DE102018001105A1 - Device and method as a thermal gas engine with regenerative CO2 circulation and heat pump process - Google Patents

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Abstract

Dieses Verfahren, dessen Funktion auf den Enthalpie- und Druckdifferenzen eines Hochdruckgases beruht, soll eingesetzt werden, um die Effizienz von herkömmlichen Gasmotoren zu erhöhen. Im Vergleich zu konventionellen Gasmotoren erzeugt dieses Verfahren eine größere Menge an elektrischer Energie.
Mittels einer Kälteanlage werden Druck- und Temperaturunterschiede erzeugt, die es erlauben die Entropie von CO2 soweit zu erhöhen, dass dadurch ein angeschlossener Gasmotor wirtschaftlicher angetrieben werden kann.
Die Vorrichtung kommt als Gasmotor in Biogasanlagen, oder zur allgemeinen Stromerzeugung zum Einsatz.

Figure DE102018001105A1_0000
This method, whose function is based on the enthalpy and pressure differences of a high-pressure gas, should be used to increase the efficiency of conventional gas engines. Compared to conventional gas engines, this process generates more electrical energy.
By means of a refrigeration system pressure and temperature differences are generated, which allow to increase the entropy of CO2 so far that a connected gas engine can be driven more economically.
The device is used as a gas engine in biogas plants, or for general power generation.
Figure DE102018001105A1_0000

Description

Vorrichtung und Verfahren als Thermo-Gasmotor mit regenerativer CO2-Zirkulation und Wärmepumpenprozess in Kombination mit einem Kältekreislauf, indem ein Hochdruckgas (wie z.B. R744 (CO2), R744A etc.) in einem geschlossenen System zunächst annähernd isochor und anschließend annähend isobar (Flüssiggasdruck zzgl. der Federkräfte und Reibungswiderstände) erwärmt und nach dessen Expansion wieder verflüssigt wird. Hierbei wirkt der linksläufige Kreisprozess eines Kälteprozesses auf den rechtsläufigen Kreisprozess eines Antriebes, indem ein Kältemittel im Druck-Enthalpie-Diagramm linksläufig annähernd isentrop bzw. polytrop verdichtet und verflüssigt wird, um mittels der Verdampfung des Kältemittels das im Enthalpie-Druck-Diagramm rechtsläufig-zirkulierende CO2 zu verflüssigen. Die CO2-Flüssigkeit wird mittels einer Wärmepumpe, sowie der Heißgastemperatur der Verdichter und/oder mit der Abwärme eines (Bio)-Gasmotors und/oder andere verfügbare Wärmequellen annähernd isochor erwärmt, um dadurch den Druck der CO2-Flüssigkeit zu erhöhen. Die Verdichter werden hierbei von kleineren Gasmotoren, andere Verbrennungsmotoren, oder Elektromotoren mit Brennstoffzelle(n) angetrieben.Device and method as a thermal gas engine with regenerative CO2 circulation and heat pump process in combination with a refrigeration cycle by a high-pressure gas (such as R744 (CO2), R744A etc.) in a closed system initially approximately isochoric and then approximately isobaric (LPG pressure plus. the spring forces and frictional resistance) is heated and liquefied after its expansion. In this case, the countercurrent cycle of a refrigeration process acts on the right-handed cyclic process of a drive by a refrigerant in the pressure-enthalpy diagram left is almost isentropically or polytropically compressed and liquefied, by means of the evaporation of the refrigerant the right-circulating in the enthalpy pressure diagram Liquefying CO2. The CO2 liquid is heated approximately isochorally by means of a heat pump, as well as the hot gas temperature of the compressors and / or with the waste heat of a (bio) gas engine and / or other available heat sources, thereby increasing the pressure of the CO2 liquid. The compressors are thereby driven by smaller gas engines, other internal combustion engines, or electric motors with fuel cell (s).

NAME DER ERFINDUNGNAME OF THE INVENTION

Vorrichtung und Verfahren als Thermo-Gasmotor mit regenerativer CO2-Zirkulation und Wärmepumpenprozess.Device and method as a thermal gas engine with regenerative CO2 circulation and heat pump process.

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Stromerzeugung, Antriebstechnik, Biogasanlagen, WärmerückgewinnungsanlagenPower generation, drive technology, biogas plants, heat recovery plants

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Es ist nicht bekannt, ob eine Kälteanlage, bzw. eine Wärmepumpe genutzt wird, um hohe CO2-Druckdifferenzen zu erzeugen, die wiederrum zum Antrieb eines Gasmotors genutzt werden können.It is not known whether a refrigeration system or a heat pump is used to generate high CO2 pressure differences, which in turn can be used to drive a gas engine.

DAS ZUGRUNDELIEGENDE PROBLEMTHE ROUNDING PROBLEM

Wegen den derzeitigen Auflagen und Ziele der nationalen und internationalen Behörden soll die Verbrennung von fossilen Brennstoffen für die Energieerzeugung aufgrund des Klimawandels und der Umweltverschmutzung reduziert, bzw. abgeschafft werden. Die Nutzung von z.B. Biogas zur Energieerzeugung trägt zur Erreichung der Energiewende bei. Mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren wird z.B. Biogas verwendet, um einen sekundär angeschlossenen CO2-Kreislauf zu verflüssigen und zu erwärmen, sowie um eine Wärmepumpe zu betreiben, die die gewonnene Wärmeenergie nutzt, um die Entropie von CO2 soweit zu erhöhen, dass dieses für den Antrieb eines nachgeschalteten Gasmotors nutzt werden kann. Der erzeugte Druck kann hierbei ein Mehrfaches vom dem betragen, was durch die Explosion von Gas, Benzin oder Diesel erreicht werden kann. Das verflüssigte CO2-Gas wird hierbei verdampft und mittels eines Verflüssigers wieder verflüssigt, sodass es in einem geschlossenen System kontinuierlich zirkuliert wird. Die Verdichter werden wahlweise von kleineren Gasmotoren, oder andere Motoren betrieben. Die Energie der Abgase wird ebenfalls für die annähernd isochore Erwärmung des CO2-Flüssiggases genutzt, was die Effizienz des Gasmotors wesentlich erhöht. Mit diesem Verfahren werden bei gleicher Menge an Biogas wesentlich höhere elektrische Leistungen erzielt.Due to current requirements and targets of national and international authorities, the burning of fossil fuels for energy production due to climate change and pollution should be reduced or eliminated. The use of e.g. Biogas for energy generation contributes to achieving the energy transition. By the method described below, e.g. Biogas is used to liquefy and heat a secondary-connected CO2 cycle and to run a heat pump that uses the thermal energy gained to increase the entropy of CO2 enough to drive a downstream gas engine. The pressure generated in this case can be a multiple of what can be achieved by the explosion of gas, gasoline or diesel. The liquefied CO2 gas is vaporized and liquefied by means of a condenser, so that it is continuously circulated in a closed system. The compressors are operated either by smaller gas engines, or other engines. The energy of the exhaust gases is also used for the approximately isochoric heating of the CO2 liquefied gas, which substantially increases the efficiency of the gas engine. With this method, significantly higher electrical outputs are achieved with the same amount of biogas.

