DE102008060598A1

DE102008060598A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Verdichtung oder Kompression eines Gases

Info

Publication number: DE102008060598A1
Application number: DE200810060598
Authority: DE
Inventors: Andreas Guderat
Original assignee: THERMEA ENERGIESYSTEME GmbH
Current assignee: THERMEA ENERGIESYSTEME GmbH
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-06-10
Also published as: WO2010063817A3; WO2010063817A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verdichtung oder Entspannung eines gasförmigen Arbeitsmittels mittels einer Hydraulikflüssigkeit, umfassend einen ersten adiabaten Zylinder (8, 108) und einen zweiten adiabaten Zylinder (7, 107), der mit dem ersten Zylinder (8, 108) über eine Einrichtung zur Zufuhr (11) oder Abfuhr (111) von Energie hydraulisch verbunden ist, wobei (a) sich in einem ersten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem ersten adiabaten Zylinder (8, 108) befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) befindet; (b) in einem ersten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) in den ersten adiabaten Zylinder (8, 108) geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr (11) oder Abfuhr (111) von Energie passiert; (c) sich in einem zweiten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem ersten adiabaten Zylinder (8, 108) befindet; (d) in einem zweiten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder (8, 108) in den zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr (11) oder Abfuhr (111) von Energie passiert; und (e) der erste Schritt (b) unter Erreichen des zweiten Zustandes und anschließend der zweite Schritt (d) unter Erreichen des ersten Zustandes wiederholt ausgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verdichtung oder Kompression eines gasförmigen Arbeitsmittels. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Verdichtung oder Kompression eines gasförmigen Arbeitsmittels.
Die Kompression oder Expansion von Gasen hat in der Energiewirtschaft eine bereite Anwendung gefunden. Beispielsweise wird die Expansion von Gasen in Verfahren zur Erzeugung von elektrischer oder mechanischer Energie aus anderen Energieformen wie beispielsweise Wärmeenergie verwendet. Bei sogenannten ORC-Prozessen (OCR = Organic Rankine Cycle), wird Wärmeenergie mittels eines gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmittels, mit Ausnahme von Wasser, in elektrische Energie umgewandelt.
Die Kompression von Gasen findet hingegen in Wärmepumpen Anwendung. In den Verdichtereinheiten der Wärmepumpen werden unter anderem Arbeitsmittel mit hohen Verdichtungsenddrücken und/oder großen Druckverhältnissen eingesetzt. Derartige Arbeitsmittel sind insbesondere Kohlendioxid oder Ammoniak. Ferner wird die Kompression von Gasen in einer Verdichtereinheit zur Energiespeicherung genutzt, wie dies beispielsweise in Druckluftspeichern der Fall ist. Ein weiteres Anwendungsgebiet der Kompression von Gasen ist die isotherme Verdichtung, bei der Trennung oder Abfuhr der Kompressionswärme erforderlich ist. Überdies werden Gase komprimiert, bei denen eine Explosionsgefährdung besteht.
Zur Kompression von Gasen werden im Bereich von kleinen bis mittleren Leistungen vorwiegend Roll- und Hubkolbenverdichter eingesetzt, während im Bereich von mittleren bis großen Leistungen Schrauben- oder Turbomaschinen verwendet werden.
Bei der Expansion von Gasen werden – insbesondere für OCR-Prozesse – im mittleren Leistungsbereich vorwiegend Hub- oder Drehkolbenmotoren und im großen Lei stungsbereich Turbo- oder Schraubenverdichter eingesetzt. Hingegen sind im kleinen Leistungsbereich, kleiner 10 kW elektrisch, bisher keine wirtschaftlichen Anlagen gebaut worden, bei denen ein ORC-Prozeß angewendet werden konnte. Lediglich auf Basis des Stirlingmotors wurden sogenannte „Mini-Blockheizkraftwerke” gebaut.
Die zur Kompression eingesetzten Vorrichtungen weisen jedoch gewisse Nachteile auf. Bei diesen Maschinen wird aufwendig mechanisch eine Volumenverdrängung durch Kolben erreicht, wozu oftmals der Einsatz von Schmieröl notwendig ist, um zum einen die Mechanik zu schonen und zum anderen eine bessere Dichtheit zwischen Kolben und Zylinderwand zu erreichen. Dies führt zu unnötigen Energieverlusten und Umweltbelastungen und macht solche Verdichter aufwendig und kostenintensiv. Selten erreichen diese Verdichterbauarten einen isentropen Wirkungsgrad von mehr als 75%.
Eine Ausnahme stellen allerdings Membran- und Turboverdichter dar. Beim Membranverdichter wird eine Membran mechanisch oder hydraulisch angetrieben, welche dann die Volumenverdrängung des Gases hervorruft. Diese Verdichter benötigen kein Schmieröl zur Abdichtung und erreichen durchaus isentrope Wirkungsgrade von 90%. Bei Turboverdichtern wird das zu komprimierende Gas durch ein Schaufelrad beschleunigt und anschließend in einem Diffusor die kinetische Energie in Druck umgewandelt. Dabei kommt selten der Einsatz von Schmieröl vor. Allerdings benötigen die Schaufelräder sehr hohe Drehzahlen, um auf annehmbare Wirkungsgrade zu kommen. Ferner müssen große Volumenströme gefördert werden, was wiederum den Einsatz solcher Maschinen auf große Leistungen einschränkt.
Auch die zur Expansion von Gasen bisher verwendeten Vorrichtungen weisen verschiedene Nachteile auf. Die im kleinen Leistungsbereich eingesetzten Stirling-Blockheizkraftwerke haben zwar gute Wirkungsgrade, allerdings ist bei diesen Anlagen die Leistungsdichte gerade im Niedertemperaturbereich verhältnismäßig schlecht. Aus diesem Grund sind derartige Anlagen oft groß und teuer, was sich wiederum negativ auf deren Wirtschaftlichkeit auswirkt. Bei ORC-Prozessen werden bedingt durch die Turbo- bzw. Schraubenverdichter nur wirtschaftliche Anlagen im mittleren und großen Leistungsbereich betrieben. Dies gilt ebenso bei der Kompression.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Vorrichtung zur Kompression bzw. Expansion eines Gases angegeben werden, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist, kostengünstig realisiert werden kann und eine wirtschaftlich Anwendung insbesondere bei ORC-Prozessen in Anlagen mit kleinen und mittleren Leistungen im Niedertemperaturbereich ermöglicht. Ferner soll ein Verfahren zur Kompression bzw. Expansion eines Gases angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 7 und 9 bis 14.
Nach Maßgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Verdichtung oder Entspannung eines gasförmigen Arbeitsmittels mittels einer Hydraulikflüssigkeit, umfassend einen ersten adiabaten Zylinder und einen zweiten adiabaten Zylinder, der mit dem ersten Zylinder über eine Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie hydraulisch verbunden ist, vorgesehen, wobei

