DE102022134313A1 - Expansion-compression device and method for operating the expansion-compression device in a cycle process - Google Patents

Expansion-compression device and method for operating the expansion-compression device in a cycle process Download PDF

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Konrad Klotsche
Thomas Mösch
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) für einen Kreisprozess, insbesondere einen Kompressionskälteprozess beziehungsweise Dampfkompressionsprozess oder Kaltdampfkreisprozess, mit Verdichtung und arbeitsleistender Entspannung eines Arbeitsfluids. Die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) ist als eine Rotationskolbenmaschine mit mindestens einem Rotationskolben (2a, 2b) ausgebildet. Dabei ist der Rotationskolben (2a, 2b) innerhalb eines von einem Gehäuse (4a, 4b) umschlossenen Volumens, mit dem Gehäuse (4a, 4b) Arbeitsräume (7) ausbildend, angeordnet. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) in einem Kreisprozess mit Verdichtung und arbeitsleistender Entspannung des Arbeitsfluids, wobei das Arbeitsfluid in der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) verdichtet und gleichzeitig arbeitsleistend entspannt wird.

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The invention relates to an expansion-compression device (1) for a cycle process, in particular a compression refrigeration process or vapor compression process or cold vapor cycle process, with compression and work-producing expansion of a working fluid. The expansion-compression device (1) is designed as a rotary piston machine with at least one rotary piston (2a, 2b). The rotary piston (2a, 2b) is arranged within a volume enclosed by a housing (4a, 4b), forming working spaces (7) with the housing (4a, 4b). The invention also relates to a method for operating the expansion-compression device (1) in a cycle process with compression and work-producing expansion of the working fluid, wherein the working fluid is compressed in the expansion-compression device (1) and simultaneously expanded to produce work.
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Description

Die Erfindung betrifft eine Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung für einen Kreisprozess, insbesondere Kompressionskälteprozess oder Kaltdampfkreisprozess, mit Verdichtung und arbeitsleistender Entspannung eines Arbeitsfluids. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung in dem Kreisprozess.The invention relates to an expansion-compression device for a cycle process, in particular a compression refrigeration process or a cold steam cycle process, with compression and work-performing expansion of a working fluid. The invention also relates to a method for operating the expansion-compression device in the cycle process.

Bei den auf einem Kaltdampfkreisprozess basierenden Kälteanlagen und Wärmepumpen werden zum Entspannen von auf einem Hochdruckniveau nach einem Verflüssiger eines subkritischen Kreisprozesses vorliegenden flüssigen Arbeitsfluids oder nach einem Gaskühler eines transkritischen Kreisprozesses vorliegenden gasförmigen Arbeitsfluids Expansionsorgane genutzt, welche eine isenthalpe Zustandsänderung des Arbeitsmittels bewirken. Bei der isenthalpen Zustandsänderung des Arbeitsmittels bleibt die spezifische Enthalpie des Arbeitsmittels konstant. Die Arbeitsfähigkeit als im Arbeitsfluid gebundene Energie, welche beispielsweise in elektrische Energie oder Arbeit umgewandelt werden kann, geht infolge der Umwandlung von Exergie in Anergie unter dem Vergrößern der spezifischen Entropie des Arbeitsfluids verloren. Gleichzeitig wird im Vergleich zu einer arbeitsleistenden Entspannung, bei welcher die spezifische Entropie des Arbeitsfluids konstant bleibt, die spezifische Kälteleistung beziehungsweise Wärmeleistung verringert. Mit dem Nutzen der Exergie und damit deren Umwandlung in Arbeit können die energetische Effizienz der Kälteanlage beziehungsweise Wärmepumpe durch Einsparen von Energie zum Verdichten des Arbeitsfluids sowie die spezifische Kälteleistung vergrößert werden.In refrigeration systems and heat pumps based on a cold vapor cycle, expansion devices are used to expand liquid working fluid present at a high pressure level after a condenser in a subcritical cycle or gaseous working fluid present after a gas cooler in a transcritical cycle, which cause an isenthalpic change of state of the working medium. During the isenthalpic change of state of the working medium, the specific enthalpy of the working medium remains constant. The ability to work as energy bound in the working fluid, which can be converted into electrical energy or work, for example, is lost as a result of the conversion of exergy into anergy, increasing the specific entropy of the working fluid. At the same time, the specific cooling capacity or heating capacity is reduced compared to work-producing expansion, in which the specific entropy of the working fluid remains constant. By using the exergy and thus converting it into work, the energy efficiency of the refrigeration system or heat pump can be increased by saving energy for compressing the working fluid, as well as the specific cooling capacity.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kälteanlagen und Wärmepumpen wird die Exergie während des Entspannens beziehungsweise der Expansion des Arbeitsfluids nur in wenigen Ausnahmefällen in Arbeit umgewandelt. Dabei kann mit Hilfe der Integration einer Expander-Verdichter-Einheit, kurz auch als ECU für englisch „Expander Compressor Unit“ bezeichnet, das Hochdruckniveau und damit die erreichbare Unterkühlung des Arbeitsfluids im Verflüssiger oder Gaskühler erhöht beziehungsweise das Hochdruckniveau des Verdichters verringert werden. Mit der Expander-Verdichter-Einheit wird die Exergie beim Entspannen genutzt, um einen intern gekoppelten Verdichter anzutreiben sowie derart das Hochdruckniveau und damit den erreichbaren Flüssigkeitsanteil nach der Entspannung des Arbeitsfluids nach dem Verflüssiger oder Gaskühler zu erhöhen beziehungsweise das Hochdruckniveau des Arbeitsfluids und die zusätzlich zu verdichtende Flashdampfmenge zu verringern, um damit den isentropen Gütegrad beziehungsweise die energetische Effizienz des Verdichters zu verbessern.In refrigeration systems and heat pumps known from the state of the art, the exergy during the relaxation or expansion of the working fluid is only converted into work in a few exceptional cases. With the help of the integration of an expander compressor unit, also known as an ECU for short, the high pressure level and thus the achievable subcooling of the working fluid in the condenser or gas cooler can be increased or the high pressure level of the compressor can be reduced. With the expander compressor unit, the exergy during relaxation is used to drive an internally coupled compressor and thus to increase the high pressure level and thus the achievable liquid content after the relaxation of the working fluid after the condenser or gas cooler or to reduce the high pressure level of the working fluid and the amount of flash steam to be compressed in addition, in order to improve the isentropic quality level or the energetic efficiency of the compressor.

In der DE 198 13 220 A1 sind eine Kolbenexpansionsmaschine und deren Einsatz in einem transkritischen Kaltdampfkreisprozess, beispielsweise mit Kohlendioxid als Arbeitsfluid, offenbart. Mit der als Freikolbenmaschine ausgebildeten Kolbenexpansionsmaschine werden die Arbeit leistende Entspannung und die Verdichtung des Arbeitsfluids miteinander gekoppelt. Die Kolbenexpansionsmaschine weist zwei mittels einer Kolbenstange miteinander verbundene, doppeltwirkende Kolben auf, sodass in zwei Zylindern vier Arbeitsräume ausgebildet sind, welche in jeweils zwei Kompressionsräume und Expansionsräume aufgeteilt sind. Dabei unterteilt jeder Kolben einen Zylinder in einen Expansionsraum und einen Kompressionsraum. Die Kolbenexpansionsmaschine wird in einem transkritischen Kälteprozess, Klimaprozess oder Wärmepumpenprozess eingebunden und wird ohne einen zusätzlichen Energiespeicher betrieben.In the DE 198 13 220 A1 A piston expansion machine and its use in a transcritical cold steam cycle process, for example with carbon dioxide as the working fluid, are disclosed. The piston expansion machine, which is designed as a free piston machine, couples the work-producing expansion and the compression of the working fluid. The piston expansion machine has two double-acting pistons connected to one another by a piston rod, so that four working chambers are formed in two cylinders, each of which is divided into two compression chambers and expansion chambers. Each piston divides a cylinder into an expansion chamber and a compression chamber. The piston expansion machine is integrated into a transcritical refrigeration process, air conditioning process or heat pump process and is operated without an additional energy storage device.

