Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie, mit den Schritten:

- Erwärmen eines Prozessgases (insbesondere durch Zufuhr der thermischen Energie) ;

- Expandieren des (insbesondere erwärmten) Prozessgases unter Abgabe von mechanischer Arbeit;

- Einspritzen eines Verdunstungsfluids zu dem (insbesondere expandierten) Prozessgas zur Verdunstungskühlung des Prozessgases;

- Verdichten des (insbesondere verdunstungsgekühlten) Prozessgases, wobei das Prozessgas in einem geschlossenen Kreislauf (d.h. Kreisprozess) geführt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit, aufweisend:

- einen Wärmetauscher zum Erwärmen eines Prozessgases;

- eine Expansionsmaschine zur Expansion des (insbesondere erwärmten) Prozessgases unter Abgabe von mechanischer Arbeit;

- eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung eines Verdunstungsfluids zu dem (insbesondere expandierten) Prozessgas zur Verdunstungskühlung des Prozessgases;

- einen Verdichter zur Verdichtung des (insbesondere verdunstungsgekühlten) Prozess gases, wobei die Vorrichtung zur Führung des Prozessgases in einem geschlossenen Kreislauf eingerichtet ist.

Um die Energieeffizienz von thermischen Prozessen signifikant zu erhöhen, ist eine wirtschaftliche Rückverstromung der Abwärme, also der Wiedergewinnung von mechanischer bzw. elektrischer Energie aus Abluft bzw. Abgas, gewünscht.

Beispielsweise zeigt die US 2002/073712 Al eine Wärmekraftmaschine, bei der ein Heißgasstrom in einer Turbine auf einen Druck unterhalb des Atmosphärendrucks entspannt wird. Der resultierende Gasstrom mit niedrigem Druck wird auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt und dann durch einen Kompressor unter Druck gesetzt. Dabei kann die Kühlung durch Zugabe eines Wassernebels zum Gasstrom erfolgen . Der aus dem Kompressor austretende Druck- luftstrom wird an die Atmosphäre abgegeben . Der Verdichter und die Turbine können sich eine gemeinsame Welle teilen und einen Generator antreiben, um elektrische Leistung zu erzeugen . Nachteiligerweise handelt es sich dabei um einen of fenen Kreisprozess . Als Prozessgase können nur Luft oder Abgase verwendet werden . Die Wahl eines beliebigen Prozessgases ist nicht möglich; so ist auch die Verwendung den Wirkungsgrad steigender, gegebe- nefalls j edoch umweltschädlicher oder relativ teurer Prozessgase nicht möglich . Das Abgas ist regelmäßig verschmutzt und hat somit negative Auswirkungen auf die Vorrichtung . Des Weiteren lösen sich im Verdunstungsmedium Abgaskomponenten, sodass dieses verunreinigt wird und beispielsweise eine schwefelige Säure vorliegt . Außerdem liegt nach der Rückverdichtung nur Umgebungsdruck vor und eine es gibt keine Variabilität in Bezug auf eine Abstimmung des Prozessgases und des Siedeverhaltens des Verdunstungs fluids .

Bekannt ist auch der umgekehrte Brayton-Zyklus ( inverse Brayton Cycle , iBC ) . Eine Wärmekraftmaschine mit umgekehrtem Brayton- Zyklus ist beispielsweise in US 2018 / 371954 Al beschrieben . Der Prozess ist für die direkte Nutzung von Abgas aus einem Verbrennungsmotor vorgesehen und nicht mit einer Kolbenmaschine oder Verdrängermaschine realisierbar . Auch hierbei ist ein of fener Kreisprozess vorgesehen . Ein Kühlungs-Wärmetauscher ist als Temperatursenke vorgesehen und somit durch das Kühlmedium limitiert ; es erfolgt keine Verdunstungskühlung . Die Kondensation von Wasser erfolgt vor der Rückverdichtung für den Dampfkreislauf , d . h . es erfolgt keine Nassverdichtung . Es erfolgt auch keine Wasserrückgewinnung . Der Prozess weist insgesamt Wirkungsgradnachteile auf .

Die EP 1643575 Al zeigt ein Brennstof f zellen- Atmosphärendruckturbinen-Hybridsystem . Dieses ist insbesondere für die direkte Nutzung von Abgas aus einer SOFC-Brennstof f zelle vorgesehen . Es ist wieder ein of fener Kreislauf vorgesehen und eine Realisierung mit einer Kolbenmaschine oder einer Verdrängermaschine nicht möglich . Nachteiligerweise ist keine Wasserrückgewinnung durch Kondensation vorgesehen und das Prozessgas sowie der Ausgangs zustand durch das Abgas vorgegeben . Die AT 517636 Al zeigt einen weiteren Heißgasprozess . Dabei soll zur Verminderung der Kompressionsleistung Wasser in den Ansaugtrakt eines Kompressors eingedüst werden . Der Wasserdampf wird aus dem expandierten Arbeitsgas in einem Arbeitsgaskühler durch Kondensation ausgeschieden . Nachteiligerweise weist dabei im Arbeitsgas geringer Dicke auch das verdunstete Fluid einen geringen Partialdruck auf , weshalb eine hohe Rest f euchtigkeit im Arbeitsgas verbleibt . Die Kühlung des expandierten Arbeitsgases mit einem Wärmetauscher ist wenig ef fektiv . Außerdem ist ein Einspritzen von Verdunstungs fluid in das Arbeitsgas fluid beim Arbeitsgaskühler nicht möglich, da an dieser Stelle dasselbe Fluid aus dem Arbeitsgas auskondensiert werden muss . Die Verdunstung ist daher nachteiligerweise erst im Ansaugtrakt des Kompressors möglich .

