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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verdichtung eines gasförmigen Fluids mit zwei über ein Verbindungselement starr miteinander verbundenen Kolben sowie einer hohlzylinderförmigen Wandung, welche einen Zylindermantel und zwei an den Stirnseiten des Zylindermantels angeordnete Kopfelemente aufweist. Der Zylindermantel und die Kopfelemente begrenzen ein inneres Volumen, welches durch ein Wandzwischenelement in zwei Bereiche unterteilt wird. Die Kolben unterteilen die beiden Bereiche jeweils in eine Arbeitskammer und eine Steuerkammer. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung sowie einen Fluidkreislauf, in welchem die Vorrichtung integriert ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Dampfstrahlmaschinen zur Druckerhöhung von Gasen, ohne den Einsatz von mechanischer beziehungsweise elektrischer Energie, bekannt. Dabei handelt es sich um thermische Kälteanlagen, bei welchen Dampf als Treibmittel verwendet wird. Der Dampf wird in eine als Lavaldüse ausgebildete Treibdüse geleitet und beschleunigt. Infolge der beschleunigten Strömung des Dampfes wird ein Unterdruck erzeugt, Dampf aus einem Verdampfer angesaugt und mit dem Treibdampf vermischt. Durch den Prozess der Verdampfung und die Absaugung des Dampfes wird dem Fluid im Verdampfer Wärme entzogen. Das verbleibende flüssige Fluid kühlt sich ab, wird entweder mittels Pumpen zu Kühlstellen gefördert und nach der Wärmeaufnahme an den Kühlstellen wieder in den Verdampfer zurückgeführt oder der Verdampfer ist selbst als Kühlstelle ausgebildet. Der Treibdampfstrahl wird in einen Kondensator geleitet, in welchem der Dampf wieder verflüssigt wird.
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Durch eine fest vorgegebene Geometrie weist die Dampfstrahlmaschine lediglich einen Betriebspunkt auf. Schwankungen der Prozessparameter können nur sehr schwer ausgeglichen werden, sodass Dampfstrahlmaschinen schlecht steuerbar sind. Änderungen der Querschnittsgeometrie sind meist nur über komplexe und sehr teure Mechanismen möglich, wie sie zum Beispiel aus Strahltriebwerken bekannt sind. Die Technologien der Strahltriebwerke sind zudem, insbesondere für kleine Leistungen, kaum erprobt.
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Aus der
US 3,990,243 A geht ein Dampfturbinen-Prozess als ein arbeitsleistender rechtsläufiger Prozess mit einem Expander-Kompressor hervor. Ein bei maximalem Druck und maximaler Temperatur vorliegender Dampf wird in Expansionskammern des Expander-Kompressors auf einen ersten Mitteldruck entspannt, anschließend erwärmt und in einer ersten Turbine vom ersten auf einen zweiten Mitteldruck entspannt. Ein erster Teilmassenstrom des auf den zweiten Mitteldruck entspannten Dampfes wird zum Expander-Kompressor geleitet, während ein zweiter Teilmassenstrom in einer zweiten Turbine auf Niederdruck entspannt wird. Der auf Niederdruck entspannte Teilmassenstrom wird verflüssigt, in Verdichtungskammern des Expander-Kompressors eingespritzt und dabei mit dem ersten Teilmassenstrom des auf den zweiten Mitteldruck entspannten Dampfes vermischt. Das Zwei-Phasen-Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf wird im Expander-Kompressor vom ersten Mitteldruck auf Hochdruck verdichtet und anschließend erwärmt. Der Expander-Kompressor ist als Doppel-Kolben-Zylinder-Maschine mit zwei Expansionskammern und zwei Verdichtungskammern ausgebildet. Die Verdichtungskammern dienen gleichzeitig als Mischkammern für im Wesentlichen gesättigte Flüssigkeit und überhitzten Dampf sowie zur Verdichtung des Zwei-Phasen-Gemisches. Der arbeitsleistende Prozess ist nicht für die Bereitstellung des umgewälzten Fluids mit einer Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur ausgebildet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verdichtung eines gasförmigen Fluids zur Verfügung zu stellen, welche ohne Einsatz eines mechanisch oder elektrisch angetriebenen Verdichters und damit einzig durch innere Energie des Systems in Form von Druck antreibbar ist. Mittels der Vorrichtung sollen Prozesse, wie die von Dampfstrahlmaschinen, deutlich besser steuerbar sein. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung bereitzustellen, mit welchem die Kreisprozesse, in welchen die Vorrichtung zu integrieren ist, wirtschaftlicher betreibbar sind. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zu Grunde, einen Fluidkreislauf unter Einsatz der Vorrichtung zur Verdichtung des gasförmigen Fluids vorzuschlagen, mit welchem ein effizienter Betrieb möglich ist. Das Fluid soll innerhalb des Fluidkreislaufes zur Wärmeaufnahme aus der Umgebung Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur aufweisen.
