DE102022118387A1 - Brayton cycle machine and method for operating a Brayton cycle machine - Google Patents

Brayton cycle machine and method for operating a Brayton cycle machine Download PDF

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Abstract

Brayton-Kreisprozess-Maschine (10), mit einem Verdichter (11), der eingerichtet ist, gasförmiges Arbeitsmedium ausgehend von einem Eingangsdruck des Verdichters (11) auf einen Ausgangsdruck des Verdichters (11) zu verdichten, mit einem ersten Wärmetauscher (12), der eingerichtet ist, stromabwärts des Verdichters (12) Wärme aus dem gasförmigen, verdichteten Arbeitsmedium auszukoppeln, mit einem Expander (13), der eingerichtet ist, stromabwärts des ersten Wärmetauschers (12) das gasförmige Arbeitsmedium zu entspannen, mit einem zweiten Wärmetauscher (14), der eingerichtet ist, stromabwärts des Expanders (13) Wärme in das gasförmige Arbeitsmedium einzukoppeln, wobei der Verdichter (11) ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Zylinder (15) ist.Brayton cycle machine (10), with a compressor (11), which is set up to compress gaseous working medium starting from an inlet pressure of the compressor (11) to an outlet pressure of the compressor (11), with a first heat exchanger (12), which is set up to extract heat from the gaseous, compressed working medium downstream of the compressor (12), with an expander (13), which is set up to expand the gaseous working medium downstream of the first heat exchanger (12), with a second heat exchanger (14) , which is set up to couple heat into the gaseous working medium downstream of the expander (13), the compressor (11) being a reciprocating piston compressor with at least one cylinder (15).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brayton-Kreisprozess-Maschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Brayton-Kreisprozess-Maschine.The invention relates to a Brayton cycle machine and a method for operating a Brayton cycle machine.

Der grundsätzliche Aufbau einer Brayton-Kreisprozess-Maschine ist aus der Praxis bekannt. So verfügt eine Brayton-Kreisprozess-Maschine über einen Verdichter, der eingerichtet ist, gasförmiges Arbeitsmedium ausgehend von einem Eingangsdruck des Verdichters auf einen Ausgangsdruck des Verdichters zu verdichten. Ferner verfügt eine Brayton-Kreisprozess-Maschine über einen ersten Wärmetauscher, der eingerichtet ist, stromabwärts des Verdichters Wärme aus dem gasförmigen, verdichteten Arbeitsmedium auszukoppeln. Ein Expander der Brayton-Kreisprozess-Maschine ist eingerichtet, stromabwärts des ersten Wärmetauschers das Arbeitsmedium zu entspannen, wobei stromabwärts des Expanders die Brayton-Kreisprozess-Maschine einen zweiten Wärmetauscher aufweist, der eingerichtet ist, stromabwärts des Expanders Wärme in das gasförmige Arbeitsmedium einzukoppeln. Das Arbeitsmedium liegt während des gesamten Kreisprozesses in einem gasförmigen Aggregatzustand vor, wobei es sich beim Arbeitsmedium um Luft, CO2 oder auch Argon handeln kann. Bei aus der Praxis bekannten Brayton-Kreisprozess-Maschinen ist der Verdichter als Turboverdichter ausgeführt. Damit können bei aus der Praxis bekannten Brayton-Kreisprozess-Maschinen stromabwärts des Verdichters Verdichtungsendtemperaturen von maximal 450°C realisiert werden.The basic structure of a Brayton cycle machine is known from practice. A Brayton cycle machine has a compressor that is set up to compress gaseous working medium from an inlet pressure of the compressor to an outlet pressure of the compressor. Furthermore, a Brayton cycle machine has a first heat exchanger which is set up to extract heat from the gaseous, compressed working medium downstream of the compressor. An expander of the Brayton cycle machine is set up to expand the working medium downstream of the first heat exchanger, with the Brayton cycle machine having a second heat exchanger downstream of the expander, which is set up to couple heat into the gaseous working medium downstream of the expander. The working medium is in a gaseous state throughout the entire cycle, whereby the working medium can be air, CO 2 or even argon. In Brayton cycle machines known from practice, the compressor is designed as a turbo compressor. This means that in Brayton cycle machines known from practice, final compression temperatures of a maximum of 450 ° C can be achieved downstream of the compressor.

