abkühlung von 610°C auf 0°C abgeben würde. Beispielsweise übertragen die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit, die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit und die zumindest eine zusätzliche Wärmetauschereinheit zusammen eine Wärmeenergie auf das Brenngas und auf eine Umgebung, welche einer Abkühlung des Rezirkulatgases von 610°C auf 260°C entspricht. Beispielsweise überträgt die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit eine Wärmeenergie auf das verdichtete Brenngas, welche einer Abkühlung des Rezirkulatgases von 610°C auf 533°C entspricht. Beispielsweise überträgt die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit eine Wärmeenergie auf das beschleunigte Brenngas, welche einer Abkühlung des Rezirkulatgases von 533°C auf 310°C entspricht. Beispielsweise überträgt die zumindest eine zusätzliche Wärmetauschereinheit eine Wärmeenergie auf die Umgebung der Rezirkulatgasleitung, welche einer Abkühlung des Rezirkulatgases von 310°C auf 260°C entspricht. Es kann ein vorteilhaft großer Anteil an verfügbarer Wärmeenergie des Rezirkulatgases genutzt werden. Insbesondere kann ein vorteilhafter Wärmeübertrag von dem Rezirkulatgas auf das Brenngas erreicht werden, wobei das Rezirkulatgas mit einer vorteilhaften Temperatur und mit einem vorteilhaften Druck in den Strahlpumpenkörper gelangt. Insbesondere kann eine vorteilhafte Pumpleitung mit einer vorteilhaft energieeffizienten Erwärmung des Brenngases kombiniert werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit dazu ausgebildet ist, mindestens 20% der Wärmeenergie, welche die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit, die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit und die zumindest eine zusätzliche Wärmetauschereinheit von dem Rezirkulatgas auf das Brenngas und auf die Umgebung übertragen, und welche das Rezirkulatgas insbesondere oberhalb von 0°C aufweist, auf das Brenngas zu übertragen. Vorzugsweise überträgt die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit eine Wärmeenergie auf das verdichtete Brenngas, welche mindestens 10% der Wärmeenergie, welche die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit, die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit und die zumindest eine zusätzliche Wärmetauschereinheit von dem Rezirkulatgas auf das Brenngas und auf die Umgebung übertragen, entspricht. Vorzugsweise überträgt die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit eine Wärmeenergie auf das verdichtete Brenngas, welche maximal 40%, bevorzugt maximal 30%, der Wärmeenergie, welche die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit, die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit und die zumindest eine zusätzliche Wärmetauschereinheit von dem Rezirkulatgas auf das Brenngas und auf die Umgebung übertragen, entspricht. Es kann ein vorteilhafter Wärmeeintrag in das verdichtete, unbeschleunigte Brenngas erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit dazu ausgebildet ist, mindestens 60% der Wärmeenergie, welche die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit, die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit und die zumindest eine zusätzliche Wärmetauschereinheit von dem Rezirkulatgas auf das Brenngas oder die Umgebung übertragen, und welche das Rezirkulatgas insbesondere oberhalb von 0°C aufweist, auf das Brenngas zu übertragen. Vorzugsweise überträgt die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit eine Wärmeenergie auf das verdichtete, und insbesondere beschleunigte, Brenngas, welche mindestens 50% der Wärmeenergie, welche die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit, die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit und die zumindest eine zusätzliche Wärmetauschereinheit von dem Rezirkulatgas auf das Brenngas und auf die Umgebung übertragen, entspricht. Vorzugsweise überträgt die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit eine Wärmeenergie auf das verdichtete Brenngas, welche maximal 80%, bevorzugt maximal 70%, der Wärmeenergie, welche die zumindest eine Rezirkulatwärmetauschereinheit, die zumindest eine weitere Wärmetauschereinheit und die zumindest eine zusätzliche Wärmetauschereinheit von dem Rezirkulatgas auf das Brenngas und auf die Umgebung übertragen, entspricht. Es kann ein vorteilhafter Wärmeeintrag in das verdichtete und beschleunigte Brenngas erreicht werden.
