DE102013218565A1

DE102013218565A1 - Method for carrying out a thermodynamic process

Info

Publication number: DE102013218565A1
Application number: DE201310218565
Authority: DE
Inventors: Florian Reißner; Martin Kautz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-03-19
Also published as: WO2015039833A1

Abstract

Verfahren zum Durchführen eines thermodynamischen Prozesses, wobei ein Fluid in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird, wobei die Verdichtung des nach dem Verdampfen gasförmigen Fluids in mehreren einzelnen Verdichtungsstufen (V1, V2) erfolgt, wobei vor jeder Verdichtungsstufe (V1, V2) ein Erhitzen (E1, E2) des Fluids mittels einer Temperiereinrichtung (8, 9) durchgeführt wird.A method for carrying out a thermodynamic process, wherein a fluid is condensed, expanded, vaporized and compressed in a cyclic process, wherein the compression of the gaseous after evaporation gas in several individual compression stages (V1, V2), wherein before each compression stage (V1, V2 ) a heating (E1, E2) of the fluid by means of a tempering device (8, 9) is performed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines thermodynamischen Prozesses, wobei ein Fluid in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird. The invention relates to a method for performing a thermodynamic process wherein a fluid is condensed, expanded, vaporized and compressed in a cycle process.

Thermodynamische Prozesse, in welchen ein Fluid in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird, werden in vielen Bereichen der Technik zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt. Thermodynamic processes in which a fluid is condensed, expanded, vaporized and compressed in a cycle process are used in many fields of technology for different purposes.

Bekannte Beispiele solcher thermodynamischer Prozesse sind Dampfkompressionskreislaufprozesse, z. B. im Rahmen des Betriebs von Kältemaschinen bzw. Wärmepumpen. Bei Dampfkompressionskreislaufprozessen wird aus einem Wärmereservoir mit einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau Wärme aufgenommen, welche zur Verdampfung eines flüssigen Fluids verwendet wird. Das verdampfte und sonach gasförmige Fluid wird mittels einer Verdichtungseinrichtung, typischerweise einem Kompressor, verdichtet. Ein Teil der thermischen Energie des verdichteten Fluids wird gemeinsam mit der durch den Betrieb der Verdichtungseinrichtung entstehenden Abwärme an eine Wärmesenke abgegeben. Known examples of such thermodynamic processes are vapor compression cycle processes, e.g. B. in the context of the operation of refrigerators or heat pumps. In vapor compression cycle heat is absorbed from a heat reservoir having a comparatively low temperature level, which is used to evaporate a liquid fluid. The vaporized and therefore gaseous fluid is compressed by means of a compression device, typically a compressor. A portion of the thermal energy of the compressed fluid is delivered to a heat sink along with the waste heat generated by the operation of the compressor.

Bei der Verdichtung des gasförmigen Fluids ist darauf zu achten, dass die fluidspezifische Taulinie nicht unterschritten, d. h., dass das Fluid nicht verflüssigt wird, sondern gasförmig bleibt, da eine Verflüssigung des Fluids bedingt durch so genannte Flüssigkeitsschläge zu Beschädigungen an der Verdichtungseinrichtung führen kann. When compressing the gaseous fluid, it must be ensured that the fluid-specific dew point does not fall below the dew point. h., That the fluid is not liquefied, but remains gaseous, since a liquefaction of the fluid due to so-called liquid shocks can cause damage to the compression device.

Ein Vorschlag zur Sicherstellung eines gasförmigen Zustands des Fluids vor bzw. während der Verdichtung besteht darin, das gasförmige Fluid vor der Verdichtung in ausreichender Weise zu erhitzen. Entsprechende technische Ansätze bilden den Gegenstand der nachveröffentlichten Patentanmeldungen DE 10 2013 203 240.4 und DE 10 2013 203 243.9 . One proposal for ensuring a gaseous state of the fluid before or during compression is to sufficiently heat the gaseous fluid prior to compaction. Corresponding technical approaches form the subject of the post-published patent applications DE 10 2013 203 240.4 and DE 10 2013 203 243.9 ,

Die Erhitzung des Fluids führt jedoch zu einer Abnahme der Fluiddichte und sonach zu einer Zunahme des von der Verdichtungseinrichtung zu verdichtenden Fluidvolumens, was wiederum eine Erhöhung der Leistungsaufnahme der Verdichtungseinrichtung bzw. eine leistungsmäßig größer dimensionierte Verdichtungseinrichtung erfordert und sonach eine Erniedrigung der Effizienz bzw. des Wirkungsgrads des Gesamtprozesses bedingt. The heating of the fluid, however, leads to a decrease in the fluid density and thus to an increase in the volume of fluid to be compressed by the compression device, which in turn requires an increase in the power consumption of the compression device or a compression device of larger dimensions and thus a reduction in efficiency or efficiency of the overall process.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Durchführung eines thermodynamischen Prozesses anzugeben. The invention has for its object to provide a contrast improved method for performing a thermodynamic process.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass die Verdichtung des nach dem Verdampfen gasförmigen Fluids in mehreren einzelnen Verdichtungsstufen erfolgt, wobei vor jeder Verdichtungsstufe ein Erhitzen des Fluids mittels einer Temperiereinrichtung durchgeführt wird. The object is achieved by a method of the aforementioned type, which according to the invention is characterized in that the compression of the gaseous fluid after evaporation takes place in several individual compression stages, wherein prior to each compression stage, a heating of the fluid is carried out by means of a temperature control.

Erfindungsgemäß ist es im Rahmen eines thermodynamischen Kreislaufprozesses, in welchem ein Fluid über entsprechende Einrichtungen in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird, vorgesehen, das nach dem Verdampfen gasförmige Fluid nicht nur ein-, sondern mehrmals, d. h. wenigstens zweimal, zu verdichten. Entsprechend ist der Verdichtungsvorgang des Fluids in mehrere, d. h. wenigstens zwei, Verdichtungsstufen aufgeteilt bzw. unterteilt. According to the invention, it is provided as part of a thermodynamic cycle process in which a fluid is condensed, expanded, vaporized and compressed via corresponding devices in a cycle process, the gaseous fluid after evaporation not only one, but several times, d. H. at least twice, to compact. Accordingly, the compression process of the fluid in several, d. H. at least two, compression levels divided or divided.

Vor jeder Verdichtungsstufe wird das gasförmige Fluid mittels einer Temperiereinrichtung gezielt erhitzt, d. h. die Temperatur des gasförmigen Fluids wird vor jeder Verdichtungsstufe gezielt um ein gewisses, zumindest geringfügiges Maß, erhöht. Die gezielte, mittels der Temperiereinrichtung erfolgende Temperaturerhöhung des Fluids ist sonach von der durch die Verdichtung bedingten Temperaturerhöhung des Fluids zu unterscheiden. Before each compression stage, the gaseous fluid is selectively heated by means of a tempering, d. H. the temperature of the gaseous fluid is deliberately increased by a certain amount, at least slightly, before each compression stage. The targeted, taking place by means of tempering temperature increase of the fluid is therefore to be distinguished from the conditional by the compression of the fluid temperature increase.

Unter einer, im Weiteren noch näher spezifizierten Temperiereinrichtung ist allgemein eine Einrichtung zu verstehen, über welche das Fluid vor der Verdichtung, d. h. vor Eintritt in eine entsprechende Verdichtungseinrichtung, in welcher das Fluid verdichtet wird, erhitzbar ist. Die über die wenigstens eine Temperiereinrichtung bereitgestellte, zur Erhitzung des Fluids erforderliche Wärme kann aus dem thermodynamischen Prozess selbst oder aus einem hierzu separaten Wärmeerzeugungsprozess bereitgestellt werden. Mithin kann eine Temperiereinrichtung eine in dem thermodynamischen Prozess verwendete Einrichtung, wie z. B. eine, Verdampfungseinrichtung, oder eine separat zu dem thermodynamischen Prozess vorgesehene Einrichtung, wie z. B. eine Wärmeübertragungseinrichtung und/oder eine Heizeinrichtung, sein. Under a tempering device, which is specified in more detail below, a device is generally to be understood by means of which the fluid is pressurized prior to compaction, ie. H. before entry into a corresponding compression device in which the fluid is compressed, is heated. The heat provided via the at least one tempering device, which is required for heating the fluid, can be provided from the thermodynamic process itself or from a heat generation process separate therefrom. Thus, a tempering device used in the thermodynamic process device such. Example, a, evaporation device, or provided separately to the thermodynamic process device such. B. a heat transfer device and / or a heater, be.