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen oder mehrere der Nachteile des Stands der Technik zu lindern oder zu beheben . Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie bereitzustellen, das einen hohen Wirkungsgrad aufweist .

Dies wird gelöst durch ein Verfahren wie eingangs angeführt , das weiter den Schritt aufweist : - Kondensationskühlen des verdichteten Prozessgases , wobei das Prozessgas gekühlt wird und das Verdunstungs fluid zumindest teilweise kondensiert und abgeschieden wird . Außerdem wird dies gelöst durch eine Vorrichtung wie eingangs angeführt , die einen Kondensationskühler zur Abkühlung des vom Verdichter verdichteten Prozessgases und zur Kondensation und Abscheidung des ( insbesondere zur Verdunstungskühlung des Prozessgases eingespritzten) Verdunstungs fluids aus dem vom Verdichter verdichteten Prozessgas aufweist . Nach dem Kondensationskühlen des Prozessgases wird dieses insbesondere wieder (vom Wärmetauscher ) erwärmt und der (Kreis- ) Prozess somit von vorne begonnen .

Durch die Kondensationskühlung im verdichteten Prozessgas weist im Prozessgas hoher Dichte auch das Verdunstungs fluid einen höheren Partialdruck auf . Somit ist in Relation zu seinem Dampf- druck insbesondere bei Temperaturen über der Umgebungstemperatur eine Kondensation bis zu einer geringen Rest f euchtigkeit im Prozessgas ermöglicht . In einem thermodynamischen Kreisprozess stellt - j e nach Druck- und Temperaturniveaus - ein Prozesspunkt bei hohem Druck und niedriger Temperatur den idealen Zeitpunkt für Kondensation dar, während im Gegensatz dazu niedriger Druck bei hoher Temperatur für Verdunstung ideal ist . Weiters kann durch das ( zumindest teilweise ) Entfernen des Verdunstungs fluids nach der Verdichtung und insbesondere vor der Erwärmung des Prozessgases nach der Expansion des Gases durch Verdunstung eine Wärmesenke für das Prozessgas realisiert werden .

Durch die Verwendung eines geschlossenen Kreislaufs wird verhindert , dass das Verdunstungs fluid mit einem verunreinigtem (Ab- ) Gas in Kontakt kommt . Damit wird ein Lösen von Abgaskomponenten im Verdunstungs fluid verhindert und es ist in der Folge keine Aufbereitung des Verdunstungs fluids erforderlich . Außerdem wird ein Austragen des Verdunstungs fluids über das Prozessgas verhindert , da das Prozessgas in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird . Somit bestehen für das Prozessgas und für das Verdunstungs fluid keine Einschränkungen bezüglich des zu verwendenden Mediums . Es sind beliebige Prozessgas-Verdunstungs fluid- Kombinationen möglich und diese können an die j eweiligen Anforderungen ideal angepasst werden, wobei insbesondere das Siedeverhalten des Verdunstungs fluids mit dem Prozessgas abgestimmt werden kann . Beispielsweise kann das Prozessgas ein Edelgas aufweisen . Aufgrund dessen hohen I sentropenkoef f i zienten sind somit hohe Wirkungsgrade erreichbar . Außerdem ermöglicht die gegenständliche Erfindung aufgrund der geschlossenen Prozess führung die Abwärmenutzung unabhängig vom Druckniveau oder Phasenzustand der Quelle . Somit können Motoren mit stöchiometrischer Verbrennung gut ergänzt werden . Diese weisen zwar für sich genommen unter Umständen geringere Wirkungsgrade auf , erlauben j edoch durch ihre hohe Abgastemperatur ef fektive und einfache Abgasnachbehandlung und schaf fen zugleich durch die möglichen hohen Prozessgastemperaturen gute Randbedingungen für die Nachschaltung der gegenständlichen Erfindung zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads . Es ergibt sich eine saubere und ef fi ziente Gesamtanlage . Es ergibt sich auch eine geringere Komplexität als ein nachgeschalteter Dampf zyklus ( Clausius-Rankine-Prozess ) . Die Nassverdichtung führt zu einer Reduktion der Verdichtungsarbeit trotz erhöhtem Volumenstrom infolge des Dampfs des verdunstetem Fluids . Des Weiteren wird eine Rückverdichtung auf Umgebungsdruck, aber auch tiefer oder höher ermöglicht . Die Erfindung ist auch mit einer Kolbenmaschine oder einer Verdrängermaschine realisierbar .

Zusammenfassend ergibt sich ein besserer Wirkungsgrad bei einem einfacheren Aufbau, insbesondere im Vergleich zum inversen Bray- ton-Prozess . Die Verdunstungskühlung bei Unterdrück nach der Expansion erlaubt eine Abkühlung zum Teil bis unter Umgebungsbedingungen, was gewöhnlich unter den mit Wärmetauschern erreichbaren Temperaturen liegt . Insbesondere sorgt j edoch die nasse Rückverdichtung durch Verdunstungskühlung für eine sehr ef fi ziente Rückverdichtung . Bei Darstellung im Temperatur-Entropie- Diagramm wird ein, im Sinne des Carnot-Prozesses ef fektiver, der I sothermen bestmöglich angenäherter Verlauf ab Expansionsende realisiert . Der Vorteil im thermodynamischen Wirkungsgrad beruht insbesondere auf konsequent niedriger Temperatur bei Kühlung sowie Nassverdichtung entlang der Sättigungskurve für das Verdunstungs fluid ( z . B . Wasser ) .

