DE102019129495B3

DE102019129495B3 - Compressor arrangement, heat pump arrangement and method for operating the compressor arrangement

Info

Publication number: DE102019129495B3
Application number: DE102019129495.9A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Steinmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-04-15
Anticipated expiration: 2039-11-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdichteranordnung (1) zum isothermen Verdichten eines gasförmigen Arbeitsfluids (18), mit zumindest einer Verdichtereinheit (10) umfassend einen Verdichterraum (12), aus dem im Verdichterbetrieb das Arbeitsfluid (18) unter dessen Verdichtung durch ein Verdichterfluid (14) zumindest teilweise verdrängbar ist. Ein verbesserter Wärmeübergang zwischen in der Verdichtereinheit befindlichem Fluid und der Umgebung ist dadurch erreichbar, dass außerhalb des Verdichterraums (12) ein Gasraum (16) der Verdichtereinheit (10) in Strömungsverbindung zu dem Verdichterraum (12) angeordnet ist, wobei im Verdichterbetrieb Arbeitsfluid (18) aus dem Verdichterraum (12) in den Gasraum (16) verdrängbar ist.The invention relates to a compressor arrangement (1) for isothermally compressing a gaseous working fluid (18), with at least one compressor unit (10) comprising a compressor chamber (12) from which the working fluid (18) is compressed by a compressor fluid (14) during compressor operation. is at least partially displaceable. An improved heat transfer between the fluid in the compressor unit and the environment can be achieved by arranging a gas chamber (16) of the compressor unit (10) in flow connection to the compressor chamber (12) outside the compressor chamber (12), with working fluid (18 ) can be displaced from the compression chamber (12) into the gas chamber (16).

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdichteranordnung zum isothermen Verdichten eines gasförmigen Arbeitsfluids, mit zumindest einer Verdichtereinheit umfassend einen Verdichterraum, aus dem im Verdichterbetrieb das Arbeitsfluid unter dessen Verdichtung durch ein, insbesondere flüssiges, Verdichterfluid zumindest teilweise verdrängbar ist.The invention relates to a compressor arrangement for isothermally compressing a gaseous working fluid, with at least one compressor unit comprising a compressor chamber from which the working fluid can be at least partially displaced during compressor operation while being compressed by a particularly liquid compressor fluid.

Zur effektiven Verdichtung von Gasen auf hohe Drücke können als Alternative zu bekannten Kolbenverdichtern sogenannte „Flüssigkolbenverdichter“ zum Einsatz kommen. Dabei ist der Kolben durch eine Flüssigkeitssäule ersetzt.For the effective compression of gases to high pressures, so-called "liquid piston compressors" can be used as an alternative to known piston compressors. The piston is replaced by a column of liquid.

Eine Verdichteranordnung zum isothermen Verdichten eines gasförmigen Arbeitsfluids dieser Art ist in der DE 10 2008 041 939 A1 angegeben. Bei dieser bekannten Verdichteranordnung sind zwei Verdichtereinheiten vorhanden, die jeweils einen Verdichterraum beinhalten, aus dem in einem Verdichterbetrieb ein Arbeitsfluid unter Verdichtung durch ein Verdichterfluid über ein jeweiliges Rückschlagventil in eine Leitungsanordnung mit Leitungen und einen Hochdruckspeicher sowie weitere Komponenten einer Wärmepumpenanordnung/Kältemaschine verdrängbar ist.A compressor arrangement for isothermally compressing a gaseous working fluid of this type is shown in FIG DE 10 2008 041 939 A1 specified. In this known compressor arrangement, there are two compressor units, each of which contains a compressor chamber from which, in a compressor operation, a working fluid can be displaced under compression by a compressor fluid via a respective check valve into a line arrangement with lines and a high-pressure accumulator and other components of a heat pump arrangement / refrigeration machine.

Auch die DE 10 2008 060 598 A1 zeigt eine Verdichteranordnung, bei der eine Verdichtung eines gasförmigen Arbeitsmittels mittels Hydraulikflüssigkeit erfolgt. Hierbei sind ein erster und ein zweiter Zylinder über eine Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie hydraulisch miteinander verbunden.Also the DE 10 2008 060 598 A1 shows a compressor arrangement in which a gaseous working medium is compressed by means of hydraulic fluid. Here, a first and a second cylinder are hydraulically connected to one another via a device for supplying or removing energy.

Eine weitere Verdichteranordnung ist in der DE 44 30 716 A1 angegeben. Bei dieser bekannten Verdichteranordnung erfolgt die Verdichtung des Gases isotherm, so dass unmittelbar zu Beginn und zum Ende des Verdichtungsvorgangs im Wesentlichen die gleiche Temperatur in dem zu verdichtenden Gas vorliegt. Dies wird durch Abfuhr der durch die Verdichtung innerhalb des Gases entstehenden Wärme während des Verdichtungsvorgangs erreicht. Ein erheblicher Anteil der Verdichtungswärme wird bei dieser bekannten Verdichteranordnung durch die zur Verdichtung verwendete Flüssigkeit aufgenommen, deren Wärme anschließend genutzt werden kann. Jedoch kann der Wärmeübergang zwischen dem zu verdichtenden Gas an die Verdichterflüssigkeit bzw. an die Umgebung eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen, was die Effizienz der Verdichteranordnung einschränken kann. Auch kann der Wärmeübergang an die Verdichterflüssigkeit anstelle an die Umgebung zu gewissen Einschränkungen bzw. einer geringen Effizienz bei der Wärmenutzung führen.Another compressor arrangement is shown in FIG DE 44 30 716 A1 specified. In this known compressor arrangement, the gas is compressed isothermally, so that the gas to be compressed is essentially the same temperature immediately at the beginning and at the end of the compression process. This is achieved by removing the heat generated by the compression within the gas during the compression process. In this known compressor arrangement, a considerable proportion of the compression heat is absorbed by the liquid used for compression, the heat of which can then be used. However, the heat transfer between the gas to be compressed to the compressor liquid or to the environment can take a certain amount of time, which can limit the efficiency of the compressor arrangement. The heat transfer to the compressor fluid instead of to the environment can also lead to certain restrictions or a low efficiency in the use of heat.

Die DE 10 2017 204 222 A1 zeigt eine Wärmepumpe mit zwei Verdichtern, wobei keine näheren Angaben zur Verdichtereinheit gemacht sind. Die DE 37 44 487 A1 zeigt eine Verdichteranordnung mit einem zylindrischen Behältnis mit im Querschnitt innenliegendem Verdichterraum und einem konzentrischen umgebenden Wandungshohlraum, wobei die Anordnung einen Verdrängungskörper und mehrere im Wandungshohlraum in darin gebildeten Teilräumen angeordnete getrennte Wärmetauscher aufweist.The DE 10 2017 204 222 A1 shows a heat pump with two compressors, but no details are given about the compressor unit. The DE 37 44 487 A1 shows a compressor arrangement with a cylindrical container with a cross-section internal compressor space and a concentric surrounding wall cavity, the arrangement having a displacement body and several separate heat exchangers arranged in the wall cavity in sub-spaces formed therein.

Weitere Flüssigkolbenverdichter, die nicht explizit für eine isotherme Verdichtung ausgebildet sind, sind in der US 4 566 860 A , der DE 10 2004 046 316 A1 und der DE 10 2006 042 918 A1 offenbart.Further liquid piston compressors that are not explicitly designed for isothermal compression are in the U.S. 4,566,860 A , the DE 10 2004 046 316 A1 and the DE 10 2006 042 918 A1 disclosed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdichteranordnung mit einem verbesserten Wärmeübergang zwischen Fluiden innerhalb der Verdichteranordnung und der Umgebung bereitzustellen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Wärmepumpenanordnung unter Nutzung der Verdichteranordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Verdichteranordnung bereitzustellen.The invention is based on the object of providing a compressor arrangement with an improved heat transfer between fluids within the compressor arrangement and the environment. The invention is also based on the object of providing a corresponding heat pump arrangement using the compressor arrangement and a method for operating the compressor arrangement.

Die Erfindung wird hinsichtlich der Verdichteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass außerhalb des Verdichterraums ein Gasraum der Verdichtereinheit in Strömungsverbindung zu dem Verdichterraum angeordnet ist, wobei im Verdichterbetrieb Arbeitsfluid aus dem Verdichterraum in den Gasraum verdrängbar ist.The invention is achieved with regard to the compressor arrangement with the features of claim 1. It is provided that a gas chamber of the compressor unit is arranged outside the compressor chamber in flow connection to the compressor chamber, with working fluid being displaceable from the compressor chamber into the gas chamber during compressor operation.

Der Verdichterraum kann beispielsweise zylindrisch ausgebildet sein. Die Verdichteranordnung ist vorzugsweise auch in einem isothermen Expansionsbetrieb betreibbar, wobei das expandierende Arbeitsfluid Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Der Verdichterraum und/oder der Gasraum können mehrere Teilräume bzw. Teilvolumina umfassen.The compression chamber can, for example, have a cylindrical shape. The compressor arrangement can preferably also be operated in an isothermal expansion mode, the expanding working fluid absorbing heat from the environment. The compression chamber and / or the gas chamber can comprise several sub-chambers or sub-volumes.

Durch das erfindungsgemäße Vorhandensein eines separaten Gasraums wird eine konstante Kontaktflächen-Größe von Arbeitsfluid während des Verdichtungsvorgangs gegenüber einer Umgebung erhalten. Die Umgebung ist der Raum um den Gasraum bzw. dessen Wandung, der nicht durch den Verdichterraum bzw. dessen Wandung gebildet ist, und kann in Kontakt zum Gasraum bzw. dessen Wandung z. B. Luft, Wasser oder ein Wärmespeichermaterial umfassen. Die wärmeübertragende Fläche der durch das Arbeitsfluid kontaktierten Wandung während des Verdichtungsvorgangs ist innerhalb des Gasraums konstant. Hingegen nimmt bei einer Ausbildung gemäß dem Stand der Technik die Kontaktfläche des Gasvolumens, dort innerhalb des Verdichterraums, gegenüber der Umgebung während des Verdichtungsvorgangs ab, wodurch der Wärmeübergang an die Umgebung reduziert wird. Zudem ergeben sich durch den separaten Gasraum Freiheitsgrade in dessen Formgebung bzw. Gestaltung. Auf diese Weise lässt sich der Gasraum vorteilhaft hinsichtlich des Wärmeübergangs des Arbeitsfluids an die Umgebung auslegen. Da das Volumen des Gasraums maßgeblich das maximale Verdichtungsvolumen bzw. das maximale Verdich- tungs(druck)verhältnis bzw. den maximalen Verdichtungsdruck mitbestimmt, ist das Volumen des Gasraums vorzugsweise auch unter Berücksichtigung dieser Größen ausgelegt.The presence of a separate gas space according to the invention means that a constant contact surface size of working fluid is obtained with respect to an environment during the compression process. The environment is the space around the gas space or its wall, which is not formed by the compression space or its wall, and can be in contact with the gas space or its wall z. B. include air, water or a heat storage material. The heat-transferring surface of the wall contacted by the working fluid during the compression process is constant within the gas space. In contrast, in an embodiment according to the prior art, the contact area of the gas volume, there within the compression chamber, with respect to the environment decreases during the compression process, as a result of which the heat transfer to the environment is reduced. In addition the separate gas space results in degrees of freedom in its shape or design. In this way, the gas space can advantageously be designed with regard to the heat transfer of the working fluid to the environment. Since the volume of the gas space largely determines the maximum compression volume or the maximum compression (pressure) ratio or the maximum compression pressure, the volume of the gas space is preferably also designed taking these variables into account.

Zur Optimierung des Wärmeübergangs ist der Gasraum zumindest teilweise von einer Wärmeleitvorrichtung zur Abgabe von während des Verdichterbetriebs innerhalb des Arbeitsfluids erzeugter Wärme an die Umgebung umgrenzt. Die Wärmeleitvorrichtung umfasst insbesondere die Wandung zur druckfesten Umgrenzung des Gasraums gegenüber der Umgebung (bzw. ist von dieser gebildet), die aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere einem Metall, gebildet ist.To optimize the heat transfer, the gas space is at least partially delimited by a heat conduction device for releasing heat generated within the working fluid during compressor operation to the environment. The heat conduction device comprises in particular the wall for the pressure-tight delimitation of the gas space with respect to the surroundings (or is formed by this), which wall is formed from a heat-conducting material, in particular a metal.

Dem Wärmeübergang innerhalb der Verdichtereinheit, insbesondere aus dem Verdichterraum in den Gasraum, ist es zuträglich, dass der Gasraum in einer Fluidleitanordnung den Verdichterraum zumindest teilweise umgebend angeordnet ist, wobei zwischen dem Gasraum und dem Verdichterraum zumindest teilweise eine gasdichte Trennvorrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise besteht die Trennvorrichtung aus wärmeleitendem Material, beispielsweise Aluminium, um den Temperaturausgleich innerhalb des Gasvolumens (d. h. innerhalb des Gasraums und des Teilvolumens innerhalb des Verdichterraums) zu unterstützen.The heat transfer within the compressor unit, in particular from the compressor chamber into the gas chamber, is conducive to the fact that the gas chamber is arranged in a fluid conduction arrangement at least partially surrounding the compressor chamber, with a gas-tight separating device being at least partially arranged between the gas chamber and the compressor chamber. The separating device is preferably made of a thermally conductive material, for example aluminum, in order to support the temperature equalization within the gas volume (i.e. within the gas space and the partial volume within the compression space).