ALLGEMEINESGENERAL

Dieses Verfahren nutzt die Eigenschaft eines flüssigen Hochdruckgases (wie z.B. CO2), mit einer geringen Temperaturerhöhung hohe Druckunterschiede erzielen zu können. Gemäß den physikalischen Gesetzen der Energieerhaltung handelt es sich hierbei vorwiegend um künstlich erzeugte Temperatur- und Druckunterschiede. Es wird sowohl die Energiezufuhr durch die Verdampfung eines Kältemittels, als auch die Energieabfuhr durch die Verflüssigung eines Kältemittels in einem physikalisch geschlossenem System eines Kreisprozesses (Kälteprozess) als Energiequelle genutzt. D.h. die benötigte Energie wird zum einen mit Hilfe einer Wärmepumpe der Umwelt (Erdreich, Wasser, Luft und andere Wärmequellen) entzogen, und zum anderen wird die Energie der Abgase der Antriebsmotoren und die Verdichtungsenergie der eingesetzten Verdichter genutzt, um hohe CO2-Drücke und große Enthalpie-Differenzen zu erhalten.This method utilizes the property of a liquid high pressure gas (such as CO2) to achieve high pressure differences with a small increase in temperature. According to the physical laws of energy conservation, these are predominantly artificially produced temperature and pressure differences. It is used both the energy supply by the evaporation of a refrigerant, as well as the energy dissipation by the liquefaction of a refrigerant in a physically closed system of a cycle process (refrigeration process) as an energy source. That The required energy is extracted from the environment (soil, water, air and other heat sources) with the help of a heat pump, and the energy of the exhaust gases of the drive motors and the compression energy of the compressors used to high CO2-pressures and high enthalpy To get differences.

Alle nachfolgend beschriebenen Ventile können direkt- oder pilotgesteuert ausgeführt werden, bzw. über z.B. Nockenwellen geöffnet und geschlossen werden. Alle Druckregelventile können mechanisch, thermo-mechanisch, oder über Druck- oder Temperaturtransmitter und einer Elektronik angesteuert werden. Die Antriebe aller automatisierten Ventile können entweder mechanisch, elektro-mechanisch, elektrisch, elektro-magnetisch, pneumatisch, hydraulisch, oder gleichwertig ausgeführt werden. Die aufgeführten Wärmetauscher können sowohl als Rohrbündel-, als auch als Platten-, oder Micro-Channel-Wärmetauscher oder sonstigen Wärmeaustauschtechnologien ausgeführt werden. Die nachfolgend beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren, das als wirtschaftlicher Antrieb von Gasmotoren eingesetzt werden soll, erzeugt mittels der zuvor erwähnten Energiequellen große Enthalpie-Differenzen bei hohen Drücken, die auf die Kolbenoberflächen des Gasmotors wirken.All valves described below can be carried out directly or pilot-controlled, or via e.g. Camshafts are opened and closed. All pressure control valves can be controlled mechanically, thermo-mechanically, or via pressure or temperature transmitters and electronics. The drives of all automated valves can be either mechanical, electro-mechanical, electrical, electro-magnetic, pneumatic, hydraulic, or equivalent. The listed heat exchangers can be designed as tube bundle, as well as plate, or micro-channel heat exchangers or other heat exchange technologies. The apparatus described below and the method described, which is to be used as an economical drive of gas engines, generates by means of the aforementioned energy sources large enthalpy differences at high pressures acting on the piston surfaces of the gas engine.