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Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verdichtung eines gasförmigen Fluids gelöst, welche eine hohlzylinderförmige Wandung mit einem Zylindermantel und zwei an den Stirnseiten des Zylindermantels angeordneten Kopfelementen aufweist. Der Zylindermantel und die Kopfelemente begrenzen ein inneres Volumen. Die Wandung der Vorrichtung ist zudem mit mindestens einem Wandzwischenelement ausgebildet, welches das innere Volumen mindestens in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich unterteilt. Die Vorrichtung weist mindestens zwei über ein Verbindungselement starr miteinander verbunden ausgebildete Kolben auf. Das Verbindungselement ist durch das mindestens eine Wandzwischenelement hindurchgeführt angeordnet, wobei die Kontaktflächen zwischen dem Verbindungselement und dem Wandzwischenelement vorteilhaft fluiddicht ausgebildet sind, sodass die mindestens zwei Bereiche des inneren Volumens der Vorrichtung zueinander abgedichtet sind. Unter fluiddicht ist dabei zu verstehen, dass der aus der Druckdifferenz zwischen den benachbart angeordneten Bereichen resultierende Leckagemassenstrom des Fluids auf ein Minimum reduziert ist. Die Kolben unterteilen die Bereiche des inneren Volumens jeweils in zwei Kammern, eine Arbeitskammer und eine Steuerkammer.
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Das Wandzwischenelement unterteilt das innere Volumen bevorzugt in zwei Bereiche, einen ersten und einen zweiten Bereich. Dabei sind zwei Kolben über das Verbindungselement miteinander verbunden, was im Weiteren auch als Doppelkolben bezeichnet wird. Durch die Erhöhung der Anzahl der Wandzwischenelemente kann auch die Anzahl der Bereiche jeweils um ein ganzzahliges Vielfaches erweitert werden, sodass auch die Anzahl der Arbeitskammern und Steuerkammern um ein ganzzahliges Vielfaches erweiterbar ist.
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Nach der Konzeption der Erfindung weisen die Arbeitskammern mit einem Hochdruckeinlass, einem Niederdruckeinlass und einem Mitteldruckauslass jeweils drei Durchlässe für das Fluid auf. Die Arbeitskammern sind mit dem Fluid auf unterschiedlichen Druckniveaus, insbesondere auf dem Niveau eines Niederdruckes, eines Mitteldruckes und eines Hochdruckes, beaufschlagbar. Die drei Durchlässe sind erfindungsgemäß an den Kopfelementen und damit an den Stirnseiten der Wandung ausgebildet.
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Das Wandzwischenelement ist bevorzugt in einer Symmetrieebene senkrecht zu einer Längsachse der Vorrichtung angeordnet.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Steuerkammern mit einem Hochdruckeinlass und einem Mitteldruckauslass jeweils zwei Durchlässe für das Fluid auf, sodass die Steuerkammern mit dem Fluid auf unterschiedlichen Druckniveaus, insbesondere auf dem Niveau des Mitteldruckes und des Hochdruckes, beaufschlagbar sind.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind an den Durchlässen der Vorrichtung für das Fluid steuerbare Absperrarmaturen angeordnet. Die Absperrarmaturen sind dabei bevorzugt als Ventile ausgebildet.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Arbeitskammern zwischen den Kopfelementen und den Kolben ausgebildet sind. Die Arbeitskammern werden folglich jeweils vom Zylindermantel, einem Kopfelement und einem Kolben begrenzt. Die Steuerkammern sind zwischen den Kolben und dem Wandzwischenelement ausgebildet und werden dementsprechend jeweils vom Zylindermantel, einem Kolben und dem Wandzwischenelement umschlossen.
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Die Drücke innerhalb der Arbeitskammern und der Steuerkammern werden durch gezieltes Öffnen und Schließen der Absperrarmaturen an den Durchlässen variiert, sodass eine Veränderung der Position der Kolben beziehungsweise des Doppelkolbens bewirkt wird. Die Bewegung der Kolben führt zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung der Volumina der Arbeitskammern und Steuerkammern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung weist folgende Schritte auf:
- a) – Öffnen eines Niederdruckeinlasses bei geschlossenem Hochdruckeinlass und geschlossenem Mitteldruckauslass einer ersten Arbeitskammer und Einströmen eines Fluids bis zur Einstellung eines Druckausgleiches auf Niveau eines Niederdruckes,
- – Schließen eines Mitteldruckauslasses bei geschlossenem Hochdruckeinlass einer ersten Steuerkammer,
- – Schließen eines Hochdruckeinlasses und Öffnen eines Mitteldruckauslasses bei geschlossenem Niederdruckeinlass einer zweiten Arbeitskammer sowie Ausströmen des Fluids auf einem Niveau eines Mitteldruckes,
- – Öffnen eines Hochdruckeinlasses einer zweiten Steuerkammer und Beaufschlagen mit Fluid auf einem Niveau eines Hochdruckes sowie Bewegen eines Kolbens, sodass ein Volumen der zweiten Arbeitskammer verringert und ein Volumen der zweiten Steuerkammer vergrößert wird,
- b) – Schließen des Niederdruckeinlasses und Öffnen des Hochdruckeinlasses der ersten Arbeitskammer sowie Einströmen des Fluids bis zur Einstellung des Druckniveaus oberhalb des Niveaus des Mitteldruckes,
- – Schließen des Mitteldruckauslasses der zweiten Arbeitskammer und des Hochdruckeinlasses der zweiten Steuerkammer bei Erreichen einer vorbestimmten Größe des Volumens der zweiten Arbeitskammer sowie Öffnen eines Mitteldruckauslasses der zweiten Steuerkammer und Ausströmen des Fluids aus der zweiten Steuerkammer,
- c) – Schließen des Hochdruckeinlasses und Öffnen des Mitteldruckauslasses der ersten Arbeitskammer sowie Ausströmen des Fluids auf dem Niveau des Mitteldruckes,
- – Öffnen des Hochdruckeinlasses der ersten Steuerkammer und Beaufschlagen mit Fluid auf dem Niveau des Hochdruckes sowie Bewegen eines Kolbens, sodass ein Volumen der ersten Arbeitskammer verringert und ein Volumen der ersten Steuerkammer vergrößert wird,
- – Öffnen des Niederdruckeinlasses der zweiten Arbeitskammer und Einströmen des Fluids bis zur Einstellung des Druckausgleiches auf Niveau des Niederdruckes,
- – Schließen des Mitteldruckauslasses der zweiten Steuerkammer,
- d) – Schließen des Mitteldruckauslasses der ersten Arbeitskammer und des Hochdruckeinlasses der ersten Steuerkammer bei Erreichen einer vorbestimmten Größe des Volumens der ersten Arbeitskammer sowie Öffnen des Mitteldruckauslasses der ersten Steuerkammer und Ausströmen des Fluids aus der ersten Steuerkammer,
- – Schließen des Niederdruckeinlasses und Öffnen des Hochdruckeinlasses der zweiten Arbeitskammer sowie Einströmen des Fluids bis zur Einstellung des Druckniveaus oberhalb des Niveaus des Mitteldruckes.
