WO2010029027A1 - Heat pump or refrigeration device and method for operating a heat pump or refrigeration device - Google Patents

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WO2010029027A1 PCT/EP2009/061496 EP2009061496W WO2010029027A1 WO 2010029027 A1 WO2010029027 A1 WO 2010029027A1 EP 2009061496 W EP2009061496 W EP 2009061496W WO 2010029027 A1 WO2010029027 A1 WO 2010029027A1
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heat
pump
liquid piston
piston compressor
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Klaus Ramming
Michael Deichsel
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Ago Ag Energie + Anlagen
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a heat pump or chiller, in which a refrigerant is compressed by means of a liquid piston compressor, then cooled and then expanded and vaporized in a next step and finally fed back to the liquid piston compressor.
  • the invention relates in terms of device technology, a heat pump or chiller.
  • Heat pump or chiller processes have been part of the well-known state of the art for quite some time.
  • the use of liquid piston compressors attempts to realize an isothermal compression of the refrigerant in the closed loop process.
  • the compression space can be given generously sized and structurally very free surfaces to optimize heat transfer since there is no sealing problem when using a fluid as a "piston".
  • liquid-piston compressors can achieve a nearly isothermal compression.
  • Another advantage of a liquid piston compressor is the fact that a phase transition in the compression from the vapor to the liquid state for such devices is unproblematic, since the liquid piston can take no "mechanical” damage even in so-called "liquid shocks".
  • a prerequisite for the functioning of a liquid piston compressor is the use of immiscible fluids.
  • the invention has for its object to develop a method for operating a heat pump or chiller so that the efficiency of the process is further increased.
  • the same object is the present invention in device-technical terms with respect to a heat pump and chiller based.
  • the aforementioned object starting from a method of the type described above, achieved in that heat of the cooled after compression refrigerant is transferred to the refrigerant, before this again fed to the liquid piston compressor and thus the
  • Circuit is closed and that the refrigerant is expanded in an engine having an operative connection to a hydraulic pump (31) by means of which a hydraulic fluid of the liquid piston compressor (2) is pumpable.
  • This advantage has an effect, in particular, on heat pumps or refrigerating machines which are operated in the transcritical range, for example with CO 2 as refrigerant.
  • the critical temperature of CO 2 is 31 ° C. Above this temperature is no
  • the refrigerant is compressed alternately by two liquid piston compressors, each having a working space whose common Schwarzfiuid is reciprocated alternately from the working space of a liquid piston compressor in the working space of the other liquid piston compressor. In this way, a homogenization of the mass flow in the remaining process steps can be achieved.
  • a further increase in continuity can be achieved by temporarily storing the refrigerant in a high-pressure accumulator after it has cooled and transferred further heat to the vaporized refrigerant.
  • the same effect of equalizing the process with respect to the refrigerant flow is obtained when the refrigerant is stored in a low-pressure accumulator after expansion before it is subsequently vaporized.
  • the refrigerant may already partially cool during the compression and / or subsequent transfer of heat to the vaporized refrigerant and / or subsequent cooling - condense.
  • a further significant increase in efficiency can be achieved in the process in question by the fact that the refrigerant after cooling and the heat transfer to the reheated refrigerant under work in an engine, in particular an expansion pump or an expansion turbine, is relaxed before it evaporates again or is heated.
  • the previously unexploited expansion work can be used with the help of a relaxation machine.
  • the expansion work gained by the expansion machine can be advantageously used to pump the liquid used as working fluid into the liquid piston.
  • the pumping work to be applied during the refrigerant compression is hereby reduced and the power requirement of the hydraulic pump or the hydraulic work to be performed by it is reduced.
  • the heat should be removed from the refrigerant during the compression in the liquid piston compressor so that the compression is isothermal.
  • the heat dissipated from the compressor by means of a separate heat transfer medium from the heat of a heat sink, i. for example, to a consumer in the form of underfloor heating, or otherwise provided as process heat at a low temperature level, wherein the heat transfer medium is further heated after heating in the liquid piston compressor in the gas cooler for the refrigerant.
  • the object of the invention is achieved by a heat exchanger, by means of which heat from the transcritical, the cooler leaving the refrigerant to the heater leaving the refrigerant is transferable.
  • the drain lowering device is an engine, in particular, an expansion pump or expansion turbine disposed between the radiator and the heater.
  • the expenditure on equipment is particularly low when
  • Expansion pump a free-piston pump with self-switching valves is used.
  • Fig. 1 shows a heat pump / chillers process according to the prior art in a Ts diagram with the refrigerant R 134 a and isothermal compression by means of a liquid piston compressor, Fig. 2 as Figure 1, but with the refrigerant CO 2 , Fig. 3 is an inventive Process in a Ts diagram with the refrigerant
  • FIG. 5 is a schematic system diagram of a heat pump / chiller with internal heat exchanger and with expansion pump. A schematically shown in the plant diagram of Figure 5
  • Heat pump / chiller 1 has in the cycle of the refrigerant (here: CO 2 ) a liquid piston compressor 2, a gas cooler 3 / condenser, an internal heat exchanger 4, a high-pressure accumulator 5, an expansion pump 42, a Low-pressure accumulator 7, an evaporator 8 and check valves 9 to 12 on.
  • the refrigerant here: CO 2
  • a liquid piston compressor 2 a liquid piston compressor 2
  • gas cooler 3 / condenser a high-pressure accumulator 5
  • expansion pump 42 a Low-pressure accumulator 7
  • evaporator 8 Low-pressure accumulator 7
  • check valves 9 to 12 The following process takes place in the form of a cycle through the aforementioned components and the interconnecting lines:
  • the isothermally compressed CO 2 in the liquid piston compressor is fed via a line 13 to the gas cooler 3, in which condensation may occur depending on the compression end temperature of the refrigerant. Due to the comparatively low critical temperature of the CO 2 (31 ° C.), however, condensation typically does not take place either during the compression or in the downstream gas cooler 3 / "condenser", that is to say the wet steam area is not reached in these process steps.
  • the refrigerant passes from the inner heat exchanger into a high-pressure accumulator 5, from which it passes through a line 16 to the expansion pump 42, in which an ideal isentropic expansion of the refrigerant takes place, which occurs during the expansion in the wet steam area.
  • the expanded refrigerant enters the low-pressure accumulator 7, from where it passes through a line 18 into the evaporator and evaporates there under heat absorption. Subsequently, the refrigerant is conducted via a line 18 to the already mentioned inner heat exchanger 4 and heated there before it flows back via the line 19 back to the liquid piston compressor 2.
  • the liquid piston compressor 2 has two cylinders 20, 21 each defining a working space, which are connected in parallel to each other. From the line 19 branches off the inflow line 22 of the cylinder 20, in which the check valve 10 is arranged, which allows only an influx into the cylinder 20. Via the line 23, in which there is only one outflow permitting check valve 9, the refrigerant passes from the cylinder 20 into the conduit 13 and thus back into the gas cooler 3 / condenser.
  • Cylinder 21 is connected via a conduit 24 serving for the inflow to the conduit 19 and via the conduit 25 serving for the outflow to the conduit 13
  • the check valves 11 and 12 allow only an inflow or outflow of the refrigerant.
