DE102008041939A1

DE102008041939A1 - A method of operating a heat pump or chiller or engine and heat pump or chiller and engine

Info

Publication number: DE102008041939A1
Application number: DE102008041939A
Authority: DE
Inventors: Michael Deichsel; Klaus Ramming
Original assignee: AGO GmbH Energie und Anlagen
Current assignee: Deichsel Michael Dr De
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2010-03-11
Also published as: EP2321592A1; EP2321592B1; ATE539304T1; WO2010029027A1; WO2010029020A1

Abstract

In a method for operating a heat pump or refrigeration device (1), a coolant is isothermally compressed using a fluid displacement compressor (2), then cooled, optionally condensed in the process, and then expanded. In a next step, the coolant is evaporated and finally fed back to the fluid displacement compressor (2). In order to improve the efficiency of the process, it is proposed that heat from the cooled coolant following compression is transferred to the heated coolant before the coolant is returned to the fluid displacement compressor (2), and thus the cycle is closed, and that the coolant is expanded in an engine comprising an operative connection to a hydraulic pump (31) for pumping a hydraulic fluid of the fluid displacement compressor (2). Further proposed as an apparatus is a heat pump/refrigeration device for carrying out the above method.

Description

Einleitungintroduction

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe oder Kältemaschine, bei dem ein Kältemittel mittels eines Flüssigkeitskolbenverdichters verdichtet, anschließend gekühlt und danach expandiert wird und in einem nächsten Schritt erwärmt und schließlich wieder dem Flüssigkeitskolbenverdichter zugeführt wird.The The invention relates to a method for operating a heat pump or chiller, in which a refrigerant by means of a liquid piston compressor compacted, then cooled and then expanded and in a next Step heated and finally back to the liquid piston compressor is supplied.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftmaschine und in vorrichtungstechnischer Hinsicht sowohl eine Wärmepumpe oder Kältemaschine als auch eine Kraftmaschine.About that In addition, the invention also relates to a method for operating a Engine and in device technical terms, both a heat pump or chiller as well as an engine.

Stand der TechnikState of the art

Wärmepumpen oder Kältemaschinenprozesse zählen bereits seit geraumer Zeit zum allgemein bekannten Stand der Technik. Im Gegensatz zu den weit verbreiteten mechanisch arbeitenden Kolbenverdichtern wird durch die Verwendung von Flüssigkeitskolbenverdichtern versucht, eine isotherme Verdichtung des Kältemittels in dem geschlossenen Kreisprozess zu realisieren. Durch die Verwendung eines Flüssigkeitskolbens können dem Verdichtungsraum großzügig dimensionierte und in der Gestaltung sehr freie Oberflächen zur Optimierung der Wärmeübertragung gegeben werden, da es bei der Verwendung eines Fluids als ”Kolben” kein Abdichtungsproblem gibt. Aus diesem Grunde lässt sich mit Flüssigkeitskolbenverdichtern eine nahezu isotherme Verdichtung erreichen. Ein weiterer Vorteil eines Flüssigkeitskolbenverdichters ist darin zu sehen, dass ein Phasenübergang bei der Verdichtung vom dampfförmigen zum flüssigen Zustand für derartige Vorrichtungen unproblematisch ist, da der Flüssigkeitskolben auch bei sogenannten ”Flüssigkeitsschlägen” keinen ”mechanischen” Schaden nehmen kann. Vorraussetzung für das Funktionieren eines Flüssigkeitskolbenverdichters ist jedoch die Verwendung nicht mischbarer Fluide.Heat pumps or chiller processes have been around for a long time some time to the well-known state of the art. In contrast to the widely used mechanical piston compressors is through the use of liquid piston compressors tries to make an isothermal compression of the refrigerant in to realize the closed cycle process. By using a Liquid piston can the compression chamber generously dimensioned and very design free surfaces to optimize heat transfer given that there is no when using a fluid as a "piston" Sealing problem exists. That's why it can be combined with Liquid piston compresses a nearly isothermal compression to reach. Another advantage of a liquid piston compressor is to be seen in that a phase transition during compression from the vaporous to the liquid state for Such devices is not a problem, since the liquid piston even with so-called "liquid shocks" no "mechanical" damage can take. Prerequisite for the functioning of a Liquid piston compressor, however, is not the use miscible fluids.

Die US 2,772,543 sowie die US 1,766,998 beschreiben Kältemaschinenprozesse unter Verwendung von Flüssigkeitskolbenverdichtern und somit Verfahren der eingangs beschriebenen Art. Auch wenn mit diesen Flüssigkeitskolbenverdichtern grundsätzlich eine Annäherung an eine isotherme Verdichtung möglich wäre, fehlt es den Zylindern der vorbekannten Verdichter jedoch an einer besonderen Wärmetauschergeometrie, so dass die Verdichtung bei den bekannten Verfahren in der Praxis mehr oder weniger polytrop verlaufen dürfte.The US 2,772,543 as well as the US 1,766,998 Although chilling with these liquid piston compressors in principle an approximation of an isothermal compression would be possible, the cylinders of the prior art compressors, however, lack a special heat exchanger geometry, so that the compression in the known methods should be more or less polytopic in practice.

Aufgabetask

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe oder Kältemaschine so weiter zu entwickeln, dass die Effizienz des Prozesses weiter erhöht wird.Of the Invention is based on the object, a method for operating a heat pump or chiller so on to develop that further increases the efficiency of the process becomes.

Dieselbe Aufgabe liegt der vorliegenden Erfindung auch in Bezug auf eine Kraftmaschine und in vorrichtungstechnischer Hinsicht mit Bezug auf eine Wärmepumpe und Kältemaschine bzw. Kraftmaschine zugrunde.the same Object of the present invention is also in relation to a Engine and in terms of device technology with respect on a heat pump and chiller or engine based.

Lösungsolution

Im Hinblick auf eine Wärmepumpe oder Kältemaschine wird die vorgenannten Aufgabe, ausgehend von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art, dadurch gelöst, dass Wärme des nach der Verdichtung gekühlten Kältemittels auf das Kältemittel übertragen wird, bevor dieses wieder dem Flüssigkeitskolbenverdichter zugeführt und somit der Kreisprozess geschlossen wird.in the View of a heat pump or chiller the above object is based on a method of initially described type, solved in that heat of the cooled after compression refrigerant is transferred to the refrigerant before this fed back to the liquid piston compressor and thus the cycle is closed.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Wärme, die nach dem Kühlen des verdichteten Kältemittels noch zur Verfügung steht, auf das nach der Entspannung wieder verdampfte Kältemittel übertragen. Durch einen derartigen Vorgang der inneren Wärmeübertragung wird ansonsten ungenutzte Energie nutzbar gemacht. Dieser Vorteil wirkt sich insbesondere bei Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen aus, die mit CO₂ als Kältemittel betrieben werden. Die kritische Temperatur von CO₂ liegt bei 31°C. Oberhalb dieser Temperatur ist kein Phasenwechsel zur flüssigen Phase hin mehr möglich, so dass auch keine Fähigkeit des Kältemittels vorliegt, bei gleichbleibender Temperatur allein bedingt durch den Phasenwechsel Wärme abzugeben. Dies hat zur Folge, dass CO₂ auf eine sehr hohe Endtemperatur verdichtet werden muss, damit im weiteren Verlauf des Kreisprozesses die Abwärme an eine Wärmequelle mit festgelegter Temperatur abgegeben werden kann. Die abzugebende Wärme stammt in diesem Fall allein von der Abkühlung des heißen Gases und nicht von einem Phasenwechsel.In the method according to the invention, heat that is still available after the cooling of the compressed refrigerant is transferred to the refrigerant that has evaporated again after the expansion. By such a process of internal heat transfer otherwise unused energy is used. This advantage has an effect especially on heat pumps or refrigerators, which are operated with CO ₂ as the refrigerant. The critical temperature of CO ₂ is 31 ° C. Above this temperature, no phase change to the liquid phase out is more possible, so that there is no ability of the refrigerant to release heat at the same temperature alone due to the phase change. This has the consequence that CO ₂ must be compressed to a very high final temperature, so that in the further course of the cycle, the waste heat can be delivered to a heat source with a specified temperature. The heat to be released in this case comes solely from the cooling of the hot gas and not from a phase change.