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Zum Öffnen des Niederdruckeinlasses bei geschlossenem Hochdruckeinlass und geschlossenem Mitteldruckauslass der ersten Arbeitskammer und Einströmen des Fluids bis zur Einstellung des Druckausgleiches auf dem Niveau eines Niederdruckes nach Verfahrensschritt a) ist vorausgesetzt, dass das Druckniveau des Fluids innerhalb der ersten Arbeitskammer unterhalb des Niveaus des Niederdruckes liegt. Folglich ist zum Anfahren beziehungsweise zur Inbetriebnahme der Vorrichtung, insbesondere nach längerer Stillstandszeit, der Kolben an einer vorbestimmte Position anzuordnen. Auch zum Öffnen des Niederdruckeinlasses der zweiten Arbeitskammer und dem Einströmen des Fluids bis zur Einstellung des Druckausgleiches auf dem Niveau des Niederdruckes nach Verfahrensschritt c) ist vorausgesetzt, dass das Druckniveau des Fluids innerhalb der zweiten Arbeitskammer zunächst unterhalb des Niveaus des Niederdruckes liegt, damit das Fluid auf dem Niveau des Niederdruckes in die Arbeitskammer einströmen kann.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Bewegung der Kolben in einer ersten Richtung das Volumen der ersten Arbeitskammer verringert und das Volumen der ersten Steuerkammer vergrößert, während gleichzeitig das Volumen der zweiten Arbeitskammer vergrößert und das Volumen der zweiten Steuerkammer verringert wird. Bei der Bewegung der Kolben in einer zweiten Richtung wird hingegen das Volumen der ersten Arbeitskammer vergrößert und das Volumen der ersten Steuerkammer verringert, während gleichzeitig das Volumen der zweiten Arbeitskammer verringert und das Volumen der zweiten Steuerkammer vergrößert wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass im zweiten Verfahrensschritt b) die erste Arbeitskammer und im vierten Verfahrensschritt d) die zweite Arbeitskammer jeweils mit Fluid auf dem Niveau des Hochdruckes beaufschlagt werden sowie im zweiten Verfahrensschritt b) die zweite Arbeitskammer und im vierten Verfahrensschritt d) die erste Arbeitskammer sowie jeweils die Steuerkammern mit Fluid auf dem Niveau des Mitteldruckes beaufschlagt werden. Dabei werden die Kolben des Doppelkolbens in der Bewegungsrichtung des jeweils vorangegangenen Verfahrensschrittes weiterbewegt.
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Als Fluid wird insbesondere ein Kältemittel angesehen, welches innerhalb eines Kreisprozesses beziehungsweise beim Zirkulieren in einem Kreislauf Zustandsänderungen, insbesondere Phasenänderungen von flüssig zu gasförmig und von gasförmig zu flüssig, erfährt.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung wird durch einen erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf mit der Vorrichtung zur Verdichtung des gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels, gelöst. Der Kältemittelkreislauf weist konzeptionsgemäß einen in Strömungsrichtung des Kältemittels der Vorrichtung nachgeordneten Kondensator zum Verflüssigen des Kältemittels auf einem Niveau eines Mitteldruckes sowie einen ersten und einen zweiten Strömungspfad auf. Der erste Strömungspfad ist in Strömungsrichtung des Kältemittels mit einer Vorrichtung zum Fördern und zur Erhöhung des Druckes des Kältemittels auf ein Niveau eines Hochdruckes sowie mit einem ersten Verdampfer zum Verdampfen und Überhitzen des flüssigen Kältemittels ausgebildet. Innerhalb des zweiten Strömungspfades ist in Strömungsrichtung des Kältemittels ein Expansionsorgan zum Entspannen des flüssigen Kältemittels auf ein Niveau eines Niederdruckes sowie ein zweiter Verdampfer angeordnet. Die parallel zueinander angeordneten Strömungspfade erstrecken sich jeweils vom Austritt des Kondensators bis zum Eintritt in die Vorrichtung, wobei die Strömungspfade an unterschiedlichen Stellen in die Vorrichtung münden. Die Vorrichtung ist derart ausgebildet, das Kältemittel auf dem Niveau des Mitteldruckes auszulassen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung zum Fördern und zur Erhöhung des Druckes des flüssigen Kältemittels innerhalb des ersten Strömungspfades als Pumpe ausgebildet.
