WO2017167464A1 - Verfahren und vorrichtung zum verdichten eines fluids - Google Patents

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WO2017167464A1
WO2017167464A1 PCT/EP2017/051396 EP2017051396W WO2017167464A1 WO 2017167464 A1 WO2017167464 A1 WO 2017167464A1 EP 2017051396 W EP2017051396 W EP 2017051396W WO 2017167464 A1 WO2017167464 A1 WO 2017167464A1
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container
working fluid
fluid
gas space
liquid
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PCT/EP2017/051396
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Vladimir Danov
Uwe Lenk
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/34—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being of extraction or non-condensing type; Use of steam for feed-water heating
    • F01K7/36—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being of extraction or non-condensing type; Use of steam for feed-water heating the engines being of positive-displacement type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a device according to the generic clause of patent claim ⁇ 12th
  • the Stirling engine is mainly powered by heat.
  • the heat is provided by a working gas, for example a fuel-air mixture.
  • the Stirling engine is configured such that the working gas is compressed within a cold region of the engine and expanded within a warm region of the engine. This mechanical work can be provided from the heat supplied ⁇ in the result.
  • the Stirling engine is typically connected to the compressor by means of a transmission device, so that additional losses, for example friction losses EXISTING ⁇ are the.
  • Thermokinetic compressors are based on the operation of a turbine.
  • a hot gas mixture example ⁇ as hot air
  • the Thermokinetic compressor supplied.
  • water is introduced into the stream of hot air ⁇ and distributed within this. Characterized an un ⁇ indirect evaporation of water is effected, the ring réelle to a comparison of the temperature and thus leads to an acceleration of the stream of air.
  • the flow velocity of the air is converted into pressure by means of a diffuser.
  • thermo kinetic compressor ty ⁇ pisch legally be extremely rarely used because they form a high thrust and thus an extremely stable design, it ⁇ demand.
  • the present invention is therefore based on the object to provide an improved alternative to known compressors.
  • the method according to the invention for compressing a fluid comprises the following steps:
  • the working fluid within the second container changes from the gaseous to the liquid state of matter.
  • the fluid is compressed by means of the expansion work of the working fluid.
  • the working fluid is within the first container to ⁇ next in the liquid state, that is, as a liquid ⁇ speed before.
  • the first container is filled with a liquid.
  • the expanded working fluid discharged into the second container changes from its gaseous to its liquid state of aggregation within the second container.
  • the gaseous working fluid is condensed ⁇ at least partially within the second container. This is possible, for example, by a space provided Tem ⁇ temperature or a dedicated push inside the second container. As a result, the working fluid within the second container settles out as liquid, so that the second container, like the first container, is provided for receiving the working fluid.
  • a heat emission of the working fluid may be provided to the environment.
  • no electrical energy is required for the compression of the fluid.
  • the fluid is compressed alone in ⁇ due to the thermodynamic properties of the working fluid and its change between its forms.
  • the invention has the advantage that NIE dertemperaturique, that is, heat with a temperature un ⁇ tergur of about 130 degrees Celsius, is sufficient to operate the Ver ⁇ tight by supplying heat to the first container.
  • NIE dertemperaturique that is, heat with a temperature un ⁇ tergur of about 130 degrees Celsius
  • the present invention Since the present invention, the phase transition of the working fluid, that is its transition from gaseous to liquid state, advantageously used, the present invention has a higher power density compared to known compressors with Stirling engines. With other words, with the present invention, a higher power density compared to known compressors with Stirling engines can be achieved.
  • thermo-kinetic compressor achieving high power densities
  • the present invention therefore combines the advantages of a compressor with Stirling engine, for example ⁇ simple structure and compact design, with the advantages a thermokinetic compressor, for example, a high power density, synergistic.
  • Another advantage of the present invention is that it is fully scalable. This almost be ⁇ undesirables power densities can be achieved.
  • a first and second container for receiving a liquid working fluid and a compression device with a movable separation element, wherein the separation element fluid-tightly separates a first and second gas space of the compression device from each other;
  • the device is adapted to allow introduction of the fluid into the first gas space and an expansion of the working fluid in the second gas space, whereby at least a part of the working fluid passes from the liquid to the gaseous state;
  • the device is further configured to discharge the ver ⁇ sealed fluid from the first gas space andrank regarding the expanded working fluid from the second gas space in the two ⁇ th container.
  • the pressure and the temperature inside the second container are designed such that the working fluid passes ⁇ within the second container from the gaseous to the liquid state.
  • the compression of the fluid is at least partially covered by the Zu ⁇ management of waste heat or low-temperature heat at least partially.
  • the first container forms a warm heat reservoir and the second container forms a cold heat reservoir, comparable to a Stirling engine.
  • the temperature of the first Be ⁇ container is set greater than the temperature of the second container.
  • the pressure inside the first container is greater than the pressure inside the second container, so that due to the increased pressure is an enlarged expansion work of the working fluid is permitted ⁇ light. This advantageously allows improved compression of the fluid.
  • the liquid is returned from the second container to the first container.
  • the second container has a higher geodesic arrangement than the first container.
  • the working fluid arranged inside the second container can flow back into the first container solely by the action of gravity.
  • no electrical energy is required for this purpose.
  • thermoelectric generator to provide electrical energy to the pump.
  • the device can advantageously be operated without or with virtually no supply of electrical energy, despite the use of a pump for returning the working fluid.
  • the introduction of the fluid into the first gas space and / or the introduction of the working fluid into the second gas space by means of a valve.
  • the introduction can thereby relationship ⁇ , the rejection of the respective fluids into the respective gas chambers is controlled and / or regulated.
  • self-controlling valves are advantageous.
  • the discharge if the discharge of the fluid from the first gas space and / or the discharge of the working fluid from the second gas space in each case by means of a valve.
  • the respective valves are regulated as a function of the spatial position of the separation element.
  • a fluid which comprises at least one fluoroketone is used as the working fluid.
  • the working fluid has an equilibrium pressure of about 500 millibar (0.5 bar) at a temperature of about 30 degrees Celsius and an equilibrium pressure of about 13 bar at a temperature of about 150 degrees Celsius.
  • the containers can be evacuated.
  • the first container may be at least partially filled with said working fluid.
  • This is the be ⁇ filled working fluid, here Novec 649, always for its physical properties to its equilibrium curve. If heat is now supplied to the first container, for example At a temperature of 150 degrees Celsius, this results in a pressure within the first tank of about 13 bar. If the second container, for example by cooling, held at about 30 degrees Celsius, then there is an equilibrium pressure of about 500 millibars for the working fluid used here. From the resulting pressure difference (ZWI ⁇ rule 13 bar and 0.5 bar) can performs expansion work and thus effected the compression of the fluid. In this case, the temperature of the first and second containers can be kept approximately constant. Furthermore, other working fluids can be used analogously.
  • a piston is used as a separation element.
  • the separation element is designed as a piston ⁇ .
