DE102013227017B4

DE102013227017B4 - Verdichtervorrichtung sowie Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines links- oder rechtsdrehenden Kreisprozesses, insbesondere unter Einsatz einer solchen Verdichtervorrichtung

Info

Publication number: DE102013227017B4
Application number: DE102013227017.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Bühler
Original assignee: CARNOO UG (HAFTUNGSBESCHRANKT); CARNOO UG HAFTUNGSBESCHRANKT
Current assignee: CARNOO UG (HAFTUNGSBESCHRANKT); CARNOO UG HAFTUNGSBESCHRANKT
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2033-12-21
Also published as: WO2015091793A1; DE102013227017A1

Abstract

Eine Verdichtervorrichtung zur adiabatisch/isothermen Kompression und/oder zur isothermen/adiabatischen Entspannung eines Arbeitsgases zwischen einem oberen Druck (po) und einem unteren Druck (pu) umfasst mindesten einen Flüssigkeitskolben, einen Arbeitsgasvolumen, das durch eine Behälterwand und den mindestens einen Flüssigkeitskolben begrenzt ist, wobei sich das Arbeitsgasvolumen (VAG) aus einem adiabatischen Volumen (Vadi), das adiabatisch komprimierbar und entspannbar ist, und aus einem isothermen Volumen (Viso), das isotherm komprimierbar und entspannbar ist, zusammensetzt. In der Verdichtervorrichtung weist das isotherme Volumen (Viso) am Arbeitsgasvolumen (VAG) mindestens einen Anteil von auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdichtervorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines links- oder rechtsdrehenden Kreisprozesses nach Anspruch 9 bzw. 13, insbesondere unter Einsatz einer Verdichtervorrichtung nach Anspruch 1.
Ideale thermodynamische Kreisprozesse beinhalten häufig isotherme, isochore, isobare oder isentrope Zustandsänderungen. Beispielsweise besteht der Stirling-Kreisprozess aus zwei isochoren und zwei isothermen Zustandsänderungen. Reale Kreisprozesse weichen von den idealen Zustandsänderungen mehr oder minder stark ab. Diese Abweichungen der realen Zustandsänderungen von den idealen Zustandsänderungen führen zu einer Verschlechterung der Wirkungsgrade realer Kreisprozesse im Vergleich zu idealen Kreisprozessen. Beispielsweise ist eine isotherme Zustandsänderung in Realität kaum möglich. Um hohe Wirkungsrad zu erzielen, werden große Anstrengungen unternommen, Verdichtungs- und Entspannungsprozesse so weit wie möglich isotherm zu gestalten, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad, nahe dem des idealen Carnot-Prozesses zu erreichen.
Wesentliche Schwierigkeit eine ideale isotherme Kompression durchführen ergeben sich bereits aus dem Umstand, dass Gase komprimiert und entspannt werden und Gase weisen grundsätzlich eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf. Insbesondere bei hohen Drücken tendieren Gas wegen der erhöhten volumetrischen Wärmekapazität noch mehr in Richtung adiabatisch statt rein isotherm. Hier setzt beispielsweise die DE 10 2008 042 828 B4 an, welche die vergleichsweise schlechten Wärmeleitung des Arbeitsmediums Gas durch den Einsatz von Flüssigkeitskolben mit integrierten Wärmetauschern zu verbessern sucht.
Auch aus der DE 10 2012 003 288 B3 ist eine Flüssigkeitskolbenanordnung zur Verdichtung und Entspannung von Gasen bekannt. Diese Flüssigkeitskolbenanordnung umfasst einen Flüssigkeitskolben, der durch die Oberfläche einer Flüssigkeit gebildeten wird, die in einem druckdichten Behälter angeordnet ist. In dem Behälter sind Wärmetauscher in Form von voneinander beabstandeten Blechplatten angeordnet, von der Flüssigkeit umspült werden.
Auch die US 8 104 274 B2 offenbart eine Verdichtervorrichtung mit einer Flüssigkeitskolbenanordnung, einem Wärmetauschsystem, einem Mechanismus zum im Wesentlichen adiabatischen Verdichten und Entspannen von Gas, sowie einem Speicherreservoir für das verdichtete Gas.
Aus der Druckschrift US 5 641 273 A ist weiterhin eine zweistufige Verdichtervorrichtung bekannt, bei der Gas in einem ersten Schritt adiabatisch und in einem zweiten Schritt isotherm verdichtet wird.
Die US 4 984 432 A offenbart eine Ericsson-Kreisprozess-Maschine, die einen Flüssigkeitsring-Verdichter und einen Flüssigkeitsring-Expander umfasst. Verdichter und Expander sind über einen Wärmetauscher miteinander verbunden sind. Gas wird hierbei in dem Flüssigkeitsring-Verdichter verdichtet, danach in dem Wärmetauscher gekühlt, darauffolgend in dem Expander im Wesentlichen isotherm entspannt und danach wieder durch den Wärmetauscher geleitet und dabei aufgewärmt.
Da der apparative Aufwand steigt je mehr man versucht bei Kompression und Entspannung den adiabatischen Anteil zurückzudrängen, ist es nicht sinnvoll bei allen Arbeitsdrücken den gleichen Aufwand zu treiben. Ausgehend von der DE 10 2008 042 828 B4 als nächstkommendem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung Kriterien für das Verhältnis von isothermer und adiabatischer Kompression/Entspannung anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt in vorrichtungstechnischer Hinsicht durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 13 und in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die Merkmale des Anspruchs 9.