Aufgrund dieser thermodynamischen Eigenschaft des CO₂ ist die für die Verdichtung erforderliche Energie wesentlich höher als bei konventionellen, jedoch umweltschädlicheren Kältemitteln, die während des Kreisprozesses zweimal einen Phasenwechsel durchlaufen. Dieser prinzipielle Nachteil des CO₂ als Kältemittel wird durch die Erfindung nunmehr deutlich abgemindert, da durch den Vorgang des inneren Übergangs von Wärme und der isothermen Verdichtung der Prozess thermodynamisch verbessert und somit die Leistungsziffer der betreffenden Kältemaschine oder Wärmepumpe vergrößert wird.Due to this thermodynamic property of CO ₂ , the energy required for compression is much higher than conventional, but more environmentally harmful, refrigerants that undergo a phase change twice during the cycle. This fundamental disadvantage of CO ₂ as a refrigerant is now significantly reduced by the invention, since the process thermodynamically improved by the process of the internal transition of heat and the isothermal compression and thus the coefficient of performance of the relevant refrigerator or heat pump is increased.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Kältemittel abwechselnd von zwei Flüssigkeitskolbenverdichtern mit jeweils einem Arbeitsraum verdichtet wird, deren gemeinsames Arbeitsfluid alternierend von dem Arbeitsraum des einen Flüssigkeitskolbenverdichters in den Arbeitsraum des anderen Flüssigkeitskolbenverdichters hin- und hergepumpt wird. Auf diese Weise kann eine Vergleichmäßigung des Massenstroms in den übrigen Verfahrensschritten erreicht werden.According to one Embodiment of the method according to the invention It is envisaged that the refrigerant be alternately from two Liquid piston compressors, each with a working space is compressed, their common working fluid alternately from the working space of a liquid piston compressor in the working space of the other liquid piston compressor pumped back and forth. In this way, a homogenization reached the mass flow in the remaining process steps become.

Eine weitere Steigerung der Kontinuität lässt sich dadurch erzielen, dass das Kältemittel in einem Hochdruckspeicher zwischengespeichert wird, nachdem es gekühlt wurde und weitere Wärme an das verdampfte Kältemittel übertragen hat.A further increase in continuity is possible Achieve that the refrigerant in a high-pressure accumulator cached after being cooled and transfer further heat to the vaporized refrigerant Has.

Derselbe Effekt einer Vergleichmäßigung des Prozesses im Hinblick auf den Kältemittelstrom wird erzielt, wenn das Kältemittel nach der Expansion in einem Niederdruckspeicher zwischengespeichert wird, bevor es anschließend verdampft wird.the same Effect of equalization of the process in Regarding the refrigerant flow is achieved when the Refrigerant after expansion in a low pressure accumulator is cached before it evaporates afterwards becomes.

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren bei Kältemitteln zur Anwendung kommt, die während des Kreisprozesses einen Phasenwechsel durchlaufen, so kann das Kältemittel bereits beim Kühlen während der Verdichtung und/oder beim darauf folgenden Übertragen von Wärme auf das verdampfte Kältemittel und/oder beim anschließenden Kühlen – jeweils eventuell teilweise – kondensieren.If the inventive method for refrigerants is used during the cycle one Go through phase change, so the refrigerant can already during cooling during compression and / or during subsequently transferring heat to the evaporated refrigerant and / or the subsequent Cooling - each possibly partially - condense.

Eine weitere signifikante Effizienzsteigerung lässt sich bei dem in Rede stehenden Verfahren dadurch erzielen, dass das Kältemittel nach der Kühlung und der Wärmeübertragung auf das wieder erwärmte Kältemittel unter Arbeitsleistung in einer Kraftmaschine, insbesondere einer Expansionspumpe oder einer Expansionsturbine, entspannt wird bevor es danach wieder verdampft oder erwärmt wird.A Further significant increase in efficiency can be achieved the method in question achieve that the refrigerant after cooling and heat transfer on the reheated refrigerant under working power in an engine, in particular an expansion pump or an expansion turbine, is relaxed before it evaporates again or is heated.

Während bei der nach dem Stand der Technik isenthalp mit Hilfe einer Drossel erfolgenden Entspannung des Kältemittels Energie verloren geht, kann mit Hilfe einer Entspannungsmaschine die vormals ungenutzte Expansionsarbeit genutzt werden. In Verbindung mit der Verdichtung des Kältemittels in einem Flüssigkeitskolbenverdichter lässt sich die von der Expansionsmaschine gewonnene Expansionsarbeit vorteilhafterweise dazu verwenden, die als Arbeitsmedium verwendete Flüssigkeit in den Flüssigkeitskolben zu pumpen. Die aufzubringende Pumparbeit bei der Kältemittelverdichtung wird hiermit reduziert und der Leistungsbedarf der Hydraulikpumpe bzw. die von dieser zu erbringende Hydraulikarbeit vermindert.While in the prior art isenthalp using a throttle successful relaxation of the refrigerant energy lost goes, with the help of a relaxation machine the previously unused Expansion work can be used. In connection with the compression of the refrigerant in a liquid piston compressor can be the expansion work won by the expansion machine advantageously use it as the working medium used To pump liquid into the liquid piston. The pumping work to be performed during refrigerant compression is hereby reduced and the power requirement of the hydraulic pump or reduces the hydraulic work to be done by this.

Durch entsprechende Gestaltung der Oberflächen des Flüssigkeitskolbenverdichters sowie durch entsprechende Steuerung des Verdichtungsvorgangs (Kompressionsgeschwindigkeit) sollte dem Kältemittel während des Verdichtens in dem Flüssigkeitskolbenverdichter die Wärme derart entzogen werden, dass die Verdichtung isotherm erfolgt. Dabei kann die mittels eines separaten Wärmeträgermediums von dem Kältemittel aus dem Verdichter abgeführte Wärme einer Wärmesenke, d. h. beispielsweise einem Verbraucher in Form einer Fußbodenheizung, zugeführt werden oder anderweitig als Prozesswärme mit niedrigem Temperaturniveau bereitgestellt werden, wobei das Wärmeträgermedium nach der Erwärmung im Flüssigkeitskolbenverdichter in dem Gaskühler für das Kältemittel weiter erwärmt wird.By corresponding design of the surfaces of the liquid piston compressor and by appropriate control of the compression process (compression speed) should be the refrigerant during the compression in the liquid piston compressor, the heat be removed so that the compaction is isothermal. It can by means of a separate heat transfer medium discharged from the compressor from the refrigerant Heat of a heat sink, d. H. for example, one Consumers in the form of a floor heating supplied or otherwise as low process heat Temperature level can be provided, wherein the heat transfer medium after the heating in the liquid piston compressor in the gas cooler for the refrigerant on is heated.

Im Hinblick auf ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftmaschine, bei dem der Druck eines im flüssigen Zustand befindlichen Kältemittels erhöht, das Kältemittel anschließend erhitzt und in einem nächsten Schritt unter Arbeitsleistung entspannt und dabei verdampft und schließlich in einem Kondensator wieder kondensiert wird, wird die zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass das Kältemittel nach der Erhitzung in einem Flüssigkeitskolbenentspanner entspannt wird.in the With regard to a method for operating an engine, in the pressure of a liquid state in the refrigerant state increases, then the refrigerant heated and in a next step under work performance relaxed and evaporated and finally in one Capacitor is condensed again, becomes the underlying task solved by the refrigerant after heating is relaxed in a Flüssigkeitsskolbenentspanner.

Während das Prinzip des Flüssigkeitskolbens bei Verdichtungsprozessen schon seit über acht Jahrzehnten bekannt ist, wurde dieses Prinzip bislang bei der Expansion von Wärmeträgermedien noch nicht angewendet. Es zeigt aber auch hier beachtliche Vorteile, da in Umkehrung der Verhältnisse beim Verdichtungsvorgang bei der Entspannung des Wärmeträgermediums kontinuierlich Wärme zugeführt werden sollte, um den Expansionsprozess wiederum isotherm durchführen zu können. Im Vergleich mit einem konventionellen polytropen Entspannungsprozess bedarf es somit bei der vorzugsweise isothermen Entspannung in einem Flüssigkeitskolbenentspanner der Zufuhr von Wärme, wobei hierdurch jedoch der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses deutlich verbessert wird.While the principle of the liquid piston in compression processes This has been known for over eight decades Principle so far in the expansion of heat transfer media yet not applied. But it also shows considerable advantages here, because in reversal of the conditions in the compression process in the relaxation of the heat transfer medium continuously Heat should be supplied to the expansion process again isothermal to perform. In comparison with a conventional polytropic relaxation process is needed in the case of preferably isothermal expansion in a liquid piston strenth the supply of heat, whereby, however, the efficiency the overall process is significantly improved.

Die Erfindung weiter ausgestaltend ist vorgesehen, dass das Wärmeträgermedium in einem Flüssigkeitskolbenentspanner mit zwei Arbeitsräumen entspannt wird, deren gemeinsames Arbeitsfluid alternierend von dem einen Arbeitsraum in den anderen Arbeitsraum verdrängt wird.The Invention further ausgestaltend is provided that the heat transfer medium Relaxed in a liquid piston tensioner with two working spaces becomes, their common working fluid alternately from the one Workspace is displaced into the other workspace.

Zur Vergleichmäßigung des Wärmeträgermedium-Massenstroms in Verbindung mit den zyklisch arbeitenden Flüssigkeitskolbenentspannern sollte sowohl vor als auch hinter den Flüssigkeitskolbenentspannern jeweils ein Speicher zwischengeschaltet werden. Während das Wärmeträgermedium in einem Hochdruckspeicher zwischengespeichert werden sollte, nachdem sein Druck in flüssigem Zustand erhöht worden ist, sollte das Wärmeträgermedium nach der Kondensation in einem Niederdruckspeicher zwischengespeichert werden, bevor dann der Druck in flüssigem Zustand wieder erhöht wird.To even out the heat transfer medium mass flow in conjunction with the cyclically operating Flüssigkeitsskolbenentspannern both before and behind the Flüssigkeitsskolbenentspannern a memory should be interposed. While the heat transfer medium should be cached in a high-pressure accumulator, after its pressure has been increased in the liquid state, the Wärmeträgerme should After the condensation in a low-pressure accumulator diums are stored before then the pressure in the liquid state is increased again.