  • hydraulic lines 24 and 25 are connected, which open into a respective working chamber 26, 27 formed by the interior of the cylinders 20, 21.
  • a respective working chamber 26, 27 formed by the interior of the cylinders 20, 21.
  • the hydraulic fluid is selected so that it is neither miscible nor dissolved in the refrigerant.
  • the hydraulic lines 24 and 25 lead to a four-way hydraulic valve 28, from which in turn depart two hydraulic lines 29, 30 which are connected to the suction or pressure side of a hydraulic pump 31.
  • a four-way hydraulic valve 28 From which in turn depart two hydraulic lines 29, 30 which are connected to the suction or pressure side of a hydraulic pump 31.
  • now hydraulic fluid pressure is removed from one of the two cylinders 20, 21 and pumped under pressure into the other of the two cylinders 20, 21, whereby in the latter cylinder a compression stroke is performed, whereas in the other cylinder, the vaporized and preheated refrigerant is sucked.
  • Both cylinders 20, 21 are surrounded on their outer side by a double jacket 32 to 33 and provided in their interior with a heat exchanger bundle 34, 35.
  • the double jackets 32 to 33 or heat exchanger bundles 34, 35 are connected to discharge lines 36, 37 and supply lines 38, 39.
  • the heated during the compression process heat transfer medium is passed after passing a located in the respective switching position three-way valve 39 from a circulation pump 40 to a consumer 41, which may be, for example, a floor heating or a consumer of process heat at low temperature level. From the consumer passes the cooled
  • the heat transfer medium is depending on the switching position of the three-way valve 39 each only by those cylinders 20 and 21st in which the isothermal compression of the refrigerant is taking place. Alternatively, both cylinders are constantly flowed through.
  • the heat pump / chiller 1 has an expansion pump 42.
  • the refrigerant taken from the high-pressure accumulator 5 is expanded by means of the expansion pump 42 designed as a free-piston pump before the expanded refrigerant is returned to the low-pressure accumulator and the process via evaporation, preheating to condensation temperature, isothermal compression and cooling is identical to that in FIG. 5.
  • FIG. 3 which illustrates the process in the heat pump / chiller 1 according to FIG. 5, shows how the refrigerant is compressed isomerically from point A to point B.
  • the idealized, horizontally extending line AB intersects the wet-steam line 43, whose section on the right of the maximum 44 is referred to as a dew-line 45 and whose section 46 on the left of the maximum 44 is referred to as a boiling line. From the intersection point 47 between tau line 45 and line AB, the refrigerant is thus in the post-vaporized area.
  • the refrigerant in the internal heat exchanger 4 is isobarically cooled along boiling line 46 until point C is reached.
  • the expansion pump 42 the refrigerant is now polytropically expanded and thus reaches point D with a correspondingly reduced temperature.
  • That is what throttling via an expansion valve ( Figure 5) is dashed along the reached point D 1 , which is characterized by a greater entropy - due to the isenthalp relaxation.
  • FIGS. 1 and 3 show the cycle processes with R 134 A as the refrigerant
  • FIGS. 2 and 4 form a comparison of the processes when using CO 2 as

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Abstract

In a method for operating a heat pump or refrigeration device (1), a coolant is isothermally compressed using a fluid displacement compressor (2), then cooled, optionally condensed in the process, and then expanded. In a next step, the coolant is evaporated and finally fed back to the fluid displacement compressor (2). In order to improve the efficiency of the process, it is proposed that heat from the cooled coolant following compression is transferred to the heated coolant before the coolant is returned to the fluid displacement compressor (2), and thus the cycle is closed, and that the coolant is expanded in an engine comprising an operative connection to a hydraulic pump (31) for pumping a hydraulic fluid of the fluid displacement compressor (2). Further proposed as an apparatus is a heat pump/refrigeration device for carrying out the above method.

Description

Wärmepumpe oder Kältemaschine und Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe oder Kältemaschine Heat pump or chiller and method of operating a heat pump or chiller
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe oder Kältemaschine, bei dem ein Kältemittel mittels eines Flüssigkeitskolbenverdichters verdichtet, anschließend gekühlt und danach expandiert wird und in einem nächsten Schritt verdampft und schließlich wieder dem Flüssigkeitskolbenverdichter zugeführt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung in vorrichtungstechnischer Hinsicht eine Wärmepumpe oder Kältemaschine.The invention relates to a method for operating a heat pump or chiller, in which a refrigerant is compressed by means of a liquid piston compressor, then cooled and then expanded and vaporized in a next step and finally fed back to the liquid piston compressor. In addition, the invention relates in terms of device technology, a heat pump or chiller.
Wärmepumpen- oder Kältemaschinenprozesse zählen bereits seit geraumer Zeit zum allgemein bekannten Stand der Technik. Im Gegensatz zu den weit verbreiteten mechanisch arbeitenden Kolbenverdichtern wird durch die Verwendung von Flüssigkeitskolbenverdichtern versucht, eine isotherme Verdichtung des Kältemittels in dem geschlossenen Kreisprozess zu realisieren. Durch die Verwendung eines Flüssigkeitskolbens können dem Verdichtungsraum großzügig dimensionierte und in der Gestaltung sehr freie Oberflächen zur Optimierung der Wärmeübertragung gegeben werden, da es bei der Verwendung eines Fluids als "Kolben" kein Abdichtungsproblem gibt. Aus diesem Grunde lässt sich mit Flüssigkeitskolbenverdichtern eine nahezu isotherme Verdichtung erreichen. Ein weiterer Vorteil eines Flüssigkeitskolbenverdichters ist darin zu sehen, dass ein Phasenübergang bei der Verdichtung vom dampfförmigen zum flüssigen Zustand für derartige Vorrichtungen unproblematisch ist, da der Flüssigkeitskolben auch bei sogenannten "Flüssigkeitsschlägen" keinen "mechanischen" Schaden nehmen kann. Vorraussetzung für das Funktionieren eines Flüssigkeitskolbenverdichters ist jedoch die Verwendung nicht mischbarer Fluide.Heat pump or chiller processes have been part of the well-known state of the art for quite some time. In contrast to the widely used mechanical piston compressors, the use of liquid piston compressors attempts to realize an isothermal compression of the refrigerant in the closed loop process. By using a liquid piston, the compression space can be given generously sized and structurally very free surfaces to optimize heat transfer since there is no sealing problem when using a fluid as a "piston". For this reason, liquid-piston compressors can achieve a nearly isothermal compression. Another advantage of a liquid piston compressor is the fact that a phase transition in the compression from the vapor to the liquid state for such devices is unproblematic, since the liquid piston can take no "mechanical" damage even in so-called "liquid shocks". However, a prerequisite for the functioning of a liquid piston compressor is the use of immiscible fluids.