Figurenliste list of figures

  • 1:
    • Die Darstellung der Druck-Temperaturkurve von CO2 im Vergleich zu NH3 soll veranschaulichen, dass nur eine geringe Temperaturerhöhung von CO2, oder eines ähnlichen Hochdruckgases zu hohen Drücken führt. Es wird eine geringe Energiezufuhr benötigt, die zum wirtschaftlichen Antrieb von Gasmotoren führt.
    1 :
    • The representation of the pressure-temperature curve of CO2 compared to NH3 is intended to illustrate that only a small increase in temperature of CO2, or similar high-pressure gas leads to high pressures. It requires a low energy input, which leads to the economic drive of gas engines.
  • 2:
    • Darstellung des Verfahrens im Druck-Enthalpie-Diagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens von zwei voneinander getrennten Kreisprozessen, wobei der linksläufige Kreisprozess eines Kühlkreislaufes (A-B-D-E) den rechtsläufigen Kreisprozess (G-H-K-L) kühlt und u.U. auch erwärmt. Im linksläufigen Kreisprozess kann ein anderes Kältemittel verwendet werden, als im rechtsläufigen Kreisprozess. Es wird darauf hingewiesen, dass die Figur lediglich zum Verständnis der Vorrichtung und des Verfahrens dient. Die exakte Lage der einzelnen Linien, bzw. der Betriebszustände können je nach den tatsächlich vorherrschenden Drücken, Temperaturen, Enthalpie etc. variieren und sind für das Verfahren deshalb nicht bindend. Wegen den Wirkungsgraden, den Reibungswiderständen, den Federkräften, den Öffnungsdifferenzdrücken der eingesetzten Ventile, den Druckverlusten in den verwendeten Komponenten, wie Wärmetauscher, Rohrleitungen etc. ändern sich die im Diagramm dargelegten Betriebszustände, sodass die hier verwendeten Begriffe isobar, isochor, isentrop etc. nicht exakt zutreffen, sondern nur als Orientierungshilfe dienen sollen. Wird z.B. der Begriff „bei gleichbleibender Enthalpie“ verwendet, kann sich dies nur auf eine adiabatische Zustandsänderung beziehen, wobei die Enthalpie in reellen Zuständen nicht zwingend gleichbleibend sein muss. sondern sich z.B. in Abhängigkeit der Entropie ändern kann. Gleiches gilt u.a. auch für die Druck-, Temperatur-, und Dichteangaben, die lediglich zum Verständnis dienen sollen und von den reellen Zuständen abweichen können.
    • Ein Gasverdichter (1), der zur Vermeidung der Verbrennung des Schmierstoffes bei hohen Verdichtungsendtemperaturen eventuell auch ohne Öl betrieben werden kann, saugt das überhitzte Gas vom Punkt (A) an und verdichtet es auf Punkt (B). Das heiße Gas mit der Enthalpie-Differenz-Strecke (B-C) wird für die isochore Erwärmung der CO2-Flüssigkeit (8) mit Enthalpie-Differenz (H-G) genutzt. Sollte die Enthalpie-Differenz (B-C) kleiner als die Enthalpie-Differenz (H-G) sein, bzw. die Verdichtungsendtemperatur (B) niedriger sein, als die benötigte Temperatur am Punkt (H), wird die Wärmeenergie der Wärmepumpe und/oder die Abgaswärmeenergie des Biogasmotors des Verdichters (1) genutzt, um dies auszugleichen.
    • Das Kältemittel wird vom Punkt (C) auf Punkt (D) von der Umgebungstemperatur der Vorrichtung gekühlt, verflüssigt und evtl. unterkühlt. Wird die Verdichtungswärme der Strecke (2) vom Punkt (B) bis ca. Punkt (C) nicht für die annähernd isochore Erwärmung der Flüssigkeit (8) genutzt, wird diese Wärmemenge ebenfalls an die Umgebungsluft abgegeben, d.h. das Kältemittel wird vom Punkt (B) bis Punkt (D) von der Umgebungsluft der Vorrichtung gekühlt, verflüssigt und evtl. unterkühlt. Wie bei einem konventionellen Kühlkreislauf liegt die Kondensationstemperatur, bzw. der Druck der Strecken (2) und (3) oberhalb der Umgebungstemperatur, um die Wärme entsprechend abführen zu können. Das eingesetzte Kältemittel im Kreislauf (A-B-D-E) kann vom Hochdruckgas des Kreislaufes (G-H-K-L) verschieden sein, sodass eine Verflüssigung im subkritischen Bereich möglich ist. Im Kreislauf (A-B-D-E) kann auch ein Hochdruckkältemittel, wie z.B. CO2, eingesetzt werden, dass jedoch im transkritischen Bereich gekühlt und u.U. nicht verflüssigt wird. In diesem Fall würde der Punkt (D) im transkritischen Bereich liegen (nicht dargestellt). Das Kältemittel wird vom Punkt (D) auf Punkt (E) entspannt, d.h. bei konstanter Enthalpie expandiert. Dieses expandierte Kältemittel nimmt in einem Wärmetauscher (5) die Energie des ebenfalls expandierten Hochdruckkältemittels (7) auf, um dieses vom Punkt (L) auf Punkt (G) zu kühlen und zu verflüssigen. Das vom Punkt (F) bis Punkt (A) überhitzte Kältemittel wird wieder vom Verdichter (1) angesaugt. Um die Verdichtungsendtemperatur (B) bis oberhalb der Temperatur am Punkt (H) oder wahlweise auch am Punkt (K) zu erhöhen, mit welcher das Flüssiggas auf der Strecke (8) isochor und gegebenenfalls isobar (9) erwärmt werden kann, kann die Länge der Strecke (6) mit z.B. einem zusätzlichen Wärmetauscher verlängert werden. Bei größerer Überhitzung wird Punkt (A) und folglich auch Punkt (B) nach rechts verschoben. Die hierfür benötigte Wärmemenge kann der Umgebungsluft, der restlichen Abwärme des Biogasmotors, oder einer anderen zur Verfügung stehenden Wärmequellen entzogen werden.
    • Der Kühlkreislauf (A-B-D-E) wird demnach primär für die Verflüssigung eines Hochdruckgases, wie z.B. R744, R744A o.ä., eingesetzt und wahlweise sekundär auch für die isochore Erwärmung des Flüssiggases (8), in Form einer Wärmerückgewinnung gemäß dem Prinzip einer Wärmepumpe verwendet.
    • Das verflüssigte CO2 am Punkt (G) wird in einen geschlossenen, ausdehnbaren Behälter (Ladezylinder) gepumpt, welcher vollständig mit der Flüssigkeit befüllt wird. Nach der Befüllung wird der Zulauf geschlossen, sodass die Flüssigkeit nicht rückwärts von Punkt (G) in Richtung (L) fließen kann. Der Flüssigkeitsbehälter (8) muss den Drücken am Punkt (H) standhalten können, sowie ggf. von Punkt (H) nach Punkt (K) ausdehnbar sein, was mit Hilfe von z.B. zwei sich ineinander verschiebbaren Zylindern mit angebrachten Zugfedern realisieren lassen könnte. Die CO2-Flüssigkeit im Behälter (8) lässt sich mit internen und/oder externen Wärmetauschern erhitzen, um die eingesperrte Flüssigkeit zunächst annähernd isochor (G-H) und anschließend annähernd isobar (H-K) erwärmen zu können.
    • Wie bereits zuvor erwähnt wird für die isochore Erwärmung der Flüssigkeit (8) mit Enthalpie-Differenz (H-G) das heiße Kältemittel mit Enthalpie-Differenz (B-C) genutzt, wobei die Verdichtungstemperatur (B) höher kann sollte als die Temperatur am Punkt (H), bzw. am Punkt (K). Sollte die Enthalpie-Differenz (B-C) kleiner als die Enthalpie-Differenz (K-G) sein, bzw. die Verdichtungsendtemperatur (B) niedriger sein, als die benötigte Temperatur am Punkt (H), wird die Wärmeenergie der Wärmepumpe und/oder die Abwärme des Biogasmotors genutzt, um dies auszugleichen.
    • Am Punkt (H) ist der gewünschte, einstellbare Druck erreicht. Wird mehr Energie zugeführt, dehnt sich der Behälter von Punkt (H) nach Punkt (K) aus. Alternativ kann (muss) ungewollter, überschüssiger Druck gemäß den gültigen, technischen Verordnungen über gegendruckunabhängige Sicherheitsventile auf Punkt (L), bzw. über gegendruckabhängige Sicherheitsventile in die Atmosphäre abgeblasen werden.
    • Wird die Flüssigkeit von Punkt (H) auf Punkt (K) annähernd entlang der Isobaren (zzgl. den Druckanstieg durch Reibungswiderstande und Federkräfte) erwärmt, dehnt sich der Behälter aus und die CO2-Flüssigkeit beginnt zu verdampfen, wobei das Volumen zunimmt. Die Länge der Strecke (9) ist variabel und muss je nach Antrieb empirisch ermittelt werden. Für die Erwärmung der Flüssigkeit von Punkt (H) auf Punkt (K) wird, wie unter 3 beschrieben u.a. die Wärmeenergie der Wärmepumpe genutzt. Das Flüssiggas wird annähernd adiabatisch auf die Oberflächen der Kolben, vom Punkt (K) auf den Punkt (L) übertragen.
    2 :