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Darüber hinaus wird ein Strahlpumpensystem vorgeschlagen mit zumindest einer Gasreservoireinheit, mit zumindest einer Verbrennereinheit, mit zumindest einer Verdichtereinheit und mit zumindest einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung. Vorzugsweise umfasst das Strahlpumpensystem die zumindest eine Gasleitung. Vorzugsweise ist das Strahlpumpensystem als ein Brennstoffzellensystem, als ein Elektrolysezellensystem und/oder als eine Turbomaschine ausgebildet. Es können vorteilhaft zueinander kompatible Bauteile verwendet werden. Insbesondere kann ein Gesamtsystem mit einem vorteilhaft hohen Wirkungsgrad erreicht werden.
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Darüber hinaus wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt das Brenngas aus der Gasreservoireinheit verdichtet in die Strahlpumpeneinheit eingeleitet, insbesondere durch die Gasreservoirleitung. Das Brenngas kann in zumindest einem Verfahrensschritt vor einem Einleiten in die Strahlpumpeneinheit verdichtet werden. Vorzugsweise wird das verdichtete Brenngas in zumindest einem Verfahrensschritt in der Strahlpumpeneinheit durch die Rezirkulatwärmetauschereinheit aufgewärmt, insbesondere vor einem Beschleunigen des verdichteten Brenngases. Vorzugsweise wird das verdichtete Brenngas in zumindest einem Verfahrensschritt in der Strahlpumpeneinheit beschleunigt, insbesondere durch das Düsenelement, insbesondere durch das Strahldüsenelement. Vorzugsweise wird das verdichtete und beschleunigte Brenngas in zumindest einem Verfahrensschritt von der weiteren Wärmetauschereinheit erwärmt. Vorzugsweise wird das verdichtete und beschleunigte Brenngas in zumindest einem Verfahrensschritt in die Verbrennereinheit geleitet, insbesondere durch die Verbrennerleitung. Vorzugsweise wird das verdichtete und beschleunigte Brenngas in zumindest einem Verfahrensschritt in der Verbrennereinheit zum Großteil verbrannt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt ein Anteil des zum Großteil verbrannten Brenngases als Rezirkulatgas zurück in die Strahlpumpeneinheit geleitet, insbesondere durch die Rezirkulatgasleitung. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt von dem Rezirkulatgas eine Wärmemenge auf die Rezirkulatwärmetauschereinheit übertragen. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt von dem Rezirkulatgas eine Wärmemenge auf die weitere Wärmetauschereinheit übertragen, insbesondere nach einem Übertragen von der Wärmemenge auf die Rezirkulatwärmetauschereinheit. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt von dem Rezirkulatgas eine Wärmemenge auf die zusätzliche Wärmetauschereinheit übertragen, insbesondere nach einem Übertragen von der Wärmemenge auf die Rezirkulatwärmetauschereinheit und nach einem Übertragen von der Wärmemenge auf die weitere Wärmetauschereinheit. Insbesondere kann das Verfahren analog auch zum Betrieb einer Turbomaschine verwendet werden. Eine Wärmetauschereinheit kann bei einer Turbomaschine an einem Rotor angeordnet werden oder in den Rotor integriert werden. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt eine Förderenergie mechanisch durch den Rotor auf das Brenngas übertragen. Es kann eine vorteilhaft verdichterfreie Turbomaschine erreicht werden. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt der Rotor der Turbomaschine in einem Hochtemperaturbereich der Turbomaschine betrieben. Bei einem Injektorprinzip der Turbomaschine kann die Turbomaschine zur Modulation der Leistung der Turbomaschine durch variable oder Multi-Injektoren ergänzt werden/sein. Es kann eine vorteilhafte Übertragung von Wärmeenergie von dem Rezirkulatgas auf das frische Brenngas erreicht werden, wobei eine Pumpeneffizienz der Strahlpumpeneinheit vorteilhaft beibehalten werden kann.