Die entscheidende Größe, welche den Wärmeaustausch bestimmt, ist dabei die Temperaturleitfähigkeit α = λ/(ρc)[m²/s] (1) mit λ der Wärmeleitfähigkeit, ρ der Dichte und c der spezifischen Wärmekapazität bei konstantem Druck. Es gilt Q/τ = AλΔT/d (2)
Aus den Gleichungen (1) und (2) folgt durch Umformung τ = d²/α (3)
Aus Gleichung (3) lässt sich für ein bestimmtes Gas und eine vorgegeben Zeit τ bzw. Arbeitskreisfrequenz ω des Kompressors die Dimension d berechnen, die nötig ist, bis ein Volumen V der Ausdehnung d in einer Richtung sich der Umgebung mit einer Temperatur T angleicht. Setzt man die Eigenschaften von Luft als Arbeitsgas bei einem Druck von 10 bar ein und nimmt eine Arbeitskreisfrequenz ω = 2πf = 10 Hz bzw. τ = 0,1 s an, ergibt sich für d ein Wert von ca. 0,6 mm. Das bedeutet, dass ein Volumen zur Kompression oder Entspannung zumindest in einer Dimension nur 0,6 mm betragen darf, um einen genügend schnellen, d. h. isothermen Wärmeaustausch im zu komprimierenden oder zu expandierenden Gasvolumen zu erreichen. Wird Helium als Arbeitsgas eingesetzt, das in etwa die fünffache Wärmeleitfähigkeit von Luft aufweist, verbessert sich die Situation nur unwesentlich. Insbesondere auch, weil man versuchen wird mit höheren Arbeitsfrequenzen f und höheren Drücken zu arbeiten. Wenn also die Dimension d in den Gasvolumina thermodynamischer Maschinen größer als etwa 1 mm, so ist es fast unmöglich einen annähernd isothermen Prozess zu führen.
Da es ausgeschlossen erscheint thermodynamische Maschinen zu bauen, bei denen die Dimension d Kriterien für einen isothermen Wärmeaustausch immer erfüllt, sind Kriterien gefragt, die angeben wie hoch der Anteil an isotherm komprimierbaren oder expandierbaren, isothermes Volumen, zumindest sein soll.
Trägt man für unterschiedliche obere Drücke bzw. Kompressionsenddrücke den Anteil des isothermen Volumens am Gesamtarbeitsgasvolumen auf der x-Achse und die zum komprimieren notwendige Arbeit skaliert auf der y-Achse auf, ergibt sich die Grafik nach 6. Daraus ergibt sich, dass in einem Bereich von 40% bis 100% isothermen Volumen kaum mehr eine Einsparung auftritt. D. h. es ist gar nicht nötig den aparativen Aufwand extrem hoch zu treiben.
Wie aus 6 zu ersehen ist, der „sinnvolle” Anteil an isothermen Volumen auch noch druckabhängig.
Es wird eine Verdichtervorrichtung zur adiabatisch/isothermen Kompression und/oder zur isothermen/adiabatischen Entspannung eines Arbeitsgases angegeben, welche zwischen einem oberen Druck (p_o) und einem unteren Druck (p_u) operiert und dabei mindestens einen Flüssigkeitskolben, und ein Arbeitsgasvolumenumfasst. Das Arbeitsgasvolumen (V_AG) wird dabei durch eine Behälterwand und mindestens einen Flüssigkeitskolben begrenzt und setzt sich aus einem adiabatischen Volumen (V_adi), das adiabatisch komprimierbar und entspannbar ist, und aus einem isothermen Volumen (V_iso), das isotherm komprimierbar und entspannbar ist, zusammen.
Experimentell und durch Modellrechnungen wurde herausgefunden, dass dann, wenn das isotherme Volumen (V_iso) am Arbeitsgasvolumen (V_AG) mindestens einen Anteil von x = 1/4 pu / po (4) aufweist, ein „sinnvoller” Kompromiss zwischen apparativem Aufwand und Wirkungsgrad- bzw. Effizienzverbesserung einer Kompressorvorrichtung zur adiabatisch/isothermen Kompression und/oder Entspannung erreicht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird bei der Kompression zuerst nur das adiabatische Volumen verdichtet, bis es vollständig aufgebraucht ist, und danach das übrige isotherm gekoppelte Volumen bis zum Erreichen eines vorgegebenen Druckes weiter verdichtet. Der Prozess der Entspannung läuft in umgekehrter Reihenfolge ab.
Dieses Kriterium für den Anteil des isothermen Volumens am Gesamtvolumen gilt auch für einen vollständigen links- oder rechtsdrehenden realen Kreisprozess bei der ein Arbeitsgas zwischen einer Temperatur T1 und einer Temperatur T2 mit zwei adiabtisch/isothermen Zustandsänderungen – Anspruch 9.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist in dem isothermen Volumen eine Wärmetauschereinrichtung derart angeordnet, dass wenigstens eine Dimension der räumlichen Ausdehnung des isothermen Volumens eine Größe aufweist, die bei einer gegebenen Verdichtung (p_o/p_u) und einer gegebenen Arbeitsfrequenz (f) eine isotherme Kompression oder eine Isotherme Entspannung des Arbeitsgases ermöglicht, wird der Wirkungsgrad einer Verdichtervorrichtung erhöht.
Dadurch dass bei einer bevorzugten Ausgestaltung als Wärmetauschereinrichtung ein Plattenwärmetauscher eingesetzt wird, kann die Herstellung der Wärmetauschereinrichtung vereinfacht werden.