Die US 2,772,543 sowie die US 1,766,998 beschreiben Kältemaschinenprozesse unter Verwendung von Flüssigkeitskolbenverdichtern und somit Verfahren der eingangs beschriebenen Art. Auch wenn mit diesen Flüssigkeitskolbenverdichtern grundsätzlich eine Annäherung an eine isotherme Verdichtung möglich wäre, fehlt es den Zylindern der vorbekannten Verdichter jedoch an einer besonderen Wärmetauschergeometrie, so dass die Verdichtung bei den bekannten Verfahren in der Praxis mehr oder weniger polytrop verlaufen dürfte. Im weiteren Umfeld der Erfindung offenbaren DE 26 10 063 Al eine Wärmepumpe mit Alkohol als Kältemittel, Flüssigkeitskolbenverdichter und mit einem „inneren Wärmetauscher", in dem der Kältemitteldampf beim Austritt aus dem Verdampfer mit warmem Kondensat überhitzt wird.US 2,772,543 and US 1,766,998 describe chiller processes using liquid piston compressors and thus methods of the type described above. Although an approximation to an isothermal compression would generally be possible with these liquid piston compressors, however, the cylinders of the previously known compressors lack a particular heat exchanger geometry that the compression in the known methods in practice should be more or less polytropic. In the broader context of the invention, DE 26 10 063 A1 discloses a heat pump with alcohol as refrigerant, liquid piston compressor and with an "internal heat exchanger" in which the refrigerant vapor is overheated when leaving the evaporator with warm condensate.
Aufgabetask
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe oder Kältemaschine so weiter zu entwickeln, dass die Effizienz des Prozesses weiter erhöht wird. Dieselbe Aufgabe liegt der vorliegenden Erfindung in vorrichtungstechnischer Hinsicht mit Bezug auf eine Wärmepumpe und Kältemaschine zugrunde.The invention has for its object to develop a method for operating a heat pump or chiller so that the efficiency of the process is further increased. The same object is the present invention in device-technical terms with respect to a heat pump and chiller based.
Lösungsolution
Im Hinblick auf eine Wärmepumpe oder Kältemaschine wird die vorgenannte Aufgabe, ausgehend von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art, dadurch gelöst, dass Wärme des nach der Verdichtung gekühlten Kältemittels auf das Kältemittel übertragen wird, bevor dieses wieder dem Flüssigkeitskolbenverdichter zugeführt und somit derWith regard to a heat pump or chiller, the aforementioned object, starting from a method of the type described above, achieved in that heat of the cooled after compression refrigerant is transferred to the refrigerant, before this again fed to the liquid piston compressor and thus the
Kreisprozess geschlossen wird und dass das Kältemittel in einer Kraftmaschine expandiert wird, die eine Wirkverbindung zu einer Hydraulikpumpe (31) aufweist, mittels derer ein Hydraulikfluid des Flüssigkeitskolbenverdichters (2) pumpbar ist.Circuit is closed and that the refrigerant is expanded in an engine having an operative connection to a hydraulic pump (31) by means of which a hydraulic fluid of the liquid piston compressor (2) is pumpable.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Wärme, die nach dem Kühlen des verdichteten Kältemittels noch zur Verfügung steht, auf das nach der Entspannung wieder verdampfte Kältemittel übertragen. Durch einen derartigen Vorgang der inneren Wärmeübertragung wird ansonsten ungenutzte Energie nutzbar gemacht.In the method according to the invention, heat that is still available after the cooling of the compressed refrigerant is transferred to the refrigerant that has evaporated again after the expansion. By such a process of internal heat transfer otherwise unused energy is used.
Dieser Vorteil wirkt sich insbesondere bei Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen aus, die im transkritischen Bereich, beispielsweise mit CO2 als Kältemittel betrieben werden. Die kritische Temperatur von CO2 liegt bei 31°C. Oberhalb dieser Temperatur ist keinThis advantage has an effect, in particular, on heat pumps or refrigerating machines which are operated in the transcritical range, for example with CO 2 as refrigerant. The critical temperature of CO 2 is 31 ° C. Above this temperature is no
Phasenwechsel zur flüssigen Phase hin mehr möglich, so dass auch keine Fähigkeit des Kältemittels vorliegt, bei gleichbleibender Temperatur allein bedingt durch den Phasenwechsel Wärme abzugeben. Dies hat zur Folge, dass CO2 auf eine sehr hohe Endtemperatur verdichtet werden muss, damit im weiteren Verlauf des Kreisprozesses die Abwärme an eine Wärmequelle mit festgelegter Temperatur abgegeben werden kann. Die abzugebende Wärme stammt in diesem Fall allein von der Abkühlung des heißen Gases und nicht von einem Phasenwechsel. Aufgrund dieser thermodynamischen Eigenschaft des CO2 ist die für die Verdichtung erforderliche Energie wesentlich höher als bei konventionellen, jedoch teils umweltschädlicheren Kältemitteln, die während des Kreisprozesses zweimal einen Phasenwechsel durchlaufen. Dieser prinzipielle Nachteil des CO2 als Kältemittel wird durch die Erfindung nunmehr deutlich abgemindert, da durch den Vorgang des inneren Übergangs von Wärme und der isothermen Verdichtung der Prozess thermodynamisch verbessert und somit die Leistungsziffer der betreffenden Kältemaschine oder Wärmepumpe vergrößert wird.Phase change to the liquid phase towards more possible, so that there is no ability of the refrigerant to give off heat at the same temperature alone due to the phase change. As a result, CO 2 is at a very high level End temperature must be compressed, so that in the further course of the cycle, the waste heat can be delivered to a heat source with a specified temperature. The heat to be released in this case comes solely from the cooling of the hot gas and not from a phase change. Due to this thermodynamic property of CO 2 , the energy required for the compression is much higher than in conventional, but sometimes more environmentally harmful refrigerants, which undergo a phase change twice during the cycle. This fundamental disadvantage of CO 2 as a refrigerant is now significantly reduced by the invention, since the process thermodynamically improved by the process of the internal transition of heat and the isothermal compression and thus the coefficient of performance of the relevant refrigerator or heat pump is increased.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Kältemittel abwechselnd von zwei Flüssigkeitskolbenverdichtern mit jeweils einem Arbeitsraum verdichtet wird, deren gemeinsames Arbeitsfiuid alternierend von dem Arbeitsraum des einen Flüssigkeitskolbenverdichters in den Arbeitsraum des anderen Flüssigkeitskolbenverdichters hin- und hergepumpt wird. Auf diese Weise kann eine Vergleichmäßigung des Massenstroms in den übrigen Verfahrensschritten erreicht werden.According to one embodiment of the method according to the invention, it is provided that the refrigerant is compressed alternately by two liquid piston compressors, each having a working space whose common Arbeitsfiuid is reciprocated alternately from the working space of a liquid piston compressor in the working space of the other liquid piston compressor. In this way, a homogenization of the mass flow in the remaining process steps can be achieved.
Eine weitere Steigerung der Kontinuität lässt sich dadurch erzielen, dass das Kältemittel in einem Hochdruckspeicher zwischengespeichert wird, nachdem es gekühlt wurde und weitere Wärme an das verdampfte Kältemittel übertragen hat.A further increase in continuity can be achieved by temporarily storing the refrigerant in a high-pressure accumulator after it has cooled and transferred further heat to the vaporized refrigerant.