Beim Betrieb der Freikolben-Expansionsmaschine treten für oszillierende Verdrängermaschinen typische Fluidpulsationen auf, welche zum einen eine dynamische Anlagenregelung erschweren und zum anderen eine hohe Geräuschemission aufweisen. Mit dem Einsatz von Geräuschdämpfern wird durch Druckverluste die für die Entspannung des Arbeitsfluids entscheidende Druckdifferenz und damit die nutzbare Exergie reduziert. Zudem entstehen zusätzliche Kosten und der Bauraumbedarf wird erhöht. Des Weiteren führen der Schadraum und die Einschränkung der Kolbengeschwindigkeit infolge der Dichtung der Freikolben-Expansionsmaschine zu Bauformen, welche im Vergleich zu Turbinen einen um ein Vielfaches größeren Bauraum beanspruchen, was die Integration in bestehende Anlagen erschwert. Die herkömmliche Ausbildung der Freikolben-Expansionsmaschine weist zudem eine Schiebersteuerung für den Einlass und den Auslass des Arbeitsfluids auf, welche zusätzliche Exergieverluste verursacht sowie störanfällig, verschleißanfällig und ausfallanfällig ist.When the free-piston expansion machine is in operation, fluid pulsations typical of oscillating displacement machines occur, which make dynamic system control difficult and also result in high noise emissions. The use of noise dampers reduces the pressure difference that is crucial for the relaxation of the working fluid and thus the usable exergy through pressure losses. In addition, additional costs arise and the installation space requirement is increased. Furthermore, the dead space and the restriction of the piston speed due to the seal of the free-piston expansion machine lead to designs that require a much larger installation space than turbines, which makes integration into existing systems more difficult. The conventional design of the free-piston expansion machine also has a slide control for the inlet and outlet of the working fluid, which causes additional exergy losses and is prone to failure, wear and tear.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Expander-Verdichter-Einheit für eine energieeffiziente Umwandlung von der bei der arbeitsleistenden Entspannung des Arbeitsfluids zur Verfügung stehenden Exergie bereitzustellen, mit welcher neben Energieumwandlungsverlusten auch Gaspulsationen reduziert oder vermieden werden. Dabei sollten der Bauraum der Expander-Verdichter-Einheit minimal und die Expander-Verdichter-Einheit kompakt sein, um einfach in Bestandsanlagen integriert werden zu können. Die Kosten für den Betrieb der Expander-Verdichter-Einheit sollen minimal sein.The object of the present invention is to provide an expander-compressor unit for an energy-efficient conversion of the exergy available during the work-performing expansion of the working fluid, with which not only energy conversion losses but also gas pulsations are reduced or avoided. The installation space of the expander-compressor unit should be minimal and the expander-compressor unit should be compact in order to be easily integrated into existing systems. The costs for operating the expander-compressor unit should be minimal.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung und einem Verfahren zum Betreiben der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind jeweils in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object of the invention is achieved with an expansion-compression device and a method for operating the expansion-compression device with the features according to the independent patent claims. Further developments are specified in the dependent patent claims.

Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung für einen Kreisprozess, insbesondere einen Kompressionskälteprozess beziehungsweise Dampfkompressionsprozess oder Kaltdampfkreisprozess, mit Verdichtung und arbeitsleistender Entspannung eines Arbeitsfluids gelöst.
Der Kreisprozess kann transkritisch oder subkritisch sein. Dabei kann der Kreisprozess eine einstufige oder mehrstufige Verdichtung aufweisen. Unter einer mehrstufigen Verdichtung ist eine Verdichtung des Arbeitsfluids in mindestens zwei Stufen zu verstehen.The object is achieved by an expansion-compression device according to the invention for a cycle process, in particular a compression refrigeration process or vapor compression process or cold vapor cycle process, with compression and work-performing expansion of a working fluid.
The cycle can be transcritical or subcritical. The cycle can have a single-stage or multi-stage compression. Multi-stage compression means compression of the working fluid in at least two stages.

Nach der Konzeption der Erfindung ist die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung als eine Rotationskolbenmaschine mit mindestens einem Rotationskolben ausgebildet. Dabei ist der Rotationskolben innerhalb eines von einem Gehäuse umschlossenen Volumens, mit dem Gehäuse Arbeitsräume ausbildend, angeordnet.According to the concept of the invention, the expansion-compression device is designed as a rotary piston machine with at least one rotary piston. The rotary piston is arranged within a volume enclosed by a housing, forming working spaces with the housing.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung mindestens zwei Rotationskolben auf, welche jeweils innerhalb eines von einem Gehäuse umschlossenen Volumens, mit dem Gehäuse Arbeitsräume ausbildend, angeordnet und über eine Welle miteinander verbunden sind.According to an advantageous embodiment of the invention, the expansion-compression device has at least two rotary pistons, which are each arranged within a volume enclosed by a housing, forming working spaces with the housing, and are connected to one another via a shaft.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Rotationskolbenmaschine, auch als Umlaufkolbenmaschine bezeichnet, als eine Wankel-Expander-Verdichter-Einheit ausgebildet ist, welche als Arbeitsfluid insbesondere ein Kältemittel verdichtet beziehungsweise entspannt.According to a development of the invention, the rotary piston machine, also referred to as a circulating piston machine, is designed as a Wankel expander compressor unit, which compresses or expands, in particular, a refrigerant as the working fluid.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jeder Rotationskolben in der Form eines gleichseitigen Dreiecks mit gebogenen Flanken ausgebildet, welche jeweils mit dem vom Gehäuse umschlossenen und die Form eines Trochoids aufweisenden Volumen korrespondieren.
Zwischen dem Rotationskolben und dem Gehäuse sind vorteilhaft jeweils drei Arbeitsräume ausgebildet. Durch eine Rotation des Rotationskolbens um eine Längsachse sind die Volumina der Arbeitsräume veränderbar.According to a preferred embodiment of the invention, each rotary piston is designed in the shape of an equilateral triangle with curved flanks, each of which corresponds to the volume enclosed by the housing and has the shape of a trochoid.
Advantageously, three working chambers are formed between the rotary piston and the housing. The volumes of the working chambers can be changed by rotating the rotary piston around a longitudinal axis.

Das Gehäuse weist vorzugsweise für jeden Rotationskolben mindestens einen Einlass und einen Auslass, insbesondere jedoch zwei Einlässe und zwei Auslässe, für das Arbeitsfluid auf. Dabei kann jeder Einlass und jeder Auslass über eine Steuervorrichtung öffenbar und verschließbar sein. Die Steuervorrichtung kann jeweils als ein Schieber, insbesondere als ein Drehschieber, ausgebildet sein.The housing preferably has at least one inlet and one outlet for the working fluid for each rotary piston, but in particular two inlets and two outlets. Each inlet and each outlet can be opened and closed via a control device. The control device can be designed as a slide valve, in particular as a rotary slide valve.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei der Ausbildung der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung mit mindestens zwei Rotationskolben die Rotationskolben beabstandet zueinander auf der Welle angeordnet sind. Dabei können die Rotationskolben in einem gemeinsamen Gehäuse oder in voneinander getrennten Gehäusen angeordnet sein.A further advantage of the invention is that when the expansion-compression device is designed with at least two rotary pistons, the rotary pistons are arranged at a distance from one another on the shaft. The rotary pistons can be arranged in a common housing or in housings separate from one another.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung in einem Kreisprozess mit Verdichtung und arbeitsleistender Entspannung des Arbeitsfluids gelöst. Dabei wird in der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung das Arbeitsfluid konzeptionsgemäß verdichtet und gleichzeitig arbeitsleistend entspannt. Speziell betrifft das Verfahren eine zeitgleiche und damit zeitlich parallel ablaufende Verdichtung und Entspannung eines Kältemittels, insbesondere mit einer Umlaufkolbenmaschine.The object of the invention is also achieved by a method according to the invention for operating the expansion-compression device in a cycle with compression and work-producing expansion of the working fluid. In the expansion-compression device, the working fluid is compressed according to the concept and simultaneously expanded to perform work. The method specifically relates to a simultaneous and thus temporally parallel compression and expansion of a coolant, in particular with a circulating piston machine.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Arbeitsfluid innerhalb des Kreisprozesses mehrstufig verdichtet. Dabei wird vorteilhaft innerhalb einer Rotationsbewegung von mindestens einem Rotationskolben in einer Drehrichtung das Arbeitsfluid auf einem Mitteldruckniveau oder einem Zwischendruckniveau in einen von dem Rotationskolben und einem Gehäuse umschlossenen ersten Arbeitsraum angesaugt und in dem ersten Arbeitsraum von dem Mitteldruckniveau oder dem Zwischendruckniveau auf ein Hochdruckniveau verdichtet und ausgeschoben. Dabei strömt das Arbeitsfluid gleichzeitig auf dem Hochdruckniveau in einen von dem Rotationskolben und dem Gehäuse umschlossenen zweiten Arbeitsraum ein und wird in dem zweiten Arbeitsraum von dem Hochdruckniveau auf ein Niederdruckniveau entspannt und strömt aus dem zweiten Arbeitsraum aus.According to a development of the invention, the working fluid is compressed in several stages within the cycle. In this case, the working fluid is advantageously sucked into a first working chamber enclosed by the rotary piston and a housing at a medium pressure level or an intermediate pressure level within a rotational movement of at least one rotary piston in one direction of rotation and is compressed in the first working chamber from the medium pressure level or the intermediate pressure level to a high pressure level and expelled. In this case, the working fluid simultaneously flows at the high pressure level into a second working chamber enclosed by the rotary piston and the housing and is expanded in the second working chamber from the high pressure level to a low pressure level and flows out of the second working chamber.

