DE102022114719A1

DE102022114719A1 - Device and method for implementing quasi-isothermal state changes in thermal power or machine processes

Info

Publication number: DE102022114719A1
Application number: DE102022114719.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Braasch; Willi Nieratschker; Marc Nadler; Diana Nett
Original assignee: Hochschule Koblenz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Hochschule Koblenz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2022-06-10
Filing date: 2022-06-10
Publication date: 2023-12-21
Also published as: EP4290057A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1, 20, 25) zur Umsetzung quasi-isothermer Zustandsänderungen in Wärmekraft- oder Arbeitsmaschinenprozessen, aufweisend einen Zylinder (2), der einen Arbeitsraum (3) bereitstellt, einen in dem Arbeitsraum (3) verlagerbaren Kolben (4) zur Begrenzung eines im Arbeitsraum (3) veränderbaren Gasvolumens, wobei der Zylinder (2) wenigstens eine Zugangsöffnung (5, 6, 21) zum Einbringen und/oder Ausbringen von Arbeitsgas in den bzw. aus dem Arbeitsraum (3), wenigstens eine Wärmeträgereinspritzöffnung (7) zum Einspritzen eines Wärmeträgers (9) in den Arbeitsraum (3) und wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung (8) zum Ausbringen des Wärmeträgers (9) aus dem Arbeitsraum (3) aufweist, wobei die wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung (8) und die Zugangsöffnung (6, 21) zum Ausbringen des Arbeitsgases separate Öffnungen sind.Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zur Umsetzung quasi-isothermer Zustandsänderungen in Wärmekraftprozessen oder Arbeitsmaschinenprozessen.The invention relates to a device (1, 20, 25) for implementing quasi-isothermal changes in state in thermal power or work machine processes, comprising a cylinder (2) which provides a working space (3), a piston (4) which can be displaced in the working space (3). ) to limit a gas volume that can be changed in the working space (3), the cylinder (2) having at least one access opening (5, 6, 21) for introducing and/or discharging working gas into or out of the working space (3), at least one heat transfer medium injection opening (7) for injecting a heat transfer medium (9) into the work space (3) and at least one heat transfer medium outlet opening (8) for discharging the heat transfer medium (9) from the work space (3), the at least one heat transfer medium outlet opening (8) and the access opening ( 6, 21) are separate openings for discharging the working gas. The invention further relates to a corresponding method for implementing quasi-isothermal state changes in thermal power processes or work machine processes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Umsetzung quasi-isothermer Zustandsänderungen, d. h. von quasi-isothermer Verdichtung bzw. Expansion, in Wärmekraft- oder Arbeitsmaschinenprozessen.The present invention relates to a device and a method for implementing quasi-isothermal changes in state, i.e. H. of quasi-isothermal compression or expansion, in thermal power or machine processes.

Die isotherme Verdichtung stellt für alle Verdichterarten die theoretische sparsamste Möglichkeit dar, Gase zu verdichten. Eine solche isotherme Verdichtung wird in der Praxis jedoch bei weitem nicht erreicht, da für eine solche Zustandsänderung schon während der Verdichtung rasch so viel Wärme abgeführt werden muss, wie Verdichtungsarbeit zugeführt wird. Zur Energieeinsparung und zur Vermeidung hoher Drucklufttemperaturen arbeitet man daher bisher mit mehreren Verdichterstufen und Zwischenkühlung zwischen den Verdichterstufen bei hohen Druckverhältnissen oder beschränkt sich auf passive Luftkühlung durch Kühlrippen bei Kleingeräten. Die aufzuwendende technische Arbeit ist bei allen bisher bekannten Ausführungsformen und Kühlungsvarianten 15 % bis 30 % höher als sie bei isothermer Verdichtung wäre.Isothermal compression is the theoretically most economical way to compress gases for all types of compressors. However, such isothermal compression is far from being achieved in practice, since for such a change of state to occur, as much heat must be quickly dissipated during compression as the compression work is supplied. To save energy and avoid high compressed air temperatures, we have so far worked with several compressor stages and intermediate cooling between the compressor stages at high pressure ratios or limited ourselves to passive air cooling using cooling fins in small devices. In all previously known embodiments and cooling variants, the technical work required is 15% to 30% higher than it would be with isothermal compression.

Analog zu Verdichtungsprozessen gilt das Gleiche mit umgekehrten Vorzeichen für die isotherme Expansion. Beispiele hierfür sind der theoretisch beste KreisProzess, der Carnot-Prozess, sowie der bekannte Stirling-Prozess, die beide als ideale Vergleichsprozesse zwei Isothermen beinhalten, welche aber bisher sehr unzureichend in der Realität umgesetzt werden können. Zur Realisierung der isothermen Expansion muss analog zum Verdichter beim Expandieren nun Wärme zugeführt werden, und zwar bereits während des Expansionsvorgangs genauso viel Wärme, wie das Gas technische Arbeit abgibt.Analogous to compression processes, the same applies with the opposite sign for isothermal expansion. Examples of this are the theoretically best circular process, the Carnot process, and the well-known Stirling process, both of which contain two isotherms as ideal comparison processes, but which have so far been very inadequately implemented in reality. In order to realize isothermal expansion, heat must be supplied during expansion, analogous to the compressor, and during the expansion process, as much heat as the gas releases technical work.

Es ist bisher nur sehr unzureichend gelungen, dem Gas rasch und effizient Wärme zu entziehen (Kompression) oder Wärme zuzuführen (Expansion), da zur Wärmeübertragung Wärmewiderstände zu überwinden sind. Der Wärmedurchgang durch Zylinderwände sowie insbesondere die Wärmeübergänge von Gasen an Wänden oder die begrenzte Temperaturleitfähigkeit der Gase selbst verunmöglichen einen raschen und ausreichend hohen Wärmeaustrag oder Wärmeeintrag.So far, it has only been very inadequate to extract heat from the gas quickly and efficiently (compression) or to add heat (expansion), since thermal resistance has to be overcome in order to transfer heat. The heat transfer through cylinder walls and in particular the heat transfer from gases to walls or the limited thermal conductivity of the gases themselves make it impossible to achieve rapid and sufficiently high heat discharge or heat input.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Umsetzung quasi-isothermer Zustandsänderungen in Kreisprozessen wie Wärmekraft- oder Arbeitsmaschinenprozesse bereitzustellen. Es soll eine Wärmeübertragung auf ein zu verdichtendes oder zu expandierendes Arbeitsgas derart verbessert werden, dass das Arbeitsgas während des Kreisprozesses im Wesentlichen auf seinem Anfangstemperaturniveau gehalten wird, das heißt das Gas (quasi)isotherm zu verdichten bzw. (quasi-)isotherm zu expandieren. Hierbei sollen die isotherme Verdichtung bzw. Expansion energieeffizient ausführbar sein und ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden. Zudem soll die Vorrichtung einen kompakten Aufbau aufweisen und das Verfahren möglichst einfach zu implementieren sein.Against this background, the present invention is based on the object of providing a device and a method for implementing quasi-isothermal state changes in cycle processes such as thermal power or work machine processes. The aim is to improve heat transfer to a working gas to be compressed or expanded in such a way that the working gas is kept essentially at its initial temperature level during the cycle, i.e. to compress the gas (quasi-)isothermally or expand it (quasi-)isothermally. The isothermal compression or expansion should be carried out in an energy-efficient manner and a high level of efficiency should be achieved. In addition, the device should have a compact structure and the method should be as simple as possible to implement.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.This object is achieved by a device with the features of claim 1 and by a method with the features of claim 10. Further, particularly advantageous embodiments of the invention are disclosed in the respective subclaims.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.It should be noted that the features listed individually in the claims can be combined with one another in any technically sensible manner and show further refinements of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, particularly in connection with the figures.

Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin nachstehend verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.It should also be noted that a conjunction “and/or” used hereinafter between two features and linking them together must always be interpreted in such a way that only the first feature can be present in a first embodiment of the subject matter according to the invention, in a second embodiment only the second feature can be present and in a third embodiment both the first and the second feature can be present.

Ein hierin verwendeter Begriff „etwa“ gibt einen Toleranzbereich an, den der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann als üblich ansieht. Insbesondere ist unter dem Begriff „etwa“ ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bis maximal +/-20 %, bevorzugt bis maximal +/-10 % zu verstehen.As used herein, the term “approximately” indicates a tolerance range that would be considered common to those skilled in the art. In particular, the term “approximately” is understood to mean a tolerance range of the related size of up to a maximum of +/-20%, preferably up to a maximum of +/-10%.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umsetzung von quasi-isothermen Zustandsänderungen in Wärmekraftprozessen oder Arbeitsmaschinenprozessen, allgemein in einem thermodynamischen Kreisprozess, weist einen Zylinder auf, der einen Arbeitsraum bereitstellt, weiter einen in dem Arbeitsraum verlagerbaren Kolben (hierin auch als Arbeitskolben bezeichnet) zur Begrenzung eines im Arbeitsraum veränderbaren Gasvolumens, wenigstens eine Wärmeträgereinspritzöffnung zum Einspritzen eines Wärmeträgers in den Arbeitsraum und wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung zum Ausbringen des Wärmeträgers aus dem Arbeitsraum. Der Zylinder weist außerdem wenigstens eine Zugangsöffnung zum Einbringen und/oder Ausbringen von Arbeitsgas in den bzw. aus dem Arbeitsraum auf. Es ist möglich, lediglich eine Zugangsöffnung vorzusehen, durch welche das Arbeitsgas sowohl in den Arbeitsraum eingebracht als auch wieder aus diesem ausgebracht werden kann. Separate Zugangsöffnungen, von denen wenigstens eine lediglich als Einströmöffnung für das Arbeitsgas in den Arbeitsraum und wenigstens eine andere Zugangsöffnung lediglich als Ausströmöffnung für das Arbeitsgas aus dem Arbeitsraum dienen, sind ebenfalls denkbar.A device according to the invention for implementing quasi-isothermal state changes in thermal power processes or work machine processes, generally in a thermodynamic cycle, has a cylinder which provides a working space, furthermore a piston which can be displaced in the working space (also referred to herein as a working piston) to limit a working space variable gas volume, at least one heat transfer medium injection opening for injecting a heat transfer medium into the work space and at least one heat transfer medium outlet opening for discharging the heat transfer medium from the work space. The cylinder also has at least one access opening for introducing and/or discharging working gas into or out of the working space. It is possible to only have one access opening voltage must be provided through which the working gas can both be introduced into the work area and removed from it again. Separate access openings, at least one of which only serves as an inflow opening for the working gas into the working space and at least one other access opening only serves as an outflow opening for the working gas from the working space, are also conceivable.

Erfindungsgemäß sind die wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung und wenigstens die Zugangsöffnung zum Ausbringen des Arbeitsgases aus dem Arbeitsraum separate Öffnungen.According to the invention, the at least one heat transfer medium outlet opening and at least the access opening for discharging the working gas from the working space are separate openings.

Eine Vorrichtung, die einen Wärmekraftprozess umsetzt, kann auch als Wärmekraftmaschine bezeichnet werden. Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärme in mechanische Energie (Arbeit) umwandelt. Sie nutzt dabei das Bestreben der Wärme aus, von Gebieten mit höheren zu solchen mit niedrigeren Temperaturen zu fließen.A device that implements a heat power process can also be called a heat engine. A heat engine is a machine that converts heat into mechanical energy (work). It exploits the tendency of heat to flow from areas with higher to those with lower temperatures.

Eine Vorrichtung, die einen Kraftwärmeprozess umsetzt, kann als Arbeitsmaschine, Wärmepumpe oder Kältemaschine bezeichnet werden. Eine solche Vorrichtung transportiert unter Einsatz mechanischer Energie Wärmeenergie von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres.A device that implements a cogeneration process can be called a work machine, a heat pump or a chiller. Such a device transports thermal energy from a lower temperature level to a higher one using mechanical energy.

Wärmekraftmaschinen nutzen „rechtslaufende“ Kreisprozesse, bei denen die geschlossene Kurve etwa im T-s-Diagramm oder p-v-Diagramm im Sinne „oben nach rechts, unten nach links“ durchlaufen wird. Wärmepumpen nutzen „linksΓaufende“ Kreisprozesse. Zur Beurteilung der Effizienz von Kreisprozessen dienen die idealen Vergleichsprozesse. Die theoretische Grundlage dieser Prozesse bildet die thermische Zustandsgleichung idealer Gase mit den drei Gaszustandsgrößen Druck, Temperatur, Volumen und der universellen Gaskonstante.Heat engines use “clockwise” cycle processes in which the closed curve is run through, for example in the T-s diagram or p-v diagram, in the sense “up to the right, down to the left”. Heat pumps use “left-handed” cycle processes. The ideal comparison processes are used to assess the efficiency of circular processes. The theoretical basis of these processes is the thermal equation of state of ideal gases with the three gas state variables pressure, temperature, volume and the universal gas constant.