Das Fluid wird erfindungsgemäß bis zu einer letzten Verdichtungsstufe, welcher gemäß dem thermodynamischen Kreislaufprozess ein Kondensieren des Fluids folgt, in mehreren Stufen kontinuierlich bzw. stufenweise verdichtet. Entsprechend wird die Dichte des Fluids über die jeweiligen Verdichtungsstufen kontinuierlich bzw. stufenweise erhöht. According to the invention, the fluid is continuously or stepwise compressed in several stages up to a last compression stage, which according to the thermodynamic cycle process follows a condensation of the fluid. Accordingly, the density of the fluid over the respective compression stages is increased continuously or stepwise.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Fluid sonach in einer ersten Verdichtungsstufe auf ein erstes Druckniveau verdichtet und in wenigstens einer hierauf folgenden weiteren Verdichtungsstufe auf ein weiteres, oberhalb des ersten Druckniveaus liegendes Druckniveau verdichtet werden. Das Fluid wird also durch Durchlaufen der aufeinander folgenden Verdichtungsstufen kontinuierlich bzw. stufenweise verdichtet bzw. komprimiert und weist demnach nach Durchlaufen der Verdichtungsstufen ein höheres Druckniveau als vor Durchlaufen der Verdichtungsstufen auf. In the context of the method according to the invention, the fluid can thus be compressed in a first compression stage to a first pressure level and in at least one subsequent further Compression level to another, above the first pressure level lying pressure level are compressed. The fluid is thus continuously or gradually compressed or compressed by passing through the successive compression stages and accordingly has a higher pressure level after passing through the compression stages than before passing through the compression stages.

Da jeder Verdichtungsstufe eine Erhitzung des Fluids vorgeschaltet wird, so dass das Fluid bis zum Erreichen der letzten Verdichtungsstufe kontinuierlich bzw. stufenweise erhitzt wird, wird auch die Temperatur des Fluids über die jeweiligen, den Verdichtungsstufen vorgeschalteten Temperierungsstufen kontinuierlich bzw. stufenweise erhöht. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die der ersten Verdichtungsstufe vorgeschaltete erste Erhitzung des Fluids auch durch das Verdampfen des Fluids in einer entsprechenden Verdampfungseinrichtung erfolgen kann. Since each compression stage is preceded by a heating of the fluid, so that the fluid is heated continuously or stepwise until reaching the last compression stage, the temperature of the fluid is continuously or gradually increased via the respective temperature control stages upstream of the compression stages. In this connection, it should be mentioned that the first heating of the fluid upstream of the first compression stage can also be effected by the evaporation of the fluid in a corresponding evaporation device.

Über die jeweilige, vor einer Verdichtung durchzuführende Erhitzung des Fluids kann gesteuert, d. h. Einfluss darauf genommen bzw. sichergestellt werden, dass das Fluid seine Taulinie nicht unterschreitet bzw. nicht kondensiert, d. h. in einem gasförmigen Zustand verbleibt. The respective heating of the fluid to be carried out before compaction can be controlled, d. H. Be influenced or ensured that the fluid does not fall below its dew point or not condensed, d. H. remains in a gaseous state.

Durch die kontinuierliche bzw. stufenweise Verdichtung des Fluids mittels der einzelnen, aufeinander folgenden Verdichtungsstufen kann die Dichte des zu verdichtenden Fluids im Vergleich zu einer einstufigen Verdichtung erhöht werden. Proportional zu der Fluiddichteerhöhung verringert sich der von den Verdichtungseinrichtungen zu verarbeitende Fluidvolumenstrom, was wiederum im Vergleich zu einer nur einstufigen Verdichtung des Fluids eine geringere Leistungsaufnahme der das Fluid verdichtenden Verdichtungseinrichtungen und somit den energiesparenden Einsatz von Verdichtungseinrichtungen mit geringeren Leistungsaufnahme erlaubt. By the continuous or stepwise compression of the fluid by means of the individual, successive compression stages, the density of the fluid to be compressed compared to a single-stage compression can be increased. Proportional to the increase in fluid density, the fluid volume flow to be processed by the compressors decreases, which in turn allows lower power consumption of the fluid compressing compressors compared to a single stage compression of the fluid, and thus energy efficient use of lower power compressors.

Für das Beispiel eines in dem thermodynamischen Prozess verwendeten Fluids in Form eines unter dem Handelsnamen Novec^TM 649 bekannten Fluoroketons ergibt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, d. h. insbesondere mit einer mehrstufigen Verdichtung des Fluids, im Vergleich zu einer einstufigen Verdichtung eine Dichtezunahme um Faktor 1,9. For the example of a fluid used in the thermodynamic process in the form of a known under the trade name Novec ^TM 649 fluoroketone results with the inventive method, ie in particular with a multi-stage compression of the fluid, compared to a single-stage compression, a density increase by a factor of 1.9 ,

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zweckmäßig für die Verwendung von Fluiden, welche in ihrem Temperatur-Entropie-Diagramm, kurz T-S-Diagramm, ein, insbesondere stark, überhängendes Zweiphasengebiet aufweisen. Ein überhängendes Zweiphasengebiet liegt vor, wenn die Taulinie des Fluids zumindest abschnittsweise, insbesondere überwiegend, in Richtung steigender Entropie geneigt ist. The inventive method is particularly useful for the use of fluids which have in their temperature-entropy diagram, short T-S-diagram, a, in particular strong, overhanging two-phase region. An overhanging two-phase region is present when the tau line of the fluid is inclined at least in sections, in particular predominantly, in the direction of increasing entropy.

Bevorzugt werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens Fluide mit einer (vergleichsweise) geringen Steigung der Taulinie in dem dem Fluid zugehörigen Temperatur-Entropie-Diagramm, kurz T-S-Diagramm, verwendet. Insbesondere werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sonach Fluide mit einer Tauliniensteigung kleiner 1200 K²kgkJ^–1, insbesondere kleiner 1000 K²kgkJ^–1, bevorzugt im Bereich zwischen 500 und 1000 K²kgkJ^–1, verwendet. Eine entsprechend geringe Steigung der Taulinie weisen beispielsweise verschiedene Fluorkohlenwasserstoffe, wie z. B. Fluoroketone, auf. In the context of the method according to the invention, fluids having a (comparatively) small slope of the tau line are preferably used in the temperature-entropy diagram associated with the fluid, in short the TS diagram. In particular, in the context of the process according to the invention, fluids with a toluene rate of less than 1200 K ² kgkJ ^-1 , in particular less than 1000 K ² kgkJ ^-1 , preferably in the range between 500 and 1000 K ² kgkJ ^-1 , are used. A correspondingly low slope of the dew point, for example, various fluorocarbons, such. As fluoroketones, on.