Das Verfahren weist somit insbesondere die folgenden Schritte auf :

- Erwärmung des Prozessgases ,

- Expansion des Prozessgases unter Abgabe von Arbeit ,

- Kühlung durch Verdunstung, d . h . Temperatursenke ohne Energieabfuhr (vorzugsweise erfolgt die Kühlung isobar, insbesondere bei Verwendung einer Kolbenmaschine ist auch eine isochore Kühlung möglich) ,

- Rückverdichtung mit Verdunstungskühlung (Nassverdichtung) ,

- Wärmeabgabe durch Kondensation von Verdunstungs fluid .

Die Verfahrensschritte können in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden, werden j edoch vorzugsweise in der angeführten Reihenfolge ausgeführt . Vorzugsweise ist eine Verbindungsleitung vorgesehen zwischen dem Wärmetauscher und der Expansionsmaschine , und/oder zwischen der Expansionsmaschine und der Einspritzvorrichtung, und/oder zwischen der Einspritzvorrichtung und dem Verdichter, und/oder zwischen dem Verdichter und dem Kondensationskühler, und/oder zwischen dem Kondensationskühler und dem Wärmetauscher . Vorzugsweise ist ein Leitungssystem vorgesehen, das das Prozessgas durch die Elemente in der folgenden Reihenfolge führt , wobei zwischen diesen Elementen weitere Elemente vorgesehen sein können : A) Wärmetauscher, B ) Expansionsmaschine , C ) Einspritzvorrichtung, D) Verdichter, E ) Kondensationskühler, und wieder A) Wärmetauscher .

In Bezug auf den Fluss des Prozessgases innerhalb eines Zyklus des geschlossenen Kreislaufs (bspw . bei Festlegung der Erwärmung als Start/Ende des Zyklus ) ist vorzugsweise der Kondensationskühler nach ( d . h . stromabwärts ) des Verdichters und vor ( d . h . stromaufwärts ) der Expansionsmaschine angeordnet . Bevorzugt erfolgt das Kondensationskühlen ( insbesondere unmittelbar ) nach dem Verdichten des Prozessgases und bevorzugt ( insbesondere unmittelbar ) vor dem Erwärmen des Prozessgases . Bevorzugt ist der Kondensationskühler unmittelbar nach dem Verdichter angeordnet . Bevorzugt erfolgt keine Kühlung des expandierten Prozessgases mit einem Wärmetauscher .

Insbesondere erfolgt die Kondensationskühlung nach der Verdichtung derart , dass nach der Expansion höchstens Sättigung des Prozessgases vorliegt und keine zusätzliche Kondensation beim eigentlichen Kondensationskühlen (bzw . in einer Verdunstungsstrecke ) stattfindet . Typischerweise könnte beim Kondensationskühlen eine Abkühlung um zwischen 10 K und 40 K erfolgen und/oder beim Verdunsten nach Expansion eine Abkühlung um zwischen 10 K und 500 K erfolgen .

Vorzugsweise ist die Vorrichtung eingerichtet , das Verfahren gemäß einer der hierin angeführten Aus führungen durchzuführen . Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Kontrolleinheit zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer der hierin angeführten Aus führungen auf .

Das Erwärmen des Prozessgases kann ein- oder mehrstufig (bzw . an einer oder mehreren Stellen) erfolgen . Der Wärmetauscher kann ein- oder mehrstufig ausgeführt sein . Das Expandieren des Prozessgases kann ein- oder mehrstufig (bzw . an einer oder mehreren Stellen) erfolgen . Die Expansionsmaschine kann ein- oder mehrstufig ausgeführt sein . Dies ist insbesondere für sehr hohe Druckverhältnisse vorteilhaft . Das Verdichten des Prozessgases kann ein- oder mehrstufig (bzw. an einer oder mehreren Stellen) erfolgen. Der Verdichter kann ein- oder mehrstufig ausgeführt sein. Das Kondensationskühlen kann ein- oder mehrstufig (bzw. an einer oder mehreren Stellen) erfolgen. Der Kondensationskühler kann ein- oder mehrstufig ausgeführt sein. Das Einspritzen des Verdunstungsfluids kann an einer oder mehreren Stellen erfolgen. Die Einspritzvorrichtung kann zum Einspritzen des Verdunstungsfluids an einer oder mehreren Stellen eingerichtet sein. Vorzugsweise erfolgt das Einspritzen des Verdunstungsfluids und das Verdichten in mehreren einander abwechselnden Stufen und/oder in einer oder mehreren gemeinsamen Stufen.

Das Prozessgas weist vorzugsweise ein Edelgas, beispielsweise Helium oder Argon, auf, insbesondere besteht es aus diesen. Der hohe Isentropenkoef f izient von Edelgasen bewirkt einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad. Es sind auch andere Prozessgase möglich. Insbesondere wird ein Prozessgas gewählt, dass im Kreisprozess nicht kondensiert. Das Verdunstungsfluid weist vorzugsweise eine hohe Verdunstungswärme bei relativ geringem Volumenzuwachs in der Dampfphase auf, sodass die Erhöhung der Verdichtungsarbeit aufgrund des Volumenszuwachses kleiner ist als die Reduktion der Verdichtungsarbeit aufgrund der Nassverdichtung. Die Dampfkurve des Verdunstungsfluid entspricht vorzugsweise den im Kreisprozess angestrebten Drücken und Temperaturen. Das Verdunstungsfluid weist vorzugsweise Wasser oder Alkohol (z.B. Methanol, Ethanol) auf, vorzugsweise besteht es aus diesem. Alkohole sind insbesondere in Verbindung mit Edelgas als Prozessgas bevorzugt, da dieses inert ist und somit die Brandgefahr reduziert ist.

Die Einspritzung des Verdunstungsfluids kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Die Expansionsmaschine kann beispielsweise eine Turbine, eine Verdrängungsmaschine oder eine Kolbenmaschine sein.