Derselbe Effekt einer Vergleichmäßigung des Prozesses im Hinblick auf den Kältemittelstrom wird erzielt, wenn das Kältemittel nach der Expansion in einem Niederdruckspeicher zwischengespeichert wird, bevor es anschließend verdampft wird. Wenn das erfmdungsgemäße Verfahren bei Kältemitteln zur Anwendung kommt, die während des Kreisprozesses einen Phasenwechsel durchlaufen, so kann das Kältemittel bereits beim Kühlen während der Verdichtung und/oder beim darauffolgenden Übertragen von Wärme auf das verdampfte Kältemittel und/oder beim anschließenden Kühlen - jeweils eventuell teilweise - kondensieren. Eine weitere signifikante Effizienzsteigerung lässt sich bei dem in Rede stehenden Verfahren dadurch erzielen, dass das Kältemittel nach der Kühlung und der Wärmeübertragung auf das wieder erwärmte Kältemittel unter Arbeitsleistung in einer Kraftmaschine, insbesondere einer Expansionspumpe oder einer Expansionsturbine, entspannt wird bevor es danach wieder verdampft oder erwärmt wird.The same effect of equalizing the process with respect to the refrigerant flow is obtained when the refrigerant is stored in a low-pressure accumulator after expansion before it is subsequently vaporized. If the method according to the invention is used for refrigerants which undergo a phase change during the cyclic process, the refrigerant may already partially cool during the compression and / or subsequent transfer of heat to the vaporized refrigerant and / or subsequent cooling - condense. A further significant increase in efficiency can be achieved in the process in question by the fact that the refrigerant after cooling and the heat transfer to the reheated refrigerant under work in an engine, in particular an expansion pump or an expansion turbine, is relaxed before it evaporates again or is heated.
Während bei der nach dem Stand der Technik isenthalp mit Hilfe einer Drossel erfolgenden Entspannung des Kältemittels Energie verloren geht, kann mit Hilfe einer Entspannungsmaschine die vormals ungenutzte Expansionsarbeit genutzt werden. In Verbindung mit der Verdichtung des Kältemittels in einem Flüssigkeitskolbenverdichter lässt sich die von der Expansionsmaschine gewonnene Expansionsarbeit vorteilhafterweise dazu verwenden, die als Arbeitsmedium verwendete Flüssigkeit in den Flüssigkeitskolben zu pumpen. Die aufzubringende Pumparbeit bei der Kältemittelverdichtung wird hiermit reduziert und der Leistungsbedarf der Hydraulikpumpe bzw. die von dieser zu erbringende Hydraulikarbeit vermindert. Durch entsprechende Gestaltung der Oberflächen des Flüssigkeitskolbenverdichters sowie durch entsprechende Steuerung des VerdichtungsvorgangsWhile in the state of the art isenthalp with the help of a throttle relaxation of the refrigerant energy is lost, the previously unexploited expansion work can be used with the help of a relaxation machine. In conjunction with the compression of the refrigerant in a liquid piston compressor, the expansion work gained by the expansion machine can be advantageously used to pump the liquid used as working fluid into the liquid piston. The pumping work to be applied during the refrigerant compression is hereby reduced and the power requirement of the hydraulic pump or the hydraulic work to be performed by it is reduced. By appropriate design of the surfaces of the liquid piston compressor and by appropriate control of the compression process
(Kompressionsgeschwindigkeit) sollte dem Kältemittel während des Verdichtens in dem Flüssigkeitskolbenverdichter die Wärme derart entzogen werden, dass die Verdichtung isotherm erfolgt. Dabei kann die mittels eines separaten Wärmeträgermediums von dem Kältemittel aus dem Verdichter abgeführte Wärme einer Wärmesenke, d.h. beispielsweise einem Verbraucher in Form einer Fußbodenheizung, zugeführt werden oder anderweitig als Prozesswärme mit niedrigem Temperaturniveau bereitgestellt werden, wobei das Wärmeträgermedium nach der Erwärmung im Flüssigkeitskolbenverdichter in dem Gaskühler für das Kältemittel weiter erwärmt wird. Ausgehend von einer bekannten Wärmepumpe oder Kältemaschine wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch einen Wärmeübertrager gelöst, mittels dessen Wärme von dem transkritischen, den Kühler verlassenden Kältemittel auf das den Erwärmer verlassende Kältemittel übertragbar ist.(Compression speed), the heat should be removed from the refrigerant during the compression in the liquid piston compressor so that the compression is isothermal. In this case, the heat dissipated from the compressor by means of a separate heat transfer medium from the heat of a heat sink, i. for example, to a consumer in the form of underfloor heating, or otherwise provided as process heat at a low temperature level, wherein the heat transfer medium is further heated after heating in the liquid piston compressor in the gas cooler for the refrigerant. Starting from a known heat pump or chiller, the object of the invention is achieved by a heat exchanger, by means of which heat from the transcritical, the cooler leaving the refrigerant to the heater leaving the refrigerant is transferable.
Mit Hilfe eines derartigen sogenannten "inneren Wärmeübertragers" lässt sich die Effizienz des Kreisprozesses steigern, da ansonsten ungenutzte Energie nutzbringend verwendet wird. Dies gilt insbesondere für die Verwendung von CO2 als Kältemittel entsprechend den bereits weiter oben geschilderten Vorteilen.With the help of such a so-called "internal heat exchanger" can increase the efficiency of the cycle, otherwise useful energy unused is used. This applies in particular to the use of CO 2 as a refrigerant in accordance with the advantages already described above.
Die Drackerniedrigungseinrichtung ist eine Kraftmaschine, insbesondere eine Expansionspumpe oder Expansionsturbine, die zwischen dem Kühler und dem Erwärmer angeordnet ist. Der apparative Aufwand ist dabei besonders niedrig, wenn alsThe drain lowering device is an engine, in particular, an expansion pump or expansion turbine disposed between the radiator and the heater. The expenditure on equipment is particularly low when
Expansionspumpe eine Freikolbenpumpe mit selbstschaltenden Ventilen verwendet wird.Expansion pump a free-piston pump with self-switching valves is used.