Bei der Ausbildung der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung mit mindestens zwei Rotationskolben wird das Arbeitsfluid innerhalb der Rotationsbewegung der Rotationskolben auf dem Mitteldruckniveau oder dem Zwischendruckniveau in einen von einem ersten Rotationskolben und einem Gehäuse umschlossenen Arbeitsraum angesaugt und in dem Arbeitsraum von dem Mitteldruckniveau oder dem Zwischendruckniveau auf das Hochdruckniveau verdichtet und ausgeschoben. Dabei strömt das Arbeitsfluid gleichzeitig auf dem Hochdruckniveau in einen von einem zweiten Rotationskolben und einem Gehäuse umschlossenen Arbeitsraum ein und wird in dem Arbeitsraum von dem Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und strömt aus dem Arbeitsraum aus.When the expansion-compression device is designed with at least two rotary pistons, the working fluid is sucked into a working chamber enclosed by a first rotary piston and a housing at the medium pressure level or the intermediate pressure level within the rotary movement of the rotary pistons and is compressed and expelled in the working chamber from the medium pressure level or the intermediate pressure level to the high pressure level. At the same time, the working fluid flows at the high pressure level into a working chamber enclosed by a second rotary piston and a housing. Working space and is expanded in the working space from the high pressure level to the low pressure level and flows out of the working space.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung als Expander oder Verdichter oder als Expander-Verdichter-Einheit für das Arbeitsfluid mit hoher Flexibilität.The advantageous embodiment of the invention enables the use of the expansion-compression device as an expander or compressor or as an expander-compressor unit for the working fluid with high flexibility.

Die erfindungsgemäße Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung weist ein inneres Volumenverhältnis größer als eins auf, was die Effizienz der arbeitsleistenden Entspannung im Vergleich zu herkömmlichen Expander-Verdichter-Einheiten deutlich verbessert. Mit dem Verstellen der Steuervorrichtungen, speziell der Drehschieber-Phasenlage, sowie der Anordnung von Einlass und Auslass in Relation zur Drehung der Welle der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung ist zudem ein individuelles Anpassen eines inneren Volumenverhältnisses an den jeweiligen Betriebspunkt möglich. Dabei können insbesondere Einlasssteuerkanten und Auslasssteuerkanten sowie der Einsatz der Steuervorrichtungen zum Regeln des Auslasses der Expansionskomponente angepasst werden.
Unabhängig davon kann der Verdichtungsprozess des Arbeitsfluids mit selbsttätigen Ventilen arbeiten, sodass die für den Expansionsprozess und den Verdichtungsprozess jeweils energieeffizienteren Regelungsstrategien gekoppelt werden können.The expansion-compression device according to the invention has an internal volume ratio greater than one, which significantly improves the efficiency of the work-producing expansion compared to conventional expander-compressor units. By adjusting the control devices, especially the rotary valve phase position, as well as the arrangement of inlet and outlet in relation to the rotation of the shaft of the expansion-compression device, it is also possible to individually adapt an internal volume ratio to the respective operating point. In particular, inlet control edges and outlet control edges as well as the use of the control devices for regulating the outlet of the expansion component can be adapted.
Independently of this, the compression process of the working fluid can operate with automatic valves so that the more energy-efficient control strategies for the expansion process and the compression process can be coupled.

Die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung weist des Weiteren eine hohe Druckfestigkeit und eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Sowohl Gehäuse als auch als Rotationskolben ausgebildete Verdränger sind sehr widerstandsfähig.The expansion-compression device also has a high pressure resistance and a high temperature resistance. Both the housing and the displacer, which is designed as a rotary piston, are very robust.

Die erfindungsgemäße Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung und das Verfahren zum Betreiben der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung weisen weitere Vorteile auf:

  • - energieeffiziente Umwandlung von der bei der arbeitsleistenden Entspannung des Arbeitsfluids zur Verfügung stehenden Exergie,
  • - minimale Energieumwandlungsverluste und Vermeiden von Gaspulsationen,
  • - minimaler Bauraum und große Kompaktheit der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung, sodass die Vorrichtung einfach in Bestandsanlagen integrierbar ist, sowie
  • - minimale Kosten für den Betrieb, da die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung zum einen aus einer minimalen Anzahl an Verschleißelementen ausgebildet ist und zum anderen ölfrei oder mit einer Minimalschmierung und damit sehr wartungsfreundlich betreibbar ist.
The expansion-compression device according to the invention and the method for operating the expansion-compression device have further advantages:
  • - energy-efficient conversion of the exergy available during the work-performing relaxation of the working fluid,
  • - minimal energy conversion losses and avoidance of gas pulsations,
  • - minimal installation space and great compactness of the expansion-compression device, so that the device can be easily integrated into existing systems, and
  • - minimal operating costs, since the expansion-compression device is designed with a minimal number of wearing elements and can be operated oil-free or with minimal lubrication and is therefore very easy to maintain.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

  • 1: eine Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung mit zwei über eine Welle miteinander gekoppelten Rotationskolben in vereinfachter Form in einer Schrägansicht,
  • 2a bis 2f: Arbeitsphasen eines Expansionsprozesses einer Expansions-Vorrichtung mit Einlässen und Auslässen sowie als Drehschiebern ausgebildeten Steuervorrichtungen in verschiedenen Kurbelwinkelstellungen des Rotationskolbens jeweils in einer Schnittansicht,
  • 3a und 3b: jeweils ein Schaltbild einer kältetechnischen Anlage mit und ohne integrierter Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung sowie
  • 3c: jeweils zu den Schaltbildern aus den 3a und 3b zugehörige Zustandsänderungen eines Kreisprozesses für Klimaanwendungen im Druck-Enthalpie-Diagramm mit Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid und
  • 4a und 4b: jeweils ein Schaltbild einer kältetechnischen Anlage mit und ohne integrierter Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung sowie
  • 4c: jeweils zu den Schaltbildern aus den 4a und 4b zugehörige Zustandsänderungen eines Kreisprozesses für kältetechnische Gewerbeanwendungen im Druck-Enthalpie-Diagramm mit Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid.
Further details, features and advantages of the invention emerge from the following description of embodiments with reference to the accompanying drawings. They show:
  • 1 : an expansion-compression device with two rotary pistons coupled to each other via a shaft in a simplified form in an oblique view,
  • 2a to 2f : Working phases of an expansion process of an expansion device with inlets and outlets as well as control devices designed as rotary valves in different crank angle positions of the rotary piston, each in a sectional view,
  • 3a and 3b : a circuit diagram of a refrigeration system with and without integrated expansion-compression device and
  • 3c : to the circuit diagrams from the 3a and 3b associated changes of state of a cycle for air conditioning applications in the pressure-enthalpy diagram with carbon dioxide as the working fluid and
  • 4a and 4b : a circuit diagram of a refrigeration system with and without integrated expansion-compression device and
  • 4c : to the circuit diagrams from the 4a and 4b Corresponding changes of state of a cycle for commercial refrigeration applications in the pressure-enthalpy diagram with carbon dioxide as the working fluid.

In 1 ist eine Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1, kurz auch als WECU für englisch „Wankel Expander Compressor Unit“ oder Wankel-Expander-Verdichter-Einheit bezeichnet, mit zwei über eine Welle 3 miteinander gekoppelten Rotationskolben 2a, 2b in vereinfachter Form in einer Schrägansicht gezeigt.In 1 is an expansion-compression device 1, also referred to as WECU for English “Wankel Expander Compressor Unit” or Wankel Expander Compressor Unit, with two rotary pistons 2a, 2b coupled to one another via a shaft 3, shown in a simplified form in an oblique view.

Die jeweils in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse als gleichseitiges Dreieck mit gebogenen Flanken ausgebildeten Rotationskolben 2a, 2b sind jeweils innerhalb eines Gehäuses 4a, 4b angeordnet, welches ein Volumen umschließt. Das Volumen weist die Form eines Trochoids auf und korrespondiert mit dem jeweiligen Rotationskolben 2a, 2b. Zwischen den Flanken des Rotationskolbens 2a, 2b und den Innenflächen des Gehäuses 4a, 4b sind Arbeitsräume 7 umschlossen, deren Volumina infolge der Rotation des Rotationskolbens 2a, 2b um die Längsachse verändert werden.The rotary pistons 2a, 2b, each designed as an equilateral triangle with curved flanks in a plane perpendicular to a longitudinal axis, are each arranged within a housing 4a, 4b which encloses a volume. The volume has the shape of a trochoid and corresponds to the respective rotary piston 2a, 2b. Between the flanks of the rotary piston 2a, 2b and the inner surfaces of the housing 4a, 4b, working spaces 7 are enclosed, the volumes of which are changed as a result of the rotation of the rotary piston 2a, 2b around the longitudinal axis.