  • the compression device advantageously forms a piston compressor.
  • the movement of the separation element, i.e. the piston can, a linear motion, that is, its upward and downward movement of the Kol ⁇ bens, within the compression device.
  • an elastic membrane is used, wherein the movement of the separation element is effected by an expansion of the membrane.
  • this forms the compression device from an expansion vessel.
  • the compression of the working fluid takes place by the expansion, that is, by the expansion of the membrane.
  • a significant advantage here is that this no mechanical or movable components, such as a piston, are required.
  • Advantage ⁇ way legally no lubricants or sliding ⁇ materials are also required.
  • Figure la a first cycle of a method according to the invention by means of a device according to the invention
  • FIG. 1b shows a second cycle of the method according to the invention by means of the device according to the invention
  • Figure 2a shows a first cycle of the method according to the invention by means of a device according to the invention, wherein the device comprises a pump;
  • Device comprises a pump
  • FIG. 3 shows a device according to the invention with a plurality of compacting devices
  • FIG. 4 shows a device according to the invention with a plurality of compression devices and a plurality of first and second containers. Similar, equivalent or equivalent elements Kings ⁇ NEN be provided in the figures with the same reference numerals.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the first cycle of the device 1 according to the invention.
  • the device 1 comprises a first and second container 11, 12 and a compression device 3.
  • the compression device 3 is formed in the illustrated embodiment as a piston compressor, so that it has a separation element 33 in the form of a piston.
  • the Trennungsele ⁇ ment 33 and the piston separates a first
  • Gas space 31 fluid-tight from a second gas space 32 within the compression device 3 from. Furthermore, the direction 1 at least four valves 2.
  • the valves 2 are provided for introducing a fluid or working fluid or for discharging said fluids from the compression device 3 or in the compression device 3.
  • FIG. 1 shows a state (or clock) of the device 1 is shown, wherein at least a portion of the fluid to be compresses it, in the first gas space was initiated tet (symbolized by the dotted hatching).
  • tet symbolized by the dotted hatching
  • the gas space 31 has a first and second opening, wherein the fluid is introduced with the first opening and the compressed fluid is discharged from the first gas space 31 with the second opening.
  • the Einlei ⁇ processing of the fluid by means of the first opening in the first gas chamber 31 is illustrated by the marking T 3, P 3, where T 3 3 corresponds to the temperature of the introduced fluid and P the pressure of the introduced fluid.
  • T 4 The rejection of the compressed fluid by means of the second opening is in analogy with the letters T 4, P 4, where T 4 of Tempe ⁇ temperature of the diverted fluid and P 4 corresponds to the pressure of the compressed fluid originallylei ⁇ ended. Furthermore, P 4 is greater than P 3 and / or T 4 is greater than T 3 .
  • the second gas space 32 like the first gas space 31, has a first opening and a second opening.
  • the first opening of the second gas space 32 is fluidically coupled via one of the valves 2 to the first container 11 of the device 1.
  • the first opening of the second gas space 32 is therefore for introduction (symbolized by the reference ⁇ sign 301) of the working fluid, which is disposed within the first Be ⁇ container 11, is provided.
  • the second opening is provided for discharging said working fluid from the second gas space 32 into the second container 12.
  • the working fluid within the first container 11 is in ⁇ example by a supply of heat, in particular Ab- heat or low-temperature heat, brought to the temperature ⁇ and the pressure Pi.
  • the supply of said heat is indicated symbolically by the arrow 101 and a Q with a point above it (Q point, temporal change of the heat).
  • the working fluid within the second container 12 the temperature T 2 and the pressure P 2 .
  • a removal of heat indicated by the arrow 102, is provided.
  • P 2 is smaller than Pi and / or T 2 is smaller than ⁇ .
  • the working fluid within the containers 11, 12 is indicated by the dashed hatching.
  • the device 1 has a return 305, which returns the working fluid from the second container 12 to the first container 11.
  • the working ⁇ fluid is introduced from the first container 11 with the temperature ⁇ and the pressure Pi in the second gas space 32 of the Verdichtungsvor- direction 3 (symbolized by the reference numeral 301).
  • This can, for example, one of the valves 2 ge ⁇ controlled or regulated.
  • the liquid working fluid within the first container 11 becomes gaseous in its gaseous state, so that it expands into the second gas space 32 of the compression device 3.
  • the working fluid within the first container 11 sweepingswei ⁇ se
  • the gaseous working fluid 32 afford expansion work within the second Gasrau ⁇ mes, which is converted into the movement of the separating member 33 (indicated by the arrow 42).
  • FIG lb another clock of the compression according to the invention is shown.
  • the working fluid in the second gas space 32 is introduced into the second container 12 (symbolized by reference numeral 304).
  • the introduction takes place at least partly by the pressure difference of the containers 31, 32.
  • the second container 12 has a lower pressure P 2 than the first container 11 (pressure Pi).
  • the working fluid in the second gas space 32 is sucked out of this into the second container 12.
  • the temperature T 2 and the pressure P 2 are set within the second container 12 such that the working ⁇ fluid in this case passes into its liquid state. This can be done by the removal of heat, symbolized by the arrow 102.
  • the separation element 33 is retracted or returned to its position shown in FIG. 1a by discharging the working fluid into the second container 12 (symbolized by reference numeral 304). This is again illustrated by the arrow 42 in FIG. 1b.
  • the return 305 is provided, which returns the liquid working fluid within the two ⁇ ten container 12 to the first container 11.
  • heat must again be supplied to the cooled and recycled working fluid, symbolized by the arrow 101.
  • the device 1 allows compression of the fluid solely by the supply and removal of heat, in particular waste heat or low-temperature heat.
  • the compression of the fluid to ⁇ next no electrical energy required.
  • FIGS. 2 a and 2 b essentially represent the same situation as FIGS. 1 a and 1 b .
  • the return of the working fluid by means of a pump 6 and a further valve is shown in FIGS. 2 a and 2 b 2 trained.
  • the pump 6 a return 305 of the working fluid from the second container 12 into the first container 11 is possible, but it requires electrical energy for its operation.
  • the device 1 is to be operated solely with thermal energy, it is for example intended to operate the pump by means of a thermoelectric generator which converts heat into electrical energy.
  • FIG. 2 a substantially corresponds to FIG. 1 a
  • FIG. 2 b substantially corresponds to FIG. 1 b
  • a particularly preferred recycling 305 of the working fluid results when the working fluid is returned by the action of gravity from the second container 12 into the first container 11 alone.
  • the second container 12 has a higher geodesic arrangement than the first container 11.
  • the use of electrical energy or the thermoelectric generator can be avoided.
  • 3 shows a to the figures la, lb and 2a, 2b ver ⁇ rable device 1.
  • Each of the compression devices 3 has a separation element 33 and a first gas space 31 and second gas space 32. The inlet and outlet of the fluid to be compressed is not shown for reasons of clarity.