Es besteht Bedarf an einer Brayton-Kreisprozess-Maschine, mit welcher höhere Verdichtungstemperaturen realisiert werden können. Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Brayton-Kreisprozess-Maschine und ein Verfahren zum Betreiben derselben zu schaffen.There is a need for a Brayton cycle machine with which higher compression temperatures can be achieved. The object of the invention is to create such a Brayton cycle machine and a method for operating it.

Diese Aufgabe wird durch eine Brayton-Kreisprozess-Maschine nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist der Verdichter ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Zylinder. Erfindungsgemäß ist der Verdichter ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Zylinder. Hierdurch ist es möglich, höhere Verdichtungsendtemperaturen von bis zu 600°C oder bis zu 800°C zu realisieren.This task is achieved by a Brayton cycle machine according to claim 1. According to the invention, the compressor is a reciprocating compressor with at least one cylinder. According to the invention, the compressor is a reciprocating compressor with at least one cylinder. This makes it possible to achieve higher final compression temperatures of up to 600°C or up to 800°C.

Vorzugsweise weist die Brayton-Kreisprozess-Maschine einen dritten Wärmetauscher auf, der eingerichtet ist, stromaufwärts des Verdichters Restwärme des über den ersten Wärmetauscher geführten Arbeitsmediums in das zu verdichtende Arbeitsmedium einzukoppeln. Insbesondere ist der dritte Wärmetauscher Bestandteil eines Sekundärkreislaufs, der einen weiteren Wärmetauscher aufweist, wobei der weitere Wärmetauscher eingerichtet ist, stromabwärts des ersten Wärmetauscher Restwärme des Arbeitsmediums in ein Prozessmedium des Sekundärkreislaufs einzukoppeln, und wobei der dritte Wärmetauscher eingerichtet ist, stromaufwärts des Verdichters die Restwärme des über den ersten Wärmetauscher geführten Arbeitsmediums in das zu verdichtende Arbeitsmedium einzukoppeln. Hiermit kann die Effizienz der Brayton-Kreisprozess-Maschine weiter gesteigert werden.The Brayton cycle machine preferably has a third heat exchanger, which is set up to couple residual heat from the working medium guided via the first heat exchanger into the working medium to be compressed upstream of the compressor. In particular, the third heat exchanger is part of a secondary circuit which has a further heat exchanger, the further heat exchanger being set up to couple residual heat of the working medium into a process medium of the secondary circuit downstream of the first heat exchanger, and the third heat exchanger being set up to transfer the residual heat upstream of the compressor to couple the working medium guided via the first heat exchanger into the working medium to be compressed. This allows the efficiency of the Brayton cycle machine to be further increased.

Vorzugsweise ist der Hubkolbenverdichter von einem Motor angetrieben und mit dem Expander insbesondere über ein Getriebe und/oder eine Kupplung gekoppelt. Der Expander kann zur Unterstützung des Motors genutzt werden. Es ist ein effizienter Betrieb der Brayton-Kreisprozess-Maschine möglich.Preferably, the reciprocating compressor is driven by a motor and coupled to the expander, in particular via a gear and/or a clutch. The expander can be used to support the engine. Efficient operation of the Brayton cycle machine is possible.

Vorzugsweise weist die Brayton-Kreisprozess-Maschine ein eine Injektionseinrichtung für Wasser auf, die eingerichtet ist, stromabwärts des Expanders und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers Wasser und/oder im Bereich des zweiten Wärmestauschers Wasser in das zu verdichtende Arbeitsmedium zu injizieren. Es ist möglich, den Brayton-Kreisprozess mit feuchter Luft zu betreiben, um die Effizienz des Kreisprozesses weiter zu steigern.Preferably, the Brayton cycle machine has an injection device for water, which is set up to inject water downstream of the expander and upstream of the second heat exchanger and / or in the area of the second heat exchanger, water into the working medium to be compressed. It is possible to operate the Brayton cycle with moist air to further increase the efficiency of the cycle.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brayton-Kreisprozess-Maschine ist in Anspruch 10 definiert.The method according to the invention for operating a Brayton cycle machine is defined in claim 10.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Preferred developments of the invention result from the subclaims and the following description.

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

  • 1: ein Blockschaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Brayton-Kreisprozess-Maschine,
  • 2 ein Blockschaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Brayton-Kreisprozess-Maschine,
  • 3 ein Blockschaltbild einer dritten erfindungsgemäßen Brayton-Kreisprozess-Maschine.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail using the drawing, without being limited to this. This shows:
  • 1 : a block diagram of a first Brayton cycle machine according to the invention,
  • 2 a block diagram of a second Brayton cycle machine according to the invention,
  • 3 a block diagram of a third Brayton cycle machine according to the invention.

