WÄRMEPUMPE ODER KÄLTEMASCHINE UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER WÄRMEPUMPE ODER KÄLTEMASCHINE

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] Im weiteren Umfeld der Erfindung offenbaren DE 26 10 063 A1 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.

Aufgabe

[0005] 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.

Lösung

[0006] 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 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.

[0007] 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.

[0008] 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 kein 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.

[0009] 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.

[0010] Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Kältemittel abwechselnd von zwei Flüssigkeitskolbenverdichtern mit jeweils einem Arbeitsraum verdichtet wird, deren gemeinsames Arbeitsfluid 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] Wenn das erfindungsgemäße 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 darauf folgenden Übertragen von Wärme auf das verdampfte Kältemittel und/oder beim anschließenden Kühlen - jeweils eventuell teilweise - kondensieren.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] Durch entsprechende Gestaltung der Oberflächen des Flüssigkeitskolbenverdichters sowie durch entsprechende Steuerung des Verdichtungsvorgangs (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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] Die Druckerniedrigungseinrichtung 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 als Expansionspumpe eine Freikolbenpumpe mit selbstschaltenden Ventilen verwendet wird.

[0020] 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.

Ausführungsbeispiel

[0021] Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, anhand derer der Wärmepumpenprozess gemäß der Erfindung dargestellt ist, näher erläutert.

[0022] Es zeigt:

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 Kältemittel 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.

[0023] Eine in dem Anlagenschaubild gemäß Figur 5 schematisch dargestellte 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:

[0024] 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 (31°C) 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.

[0025] 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.

[0026] 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.

[0027] 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.

[0028] 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.

[0029] Die Hydraulikleitungen 24 und 25 führen 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.

[0030] 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 Abführleitungen 36, 37 sowie Zufuhrleitungen 38, 39 angeschlossen.

[0031] 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 abgekühlte 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.

[0032] Die Wärmepumpe/Kältemaschine 1 verfügt 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.

[0033] 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.

[0034] 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 D' erreicht, der sich durch eine größere Entropie - bedingt durch die isenthalpe Entspannung - auszeichnet.

[0035] 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.

[0036] 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.

[0037] 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 als 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.

[0038] In den Figuren sind

1

Wärmepumpe/Kältemaschine

2

Flüssigkeitskolbenverdichter

3

Gaskühler/Kondensator

4

Innerer Wärmeübertrager

5

Hochdruckspeicher

7

Niederdruckspeicher

8

Verdampfer

9

Rückschlagventil

10

Rückschlagventil

11

Rückschlagventil

12

Rückschlagventil

13

Leitung

14

Leitung

15

Leitung

16

Leitung

17

Leitung

18

Leitung

19

Leitung

20

Zylinder

21

Zylinder

22

Leitung

23

Leitung

24

Hydraulikleitung

25

Hydraulikleitung

26

Arbeitsraum

27

Arbeitsraum

28

Vier-Wege-Hydraulikventil

29

Hydraulikleitung

30

Leitung

31

Hydraulikpumpe

32

Doppelmantel

33

Doppelmantel

34

Wärmetauscherbündel

35

Wärmetauscherbündel

36

Abfuhrleitung

37

Abfuhrleitung

38

Zufuhrleitung

39

Drei-Wege-Ventil

40

Umwälzpumpe

41

Verbraucher

42

Expansionspumpe

43

Nassdampflinie

44

Maximum

45

Taulinie

46

Siedelinie

47

Schnittpunkt

Ansprüche

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

9. Wärmepumpe oder Kältemaschine (1) nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionspumpe (4) eine Freikolbenpumpe mit selbstschaltenden Ventilen ist.

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.

Claims

1. A method for operating a heat pump or refrigeration device (1) wherein a coolant is compressed by means of a fluid displacement compressor (2), is subsequently cooled and optionally condensed and then expanded and, in a next step, is evaporated and finally fed back to the fluid displacement compressor (2), characterized in that heat from the coolant, which is pre-cooled after the compression, is transferred to the evaporated coolant before said coolant is fed again 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) by means of which a hydraulic fluid of the fluid displacement compressor (2) can be pumped.

2. The method according to claim 1, characterized in that the fluid displacement compressor (2) has two operating chambers which are separated from each other, and that the coolant is alternatingly compressed in one of the two operating chambers, the common hydraulic fluid of which is alternatingly pumped back and forth from the one operating chamber (26, 27) into the other operating chamber (26, 27).

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the coolant is stored temporarily in a high pressure storage (5) after it has been cooled and has transferred further heat to the evaporated coolant.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that after expansion, the coolant is stored temporarily in a low pressure storage (7) before it is subsequently evaporated.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the coolant condensates during cooling and/or during transferring heat to the evaporated coolant and/or during the compression.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the coolant after the cooling and the heat transfer to the evaporated coolant is expanded under the performance of work in an engine, in particular an expansion pump (42) or an expansion turbine, before it is evaporated or heated.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that heat is extracted from the coolant during the compression in the fluid displacement compressor (2) in such a manner that the compression takes place isothermally and that the heat dissipated from the coolant by means of a separate heat transfer medium is fed to a heat sink, wherein the heat transfer medium, after heating in the fluid displacement compressor (2), is further heated in the cooler (3) for the coolant.