  • the compression devices 3 are each connected by a common supply line 7 to the first container 11 and a common discharge line 8 to the second container 12.
  • the compression means 3 according to the current or flow of the working fluid are parallel angeord ⁇ net.
  • Each of the compression devices 3 is operated as already described in FIGS. 1 a, 1 b, 2 a and / or 2 b.
  • FIG. 4 shows a device 1 comparable to FIG. 2.
  • the device 1 from FIG. 4 has two first containers 11 and two second containers 12.
  • the two first containers 11 are fluidically coupled via a common supply line 7 with the plurality of compression devices 3.
  • the two second containers 12 are fluidically coupled via a common discharge 8 with the plurality of compression devices 3.
  • the device 1 illustrated in FIG. 4 has a first and a second pair of first and second containers 11, 12 each pair comprising first and second containers 11, 12.
  • each pair has a return 305 of the working fluid with which the working fluid from the second container 12 associated with the pair can be returned to the first container 11 associated with the pair.
  • the advantage of the illustrated device 1 is that it enables a nearly continuous operation of the device 1.
  • the first pair comprising one of the first containers 11 and one of the second containers 12 is used for operation, that is, for compressing the fluid. If the working fluid of the first pair has then passed over almost completely from the first container 11 into the second container 12, switching takes place by means of the valves 2, so that now the second pair is used for further operation of the compression devices 3. Meanwhile, the working fluid of the first pair may be returned from the second container 12 to the first container 11 via the return passage 305. After the return of the working fluid of the first pair, the first pair is ready for use again.
  • the valves 2 switching so now again the first pair for operation, that is, for compressing the fluid by means of the compression devices 3, is used.
  • the second pair as ⁇ is then analogous to the first pair of the load, that is, the working fluid from the second container 12 of the second pair returned to the first container 11 of the second pair, and (under the supply of heat characterized by Arrow 101) to the temperature ⁇ and the pressure Pi.
  • the invention therefore provides a method and a device 1, with which the fluid is compressed with almost no entry of electrical energy, so that a thermal compression of the fluid (thermal compressor) takes place.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verdichten eines Fluids vorgeschlagen, das wenigstens die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen eines ersten Behälters (11) mit einem flüssigen Arbeitsfluid, eines zweiten Behälters (12) sowie einer Verdichtungsvorrichtung (3) mit einem bewegbaren Trennungselement (33), wobei das Trennungselement (33) einen ersten und zweiten Gasraum (31, 32) der Verdichtungsvorrichtung (3) fluiddicht voneinander trennt; - Einleiten (302) des Fluids in den ersten Gasraum (31); - Expansion (301) des Arbeitsfluids in den zweiten Gasraum (32), wobei hierdurch wenigstens ein Teil des Arbeitsfluids vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht; - Verringerung des Volumens des ersten Gasraumes (31) mittels einer Bewegung des Trennungselementes (33), wobei die Bewegung durch die Expansionsarbeit des gasförmigen Teils des Arbeitsfluids bewirkt wird; - Ausleiten (303) des verdichteten Fluids aus dem ersten Gasraum (31); und - Ausleiten (304) des expandierten Arbeitsfluids aus dem zweiten Gasraum (32) in den zweiten Behälter (12). Erfindungsgemäß geht das Arbeitsfluid innerhalb des zweiten Behälters (12) vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand über. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung (1) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Verdichten eines Fluids Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Ober¬ begriff des Patentanspruches 12.
Aus dem Stand der Technik sind zwei Arten von Verdichtern be- kannt, die nahezu ohne elektrische Energie oder mechanische
Arbeit betreibbar sind. Diese sind ein Stirlingmotor, der zum Antrieb eines Verdichters verwendet werden kann, und ein thermokinetischer Verdichter. Der Stirlingmotor wird hauptsächlich mittels Wärme betrieben. Hierbei wird die Wärme durch ein Arbeitsgas, beispielsweise ein Kraftstoff-Luftgemisch, bereitgestellt. Der Stirlingmotor ist derart ausgebildet, dass das Arbeitsgas innerhalb eines kalten Bereiches des Motors verdichtet und innerhalb eines warmen Bereiches des Motors expandiert wird. Dadurch kann im Ergebnis mechanische Arbeit aus der zugeführten Wärme bereit¬ gestellt werden.
Um die thermische Effizienz eines Stirlingmotors weiter zu erhöhen sieht der Stand der Technik interne regenerative
Wärmeübertrager vor. Allerdings wird auch hier stets die Expansion eines Gases (Arbeitsgas) verwendet, was zu einer niedrigen Leistungsdichte führt. Eine Möglichkeit eine höhere Leistungsdichte zu erreichen ist die Verwendung größerer Wärmeübertrager oder die Verwendung größerer Temperaturdifferenzen. Weiterhin stellt der Stirlingmotor typischerweise nur ein geringes Volumen für das Arbeitsgas bereit, sodass eine geringe Wärmekapazität des Arbeitsfluids erforderlich ist um einen hohen Druck und eine hohe Temperatur zu erreichen. Da- durch wird die Auswahl möglicher Arbeitsfluids limitiert.
Weiterhin ist der Stirlingmotor typischerweise mittels einer Getriebevorrichtung mit dem Verdichter verbunden, sodass zu- sätzliche Verluste, beispielsweise Reibungsverluste, vorhan¬ den sind.
Thermokinetische Verdichter basieren auf der Wirkungsweise einer Turbine. Hierbei wird ein heißes Gasgemisch, beispiels¬ weise heiße Luft, dem thermokinetischen Verdichter zugeführt. Anschließend wird Wasser in den Strom der heißen Luft einge¬ leitet und innerhalb dieser verteilt. Dadurch wird eine un¬ mittelbare Verdampfung des Wassers bewirkt, die zu einer Ver- ringerung der Temperatur und somit zu einer Beschleunigung des Stromes der Luft führt. Mittels eines Diffusors wird schließlich die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in Druck gewandelt. Allerdings werden thermokinetische Verdichter ty¬ pischerweise äußerst selten eingesetzt, da diese einen hohen Schub ausbilden und somit eine äußerst stabile Bauweise er¬ fordern .
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Alternative zu bekannten Verdichtern bereit- zustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 12 ge- löst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines Fluids umfasst die folgenden Schritte:
- Bereitstellen eines ersten Behälters mit einem flüssigen Arbeitsfluid, eines zweiten Behälters sowie einer Verdich¬ tungsvorrichtung mit einem bewegbaren Trennungselement, wobei das Trennungselement einen ersten und zweiten Gasraum der Verdichtungsvorrichtung fluiddicht voneinander trennt;
- Einleiten des Fluids in den ersten Gasraum;
- Expansion des Arbeitsfluids in den zweiten Gasraum, wobei hierdurch wenigstens ein Teil des Arbeitsfluids vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht; - Verringerung des Volumens des ersten Gasraumes mittels ei¬ ner Bewegung des Trennungselementes, wobei die Bewegung durch die Expansionsarbeit des gasförmigen Teils des Arbeitsfluids bewirkt wird;
- Ausleiten des verdichteten Fluids aus dem ersten Gasraum; und
- Ausleiten des expandierten Arbeitsfluids aus dem zweiten Gasraum in den zweiten Behälter. Erfindungsgemäß geht das Arbeitsfluid innerhalb des zweiten Behälters vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand über .