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Die erfindungsgemäße Strahlpumpenvorrichtung, das erfindungsgemäße Strahlpumpensystem und/oder das erfindungsgemäße Verfahren sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann die erfindungsgemäße Strahlpumpenvorrichtung, das erfindungsgemäße Strahlpumpensystem und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Strahlpumpensystem mit einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung in einer schematischen Darstellung und
- 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer Strahlpumpenvorrichtung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt ein Strahlpumpensystem 50. Das Strahlpumpensystem 50 umfasst eine Strahlpumpenvorrichtung 10. Die Strahlpumpenvorrichtung 10 ist zu einem Einsatz an einer Brennstoffzelle oder an einer Turbomaschine ausgebildet. Beispielhaft ist das Strahlpumpensystem 50 als Brennstoffzelle ausgebildet. Das Strahlpumpensystem 50 umfasst eine Gasreservoireinheit 12. Das Strahlpumpensystem 50 umfasst eine Verbrennereinheit 14. Das Strahlpumpensystem 50 umfasst eine Verdichtereinheit 16. Die Strahlpumpenvorrichtung 10 umfasst eine Strahlpumpeneinheit 18. Die Strahlpumpenvorrichtung 10 ist teilweise als eine Strahlpumpe ausgebildet. Insbesondere ist die Strahlpumpeneinheit 18 als die Strahlpumpe ausgebildet. Die Strahlpumpeneinheit 18 ist zu einem Beschleunigen von Brenngas 15 ausgebildet. Die Strahlpumpeneinheit 18 ist zu einem Fördern eines verdichteten Brenngases 15 von der Gasreservoireinheit 12 zu der Verbrennereinheit 14 ausgebildet.
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Das Strahlpumpensystem 50 umfasst eine Gasleitung 30. Die Gasleitung 30 verbindet die Gasreservoireinheit 12 mit der Verbrennereinheit 14. Die Strahlpumpeneinheit 18 ist mit der Gasleitung 30 gekoppelt. Die Strahlpumpeneinheit 18 ist in die Gasleitung 30 integriert. Die Gasleitung 30 weist eine Gasreservoirleitung 32 und eine Verbrennerleitung 34 auf. Die Strahlpumpeneinheit 18 ist durch die Gasleitung 30 mit der Gasreservoireinheit 12 verbunden. Die Strahlpumpeneinheit 18 ist durch die Gasleitung 30 mit der Verbrennereinheit 14 verbunden. Die Gasreservoirleitung 32 verbindet die Strahlpumpeneinheit 18 mit der Gasreservoireinheit 12. Die Verbrennerleitung 34 verbindet die Strahlpumpeneinheit 18 mit der Verbrennereinheit 14.
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In der Gasreservoireinheit 12 ist das Brenngas 15 gespeichert. Das Brenngas 15 ist beispielsweise als Methan ausgebildet. Das Brenngas 15 befindet sich zum Beispiel auf einem niedrigen Druckniveau, von insbesondere etwa 2 bar, in der Gasreservoireinheit 12. Insbesondere kann das Brenngas 15 aus der Gasreservoireinheit 12 durch die Gasleitung 30, insbesondere die Gasreservoirleitung 32, in die Strahlpumpeneinheit 18 einströmen.
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Die Verdichtereinheit 16 ist teilweise in der Gasleitung 30 zwischen der Gasreservoireinheit 12 und der Strahlpumpeneinheit 18 angeordnet. Die Verdichtereinheit 16 ist zu einem Erhöhen des Drucks des Brenngases 15 in der Gasleitung 30, insbesondere in der Gasreservoirleitung 32, ausgebildet. Beispielsweise ist die Verdichtereinheit 16 zu einem fünffachen Erhöhen des Drucks des Brenngases 15 ausgebildet. Die Verdichtereinheit 16 ist beispielsweise als eine Kompressoreinheit, insbesondere als einer oder mehrere Kompressor/en, ausgebildet.
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Die Strahlpumpenvorrichtung 10 umfasst eine Rezirkulatgasleitung 20. Die Rezirkulatgasleitung 20 ist zu einem Rückführen eines Anteils des Brenngases 15 nach der Verbrennereinheit 14 als Rezirkulatgas 25 zurück in die Strahlpumpeneinheit 18 ausgebildet, insbesondere angeordnet. Die Rezirkulatgasleitung 20 ist teilweise als eine Abgasleitung 46 aus der Verbrennereinheit 14 ausgebildet.