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Das innerhalb des zweiten Strömungspfades angeordnete Expansionsorgan ist bevorzugt als Drosselventil ausgebildet.
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Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufes ist eine Komponente zum Ausgleich des Volumens ausgebildet, wobei die Komponente innerhalb des zweiten Strömungspfades in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem zweiten Verdampfer und vor der Vorrichtung zur Verdichtung des gasförmigen Kältemittels angeordnet ist. Die Komponente ist folglich mit der mit Kältemittel auf dem Niveau des Niederdruckes beaufschlagten Kältemittelleitung verbunden. Die Komponente zum Ausgleich des Volumens des Kältemittels innerhalb des Kältemittelkreislaufes ist bevorzugt als Membranausdehnungsgefäß ausgebildet.
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Die erfindungsgemäßen Lösungen der Vorrichtung als gasdruckgesteuerte Doppelkolbenkompressionsmaschine, des Verfahrens zum Betreiben der Vorrichtung und des Einsatzes der Vorrichtung in einem Fluidkreislauf oder Kältemittelkreislauf weisen diverse Vorteile auf:
- – Verdichtung eines gasförmigen Fluids innerhalb eines Prozesses auf ein höheres Druckniveau ohne Einsatz von mechanischer oder elektrischer Hilfsenergie zum direkten Antrieb,
- – Antrieb der Vorrichtung ausschließlich durch gezieltes Steuern von Absperrarmaturen und durch den Einsatz von unterschiedlichen Druckniveaus,
- – sehr gute Steuerbarkeit des Prozesses innerhalb des Fluidkreislaufes ohne Einsatz eines von mechanischer oder elektrischer Energie angetriebenen Verdichters,
- – Vergrößerung der Einsatzmöglichkeiten von Vorrichtung und Prozess durch einen einfachen und kompakten Aufbau im Vergleich zu Dampfstrahlkältemaschinen,
- – keine zusätzliche mechanische oder elektrische Energie für den Anfahrprozess durch vorteilhafte Ausgestaltung der Arbeitskammern und der Steuerkammern der Doppelkolbenkompressionsmaschine.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung, das Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung und der Einsatz der Vorrichtung in einem Kreislauf werden bevorzugt in Kraftfahrzeugen mit Kühlfunktion, insbesondere Lastkraftwagen mit Kühlung des Transportraumes, verwendet. Alternativ kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in solarthermisch getriebenen Prozessen, beispielsweise zur Hauskühlung, verwendet werden.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: Fließbild eines wärmegetriebenen Prozesses mit gasdruckgesteuerter Doppelkolbenkompressionsmaschine,
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2: log p-h-Diagramm zum wärmegetriebenen Prozess aus 1,
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3: Prinzipdarstellung der gasdruckgesteuerten Doppelkolbenkompressionsmaschine in Schnittdarstellung und
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4: gasdruckgesteuerte Doppelkolbenkompressionsmaschine in Draufsicht.
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In 1 ist das Fließbild eines wärmegetriebenen Prozesses beziehungsweise eines Kältemittelkreislaufes 2 mit einer Vorrichtung 1 zur Verdichtung eines gasförmigen Fluids, welche als gasdruckgesteuerte Doppelkolbenkompressionsmaschine ausgebildet ist, dargestellt. Der Kältemittelkreislauf 2 ist mit Pfeilen versehen, welche die Strömungsrichtungen des Kältemittels im Betriebsmodus eines wärmegetriebenen Prozesses verdeutlichen. 2 zeigt das log p-h-Diagramm des zum Betriebsmodus des Kältemittelkreislaufes 2 aus 1 zugehörigen wärmegetriebenen Prozesses.
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Der Kältemittelkreislauf 2 weist einerseits in einem ersten Strömungspfad 3 eine Pumpe 5 zum Fördern von flüssigem Kältemittel sowie einen Verdampfer 6 zum Erwärmen des flüssigen Kältemittels bis zur Siedelinie SL, zum Verdampfen des Kältemittels bis zur Taulinie TL und zum Überhitzen des dampfförmigen Kältemittels auf. Der erste Strömungspfad 3, welcher in 1 mittels einer gestrichelten Linie dargestellt ist, mündet in die Vorrichtung 1. Andererseits ist der Kältemittelkreislauf 2 in einem zweiten, mittels einer durchgezogenen Linie dargestellten Strömungspfad 4 mit einem Expansionsorgan 8, vorzugsweise einem Drosselventil, zum Entspannen von flüssigem Kältemittel in das Zweiphasengebiet ausgebildet. An das Expansionsorgan 8 schließt sich in Strömungsrichtung des Kältemittels ein weiterer Verdampfer 9 an, in welchem das Kältemittel unter Wärmeaufnahme verdampft und überhitzt wird. Auch der zweite Strömungspfad 4 mündet in die Vorrichtung 1. Nach dem Durchströmen der Vorrichtung 1 wird das Kältemittel in einer gemeinsamen Kältemittelleitung zum Kondensator 7 geleitet. Das aus der Vorrichtung 1 als überhitzter Dampf austretende Kältemittel wird in dem in Strömungsrichtung nachfolgenden Kondensator 7 unter Wärmeabgabe verflüssigt und gegebenenfalls unterkühlt. Das flüssige Kältemittel wird anschließend in Teilmassenströme auf die beiden Strömungspfade 3, 4 aufgeteilt. Der Kältemittelkreislauf 2 ist geschlossen.