Das Prinzip der inneren Wärmeübertragung, das weiter oben für den Wärmepumpen- bzw. Kältemaschinenprozess bereits erläutert wurde, lässt sich gewinnbringend auch im Kraftmaschinenprozess einsetzen. In diesem Fall wird Wärme von dem entspannten Arbeitsmedium vor dessen Kondensation auf das zuvor in seinem Druck erhöhte Arbeitsmedium vor dessen weiterer Erhitzung übertragen. Auch hierbei handelt es sich um Wärme, die ansonsten nicht sinnvoll genutzt werden könnte. Wiederum kann eine nicht unerhebliche Effizienzsteigerung durch diese innere Wärmeübertragung erreicht werden.The Principle of internal heat transfer that continues above for the heat pump or chiller process has already been explained, can be profitable also in the engine process. In this case, heat from the relaxed working fluid prior to its condensation on the previously in his pressure increased working fluid before transfer further heating. This is also true heat, which otherwise would not be used sensibly could. Again, a significant increase in efficiency can be achieved through this internal heat transfer can be achieved.

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftmaschinenprozess wird dem Arbeitsmedium während der Expansion Wärme in dem Maß zugeführt, dass die Expansion isotherm erfolgt, wobei die von einer Wärmequelle gelieferte Wärme mittels eines separaten Wärmeträgermediums dem Arbeitsmedium zugeführt wird und das Wärmeträgermedium nach der Abkühlung im Flüssig keitskolbenentspanner in dem Erhitzer für das Arbeitsmedium weiter abgekühlt und anschließend wieder der Wärmequelle zugeführt wird.at the engine process according to the invention is the working medium during expansion heat supplied to the extent that the expansion isothermal takes place, wherein the heat supplied by a heat source by means of a separate heat transfer medium the Working medium is supplied and the heat transfer medium After cooling in the liquid piston lifter further cooled in the heater for the working fluid and then returned to the heat source.

Die pro Stufe wirksame Druckdifferenz bei der Entspannung lässt sich senken und damit der Kraftmaschinenprozess erfindungsgemäß vom Wirkungsgrad her weiter optimieren, wenn das Arbeitsmedium in zwei Stufen unter Verwendung zweier in Reihe hintereinander geschalteter Flüssigkeitskolbenentspanner entspannt wird, wobei mit den Hydraulikfluids der beiden Flüssigkeitskolbenentspanner getrennte Hydraulikkreise betrieben werden, jedoch die mit dem jeweiligen Hydraulikfluid betriebenen Kraftmaschinen miteinander, beispielsweise über eine gemeinsame Welle, gekoppelt sind. Zur Vergleichmäßigung des Massenstroms sollte auch hier pro Stufe jeweils ein Flüssigkeitskolbenverdichter mit zwei Arbeitsräumen eingesetzt werden, so dass insgesamt vier Arbeitsräume alternierend Verwendung finden.The per stage effective pressure difference in the relaxation leaves lower and thus the engine process according to the invention of Optimize efficiency further, if the working medium in two Steps using two series connected in series Flüssigkeitsskolbenentspanner is relaxed, with the hydraulic fluids of the two fluid piston tensioners separate hydraulic circuits are operated, but with the respective Hydraulic fluid operated engines with each other, for example via a common wave, are coupled. For equalization The mass flow should also here per level, a liquid piston compressor be used with two work spaces, so that in total find four workrooms alternately use.

Ausgehend von einer Wärmepumpe oder Kältemaschine mit einem Flüssigkeitskolbenverdichter zur Verdichtung eines Kältemittels unter Wärmeabgabe an ein von dem Kältemittel stofflich getrenntes Wärmeträgermedium, einem Kühler zur Absenkung der Temperatur des verdichteten Kältemittels, einer Druckerniedrigungseinrichtung zur Entspannung des Kältemittels, einem Erwärmer zur Anhebung der Temperatur des entspannten Kältemittels sowie die vorgenannten Komponenten miteinander verbindenden Leitungen, so dass das Kältemittel im Kreislauf führbar ist, wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch einen Wärmeübertrager gelöst, mittels dessen Wärme von dem den Kühler verlassenden Kältemittel auf das den Erwärmer verlassenden Kältemittel übertragbar ist.outgoing from a heat pump or chiller with a Liquid piston compressor for compressing a refrigerant under heat to one of the refrigerant materially Separate heat transfer medium, a cooler to lower the temperature of the compressed refrigerant, a Pressure lowering device for the expansion of the refrigerant, a heater to raise the temperature of the relaxed Connecting refrigerant and the aforementioned components together Lines, so that the refrigerant can be circulated is, the object of the invention by a Heat exchanger solved by means of which Heat from the refrigerant leaving the radiator transferable to the refrigerant leaving the heater is.

Mit Hilfe eines derartigen sogenannten ”inneren Wärmeübertragers” lasst sich die Effizienz des Kreisprozesses steigern, da ansonsten ungenutzte Energie nutzbringend verwendet wird. Dies gilt insbesondere für die Verwendung von CO₂ als Kältemittel entsprechend den bereits weiter oben geschilderten Vorteilen.With the help of such a so-called "internal heat exchanger" can increase the efficiency of the cycle, otherwise unused energy is used beneficially. This applies in particular to the use of CO ₂ as a refrigerant in accordance with the advantages already described above.

Die Erfindung weiter ausgestaltend wird vorgeschlagen, dass die Druckerniedrigungseinrichtung eine Kraftmaschine, insbesondere eine Expansionspumpe oder Expansionsturbine ist, die zwischen dem Kühler und dem Erwärmer angeordnet ist. Der aparative Aufwand ist dabei besonders niedrig, wenn als Expansionspumpe eine Freikolbenpumpe mit selbstschaltenden Ventilen verwendet wird.The Invention further ausgestaltend it is proposed that the pressure reduction device a Engine, in particular an expansion pump or expansion turbine is that between the radiator and the heater is arranged. The aparative effort is particularly low, if as an expansion pump a free-piston pump with self-switching Valves is used.

Um die von der Expansionsmaschine gewonnene Leistung unmittelbar zur Durchführung des Kreisprozesses zu verwenden, kann eine Wirkverbindung, insbesondere eine mechanische Kopplung beispielsweise über eine Welle, zwischen der Kraftmaschine beim Entspannen des Kältemittels und einer Hydraulikpumpe bestehen, mit der ein Hydraulikfluid in einen Arbeitsraum des Flüssigkolbenverdichters pumpbar ist.Around the power gained by the expander immediately Implementation of the cycle process can use a Active compound, in particular a mechanical coupling, for example via a wave, between the engine while relaxing the refrigerant and a hydraulic pump, with a hydraulic fluid in a working space of the liquid piston compressor pumpable is.

Wird von einer Kraftmaschine mit einer Druckerniedrigungseinrichtung für ein Arbeitsmedium, einem Kühler zur Absenkung der Temperatur des Arbeitsmediums, einer Pumpe zur Erhöhung des Drucks des Arbeitsmediums, einem Erwärmer zur Anhebung der Temperatur des Arbeitsmediums mindestens bis zur Verdampfungstemperatur und die vorgenannten Komponenten verbindenden Leitungen, so dass das Arbeitsmedium in einen Kreislauf führbar ist, ausgegangen, so wird die zugrunde liegende Aufgabe ferner auch dadurch gelöst, dass die Druckerniedrigungseinrichtung ein Flüssigkeitskolbenentspanner ist.Becomes from an engine with a pressure reducing device for a working medium, a cooler for lowering the temperature of the working fluid, a pump to increase the pressure of the working fluid, a heater to raise the temperature of the working medium at least up to the evaporation temperature and the aforementioned components connecting lines, so that the working medium is feasible in a cycle, assumed so the underlying object is also solved by the pressure reducing device is a liquid piston tensioner is.

Auf diese Weise erfolgt eine Umsetzung des bereits weiter oben beschriebenen erfindungsgemäßen Kraftmaschinenprozesses in einer zu dessen Durchführung geeigneten Maschine.On In this way, an implementation of the already described above inventive engine process in one for its implementation suitable machine.

Wenn zusätzlich zu einer isothermen Entspannung der Wirkungsgrad der Kraftmaschine weiter gesteigert werden soll, kann ein innerer Wärmeübertrager vorgesehen werden, mittels dessen Wärme von dem die Druckerniedrigungseinrichtung verlassenden Arbeitsmedium auf das die Pumpe verlassende Arbeitsmedium übertragbar ist.If in addition to an isothermal relaxation, the efficiency the engine is to be further increased, an inner Heat exchangers are provided by means of which Heat from the pressure lowering device leaving Working medium on the pump leaving the working fluid transferable is.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, anhand derer der Wärmepumpenprozess bzw. Kraftmaschinenprozess gemäß der Erfindung dargestellt ist, näher erläutert.The Invention will be described below with reference to several embodiments, Based on which the heat pump process or engine process according to the Invention is illustrated in more detail.