    • Representation of the process in the pressure-enthalpy diagram to illustrate the process of two separate cycle processes, the left-handed cycle of a cooling circuit (ABDE) the right-handed cycle (GHKL) cools and may also be heated. In the left-handed cycle, a different refrigerant can be used than in the clockwise cycle. It should be noted that the figure is only for understanding the device and the method. The exact position of the individual lines, or the operating states can vary depending on the actual prevailing pressures, temperatures, enthalpy, etc. and are therefore not binding for the process. Because of the efficiencies, the frictional resistances, the spring forces, the opening differential pressures of the valves used, the pressure losses in the components used, such as heat exchangers, pipelines, etc. change the operating states shown in the diagram, so that the terms used here isobaric, isochoric, isentrop, etc. not exactly apply, but should only serve as a guide. If, for example, the term "at constant enthalpy" is used, this can only refer to an adiabatic state change, whereby the enthalpy in real states does not necessarily have to be constant. but can change eg depending on the entropy. The same applies, among other things, to the pressure, temperature, and density specifications, which are only intended to serve as an understanding and may deviate from the real states.
    • A gas compressor ( 1 ), which may also be operated without oil to prevent the combustion of the lubricant at high compression end temperatures, sucks the superheated gas from the point ( A ) and condenses it to point ( B ). The hot gas with the enthalpy difference distance (BC) is used for the isochoric heating of the CO2 liquid ( 8th ) with enthalpy difference ( HG ) used. Should the enthalpy difference ( BC ) smaller than the enthalpy difference ( HG ), or the compression end temperature ( B ) lower than the required temperature at the point ( H ), the heat energy of the heat pump and / or the exhaust heat energy of the biogas engine of the compressor ( 1 ) used to compensate for this.
    • The refrigerant is removed from the point ( C ) to point ( D ) cooled from the ambient temperature of the device, liquefied and possibly supercooled. Is the heat of compression of the track ( 2 ) from the point ( B ) to approx. point ( C ) not for the approximately isochore heating of the liquid ( 8th ), this amount of heat is also released to the ambient air, ie the refrigerant is from the point ( B ) to point ( D ) cooled by the ambient air of the device, liquefied and possibly supercooled. As with a conventional cooling circuit, the condensation temperature or the pressure of the sections ( 2 ) and ( 3 ) above the ambient temperature to dissipate the heat accordingly. The used refrigerant in the circuit ( FROM - DE ) can from the high-pressure gas of the circuit ( GH - KL ), so that liquefaction in the subcritical range is possible. In the cycle ( FROM - DE ) can also be a high-pressure refrigerant, such as CO2, are used, but that is cooled in the trans-critical range and may not be liquefied. In this case, the point ( D ) are in the transcritical range (not shown). The refrigerant is removed from the point ( D ) to point ( e ), that is expanded at constant enthalpy. This expanded refrigerant takes in a heat exchanger ( 5 ) the energy of the likewise expanded high-pressure refrigerant ( 7 ) to get this from the point ( L ) to point ( G ) to cool and liquefy. That from the point ( F ) to point ( A ) superheated refrigerant is returned from the compressor ( 1 sucked). To the compression end temperature ( B ) above the temperature at the point ( H ) or alternatively at the point ( K ), with which the liquefied gas on the route ( 8th ) isochorous and optionally isobaric ( 9 ), the length of the track ( 6 ) be extended with eg an additional heat exchanger. In the case of greater overheating, point ( A ) and therefore also point ( B ) moved to the right. The amount of heat required for this purpose can be withdrawn from the ambient air, the remaining waste heat of the Biogas engine, or any other available heat sources.
    • The cooling circuit ( FROM - DE ) is therefore primarily used for the liquefaction of a high-pressure gas, such as R744, R744A or similar, and optionally also for the isochoric heating of the liquefied gas ( 8th ), used in the form of heat recovery according to the principle of a heat pump.
    • The liquefied CO2 at the point ( G ) is pumped into a closed, expandable container (loading cylinder), which is completely filled with the liquid. After filling, the inlet is closed so that the liquid does not move backwards from point ( G ) in the direction ( L ) can flow. The liquid container ( 8th ) must match the pressures at the point ( H ) and possibly from point ( H ) to point ( K ) be expandable, which could be realized with the help of eg two telescoping cylinders with attached tension springs. The CO2 liquid in the container ( 8th ) can be heated with internal and / or external heat exchangers in order to initially close the caged liquid ( GH ) and then approximately isobaric ( HK ) to heat.
    • As already mentioned above, for the isochore heating of the liquid ( 8th ) with enthalpy difference ( HG ) the hot refrigerant with enthalpy difference ( BC ), the compression temperature ( B ) should be higher than the temperature at the point ( H ), or at the point ( K ). Should the enthalpy difference ( BC ) smaller than the enthalpy difference ( KG ), or the compression end temperature ( B ) lower than the required temperature at the point ( H ), the heat energy of the heat pump and / or the waste heat of the Biogas engine is used to compensate for this.
    • At the point ( H ) the desired, adjustable pressure is reached. If more energy is supplied, the container expands from point ( H ) to point ( K ) out. Alternatively (must) unintentional, excess pressure in accordance with the valid technical regulations on back pressure-independent safety valves to point ( L ), or be blown off via counter pressure-dependent safety valves in the atmosphere.
    • Is the liquid from point ( H ) to point ( K ) heated approximately along the isobars (plus the pressure increase due to frictional resistance and spring forces), the container expands and the CO2 liquid begins to evaporate, increasing the volume. The length of the route ( 9 ) is variable and must be determined empirically depending on the drive. For heating the liquid from point ( H ) to point ( K ), as under 3 described among other things the heat energy of the heat pump used. The LPG is approximately adiabatic to the surfaces of the pistons, from the point ( K ) to the point ( L ) transfer.
  • 3:
    • Darstellung des Verfahrens im Druck-Enthalpie-Diagramm wie unter 2 beschrieben, jedoch für den Wärmepumpenprozess, der für die Erwärmung des CO2-Kreislaufes zuständig ist, nicht jedoch für dessen Verflüssigung. Der linksläufige Kreisprozess eines Kühlkreislaufes (A'-B'-D'-E') erwärmt mit der Strecke (B'-C') den rechtsläufigen Kreisprozess (G-H-K). Im linksläufigen Kreisprozess kann ein anderes Kältemittel verwendet werden, als im rechtsläufigen Kreisprozess. Wie unter 2 beschrieben, wird darauf hingewiesen, dass die Figur lediglich zum Verständnis der Vorrichtung und des Verfahrens dient.
    • Ein Gasverdichter (1'), der zur Vermeidung der Verbrennung des Schmierstoffes bei hohen Verdichtungsendtemperaturen eventuell auch ohne Öl betrieben werden kann, saugt das überhitzte Gas vom Punkt (A') an und verdichtet es auf Punkt (B'). Das heiße Kältemittel mit der Enthalpie-Differenz-Strecke (B'-C') wird u.a. für die isochore Erwärmung der CO2-Flüssigkeit (8) mit Enthalpie-Differenz (H-G) und für die annähernd isobare Erwärmung vom Punkt (H) auf Punkt (K) genutzt.
    • Das Kältemittel wird vom Punkt (C') auf Punkt (D') von der Umgebungstemperatur der Vorrichtung gekühlt, verflüssigt und evtl. unterkühlt. Wird die Verdichtungswärme der Strecke (2) vom Punkt (B') bis ca. Punkt (C') nicht für die Erwärmung der Flüssigkeit (8 & 9) genutzt, wird diese Wärmemenge ebenfalls an die Umgebungsluft abgegeben, d.h. das Kältemittel wird vom Punkt (B') bis Punkt (D') von der Umgebungsluft der Vorrichtung gekühlt, verflüssigt und evtl. unterkühlt. Wie bei einem konventionellen Kühlkreislauf liegt die Kondensationstemperatur, bzw. der Druck der Strecken (2') und (3') oberhalb der Umgebungstemperatur, um die Wärme entsprechend abführen zu können. Das Kältemittel wird vom Punkt (D') auf Punkt (E') entspannt, d.h. bei konstanter Enthalpie expandiert. Dieses expandierte Kältemittel nimmt in einem Wärmetauscher (5') die Energie aus dem Erdreich, aus der Umgebungsluft, dem Wasser, oder einer anderen Energiequelle auf. Der Wärmepumpenkreislauf (A'-B'-D'-E') wird demnach primär für die Erwärmung des Hochdruckgases, wie z.B. R744, R744A o.ä., eingesetzt, indem die Energie an das zuvor verflüssigte CO2 in einen geschlossenen, ausdehnbaren Behälter (Ladezylinder) abgegeben wird.