Die Rotationskolben 2a, 2b sind jeweils mit einer einen kreisrunden Querschnitt aufweisenden und konzentrisch zur Längsachse des Rotationskolbens 2a, 2b angeordneten Durchgangsöffnung 5 ausgebildet. Die Durchgangsöffnung 5 ist vollumfänglich mit einer Innenverzahnung versehen, welche mit einer Außenverzahnung eines Ritzels 6 korrespondiert. Der Außendurchmesser des Ritzels 6 ist dabei geringer als der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung 5, sodass das Ritzel 6 exzentrisch zur Durchgangsöffnung 5 des Rotationskolbens 2a, 2b angeordnet ist, um im Bereich der Außenverzahnung mit der in der Durchgangsöffnung 5 ausgebildeten Innenverzahnung des Rotationskolbens 2a, 2b im Eingriff zu stehen. Die Ritzel 6 sind jeweils auf der Welle 3 in Richtung einer Längsachse der Welle 3 beabstandet zueinander angeordnet und starr mit der Welle 3 verbunden. Die Welle 3 weist im Bereich der Ritzel 6 beziehungsweise Rotationskolben 2a, 2b jeweils einen Exzenter 3a auf, wobei die Rotationskolben 2a, 2b rotatorisch über den Exzenter 3a der Welle 3 gleiten.The rotary pistons 2a, 2b are each provided with a through-opening 5 having a circular cross-section and arranged concentrically to the longitudinal axis of the rotary piston 2a, 2b. formed. The through-opening 5 is provided with an internal toothing over its entire circumference, which corresponds to an external toothing of a pinion 6. The outer diameter of the pinion 6 is smaller than the inner diameter of the through-opening 5, so that the pinion 6 is arranged eccentrically to the through-opening 5 of the rotary piston 2a, 2b in order to engage in the area of the external toothing with the internal toothing of the rotary piston 2a, 2b formed in the through-opening 5. The pinions 6 are each arranged on the shaft 3 at a distance from one another in the direction of a longitudinal axis of the shaft 3 and are rigidly connected to the shaft 3. The shaft 3 has an eccentric 3a in the area of the pinions 6 and rotary pistons 2a, 2b, with the rotary pistons 2a, 2b sliding in a rotational manner over the eccentric 3a of the shaft 3.

Bei einer Rotation eines ersten Rotationskolbens 2a wird infolge der Verzahnung innerhalb der Durchgangsöffnung 5 mit dem Ritzel 6 des ersten Rotationskolbens 2a und der Verbindung des Ritzels 6 mit der Welle 3 die Welle 3 in eine Drehbewegung um die Längsachse versetzt und derart angetrieben. Da die Ritzel 6 jeweils fest mit der Welle 3 verbunden sind, wird mit dem Drehen der Welle 3 um die Längsachse über die Verzahnung innerhalb der Durchgangsöffnung 5 mit dem Ritzel 6 des zweiten Rotationskolbens 2b der zweite Rotationskolben 2b angetrieben und in eine Rotationsbewegung versetzt.When a first rotary piston 2a rotates, the shaft 3 is set in a rotary motion around the longitudinal axis and thus driven as a result of the toothing within the through-opening 5 with the pinion 6 of the first rotary piston 2a and the connection of the pinion 6 to the shaft 3. Since the pinions 6 are each firmly connected to the shaft 3, when the shaft 3 rotates around the longitudinal axis, the second rotary piston 2b is driven and set in a rotary motion via the toothing within the through-opening 5 with the pinion 6 of the second rotary piston 2b.

Damit kann der durch die Entspannung eines Arbeitsfluids innerhalb der zwischen dem ersten Rotationskolben 2a und dem dazugehörigen Gehäuse 4a ausgebildeten Arbeitsräume 7 angetriebene erste Rotationskolben 2a zum Verdichten des Arbeitsfluids innerhalb der zwischen dem zweiten Rotationskolben 2b und dem dazugehörigen Gehäuse 4b ausgebildeten Arbeitsräume 7 genutzt werden. Derart wird eine zeitgleiche Verdichtung und Entspannung des Arbeitsfluids, insbesondere eines Kältemittels, mit einer Rotationskolbenmaschine gewährleistet.This means that the first rotary piston 2a, driven by the expansion of a working fluid within the working spaces 7 formed between the first rotary piston 2a and the associated housing 4a, can be used to compress the working fluid within the working spaces 7 formed between the second rotary piston 2b and the associated housing 4b. In this way, a simultaneous compression and expansion of the working fluid, in particular a coolant, is ensured with a rotary piston machine.

In der als Wankel-Expander-Verdichter-Einheit ausgebildeten Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 werden die zur Verdichtung des Arbeitsfluids aufzuwendende Antriebsleistung und die bei der Entspannung des Arbeitsfluids gewonnene Expansionsleistung direkt zwischen dem Rotationskolben 2a, 2b und dem Arbeitsfluid übertragen. Die Antriebsleistung oder die Expansionsleistung werden jeweils direkt in die Drehbewegung umgesetzt. Damit lassen sich die energetischen Umwandlungsverluste, wie sie beispielsweise bei einer Hubkolbenmaschine auftreten, deutlich reduzieren. Bei einer Hubkolbenmaschine wird eine geradlinige Hin- und Herbewegung des Kolbens über einen Pleuel als zusätzliche Komponente in eine Drehbewegung umgewandelt.In the expansion-compression device 1 designed as a Wankel expander-compressor unit, the drive power required to compress the working fluid and the expansion power gained when the working fluid is expanded are transferred directly between the rotary piston 2a, 2b and the working fluid. The drive power or the expansion power are each converted directly into the rotary motion. This allows the energy conversion losses, such as those that occur in a reciprocating piston machine, to be significantly reduced. In a reciprocating piston machine, a linear back-and-forth movement of the piston is converted into a rotary motion via a connecting rod as an additional component.

Bei der als Wankel-Expander-Verdichter-Einheit, insbesondere als 2:3-Trochoid-Maschine mit jeweils zwei Gehäuseausnehmungen, welche jeweils eine „8“-förmige Gehäuseinnenkontur bilden, und dem jeweiligen mit der Gehäuseinnenkontur korrespondierenden Rotationskolben 2a, 2b mit jeweils drei axialen Kanten und Bogenkonturen der Flanken, ausgebildeten Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 laufen während einer Umdrehung der Rotationskolben 2a, 2b insgesamt sechs Verdichtungsvorgänge oder Expansionsvorgänge gleichzeitig ab. Die Arbeitsräume 7 der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 können mittels entsprechender Verbindungen über am Gehäuse 4a, 4b vorgesehene Anschlüsse mit Leitungen eines Arbeitsfluidkreislaufs, wie Niederdruckleitungen und Hochdruckleitungen, derart verbunden werden, dass entweder sechs Expansionsvorgänge oder sechs Verdichtungsvorgänge oder jeweils drei Expansionsvorgänge und Verdichtungsvorgänge realisiert werden. Auf diese Weise kann die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 entweder ausschließlich als Expander oder ausschließlich als Verdichter oder als gekoppelte Expander-Verdichter-Einheit betrieben werden.In the expansion-compression device 1 designed as a Wankel expander-compressor unit, in particular as a 2:3 trochoid machine with two housing recesses each, which each form an "8"-shaped housing inner contour, and the respective rotary piston 2a, 2b corresponding to the housing inner contour, each with three axial edges and curved contours of the flanks, a total of six compression processes or expansion processes take place simultaneously during one revolution of the rotary piston 2a, 2b. The working spaces 7 of the expansion-compression device 1 can be connected by means of corresponding connections via connections provided on the housing 4a, 4b to lines of a working fluid circuit, such as low-pressure lines and high-pressure lines, in such a way that either six expansion processes or six compression processes or three expansion processes and compression processes each are realized. In this way, the expansion-compression device 1 can be operated either exclusively as an expander or exclusively as a compressor or as a coupled expander-compressor unit.

Damit wird einerseits eine große Flexibilität für den Einsatz in einer kältetechnischen Anlage sichergestellt. Zudem wird ein gleichmäßigerer Massenstrom des Arbeitsfluids mit höherfrequenten, aber geringen absoluten Druckschwankungen beziehungsweise Pulsationen am Einlass und Auslass erreicht als bei einer als Kolbenmaschine ausgebildeten Expander-Verdichter-Einheit. Aufgrund der Bauform von Wankelmaschinen mit im Rotationskolben 2a, 2b beziehungsweise Verdränger integriertem Getriebe werden mit vernachlässigbaren Schadraumeinflüssen und geringeren Einschränkungen bezüglich der Drehzahl kompaktere Maschinen möglich.On the one hand, this ensures great flexibility for use in a refrigeration system. In addition, a more uniform mass flow of the working fluid with higher-frequency but low absolute pressure fluctuations or pulsations at the inlet and outlet is achieved than with an expander-compressor unit designed as a piston machine. Due to the design of Wankel machines with a gear integrated in the rotary piston 2a, 2b or displacer, more compact machines are possible with negligible dead space influences and fewer restrictions on the speed.

Aus den 2a bis 2f gehen Arbeitsphasen eines Expansionsprozesses einer Expansions-Vorrichtung, insbesondere eines Wankel-Expanders, mit Einlässen 9, 11 und Auslässen 10, 12, welche mittels als Drehschiebern ausgebildeten Steuervorrichtungen 13, 14, 15, 16 verschlossen beziehungsweise geöffnet werden, in verschiedenen Kurbelwinkelstellungen des Rotationskolbens 2a jeweils in einer Schnittansicht hervor.From the 2a to 2f Working phases of an expansion process of an expansion device, in particular a Wankel expander, with inlets 9, 11 and outlets 10, 12, which are closed or opened by means of control devices 13, 14, 15, 16 designed as rotary slide valves, in different crank angle positions of the rotary piston 2a, each in a sectional view.