Es ist bevorzugt, wenn das durch das Kondensationskühlen des Prozessgases abgeschiedene Verdunstungsfluid rückgeführt wird zum Einspritzen zu dem Prozessgas. Vorzugsweise wird also auch das Verdunstungsfluid in einem geschlossenen Kreislauf geführt. D.h. es ist ein Flüssigkeitskreislauf für das Verdunstungsfluid vorgesehen . Vorzugsweise ist j edoch ( ggf . zusätzlich) ein Reservoir für das Verdunstungs fluid vorgesehen . Vorzugsweise ist eine Pumpe vorgesehen, die das rückgewonnene Verdunstungs fluid zur Einspritzvorrichtung pumpt ( insbesondere um eine gute Zerstäubung zu erreichen) . Prozessbedingt kann j edoch auch ein Druckgefälle vom Kondensationskühler zur Einspritzvorrichtung vorhanden sein . Der Kondensationskühler ist vorzugsweise ein Wärmetauscher .

Optional wird das Prozessgas direkt mit Umgebungsluft und/oder Kühlluft gekühlt .

Optional wird das Prozessgas indirekt durch eine Kühl flüssigkeit gekühlt .

Optional wird die von der Kühl flüssigkeit ( oder der Kühlluft ) abgeführte Wärme in einem Niedertemperaturwärmetauscher abgegeben . Somit kann diese Wärme ef fi zient verwendet werden . Bei indirekter Kühlung ist eine hohe Energiemenge j edoch bei niedriger Temperatur nutzbar, beispielsweise für Flächenhei zungen oder Vorwärmung .

Vorzugsweise erfolgt die Einspritzung des Verdunstungs fluids bei einem Druck, der unter dem Atmosphärendruck und/oder einem Umgebungsdruck liegt . Unter dem Atmosphärendruck wird insbesondere ein Druck von 1013 , 25 hPa verstanden . Verdunstungs fluid- Prozessgas-Kombinationen können besonders ef fektiv genutzt werden, wenn der Druck im Kreislauf nach Expansion unter Umgebungsdruck liegt .

Vorzugsweise wird beim Expandieren des Prozessgases abgegebene mechanische Arbeit an einen Generator abgegeben, sodass der Generator angetrieben wird . D . h . , der Generator wird von der Expansionsmaschine angetrieben . Der Generator kann ein Verbraucher sein . Es ist also ein Generatorbetrieb oder ein direkter Antrieb von Verdichtern, Pumpen und dergleichen möglich .

Es ist bevorzugt , wenn zum Erwärmen des Prozessgases in einem Wärmetauscher Wärme von einem Arbeits fluid auf das Prozessgas übertragen wird, insbesondere im Gegenstromprinzip . Die Wärme kann aus einer beliebigen Quelle kommen : Beispielsweise Abgas aus einem anderen Prozess (Motor, Gasturbine, Hochtemperatur- Brennstoffzelle, Ofen, etc.) , Abwärme oder auch direkt für diesen Kreisprozess erzeugt durch Verbrennung. Der Wärmetauscher dient also der Energiezufuhr. Bevorzugt liegt im Wärmetauscher eine hohe Temperaturdifferenz (zwischen Prozessgas und Arbeitsfluid) vor, vorzugsweise beträgt die Temperaturdifferenz mehr als 50 K, weiter bevorzugt mehr als 100 K, besonders bevorzugt mehr als 250K.

Es ist vorteilhaft, wenn beim Einspritzen des Verdunstungsfluids das Verdunstungsfluid vernebelt wird.

Es ist vorteilhaft, wenn das Einspritzen eines Verdunstungsfluids über eine Sättigung des Prozessgases hinaus erfolgt. D.h., dass mehr Verdunstungsfluid eingespritzt wird, als für die Sättigung des Prozesses erforderlich wäre. Insbesondere wird nach der Expansion des Prozessgases mehr Verdunstungsfluid eingespritzt als durch Verdunstung (und damit einhergehender Kühlung des Prozessgases, bis zum Erreichen der Sättigung bei Dampfdruck des Verdunstungsfluids) vom Prozessgas aufgenommen werden kann. Das überschüssige Verdunstungsfluid verbleibt insbesondere in Form von Tröpfchen oder (noch besser) Nebel thermodynamisch vorerst irrelevant in der Flüssigphase. Insbesondere erst während der anschließenden Verdichtung erhöht sich die Temperatur im Prozessgas und somit auch der Dampfdruck des Verdunstungsfluids, was weitere Verdunstung und damit Kühlung während des Verdichtungsvorgangs bewirkt. Dieser Vorgang erfolgt insbesondere kontinuierlich während der Verdichtung, aufgrund der zu Beginn vorliegenden erheblichen Flüssigphase auch Nassverdichtung genannt. Auch bei dieser Verdichtung erhöht sich die Temperatur, jedoch durch die (insbesondere kontinuierliche) Verdunstung deutlich geringer als bei einer „trockenen" Verdichtung, was wiederum eine deutlich reduzierte Verdichtungsarbeit bewirkt. Vorzugsweise erfolgt das Einspritzen des Verdunstungsfluids derart, dass das Prozessgas auch während der Verdichtung gesättigt ist. D.h., vorzugsweise wird mehr Verdunstungsfluid eingespritzt, als vom Prozessgas auch während der Verdichtung auf genommen werden kann.