Um die von der Expansionsmaschine gewonnene Leistung unmittelbar zur Durchführung des Kreisprozesses zu verwenden, besteht eine Wirkverbindung, insbesondere eine mechanische Kopplung beispielsweise über eine Welle, zwischen der Kraftmaschine beim Entspannen des Kältemittels und einer Hydraulikpumpe, mit der ein Hydraulikfluid in einen Arbeitsraum des Flüssigkolbenverdichters pumpbar ist.In order to use the power gained by the expansion machine directly to carry out the cycle process, there is an operative connection, in particular a mechanical coupling, for example via a shaft, between the engine during expansion of the refrigerant and a hydraulic pump with which a hydraulic fluid is pumped into a working space of the liquid piston compressor ,
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, anhand derer der Wärmepumpenprozess gemäß der Erfindung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments, by means of which the heat pump process according to the invention is illustrated. It shows:
Fig. 1 einen Wärmepumpen-/Kältemaschinenprozess nach dem Stand der Technik in einem T-s-Diagramm mit dem Kältemittel R 134 a und isothermer Verdichtung mittels eines Flüssigkolbenverdichters, Fig. 2 wie Figur 1, jedoch mit dem Kältemittel CO2, Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Prozess in einem T-s-Diagramm mit dem KältemittelFig. 1 shows a heat pump / chillers process according to the prior art in a Ts diagram with the refrigerant R 134 a and isothermal compression by means of a liquid piston compressor, Fig. 2 as Figure 1, but with the refrigerant CO 2 , Fig. 3 is an inventive Process in a Ts diagram with the refrigerant
R 134 a mit innerem Wärmeübertrager und arbeitsleistender Expansion, Fig. 4 wie Figur 3, jedoch mit dem Kältemittel CO2, Fig. 5 eine schematische Anlagendarstellung einer Wärmepumpe/Kältemaschine mit innerem Wärmeübertrager und mit Expansionspumpe. Eine in dem Anlagenschaubild gemäß Figur 5 schematisch dargestellteR 134 a with internal heat exchanger and work expansion, Fig. 4 as Figure 3, but with the refrigerant CO 2 , Fig. 5 is a schematic system diagram of a heat pump / chiller with internal heat exchanger and with expansion pump. A schematically shown in the plant diagram of Figure 5
Wärmepumpe/Kältemaschine 1 weist in dem Kreislauf des Kältemittels (hier: CO2) einen Flüssigkeitskolbenverdichter 2, einen Gaskühler 3/Kondensator einen inneren Wärmeübertrager 4, einen Hochdruckspeicher 5, ein Expansionspumpe 42, einen Niederdruckspeicher 7, einen Verdampfer 8 sowie Rückschlagventile 9 bis 12 auf. Folgender Prozess läuft dabei in Form eines Kreislaufs durch die vorgenannten Komponenten und die sie miteinander verbindenden Leitungen ab:Heat pump / chiller 1 has in the cycle of the refrigerant (here: CO 2 ) a liquid piston compressor 2, a gas cooler 3 / condenser, an internal heat exchanger 4, a high-pressure accumulator 5, an expansion pump 42, a Low-pressure accumulator 7, an evaporator 8 and check valves 9 to 12 on. The following process takes place in the form of a cycle through the aforementioned components and the interconnecting lines:
Das in dem Flüssigkeitskolbenverdichter isotherm verdichtete CO2, wird über eine Leitung 13 dem Gaskühler 3 zugeführt, in dem es je nach Verdichtungsendtemperatur des Kältemittels zu einer Kondensation kommen kann. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen kritischen Temperatur des CO2 (310C) findet jedoch typischerweise weder bei der Verdichtung noch in dem nachgeschalteten Gaskühler 3/"Kondensator" eine Kondensation statt, das heißt das Nassdampfgebiet wird in diesen Prozessschritten nicht erreicht.The isothermally compressed CO 2 in the liquid piston compressor is fed via a line 13 to the gas cooler 3, in which condensation may occur depending on the compression end temperature of the refrigerant. Due to the comparatively low critical temperature of the CO 2 (31 ° C.), however, condensation typically does not take place either during the compression or in the downstream gas cooler 3 / "condenser", that is to say the wet steam area is not reached in these process steps.
Nachdem also das gekühlte CO2 über eine Leitung 1 den inneren Wärmeübertrager 4 erreicht hat, wird dort Wärme auf das Kältemittel übertragen, nachdem es den Verdampfer 8 verlassen hat. Über eine weitere Leitung 15 gelangt das Kältemittel von dem inneren Wärmeübertrager in einen Hochdruckspeicher 5, von dem es durch eine Leitung 16 zu der Expansionspumpe 42 gelangt, in der eine idealer Weise isentrope Entspannung des Kältemittels stattfindet, das während der Entspannung in das Nassdampfgebiet eintritt. Über eine Leitung 17 gelangt das entspannte Kältemittel in den Niederdruckspeicher 7, von wo aus es über eine Leitung 18 in den Verdampfer gelangt und dort unter Wärmeaufnahme verdampft. Anschließend wird das Kältemittel über ein Leitung 18 zu dem bereits zuvor erwähnten inneren Wärmeübertrager 4 geführt und dort erwärmt, bevor es über die Leitung 19 wieder zu dem Flüssigkeitskolbenverdichter 2 zurückströmt.Thus, after the cooled CO 2 has reached the inner heat exchanger 4 via a line 1, heat is transferred there to the refrigerant after it has left the evaporator 8. Via a further line 15, the refrigerant passes from the inner heat exchanger into a high-pressure accumulator 5, from which it passes through a line 16 to the expansion pump 42, in which an ideal isentropic expansion of the refrigerant takes place, which occurs during the expansion in the wet steam area. Via a line 17, the expanded refrigerant enters the low-pressure accumulator 7, from where it passes through a line 18 into the evaporator and evaporates there under heat absorption. Subsequently, the refrigerant is conducted via a line 18 to the already mentioned inner heat exchanger 4 and heated there before it flows back via the line 19 back to the liquid piston compressor 2.
Der Flüssigkeitskolbenverdichter 2 besitzt zwei jeweils einen Arbeitsraum definierenden Zylinder 20, 21 die parallel zueinander geschaltet sind. Von der Leitung 19 zweigt die Zuströmleitung 22 des Zylinders 20 ab, in der das Rückschlagventil 10 angeordnet ist, das lediglich einen Zustrom in den Zylinder 20 erlaubt. Über die Leitung 23, in der sich das lediglich ein Abströmen erlaubende Rückschlagventil 9 befindet, gelangt das Kältemittel aus dem Zylinder 20 in die Leitung 13 und somit wieder in den Gaskühler 3/Kondensator.The liquid piston compressor 2 has two cylinders 20, 21 each defining a working space, which are connected in parallel to each other. From the line 19 branches off the inflow line 22 of the cylinder 20, in which the check valve 10 is arranged, which allows only an influx into the cylinder 20. Via the line 23, in which there is only one outflow permitting check valve 9, the refrigerant passes from the cylinder 20 into the conduit 13 and thus back into the gas cooler 3 / condenser.
Zylinder 21 ist über eine dem Zuströmen dienende Leitung 24 an die Leitung 19 angeschlossen und über die dem Abströmen dienende Leitung 25 an die Leitung 13. Auch hier erlauben die Rückschlagventile 11 und 12 lediglich ein Zuströmen bzw. Abströmen des Kältemittels.Cylinder 21 is connected via a conduit 24 serving for the inflow to the conduit 19 and via the conduit 25 serving for the outflow to the conduit 13 Here, the check valves 11 and 12 allow only an inflow or outflow of the refrigerant.
An der Unterseite der Zylinder 21 und 22 sind jeweils Hydraulikleitungen 24 und 25 angeschlossen, die in jeweils einen durch das Innere der Zylinder 20, 21 gebildeten Arbeitsraum 26, 27 münden. Im Inneren der Arbeitsräume 26, 27 befindet sich unten jeweils das Hydraulikfluid, über dessen Spiegel S sich das mehr oder weniger stark komprimierte Kältemittel befindet. Das Hydraulikfluid ist so ausgewählt, dass es mit dem Kältemittel weder mischbar ist noch sich darin löst.On the underside of the cylinders 21 and 22, respectively, hydraulic lines 24 and 25 are connected, which open into a respective working chamber 26, 27 formed by the interior of the cylinders 20, 21. In the interior of the work spaces 26, 27 is located below the hydraulic fluid, on the mirror S, the more or less strongly compressed refrigerant is. The hydraulic fluid is selected so that it is neither miscible nor dissolved in the refrigerant.