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit das Fluid mittels der Expansionsarbeit des Arbeitsfluids verdichtet. Hierbei liegt das Arbeitsfluid innerhalb des ersten Behälters zu¬ nächst im flüssigen Aggregatzustand, das heißt als Flüssig¬ keit vor. Mit anderen Worten ist der erste Behälter mit einer Flüssigkeit gefüllt. Wird nun das Arbeitsfluid in den zweiten Gasraum zur Verdichtung des Fluids eingeleitet beziehungswei¬ se expandiert, so geht wenigstens ein Teil des flüssigen Ar¬ beitsfluides in den gasförmigen Aggregatzustand über. Hierbei wird durch das Arbeitsfluid die Expansionsarbeit verrichtet, die in die Bewegung des Trennungselementes der Verdichtungs- Vorrichtung gewandelt wird. Mittels der Bewegung des Trennungselementes wird dann das in den zweiten Gasraum eingelei¬ tete Fluid verdichtet.
Nach der Verdichtung des Fluids wird dieses aus dem ersten Gasraum ausgeleitet. Anschließend kann wieder Fluid in den ersten Gasraum eingeleitet und wiederum durch eine Einleitung und Expansion des Arbeitsfluids in den zweiten Gasraum verdichtet werden. Dies kann sich zyklisch fortsetzen. Entscheidend ist, dass das in den zweiten Behälter ausgeleitete ex- pandierte Arbeitsfluid innerhalb des zweiten Behälters von seinem gasförmigen in seinen flüssigen Aggregatzustand übergeht. Mit anderen Worten kondensiert das gasförmige Arbeits¬ fluid wenigstens teilweise innerhalb des zweiten Behälters. Dies wird beispielsweise durch eine hierfür vorgesehene Tem¬ peratur oder einen hierfür vorgesehenen Druck innerhalb des zweiten Behälters ermöglicht. Dadurch setzt sich das Arbeits- fluid innerhalb des zweiten Behälters als Flüssigkeit ab, so- dass der zweite Behälter, wie bereits der erste Behälter, zur Aufnahme des Arbeitsfluides vorgesehen ist. Weiterhin kann hierbei eine Wärmeabgabe des Arbeitsfluides (innerhalb des zweiten Behälters) an die Umgebung vorgesehen sein. Vorteilhafterweise ist für das Verdichten des Fluids keine elektrische Energie erforderlich. Das Fluid wird allein auf¬ grund der thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsfluids und dessen Wechsel zwischen seinen Aggregatzuständen verdichtet. Hierbei weist die Erfindung den Vorteil auf, dass Nie- dertemperaturwärme, das heißt Wärme mit einer Temperatur un¬ terhalb von etwa 130 Grad Celsius, ausreichend ist, den Ver¬ dichter durch Zuführung der Wärme in den ersten Behälter zu betreiben. Mit anderen Worten kann vorteilhafterweise Niedertemperaturwärme, die bei vielen industriellen Prozessen oder Anlagen anfällt und typischerweise verloren ist, gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verdichtung des Fluids verwendet werden .
Da die vorliegende Erfindung den Phasenübergang des Arbeits- fluids, das heißt seinen Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand, vorteilhaft verwendet, weist die vorliegende Erfindung im Vergleich zu bekannten Verdichtern mit Stirlingmotoren eine höhere Leistungsdichte auf. Mit an¬ deren Worten kann mit der vorliegenden Erfindung eine höhere Leistungsdichte im Vergleich zu bekannten Verdichtern mit Stirlingmotoren erreicht werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das Problem des hohen Schubes, wie beispielsweise bei einem ther- mokinetischen Verdichter, der hohe Leistungsdichten erreicht, vermieden wird. Die vorliegende Erfindung kombiniert daher die Vorteile eines Verdichters mit Stirlingmotor, beispiels¬ weise einfacher Aufbau und kompakte Bauweise, mit den Vortei- len eines thermokinetischen Verdichters, beispielsweise eine hohe Leistungsdichte, synergetisch .
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass diese vollständig skalierbar ist. Dadurch können nahezu be¬ liebige Leistungsdichten erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner Ausgestaltungen um- fasst wenigstens
- einen ersten und zweiten Behälter zur Aufnahme eines flüssigen Arbeitsfluids sowie eine Verdichtungsvorrichtung mit einem bewegbaren Trennungselement, wobei das Trennungselement einen ersten und zweiten Gasraum der Verdichtungsvorrichtung fluiddicht voneinander trennt;
- wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, ein Einleiten des Fluids in den ersten Gasraum und eine Expansion des Ar- beitsfluids in den zweiten Gasraum zu ermöglichen, wobei hierdurch wenigstens ein Teil des Arbeitsfluids vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht;
- wobei das Volumen des ersten Gasraumes mittels einer Bewe¬ gung des Trennungselementes, die durch die Expansionsarbeit des gasförmigen Arbeitsfluids bewirkbar ist, verringerbar ist; und
- die Vorrichtung weiterhin dazu ausgestaltet ist, das ver¬ dichtete Fluid aus dem ersten Gasraum auszuleiten sowie das expandierte Arbeitsfluid aus dem zweiten Gasraum in den zwei¬ ten Behälter auszuleiten. Erfindungsgemäß sind der Druck und die Temperatur innerhalb des zweiten Behälters derart ausgebildet, dass das Arbeits¬ fluid innerhalb des zweiten Behälters vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht. Es ergeben sich zum bereits genannten erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird dem Arbeitsfluid innerhalb des ersten Behälters vor seiner Expansion Wärme, insbesondere Abwärme oder Niedertemperaturwärme, zugeführt.
Dadurch kann vorteilhafterweise Abwärme oder Niedertempera¬ turwärme, die beispielsweise innerhalb eines industriellen Prozesses oder einer industriellen Anlage anfällt, zur Verdichtung des Fluids verwendet werden. Mit anderen Worten wird die Verdichtung des Fluids wenigstens teilweise durch die Zu¬ führung der Abwärme oder Niedertemperaturwärme wenigstens teilweise abgedeckt.
Dadurch bildet der erste Behälter ein warmes Wärmereservoir und der zweite Behälter ein kaltes Wärmereservoir, vergleichbar zu einem Stirlingmotor, aus.
Bevorzugt ist es hierbei, wenn die Temperatur des ersten Be¬ hälters größer als die Temperatur des zweiten Behälters ein- gestellt wird.