(a) sich in einem ersten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem ersten adiabaten Zylinder befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem zweiten adiabaten Zylinder befindet;
(b) in einem ersten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie passiert;
(c) sich in einem zweiten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem ersten adiabaten Zylinder befindet;
(d) in einem zweiten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie passiert; und
(e) der erste Schritt (b) unter Erreichen des zweiten Zustandes und anschließend der zweite Schritt (d) unter Erreichen des ersten Zustandes wiederholt ausgeführt werden.

Die Erfindung beruht auf der Expansion oder Kompression von Gasen durch Volumenverdrängung mit Hilfe einer Hydraulikflüssigkeit, die im Falle der Kompression durch eine Hydraulikpumpe eine Energiezufuhr infolge einer Druckerhöhung oder im Fall der Expansion durch einen Hydraulikmotor eine Energieabfuhr infolge einer Druckabsenkung erfährt.
Das gasförmige Arbeitsmittel ist vorzugsweise ein technisches Gas, beispielsweise Kohlendioxid, Sauerstoff, Luft, Stickstoff, Argon, Ammoniak, Helium, Propan, Wasserstoff und/oder Distickstoffmonoxid. Bevorzugte gasförmige Arbeitsmittel sind Sauerstoff, Luft, Stickstoff und Kohlendioxid. Ein besonders bevorzugtes gasförmiges Arbeitsmittel ist Kohlendioxid. Das gasförmige Arbeitsmittel wird im folgenden auch als Gas bezeichnet.
Die Hydraulikflüssigkeit ist vorzugsweise Wasser. Der erste und zweite Zylinder haben vorzugsweise gleiche Innenvolumina.
Es kann vorgesehen sein, daß in den adiabaten Zylindern die Hydraulikflüssigkeit und das gasförmige Arbeitsmittel voneinander getrennt sind, um das Lösen des gasförmigen Arbeitsmittels in der Hydraulikflüssigkeit zu verhindern. Für diese Trennung kann in den Zylindern jeweils ein Trennelement, beispielsweise ein Kolben oder eine Membran, vorgesehen sein. Das Trennelement, das das gasförmige Arbeitsmittel vollständig von der Hydraulikflüssigkeit trennt, ist in dem Zylinder entlang der Längsachse beweglich, so daß sich dessen Position in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen im Zylinder verändern kann.
Unter einem adiabaten Zylinder wird hier ein Zylinder verstanden, der keinen oder einen möglichst geringen Wärmeaustausch mit der Umgebung aufweist. Dies kann durch eine Isolierung der Zylinder erreicht werden. In den Zylindern kann die Arbeitsgastemperatur durch Einbringung von Wärmeübertragern begrenzt werden.
Die Begriffe „Kompression” und „Verdichtung” werden hier synonym verwendet. Ebenso werden die Begriffe „Expansion” und „Entspannung” synonym verwendet.
Unter einem vollständig gefüllten Zylinder wird ein Zylinder verstanden, der entweder vollständig oder zumindest zu 98% mit dem gasförmigen Arbeitsmittel oder der Hydraulikflüssigkeit bei einer vorgegebenen Temperatur und einem vorgegebenen Druck gefüllt ist.
Die Vorrichtung weist einen vergleichsweise einfachen Aufbau auf, da alle verwendeten Komponenten Massenartikel und demnach kostengünstig beschaffbar sind. Ferner ist ein einfacher Umbau von der Vorrichtung zur Expansion eines Gases (= Expansionsmaschine) zur Vorrichtung zur Verdichtung eines Gases (= Kompressionsmaschine) oder umgekehrt möglich.
Bei Anwendung von Wasserhydraulik wird eine Belastung durch Öl oder andere Schmier- und Arbeitstoffe vermieden. Mittels der Dimensionierung der beiden Zylinder sind unter Beachtung der Arbeitspunkte von Hydraulikpumpe bzw. Hydraulikmotor beliebige Druckverhältnisse wählbar. Es werden sehr gute maschinelle Wirkungsgrade von 90 bis 95% erreicht.