Der Wärmeübergang kann insbesondere verbessert werden, wenn eine den Gasraum, insbesondere gegenüber der Umgebung, abgrenzende (bzw. umgrenzende) Wandung eine größere Fläche aufweist als eine den Verdichterraum umgrenzende Wandung. Die abgrenzende Wandung kann auch eine Fluidleitanordnung (d. h. eine Anordnung zur Leitung des Arbeitsfluids) umgeben, in welcher der Gasraum zum Beispiel in einem Leitungsmaterial angeordnet ist, oder die abgrenzende Wandung kann teilweise von der Fluidleitanordnung gebildet sein. Bei einer zylinderförmigen Abgrenzung bzw. Umgrenzung des Gasraums kann die Wandung beispielsweise zumindest Teile einer Grundwand (mit einer unteren Grundfläche des Zylinders bzw. Gasraums), einer Mantelwand (mit einer axial verlaufenden Mantelfläche des Zylinders bzw. Gasraums) und/oder einer Deckwand (mit einer oberen Deckfläche des Zylinders bzw. Gasraums) umfassen. Die Umgebung kann z. B. mittels Luft, Wasser oder einem Wärmeleitmaterial mit dem Gasraum bzw. dessen Wandung in wärmeübertragendem Kontakt stehen. Die (Kontakt-)Flächengröße zu der Umgebung ist ein maßgeblicher Faktor, der den Wärmeübergang zwischen dem Gasraum und der Umgebung beeinflusst.The heat transfer can be improved in particular if a wall delimiting (or delimiting) the gas space, in particular with respect to the surroundings, has a larger area than a wall delimiting the compressor space. The delimiting wall can also surround a fluid guiding arrangement (i.e. an arrangement for guiding the working fluid) in which the gas space is arranged, for example, in a line material, or the delimiting wall can be partially formed by the fluid guiding arrangement. In the case of a cylindrical delimitation or delimitation of the gas space, the wall can, for example, contain at least parts of a base wall (with a lower base surface of the cylinder or gas space), a jacket wall (with an axially extending jacket surface of the cylinder or gas chamber) and / or a top wall (with an upper cover surface of the cylinder or gas space). The environment can e.g. B. are in heat-transferring contact with the gas space or its wall by means of air, water or a heat-conducting material. The (contact) area size to the environment is a decisive factor that influences the heat transfer between the gas space and the environment.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist zur Strömungsverbindung die Öffnung in einem oberen Bereich der Verdichtereinheit (bzw. des Verdichterraums), insbesondere symmetrisch bezüglich einer Längsachse der Verdichtereinheit (koaxial zu dem Verdichterraum) in einer Deckwand des Verdichterraums, angeordnet. Vorzugsweise ist die Öffnung auch zu dem Gasraum symmetrisch (z. B. koaxial) angeordnet. Der obere Bereich ist bezüglich der Schwerkraftrichtung oben angeordnet, wobei insbesondere eine Längsachse der Verdichtereinheit vertikal ausgerichtet ist. Durch diese Ausbildung bzw. Anordnung kann das Verdichterfluid zunächst während des Verdichterbetriebs ohne dessen Austreten aus der Öffnung von unten (mittels einer Zuleitung) in den Verdichterraum zugeführt werden, innerhalb des Verdichterraums ansteigen und das Arbeitsfluid verdrängen. Zum Ende des Verdichtungsvorgangs (bei maximaler Verdichtung) erreicht das Verdichterfluid die Öffnung, wobei dann vorzugsweise sämtliches Arbeitsfluid aus dem Verdichterraum in den Gasraum verdrängt ist. Der Gasraum ist vorzugsweise zwischen der Öffnung und einem Schließmittel einer Ableitung zur Abfuhr des verdichteten Gases gebildet. Die symmetrische Anordnung der Öffnung trägt zu einer symmetrischen Strömung des Arbeitsfluids aus dem Verdichterraum bzw. in den Gasraum bei, was einem gleichmäßigen Wärmeübergang zwischen dem Gasraum und der Umgebung zuträglich ist. Der Verdichterraum ist, insbesondere über die Zuleitung und den Gasraum, vorzugsweise über die Öffnung mit Arbeitsfluid befüllbar.In a preferred embodiment variant, the opening for the flow connection is arranged in an upper region of the compressor unit (or the compressor chamber), in particular symmetrically with respect to a longitudinal axis of the compressor unit (coaxial to the compressor chamber) in a top wall of the compressor chamber. The opening is preferably also arranged symmetrically (for example coaxially) with respect to the gas space. The upper region is arranged at the top with respect to the direction of gravity, in particular a longitudinal axis of the compressor unit being oriented vertically. Through this design or arrangement, the compressor fluid can initially be fed into the compressor chamber from below (by means of a feed line) during compressor operation without it emerging from the opening, rise within the compressor chamber and displace the working fluid. At the end of the compression process (at maximum compression) the compressor fluid reaches the opening, in which case all of the working fluid is preferably displaced from the compressor chamber into the gas chamber. The gas space is preferably formed between the opening and a closing means of a discharge line for discharging the compressed gas. The symmetrical arrangement of the opening contributes to a symmetrical flow of the working fluid out of the compressor space or into the gas space, which is conducive to a uniform heat transfer between the gas space and the environment. The compressor chamber can be filled with working fluid, in particular via the supply line and the gas chamber, preferably via the opening.

Weiterhin trägt zur Optimierung des Wärmeübergangs bei, wenn die Wärmeleitvorrichtung eine Wärmeleitstruktur, z. B. mit Rippen, aufweist. Die Wärmeleitstruktur bewirkt insbesondere eine Oberflächenvergrößerung der Wärmeleitvorrichtung bzw. Wandung.Furthermore, contributes to the optimization of the heat transfer if the heat conduction device has a heat conduction structure, for. B. with ribs. The heat conduction structure brings about, in particular, an increase in the surface area of the heat conduction device or wall.

Vorteilhaft ist der Verdichterraum zylindrisch ausgebildet.The compression chamber is advantageously designed to be cylindrical.

Da die Trennvorrichtung keine Druckkräfte aufnehmen muss, braucht diese nicht druckfest ausgebildet zu sein. In einer besonders kompakten Ausbildungsvariante können dabei z. B. die Trennvorrichtung und die den Gasraum umgebende Wandung, insbesondere die Wärmeleitvorrichtung, in einer Art Parallelrohranordnung koaxial zu einander angeordnet sein.Since the separating device does not have to absorb any compressive forces, it does not need to be designed to be pressure-resistant. In a particularly compact training variant, z. B. the separating device and the wall surrounding the gas space, in particular the heat conduction device, can be arranged coaxially to one another in a kind of parallel pipe arrangement.

In einer besonders einfach zu gestaltenden Anordnung kann dabei die Fluidleitanordnung beispielsweise einen, zumindest einen Teil des Gasraums bildenden, Ringspalt umfassen. Der Ringspalt ist bei einer zylindrischen Anordnung zwischen der Mantelwand der Trennvorrichtung und der Mantelwand der umgebenden Wandung des Gasraums, insbesondere der Wärmeleitvorrichtung, gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann die Fluidleitanordnung zumindest einen Teil des Gasraums bildende Leitungen, z. B. axial verlaufende Nuten, umfassen. Bei Vorhandensein einer Wärmeleitstruktur können die Leitungen bzw. Nuten zur Optimierung des Wärmeübergangs auf diese abgestimmt sein. So können die Nuten beispielsweise an radialen Positionen bzw. mit Kontakt zu Fußbereichen von Rippen verlaufen.In an arrangement that is particularly simple to design, the fluid guide arrangement can include, for example, an annular gap that forms at least part of the gas space. In the case of a cylindrical arrangement, the annular gap is between the The jacket wall of the separating device and the jacket wall of the surrounding wall of the gas space, in particular the heat conduction device, are formed. As an alternative or in addition, the fluid conduction arrangement can at least part of the gas space forming lines, for. B. axially extending grooves include. If a heat conduction structure is present, the lines or grooves can be matched to this in order to optimize the heat transfer. For example, the grooves can run in radial positions or in contact with the root areas of ribs.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante steht der Gasraum, insbesondere mittels der Wärmeleitvorrichtung, mit einem Wärmespeichermaterial (der Verdichtereinheit) zur Wärmeaufnahme aus dem Arbeitsfluid während des Verdichterbetriebs (bzw. zur Wärmeabgabe in das Arbeitsfluid während des Expansionsbetriebs) in Wärmeübertragungsverbindung. Insbesondere ist der Gasraum (bzw. dessen umgebende Wandung bzw. Wärmeleitvorrichtung) beispielsweise zylindrisch zumindest teilweise von dem Wärmespeichermaterial umgeben. Das Wärmespeichermaterial weist dabei z. B. im Wesentlichen eine konstante radiale Dicke auf. Auf diese Weise kann die Verdichtereinheit bzw. die Verdichteranordnung gleichzeitig als Wärmespeichereinheit wirken. So sind zwei Wirkprinzipien (die Transformation von Niedertemperaturwärme in Hochtemperaturwärme und deren Speicherung) in einer einzigen Komponente kombiniert. Z. B. kann so während des Verdichtungsbetriebs eingespeicherte Wärme in einem Expansionsbetrieb wieder zugeführt werden. Damit kann die Verdichteranordnung vorteilhaft beispielsweise in einem Kreisprozess mit einer Wärmepumpen-Wärmespeicher-Kombination eingesetzt werden, wobei die Anzahl der Komponenten reduziert werden und beispielsweise auf eine (zusätzliche) Wärmespeichereinheit verzichtet werden kann.In a particularly preferred embodiment, the gas space, in particular by means of the heat conduction device, is in heat transfer connection with a heat storage material (the compressor unit) for absorbing heat from the working fluid during compressor operation (or for dissipating heat into the working fluid during expansion operation). In particular, the gas space (or its surrounding wall or heat conduction device) is, for example, cylindrically at least partially surrounded by the heat storage material. The heat storage material has z. B. has a substantially constant radial thickness. In this way, the compressor unit or the compressor arrangement can simultaneously act as a heat storage unit. Two operating principles (the transformation of low-temperature heat into high-temperature heat and its storage) are combined in a single component. For example, heat stored during the compression operation can thus be supplied again in an expansion operation. The compressor arrangement can thus advantageously be used, for example, in a cycle process with a heat pump / heat storage combination, the number of components being reduced and, for example, an (additional) heat storage unit being able to be dispensed with.

Besonders bevorzugt ist das Wärmespeichermaterial durch ein, insbesondere salz- und/oder paraffinbasiertes, Latentwärme-Speichermaterial, z. B. durch Natriumnitrat (NaNO₃), gebildet. Das Latentwärme-Speichermaterial ist dabei vorzugsweise auf das Arbeitsfluid bzw. das Druckniveau im Verdichterbetrieb bzw. im Expansionsbetrieb abgestimmt. Die Arbeitstemperatur von Natriumnitrat liegt beispielsweise bei rund 300 °C. Damit eignet es sich z. B. im Zusammenhang mit der Verwendung von Wasser als Arbeitsfluid und hohen Verdichterdrücken, beispielsweise von rund 100 bar. Für niedrige Druck- bzw. Temperaturbereiche bieten sich beispielsweise paraffinbasierte Materialien an. Das Latentwärme-Speichermaterial vollzieht während des Verdichterbetriebs bei Wärmezufuhr (bzw. während des Expansionsbetriebs bei Wärmeabfuhr) einen Phasenwechsel bei (im Wesentlichen) konstanter Temperatur. Auf diese Weise lässt sich das bei der isothermen Verdichtung (bzw. Expansion) erwünschte im Wesentlichen konstante Temperaturniveau des Arbeitsfluids auf einfache Weise aufrechterhalten.The heat storage material is particularly preferred by a, in particular salt- and / or paraffin-based, latent heat storage material, eg. B. by sodium nitrate (NaNO ₃ ) formed. The latent heat storage material is preferably matched to the working fluid or the pressure level in compressor operation or in expansion operation. The working temperature of sodium nitrate, for example, is around 300 ° C. So it is suitable for. B. in connection with the use of water as the working fluid and high compressor pressures, for example of around 100 bar. For example, paraffin-based materials are suitable for low pressure or temperature ranges. The latent heat storage material undergoes a phase change at (essentially) constant temperature during compressor operation when heat is supplied (or during expansion operation when heat is dissipated). In this way, the essentially constant temperature level of the working fluid desired during isothermal compression (or expansion) can be maintained in a simple manner.

Vorzugsweise ist dem Gasraum eine schließbare Zuleitung zu dessen Befüllung mit Arbeitsfluid zugeordnet, wobei die Zuleitung in einem unteren Bereich der Verdichtereinheit angeordnet ist, der dem oberen Bereich gegenüber liegt. Die Zuleitung mündet insbesondere auf Höhe einer unteren Grundfläche bzw. Grundwand (bzw. diese kontaktierend) in den Gasraum. Zum gasdichten Verschließen der Zuleitung ist insbesondere ein Schließmittel vorhanden. Durch diese Anordnung kann vorteilhaft auch Verdichterfluid von unten in den Gasraum eingebracht werden und so zum Austreiben des verdichteten Arbeitsfluids aus der, vorzugsweise am oberen Ende bzw. im oberen Bereich des Gasraums angeordneten, Ableitung aus dem Gasraum dienen.A closable supply line for filling it with working fluid is preferably assigned to the gas space, the supply line being arranged in a lower region of the compressor unit which is opposite the upper region. The feed line opens into the gas space in particular at the level of a lower base surface or base wall (or in contact with this). In order to close the supply line in a gas-tight manner, there is in particular a closing means. With this arrangement, compressor fluid can advantageously also be introduced into the gas space from below and thus serve to expel the compressed working fluid from the discharge line from the gas space, which is preferably arranged at the upper end or in the upper region of the gas space.