Dadurch dass bei einer bevorzugten Ausgestaltung die Wärmetauschereinrichtung einen Rohrwärmetauscher umfasst, kann auf konstruktiv einfache Weise eine große Oberfläche zum Wärmetausch zur Verfügung gestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird durch den Einsatz eines Sintermetallwärmetauschers das Oberflächen/Volumen Verhältnis des Wärmetauschers vergrößert und die Wärmetauscherleistung erhöht.
Dadurch dass bei einer bevorzugten Ausgestaltung die räumliche Ausdehnung der Wärmetauschereinrichtung in Verschiebungsrichtung des Flüssigkeitskolbens kleiner ist, als in eine Richtung orthogonal dazu, kann ein großes Wärmetauschervolumen trotz des Widerstands aufgrund der Viskosität der Flüssigkeit des Flüssigkeitskolbens schnell durchsetzt werden.
Dadurch dass bei einer bevorzugten Ausgestaltung die Wärmetauschereinrichtung als Gas-/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung ausgelegt ist, wird im Vergleich zu Gas-/Gas-Wärmetauschern die Wärmetauscherleistung vergrößert.
Dadurch dass bei einer bevorzugten Ausgestaltung die Arbeitsfrequenz (f) in einem Bereich zwischen 5 Hz und 100 Hz und vorzugsweise im Bereich zwischen 30 Hz und 70 Hz liegt, kann ein hoher Volumendurchsatz realisiert werden.
Mit der Kompressorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Wärmekraftmaschine, eine Wärmepumpe oder eine Kältemaschine realisiert werden, welche durch eine verbesserte Annäherung an isotherme Prozesse eine signifikante Verbesserung des Wirkungsgrades bewirkt. Dabei bewirken selbst sehr kleine isotherme Anteile eine enorme Verbesserung des Wirkungsgrades, wenn sie bei hohen Drücken erfolgen, wie dies aus 6 hervorgeht. Die Verluste gegenüber rein isothermer Verdichtung sind sehr gering, solange am Ende des Prozesses nur noch isotherm verdichtet wird.
Eine thermodynamische Wärme Kraft Maschine oder Wärmepumpe/Kältemaschine setzt sich aus wenigstens zwei dieser Kompressor-/Entspannereinrichtungen zusammen, wobei eine Baugruppe bei einer Temperatur T1 und eine Baugruppe bei einer Temperatur T2 betrieben wird. Durch geeignete Kolbensteuerung wird ein Arbeitsgas abwechselnd in die beiden Baugruppen transportiert und dort verdichtet/entspannt. Zwischen beiden Baugruppen befindet kann sich dann ein isoliertes Volumen, in dem adiabatische Kompression/Entspannung (Carnot-Kreisprozess) stattfindet, oder ein Regenerator (Ericsson-Kreisprozess) befinden. Dabei hat ein Regenerator (Ericsson-Kreisprozess) den Vorteil, dass wesentlich größere Differenzen zwischen T1 und T2 überbrückt werden können, wobei ein quasi isothermer Austausch zwischen T1 und T2 stattfindet. Durch Kombination von mehreren Baugruppen kann auch der Regenerator durch einen Gegenstrom Wärmetauscher ersetzt werden, wenn gleichzeitig der Gasfluss von T1 nach T2 mit einem gleichen Gasfluss von T2 nach T1 kombiniert wird.
Je nachdem in, in welchem Teil und damit bei welcher Temperatur die Kompression/Entspannung stattfindet, erhält man entweder eine Maschine die Arbeit leistet (Wärme-Kraft-Maschine) oder eine Maschine, welche als Wärmepumpe/Kältemaschine betrieben wird. Bei einer gegebenen Ausführung entspricht die Umschaltung zwischen Wärme-Kraft und Wärmepumpe der Umkehrung des Drehsinns der Maschine, welche folglich noch mit einem Generator oder Antrieb gekoppelt werden muss.
Dadurch dass bei einer bevorzugten Ausgestaltung ein Regenerator eingesetzt wird, kann die Temperaturdifferenz zwischen T1 und T2 mit geringen Wirkungsradverlusten überbrückt werden.
Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung einer Verdichtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung einer Klimaanlage mit Regenerator gemäß der vorliegenden Erfindung;
3a zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung einer Wärmekraftmaschine mit Gegenstromwärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung;
3b zeigt den zugehörigen Ericsson-Kreisprozess in einem pV-Diagramm;
4 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung als Energiespeicher mit thermischem Speicher als Energiepuffer gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung als Wärmekraftmaschine/Kältemaschine mit Regenerator gemäß der vorliegenden Erfindung; und
6 zeigt eine Grafik bei der für unterschiedliche obere Drücke bzw. Kompressionsenddrücke den Anteil des isothermen Volumens am Gesamtarbeitsgasvolumen auf der x-Achse und die zum komprimieren notwendige Arbeit skaliert auf der y-Achse aufgetragen ist.