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Nach dem Austritt aus der Vorrichtung 1 liegt das Kältemittel als überhitzter Dampf im Zustand F auf Mitteldruck MD vor und wird beim Durchströmen des Kondensators 7 enthitzt und kondensiert. Unter Enthitzen ist dabei die Änderung des Zustandes von überhitzt bis zum Erreichen der Taulinie TL zu verstehen. Anschließend wird das Kältemittel bis zur Siedelinie SL verflüssigt und gegebenenfalls unterkühlt. Idealerweise liegt das Kältemittel dann vollständig als Flüssigkeit vor. Abgesehen von Druckverlusten tritt das flüssige Kältemittel im Zustand A auf Mitteldruck MD aus dem Kondensator 7 aus und wird in Teilmassenströme auf die Strömungspfade 3, 4 aufgeteilt. Im ersten Strömungspfad 3 wird der erste Teilmassenstrom des Kältemittels mittels der Pumpe 5 unter Druckerhöhung auf Hochdruck HD im Zustand B zum Verdampfer 6 gefördert und im Zustand C nach dem Verdampfer 6 als überhitzter Dampf auf Hochdruck HD zur Vorrichtung 1 geleitet. Im zweiten Strömungspfad 4 wird der zweite Teilmassenstrom des Kältemittels unter Expansion im Expansionsorgan 8 auf Niederdruck ND im Zustand D zum Verdampfer 9 und im Zustand E nach dem Verdampfer 9 zur Vorrichtung 1 gefördert. Im Zustand E nach dem Verdampfer 9 wird das Kältemittel als überhitzter Dampf auf Niederdruck ND zur Vorrichtung 1 geführt.
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Das Kältemittel strömt folglich im Zustand C unter Hochdruck HD vom ersten Strömungspfad 3 und im Zustand E unter Niederdruck ND vom zweiten Strömungspfad 4 kommend zur Vorrichtung 1 hin und tritt im Zustand F auf Mitteldruck MD aus der Vorrichtung 1 aus und wird zum Kondensator 7 geleitet.
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In der Vorrichtung 1 wird gasförmiges Kältemittel als Teilmassenstrom des ersten Strömungspfades 3 vom Zustand C nach Zustand F von Hochdruck HD auf Mitteldruck MD entspannt. Die dabei freiwerdende Energie wird verwendet, um den Teilmassenstrom des zweiten Strömungspfades 4 vom Zustand E nach Zustand F von Niederdruck HD auf Mitteldruck MD zu verdichten.
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Die bei der Verdampfung im Verdampfer 9 vom Zustand D zum Zustand E des Kältemittels aufgenommene Wärme entspricht dabei der bereitzustellenden Kälteleistung des Kältemittelkreislaufes 2, welche auch als Nutzkälteleistung bezeichnet wird. Zur Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer 6 vom Zustand B zum Zustand C ist beispielsweise Sekundärenergie, wie anfallende Prozessabwärme, nutzbar.
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Lediglich zur Förderung des ersten Teilmassenstromes als flüssiges Kältemittel durch die Pumpe 5 wird dem Kältemittelkreislauf 2 elektrische beziehungsweise mechanische Energie zugeführt.
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In den 3 und 4 ist eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung 1 als gasdruckgesteuerte Doppelkolbenkompressionsmaschine in Schnittdarstellung A-A sowie in Draufsicht dargestellt.
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Die hohlzylinderförmig ausgebildete Vorrichtung 1 weist eine Wandung 10 mit einem Zylindermantel und zwei an den Stirnseiten des Zylindermantels angeordneten Kopfelementen 11a, 11b auf. Die Wandung 10 ist in der Symmetrieebene senkrecht zur Längsachse 13 mit einem Wandzwischenelement 12 ausgebildet, welche das innere Volumen der Vorrichtung 1 in einen ersten Bereich 14 und einen zweiten Bereich 15 unterteilt.
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In jedem der Bereiche 14, 15 ist ein Kolben 16a, 16b eines Doppelkolbens angeordnet, welche über ein Verbindungselement 17 miteinander starr gekoppelt sind. Das stabförmig ausgebildete Verbindungselement 17 verläuft entlang der Längsachse 13 durch das Wandzwischenelement 12 hindurch. Die Kolben 16a, 16b des Doppelkolbens unterteilen den ersten Bereich 14 und den zweiten Bereich 15 des inneren Volumens der Vorrichtung 1 jeweils in zwei äußere und zwei innere Kammern. Die außenliegenden äußeren Kammern werden auch als Arbeitskammern 18a, 18b und die innenliegenden inneren Kammern werden auch als Steuerkammern 19a, 19b bezeichnet. Die Arbeitskammern 18a, 18b sind dabei zwischen den Kopfelementen 11a, 11b und den Kolben 16a, 16b angeordnet. Die Steuerkammern 19a, 19b sind zwischen den Kolben 16a, 16b und dem Wandzwischenelement 12 angeordnet. Die Kolben 16a, 16b sind zur Wandung 10 und das Verbindungselement 17 ist zum Wandzwischenelement 12 fluiddicht ausgebildet. Infolge der Bewegung des Doppelkolbens wird beispielsweise das Volumen der Arbeitskammer 18a des ersten Bereiches 14 verringert und das Volumen der dazugehörigen Steuerkammer 19a vergrößert, während gleichzeitig das Volumen der Arbeitskammer 18b des zweiten Bereiches 15 vergrößert und das Volumen der dazugehörigen Steuerkammer 19b verringert werden. Unter fluiddicht ist dabei zu verstehen, dass der aus der Druckdifferenz zwischen den benachbart angeordneten Bereichen oder Kammern resultierende Leckagemassenstrom auf ein Minimum reduziert ist.