Die Hydraulikleitungen 24 und 25 fuhren zu einem Vier- Wege-Hydraulikventil 28, von dem wiederum zwei Hydraulikleitungen 29, 30 abgehen, die auf der Saug- bzw. Druckseite einer Hydraulikpumpe 31 angeschlossen sind. Je nach Schaltstellung des Vier- Wege- Hydraulikventils 28, wird nunmehr Hydraulikfluid drucklos aus einem der beiden Zylinder 20, 21 entnommen und unter Druck in den jeweils anderen der beiden Zylinder 20, 21 gepumpt, wodurch in letzterem Zylinder ein Verdichtungshub ausgeführt wird, wohingegen in dem anderen Zylinder das verdampfte und vorerwärmte Kältemittel angesaugt wird.The hydraulic lines 24 and 25 lead to a four-way hydraulic valve 28, from which in turn depart two hydraulic lines 29, 30 which are connected to the suction or pressure side of a hydraulic pump 31. Depending on the switching position of the four-way hydraulic valve 28, now hydraulic fluid pressure is removed from one of the two cylinders 20, 21 and pumped under pressure into the other of the two cylinders 20, 21, whereby in the latter cylinder a compression stroke is performed, whereas in the other cylinder, the vaporized and preheated refrigerant is sucked.
Beide Zylinder 20, 21 sind an Ihrer Außenseite von einem Doppelmantel 32 bis 33 umgeben und in ihrem Innern mit einem Wärmetauscherbündel 34, 35 versehen. Die Doppelmäntel 32 bis 33 bzw. Wärmetauscherbündel 34, 35 sind an Abfuhrleitungen 36, 37 sowie Zufuhrleitungen 38, 39 angeschlossen.Both cylinders 20, 21 are surrounded on their outer side by a double jacket 32 to 33 and provided in their interior with a heat exchanger bundle 34, 35. The double jackets 32 to 33 or heat exchanger bundles 34, 35 are connected to discharge lines 36, 37 and supply lines 38, 39.
Das beim Verdichtungsvorgang erwärmte Wärmeträgermedium wird nach Passieren eines in der jeweiligen Schaltstellung befindlichen Drei-Wege- Ventils 39 von einer Umwälzpumpe 40 zu einem Verbraucher 41 geführt, bei dem es sich beispielsweise um eine Fußbodenheizung oder um einen Verbraucher von Prozesswärme auf niedrigem Temperaturniveau handeln kann. Vom Verbraucher gelangt das abgekühlteThe heated during the compression process heat transfer medium is passed after passing a located in the respective switching position three-way valve 39 from a circulation pump 40 to a consumer 41, which may be, for example, a floor heating or a consumer of process heat at low temperature level. From the consumer passes the cooled
Wärmeträgermedium zu dem Gaskühler 3 von dem es bereits vorgewärmt wird, um anschließend wieder dem Flüssigkeitskolbenverdichter 2 zugeführt zu werden, wo es im Zuge der isothermen Verdichtung des Kältemittels wieder erwärmt wird und sich sein Kreislauf somit schließt. Das Wärmeträgermedium wird in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Drei- Wege- Ventils 39 jeweils nur durch denjenigen Zylinder 20 bzw. 21 geleitet, in dem gerade die isotherme Verdichtung des Kältemittels stattfindet. Alternativ können auch beide Zylinder ständig durchströmt werden.Heat transfer medium to the gas cooler 3 from which it is already preheated to be subsequently fed back to the liquid piston compressor 2, where it is reheated in the course of the isothermal compression of the refrigerant and thus closes its cycle. The heat transfer medium is depending on the switching position of the three-way valve 39 each only by those cylinders 20 and 21st in which the isothermal compression of the refrigerant is taking place. Alternatively, both cylinders are constantly flowed through.
Die Wärmepumpe/Kältemaschine 1 verfugt über eine Expansionspumpe 42. Das aus dem Hochdruckspeicher 5 entnommene Kältemittel wird mithilfe der als Freikolbenpumpe ausgeführten Expansionspumpe 42 entspannt, bevor das entspannte Kältemittel wieder dem Niederdruckspeicher zugeführt wird und der Prozess über die Verdampfung, Vorerwärmung auf Kondensationstemperatur, isotherme Verdichtung und Kühlung identisch abläuft wie in Figur 5.The heat pump / chiller 1 has an expansion pump 42. The refrigerant taken from the high-pressure accumulator 5 is expanded by means of the expansion pump 42 designed as a free-piston pump before the expanded refrigerant is returned to the low-pressure accumulator and the process via evaporation, preheating to condensation temperature, isothermal compression and cooling is identical to that in FIG. 5.
Im Gegensatz zum Expansionsventil, in dem eine isenthalpe Entspannung stattfindet, wird bei der Entspannung in der Expansionspumpe Arbeit frei, die beispielsweise dadurch genutzt werden kann, dass eine Wirkverbindung zwischen der Expansionspumpe 42 und der Hydraulikpumpe 31 hergestellt wird, um deren Leistungsbedarf beim Pumpen des Hydraulikfluids zum Verdichten des Kältemittels zu reduzieren oder direkt ein Teilvolumenstrom selbst zu pumpen. Insgesamt kann somit mithilfe der Expansionspumpe 42 die Leistungszahl der Wärmepumpe/Kältemaschine 1 nochmals verbessert werden.In contrast to the expansion valve in which an isenthalp relaxation takes place, when expansion in the expansion pump work is released, which can be used, for example, that an operative connection between the expansion pump 42 and the hydraulic pump 31 is made to their power requirements when pumping the hydraulic fluid to reduce the compression of the refrigerant or directly to pump a partial flow itself. Overall, therefore, the coefficient of performance of the heat pump / chiller 1 can be further improved by means of the expansion pump 42.
Der Effekt des inneren Wärmetauschers 4 im Kältemittelkreislauf soll anhand einer Gegenüberstellung der Kreisprozesse jeweils in einem T-s-Diagramm veranschaulicht werden. Figur 3, die den Prozess in der Wärmepumpe/Kältemaschine 1 gemäß Figur 5 veranschaulicht, zeigt wie das Kältemittel ausgehend von Punkt A isotherm bis zu Punkt B verdichtet wird. Dabei schneidet die idealisiert, horizontal verlaufende Linie A-B die Nassdampflinie 43, deren rechts des Maximums 44 gelegener Abschnitt als Taulinie 45 und deren links des Maximums 44 gelegener Abschnitt 46 als Siedelinie bezeichnet wird. Ab dem Schnittpunkt 47 zwischen Taulinie 45 und Linie A-B befindet sich das Kältemittel somit im Nachdampfgebiet. Ausgehend von Punkt B wird das Kältemittel in dem inneren Wärmeübertrager 4 isobar entlang Siedelinie 46 abgekühlt bis Punkt C erreicht wird. In der Expansionspumpe 42 wird das Kältemittel nunmehr polytrop entspannt und gelangt somit zu Punkt D mit entsprechend erniedrigter Temperatur. Ohne Expansionspumpe, das heißt was Drosselung über ein Expansionsventil (Figur 5) wird entlang der gestrichelt dargestellten Linie der Punkt D1 erreicht, der sich durch eine größere Entropie - bedingt durch die isenthalpe Entspannung - auszeichnet.The effect of the inner heat exchanger 4 in the refrigerant circuit is to be illustrated by a comparison of the cycle processes in each case in a Ts diagram. FIG. 3, which illustrates the process in the heat pump / chiller 1 according to FIG. 5, shows how the refrigerant is compressed isomerically from point A to point B. In this case, the idealized, horizontally extending line AB intersects the wet-steam line 43, whose section on the right of the maximum 44 is referred to as a dew-line 45 and whose section 46 on the left of the maximum 44 is referred to as a boiling line. From the intersection point 47 between tau line 45 and line AB, the refrigerant is thus in the post-vaporized area. Starting from point B, the refrigerant in the internal heat exchanger 4 is isobarically cooled along boiling line 46 until point C is reached. In the expansion pump 42, the refrigerant is now polytropically expanded and thus reaches point D with a correspondingly reduced temperature. Without expansion pump, that is what throttling via an expansion valve (Figure 5) is dashed along the reached point D 1 , which is characterized by a greater entropy - due to the isenthalp relaxation.