Wenn hierin allgemein von Kreisprozessen die Rede ist, sind gleichberechtigt sowohl rechtslaufende als auch linkslaufende Kreisprozesse gemeint, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes bestimmt ist.When we talk about circular processes in general, both right-hand and left-hand circular processes are meant equally, unless expressly stated otherwise.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erzielt eine deutlich verbesserte Umsetzung von quasi-isothermen Zustandsänderungen im Allgemeinen und im Speziellen bei Verwendung in Kreisprozessen mit isothermen Zustandsänderungen, bei Verdichtern/Kompressoren, bei Expandern und beim Laden und Entladen von Druckluftspeichern oder Speichern nach gleichem Funktionsprinzip, aber anderen Gasarten. Da die Verdichtung und die Expansion bisher i. d. R. quasi-adiabat oder polytrop ggf. mit Zwischenkühlung ablaufen, kann mit einer Annäherung an die Isotherme der Wirkungsgrad der Kreisprozesse deutlich gesteigert werden. Bei Verdichtern wird die zuzuführende mechanische Arbeit reduziert und beim Expander, z. B. Entladen von Druckspeichern, wird die abgegebene Arbeit erhöht.The device according to the invention achieves a significantly improved implementation of quasi-isothermal changes of state in general and in particular when used in cycle processes with isothermal changes of state, in compressors/compressors, in expanders and when loading and unloading compressed air storage or storage based on the same functional principle, but different types of gas. Since the compression and expansion so far i. d. R. R. quasi-adiabatic or polytropic, possibly with intermediate cooling, the efficiency of the cycle processes can be significantly increased by approaching the isotherm. With compressors, the mechanical work to be supplied is reduced and with expanders, e.g. B. Unloading pressure accumulators, the work delivered is increased.

Der Wärmeträger nimmt während einer Kompression des Arbeitsgases Wärme aus dem Gas auf und gibt während einer Expansion des Arbeitsgases Wärme an dieses ab.The heat transfer medium absorbs heat from the gas during compression of the working gas and releases heat to it during expansion of the working gas.

Als bevorzugte Wärmeträger werden im Sinne der Erfindung insbesondere Flüssigkeiten angesehen, die eine hohe Wärmekapazität aufweisen, nicht oder nur wenig korrosiv wirken, eine schlechte Löslichkeit in Gasen aufweisen und/oder dass das Gas sich schlecht im flüssigen Wärmeträger löst, deren Viskosität für eine Einspritzung im Sinne der Erfindung entsprechend geeignet ist, und die bis zu einer Temperatur von etwa 220 °C thermisch stabil sind. Als Wärmeträger sind Wasser, Öle, insbesondere dünnflüssige Öle, und ionische Flüssigkeiten mit den gewünschten Eigenschaften besonders bevorzugt. Ferner können in vorteilhafter Weise solche Flüssigkeiten gewählt werden, die einen Dampfdruck aufweisen, der klein ist im Vergleich zum Minimaldruck im Arbeitsraum (d. h. Verdichtungs- oder Expansionsraum). Derartige Wärmeträger weisen außerdem einen großen Dichteunterschied zum Arbeitsgas auf, der infolge von Schwerkrafteinwirkung auf natürliche Weise für eine leichte Trennung vom Arbeitsgas sorgt, so dass der Wärmeträger gezielt an einer vorbestimmten Stelle im Arbeitsraum bzw. Zylinder gesammelt (z. B. in einem Wärmeträgersumpf) werden kann, insbesondere in der Nähe bzw. an der Wärmeträgerauslassöffnung (z. B. am Boden).For the purposes of the invention, preferred heat transfer media are in particular liquids that have a high heat capacity, are not or only slightly corrosive, have poor solubility in gases and/or that the gas dissolves poorly in the liquid heat transfer medium, the viscosity of which for injection is in According to the invention is suitable, and which are thermally stable up to a temperature of about 220 ° C. Water, oils, especially low-viscosity oils, and ionic liquids with the desired properties are particularly preferred as heat transfer media. Furthermore, liquids can advantageously be chosen which have a vapor pressure that is small compared to the minimum pressure in the working space (i.e. compression or expansion space). Such heat transfer media also have a large difference in density to the working gas, which naturally ensures easy separation from the working gas due to the effect of gravity, so that the heat transfer medium is collected specifically at a predetermined point in the working space or cylinder (e.g. in a heat transfer sump). can be, especially near or at the heat carrier outlet opening (e.g. on the floor).

Es ist zu verstehen, dass der Wärmeträger zur Erzielung der beschriebenen, erfindungsgemäßen Wirkung im Wesentlichen zeitgleich während eines Verdichtungs- oder Expansionshubs des Kolbens über die wenigstens eine Wärmeträgereinspritzöffnung in den Arbeitsraum eingespritzt wird. Menge und Tropfengröße des Wärmeträgers können hierzu geeignet vorbestimmt oder während des Betriebs gesteuert werden. Die Druckverhältnisse im Arbeitsraum sowie die Materialeigenschaften des Wärmeträgers sind so gewählt, dass der Wärmeträger im Arbeitsraum wie erläutert nicht verdampft.It is to be understood that in order to achieve the described effect according to the invention, the heat transfer medium is injected into the working space via the at least one heat transfer medium injection opening essentially simultaneously during a compression or expansion stroke of the piston. The amount and drop size of the heat transfer medium can be suitably predetermined or controlled during operation. The pressure conditions in the work area and the material properties of the heat transfer medium are selected so that the heat transfer medium does not evaporate in the work area, as explained.

Insbesondere verteilt sich der Wärmeträger, der in einem oder mehreren Sprühstrahlen, d. h. jeweils beispielsweise im Wesentlichen in Form von einzelnen, gezielt gerichteten Sprühkegeln oder brauseförmig nach Art einer Dusche, bei welcher der Wärmeträger durch eine Vielzahl an kleinen Öffnungen nach unten auf den Kolben gerichtet in etwa als Vollstrahl in den Arbeitsraum eingespritzt und durch den Arbeitsraum gesprüht wird, im Wesentlichen im gesamten Gasvolumen und hält aufgrund der hohen Wärmekapazität der Tropfen im Vergleich zur kleineren Wärmekapazität des Arbeitsgases und aufgrund der großen Übertragungsoberfläche der Tröpfchen die Gastemperatur des Arbeitsgases auf bzw. nahe dem Temperaturniveau des Wärmeträgers. Es ist zu verstehen, dass der Begriff Temperaturniveau eine gewisse Temperaturdifferenz zwischen Arbeitsgas und Wärmeträger einschließt, da eine solche Differenz - ggfs. auch nur eine sehr kleine - physikalisch/technisch stets gegeben ist.In particular, the heat transfer medium is distributed in one or more spray jets, that is, for example, essentially in the form of individual, specifically directed spray cones or shower-shaped in the manner of a shower, in which the heat transfer medium is directed downwards onto the piston through a large number of small openings is injected into the work area as a full jet and sprayed through the work area, essentially chen in the entire gas volume and, due to the high heat capacity of the drops compared to the smaller heat capacity of the working gas and due to the large transfer surface of the droplets, keeps the gas temperature of the working gas at or close to the temperature level of the heat transfer medium. It should be understood that the term temperature level includes a certain temperature difference between the working gas and the heat transfer medium, since such a difference - possibly only a very small one - is always physically/technically present.

Die Wärmeträgereinspritzöffnung kann düsenförmig ausgebildet sein, um den Wärmeträger in Form eines geeigneten Sprühkegels in den Arbeitsraum einzuspritzen. Vorteilhafterweise kann eine solche düsenartige Öffnung in einer Zylinderwandung, z. B. in einem Zylinderkopf, versenkt aufgenommen sein, um einen Totraum im Zylinder (beispielsweise im Bereich des Zylinderkopfs) zu minimieren.The heat transfer medium injection opening can be designed in the shape of a nozzle in order to inject the heat transfer medium into the work space in the form of a suitable spray cone. Advantageously, such a nozzle-like opening can be in a cylinder wall, e.g. B. in a cylinder head, be recessed in order to minimize a dead space in the cylinder (for example in the area of the cylinder head).

Nach der Verdichtung oder Expansion wird das Arbeitsgas über die wenigstens eine Zugangsöffnung aus dem Arbeitsraum ausgeschoben (z. B. Stirlingmotor). Nachdem der Wärmeträger Wärme an das Arbeitsgas übertragen hat, wird dem Wärmeträger entsprechend Wärme über einen Wärmeübertrager zu- oder abgeführt. Diese Wärmeübertragung findet außerhalb des Zylinders statt.After compression or expansion, the working gas is pushed out of the working space via the at least one access opening (e.g. Stirling engine). After the heat transfer medium has transferred heat to the working gas, heat is supplied or removed from the heat transfer medium via a heat exchanger. This heat transfer takes place outside the cylinder.

Ein besonderer Vorteil der Einspritzung des flüssigen Wärmeträgers ist in einer effizienten Wärmeübertagung von den Tropfen auf das zu verdichtende/expandierende Arbeitsgas zu sehen. D. h., das Arbeitsgas kann in sehr kurzer Zeit (z. B. etwa 0,2 s oder schneller) durch Eindüsen eines kalten Wärmeträgers kalt gehalten werden (Verdichter) oder umgekehrt erwärmt werden (Expansion, z. B. Stirlingmotor). Bei einer Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Stirlingmotor lassen sich nun praktikable, insbesondere deutlich höhere, Drehzahlen erreichen.A particular advantage of injecting the liquid heat transfer medium is the efficient transfer of heat from the drops to the working gas to be compressed/expanded. This means that the working gas can be kept cold (compressor) or vice versa heated (expansion, e.g. Stirling engine) in a very short time (e.g. around 0.2 s or faster) by injecting a cold heat transfer medium. When combining the device according to the invention with a Stirling engine, practical, in particular significantly higher, speeds can now be achieved.

Erfindungsgemäß ist die Wärmeträgerauslassöffnung für den Wärmeträger klar von zumindest der Zugangsöffnung zum Ausbringen des Arbeitsgases getrennt. Ebenso kann die Wärmeträgerauslassöffnung sowohl von der Zugangsöffnung zum Ausbringen als auch von der Zugangsöffnung zum Einbringen des Arbeitsgases getrennt vorgesehen sein kann, wobei die Zugangsöffnung lediglich eine einzige Öffnung zum Ein- und Ausbringen des Arbeitsgases sein kann oder mehrere dedizierte Zugangsöffnungen vorgesehen sein können.According to the invention, the heat transfer medium outlet opening for the heat transfer medium is clearly separated from at least the access opening for discharging the working gas. Likewise, the heat transfer medium outlet opening can be provided separately from both the access opening for dispensing and from the access opening for introducing the working gas, wherein the access opening can only be a single opening for introducing and discharging the working gas or several dedicated access openings can be provided.

Die Wärmeträgerauslassöffnung ist gemäß der Erfindung getrennt von wenigstens der Zugangsöffnung zum Ausbringen des Arbeitsgases aus dem Arbeitsraum vorgesehen. Die Trennung des Arbeitsgases vom Wärmeträger findet vorzugsweise im Wesentlichen bereits im Zylinder/Arbeitsraum statt. Da das Arbeitsgas und der Wärmeträger erfindungsgemäß nicht aus derselben Öffnung aus dem Zylinder austreten, kann auf eine ansonsten übliche Wärmeträgerabscheidung außerhalb des Zylinders verzichtet werden bzw. diese sehr viel kleiner dimensioniert werden, um die Restflüssigkeit abzuscheiden, sofern eine externe Wärmeträgerabscheidung dennoch vorgesehen sein soll, was insgesamt einen vereinfachten, kompakten Aufbau ermöglicht und die Herstellungskosten verringert.According to the invention, the heat transfer outlet opening is provided separately from at least the access opening for discharging the working gas from the working space. The separation of the working gas from the heat transfer medium preferably takes place essentially in the cylinder/working space. Since, according to the invention, the working gas and the heat transfer medium do not exit the cylinder from the same opening, an otherwise usual heat transfer medium separation outside the cylinder can be dispensed with or it can be made much smaller in order to separate the residual liquid, provided that an external heat transfer transfer medium is still to be provided. which overall enables a simplified, compact structure and reduces manufacturing costs.