Gemäß der ersten Arbeitsphase nach 2a sind der Einlass 9, welcher mit einer Hochdruckleitung des Arbeitsfluidkreislaufs verbunden ist, und der Auslass 10, welcher mit einer Niederdruckleitung oder einer Mitteldruckleitung des Arbeitsfluidkreislaufs verbunden ist, durch die Steuervorrichtungen 13, 14 geschlossen. Der Arbeitsraum 7 weist ein geringes Volumen zur Aufnahme des Arbeitsfluids auf. Der Rotationskolben 2a wird in Drehrichtung 8 bewegt.According to the first phase of work after 2a the inlet 9, which is connected to a high-pressure line of the working fluid circuit, and the outlet 10, which is connected to a low-pressure line or a medium-pressure line of the working fluid circuit, are closed by the control devices 13, 14. The working chamber 7 has a small volume to accommodate the working fluid. The rotary piston 2a is moved in the direction of rotation 8.

Mit der Bewegung des Rotationskolbens 2a in der Drehrichtung 8 wird der Einlass 9 durch Verdrehen der Steuervorrichtung 13 gemäß 2b geöffnet. Das auf dem Hochdruckniveau vorliegende Arbeitsfluid strömt in den Arbeitsraum 7 in Strömungsrichtung 17 ein. Der Auslass 10 bleibt geschlossen. Mit dem weiteren Bewegen des Rotationskolbens 2a in Drehrichtung 8 wird das Volumen des Arbeitsraums 7 gemäß 2c bei durch Verdrehen der Steuervorrichtung 13 geschlossenem Einlass 9 und geschlossenem Auslass 10 vergrößert. Das Befüllen des Arbeitsraums 7 mit dem Arbeitsfluid ist vollständig abgeschlossen. Anschließend wird das Arbeitsfluid entspannt, bis die Kurbelwinkelstellung des Rotationskolbens 2a nach 2d erreicht ist.With the movement of the rotary piston 2a in the direction of rotation 8, the inlet 9 is controlled by turning the control device 13 according to 2 B opened. The working fluid at the high pressure level flows into the working chamber 7 in the flow direction 17. The outlet 10 remains closed. With the further movement of the rotary piston 2a in the direction of rotation 8, the volume of the working chamber 7 is increased according to 2c when the inlet 9 and outlet 10 are closed by turning the control device 13. The filling of the working chamber 7 with the working fluid is completely completed. The working fluid is then released until the crank angle position of the rotary piston 2a is 2d is reached.

Mit der weiteren Bewegung des Rotationskolbens 2a in der Drehrichtung 8 wird der Auslass 10 durch Verdrehen der Steuervorrichtung 14 gemäß 2e geöffnet. Das auf ein geringeres Druckniveau als das Hochdruckniveau, insbesondere auf ein Mitteldruckniveau oder das Niederdruckniveau, entspannte Arbeitsfluid strömt durch den Auslass 10 aus dem Arbeitsraum 7 in Strömungsrichtung 17 aus. Mit dem weiteren Bewegen des Rotationskolbens 2a in Drehrichtung 8 werden durch Verdrehen der Steuervorrichtung 14 der Auslass 10 wieder geschlossen und das Volumen des Arbeitsraums 7 weiter verringert.With the further movement of the rotary piston 2a in the direction of rotation 8, the outlet 10 is controlled by turning the control device 14 according to 2e opened. The working fluid, which has been relaxed to a lower pressure level than the high pressure level, in particular to a medium pressure level or the low pressure level, flows out of the working chamber 7 through the outlet 10 in the flow direction 17. With the further movement of the rotary piston 2a in the direction of rotation 8, the outlet 10 is closed again by turning the control device 14 and the volume of the working chamber 7 is further reduced.

Die in Verbindung mit dem Einlass 9 und dem Auslass 10 sowie den Steuervorrichtungen 13, 14 beschriebenen Arbeitsphasen des Einströmens, Entspannens und Ausströmens laufen zeitversetzt ebenso in Verbindung mit dem Einlass 11 und dem Auslass 12 sowie den Steuervorrichtungen 15, 16 ab.The working phases of inflow, relaxation and outflow described in connection with the inlet 9 and the outlet 10 as well as the control devices 13, 14 also run with a time delay in connection with the inlet 11 and the outlet 12 as well as the control devices 15, 16.

In den 3a und 3b ist jeweils ein Schaltbild einer kältetechnischen Anlage mit und ohne integrierter Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 nach 1 dargestellt. In 3c sind jeweils zu den Schaltbildern aus den 3a und 3b zugehörige Zustandsänderungen eines Kreisprozesses für Klimaanwendungen im Druck-Enthalpie-Diagramm mit Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid gezeigt.In the 3a and 3b is a circuit diagram of a refrigeration system with and without integrated expansion-compression device 1 according to 1 shown. In 3c are each related to the circuit diagrams from the 3a and 3b Corresponding changes in state of a cycle for air conditioning applications are shown in the pressure-enthalpy diagram with carbon dioxide as the working fluid.

Die kältetechnische Anlage weist jeweils einen Kältemittelkreislauf 20-1, 20-1` mit in Strömungsrichtung des Kältemittels als Arbeitsfluid einen Verdichter 21, einen als Kondensator oder Gaskühler betriebenen ersten Wärmeübertrager 22, ein Expansionsorgan 23 und einen als Verdampfer betriebenen zweiten Wärmeübertrager 24 auf. Wenn das Kältemittel bei unterkritischem Betrieb des Kältemittelkreislaufs 20-1, 20-1', wie zum Beispiel mit den Kältemitteln R134a oder R290 oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlenstoffdioxid, verflüssigt wird, wird der erste Wärmeübertrager 22 als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im ersten Wärmeübertrager 22 nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der erste Wärmeübertrager 22 auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs 20-1, 20-1` zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlenstoffdioxid auftreten.The refrigeration system has a refrigerant circuit 20-1, 20-1` with a compressor 21 in the flow direction of the refrigerant as the working fluid, a first heat exchanger 22 operated as a condenser or gas cooler, an expansion element 23 and a second heat exchanger 24 operated as an evaporator. If the refrigerant is liquefied during subcritical operation of the refrigerant circuit 20-1, 20-1', such as with the refrigerants R134a or R290 or under certain ambient conditions with carbon dioxide, the first heat exchanger 22 is referred to as a condenser. Part of the heat transfer takes place at a constant temperature. During supercritical operation or supercritical heat release in the first heat exchanger 22, the temperature of the refrigerant decreases steadily. In this case, the first heat exchanger 22 is also referred to as a gas cooler. Supercritical operation can occur under certain ambient conditions or operating modes of the refrigerant circuit 20-1, 20-1`, for example with the refrigerant carbon dioxide.

Der Kreisprozess mit Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid unterscheidet sich folglich von Kreisprozessen mit anderen in der Kältetechnik bekannten Arbeitsfluiden, wie R134a oder R290; thermodynamisch darin, dass die Wärmeabgabe beim Kreisprozess mit Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid nahe beziehungsweise oberhalb des kritischen Punktes und damit transkritisch in einer isobaren, nichtisothermen Zustandsänderung erfolgt, während im Vergleich dazu die Wärmeabgabe beim Kreisprozess mit R134a oder R290 als Arbeitsfluid unterkritisch in einer isobaren, isothermen Zustandsänderung stattfindet.The cycle with carbon dioxide as the working fluid therefore differs from cycles with other working fluids known in refrigeration technology, such as R134a or R290; thermodynamically in that the heat release in the cycle with carbon dioxide as the working fluid occurs close to or above the critical point and thus transcritically in an isobaric, non-isothermal change of state, while in comparison the heat release in the cycle with R134a or R290 as the working fluid occurs subcritically in an isobaric, isothermal change of state.

Der Kreisprozess mit dem Kältemittelkreislauf 20-1' aus 3a setzt sich aus der Verdichtung A - B des Kältemittels beim Durchströmen des Verdichters 21, der transkritischen Wärmeabgabe B - C beim Durchströmen des ersten Wärmeübertragers 22, der isenthalpen Entspannung C - F' des Kältemittels beim Durchströmen des Expansionsorgans 23 und der Verdampfung F' - A des Kältemittels beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers 24 zusammen. Die Entspannung beziehungsweise Expansion des Kältemittels ist speziell im Zweiphasengebiet mit hohen thermodynamischen Verlusten verbunden, was speziell bei transkritischen Kreisprozessen zu größeren energetischen Verlusten im Vergleich zu unterkritischen Kreisprozessen führt, insbesondere bei Anwendungen mit Austrittstemperaturen des aus dem zweiten Wärmeübertrager 22 ausströmenden Kohlenstoffdioxids im Bereich von 20 °C bis 45 °C. Um eine energetisch mit dem unterkritischen Kreisprozess vergleichbare energetische Effizienz zu erreichen, ist das Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid beziehungsweise Kältemittel arbeitsleistend zu entspannen.The cycle with the refrigerant circuit 20-1' from 3a is made up of the compression A - B of the refrigerant as it flows through the compressor 21, the transcritical heat release B - C as it flows through the first heat exchanger 22, the isenthalpic relaxation C - F' of the refrigerant as it flows through the expansion element 23 and the evaporation F' - A of the refrigerant as it flows through the second heat exchanger 24. The relaxation or expansion of the refrigerant is associated with high thermodynamic losses, especially in the two-phase region, which leads to greater energy losses compared to subcritical cycles, especially in transcritical cycles, especially in applications with outlet temperatures of the carbon dioxide flowing out of the second heat exchanger 22 in the range of 20 °C to 45 °C. In order to achieve an energetic efficiency comparable to the subcritical cycle, the carbon dioxide as the working fluid or refrigerant must be expanded to perform work.