Eine unerwünschte, jedoch insbesondere im Rahmen des Verdichtens grundsätzlich mögliche Kondensation bzw. Verflüssigung des Fluids, kann ergänzend zu der oben erwähnten gezielten Erhitzung des Fluids vor den jeweiligen Verdichtungsstufen auch dadurch unterbunden werden, dass das Verdichten des gasförmigen Fluids in den einzelnen Verdichtungsstufen bevorzugt jeweils derart erfolgt, dass das gasförmige Fluid seine Taulinie nicht überschreitet. Mithin kann auch über eine Auswahl der einzelnen Verdichtungsstufen Einfluss darauf genommen bzw. sichergestellt werden, dass das Fluid seine Taulinie nicht unterschreitet bzw. nicht kondensiert und somit in einem gasförmigen Zustand verbleibt. Unter Berücksichtigung eines fluidspezifischen, den thermodynamischen Prozess abbildenden T-S-Diagramms sind die einzelnen Verdichtungsstufen derart zu wählen, dass das Fluid durch die Verdichtung möglichst nahe an seine Taulinie gelangt, diese jedoch nicht berührt und insbesondere nicht überschreitet. Die Auswahl der einzelnen Verdichtungsstufen, d. h. insbesondere der in diesen jeweils vorzunehmende bzw. vorgenommene Verdichtungsgrad des Fluids, ist sonach insbesondere unter Berücksichtigung des T-S-Diagramms des verwendeten Fluids zu wählen. Mithin lässt sich der für unterschiedliche Fluide und unterschiedliche Verdichtungsstufen typischerweise unterschiedliche Verdichtungsgrad insbesondere anhand eines einem konkreten Fluid zugehörigen T-S-Diagramms auswählen bzw. feststellen. An undesirable condensation or liquefaction of the fluid, which is possible in principle in the context of compression, can also be prevented in addition to the above-mentioned targeted heating of the fluid before the respective compression stages, in that the compression of the gaseous fluid in the individual compression stages is preferably in each case such that the gaseous fluid does not exceed its dew point. Consequently, a selection of the individual compression stages can also influence or ensure that the fluid does not fall below its dew point or does not condense and thus remains in a gaseous state. Taking into account a fluid-specific, the thermodynamic process mapping T-S diagram, the individual compression stages are to be selected such that the fluid passes through the compression as close to its dew point, but this does not touch and in particular does not exceed. The selection of the individual compaction levels, d. H. In particular, the degree of compaction of the fluid to be undertaken or carried out in each of these is to be chosen in particular taking into account the T-S diagram of the fluid used. Consequently, the degree of compaction, which is typically different for different fluids and different compression stages, can be selected or determined, in particular, on the basis of a T-S diagram associated with a specific fluid.

Um das Fluid im Rahmen des Verdichtens, wie vorstehend beschrieben, in einen thermodynamischen Zustand möglichst nahe seiner Taulinie zu bringen, ist es ebenso zweckmäßig, wenn das jeweilige Erhitzen des gasförmigen Fluids vor einer jeweiligen Verdichtungsstufe in einem Bereich bzw. thermodynamischen Zustand nahe seiner Taulinie erfolgt. Dieser für unterschiedliche Fluide typischerweise unterschiedliche Bereich lässt sich wiederum insbesondere aus einem konkreten Fluid zugehörigen T-S-Diagramm auswählen. In order to bring the fluid in the context of compression, as described above, in a thermodynamic state as close to its tau line, it is also appropriate if the respective heating of the gaseous fluid takes place before a respective compression stage in a region or thermodynamic state near its tau line , This region, which is typically different for different fluids, can in turn be selected in particular from a T-S diagram associated with a specific fluid.

Die zur Erhitzung des Fluids erforderliche Wärme wird, wie erwähnt, zweckmäßig über wenigstens eine Temperiereinrichtung bereitgestellt. Es ist demnach zweckmäßig vorgesehen, dass wenigstens eine Temperiereinrichtung in den thermodynamischen Kreislaufprozess geschaltet oder diesem zugeordnet wird. Die über die Temperiereinrichtung bereitgestellte Wärme kann dabei aus dem thermodynamischen Prozess selbst oder aus einem hierzu separaten Wärmeerzeugungsprozess bereitgestellt werden. The heat required for heating the fluid is, as mentioned, expediently provided via at least one tempering device. It is therefore expedient to provide that at least one tempering device is switched into the thermodynamic cycle process or assigned to it. The heat provided by the tempering device can be provided from the thermodynamic process itself or from a separate heat generation process.

Die Möglichkeit der Entnahme der zur Erhitzung des Fluids erforderlichen Wärmemenge aus dem thermodynamischen Prozess selbst stellt eine besonders effiziente Nutzung der in dem Prozess entstehenden bzw. vorhandenen Wärme dar. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die Verwendung einer Wärmeübertragungseinrichtung vorteilhaft, über welche Wärme an einer Stelle des thermodynamischen Prozesses entnommen und an einer anderen Stelle des thermodynamischen Prozesses wieder zugeführt werden kann. Wie erwähnt, kann die erste Erhitzung des Fluids vor der ersten Verdichtungsstufe auch im Rahmen des Verdampfens des Fluids über eine Verdampfungseinrichtung erfolgen. The possibility of removing the amount of heat required for heating the fluid from the thermodynamic process itself represents a particularly efficient use of the heat generated or present in the process. In this context, it is particularly advantageous to use a heat transfer device, via which heat at one point of the thermodynamic process can be removed and fed back to another point of the thermodynamic process. As mentioned, the first heating of the fluid before the first compression stage can also take place as part of the evaporation of the fluid via an evaporation device.

Zweckmäßig kann dem Fluid mittels einer entsprechenden Wärmeübertragungseinrichtung, insbesondere nach der Kondensation bzw. vor der Expansion, eine bestimmte Wärmemenge entnommen und im Rahmen der Verdampfung und/oder nach der Verdampfung und somit vor der Verdichtung zumindest teilweise wieder zugeführt werden. Dadurch, dass dem Fluid vor dessen Expansion durch die Wärmeübertragungseinrichtung Wärme entzogen wird, steht eine größere Menge übertragbarer Wärme zur Verfügung. Bei der Expansion handelt es sich aus thermodynamischer Sicht um einen irreversiblen Vorgang, demzufolge nimmt die Entropie des Fluids in Bezug auf sein T-S-Diagramm zu. Je größer die verrichtete Expansionsarbeit, desto größer ist auch der Dissipationsanteil. Wird dem Fluid durch eine Wärmeübertragungseinrichtung vor der Expansion Wärme entzogen, ist auch die bei der Expansion verrichtete Expansionsarbeit kleiner, womit eine betragsmäßige Abnahme der durch Expansion auftretenden Dissipation einhergeht, so dass weniger thermische Verluste auftreten. Derart kann der Wirkungsgrad des thermodynamischen Prozesses verbessert werden. Appropriately, the fluid can be removed by means of a corresponding heat transfer device, in particular after condensation or prior to expansion, a certain amount of heat and at least partially recycled in the context of evaporation and / or after evaporation and thus prior to compression. By removing heat from the fluid prior to its expansion by the heat transfer device, a greater amount of transferable heat is available. The expansion is thermodynamically an irreversible process, hence the entropy of the fluid increases with respect to its T-S diagram. The greater the expansion work done, the greater the dissipation share. If heat is withdrawn from the fluid by a heat transfer device prior to expansion, the expansion work performed during the expansion is also smaller, which results in a decrease in the dissipation due to expansion, so that less thermal losses occur. In this way, the efficiency of the thermodynamic process can be improved.

Als Temperiereinrichtung kann alternativ oder ergänzend zu der Wärmeübertragungseinrichtung auch eine Heizeinrichtung verwendet werden. Eine entsprechende Heizeinrichtung, bei welcher es sich beispielsweise um ein Widerstandsheizelement oder einen Thermistor, insbesondere einen Kaltleiter, handelt, wird zur Inbetriebnahme respektive im Betrieb typischerweise über eine zu dem thermodynamischen Prozess externe, d. h. von diesem unabhängige, Energiequelle versorgt. Der Betrieb einer Heizeinrichtung ist sonach grundsätzlich unabhängig von dem thermodynamischen Prozess respektive den einzelnen Prozessstufen. As tempering device, alternatively or in addition to the heat transfer device, a heating device can also be used. A corresponding heating device, which is, for example, a resistance heating element or a thermistor, in particular a PTC thermistor, is used for commissioning or during operation typically via an external to the thermodynamic process, d. H. supplied by this independent, energy source. The operation of a heater is therefore basically independent of the thermodynamic process or the individual process stages.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann z. B. im Rahmen eines umgekehrten Rankine-Prozesses, insbesondere im Rahmen des Betriebs einer Kältemaschine oder einer Wärmepumpe, verwendet werden. Die Aufzählung ist lediglich beispielhaft, d. h. das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich auch in anderen als den genannten thermodynamischen Prozessen, in welchen ein Fluid in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird, Verwendung finden. The inventive method can, for. B. in the context of a reverse Rankine process, in particular in the context of the operation of a refrigerator or a heat pump can be used. The list is merely exemplary, d. H. In principle, the process according to the invention can also be used in other than the thermodynamic processes mentioned in which a fluid is condensed, expanded, evaporated and compressed in a cycle process.