In einer bevorzugten Ausbildungsvariante weist die Verdichteranordnung zumindest zwei Verdichtereinheiten auf, deren Gasräume miteinander in Strömungsverbindung stehen. Dadurch lässt sich zum einen eine größere Menge an Arbeitsfluid verdichten und so in Summe eine hohe Leistung der Verdichteranordnung erzielen. Zum anderen erlaubt die Strömungsverbindung der Gasräume eine vorteilhafte Verfahrensführung, mit einer phasenversetzten Zugabe an Verdichterfluid in die einzelnen Verdichtereinheiten, wodurch eine Strömung zwischen den Gasräumen erzielt und so der Wärmeübergang an die Umgebung verbessert wird.In a preferred embodiment variant, the compressor arrangement has at least two compressor units, the gas spaces of which are in flow connection with one another. As a result, on the one hand, a larger amount of working fluid can be compressed and, in total, a high performance of the compressor arrangement can be achieved. On the other hand, the flow connection of the gas chambers allows an advantageous procedure, with a phase-shifted addition of compressor fluid to the individual compressor units, whereby a flow is achieved between the gas chambers and thus the heat transfer to the environment is improved.

Die Aufgabe wird für die Wärmepumpenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Die Wärmepumpenanordnung ist zum Führen des Arbeitsfluids im Kreislauf unter Wärmeabgabe und/oder Wärmeaufnahme aus dem bzw. in das Arbeitsfluid ausgebildet, mit einer Verdampferanordnung zum Verdampfen des Arbeitsfluids, einer Verdichteranordnung zum isothermen Verdichten des Arbeitsfluids nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einer Wärmetauscheranordnung zum Kondensieren des Arbeitsfluids und einer Expansionseinrichtung zur Temperaturreduktion des Arbeitsfluids.The object is achieved for the heat pump arrangement with the features of claim 12. The heat pump arrangement is designed for guiding the working fluid in the circuit with heat emission and / or heat absorption from or into the working fluid, with an evaporator arrangement for evaporating the working fluid, a compressor arrangement for isothermal compression of the working fluid according to one of the preceding claims, a heat exchanger arrangement for condensing the Working fluid and an expansion device for reducing the temperature of the working fluid.

Vorteilhafte mögliche Betriebsweisen ergeben sich, wenn zwischen der Verdampferanordnung und der Verdichteranordnung eine Überhitzereinrichtung, insbesondere ein Wärmetauscher und/oder eine weitere Verdichteranordnung zur Teilverdichtung, angeordnet ist, wobei das Arbeitsfluid vor der isothermen Verdichtung überhitzbar ist. Die Überhitzung erfolgt insbesondere auf diejenige Temperatur, bei der innerhalb des Kreisprozesses auch eine anschließende isotherme Kondensation des Arbeitsfluids stattfindet. Mittels des Wärmetauschers erfolgt die Überhitzung vorzugsweise isobar, d. h. bei konstantem Druck.Advantageous possible modes of operation result if a superheater device, in particular a heat exchanger and / or a further compressor arrangement for partial compression, is arranged between the evaporator arrangement and the compressor arrangement, the working fluid being superheatable before the isothermal compression. The overheating takes place in particular to the temperature at which a subsequent isothermal condensation of the working fluid also takes place within the cycle. The overheating is preferably carried out isobarically by means of the heat exchanger, i.e. H. at constant pressure.

Besonders bevorzugt ist die Wärmepumpenanordnung als Wärmepumpen-(Wärme-) Speicher-Anordnung ausgebildet ist, wobei sie zumindest eine, bevorzugt mit einem Latentwärme-Speichermaterial bestückte, Wärmespeichereinheit aufweist, die in einem Beladevorgang bei Kreisführung des Arbeitsfluids mit Wärme aus dem Arbeitsfluid, insbesondere während der isothermen Verdichtung und/oder der Kondensation, beladbar ist und in einem Entladevorgang, bei umgekehrter Kreisführung des Arbeitsfluids, Wärme an das Arbeitsfluid abgeben kann.The heat pump arrangement is particularly preferably designed as a heat pump (heat) storage arrangement, wherein it has at least one heat storage unit, preferably equipped with a latent heat storage material, which in a loading process when the working fluid is circulated with heat from the working fluid, in particular during the isothermal compression and / or the condensation, is loadable and can give off heat to the working fluid in a discharging process, with reverse circulation of the working fluid.

Bei dem Beladevorgang wird die Verdichteranordnung im Verdichterbetrieb, bei dem Entladevorgang im Expansionsbetrieb betrieben. Die Wärmepumpen-Speicher-Anordnung kann vorteilhaft als System zur Speicherung von elektrischer Energie auf Basis einer Zwischenspeicherung in Form von Wärmeenergie betrieben werden. Während des Beladevorgangs wird dabei elektrische Energie für den Antrieb einer Verdichteranordnung eingesetzt, die (Hochtemperatur-)Wärme an einen thermischen Speicher, insbesondere an die mit dem Wärmespeichermaterial bestückte Verdichteranordnung, abgibt. Diese gespeicherte Wärme wird während eines Entladevorgangs, bei umgekehrt durchlaufenem Kreisprozess, wieder in mechanische Energie umgewandelt. Dieses Konzept wird als „Pumped Thermal Energy Storage“ (PTES) bezeichnet.During the loading process, the compressor arrangement is operated in the compressor mode, during the unloading process in the expansion mode. The heat pump storage arrangement can advantageously be operated as a system for storing electrical energy on the basis of intermediate storage in the form of thermal energy. During the loading process, electrical energy is used to drive a compressor arrangement, which emits (high-temperature) heat to a thermal store, in particular to the compressor arrangement equipped with the heat storage material. This stored heat is converted back into mechanical energy during a discharge process, if the cycle is reversed. This concept is called "Pumped Thermal Energy Storage" (PTES).

Eine spezielle Variante dieses Konzepts ist das sogenannte „Compressed Heat Energy Storage“ (CHEST)-Konzept. Dabei ist das Wärmespeichermaterial als Latentwärme-Speichermaterial ausgebildet und es kommt Wasser, oder ein organisches Arbeitsmedium, als Arbeitsfluid zum Einsatz. Im großen Maßstab können dabei beispielsweise Dampfturbinenanordnungen als Energiewandler zur Stromerzeugung bei dem Entladevorgang genutzt werden. Zur Nutzung von Prozessdampf beispielsweise in Dampfkraftwerken sind hohe Enddrücke vorteilhaft, z. B. im Bereich von 100 bar. Diese führen insbesondere bei einem herkömmlichen, adiabaten Verdichtungsvorgang während eines Wärmepumpen-Kreisprozesses mit Wasser als Arbeitsfluid zu hohen Temperaturen, von z. B. mehr als 800 °C. Zur Vermeidung dieser hohen Temperaturen kann die Verdichtung beispielsweise in mehreren Stufen mit Zwischenkühlung erfolgen. Der entsprechende Aufbau weist jedoch nachteilhaft eine hohe Komplexität auf. Bei Ausbildung der Wärmepumpen-Speicher-Anordnung mit der isothermen Verdichteranordnung können derart hohe Temperaturen vorteilhaft vermieden und zugleich die Systemkomplexität deutlich reduziert werden.A special variant of this concept is the so-called “Compressed Heat Energy Storage” (CHEST) concept. The heat storage material is designed as a latent heat storage material and water or an organic working medium is used as the working fluid. On a large scale, for example, steam turbine arrangements can be used as energy converters for generating electricity during the discharge process. To use process steam, for example in steam power plants, high final pressures are advantageous, e.g. B. in the range of 100 bar. In a conventional, adiabatic compression process during a heat pump cycle with water as the working fluid, these lead to high temperatures, e.g. B. more than 800 ° C. To avoid these high temperatures, the compression can take place, for example, in several stages with intermediate cooling. However, the corresponding structure is disadvantageously high in complexity. When the heat pump storage arrangement is designed with the isothermal compressor arrangement, such high temperatures can advantageously be avoided and at the same time the system complexity can be significantly reduced.

Die Effizienz der Wärmepumpen-Speicher-Anordnung kann dadurch erhöht werden, dass die Expansionseinrichtung eine Wärmespeichereinheit, insbesondere zur sensiblen Wärmespeicherung (d. h. Wärmespeicherung unter Temperaturänderung des Speichermaterials), und/oder eine Rekuperationseinrichtung, umfasst. Als Wärmespeichereinheit zur sensiblen Wärmespeicherung kann auch zumindest ein Teil der zur Latent-Wärmespeicherung ausgebildeten Wärmespeichereinrichtungen verwendet werden, wobei das Latentwärme-Speichermaterial dann im sensiblen Temperaturbereich (mit Temperaturänderung, ohne Phasenwechsel) beladen wird. Durch diese Ausbildung kann bei der Rückkühlung im Beladebetrieb freiwerdende Wärme zwischengespeichert und im Entladebetrieb wieder dem Arbeitsfluid zugeführt werde. Alternativ oder zusätzlich kann mittels der Rekuperationseinrichtung während des Beladebetriebs oder des Entladebetriebs freiwerdende Wärme an einer anderen Stelle des entsprechenden Kreisprozesses wieder zugeführt (rekuperiert) werden. Bei Parallelschaltung der Wärmespeichereinrichtung und der Rekuperationseinrichtung kann je nach Bedarf die eine und/oder die andere Komponente verwendet werden.The efficiency of the heat pump storage arrangement can be increased in that the expansion device comprises a heat storage unit, in particular for sensible heat storage (i.e. heat storage with a change in temperature of the storage material), and / or a recuperation device. At least part of the heat storage devices designed for latent heat storage can also be used as a heat storage unit for sensible heat storage, the latent heat storage material then being charged in the sensitive temperature range (with temperature change, without phase change). As a result of this design, heat released during recooling in loading operation can be temporarily stored and returned to the working fluid in unloading operation. Alternatively or additionally, the heat released during the loading operation or the unloading operation can be fed back (recuperated) at another point in the corresponding cycle by means of the recuperation device. If the heat storage device and the recuperation device are connected in parallel, one and / or the other component can be used as required.

Die Erfindung wird bezüglich des Verfahrens zum Betreiben einer Verdichteranordnung (bzw. mit Betrieb der Verdichteranordnung) mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsvarianten des Verfahrens sind auch im Zusammenhang mit den vorteilhaften Ausbildungsvarianten der Verdichtereinheit und/oder der Wärmepumpenanordnung angegeben.The invention is achieved with respect to the method for operating a compressor arrangement (or with operation of the compressor arrangement) with the features of claim 16. Advantageous design variants of the method are also specified in connection with the advantageous design variants of the compressor unit and / or the heat pump arrangement.

Der Verdichterbetrieb weist in einem Verdichtungsvorgang vorzugsweise folgende Schritte auf, wobei der Verdichtungsvorgang der Verdichtung einer Füllung der Verdichtereinheit (in unverdichtetem Zustand entsprechend der Summe der Volumina des Gasraums und des Verdichterraums) mit Arbeitsfluid entspricht:

a. Befüllen des Gasraums und/oder des Verdichterraums mit zu verdichtendem Arbeitsfluid über eine Zuleitung und anschließendes gasdichtes Verschließen der Zuleitung (und auch der übrigen Zu- bzw. Ableitungen zu dem Gasraum und Verdichterraum),
b. Zugabe des Verdichterfluids in den Verdichterraum, insbesondere über eine (dann geöffnete) Zuleitung in einem unteren Bereich des Verdichterraums, unter zumindest teilweiser Verdrängung des Arbeitsfluids aus dem Verdichterraum und dessen Verdichtung auch innerhalb des Gasraums unter Wärmeabgabe an die Umgebung, insbesondere an ein Wärmespeichermaterial, bis zu einem vorgegebenen Verdichtungsdruck. Der Verdichtungsdruck entspricht, bei vollständiger Verdrängung des Arbeitsfluids aus dem Verdichterraum, einem maximal möglichen Verdichtungsdruck.
c. Öffnen einer, insbesondere an einem oberen Bereich der Verdichtereinheit angeordneten, Ableitung des Gasraums und Zugabe von Verdichterfluid in den Gasraum über die Zuleitung unter Austreiben des verdichteten Arbeitsfluids,
d. Abfuhr des Verdichterfluids aus dem Gasraum und/oder aus dem Verdichterraum, z. B. unter Befüllung mit zu verdichtendem Arbeitsfluid (wobei Schritt d. teilweise Schritt a. bilden kann).

The compressor operation preferably has the following steps in a compression process, the compression process corresponding to the compression of a filling of the compressor unit (in the uncompressed state corresponding to the sum of the volumes of the gas chamber and the compressor chamber) with working fluid:

a. Filling the gas space and / or the compressor space with working fluid to be compressed via a feed line and then sealing the feed line in a gastight manner (and also the other feed and discharge lines to the gas space and compressor space),
b. Addition of the compressor fluid into the compressor chamber, in particular via a (then opened) supply line in a lower area of the compressor chamber, with at least partial displacement of the working fluid from the compressor chamber and its compression also within the gas chamber with heat dissipation to the environment, in particular to a heat storage material, to at a given compression pressure. When the working fluid is completely displaced from the compression chamber, the compression pressure corresponds to a maximum possible compression pressure.
c. Opening a, in particular arranged at an upper area of the compressor unit, Discharge of the gas space and addition of compressor fluid into the gas space via the supply line while driving out the compressed working fluid,
d. Discharge of the compressor fluid from the gas space and / or from the compressor space, e.g. B. with filling with working fluid to be compressed (whereby step d. Can partially form step a.).