Von Punkt D oder D' findet eine Verdampfung des Kältemittels (bei gleichbleibender Temperatur) statt, bis auf der Taulinie 45 der Punkt E erreicht wird. Von diesem Punkt ausgehend wird das Kältemittel im inneren Wärmetauscher 4 wiederum isobar erwärmt, um schließlich wieder den Zustandspunkt A zu erreichen, womit der Kreisprozess geschlossen ist.From point D or D 'an evaporation of the refrigerant takes place (at the same temperature), until on the dew line 45 the point E is reached. Starting from this point, the refrigerant is again isobarically heated in the inner heat exchanger 4, in order finally to reach the state point A again, whereby the cycle is closed.
Demgegenüber wird bei einem konventionellen Kältemaschinen-/Wärmepumpenprozess mit isothermer Verdichtung, jedoch ohne inneren Wärmeübertrager, das verdichtete Kältemittel, ausgehend von dem auf der Siedelinie 46 liegenden Punkt b isenthalp entspannt. Anschließend wird Punkt d auf derselben Isotherme erreicht, wie sie auch beim Verdampfen vorliegt, wenn das Medium zuvor in einem inneren Wärmeübertrager abgekühlt wurde. Darüber hinaus verläuft der Prozess ohne inneren Wärmeübertrager ausgehend von Punkt e auf der Taulinie steiler nach oben auf die "obere Isotherme" entlang der auch bei Existenz eines inneren Wärmeübertragers bis zu Punkt b bzw. B verdichtet würde. Um die beiden Prozesse besser vergleichbar zu machen, sind auch in dem Diagramm gemäß Figur 3 die Zustandspunkte a, b, d, e eingetragen und gestrichelt, auch die Linien b-d sowie e-a.In contrast, in a conventional chiller / heat pump process with isothermal compression, but without an internal heat exchanger, the compressed refrigerant is expanded isenthalp from the point b lying on the boiling line 46. Subsequently, point d is achieved on the same isotherm as it is also present during evaporation, when the medium has previously been cooled in an internal heat exchanger. In addition, the process without internal heat exchanger from point e on the tau line runs steeper upward on the "upper isotherm" along which even in the presence of an internal heat exchanger to point b or B would be compressed. In order to make the two processes more comparable, the state points a, b, d, e are also entered and dashed in the diagram according to FIG. 3, and also the lines b-d and e-a.
Während die Figuren 1 und 3 die Kreisprozesse mit R 134 A als Kältemittel zeigen, bilden die Figuren 2 und 4 eine Gegenüberstellung der Prozesse bei Verwendung von CO2 alsWhile FIGS. 1 and 3 show the cycle processes with R 134 A as the refrigerant, FIGS. 2 and 4 form a comparison of the processes when using CO 2 as
Kältemittel. Es wird deutlich, dass durch den inneren Wärmeübertrager 4 die Entspannung von einem niedrigeren Temperaturniveau (Punkt C) aus startet, als dies in b' ohne inneren Wärmetauscher der Fall ist. Bei CO2 als Kältemittel wird weder bei dem in Figur 2 dargestellten Prozess gemäß dem Stand der Technik noch bei dem in Figur 4 dargestellten erfindungsgemäßen Prozess während der isothermen Verdichtung das Nassdampfgebiet erreicht. Die Linie A'-B' sowie die Linie a'-b' befinden sich oberhalb der Nassdampflinie des CO2. Das Nassdampfgebiet wird erst bei der Entspannung erreicht, wobei ohne Nutzung der Expansionsarbeit bei einer isenthalpen Entspannung der Punkt D'* erreicht wird, wohingegen bei Verwendung einer Expansionspumpe eine polytrope Entspannung erzielt wird, die steiler verläuft als die Linie C-D'* und zu Punkt D' auf derselben Isothermen führt. Der besseren Vergleichbarkeit halber sind in Figur 4 auch die Punkte a', b', d', e' aus Figur 2 eingetragen und in Figur 3 auch die Punkte a, b, d, e. Refrigerant. It is clear that relaxation starts from a lower temperature level (point C) by the internal heat exchanger 4 than is the case in b 'without an internal heat exchanger. In the case of CO 2 as refrigerant, neither in the process according to the prior art shown in FIG. 2 nor in the process according to the invention shown in FIG. 4 during the isothermal compression is the wet steam region achieved. The line A'-B 'and the line a'-b' are located above the wet steam line of CO 2 . The wet steam area is reached only during the relaxation, the point D '* is achieved without exploiting the expansion work in an isenthalp relaxation, whereas when using an expansion pump a polytropic relaxation is achieved, which is steeper than the line C-D' * and closed Point D 'on the same Isotherms leads. For better comparability, the points a ', b', d ', e' from FIG. 2 are also entered in FIG. 4, and also the points a, b, d, e in FIG.