Die beispielhafte Ausgestaltung einer Verdichtervorrichtung nach 1 umfasst einen Flüssigkeitskolben 2 mit einer Arbeitsflüssigkeit 4. Die Verdichtervorrichtung umfasst eine Behälterwand 6, die mit dem Flüssigkeitskolben 2 ein Arbeitsgasvolumen 8 einschließt. In dem Arbeitsgasvolumen 8 ist eine Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 10 angeordnet, über die Wärme aus dem Arbeitsgasvolumen 8 abgeführt und diesem zugeführt wird. Über Anschlüsse 12 wird hierzu eine Wärmetauscherflüssigkeit dem Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 10 zu- und abgeführt. Der Flüssigkeitskolben 2 wird durch einen Arbeitskolben 14 getragen und bewegt. In das Arbeitsgasvolumen 8 über dem Flüssigkeitskolben 2 wird über einen Ansauganschluss 16 Arbeitsgas zugeführt und über einen Hochdruckanschluss 17 in einen Hochdrucktank 18 gepresst. Sowohl im Ansauganschluss 16 als auch im Hochdruckanschluss 16 sind Rückschlagventile 20 angeordnet.
Das Arbeitsgasvolumen 8 unterteilt sich in ein adiabatisches Volumen 8-1, das adiabtisch komprimierbar und entspannbar ist, und isothermes Volumen 8-2, das isotherm komprimierbar und entspannbar ist. Im entspannten Zustand des Arbeitsgasvolumens 8 ist das adiabatische Volumen 8-1 unmittelbar über dem Flüssigkeitskolben 2 und das isotherme Volumen 8-2 ist über dem adiabatischen Volumen 8-1 angeordnet. Im isothermen Volumen 8-2 ist gewährleistet, dass der Abstand zwischen zwei Wärmetauscherflächenelementen der Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 10 das Kriterium für den isothermen Wärmetausch gemäß Gleichung (3) erfüllt.
Bewegt sich der Arbeitskolben 14 und damit der Flüssigkeitskolben 2 nach oben wird zunächst das adiabtische Volumen 8-1 adiabatisch komprimiert bis es auf das isotherme Volumen 8-2 verkleinert ist. Dieses isotherme Volumen 8-2 wird dann bei hohem Druck isotherm bis zu dem oberen Druck p_o isotherm weiter verdichtet. Bei der Bewegung des Arbeitskolbens 14 nach unten wird über den Ansauganschluss 16 neues zu komprimierendes Arbeitsgas angesaugt.
Der Anteil des isothermen Volumens 8-2 am Arbeitsgasvolumen 8 wird gemäß Gleichung (4) festgelegt. Auf diese Weise ergibt sich im Vergleich zu herkömlichen Verdichtervorichtungen eine wesentlich energieeffiziente Verdichtervorrichtung.
2 ist eine schematische Darstellung einer Klimaanlage bzw. eines Kaltwassersatzes gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Verdichtereinrichtungen 22 und einer Entspannereinrichtung 23 gemäß 1. Die Verdichtereinrichtung 22 umfasst eine erste Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 24-1 und die Entspannereinrichtung 23 umfasst eine zweite Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 24-2. Beide Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtungen 24-1 und 24-2 umfassen jeweils einen Flüssigkeitszulauf 26 und einen Flüssigkeitsablauf 27. Die Arbeitsgasvolumina der der Verdichtereinrichtungen 22 und der Entspannereinrichtung 23 sind über eine Arbeitsgasleitung 28 miteinander verbunden. Die Arbeitsgasleitung 28 führt durch einen Regenerator 30. Die Verdichtereinrichtungen 22 und die Entspannereinrichtung 23 werden durch eine gemeinsame Antriebseinheit in Form eines Elektromotors 32 angetrieben. Die Kopplung zwischen Elektromotor 32 und Verdichtereinrichtung 22 erfolgt über ein erstes Getriebe 34 und die Kopplung zwischen Elektromotor 32 und Entspannereinrichtung 23 erfolgt über ein zweites Getriebe 36.
Über den Antrieb 32 wird das Arbeitsgas in der Verdichtereinrichtung 22 zunächst adiabtisch und dann isotherm verdichtet. Die anfallende Wärme wird als Abwärme über den ersten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 24-1 abgeführt. Das komprimierte (po) und heiße (T2) Arbeitsgas wird über die Arbeitsgasleitung 28 durch den Regenerator in die Entspannereinrichtung 23 geschoben. In dem Regenerator 30 wird Wärme zwischengespeichert, so dass das komprimierte Arbeitsgas gekühlt mit der Temperatur T1 in der Entspannereinrichtung 23 ankommt. In der Entspannereinrichtung 23 wird das komprimierte Arbeitsgas zunächst isotherm und dann adiabatisch von dem oberen Druck po auf den unteren Druck pu entspannt. Hierbei wird über den zweiten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 24-2 Wärme zugeführt und die Arbeitsflüssigkeit 4 in dem Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 24-2 wird gekühlt. Hierdurch wird die Nutzkälte bereitgestellt. Das entspannte Arbeitsgas wird anschließend unverdichtet durch die Entspannereinrichtung 23 über die Arbeitsgasleitung 28 und den Regenarator 30 zurück in die Verdichtereinrichtung 22 geschoben. In dem Regenerator 30 nimmt das entspannte Arbeitsgas zwischengespeicherte Wärme auf und gelangt mit der Temperatur T2 und dem Druck pu zurück in die Verdichtereinrichtung 22. Damit ist der Kreisprozess geschlossen und der Zyklus beginnt von vorne.
Durch Änderung der Drehrichtung des Antriebs 32 können die beiden Wärme aufnehmende und die Wärme abgebende Seite vertauscht werden, so dass die Einrichtung 22 zum Entspanner und die Einrichtung 23 zum Verdichter wird.