Es ist vorteilhaft, wenn das Verdichten des Prozessgases zumindest teilweise als Nassverdichtung erfolgt, wobei das Verduns- tungsfluid verdunstet. Die zum jeweiligen thermodynamischen Zustand in der Verdichtungsphase verdunstende Menge des Verdunstungsfluids wird durch dessen Dampfkurve bestimmt (d.h. dem Dampfdruck des Verdunstungsfluids in Abhängigkeit der Temperatur) . Bei Verdunstung bis zum Erreichen des Dampfdrucks (d.h. dem Partialdruck des Verdunstungsfluids) spricht man von Sättigung. (Spezielle Effekte wie Unterkühlung von Dampf oder Überhitzung von Flüssigkeit kann man in dieser Betrachtung vernachlässigen) Die sinnvoll einzuspritzende Verdunstungsfluidmenge orientiert sich insbesondere an der Verdichtungsendtemperatur und deren korrespondierendem Dampfdruck. Es ist bevorzugt, das Verdunstungsfluid überzudosieren, da der Flüssigkeitsüberschuss ohnehin gemeinsam mit der Kondensatabscheidung bei der Kondensationskühlung zurückgewonnen wird. Von der eingespritzten Menge des Verdunstungsfluids verdunsten vorzugsweise zwischen 50% und 80% erst während der Verdichtung. Diese Mengen sind bei Wasser und Alkoholen insbesondere möglich, wenn der Druck im Kreisprozess vor der Verdichtung unter Umgebungstemperatur liegt („flache" Dampf kurve) .

Es ist bevorzugt, wenn das Verdichten des Prozessgases angetrieben wird von beim Expandieren des Prozessgases abgegebener mechanischer Arbeit. Vorzugsweise sind die Expansionsmaschine und der Verdichter über eine Welle verbunden. Durch die Verdunstungskühlung ist die beim Expandieren erzeugte Arbeit größer als die zum Verdichten aufzuwendende Arbeit. Alternativ kann der Verdichter auch indirekt angetrieben werden, beispielsweise elektrisch .

Es ist bevorzugt, wenn das Expandieren des Prozessgases, das Einspritzen eines Verdunstungsfluids und das Verdichten des Prozessgases in einer Kammer (d.h. in einem Zylinder) einer Kolbenmaschine erfolgt. In der Kolbenmaschine kann optional (analog zu einem Diesel-Verbrennungsmotor) die Einspritzung kontinuierlich oder mehrfach während der Verdichtung erfolgen, womit eine bessere Verdunstung erzielt wird. D.h., es muss nicht die gesamte Menge Verdunstungsfluid vor Beginn der Verdichtung eingebracht werden, sondern dies erfolgt auch während des Verdichtens. Das Verdichten erfolgt insbesondere trotzdem unter kontinuierlicher Verdunstung . Es ist bevorzugt , wenn die Kolbenmaschine mehrere Kammern ( d . h . mehrere Zylinder ) aufweist, wobei in j eder der mehreren Kammern das Expandieren des Prozessgases , das Einspritzen eines Verdunstungs fluids und das Verdichten des Prozessgases erfolgt .

Es ist vorteilhaft , wenn das Expandieren des Prozessgases , das Einspritzen eines Verdunstungs fluids und das Verdichten des Prozessgases in den mehreren Kammern phasenversetzt erfolgt . Beispielsweise könnte der Prozess bei einer Kolbenmaschine mit drei Kammern folgendermaßen ablaufen :

Es ist bevorzugt , wenn ein Vorrat an Prozessgas vorgesehen ist und die Prozessgasmenge im geschlossenen Kreislauf durch Zufuhr von Prozessgas aus dem Vorrat ( insbesondere zum Ausgleich von Leckverlusten) kontinuierlich oder diskontinuierlich konstant gehalten wird . Insbesondere im Falle einer nicht-hermetischen Bauform ist ein zusätzlicher Bedarf an Prozessgas denkbar . Vorzugsweise erfolgt die Regelung des zuzuführenden Prozessgases anhand einer Druckmessung des Prozessgases im Kreisprozess . Ferner kann ein Prozessgasvorrat vorgesehen sein, mit dem das mittlere Druckniveau gehoben und/oder gesenkt werden kann, um für unterschiedliche Lastzustände die thermodynamischen Randbedingungen optimal zu nutzen .

Es ist vorteilhaft , wenn das Prozessgas ein Edelgas aufweist , insbesondere ein Edelgas ist .

Bezugnehmend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es bevorzugt , eine Rückführleitung zum Rückführen von Verdunstungs fluid zur Einspritzvorrichtung vorgesehen ist .

Vorzugsweise ist ein Reservoir zum Bereithalten von Verdunstungs fluid für die Einspritzvorrichtung vorgesehen . Vorzugsweise weist die Einspritzvorrichtung eine Pumpe auf .

Es ist bevorzugt , wenn die Einspritzvorrichtung mehrere Einspritzelemente zum Einspritzen des Verdunstungs fluid an mehreren Stellen aufweist . Jedes Einspritzelement ist zum Einspritzen an einer Stelle vorgesehen, sodass in Summe an mehreren Stellen eingespritzt werden kann . Dies ist insbesondere vorteilhaft bei mehrstufigen Verdichter-Strömungsmaschinen, wobei in j edem Zwischendruckniveau Verdunstungs fluid eingespritzt wird . Vorteilhafterweise erfolgt damit weniger Tropf chenbeschuss der Laufräder der Verdichter-Strömungsmaschine durch weniger Flüssigphase .

Es ist vorteilhaft , wenn eine Einspritz zone vorgesehen ist , wobei die Einspritzvorrichtung in der Einspritz zone vorgesehen ist , wobei die Einspritz zone insbesondere von der Expansionsmaschine und dem Verdichter getrennt ist (und vorzugsweise zwischen diesen liegt bezogen auf die Führung des Prozessgases ) . Alternativ oder zusätzlich ist beispielsweise auch eine Einspritzung im Verdichter möglich .