    3 :
    • Representation of the procedure in the pressure-enthalpy diagram as under 2 However, for the heat pump process, which is responsible for the heating of the CO2 cycle, but not for its liquefaction. The left-handed cycle of a cooling circuit ( A'-B'-D'-E ' ) heated with the track ( B'-C ' ) the right-handed circular process ( GHK ). In the left-handed cycle, a different refrigerant can be used than in the clockwise cycle. As under 2 described, it is noted that the figure is only for understanding the device and the method.
    • A gas compressor ( 1' ), which may also be operated without oil to prevent the combustion of the lubricant at high compression end temperatures, sucks the superheated gas from the point ( A ' ) and condenses it to point ( B ' ). The hot refrigerant with the enthalpy difference path ( B'-C ' ) is used inter alia for the isochoric heating of the CO2 liquid ( 8th ) with enthalpy difference ( HG ) and for the approximately isobaric heating of the point ( H ) to point ( K ) used.
    • The refrigerant is removed from the point ( C ' ) to point ( D ' ) cooled from the ambient temperature of the device, liquefied and possibly supercooled. Is the heat of compression of the track ( 2 ) from the point ( B ' ) to approx. point ( C ' ) not for the heating of the liquid ( 8th & 9 ), this amount of heat is also released to the ambient air, ie the refrigerant is from the point ( B ' ) to point ( D ' ) cooled by the ambient air of the device, liquefied and possibly supercooled. As with a conventional cooling circuit, the condensation temperature or the pressure of the sections ( 2 ' ) and ( 3 ' ) above the ambient temperature to dissipate the heat accordingly. The refrigerant is removed from the point ( D ' ) to point ( e ' ), that is expanded at constant enthalpy. This expanded refrigerant takes in a heat exchanger ( 5 ' ) the energy from the soil, from the ambient air, the water, or another energy source. The heat pump cycle ( FROM' - D'-E ' ) is therefore used primarily for heating the high-pressure gas, such as R744, R744A or similar, by the energy is transferred to the previously liquefied CO2 in a closed, expandable container (load cylinder).
  • 4:
    • Darstellung des CO2-Kreislaufes gemäß (G-H-K-L, 2). Alternativ kann auch ein anderes Hochdruckgas eingesetzt werden. Das CO2 wird vom Kältekreislauf (8) im Verflüssiger (43) verflüssigt und im Sammler (45) angestaut und ggf. unterkühlt. Das flüssige, unterkühlte CO2 wird mit Hilfe der Ladepumpe (50) einem der zwei Ladezylinder (30a oder 30b, 6) zugeführt.
    • Befüllung des Ladezylinders (30a): Die beiden Magnetventile (52a und 56a) werden zunächst geöffnet, um den Ladezylinder (30a) mit Hilfe der Ladepumpe (50) mit flüssigem CO2 zu befüllen und die vorhandene Wärmeenergie abzuführen. Danach wird das Magnetventil (52a) geschlossen. Die Ladepumpe (50) pumpt flüssiges CO2 über das Magnetventil (56a) in den Ladezylinder (30a). Die übrigen Magnetventile (53a und 54a) bleiben während des Ladevorganges geschlossen. Ist der Ladezylinder vollständig befüllt, schließt auch das Magnetventil (56a). Das CO2 wird nun wie unter 8 beschrieben, annähernd isochor und anschließend annähernd isobar erhitzt, wobei sich der Druck weiter erhöht und sich der Ladezylinder ausdehnt. Bei maximaler Ausdehnung des Ladezylinders (30a) wird das Magnetventil (54a) geöffnet. Das CO2 wird somit auf die Kolbenoberflächen des Gasmotors geleitet, wo es Antriebsarbeit verrichtet. Nach verrichteter Arbeit strömt das CO2 aus dem Gasmotor über das Expansionsventil (23) in den Verflüssiger (43). Ist der Ladezylinder (30a) annähernd entleert, schließt das Magnetventil (54a) und das Magnetventil (53a) wird geöffnet. Der restliche, sich im Ladezylinder (30a) befindliche CO2-Druck, wird über das Expansionsventil (57) in den Verflüssiger (43) entspannt.
    • Befüllung des Ladezylinders (30b): Die beiden Magnetventile (52b und 56b) werden zunächst geöffnet, um den Ladezylinder (30b) mit Hilfe der Ladepumpe (50) mit flüssigem CO2 zu befüllen und die vorhandene Wärmeenergie abzuführen. Danach wird das Magnetventil (52b) geschlossen. Die Ladepumpe (50) pumpt flüssiges CO2 über das Magnetventil (56b) in den Ladezylinder (30b). Die übrigen Magnetventile (53b und 54b) bleiben während des Ladevorganges geschlossen. Ist der Ladezylinder vollständig befüllt, schließt auch das Magnetventil (56b). Das CO2 wird nun wie unter 8 beschrieben, annähernd isochor und anschließend annähernd isobar erhitzt, wobei sich der Druck weiter erhöht und sich der Ladezylinder ausdehnt. Bei maximaler Ausdehnung des Ladezylinders (30b) wird das Magnetventil (54b) geöffnet. Das CO2 wird somit auf die Kolbenoberflächen des Gasmotors geleitet, wo es Antriebsarbeit verrichtet. Nach verrichteter Arbeit strömt das CO2 aus dem Gasmotor über das Expansionsventil (23) in den Verflüssiger (43). Ist der Ladezylinder (30b) annähernd entleert, schließt das Magnetventil (54b) und das Magnetventil (53b) wird geöffnet. Der restliche, sich im Ladezylinder (30b) befindliche CO2-Druck, wird über das Expansionsventil (57) in den Verflüssiger (43) entspannt.
    4 :
    • Presentation of the CO2 cycle according to ( GH - KL . 2 ). Alternatively, another high-pressure gas can be used. The CO2 is removed from the refrigeration cycle ( 8th ) in the liquefier ( 43 ) liquefied and in the collector ( 45 ) and possibly undercooled. The liquid, supercooled CO2 is removed with the help of the charge pump ( 50 ) one of the two loading cylinders ( 30a or 30b . 6 ).
    • Filling the loading cylinder ( 30a) : The two solenoid valves ( 52a and 56a) are first opened to the loading cylinder ( 30a) with the help of the charge pump ( 50 ) to fill with liquid CO2 and dissipate the existing heat energy. Then the solenoid valve ( 52a) closed. The charge pump ( 50 ) pumps liquid CO2 via the solenoid valve ( 56a) in the loading cylinder ( 30a) , The remaining solenoid valves ( 53a and 54a) remain closed during the charging process. If the loading cylinder is completely filled, the solenoid valve ( 56a) , The CO2 is now as under 8th described, approximately isochoric and then heated approximately isobaric, with the pressure further increases and the loading cylinder expands. At maximum extension of the loading cylinder ( 30a) will the solenoid valve ( 54a) open. The CO2 is thus directed to the piston surfaces of the gas engine, where it performs drive work. After the work has been done, the CO2 flows out of the gas engine via the expansion valve ( 23 ) in the liquefier ( 43 ). Is the loading cylinder ( 30a) almost empty, the solenoid valve closes ( 54a) and the solenoid valve ( 53a) will be opened. The rest, in the loading cylinder ( 30a) located CO2 pressure, is via the expansion valve ( 57 ) in the liquefier ( 43 ) relaxed.
    • Filling the loading cylinder ( 30b) : The two solenoid valves ( 52b and 56b) are first opened to the loading cylinder ( 30b) with the help of the charge pump ( 50 ) to fill with liquid CO2 and dissipate the existing heat energy. Then the solenoid valve ( 52b) closed. The charge pump ( 50 ) pumps liquid CO2 via the solenoid valve ( 56b) in the loading cylinder ( 30b) , The remaining solenoid valves ( 53b and 54b) remain closed during the charging process. If the loading cylinder is completely filled, the solenoid valve ( 56b) , The CO2 is now as under 8th described, approximately isochoric and then heated approximately isobaric, with the pressure further increases and the loading cylinder expands. At maximum extension of the loading cylinder ( 30b) will the solenoid valve ( 54b) open. The CO2 is thus directed to the piston surfaces of the gas engine, where it performs drive work. After the work has been done, the CO2 flows out of the gas engine via the expansion valve ( 23 ) in the liquefier ( 43 ). Is the loading cylinder ( 30b) almost empty, the solenoid valve closes ( 54b) and the solenoid valve ( 53b) will be opened. The rest, in the loading cylinder ( 30b) located CO2 pressure, is via the expansion valve ( 57 ) in the liquefier ( 43 ) relaxed.
  • 5:
    • Darstellung eines 4-Zylinder Gasmotors mit Kolben (18a bis 18d), die über die jeweiligen Pleuelstangen an der gemeinsamen Kurbelwelle (19) befestigt sind. Es können auch Kolbenmotoren mit mehr oder weniger Zylinder verwendet werden. Die Anzahl der Zylinder ist für das Verfahren nicht relevant oder bindend. Das CO2, oder ein anderes Hochdruckgas, wird über die Einlassventile (20a, 20b, 20c und 20d) zeitversetzt in die jeweiligen Zylinderköpfe (22a bis 22d) geleitet. Die Ansteuerung aller Einlass- und
    • Auslassventile kann über eine konventionelle Nockenwelle, oder auch über eine andere mechanische, elektro-magnetische, hydraulische, oder pneumatische Ansteuerungsart erfolgen. Die wechselseitig zu öffnenden Magnetventile (54a & 54b) steuern den Zufluss von CO2 zu den Einlassventilen. Nach erfolgter Antriebsarbeit des jeweiligen Kolbens,
    • wird das CO2 über das zugehörige Auslassventil (21a, 21b, 21c oder 21d) aus den Zylinderkopf (22a bis 22d) befördert und über das Expansionsventil (23) in den Verflüssiger geleitet.
    5 :
    • Illustration of a 4-cylinder gas engine with piston ( 18a to 18d) which are connected via the respective connecting rods to the common crankshaft ( 19 ) are attached. It is also possible to use piston engines with more or less cylinders. The number of cylinders is not relevant or binding for the procedure. The CO2, or another high-pressure gas, is released via the intake valves ( 20a . 20b . 20c and 20d) delayed in the respective cylinder heads ( 22a to 22d) directed. The control of all intake and
    • Exhaust valves can be via a conventional camshaft, or via another mechanical, electro-magnetic, hydraulic, or pneumatic control. The mutually open solenoid valves ( 54a & 54b) control the inflow of CO2 to the intake valves. After the drive work of the respective piston,
    • is the CO2 via the associated exhaust valve ( 21a . 21b . 21c or 21d) from the cylinder head ( 22a to 22d) conveyed and via the expansion valve ( 23 ) into the condenser.
  • 6:
    • Wie 5. Darstellung der Einlass- (20a & 20b) und Auslassventile (21a & 21b), die wie in einem konventionellen Gasmotor von einer Nockenwelle angesteuert werden können.
    6 :
    • As 5 , Presentation of the inlet ( 20a & 20b ) and exhaust valves ( 21a & 21b ), which can be controlled by a camshaft as in a conventional gas engine.
  • 7:
    • Darstellung von zwei ausdehnbaren Ladezylindern, bestehend aus je zwei Hälften (30a & 30a2) und (30b & 30b2), die sich jeweils übereinander-, bzw. ineinanderschieben lassen. Eine Abdichtung (34) verhindert das Austreten von Gas in die Atmosphäre. Alternativ kann auch eine Faltenbalgtechnik oder ähnlich verwendet werden. Das sich im jeweiligen Ladezylinder befindliche CO2 wird vom Punkt (G, 1) auf Punkt (K, 1) entlang der Strecken (8 & 9) erwärmt. Am wählbaren Punkt (H, 1) beginnt sich der Ladezylinder auszudehnen, bis der wählbare Punkt (K, 1) erreicht ist. Wird der Punkt (K, 1) erreicht, öffnet das Magnetventil (54a bzw. 54b), um das CO2 in den Gasmotor zu leiten. Zugfedern (31) halten die beiden Zylinderhälften (30a & 30a2) bzw. (30b & 30b2) zusammen. Beim Überschreiten von Punkt (H, 1) fangen die Federn (31) an sich bis Punkt (K, 1) auszudehnen. Der Ladezylinder (30a) befindet sich unterhalb oder am Punkt (H, 1) und der Ladezylinder (30b) befindet sich am Punkt (K, 1) mit den belasteten Zugfedern (31) und der ausgefahrenen Zylinderhälfte (30b2). Die jeweilige Funktion der übrigen Magnetventile wird in den nachfolgenden Figuren beschrieben. Die jeweiligen Magnetventile werden anderweitig beschrieben.
    7 :
    • Representation of two expandable loading cylinders, each consisting of two halves ( 30a & 30a2 ) and ( 30b & 30b2 ), which can be superimposed or pushed into each other. A seal ( 34 ) prevents the escape of gas into the atmosphere. Alternatively, a bellows technique or the like may be used. The CO2 in the respective loading cylinder is from point ( G . 1 ) to point ( K . 1 ) along the routes ( 8th & 9 ) is heated. At the selectable point ( H . 1 ) the loading cylinder begins to expand until the selectable point (K, 1 ) is reached. If the point (K, 1 ), the solenoid valve ( 54a or. 54b) to direct the CO2 into the gas engine. Tension springs ( 31 ) hold the two cylinder halves ( 30a & 30a2 ) or. ( 30b & 30b2 ) together. When crossing point ( H . 1 ) catch the feathers ( 31 ) in itself to point ( K . 1 ) expand. The loading cylinder ( 30a) is below or at the point ( H . 1 ) and the loading cylinder ( 30b) is at the point ( K . 1 ) with the loaded tension springs ( 31 ) and the extended cylinder half ( 30b2 ). The respective function of the remaining solenoid valves will be described in the following figures. The respective solenoid valves will be described elsewhere.
  • 8:
    • Funktion der Ladezylinder (30a / 30b) wie unter 6 beschrieben. Diese Figur zeigt die Beheizungsmethoden der zwei Ladezylinder. Der Verdichter (42), der von einem Biogasmotor (43a) angetrieben wird, komprimiert ein Kältemittel auf den Verflüssigungsdruck. Im Wärmetauscher (33) wird ein Teil der Wärmeenergie des Kältemittels an das CO2, das mit Hilfe der Umwälzpumpe (36a) mit optionalem Überströmventil wechselweise in den Ladezylinder (30a) oder den Ladezylinder (30b) geleitet wird, abgegeben. Wird im Wärmetauscher (33) keine oder weniger Wärmeenergie benötigt, öffnet das Magnetventil (39b) den Bypass zum Verflüssiger (44, 8). Das CO2 wird von der Pumpe (36a) über die geöffneten Magnetventile (51a / 55a) oder (51b / 55b) umgewälzt, um das CO2 mit der Enthalpie-Differenz (B-C, 1) des Verdichters, vom Punkt (G, 1) auf Punkt (H und/oder K, 1), entlang der Strecken (8 & 9) zu erwärmen.
    • Der Verdichter (42) wird von einem Biogasmotor (43a) angetrieben. Die Energie der Abgase des Biogasmotors (43a) wird im Wärmetauscher (43b) an das CO2 abgegeben. Wie zuvor beschrieben wird das CO2 von der Pumpe (36b) über die geöffneten Magnetventile (51a / 55a) oder (51b / 55b) umgewälzt.
    • Der Verdichter (60), der von einem weiteren Biogasmotor (61a) angetrieben wird, komprimiert ein Kältemittel auf den Verflüssigungsdruck. Im Wärmetauscher (66) wird ein Teil der Wärmeenergie des Kältemittels an das CO2, das mit Hilfe der Umwälzpumpe (35a) mit optionalem Überströmventil wechselweise in den Ladezylinder (30a) oder den Ladezylinder (30b) geleitet wird, abgegeben. Wird im Wärmetauscher (66) keine oder weniger Wärmeenergie benötigt, öffnet das Magnetventil (67) den Bypass zum Verflüssiger (62, 9). Das CO2 wird von der Pumpe (35a) über die geöffneten Magnetventile (51a / 55a) oder (51b / 55b) umgewälzt, um das CO2 mit der Enthalpie-Differenz (B-C, 1) des Verdichters, vom Punkt (G, 1) auf Punkt (H und/oder K, 1), entlang der Strecken (8 & 9) zu erwärmen.
    • Der Verdichter (60) wird von einem Biogasmotor (61a) angetrieben. Die Energie der Abgase des Biogasmotors (61a) wird im Wärmetauscher (61b) an das CO2 abgegeben. Wie zuvor beschrieben wird das CO2 von der Pumpe (35b) über die geöffneten Magnetventile (51a / 55a) oder (51b / 55b) umgewälzt.
    8th :
    • Function of the loading cylinder ( 30a / 30b) as under 6 described. This figure shows the heating methods of the two loading cylinders. The compressor ( 42 ) obtained from a biogas engine ( 43a) is driven, compresses a refrigerant to the condensing pressure. In the heat exchanger ( 33 ) is a part of the heat energy of the refrigerant to the CO2, with the help of the circulating pump ( 36a) with optional overflow valve alternately into the loading cylinder ( 30a) or the loading cylinder ( 30b) passed. Is in the heat exchanger ( 33 ) requires no or less heat energy, the solenoid valve opens ( 39b) the bypass to the liquefier ( 44 . 8th ). The CO2 is released from the pump ( 36a) over the open solenoid valves ( 51a / 55a) or ( 51b / 55b ) in order to calculate the CO2 with the enthalpy difference ( BC . 1 ) of the compressor, from the point ( G . 1 ) to point ( H and or K . 1 ), along the routes ( 8th & 9 ) to heat.
    • The compressor ( 42 ) is powered by a biogas engine ( 43a) driven. The energy of the exhaust gases of the biogas engine ( 43a) is in the heat exchanger ( 43b) delivered to the CO2. As described above, the CO2 from the pump ( 36b) over the open solenoid valves ( 51a / 55a) or ( 51b / 55b ) circulated.