Weiterhin kann die Wärmeträgerauslassöffnung auch in einem vorgegebenen Mindestabstand zur Zugangsöffnung zum Ausbringen und ggfs. zum Einbringen des Arbeitsgases in den Arbeitsraum befinden, das heißt, nicht in (unmittelbarer) Nähe/Nachbarschaft zur Zugangsöffnung angeordnet sein. Die mögliche Distanzierung der jeweiligen Auslassöffnungen gewährleistet zusätzlich eine möglichst vollständige Trennung des Wärmeträgers vom Arbeitsgas.Furthermore, the heat transfer outlet opening can also be located at a predetermined minimum distance from the access opening for discharging and, if necessary, introducing the working gas into the working space, that is, not in (immediate) proximity/adjacent to the access opening. The possible spacing of the respective outlet openings also ensures that the heat transfer medium is separated from the working gas as completely as possible.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung bezogen auf eine betriebsgemäße Lage des Zylinders in Schwererichtung (d. h. in Richtung der Erdbeschleunigung bzw. Schwerkraft) unterhalb der wenigstens einen Wärmeträgereinspritzöffnung angeordnet. Der eingespritzte Wärmeträger, d. h. die Flüssigkeitstropfen, sammelt sich aufgrund der wirkenden Schwerkraft im Bereich der Wärmeträgerauslassöffnung, so dass der Wärmeträger gesteuert/gezielt aus dem Arbeitsraum abgesaugt bzw. abgepumpt werden kann, außerhalb des Arbeitsraums gekühlt bzw. erwärmt wird und anschließend zur erneuten Einspritzung zur Verfügung gestellt wird. Auf diese Weise wird ein effizienter Wärmeträgerkreislauf sichergestellt. Außerdem ermöglicht die gegenüber der Wärmeträgerauslassöffnung oberhalb angeordnete Wärmeträgereinspritzöffnung eine gezielte Einspritzung des Wärmeträgers in den gesamten Arbeitsraum, um innerhalb des gesamten Gasvolumens effizient Wärme an das Arbeitsgas abzugeben, das heißt sicherzustellen, dass das Arbeitsgas möglichst konstant auf seinem Ausgangstemperaturniveau verbleibt.According to an advantageous embodiment of the invention, the at least one heat transfer medium outlet opening is arranged below the at least one heat transfer medium injection opening in relation to an operational position of the cylinder in the direction of gravity (i.e. in the direction of gravitational acceleration or gravity). The injected heat transfer medium, i.e. H. the liquid drops, collects in the area of the heat transfer medium outlet opening due to the force of gravity, so that the heat transfer medium can be sucked or pumped out of the working space in a controlled/targeted manner, is cooled or heated outside the working space and is then made available for renewed injection. This ensures an efficient heat transfer circuit. In addition, the heat carrier injection opening arranged above the heat carrier outlet opening enables targeted injection of the heat carrier into the entire working space in order to efficiently release heat to the working gas within the entire gas volume, that is to ensure that the working gas remains as constant as possible at its initial temperature level.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Wärmeträgereinspritzöffnung bezogen auf eine betriebsgemäße Lage des Zylinders in Schwererichtung (d. h. in Richtung der Erdbeschleunigung bzw. Schwerkraft) in einem oberen Endabschnitt des Arbeitsraums angeordnet ist. Der Zylinder kann einen Zylinderkopf aufweisen, der diesen Endabschnitt des Arbeitsraums begrenzt. Der obere Endabschnitt des Arbeitsraums kann entsprechend in der Nähe bzw. benachbart zu einem Zylinderkopf angeordnet sein. Die Wärmeträgereinspritzöffnung kann in dem Zylinderkopf angeordnet sein. Mit anderen Worten wird der Wärmeträger von oben in den Arbeitsraum eingespritzt, trifft auf den Kolben und/oder eine Zylinderwandung und wird anschließend infolge der Schwerkraft in Richtung Wärmeträgerauslassöffnung gelenkt. Diese Anordnung der Wärmeträgereinspritzöffnung ermöglicht, einen Totraum im Zylinder zu minimieren, indem die Wärmeträgereinspritzöffnung jedenfalls oberhalb des oberen Totpunkts des Kolbens im Zylinder angeordnet ist, so dass für eine optimale isotherme Verdichtung oder Expansion eine kontinuierliche, effiziente Wärmeübertragung vom Wärmeträger auf das Arbeitsgas sichergestellt ist.A further advantageous embodiment of the invention provides that the at least one heat transfer medium injection opening is arranged in an upper end section of the working space in relation to an operational position of the cylinder in the direction of gravity (ie in the direction of gravitational acceleration or gravity). The cylinder can have a cylinder head that delimits this end section of the working space. The upper end section of the working space can accordingly be arranged close to or adjacent to a cylinder head. The heat transfer medium injection opening can be arranged in the cylinder head. In other words, the heat transfer medium is injected into the working space from above, hits the piston and/or a cylinder wall and is then directed towards the heat transfer medium outlet opening due to gravity. This arrangement of the heat transfer medium injection opening makes it possible to minimize a dead space in the cylinder by arranging the heat transfer medium injection opening in any case above the top dead center of the piston in the cylinder, so that a continuous, efficient heat transfer from the heat transfer medium to the working gas is ensured for optimal isothermal compression or expansion.

Gemäß einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands ist eine Kopffläche des Kolbens geneigt in Bezug auf eine Kolbenlängsachse, kegelig oder gewölbt, bevorzugt klöpperförmig gewölbt, ausgebildet. Die Kopffläche des Kolbens ist diejenige Kolbenfläche, die das Gasvolumen im Arbeitsraum kolbenseitig begrenzt. Als gewölbte Fläche kann zum Beispiel eine abgeflachte „Halbkugelform“ verstanden werden.According to a yet further preferred embodiment of the subject matter of the invention, a head surface of the piston is inclined with respect to a piston longitudinal axis, conical or curved, preferably curved in a bowl shape. The head surface of the piston is the piston surface that limits the gas volume in the working space on the piston side. A curved surface can, for example, be understood as a flattened “hemispherical shape”.

Bei einem gegebenen Außendurchmesser der Kolbenkopffläche und einem gegebenen Krümmungsradius der Kolbenkopffläche in Kolbenmitte weist die Klöpperform einen besonders stark gekrümmten Rand auf, dessen Krümmungsradius nur etwa 10 % des Außendurchmessers aufweisen kann.For a given outside diameter of the piston head surface and a given radius of curvature of the piston head surface in the middle of the piston, the bowl shape has a particularly strongly curved edge, the radius of curvature of which can only be approximately 10% of the outside diameter.

Die schräge, kegelige oder gewölbte Kolbenform verhindern einerseits wirkungsvoll ein ungewolltes Ansammeln des Wärmeträgers auf der Kolbenoberseite bzw. Kolbenkopffläche und begünstigt andererseits bei Aufprall des Wärmeträgers eine Umlenkung in Richtung der Wärmeträgerauslassöffnung oder eines stromauf der Wärmeträgerauslassöffnung wahlweise vorgesehenen Flüssigkeitssumpfes. Die schräge Form der Kopffläche ermöglicht zudem auch in der Nähe des oberen Kolbentotpunkts optimale Einspritzlängen des Wärmeträgers, um auch in dieser Kolbenposition eine effektive Wärmeübertragung vom Wärmeträger auf das Arbeitsgas sicherzustellen. Die Einspritzung des Wärmeträgers kann hierzu im Wesentlichen parallel zur schrägen Kolbenkopffläche in den Arbeitsraum erfolgen.The oblique, conical or curved piston shape, on the one hand, effectively prevents unwanted accumulation of the heat transfer medium on the top of the piston or piston head surface and, on the other hand, promotes deflection in the direction of the heat transfer medium outlet opening or a liquid sump optionally provided upstream of the heat transfer medium outlet opening. The sloping shape of the head surface also enables optimal injection lengths of the heat transfer medium even near the top dead center of the piston, in order to ensure effective heat transfer from the heat transfer medium to the working gas even in this piston position. For this purpose, the heat transfer medium can be injected essentially parallel to the inclined piston head surface into the working space.

Es versteht sich, dass der Zylinder oder ein Zylinderkopf an die jeweilige Kolbenform (d. h. schräg, kegelig, gewölbt und dergleichen) angepasst ist, um das Totvolumen möglichst klein zu halten.It goes without saying that the cylinder or a cylinder head is adapted to the respective piston shape (i.e. oblique, conical, curved and the like) in order to keep the dead volume as small as possible.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Kolben als Tauchkolbenzylinder (auch als Plunger bezeichnet) ausgebildet. Tauchkolbenzylinder, Plunger, Verdrängerkolben oder Plungerzylinder besitzen keinen eigentlichen Kolben, sondern die Kolbenstange dient selbst als Kolben. Plunger müssen zwar axial geführt werden, weisen jedoch einen günstigeren mechanischen Wirkungsgrad auf. Mit dem Tauchkolbenzylinder kann mittels eines hydraulischen Antriebs auch eine diskontinuierliche Kolbensteuerung verwirklicht werden.According to a yet further advantageous embodiment of the invention, the piston is designed as a plunger piston cylinder (also referred to as a plunger). Plunger piston cylinders, plungers, displacer pistons or plunger cylinders do not have an actual piston, but the piston rod itself serves as a piston. Although plungers have to be guided axially, they have a better mechanical efficiency. With the plunger piston cylinder, discontinuous piston control can also be achieved using a hydraulic drive.

Alternativ zum hydraulischen Antrieb eines Tauchkolbenzylinders kann ein anderer Kolben einen mechanischen Antrieb mit Pleuel und Kurbeltrieb aufweisen.As an alternative to the hydraulic drive of a plunger piston cylinder, another piston can have a mechanical drive with a connecting rod and crank mechanism.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstands ist ein Ringspalt stromauf der Wärmeträgerauslassöffnung zwischen dem Kolben und einer Zylinderinnenwand des Zylinders zum Sammeln des Wärmeträgers vor dem Ausbringen aus dem Zylinder vorgesehen. Wie hierin dargelegt, findet innerhalb des Arbeitsraums bereits eine natürliche, schwerkraftunterstütze Trennung des eingespritzten Wärmeträgers vom Arbeitsgas statt. Die versprühten Flüssigkeitstropfen strömen bei der vorliegenden Ausgestaltung in dem Ringspalt nach unten, indem sie beispielsweise laminar an Wänden des Ringspalts entlangfließen, und sammeln sich vor der Wärmeträgerauslassöffnung zu einem Flüssigkeitssumpf, der gesteuert aus dem Arbeitsraum abgepumpt/abgesaugt werden kann. Der Ringspalt ist vorzugsweise derart klein bemessen, dass der Wärmeträger einerseits in ausreichender Menge hindurchströmen und zur Wärmeträgerauslassöffnung gelangen kann, andererseits jedoch das durch den Ringspalt gebildete Totvolumen möglichst klein bleibt. Besonders bevorzugt kann ein solcher Ringspalt einen Ringdurchmesser (d. h. radialer Durchmesser) von etwa 0,1 mm bis etwa 2 mm, bevorzugter zwischen 0,15 mm und 1,5 mm und weiterhin bevorzugt zwischen etwa 0,2 mm und 1,5 mm aufweisen. Hierbei können kleinere Ringdurchmesser aus den angegebenen Bereichen bei Verwendung dünnflüssigerer Wärmeträger und größere Ringdurchmesser innerhalb der angegebenen Bereiche bei Verwendung dickflüssigerer Wärmeträger gewählt werden. Die Höhe des Ringspalts kann so bemessen sein, dass sich ein Reservoir des Flüssigkeitssumpfes ausbilden kann, das wenigstens einen Teil des pro Zeiteinheit eingespritzten Wärmeträgers temporär aufnehmen kann. Das Gesamtvolumen des Ringspalts wird bevorzugt stets auf ein Minimum begrenzt. Der Ringspalt ermöglicht sowohl einen kompakten Aufbau der Vorrichtung als auch einen kontinuierlichen, nicht abreißenden Wärmeträgeraustausch in bzw. aus dem Arbeitsraum.According to another advantageous development of the subject matter of the invention, an annular gap is provided upstream of the heat transfer medium outlet opening between the piston and an inner cylinder wall of the cylinder for collecting the heat transfer medium before it is discharged from the cylinder. As explained herein, a natural, gravity-assisted separation of the injected heat transfer medium from the working gas already takes place within the working space. In the present embodiment, the sprayed liquid drops flow downward in the annular gap, for example by flowing laminarly along walls of the annular gap, and collect in front of the heat carrier outlet opening to form a liquid sump, which can be pumped out/suctioned out of the working space in a controlled manner. The annular gap is preferably dimensioned so small that, on the one hand, the heat transfer medium can flow through in sufficient quantity and reach the heat transfer medium outlet opening, but on the other hand, the dead volume formed by the annular gap remains as small as possible. Particularly preferably, such an annular gap can have a ring diameter (i.e. radial diameter) of about 0.1 mm to about 2 mm, more preferably between 0.15 mm and 1.5 mm and further preferably between about 0.2 mm and 1.5 mm . Smaller ring diameters can be selected from the specified ranges when using thinner heat transfer fluids and larger ring diameters within the specified ranges when using thicker heat transfer fluids. The height of the annular gap can be dimensioned such that a reservoir of the liquid sump can be formed, which can temporarily hold at least part of the heat transfer medium injected per unit of time. The total volume of the annular gap is preferably always limited to a minimum. The annular gap enables both a compact structure of the device and a continuous, non-interrupting exchange of heat medium into and out of the working space.

Vorteilhafterweise ist nach einer weiteren Ausgestaltung in dem Ringspalt ein Demister angeordnet, um ggfs. zusätzlich auch geringste Mengen des Wärmeträgers vom Arbeitsgas zu trennen, die nach der schwerkraftunterstützten Trennung der überwiegenden Menge des Wärmeträgers noch im Arbeitsgas verblieben sein mögen. Mit dem Demister kann eine Verrieselungsstrecke im Ringspalt realisiert sein. Es kann von Vorteil sein, die Absenkgeschwindigkeit des Wärmeträgers durch die Verrieselung im Ringspalt zu reduzieren, da aufgrund der auftretenden Druckschwankungen im Arbeitsraum eine - wenn auch nur geringe - Gasaufnahme im Wärmeträger nicht gänzlich auszuschließen ist. Zum Abscheiden von Wärmeträgertropfen an den Gasaustrittöffnungen des Zylinders kann ein Einsatz in Form einer Blende, eines Metallgitters o. ä. innerhalb des Zylinders/Zylinderkopfes angebracht sein.According to a further embodiment, a demister is advantageously arranged in the annular gap in order to additionally separate even the smallest amounts of the heat transfer medium from the working gas after the gravity-assisted separation of the majority of the heat transfer medium may still have remained in the working gas. The demister can be used to create a trickling section in the annular gap. It can be advantageous to reduce the lowering speed of the heat transfer medium by trickling it in the annular gap, since due to the pressure fluctuations that occur in the working space, gas absorption - even if only small - in the heat transfer medium cannot be completely ruled out. To separate drops of heat transfer medium from the gas outlet openings of the cylinder, an insert in the form of a cover, a metal grid or similar can be attached within the cylinder/cylinder head.