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Jede Arbeitskammer 18a, 18b weist mit einem Hochdruckeinlass 20a, 20b, einem Niederdruckeinlass 21a, 21b und einem Mitteldruckauslass 22a, 22b drei Durchlässe für das Kältemittel auf, welche an den äußeren Stirnseiten der Arbeitskammern 18a, 18b, das heißt im Kopfelement 11a, 11b, ausgebildet sind. Die drei Durchlässe jeder Arbeitskammer 18a, 18b sind jeweils mit steuerbaren Absperrarmaturen, welche vorteilhaft als Ventile ausgebildet sind, versehen. Jede Steuerkammer 19a, 19b ist mit einem Hochdruckeinlass 20c, 20d und einem Mitteldruckauslass 22c, 22d versehen, welche als Durchlässe für das Kältemittel durch die Wandung 10 und das Wandzwischenelement 12 hindurchgeführt sind. Die zwei Durchlässe der Steuerkammern 19a, 19b sind ebenfalls jeweils mit steuerbaren Absperrarmaturen, welche auch vorteilhaft als Ventile ausgebildet sind, versehen.
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Die Vorrichtung 1 wird folglich mit Kältemittel auf drei Druckniveaus, dem Hochdruck HD als höchstem Druckniveau, dem Mitteldruck MD und dem Niederdruck ND als geringstem Druckniveau, betrieben. Durch gezieltes Öffnen und Schließen der Absperrarmaturen werden die Drücke innerhalb der Arbeitskammern 18a, 18b und der Steuerkammern 19a, 19b verändert, was zu einer Veränderung der Position der Kolben 16a, 16b beziehungsweise des Doppelkolbens und damit zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung der Arbeitskammern 18a, 18b führt.
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Nach längerer Stillstandszeit der Vorrichtung liegt das Kältemittel an allen Durchlässen auf dem Niveau des Mitteldruckes MD an. Zum Anfahren der Vorrichtung 1 wird der Hochdruck HD extern, das heißt mittels der Pumpe 5, erzeugt. Der Kolben 16a wird in eine Position verbracht, in welcher die erste Arbeitskammer 18a ein minimales Volumen aufweist. Danach wird der Druck des Kältemittels durch Öffnen der Mitteldruckauslässe 22a, 22b, 22c, 22d ausgeglichen, sodass das Kältemittel in den Arbeitskammern 18a, 18b und in den Steuerkammern 19a, 19b auf dem Niveau des Mitteldruckes MD vorliegt. In der ersten Arbeitskammer 18a wird anschließend ein Druck mit einem Wert unterhalb des Niveaus des Niederdruckes ND erzeugt. Dabei ist der Niederdruckeinlass 21a der ersten Arbeitskammer 18a geöffnet. Der Hochdruckeinlass 20a und der Mitteldruckauslass 22a sind geschlossen. Sämtliche Durchlässe der zweiten Arbeitskammer 18b und der Steuerkammern 19a, 19b sind ebenfalls geschlossen. Um den Druck des Kältemittels im zweiten Strömungspfad 4, insbesondere nach dem Expansionsorgan 8 und im Verdampfer 9, sowie in der ersten Arbeitskammer 18a auf das Niveau des Niederdruckes ND zu reduzieren, wird der Kolben 16a bei geschlossenem Expansionsorgan 8 bewegt und das Kältemittel aus dem Verdampfer 9 abgesaugt. Um einen Druckstoß in der mit Fluid auf dem Niveau des Niederdruckes ND gefüllten ersten Arbeitskammer 18a zu dämpfen, ist es von Vorteil, auf der Niederdruckseite, das heißt innerhalb des zweiten Strömungspfades 4, des Kältemittelkreislaufes 2 ein Ausdehnungsgefäß vorzusehen. Nachdem sich innerhalb der ersten Arbeitskammer 18a Kältemittel auf dem Niveau des Niederdruckes ND eingestellt hat, wird die zweite Steuerkammer 19b mit Kältemittel auf dem Niveau des Hochdruckes HD beaufschlagt, indem der Hochdruckeinlass 20d geöffnet wird. Dadurch werden die Kolben 16a, 16b derart bewegt, dass sich die Volumina der zweiten Steuerkammer 19b und der ersten Arbeitskammer 18a vergrößern, was wiederum ein Einsaugen von Kältemittel in die erste Arbeitskammer 18a bewirkt. Bei diesem Vorgang ist der Mitteldruckauslass 22b der zweiten Arbeitskammer 18b geöffnet. Der Kolben 16b bewegt sich dabei so lange, bis das Volumen der zweiten Arbeitskammer 18b minimal ist. Der Niederdruckeinlass 21a der ersten Arbeitskammer 18a wird geschlossen und der Niederdruckeinlass 21b der zweiten Arbeitskammer 18b wird geöffnet. Somit liegt in den Arbeitskammern 18a, 18b Kältemittel auf dem Niveau des Niederdruckes ND an und in den Steuerkammern 19a, 19b kann Kältemittel auf dem Niveau des Mitteldruckes MD erzeugt werden. Dabei werden die Hochdruckeinlässe 20c, 20d geschlossen und die Mitteldruckauslässe 22c, 22d geöffnet, sodass das Kältemittel jeweils aus der Steuerkammer 19a, 19b austritt und in Richtung des Kondensators 7 strömend expandiert.