Die Erfindung eine Brayton-Kreisprozess-Maschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brayton-Kreisprozess-Maschine.The invention of a Brayton cycle machine. The invention further relates to a method for operating a Brayton cycle machine.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Brayton-Kreisprozess-Maschine 10, wobei die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 über einen Verdichter 11 verfügt, der eingerichtet ist, gasförmiges Arbeitsmedium ausgehend von einem Eingangsdruck des Verdichters 11 auf einen Ausgangsdruck desselben zu verdichten. 1 shows a Brayton cycle machine 10 according to the invention, the Brayton cycle machine 10 having a compressor 11 which is set up to process gaseous working medium starting from an inlet pressure of the compressor 11 to an outlet pressure of the same.

Die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 verfügt ferner über einen ersten Wärmetauscher 12, der eingerichtet ist, stromabwärts des Verdichters 11 Wärme aus dem gasförmigen, verdichteten Arbeitsmedium auszukoppeln.The Brayton cycle machine 10 also has a first heat exchanger 12, which is set up to extract heat from the gaseous, compressed working medium downstream of the compressor 11.

Ferner verfügt die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 über einen Expander 13, der eingerichtet ist, stromabwärts des ersten Wärmetauschers 12 das gasförmige Arbeitsmedium zu entspannen. Der Exapnder 13 kann auch als Turbine bezeichnet werden.Furthermore, the Brayton cycle machine 10 has an expander 13, which is set up to expand the gaseous working medium downstream of the first heat exchanger 12. The expander 13 can also be referred to as a turbine.

Stromabwärts des Expanders 13 und stromaufwärts des Verdichters 11 umfasst die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 über einen zweiten Wärmetauscher 14, der eingerichtet ist, stromabwärts des Expanders 13 Wärme in das gasförmige Arbeitsmedium einzukoppeln.Downstream of the expander 13 and upstream of the compressor 11, the Brayton cycle machine 10 includes a second heat exchanger 14, which is set up to couple heat into the gaseous working medium downstream of the expander 13.

Während des gesamten Kreisprozesses liegt das Arbeitsmedium, bei welchem es sich um Luft, CO2 oder auch Argon handeln kann, in einem gasförmigen Zustand vor.During the entire cycle, the working medium, which can be air, CO 2 or even argon, is in a gaseous state.

Der Verdichter 11 ist erfindungsgemäß ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Zylinder 15. 1 zeigt lediglich exemplarisch einen Zylinder 15 sowie einen Kolben 16 im Bereich des Zylinders 15. Der Hubkolbenverdichter 11 ist ausgehend von einem Motor 17 antreibbar. Ebenso kann der Hubkolbenverdichter 11 ausgehend vom Expander 13 zur Unterstützung des Motors 17 angetrieben werden, wobei zwischen dem Expander 13 und den Hubkolbenverdichter 11 ein nicht gezeigtes Getriebe und/oder eine nicht gezeigte Kupplung geschaltet sein kann oder eine elektrische Verschaltung von Tubinen-Generator und Verrdichter-Motor.According to the invention, the compressor 11 is a reciprocating piston compressor with at least one cylinder 15. 1 shows only an example of a cylinder 15 and a piston 16 in the area of the cylinder 15. The reciprocating compressor 11 can be driven by a motor 17. Likewise, the reciprocating compressor 11 can be driven starting from the expander 13 to support the motor 17, with a gearbox (not shown) and/or a clutch (not shown) being connected between the expander 13 and the reciprocating compressor 11, or an electrical connection of the tubine generator and compressor -Engine.

Dadurch, dass als Verdichter ein Hubkolbenverdichter 11 genutzt wird, können hohe Verdichtungsendtemperaturen stromabwärts des Verdichters 11 von bis zu 600 C oder bis zu 800°C realisiert werden. Als Hubkolbenverdichter 11 kann auf einen Hubkolbenverbrennungsmotor zurückgegriffen werden, in dem dann jedoch kein Kraftstoff verbrannt wird, vielmehr wird in den Zylindern 15 desselben dann ausschließlich das Arbeitsmedium verdichtet.Because a reciprocating piston compressor 11 is used as the compressor, high final compression temperatures downstream of the compressor 11 of up to 600 C or up to 800 ° C can be achieved. A reciprocating piston internal combustion engine can be used as the reciprocating piston compressor 11, in which, however, no fuel is burned; rather, only the working medium is then compressed in the cylinders 15 of the same.