Vorzugsweise kann bei dem Verfahren die Verdichteranordnung in einem isothermen Expansionsbetrieb betrieben werden, umfassend die Schritte:

a. Befüllen des Gasraums und/oder des Verdichterraums mit Verdichterfluid,
b. isobare Zugabe des Arbeitsfluids in den Gasraum unter Abfuhr des Verdichterfluids aus dem Gasraum,
c. Wärmeaufnahme in das Arbeitsfluid aus der Umgebung, insbesondere aus dem Wärmespeichermaterial, unter isothermer Expansion (d. h. Volumenvergrößerung bei im Wesentlichen konstanter Temperatur) des Arbeitsfluids, wobei das Verdichterfluid aus der Verdichtereinheit, insbesondere über den Verdichterraum, ausgetrieben wird und einen externen Energiewandler antreibt,
d. Abfuhr des Arbeitsfluids aus dem Gasraum und/oder aus dem Verdichterraum, z. B. unter Befüllung mit auszutreibendem Verdichterfluid (wobei Schritt d. teilweise Schritt a. bilden kann).

In the method, the compressor arrangement can preferably be operated in an isothermal expansion mode, comprising the steps:

a. Filling the gas space and / or the compressor space with compressor fluid,
b. isobaric addition of the working fluid into the gas space with the discharge of the compressor fluid from the gas space,
c. Heat absorption into the working fluid from the environment, in particular from the heat storage material, with isothermal expansion (ie volume increase at essentially constant temperature) of the working fluid, the compressor fluid being expelled from the compressor unit, in particular via the compressor chamber, and driving an external energy converter,
d. Discharge of the working fluid from the gas space and / or from the compressor space, e.g. B. with filling with compressor fluid to be expelled (whereby step d. Can partially form step a.).

Die Verdichtung und/oder die Expansion kann jeweils in mehreren Stufen erfolgen, um ein insgesamt höheres Druckverhältnis zu realisieren.The compression and / or the expansion can each take place in several stages in order to achieve an overall higher pressure ratio.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird, bei Vorhandensein mehrerer Verdichtereinheiten, das Verdichterfluid den Verdichterräumen zur Erzeugung einer (oszillierenden) Strömung in den Gasvolumina während des Verdichterbetriebs alternierend (phasenversetzt) zugegeben. So wird ein nicht gleichphasiger Verdichtungsvorgang zwischen den einzelnen Verdichtereinheiten erreicht, wobei durch den erzeugten Druckunterschied eine Strömungsbewegung innerhalb des Arbeitsfluids zwischen den Gasvolumina bewirkt wird. So ergibt sich eine Durchmischung innerhalb der und/oder zwischen den Gasvolumina und/oder den mit Gas gefüllten Teilvolumina der Verdichterräume. Dies führt zu einem verbesserten (insbesondere konvektiven) Wärmeübergang zwischen dem Gasraum bzw. den Gasräumen und deren Umgebung.In a preferred embodiment variant, if several compressor units are present, the compressor fluid is added alternately (out of phase) to the compressor chambers to generate an (oscillating) flow in the gas volumes during compressor operation. In this way, a non-in-phase compression process is achieved between the individual compressor units, with the pressure difference generated causing a flow movement within the working fluid between the gas volumes. This results in thorough mixing within and / or between the gas volumes and / or the gas-filled partial volumes of the compression chambers. This leads to an improved (in particular convective) heat transfer between the gas space or the gas spaces and their surroundings.

Vorzugsweise wird das Arbeitsfluid von Wasser bzw. Wasserdampf oder einem organischen Fluid (beispielsweise bei einer Wärmepumpen-Speicher-Anordnung gemäß dem CHEST-Konzept) oder einem bekannten Kältemittel (beispielsweise bei einer Niedertemperatur-Anwendung, mit maximalen Temperaturen von unter 100 °C) gebildet und/oder wird das Verdichterfluid von einem in dem Arbeitsfluid (im Wesentlichen) unlöslichen Fluid, insbesondere von einem ionischen Fluid, oder von Wasser (bei der Niedertemperatur-Anwendung) gebildet.The working fluid is preferably formed by water or water vapor or an organic fluid (for example in a heat pump storage arrangement according to the CHEST concept) or a known refrigerant (for example in a low-temperature application, with maximum temperatures below 100 ° C) and / or the compressor fluid is formed from a fluid (essentially) insoluble in the working fluid, in particular from an ionic fluid, or from water (in the case of the low-temperature application).

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 A, B, C eine Verdichtereinheit einer Verdichteranordnung mit einem zu einem Verdichterraum separaten Gasraum in einer Schnittdarstellung senkrecht (1 A) und quer (1 B, C) zu einer Längsachse,
2 A, B, C ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verdichteranordnung mit zwei Verdichtereinheiten jeweils im Längsschnitt, zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Verdichtungsvorgangs,
3 ein Fließschema einer Wärmepumpenanordnung gemäß dem Stand der Technik,
4 ein Zustandsdiagramm (T-s-Diagramm) mit einem schematischen Kreisprozess gemäß dem Stand der Technik, wie er in der Wärmepumpenanordnung gemäß 3 ablaufen kann,
5 ein Zustandsdiagramm (T-s-Diagramm) mit einem Beladevorgang einer Wärmepumpen-Speicher-Anordnung mit einer isothermen Verdichteranordnung,
6 ein Zustandsdiagramm (T-s-Diagramm) mit einem zu dem Beladevorgang gemäß 5 korrespondierenden Entladevorgang der Wärmepumpen-Speicher-Anordnung, mit einer isothermen Entspannung und
7 ein Fließschema einer Wärmepumpen-Speicher-Anordnung umfassend eine Verdichteranordnung mit einem Latentwärme-Speichermaterial.

The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it:

1 A, B , C. a compressor unit of a compressor arrangement with a gas space separate from a compressor space in a sectional view perpendicular ( 1 A) and across ( 1 B, C ) to a longitudinal axis,
2 A, B , C. a further embodiment of a compressor arrangement with two compressor units each in longitudinal section, at different times during a compression process,
3 a flow diagram of a heat pump arrangement according to the prior art,
4th a state diagram (Ts diagram) with a schematic cyclic process according to the prior art, as it is in the heat pump arrangement according to FIG 3 can expire
5 a state diagram (Ts diagram) with a loading process of a heat pump storage arrangement with an isothermal compressor arrangement,
6th a state diagram (Ts diagram) with a according to the loading process 5 corresponding discharge process of the heat pump storage arrangement, with an isothermal expansion and
7th a flow diagram of a heat pump storage arrangement comprising a compressor arrangement with a latent heat storage material.

1 A bis 1 C zeigt eine Verdichtereinheit 10 einer Verdichteranordnung 1, die zum isothermen Verdichten von Gasen, hier als Arbeitsfluid bezeichnet, mittels eines Verdichterfluids 14 ausgebildet ist. Eine derartige Verdichteranordnung 1 wird auch als „Flüssigkolbenverdichter“ bezeichnet, wobei das Verdichterfluid 14 als Kolbenmedium wirkt und ein zu verdichtendes Arbeitsfluid 18 unter dessen Verdichtung verdrängt. Das Verdichterfluid 14 ist entsprechend der Arbeitstemperatur bei Verdichterbetrieb auszuwählen, wobei der Dampfdruck möglichst gering sein sollte, um einen Übergang in das Arbeitsfluid zu vermeiden. Neben kommerziellen Hydraulikflüssigkeiten können ionische Fluide oder Salzschmelzen zum Einsatz kommen. Bei der isothermen Verdichtung wird während des Verdichtungsvorgangs Wärme 36, die in dem Arbeitsfluid 18 durch dessen Verdichtung erzeugt wird, simultan z. B. an eine Umgebung und/oder an das Verdichterfluid 14 abgeführt. So weist das Arbeitsfluid 18 zu Beginn und zum Ende eines Verdichtungsvorgangs im Wesentlichen die gleiche Temperatur auf. 1 A to 1 C shows a compressor unit 10 a compressor arrangement 1 , which are used for isothermal compression of gases, here referred to as working fluid, by means of a compressor fluid 14th is trained. Such a compressor arrangement 1 is also referred to as a "liquid piston compressor", whereby the compressor fluid 14th acts as a piston medium and a working fluid to be compressed 18th repressed under its compression. The compressor fluid 14th should be selected according to the working temperature during compressor operation, whereby the vapor pressure should be as low as possible in order to avoid a transition into the working fluid. In addition to commercial hydraulic fluids, ionic fluids or molten salts can be used. With isothermal compression, heat is generated during the compression process 36 that are in the working fluid 18th by whose compression is generated, simultaneously z. B. to an environment and / or to the compressor fluid 14th discharged. So shows the working fluid 18th at the beginning and at the end of a compression process essentially the same temperature.

Die Verdichteranordnung 1 umfasst hier weitere, nicht dargestellte, zur Verdichtung benötigte Komponenten, beispielsweise eine, z. B. hydraulische, Pumpeinrichtung zur Förderung bzw. Druckerhöhung innerhalb des Verdichterfluids 14 und ein Reservoir zur bedarfsgemäßen Aufnahme und Abgabe des Verdichterfluids 14. Das Reservoir kann eine oder weitere Verdichteranordnung/en 1 mit Verdichterräumen 12 umfassen, wobei das Verdichterfluid 14 alternierend, je nach Betriebsphase, zwischen den Verdichteranordnungen 1 verteilt wird.The compressor arrangement 1 includes here further, not shown, components required for compression, for example a, z. B. hydraulic, pumping device for promoting or increasing pressure within the compressor fluid 14th and a reservoir for receiving and dispensing the compressor fluid as required 14th . The reservoir can have one or more compressor arrangements 1 with compressor spaces 12th comprise, wherein the compressor fluid 14th alternating between the compressor arrangements, depending on the operating phase 1 is distributed.

Wie 1 A in einem Längsschnitt entlang einer Längsachse L und die 1 B und 1 C je in einem Querschnitt A-A orthogonal zu der Längsachse L zeigen, umfasst die Verdichtereinheit 10 einen Verdichterraum 12 zur Aufnahme des Verdichterfluids 14 und/oder des Arbeitsfluids 18. Denkbar wären auch mehrere Teilräume des Verdichterraums 12. Der Verdichterraum 12 ist beispielhaft zylindrisch ausgebildet und erstreckt sich symmetrisch entlang der Längsachse L, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zugleich (im Wesentlichen, bis z. B. auf Zuleitungen 20, 22) die Symmetrieachse der Verdichtereinheit 10 darstellt.How 1 A in a longitudinal section along a longitudinal axis L and the 1 B and 1 C each show in a cross section AA orthogonal to the longitudinal axis L, comprises the compressor unit 10 a compressor room 12th for receiving the compressor fluid 14th and / or the working fluid 18th . Several sub-spaces of the compression space would also be conceivable 12th . The compressor room 12th is for example cylindrical and extends symmetrically along the longitudinal axis L, which in the embodiment shown at the same time (essentially, up to, for example, supply lines 20th , 22nd ) the axis of symmetry of the compressor unit 10 represents.

Der Verdichterraum 12 steht in Strömungsverbindung zu einem Gasraum 16, der zur Aufnahme von zu verdichtendem bzw. verdichtetem Arbeitsfluid 18 während des Verdichtungsvorgangs dient. Während des Verdichtungsvorgangs befindet sich in dem Gasraum 16 kein Verdichterfluid 14. Zweck des separaten Gasraumes 16 ist insbesondere eine Vergrößerung der umgrenzenden Fläche um das Gasvolumen bzw. das Arbeitsfluid 18 (oder eines Teils desselben), für eine verbesserte Wärmeabfuhr während des Verdichterbetriebs. Z. B. weist eine den Gasraum 16 gegenüber einer Umgebung umgrenzende Wandung 39 (in 1 A beispielhaft eine Grundwand 49, eine Deckwand 47 und eine Mantelwand 43, in 1 C teilweise ein Leitungsmaterial 166) in Summe eine größere Fläche auf als eine den Verdichterraum 12 umgrenzende Wandung 37 (vorliegend beispielhaft eine Grundwand 48, eine Deckwand 46 und eine Mantelwand 41).The compressor room 12th is in flow connection with a gas space 16 , the one for receiving the working fluid to be compressed or compressed 18th is used during the compaction process. During the compression process is located in the gas space 16 no compressor fluid 14th . Purpose of the separate gas space 16 is in particular an enlargement of the surrounding area by the gas volume or the working fluid 18th (or part of the same), for improved heat dissipation during compressor operation. For example, one shows the gas space 16 wall bordering on the surrounding area 39 (in 1 A for example a base wall 49 , a top wall 47 and a jacket wall 43 , in 1 C partly a line material 166 ) in total has a larger area than the compressor room 12th surrounding wall 37 (In this example a base wall 48 , a top wall 46 and a jacket wall 41 ).

Zur Strömungsverbindung zwischen dem Verdichterraum 12 und dem Gasraum 16 ist eine Öffnung 32 in der Deckwand 46 des Verdichterraums 12 vorhanden. Für eine gleichmäßige Strömungsführung und Wärmeübertragung ist die Öffnung 32 vorzugsweise symmetrisch zur Längsachse L, vorliegend beispielhaft kreisrund, ausgebildet und angeordnet. Die Öffnung 32 ist z. B. kleiner ausgebildet als die Querschnittsfläche des Verdichterraums 12. Die Öffnung 32 befindet sich in einem oberen Bereich 44 der Verdichtereinheit 10, der einem unteren Bereich 45 der Verdichtereinheit 10, mit einer Zuleitung 20 in den Gasraum 16, gegenüberliegt. „Oben“ und „unten“ entsprechen insbesondere auch diesen Richtungen bzgl. der Schwerkraft.For flow connection between the compression chamber 12th and the gas compartment 16 is an opening 32 in the top wall 46 of the compressor room 12th available. The opening is for even flow and heat transfer 32 preferably symmetrical to the longitudinal axis L, in the present example circular, designed and arranged. The opening 32 is z. B. made smaller than the cross-sectional area of the compressor chamber 12th . The opening 32 is located in an upper area 44 the compressor unit 10 that is a lower area 45 the compressor unit 10 , with a supply line 20th in the gas compartment 16 , opposite. “Above” and “below” correspond in particular to these directions with regard to the force of gravity.