Als Arbeitsgas kommen je nach Temperaturbereich insbesondere Luft, Helium und Stickstoff zum Einsatz. Als Arbeitsflüssigkeit 4 können Wasser, Öl, Öl/Wasser-Gemische oder synthetische Flüssigkeiten eingesetzt werden.
In 3a ist eine schematische Darstellung einer Wärmekraftmaschine mit zwei gekoppelten Ericsson-Wärmekraftmaschinen, die jeweils mit einen realen Ericsson-Kreisprozess implementieren. Ein Ericsson-Kreisprozess – 3b – ist durch zwei isobare und zwei isotherme Zustandsänderungen charakterisiert. Die Wärmekraftmaschine nach 3a umfasst einen erste und eine zweite Entspannereinrichtung 40-1 und 40-2 und eine erste und eine zweite Verdichtereinrichtung, 42-1 und 42-2.
Die erste Entspannereinrichtung 40-1 umfasst eine erste Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-1, die zweite Entspannereinrichtung 40-2 umfasst eine zweite Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-2, die erste Verdichtereinrichtung 42-1 umfasst ein dritte Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-3 und die zweite Verdichtereinrichtung 42-2 umfasst eine vierte Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-4. Alle Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtungen 44-i umfassen jeweils einen Flüssigkeitszulauf 46 und einen Flüssigkeitsablauf 47. Eine Wärmequelle 48 auf dem oberen Temperaturniveau T2 ist über eine erste Flüssigkeitsleitung 50 mit dem Flüssigkeitszulauf 46 der ersten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-1 verbunden. Der Flüssigkeitsablauf 47 der ersten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-1 ist über eine zweite Flüssigkeitsleitung 52 mit dem Flüssigkeitszulauf 46 der zweiten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-2 verbunden. Der Flüssigkeitsablauf 47 der der zweiten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-2 ist über eine dritte Flüssigkeitsleitung 54 mit der Wärmequelle 48 verbunden. Die erste Verdichtereinrichtung 42-1 ist mit der ersten Entspannereinrichtung 40-1 über eine erste Arbeitsgasleitung 56 verbunden, wobei die erste Arbeitsgasleitung 56 einen Gegenstromwärmetauscher 58 durchsetzt.
Die erste Verdichtereinrichtung 42-1 ist mechanisch mit der ersten Entspannereinrichtung 40-1 und einem Generator 60 zur Bereitstellung elektrischer Energie gekoppelt. Die zweite Verdichtereinrichtung 42-1 ist mechanisch mit der zweiten Entspannereinrichtung 40-2 und dem Generator 60 gekoppelt. Die zweite Verdichtereinrichtung 42-2 ist über eine zweite Arbeitsgasleitung 62, die Gegenstromwärmetauscher 58 durchsetzt, mit der zweiten Entspannereinrichtung 40-2 verbunden. Der Flüssigkeitsablauf 47 der vierten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-4 ist über eine vierte Flüssigkeitsleitung 64 mit dem Flüssigkeitszulauf 46 der dritten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-3 verbunden. Über den Flüssigkeitszulauf 46 der vierten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-4 wird Kühlflüssigkeit 66 zugeführt und über den Flüssigkeitsablauf 47 der dritten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-3 wird die aufgewärmte Kühlflüssigkeit 66 wieder abgeführt. Die Kopplung zwischen Generator 60, der ersten Entspannereinrichtung 40-1 und der ersten Verdichtereinrichtung 40-2 erfolgt über ein erstes Getriebe 68 und die Kopplung zwischen Generator 60, der zweiten Entspannereinrichtung 40-2 und der zweiten Verdichtereinrichtung erfolgt über ein zweites Getriebe 69.
Die aus der Wärmequelle 48 stammende Antriebswärme wird in der ersten Entspannereinrichtung 40-1 genutzt, um das heiße (T2) und komprimierte (po) Arbeitsgas zunächst isotherm und dann adiabatisch zu entspannen. Die hierbei frei werdende mechanische Energie treibt den Generator 60 und die erste Verdichtereinrichtung 42-1 an. Der durch die Entspannung in Schwung befindliche Kolben der ersten Entspannereinrichtung 40-1 befördert im Rückschwung das entspannte (pu) und heiße (T2) Arbeitsgas über die erste Arbeitsgasleitung 56 in die erste Verdichtereinrichtung 42-1, wobei das Arbeitsgas in dem Gegenstromwärmetauscher 58 Wärme abgibt und von der Temperatur T2 auf die Temperatur T1 abkühlt. Das abgekühlte (T1, kleineres Volumen) und entspannte (pu) Arbeitsgas wird in der ersten Verdichtereinrichtung 42-1 zunächst adiabatisch und schließlich isotherm verdichtet, wobei die hierzu nötige mechanische Energie durch die erste Entspannereinrichtung 40-1 bereitgestellt wird. Das komprimierte (po) Arbeitsgas mit der Temperatur T1 wird über die erste Arbeitsgasleitung 56 zurück in die erste Entspannereinrichtung 40-1 befördert und wird im Gegenstromwärmetauscher 58 auf die Temperatur T2 erwärmt. Damit ist der erste Ericsson-Kreisprozess geschlossen.