Der Demister kann beispielsweise unter Verwendung eines porösen Stoffes oder als Drahtgestrickfilter ggfs. in Kombination mit einem oder mehreren außen anliegenden oder auch eingewobenen Metallgittern ausgebildet sein.The demister can be designed, for example, using a porous material or as a wire mesh filter, if necessary in combination with one or more external or woven metal grids.

Zusätzlich zum Ringspalt kann gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung ein Sumpfraum zum Sammeln des einlaufenden Wärmeträgers bezogen auf eine betriebsgemäße Lage des Zylinders in Schwererichtung (d. h. in Richtung der Erdbeschleunigung bzw. Schwerkraft) am unteren Ende des Ringspalts bereitgestellt sein. Der Sumpfraum kann sich vom Ringspalt durch eine größere radiale Weite (d. h. radialer Durchmesser) unterscheiden. Der Sumpfraum stellt einen freien Raum bzw. Sumpf bereit, in dem sich der eingebrachte Wärmeträger sammeln und ablagern kann, um u. a. Gasblasen abzuscheiden. Ferner kann der Füllstand des Sumpfs stets so gesteuert sein, dass zu keinem Zeitpunkt Arbeitsgas aus dem Zylinder über die wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung ausströmen kann. Hierzu kann die Wärmeträgerauslassöffnung zum Beispiel am unteren Rand des Sumpfraums angeordnet und angeschlossen sein, das heißt, der Wärmeträger kann aus dem Sumpfraum direkt über die Wärmeträgerauslassöffnung ausgebracht werden.In addition to the annular gap, according to a further embodiment, a sump space for collecting the incoming heat transfer medium can be provided at the lower end of the annular gap in relation to an operational position of the cylinder in the direction of gravity (i.e. in the direction of gravitational acceleration or gravity). The sump space can differ from the annular gap in that it has a larger radial width (i.e. radial diameter). The sump space provides a free space or sump in which the introduced heat transfer medium can collect and deposit, among other things. to separate gas bubbles. Furthermore, the filling level of the sump can always be controlled in such a way that working gas cannot flow out of the cylinder via the at least one heat transfer medium outlet opening at any time. For this purpose, the heat transfer medium outlet opening can be arranged and connected, for example, at the lower edge of the sump space, that is, the heat transfer medium can be discharged from the sump space directly via the heat transfer medium outlet opening.

Zur weiteren Optimierung des gesteuerten Wärmeträgeraustauschs in und aus dem Arbeitsraum sieht eine noch weitere Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands einen doppeltwirkenden Pumpkolben vor, der eingerichtet ist, den Wärmeträger gleichzeitig sowohl über die wenigstens eine Wärmeträgereinspritzöffnung in den Arbeitsraum einzuspritzen als auch über die wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung aus dem Arbeitsraum auszubringen bzw. abzusaugen. Mit anderen Worten wird gleichzeitig beim Einspritzen des Wärmeträgers ebensolcher in gleicher Menge wieder aus dem Arbeitsraum ausgebracht bzw. abgesaugt, wodurch das Gasvolumen des Arbeitsgases im Zylinder/Arbeitsraum in Bezug auf den Wärmeträgeraustausch konstant gehalten wird. Dadurch wird eine ungewünschte Kompression des Arbeitsgases beim Einspritzen des Wärmeträgers und eine ungewünschte Expansion des Arbeitsgases beim Ausbringen/Absaugung des Wärmeträgers verhindert und infolgedessen die Energieeffizienz bei der Umsetzung des Kreisprozesses erhöht. Insbesondere kann der Arbeitsaufwand für das Einspritzen des Wärmeträgers auf ein einen optimalen Wert reduziert werden, und der Wärmeträger kann effizient auf einen Einspritzdruck gebracht werden, bei dem ein thermischer Widerstand vom Wärmeträger auf das Arbeitsgas während des Einspritzvorgangs reduziert ist. Außerdem wird durch den gleichzeitig stattfindenden Wärmeträgeraustausch im Zylinder ein gleichbleibender Wärmeträgerfüllstand beispielsweise in einem Wärmeträgersumpf und/oder in einem Ringspalt gewährleistet.To further optimize the controlled exchange of heat transfer medium into and out of the work space, a further embodiment of the subject matter of the invention provides a double-acting pump piston, which is set up to simultaneously inject the heat transfer medium into the work space via the at least one heat transfer medium injection opening and out of the work space via the at least one heat transfer medium outlet opening to spread or suck away. In other words, when the heat transfer medium is injected, the same amount is simultaneously discharged or sucked out of the working space, whereby the gas volume of the working gas in the cylinder/working space is kept constant in relation to the heat transfer exchange. This prevents undesirable compression of the working gas when injecting the heat transfer medium and undesirable expansion of the working gas when dispensing/extracting the heat transfer medium and, as a result, increases the energy efficiency when implementing the cycle. In particular, the amount of work required for injecting the heat transfer medium can be reduced to an optimal value, and the heat transfer medium can be efficiently brought to an injection pressure at which a thermal resistance from the heat transfer medium to the working gas is reduced during the injection process. In addition, the simultaneous heat transfer exchange in the cylinder ensures a constant heat transfer level, for example in a heat transfer sump and/or in an annular gap.

Zusätzlich zum doppeltwirkenden Pumpkolben können an diesen zwei Rückschlagventile zur richtungsabhängigen Durchleitung des Wärmeträgers angeschlossen sein, so dass bei der Einspritzung des Wärmeträgers in den Arbeitsraum und dem gleichzeitigen Ausbringen/Absaugen des Wärmeträgers aus dem Arbeitsraum kein Wärmeträger unbeabsichtigt über die Wärmeträgerauslassöffnung in den Zylinder zurückströmen kann. Mit Hilfe der beiden Rückschlagventile kann diese Funktion zuverlässig sichergestellt werden.In addition to the double-acting pump piston, two check valves can be connected to these for the direction-dependent passage of the heat transfer medium, so that when the heat transfer medium is injected into the work space and the heat transfer medium is simultaneously discharged/sucked out of the work space, no heat transfer medium can unintentionally flow back into the cylinder via the heat transfer medium outlet opening. This function can be reliably ensured with the help of the two check valves.

Des Weiteren lässt sich mit Hilfe des doppeltwirkenden Pumpkolbens zum gleichzeitigen Transport des Wärmeträgers in und aus dem Arbeitsraum in einfacher Weise eine nichtlineare (z. B. nicht-sinusförmige) Einspritz-/Absaugmenge des Wärmeträgers über einen vollständigen Zyklus des umgesetzten Kreisprozesses vorgeben, was die Energieeffizienz des Kreisprozesses weiter erhöht. Zu diesem Zweck kann der Pumpkolben mit einer nichtlinearen oder nicht-sinusförmigen Kolbenverschiebung angesteuert werden. Beispielsweise kann am Anfang eines Verdichtungshubs des Arbeitskolbens weniger Wärmeträger in den Arbeitsraum eingespritzt werden als gegen Ende bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht (bei der Expansion entsprechend umgekehrt).Furthermore, with the help of the double-acting pump piston for the simultaneous transport of the heat transfer medium into and out of the working space, a non-linear (e.g. non-sinusoidal) injection/suction quantity of the heat transfer medium can be easily specified over a complete cycle of the implemented cycle, which is what the Energy efficiency of the cycle process is further increased. For this purpose, the pump piston can be controlled with a non-linear or non-sinusoidal piston displacement. For example, at the beginning of a compression stroke of the working piston, less heat transfer medium can be injected into the working space than towards the end before the piston reaches its top dead center (correspondingly vice versa during expansion).

Alternativ zum doppeltwirkenden Pumpkolben kann der Wärmeträgertransport mittels einer oder mehrerer herkömmlicher Pumpe(n) erfolgen.As an alternative to the double-acting pump piston, the heat transfer medium can be transported using one or more conventional pump(s).

Des Weiteren kann der Kolben (d. h. Arbeitskolben) als im Kolbeninneren hohl ausgeführt sein.Furthermore, the piston (i.e. working piston) can be designed to be hollow inside the piston.

Sofern das Arbeitsgas nach einem abgeschlossenen Zyklus des umgesetzten Kreisprozesses für die beabsichtigte Anwendung weiterhin einen zu hohen Anteil an flüssigem Wärmeträger enthalten sollte, kann zusätzlich eine weitere Komponente z. B. in Form eines Abscheiders, Trenners o. ä. vorgesehen sein, welche überschüssigen flüssigen Wärmeträger vom Arbeitsgas trennt. Der abgeschiedene Wärmeträger kann - sofern gewünscht - wieder dem Wärmeträgerkreislauf zugeführt werden oder alternativ den Kreislauf verlassen.If the working gas continues to contain too high a proportion of liquid heat transfer medium for the intended application after a completed cycle of the implemented cycle, a further component can also be added, e.g. B. in the form of a separator, separator or the like. etc. be provided, which separates excess liquid heat transfer medium from the working gas. The separated heat transfer medium can - if desired - be fed back into the heat transfer circuit or alternatively leave the circuit.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Umsetzung quasi-isothermer Zustandsänderungen in Wärmekraftprozessen oder Arbeitsmaschinenprozessen, bei denen ein Arbeitsraum innerhalb eines Zylinders bereitgestellt und durch einen in dem Arbeitsraum verlagerbaren Kolben (hierin auch als Arbeitskolben bezeichnet) ein veränderbares Gasvolumen im Arbeitsraum begrenzt wird, ein Arbeitsgas über wenigstens eine Zugangsöffnung im Zylinder in den und/oder aus dem Arbeitsraum eingebracht bzw. ausgebracht. Ein Wärmeträger wird in den Arbeitsraum über wenigstens eine Wärmeträgereinspritzöffnung eingespritzt und der Wärmeträger wird über wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung aus dem Arbeitsraum an einer anderen Stelle als das Arbeitsgas ausgebracht, das heißt getrennt vom Arbeitsgas.According to a further aspect of the invention, in a method for implementing quasi-isothermal state changes in thermal power processes or work machine processes, in which a working space is provided within a cylinder and a changeable gas volume in the working space is limited by a piston which can be displaced in the working space (also referred to herein as a working piston). a working gas is introduced or discharged into and/or out of the working space via at least one access opening in the cylinder. A heat transfer medium is injected into the work space via at least one heat transfer medium injection opening and the heat transfer medium is discharged from the work space via at least one heat transfer medium outlet opening at a location other than the working gas, that is, separately from the working gas.

Es sei darauf hingewiesen, dass bezüglich verfahrensbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile verfahrensgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Erläuterungen sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung zurückgegriffen werden kann und umgekehrt. Insofern kann auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile bezüglich der hierin offenbarten erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des hierin offenbarten erfindungsgemäßen Verfahrens zugunsten einer kompakteren Beschreibung weitgehend verzichtet werden.It should be noted that with regard to process-related definitions of terms as well as the effects and advantages of features according to the process, full reference can be made to the explanations of corresponding definitions, effects and advantages of the device according to the invention and vice versa. In this respect, a repetition of explanations of similar features, their effects and advantages with regard to the device according to the invention disclosed herein and the method according to the invention disclosed herein can largely be dispensed with in favor of a more compact description.

Das Ausbringen des Wärmeträgers über die wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung getrennt vom Arbeitsgas macht sich den Vorteil einer bereits innerhalb des Arbeitsraums stattfindenden natürlichen Trennung des Wärmeträgers vom Arbeitsgas, z. B. infolge eines Dichteunterschieds zwischen dem Wärmeträger und dem Arbeitsgas sowie einer Schwerkrafteinwirkung, zu nutze. Auf eine ansonsten übliche Wärmeträgerabscheidung außerhalb des Zylinders kann durch das getrennte Ausbringen der beiden Medien verzichtet werden, was die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich vereinfacht und erfolgreich Implementierungskosten senkt.Dispensing the heat transfer medium via the at least one heat transfer medium outlet opening separately from the working gas has the advantage of a natural separation of the heat transfer medium from the working gas that already takes place within the working space, e.g. B. as a result of a density difference between the heat transfer medium and the working gas as well as the effect of gravity. An otherwise usual heat transfer medium separation outside the cylinder can be dispensed with by discharging the two media separately, which significantly simplifies the implementation of the method according to the invention and successfully reduces implementation costs.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Wärmeträger bezogen auf eine betriebsgemäße Lage des Zylinders in Schwererichtung (d. h. in Richtung der Erdbeschleunigung bzw. Schwerkraft) in einem oberen Endabschnitt des Arbeitsraums in den Arbeitsraum eingespritzt und unterhalb der wenigstens einen Wärmeeinspritzöffnung ausgebracht wird, was eine natürliche, schwerkraftunterstütze Trennung des Wärmeträgers vom Arbeitsgas innerhalb des Arbeitsraums zwischen der Wärmeträgereinspritzöffnung und der Wärmeträgerauslassöffnung weiter verbessert.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the heat transfer medium is injected into the work space in an upper end section of the work space in relation to an operational position of the cylinder in the direction of gravity (i.e. in the direction of gravitational acceleration or gravity) and is applied below the at least one heat injection opening, which further improves a natural, gravity-assisted separation of the heat transfer medium from the working gas within the working space between the heat transfer medium injection opening and the heat transfer medium outlet opening.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands wird der eingespritzte Wärmeträger über eine entsprechend ausgebildete Kopffläche des Kolbens in Richtung der Wärmeträgerauslassöffnung gelenkt. Hierzu kann die Kolbenkopffläche beispielsweise geneigt in Bezug auf eine Kolbenlängsachse oder kegelig oder gewölbt ausgebildet werden. Besonders bevorzugt kann eine gewölbte Kolbenkopffläche klöpperförmig ausgebildet werden.According to a further embodiment of the subject matter of the invention, the injected heat transfer medium is directed towards the heat transfer medium outlet opening via a correspondingly designed head surface of the piston. For this purpose, the piston head surface can, for example, be designed to be inclined with respect to a piston longitudinal axis or to be conical or curved. Particularly preferably, a curved piston head surface can be designed in the shape of a bowl.

Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der Wärmeträger stromauf der Wärmeträgerauslassöffnung vor dem Ausbringen aus dem Arbeitsraum in einem Ringspalt zwischen dem Kolben und einer Zylinderinnenwand des Zylinders gesammelt. Nach dem Durchfliegen des Gasvolumens im Arbeitsraum strömt der Wärmeträger in dem Ringspalt nach unten und kann sich vor der Wärmeträgerauslassöffnung in einem Flüssigkeitssumpf ansammeln.According to another advantageous development of the method, the heat transfer medium is collected upstream of the heat transfer medium outlet opening in an annular gap between the piston and an inner cylinder wall of the cylinder before being discharged from the working space. After flying through the gas volume in the working space, the heat transfer medium flows downward in the annular gap and can collect in a liquid sump in front of the heat transfer outlet opening.

Gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Ringdurchmesser (d. h. radialer Durchmesser) des Ringspalts in einem Bereich von 0,1 mm bis 2 mm, bevorzugter zwischen 0,15 mm und 1,5 mm und noch bevorzugter zwischen 0,2 mm und 1,5 mm gewählt. Hierbei können kleinere Ringdurchmesser aus den angegebenen Bereichen bei Verwendung dünnflüssigerer Wärmeträger und größere Ringdurchmesser innerhalb der angegebenen Bereiche bei Verwendung dickflüssigerer Wärmeträger gewählt werden. Der Wärmeträger kann auf diese Weise beispielsweise laminar an Wänden des Ringspalts entlangfließen, um eine schwerkraftunterstützte effiziente Trennung des Wärmeträgers vom Arbeitsgas bereits innerhalb des Zylinders zu erzielen. Die Höhe des Ringspalts wird bevorzugt so gewählt, dass sich einerseits ein ausreichendes Reservoir des Flüssigkeitssumpfes ausbilden kann, das wenigstens einen Teil des pro Zeiteinheit eingespritzten Wärmeträgers temporär aufnehmen kann, und andererseits das Gesamtvolumen des Ringspalts auf ein Minimum reduziert wird.According to a still further embodiment of the invention, an annular diameter (i.e. radial diameter) of the annular gap is in a range from 0.1 mm to 2 mm, more preferably between 0.15 mm and 1.5 mm and even more preferably between 0.2 mm and 1 .5 mm selected. Smaller ring diameters can be selected from the specified ranges when using thinner heat transfer fluids and larger ring diameters within the specified ranges when using thicker heat transfer fluids. In this way, the heat transfer medium can, for example, flow laminarly along the walls of the annular gap in order to achieve a gravity-assisted, efficient separation of the heat transfer medium from the working gas within the cylinder. The height of the annular gap is preferably chosen so that, on the one hand, a sufficient reservoir of the liquid sump can be formed, which can temporarily hold at least part of the heat transfer medium injected per unit of time, and on the other hand, the total volume of the annular gap is reduced to a minimum.

Alternativ oder zusätzlich kann eine Absenkgeschwindigkeit des Wärmeträgers durch Verrieselung in dem Ringspalt verringert werden. Beispielsweise kann hierfür ein Demister in dem Ringspalt eingesetzt werden. Entlang der Verrieselungsstrecke kann sich weiteres Arbeitsgas vom Wärmeträger trennen.Alternatively or additionally, a lowering speed of the heat transfer medium can be reduced by trickling in the annular gap. For example, a demister can be used in the annular gap for this purpose. Further working gas can separate from the heat transfer medium along the trickling section.

Alternativ oder zusätzlich können Wärmeträgertropfen an einer Blende, einem Metallgitter o. ä. innerhalb des Zylinders, z. B. an den Gasaustrittöffnungen des Zylinders und/oder im Ringspalt, abgeschieden werden.Alternatively or additionally, heat transfer drops can be attached to a panel, a metal grid or similar within the cylinder, e.g. B. are deposited at the gas outlet openings of the cylinder and/or in the annular gap.

Eine Entgasung des Wärmeträgers im Ringspalt, z. B. mit Hilfe des Demisters, verhindert zusätzlich, dass der Wärmeträger mit dem auf- und absteigenden Kolben im Ringspalt mitbewegt wird und nicht zur Ruhe kommt, wodurch u. a. ein zuverlässiges Ausbringen (z. B. Absaugen) des Wärmeträgers erschwert wird.Degassing of the heat transfer medium in the annular gap, e.g. B. with the help of the demister, additionally prevents the heat transfer medium from moving with the ascending and descending piston in the annular gap and not coming to rest, which, among other things, Reliable application (e.g. suction) of the heat transfer medium is made more difficult.

Weiterhin vorteilhaft ist es gemäß einer anderen Ausgestaltung, dass der Wärmeträger vor dem Ausbringen in einem Sumpfraum bezogen auf eine betriebsgemäße Lage des Zylinders in Schwererichtung am unteren Ende des Ringspalts gesammelt wird. In dem freien Sumpfraum, in dem sich der einlaufende Wärmeträger sammeln und zur Ruhe kommen kann, können effektiv u. a. weitere Gasblasen abgeschieden werden. Des Weiteren kann der Füllstand des Wärmeträgersumpfs derart gesteuert werden, dass zu keinem Zeitpunkt Arbeitsgas aus dem Zylinder durch die Wärmeträgerauslassöffnung strömen kann. Mit anderen Worten kann der Füllstand des Wärmeträgersumpfs die Wärmeträgerauslassöffnung stets bedecken und auf diese Weise für das Arbeitsgas zuverlässig verschließen.According to another embodiment, it is also advantageous for the heat transfer medium to be collected in a sump space at the lower end of the annular gap in relation to an operational position of the cylinder in the direction of gravity before being discharged. In the free sump space in which the incoming heat transfer medium can collect and come to rest, you can effectively, among other things, further gas bubbles are separated. Furthermore, the fill level of the heat transfer sump can be controlled in such a way that working gas cannot flow out of the cylinder through the heat transfer outlet opening at any time. In other words, the fill level of the heat transfer sump can always cover the heat transfer outlet opening and in this way reliably close it to the working gas.

Weiter nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgenstands wird der Wärmeträger unter Verwendung eines doppeltwirkenden Pumpkolbens gleichzeitig sowohl über die wenigstens eine Wärmeträgereinspritzöffnung in den Arbeitsraum eingespritzt als auch über die wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung aus dem Arbeitsraum ausgebracht bzw. abgesaugt. In anderen Worten wird gleichzeitig beim Einspritzen des Wärmeträgers der Wärmeträger in gleicher Menge wieder aus dem Arbeitsraum ausgebracht bzw. abgesaugt, wodurch das Gasvolumen des Arbeitsgases im Zylinder/Arbeitsraum in Bezug auf den Wärmeträgeraustausch konstant gehalten wird.Further according to a preferred embodiment of the subject matter of the invention, the heat transfer medium is simultaneously injected into the work space via the at least one heat transfer medium injection opening and is discharged or sucked out of the work space via the at least one heat transfer medium outlet opening using a double-acting pump piston. In other words, when the heat transfer medium is injected, the heat transfer medium is simultaneously released or sucked out of the working space in the same quantity, whereby the gas volume of the working gas in the cylinder/working space is kept constant in relation to the heat transfer medium exchange.

Nach einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Einspritzen und/oder Absaugen einer Menge des Wärmeträgers während der isothermen Zustandsänderung, d. h. innerhalb eines Zyklus, im Wärmekraftprozess bzw. Arbeitsmaschinenprozess, nichtlinear (z. B. nicht-sinusförmig). Bei der isothermen Expansion sowie der isothermen Verdichtung steigt aus thermodynamischer Sicht der Arbeitsaufwand für die Verdichtung mit steigendem Druck im Arbeitsraum. Das heißt, auf dem Weg vom unteren zum oberen Totpunkt des Arbeitskolbens muss für den gleichen Weg zunehmend mehr Kompressionsarbeit aufgewandt werden und daher auch mehr Wärme weggekühlt werden. Der Wärmeträger wird während eines Zyklus des Kreisprozesses nicht mit konstantem Druck eingespritzt oder mit konstantem Volumenstrom, sondern am Anfang mit geringerem Druck und gegen Ende mit höherem Druck bzw. am Anfang wird weniger und am Ende wird mehr Wärmeträger in den Arbeitsraum eingespritzt. Bei der Expansion ist es umgekehrt. Hier wird am Anfang dem Arbeitsgas die meiste Wärme zugeführt und gegen Ende weniger Wärme und damit gegen Ende auch eine geringere Wärmeträgermenge bzw. der Wärmeträger mit einem geringeren Eispritzdruck. Auf diese Weise kann der Arbeitsaufwand für das Einspritzen des Wärmeträgers klein gehalten werden und die Effizienz des umgesetzten Kreisprozesses gesteigert werden.According to a further advantageous embodiment, the injection and/or suction of a quantity of the heat transfer medium takes place during the isothermal change of state, i.e. H. within a cycle, in the thermal power process or work machine process, non-linear (e.g. non-sinusoidal). In isothermal expansion and isothermal compression, from a thermodynamic point of view, the work required for compression increases as the pressure in the working space increases. This means that on the way from the bottom to the top dead center of the working piston, increasingly more compression work has to be used for the same path and therefore more heat has to be cooled away. During a cycle of the cycle, the heat transfer medium is not injected at a constant pressure or with a constant volume flow, but at the beginning with a lower pressure and towards the end with a higher pressure or at the beginning less and at the end more heat transfer medium is injected into the working space. When it comes to expansion, it's the other way around. Here, most of the heat is supplied to the working gas at the beginning and less heat towards the end and thus a smaller amount of heat transfer medium towards the end or the heat transfer medium with a lower injection pressure. In this way, the amount of work required for injecting the heat transfer medium can be kept small and the efficiency of the implemented cycle process can be increased.

Weiterhin kann der Arbeitskolben bei einer möglichen Ausbildung als Tauchkolbenzylinder mit hydraulischem Antrieb diskontinuierlich gesteuert werden.Furthermore, the working piston can be controlled discontinuously with a possible design as a plunger piston cylinder with a hydraulic drive.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

1 eine Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
2 eine Längsschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
3 eine Längsschnittansicht eines noch weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
4 ein Fließschema eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der Erfindung unter Verwendung der Vorrichtung aus 1 und
5 ein Fließschema eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der Erfindung unter Verwendung der Vorrichtung aus 2.

Further features and advantages of the invention result from the following description of a non-restrictive exemplary embodiment of the invention, which is explained in more detail below with reference to the drawing. This drawing shows schematically:

1 a longitudinal sectional view of an embodiment of a device according to the invention,
2 a longitudinal sectional view of a further embodiment of a device according to the invention,
3 a longitudinal sectional view of yet another embodiment of a device according to the invention,
4 a flow diagram of an exemplary embodiment of a method according to the invention using the device 1 and
5 a flow diagram of a further exemplary embodiment of a method according to the invention using the device 2 .

In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.In the different figures, parts that are equivalent in terms of their function are always provided with the same reference numbers, so that they are usually only described once.

1 stellt schematisch eine Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zur Umsetzung quasi-isothermer Zustandsänderungen in Wärmekraftprozessen oder Arbeitsmaschinenprozessen gemäß der Erfindung dar. Die Vorrichtung 1 weist einen Zylinder 2 auf, der einen Arbeitsraum 3 bereitstellt, und einen in dem Arbeitsraum 3 verlagerbaren, insbesondere längsverschiebbaren (d. h. entlang seiner Längsachse 18), Kolben 4 zur Begrenzung eines im Arbeitsraum 3 veränderbaren Gasvolumens. Der Kolben 4 (hierin auch als Arbeitskolben bezeichnet) kann hohl ausgebildet sein. Das im Arbeitsraum 3 vorhandene Gasvolumen kann durch den Kolben 4 expandiert oder komprimiert werden. 1 schematically represents a longitudinal sectional view of an exemplary embodiment of a device 1 for implementing quasi-isothermal state changes in thermal power processes or work machine processes according to the invention. The device 1 has a cylinder 2, which provides a working space 3, and one which can be displaced in the working space 3, in particular longitudinally displaceable (ie along its longitudinal axis 18), piston 4 to limit a gas volume that can be changed in the working space 3. The piston 4 (also referred to herein as the working piston) can be hollow. The gas volume present in the working space 3 can be expanded or compressed by the piston 4.