    • The compressor ( 60 ) of another biogas engine ( 61a) is driven, compresses a refrigerant to the condensing pressure. In the heat exchanger ( 66 ) is a part of the heat energy of the refrigerant to the CO2, with the help of the circulating pump ( 35a) with optional overflow valve alternately into the loading cylinder ( 30a) or the loading cylinder ( 30b) passed. Is in the heat exchanger ( 66 ) requires no or less heat energy, the solenoid valve opens ( 67 ) the bypass to the liquefier ( 62 . 9 ). The CO2 is released from the pump ( 35a) over the open solenoid valves ( 51a / 55a) or ( 51b / 55b ) in order to calculate the CO2 with the enthalpy difference ( BC . 1 ) of the compressor, from the point ( G . 1 ) to point ( H and or K . 1 ), along the routes ( 8th & 9 ) to heat.
    • The compressor ( 60 ) is powered by a biogas engine ( 61a) driven. The energy of the exhaust gases of the biogas engine ( 61a) is in the heat exchanger ( 61b) delivered to the CO2. As described above, the CO2 from the pump ( 35b) over the open solenoid valves ( 51a / 55a) or ( 51b / 55b ) circulated.
  • 9:
    • Darstellung des Kühlkreislaufes, bestehend aus einem Verdichter (42) mit Biogasmotor (43a), Wärmetauscher (33), Verflüssiger (44), optionalen Wärmetauscher als Überhitzer (48), Verdampfer (43), CO2-Sammler mit Unterkühlungsverdampfer (45), Expansionsventile (46b und 49b), sowie diverse Magnetventile (46a, 49a, 47a, 47b und 39b).
    • Der Verdichter (40) saugt das verdampfte Kältemittel aus dem Verdampfer (43) ab und verdichtet es auf den Kondensationsdruck. Um die Verdichtungsendtemperatur (Punkt B, 2) zu erhöhen, kann der Überhitzungswärmetauscher (48) über die Magnetventile [47a (AUF) und 47b (ZU)] zugeschaltet werden, wodurch das bereits überhitzte Sauggas weitere Energie aus der Umgebungsluft aufnimmt. Die polytrope Verdichtung (Strecke 1, 2) wird im Druck-Enthalpie-Diagramm dadurch weiter nach rechts verschoben, um eine größere, nutzbare Enthalpie-Differenz (Strecke 2, 2) zu erhalten, die zur isochoren Erwärmung der CO2-Flüssigkeit im Wärmetauscher (33) genutzt werden kann. Die Zuschaltung des Überhitzers (48) erfolgt, falls eine höhere Verdichtungstemperatur benötigt wird. Die Verdichtungswärme wird über den Wärmetauscher (33) an das flüssige CO2 desjenigen Ladezylinders (30a bzw. 30b) abgegeben, welcher zu diesem Zeitpunkt beheizt wird, während sich der andere Ladezylinder (30a bzw. 30b) zeitgleich entlädt, oder Arbeit verrichtet. Die Beheizung der CO2-Flüssigkeit erfolgt über das Öffnen des zugehörigen Magnetventils (51a / 55a bzw. 51b / 55b, 4). Nach Abgabe der Wärmeenergie (Strecke 2, 2), wird das Kältemittel in den Verflüssiger (44) geleitet, wo die restliche Wärmemenge (Strecke 3, 2) an die Umgebungsluft abgegeben wird und sich das Kältemittel dadurch verflüssigt und ggf. unterkühlt wird (Punkt D, 2). Das verflüssigte Kältemittel wird über das Magnetventil (49a) und das Expansionsventil (49b) in den Wärmetauscher (43) entspannt, wo es die Wärmemenge der CO2-Flüssigkeit aufnimmt, welche dadurch verflüssigt wird. Der Wärmetauscher (43) ist Verdampfer des Kältemittels und Verflüssiger des CO2. Im CO2-Sammler (45) befindet sich ein interner Wärmetauscher, um das angesammelte CO2 zu unterkühlen. Flüssiges Kältemittel wird hierfür über das Magnetventil (46a) und das Expansionsventil (46b) in den Wärmetauscher im Sammler (45) entspannt, wodurch Wärmeenergie vom flüssigen CO2 aufgenommen wird und dieses unterkühlt wird. Wird im Wärmetauscher (33) keine Energie mehr benötigt, öffnet das Magnetventil (39b) den Bypass zum Verflüssiger (44).
    9 :
    • Representation of the cooling circuit, consisting of a compressor ( 42 ) with biogas engine ( 43a) , Heat exchangers ( 33 ), Liquefier ( 44 ), optional heat exchanger as superheater ( 48 ), Evaporator ( 43 ), CO2 collector with supercooling evaporator ( 45 ), Expansion valves ( 46b and 49b) , as well as various solenoid valves ( 46a . 49a . 47a . 47b and 39b) ,
    • The compressor ( 40 ) sucks the vaporized refrigerant from the evaporator ( 43 ) and compresses it to the condensation pressure. To the final compression temperature (point B, 2 ), the superheat exchanger ( 48 ) via the solenoid valves [ 47a (On and 47b (ZU)] are switched on, whereby the already superheated suction gas receives more energy from the ambient air. The polytropic compaction (range 1 . 2 ) is shifted further to the right in the pressure-enthalpy diagram to a larger, usable enthalpy difference (distance 2 . 2 ), which is used for isochoric heating of the CO2 liquid in the heat exchanger ( 33 ) can be used. The connection of the superheater ( 48 ), if a higher compression temperature is needed. The heat of compression is transferred via the heat exchanger ( 33 ) to the liquid CO2 of that loading cylinder ( 30a or. 30b) which is heated at this time, while the other load cylinder ( 30a or. 30b) unloads at the same time, or does work. The heating of the CO2 liquid takes place by opening the associated solenoid valve ( 51a / 55a or. 51b / 55b . 4 ). After release of heat energy (distance 2 . 2 ), the refrigerant enters the condenser ( 44 ), where the remaining amount of heat (distance 3 . 2 ) is discharged to the ambient air and the refrigerant is thereby liquefied and possibly undercooled (point D . 2 ). The liquefied refrigerant is released via the solenoid valve ( 49a) and the expansion valve ( 49b) in the heat exchanger ( 43 ), where it absorbs the amount of heat of the CO2 liquid, which is thereby liquefied. The heat exchanger ( 43 ) is evaporator of the refrigerant and condenser of CO2. In the CO2 collector ( 45 ) is an internal heat exchanger to cool the accumulated CO2. Liquid refrigerant is for this purpose via the solenoid valve ( 46a) and the expansion valve ( 46b) into the heat exchanger in the collector ( 45 ), whereby heat energy is absorbed by the liquid CO2 and this is undercooled. Is in the heat exchanger ( 33 ) no energy is required, the solenoid valve opens ( 39b) the bypass to the liquefier ( 44 ).
  • 10:
    • Darstellung des Wärmepumpenkreislaufes, der ausschließlich der Erwärmung vom CO2, gemäß 3 dient. Der Verdichter (60) saugt das verdampfte Kältemittel aus dem Verdampfer (65) ab und verdichtet es auf den Kondensationsdruck. Der Verdampfer (65) kann die Wärmeenergie dem Erdreich, der Luft, dem Wasser oder anderen Wärmequellen entnehmen. Die Verdichtungswärme wird über den Wärmetauscher (66) an das flüssige CO2 desjenigen Ladezylinders (30a bzw. 30b) abgegeben, welcher zu diesem Zeitpunkt beheizt wird, während sich der andere Ladezylinder (30a bzw. 30b) zeitgleich entlädt, oder Arbeit verrichtet. Die Beheizung der CO2-Flüssigkeit erfolgt über das Öffnen des zugehörigen Magnetventils (51a / 55a bzw. 51b / 55b, 4). Nach Abgabe der Wärmeenergie (Strecke 21, 2), wird das Kältemittel in den Verflüssiger (62) geleitet, wo die restliche Wärmemenge (Strecke 22, 3) an die Umgebungsluft abgegeben wird und sich das Kältemittel dadurch verflüssigt und ggf. unterkühlt wird (Punkt D', 3). Das verflüssigte Kältemittel wird über das Magnetventil (63) und das Expansionsventil (64) in den Verdampfer (65) entspannt, wo es die Wärmemenge aus der Umwelt aufnimmt. Wird im Wärmetauscher (66) keine Energie mehr benötigt, öffnet das Magnetventil (67) den Bypass zum Verflüssiger (62).
    10 :
    • Representation of the heat pump cycle, excluding the heating of CO2, according to 3 serves. The compressor ( 60 ) sucks the vaporized refrigerant from the evaporator ( 65 ) and compresses it to the condensation pressure. The evaporator ( 65 ), the heat energy from the ground, the air, the water or other heat sources. The heat of compression is transferred via the heat exchanger ( 66 ) to the liquid CO2 of that loading cylinder ( 30a or. 30b) which is heated at this time, while the other load cylinder ( 30a or. 30b) unloads at the same time, or does work. The heating of the CO2 liquid takes place by opening the associated solenoid valve ( 51a / 55a or. 51b / 55b . 4 ). After release of heat energy (distance 21 . 2 ), the refrigerant enters the condenser ( 62 ), where the remaining amount of heat (distance 22 . 3 ) is discharged to the ambient air and the refrigerant is thereby liquefied and possibly undercooled (point D ' . 3 ). The liquefied refrigerant is released via the solenoid valve ( 63 ) and the expansion valve ( 64 ) in the evaporator ( 65 ), where it absorbs the amount of heat from the environment. Is in the heat exchanger ( 66 ) no energy is required, the solenoid valve opens ( 67 ) the bypass to the liquefier ( 62 ).