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Beim ersten Verfahrensschritt wird der Niederdruckeinlass 21a bei geschlossenem Hochdruckeinlass 20a und geschlossenem Mitteldruckauslass 22a geöffnet. Nach dem Öffnen des Niederdruckeinlasses 21a strömt überhitztes gasförmiges Kältemittel aus dem zweiten Strömungspfad 4 im Zustand E durch den Niederdruckeinlass 21a in die Arbeitskammer 18a ein, sodass sich innerhalb der ersten Arbeitskammer 18a ein Druckausgleich auf Niederdruck ND einstellt. Der Mitteldruckauslass 22c und der Hochdruckeinlass 20c der ersten Steuerkammer 19a sind geschlossen.
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Nach dem Druckausgleich auf dem Niveau des Niederdruckes ND wird beim zweiten Verfahrensschritt der Niederdruckeinlass 21a geschlossen und der Hochdruckeinlass 20a geöffnet, sodass überhitztes gasförmiges Kältemittel aus dem ersten Strömungspfad 3 im Zustand C durch den Hochdruckeinlass 20a in die Arbeitskammer 18a einströmt. Der Hochdruckeinlass 20a bleibt dabei solange geöffnet, bis sich innerhalb der Arbeitskammer 18a ein Druck auf dem Niveau des Mitteldruckes MD oder oberhalb des Niveaus des Mitteldruckes MD einstellt. Je höher der Druck, umso mehr Masse an Kältemittel wird beim Öffnen des Mitteldruckauslasses 22a ausgeschoben und beim Öffnen der Durchlässe auftretende Druckstöße werden deutlich reduziert.
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Anschließend wird im dritten Verfahrenschritt der Hochdruckeinlass 20a geschlossen. Gleichzeitig wird der Mitteldruckauslass 22a geöffnet, sodass das überhitzte gasförmige Kältemittel auf dem Niveau des Mitteldruckes MD aus der Arbeitskammer 18a ausströmt und zum Kondensator 7 geleitet wird. Gleichzeitig zum Schließen des Hochdruckeinlasses 20a und zum Öffnen des Mitteldruckauslasses 22a wird der Hochdruckeinlass 20c geöffnet, sodass die erste Steuerkammer 19a mit überhitztem gasförmigem Kältemittel aus dem ersten Strömungspfad 3 im Zustand C auf dem Niveau des Hochdruckes HD beaufschlagt wird. Dabei verschiebt sich der Kolben 16a in Richtung des Kopfelementes 11a, sodass das Volumen der Arbeitskammer 18a verringert wird, während das Volumen der Steuerkammer 19a vergrößert wird. Da der Mitteldruckauslass 22a der Arbeitskammer 18a geöffnet ist, wird das Kältemittel durch die Bewegung des Kolbens 16a aus der Arbeitskammer 18a herausgefördert.
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Bei Erreichen einer vorbestimmten Größe des Volumens der Arbeitskammer 18a beziehungsweise einer vorbestimmten Position des Kolbens 16a werden im vierten Verfahrensschritt der Mitteldruckauslass 22a der Arbeitskammer 18a und der Hochdruckeinlass 20c der zugehörigen Steuerkammer 19a geschlossen. Zudem wird der Mitteldruckauslass 22c der Steuerkammer 19a geöffnet, sodass das in der Steuerkammer 19a enthaltene Kältemittel durch die vorherrschende Druckdifferenz aus der Steuerkammer 19a herausströmt. Der Prozess ist geschlossen.
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Parallel zu den Verfahrensschritten im ersten Bereich 14 laufen die Verfahrensschritte im zweiten Bereich 15 der Vorrichtung 1 ab. Dabei wird während das Volumen der einen Arbeitskammer 18a verringert wird, gleichzeitig das Volumen der anderen Arbeitskammer 18b vergrößert und umgekehrt. Ebenso verhalten sich die Volumina der Steuerkammern 19a, 19b. Beim dritten Verfahrensschritt wird somit das Volumen der Arbeitskammer 18b vergrößert. Gleichzeitig wird der Niederdruckeinlass 21b der zweiten Arbeitskammer 18b geöffnet, sodass überhitztes gasförmiges Kältemittel aus dem zweiten Strömungspfad 4 im Zustand E durch den Niederdruckeinlass 21b in die Arbeitskammer 18b einströmt und sich innerhalb der zweiten Arbeitskammer 18b ein Druckausgleich auf Niederdruck ND einstellt. Der Hochdruckeinlass 20b und der Mitteldruckauslass 22b sind geschlossen. Der Mitteldruckauslass 22d und der Hochdruckeinlass 20d der zweiten Steuerkammer 19b sind geschlossen.