Es zeigt:It shows:

1 einen Wärmepumpen-/Kältemaschinenprozess nach dem Stand der Technik in einem T-s-Diagramm mit dem Kältemittel R 134 a und isothermer Verdichtung mittels eines Flüssigkolbenverdichters, 1 a heat pump / refrigerator process according to the prior art in a Ts diagram with the refrigerant R 134 a and isothermal compression by means of a liquid piston compressor,

2 wie 1, jedoch mit dem Kältemittel CO₂, 2 as 1 but with the refrigerant CO ₂ ,

3 einen erfindungsgemäßen Prozess in einem T-s-Diagramm mit dem Kältemittel R 134 a mit innerem Wärmeübertrager und arbeitsleistender Expansion, 3 a process according to the invention in a Ts diagram with the refrigerant R 134 a with internal heat exchanger and work expansion,

4 wie 3, jedoch mit dem Kältemittel CO₂, 4 as 3 but with the refrigerant CO ₂ ,

5 eine schematische Anlagendarstellung einer Wärmepumpe/Kältemaschine mit innerem Wärmeübertrager und ohne Expansionspumpe, 5 a schematic representation of a heat pump / chiller with internal heat exchanger and without expansion pump,

6 wie 5, jedoch mit Expansionspumpe, 6 as 5 , but with expansion pump,

7 einen Kraftmaschinenprozess nach dem Stand der Technik in einem T-s-Diagramm, 7 an engine process according to the prior art in a Ts diagram,

8 einen erfindungsgemäßen Kraftmaschinenprozess in einem T-s-Diagramm mit isothermer Entspannung mittels eines Flüssigkeitskolbenentspanners und einem inneren Wärmeübertrager, 8th an engine process according to the invention in a Ts diagram with isothermal expansion by means of a liquid piston expansion device and an internal heat exchanger,

9 eine schematische Anlagendarstellung einer Kraftmaschine mit Flüssigkeitskolbenentspanner und innerem Wärmeübertrager und 9 a schematic system representation of an engine with Flüssigkeitsskolbenentspanner and inner heat exchanger and

10 wie 9, jedoch mit zweistufiger Entspannung in zwei in Reihe geschalteten Flüssigkeitskolbenentspannern. 10 as 9 but with two-stage expansion in two fluid piston slackers in series.

Eine in dem Anlagenschaubild gemäß 5 schematisch dargestellte Wärmepumpe/Kältemaschine 1 weist in dem Kreislauf des Kältemittels (hier: CO₂) einen Flüssigkeitskolbenverdichter 2, einen Gaskühler 3/Kondensator einen inneren Wärmeübertrager 4, einen Hochdruckspeicher 5, ein elektronisches Expansionsventil 6, einen Niederdruckspeicher 7, einen Verdampfer 8 sowie Rückschlagventile 9 bis 12 auf. Folgender Prozess läuft dabei in Form eines Kreislaufs durch die vorgenannten Komponenten und die sie miteinander verbindenden Leitungen ab:
Das in dem Flüssigkeitskolbenverdichter isotherm verdichtete CO₂, wird über eine Leitung 13 dem Gaskühler 3 zugeführt, in dem es je nach Verdichtungsendtemperatur des Kältemittels zu einer Kondensation kommen kann. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen kritischen Temperatur des CO₂ (31°C) findet jedoch typischerweise weder bei der Verdichtung noch in dem nachgeschalteten Gaskühler 3/”Kondensator” eine Kondensation statt, das heißt das Nassdampfgebiet wird in diesen Prozessschritten nicht erreicht.One in the plant diagram according to 5 schematically illustrated heat pump / chiller 1 has in the cycle of the refrigerant (here: CO ₂ ) a liquid piston compressor 2 , a gas cooler 3 / Condenser an internal heat exchanger 4 , a high-pressure accumulator 5 , an electronic expansion valve 6 , a low pressure accumulator 7 , an evaporator 8th as well as check valves 9 to 12 on. The following process takes place in the form of a cycle through the aforementioned components and the interconnecting lines:
The isothermally compressed CO ₂ in the liquid piston compressor is passed through a conduit 13 the gas cooler 3 supplied, in which it can come to a condensation depending on the compression end temperature of the refrigerant. Due to the comparatively low critical temperature of CO ₂ (31 ° C), however, typically neither in the compression nor in the downstream gas cooler 3 / "Condenser" a condensation instead, that is, the wet steam area is not reached in these process steps.

Nachdem also das gekühlte CO₂ über eine Leitung 1 den inneren Wärmeübertrager 4 erreicht hat, wird dort Wärme auf das Kältemittel übertragen, nachdem es den Verdampfer 8 verlassen hat. Über eine weitere Leitung 15 gelangt das Kältemittel von dem inneren Wärmeübertrager in einen Hochdruckspeicher 5, von dem es durch eine Leitung 16 zu dem elektronischen Expansionsventil gelangt, in dem eine isenthalpe Entspannung des Kältemittels stattfindet, das während der Entspannung in das Nassdampfgebiet eintritt. Über eine Leitung 17 gelangt das entspannte Kältemittel in den Niederdruckspeicher 7, von wo aus es über eine Leitung 18 in den Verdampfer gelangt und dort unter Wärmeaufnahme verdampft. Anschließend wird das Kältemittel über ein Leitung 18 zu dem bereits zuvor erwähnten inneren Wärmeübertrager 4 geführt und dort erwärmt, bevor es über die Leitung 19 wieder zu dem Flüssigkeitskolbenverdichter 2 zurückströmt.So after the cooled CO ₂ over a line 1 the internal heat exchanger 4 Heat is transferred to the refrigerant after it reaches the evaporator 8th has left. About another line 15 the refrigerant passes from the internal heat exchanger into a high pressure accumulator 5 from which it passes through a line 16 to the electronic expansion valve, in which an isenthalpic expansion of the refrigerant takes place, which enters the wet steam during the expansion. About a line 17 the expanded refrigerant enters the low pressure accumulator 7 from where it is via a line 18 gets into the evaporator and evaporates there under heat absorption. Subsequently, the refrigerant is passed through a pipe 18 to the already mentioned internal heat exchanger 4 led and heated there, before it over the line 19 back to the liquid piston compressor 2 flowing back.

Der Flüssigkeitskolbenverdichter 2 besitzt zwei jeweils einen Arbeitsraum definierenden Zylinder 20, 21 die parallel zueinander geschaltet sind. Von der Leitung 19 zweigt die Zuströmleitung 22 des Zylinders 20 ab, in der das Rückschlagventil 10 angeordnet ist, das lediglich einen Zustrom in den Zylinder 20 erlaubt. Über die Leitung 23, in der sich das lediglich ein Abströmen erlaubende Rückschlagventil 9 befindet, gelangt das Kältemittel aus dem Zylinder 20 in die Leitung 13 und somit wieder in den Gaskühler 3/Kondensator.The liquid piston compressor 2 has two each defining a working space cylinder 20 . 21 which are connected in parallel to each other. From the line 19 branches the inflow line 22 of the cylinder 20 off, in which the check valve 10 is arranged, which is only an influx into the cylinder 20 allowed. About the line 23 in which the only one outflow permitting check valve 9 is located, the refrigerant passes out of the cylinder 20 into the pipe 13 and thus back to the gas cooler 3 /Capacitor.

Zylinder 21 ist über eine dem Zuströmen dienende Leitung 24 an die Leitung 19 angeschlossen und über die dem Abströmen dienende Leitung 25 an die Leitung 13. Auch hier erlauben die Rückschlagventile 11 und 12 lediglich ein Zuströmen bzw. Abströmen des Kältemittels.cylinder 21 is over a pipe serving to flow 24 to the line 19 connected and via the outflow serving line 25 to the line 13 , Again, allow the check valves 11 and 12 only an inflow or outflow of the refrigerant.

An der Unterseite der Zylinder 21 und 22 sind jeweils Hydraulikleitungen 24 und 25 angeschlossen, die in jeweils einen durch das Innere der Zylinder 20, 21 gebildeten Arbeitsraum 26, 27 münden. Im Inneren der Arbeitsräume 26, 27 befindet sich unten jeweils das Hydraulikfluid, über dessen Spiegel S sich das mehr oder weniger stark komprimierte Kältemittel befindet. Das Hydraulikfluid ist so ausgewählt, dass es mit dem Kältemittel weder mischbar ist noch sich darin löst.At the bottom of the cylinder 21 and 22 are each hydraulic lines 24 and 25 connected in each one by the inside of the cylinder 20 . 21 formed working space 26 . 27 lead. Inside the workrooms 26 . 27 is located below each of the hydraulic fluid through the mirror S, the more or less strongly compressed refrigerant is located. The hydraulic fluid is selected so that it is neither miscible with the refrigerant nor dissolves in it.