Claims (10)

Verfahren als Thermo-Gasmotor mit regenerativer CO2-Zirkulation und Wärmepumpenprozess, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Druck-Enthalpie-Diagramm dargestellter, rechtsläufiger Kreisprozess eines Hochdruckgases mit einem linksläufigen Kreisprozess eines Kühlkreislaufes betrieben wird, indem der linksläufige Kühlkreislauf das rechtsläufige Hochdruckgas verflüssigt, das zum Antrieb eines Gasmotors verwendet wird.Method as a thermal gas engine with regenerative CO2 circulation and heat pump process, characterized in that a pressure-enthalpy diagram shown, right-handed cycle of a high-pressure gas is operated with a left-handed cycle of a cooling circuit by the left-handed cooling circuit liquefies the right-handed high-pressure gas, the Drive a gas engine is used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasverdichter von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird und die Wärmeenergie der Abgase des Motors für die annähernd isochore Erwärmung eines Flüssiggases verwendet wird, das zum Antrieb eines Gasmotors ohne Verbrennungsvorgänge verwendet wird.Method according to Claim 1 , characterized in that a gas compressor is driven by an internal combustion engine and the heat energy of the exhaust gases of the engine is used for the approximately isochore heating of a liquefied gas, which is used to drive a gas engine without combustion processes. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die adiabatische Zustandsänderung eines Flüssiggases, die Kolben eines Motors ohne Verbrennungsvorgänge angetrieben werden, wobei das expandierte Flüssiggas nach verrichteter Arbeit in einem geschlossenen Kreislauf regenerativ wieder verflüssigt, erwärmt und auf hohen Druck gebracht wird.Method according to Claim 1 or Claim 2 , characterized in that the adiabatic change in state of a liquefied gas, the pistons of a motor are driven without combustion processes, the expanded liquefied gas after performing work in a closed circuit regenerated liquefied again, heated and brought to high pressure. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flüssiggas in seinem transkritischen Bereich annähernd isobar erwärmt wird und entweder die Wärmeenergie einer Wärmepumpe oder die Verdichtungsenergie eines Gasverdichters, oder beide Energien für die annähernd isobare Erwärmung des Flüssiggases verwendet wird.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that a liquefied gas is heated approximately isobarically in its transcritical region and either the heat energy of a heat pump or the compression energy of a gas compressor, or both energies for the approximately isobaric heating of the liquefied gas is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpe verwendet wird, um einen Gasmotor mit einer regenerativen CO2-Zirkulation zu betreiben.Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that a heat pump is used to operate a gas engine with a regenerative CO2 circulation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein regenerativer, im Druck-Enthalpie-Diagramm dargestellter, rechtsläufiger Carnot-Kreisprozess eines Hochdruckgases ohne dessen Verbrennung, von einem linksläufigen Kreisprozess eines Kältemittels gekühlt wird.Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that a regenerative, shown in the pressure-enthalpy diagram, right-handed Carnot cycle of a high-pressure gas without the combustion of a left-handed cycle of a refrigerant is cooled. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motor von einem Hochdruckgas ohne Verbrennungsvorgänge betrieben wird, indem am Eintritt des Motors der Druck des Hochdruckgases im transkritischen Bereich und am Austritt des Motors der Druck des Hochdruckgases im subkritischen Bereich wirkt.Method according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that an engine is operated by a high-pressure gas without combustion processes by acting at the inlet of the engine, the pressure of the high-pressure gas in the trans-critical region and at the outlet of the engine, the pressure of the high-pressure gas in the subcritical region. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas zum Antrieb eines Motors zum Einsatz kommt, welches nicht verbraucht, sondern stetig in einem geschlossenen System zirkuliert wird.Method according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that a gas is used to drive a motor, which is not consumed, but is circulated continuously in a closed system. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpe verwendet wird, um mit der gewonnenen Wärmeenergie den Druck eines Flüssiggases zu erhöhen, der auf die Kolben eines Motors übertragen wird um diese anzutreiben.Method according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that a heat pump is used to increase the heat energy obtained, the pressure of a liquefied gas, which is transmitted to the pistons of a motor to drive them. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein verflüssigtes Kältemittel unter weiterer Druck- und Temperaturerhöhung in den transkritischen Bereich desselben gebracht wird, um durch die Expansion des Kältemittels ohne weitere Verbrennungsvorgänge einen Motor anzutreiben.Method according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that a liquefied refrigerant is brought with the same further pressure and temperature increase in the trans-critical region of the same, in order to drive a motor by the expansion of the refrigerant without further combustion processes.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110887278A (en) * 2019-11-05 2020-03-17 江苏科技大学 Energy self-sufficient carbon dioxide combined cooling heating and power system for low-grade heat source

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