Es ist vorteilhaft , wenn die Expansionsmaschine eine Turbine , eine Verdrängungsmaschine und/oder eine Kolbenmaschine aufweist .

Es ist vorteilhaft , wenn der Verdichter eine Strömungsmaschine , eine Verdrängungsmaschine und/oder eine Kolbenmaschine aufweist .

Es ist bevorzugt , wenn die Vorrichtung eine Kolbenmaschine mit zumindest einer Kammer aufweist , wobei die zumindest eine Kammer j eweils die Expansionsmaschine und den Verdichter darstellt und die Einspritzvorrichtung zur Einspritzung des Verdunstungs fluids in j eweils die zumindest eine Kammer eingerichtet ist .

Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung einen Generator auf , der mit der Expansionsmaschine verbunden ist .

Vorzugsweise ist ein Vorratsbehälter zum Vorrätighalten von Prozessgas vorgesehen .

Die Erfindung kann beispielsweise Großmotoren nachgeschaltet werden oder zur allgemeinen mechanischen Abwärme- /Abgasnut zung verwendet werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Figuren gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Aus führungs form der Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie.

Fig. 2A zeigt ein p-v-Diagramm zur Prozessführung in der Ausführungsform gemäß Fig. 1.

Fig. 2B zeigt ein T-s-Diagramm zur Prozessführung in der Ausführungsform gemäß Fig. 1.

Fig. 2C zeigt ein log (p) -T-Diagramm zur Prozessführung in der Aus führungs form gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Aus führungs form der Vorrichtung.

Fig. 4 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Aus führungs form der Vorrichtung.

Fig. 5 illustriert schematisch eine bevorzugte Aus führungs form eines Teils der Vorrichtung.

Fig. 6A zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung mit einer Kolbenmaschine.

Fig. 6B zeigt ein Ablaufdiagramm eines Zyklus der Kolbenmaschine der Fig. 6A.

Fig. 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Aus führungs form der Vorrichtung 1 zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie. Insbesondere zeigt Fig. 1 ein Fließschema der Vorrichtung 1.

Die Vorrichtung 1 weist einen Wärmetauscher 2 zum Erwärmen eines Prozessgases auf. Wärme wird im Wärmetauscher 2 von einem Ar- beits fluid bevorzugt im Gegenstromprinzip auf das Prozessgas übertragen . Es ist ein Zufluss 14 für das Arbeits fluid zum Wärmetauscher 2 und ein Abfluss 15 für das Arbeits fluid vom Wärmetauscher 2 vorgesehen ist . Der zugeführte Energiestrom ist mit BA und der abgeführte Energiestrom mit BB illustriert . Das erwärmte Prozessgas wird in eine Expansionsmaschine 3 zur Expansion des Prozessgases unter Abgabe von mechanischer Arbeit expandiert . Ein Generator 11 zur Stromerzeugung ist mit der Expansionsmaschine 3 verbunden und wird von dieser angetrieben . Das expandierte Prozessgas wird mit einer Einspritzvorrichtung 4 zur Einspritzung eines Verdunstungs fluids zu dem Prozessgas zur Verdunstungskühlung des Prozessgases gekühlt . Die Einspritzung des Verdunstungs fluids erfolgt bei einem Druck, der unter dem Atmosphärendruck liegt . Das Verdunstungs fluid wird beim Einspritzen vernebelt . Das Einspritzen des Verdunstungs fluids erfolgt über eine Sättigung des Prozessgases hinaus , d . h . es wird mehr Verdunstungs fluid eingespritzt , als das Prozessgas aufnehmen kann . Es ist eine Einspritz zone 10 vorgesehen, in der die Einspritzung erfolgt und die in dieser Aus führungs form von der Expansionsmaschine und dem Verdichter getrennt ist .

Das verdunstungsgekühlte Prozess fluid wird in einem einen Verdichter 5 verdichtet . Die Verdichtung erfolgt als Nassverdichtung, wobei das Verdunstungs fluid zumindest teilweise verdunstet . Indem bei der Verdunstungskühlung Verdunstungs fluid über die Sättigung des Prozessgases eingespritzt wurde , kann eine weitere Kühlung bei der Verdichtung erfolgen . Das verdichtete Prozessgas wird in einem Kondensationskühler 6 abgekühlt und das Verdunstungs fluid im Kondensationskühler 6 ( zumindest teilweise ) kondensiert und abgeschieden . Anschließend wird das Prozessgas wieder zum Wärmetauscher 2 geführt . Somit wird das Prozessgas in der Vorrichtung in einem geschlossenen Kreislauf geführt .

In dieser Aus führungs form wird das Prozessgas im Kondensationskühler 6 indirekt mit einer Kühl flüssigkeit gekühlt , wobei die von der Kühl flüssigkeit abgeführte Wärme in einem Niedertemperaturwärmetauscher 13 abgegeben wird . Die Vorrichtung weist eine Rückführleitung 7 zum Rückführen von Verdunstungs fluid zur Einspritzvorrichtung 4 auf . Die Rückführleitung 7 führt über ein Reservoir 8 zum Bereithalten von Verdunstungs fluid für die Ein- spritzvorrichtung 4. Es ist eine Pumpe 9 vorgesehen, zum Pumpen des Verdunstungsfluids zur Einspritzvorrichtung 5. Auf die Pumpe 9 kann auch verzichtet werden, da in der Regel ein Druckgefälle vom Kondensationskühler zur Einspritzvorrichtung vorliegt.

Eine beispielhafte Prozessführung beim erfindungsgemäßen Verfahren wird anhand dem in Fig. 2A gezeigten p-v-Diagramm, dem in Fig. 2B gezeigten T-s-Diagramm näher erläutert und dem in Fig.