Die Erfindung betrifft ferner eine thermodynamische Maschine, umfassend wenigstens eine Kondensationseinrichtung zum Kondensieren eines Fluids, wenigstens eine Expansionseinrichtung zum Expandieren des kondensierten Fluids, wenigstens eine Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen des expandierten Fluids, wenigstens eine Verdichtungseinrichtung zum Verdichten des verdampften Fluids, sowie wenigstens eine Temperiereinrichtung zum Erhitzen des verdampften Fluids. Die thermodynamische Maschine, zeichnet sich dadurch aus, dass sie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Mithin ist die erfindungsgemäße thermodynamische Maschine, worunter grundsätzlich eine Maschine zu verstehen ist, deren Betrieb sich thermodynamische Prinzipien zunutze macht, derart eingerichtet, dass die Verdichtung eines nach dem Verdampfen gasförmigen Fluids in mehreren einzelnen Verdichtungsstufen erfolgt, wobei vor jeder Verdichtungsstufe ein Erhitzen des Fluids mittels der bzw. einer Temperiereinrichtung durchführbar ist. The invention further relates to a thermodynamic machine comprising at least one condensation device for condensing a fluid, at least one expansion device for expanding the condensed fluid, at least one evaporation device for evaporating the expanded fluid, at least one compression device for compressing the evaporated fluid, and at least one temperature control device for heating of the vaporized fluid. The thermodynamic machine is characterized in that it is designed to carry out the method according to the invention. Consequently, the thermodynamic machine according to the invention, which basically a machine is to understand the operation of thermodynamic principles advantage, set up so that the compression of a gaseous after evaporation of the fluid in several individual compression stages, wherein before each compression stage, a heating of the fluid by means of the or a tempering is feasible.

Die erfindungsgemäße thermodynamische Maschine kann z. B. im Rahmen eines umgekehrten Rankine-Prozesses eingesetzt bzw. verwendet werden. Bei der erfindungsgemäßen thermodynamischen Maschine kann es sich daher z. B. um eine Wärmepumpe oder eine Kältemaschine handeln. The thermodynamic machine according to the invention can, for. B. used in a reverse Rankine process or used. In the thermodynamic machine according to the invention, it may therefore z. B. act to a heat pump or a refrigerator.

Hinsichtlich der erfindungsgemäßen thermodynamischen Maschine gelten sämtliche Ausführungen hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens analog. With regard to the thermodynamic machine according to the invention, all statements with regard to the method according to the invention apply analogously.

Entsprechend sind zweckmäßig mehrere, in Reihe geschaltete Verdichtungseinrichtungen vorgesehen, wobei jede Verdichtungseinrichtung einer bestimmten Verdichtungsstufe zugeordnet ist. Das Fluid ist zweckmäßig in einer ersten Verdichtungsstufe mittels einer ersten Verdichtungseinrichtung auf ein erstes Druckniveau verdichtbar und in wenigstens einer hierauf folgenden weiteren Verdichtungsstufe mittels einer weiteren Verdichtungseinrichtung auf ein weiteres, oberhalb des ersten Druckniveaus liegendes Druckniveau verdichtbar. Correspondingly, a plurality of compression devices connected in series are expediently provided, each compression device being associated with a specific compression level. The fluid is expediently compressible to a first pressure level in a first compression stage by means of a first compression device and in at least one subsequent compression stage by means of a further compression device to a further, above the first pressure level lying pressure level compressible.

Die Temperiereinrichtung ist zweckmäßig dazu eingerichtet, die zur Erhitzung des Fluids erforderliche Wärme aus der thermodynamischen Maschine selbst und/oder aus einem hierzu separaten Wärmeerzeugungsprozess bereitzustellen. Die Temperiereinrichtung kann z. B. eine Wärmeübertragungseinrichtung und/oder eine Heizeinrichtung sein oder eine Wärmeübertragungseinrichtung und/oder eine Heizeinrichtung umfassen. Die vor der ersten Verdichtungsstufe des Fluids erfolgende Erhitzung kann auch durch die Verdampfungseinrichtung, d. h. im Rahmen des Verdampfens des Fluids erfolgen, so dass die Verdampfungseinrichtung im Hinblick auf die vor der ersten Verdichtung erfolgende Erhitzung des Fluids auch als Temperiereinrichtung aufgefasst werden kann. The tempering device is expediently adapted to provide the heat required for heating the fluid from the thermodynamic machine itself and / or from a heat generation process separate therefrom. The tempering can z. Example, a heat transfer device and / or a heater or include a heat transfer device and / or a heater. The heating occurring before the first compression step of the fluid may also be effected by the evaporation means, i. H. in the course of the evaporation of the fluid, so that the evaporation device can be understood as a tempering device in view of the taking place before the first compression heating of the fluid.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the embodiment described below and with reference to the drawings. Showing:

1 ein Diagramm zur Veranschaulichung der mehrstufigen Erhitzung und Verdichtung eines Fluids im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 a diagram illustrating the multi-stage heating and compression of a fluid in the context of an embodiment of the method according to the invention;

2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und 2 a diagram illustrating the implementation of an embodiment of the method according to the invention; and

3 eine thermodynamische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 3 a thermodynamic machine according to an embodiment of the invention.

1 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der mehrstufigen Erhitzung und Verdichtung eines Fluids im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei dem in 1 gezeigten Diagramm handelt es sich um ein Temperatur-Entropie-Diagramm, kurz T-S-Diagramm, des Fluids. Die Temperatur T des Fluids ist auf der y-Achse, die Entropie S des Fluids ist auf der x-Achse aufgetragen. 1 shows a diagram for illustrating the multi-stage heating and compression of a fluid in the context of an embodiment of the method according to the invention. At the in 1 The diagram shown is a temperature entropy diagram, short TS diagram, of the fluid. The temperature T of the fluid is on the y-axis, the entropy S of the fluid is plotted on the x-axis.

Bei dem Fluid handelt es sich um ein unter dem Handelsnamen Novec^TM 649 bekanntes Fluoroketon. The fluid is a fluoroketone known under the trade name Novec ^™ 649.

Grundsätzlich lässt sich anhand des in 1 gezeigten T-S-Diagramms insbesondere eine Taulinie 1 des Fluids (vgl. den rechten Ast des Graphen), eine Siedelinie 2 des Fluids (vgl. den linken Ast des Graphen) sowie ein Zweiphasengebiet 3 des Fluids erkennen. In dem Zweiphasengebiet 3 befindet sich das Fluid in zwei Phasen, nämlich einer gasförmigen und einer flüssigen Phase. In dem rechts der Taulinie 1 liegenden Bereich 4 ist das Fluid gasförmig, in dem links der Siedelinie 2 liegenden Bereich 5 ist das Fluid flüssig. Basically, based on the in 1 shown TS diagram in particular a dew line 1 of the fluid (see the right branch of the graph), a boiling line 2 the fluid (see the left branch of the graph) and a two-phase region 3 recognize the fluid. In the two-phase area 3 the fluid is in two phases, namely a gaseous and a liquid phase. In the right of the dew line 1 lying area 4 the fluid is gaseous, in the left of the boiling line 2 lying area 5 the fluid is fluid.

Ersichtlich weist das Fluid ein stark überhängendes Zweiphasengebiet 3 auf. Dies ist daran zu erkennen, dass die Taulinie 1 des Fluids in Richtung steigender Entropie geneigt ist. Die Steigung der Taulinie 1 des Fluids ist vergleichsweise gering und liegt typischerweise unterhalb 1000 K²kgkJ^–1. Evidently, the fluid has a strongly overhanging two-phase region 3 on. This is evident from the fact that the dew-line 1 of the fluid is inclined in the direction of increasing entropy. The slope of the dew line 1 of the fluid is comparatively low and is typically below 1000 K ² kgkJ ^-1 .

Das im Weiteren mit Bezug auf 2 näher erläuterte thermodynamische Verfahren, welches beispielsweise in einem umgekehrten Rankine-Prozess in einer Kältemaschine oder einer Wärmepumpe eingesetzt wird, umfasst die in einem Kreislaufprozess nacheinander abfolgenden Schritte: Verdampfen eines flüssigen Fluids, Verdichten des nach dem Verdampfen gasförmigen Fluids, Kondensieren des gasförmigen, verdichteten Fluids und Expandieren des nach dem Kondensieren flüssigen, kondensierten Fluids. Das expandierte, in flüssigem Zustand vorliegende Fluid wird wieder verdampft, der Kreislaufprozess beginnt von Neuem. This with reference to 2 more detailed thermodynamic process, which is used for example in a reverse Rankine process in a chiller or a heat pump, comprises the successive steps in a cycle process: evaporation of a liquid fluid, compressing the gaseous after evaporation of the fluid, condensing the gaseous compressed fluid and expanding the condensed fluid after condensing. The expanded fluid in the liquid state is evaporated again, the cycle process begins again.