Aufgrund der im Bezug auf den zweiten Behälter höheren Temperatur des ersten Behälters ist vorteilhafterweise der Druck innerhalb des ersten Behälters größer als der Druck innerhalb des zweiten Behälters, sodass aufgrund des erhöhten Druckes eine vergrößerte Expansionsarbeit des Arbeitsfluids ermög¬ licht wird. Dadurch wird vorteilhafterweise eine verbesserte Verdichtung des Fluids ermöglicht. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt eine Rückführung des flüssigen Arbeitsfluids aus dem zweiten Behälter in den ersten Behälter.
Dadurch wird vorteilhafterweise eine zyklische Verdichtung des Fluids ermöglicht. Das ist deshalb der Fall, da durch die Verdichtung des Fluids das Arbeitsfluid von dem ersten Behäl¬ ter in den zweiten Behälter übergeht. Dies setzt sich solange fort, bis das Arbeitsfluid innerhalb des ersten Behälters vollständig aufgebraucht und innerhalb des zweiten Behälters vorliegt. Um das Fluid daher weiter zu verdichten ist es vorteilhafterweise vorgesehen das Arbeitsfluid aus dem zweiten Behälter in den ersten Behälter rückzuführen. Anschließend kann dem rückgeführten Arbeitsfluid innerhalb des ersten Be¬ hälters wieder Wärme, insbesondere Abwärme oder Niedertempe¬ raturwärme, zugeführt werden und weiteres Fluid mittels des Arbeitsfluids verdichtet werden. Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Rückführung mit einer Pumpe und/oder durch die Wirkung der Schwerkraft erfolgt. Die Rückführung mittels einer Pumpe hat den Nachteil, dass hierzu elektrische Energie erforderlich ist. Um diesen Nachteil zu umgehen, ist es besonders bevorzugt die Rückfüh- rung durch die Wirkung der Schwerkraft auszubilden. Mit anderen Worten weist der zweite Behälter eine höhere geodätische Anordnung als der erste Behälter auf. Dadurch kann das innerhalb des zweiten Behälters angeordnete Arbeitsfluid allein durch die Wirkung der Schwerkraft in den ersten Behälter zu- rückfließen. Vorteilhafterweise ist hierzu keine elektrische Energie erforderlich.
Wird dennoch eine Pumpe zur Rückführung verwendet, so ist es von Vorteil einen thermoelektrischen Generator zur Bereit- Stellung von elektrischer Energie für die Pumpe zu verwenden.
Vorteilhafterweise kann dadurch thermische Energie in elekt¬ rische Energie gewandelt werden, die zum Betreiben der Pumpe verwendet werden kann. Dadurch kann vorteilhafterweise die Vorrichtung, trotz Verwendung einer Pumpe zur Rückführung des Arbeitsfluids , ohne oder nahezu ohne Zuführung elektrischer Energie betrieben werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Einleitung des Fluids in den ersten Gasraum und/oder die Einleitung des Arbeitsfluids in den zweiten Gasraum mittels eines Ventils. Vorteilhafterweise kann hierdurch die Einleitung beziehungs¬ weise die Ausleitung der jeweiligen Fluide in die jeweiligen Gasräume gesteuert und/oder geregelt werden. Insbesondere sind selbststeuernde Ventile von Vorteil.
Weiterhin ist es für die Ausleitung bevorzugt, wenn die Ausleitung des Fluids aus dem ersten Gasraum und/oder die Ausleitung des Arbeitsfluids aus dem zweiten Gasraum jeweils mittels eines Ventils erfolgt.
Hieraus ergeben sich die gleichen Vorteile wie bereits bei der Einleitung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die jeweiligen Ventile in Abhängigkeit der räumlichen Position des Trennungselementes geregelt.
Dadurch kann vorteilhafterweise eine automatisierter und ef¬ fizienter Betrieb der Vorrichtung, das heißt eine automati- sierte und effiziente Verdichtung des Fluids, erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Arbeitsfluid ein Fluid verwendet, das wenigstens ein Flu- orketon umfasst.
Insbesondere ist es hierbei von Vorteil als Arbeitsfluid das Fluid mit dem Handelsnamen Novec 649 zu verwenden. Das genannte Arbeitsfluid hat einen Gleichgewichtsdruck von etwa 500 Millibar (0,5 bar) bei einer Temperatur von etwa 30 Grad Celsius und einen Gleichgewichtsdruck von etwa 13 bar bei einer Temperatur von etwa 150 Grad Celsius.
In einem ersten Schritt können die Behälter evakuiert werden. Dann kann der erste Behälter mit dem genannten Arbeitsfluid wenigstens teilweise befüllt werden. Dadurch liegt das einge¬ füllte Arbeitsfluid, hier Novec 649, stets bezüglich seiner physikalischen Eigenschaften auf seiner Gleichgewichtskurve. Wird nun dem ersten Behälter Wärme zugeführt, beispielsweise auf eine Temperatur von 150 Grad Celsius, so führt dies zu einem Druck innerhalb des ersten Behälters von etwa 13 bar. Wird der zweite Behälter, beispielsweise durch eine Kühlung, bei etwa 30 Grad Celsius gehalten, so ergibt sich ein Gleich- gewichtsdruck von etwa 500 Millibar für das hier verwendete Arbeitsfluid . Aus dem resultierenden Druckunterschied (zwi¬ schen 13 bar und 0,5 bar) kann Expansionsarbeit verrichtet und somit die Verdichtung des Fluids erfolgen. Hierbei kann die Temperatur des ersten und zweiten Behälters annähernd konstant gehalten werden. Weiterhin können andere Arbeits- fluide analog eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als Trennungselement ein Kolben verwendet.
Mit anderen Worten ist das Trennungselement als Kolben ausge¬ bildet. Dadurch bildet die Verdichtungsvorrichtung vorteilhafterweise einen Kolbenverdichter aus. Die Bewegung des Trennungselementes, das heißt des Kolbens, kann eine Linear- bewegung, das heißt eine Auf- und Abwärtsbewegung des Kol¬ bens, innerhalb der Verdichtungsvorrichtung sein.
Besonders bevorzugt wird als Trennungselement eine elastische Membran verwendet, wobei die Bewegung des Trennungselementes durch eine Ausdehnung der Membran erfolgt.