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Die Strahlpumpeneinheit 18 umfasst einen Strahlpumpenkörper 36. Der Strahlpumpenkörper 36 kann beispielsweise zylindrisch ausgebildet sein. Der Strahlpumpenkörper 36 begrenzt einen Strahlpumpenhohlraum 38. Der Strahlpumpenkörper 36 erstreckt sich, insbesondere entlang einer Längsachse 40 des Strahlpumpenkörpers 36, durch den Strahlpumpenkörper 36. Die Längsachse 40 des Strahlpumpenkörpers 36 erstreckt sich beispielhaft entlang einer Zylinderachse des zylindrischen Strahlpumpenkörpers 36.
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Der Strahlpumpenkörper 36 weist zwei Hauptanschlusselemente 42, 42' auf. Die zwei Hauptanschlusselemente 42, 42' sind mit der Gasleitung 30 verbunden. Beispielsweise sind die zwei Hauptanschlusselemente 42, 42' als Anschlussstutzen ausgebildet. Eines der zwei Hauptanschlusselemente 42, 42' ist durch die Gasleitung 30 mit der Gasreservoireinheit 12 verbunden. Eines der zwei Hauptanschlusselemente 42, 42', insbesondere ein Gasreservoiranschlusselement 43, ist, insbesondere unmittelbar und/oder abstandslos, mit der Gasreservoirleitung 32 verbunden. Eines der zwei Hauptanschlusselemente 42, 42' ist durch die Gasreservoirleitung 32 direkt, insbesondere ohne den Strahlpumpenkörper 36, mit der Gasreservoireinheit 12 verbunden. Eines der zwei Hauptanschlusselemente 42, 42' ist durch die Gasleitung 30 mit der Verbrennereinheit 14 verbunden. Eines der zwei Hauptanschlusselemente 42, 42', insbesondere ein Verbrenneranschlusselement 45, ist, insbesondere unmittelbar und/oder abstandslos, mit der Verbrennerleitung 34 verbunden. Eines der zwei Hauptanschlusselemente 42, 42' ist durch die Verbrennerleitung 34 direkt, insbesondere ohne den Strahlpumpenkörper 36, mit der Verbrennereinheit 14 verbunden.
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Die Gasleitung 30 ist mit dem Strahlpumpenkörper 36, insbesondere an den zwei Hauptanschlusselementen 42, 42', fest verbunden, wie beispielsweise aufgesteckt und fluiddicht verschraubt.
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Der Strahlpumpenkörper 36 weist ein Nebenanschlusselement 44 auf. Das Nebenanschlusselement 44 ist mit der Rezirkulatgasleitung 20 verbunden. Beispielsweise ist das Nebenanschlusselement 44 als Anschlussstutzen ausgebildet. Die Rezirkulatgasleitung 20 ist insbesondere mit dem Strahlpumpenkörper 36, insbesondere an dem Nebenanschlusselement 44, fest verbunden, wie beispielsweise fluiddicht verschraubt.
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Die zwei Hauptanschlusselemente 42, 42' und das Nebenanschlusselement 44 begrenzen insbesondere jeweils einen Zugang von außen zu dem Strahlpumpenhohlraum 38 durch verschiedene Außenwandungen 48, 48', 48" des Strahlpumpenkörpers 36. Die zwei Hauptanschlusselemente 42, 42' sind an verschiedenen Basisseiten des zylindrischen Strahlpumpenkörpers 36 angeordnet. Das Nebenanschlusselement 44 ist an einer Mantelaußenseite des zylindrischen Strahlpumpenkörpers 36 angeordnet. Die zwei Hauptanschlusselemente 42, 42' sind einander gegenüberliegend, insbesondere in einer Flucht zueinander, an dem Strahlpumpenkörper 36 angeordnet. Das Nebenanschlusselement 44 ist an dem Strahlpumpenkörper 36, insbesondere entlang des Strahlpumpenhohlraums 38 von einem der zwei Hauptanschlusselemente 42, 42' zu dem anderen Hauptanschlusselement 42, 42', zwischen den zwei Hauptanschlusselementen 42, 42' angeordnet.