Der Gasraum 16 ist für eine kompakte Ausgestaltung der Verdichtereinheit 10 und einen guten Temperaturausgleich innerhalb des gesamten Gasvolumens vorliegend im Wesentlichen zylindrisch (im Querschnitt kreisförmig) koaxial um den Verdichterraum 12 angeordnet. Dabei steht der Gasraum 16 mit dem Verdichterraum 12 mittels einer Trennvorrichtung 30, die die Mantelwand 41 und die Deckwand 46 des Verdichterraums 12 bildet, in thermischem Kontakt.The gas room 16 is for a compact design of the compressor unit 10 and a good temperature equalization within the entire gas volume in the present case essentially cylindrical (circular in cross section) coaxially around the compressor chamber 12th arranged. The gas space is here 16 with the compressor room 12th by means of a separator 30th who have favourited the mantle wall 41 and the top wall 46 of the compressor room 12th forms, in thermal contact.

Die zwischen dem Verdichterraum 12 und dem Gasraum 16 angeordnete Trennvorrichtung 30 ist hier beispielhaft als Innenzylinder ausgebildet. Die Trennvorrichtung 30 besteht vorzugsweise aus einem wärmeleitenden Material, beispielsweise Aluminium, um eine gute Wärmeübertragung zum Temperaturausgleich innerhalb des gesamten Gasvolumens zu unterstützen. Zudem können wärmeübertragende Strukturen an der Trennvorrichtung 30 vorhanden sein (hier nicht gezeigt). Da über die Trennvorrichtung 30 keine nennenswerten Druckdifferenzen anfallen, braucht die Trennvorrichtung 30 nicht aus einem druckfesten Material ausgebildet zu sein.The one between the compressor room 12th and the gas compartment 16 arranged separating device 30th is designed here as an inner cylinder, for example. The separator 30th consists preferably of a thermally conductive material, for example aluminum, in order to support good heat transfer for temperature equalization within the entire gas volume. In addition, heat-transferring structures can be attached to the separating device 30th be present (not shown here). Because about the separator 30th The separator needs no significant pressure differences 30th not to be made of a pressure-resistant material.

Der Gasraum 16 ist nach außen, gegenüber der Umgebung, von der Wandung 39 umgrenzt, die hier mit der Mantelwand 43 beispielhaft koaxial zu der Mantelwand 41 der Trennvorrichtung 30 angeordnet ist und so eine Art Parallelrohranordnung bildet. Für einen verbesserten Austausch der Wärme 36 zwischen dem Gasraum 16 und der Umgebung ist die Wandung 39 als Wärmeleitvorrichtung 34 ausgebildet, d. h. sie besteht aus einem Material, welches neben einer hohen Druckfestigkeit eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Wärmeleitvorrichtung 34 kann, z. B. zur Oberflächenvergrößerung, zudem eine Wärmeleitstruktur 38 umfassen, beispielsweise Rippen 380. In 1 B ist die Wärmeleitvorrichtung 34 ohne zusätzliche Wärmeleitstruktur 38 zylindrisch, mit der Mantelwand 43, der Deckwand 47 und ggf. der Grundwand 49, ausgebildet. In 1 C umfasst die Wärmeleitvorrichtung 34 die Wärmeleitstruktur 38, die hier beispielhaft die Rippen 380 aufweist.The gas room 16 is to the outside, to the environment, from the wall 39 delimited here with the jacket wall 43 for example coaxial to the shell wall 41 the separator 30th is arranged and thus forms a kind of parallel tube arrangement. For an improved exchange of heat 36 between the gas space 16 and the environment is the wall 39 as a heat conduction device 34 formed, ie it consists of a material which, in addition to high compressive strength, has high thermal conductivity. The thermal conduction device 34 can, e.g. B. to increase the surface area, also a heat conduction structure 38 include, for example, ribs 380 . In 1 B is the thermal conduction device 34 without additional heat conduction structure 38 cylindrical, with the jacket wall 43 , the top wall 47 and if necessary the base wall 49 , educated. In 1 C comprises the thermal conduction device 34 the heat conduction structure 38 who here exemplify the ribs 380 having.

Die Größe bzw. das Volumen des Gasraumes 16 bestimmt maßgeblich das Volumen des Arbeitsfluids 18 in verdichtetem Zustand. Daher ist vorzugsweise die Größe bzw. das Gasraum-Volumen unter Berücksichtigung des Maximaldrucks in verdichtetem Zustand ausgelegt. Der Gasraum 16 ist zumindest teilweise in einer Fluidleitanordnung 160 angeordnet, innerhalb derer der Gasraum 16, je nach Ausbildungsvariante, in unterschiedlicher Form ausgebildet sein kann. Ein einfaches Ausführungsbeispiel ist in 1 B gezeigt. Dabei umfasst die Fluidleitanordnung 160 einen Ringspalt 162, der im Wesentlichen, abgesehen von dem Bereich zwischen der Deckwand 46 und der Deckwand 47 und/oder einer Ableitung 24 bis zu einem Schließmittel 26, den Gasraum 16 bildet.The size or volume of the gas space 16 decisively determines the volume of the working fluid 18th in a compressed state. Therefore, the size or the gas space volume is preferably designed taking into account the maximum pressure in the compressed state. The gas room 16 is at least partially in a fluid guide arrangement 160 arranged, within which the gas space 16 , depending on the training variant, can be designed in different forms. A simple embodiment is shown in 1 B shown. The fluid guide arrangement includes 160 an annular gap 162 , which is essentially, apart from the area between the top wall 46 and the top wall 47 and / or a derivative 24 up to a locking means 26th , the gas compartment 16 forms.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches z. B. ein kompakteres Gasraum-Volumen ermöglicht, ist in 1 C gezeigt. Dabei umfasst die zylindrisch ausgebildete Fluidleitanordnung 160 das Leitungsmaterial 166 sowie mehrere, hier beispielhaft acht, äquidistant darin angeordnete Nuten 164, die axial verlaufende Leitungen bilden. Die Nuten 164 können beispielsweise, für eine optimierte Wärmeübertragung, in Abstimmung zu einer den Gasraum 16 umgebenden Wärmeleitvorrichtung 34 bzw. Wärmeleitstruktur 38 ausgebildet und angeordnet sein. Z. B. können sich die Nuten 164 an den radialen Positionen des Fußbereiches der Wärmeleitstruktur 38, z. B. von Rippen 380, befinden (vgl. 1 C).Another embodiment, which z. B. allows a more compact gas space volume is in 1 C shown. In this case, the cylindrically designed fluid guide arrangement comprises 160 the line material 166 as well as several, here by way of example eight, equidistant grooves arranged therein 164 that form axially extending lines. The grooves 164 can for example, for an optimized heat transfer, in coordination with one of the gas space 16 surrounding thermal conduction device 34 or heat conduction structure 38 be designed and arranged. For example, the grooves 164 at the radial positions of the foot area of the heat conducting structure 38 , e.g. B. of ribs 380 , are located (cf. 1 C) .

In 1 A bis 1 C ist die Umgebung des Gasraums 16 bzw. der Wärmeleitvorrichtung 34 durch ein Wärmespeichermaterial 28 gebildet. Das Wärmespeichermaterial 28 ist zylindrisch, den Gasraum 16 mantelförmig und deckförmig an der Seite und an der Deckwand 47 umgebend, ausgebildet. Auf diese Weise ergibt sich eine vergleichsweise große Kontaktfläche zwischen dem Gasraum 16 bzw. der Wärmeleitstruktur 38 und dem Wärmespeichermaterial 28. Das Wärmespeichermaterial 28 weist vorzugsweise ein auf das Arbeitsfluid 18 bzw. den Verdichterbetrieb abgestimmtes Latentwärme-Speichermaterial auf, welches während der Wärmeaufnahme (bzw. Wärmeabgabe) während des Verdichterbetriebs (bzw. während eines Expansionsbetriebs) einen Phasenwechsel durchläuft und eine im Wesentlichen konstante Temperatur beibehält. Das Latentwärme-Speichermaterial kann insbesondere in Kombination mit Wasser bzw. Wasserdampf als Arbeitsfluid 18 und bei Hochdruckanwendungen beispielsweise durch Natriumnitrat (NaNO₃) gebildet werden, welches einen Phasenwechsel bei etwa 300 °C vollzieht. Bei Niedertemperatur- und/oder Niederdruckanwendungen kann ein Paraffin verwendet werden.In 1 A to 1 C is the environment of the gas space 16 or the heat conduction device 34 through a heat storage material 28 educated. The heat storage material 28 is cylindrical, the gas space 16 jacket-shaped and cover-shaped on the side and on the top wall 47 surrounding, trained. This results in a comparatively large contact area between the gas space 16 or the heat conduction structure 38 and the heat storage material 28 . The heat storage material 28 preferably has a on the working fluid 18th or the compressor operation coordinated latent heat storage material, which during the heat absorption (or heat dissipation) during the compressor operation (or during an expansion operation) goes through a phase change and maintains a substantially constant temperature. The latent heat storage material can, in particular, be used in combination with water or water vapor as the working fluid 18th and in high pressure applications, for example, are formed by sodium nitrate (NaNO ₃ ), which undergoes a phase change at around 300 ° C. A paraffin can be used for low temperature and / or low pressure applications.

Zur Zu- und/oder Ableitung des Arbeitsfluids 18 und/oder des Verdichterfluids 14 zu bzw. von dem Gasraum 16 und/oder dem Verdichterraum 12 während des Verdichterbetriebs ist auf Höhe der Grundfläche 49 des Gasraums 16 eine Zuleitung 20, beispielsweise im rechten Winkel zur Längsachse L, angeordnet. Eine Zuleitung 22 zur Zu- und/oder Ableitung des Verdichterfluids 14 ist auf Höhe einer Grundfläche 48 des Verdichterraums 12, beispielsweise im rechten Winkel zur Längsachse L, angeordnet. Zum Verschließen der Zuleitung 20 und der Zuleitung 22 sind darin Schließmittel 40 bzw. 42 angeordnet (vgl. 2 A bis 2 C).For supplying and / or discharging the working fluid 18th and / or the compressor fluid 14th to or from the gas space 16 and / or the compressor room 12th during compressor operation is at the level of the base 49 of the gas compartment 16 a feed line 20th , for example at right angles to the longitudinal axis L, arranged. A supply line 22nd for supplying and / or discharging the compressor fluid 14th is level with a base 48 of the compressor room 12th , for example at right angles to the longitudinal axis L, arranged. To close the supply line 20th and the supply line 22nd are locking means in it 40 or. 42 arranged (cf. 2 A to 2 C) .

Eine Ableitung 24 zum Ausleiten des verdichteten Arbeitsfluids 18 ist an der Deckwand 47 des Gasraums 16 angeordnet, für eine symmetrische Strömungsführung hier beispielhaft symmetrisch, insbesondere koaxial, zu der Längsachse L. Die Ableitung 24 befindet sich somit im oberen Bereich 44 an der höchsten Stelle des Gasraums 16 bzw. die höchste Stelle bildend. Dadurch kann das verdichtete Arbeitsfluid 18 vorteilhaft mittels Verdichterfluid 14 aus dem Gasraum 16 ausgetrieben werden, wobei Verdichterfluid 14 über die Zuleitung 20 zugegeben wird und innerhalb des gesamten Gasraums 16 bis zu der Ableitung 24 bzw. dem Schließmittel 26 unter Austreibung des Arbeitsfluids 18 ansteigt.A derivation 24 for discharging the compressed working fluid 18th is on the top wall 47 of the gas compartment 16 arranged, for a symmetrical flow guidance here for example symmetrically, in particular coaxially, to the longitudinal axis L. The derivation 24 is therefore in the upper area 44 at the highest point in the gas compartment 16 or forming the highest point. This allows the compressed working fluid 18th advantageously by means of compressor fluid 14th from the gas compartment 16 be driven out, with compressor fluid 14th via the supply line 20th is added and within the entire gas space 16 up to the derivation 24 or the closing means 26th with expulsion of the working fluid 18th increases.

2 A bis C zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verdichteranordnung 1, mit mehreren, hier beispielhaft zwei, Verdichtereinheiten 10, zu jeweils einem anderen Zeitpunkt während des Verdichtungsvorgangs. Die Gasräume 16 der Verdichtereinheiten 10 stehen, insbesondere über die Zuleitungen 20, miteinander in Strömungsverbindung. Dies erlaubt eine vorteilhafte Verfahrensführung während des Verdichterbetriebs, welcher in Zusammenhang mit dem Verfahren nachstehend beschrieben wird. 2 A to C. show a further embodiment of a compressor arrangement 1 , with several, here as an example two, compressor units 10 , at a different point in time during the compaction process. The gas compartments 16 of the compressor units 10 stand, especially over the supply lines 20th , in flow communication with one another. This allows the process to be carried out advantageously during compressor operation, which is described below in connection with the process.