dd
Wärmepumpe/KältemaschineHeat pump / chiller
FlüssigkeitskolbenverdichterLiquid piston compressor
Gaskühler/KondensatorGas cooler / condenser
Innerer WärmeübertragerInternal heat exchanger
HochdruckspeicherHigh-pressure accumulator
NiederdruckspeicherLow-pressure accumulator
VerdampferEvaporator
Rückschlagventilcheck valve
Rückschlagventilcheck valve
Rückschlagventilcheck valve
Rückschlagventilcheck valve
Leitungmanagement
Leitungmanagement
Leitungmanagement
Leitungmanagement
Leitungmanagement
Leitungmanagement
Leitungmanagement
Zylindercylinder
Zylindercylinder
Leitungmanagement
Leitungmanagement
Hydraulikleitunghydraulic line
Hydraulikleitunghydraulic line
Arbeitsraumworking space
Arbeitsraumworking space
Vier- Wege-HydraulikventilFour-way hydraulic valve
Hydraulikleitunghydraulic line
Leitungmanagement
Hydraulikpumpe Doppelmantelhydraulic pump jacketed
Doppelmanteljacketed
Wärmetauscherbündelheat exchanger bundle
Wärmetauscherbündelheat exchanger bundle
Abfuhrleitungdischarge line
Abfuhrleitungdischarge line
Zufuhrleitungsupply line
Drei- Wege- VentilThree-way valve
Umwälzpumpecirculating pump
Verbraucherconsumer
Expansionspumpeexpansion pump
NassdampflinieWet steam line
Maximummaximum
Tauliniedew line
Siedelinieboiling
Schnittpunkt intersection

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe oder Kältemaschine (1) bei dem ein Kältemittel mittels eines Flüssigkeitskolbenverdichters (2) verdichtet, anschließend gekühlt und eventuell kondensiert und danach expandiert wird und in einem nächsten Schritt verdampft und schließlich wieder dem Flüssigkeitskolbenverdichter (2) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme des nach der Verdichtung vorgekühlten Kältemittels auf das verdampfte Kältemittel übertragen wird, bevor dieses wieder dem Flüssigkeitskolbenverdichter (2) zugeführt und somit der Kreisprozess geschlossen wird und dass das Kältemittel in einer Kraftmaschine expandiert wird, die eine Wirkverbindung zu einer Hydraulikpumpe (31) aufweist, mittels derer ein Hydraulikfluid des Flüssigkeitskolbenverdichters (2) pumpbar ist.A method of operating a heat pump or chiller (1) in which a refrigerant is compressed by means of a liquid piston compressor (2), then cooled and possibly condensed and then expanded and vaporized in a next step and finally returned to the liquid piston compressor (2), characterized in that heat of the refrigerant pre-cooled after compression is transferred to the vaporized refrigerant before being returned to the liquid piston compressor (2) thus closing the cycle and the refrigerant is expanded in an engine having an operative connection to a hydraulic pump ( 31), by means of which a hydraulic fluid of the liquid piston compressor (2) is pumpable.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitskolbenverdichter (2) zwei voneinander getrennte Arbeitsräume aufweist und dass das Kältemittel abwechselnd in einem der beiden Arbeitsräume verdichtet wird, deren gemeinsames Hydraulikfluid alternierend von dem einen Arbeitsraum (26, 27) in den andren Arbeitsraum (26, 27) hin und her gepumpt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the liquid piston compressor (2) has two separate work spaces and that the refrigerant is alternately compressed in one of the two working spaces, the common hydraulic fluid alternately from the one working space (26, 27) in the other Working space (26, 27) is pumped back and forth.
3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel in einem Hochdruckspeicher (5) zwischengespeichert wird, nachdem es gekühlt wurde und weitere Wärme an das verdampfte Kältemittel übertragen hat.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the refrigerant is temporarily stored in a high-pressure accumulator (5) after it has been cooled and has transferred further heat to the vaporized refrigerant.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel nach der Expansion in einem Niederdruckspeicher (7) zwischengespeichert wird, bevor es anschließend verdampft wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the refrigerant after the expansion in a low-pressure accumulator (7) is temporarily stored before it is subsequently evaporated.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel beim Kühlen und/oder beim Übertragen von Wärme auf das verdampfte Kältemittel und/oder bei der Verdichtung kondensiert. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the refrigerant condenses during cooling and / or when transferring heat to the vaporized refrigerant and / or during compression.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel nach der Kühlung und der Wärmeübertragung auf das verdampfte Kältemittel unter Arbeitsleistung in einer Kraftmaschine, insbesondere einer Expansionspumpe (42) oder einer Expansionsturbine entspannt wird, bevor es verdampft oder erwärmt wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the refrigerant after cooling and the heat transfer to the vaporized refrigerant under working in an engine, in particular an expansion pump (42) or an expansion turbine is expanded before it is evaporated or heated.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kältemittel während des Verdichtens in dem Flüssigkeitskolbenverdichter (2) Wärme derart entzogen wird, dass die Verdichtung isotherm erfolgt und dass die mittels eines separaten Wärmeträgermediums von dem Kältemittel abgeführte Wärme einer Wärmesenke zugeführt wird, wobei das Wärmeträgermedium nach der Erwärmung in dem Flüssigkeitskolbenverdichter (2) in dem Kühler (3) für das Kältemittel weiter erwärmt wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the refrigerant during the compression in the liquid piston compressor (2) heat is removed such that the compression is isothermal and that the removed by means of a separate heat transfer medium from the refrigerant heat of a heat sink is supplied wherein the heat transfer medium after heating in the liquid piston compressor (2) in the cooler (3) for the refrigerant is further heated.
8. Wärmepumpe oder Kältemaschine (1) mit einem Flüssigkeitskolbenverdichter (2) zur Verdichtung eines Kältemittels unter Wärmeabgabe an ein von dem Kältemittel stofflich getrenntes Wärmeträgermedium, einem Kühler (3) zur Absenkung der Temperatur des verdichteten Kältemittels, einer Druckerniedrigungseinrichtung zur Entspannung des gekühlten Kältemittels, einem Verdampfer (8) zur Verdampfung des entspannten Kältemittels sowie die vorgenannten Komponenten verbindenden Leitungen, so dass das Kältemittel im Kreislauf führbar ist und mit einem Wärmeübertrager, mittels dessen Wärme von dem den Kühler verlassenden Kältemittel auf das den Verdampfer verlassende Kältemittel übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerniedrigungseinrichtung eine Kraftmaschine, insbesondere eine Expansionspumpe (42) oder eine Expansionsturbine ist, die zwischen dem Kühler (3) und dem Verdampfer (8) angeordnet ist und eine Wirkverbindung zu einer Hydraulikpumpe (31) aufweist, mittels derer ein Hydraulikfluid des Flüssigkeitskolbenverdichters (2) pumpbar ist.8. Heat pump or chiller (1) with a liquid piston compressor (2) for compressing a refrigerant with heat release to a refrigerant materially separated heat transfer medium, a cooler (3) for lowering the temperature of the compressed refrigerant, a pressure lowering means for releasing the cooled refrigerant, an evaporator (8) for the evaporation of the expanded refrigerant and the aforementioned components connecting lines, so that the refrigerant can be circulated and with a heat exchanger, by means of which the heat from the cooler leaving the refrigerant is transferable to the leaving the evaporator refrigerant, characterized in that the pressure reducing device is an engine, in particular an expansion pump (42) or an expansion turbine, which is arranged between the radiator (3) and the evaporator (8) and has an operative connection to a hydraulic pump (31), mi Of which a hydraulic fluid of the liquid piston compressor (2) is pumpable.
9. Wärmepumpe oder Kältemaschine (1) nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionspumpe (4) eine Freikolbenpumpe mit selbstschaltenden Ventilen ist. 9. heat pump or chiller (1) according to the preceding claim, characterized in that the expansion pump (4) is a free-piston pump with self-switching valves.
10. Wärmepumpe oder Kältemaschine (1) nach einem der Ansprüche 8 und 9, gekennzeichnet durch eine Wirkverbindung, insbesondere eine mechanische Kopplung, zwischen der beim Entspannen des Kältemittels wirksamen Kraftmaschine und einer Hydraulikpumpe (31), mit der ein Hydraulikfluid in einen Arbeitsraum des Flüssigkeitskolbenverdichters (2) pumpbar ist. 10. Heat pump or chiller (1) according to any one of claims 8 and 9, characterized by an operative connection, in particular a mechanical coupling between the effective during expansion of the refrigerant engine and a hydraulic pump (31), with a hydraulic fluid in a working space of the liquid piston compressor (2) is pumpable.
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