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1. (WO2015176812) PROCÉDÉ DE RÉCUPÉRATION DE LA CHALEUR DE MOTEURS À COMBUSTION INTERNE ET DE CONVERSION DE LA CHALEUR RÉCUPÉRÉE EN ÉNERGIE MÉCANIQUE
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Patentansprüche

Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus einem Verbrennungsmotor (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, sowie zur Umwandlung der rückgewonnenen Wärme in mecha nische Energie mittels einer Expansionsmaschine (11), wobei ein mittels wenigstens einer Primärpumpe (16) in einem Primärkreislauf geführtes Wärmespeicherfluid mit tels wenigstens eines ersten Wärmetauschers (12) durch die Abwärme des Verbrennungsmotors (1) erhitzt, in einen Wärmespeicher (14) überführt und zu dem wenigstens einen ersten Wärmetauscher (12) rezirkuliert wird, und wobei das Wärmespeicherfluid ferner in einem Sekundärkreislauf geführt wird, indem es im dampfförmigen Zustand (G) dem Wärmespeicher (14) entnommen und der Expansionsmaschine (11) zugeführt, stromab der Expansionsmaschine (11) mittels eines Kondensators (18) kondensiert und mittels wenigstens einer Sekundärpumpe (20) in den Wärmespeicher (14) rezirkuliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreislauf des Wärmespeicherfluides ausschließlich über den Wärmespei eher (14) mit dem Sekundärkreislauf verbunden und im Übrigen von diesem getrennt wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das das Wärmespeicherfluid in dem Wärmespeicher (14) zumin dest überwiegend im flüssigen Zustand (F) gehalten wird, so dass der überwiegende Anteil der im Wärmespei eher (14) gespeicherten Wärme in dem im Wärmespeicher (14) im flüssigen Zustand (F) vorliegenden Wärmespei-cherfluid gespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherfluid in dem Wärmespeicher (14) dadurch zumindest überwiegend im flüssigen Zustand gehalten wird, indem der Wärmespeicher (14)

- mittels wenigstens eines stromab desselben in dem Sekundärkreislauf angeordneten Drucksteuer- und/oder -regelventils (23, 24); und/oder

- mittels der in dem Sekundärkreislauf angeordneten, drucksteuer- und/oder -regelbaren Sekundärpumpe;

und/oder

- mittels einer Drucksteuerung und/oder -regelung der Expansionsmaschine (11), welche die Druckabnahme des sie durchsetzenden Wärmespeicherfluides steuert und/oder regelt,

auf einem Druck gehalten wird, bei welchem der überwiegende Anteil des im Wärmespeicher (14) befindlichen Wärmespeicherfluides im flüssigen Zustand (F) vorliegt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherfluid in dem Wärmespeicher (14) im Wesentlichen in einem unterkritischen thermody- namischen Gleichgewicht zwischen seinem flüssigen Zustand (F) und seinem Dampfzustand (G) gemäß einer der Isobaren zwischen der Siedlinie (untere Grenzlinie) und der Taulinie (obere Grenzlinie) in seinem Temperatur- Entropie-Diagramm (T, s-Diagramm) bei der jeweiligen, in dem Wärmespeicher (14) herrschenden Temperatur gehalten wird .

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch kennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (11) ausschließlich mit dem im dampfförmigen Zustand (G) befindlichen Wärmespeicherfluid aus dem Wärmespeicher (14) gespeist wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass das Wärmespeicherfluid in dem Sekun därkreislauf stromab des Kondensators (18) mittels wenigstens eines Wärmetauschers (21) durch die Abwärme des Verbrennungsmotors (1) erhitzt wird, bevor es in den Wärmespeicher (14) rezirkuliert wird.

Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das das Wärmespeicherfluid in dem Sekundärkreislauf mittel wenigstens eines zweiten Wärmtauschers (21) erhitzt wird, welcher insbesondere durch die Restwärme des Ver brennungsmotors (1) betrieben wird, nachdem dessen Abwärme mittels des wenigstens einen ersten Wärmetauschers (12) dem im Primärkreislauf geführten Wärmespei cherfluid zugeführt worden ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, dass der Kondensator (18)

- mit Umgebungsluft;

- mit einem Kühlmedium (25) des Verbrennungsmotors (1) oder

- mit einem anderen Kühlmediumkreislauf eines Kraftfahrzeugs

versorgt wird, um das Wärmespeicherfluid in dem Sekundärkreislauf zu kondensieren.

Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, das der Kondensator (18) mit einem Kühlmedium (25), insbesondere des Verbrennungsmotors (1), versorgt wird, wobei das Kühlmedium (25) bedarfsweise, insbesondere wäh rend Aufwärmphasen des Verbrennungsmotors (1), durch das Wärmespeicherfluid erwärmt wird.

Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur bedarfsweisen Erwärmung des Kühlmediums (25) das Wärmespeichermedium in dem Sekundärkreislauf über eine Bypassleitung (17a) an der Expansionsmaschine (11) vorbei direkt dem Kondensator (18) zugeführt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das kondensierte Wärmespeicherflu id in dem Sekundärkreislauf stromab des Kondensators (18) in einem Pufferbehälter (19) zwischengespeichert wird, von welchem es mittels der Sekundärpumpe (20) in den Wärmespeicher (14) rezirkuliert wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Wärmetauscher (12) und/oder der wenigstens eine zweite Wärmetauscher (21) von der Ab- bzw. Restwärme des Verbrennungsmotors (1) entkoppelt wird/werden, wenn

- der Wärmespeicher (14) bei einer maximalen Temperatur seinen maximalen Druck erreicht hat; und/oder

- der Wärmespeicher (14) seine maximale Füllmenge mit dem Wärmespeicherfluid erreicht hat; und/oder

- das in dem Sekundärkreislauf zirkulierte Wärmespeicherfluid in dem Kondensator (18) infolge der dort abgeführten Wärme nicht mehr kondensiert werden kann.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Wärmespeicher (14) im dampfförmigen Zustand (G) in den Sekundärkreislauf eingespeiste Wärmespeicherfluid bedarfsweise stromauf der Expansionsmaschine (11) überhitzt wird, wobei das Wär- mespeicherfluid insbesondere

- mittels wenigstens eines dritten Wärmetauschers, welcher bedarfsweise mit einem Abwärmestrom des

Verbrennungsmotors (1) gespeist wird, oder

- mittels eines Brenners (26) , welcher insbesondere an die Kraftstoff ersorgung des Verbrennungsmotors (1) angeschlossen ist,

bedarfsweise überhitzt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (12) und/oder der zweite Wärmetauscher (21) und gegebenenfalls der dritte Wärmetauscher von einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors (1) gespeist wird/werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an in dem Primärkreislauf und in dem Sekundärkreislauf zirkuliertem Wärmespeicherfluid derart gewählt wird, dass bei einem maximal möglichen Füllstand des Wärmespeicherfluides in dem Wärmespeicher (14) wenigstens 50%, insbesondere wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 90%, des in dem Wärmespeicher (14) zur Verfügung stehenden Volumens mit im flüssigen Zustand (F) befindlichem Wärmespeicherfluid befüllt sind.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass

- zumindest ein Teil der mittels der Expansionsmaschine (11) gewonnenen mechanischen Energie, insbesondere unter Zwischenschaltung eines Getriebes, an den

Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs abgegeben wird;

und/oder

- zumindest ein Teil der mittels der Expansionsmaschine (11) gewonnenen mechanischen Energie an einen der

Expansionsmaschine (11) nachgeordneten Stromgenerator (27) abgegeben wird, dessen hieraus erzeugter Strom in die Stromversorgung des Kraftfahrzeugs eingespeist wird .

Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus einem Verbrennungsmotor (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, sowie zur Umwandlung der rückgewonnenen Wärme in mechanische Energie mittels einer Expansionsmaschine (11), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16, mit einem Primärkreislauf eines Wärmespeicherfluides , welcher wenigstens einen ersten Wärmetauscher (12), welcher durch die Abwärme eines Abwärmestroms des Verbrennungsmotors (1) beheizt ist, einen Wärmespeicher (14) und eine den ersten Wärmetauscher (12) mit dem Wärmespeicher (14) verbindende erste Ringleitung (13) mit wenigstens einer Primärpumpe (16) umfasst, und mit einem Sekundärkreislauf des Wärmespeicherfluides , welcher mit dem Primärkreislauf in Verbindung steht und die Expansionsmaschine (11), einen stromab derselben angeordneten Kondensator (18) und eine zweite Ringleitung (17) mit wenigstens einer Sekundärpumpe (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreislauf des Wärmespeicherfluides ausschließlich über den Wärmespeicher (14) mit dem Sekundärkreislauf in Verbindung steht uhd im Übrigen von diesem getrennt ist .

Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (14) als Druckbehälter ausgebildet ist, dessen Innendruck

- mittels wenigstens eines stromab desselben in dem Sekundärkreislauf angeordneten Drucksteuer- und/oder -regelventils (23, 24); und/oder

- mittels der in dem Sekundärkreislauf angeordneten, drucksteuer- und/oder -regelbaren Sekundärpumpe;

und/oder

- mittels einer Drucksteuerung und/oder -regelung der Expansionsmaschine (11), welche die Druckabnahme des sie durchsetzenden Wärmespeicherfluides steuert und/oder regelt,

steuerbar und/oder regelbar ist.

Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die im Sekundärkreislauf angeordnete Ex pansionsmaschine (11) ausschließlich mittels der zweiten Ringleitung (17) mit dem Wärmespeicher (14) verbun den ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreislauf wenigstens einen zweiten Wärmetauscher (21) umfasst, welcher durch die Abwärme des Verbrennungsmotors (1) beheizt und stromab des Kondensators (18) angeordnet ist, wobei der wenigstens eine zweite Wärmetauscher (21) insbesondere in einem Restwärmestrom des Verbrennungsmotors (1) stromab des wenigstens einen ersten Wärmetauschers (12) angeordnet ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (18)

- mit Umgebungsluft;

- mit einem Kühlmedium des Verbrennungsmotors (1); oder

- mit einem anderen Kühlmediumkreislauf eines Kraft- fahrzeugs

versorgt ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreislauf eine mit einem Sperrventil, insbesondere in Form eines Drucksteuer- und/oder -regelventils (24), ausgestattete Bypass-leitung (17a) aufweist, welche die Expansionsmaschine (11) bypasst und den Wärmespeicher (14) über die zweite Ringleitung (17) bedarfsweise unmittelbar mit dem Kondensator (18) verbindet.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreislauf einen stromab des Kondensators (18) angeordneten Pufferbehälter (19) für das Wärmespeicherfluid aufweist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Ab- bzw. Restwärmestrom des Verbrennungsmotors (1) mittels eines mit einem Ventil versehenen Abzweigs (2a)

- von dem wenigstens einen ersten Wärmetauscher (12) und/oder

- von dem wenigstens einen zweiten Wärmetauscher (21) trennbar ist, um den ersten Wärmetauscher (12) und/oder den zweiten Wärmetauscher (21) bedarfsweise zu bypas-sen .

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dass der Sekundärkreislauf stromab des Wärmespeichers (14) und stromauf der Expansionsmaschine (11)

- einen dritten Wärmetauscher, welcher bedarfsweise

an einen Abwärmestrom des Verbrennungsmotor (1) an- schließbar ist, oder

- einen Brenner (26) , welcher insbesondere an die

KraftstoffVersorgung des Verbrennungsmotors (1) angeschlossen ist,

aufweist .

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (12) und/oder der zweite Wärmetauscher (21) und gegebenenfalls der dritte Wärmetauscher von einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors (1) gespeist sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (14)

- mit einer thermischen Isolierung und/oder

- mit einer mehrlagigen Wandung (15), in deren Zwischenraum Unterdrück oder Vakuum herrscht oder ein Aerogel oder ein thermochemisches Speichermedium aufgenommen ist,

versehen ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Expansionsmaschine ( 11), insbesondere unter Zwi- schenschaltung eines Getriebes, an den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, und/oder

- die Expansionsmaschine ( 11) an einen dieser nachge- ordneten Stromgenerator (27) angeschlossen ist, wel- eher mit der Stromversorgung des Kraftfahrzeugs . in Verbindung steht.