Gemäß dem in den 1, 2 gezeigten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, die nach dem Verdampfen des Fluids erfolgende Verdichtung des Fluids in mehreren, d. h. wenigstens zwei, aufeinander folgenden, d. h. nacheinander ablaufenden, Verdichtungsstufen durchzuführen. Die einzelnen Verdichtungsstufen sind in den 1, 2 durch die Pfeile V1, V2 angedeutet. Das Fluid wird sonach in einer ersten Verdichtungsstufe (vgl. Pfeil V1) auf ein erstes Druckniveau verdichtet und in einer hierauf folgenden zweiten Verdichtungsstufe (vgl. Pfeil V2) auf ein zweites, oberhalb des ersten Druckniveaus liegendes Druckniveau verdichtet. According to the in the 1 . 2 shown embodiments of the method according to the invention, it is provided to perform the after the evaporation of the fluid taking place compression of the fluid in a plurality, that is, at least two successive, ie successively running, compression stages. The individual compression levels are in the 1 . 2 indicated by the arrows V1, V2. The fluid is thus compressed to a first pressure level in a first compression stage (see arrow V1) and, in a subsequent second compression stage (compare arrow V2), compressed to a second pressure level above the first pressure level.

Die in den jeweiligen Verdichtungsstufen V1, V2 erfolgende Verdichtung des gasförmigen Fluids erfolgt jeweils derart, dass das gasförmige Fluid seine Taulinie 1 nicht überschreitet bzw. nicht kondensiert und somit in seinem gasförmigen Phasenzustand verbleibt. Dies ist in dem in 1 gezeigten Diagramm daran zu erkennen, dass die Pfeilspitzen der die Verdichtungsstufen andeutenden Pfeile V1, V2 die Taulinie 1 des Fluids jeweils nicht berühren. Ein Übergang in die flüssige Phase ist insbesondere deshalb zu verhindern, da dieser aufgrund so genannter Flüssigkeitsschläge zu Beschädigungen an den das Fluid verdichtenden Verdichtungseinrichtungen 12, 13 (vgl. 3) führen kann. The compression of the gaseous fluid occurring in the respective compression stages V1, V2 takes place in each case in such a way that the gaseous fluid forms its dew point 1 does not exceed or not condensed and thus remains in its gaseous phase state. This is in the in 1 can be seen from the fact that the arrowheads of the compression stages indicative arrows V1, V2 the dew-line 1 each of the fluid do not touch. A transition into the liquid phase is therefore to be prevented, in particular, since the latter, due to so-called liquid blows, causes damage to the compression devices compressing the fluid 12 . 13 (see. 3 ) can lead.

Jede Verdichtungsstufe V1, V2 ist, wie im Weiteren mit Bezug auf 3 erläutert wird, durch eine eigene Verdichtungseinrichtung 12, 13 mit einer besonderen Leistungsaufnahme und somit Verdichtungskapazität realisiert. Die einzelnen Verdichtungseinrichtungen 12, 13 können in einem gemeinsamen Gehäuse einer übergeordneten Verdichtungsvorrichtung angeordnet sein. Each compression stage V1, V2 is, as described below with reference to FIG 3 is explained by its own compression device 12 . 13 realized with a special power consumption and thus compression capacity. The individual compaction equipment 12 . 13 can in a common Housing a higher-level compression device can be arranged.

Vor jeder Verdichtungsstufe V1, V2 wird das Fluid gezielt erhitzt, d. h. jeder Verdichtungsstufe V1, V2 ist eine, durch die Pfeile E1, E2 angedeutete, gezielte Erhitzung des Fluids vorgeschaltet. Ersichtlich erfolgt das Erhitzen E1, E2 des Fluids vor den jeweiligen Verdichtungsstufen V1, V2 jeweils in einem thermodynamischen Zustand nahe der Taulinie 1 des Fluids. Prior to each compression stage V1, V2, the fluid is specifically heated, ie, each compression stage V1, V2 is preceded by a specific heating of the fluid indicated by the arrows E1, E2. Evidently, the heating E1, E2 of the fluid before the respective compression stages V1, V2 takes place in each case in a thermodynamic state near the dew line 1 of the fluid.

Die mittels einer hierfür vorgesehenen Temperiereinrichtung 8, 9 (vgl. 3) realisierte Erhitzung E1, E2 des Fluids ist von der im Rahmen der in den Verdichtungsstufen V1, V2 durchgeführten Verdichtung des Fluids erfolgenden Erwärmung zu unterscheiden. Die vor der ersten Verdichtungsstufe V1 erfolgende Erhitzung kann prozesstechnisch auch im Rahmen des Verdampfens des Fluids umgesetzt werden. The means of a temperature control device provided for this purpose 8th . 9 (see. 3 ) realized heating E1, E2 of the fluid is to be distinguished from the occurring in the compression stages V1, V2 compression of the fluid heating occurring. The heating that takes place before the first compression stage V1 can also be implemented as part of the process of evaporating the fluid.

Die vor einer Verdichtung erfolgende Erhitzung E1, E2 des Fluids dient insbesondere dazu, zu verhindern, dass das Fluid durch die Verdichtung einen Phasenübergang von seinem gasförmigen in seinen flüssigen Zustand durchläuft. Ein entsprechender Phasenübergang ist, wie erwähnt, insbesondere deshalb zu verhindern, da dieser aufgrund so genannter Flüssigkeitsschläge zu Beschädigungen an den das Fluid verdichtenden Verdichtungseinrichtungen 12, 13 führen kann. The pre-compression heating E1, E2 of the fluid serves, in particular, to prevent the fluid from undergoing a phase transition from its gaseous to its liquid state as a result of the compression. A corresponding phase transition is, as mentioned, in particular to prevent, since this due to so-called liquid shocks damage to the fluid-compressing compression means 12 . 13 can lead.

Die Aufteilung der Verdichtung in mehrere, d. h. in den in den 1, 2 gezeigten Ausführungsbeispielen jeweils zwei separate, verfahrenstechnisch durch eine zwischen diesen liegende Erhitzung bzw. Zwischenerhitzung des Fluids getrennte Verdichtungsstufen V1, V2 ermöglicht es, die Dichte des Fluids, insbesondere im Vergleich zu einer nur einstufigen Verdichtung mit vorheriger Erhitzung, vergleichsweise hoch zu halten, so dass das von der die jeweilige Verdichtungsstufe V1, V2 realisierenden Verdichtungseinrichtung 12, 13 zu verdichtende Fluidvolumen verringert werden kann. Derart ist, wiederum insbesondere im Vergleich zu einer einstufigen Verdichtung, der Einsatz von Verdichtungseinrichtungen 12, 13 mit einer geringeren Leistungsaufnahme möglich, wodurch die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses erhöht werden kann. The division of the compression in several, ie in the in the 1 . 2 In each case, two separate compression stages V1, V2 separated by a heating or intermediate heating of the fluid between them make it possible to keep the density of the fluid comparatively high, in particular in comparison with a single-stage compression with prior heating that of the compacting device V1, V2 realizing the respective compression stage 12 . 13 can be reduced to be compressed fluid volume. Such, again in particular compared to a single-stage compaction, the use of compression equipment 12 . 13 With a lower power consumption possible, whereby the efficiency or the efficiency of the overall process can be increased.

2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei dem in 2 gezeigten Diagramm handelt es sich um ein Druck-Enthalpie-Diagramm des Fluids. Der Druck p des Fluids ist in logarithmischer Auftragung auf der y-Achse, die spezifische Enthalpie h des Fluids ist in nicht-logarithmischer Auftragung auf der x-Achse aufgetragen. 2 shows a diagram for illustrating the implementation of an embodiment of the method according to the invention. At the in 2 The diagram shown is a pressure-enthalpy diagram of the fluid. The pressure p of the fluid is logarithmically plotted on the y-axis and the specific enthalpy h of the fluid is plotted on the x-axis in non-logarithmic plots.