Die Hydraulikleitungen 24 und 25 führen zu einem Vier-Wege-Hydraulikventil 28, von dem wiederum zwei Hydraulikleitungen 29, 30 abgehen, die auf der Saug- bzw. Druckseite einer Hydraulikpumpe 31 angeschlossen sind. Je nach Schaltstellung des Vier-Wege-Hydraulikventils 28, wird nunmehr Hydraulikfluid drucklos aus einem der beiden Zylinder 20, 21 entnommen und unter Druck in den jeweils anderen der beiden Zylinder 20, 21 gepumpt, wodurch in letzterem Zylinder ein Verdichtungshub ausgeführt wird, wohingegen in dem anderen Zylinder das verdampfte und vorerwärmte Kältemittel angesaugt wird.The hydraulic lines 24 and 25 lead to a four-way hydraulic valve 28 , of which in turn two hydraulic lines 29 . 30 go off, on the suction or pressure side of a hydraulic pump 31 are connected. Depending on the switching position of the four-way hydraulic valve 28 , Now hydraulic fluid is depressurized from one of the two cylinders 20 . 21 taken and under pressure in the other of the two cylinders 20 . 21 pumped, whereby a compression stroke is performed in the latter cylinder, whereas in the other cylinder, the vaporized and preheated refrigerant is sucked.

Beide Zylinder 20, 21 sind an Ihrer Außenseite von einem Doppelmantel 32 bis 33 umgeben und in ihrem Innern mit einem Wärmetauscherbündel 34, 35 versehen. Die Doppelmantel 32 bis 33 bzw. Wärmetauscherbündel 34, 35 sind an Abführleitungen 36, 37 sowie Zufuhrleitungen 38, 39 angeschlossen.Both cylinders 20 . 21 are on your outside of a double coat 32 to 33 surrounded and in its interior with a heat exchanger bundle 34 . 35 Mistake. The double coat 32 to 33 or heat exchanger bundles 34 . 35 are at discharge lines 36 . 37 as well as supply lines 38 . 39 connected.

Das beim Verdichtungsvorgang erwärmte Wärmeträgermedium wird nach Passieren eines in der jeweiligen Schaltstellung befindlichen Drei-Wege-Ventils 39 von einer Umwälzpumpe 40 zu einem Verbraucher 41 geführt, bei dem es sich beispielsweise um eine Fußbodenheizung oder um einen Verbraucher von Prozesswärme auf niedrigem Temperaturniveau handeln kann. Vom Verbraucher gelangt das abgekühlte Wärmeträgermedium zu dem Gaskühler 3 von dem es bereits vorgewärmt wird, um anschließend wieder dem Flüssigkeitskolbenverdichter 2 zugeführt zu werden, wo es im Zuge der isothermen Verdichtung des Kältemittels wieder erwärmt wird und sich sein Kreislauf somit schließt. Das Wärmeträgermedium wird in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Drei-Wege-Ventils 39 jeweils nur durch den jenigen Zylinder 20 bzw. 21 geleitet, in dem gerade die isotherme Verdichtung des Kältemittels stattfindet.The heated during the compression process heat transfer medium is after passing a located in the respective switching position three-way valve 39 from a circulation pump 40 to a consumer 41 led, which may be, for example, a floor heating or a consumer of process heat at a low temperature level. From the consumer, the cooled heat transfer medium reaches the gas cooler 3 from which it is already preheated, then back to the liquid piston compressor 2 where it is reheated in the course of the isothermal compression of the refrigerant and thus closes its cycle. The heat transfer medium is dependent on the switching position of the three-way valve 39 in each case only by the person cylinder 20 respectively. 21 in which the isothermal compression of the refrigerant is taking place.

Die alternative Ausführungsform einer Wärmepumpe/Kältemaschine 1', wie sie in 6 dargestellt ist, verfügt zusätzlich zu den Komponenten der in 5 gezeigten Wärmepum pe/Kältemaschine über eine Expansionspumpe 42, die anstelle des Expansionsventils 6 verwendet wird. Das aus dem Hochdruckspeicher 5 entnommene Kältemittel wird mithilfe der als Freikolbenpumpe ausgeführten Expansionspumpe 42 entspannt, bevor das entspannte Kältemittel wieder dem Niederdruckspeicher zugeführt wird und der Prozess über die Verdampfung, Vorerwärmung auf Kondensationstemperatur, isotherme Verdichtung und Kühlung identisch abläuft wie in 5.The alternative embodiment of a heat pump / chiller 1' as they are in 6 is shown, in addition to the components of in 5 shown heat pump / chiller via an expansion pump 42 instead of the expansion valve 6 is used. That from the high-pressure accumulator 5 Removed refrigerant is using the designed as a free-piston pump expansion pump 42 before the expanded refrigerant is returned to the low-pressure accumulator and the process via the evaporation, preheating to condensation temperature, isothermal compression and cooling proceeds identically, as in 5 ,

Im Gegensatz zum Expansionsventil, in dem eine isenthalpe Entspannung stattfindet, wird bei der Entspannung in der Expansionspumpe Arbeit frei, die beispielsweise dadurch genutzt werden kann, dass eine Wirkverbindung zwischen der Expansionspumpe 42 und der Hydraulikpumpe 31 hergestellt wird, um deren Leistungsbedarf beim Pumpen des Hydraulikfluids zum Verdichten des Kältemittels zu reduzieren. Insgesamt kann somit mithilfe der Expansionspumpe 42 die Leistungszahl der Wärmepumpe/Kältemaschine 1' nochmals verbessert werden.In contrast to the expansion valve, in which an isenthalp relaxation takes place, when expansion in the expansion pump work is released, which can be used, for example, that an operative connection between the expansion pump 42 and the hydraulic pump 31 is made to reduce their power requirement when pumping the hydraulic fluid to compress the refrigerant. Overall, thus, by using the expansion pump 42 the coefficient of performance of the heat pump / chiller 1' be improved again.

Der Effekt des inneren Wärmetauschers 4 im Kältemittelkreislauf soll anhand einer Gegenüberstellung der Kreisprozesse jeweils in einem T-s-Diagramm veranschaulicht werden. 3, die den Prozess in der Wärmepumpe/Kältemaschine 1, 1' gemäß den 5 und 6 veranschaulicht, zeigt wie das Kältemittel ausgehend von Punkt A isotherm bis zu Punkt B verdichtet wird. Dabei schneidet die idealisiert, horizontal verlaufende Linie A-B die Nassdampflinie 43, deren rechts des Maximums 44 gelegener Abschnitt als Taulinie 45 und deren links des Maximums 44 gelegener Abschnitt 46 als Siedelinie bezeichnet wird. Ab dem Schnittpunkt 47 zwischen Taulinie 45 und Linie A-B befindet sich das Kältemittel somit im Nachdampfgebiet. Ausgehend von Punkt B wird das Kältemittel in dem inneren Wärmeübertrager 4 (5 und 6) isobar entlang Siedelinie 46 abgekühlt bis Punkt C erreicht wird. Im Falle der Expansionspumpe 42 (6) wird das Kältemittel nunmehr polytrop entspannt und gelangt somit zu Punkt D mit entsprechend erniedrigter Temperatur. Ohne Expansionspumpe, das heißt was Drosselung über ein Expansionsventil (5) wird entlang der gestrichelt dargestellten Linie der Punkt D' erreicht, der sich durch eine größere Entropie – bedingt durch die isenthalpe Entspannung – auszeichnet.The effect of the internal heat exchanger 4 in the refrigerant circuit is to be illustrated by a comparison of the cycle in each case in a Ts diagram. 3 that the process in the heat pump / chiller 1 . 1' according to the 5 and 6 illustrates how the refrigerant from point A is isothermally compressed to point B. Here, the idealized, horizontal line AB cuts the wet steam line 43 whose right of the maximum 44 located section as a dew line 45 and the left of the maximum 44 located section 46 is called a boiling line. From the intersection 47 between dew line 45 and line AB, the refrigerant is thus in the post-vaporized area. Starting from point B, the refrigerant in the internal heat exchanger 4 ( 5 and 6 ) isobar along boiling line 46 cooled until point C is reached. In the case of the expansion pump 42 ( 6 ), the refrigerant is now polytropically relaxed and thus reaches point D with correspondingly reduced temperature. Without expansion pump, that is, throttling via an expansion valve ( 5 ) the point D 'is reached along the dashed line, which is characterized by a greater entropy - due to the isenthalic relaxation.

Von Punkt D oder D' findet eine Verdampfung des Kältemittels (bei gleichbleibender Temperatur) statt, bis auf der Taulinie 45 der Punkt E erreicht wird. Von diesem Punkt ausgehend wird das Kältemittel im inneren Wärmetauscher 4 wiederum isobar erwärmt, um schließlich wieder den Zustandspunkt A zu erreichen, womit der Kreisprozess geschlossen ist.From point D or D 'evaporates the refrigerant (at the same temperature), except for the dew line 45 the point E is reached. Starting from this point, the refrigerant in the inner heat exchanger 4 isobar heated again to finally reach the state point A, whereby the cycle is closed.