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Das Nebenanschlusselement 44 ist näher zu dem Hauptanschlusselement 42, 42' der zwei Hauptanschlusselemente 42, 42' angeordnet, welches mit der Gasreservoirleitung 32 unmittelbar verbunden ist.
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Das Nebenanschlusselement 44 bildet, insbesondere definiert, insbesondere durch seine Anordnung, eine Saugseite 47, insbesondere einen Saugbereich, des Strahlpumpenkörpers 36. Die Hauptanschlusselemente 42, 42' bilden jeweils einen Treibanschluss, welche dazu vorgesehen sind, das Brenngas 15 als ein Treibmedium in und aus dem Strahlpumpenkörper 36 zu lassen. Das Brenngas 15 ist als Treibmedium dazu vorgesehen, bei einem Durchqueren des Strahlpumpenkörpers 36, insbesondere von einem zu dem anderen Hauptanschlusselement 42, 42', insbesondere an dem Nebenanschlusselement 44, bevorzugt in dem Saugbereich, das Rezirkulatgas 25 mitzureißen, insbesondere zu pumpen.
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Die Strahlpumpeneinheit 18 umfasst ein Düsenelement 52. Das Düsenelement 52 ist in dem Strahlpumpenhohlraum 38 an dem Gasreservoiranschlusselement 43 angeordnet. Das Düsenelement 52 ist in dem Strahlpumpenhohlraum 38 näher an dem Gasreservoiranschlusselement 43 als an dem Verbrenneranschlusselement 45 angeordnet. Der Strahlpumpenhohlraum 38, insbesondere der Strahlpumpenkörper 36, ist an einer dem Gasreservoiranschlusselement 43 zugewandten Seite des Strahlpumpenhohlraums 38 zum Ausbilden des Düsenelements 52 verjüngt ausgebildet.
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Die Strahlpumpenvorrichtung 10 umfasst eine Rezirkulatwärmetauschereinheit 22. Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist dazu ausgebildet, mit einer Wärmeenergie des Rezirkulatgases 25 das verdichtete Brenngas 15 zu erwärmen. Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist zwischen dem Düsenelement 52 und dem Gasreservoiranschlusselement 43, insbesondere der Gasreservoirleitung 32, bevorzugt an dem Düsenelement 52, insbesondere in dem Strahlpumpenhohlraum 38, angeordnet.
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Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist dazu ausgebildet, mit einer Wärmeenergie des Rezirkulatgases 25 das verdichtete Brenngas 15 hinter dem Gasreservoiranschlusselement 43 und vor dem Düsenelement 52, insbesondere an einer dem Gasreservoiranschlusselement 43 zugewandten Seite des Strahlpumpenhohlraums 38, zu erwärmen. Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist in dem Strahlpumpenhohlraum 38 an dem Gasreservoiranschlusselement 43 angeordnet. Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist in die Strahlpumpeneinheit 18, insbesondere in den Strahlpumpenhohlraum 38, integriert ausgebildet, insbesondere angeordnet. Insbesondere ist die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 mit dem Strahlpumpenkörper 36 verbunden, beispielsweise verschweißt, ausgebildet.
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Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist beispielsweise als ein konzentrisches Röhrensystem, insbesondere eine Spiralleitung, ausgebildet. Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist mit der Rezirkulatgasleitung 20 verbunden. Insbesondere bildet die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 einen Teil der Rezirkulatgasleitung 20.