Anhand von 2 soll der im Rahmen eines thermodynamischen Prozesses, wie er z. B. in einer Wärmepumpe abläuft, stattfindende Kreislaufprozess nochmals in Grundzügen erläutert werden. Gezeigt ist eine nicht erfindungsgemäße Variante mit einer nur einstufigen Verdichtung (vgl. den gestrichelt gezeichneten Teil) und eine Variante gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (vgl. den durchgezogen gezeichneten Teil). Based on 2 should in the context of a thermodynamic process, such as. B. expires in a heat pump, held cycle process will be explained again in outline. Shown is a non-inventive variant with a single-stage compression (see the dashed line part) and a variant according to an embodiment of the invention (see, the solid drawn part).

2 enthält ferner eine Darstellung der Isothermen (vgl. Linien IT1–IT8), eine Darstellung der Isodensen (vgl. Linien (IC1–IC3) sowie eine Darstellung der Isentropen (vgl. Linien IE1–IE4). 2 also contains a representation of the isotherms (compare lines IT1-IT8), a representation of the isodenses (compare lines (IC1-IC3) and a representation of the isentropes (see lines IE1-IE4).

Bei dem Fluid handelt es sich wiederum um das unter dem Handelsnamen Novec^TM 649 bekannte Fluoroketon. The fluid is again the fluoroketone known under the trade name Novec ^™ 649.

Gemäß dem einstufigen Prozess erfolgt bei Punkt P1 eine Verdichtung des Fluids auf Punkt P2. Die Verdichtung des Fluids bedingt einen Anstieg des Drucks und einen Anstieg der spezifischen Enthalpie des Fluids, was sich durch die durch die Verdichtung bedingte Erwärmung des Fluids erklärt. According to the single-stage process, at point P1, the fluid is compressed to point P2. The compression of the fluid causes an increase in the pressure and an increase in the specific enthalpy of the fluid, which is explained by the heating caused by the compression of the fluid.

Ausgehend von Punkt P2 erfolgt eine Kondensation des Fluids auf Punkt P4. Ausgehend von dem bei Punkt P2 gegebenen gasförmigen Zustand des Fluids, durchläuft das Fluid im Rahmen der Kondensation das Zweiphasengebiet 3 und erfährt einen Phasenübergang von gasförmig nach flüssig. Dies ist daran zu erkennen, dass Punkt P4 in dem in dem links der Siedelinie 2 liegenden Bereich 5, in dem das Fluid flüssig ist, liegt. Starting from point P2, a condensation of the fluid takes place on point P4. Starting from the gaseous state of the fluid given at point P2, the fluid passes through the two-phase region in the course of the condensation 3 and undergoes a phase transition from gaseous to liquid. This can be seen from the fact that point P4 in the left of the boiling line 2 lying area 5 , in which the fluid is liquid, is located.

Zwischen den Punkten P4 und P5 wird dem kondensierten Fluid eine bestimmte Wärmemenge entnommen, was an dem zwischen den Punkten P4 und P5 erkennbaren Abfall der spezifischen Enthalpie zu sehen ist. Die zwischen den Punkten P4 und P5 entnommene Wärmemenge kann, wie im Weiteren erläutert, zur Erhitzung des Fluids vor der bei Punkt P1 erfolgenden Verdichtung genutzt werden. Between the points P4 and P5 a certain amount of heat is taken from the condensed fluid, which can be seen in the drop in the specific enthalpy which can be seen between the points P4 and P5. The amount of heat removed between points P4 and P5, as explained below, can be used to heat the fluid prior to compaction occurring at point P1.

Zwischen den Punkten P5 und P6 erfolgt eine Expansion des Fluids, was an dem zwischen den Punkten P5 und P6 erkennbaren Abfall des Drucks zu sehen ist. Im Rahmen der Expansion wird das kondensierte Fluid üblicherweise durch ein oder mehrere Expansionsventil(e) geleitet. Between the points P5 and P6 there is an expansion of the fluid, which can be seen at the drop in pressure which can be seen between the points P5 and P6. As part of the expansion, the condensed fluid is usually passed through one or more expansion valve (s).

Bei Punkt P6 erfolgt eine eine erneute Verdampfung des Fluids bedingende Erwärmung des Fluids, so dass dieses bei dem in dem den gasförmigen Phasenzustand anzeigenden Bereich 4 liegenden Punkt P7 wieder gasförmig vorliegt. At point P6, there is a re-evaporation of the fluid heating of the fluid, so that this at the gaseous phase state indicating area 4 lying point P7 is again gaseous.

Zwischen den Punkten P7 und P1 erfolgt eine Erhitzung des Fluids. Die hierfür erforderliche Wärmemenge wird, wie erwähnt, zwischen den Punkten P4 und P5 aus dem thermodynamischen Kreislaufprozess selbst entnommen. Separate Temperiereinrichtungen zur Temperierung des Fluids, über welche eine entsprechende Wärmemenge unabhängig von dem thermodynamischen Prozess bereitgestellt werden kann, sind nicht zwingend erforderlich. Between the points P7 and P1 there is a heating of the fluid. The heat required for this purpose, as mentioned, taken between the points P4 and P5 from the thermodynamic cycle process itself. Separate tempering for temperature control of the fluid, via which a corresponding amount of heat can be provided independently of the thermodynamic process, are not mandatory.

Die bei Durchführung eines thermodynamischen Prozesse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgende mehrstufige Erhitzung E1, E2 und mehrstufige Verdichtung des Fluids in mehreren, separaten Verdichtungsstufen V1, V2 ist durch die Punkte P1a, P1b, P1c und P2a angedeutet bzw. gekennzeichnet. Die Punkte P1, P2 sind nicht Teil des Ausführungsbeispiels der Erfindung. The multi-stage heating E1, E2 and multistage compression of the fluid in a plurality of separate compression stages V1, V2 taking place when a thermodynamic process is carried out according to an embodiment of the invention is indicated by the points P1a, P1b, P1c and P2a. The points P1, P2 are not part of the embodiment of the invention.

Im Unterschied zu der vorstehend beschriebenen einstufigen Verdichtung des Fluids zwischen den Punkten P1, P2 erfolgt hier bei Punkt P1a in einer ersten Verdichtungsstufe V1 eine erste Verdichtung des Fluids auf Punkt P1b, was durch den Druckanstieg des Fluids zwischen den Punkten P1a und P1b erkennbar ist. Das Druckniveau des Fluids bei Punkt P1b ist höher als bei Punkt P1a. Ersichtlich wird die Verdichtung des Fluids derart durchgeführt, dass die Taulinie 1 des Fluids nicht überschritten wird, was daran zu erkennen ist, dass Punkt P1b rechts der Taulinie 1 des Fluids liegt. Die zwischen den Punkten P1a und P1b erfolgende Verdichtung des Fluids führt zu einer zusätzlichen Erwärmung des Fluids, was an einem entsprechenden Anstieg der spezifischen Enthalpie des Fluids erkennbar ist. In contrast to the above-described one-stage compression of the fluid between the points P1, P2, a first compression of the fluid at point P1a takes place at point P1b in a first compression stage V1, which can be recognized by the pressure increase of the fluid between the points P1a and P1b. The pressure level of the fluid at point P1b is higher than at point P1a. Obviously, the compression of the fluid is performed such that the dew line 1 of the fluid is not exceeded, which can be recognized by the fact that point P1b is to the right of the dew-line 1 the fluid is located. The compression of the fluid between the points P1a and P1b leads to additional heating of the fluid, which can be recognized by a corresponding increase in the specific enthalpy of the fluid.

Der zwischen den Punkten P1a, P1b erfolgenden Verdichtung des Fluids geht eine gezielte Erhitzung E1 des Fluids voraus, wie durch den Anstieg der spezifischen Enthalpie des Fluids zwischen den Punkten P7 und P1a dargestellt ist. Diese gezielte Erhitzung E1 des Fluids kann beispielsweise im Rahmen des zwischen den Punkten P6 und P7 erfolgenden Verdampfens des Fluids erfolgen. The compression of the fluid between points P1a, P1b is preceded by a targeted heating E1 of the fluid, as illustrated by the increase in the specific enthalpy of the fluid between points P7 and P1a. This targeted heating E1 of the fluid can take place, for example, within the scope of the evaporation of the fluid taking place between the points P6 and P7.