Demgegenüber wird bei einem konventionellen Kältemaschinen-/Wärmepumpenprozess mit isothermer Verdichtung, jedoch ohne inneren Wärmeübertrager, das verdichtete Kältemittel, ausgehend von dem auf der Siedelinie 46 liegenden Punkt b isenthalp entspannt. Anschließend wird Punkt d auf derselben Isotherme erreicht, wie sie auch beim Verdampfen vorliegt, wenn das Medium zuvor in einem inneren Wärmeübertrager abgekühlt wurde. Darüber hinaus verläuft der Prozess ohne inneren Wärmeübertrager ausgehend von Punkt e auf der Taulinie steiler nach oben auf die ”obere Isotherme” entlang der auch bei Existenz eines inneren Wärmeübertragers bis zu Punkt b bzw. B verdichtet würde. Um die beiden Prozesse besser vergleichbar zu machen, sind auch in dem Diagramm gemäß 3 die Zustandspunkte a, b, d, e eingetragen und gestrichelt, auch die Linien b-d sowie e-a.In contrast, in a conventional refrigerator / heat pump process with isothermal compression, but without internal heat exchanger, the compressed refrigerant, starting from the on the boiling line 46 lying point b isenthalp relaxed. Subsequently, point d is achieved on the same isotherm as it is also present during evaporation, when the medium has previously been cooled in an internal heat exchanger. In addition, the process without internal heat exchanger, starting from point e on the dew line, runs steeper upward to the "upper isotherm" along the also in the presence of an internal heat transfer gers to point b or B would be compressed. To make the two processes better comparable, are also in the diagram according to 3 the state points a, b, d, e registered and dashed, also the lines bd and ea.

Während die 1 und 3 die Kreisprozesse mit R 134 A als Kältemittel zeigen, bilden die 2 und 4 eine Gegenüberstellung der Prozesse bei Verwendung von CO₂ als Kältemittel. Es wird deutlich, dass durch den inneren Wärmeübertrager 4 (5 und 6) die Entspannung von einem niedrigeren Temperaturniveau (Punkt C') aus startet, als dies in b' ohne inneren Wärmetauscher der Fall ist. Bei CO₂ als Kältemittel wird weder bei dem in 2 dargestellten Prozess gemäß dem Stand der Technik noch bei dem in (4) dargestellten erfindungsgemäßen Prozess während der isothermen Verdichtung das Nassdampfgebiet erreicht. Die Linie A'-B' sowie die Linie a'-b' befinden sich oberhalb der Nassdampflinie des CO₂. Das Nassdampfgebiet wird erst bei der Entspannung erreicht, wobei ohne Nutzung der Expansionsarbeit bei einer isenthalpen Entspannung der Punkt D'* erreicht wird, wohingegen bei Verwendung einer Expansionspumpe eine polytrope Entspannung erzielt wird, die steiler verläuft als die Linie C'-D'* und zu Punkt D' auf derselben Isothermen führt. Der besseren Vergleichbarkeit halber sind in 4 auch die Punkte a', b', d', e' aus 2 eingetragen und in 3 auch die Punkte a, b, d, e.While the 1 and 3 show the cycles with R 134 A as the refrigerant form the 2 and 4 a comparison of the processes when using CO ₂ as a refrigerant. It becomes clear that through the internal heat exchanger 4 ( 5 and 6 ) the relaxation starts from a lower temperature level (point C ') than is the case in b' without an internal heat exchanger. For CO ₂ as a refrigerant, neither the in 2 illustrated process according to the prior art still in the in (4) process according to the invention during the isothermal compression reaches the wet steam area. The line A'-B 'and the line a'-b' are located above the wet steam line of CO ₂ . The wet steam area is reached only during the relaxation, the point D '* is achieved without exploiting the expansion work in an isenthalp relaxation, whereas when using an expansion pump a polytropic relaxation is achieved, which is steeper than the line C'-D' * and to point D 'on the same isotherms leads. For better comparability are in 4 also the points a ', b', d ', e' off 2 registered and in 3 also the points a, b, d, e.

In 9 ist schematisch das Anlagenschaubild einer Kraftmaschine 50 dargestellt. Diese besteht in dem Kreislauf des Arbeitsmediums (Arbeitsmedium ist beispielsweise Wasser) aus den folgenden Komponenten: Eine Umwälzpumpe 51 für das flüssige Wasser fördert dieses in einen Hochdruckspeicher 52, von dem das Wasser in einem inneren Wärmeübertrager 53 vorerhitzt wird, um anschließend in einem Erhitzer 54 weiter erhitzt zu werden. Unter hohem Druck stehendes Wasser wird mithilfe eines Flüssigkeitskolbenentspanners 55 auf einen niedrigen Druck entspannt, wobei der Vorgang der Entspannung isotherm abläuft, indem dem Wasser während des Entspannungsprozesses Wärme zugeführt wird. Anschließend gelangt der entspannte, aber noch heiße Wasserdampf in den inneren Wärmeübertrager 53, um seine Wärme an das unter hohem Druck stehende Wasser abzugeben. Nach dieser Wärmeübertragung wird der Dampf in einem Kondensator 56 gekühlt und zumindest teilweise kondensiert, bevor das Wasser in einen Niederdruckspeicher 57 gelangt, von dem aus es wiederum von der Umwälzpumpe 51 angesaugt wird, wodurch sich der Kreislauf schließt.In 9 is schematically the plant diagram of an engine 50 shown. This consists in the cycle of the working medium (working fluid is for example water) from the following components: A circulating pump 51 for the liquid water promotes this in a high-pressure accumulator 52 from which the water is in an internal heat exchanger 53 is preheated to then in a heater 54 to be heated further. High pressure water is achieved by using a liquid piston release 55 relaxed to a low pressure, wherein the process of relaxation is isothermal by supplying heat to the water during the relaxation process. Then the relaxed, but still hot water vapor enters the inner heat exchanger 53 to release its heat to the high pressure water. After this heat transfer, the steam is in a condenser 56 cooled and at least partially condensed before the water into a low pressure accumulator 57 from which it in turn from the circulation pump 51 is sucked, causing the circuit closes.

Wie im Falle des Flüssigkeitskolbenverdichters bei der Wärmepumpe/Kältemaschine gemäß den 5 und 6 sind auch bei dem Flüssigkeitskolbenentspanner 55 die beiden Zylinder 58, 59 als Wärmetauscher ausgebildet, das heißt jeweils mit inneren Rohrbündeln 60, 61 sowie einem äußeren Doppelmantel 62, 63 versehen. Durch die hohlen Bündel 60, 61 und die Doppelmantel 63, 63 fließt während des Entspannungsvorgangs ein Wärmeträgermedium, nämlich Thermoöl in einem separaten Kreislauf. Die bei der isothermen Entspannung benötigte Wärme wird von einer Wärmequelle 60 in Form eines Brenners mit einem Kessel erzeugt und über eine Umwälzpumpe 61 dem jeweiligen Zylinder 58 bzw. 59 des Flüssigkeitskolbenentspanners 55 zugeführt. In Abhängigkeit davon, in welchem der beiden Zylinder 58, 59 gerade die Entspannung stattfindet, schaltet ein Drei-Wege-Ventil 62 den gerade benötigten Strang des Thermoölkreislaufs frei. Nach der Wärmeabgabe von dem Thermoöl an den im Inneren der Zylinder 58, 59 befindliche Wasserdampf wird das Thermoöl zu dem Erhitzer 4 geführt, wo es nochmals Wärme an das unter hohem Druck stehende Wasser abgibt, bevor es zurück zu der Wärmequelle 60 geführt wird, wodurch auch der Thermoölkreislauf geschlossen wird.As in the case of the liquid piston compressor in the heat pump / chiller according to 5 and 6 are also with the liquid piston tensioner 55 the two cylinders 58 . 59 designed as a heat exchanger, that is in each case with inner tube bundles 60 . 61 and an outer double jacket 62 . 63 Mistake. Through the hollow bundles 60 . 61 and the double jacket 63 . 63 flows during the relaxation process, a heat transfer medium, namely thermal oil in a separate circuit. The heat required in isothermal relaxation is provided by a heat source 60 produced in the form of a burner with a boiler and a circulating pump 61 the respective cylinder 58 respectively. 59 of the liquid piston decompressor 55 fed. Depending on which of the two cylinders 58 . 59 just the relaxation takes place, a three-way valve switches 62 the currently required strand of thermal oil circulation free. After the heat release from the thermal oil to the inside of the cylinder 58 . 59 water vapor is the thermal oil to the heater 4 where it once again gives off heat to the high pressure water before going back to the heat source 60 is guided, whereby the thermal oil circuit is closed.