Dafür wird die als Wankel-Expander-Verdichter-Einheit ausgebildete Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 gemäß 3b in den Kältemittelkreislauf 20-1 und damit einen transkritischen Kälteprozess, insbesondere Klimaprozess oder Wärmepumpenprozess, integriert. Der Kältemittelkreislauf 20-1 ist im Vergleich zum Kältemittelkreislauf 20-1' nach 3a mit einem zusätzlichen dritten Wärmeübertrager 25 ausgebildet, das Expansionsorgan 23 wird durch die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 ersetzt.For this purpose, the expansion-compression device 1 designed as a Wankel expander-compressor unit is used according to 3b into the refrigerant circuit 20-1 and thus a transcritical refrigeration process, in particular an air conditioning process or heat pump process. The refrigerant circuit 20-1 is compared to the refrigerant circuit 20-1' after 3a with an additional third heat exchanger 25, the expansion element 23 is replaced by the expansion-compression device 1.

Der Kreisprozess weist bei einer einstufigen Entspannung E - F des Kohlenstoffdioxids eine zweistufige Verdichtung A - B, C - D des Kohlenstoffdioxids auf. Die energetische Verbesserung folgt dabei aus der geringeren vom Verdichter 21 aufzubringenden Verdichterleistung innerhalb der ersten Verdichtungsstufe und einer größeren spezifischen Kälteleistung bei isentroper Entspannung als Differenz der Enthalpien in den Zustandspunkten F - A im Vergleich zur Differenz der Enthalpien in den Zustandspunkten F' - A.The cycle has a single-stage expansion E - F of the carbon dioxide and a two-stage compression A - B, C - D of the carbon dioxide. The energetic improvement results from the lower compressor output to be provided by the compressor 21 within the first compression stage and a greater specific cooling capacity with isentropic expansion as the difference in the enthalpies in the state points F - A compared to the difference in the enthalpies in the state points F' - A.

Im Verdichter 21, welcher den Großteil der Verdichtungsleistung im Kreisprozess aufbringt, wird das Kohlenstoffdioxid in der ersten Verdichterstufe auf Mitteldruckniveau pM verdichtet A - B. Anschließend wird das Kohlenstoffdioxid im ersten Wärmeübertrager 22 transkritisch in einer isobaren, nichtisothermen Zustandsänderung zurückgekühlt B - C, bevor es in die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 einströmt und beim Durchströmen der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 in der zweiten Verdichterstufe vom Mitteldruckniveau pM auf Hochdruckniveau pH verdichtet wird C - D.
Nach dem Ausströmen aus der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 wird das Kohlenstoffdioxid in einem dritten Wärmeübertrager 25 erneut unter transkritischer Wärmeabgabe in einer isobaren, nichtisothermen Zustandsänderung abgekühlt D - E und strömt wieder in die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 ein. Beim Durchströmen der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 wird das Kohlenstoffdioxid arbeitsleistend auf Niederdruckniveau pN entspannt E - F. Die bei der Entspannung gewonnene Arbeit wird zum Verdichten des Kohlenstoffdioxids vom Mitteldruckniveau pM auf das Hochdruckniveau pH C - D genutzt. Der Kreisprozess ist mit der Verdampfung des Kohlenstoffdioxids beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers 24 F - A geschlossen.In the compressor 21, which provides the majority of the compression power in the cycle, the carbon dioxide is compressed in the first compressor stage to medium pressure level p M A - B. The carbon dioxide is then cooled back transcritically in the first heat exchanger 22 in an isobaric, non-isothermal change of state B - C, before it flows into the expansion-compression device 1 and is compressed from medium pressure level p M to high pressure level p H as it flows through the expansion-compression device 1 in the second compressor stage C - D.
After flowing out of the expansion-compression device 1, the carbon dioxide is cooled again in a third heat exchanger 25 with transcritical heat release in an isobaric, non-isothermal change of state D - E and flows back into the expansion-compression device 1. As it flows through the expansion-compression device 1, the carbon dioxide is expanded to low pressure level p N E - F, performing work. The work gained during the expansion is used to compress the carbon dioxide from the medium pressure level p M to the high pressure level p H C - D. The cycle is closed with the evaporation of the carbon dioxide as it flows through the second heat exchanger 24 F - A.

Der erste Wärmeübertrager 22 und der dritte Wärmeübertrager 25 können als gemeinsame Komponente ausgebildet sein beziehungsweise von der gleichen Wärmesenke beaufschlagt sein, sodass die Temperaturen des Kohlenstoffdioxids am Austritt der Wärmeübertrager 22, 25 identisch sind.The first heat exchanger 22 and the third heat exchanger 25 can be designed as a common component or can be supplied with the same heat sink, so that the temperatures of the carbon dioxide at the outlet of the heat exchangers 22, 25 are identical.

In den 4a und 4b ist jeweils ein Schaltbild einer kältetechnischen Anlage mit und ohne integrierter Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 nach 1 dargestellt. In 4c sind jeweils zu den Schaltbildern aus den 4a und 4b zugehörige Zustandsänderungen eines Kreisprozesses für kältetechnische Gewerbeanwendungen im Druck-Enthalpie-Diagramm mit Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid gezeigt.In the 4a and 4b is a circuit diagram of a refrigeration system with and without integrated expansion-compression device 1 according to 1 shown. In 4c are each related to the circuit diagrams from the 4a and 4b The corresponding changes in state of a cycle for commercial refrigeration applications are shown in the pressure-enthalpy diagram with carbon dioxide as the working fluid.

Die kältetechnischen Anlagen nach den 3a und 3b können energetisch verbessert werden, indem sowohl die Verdichtung als auch die Entspannung des Kältemittels zweistufig erfolgen.
Die kältetechnischen Anlagen nach den 4a und 4b weisen jeweils einen Kältemittelkreislauf 20-2, 20-2` mit in Strömungsrichtung des Kältemittels als Arbeitsfluid einen ersten Verdichter 21a sowie einen zweiten Verdichter 21b, den als Kondensator oder Gaskühler betriebenen ersten Wärmeübertrager 22, ein erstes Expansionsorgan 23 sowie ein zweites Expansionsorgan 26, und den als Verdampfer betriebenen zweiten Wärmeübertrager 24 auf. In Strömungsrichtung des Kältemittels ist zwischen den Expansionsorganen 23, 26 ein Mitteldruckabscheider 27 angeordnet, in welchem das Kältemittel in die flüssige Phase und die dampfförmige Phase getrennt wird. Die flüssige Phase des Kältemittels wird dem zweiten Expansionsorgan 26 zugeführt, während die dampfförmige Phase des Kältemittels durch einen Strömungspfad 28 zu einer Mündungsstelle 29 geleitet wird, welche zwischen den Verdichtern 21a, 21b angeordnet ist.The refrigeration systems according to the 3a and 3b can be improved energetically by performing both the compression and the expansion of the refrigerant in two stages.
The refrigeration systems according to the 4a and 4b each have a refrigerant circuit 20-2, 20-2` with, in the flow direction of the refrigerant as the working fluid, a first compressor 21a and a second compressor 21b, the first heat exchanger 22 operated as a condenser or gas cooler, a first expansion element 23 and a second expansion element 26, and the second heat exchanger 24 operated as an evaporator. In the flow direction of the refrigerant, a medium-pressure separator 27 is arranged between the expansion elements 23, 26, in which the refrigerant is separated into the liquid phase and the vapor phase. The liquid phase of the refrigerant is fed to the second expansion element 26, while the vapor phase of the refrigerant is guided through a flow path 28 to an outlet point 29 which is arranged between the compressors 21a, 21b.