Bei Punkt P1b erfolgt eine zweite gezielte Erhitzung E2 des nach der ersten Verdichtung auf einem im Vergleich erhöhten Druckniveau liegenden Fluids auf Punkt P1c, wie durch den Anstieg der spezifischen Enthalpie des Fluids zwischen den Punkten P1b und P1c dargestellt ist. At point P1b, a second targeted heating E2 of the fluid, after the first compression at a comparatively elevated pressure level, occurs at point P1c, as represented by the increase in the specific enthalpy of the fluid between points P1b and P1c.

Bei Punkt P1c erfolgt in einer zweiten Verdichtungsstufe V2 eine zweite Verdichtung des Fluids auf Punkt P2a, was durch den Druckanstieg des Fluids zwischen den Punkten P1c und P2a erkennbar ist. Das Druckniveau des Fluids bei Punkt P2a ist höher als bei Punkt P1c. Ersichtlich wird die Verdichtung des Fluids auch hier derart durchgeführt, dass die Taulinie 1 des Fluids nicht überschritten wird, was wiederum daran zu erkennen ist, dass Punkt P2a rechts der Taulinie 1 des Fluids liegt. Die zwischen den Punkten P1c und P2a erfolgende Verdichtung des Fluids führt ebenso zu einer zusätzlichen Erwärmung des Fluids, was an einem entsprechenden Anstieg der spezifischen Enthalpie des Fluids erkennbar ist. At point P1c, in a second compression stage V2, a second compression of the fluid takes place at point P2a, which can be recognized by the pressure increase of the fluid between points P1c and P2a. The pressure level of the fluid at point P2a is higher than at point P1c. Obviously, the compression of the fluid is carried out here in such a way that the dew line 1 of the fluid is not exceeded, which in turn can be seen from the fact that point P2a right of the dew-line 1 the fluid is located. The compression of the fluid between the points P1c and P2a also leads to additional heating of the fluid, which can be recognized by a corresponding increase in the specific enthalpy of the fluid.

Das auf Punkt P2a verdichtete Fluid wird im Weiteren kondensiert, bis es bei Punkt P4 in einem kondensierten und somit flüssigen Zustand vorliegt. Dem Fluid wird zwischen den Punkten P4 und P5 mittels einer Temperiereinrichtung 8, 9 eine bestimmte Wärmemenge entnommen, welche Wärmemenge dem Fluid im Rahmen der zwischen den Punkten P7, P1a und P1b, P1c erfolgenden gezielten Erhitzungen E1, E2 wieder zugeführt werden kann. Zwischen den Punkten P5 und P6 wird das Fluid, wie oben beschrieben, expandiert. Zwischen den Punkten P6 und P7 wird das Fluid, wie oben beschrieben, wieder verdampft, so dass der Kreislaufprozess bei Punkt P1a von neuem beginnt. The fluid compressed at point P2a is subsequently condensed until at point P4 it is in a condensed and thus liquid state. The fluid is between the points P4 and P5 by means of a tempering device 8th . 9 taken from a certain amount of heat, which amount of heat the fluid in the context of the between the points P7, P1a and P1b, P1c targeted heating E1, E2 can be supplied again. Between points P5 and P6, the fluid is expanded as described above. Between the points P6 and P7, the fluid is again evaporated as described above, so that the cycle process starts again at point P1a.

3 zeigt eine thermodynamische Maschine 6 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die thermodynamische Maschine 6 ist zur Durchführung der in den 1, 2 gezeigten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlichen Bestandteile der thermodynamischen Maschine 6 werden im Weiteren von oben beginnend aufgezählt. 3 shows a thermodynamic machine 6 according to an embodiment of the invention. The thermodynamic machine 6 is to carry out in the 1 . 2 shown embodiments of the method according to the invention. The essential for carrying out the method according to the invention components of the thermodynamic machine 6 are listed below starting from the top.

Entsprechend umfasst die thermodynamische Maschine 6 eine Kondensationseinrichtung 7, in welcher das nach dem Verdampfen mehrmals gezielt erhitzte und verdichtete gasförmige Fluid kondensiert wird. Accordingly, the thermodynamic machine includes 6 a condensation device 7 in which the gaseous fluid which has been heated and compressed several times in a targeted manner after evaporation is condensed.

Der Kondensationseinrichtung 7 ist eine erste Temperiereinrichtung 8 und eine dieser nachgeschaltete zweite Temperiereinrichtung 9 nachgeschaltet. Die Temperiereinrichtungen 8, 9 sind jeweils dazu ausgebildet, aus dem thermodynamischen Prozess respektive dem Fluid an einer Stelle des Prozesses eine bestimmte Wärmemengen zu entnehmen und diese Wärmemenge an einer anderen Stelle des Prozesses wieder zuzuführen. Bei den Temperiereinrichtungen 8, 9 handelt es sich sonach um Wärmeübertragungseinrichtungen. The condensation device 7 is a first tempering device 8th and one of these downstream second tempering 9 downstream. The tempering devices 8th . 9 are each adapted to take from the thermodynamic process respectively the fluid at a point of the process, a certain amount of heat and supply this amount of heat at another point of the process again. At the tempering devices 8th . 9 these are therefore heat transfer devices.

Wenigstens eine der beiden Temperiereinrichtungen 8, 9 könnte auch dazu ausgebildet sein, die zur Erhitzung des Fluids erforderliche Wärme aus einem zu dem thermodynamischen Prozess separaten, d. h. von diesem unabhängigen, Wärmeerzeugungsprozess bereitzustellen. Eine solche Temperiereinrichtung 8, 9 wäre z. B. als eine Heizeinrichtung, insbesondere als oder umfassend ein Widerstandsheizelement, ausgebildet. At least one of the two tempering devices 8th . 9 It could also be designed to provide the heat required for heating the fluid from a heat generation process separate from the thermodynamic process, ie independent of it. Such a tempering device 8th . 9 would be z. B. as a heater, in particular as or comprising a resistance heating element is formed.

Den beiden Temperiereinrichtungen 8, 9 ist eine Expansionseinrichtung 10 in Form eines Expansionsventils nachgeschaltet, über welche das nach dem Kondensieren verflüssigte Fluid, welchem über die Temperiereinrichtungen 8, 9 Wärme entzogen wurde, expandiert wird. The two tempering devices 8th . 9 is an expansion device 10 downstream in the form of an expansion valve, via which the liquefied after condensing fluid, which on the tempering 8th . 9 Heat was withdrawn, is expanded.

Der Expansionseinrichtung 10 ist eine Verdampfungseinrichtung 11 nachgeschaltet. Die Verdampfungseinrichtung 11 ist zur Verdampfung des nach der Expansion mittels der Expansionseinrichtung 10 weiterhin zumindest teilweise kondensierten Fluids ausgebildet. Die für die Verdampfung des Fluids erforderliche Wärme kann, wie erwähnt, wenigstens teilweise über wenigstens eine der Temperiereinrichtungen 8, 9 bereitgestellt werden. The expansion device 10 is an evaporation device 11 downstream. The evaporation device 11 is for evaporation of after expansion by means of the expansion device 10 further formed at least partially condensed fluid. The heat required for the evaporation of the fluid, as mentioned, at least partially via at least one of the tempering 8th . 9 to be provided.

Der Verdampfungseinrichtung 11 ist eine erste Verdichtungseinrichtung 12 und eine dieser nachgeschaltete zweite Verdichtungseinrichtung 13 nachgeschaltet. Die Verdichtungseinrichtungen 12, 13 sind jeweils dazu ausgebildet, das diesen zugeführte Fluid zu verdichten, d. h. auf ein höheres Druckniveau zu befördern. Die Leistungsaufnahmen der beiden Verdichtungseinrichtungen 12, 13 sind sonach typischerweise unterschiedlich, da diese das Fluid jeweils von unterschiedlichen Ausgangsdrücken auf unterschiedliche Enddrücke verdichten müssen. Ersichtlich ist der durch die erste Verdichtungseinrichtung 12 realisierte Enddruck des Fluids dem Ausgangsdruck des in die zweite Verdichtungseinrichtung 13 zugeführten Fluids entsprechend. The evaporation device 11 is a first compacting device 12 and one of these downstream second compression device 13 downstream. The compactors 12 . 13 are each adapted to compress the fluid supplied thereto, that is, to convey to a higher pressure level. The power consumption of the two compression devices 12 . 13 are therefore typically different, as they must compress the fluid from different initial pressures to different final pressures. It can be seen by the first compression device 12 realized final pressure of the fluid to the outlet pressure of the second compressor 13 supplied fluids accordingly.