Ein dritter fluidischer Kreislauf wird gebildet von einem Hydraulikfluid, das sich jeweils im unteren Abschnitt der Zylinder 58, 59 befindet und dort einen Flüssigkeitsspiegel S bildet, der als Flüssigkeitskolben wirkt. Ausgehend von einem Zustand, in dem beispielsweise der gesamte Innenraum des Zylinders 58 mit Hydraulikfluid gefüllt ist, wird dieses nach Öffnen des Motorventils 63 durch den Eintritt des erhitzten und unter hohem Druck stehenden Wassers sukzessive nach unten verdrängt, wobei über den Thermoölkreislauf fortlaufend Wärme auf den sich bildenden Wasserdampf übertragen wird. Ein Vier-Wege-Hydraulikventil 67 ist so geschaltet, dass das Hydraulikfluid durch eine Leitung 68 über einen Wärmetauscher 69 und eine Leitung 70 zu einer Turbine 71 geführt wird, wo Hydraulikfluid unter Druckabbau Arbeit verrichtet, um unter niedrigerem Druck über die Leitung 70 wiederum den Wärmetauscher 69 sowie die Leitungen 73 und 74 in den anderen Zylinder 79 geführt zu werden, um dort ein Ausschieben des im Zyklus zuvor in diesen Zylinder 59 entspannten Wasserdampfes zu bewirken. Nach einem Umschalten des Drei-Wege-Ventils 62 sowie sämtlicher vier Motorventile 63 bis 66, sowie des Vier-Wege-Hydraulikventils 67 findet die isotherme Entspannung in dem anderen Zylinder 59 statt und das Hydraulikfluid strömt im quasi-drucklosen Zustand in den anderen Zylinder 58 zurück. Die Turbine 71 ist mit einem Generator 74 zur Erzeugung von elektrischem Strom gekoppelt. Der Wärmetauscher 69 dient dazu, die erhöhte Temperatur des Hydraulikfluids, das aus dem Zylinder kommt, in dem gerade der Wasserdampf entspannt wird, noch vor der Turbine 71 an das aus dieser zurück strömende Hydraulikfluid zu übertragen, um die Wärmeverluste in der Turbine gering zu halten und die Wärme möglichst nur von einem Zylinder in den jeweils anderen Zylinder ”hin und her zu schieben”.A third fluidic circuit is formed by a hydraulic fluid, each in the lower portion of the cylinder 58 . 59 is there and forms a liquid level S, which acts as a liquid piston. Starting from a state in which, for example, the entire interior of the cylinder 58 filled with hydraulic fluid, this is after opening the engine valve 63 successively displaced downwards by the entry of the heated and highly pressurized water, with heat being continuously transferred to the water vapor which forms via the thermal oil circuit. A four-way hydraulic valve 67 is switched so that the hydraulic fluid through a pipe 68 via a heat exchanger 69 and a line 70 to a turbine 71 is performed where hydraulic fluid performs work under pressure to lower pressure across the line 70 turn the heat exchanger 69 as well as the lines 73 and 74 in the other cylinder 79 to be guided there to push out the cycle earlier in this cylinder 59 to cause relaxed water vapor. After switching the three-way valve 62 and all four engine valves 63 to 66 , as well as the four-way hydraulic valve 67 finds the isothermal relaxation in the other cylinder 59 instead of and the hydraulic fluid flows in the quasi-unpressurized state in the other cylinder 58 back. The turbine 71 is with a generator 74 coupled to generate electricity. The heat exchanger 69 serves to increase the temperature of the hydraulic fluid coming out of the cylinder, in which the steam is being expanded, before the turbine 71 to transfer to the hydraulic fluid flowing back from this, in order to keep the heat losses in the turbine low and the heat as possible only from one cylinder in the other cylinder "back and forth Push ".

Anhand der 7 und 8 sollen nachfolgend jeweils im T-s-Diagramm ein Kraftmaschinenprozess nach dem Stand der Technik mit einer Entspannung des Wasserdampfes in einer Turbine mit dem erfindungsgemäßen Kraftmaschinenprozess mit isothermer Expansion sowie zusätzlich einem inneren Wärmeübertrager verglichen werden. Bei dem in 7 gezeigten konventionellen, einstufigen Kraftwerksprozess wird das Wasser, ausgehend von dem auf der Siedelinie 75 liegenden Punkt I, zunächst entlang der Siedelinie 75 bis zu dem Punkt I' erwärmt, bei dem die Verdampfung beginnt. Bis zum Punkt I'' erfolgt die Wärmezufuhr durch den Phasenwechsel isotherm, wobei nach Verlassen des Nassdampfgebiets (Punkt I'') eine Überhitzung bis zum Punkt II stattfindet. Von dort aus wird der heiße Dampf in einer Turbine polytrop expandiert, wobei Punkt III im Nassdampfgebiet erreicht wird. Im folgenden Kondensator gibt der kondensierende Dampf bei gieichbleibender Temperatur Wärme ab, bis Punkt IV auf der Siedelinie erreicht ist. Die anschließende Druckerhöhung des wieder flüssigen Wassers hin zu Punkt I ist im Diagramm nicht sichtbar.Based on 7 and 8th In the following, in the Ts diagram in each case, an engine process according to the prior art with a relaxation of the water vapor in a turbine with the engine process according to the invention with isothermal expansion and additionally an internal heat exchanger are compared. At the in 7 The conventional one-stage power plant process shown is the water, starting from the on the boiling line 75 lying point I, first along the Siedelinie 75 heated to the point I ', at which the evaporation begins. Up to the point I '' the heat supply is effected isothermally by the phase change, whereby after leaving the wet steam area (point I '') an overheating takes place up to the point II. From there, the hot steam in a turbine is polytropically expanded, reaching point III in the wet steam area. In the following condenser, the condensing steam gives off heat at constant temperature until point IV on the boiling line is reached. The subsequent pressure increase of the liquid water back to point I is not visible in the diagram.

Dem gegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Kraftwerksprozess das erhitzte und unter hohem Druck stehende Wasser ausgehend von dem auf der Siedelinie 75 liegenden Punkt I isotherm entspannt, bis Punkt II erreicht wird. Von dort aus wird dem noch sehr heißen Dampf in dem inneren Wärmeübertrager 53 (9) die Wärme entzogen, bis Punkt III auf der Taulinie 76 erreicht wird. Der Wasserdampf kondensiert nunmehr im Kondensator 56 vollständig aus; das im flüssigen Zustand vorliegende Wasser wird durch Punkt IV auf der Siedelinie 75 repräsentiert. Die nunmehr erfolgende Druckerhöhung durch die Umwälzpumpe 51 ist im T-s-Diagramm praktisch nicht sichtbar, da keine merkliche Änderung der Temperatur bzw. der Entropie eintritt, weshalb die Punkte IV und V beim vorliegenden Maßstab quasi zusammenfallen.In contrast, in the power plant process according to the invention, the heated and under high pressure water starting from the on the boiling line 75 lying point I isothermally relaxed until point II is reached. From there, the still very hot steam in the inner heat exchanger 53 ( 9 ) the heat withdrawn, to point III on the dew line 76 is reached. The water vapor now condenses in the condenser 56 completely off; the water present in the liquid state is indicated by point IV on the boiling line 75 represents. The now taking place pressure increase by the circulation pump 51 is virtually invisible in the Ts diagram, since there is no noticeable change in temperature or entropy, which is why points IV and V virtually coincide at the given scale.

Ausgehend von Punkt V wird das Wasser nunmehr im inneren Wärmeübertrager 53 isobar entlang der Siedelinie erwärmt, bis Punkt VI erreicht ist. Von hier aus sorgt der Erhitzer 54 für die weitere Erwärmung des Wassers, bis sich der Kreislauf in Punkt I auf der Siedelinie 75 wieder schließt. Das Integral unter der Linie II-III entspricht dem Integral unter der Linie V-VI, sofern im inneren Wärmeübertrager keine Verluste auftreten.Starting from point V, the water is now in the internal heat exchanger 53 Isobar is heated along the boiling line until point VI is reached. From here, the heater provides 54 for the further warming of the water, until the cycle in point I on the boiling line 75 closes again. The integral below the line II-III corresponds to the integral below the line V-VI, provided no losses occur in the internal heat exchanger.

Schließlich soll anhand der 10 noch ein schematisches Anlagenschaubild erläutert werden, das einen Kraftmaschinenprozess mit zweistufiger Entspannung repräsentiert. Um die wirksame Druckdifferenz pro Stufe zu verringern, wird das in dem Erhitzer 54 erhitzte und unter hohem Druck stehende Wasser zunächst in einem Hochdruck-Flüssigkeitskolbenentspanner 55' (geringeres Bauvolumen) und anschließend in einem Niederdruck-Flüssigkeitskolbenentspanner 55'' (größeres Bauvolumen) entspannt. Dabei wird dem entspannten Wärmeträgermedium (Wasser) jeweils die erforderliche Wärme zugeführt, um die Expansion isotherm ablaufen zu lassen. Die Arbeitsmedien der beiden Flüssigkeitskolbenentspanner 55', 55'' befinden sich in hydraulisch getrennten Kreisläufen und versorgen über zwei Vier-Wege-Hydraulikventile zwei Turbinen 71', 71'', die über gekoppelte Wellen auf einen gemeinsamen Generator 74 wirken.Finally, based on the 10 still a schematic plant diagram will be explained, representing an engine process with two-stage relaxation. To reduce the effective pressure difference per stage, that will be in the heater 54 heated and high pressure water first in a high pressure liquid piston decompressor 55 ' (lower build volume) and then in a low pressure liquid piston decompressor 55 '' (larger volume of construction) relaxes. In each case, the required heat is supplied to the expanded heat transfer medium (water) in order to allow the expansion to proceed isothermally. The working media of the two liquid piston tensioners 55 ' . 55 '' They are located in hydraulically separated circuits and supply two turbines via two four-way hydraulic valves 71 ' . 71 '' that have coupled waves on a common generator 74 Act.