Wie bereits ausgeführt, ist der Hubkolbenverdichter 11 ausgehend vom Motor 17 angetrieben. Im Bereich des zweiten Wärmetauschers 14 wird das zu verdichteten Arbeitsmedium vorgewärmt, über den Hubkolbenverdichter 11 angesaugt und bis auf einen Zieldruck und damit eine Zieltemperatur verdichtet.As already stated, the reciprocating compressor 11 is driven by the motor 17. In the area of the second heat exchanger 14, the working medium to be compressed is preheated, sucked in via the reciprocating compressor 11 and compressed to a target pressure and thus a target temperature.

Über einen stromabwärts des Hubkolbenverdichters 11 angeordneten Ölfilter oder Ölabscheider 18 kann Öl aus dem Arbeitsmedium entfernt werden.Oil can be removed from the working medium via an oil filter or oil separator 18 arranged downstream of the reciprocating compressor 11.

Im ersten Wärmetauscher 12 kann Wärme aus dem Arbeitsmedium ausgekoppelt werden, insbesondere als Nutzwärme an Dampf, Thermo-Öl, Luft oder Flüssigsalz übertragen werden.In the first heat exchanger 12, heat can be extracted from the working medium, in particular transferred as useful heat to steam, thermal oil, air or liquid salt.

Die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 der 1 weist einen dritten Wärmetauscher 19 auf, der eingerichtet ist, stromaufwärts des Verdichters 11 Restwärme des über den ersten Wärmetauscher 12 geführten gasförmigen Arbeitsmediums in das zu verdichtende gasförmige Arbeitsmedium einzukoppeln. Dabei gelangt dann in 1 das über die beiden Wärmetauscher 12 und 19 geführte Arbeitsmedium anschließend in den Bereich des Expanders 13.The Brayton cycle machine 10 of 1 has a third heat exchanger 19, which is set up to couple residual heat of the gaseous working medium guided via the first heat exchanger 12 into the gaseous working medium to be compressed upstream of the compressor 11. This then comes in 1 the working medium guided via the two heat exchangers 12 and 19 then flows into the area of the expander 13.

Wie bereits ausgeführt, kann der Expander 13 bei der Entspannung des gasförmigen Arbeitsmediums gewonnene Energie zum Antreiben des Hubkolbenverdichters 11 nutzen, wozu der Expander 13 elektrisch und/oder mechanisch, insbesondere über ein nicht gezeigtes Getriebe und/oder eine nicht gezeigte Kupplung, mit dem Hubkolbenverdichter 11 gekoppelt sein kann.As already stated, the expander 13 can use energy obtained during the expansion of the gaseous working medium to drive the reciprocating compressor 11, for which purpose the expander 13 is connected electrically and/or mechanically, in particular via a gearbox (not shown) and/or a clutch (not shown), to the reciprocating compressor 11 can be coupled.

Bei der Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen stromaufwärts des dritten Wärmetauschers 19 und stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 14 ein weiterer Wärmetauscher 20 angeordnet, der eingerichtet ist, Wärme eines Schmiermediums und/oder eines Kühlmediums des Hubkolbenverdichters 11 in das zu Arbeitsmedium einzukoppeln Hierdurch ist es möglich, einen effektiven Kühlmechanismus für den Hubkolbenverdichter 11, der hohen Temperaturen ausgesetzt ist, bereitzustellen. Wärme des Schmiermediums und/oder Kühlmediums kann aus dem Gehäuse des Hubkolbenverdichters 11 abgeführt und über den weiteren Wärmetauscher 20 in das zu verdichtende, gasförmige Arbeitsmedium eingekoppelt werden.In the Brayton cycle machine 10, viewed in the flow direction of the working medium, a further heat exchanger 20 is arranged upstream of the third heat exchanger 19 and downstream of the second heat exchanger 14, which is set up to transfer heat from a lubricating medium and/or a cooling medium of the reciprocating piston compressor 11 into the working medium This makes it possible to provide an effective cooling mechanism for the reciprocating compressor 11, which is exposed to high temperatures. Heat from the lubricating medium and/or cooling medium can be dissipated from the housing of the reciprocating piston compressor 11 and coupled into the gaseous working medium to be compressed via the further heat exchanger 20.