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Nach erfolgtem Druckausgleich auf dem Niveau des Niederdruckes ND wird beim vierten Verfahrensschritt der Niederdruckeinlass 21b geschlossen und der Hochdruckeinlass 20b geöffnet, sodass überhitztes gasförmiges Kältemittel aus dem ersten Strömungspfad 3 im Zustand C durch den Hochdruckeinlass 20b in die Arbeitskammer 18b einströmt. Der Hochdruckeinlass 20b ist wiederum solange geöffnet, bis sich innerhalb der Arbeitskammer 18b ein Druck auf dem Niveau des Mitteldruckes MD oder oberhalb des Niveaus des Mitteldruckes MD einstellt.
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Danach wird im ersten Verfahrensschritt der Hochdruckeinlass 20b geschlossen und gleichzeitig der Mitteldruckauslass 22b geöffnet, sodass das überhitzte gasförmige Kältemittel auf dem Niveau des Mitteldruckes MD aus der Arbeitskammer 18b ausströmt und zum Kondensator 7 geleitet wird. Gleichzeitig zum Schließen des Hochdruckeinlasses 20b und zum Öffnen des Mitteldruckauslasses 22b wird der Hochdruckeinlass 20d geöffnet, sodass die zweite Steuerkammer 19b mit überhitztem gasförmigem Kältemittel aus dem ersten Strömungspfad 3 im Zustand C auf dem Niveau des Hochdruckes HD beaufschlagt wird. Dabei verschiebt sich der Kolben 16b in Richtung des Kopfelementes 11b, sodass das Volumen der Arbeitskammer 18b verringert wird, während das Volumen der Steuerkammer 19b vergrößert wird. Da der Mitteldruckauslass 22b der Arbeitskammer 18b geöffnet ist, wird das Kältemittel durch die Bewegung des Kolbens 16b aus der Arbeitskammer 18b herausgefördert.
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Im zweiten Verfahrensschritt werden bei Erreichen einer vorbestimmten Größe des Volumens der Arbeitskammer 18b beziehungsweise einer vorbestimmten Position des Kolbens 16b der Mitteldruckauslass 22b der Arbeitskammer 18b und der Hochdruckeinlass 20d der zugehörigen Steuerkammer 19b geschlossen. Zudem wird der Mitteldruckauslass 22d der Steuerkammer 19b geöffnet, sodass das in der Steuerkammer 19b enthaltene Kältemittel durch die vorherrschende Druckdifferenz aus der Steuerkammer 19b herausströmt.
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Im ersten Verfahrensschritt wird die Bewegung des Doppelkolbens durch die Differenz zwischen den Drücken
- – innerhalb der zweiten Steuerkammer 19b, in welcher Kältemittel auf dem Niveau des Hochdruckes HD anliegt, und der zweiten Arbeitskammer 18b, in welcher Kältemittel auf dem Niveau des Mitteldruckes MD anliegt, sowie
- – innerhalb der ersten Arbeitskammer 18a, in welcher Kältemittel auf dem Niveau des Niederdruckes ND anliegt, und der ersten Steuerkammer 19a, in welcher Kältemittel auf dem Niveau des Mitteldruckes anliegt,
bestimmt. Unter der Annahme gleicher Flächen der Kolben 16a, 16b muss folglich die Summe der Werte von Hochdruck HD und Niederdruck ND größer sein als der doppelte Wert des Mitteldruckes MD.
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Da im zweiten Verfahrensschritt die Arbeitskammer 18a und im vierten Verfahrensschritt die Arbeitskammer 18b jeweils mit Hochdruck HD beaufschlagt werden, während die jeweils andere Arbeitskammer 18a, 18b und die Steuerkammern 19a, 19b mit Kältemittel auf dem Niveau des Mitteldruckes MD beaufschlagt werden, wird der Doppelkolben in der jeweiligen Bewegungsrichtung aus den vorangegangenen Verfahrensschritten bis zum Erreichen der vorbestimmten Größe des Volumens der Arbeitskammer 18a, 18b beziehungsweise der vorbestimmten Position des Kolbens 16a, 16b weiterbewegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Kältemittelkreislauf
- 3
- erster Strömungspfad
- 4
- zweiter Strömungspfad
- 5
- Pumpe
- 6
- Verdampfer
- 7
- Kondensator
- 8
- Expansionsorgan
- 9
- Verdampfer
- 10
- Wandung
- 11a, 11b
- Kopfelement
- 12
- Wandzwischenelement
- 13
- Längsachse
- 14
- erster Bereich
- 15
- zweiter Bereich
- 16a, 16b
- Kolben des Doppelkolbens
- 17
- Verbindungselement
- 18a, 18b
- Arbeitskammer
- 19a, 19b
- Steuerkammer
- 20a, 20b, 20c, 20d
- Hochdruckeinlass
- 21a, 21b
- Niederdruckeinlass
- 22a, 22b, 22c, 22d
- Mitteldruckauslass
- SL
- Siedelinie
- TL
- Taulinie
- HD
- Hochdruck
- MD
- Mitteldruck
- ND
- Niederdruck
- A, B, C, D, E, F
- Zustand