1, 1'1, 1': Wärmepumpe/KältemaschineHeat pump / chiller
22: FlüssigkeitskolbenverdichterLiquid piston compressor
33: Gaskühler/KondensatorGas cooler / condenser
44: Innerer Wärmeübertragerinner Heat exchanger
55: HochdruckspeicherHigh-pressure accumulator
66: Expansionsventilexpansion valve
77: NiederdruckspeicherLow-pressure accumulator
88th: VerdampferEvaporator
99: Rückschlagventilcheck valve
1010: Rückschlagventilcheck valve
1111: Rückschlagventilcheck valve
1212: Rückschlagventilcheck valve
1313: Leitungmanagement
1414: Leitungmanagement
1515: Leitungmanagement
1616: Leitungmanagement
1717: Leitungmanagement
1818: Leitungmanagement
1919: Leitungmanagement
2020: Zylindercylinder
2121: Zylindercylinder
2222: Leitungmanagement
2323: Leitungmanagement
2424: Hydraulikleitunghydraulic line
2525: Hydraulikleitunghydraulic line
2626: Arbeitsraumworking space
2727: Arbeitsraumworking space
2828: Vier-Wege-HydraulikventilFour-way hydraulic valve
2929: Hydraulikleitunghydraulic line
3030: Leitungmanagement
3131: Hydraulikpumpehydraulic pump
3232: Doppelmanteljacketed
3333: Doppelmanteljacketed
3434: Wärmetauscherbündelheat exchanger bundle
3535: Wärmetauscherbündelheat exchanger bundle
3636: Abfuhrleitungdischarge line
3737: Abfuhrleitungdischarge line
3838: Zufuhrleitungsupply line
3939: Drei-Wege-VentilThree-way valve
4040: Umwälzpumpecirculating pump
4141: Verbraucherconsumer
4242: Expansionspumpeexpansion pump
4343: NassdampflinieWet steam line
4444: Maximummaximum
4545: Tauliniedew line
4646: Siedelinieboiling
4747: Schnittpunktintersection
50, 50'50, 50 ': Kraftmaschinecombustion engine
5151: Umwälzpumpecirculating pump
5252: HochdruckspeicherHigh-pressure accumulator
5353: Innerer Wärmeübertragerinner Heat exchanger
5454: Erhitzerheaters
55, 55', 55''55, 55 ', 55' ': FlüssigkeitskolbenentspannerLiquid piston expander
5656: Kondensatorcapacitor
5757: NiederdruckspeicherLow-pressure accumulator
5858: Zylindercylinder
5959: Zylindercylinder
6060: Wärmequelleheat source
6161: Umwälzpumpecirculating pump
6262: Drei-Wege-VentilThree-way valve
6363: Motorventilengine valve
6464: Motorventilengine valve
6565: Motorventilengine valve
6666: Motorventilengine valve
67, 67', 67''67, 67 ', 67' ': Vier-Wege-HydraulikventilFour-way hydraulic valve
6868: Leitungmanagement
6969: Wärmetauscherheat exchangers
7070: Leitungmanagement
71, 71', 71''71, 71 ', 71' ': Turbineturbine
7272: Leitungmanagement
7373: Leitungmanagement
7474: Generatorgenerator
7575: Siedelinieboiling
7676: Tauliniedew line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2772543 [0004]
- US 1766998 [0004]

Claims

Method for operating a heat pump or chiller ( 1 . 1' ) in which a refrigerant by means of a liquid piston compressor ( 2 ), then cooled and possibly condensed and then expanded and vaporized in a next step and finally the liquid piston compressor ( 2 ), characterized in that heat of the pre-cooled after compression refrigerant is transferred to the vaporized refrigerant, before this again the liquid piston compressor ( 2 ) and thus the cycle is closed.

Method according to claim 1, characterized in that the liquid piston compressor ( 2 ) has two separate work spaces and that the refrigerant is compressed alternately in one of the two working spaces, the common hydraulic fluid alternately from the one working space ( 26 . 27 ) in the other working space ( 26 . 27 ) is pumped back and forth.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the refrigerant in a high-pressure accumulator ( 5 ) is stored after being cooled and transferring further heat to the vaporized refrigerant.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the refrigerant after expansion in a low-pressure accumulator ( 7 ) is temporarily stored before it is subsequently evaporated.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the refrigerant during cooling and / or when transferring heat to the vaporized one Refrigerant and / or condensed during compression.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the refrigerant after the cooling and the heat transfer to the evaporated refrigerant under working power in an engine, in particular an expansion pump ( 42 ) or an expansion turbine before it is vaporized or heated.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the refrigerant during the compression in the liquid piston compressor ( 2 ) Heat is removed in such a way that the compression takes place isothermally and that the heat removed from the refrigerant by means of a separate heat transfer medium is supplied to a heat sink, the heat transfer medium after heating in the liquid piston compressor ( 2 ) in the cooler ( 3 ) is further heated for the refrigerant.

Method for operating an engine ( 50 . 50 ' ) in which the pressure of a working medium in the liquid state is increased, the working medium is subsequently heated and in a next step is released under operating power and thereby evaporated, and then in a condenser ( 56 ) is condensed again, characterized in that the heat transfer medium after heating in a liquid piston ( 55 . 55 ' . 55 '' ) Isothermally relaxed.

A method according to claim 8, characterized in that the liquid piston tensioner ( 55 . 55 ' . 55 '' ) has two separate working spaces and that the working medium is alternately relaxed in both working spaces, the common hydraulic fluid is alternately displaced from the one working space in the other working space under work performance.

A method according to claim 8 or 9, characterized in that the working medium in a high-pressure accumulator ( 52 ) is stored after its pressure in the liquid state has been increased.

Method according to one of claims 8 to 10, characterized in that the working medium after or before the condensation in a low-pressure accumulator ( 57 ) is buffered before its pressure in the liquid state is increased.

Method according to one of claims 8 to 11 characterized in that heat from the relaxed Working fluid prior to its condensation on the previously in his pressure increased heat transfer medium before further heating is transmitted.

Method according to one of claims 8 to 12, characterized in that the working medium is supplied during the expansion heat so that the expansion is isothermal and that of a heat source ( 60 ) supplied heat by means of a heat transfer medium to the just relaxed working medium, wherein the heat transfer medium after cooling in liquid piston expansion ( 55 ) in the heater ( 54 ) for the working medium further cooled and then the heat source ( 60 ) is supplied.

Method according to one of claims 8 to 13, characterized in that the heat transfer medium in two stages using two in-line Flüssigkeitsskolbenentspanner ( 55 . 55 ' . 55 '' ) is relaxed, with the hydraulic fluids of the two Flüssigkeitsskolbenentspanner ( 55 . 55 ' . 55 '' ) separate working groups are operated, but with the respective working medium operated engines are coupled together.

Heat pump or chiller ( 1 . 1' ) with a liquid piston compressor ( 2 ) for compressing a refrigerant with heat being released to a heat transfer medium which is materially separated from the refrigerant, - a cooler ( 3 ) for lowering the temperature of the compressed refrigerant, - a pressure lowering device for expanding the cooled refrigerant, - an evaporator ( 8th ) for the evaporation of the expanded refrigerant and - the above-mentioned components connecting lines, so that the refrigerant can be circulated, characterized by a heat exchanger, by means of which heat from the cooler leaving the refrigerant to the refrigerant leaving the evaporator is transferable.

Heat pump or chiller ( 1 . 1' ), characterized in that the pressure reducing device is an engine, in particular an expansion pump ( 43 ) or an expansion turbine that is between the radiator ( 3 ) and the evaporator ( 8th ) is arranged.

Heat pump or chiller ( 1 . 1' ) according to claim 16, characterized in that the expansion pump ( 4 ) is a free-piston pump with self-switching valves.

Heat pump or chiller ( 1 . 1' ), characterized by an operative connection, in particular a mechanical coupling, between the effective during the expansion of the refrigerant engine and a hydraulic pump ( 31 ), with which a hydraulic fluid in a working space of the liquid piston compressor ( 2 ) is pumpable.

Engine ( 50 . 50 ' ) with - a pressure reducing device for a working medium, - a capacitor ( 56 ) for condensing the temperature of the expanded working medium, - a pump ( 51 ) to increase the pressure of the cooled heat transfer medium, - a heater ( 54 ) for raising the temperature of the heat transfer medium at least to the evaporation temperature, and - connecting the aforementioned components lines, so that the heat transfer medium in the circuit is feasible, characterized in that the pressure reducing means a Flüssigkeitsskolbenentspanner ( 55 . 55 ' . 55 '' ).

Engine ( 50 . 50 ' ) according to claim 19, characterized by a heat exchanger ( 53 ) by means of which heat from the working pressure medium leaving the pressure reducing device to the pump ( 51 ) leaving heat transfer medium is transferable.