Vorteilhafterweise bildet dadurch die Verdichtungsvorrichtung ein Expansionsgefäß aus. Hierbei erfolgt die Verdichtung des Arbeitsfluids durch die Expansion, das heißt durch die Aus- dehnung der Membran. Ein wesentlicher Vorteil hierbei ist, dass hierzu keinerlei mechanische oder bewegbare Bauteile, wie beispielsweise ein Kolben, erforderlich sind. Vorteil¬ hafterweise sind zudem keinerlei Schmierstoffe oder Gleit¬ stoffe erforderlich.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei- spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert :
Figur la einen ersten Takt eines erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur lb einen zweiten Takt des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figur 2a einen ersten Takt des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eine Pumpe umfasst;
Figur 2b einen zweiten Takt des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die
Vorrichtung eine Pumpe umfasst;
Figur 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Mehrzahl von Verdichtungsvorrichtungen; und
Figur 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Mehrzahl von Verdichtungsvorrichtungen und einer Mehrzahl von ersten und zweiten Behältern. Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente kön¬ nen in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
In Figur 1 ist eine schematische Darstellung des ersten Taktes der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen ersten und zweiten Behälter 11, 12 sowie eine Verdichtungsvorrichtung 3. Die Verdichtungsvorrichtung 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Kolbenverdichter ausgebildet, sodass diese ein Trennungs- element 33 in Form eines Kolbens aufweist. Das Trennungsele¬ ment 33 beziehungsweise der Kolben trennt einen ersten
Gasraum 31 fluiddicht von einem zweiten Gasraum 32 innerhalb der Verdichtungsvorrichtung 3 ab. Weiterhin weist die Vor- richtung 1 wenigstens vier Ventile 2 auf. Hierbei sind die Ventile 2 zur Einleitung eines Fluids oder Arbeitsfluids oder zur Ausleitung der genannten Fluide aus der Verdichtungsvorrichtung 3 beziehungsweise in die Verdichtungsvorrichtung 3 vorgesehen.
In Figur 1 ist ein Zustand (oder Takt) der Vorrichtung 1 dargestellt, bei dem wenigstens ein Teil des Fluids, das ver¬ dichtet werden soll, bereits in den ersten Gasraum eingelei- tet wurde (symbolisiert durch die gepunktete Schraffur) . Da¬ durch ist der erste Gasraum 31 wenigstens teilweise mit dem verdichteten Fluid befüllt. Der Gasraum 31 weist eine erste und zweite Öffnung auf, wobei mit der ersten Öffnung das Fluid eingeleitet und mit der zweiten Öffnung das verdichtete Fluid aus dem ersten Gasraum 31 ausgeleitet wird. Die Einlei¬ tung des Fluids mittels der ersten Öffnung in den ersten Gasraum 31 ist durch die Kennzeichnung T3, P3 verdeutlicht, wobei T3 der Temperatur des eingeleiteten Fluids und P3 dem Druck des eingeleiteten Fluids entspricht. Die Ausleitung des verdichteten Fluids mittels der zweiten Öffnung ist analog mit den Buchstaben T4, P4 gekennzeichnet, wobei T4 der Tempe¬ ratur des ausgeleiteten Fluids und P4 dem Druck des ausgelei¬ teten verdichteten Fluids entspricht. Weiterhin ist P4 größer als P3 und/oder T4 größer als T3.
Der zweite Gasraum 32 weist, wie bereits der erste Gasraum 31, eine erste Öffnung sowie eine zweite Öffnung auf. Die erste Öffnung des zweiten Gasraumes 32 ist über eines der Ventile 2 mit dem ersten Behälter 11 der Vorrichtung 1 fluidisch gekoppelt. Die erste Öffnung des zweiten Gasraumes 32 ist daher zur Einleitung (symbolisiert durch das Bezugs¬ zeichen 301) des Arbeitsfluids , das innerhalb des ersten Be¬ hälters 11 angeordnet ist, vorgesehen. Die zweite Öffnung ist zur Ausleitung des genannten Arbeitsfluids aus dem zweiten Gasraum 32 in den zweiten Behälter 12 vorgesehen.
Das Arbeitsfluid innerhalb des ersten Behälters 11 wird bei¬ spielsweise durch eine Zuführung von Wärme, insbesondere Ab- wärme oder Niedertemperaturwärme, auf die Temperatur ΤΊ und den Druck Pi gebracht. Die Zuführung der genannten Wärme ist durch den Pfeil 101 und einem Q mit einem über diesem stehenden Punkt (Q-Punkt; zeitliche Änderung der Wärme) symbolisch gekennzeichnet. Weiterhin weist das Arbeitsfluid innerhalb des zweiten Behälters 12 die Temperatur T2 sowie den Druck P2 auf. Um die Temperatur T2 und den Druck P2 zu erreichen, ist eine Abfuhr von Wärme, gekennzeichnet durch den Pfeil 102, vorgesehen. Weiterhin ist P2 kleiner als Pi und/oder T2 klei- ner als ΤΊ. Das Arbeitsfluid innerhalb der Behälter 11, 12 ist jeweils durch die gestrichelte Schraffur gekennzeichnet.
Die Vorrichtung 1 weist eine Rückführung 305 auf, die das Arbeitsfluid vom zweiten Behälter 12 zum ersten Behälter 11 rückführt.
Gemäß des in Figur la dargestellten Taktes wird das Arbeits¬ fluid aus dem ersten Behälter 11 mit der Temperatur ΤΊ und dem Druck Pi in den zweiten Gasraum 32 der Verdichtungsvor- richtung 3 eingeleitet (symbolisiert durch das Bezugszeichen 301) . Dies kann beispielsweise über eines der Ventile 2 ge¬ steuert oder geregelt werden. Durch die Einleitung oder Öffnung des zugehörigen Ventils 2 geht das flüssige Arbeitsfluid innerhalb des ersten Behälters 11 in seinen gasförmigen Ag- gregatzustand über, sodass dieses in den zweiten Gasraum 32 der Verdichtungsvorrichtung 3 expandiert. Dadurch kann das Arbeitsfluid innerhalb des ersten Behälters 11 beziehungswei¬ se das gasförmige Arbeitsfluid innerhalb des zweiten Gasrau¬ mes 32 Expansionsarbeit leisten, die in die Bewegung des Trennungselementes 33 gewandelt wird (verdeutlicht durch den Pfeil 42) . Durch die Bewegung des Trennungselementes 33 wird folglich das Volumen des ersten Gasraumes 31 verkleinert, so¬ dass eine Verdichtung des sich darin befindenden Fluids erfolgt. Dadurch wird das Fluid innerhalb des ersten Gasraumes 31 auf die Temperatur T4 und den Druck P4 verdichtet. Nach dessen Verdichtung kann eine Ausleitung (symbolisiert durch das Bezugszeichen 303) des verdichteten Fluids aus dem ersten Gasraum 31 erfolgen. Mit anderen Worten wird im dargestellten Takt das Arbeits- fluid aus dem ersten Behälter 11 in den Gasraum 32 eingeleitet (symbolisiert durch das Bezugszeichen 301) und somit das Fluid innerhalb des ersten Gasraumes 31 verdichtet und nach dessen Verdichtung ausgeleitet (symbolisiert durch das Be¬ zugszeichen 303) .
Insbesondere kann es hierbei vorgesehen sein, die Temperatur Ti des ersten Behälters 11 sowie die Temperatur T2 des zwei¬ ten Behälters 12 jeweils annähernd konstant zu halten.