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Die Strahlpumpeneinheit 18 umfasst ein Strahldüsenelement 54. Das Strahldüsenelement 54 ist in dem Strahlpumpenhohlraum 38 in einem mittleren Bereich des Strahlpumpenhohlraums 38, insbesondere zwischen den zwei Hauptanschlusselementen 42, 42' angeordnet. Insbesondere ist der Strahlpumpenhohlraum 38 in dem mittleren Bereich des Strahlpumpenhohlraums 38, insbesondere zwischen den zwei Hauptanschlusselementen 42, 42', welche insbesondere mit der Gasleitung 30 verbunden sind, zum Ausbilden des Strahldüsenelements 54 verjüngt ausgebildet. Vorzugsweise ist das Düsenelement 52 zwischen dem Gasreservoiranschlusselement 43 und dem Strahldüsenelement 54 angeordnet. Die Strahlpumpenvorrichtung 10 umfasst eine weitere Wärmetauschereinheit 24. Die weitere Wärmetauschereinheit 24 ist an einem Pumpenausgang 56 der Strahlpumpeneinheit 18 angeordnet. Die weitere Wärmetauschereinheit 24 ist zu einem Erwärmen des Brenngases 15 mit einer Wärmeenergie des Rezirkulatgases 25 ausgebildet. Der Pumpenausgang 56 der Strahlpumpeneinheit 18 ist ein Bereich des Strahlpumpenhohlraums 38, welcher dem Verbrenneranschlusselement 45 zugewandt ist. Der Pumpenausgang 56 der Strahlpumpeneinheit 18 ist ein Bereich des Strahlpumpenhohlraums 38, welcher sich von dem Verbrenneranschlusselement 45 bis zu dem Strahldüsenelement 54 erstreckt. Die weitere Wärmetauschereinheit 24 ist teilweise in dem Strahlpumpenhohlraum 38 angeordnet. Die weitere Wärmetauschereinheit 24 ist zwischen dem Strahldüsenelement 54 und dem Verbrenneranschlusselement 45 angeordnet. Die weitere Wärmetauschereinheit 24 ist beispielsweise als ein konzentrisches Röhrensystem, insbesondere eine Spiralleitung, ausgebildet. Die weitere Wärmetauschereinheit 24 ist mit der Rezirkulatgasleitung 20 verbunden. Insbesondere bildet die weitere Wärmetauschereinheit 24 einen Teil der Rezirkulatgasleitung 20. Das Strahldüsenelement 54 und das Düsenelement 52 sind dazu ausgebildet, das Brenngas 15 zu beschleunigen. Insbesondere ist das Strahldüsenelement 54 dazu ausgebildet, das Brenngas 15 mit dem Rezirkulatgas 25 zu beschleunigen.
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Die Strahlpumpenvorrichtung 10 umfasst eine zusätzliche Wärmetauschereinheit 26. Die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26 ist dazu ausgebildet, eine Wärmeenergie des Rezirkulatgases 25 an eine Umgebung 28 der Strahlpumpenvorrichtung 10 abzugeben. Die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26 ist mit der Rezirkulatgasleitung 20 verbunden. Die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26 ist als Kühlrippeneinheit ausgebildet. Die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26 ist zwischen der weiteren Wärmetauschereinheit 24 und dem Strahlpumpenkörper 36, insbesondere dem Nebenanschlusselement 44, mit der Rezirkulatgasleitung 20 verbunden, insbesondere an der Rezirkulatgasleitung 20 angeordnet.
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Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist in der Rezirkulatgasleitung 20 vor der weiteren Wärmetauschereinheit 24 angeordnet. Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist in der Rezirkulatgasleitung 20 strömungstechnisch vor der weiteren Wärmetauschereinheit 24 angeordnet. Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist in der Rezirkulatgasleitung 20 entlang eines Gasstroms durch die Rezirkulatgasleitung 20 von der Verbrennereinheit 14 zu der Strahlpumpeneinheit 18 vor der weiteren Wärmetauschereinheit 24 angeordnet.
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Die weitere Wärmetauschereinheit 24 ist in der Rezirkulatgasleitung 20 vor der zusätzlichen Wärmetauschereinheit 26 angeordnet. Die weitere Wärmetauschereinheit 24 ist in der Rezirkulatgasleitung 20 strömungstechnisch vor der zusätzlichen Wärmetauschereinheit 26 angeordnet. Die weitere Wärmetauschereinheit 24 ist in der Rezirkulatgasleitung 20 entlang des Gasstroms durch die Rezirkulatgasleitung 20 von der Verbrennereinheit 14 zu der Strahlpumpeneinheit 18 vor der zusätzlichen Wärmetauschereinheit 26 angeordnet.