2C gezeigten log (p) -T-Diagramm näher erläutert. In der den Druck und die Temperatur des Prozessgases zeigenden Fig. 2C ist außerdem die Sättigungskurve 22 des Verdunstungsfluids eingezeichnet. Diese veranschaulichen die Verhältnisse an den folgenden Punkten, die auch in Fig. 1 illustriert sind:

- E: nach dem Kondensationskühler 6

- A: nach dem Wärmetauscher 2

- B: nach der Expansionsvorrichtung 3

- C: nach der Einspritzvorrichtung 4

- D: nach der Rückverdichtung mit dem Verdichter 5.

Der Punkt D' illustriert die Abweichung von dieser Prozessführung im inversen Brayton-Cycle .

Punkt E :

- Prozessgas liegt mit Restmenge an Verdunstungsfluid vor

• Partialdruck = Dampfdruck und somit abhängig von Druck p _A und Temperatur T _E

- Temperatur T _E

• bei Abwärmenutzung über Temperatur der Niedertemperaturwärmeabfuhr (siehe Niedertemperaturwärmetauscher 13) , z.B. zwischen +40°C und +60°C

• bei direkter Kühlung mittels Luft zumindest über Umgebungstemperatur

• bei Kühlwasser z.B. aus Fließgewässer auch tiefere Temperaturen möglich

- Druck p _E ~p _A ist auf Atmosphärendruck (oder in dieser Größenordnung) oder darüber

• grundsätzlich nach oben hin unbegrenzt, jedoch bei hohen Drücken Verdunstungskühlung bei Nassverdichtung nur beschränkt möglich

• in der praktischen Umsetzung Druckverhältnis PA/PB begren- zend und p _B < Atmosphärendruck für gute Verdunstungskühlung sinnvoll. Daher bevorzugt p _A < 10 bar_a (bar absolut) , besonders bevorzugt p _A < 5 bar_a, noch mehr bevorzugt p _A < 3 bar_a oder p _A < 2 bar_a

• p _A < Atmosphärendruck möglich mit positivem Einfluss auf Verdunstung (jedoch unter Umständen schwieriger Kondensation und geringer Prozessgasdichte im ohnehin schon groß zu bauenden Wärmetauscher 2)

Punkt A:

• Prozessgas und Verdunstungsfluid unverändert zu E

• Druck p _A ~ p _E

• Temperatur T _A

- je höher die Temperatur, desto höher der erzielbare Wirkungsgrad

- besonders vorteilhafter Einsatz ab ca. T _A = +300°C (bis zur Materialeinsatzgrenze der Bauteile)

- praktisch begrenzt die Temperatur des zur Verfügung stehenden Energiestroms BA die erzielbare Temperatur, vorzugsweise liegt die Temperatur T _A zwischen +300 und +600°C

- Anwendung nach Anlagen mit z.B. Magerbrennverfahren bis T _A 150°C möglich

Punkt B:

• Prozessgas und Verdunstungsfluid unverändert zu A

• Druck p _B

- vorzugsweise p _B < Atmosphärendruck für gute Verdunstungskühlung

- besonders bevorzugt p _B < 0,7 bar_a, noch mehr bevorzugt p _B

< 0,5 bar_a

• in der praktischen Umsetzung Druckverhältnis p _A /p _B begrenzend

• Temperatur T _B

- je nach p _A /p _B und Wirkungsgrad der Expansion sich einstellend

Punkt C:

• kleiner Teil des eingespritzten Verdunstungsfluids verdampft

- niedriger p _B begünstigt, jedoch sinkende Temperatur begrenzt Verdunstung • Druck pc ~ p _B

• Temperatur T _c

- durch Verdunstungskühlung Temperaturen unter Umgebungstemperatur möglich

- somit ist die Verdunstung im Vorteil gegenüber dem dem Stand der Technik (insbesondere iBC) , welcher an dieser Stelle durch Wärmetauscher nur begrenzte Temperaturen erreichen kann

Punkt D:

• restlicher Teil des eingespritzten Verdunstungsfluids verdampft während Verdichtung

- steigender Druck begrenzt, jedoch begünstigt die in der Verdichtung steigende Temperatur die Verdunstung während des Druckanstiegs

- Druck- und Temperaturverlauf des Prozessgases in der Verdichtung möglichst nahe an der Dampfkurve des Verdunstungsfluids angenähert

- Dampfanteil des verdunstenden Fluids muss mit verdichtet werden, d.h. die signifikant bessere Prozesseffizienz im T- s-Diagramm (Fig. 2B) A-B-C-D gegenüber dem Stand der Technik (insbesondere dem iBC mit der Prozessführung A-B-C-D', das in Fig. 2A und 2B ebenfalls eingezeichnet ist) wird durch eine Mehrarbeit in der Verdichtung des Dampfes gemindert, siehe p-v-Diagramm (Fig. 2A)

• Druck p _A

• Temperatur T _D

• je nach p _A /ps, verdunstetem Fluid und Wirkungsgrad der Verdichtung sich einstellend

• nicht verdunstetes Fluid

• z.B. durch zu viel Einspritzung, dynamischer Betrieb oder unzureichende Zerstäubung zurück zu Punkt E:

• Druck p _A

• Temperatur T _E

- geringe Temperaturdifferenz T _D auf T _E bewirkt durch den gegenüber p _B relativ hohen Druck p _A eine starke Kondensation

- z.B. bei p _A = 1 bar_a bewirkt ein Abkühlen von T _D =+65°C auf T _E =+45°C je nach Fluid und Prozessgas ein Kondensieren von über 60% des Verdunstungs fluidgehalts

- trotz geringer Temperaturdi f ferenz wird über den Wärmetauscher 6 infolge Kondensation eine erhebliche Wärmemenge abgeführt

• nicht kondensiertes Verdunstungs fluid

- bleibt als rezirkulierende Restmenge im Prozessgas

Vorzugsweise erfolgt von B zu C eine isobare Kühlung durch Verdunstung . Insbesondere im Falle einer Kolbenmaschine erfolgt ( im idealisierten Prozess ) von B zu C eine isochore Kühlung und der Prozess wir zwischen spezi fischen Volumina v _A und v _B anstatt den Drücken p _A und p _B geführt .