In Figur lb ist ein weiterer Takt der erfindungsgemäßen Verdichtung dargestellt. Hierbei wird nach der Verdichtung des Fluids das sich im zweiten Gasraum 32 befindende Arbeitsfluid in den zweiten Behälter 12 eingeleitet (symbolisiert durch das Bezugszeichen 304). Die Einleitung erfolgt wenigstens teilweise durch den Druckunterschied der Behälter 31, 32. Das ist deshalb der Fall, da der zweite Behälter 12 einen gerin- geren Druck P2 als der erste Behälter 11 (Druck Pi) aufweist. Mit anderen Worten wird nach der Öffnung eines der Ventile 2, das zur Ausleitung 304 des Arbeitsfluids in den zweiten Behälter 12 vorgesehen ist, das Arbeitsfluid im zweiten Gasraum 32 aus diesem in den zweiten Behälter 12 herausgesaugt. Hier- bei sind die Temperatur T2 und der Druck P2 innerhalb des zweiten Behälters 12 derart eingestellt, dass das Arbeits¬ fluid hierbei in seinen flüssigen Aggregatzustand übergeht. Dies kann durch die Abfuhr von Wärme, symbolisiert durch den Pfeil 102, erfolgen.
Weiterhin wird das Trennungselement 33 durch die Ausleitung des Arbeitsfluids in den zweiten Behälter 12 (symbolisiert durch das Bezugszeichen 304) in seine in Figur la dargestellte Position zurückgezogen oder zurückgebracht. Dies ist wie- derum durch den Pfeil 42 in Figur lb verdeutlicht.
Gleichzeitig kann über die erste Öffnung des ersten Gasraumes 31 weiteres Fluid (symbolisiert durch den Pfeil 302) mit ei- ner Temperatur 3 und einem Druck P3 in den ersten Gasraum 31 angesaugt und somit dadurch eingeleitet werden. Im Weiteren kann wiederum die Verdichtung des eingeleiteten Fluids gemäß Figur la erfolgen.
Dadurch ergibt sich ein Kreislauf, der solange fortgesetzt werden kann, bis das Arbeitsfluid nahezu vollständig vom ers¬ ten Behälter 11 zum zweiten Behälter 12 übergegangen ist. Zur Fortführung des Kreislaufes ist daher die Rückführung 305 vorgesehen, die das flüssige Arbeitsfluid innerhalb des zwei¬ ten Behälters 12 zum ersten Behälter 11 rückführt. Zudem muss dem abgekühlten und rückgeführten Arbeitsfluid wiederum Wärme, symbolisiert durch den Pfeil 101, zugeführt werden. Mit anderen Worten ermöglicht die Vorrichtung 1 eine Verdichtung des Fluids allein durch die Zuführung und Abführung von Wärme, insbesondere von Abwärme oder Niedertemperaturwärme. Vorteilhafterweise ist für die Verdichtung des Fluids zu¬ nächst keine elektrische Energie erforderlich.
Die Figuren 2a und 2b stellen im Wesentlichen den gleichen Sachverhalt wie bereits die Figuren la und lb dar. Im Unter¬ schied zu den Figuren la und lb ist in den Figuren 2a und 2b die Rückführung 305 des Arbeitsfluids mittels einer Pumpe 6 und einem weiteren Ventil 2 ausgebildet. Zwar ist durch die Pumpe 6 eine Rückführung 305 des Arbeitsfluids vom zweiten Behälter 12 in den ersten Behälter 11 möglich, aber es ist elektrische Energie für ihren Betrieb erforderlich. Soll die Vorrichtung 1 allein mit thermischer Energie betrieben wer- den, so ist es beispielsweise vorgesehen, die Pumpe mittels eines thermoelektrischen Generators, der Wärme in elektrische Energie wandelt, zu betreiben.
Figur 2a entspricht daher im Wesentlichen Figur la, und Figur 2b entspricht im Wesentlichen Figur lb, sodass das unter den Figuren la oder lb Gesagte auch für die Figuren 2a beziehungsweise 2b gilt. Eine besonders bevorzugte Rückführung 305 des Arbeitsfluids ergibt sich, wenn das Arbeitsfluid allein durch die Wirkung der Schwerkraft vom zweiten Behälter 12 in den ersten Behälter 11 rückgeführt wird. Mit anderen Worten weist der zweite Behälter 12 eine höhere geodätische Anordnung als der erste Behälter 11 auf. Dadurch kann vorteilhafterweise die Verwendung von elektrischer Energie oder des thermoelektrischen Generators vermieden werden. Figur 3 zeigt eine zu den Figuren la, lb und 2a, 2b ver¬ gleichbare Vorrichtung 1. Im Unterschied zu den genannten Figuren ist in Figur 3 eine Mehrzahl von Verdichtungsvorrichtungen 3 vorgesehen. Jede der Verdichtungsvorrichtungen 3 weist ein Trennungselement 33 sowie einen ersten Gasraum 31 und zweiten Gasraum 32 auf. Die Ein- und Ausleitung des zu verdichtenden Fluids ist aus Gründen der Übersicht nicht dargestellt.
Die Verdichtungsvorrichtungen 3 sind jeweils durch eine ge- meinsame Zuleitung 7 mit dem ersten Behälter 11 und einer gemeinsamen Ableitung 8 mit dem zweiten Behälter 12 verbunden. Mit anderen Worten sind die Verdichtungsvorrichtungen 3 gemäß des Stromes oder Flusses des Arbeitsfluids parallel angeord¬ net. Dadurch können vorteilhafterweise Fluktuationen im Mas- senstrom des Arbeitsfluids effizienter ausgeglichen werden.
Jede der Verdichtungsvorrichtungen 3 wird, wie bereits in den Figuren la, lb, 2a und/oder 2b beschrieben, betrieben.
Figur 4 zeigt eine zu Figur 2 vergleichbare Vorrichtung 1. Im Unterschied zu Figur 3 weist die Vorrichtung 1 aus Figur 4 zwei erste Behälter 11 sowie zwei zweite Behälter 12 auf. Die zwei ersten Behälter 11 sind über eine gemeinsame Zuleitung 7 mit der Mehrzahl der Verdichtungsvorrichtungen 3 fluidisch gekoppelt. Weiterhin sind die zwei zweiten Behälter 12 über eine gemeinsame Ableitung 8 mit der Mehrzahl der Verdichtungsvorrichtungen 3 fluidisch gekoppelt. Mit anderen Worten weist die in Figur 4 dargestellte Vorrichtung 1 ein erstes und ein zweites Paar von ersten und zweiten Behälter 11, 12 auf, wobei jedes Paar einen ersten und zweiten Behälter 11, 12 umfasst. Weiterhin weist jedes Paar eine Rückführung 305 des Arbeitsfluids auf, mit der das Arbeitsfluid aus dem dem Paar zugehörigen zweiten Behälter 12 in den dem Paar zugehö- rigen ersten Behälter 11 rückgeführt werden kann.