2 zeigt eine Weiterbildung der Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 der 1, wobei in 2 der dritte Wärmetauscher 19 Bestandteil eines Sekundärkreislaufs 21 ist, in den ein weiterer Wärmetauscher 22 eingebunden ist. Der weitere Wärmetauscher 22 ist eingerichtet, stromabwärts des ersten Wärmetauschers 12 Restwärme des Arbeitsmediums in ein Prozessmedium des Sekundärkreislaufs 21 einzukoppeln. Der dritte Wärmetauscher 19 ist dann eingerichtet, stromaufwärts des Verdichters 11 die Restwärme des Arbeitsmediums, die in das Prozessmedium eingekoppelt wurde, in das gasförmige, zu verdichtende Arbeitsmedium stromaufwärts des Verdichters 11 einzukoppeln. Dabei ist gemäß 2 in den Sekundärkreis eine Pumpe 23 integriert. Bei dem Prozessmedium des Sekundärkreises 21, welches auch als Transferfluid bezeichnet werden kann, kann es sich um Thermo-Öl oder auch um Wasser handeln. 2 zeigt weiterhin ein Druckhaltesystem 24 für den Sekundärkreislauf 21. Über das Druckhaltesystem 24 kann der Druck im Sekundärkreislauf 21 geregelt werden. 2 shows a further development of the Brayton cycle machine 10 1 , where in 2 the third heat exchanger 19 is part of a secondary circuit 21, into which a further heat exchanger 22 is integrated. The further heat exchanger 22 is set up to couple residual heat of the working medium into a process medium of the secondary circuit 21 downstream of the first heat exchanger 12. The third heat exchanger 19 is then set up to couple the residual heat of the working medium, which was coupled into the process medium, upstream of the compressor 11 into the gaseous working medium to be compressed upstream of the compressor 11. This is according to 2 A pump 23 is integrated into the secondary circuit. The process medium of the secondary circuit 21, which can also be referred to as transfer fluid, can be thermal oil or water. 2 also shows a pressure maintenance system 24 for the secondary circuit 21. The pressure in the secondary circuit 21 can be regulated via the pressure maintenance system 24.

Wie bereits ausgeführt, handelt es sich bei den Verdichtern 11 der Brayton-Kreisprozess-Maschinen 10 der 1 und 2 um Hubkolbenverdichter. Diese verfügen über mindestens einen Zylinder 15 mit einem im Zylinder 15 auf und ab bewegbaren Kolben 16. Dabei kann es sich bei dem Hubkolbenverdichter 11 um Baugruppen eines Hubkolbenverbrennungsmotors handeln, der jedoch nicht zur Verbrennung von Kraftstoff genutzt wird, sondern lediglich zur Verdichtung des Arbeitsmediums, wobei der Hubkolbenverdichter 11 ausgehend vom Motor 17 gegebenenfalls unterstützt durch den Expander 13 angetrieben wird.As already stated, the compressors 11 are the Brayton cycle machines 10 1 and 2 about reciprocating compressors. These have at least one cylinder 15 with a piston 16 that can be moved up and down in the cylinder 15. The reciprocating compressor 11 can be components of a reciprocating internal combustion engine, which, however, is not used to burn fuel, but only to compress the working medium. wherein the reciprocating piston compressor 11 is driven, starting from the motor 17, if necessary supported by the expander 13.

Die Wärmetauscher 19 und 20 können dabei von Ladeluftkühlern eines Hubkolbenverbrennungsmotors bereitgestellt werden. Auch die anderen Wärmetauscher 12, 14 und 22 können in der Technologie von Ladeluftkühlern von Hubkolbenverbrennungsmotors ausgeführt werden. Hierdurch ist dann ein kompakter, einfacher Aufbau der Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 möglich.The heat exchangers 19 and 20 can be provided by intercoolers of a reciprocating internal combustion engine. The other heat exchangers 12, 14 and 22 can also be designed using the technology of intercoolers of reciprocating internal combustion engines. This then makes a compact, simple structure of the Brayton cycle machine 10 possible.

Es ist möglich, ein Modul, welches den Expander 13 und sämtliche Wärmetauscher 12, 14, 20, 19 und 22 umfasst, als Einheit zusammenzufassen und am Gehäuse des Hubkolbenverdichters zu verbauen. Ein solches Moduls aus dem Expander 13 und den Wärmetauschern 12, 19, 20, 14 und 22 kann kompakt ausgeführt und am Gehäuse des Hubkolbenverdichters 11 verbaut sein.It is possible to combine a module, which includes the expander 13 and all heat exchangers 12, 14, 20, 19 and 22, as a unit and to install it on the housing of the reciprocating compressor. Such a module consisting of the expander 13 and the heat exchangers 12, 19, 20, 14 and 22 can be designed to be compact and installed on the housing of the reciprocating compressor 11.