Der Verdichterbetrieb umfasst mehrere Schritte. Ein Verdichtungsvorgang entspricht der Verdichtung einer Füllung der Verdichtereinheit 10 (in unverdichtetem Zustand entsprechend der Summe der Volumina des Gasraums 16 und des Verdichterraums 12) mit Arbeitsfluid 18, d. h. einem Hub an Verdichterfluid 12.There are several steps involved in compressor operation. A compression process corresponds to the compression of a filling of the compressor unit 10 (in the uncompressed state corresponding to the sum of the volumes of the gas space 16 and the compressor room 12th ) with working fluid 18th , ie a stroke of compressor fluid 12th .

In einem ersten Schritt werden der Gasraum 16 und der Verdichterraum 12 mit zu verdichtendem Arbeitsfluid 18 über die Zuleitung 20 gefüllt, bei vorzugsweise geschlossener Zuleitung 22 und Ableitung 24. Anschließend wird die Zuleitung 20 gasdicht verschlossen.In a first step, the gas space 16 and the compressor room 12th with working fluid to be compressed 18th via the supply line 20th filled, with the supply line preferably closed 22nd and derivation 24 . Then the supply line 20th sealed gas-tight.

Im nächsten Schritt, dem Verdichtungsvorgang, wird Verdichterfluid 14 in den Verdichterraum 12 über die dann geöffnete Zuleitung 22 von unten in den Verdichterraum 12 zugegeben. Dabei wird das Arbeitsfluid 18 aus dem Verdichterraum 12 verdrängt, wobei sich das gesamte Gasvolumen, d. h. die Summe aus Gasraum 16 und dem mit Gas gefüllten Teil des Verdichterraums 12, verkleinert. Auf diese Weise kommt es zu einer Kompression bzw. Verdichtung des Arbeitsfluids 18 in dem sich verkleinernden Gasvolumen innerhalb des Verdichterraums 12 und des Gasraums 16. Die während der Verdichtung in dem Arbeitsfluid 18 anfallende Wärme wird insbesondere über den Gasraum 16 an die Umgebung, hier gebildet durch das (Latent-)Wärmespeichermaterial 28, abgegeben. So ist die Temperatur innerhalb des Arbeitsfluids 18 unmittelbar vor und nach dem Verdichtungsvorgang im Wesentlichen konstant. Das Wärmespeichermaterial 28 durchläuft vorzugsweise während der Wärmeaufnahme einen Phasenwechsel, sodass dessen Temperatur ebenfalls während des Verdichtungsvorgangs im Wesentlichen konstant bleibt.In the next step, the compression process, there is compression fluid 14th in the compressor room 12th via the then opened supply line 22nd from below into the compressor room 12th admitted. The working fluid is thereby 18th from the compressor room 12th displaced, whereby the entire gas volume, ie the sum of the gas space 16 and the gas-filled part of the compression chamber 12th , scaled down. In this way there is a compression or compression of the working fluid 18th in the decreasing gas volume within the compression chamber 12th and the gas compartment 16 . During the compression in the working fluid 18th accumulating heat especially about the gas space 16 to the environment, formed here by the (latent) heat storage material 28. So is the temperature inside the working fluid 18th essentially constant immediately before and after the compaction process. The heat storage material 28 preferably undergoes a phase change during heat absorption, so that its temperature also remains essentially constant during the compression process.

Die Verdichtung des Arbeitsfluids 18 erfolgt bis auf einen vorgegebenen Verdichtungsdruck. Der Verdichtungsdruck kann insbesondere dem maximal möglichen Verdichtungsdruck (Maximaldruck) entsprechen, der erreicht ist, wenn der Verdichterraum 12 vollständig mit den Verdichterfluid 14 befüllt ist. Das verdichtete Arbeitsfluid 18 befindet sich nun im Gasraum 16 im komprimierten Zustand. Denkbar wäre auch eine Teilverdichtung, wobei der Verdichterraum 12 nicht vollständig mit Verdichterfluid 14 befüllt wird.The compression of the working fluid 18th takes place up to a specified compression pressure. The compression pressure can in particular correspond to the maximum possible compression pressure (maximum pressure) that is reached when the compression chamber 12th completely with the compressor fluid 14th is filled. The compressed working fluid 18th is now in the gas compartment 16 in the compressed state. Partial compression would also be conceivable, with the compression space 12th not completely with compressor fluid 14th is filled.

Im nächsten Schritt wird die Ableitung 24 bzw. dessen Schließmittel 26 geöffnet. Über die Zuleitung 20 wird Verdichterfluid 14 in den Gasraum 16 zugegeben und auf diese Weise das verdichtete Arbeitsfluid 18 über die Ableitung 24 aus dem Gasraum 16 ausgetrieben.The next step is the derivation 24 or its closing means 26th open. About the supply line 20th becomes compressor fluid 14th in the gas compartment 16 added and in this way the compressed working fluid 18th about the derivation 24 from the gas compartment 16 expelled.

Anschließend wird das Verdichterfluid 14 aus dem Gasraum 16 und dem Verdichterraum 12 abgeführt. Dies kann z. B. unter Befüllung mit weiterem, zu verdichtendem Arbeitsfluid 18 geschehen. In diesem Falle bildet dieser letzte Schritt zugleich den ersten Schritt bzw. einen Teil des ersten Schrittes. Die Abfuhr des Verdichterfluids 14 und die Wiederbefüllung mit Arbeitsfluid 18 sollte vorteilhafterweise möglichst schnell vonstattengehen. Die Dauer der Abfuhr des Verdichterfluids 14 kann reduziert werden, wenn der Verdichterraum 12 als Reservoir zur parallelen Befüllung mehrerer anderer Verdichterräume 12 der Verdichteranordnung 1 genutzt wird.Then the compressor fluid 14th from the gas compartment 16 and the compressor room 12th discharged. This can e.g. B. with filling with further working fluid to be compressed 18th happen. In this case, this last step also forms the first step or part of the first step. The discharge of the compressor fluid 14th and refilling with working fluid 18th should advantageously take place as quickly as possible. The duration of the discharge of the compressor fluid 14th can be reduced if the compressor room 12th as a reservoir for the parallel filling of several other compression chambers 12th the compressor arrangement 1 is being used.

Die Verdichtung kann in mehreren Verdichtungsvorgängen hintereinander stufenweise erfolgen, wobei sich ein hoher Enddruck des Arbeitsfluids 18 am Ende aller durchlaufenden Verdichtungsstufen realisieren lässt.The compression can take place in several compression processes in succession, with a high final pressure of the working fluid 18th at the end of all continuous compression stages.

Neben dem Verdichterbetrieb ist vorzugsweise auch ein isothermer Expansionsbetrieb mit der Verdichteranordnung 1 möglich. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Verdichteranordnung 1 in einer Wärmepumpenanordnung, insbesondere in einer Wärmepumpen-Speicher-Anordnung 80 (vgl. 7), zum Einsatz kommt. Hierbei kann die Verdichteranordnung 1 in Kombination mit einem externen Energiewandler (hier nicht gezeigt) zur Auskopplung von über Wärme erzeugte elektrische Energie dienen.In addition to the compressor operation, isothermal expansion operation with the compressor arrangement is also preferred 1 possible. This is particularly advantageous when the compressor arrangement 1 in a heat pump arrangement, in particular in a heat pump storage arrangement 80 (see. 7th ), is used. Here, the compressor arrangement 1 in combination with an external energy converter (not shown here) to decouple electrical energy generated by heat.

Der Expansionsbetrieb umfasst die nachfolgend angegebenen Schritte. Ein Expansionsvorgang entspricht der Expansion einer Füllung der Verdichtereinheit 10 (in verdichtetem Zustand entsprechend dem Volumen des Gasraums 16) an Arbeitsfluid 18. Zunächst wird der Gasraum 16 und der Verdichterraum 12 mit dem Verdichterfluid 14 befüllt.The expansion operation includes the following steps. An expansion process corresponds to the expansion of a filling of the compressor unit 10 (in the compressed state according to the volume of the gas space 16 ) of working fluid 18th . First is the gas space 16 and the compressor room 12th with the compressor fluid 14th filled.

Anschließend wird unter Abfuhr des Verdichterfluids 14 aus dem Gasraum 16 der Gasraum 16 isobar, d. h. bei konstant bleibendem Druck, mit dem verdichteten Arbeitsfluid 14 befüllt. Die Befüllung erfolgt z. B. über die Ableitung 24, wobei das Verdichterfluid 14 aus der Zuleitung 20 abgeführt wird.Subsequently, the compressor fluid is discharged 14th from the gas compartment 16 the gas compartment 16 isobaric, ie at constant pressure, with the compressed working fluid 14th filled. The filling takes place z. B. via the derivation 24 , the compressor fluid 14th from the supply line 20th is discharged.

Im nächsten Schritt, dem Expansionsvorgang, werden die Ableitung 24 und die Zuleitung 20 geschlossen, während die Zuleitung 22 des Verdichterfluids 14 in dem Verdichterraum 12 geöffnet wird. Außerhalb des Verdichterraums 11 herrscht ein niedrigerer Druck als innerhalb des Gasraums 16 bzw. des Verdichterraums 12. Auf diese Weise expandiert das Arbeitsfluid 18 und nimmt dabei Wärme aus der Umgebung, insbesondere dem (Latent-) Wärmespeichermaterial 28 auf. So bleibt die Temperatur des Arbeitsfluids 18 während der Expansion im Wesentlichen konstant. Durch die Expansion des Arbeitsfluids 18 wird das Verdichterfluid 14 aus dem Verdichterraum 12 ausgetrieben und treibt dabei den externen Energiewandler, beispielsweise einen Generator zur Stromerzeugung, an.In the next step, the expansion process, the derivation 24 and the supply line 20th closed while the supply line 22nd of the compressor fluid 14th in the compressor room 12th is opened. Outside the compressor room 11 the pressure is lower than within the gas space 16 or the compressor room 12th . In this way the working fluid expands 18th and thereby takes heat from the environment, especially the (latent) heat storage material 28 on. So the temperature of the working fluid remains 18th essentially constant during expansion. Due to the expansion of the working fluid 18th becomes the compressor fluid 14th from the compressor room 12th driven out and drives the external energy converter, for example a generator to generate electricity.

Nach Erreichen eines vorgegebenen Enddrucks, insbesondere nachdem das gesamte Volumen (Gasraum 16 und Verdichterraum 12) mit dem expandierten Arbeitsfluid 18 gefüllt ist, wird das Arbeitsfluid 18 aus dem Gasraum 16 und dem Verdichterraum 12 abgeführt. Dies kann z. B. unter Befüllung mit Verdichterfluid 14 geschehen. In diesem Falle bildet dieser letzte Schritt zugleich den ersten Schritt bzw. einen Teil des ersten Schrittes des Expansionsbetriebs.After reaching a predetermined final pressure, in particular after the entire volume (gas space 16 and compressor room 12th ) with the expanded working fluid 18th is filled, the working fluid 18th from the gas compartment 16 and the compressor room 12th discharged. This can e.g. B. under filling with compressor fluid 14th happen. In this case, this last step also forms the first step or part of the first step of the expansion operation.

Die Dauer eines Verdichtungsvorgangs kann sich unter anderem nach der Geschwindigkeit des Wärmeübergangs zwischen dem Arbeitsfluid 18 und der Umgebung richten. Beispielsweise kann die Dauer in der Größenordnung von 1 s pro Verdichtungsvorgang (mit „Hub des Flüssigkeitskolbens“) betragen. Die Dauer des Expansionsvorgangs kann sich zusätzlich oder alternativ nach dem Betrieb des externen Energiewandlers richten.The duration of a compression process can depend, among other things, on the speed of heat transfer between the working fluid 18th and the environment. For example, the duration can be in the order of magnitude of 1 s per compression process (with “stroke of the liquid piston”). The duration of the expansion process can additionally or alternatively depend on the operation of the external energy converter.

Wie in den 2 A bis 2 C gezeigt, kann Verdichteranordnung 1 mehrere Verdichtereinheiten 10 umfassen, deren Gasräume 16 miteinander in Strömungsverbindung stehen. In einer bevorzugten Verfahrensvariante, die in den 2 A bis 2 C gezeigt ist, wird das Verdichterfluid 14 während des Verdichterbetriebs alternierend (phasenversetzt bzw. mit einem Phasenversatz zwischen den beiden Verdichtereinheiten 10) innerhalb der einzelnen Verdichterräume 12 zugegeben. So wird beispielsweise, wie in 2 A gezeigt, zunächst die figurgemäß rechte der beiden gezeigten Verdichtereinheiten 10 bis auf ein bestimmtes Niveau, hier beispielhaft zweidrittel, mit Verdichterfluid 14 befüllt. Die figurgemäß linke der Verdichtereinheiten 10 weist ein niedrigeres Niveau an Verdichterfluid 14 in dem Verdichterraum 12 auf. Anschließend wird das Niveau der rechten Verdichtereinheit 10 z. B. konstant gehalten oder langsamer befüllt, so dass das Niveau an Verdichterfluid der linken der beiden Verdichtereinheiten 10 das der Rechten übersteigt (vgl. 2 B). Anschließend kann die Befüllung wieder gewechselt werden, sodass wiederum das Niveau der rechten Verdichtereinheit 10 das der linken übersteigt (vgl. 2 C). So wird ein nicht gleichphasiger Verdichtungsvorgang zwischen den einzelnen Verdichtereinheiten 10 erreicht, wobei durch den erzeugten Druckunterschied eine Strömungsbewegung an Arbeitsfluid 18 zwischen den Gasvolumina 16 bewirkt wird (angedeutet durch Pfeile in 2 A bis C). Auf diese Weise ergibt sich eine Durchmischung innerhalb der und/oder zwischen den Gasvolumina 16 und/oder den mit Gas gefüllten Teilvolumina der Verdichterräume 12. Dies führt zu einem verbesserten (insbesondere konvektiven) Wärmeübergang zwischen dem Gasraum bzw. den Gasräumen 16 und deren Umgebung.As in the 2 A to 2 C shown can compressor assembly 1 several compressor units 10 include their gas spaces 16 are in flow communication with each other. In a preferred variant of the method, which in the 2 A to 2 C is shown, the compressor fluid 14th alternating during compressor operation ( phase shifted or with a phase shift between the two compressor units 10 ) within the individual compressor rooms 12th admitted. For example, as in 2 A shown, first the figure on the right of the two compressor units shown 10 up to a certain level, here for example two-thirds, with compressor fluid 14th filled. The figure on the left of the compressor units 10 has a lower level of compressor fluid 14th in the compressor room 12th on. This is followed by the level of the right compressor unit 10 z. B. held constant or filled more slowly, so that the level of compressor fluid of the left of the two compressor units 10 that of the right (cf. 2 B) . The filling can then be changed again, so that again the level of the right-hand compressor unit 10 that of the left (cf. 2 C) . This creates a non-in-phase compression process between the individual compressor units 10 achieved, with a flow movement of working fluid due to the pressure difference generated 18th between the gas volumes 16 is effected (indicated by arrows in 2 A to C. ). This results in thorough mixing within and / or between the gas volumes 16 and / or the partial volumes of the compression chambers filled with gas 12th . This leads to an improved (in particular convective) heat transfer between the gas space or the gas spaces 16 and their surroundings.