Der Kreisprozess mit dem Kältemittelkreislauf 20-2` aus 4a setzt sich aus der ersten Stufe der Verdichtung A - B des Kältemittels auf Mitteldruckniveau pM beim Durchströmen des ersten Verdichters 21a sowie der zweiten Stufe der Verdichtung C - D des Kältemittels vom Mitteldruckniveau pM auf Hochdruckniveau pH beim Durchströmen des zweiten Verdichters 21b, der transkritischen Wärmeabgabe D - E beim Durchströmen des ersten Wärmeübertragers 22, der ersten isenthalpen Entspannung E - H' des Kältemittels auf Mitteldruckniveau pM beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 23 sowie der zweiten isenthalpen Entspannung J - K des Kältemittels auf Niederdruckniveau pN beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 26 und der Verdampfung L - A des Kältemittels beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers 24 zusammen. Das nach der ersten isenthalpen Entspannung E - H' auf dem Mitteldruckniveau pM vorliegende zweiphasige Kältemittel wird in den Mitteldruckabscheider 27 eingeleitet. Die flüssige Phase des Kältemittels wird dem zweiten Expansionsorgan 26 zugeführt, während die gasförmige Phase des Kältemittels mit dem aus dem ersten Verdichter 21a ausströmenden heißen, ebenfalls gasförmigen Kältemittel an der Mündungsstelle 29 vermischt wird. Dabei wird das heiße verdichtete Kältemittel abgekühlt und das vermischte Kältemittel wird vom zweiten Verdichter 21b angesaugt.The cycle with the refrigerant circuit 20-2` from 4a is made up of the first stage of compression A - B of the refrigerant to medium pressure level p M as it flows through the first compressor 21a and the second stage of compression C - D of the refrigerant from medium pressure level p M to high pressure level p H as it flows through the second compressor 21b, the transcritical heat release D - E as it flows through the first heat exchanger 22, the first isenthalpic expansion E - H' of the refrigerant to medium pressure level p M as it flows through the first expansion element 23 and the second isenthalpic expansion J - K of the refrigerant to low pressure level p N as it flows through the second expansion element 26 and the evaporation L - A of the refrigerant as it flows through the second heat exchanger 24. The two-phase refrigerant present after the first isenthalpic expansion E - H' at the medium pressure level p M is introduced into the medium pressure separator 27. The liquid phase of the refrigerant is fed to the second expansion element 26, while the gaseous phase of the refrigerant is mixed with the hot, also gaseous refrigerant flowing out of the first compressor 21a at the outlet point 29. The hot compressed refrigerant is cooled and the mixed refrigerant is sucked in by the second compressor 21b.

Um auch bei diesem Kreisprozess eine energetisch mit dem unterkritischen Kreisprozess vergleichbare energetische Effizienz zu erreichen, ist das Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid beziehungsweise Kältemittel arbeitsleistend zu entspannen. Die als Wankel-Expander-Verdichter-Einheit ausgebildete Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 wird gemäß 4b in den Kältemittelkreislauf 20-2 und damit einen transkritischen Kälteprozess, insbesondere für Gewerbeanwendungen, integriert. Der Kältemittelkreislauf 20-2 ist im Vergleich zum Kältemittelkreislauf 20-2` nach 4a mit dem zusätzlichen dritten Wärmeübertrager 25 ausgebildet, das erste Expansionsorgan 23 wird durch die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 ersetzt.In order to achieve an energetically comparable cycle with the subcritical cycle in this cycle, To achieve the same energy efficiency, the carbon dioxide as a working fluid or refrigerant must be expanded to perform work. The expansion-compression device 1, designed as a Wankel expander-compressor unit, is designed according to 4b into the refrigerant circuit 20-2 and thus a transcritical refrigeration process, especially for commercial applications. The refrigerant circuit 20-2 is compared to the refrigerant circuit 20-2` according to 4a with the additional third heat exchanger 25, the first expansion element 23 is replaced by the expansion-compression device 1.

Der Kreisprozess weist bei der zweistufigen Entspannung G - H, J - L des Kohlenstoffdioxids eine dreistufige Verdichtung A - B, C - D, E - F des Kohlenstoffdioxids auf. Die energetische Verbesserung folgt dabei aus den geringeren von den Verdichtern 21a, 21b aufzubringenden Verdichterleistungen innerhalb der ersten Verdichtungsstufe sowie der zweiten Verdichtungsstufe.The cycle process has a three-stage compression A - B, C - D, E - F of the carbon dioxide during the two-stage expansion G - H, J - L. The energetic improvement results from the lower compressor outputs to be provided by the compressors 21a, 21b within the first compression stage and the second compression stage.

Im ersten Verdichter 21a wird das Kohlenstoffdioxid in der ersten Verdichterstufe auf das Mitteldruckniveau pM verdichtet A - B, anschließend mit der gasförmigen Phase des Kältemittels aus dem Mitteldruckabscheider 27 vermischt B - C - H und im zweiten Verdichter 21b in der zweiten Verdichterstufe auf ein Zwischendruckniveau verdichtet C - D. Danach wird das Kohlenstoffdioxid im ersten Wärmeübertrager 22 transkritisch in einer isobaren, nichtisothermen Zustandsänderung zurückgekühlt D - E, bevor es in die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 einströmt und beim Durchströmen der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 in der dritten Verdichterstufe vom Zwischendruckniveau auf Hochdruckniveau pH verdichtet wird E - F.
Nach dem Ausströmen aus der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 wird das Kohlenstoffdioxid im dritten Wärmeübertrager 25 erneut unter transkritischer Wärmeabgabe in einer isobaren, nichtisothermen Zustandsänderung abgekühlt F - G und strömt wieder in die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 ein. Beim Durchströmen der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung 1 wird das Kohlenstoffdioxid arbeitsleistend auf das Mitteldruckniveau pM entspannt G - H und in den Mitteldruckabscheider 27 eingeleitet. Die bei der Entspannung gewonnene Arbeit wird zum Verdichten des Kohlenstoffdioxids vom Zwischendruckniveau auf das Hochdruckniveau pH E - F genutzt. Mit dem Entspannen der flüssigen Phase des aus dem Mitteldruckabscheider 27 ausströmenden Kältemittels beim Durchströmen des Expansionsorgans 26 und der Verdampfung des Kohlenstoffdioxids beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers 24 F - A ist der Kreisprozess geschlossen.In the first compressor 21a, the carbon dioxide is compressed in the first compressor stage to the intermediate pressure level p M A - B, then mixed with the gaseous phase of the coolant from the intermediate pressure separator 27 B - C - H and compressed in the second compressor 21b in the second compressor stage to an intermediate pressure level C - D. The carbon dioxide is then cooled back transcritically in the first heat exchanger 22 in an isobaric, non-isothermal change of state D - E, before it flows into the expansion-compression device 1 and is compressed from the intermediate pressure level to the high pressure level p H E - F as it flows through the expansion-compression device 1 in the third compressor stage.
After flowing out of the expansion-compression device 1, the carbon dioxide is cooled again in the third heat exchanger 25 with transcritical heat release in an isobaric, non-isothermal change of state F - G and flows back into the expansion-compression device 1. As it flows through the expansion-compression device 1, the carbon dioxide is expanded to the intermediate pressure level p M G - H and introduced into the intermediate pressure separator 27. The work gained during the expansion is used to compress the carbon dioxide from the intermediate pressure level to the high pressure level p H E - F. With the expansion of the liquid phase of the coolant flowing out of the intermediate pressure separator 27 as it flows through the expansion element 26 and the evaporation of the carbon dioxide as it flows through the second heat exchanger 24 F - A, the cycle is closed.

LISTE DER BEZUGSZEICHENLIST OF REFERENCE SIGNS

11
Expansions-Verdichtungs-VorrichtungExpansion-compression device
2a, 2b2a, 2b
RotationskolbenRotary piston
33
WelleWave
3a3a
Exzenter der Welle 3Eccentric of shaft 3
4a, 4b4a, 4b
GehäuseHousing
55
DurchgangsöffnungPassage opening
66
Ritzelpinion
77
Arbeitsraumworking space
88th
DrehrichtungDirection of rotation
99
erster Einlassfirst entry
1010
erster Auslassfirst outlet
1111
zweiter Einlasssecond entrance
1212
zweiter Auslasssecond outlet
1313
erste Steuervorrichtungfirst control device
1414
zweite Steuervorrichtungsecond control device
1515
dritte Steuervorrichtungthird control device
1616
vierte Steuervorrichtungfourth control device
1717
Strömungsrichtung Flow direction
20-1, 20-1'20-1, 20-1'
KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
20-2, 20-2`20-2, 20-2`
KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
21, 21a, 21b21, 21a, 21b
Verdichtercompressor
2222
erster Wärmeübertragerfirst heat exchanger
23, 2623, 26
ExpansionsorganExpansion organ
2424
zweiter Wärmeübertragersecond heat exchanger
2525
dritter Wärmeübertragerthird heat exchanger
2727
MitteldruckabscheiderMedium pressure separator
2828
StrömungspfadFlow path
2929
MündungsstelleMouth of the river
PHPH
HochdruckniveauHigh pressure level
pMpm
MitteldruckniveauMedium pressure level
pNpN
Niederdruckniveau Low pressure level
A bis LA to L
Zustände ArbeitsfluidWorking fluid conditions

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19813220 A1 [0004]DE 19813220 A1 [0004]

Claims (13)

Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) für einen Kreisprozess mit Verdichtung und arbeitsleistender Entspannung eines Arbeitsfluids, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) als eine Rotationskolbenmaschine mit mindestens einem Rotationskolben (2a, 2b) ausgebildet ist, wobei der Rotationskolben (2a, 2b) innerhalb eines von einem Gehäuse (4a, 4b) umschlossenen Volumens, mit dem Gehäuse (4a, 4b) Arbeitsräume (7) ausbildend, angeordnet ist.Expansion-compression device (1) for a cycle process with compression and work-producing relaxation of a working fluid, characterized in that the expansion-compression device (1) is designed as a rotary piston machine with at least one rotary piston (2a, 2b), wherein the rotary piston (2a, 2b) is arranged within a volume enclosed by a housing (4a, 4b), forming working spaces (7) with the housing (4a, 4b). Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) mindestens zwei Rotationskolben (2a, 2b) aufweist, wobei die Rotationskolben (2a, 2b) jeweils innerhalb eines von einem Gehäuse (4a, 4b) umschlossenen Volumens, mit dem Gehäuse (4a, 4b) Arbeitsräume (7) ausbildend, angeordnet und über eine Welle (3) miteinander verbunden sind.Expansion-compression device (1) according to Claim 1 , characterized in that the expansion-compression device (1) has at least two rotary pistons (2a, 2b), wherein the rotary pistons (2a, 2b) are each arranged within a volume enclosed by a housing (4a, 4b), forming working spaces (7) with the housing (4a, 4b), and are connected to one another via a shaft (3). Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationskolbenmaschine als eine Wankel-Expander-Verdichter-Einheit ausgebildet ist.Expansion-compression device (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the rotary piston machine is designed as a Wankel expander-compressor unit. Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rotationskolben (2a, 2b) in der Form eines gleichseitigen Dreiecks mit gebogenen Flanken ausgebildet ist, welche jeweils mit dem vom Gehäuse (4a, 4b) umschlossenen und die Form eines Trochoids aufweisenden Volumen korrespondieren.Expansion-compression device (1) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that each rotary piston (2a, 2b) is designed in the shape of an equilateral triangle with curved flanks, which each correspond to the volume enclosed by the housing (4a, 4b) and having the shape of a trochoid. Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotationskolben (2a, 2b) und dem Gehäuse (4a, 4b) jeweils drei Arbeitsräume ausgebildet sind, wobei die Volumina der Arbeitsräume (7) durch eine Rotation des Rotationskolbens (2a, 2b) um eine Längsachse veränderbar sind.Expansion-compression device (1) according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that three working spaces are formed between the rotary piston (2a, 2b) and the housing (4a, 4b), wherein the volumes of the working spaces (7) can be changed by a rotation of the rotary piston (2a, 2b) about a longitudinal axis. Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4a, 4b) für jeden Rotationskolben (2a, 2b) mit mindestens einem Einlass (9, 11) und einem Auslass (10, 12) ausgebildet ist.Expansion-compression device (1) according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the housing (4a, 4b) is designed with at least one inlet (9, 11) and one outlet (10, 12) for each rotary piston (2a, 2b). Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Einlass (9, 11) und jeder Auslass (10, 12) über eine Steuervorrichtung (13, 14, 15, 16) öffenbar und verschließbar ausgebildet ist.Expansion-compression device (1) according to Claim 6 , characterized in that each inlet (9, 11) and each outlet (10, 12) is designed to be openable and closable via a control device (13, 14, 15, 16). Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (13, 14, 15, 16) als ein Schieber, insbesondere als ein Drehschieber, ausgebildet ist.Expansion-compression device (1) according to Claim 7 , characterized in that the control device (13, 14, 15, 16) is designed as a slide valve, in particular as a rotary slide valve. Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationskolben (2a, 2b) beabstandet zueinander auf der Welle (3) angeordnet sind.Expansion-compression device (1) according to one of the Claims 2 until 8th , characterized in that the rotary pistons (2a, 2b) are arranged at a distance from one another on the shaft (3). Verfahren zum Betreiben der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Kreisprozess mit Verdichtung und arbeitsleistender Entspannung eines Arbeitsfluids, dadurch gekennzeichnet, dass in der Expansions-Verdichtungs-Vorrichtung (1) das Arbeitsfluid verdichtet und gleichzeitig arbeitsleistend entspannt wird.Method for operating the expansion-compression device (1) according to one of the Claims 1 until 9 in a cyclic process with compression and work-producing expansion of a working fluid, characterized in that in the expansion-compression device (1) the working fluid is compressed and at the same time expanded to produce work. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid innerhalb des Kreisprozesses mehrstufig verdichtet wird.Procedure according to Claim 10 , characterized in that the working fluid is compressed in several stages within the cycle. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Rotationsbewegung von mindestens einem Rotationskolben (2a, 2b) in einer Drehrichtung (8) das Arbeitsfluid auf einem Mitteldruckniveau oder einem Zwischendruckniveau in einen von dem Rotationskolben (2a, 2b) und einem Gehäuse (4a, 4b) umschlossenen ersten Arbeitsraum (7) angesaugt und in dem ersten Arbeitsraum (7) von dem Mitteldruckniveau oder dem Zwischendruckniveau auf ein Hochdruckniveau verdichtet und ausgeschoben wird, wobei das Arbeitsfluid gleichzeitig auf dem Hochdruckniveau in einen von dem Rotationskolben (2a, 2b) und dem Gehäuse (4a, 4b) umschlossenen zweiten Arbeitsraum (7) einströmt und in dem zweiten Arbeitsraum (7) von dem Hochdruckniveau auf ein Niederdruckniveau entspannt wird und aus dem zweiten Arbeitsraum (7) ausströmt.Procedure according to Claim 11 , characterized in that, within a rotational movement of at least one rotary piston (2a, 2b) in a direction of rotation (8), the working fluid is sucked in at a medium pressure level or an intermediate pressure level into a first working chamber (7) enclosed by the rotary piston (2a, 2b) and a housing (4a, 4b) and is compressed and expelled in the first working chamber (7) from the medium pressure level or the intermediate pressure level to a high pressure level, wherein the working fluid simultaneously flows at the high pressure level into a second working chamber (7) enclosed by the rotary piston (2a, 2b) and the housing (4a, 4b) and is expanded in the second working chamber (7) from the high pressure level to a low pressure level and flows out of the second working chamber (7). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Rotationsbewegung von mindestens zwei Rotationskolben (2a, 2b) in einer Drehrichtung (8) das Arbeitsfluid auf einem Mitteldruckniveau oder einem Zwischendruckniveau in einen von einem ersten Rotationskolben (2a) und einem Gehäuse (4a) umschlossenen Arbeitsraum (7) angesaugt und in dem Arbeitsraum (7) von dem Mitteldruckniveau oder dem Zwischendruckniveau auf ein Hochdruckniveau verdichtet und ausgeschoben wird, wobei das Arbeitsfluid gleichzeitig auf dem Hochdruckniveau in einen von einem zweiten Rotationskolben (2b) und einem Gehäuse (4b) umschlossenen Arbeitsraum (7) einströmt und in dem Arbeitsraum (7) von dem Hochdruckniveau auf ein Niederdruckniveau entspannt wird und aus dem Arbeitsraum (7) ausströmt.Procedure according to Claim 11 , characterized in that within a rotational movement of at least two rotary pistons (2a, 2b) in a direction of rotation (8), the working fluid is sucked in at a medium pressure level or an intermediate pressure level into a working chamber (7) enclosed by a first rotary piston (2a) and a housing (4a) and is compressed and expelled in the working chamber (7) from the medium pressure level or the intermediate pressure level to a high pressure level, wherein the working fluid simultaneously flows at the high pressure level into a working chamber (7) enclosed by a second rotary piston (2b) and a housing (4b) and is compressed in the working chamber (7) from the high pressure level is relaxed to a low pressure level and flows out of the working chamber (7).
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2031839A1 (en) 1969-07-03 1971-02-04
DE19813220A1 (en) 1998-03-26 1999-09-30 Univ Dresden Tech Piston expansion machine for transcritical compression cooling process
DE102015205533A1 (en) 2015-03-26 2016-09-29 Rwe Deutschland Ag Method for regulating the gas pressure in a gas pipeline network, gas pressure regulating stations in a gas pipeline network and rotary piston machine
DE102019100539A1 (en) 2019-01-10 2020-07-16 Fideo Group GmbH Multi-stage heat pump system with rotary piston machines connected in series
DE102020106685B3 (en) 2020-03-11 2021-07-08 Borgwarner Inc. Rotary piston compressor and system for temperature conditioning with rotary piston compressor
DE102020134882A1 (en) 2020-12-23 2022-06-23 Westenergie Ag Piston housing, rotary piston machine, gas pressure control system and method of operating the gas pressure control system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2031839A1 (en) 1969-07-03 1971-02-04
DE19813220A1 (en) 1998-03-26 1999-09-30 Univ Dresden Tech Piston expansion machine for transcritical compression cooling process
DE102015205533A1 (en) 2015-03-26 2016-09-29 Rwe Deutschland Ag Method for regulating the gas pressure in a gas pipeline network, gas pressure regulating stations in a gas pipeline network and rotary piston machine
DE102019100539A1 (en) 2019-01-10 2020-07-16 Fideo Group GmbH Multi-stage heat pump system with rotary piston machines connected in series
DE102020106685B3 (en) 2020-03-11 2021-07-08 Borgwarner Inc. Rotary piston compressor and system for temperature conditioning with rotary piston compressor
DE102020134882A1 (en) 2020-12-23 2022-06-23 Westenergie Ag Piston housing, rotary piston machine, gas pressure control system and method of operating the gas pressure control system

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