Wie in 1 weiter ersichtlich ist, weist der Zylinder 2 der vorliegenden Vorrichtung 1 zwei Zugangsöffnungen 5 und 6 auf, von denen eine, 5, zum Einbringen von Arbeitsgas in den Arbeitsraum 3 und die andere, 6, zum Ausbringen des Arbeitsgases aus dem Arbeitsraum 3 dienen. In 1 ist die Zugangsöffnung 5 zusätzlich und ohne zwingende Beschränkung hierauf mit einem Saugventil ausgebildet und die Zugangsöffnung 6 mit einem Druckventil, wie sie z. B. bei einem Verdichter vorgesehen sein können. Ferner weist die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 wenigstens eine Wärmeträgereinspritzöffnung 7 (vorliegend zwei dargestellt) zum Einspritzen eines Wärmeträgers 9 in den Arbeitsraum 3 und wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung 8 zum Ausbringen des Wärmeträgers 9 aus dem Arbeitsraum 3 auf. Es ist in 1 deutlich zu erkennen, dass die Wärmeträgerauslassöffnung 8 und wenigstens die Zugangsöffnung 6 zum Ausbringen des Arbeitsgases aus dem Arbeitsraum 3 separate Öffnungen sind.As in 1 As can further be seen, the cylinder 2 of the present device 1 has two access openings 5 and 6, one of which, 5, is used to introduce working gas into the working space 3 and the other, 6, is used to discharge the working gas from the working space 3. In 1 the access opening 5 is additionally and without necessarily limited to this formed with a suction valve and the access opening 6 with a pressure valve, as z. B. can be provided in a compressor. Furthermore, the in 1 Device 1 shown has at least one heat transfer medium injection opening 7 (two shown here) for injecting a heat transfer medium 9 into the work space 3 and at least one heat transfer medium outlet opening 8 for discharging the heat transfer medium 9 from the work space 3. It is in 1 It can be clearly seen that the heat transfer outlet opening 8 and at least the access opening 6 for discharging the working gas from the working space 3 are separate openings.

Insbesondere ist in 1 deutlich zu erkennen, dass bei der beispielhaften Vorrichtung 1 die wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung 8 bezogen auf eine betriebsgemäße Lage des Zylinders 2 in Schwererichtung G (d. h. in Richtung der Erdbeschleunigung bzw. Schwerkraft) unterhalb der wenigstens einen Wärmeträgereinspritzöffnung 7 angeordnet ist.In particular is in 1 It can be clearly seen that in the exemplary device 1 the at least one heat transfer medium outlet opening 8 is arranged below the at least one heat transfer medium injection opening 7 in relation to an operational position of the cylinder 2 in the direction of gravity G (ie in the direction of gravitational acceleration or gravity).

Weiter zeigt 1, dass die wenigstens eine Wärmeträgereinspritzöffnung 7 bezogen auf die betriebsgemäße Lage des Zylinders 2 in Schwererichtung G in einem oberen Endabschnitt des Arbeitsraums 3 angeordnet ist. Vorliegend ist die Wärmeträgereinspritzöffnung 7 in einem Zylinderkopf 10 des Zylinders 2 angeordnet, wobei der Zylinderkopf 10 flach, klöpperförmig oder zu seinen äußeren Rändern hin stark abgeschrägt ausgebildet sein kann. Die Wärmeträgereinspritzöffnungen 7 befinden sich bei dem vorliegenden Beispiel wie in 1 zu erkennen in einem oberen Endabschnitt des Zylinders 2.Next shows 1 that the at least one heat transfer medium injection opening 7 is arranged in an upper end section of the working space 3 in relation to the operational position of the cylinder 2 in the direction of gravity G. In the present case, the heat transfer medium injection opening 7 is arranged in a cylinder head 10 of the cylinder 2, wherein the cylinder head 10 can be flat, bowl-shaped or bevelled sharply towards its outer edges. The heat transfer medium injection openings 7 are located in the present example as in 1 can be seen in an upper end section of the cylinder 2.

Der Zylinderkopf 10 ist in seiner Form an eine Kolbenkopffläche 11 angepasst. Die Kopffläche 11 des Kolbens 4 begrenzt das Gasvolumen im Arbeitsraum 3 kolbenseitig. Bei dem vorliegend gezeigten Beispiel ist die Kopffläche 11 des Kolbens 4 gewölbt ausgebildet, bevorzugt klöpperförmig. In 1 ist die Kopffläche 11 im Wesentlichen als eine abgeflachte Halbkugelform dargestellt, die die bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnten Maße (d. h. Außendurchmesser und Radien) einer Klöpperform aufweisen kann, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein.The shape of the cylinder head 10 is adapted to a piston head surface 11. The head surface 11 of the piston 4 limits the gas volume in the working space 3 on the piston side. In the example shown here, the head surface 11 of the piston 4 is curved, preferably bowl-shaped. In 1 the head surface 11 is essentially shown as a flattened hemispherical shape, which can have the dimensions (ie outside diameters and radii) of a dish shape already mentioned in the general part of the description, but without necessarily being limited to this.

Die beispielhafte Vorrichtung 1 in 1 stellt außerdem einen Ringspalt 12 stromauf der Wärmeträgerauslassöffnung 8 zwischen dem Kolben 4 und einer Zylinderinnenwand des Zylinders 2 zum Sammeln des Wärmeträgers 9 vor dem Ausbringen aus dem Arbeitsraum 3 bereit.The exemplary device 1 in 1 also provides an annular gap 12 upstream of the heat transfer medium outlet opening 8 between the piston 4 and an inner cylinder wall of the cylinder 2 for collecting the heat transfer medium 9 before it is discharged from the working space 3.

Am unteren Ende, d. h. bezogen auf die betriebsgemäße Lage des Zylinders 2 in Schwererichtung G, des Ringspalts 12 weist die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zusätzlich einen Sumpfraum 13 zum Sammeln des einlaufenden Wärmeträgers 9 auf. Der Sumpfraum 13 befindet sich in einem bezogen auf die Schwererichtung G unteren Endabschnitt des Zylinders 2, der dem oberen Endabschnitt diametral gegenüberliegt.At the lower end, ie based on the operational position of the cylinder 2 in the direction of gravity G, of the annular gap 12 points in 1 Device 1 shown additionally has a sump space 13 for collecting the incoming heat transfer medium 9. The sump space 13 is located in a lower end section of the cylinder 2 in relation to the direction of gravity G, which is diametrically opposite the upper end section.

In 1 ist zu erkennen, dass der flüssige Wärmeträger 9 von oben in den Arbeitsraum 3 eingespritzt/eingedüst wird, wobei je nach Dimensionierung des Zylinders 2 bzw. des Arbeitsraums 3 ein einziger Sprühkegel oder mehrere (wie vorliegend dargestellt) zum Einsatz kommen können. Der Wärmeträger 9 wird durch den Zylinderkopf 10 eingespritzt und durch den Kolben 4, insbesondere seine Kopffläche 11, so gelenkt, dass der flüssige Wärmeträger 9 nach Durchfliegen des in dem Arbeitsraum 3 vorhandenen Gasvolumens in dem Ringspalt 12 nach unten strömt und sich unten im Sumpfraum 13 ansammelt. Nach einer Verdichtung oder Expansion des Arbeitsgases kann dieses über die Zugangsöffnung 6 ausgeschoben werden.In 1 It can be seen that the liquid heat transfer medium 9 is injected/jetted into the working space 3 from above, whereby, depending on the dimensions of the cylinder 2 or the working space 3, a single spray cone or several (as shown here) can be used. The heat transfer medium 9 is injected through the cylinder head 10 and directed by the piston 4, in particular its head surface 11, in such a way that the liquid heat transfer medium 9, after flying through the gas volume present in the working space 3, flows downward in the annular gap 12 and is located at the bottom in the sump space 13 accumulates. After the working gas has been compressed or expanded, it can be pushed out via the access opening 6.

Der Wärmeträger 9 hat die Aufgabe, während der Kompression Wärme aus dem Arbeitsgas aufzunehmen und während der Expansion Wärme an das Arbeitsgas abzugeben. Der eingespritzte/eingedüste Wärmeträger 9 trifft auf den Kolben 4 oder die Zylinderwandung auf und kann von dort aus über den Ringspalt 12 in den Sumpf 13 fließen. Der Ringspalt 12 wird nur so groß gewählt, dass zum einen genügend flüssiger Wärmeträger 9 in den Sumpf 13 gelangt und zum anderen das Totvolumen klein bleibt. Der Sumpf 13 kann einen freien Raum bereitstellen, in dem sich der eingebrachte Wärmeträger 9 ablagern und sammeln kann, um u. a. Gasblasen abzuscheiden, Im unteren Bereich des Zylinders 2 befinden sich die eine oder mehrere Wärmeträgerauslassöffnungen 8. Der Füllstand des Sumpfs 13 wird vorzugsweise so gewählt, dass zu jedem Zeitpunkt sichergestellt ist, dass kein Arbeitsgas aus dem Zylinder 2 bzw. dem Arbeitsraum 3 in die Auslassöffnung 8 strömen kann.The heat transfer medium 9 has the task of absorbing heat from the working gas during compression and releasing heat to the working gas during expansion. The injected/jetted heat transfer medium 9 hits the piston 4 or the cylinder wall and can flow from there via the annular gap 12 into the sump 13. The annular gap 12 is only chosen so large that, on the one hand, enough liquid heat transfer medium 9 gets into the sump 13 and, on the other hand, the dead volume remains small. The sump 13 can provide a free space in which the introduced heat transfer medium 9 can deposit and collect, among other things. To separate gas bubbles, one or more heat transfer outlet openings 8 are located in the lower region of the cylinder 2. The filling level of the sump 13 is preferably selected so that it is ensured at all times that no working gas from the cylinder 2 or the working space 3 flows into the outlet opening 8 can stream.

Der flüssige Wärmeträger 9 wird bevorzugt mit einer hohen Wärmekapazität ausgewählt, nicht oder zumindest wenig korrosiv, mit einer schlechten Löslichkeit in Gasen, d. h. das Arbeitsgas löst sich schlecht im Wärmeträger, und mit einer für die Einspritzung geeigneten Viskosität. Außerdem ist der Wärmeträger 9 bevorzugt thermisch stabil bis etwa 220 °C. Geeignete Wärmeträger sind u. a. Wasser, Öle und ionische Flüssigkeiten mit den gewünschten Eigenschaften.The liquid heat transfer medium 9 is preferably selected with a high heat capacity, non-corrosive or at least slightly corrosive, with poor solubility in gases, ie the working gas dissolves poorly in the heat transfer medium, and with a viscosity suitable for injection. In addition, the heat transfer medium 9 is preferably thermally stable up to approximately 220 ° C. Suitable heat transfer media include water, oils and ionic liquids with the desired properties.

Zum Einspritzen des Wärmeträgers 9 ist die wenigstens eine Wärmeträgereinspritzöffnung 7 vorzugsweise düsenförmig ausgebildet. Die Anzahl der Einspritzdüsen, Art der Einspritzdüse, Anordnung und Ausrichtung ist so zu wählen, dass der thermische Widerstand vom flüssigen Wärmeträger auf das Arbeitsgas im Arbeitsraum 3 während des Eindüsvorgangs minimiert wird und zugleich der Aufwand für das Eindüsen klein ist. Die Düsen sind vorzugsweise im Zylinderkopf 10 versenkt, damit der Totraum minimiert wird.For injecting the heat transfer medium 9, the at least one heat transfer medium injection opening 7 is preferably designed in the shape of a nozzle. The number of injection nozzles, type of injection nozzle, arrangement and orientation must be selected so that the thermal resistance from the liquid heat transfer medium to the working gas in the working space 3 is minimized during the injection process and at the same time the effort for the injection is small. The nozzles are preferably recessed in the cylinder head 10 so that the dead space is minimized.

Wie 1 deutlich zu entnehmen ist, ist der durch den Ringspalt 12 der Vorrichtung 1 gebildete schädliche Raum (d. h. Totraum), wozu der nicht mit dem Wärmeträger 9 gefüllte Ringraum zählt, aufgrund des verhältnismäßig klein dimensionierbaren Ringspalts 12 sehr klein.How 1 As can be clearly seen, the harmful space (ie dead space) formed by the annular gap 12 of the device 1, which includes the annular space not filled with the heat transfer medium 9, is very small due to the relatively small size of the annular gap 12.

Im Gegensatz zu vorbekannten Vorrichtungen, die nur sehr langsame Einzelhübe von beispielsweise lediglich 4 s für einen Kolbenhub vom oberen zum unteren Totpunkt verwirklichen, gelingt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 eine Wärmeübertagung vom eingespritzten Wärmeträger 9 auf das zu verdichtende/expandierende Arbeitsgas derart effizient, dass das Gas in sehr kurzer Zeit (z. B. etwa 0,2 s oder schneller) durch Eindüsen von kaltem Wärmeträger 9 gekühlt (Verdichter) oder umgekehrt erwärmt (Expansion) werden kann.In contrast to previously known devices, which only implement very slow individual strokes of, for example, only 4 s for a piston stroke from top to bottom dead center, in the device 1 according to the invention, heat is transferred from the injected heat transfer medium 9 to the working gas to be compressed/expanded so efficiently that this Gas can be cooled (compressor) or conversely heated (expansion) in a very short time (e.g. about 0.2 s or faster) by injecting cold heat transfer medium 9.

Es wurde erkannt, dass dies umso besser gelingt (d. h. geringer werdender Wärmewiderstand zwischen flüssigem Wärmeträger und Arbeitsgas), je höher der Differenzdruck (Einspritzdruck minus Kammerdruck im Arbeitsraum) ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung, z. B. die in 1 dargestellte Vorrichtung 1, kann in einem optimalen Betriebszustand abhängig von dem erforderlichen Energieaufwand für die Einspritzung des Wärmeträgers und der angestrebten Abkühl- oder Aufheizwirkung auf das Arbeitsgas sowie die erreichbare Verkürzung der Verdichtungsphase bzw. Expansionsphase und damit der Erreichung praktikabler Drehzahlen betrieben werden.It was recognized that the higher the differential pressure (injection pressure minus chamber pressure in the working space), the better this is achieved (ie the thermal resistance between the liquid heat transfer medium and the working gas decreases). The device according to the invention, e.g. B. the in 1 Device 1 shown can be operated in an optimal operating state depending on the energy required for injecting the heat transfer medium and the desired cooling or heating effect on the working gas as well as the achievable shortening of the compression phase or expansion phase and thus the achievement of practical speeds.