8. A heat pump or refrigeration device (1) with a fluid displacement compressor (2) for compressing a coolant while dissipating heat to a heat transfer medium materially separated from the coolant, a cooler (3) for reducing the temperature of the compressed coolant, a pressure reduction device for expanding the cooled coolant, an evaporator (8) for evaporating the expanded coolant, and lines connecting the aforementioned components so that the coolant can be conveyed in the cycle, and with a heat exchanger by means of which heat can be transferred from the coolant leaving the cooler to the coolant leaving the evaporator, characterized in that the pressure reduction device is an engine, in particular an expansion pump (42) or an expansion turbine which is arranged between the cooler (3) and the evaporator (8) and comprises an operative connection to a hydraulic pump (31) by means of which a hydraulic fluid of the fluid displacement compressor (2) can be pumped.

9. The heat pump or refrigeration device (1) according to the preceding claim, characterized in that the expansion pump (4) is a free piston pump with self-switching valves.

10. The heat pump or refrigeration device (1) according to any one of the claims 8 and 9, characterized by an operative connection, in particular a mechanical coupling, between the engine, which acts during the expansion of the coolant, and a hydraulic pump (31) by means of which a hydraulic fluid can be pumped into an operating chamber of the fluid displacement compressor (2).

Revendications

1. Procédé d'exploitation d'une pompe à chaleur ou d'une machine frigorifique (1), lors duquel un agent réfrigérant est comprimé au moyen d'un compresseur de liquide à pistons (2) puis refroidi et éventuellement condensé et ensuite expansé et dans une étape suivante, il est évaporé et finalement reconduit dans le compresseur de liquide à pistons (2), caractérisé en ce que de la chaleur de l'agent réfrigérant pré-refroidi après la compression est transférée sur l'agent réfrigérant évaporé avant que ce dernier ne soit reconduit vers le compresseur de liquide à pistons (2), ce qui achève le circuit du processus et en ce que l'agent réfrigérant est détendu dans une machine motrice, qui est en liaison active avec une pompe hydraulique (31), au moyen de laquelle un fluide hydraulique du compresseur de liquide à pistons (2) peut être pompé.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compresseur de liquide à pistons (2) comporte deux espaces de travail séparés et en ce que l'agent réfrigérant est compressé alternativement dans l'un des deux espaces de travail, dont le fluide hydraulique commun est pompé en va-et-vient alternativement de l'un des espaces de travail (26, 27) dans l'autre espace de travail (26, 27).

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédemment citées, caractérisé en ce que l'agent réfrigérant est temporairement stocké dans un accumulateur haute pression (5) après avoir été refroidi et avoir transféré de la chaleur supplémentaire sur l'agent réfrigérant évaporé.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédemment citées, caractérisé en ce qu'après l'expansion, l'agent réfrigérant est stocké temporairement dans un accumulateur basse pression (7) avant d'être évaporé consécutivement.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédemment citées, caractérisé en ce que lors du refroidissement et/ou du transfert de chaleur sur l'agent réfrigérant évaporé et/ou pendant la compression, l'agent réfrigérant se condense.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédemment citées, caractérisé en ce qu'après le refroidissement et le transfert de chaleur sur l'agent réfrigérant évaporé, l'agent réfrigérant est détendu sous rendement effectif dans une machine motrice, notamment une pompe d'expansion (42) ou une turbine d'expansion, avant d'être évaporé ou réchauffé.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédemment citées, caractérisé en ce que pendant la compression dans le compresseur de liquide à pistons (2), de la chaleur est retirée de l'agent réfrigérant, de telle sorte que la compression s'effectue de manière isotherme et en ce que la chaleur évacuée de l'agent réfrigérant au moyen d'un milieu caloporteur séparé est conduite vers un dissipateur thermique, après l'échauffement dans le compresseur de liquide à pistons (2), le milieu caloporteur étant encore échauffé dans le radiateur (3) pour l'agent réfrigérant.

8. Pompe à chaleur ou machine frigorifique (1) avec un compresseur de liquide à pistons (2) pour la compression d'un agent réfrigérant sous restitution de chaleur à un milieu caloporteur matériellement séparé de l'agent réfrigérant, un radiateur (3) pour baisser la température de l'agent réfrigérant compressé, un évaporateur (8) pour l'évaporation de l'agent réfrigérant détendu, ainsi que des conduits reliant les composants précédemment cités, de telle sorte que l'agent réfrigérant puisse être conduit dans le circuit et transféré sur l'agent réfrigérant quittant l'évaporateur avec un agent caloporteur au moyen duquel de la chaleur de l'agent réfrigérant quittant le radiateur peut être transférée sur l'agent réfrigérant quittant l'évaporateur, caractérisée en ce que le dispositif d'abaissement de la pression est une machine motrice, notamment une pompe d'expansion (42) ou une turbine d'expansion qui est placée entre le radiateur (3) et l'évaporateur (8) et qui est en liaison active avec une pompe (31) au moyen de laquelle un fluide hydraulique peut être pompé dans compresseur de liquide à pistons (2).

9. Pompe à chaleur ou machine frigorifique (1) selon la revendication précédemment citée, caractérisée en ce que la pompe d'expansion (4) est une pompe à pistons libres avec des soupapes à déclenchement automatique.

10. Pompe à chaleur ou machine frigorifique (1) selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée par une liaison active, notamment un couplage mécanique entre la machine motrice active pendant la détention de l'agent réfrigérant et une pompe hydraulique (31), à l'aide de laquelle un fluide hydraulique peut être pompé dans un espace de travail du compresseur de liquide à pistons (2).

Zeichnung