3 zeigt eine weitere Abwandlung der Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 der 1, wobei die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 der 3 eine Injektionseinrichtung 25 aufweist, die eingerichtet ist, stromabwärts des Expanders 13 und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 14 Wasser in das zu verdichtende, gasförmige Arbeitsmedium zu injizieren, und zwar gemäß 3 unmittelbar vor dem zweiten Wärmetauscher 14 und/oder im Bereich des zweiten Wärmetauschers 14. So zeigt 3 eine Düse 26 zur Injektion des Wassers in das gasförmige Arbeitsmedium unmittelbar stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 14 und einen Injektor 27 für eine Injektion des Wassers in das gasförmige Arbeitsmedium unmittelbar im zweiten Wärmetauscher 14. 3 shows a further modification of the Brayton cycle machine 10 1 , where the Brayton cycle machine 10 is 3 an injection device 25 which is set up to inject water into the gaseous working medium to be compressed downstream of the expander 13 and upstream of the second heat exchanger 14, according to 3 immediately in front of the second heat exchanger 14 and/or in the area of the second heat exchanger 14. This shows 3 a nozzle 26 for injecting the water into the gaseous working medium immediately upstream of the second heat exchanger 14 and an injector 27 for injecting the water into the gaseous working medium immediately in the second heat exchanger 14.

In der Variante der 3 wird also die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 mit feuchter Luft betrieben. Hierbei wird stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 14 und/oder unmittelbar im Bereich des zweiten Wärmetauschers 14 Wasser in das gasförmige Arbeitsmedium injiziert, und zwar maximal so viel Wasser, dass stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 14 und stromaufwärts des Hubkolbenverdichters 11 voll gesättigtes Arbeitsmedium mit einer Feuchtigkeit von maximal 100% vorliegt.In the variant of 3 So the Brayton cycle machine 10 is operated with moist air. Here, water is injected into the gaseous working medium upstream of the second heat exchanger 14 and/or directly in the area of the second heat exchanger 14, namely a maximum of so much water that downstream of the second heat exchanger 14 and upstream of the reciprocating piston compressor 11 there is a fully saturated working medium with a moisture content of maximum 100% present.

3 zeigt stromabwärts des Expanders 13 einen Kondensatabscheider 28, über welchen stromabwärts des Expanders 13 anfallendes Kondensat aus dem gasförmigen Arbeitsmedium abgeschieden werden kann, um dasselbe in einem Tank 29 zu sammeln und über eine Pumpe 30 wiederum der Injektionseinrichtung 25 zur Verfügung zu stellen. Insbesondere kann durch eine direkte Verschaltung mit kurzen Leitungswegen auf den Kondensatabscheider 28 und/oder die Injektionseinrichtung 25 verzichtet werden. Es bilden sich Flüssigkeitströpfchen aus, die im Strom des Arbeitsmediums mitgerissen werden und im nachfolgenden zweiten Wärmetauscher 14 von dem gasförmigen Arbeitsmedium aufgenommen werden. Somit benötigt die Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 eigentlich keine Injektionseinrichtung 25 und keine Kondensatabscheidung 28. Zum Anfahren der Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 und zum Nachregeln der Feuchtigkeit sind die Injektionseinrichtung 25 und die Kondensatabscheidung 28 jedoch von Vorteil. Die Eindüsung oder Injektion von Wasser in das gasförmige Arbeitsmedium kann zum Anfahren auch an einer anderen Stelle im Kreisprozess vorgesehen sein. 3 shows downstream of the expander 13 a condensate separator 28, via which condensate arising downstream of the expander 13 can be separated from the gaseous working medium in order to collect it in a tank 29 and in turn make it available to the injection device 25 via a pump 30. In particular, the condensate separator 28 and/or the injection device 25 can be dispensed with by a direct connection with short line paths. Liquid droplets form which are entrained in the flow of the working medium and are absorbed by the gaseous working medium in the subsequent second heat exchanger 14. Thus, the Brayton cycle machine 10 actually does not require an injection device 25 and no condensate separation 28. However, the injection device 25 and the condensate separation 28 are advantageous for starting up the Brayton cycle machine 10 and for readjusting the humidity. The injection or injection of water into the gaseous working medium can also be provided for starting at another point in the cycle.