Der zweite Ericsson-Kreisprozess wird durch die zweite Entspannereinrichtung 40-2 und die zweite Verdichtereinrichtung 42-2 realisiert und läuft in gleicher Weise wie der erste Ericsson-Kreisprozess ab. Die beiden Ericsson-Kreisprozesse laufen im Gegentakt, d. h. wenn der erste Ericsson-Kreisprozess Wärme an den Gegenstromwärmetauscher 58 abgibt, nimmt der zweite Ericsson-Kreisprozess diese Wärme auf und wenn der erste Ericsson-Kreisprozess Wärme aus dem Gegenstromwärmetauscher 58 Wärme aufnimmt, gibt der zweite Ericsson-Kreisprozess diese Wärme ab. Die Arbeitsflüssigkeit 4, die die Antriebswärme aus der Wärmequelle 48 aufnimmt durchströmt zunächst die erste Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-1 der ersten Entspannereinrichtung 40-1 und danach die zweite Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-2 der zweiten Entspannereinrichtung 40-2, so das das oberer Temperaturniveau T2' des zweiten Ericsson-Kreisprozesses etwas niedriger liegt als das obere Temperaturniveau T2 des ersten Ericsson-Kreisprozesses. Die Kühlflüssigkeit 66 durchströmt zunächst die vierte Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-4 der zweiten Verdichtereinrichtung 42-2 und anschließend die dritte Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 44-3 der ersten Verdichtereinrichtung 42-1, so dass das untere Temperaturniveau T1' des zweiten Ericsson-Kreisprozesses etwas niedriger liegt als das untere Temperaturniveau T1 des ersten Ericsson-Kreisprozesses. Diese geringen Temperaturunterschiede zwischen T1 und T1' lassen sich dadurch vermeiden, dass zwei parallel Kreisläufe zwischen der Wärmequelle 48 und der ersten und zweiten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung ausgebildet werden – nicht dargestellt.
Die Phasen der einzelnen Kolben in den Verdichter- und Entspannereinrichtungen 40-i und 42-i werden bei dieser Wärmekraftmaschine derart abgestimmt, dass der Massenfluss im Gegenstromwärmetauscher 58 auf beiden Seiten etwa gleich groß ist. Daraus folgt für die Arbeitsgasvolumina von annähernd idealen Gasen in den einzelnen Verdichter- und Entspannereinrichtungen 40-i und 42-i: V(42-1)/V(40-1) = V(42-2)/V(40-2) = T1/T2 (5)
Als Arbeitsflüssigkeit 4 kann auf der Seite der Wärmequelle beispielsweise synthetisches temperaturfestes Öl, Glyzerin oder flüssiges Metal eingesetzt werden. Als Kühlflüssigkeit 64 beispielsweise Öl, Wasser oder eine Mischung aus Öl und Wasser zum Einsatz kommen.
4 stellt einen thermischen Speicher unter Verwendung von zwei Verdichtervorrichtungen gemäß 1 dar, der als Energiepuffer oder Energiespeicher genutzt werden kann. Dabei wird abhängig von der Drehrichtung eines Ericsson-Kreisprozesses mechanische oder elektrische Energie in Form von thermischer Energie gespeichert oder die gespeicherte thermische Energie wieder mechanisch/elektrische Energie umgesetzt. Der thermische Speicher nach 4 unterscheidet sich von der Klimaanlage nach 2 insbesondere dadurch, dass die kalte und warme Seite vertauscht sind.
Der Energiespeicher nach 4 umfasst eine erste und eine zweite Verdichtereinrichtung 70-1 und 70-2 gemäß 1. Beide Verdichtereinrichtungen 70-1 und 70-2 sind zum Antrieb durch oder zum Antreiben eines Motor/Generators 72 mit diesem mechanisch gekoppelt. Die erste Verdichtereinrichtung 70-1 umfasst eine erste Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 74-1 und die zweite Verdichtereinrichtung 74-2 umfasst eine zweite Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 74-2. Die beiden Verdichtereinrichtungen 70-1 und 70-2 sind über eine Arbeitsgasleitung 76, die einen Regenerator 78 durchsetzt, miteinander verbunden. Die beiden Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 74-1 und 74-2 umfassen jeweils einen Flüssigkeitszulauf 80 und einen Flüssigkeitsablauf 81. Flüssigkeitszulauf 80 und Flüssigkeitszulauf 81 der ersten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 74-1 verbinden die erste Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 74-1 mit einem Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 82. zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebung oder zur Abgabe von Wärme an die Umgebung. Flüssigkeitszulauf 80 und Flüssigkeitszulauf 81 der zweiten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 74-2 verbinden die zweite Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 74-2 mit einem Wärmetauscher 85 in eines thermischen Speichers 84.
Zur Einspeicherung von thermischer Energie arbeitet die erste Verdichtereinrichtung 70-1 als Entspanner und die zweite Verdichtereinrichtung 70-2 als Kompressor und der Motor/Generator 72 als Antriebsmotor. In ersten Verdichtereinrichtung 70-1 wird das in dem Kompressor 70-2 verdichtete und in dem 78 Regenerator gekühlte Arbeitsgas unter Wärmeaufnahme zunächst isotherm und anschließend adiabatisch entspannt. Das entspannte Arbeitsgas (pu) wird im Rückhub des Flüssigkeitskolbens über die Arbeitsgasleitung 76 und den Regenerator 78 zurück in die zweite Verdichtereinrichtung 70-2 geschoben. In dem Regenerator 78 wird zwischengespeicherte Wärme aufgenommen und das Arbeitsgas auf T2 erwärmt. In der zweiten Verdichtereinrichtung 70-2 wird das Arbeitsgas wieder verdichtet und die dabei frei werdende Wärme wird über den zweiten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 74-2 in den thermischen Speicher 84 eingebracht. Die Kopplung zwischen Motor/Generator 72 und erster Verdichtereinrichtung 70-1 erfolgt über ein erstes Getriebe 86 und die Kopplung zwischen Motor/Generator 72 und der zweiten Verdichtereinrichtung 70-2 erfolgt über ein zweites Getriebe 88.