Besondere Vorteile der Verdichteranordnung 1 ergeben sich, wenn diese in einer Wärmepumpenanordnung 50, insbesondere in Ausbildung als Wärmepumpen-Speicher-Anordnung 80 verwendet wird. 3 zeigt beispielhaft ein Fließschema einer aus dem Stand der Technik bekannten Wärmepumpenanordnung 50. 4 zeigt ein dazugehöriges T-s-Diagramm 60, wobei eine Temperatur 62 über der Entropie 64 aufgetragen ist. In dem T-s-Diagramm 60 sind die einzelnen Zustände und Zustandsänderungen des Arbeitsfluids 18 während des Wärmepumpen-Kreisprozesses prinzipgemäß gezeigt. Die Zustände sind jeweils mit umkreisten Ziffern dargestellt.Special advantages of the compressor arrangement 1 arise when these in a heat pump arrangement 50 , especially in training as a heat pump storage arrangement 80 is used. 3 shows an example of a flow diagram of a heat pump arrangement known from the prior art 50 . 4th shows an associated Ts diagram 60, with a temperature 62 above entropy 64 is applied. The individual states and changes in state of the working fluid are shown in the Ts diagram 60 18th shown in principle during the heat pump cycle. The states are shown with circled numbers.

Zunächst wird ausgehend von einem ersten Zustand das Arbeitsfluid 18 mittels einer Verdampferanordnung 52 bei einem niedrigen Druck auf einen zweiten Zustand unter Aufnahme von (Verdampfung-) Wärme bei konstanter Temperatur verdampft. Das Arbeitsfluid 18 liegt nun als Sattdampf vor. Anschließend wird das Arbeitsfluid 18 von dem zweiten Zustand auf einen dritten Zustand mittels einer Verdichteranordnung 54 (in der Regel adiabat) verdichtet. Am Austritt der Verdichteranordnung 54 liegt das Arbeitsfluid 18 dann in einem überhitzten Zustand vor (vgl. Zustand 3 in einem überhitzten Gebiet 66). In einer Wärmetauschanordnung 56 wird das Arbeitsfluid 18 zunächst enthitzt und anschließend bei der dem Druck entsprechenden Sättigungstemperatur auf einen Zustand 4 kondensiert. Der Kreislauf wird durch eine Druckreduzierung von dem Zustand 4 auf den Zustand 1 geschlossen.First of all, starting from a first state, the working fluid 18th by means of an evaporator arrangement 52 evaporated at a low pressure to a second state with absorption of (evaporation) heat at constant temperature. The working fluid 18th is now available as saturated steam. Then the working fluid 18th from the second state to a third state by means of a compressor arrangement 54 (usually adiabatically) compressed. At the outlet of the compressor arrangement 54 is the working fluid 18th then in an overheated state (see state 3 in an overheated area 66 ). In a heat exchange arrangement 56 becomes the working fluid 18th first of all heated and then to a state at the saturation temperature corresponding to the pressure 4th condensed. The circuit is created by a pressure reduction from the state 4th on the state 1 closed.

Derartige Kreisprozesse können für verschiedene Anwendungen vorteilhaft mit Wärmespeichern zu einer Wärmepumpen-Speicher-Anordnung 80 kombiniert werden, um die Verfügbarkeit von elektrischer Energie von der Bereitstellung von Wärme für einen Verbraucher zu entkoppeln.Such cycle processes can advantageously be used for various applications with heat accumulators to form a heat pump storage arrangement 80 can be combined in order to decouple the availability of electrical energy from the provision of heat for a consumer.

Beispielsweise kann für Heizzwecke elektrische Energie aus erneuerbaren Energien eingesetzt werden, um Niedertemperaturwärme in Wärme höherer Temperatur umzuwandeln. Diese wird gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt bedarfsgerecht bereitgestellt.For example, electrical energy from renewable energies can be used for heating purposes in order to convert low-temperature heat into heat at a higher temperature. This is saved and made available as required at a later point in time.

In einem weiteren Anwendungsbeispiel sind Wärmepumpen-Speicher-Anordnungen 80 Teil eines Systems zur Speicherung von elektrischer Energie auf Basis einer Zwischenspeicherung in Form von Wärmeenergie. Während eines Beladevorgangs wird dabei elektrische Energie für den Antrieb einer Wärmepumpen-Speicher-Anordnung 80 eingesetzt, welche Hochtemperaturwärme an einen thermischen Speicher abgibt. Diese gespeicherte Wärme wird während eines Entladevorgangs, bei umgekehrt durchlaufenem Kreisprozess, wieder in mechanische Energie umgewandelt. Dieses Konzept wird als „Pumped Thermal Energy Storage“ (PTES) bezeichnet.In a further application example are heat pump storage arrangements 80 Part of a system for storing electrical energy on the basis of intermediate storage in the form of thermal energy. During a loading process, electrical energy is used to drive a heat pump storage arrangement 80 used, which gives off high-temperature heat to a thermal store. This stored heat is converted back into mechanical energy during a discharge process, if the cycle is reversed. This concept is called "Pumped Thermal Energy Storage" (PTES).

Eine spezielle Variante dieses Konzepts ist das sogenannte „Compressed Heat Energy Storage“ (CHEST)-Konzept. Dabei werden Kreisläufe mit Wasser oder einem organischen Arbeitsmedium mit einem Latentwärmespeicher kombiniert. In großem Maßstab können dabei beispielsweise Dampfturbinenanordnungen als Energiewandler zur Stromerzeugung bei dem Entladevorgang genutzt werden.A special variant of this concept is the so-called “Compressed Heat Energy Storage” (CHEST) concept. Circuits with water or an organic working medium are combined with a latent heat storage system. On a large scale, for example, steam turbine arrangements can be used as energy converters for generating electricity during the discharge process.

Zur Nutzung von Prozessdampf beispielsweise in Dampfkraftwerken sind hohe Enddrücke vorteilhaft, beispielsweise im Bereich von rund 100 bar. Diese führen insbesondere bei einem herkömmlichen, adiabaten Verdichtungsvorgang während eines Wärmepumpen-Kreisprozesses mit Wasser als Arbeitsfluid zu hohen Temperaturen, von z. B. mehr als 800 °C. Zur Vermeidung derart hoher Temperaturen erfolgt die Verdichtung gemäß dem Stand der Technik beispielsweise in mehreren Stufen mit Zwischenkühlung. Der entsprechende Aufbau weist jedoch nachteilhaft eine hohe Komplexität auf. Bei Ausbildung der Wärmepumpen-Speicher-Anordnung 80 mit der isothermen Verdichteranordnung 1 können derart hohe Temperaturen vorteilhaft vermieden werden.To use process steam, for example in steam power plants, high final pressures are advantageous, for example in the range of around 100 bar. In a conventional, adiabatic compression process during a heat pump cycle with water as the working fluid, these lead to high temperatures, e.g. B. more than 800 ° C. In order to avoid such high temperatures, compression according to the prior art takes place, for example, in several stages with intermediate cooling. However, the corresponding structure is disadvantageously high in complexity. When forming the heat pump storage arrangement 80 with the isothermal compressor arrangement 1 such high temperatures can advantageously be avoided.

Der Ablauf eines Wärmepumpen-Kreisprozesses, wie er dem Beladevorgang des sogenannten CHEST-Prozesses mit Verwendung der isothermen Verdichteranordnung 1 zu Grunde liegt, ist in 5 in einem T-s-Diagramm 70 dargestellt. Beispielhaft wird dabei Wasser als Arbeitsfluid 18 mit einem Kondensationsdruck von 105 bar verwendet.The sequence of a heat pump cycle, as it is the loading process of the so-called CHEST process using the isothermal compressor arrangement 1 is based on is in 5 shown in a Ts diagram 70. An example is water as the working fluid 18th used with a condensation pressure of 105 bar.

Zunächst wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt (vgl. z. B. 4), ausgehend von einem Zustand 1 in einer Zustandsänderung 1-2 Sattdampf erzeugt, beispielsweise mittels der Verdampferanordnung 52. Anschließend erfolgt, als Zustandsänderung 2-3, ausgehend von dem Zustand 2 eine isobare Überhitzung des Arbeitsfluids 18, d. h. Wärmezufuhr bei konstantem Druck, bis auf eine Kondensationstemperatur des Arbeitsfluids 18 bei dem Zustand 3. Die Überhitzung wird z. B. mittels einer Überhitzereinheit 84 (vgl. 7) durchgeführt. In einer Zustandsänderung 3-4 erfolgt die isotherme Verdichtung mittels der im Verdichtungsbetrieb betriebenen Verdichteranordnung 1 unter Einspeicherung der bei der Verdichtung abgegebenen Wärme in das Wärmespeichermaterial 28. In einer anschließenden Zustandsänderung 4-5 erfolgt die Kondensation des Arbeitsfluids 18 mittels einer Kondensationseinheit 88 (vgl. 7), wobei die Kondensationswärme vorzugsweise an eine weitere (Latent-) Wärmespeichereinheit abgegeben und dort zwischengespeichert wird. Anschließend erfolgt in einer Zustandsänderung 5-1 die Rückkühlung von dem Zustand 5 auf die Verdampfungstemperatur bei Zustand 1. Die bei der Rückkühlung aus dem Arbeitsfluid 18 abgegebene Wärme kann z. B. in einer Wärmespeichereinheit zwischengespeichert und/oder rekuperativ für die Überhitzung des Sattdampfes (vgl. Zustandsänderung 2-3) genutzt werden. Die ggf. verwendete Wärmespeichereinheit ist vorzugsweise mit einem Wärmespeichermaterial zur sensiblen Wärmespeicherung (d. h. Wärmespeicherung unter Temperaturänderung) ausgestattet, da das Arbeitsfluid 18 bei der Rückkühlung ebenfalls eine Temperaturänderung erfährt. Alternativ oder zusätzlich kann eine ohnehin innerhalb der Wärmepumpen-Speicher-Anordnung 80 vorhandene Latent-Wärmespeichereinheit zudem als sensible Wärmespeichereinheit genutzt werden.First, as known from the prior art (cf. e.g. 4th ), based on a state 1 in a change of state 1-2 Generated saturated steam, for example by means of the evaporator arrangement 52 . Then takes place as a change of state 2-3 , based on the state 2 an isobaric overheating of the working fluid 18th , ie heat supply at constant pressure, up to a condensation temperature of the working fluid 18th at the state 3 . The overheating is z. B. by means of a superheater unit 84 (see. 7th ) carried out. In a change of state 3-4 the isothermal compression takes place by means of the compressor arrangement operated in compression mode 1 while the heat given off during compression is stored in the heat storage material 28 . In a subsequent change of state 4-5 the condensation of the working fluid takes place 18th by means of a condensation unit 88 (see. 7th ), the heat of condensation preferably being given off to a further (latent) heat storage unit and temporarily stored there. This is followed by a change of state 5-1 the re-cooling from the state 5 on the evaporation temperature at state 1 . During the recooling from the working fluid 18th given heat can z. B. temporarily stored in a heat storage unit and / or recuperatively for overheating the saturated steam (see. Change of state 2-3 ) be used. The possibly used heat storage unit is preferably equipped with a heat storage material for sensible heat storage (ie heat storage with a change in temperature), since the working fluid 18th also experiences a temperature change during recooling. As an alternative or in addition, one can anyway within the heat pump storage arrangement 80 existing latent heat storage unit can also be used as a sensible heat storage unit.