Der Kolben 4 kann als Tauchkolbenzylinder (Plunger/Verdrängerkolben) mit z. B. einem hydraulischen Antrieb 14 oder einem mechanischen Antrieb 15 mit Pleuel und Kurbeltrieb (vgl. 4 und 5) ausgeführt sein.The piston 4 can be used as a plunger cylinder (plunger/displacer) with z. B. a hydraulic drive 14 or a mechanical drive 15 with connecting rod and crank mechanism (cf. 4 and 5 ).

1 ist weiter zu entnehmen, dass unten am Kolben 4 eine geeignete Dichtung 16 und eine Gleitführung 17 vorgesehen sein können, die in einem Dichtungspaket 18 als eine gemeinsame Baugruppe bereitgestellt und montiert sein können. 1 It can further be seen that a suitable seal 16 and a sliding guide 17 can be provided at the bottom of the piston 4, which can be provided and mounted in a seal package 18 as a common assembly.

2 stellt eine Längsschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 20 zur Umsetzung quasi-isothermer Zustandsänderungen in Wärmekraftprozessen oder Arbeitsmaschinenprozessen gemäß der Erfindung dar. 2 represents a longitudinal sectional view of a further exemplary embodiment of a device 20 for implementing quasi-isothermal state changes in thermal power processes or work machine processes according to the invention.

Der wesentliche Unterschied der Vorrichtung 20 zur Vorrichtung 1 aus 1 besteht darin, dass lediglich eine einzige Zugangsöffnung 21 zum Einbringen und Ausbringen von Arbeitsgas in den bzw. aus dem Arbeitsraum 3 vorgesehen ist, wie beispielsweise bei Verwendung der Vorrichtung 20 als Bestandteil eines Stirlingmotors. Nach der Verdichtung oder Expansion des Arbeitsgases im Arbeitsraum 3 kann dieses über die Öffnung 21 ausgeschoben werden. The main difference between device 20 and device 1 is: 1 is that only a single access opening 21 is provided for introducing and discharging working gas into or out of the working space 3, such as when using the device 20 as part of a Stirling engine. After the working gas has been compressed or expanded in the working space 3, it can be pushed out via the opening 21.

Weiterhin unterscheidet sich die Vorrichtung 20 von der Vorrichtung 1 aus 1 darin, dass der Wärmeträger 9 vorliegend in einem brauseartigen Vollstrahl in den Arbeitsraum 3 von oben im Wesentlichen in Richtung auf die Kolbenkopffläche 11 eingespritzt wird. Hierzu weist der Zylinderkopf 10 eine Vielzahl kleiner Öffnungen für den Wärmeträger auf.Furthermore, the device 20 differs from the device 1 1 in that the heat transfer medium 9 is injected in a shower-like full jet into the working space 3 from above essentially in the direction of the piston head surface 11. For this purpose, the cylinder head 10 has a large number of small openings for the heat transfer medium.

Des Weiteren weist die Vorrichtung 20 im Unterschied zur Vorrichtung 1 aus 1 einen Demister 22 auf, der in dem Ringspalt 12 angeordnet ist. Die beabsichtigten Druckschwankungen im Arbeitsraum 3 können zu einer - wenn auch geringen - wechselnden Gasaufnahme des flüssigen Wärmeträgers 9 führen. Daher kann es vorteilhaft sein, die Absenkgeschwindigkeit des Wärmeträgers 9 durch Verrieselung im Ringspalt 12 zu reduzieren und eine Entgasung mittels des Demister 22 bereits im Arbeitsraum 3 herbeizuführen. Gleichzeitig kann hierdurch verhindert werden, dass der Wärmeträger mit dem auf- und absteigenden Kolben 4 über den Ringspalt 12 mitbewegt wird, nicht zur Ruhe kommt und ein Absaugen/Ausbringen und ggfs. Wiedereinspritzen des Wärmeträgers 9 erschwert wird.Furthermore, the device 20 differs from the device 1 1 a demister 22 which is arranged in the annular gap 12. The intended pressure fluctuations in the working space 3 can lead to a changing gas absorption of the liquid heat transfer medium 9, albeit small. It can therefore be advantageous to reduce the lowering speed of the heat transfer medium 9 by trickling in the annular gap 12 and to bring about degassing by means of the demister 22 in the working space 3. At the same time, this can prevent the heat transfer medium from being moved with the ascending and descending piston 4 over the annular gap 12, from coming to rest and from suctioning/expelling and, if necessary, reinjecting the heat transfer medium 9 from being made more difficult.

Es sei darauf hingewiesen, dass das Vorsehen eines Demisters 22 nicht zwingend auf das Ausführungsbeispiel der in 2 gezeigten Vorrichtung 20 beschränkt ist, sondern optional ebenfalls mit einer Vorrichtung nach Art der Vorrichtung 1 aus 1 kombiniert werden kann. Umgekehrt kann eine weitere beispielhafte Vorrichtung gemäß der Erfindung (nicht dargestellt) nach Art der Vorrichtung 20 aus 2, d. h. mit lediglich einer Zugangsöffnung 21, auch ohne Demister 22 ausgeführt sein. In entsprechender Weise kann die konkrete Art der Wärmeträgereinspritzung, z. B. in Form einzelner Sprühkegel wie in 1 gezeigt oder brauseartig wie in 2 dargestellt, beliebig mit einer der hierin offenbarten Ausführungsbeispiele kombiniert werden.It should be noted that the provision of a demister 22 does not necessarily apply to the exemplary embodiment in 2 shown device 20 is limited, but optionally also with a device like the device 1 1 can be combined. Conversely, a further exemplary device according to the invention (not shown) may be of the type of device 20 2, d . H. with just one access opening voltage 21, can also be designed without demister 22. In a corresponding manner, the specific type of heat transfer medium injection, e.g. B. in the form of individual spray cones as in 1 shown or effervescent as in 2 shown, can be combined in any way with one of the exemplary embodiments disclosed herein.

Des Weiteren kann, sofern das Arbeitsgas nach abgeschlossener Kompression/Expansion noch einen zu hohen Anteil an flüssigem Wärmeträger beinhaltet, überschüssige Flüssigkeit vom Arbeitsgas mittels eines separaten Abscheiders, Trenners o. ä. getrennt werden. Ein solcher Abscheider kann insbesondere außerhalb des Zylinders 2 angeordnet sein. Der auf diese Weise abgeschiedene Wärmeträger kann, sofern gewünscht, dem Wärmeträgerkreislauf wieder zugeführt werden oder alternativ den Kreislauf verlassen. Zum Abscheiden großer Tropfen kann optional ein Einsatz in Form einer Blende/Metallgitters o. ä. an der Wärmeträgerauslassöffnung 8 innerhalb des Zylinders 2 vorgehen sein.Furthermore, if the working gas still contains too high a proportion of liquid heat transfer medium after compression/expansion has been completed, excess liquid can be separated from the working gas using a separate separator, separator or similar. Such a separator can in particular be arranged outside the cylinder 2. The heat transfer medium separated in this way can, if desired, be fed back into the heat transfer circuit or, alternatively, leave the circuit. To separate large drops, an insert in the form of a cover/metal grid or similar can optionally be used at the heat medium outlet opening 8 within the cylinder 2.

3 zeigt eine Längsschnittansicht eines noch weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 25 zur Umsetzung quasi-isothermer Zustandsänderungen in Wärmekraftprozessen oder Arbeitsmaschinenprozessen gemäß der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kolben 4 der Vorrichtung 25 bzw. die Kopffläche 11 des Kolbens 4 geneigt in Bezug auf seine Kolbenlängsachse 18 ausgebildet. Der Zylinderkopf 10 ist entsprechend der Kolbenform ausgebildet. Der Sprühkegel des einzuspritzenden Wärmeträgers 9 ist in etwa parallel zur Kolbenkopffläche 11 ausgerichtet, so dass eine Sprühlänge des Sprühkegels des eingespritzten Wärmeträgers 9 auch bei der in 3 dargestellten Kolbenposition in der Nähe des oberen Totpunkts noch hinreichend groß ist, um die hierein beschriebene Wirkung (z. B. Wärmeübertragung auf das Arbeitsgas) optimal zu erzielen. 3 shows a longitudinal sectional view of yet another embodiment of a device 25 for implementing quasi-isothermal state changes in thermal power processes or work machine processes according to the invention. In this exemplary embodiment, the piston 4 of the device 25 or the head surface 11 of the piston 4 is designed to be inclined with respect to its longitudinal axis 18 of the piston. The cylinder head 10 is designed according to the piston shape. The spray cone of the heat transfer medium 9 to be injected is aligned approximately parallel to the piston head surface 11, so that a spray length of the spray cone of the injected heat transfer medium 9 is also possible at the in 3 The piston position shown near the top dead center is still sufficiently large to optimally achieve the effect described here (e.g. heat transfer to the working gas).

4 stellt ein Fließschema eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Umsetzung quasi-isothermer Zustandsänderungen in Wärmekraftprozessen oder Arbeitsmaschinenprozessen gemäß der Erfindung unter beispielhafter Verwendung der Vorrichtung 1 aus 1 dar. Die Vorrichtung 1 wird in 4 beispielhaft als Verdichter betrieben. Die Luft bzw. das Arbeitsgas gelangt über das Ansaugventil/Einlassöffnung 5 in den Zylinder 2 und wird nach Verdichtung über das Druckventil/Auslassöffnung 6 ausgeschoben. Die Förderung des flüssigen Wärmeträgers 9 wird in diesem Beispiel mit einer Hydraulikpumpe 26, einem Druckspeicher 28 und einem drucklosen Tank 27 realisiert. Die Druckbeaufschlagung der Wärmeträgereinspritzdüsen 7 und das Ablassen eines Sumpfes aus der Wärmeträgerauslassöffnung 8 wird mit Ventilen 29 und 30 gesteuert. Die Pumpe 26 fördert den Wärmeträger vom drucklosen Tank 27 in den Druckspeicher 28. Die Pumpe 26 ist bevorzugt druckgeregelt. Ein Wärmeübertrager 34 führt dem Wärmeträger, je nach Anwendungsfall, Wärme zu oder ab. In diesem Ausführungsbespiel werden verbleibende Wärmeträgertropfen und das verdichtete Arbeitsgas zusätzlich in einem außerhalb des Zylinders 2 angeordneten Abscheider 31 voneinander getrennt. 4 presents a flow diagram of an exemplary embodiment of a method for implementing quasi-isothermal state changes in thermal power processes or work machine processes according to the invention using the device 1 as an example 1 The device 1 is in 4 operated as a compressor, for example. The air or the working gas enters the cylinder 2 via the intake valve/inlet opening 5 and, after compression, is pushed out via the pressure valve/outlet opening 6. In this example, the liquid heat transfer medium 9 is conveyed using a hydraulic pump 26, a pressure accumulator 28 and an unpressurized tank 27. The pressurization of the heat carrier injection nozzles 7 and the draining of a sump from the heat carrier outlet opening 8 is controlled with valves 29 and 30. The pump 26 conveys the heat transfer medium from the unpressurized tank 27 into the pressure accumulator 28. The pump 26 is preferably pressure-controlled. A heat exchanger 34 supplies or removes heat from the heat transfer medium, depending on the application. In this exemplary embodiment, remaining heat transfer drops and the compressed working gas are additionally separated from one another in a separator 31 arranged outside the cylinder 2.

Der abgeschiedene Wärmeträger kann über ein Ventil 32 wieder zurück in den drucklosen Tank 27 fließen. Das verdichtete getrocknete Arbeitsgas tritt aus dem Abscheider 31 aus (33). Der Antrieb des Kolbens 4 wird bei dem vorliegenden Beispiel mittels Kurbelantrieb 15, das heißt mittels Pleuel und Kurbeltrieb, und einem Dichtungspaket 18 realisiert.The separated heat transfer medium can flow back into the unpressurized tank 27 via a valve 32. The compressed dried working gas emerges from the separator 31 (33). In the present example, the piston 4 is driven by means of a crank drive 15, that is to say by means of a connecting rod and crank drive, and a sealing package 18.

5 stellt ein Fließschema eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Umsetzung quasi-isothermer Zustandsänderungen in Wärmekraftprozessen oder Arbeitsmaschinenprozessen gemäß der Erfindung unter Verwendung der Vorrichtung 20 aus 2 dar. In dem dargestellten Anwendungsfall bildet der Zylinder 2 beispielhaft einen Zylinder eines nicht weiter dargestellten Stirlingmotors. Am Zylinder 2 befindet sich nur eine Zugangsöffnung 21 für das Arbeitsgas zu einem Regenerator. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel fördert ein doppeltwirkender Pumpkolben 38 den Wärmeträger von der Wärmeträgerauslassöffnung 8 zur wenigstens einen Wärmeträgereinspritzöffnung 7. Der doppeltwirkende Pumpkolben 36 ist eingerichtet, den Wärmeträger 9 gleichzeitig sowohl über die wenigstens eine Wärmeträgereinspritzöffnung 7 in den Arbeitsraum 3 einzuspritzen als auch über die wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung 8 aus dem Arbeitsraum 3 auszubringen bzw. abzusaugen. 5 presents a flow diagram of a further exemplary embodiment of a method for implementing quasi-isothermal state changes in thermal power processes or work machine processes according to the invention using the device 20 2 In the application shown, the cylinder 2 exemplifies a cylinder of a Stirling engine, not shown. On cylinder 2 there is only one access opening 21 for the working gas to a regenerator. In the present exemplary embodiment, a double-acting pump piston 38 conveys the heat transfer medium from the heat transfer medium outlet opening 8 to at least one heat transfer medium injection opening 7. The double-acting pump piston 36 is set up to simultaneously inject the heat transfer medium 9 into the working space 3 via the at least one heat transfer transfer opening 7 as well as via the at least one To discharge or suck out the heat transfer medium outlet opening 8 from the work space 3.