Bei der Entnahme von thermischer Energie aus dem thermischen Speicher 84 und deren Umwandlung in mechanische/elektrische Energie arbeitet die zweite Verdichtreinrichtung 70-2 als Entspanner und die erste Verdichtereinrichtung als Kompressor. In der zweiten Verdichtereinrichtung 70-2 befindliches, komprimiertes Arbeitsgas (pu) wird durch Wärmeaufnahme (T2) aus dem thermischen Speicher 84 in der zweiter Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung 74-2 zunächst isotherm und anschließend adiabatisch entspannt. Die hierbei frei werdende mechanische Energie treibt den als Generator arbeitenden Motor/Generator 72 an. Das entspannte Arbeitsgas (pu) wird durch den Motor/Generator über die Arbeitsgasleitung 76 zurück in die erste Verdichtereinrichtung 70-1 verschoben, wobei es in dem Regenerator 78. auf T1 abgekühlt wird. In der ersten Verdichtereinrichtung 70-1 wird das entspannte (pu) und gekühlte (T1) Arbeitsgas zunächst adiabatisch und anschließend isotherm verdichtet (po). Das verdichtete Arbeitsgas wird durch die erste Verdichtereinrichtung 70-2 durch die Arbeitsgasleitung 76 in den Regenerator 78 geschoben und dort auf T2 erwärmt. Das komprimierte (po) und erwärmte (T2) Arbeitsgas gelangt zurück in die zweite Verdichtereinrichtung 70-2 und der Kreisprozess beginnt von neuem.
5 zeigt eine Wärmekraft/Kältemaschine die sich von der Anlage nach 4 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass anstelle eines einzelnen Motor/Generators zwei, ein erster und ein zweiter Motor/Generator 90-1 und 90-2 eingesetzt werden. Hierbei treibt der erste Motor/Generator die erste Verdichtereinrichtung 70-1 an oder wird durch diese angetrieben und der zweite Motor/Generator 90-2 treibt die zweite Verdichtereinrichtung 70-2 an oder wird durch diese angetrieben. Durch die zwei getrennt voneinander ansteuerbaren Motor/Generatoren 90-1 und 90-2 lassen sich die notwendigen und gewünschten Betriebsbedingungen, wie Drehfrequenz, Phasenlage und/oder Arbeitsvolumina einfacher und flexibler einstellen bzw. festlegen.
Bezugszeichenliste

2: Flüssigkeitskolben
4: Arbeitsflüssigkeit
6: Behälterwand
8: Arbeitsgasvolumen
8-1: adiabatisches Volumen
8-2: isothermes Volumen
10: Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung
12: Anschlüsse für Wärmetauscherflüssigkeit
14: Arbeitskolben
16: Ansauganschluss
17: Hochdruckanschluss
18: Hochdrucktank
20: Rückschlagventil
22: Verdichtereinrichtung
23: Entspannereinrichtung
24-1: erste Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung
24-2: zweite Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung
26: Flüssigkeitszulauf
27: Flüssigkeitsablauf
28: Arbeitsgasleitung
30: Regenerator
32: Antrieb, Elektromotor
34: erstes Getriebe
36: zweites Getriebe
40-1: erste Entspannereinrichtung
40-2: erste Entspannereinrichtung
40-i: einzelne Entspannereinrichtung
42-1: erste Verdichtereinrichtung
42-2: zweite Verdichtereinrichtung
42-i: einzelne Verdichtereinrichtung
44-1: erste Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung
44-2: zweite Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung
44-3: dritte Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung
44-4: vierte Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung
46: Flüssigkeitszulauf
47: Flüssigkeitsablauf
48: Wärmequelle T2
50: erste Flüssigkeitsleitung
52: zweite Flüssigkeitsleitung
54: dritte Flüssigkeitsleitung
56: erste Arbeitsgasleitung
58: Gegenstromwärmetauscher
60: Generator
62: zweite Arbeitsgasleitung
64: vierte Flüssigkeitsleitung
66: Kühlflüssigkeit
68: erstes Getriebe
69: zweites Getriebe
70-1: erste Verdichtereinrichtung
70-2: zweite Verdichtereinrichtung
72: Motor/Generator
74-1: erste Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung
74-2: zweite Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung
76: Arbeitsgasleitung
78: Regenerator
80: Flüssigkeitszulauf
81: Flüssigkeitsablauf
82: Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher
84: thermischer Speicher
85: Wärmetauscher
86: erstes Getriebe
88: zweites Getriebe
90-1: erster Motor/Generator
90-2: zweiter Motor/Generator

Claims

Verdichtervorrichtung zur adiabatisch/isothermen Kompression und/oder zur isothermen/adiabatischen Entspannung eines Arbeitsgases zwischen einem oberen Druck (p_o) und einem unteren Druck (p_u), mit mindestens einem Flüssigkeitskolben, einem Arbeitsgasvolumen, das durch eine Behälterwand und den mindestens einen Flüssigkeitskolben begrenzt ist, wobei sich das Arbeitsgasvolumen (V_AG) aus einem adiabatischen Volumen (V_adi), das adiabatisch komprimierbar und entspannbar ist, und aus einem isothermen Volumen (V_iso), das isotherm komprimierbar und entspannbar ist, zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, dass das isotherme Volumen (V_iso) am Arbeitsgasvolumen (V_AG) mindestens einen Anteil von x = 1/4 pu / po aufweist.
Verdichtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem isothermen Volumen (V_iso) eine Wärmetauschereinrichtung (10) angeordnet ist, und dass wenigstens eine Dimension (d) der räumlichen Ausdehnung des isothermen Volumens (V_iso) eine Größe aufweist, die bei einer gegeben Verdichtung p_o/p_u und bei einer gegebenen Arbeitsfrequenz (f) eine isotherme Kompression und/oder eine isotherme Entspannung des Arbteitsgases ermöglicht.
Verdichtervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinrichtung (10) einen Plattenwärmetauscher umfasst.
Verdichtervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinrichtung (10) einen Rohrwärmeübertrager umfasst.
Verdichtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinrichtung (10) einen Sintermetallwärmetauscher umfasst.
Verdichtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinrichtung so ausgebildet ist, dass die räumliche Ausdehnung der Wärmetauschereinrichtung (10) in Verschieberichtung des Flüssigkeitskolbens kleiner ist als in einer Richtung orthogonal hierzu.
Verdichtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinrichtung (10) ein Gas/Flüssigkeits-Wärmetauscher ist.
Verdichtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfrequenz (f) in einem Bereich zwischen 5 Hz und 100 Hz und vorzugsweise im Bereich zwischen 30 Hz und 70 Hz liegt.
Verfahren zum Betreiben eines links- oder rechtsdrehenden Kreisprozesses, bei der ein Arbeitsgasvolumen (V_AG) ausgehend von einer Temperatur T₁ und einem unteren Druck p_u adiabatisch/isotherm komprimiert und ausgehend von einer Temperatur T2 und einem oberen Druck p_o isotherm/adiabatisch entspannt wird, wobei sich das Arbeitsgasvolumen (V_AG) aus einem adiabatischen Volumen (V_adi), das adiabatisch komprimierbar und entspannbar ist, und aus einem isothermen Volumen (V_iso), das isotherm komprimierbar und entspannbar ist, zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, dass das isotherme Volumen (V_iso) am Arbeitsgasvolumen (V_AG) mindestens einen Anteil von x = 1/4 pu / po aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kompression zunächst das adiabatische Volumen und anschließend das isotherme Volumen komprimiert und bei der Entspannung zunächst das isotherme Volumen und anschließend das adiabatische Volumen entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Druck (p_u) größer als 10 bar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass der obere Druck (p_o) kleiner als 100 bar ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch wenigstens eine Verdichtereinrichtung (40-i, 42-i; 70-i) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8.
Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch mindestens einen Regenerator (30; 78) zur Überbrückung der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur T1 und der Temperatur T2.
Vorrichtung, nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite Verdichtereinrichtung (22, 23; 70-1, 70-2) vorgesehen ist, dass die erste Verdichtereinrichtung (22; 70-1) eine erste Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung (24-1; 74-1) und die zweite Verdichtereinrichtung (23; 70-2) eine zweite Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung (24-2; 74-2) umfasst, dass beide Verdichtereinrichtungen (23, 24; 70-i) mit einer Motor/Generator-Einrichtung (32; 72, 90-i) verbunden sind, dass die beiden Verdichtereinrichtungen (23, 24; 70-i) über eine Arbeitsgasleitung (28; 76) mit Regenerator (30; 78) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Motor/Generator-Einrichtung einen ersten Motor/Generator (90-1) und einen zweiten Motor Generator (90-2) umfasst, und dass der erste Motor/Generator (90-1) mit der ersten Verdichtereinrichtung (70-1) und der zweite Motor/Generator (90-2) mit der zweiten Verdichtereinrichtung (70-2) verbunden ist.
Vorrichtung, nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite Verdichtereinrichtung (42-1, 42-2) und eine erste und eine zweite Entspannereinrichtung (40-1, 40-2) vorgesehen sind, dass die erste Entspannereinrichtung (40-1) eine erste Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung (44-1), die zweite Entspannereinrichtung (40-2) eine zweite Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung (44-2), die erste Verdichtereinrichtung (42-1) eine dritte Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung (44-3) und die zweite Verdichtereinrichtung (42-2) eine vierte Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschereinrichtung (44-4) umfasst, dass die erste und zweite Verdichtereinrichtung (42-1, 42-2) und die erste und zweite Entspannereinrichtung (40-1, 40-2) mit einer Motor/Generator-Einrichtung (60) verbunden sind, dass die erste Entspannereinrichtung (40-1) über eine erste Arbeitsgasleitung (56) und einen Gegenstromwärmetauscher (58) mit der ersten Verdichtereinrichtung (42-1) verbunden ist, dass die zweite Entspannereinrichtung (40-2) über eine zweite Arbeitsgasleitung (5662) und den Gegenstromwärmetauscher (58) mit der zweiten Verdichtereinrichtung (42-2) verbunden ist, und dass die erste und zweite Entspannereinrichtung (40-1, 40-2) mit einem ersten Wärmetauscherkreislauf (46, 47, 64, 46, 47 und die erste und zweite Verdichtereinrichtung (42-1, 42-2) mit einem zweiten Wärmetauscherkreislauf (50, 46, 47, 53, 46, 47, 54) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Motor/Generator-Einrichtungen (32; 60; 72; 90-i) über ein Getriebe () mit den Verdichter- und Entspannereinrichtungen (22, 23; 40-i, 42-i; 72; 90-i) verbunden sind.