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Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist durch eine Geometrie der Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 dazu ausgebildet, mit einer Wärmeenergie des Rezirkulatgases 25 das verdichtete Brenngas 15 zu erwärmen. Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22, die weitere Wärmetauschereinheit 24 und die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26 sind, insbesondere durch ihre jeweilige Geometrie und/oder Anordnung, dazu ausgebildet, zusammen mindestens 50% einer Wärmeenergie, welche das Rezirkulatgas 25 oberhalb von 0°C aufweist, auf das Brenngas 15 und auf die Umgebung 28 zu übertragen.
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Beispielsweise sind die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22, die weitere Wärmetauschereinheit 24 und die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26, insbesondere durch ihre jeweilige Geometrie und/oder Anordnung, dazu ausgebildet, zusammen eine Wärmeenergie auf das Brenngas 15 und auf die Umgebung 28 zu übertragen, welche einer Abkühlung des Rezirkulatgases 25 von 610°C auf 260°C entspricht. Beispielsweise ist die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22, insbesondere eine Geometrie und/oder Anordnung der Rezirkulatwärmetauschereinheit 22, dazu ausgebildet, eine Wärmeenergie auf das verdichtete Brenngas 15 zu übertragen, welche einer Abkühlung des Rezirkulatgases 25 von 610°C auf 533°C entspricht. Beispielsweise ist die weitere Wärmetauschereinheit 24, insbesondere eine Geometrie und/oder Anordnung der weiteren Wärmetauschereinheit 24, dazu ausgebildet, eine Wärmeenergie auf das beschleunigte Brenngas 15 zu übertragen, welche einer Abkühlung des Rezirkulatgases 25 von 533°C auf 310°C entspricht. Beispielsweise ist die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26, insbesondere eine Geometrie und/oder Anordnung der zusätzlichen Wärmetauschereinheit 26, dazu ausgebildet, eine Wärmeenergie auf die Umgebung 28 der Rezirkulatgasleitung 20 zu übertragen, welche einer Abkühlung des Rezirkulatgases 25 von 310°C auf 260°C entspricht.
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Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist dazu ausgebildet, mindestens 20% der Wärmeenergie, welche die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22, die weitere Wärmetauschereinheit 24 und die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26 von dem Rezirkulatgas 25 auf das Brenngas 15 und auf die Umgebung 28 übertragen, insbesondere pro Zeiteinheit, auf das Brenngas 15 zu übertragen.
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Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist dazu ausgebildet, eine Wärmeenergie auf das verdichtete Brenngas 15 zu übertragen, welche mindestens 10% der Wärmeenergie, welche die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22, die weitere Wärmetauschereinheit 24 und die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26 von dem Rezirkulatgas 25 auf das Brenngas 15 und auf die Umgebung 28 übertragen, insbesondere pro Zeiteinheit, entspricht.
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Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist dazu ausgebildet, eine Wärmeenergie auf das verdichtete Brenngas 15 zu übertragen, welche maximal 40%, insbesondere maximal 30%, der Wärmeenergie, welche die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22, die weitere Wärmetauschereinheit 24 und die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26 von dem Rezirkulatgas 25 auf das Brenngas 15 und auf die Umgebung 28 übertragen, entspricht. Die weitere Wärmetauschereinheit 24 ist dazu ausgebildet, mindestens 60% der Wärmeenergie, welche die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22, die weitere Wärmetauschereinheit 24 und die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26 von dem Rezirkulatgas 25 auf das Brenngas 15 oder die Umgebung 28 übertragen, insbesondere pro Zeiteinheit, auf das Brenngas 15 zu übertragen. Die weitere Wärmetauschereinheit 24 ist dazu ausgebildet, eine Wärmeenergie auf das verdichtete, und insbesondere beschleunigte, Brenngas 15, welche mindestens 50% der Wärmeenergie, welche die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22, die weitere Wärmetauschereinheit 24 und die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26 von dem Rezirkulatgas 25 auf das Brenngas 15 und auf die Umgebung 28 übertragen, insbesondere pro Zeiteinheit, entspricht. Die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 ist dazu ausgebildet, eine Wärmeenergie auf das verdichtete Brenngas 15, welche maximal 80%, bevorzugt maximal 70%, der Wärmeenergie, welche die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22, die weitere Wärmetauschereinheit 24 und die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26 von dem Rezirkulatgas 25 auf das Brenngas 15 und auf die Umgebung 28 übertragen, insbesondere pro Zeiteinheit, entspricht.