6 zeigt das T-s-Diagramm 70 mit dem Beladevorgang ergänzt um den korrespondierenden Entladevorgang (Strich-Punkte-Linie). Hierbei sind die Zustände mit umkreisten Großbuchstaben gekennzeichnet. Ausgehend von einem Zustand E wird das Arbeitsfluid 18 auf einen Zustand A vorgewärmt (Zustandsänderung E-A). Die Wärmezufuhr kann beispielsweise rekuperativ erfolgen, unter Nutzung der bei der Enthitzung anfallenden Wärme (Zustandsänderung C-D). Ausgehend von dem Zustand A wird das Arbeitsfluid 18 unter Verdampfung auf einen Zustand B gebracht, wobei insbesondere zuvor in der (weiteren) (Latent-)Wärmespeichereinheit zwischengespeicherte Wärme genutzt wird. Innerhalb der Zustandsänderung B-C erfolgt die isotherme Expansion mittels der im Expansionsbetrieb betriebenen Verdichteranordnung 1 unter Aufnahme der bei der Verdichtung eingespeicherten Wärme aus dem Wärmespeichermaterial 28. Dabei wird zur Energierückgewinnung der (ggf. mehrere Einheiten aufweisende) externe Energiewandler z. B. mittels des Verdichterfluids 14 betrieben. Von dem Zustand C auf einen Zustand D erfolgt die Enthitzung des Arbeitsfluids 18, bevor das Arbeitsfluid 18 schließlich unter Abgabe von Kondensationswärme auf den Zustand E kondensiert wird. 6th shows the Ts diagram 70 with the loading process supplemented by the corresponding unloading process (dash-dot line). The states are marked with circled capital letters. Starting from a state E, the working fluid is 18th preheated to a state A (change of state EA). The heat can be supplied recuperatively, for example, using the heat generated during desuperheating (change of state CD). Starting from the state A, the working fluid becomes 18th brought to a state B with evaporation, wherein in particular heat temporarily stored in the (further) (latent) heat storage unit is used beforehand. Within the change of state BC, the isothermal expansion takes place by means of the compressor arrangement operated in the expansion mode 1 while absorbing the heat stored during compression from the heat storage material 28 . For energy recovery, the external energy converter (which may have several units) z. B. by means of the compressor fluid 14th operated. From state C to state D, the working fluid is de-heated 18th before the working fluid 18th finally condensing to state E with the release of heat of condensation.

7 zeigt ein Fließschema eines vereinfachten Aufbaus der Wärmepumpen-Speicher-Anordnung 80, insbesondere zur Realisierung eines CHEST-Konzepts. Dabei sind die entsprechenden Zustände des Beladevorgangs bzw. des Entladevorgangs (gemäß 5 und 6) angegeben. Zur Verdampfung bzw. Kondensation des Arbeitsfluids 18 auf dem niedrigen Druckniveau (vgl. Zustandsänderung zwischen Zustand 1 und 2 bzw. D und E) ist als Verdampferanordnung 82 vorzugsweise eine Niedertemperaturspeichereinheit vorhanden. Diese weist vorzugsweise ebenfalls ein Latentwärme-Speichermaterial auf. So kann die bei dem Entladevorgang abgegebene Kondensationswärme bei dem nächsten Beladevorgang aus der Niedertemperatur-Speichereinheit bezogen werden. Zur Überhitzung bzw. Enthitzung des Arbeitsfluids 18 ist stromab bzw. stromauf der Verdampferanordnung 82 eine Überhitzereinheit 84 angeordnet. Diese ist vorzugsweise als Rekuperationseinrichtung ausgebildet, wobei die Abwärme bei der Rückkühlung zwischen dem Zustand 5 und 1 (Beladevorgang) genutzt werden kann. Bei dem Entladevorgang kann über die Rekuperationseinrichtung die bei der Enthitzung anfallende Wärme auf den Vorwärmprozess zwischen den Zuständen E und A übertragen werden. 7th shows a flow diagram of a simplified structure of the heat pump storage arrangement 80 , especially for the implementation of a CHEST concept. The corresponding states of the loading process or the unloading process (according to 5 and 6th ) specified. For evaporation or condensation of the working fluid 18th at the low pressure level (see change of state between state 1 and 2 or D and E) is as an evaporator arrangement 82 preferably a low temperature storage unit is present. This preferably also has a latent heat storage material. In this way, the heat of condensation given off during the discharging process can be drawn from the low-temperature storage unit during the next charging process. For overheating or desuperheating the working fluid 18th is downstream or upstream of the evaporator arrangement 82 a superheater unit 84 arranged. This is preferably designed as a recuperation device, with the waste heat during the recooling between the state 5 and 1 (Loading process) can be used. During the discharging process, the heat generated during the de-heating process can be transferred to the preheating process between states E and A via the recuperation device.

Stromab bzw. stromauf der Überhitzereinheit 84 ist eine Verdichteranordnung 86 angeordnet, die als isotherme Verdichteranordnung 1, für den isothermen Verdichterbetrieb bzw. den isothermen Expansionsbetrieb, ausgebildet ist. Stromab bzw. stromauf der Verdichteranordnung 86 befindet sich die Kondensationseinheit 88, die vorzugsweise ebenfalls mit einem Latentwärme-Speichermaterial ausgestattet ist. Stromab bzw. stromauf der Kondensationseinheit 88 befindet sich vorzugsweise eine Wärmespeichereinheit, wobei bei der Rückkühlung in dem Beladevorgang freiwerdende Wärme zwischengespeichert und zur Vorwärmung bei dem Beladevorgang verwendet werden kann.Downstream or upstream of the superheater unit 84 is a compressor arrangement 86 arranged as an isothermal compressor arrangement 1 , is designed for isothermal compressor operation or isothermal expansion operation. Downstream or upstream of the compressor arrangement 86 is the condensation unit 88 , which is preferably also equipped with a latent heat storage material. Downstream or upstream of the condensation unit 88 there is preferably a heat storage unit, wherein the heat released during the recooling in the loading process can be temporarily stored and used for preheating during the loading process.

Neben Hochtemperaturanwendungen eignen sich die Verdichteranordnung 1 bzw. die Wärmepumpenanordnung 50 und/oder die Wärmepumpen-Speicher-Anordnung 80 auch zur Verwendung bei Niedertemperatur-Anwendungen (mit maximalen Temperaturen von z. B. kleiner 100 °C). Dabei kann beispielsweise Paraffin als Latentwärme-Speichermaterial 28 zum Einsatz kommen. Als Verdichterfluid 14 kann beispielsweise Wasser verwendet werden. Als Arbeitsmedium kann ein bekanntes Kältemittel dienen.In addition to high temperature applications, the compressor arrangement is also suitable 1 or the heat pump arrangement 50 and / or the heat pump storage arrangement 80 also for use in low-temperature applications (with maximum temperatures of e.g. less than 100 ° C). For example, paraffin can be used as a latent heat storage material 28 come into use. As a compressor fluid 14th for example, water can be used. A known refrigerant can serve as the working medium.

Mit der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung 1 lässt sich vorteilhaft eine hohe Wärmeübertragungsleistung an die (bzw. aus der) Umgebung während des Verdichtungsvorgangs (bzw. Expansionsvorgangs) realisieren. Zudem kann vorteilhaft, in Ausbildung als Wärmespeicheranordnung 50, die bei der Verdichtung anfallende bzw. bei der Expansion freiwerdende Wärme in einem Gesamtsystem genutzt werden, beispielsweise bei der Wärmepumpen-Speicher-Anordnung 80.With the compressor arrangement according to the invention 1 a high heat transfer rate to (or from) the environment during the compression process (or expansion process) can advantageously be achieved. In addition, it can be advantageous in the form of a heat storage arrangement 50 , the heat generated during compression or released during expansion is used in an overall system, for example in the heat pump storage arrangement 80 .

Claims

Compressor arrangement (1) for isothermal compression of a gaseous working fluid (18), with at least one compressor unit (10) comprising a compressor chamber (12) from which the working fluid (18) can at least partially be displaced during compressor operation while being compressed by a compressor fluid (14) , characterized in that a gas space (16) of the compressor unit (10) is arranged outside the compression space (12) via an opening (32) in flow connection with the compression space (12), - the gas space (16) in a fluid guide arrangement (160 ) the compressor chamber (12) is arranged at least partially surrounding, - wherein between the gas chamber (16) and the compressor chamber (12) at least partially a gas-tight separating device (30) made of thermally conductive material is arranged and - with working fluid (18) from the Compressor chamber (12) can be displaced into gas chamber (16) which is bordered by a wall (39) in relation to the surroundings of the compressor unit (10) t, which is designed as a heat conduction device (34) and consists of a material which, in addition to high compressive strength, has high thermal conductivity in order to release heat generated within the working fluid during compressor operation to the environment.

Compressor arrangement (1) according to Claim 1 , characterized in that the wall (39) delimiting the gas space (16) from the surroundings has a larger area than a wall (37) which forms the separating device (30) and delimits the compression space (12).

Compressor arrangement (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the opening (32) for the flow connection between the gas chamber (16) and the compressor chamber (12) in an upper region (44) of the compressor unit (10), in particular symmetrically with respect to a longitudinal axis (L) of the compressor unit (10) is arranged in a top wall (46) of the compression chamber (12).

Compressor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat conduction device (34) has a heat conduction structure (38), in particular with ribs (380).

Compressor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the compression space (12) is cylindrical.

Compressor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the fluid guide arrangement (160) an annular gap (162) forming at least part of the gas space (16) and / or lines forming at least part of the gas space (16), e.g. B. axially extending grooves (164) comprises.

Compressor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the gas space (16), in particular by means of the heat conduction device (34), is in heat transfer connection with a heat storage material (28) for absorbing heat from the working fluid (18) during compressor operation, in particular is at least partially surrounded by the heat storage material (28), for example in a cylindrical manner.

Compressor arrangement (1) according to Claim 7 , characterized in that the heat storage material (28) by a, in particular salt and / or paraffin-based, latent heat storage material, z. B. is formed by sodium nitrate.

Compressor arrangement (1) according to one of the Claims 3 to 8th , characterized in that the gas chamber (16) is assigned a closable supply line (20) for filling it with working fluid (18), the supply line (20) being arranged in a lower region (45) of the compressor unit (10), which is the upper area (44) is opposite.

Compressor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor arrangement (1) has at least two compressor units (10), the gas spaces (16) of which are in flow connection with one another.

Heat pump arrangement for guiding a working fluid (18) in the circuit with heat emission and / or heat absorption, with - an evaporator arrangement (82) for evaporating the working fluid (18), - a compressor arrangement (1) for isothermally compressing the working fluid (18) according to one of the preceding claims, - a heat exchanger arrangement (56) for condensing the working fluid (18) and - an expansion device (58) for reducing the temperature of the working fluid (18).

Heat pump arrangement according to Claim 11 , characterized in that between the evaporator arrangement (82) and the compressor arrangement (1) a superheater device (84), in particular a heat exchanger and / or a further compressor arrangement for partial compression, is arranged, the working fluid (18) being superheatable before the isothermal compression .

Heat pump arrangement according to Claim 11 or 12th , characterized in that the heat pump arrangement is designed as a heat pump storage arrangement (80), wherein it has at least one, preferably equipped with a latent heat storage material, heat storage unit, which in a loading process with circulation of the working fluid (18) with heat from the Working fluid (18), in particular during isothermal compression and / or condensation, can be loaded and can give off heat to the working fluid (18) in a discharging process, with the working fluid (18) being circulated in the opposite direction.

Heat pump arrangement according to one of the Claims 11 to 13th , characterized in that the expansion device (58) comprises a heat storage unit (90), in particular for sensible heat storage, and / or a recuperation device.

Method for operating a compressor arrangement (1) for isothermally compressing a gaseous working fluid (18) according to one of the Claims 1 to 10 , in which the working fluid (18) is at least partially displaced by means of a compressor fluid (14) while being compressed within a compressor chamber (12) of a compressor unit (10), characterized in that, in compressor operation, working fluid (18) from the compressor chamber ( 12) flows into a gas space (16) of the compressor unit (10) arranged outside the compression space and in the process, working fluid (16) present in the gas space (16) is compressed.

Procedure according to Claim 15 , in which the compressor operation within a compression process comprises the steps: a. Filling the gas space (16) and / or the compression space (12) with working fluid (18) to be compressed via a supply line (20) and then sealing the supply line (20) in a gas-tight manner, b. Addition of the compressor fluid (14) into the compressor chamber (12), in particular via a feed line (22) in a lower region (45) of the compressor chamber (12), with at least partial displacement of the working fluid (18) from the compressor chamber (12) and its Compression also within the gas space (16) with the release of heat to the surroundings, in particular to a heat storage material (28), up to a compression pressure, c. Opening a discharge line (24) of the gas space (16), arranged in particular on an upper region (44) of the compressor unit (10), and adding compressor fluid (14) into the gas space (16) via the supply line (20) while expelling the compressed Working fluids (18), d. Discharge of the compressor fluid (14) from the gas chamber (16) and / or from the compressor chamber (12), e.g. B. filling with working fluid to be compressed (18).

Procedure according to Claim 15 or 16 , in which the compressor arrangement (1) can be operated in an isothermal expansion operation, comprising the steps: a. Filling the gas space (16) and / or the compressor space (12) with compressor fluid (14), b. isobaric addition of the working fluid (14) into the gas space (16) with the discharge of the compressor fluid (14) from the gas space (16), c. Heat absorption into the working fluid (16) from the environment, in particular from the heat storage material (28), with isothermal expansion of the working fluid (16), the compressor fluid (14) being expelled from the compressor unit (10), in particular via the compressor chamber (12) and drives an external energy converter, d. Discharge of the working fluid (16) from the gas chamber (16) and / or from the compressor chamber (12), e.g. B. under filling with expelled compressor fluid (16).

Procedure according to Claim 16 or 17th with a compressor arrangement (1) Claim 11 , characterized in that the compressor fluid (14) is added alternately to the compressor chambers (12) to generate a flow into the gas chamber (16) during compressor operation.

Method according to one of the Claims 15 to 18th , characterized in that the working fluid (18) is formed from water or water vapor or an organic fluid or a known refrigerant and / or that the compressor fluid (14) from a fluid insoluble in the working fluid (18), in particular from an ionic fluid , and / or is formed by water.