Vor Zuführen des Fluids in die jeweiligen Verdichtungseinrichtungen 12, 13 wird das Fluid, wie erwähnt, jeweils erhitzt. Die hierfür erforderliche Wärmemenge wird über die Temperiereinrichtungen 8, 9 bereitgestellt. Die vor der mittels der ersten Verdichtungseinrichtung 12 stattfindende gezielte Erhitzung des Fluids kann insbesondere mittels von über die zweite Temperiereinrichtung 9 bereitgestellter Wärme erfolgen. Die vor der mittels der zweiten Verdichtungseinrichtung 13 stattfindende gezielte Erhitzung des Fluids kann insbesondere mittels von über die erste Temperiereinrichtung 8 bereitgestellter Wärme erfolgen. Before feeding the fluid into the respective compression devices 12 . 13 The fluid is, as mentioned, each heated. The amount of heat required for this is via the tempering 8th . 9 provided. The before the means of the first compression device 12 Targeted heating of the fluid taking place can in particular take place by means of the second tempering device 9 provided heat done. The before the means of the second compression device 13 Targeted heating of the fluid taking place can in particular take place by means of the first tempering device 8th provided heat done.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102013203240 [0005] DE 102013203240 [0005]
DE 102013203243 [0005] DE 102013203243 [0005]

Claims

Verfahren zum Durchführen eines thermodynamischen Prozesses, wobei ein Fluid in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung des nach dem Verdampfen gasförmigen Fluids in mehreren einzelnen Verdichtungsstufen (V1, V2) erfolgt, wobei vor jeder Verdichtungsstufe (V1, V2) ein Erhitzen (E1, E2) des Fluids mittels einer Temperiereinrichtung (8, 9) durchgeführt wird. Method for carrying out a thermodynamic process, wherein a fluid is condensed, expanded, vaporized and compressed in a cyclic process, characterized in that the compression of the gaseous fluid after evaporation takes place in a plurality of individual compression stages (V1, V2), wherein before each compression stage ( V1, V2) heating (E1, E2) of the fluid by means of a tempering device ( 8th . 9 ) is carried out.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in einer ersten Verdichtungsstufe (V1) auf ein erstes Druckniveau verdichtet und in wenigstens einer hierauf folgenden weiteren Verdichtungsstufe (V2) auf ein weiteres, oberhalb des ersten Druckniveaus liegendes Druckniveau verdichtet wird. A method according to claim 1, characterized in that the fluid in a first compression stage (V1) compressed to a first pressure level and in at least one subsequent further compression stage (V2) is compressed to a further, above the first pressure level pressure level.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten des Fluids in den einzelnen Verdichtungsstufen (V1, V2) jeweils derart erfolgt, dass das Fluid seine Taulinie (1) nicht überschreitet. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the compression of the fluid in the individual compression stages (V1, V2) respectively takes place in such a way that the fluid its dew point line ( 1 ) does not exceed.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen (E1, E2) des Fluids vor einer Verdichtungsstufe (V1, V2) nahe seiner Taulinie (1) erfolgt. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heating (E1, E2) of the fluid before a compression stage (V1, V2) near its dew line ( 1 ) he follows.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluid mit einer Tauliniensteigung in seinem fluidspezifischen Temperatur-Entropie-Diagramm kleiner 1200 K²kgkJ^–1, insbesondere kleiner 1000 K²kgkJ^–1, bevorzugt im Bereich zwischen 500 und 1000 K²kgkJ^–1, verwendet wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a fluid with a Taulinienstigung in its fluid-specific temperature entropy diagram less than 1200 K ² kgkJ ^-1 , in particular less than 1000 K ² kgkJ ^-1 , preferably in the range between 500 and 1000 K ² kgkJ ^-1 , is used.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid ein Fluorkohlenwasserstoff, insbesondere ein Fluorketon, verwendet wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a fluorohydrocarbon, in particular a fluoroketone, is used as the fluid.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die über die wenigstens eine Temperiereinrichtung (8, 9) bereitgestellte, zur Erhitzung des Fluids erforderliche Wärme aus dem thermodynamischen Prozess selbst oder aus einem hierzu separaten Wärmeerzeugungsprozess bereitgestellt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that via the at least one tempering device ( 8th . 9 ) provided for heating the fluid heat from the thermodynamic process itself or from a separate heat generating process is provided.

Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperiereinrichtung (8, 9) eine Wärmeübertragungseinrichtung und/oder eine Heizeinrichtung verwendet wird. Method according to claim 7, characterized in that as tempering device ( 8th . 9 ) a heat transfer device and / or a heater is used.

Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeübertragungseinrichtung verwendet wird, wobei dem Fluid mittels der Wärmeübertragungseinrichtung, insbesondere nach der Kondensation bzw. vor der Expansion, eine bestimmte Wärmemenge entnommen und, insbesondere nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung, zumindest teilweise wieder zugeführt wird. A method according to claim 8, characterized in that a heat transfer device is used, wherein the fluid removed by means of the heat transfer device, in particular after condensation or prior to expansion, a certain amount of heat and, in particular after its evaporation and prior to its compression, at least partially fed back becomes.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es im Rahmen des Betrieb eines umgekehrten Rankine-Prozesses, insbesondere im Rahmen des Betriebs einer Wärmepumpe oder einer Kältemaschine, verwendet wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that it is used in the context of the operation of a reverse Rankine process, in particular in the context of the operation of a heat pump or a refrigerating machine.

Thermodynamische Maschine (6), umfassend wenigstens eine Kondensationseinrichtung (7) zum Kondensieren eines Fluids, wenigstens eine Expansionseinrichtung (10) zum Expandieren des kondensierten Fluids, wenigstens eine Verdampfungseinrichtung (11) zum Verdampfen des expandierten Fluids, wenigstens eine Verdichtungseinrichtung (12, 13) zum Verdichten des verdampften Fluids, sowie wenigstens eine Temperiereinrichtung (8, 9) zur Temperierung des verdampften Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass die thermodynamische Maschine (6) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist. Thermodynamic machine ( 6 ) comprising at least one condensation device ( 7 ) for condensing a fluid, at least one expansion device ( 10 ) for expanding the condensed fluid, at least one evaporation device ( 11 ) for vaporizing the expanded fluid, at least one compacting device ( 12 . 13 ) for compressing the evaporated fluid, and at least one tempering device ( 8th . 9 ) for controlling the temperature of the vaporized fluid, characterized in that the thermodynamic machine ( 6 ) is designed for carrying out the method according to one of the preceding claims.

Thermodynamische Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, in Reihe geschaltete Verdichtungseinrichtungen (12, 13) vorgesehen sind, wobei jede Verdichtungseinrichtung einer bestimmten Verdichtungsstufe zugeordnet ist. Thermodynamic machine according to claim 11, characterized in that a plurality of compression devices connected in series ( 12 . 13 ) are provided, each compression device is assigned to a specific compression level.

Thermodynamische Maschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (8, 9) dazu eingerichtet ist, die zur Erhitzung des Fluids erforderliche Wärme aus der thermodynamischen Maschine (6) selbst und/oder aus einem hierzu separaten Wärmeerzeugungsprozess bereitzustellen. Thermodynamic machine according to claim 11 or 12, characterized in that the tempering device ( 8th . 9 ) is adapted to the heat required for heating the fluid from the thermodynamic machine ( 6 ) itself and / or from a separate heat generation process.

Thermodynamische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (8, 9) eine Wärmeübertragungseinrichtung und/oder eine Heizeinrichtung ist oder eine Wärmeübertragungseinrichtung und/oder eine Heizeinrichtung umfasst. Thermodynamic machine according to claim 13, characterized in that the tempering device ( 8th . 9 ) is a heat transfer device and / or a heating device or comprises a heat transfer device and / or a heating device.