DE102013218565A1

DE102013218565A1 - Verfahren zum Durchführen eines thermodynamischen Prozesses

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.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines thermodynamischen Prozesses, wobei ein Fluid in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird.
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.
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.
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.
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 .
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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Durchführung eines thermodynamischen Prozesses anzugeben.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Hinsichtlich der erfindungsgemäßen thermodynamischen Maschine gelten sämtliche Ausführungen hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens analog.
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.
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.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 ein Diagramm zur Veranschaulichung der mehrstufigen Erhitzung und Verdichtung eines Fluids im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
3 eine thermodynamische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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.
Bei dem Fluid handelt es sich um ein unter dem Handelsnamen Novec^TM 649 bekanntes Fluoroketon.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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).
Bei dem Fluid handelt es sich wiederum um das unter dem Handelsnamen Novec^TM 649 bekannte Fluoroketon.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Entsprechend umfasst die thermodynamische Maschine 6 eine Kondensationseinrichtung 7, in welcher das nach dem Verdampfen mehrmals gezielt erhitzte und verdichtete gasförmige Fluid kondensiert wird.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013203240 [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.
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.
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.
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.
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.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid ein Fluorkohlenwasserstoff, insbesondere ein Fluorketon, verwendet wird.
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.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperiereinrichtung (8, 9) eine Wärmeübertragungseinrichtung und/oder eine Heizeinrichtung verwendet wird.
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.
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.
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.
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.
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.
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.