Je mehr Wasser in 3 in das Arbeitsmedium der Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 injiziert wird, desto höher ist die Effizienz des Kreisprozesses. Zusätzlich kann die Eindüsung des Wassers zur Regelung der Austrittstemperatur des Expanders 13 genutzt werden, um zum Beispiel eine Vereisung im Bereich des Expanders 13 zu vermeiden. Je mehr Wasser in das Arbeitsmedium injiziert wird, desto höher ist die Austrittstemperatur des Expanders 13.The more water in 3 is injected into the working medium of the Brayton cycle machine 10, the higher the efficiency of the cycle. In addition, the injection of water can be used to control the outlet temperature of the expander 13, for example to avoid icing in the area of the expander 13. The more water is injected into the working medium, the higher the outlet temperature of the expander 13.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brayton-Kreisprozess-Maschine 10, nämlich der Brayton-Kreisprozess-Maschine 10 der 3, bei welchem Wasser in das gasförmige Arbeitsmedium stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 14 und/oder im Bereich des zweiten Wärmetauschers 14 in das gasförmige Arbeitsmedium injiziert wird. Dies kann gesteuert und/oder geregelt erfolgen, insbesondere abhängig von einer gemessenen Austrittstemperatur des Expanders 13. Abhängig von der Austrittstemperatur des Expanders 13 kann die Menge des injizierten Wassers eingestellt werden, um ein Vereisen des Expanders 13 auszuschließen.The invention further relates to a method for operating a Brayton cycle machine 10, namely the Brayton cycle machine 10 of 3 , in which water is injected into the gaseous working medium downstream of the second heat exchanger 14 and/or in the area of the second heat exchanger 14 into the gaseous working medium. This can be done in a controlled and/or regulated manner, in particular depending on a measured outlet temperature of the expander 13. Depending on the outlet temperature of the expander 13, the amount of water injected can be adjusted in order to prevent the expander 13 from icing over.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010
Brayton-Kreisprozess-MaschineBrayton cycle machine
1111
Verdichtercompressor
1212
WärmetauscherHeat exchanger
1313
Expanderexpander
1414
WärmetauscherHeat exchanger
1515
Zylindercylinder
1616
KolbenPistons
1717
Motorengine
1818
Ölabscheider/ÖlfilterOil separator/oil filter
1919
WärmetauscherHeat exchanger
2020
WärmetauscherHeat exchanger
2121
SekundärkreislaufSecondary circuit
2222
WärmetauscherHeat exchanger
2323
Pumpepump
2424
DruckhaltesystemPressure retention system
2525
InjektionseinrichtungInjection facility
2626
Düsejet
2727
Injektorinjector
2828
KondensatabscheiderCondensate separator
2929
Tanktank
3030
Pumpepump

Claims (10)