Eine Kolbenansteuerung 39 des Pumpkolbens 38 kann z. B. hydraulisch, elektromechanisch oder über einen Kurbeltrieb erfolgen und wird mit der Bewegung des Arbeitskolbens 4 im Zylinder 2 synchronisiert, sodass dieser bei Expansion oder Kompression, je nach Anwendung, Wärmeträger 9 einspritzt/eindüst. Das Hubvolumen, Start eines Hubs und Zeitdauer ist entsprechend zu wählen. Durch drei Rückschlagventile 35, 36, 37 wird eine Rückströmung des Wärmeträgers 9 in den Zylinder 2, z. B. in den Wärmeträgersumpf innerhalb des Zylinders 2, verhindert und das Gasvolumen nicht durch die Einspritzung des Wärmeträgers 9 in den Arbeitsraum 3 verändert.A piston control 39 of the pump piston 38 can z. B. hydraulically, electromechanically or via a crank mechanism and is synchronized with the movement of the working piston 4 in the cylinder 2, so that it injects/jets in heat carrier 9 during expansion or compression, depending on the application. The stroke volume, start of a stroke and duration must be selected accordingly. Three check valves 35, 36, 37 ensure that the heat transfer medium 9 flows back into the cylinder 2, e.g. B. in the heat transfer sump within the cylinder 2, prevented and the gas volume is not changed by the injection of the heat transfer medium 9 into the working space 3.

Bei dem vorliegenden Beispiel wird der Arbeitskolben 4 durch einen Plungerzylinder hydraulisch angetrieben (14). Hubdauer und Hubgeschwindigkeit können über einen hydraulischen Anschluss 40 gesteuert werden. Der hydraulische Antrieb 14 ermöglicht eine diskontinuierliche Kolbensteuerung des Arbeitskolbens 4. Ein Wärmeübertrager 34 führt dem Wärmeträger Wärme zu oder ab, je nach Anwendungsfall.In the present example, the working piston 4 is hydraulically driven by a plunger cylinder (14). Lifting duration and lifting speed can be controlled via a hydraulic connection 40. The hydraulic drive 14 enables discontinuous piston control of the working piston 4. A heat exchanger 34 supplies or removes heat from the heat transfer medium, depending on the application.

In beiden dargestellten Fließschemata der 4 und 5 wird das Arbeitsgas über die wenigstens eine Zugangsöffnung 5, 6 bzw. 21 im Zylinder 2 in den und/oder aus dem Arbeitsraum 3 eingebracht bzw. ausgebracht, wobei der Wärmeträger 9 in den Arbeitsraum 3 über die wenigstens eine Wärmeträgereinspritzöffnung 7 eingespritzt wird und der Wärmeträger 9 über die wenigstens eine Wärmeträgerauslassöffnung 8 aus dem Arbeitsraum 3 an einer anderen Stelle als das Arbeitsgas ausgebracht wird.In both flow diagrams shown 4 and 5 the working gas is introduced or discharged into and/or out of the working space 3 via the at least one access opening 5, 6 or 21 in the cylinder 2, the heat transfer medium 9 being injected into the working space 3 via the at least one heat transfer medium injection opening 7 and the heat transfer medium 9 is discharged from the working space 3 at a different location than the working gas via the at least one heat transfer medium outlet opening 8.

Das Einspritzen und/oder Absaugen einer Menge des Wärmeträgers 9 während eines Zyklus der quasi-isothermen Zustandsänderung im Wärmekraftprozess bzw. Arbeitsmaschinenprozess kann vorteilhaft nichtlinear erfolgen. Hierzu kann beispielsweise die Kolbenansteuerung 39 den Pumpkolben 38 entsprechend nichtlinear verschieben.The injection and/or suction of a quantity of the heat transfer medium 9 during a cycle of the quasi-isothermal change of state in the thermal power process or work machine process can advantageously take place in a nonlinear manner. For this purpose, for example, the piston control 39 can move the pump piston 38 in a corresponding non-linear manner.

Es sei darauf hingewiesen, dass das Vorsehen des doppeltwirkenden Pumpkolbens 38 und/oder des hydraulischen Antriebs 14 nicht zwingend auf das Ausführungsbeispiel gemäß 5 beschränkt ist, sondern ebenfalls mit einem Ausführungsbeispiel gemäß 4 kombiniert werden kann, das heißt der doppeltwirkende Pumpkolben 38 kann beispielsweise mit einem Ausführungsbeispiel mit mechanischem Antrieb 15 des Arbeitskolbens 4 kombiniert werden. Umgekehrt kann selbstverständlich die Hydraulikpumpe 26 gemäß 4 auch mit dem hydraulischen Antrieb 14 des Arbeitskolbens 4 gemäß einer Ausführung nach 5 kombiniert werden.It should be noted that the provision of the double-acting pump piston 38 and/or the hydraulic drive 14 does not necessarily apply to the exemplary embodiment according to 5 is limited, but also with an exemplary embodiment according to 4 can be combined, that is, the double-acting pump piston 38 can be combined, for example, with an embodiment with a mechanical drive 15 of the working piston 4. Conversely, the hydraulic pump 26 can of course be used in accordance with 4 also with the hydraulic drive 14 of the working piston 4 according to one embodiment 5 be combined.

Die hierin offenbarte erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Umsetzung quasi-isothermer Zustandsänderungen in Wärmekraftprozessen oder Arbeitsmaschinenprozessen mit quasi-isothermer Verdichtung bzw. Expansion sind nicht auf die hierin jeweils offenbarten konkreten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen jeweils auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale sowohl der Vorrichtung als auch des Verfahrens ergeben. Insbesondere sind die hierin vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The device according to the invention disclosed herein and the method according to the invention for implementing quasi-isothermal state changes in thermal power processes or work machine processes with quasi-isothermal compression or expansion are not limited to the specific embodiments disclosed herein, but also include further embodiments with the same effect, which are from technically sensible further combinations of the features described herein of both the device and the method result. In particular, the features and feature combinations mentioned above in the general description and the description of the figures and/or shown in the figures alone can be used not only in the combinations explicitly stated herein, but also in other combinations or on their own, without the scope of the present invention to leave.

Die hierin offenbarte Vorrichtung zur Umsetzung quasi-isothermer Zustandsänderungen in Wärmekraftprozessen oder Arbeitsmaschinenprozessen mit quasi-isothermer Verdichtung bzw. Expansion wird besonders vorteilhaft zur Umwandlung von verfügbarer Energie aus regenerativen Energiequellen, z. B. Solarthermie, in elektrische Energie verwendet, ohne jedoch zwingend ausschließlich auf derartige Anwendungsfälle beschränkt zu sein. Die umgewandelte elektrische Energie kann von der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise in Haushalten oder Industrieanlagen und dergleichen zur direkten Verwendung bereitgestellt werden.The device disclosed herein for implementing quasi-isothermal state changes in thermal power processes or work machine processes with quasi-isothermal compression or expansion is particularly advantageous for converting available energy from renewable energy sources, e.g. B. solar thermal energy, used in electrical energy, but without necessarily being limited exclusively to such applications. The converted electrical energy can be provided by the device according to the invention for direct use, for example in households or industrial plants and the like.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11: Vorrichtungcontraption
22: Zylindercylinder
33: Arbeitsraumworking space
44: KolbenPistons
55: Erste ZugangsöffnungFirst access opening
66: Zweite ZugangsöffnungSecond access opening
77: WärmeträgereinspritzöffnungHeat carrier injection opening
88th: WärmeträgerauslassöffnungHeat carrier outlet opening
99: Wärmeträgerheat carrier
1010: Zylinderkopfcylinder head
1111: KolbenkopfflächePiston head area
1212: RingspaltAnnular gap
1313: SumpfraumSwamp room
1414: Hydraulischer AntriebHydraulic drive
1515: Mechanischer AntriebMechanical drive
1616: Dichtungpoetry
1717: GleitführungSliding guide
1818: KolbenlängsachsePiston longitudinal axis
2020: Vorrichtungcontraption
2121: ZugangsöffnungAccess opening
2222: DemisterDemister
2525: Vorrichtungcontraption
2626: Hydraulikpumpehydraulic pump
2727: Druckloser TankUnpressurized tank
2828: DruckspeicherPressure accumulator
2929: VentilValve
3030: VentilValve
3131: Abscheiderseparator
3232: VentilValve
3333: Austrittexit
3434: WärmeübertragerHeat exchanger
3535: Rückschlagventilcheck valve
3636: Rückschlagventilcheck valve
3737: Rückschlagventilcheck valve
3838: Doppeltwirkender PumpkolbenDouble-acting pump piston
3939: KolbenansteuerungPiston control
4040: Hydraulischer Anschluss Hydraulic connection
GG: SchwererichtungDirection of gravity

Claims

Device (1, 20, 25) for implementing quasi-isothermal changes of state in thermal power or work machine processes, comprising a cylinder (2) which provides a working space (3), a piston (4) which can be displaced in the working space (3) to limit a gas volume that can be changed in the working space (3), the cylinder (2) having at least one access opening (5, 6, 21) for introducing and/or discharging working gas into or out of the working space (3), at least one heat transfer medium injection opening (7). Injecting a heat transfer medium (9) into the working space (3) and having at least one heat transfer medium outlet opening (8) for discharging the heat transfer medium (9) from the working space (3), the at least one heat transfer medium outlet opening (8) and the access opening (6, 21) There are separate openings for discharging the working gas.

Device according to the preceding claim, characterized in that the at least one heat transfer medium outlet opening (8) is arranged below the at least one heat transfer medium injection opening (7) in relation to an operational position of the cylinder (2) in the direction of gravity (G).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heat transfer medium injection opening (7) is arranged in an upper end section of the working space (3) in relation to an operational position of the cylinder (2) in the direction of gravity (G).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a head surface (11) of the piston (4) is inclined in relation to a piston longitudinal axis (18), conical or curved, preferably bowl-shaped.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the piston (4) is designed as a plunger piston cylinder.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that an annular gap (12) is provided upstream of the heat transfer medium outlet opening (8) between the piston (4) and an inner cylinder wall of the cylinder (2) for collecting the heat transfer medium (9) before discharge.

Device according to the preceding claim, characterized in that a demister (22) is arranged in the annular gap (12).

Device according to one of the two preceding claims, characterized in that a sump space (13) for collecting the incoming heat transfer medium (9) is provided at the lower end of the annular gap (12) in relation to an operational position of the cylinder (2) in the direction of gravity (G). .

Device according to one of the preceding claims, characterized by a double-acting pump piston (38) which is set up to simultaneously inject the heat transfer medium (9) into the working space (3) both via the at least one heat transfer medium injection opening (7) and via the at least one heat transfer medium outlet opening ( 8) to be removed from the work area (3).

Method for implementing quasi-isothermal changes of state in thermal power or work machine processes, in which a working space (3) is provided within a cylinder (2) and a variable gas volume in the working space (3) is created by a piston (4) which can be displaced in the working space (3). is limited, a working gas being introduced or discharged into and/or out of the working space (3) via at least one access opening (5, 6, 21) in the cylinder (2), with a heat transfer medium (9) being introduced into the working space (3 ) is injected via at least one heat transfer medium injection opening (7) and the heat transfer medium (9) is discharged from the working space (3) via at least one heat transfer medium outlet opening (8) at a location other than the working gas.

Procedure according to Claim 10 , characterized in that the heat transfer medium (9) is injected into the working space (3) in an upper end section of the working space (3) in relation to an operational position of the cylinder (2) in the direction of gravity (G) and below the at least one heat injection opening (7) is delivered.

Procedure according to one of the Claims 10 until 11 , characterized in that the injected heat transfer medium (9) is directed towards the heat transfer medium outlet opening (8) via a correspondingly designed head surface (11) of the piston (4).

Procedure according to one of the Claims 10 until 12 , characterized in that the heat transfer ger (9) is collected upstream of the heat transfer outlet opening (8) in an annular gap (12) between the piston (4) and an inner cylinder wall of the cylinder (2) before being discharged from the working space (3).

Method according to the preceding claim, characterized in that an annular diameter of the annular gap (12) is in a range from 0.1 mm to 2 mm, more preferably between 0.15 mm and 1.5 mm and even more preferably between 0.2 mm and 1 .5 mm is selected.

Method according to one of the two preceding claims, characterized in that the heat transfer medium (9) is collected before being discharged in a sump space (13) based on an operational position of the cylinder (2) in the direction of gravity (G) at the lower end of the annular gap (12). becomes.

Procedure according to one of the Claims 10 until 15 , characterized in that the heat transfer medium (9) is simultaneously injected into the working space (3) via the at least one heat transfer medium injection opening (7) using a double-acting pump piston (38) and out of the working space (3) via the at least one heat transfer medium outlet opening (8). ) is sucked off.

Procedure according to one of the Claims 10 until 16 , characterized in that the injection and/or suction of a quantity of the heat transfer medium (9) occurs non-linearly during the quasi-isothermal change of state.