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Bei einem Eintritt des Rezirkulatgases 25 in die Strahlpumpeneinheit 18 vermischt sich das Rezirkulatgas 25 mit dem, insbesondere frischen, Brenngas 15 zu Brenngas 15 für die Verbrennereinheit 14.
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2 zeigt ein Verfahren zum Betrieb der Strahlpumpenvorrichtung 10.
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Das Verfahren umfasst einen Dauerbetriebsschritt 58, in welchem die Strahlpumpenvorrichtung 10, insbesondere das Strahlpumpensystem 50, betrieben wird. Zu einem vereinfachten Verständnis werden in der Folge die parallel ablaufenden einzelnen Teile des Dauerbetriebsschritts 58 als einzelne Verfahrensschritte erläutert. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere einem Einleitschritt 60, wird das Brenngas 15 aus der Gasreservoireinheit 12 in die Strahlpumpeneinheit 18 eingeleitet, insbesondere durch die Gasreservoirleitung 32. Das Brenngas 15 kann in zumindest dem Einleitschritt 60 vor einem Einleiten in die Strahlpumpeneinheit 18 verdichtet werden. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere dem Einleitschritt 60, wird das, insbesondere durch die Verdichtereinheit 16 und/oder aus der Gasreservoireinheit 12 verdichtete, Brenngas 15 in der Strahlpumpeneinheit 18 durch die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 aufgewärmt, insbesondere vor einem Beschleunigen des verdichteten Brenngases 15. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere einem Beschleunigungsschritt 62, wird das verdichtete Brenngas 15 in der Strahlpumpeneinheit 18 beschleunigt, insbesondere durch das Düsenelement 52, insbesondere durch das Strahldüsenelement 54. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere dem Beschleunigungsschritt 62, wird das verdichtete und beschleunigte Brenngas 15 von der weiteren Wärmetauschereinheit 24 erwärmt. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere dem Beschleunigungsschritt 62, wird das verdichtete und beschleunigte Brenngas 15 in die Verbrennereinheit 14 geleitet, insbesondere durch die Verbrennerleitung 34. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere einem Verbrennschritt 64, wird das verdichtete und beschleunigte Brenngas 15 in der Verbrennereinheit 14 zum Großteil verbrannt. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere dem Verbrennschritt 64, wird ein Anteil des zum Großteil verbrannten Brenngases 15 als Rezirkulatgas 25 zurück in die Strahlpumpeneinheit 18 geleitet, insbesondere durch die Rezirkulatgasleitung 20. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere einem Wärmenutzschritt 66, wird in zumindest einem Verfahrensschritt von dem Rezirkulatgas 25 eine Wärmemenge auf die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 übertragen. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere dem Wärmenutzschritt 66, wird von dem Rezirkulatgas 25 eine Wärmemenge auf die weitere Wärmetauschereinheit 24 übertragen, insbesondere nach einem Übertragen von der Wärmemenge auf die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 von den gleichen Molekülen des Rezirkulatgases 25. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere dem Wärmenutzschritt 66, wird von dem Rezirkulatgas 25 eine Wärmemenge auf die zusätzliche Wärmetauschereinheit 26 übertragen, insbesondere nach einem Übertragen von der Wärmemenge auf die Rezirkulatwärmetauschereinheit 22 und nach einem Übertragen von der Wärmemenge auf die weitere Wärmetauschereinheit 24 von den gleichen Molekülen des Rezirkulatgases 25. Insbesondere kann das Verfahren analog zum Betrieb einer Turbomaschine verwendet werden.