Brayton-Kreisprozess-Maschine (10), mit einem Verdichter (11), der eingerichtet ist, gasförmiges Arbeitsmedium ausgehend von einem Eingangsdruck des Verdichters (11) auf einen Ausgangsdruck des Verdichters (11) zu verdichten, mit einem ersten Wärmetauscher (12), der eingerichtet ist, stromabwärts des Verdichters (12) Wärme aus dem gasförmigen, verdichteten Arbeitsmedium auszukoppeln, mit einem Expander (13), der eingerichtet ist, stromabwärts des ersten Wärmetauschers (12) das gasförmige Arbeitsmedium zu entspannen, mit einem zweiten Wärmetauscher (14), der eingerichtet ist, stromabwärts des Expanders (13) Wärme in das gasförmige Arbeitsmedium einzukoppeln, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11) ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Zylinder (15) ist.Brayton cycle machine (10), with a compressor (11), which is set up to compress gaseous working medium starting from an inlet pressure of the compressor (11) to an outlet pressure of the compressor (11), with a first heat exchanger (12), which is set up to extract heat from the gaseous, compressed working medium downstream of the compressor (12), with an expander (13), which is set up to expand the gaseous working medium downstream of the first heat exchanger (12), with a second heat exchanger (14) which is set up to couple heat into the gaseous working medium downstream of the expander (13), characterized in that the compressor (11) is a reciprocating piston compressor with at least one cylinder (15). Brayton-Kreisprozess-Maschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolbenverdichter (11) von einem Motor (17) angetrieben ist.Brayton cycle machine (10). Claim 1 , characterized in that the reciprocating compressor (11) is driven by a motor (17). Brayton-Kreisprozess-Maschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen dritten Wärmetauscher (19), der eingerichtet ist, stromaufwärts des Verdichters (11) Restwärme des über den ersten Wärmetauscher (12) geführten Arbeitsmediums in das zu verdichtende Arbeitsmedium einzukoppeln.Brayton cycle machine (10). Claim 1 or 2 , characterized by a third heat exchanger (19), which is set up to couple residual heat from the working medium guided via the first heat exchanger (12) into the working medium to be compressed upstream of the compressor (11). Brayton-Kreisprozess-Maschine (10) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen vierten Wärmetauscher (20), der eingerichtet ist, stromaufwärts des dritten Wärmetauchers (19) Wärme eines Schmiermediums und/oder eines Kühlmediums in das zu verdichtende Arbeitsmedium einzukoppeln.Brayton cycle machine (10). Claim 3 , characterized by a fourth heat exchanger (20) which is set up to couple heat from a lubricating medium and/or a cooling medium into the working medium to be compressed upstream of the third heat exchanger (19). Brayton-Kreisprozess-Maschine (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmetaucher (19) Bestandteil eines Sekundärkreislaufs (21) ist, der einen weiteren Wärmetauscher (22) aufweist, wobei der weiteren Wärmetauscher (22) eingerichtet ist, stromabwärts des ersten Wärmetauscher (12) Restwärme des Arbeitsmediums in ein Prozessmedium des Sekundärkreislaufs (21) einzukoppeln, und wobei der dritte Wärmetaucher (19) eingerichtet ist, stromaufwärts des Verdichters (11) die Restwärme des über den ersten Wärmetauscher (12) geführten Arbeitsmediums in das zu verdichtende Arbeitsmedium einzukoppeln.Brayton cycle machine (10). Claim 3 or 4 , characterized in that the third heat exchanger (19) is part of a secondary circuit (21) which has a further heat exchanger (22), the further heat exchanger (22) being set up to transfer residual heat from the working medium downstream of the first heat exchanger (12). Process medium of the secondary circuit (21), and wherein the third heat exchanger (19) is set up to couple the residual heat of the working medium guided via the first heat exchanger (12) upstream of the compressor (11) into the working medium to be compressed. Brayton-Kreisprozess-Maschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (13) mit dem Verdichter (11) insbesondere über ein Getriebe und/oder eine Kupplung oder elektrische Verschaltung gekoppelt ist.Brayton cycle machine (10) according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the expander (13) is coupled to the compressor (11) in particular via a gear and/or a clutch or electrical interconnection. Brayton-Kreisprozess-Maschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (13) und die Wärmetauscher (12, 14, 19, 20, 22) als Modul an dem Hubkolbenverdichter (11) verbaut sind.Brayton cycle machine (10) according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the expander (13) and the heat exchangers (12, 14, 19, 20, 22) are installed as a module on the reciprocating compressor (11). Brayton-Kreisprozess-Maschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Injektionseinrichtung (25) für Wasser, die eingerichtet ist, stromabwärts des Expanders (13) und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers (14) Wasser in das zu verdichtende Arbeitsmedium zu injizieren.Brayton cycle machine (10) according to one of the Claims 1 until 7 , characterized by an injection device (25) for water, which is set up to inject water into the working medium to be compressed downstream of the expander (13) and upstream of the second heat exchanger (14). Brayton-Kreisprozess-Maschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein3 Injektionseinrichtung (25) für Wasser, die eingerichtet ist, im Bereich des zweiten Wärmstauschers (14) Wasser in das zu verdichtende Arbeitsmedium zu injizieren.Brayton cycle machine (10) according to one of the Claims 1 until 8th , characterized by a3 injection device (25) for water, which is set up to inject water into the working medium to be compressed in the area of the second heat exchanger (14). Verfahren zum Betreiben einer Brayton-Kreisprozess-Maschine () nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in das zu verdichtende Arbeitsmedium unmittelbar stromaufwärts des zweiten Wärmstauschers (14) und/oder im Bereich des zweiten Wärmstauschers(14) Wasser injiziert wird.Method for operating a Brayton cycle machine (). Claim 8 or 9 , characterized in that water is injected into the working medium to be compressed immediately upstream of the second heat exchanger (14) and/or in the area of the second heat exchanger (14).
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