Bei der Einspritzung unterhalb des Atmosphärendrucks ist die Kondensationskühlung des verdichteten Prozessgases besonders wirkungsvoll , da andernfalls für eine ef fektive Kondensation das Prozessgas geringer Dichte und somit auch sehr geringem Partialdruck des Verdichtungs fluids unter Umgebungstemperatur bei entsprechend niedrigerem Dampfdruck gekühlt werden müsste . Diese Kühlung würde den ersten Teil der Kondensationskühlung B-C ersetzen und aufgrund der geringen Prozessgasdichte einen Wärmetauscher mit sehr großer Fläche erfordern . Erst für die Verdichtung C-D könnte Verdunstungskühlung eingesetzt werden .

Fig . 3 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Aus führungs form der Vorrichtung 1 zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie . Diese ist im Wesentlichen gleich ausgeführt wie die in Fig . 1 dargestellte Aus führungs form, sodass für gleiche Elemente gleiche Bezugs zeichen verwendet werden und im Folgenden nur die Unterschiede erläutert werden . Insbesondere zeigt Fig . 3 ein Fließschema der Vorrichtung 1 .

Die Aus führungs form der Fig . 3 weist zusätzlich einen Vorratsbehälter 12 zum Vorrätighalten von Prozessgas auf . Damit kann die Prozessgasmenge im geschlossenen Kreislauf durch Zufuhr von Prozessgas aus dem Vorrat konstant gehalten und Leckverluste ausgeglichen werden .

Fig . 4 zeigt illustriert den Aufbau einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der Vorrichtung 1 zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 versehen und es werden nur die Unterschiede erläutert. Insbesondere kann die in Fig. 4 gezeigte Aus führungs form auch der in Fig. 1 als Fließschema gezeigten Aus führungs form entsprechen.

In dieser Aus führungs form ist die Expansionsmaschine 3 mit dem Verdichter 5 über eine Welle 16 verbunden und treibt diesen an. Die Welle 16 treibt ebenfalls den Generator 11 an.

Fig. 5 illustriert schematisch eine bevorzugte Aus führungs form eines Teils der Vorrichtung 1 zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie, insbesondere der Einspritzvorrichtung 4 und des Verdichters 5.

In dieser Aus führungs form weist die Einspritzvorrichtung 4 mehrere Einspritzelement 4a, 4b zum Einspritzen des Verdunstungsfluids an mehreren Stellen auf. Der Verdichter 5 weist mehrere Verdichterstufen 5a, 5b auf. Das Einspritzen des Verdunstungsfluids und das Verdichten erfolgt dabei abwechselnd. Somit kann Erosion durch Wasserbeschuss am Verdichter 5 bzw. den Verdichterstufen 5a, 5b verringert werden. Vorzugsweise wird mit jedem Einspritzelement 4a, 4b eine Menge an Verdunstungsfluid eingespritzt, sodass dieses jeweils über Sättigung des Prozessgases vorliegt, wobei bei bzw. nach jeder Verdichterstufe 5a, 5b jeweils mehr Verdunstungsfluid vom Prozessgas aufgenommen werden kann. Diese Teilausführungsform kann beispielsweise bei der Ausführungsform der Fig. 1 oder Fig. 2 vorgesehen sein.

Fig. 6A zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung 1. Diese ist ähnlich ausgeführt wie die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform, sodass für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden und im Folgenden nur die Unterschiede erläutert werden.

In dieser Aus führungs form ist eine Kolbenmaschine 17 mit einer Kammer (bzw. einem Zylinder) 18 vorgesehen. Diese bildet die Expansionsmaschine 3 und den Verdichter 5. Die Einspritzvorrichtung 4 ist zur Einspritzung des Verdunstungsfluids in die Kammer 18 der Kolbenmaschine 17 eingerichtet. Somit erfolgt das Expan- dieren des Prozessgases , das Einspritzen des Verdunstungs fluids und das Verdichten des Prozessgases in der Kammer 18 der Kolbenmaschine 17 .

Auch eine Aus führung mit mehreren Kammern bzw . Zylindern 18 ist möglich, in denen j eweils das Verdichten, Einspritzen und Expandieren erfolgt .

Fig . 6B zeigt ein Ablaufdiagramm eines Zyklus der Kolbenmaschine 17 der Fig . 6A. Auf der Abs zissenachse ist der Kurbelwinkel ( ° CA) der Kolbenmaschine 17 aufgetragen, wobei BDC für bottom dead center (unterer Totpunkt ) und TDC für top dead center ( oberer Totpunkt ) stehen . Das Expandieren des Prozessgases erfolgt somit vom Punkt TDC zum Punkt BDC (wobei am Anfang dieses Bereichs das Ansaugen 21 des Prozessgases erfolgt ) , das Verdichten vom Punkt BDC zum Punkt TDC (wobei am Ende dieses Bereichs das Ausstößen 20 des Prozessgases erfolgt ) . Das Einspritzen 19 des Verdunstungs fluids erfolgt ab dem Punkt BDC bis zum Ausstößen des Prozessgases .