Der Vorteil der dargestellten Vorrichtung 1 ist, dass diese einen nahezu kontinuierlichen Betrieb der Vorrichtung 1 ermöglicht. Zunächst wird das erste Paar, umfassend einen der ersten Behälter 11 und einen der zweiten Behälter 12, zum Betrieb, das heißt zur Verdichtung des Fluids, verwendet. Ist das Arbeitsfluid des ersten Paares dann nahezu vollständig vom ersten Behälter 11 in den zweiten Behälter 12 übergegangen, so erfolgt mittels der Ventile 2 ein Umschalten, sodass nun das zweite Paar zum weiteren Betrieb der Verdichtungsvorrichtungen 3 herangezogen wird. Währenddessen kann das Arbeitsfluid des ersten Paares vom zweiten Behälter 12 zum ersten Behälter 11 mittels der Rückführung 305 rückgeführt werden. Nach der Rückführung des Arbeitsfluids des ersten Paares ist das erste Paar wieder einsatzbereit. Zu diesem Zeitpunkt kann wiederum durch die Ventile 2 ein Umschalten erfolgen, sodass nun wieder das erste Paar zum Betrieb, das heißt zum Verdichten des Fluids mittels der Verdichtungsvorrichtungen 3, verwendet wird. Während des Betriebes mittels des ersten Paares wird dann analog zum ersten Paar das zweite Paar wie¬ der beladen, das heißt das Arbeitsfluid vom zweiten Behälter 12 des zweiten Paares zum ersten Behälter 11 des zweiten Paares rückgeführt und unter der Zufuhr von Wärme (gekennzeichnet durch den Pfeil 101) auf die Temperatur ΤΊ und den Druck Pi gebracht.
Dadurch wird vorteilhafterweise ein annähernd kontinuierli¬ cher Betrieb der Mehrzahl von Verdichtungsvorrichtungen 3 ermöglicht. Insbesondere ist es hierbei von Vorteil, die jewei- lige Rückführung 305 mittels der Wirkung der Schwerkraft zu bewirken . Als Arbeitsfluid können Fluide mit den Handelsnamen Novec 649, Novec 7000 und/oder R134A verwendet werden. Weiterhin kann in den Figuren 1 bis 4 anstatt eines Kolbenverdichters ein Expansionsverdichter (engl, expansion vessel) , der eine Membran als Trennungselement aufweist, verwendet werden.
Die Erfindung stellt daher ein Verfahren und eine Vorrichtung 1 bereit, mit der das Fluid nahezu ohne einen Eintrag von elektrischer Energie verdichtet wird, sodass eine thermische Verdichtung des Fluids (thermischer Verdichter) erfolgt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verdichten eines Fluids, umfassend die
Schritte :
- Bereitstellen eines ersten Behälters (11) mit einem flüssi¬ gen Arbeitsfluid, eines zweiten Behälters (12) sowie einer Verdichtungsvorrichtung (3) mit einem bewegbaren Trennungselement (33) , wobei das Trennungselement (33) einen ersten und zweiten Gasraum (31, 32) der Verdichtungsvorrichtung (3) fluiddicht voneinander trennt;
- Einleiten (302) des Fluids in den ersten Gasraum (31);
- Expansion (301) des Arbeitsfluids in den zweiten Gasraum (32), wobei hierdurch wenigstens ein Teil des Arbeitsfluids vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht; - Verringerung des Volumens des ersten Gasraumes (31) mittels einer Bewegung des Trennungselementes (33) , wobei die Bewe¬ gung durch die Expansionsarbeit des gasförmigen Teils des Ar- beitsfluids bewirkt wird;
- Ausleiten (303) des verdichteten Fluids aus dem ersten Gasraum (31); und
- Ausleiten (304) des expandierten Arbeitsfluids aus dem zweiten Gasraum (32) in den zweiten Behälter (12);
dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid innerhalb des zweiten Behälters (12) vom gasförmigen in den flüssigen Ag- gregatzustand übergeht.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Arbeitsfluid innerhalb des ersten Behälters (11) vor sei¬ ner Expansion Wärme, insbesondere Abwärme, zugeführt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des ersten Behälters (11) größer als die Temperatur des zweiten Behälters (12) eingestellt wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführung (305) des flüssi¬ gen Arbeitsfluids aus dem zweiten Behälter (12) in den ersten Behälter (11) erfolgt.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung (305) mittels einer Pumpe (6) und/oder durch die Wirkung der Schwerkraft erfolgt.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung (302) des Fluids in den ersten Gasraum (31) und/oder die Einleitung (301) des Ar- beitsfluids in den zweiten Gasraum (32) jeweils mittels eines Ventils (2) erfolgt.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleitung (303) des Fluids aus dem ersten Gasraum (31) und/oder die Ausleitung (304) des Arbeitsfluids aus dem zweiten Gasraum (32) jeweils mittels eines Ventils (2) erfolgt.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Ventile (2) in Abhängigkeit der räumlichen Position des Trennungselementes (33) geregelt werden .
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsfluid ein Fluid verwen- det wird, das wenigstens ein Fluorketon umfasst.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennungselement (33) ein Kol¬ ben verwendet wird.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennungselement (33) eine elastische Membran verwendet wird, wobei die Bewegung des Trennungsele¬ mentes (33) durch eine Ausdehnung der Membran erfolgt.
12. Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend - einen ersten und zweiten Behälter (11, 12) zur Aufnahme eines flüssigen Arbeitsfluids sowie eine Verdichtungsvorrichtung (3) mit einem bewegbaren Trennungselement (33) , wobei das Trennungselement (33) einen ersten und zweiten Gasraum (31, 32) der Verdichtungsvorrichtung (3) fluiddicht voneinander trennt;
- wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgebildet ist, ein Einlei¬ ten (302) des Fluids in den ersten Gasraum (31) und eine Expansion (301) des Arbeitsfluids in den zweiten Gasraum (32) zu ermöglichen, wobei hierdurch wenigstens ein Teil des Ar- beitsfluids vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht ;
- wobei das Volumen des ersten Gasraumes (31) mittels einer Bewegung des Trennungselementes (33) , die durch die Expansi- onsarbeit des gasförmigen Arbeitsfluids bewirkbar ist, verringerbar ist; und
- die Vorrichtung (1) weiterhin dazu ausgestaltet ist, das verdichtete Fluid aus dem ersten Gasraum (31) auszuleiten sowie das expandierte Arbeitsfluid aus dem zweiten Gasraum (32) in den zweiten Behälter (12) auszuleiten;
dadurch gekennzeichnet, dass Druck und Temperatur innerhalb des zweiten Behälters (12) derart ausgebildet sind, dass das Arbeitsfluid innerhalb des zweiten Behälters (12) vom gasför¬ migen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht.
13. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennungselement (33) als ein Kolben oder als eine Membran ausgebildet ist.
14. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Pumpe (6) zur Rückführung (305) des Arbeitsfluids vom zweiten zum ersten Behälter (32, 31) umfasst .
15. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen thermoelektrischen Generator zur Bereitstellung von elektrischer Energie für die Pumpe (6) um- fasst .
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