Die Erfindung ermöglicht erstmals eine wirtschaftliche Anwendung der Expansion von Gasen bei ORC-Prozessen mit kleiner und mittlerer Leistung im Niedertemperaturbereich (>= 200°C) bei Verwendung von Kohlendioxid (R744) als Arbeitsmittel. Unter kleiner Leistung werden hier ≤ 50 kW elektrisch, unter mittlerer Leistung : 51 kW ≥ Leistung elektrisch ≤ 500 kW verstanden.
Vorrichtung zur Verdichtung eines Gases (Kompressionsmaschine)
In einer Ausführungsform ist die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmittels gerichtet, bei der

– der erste adiabate Zylinder über ein erstes Ventil mit einer ersten Leitung verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder strömen kann (die erste Leitung wird im Zusammenhang mit der Verdichtung eines Gases auch als Druckleitung bezeichnet);
– der erste adiabate Zylinder über ein zweites Ventil mit einer zweiten Leitung verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömen kann (die zweite Leitung wird im Zusammenhang mit der Verdichtung eines Gases auch als Saugleitung bezeichnet);
– der zweite adiabate Zylinder über ein drittes Ventil mit der ersten Leitung (Druckleitung) verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder (7) strömen kann;
– der zweite adiabate Zylinder über ein viertes Ventil mit der zweiten Leitung (Saugleitung) verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
– die Einrichtung zur Zufuhr von Energie eine Hydraulikpumpe ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, die die Hydraulikpumpe passiert, erhöht; wobei
– in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand das erste, zweite, dritte und vierte Ventil der beiden Zylinder geschlossen ist;
– in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmittel in dem ersten adiabaten Zylinder (8) auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das erste Ventil öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung (Druckleitung) strömt; und (ii) der Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder erreicht ist, das vierte Ventil öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus der zweiten Leitung (Saugleitung) in den zweiten adiabaten Zylinder strömt; und
– in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das dritte Ventil öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung (Druckleitung) strömt; und (ii) der Druck in dem ersten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem ersten adiabaten Zylinder erreicht ist, das zweite Ventil öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus der zweiten Leitung (Saugleitung) in den ersten adiabaten Zylinder strömt.

Die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit wird zweckmäßigerweise über zwei Dreiwegeventile bestimmt, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet sind. Die beiden Dreiwegeventile werden gleichzeitig umgeschaltet, um die Strömungsrichtung zu ändern.
Das erste, zweite, dritte und vierte Ventil sind zweckmäßigerweise Rückschlagventile.
Die Steuerung des ersten, zweiten, dritten und vierten Ventils und der Dreiwegeventile kann über eine Steuereinheit erfolgen.
Vorzugsweise ist die erste Leitung (Druckleitung), in der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über ein Expansionsventil mit der zweiten Leitung (2) verbunden, in dem das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel entspannt wird, so daß das Arbeitsmittel im Kreislauf geführt wird.
In einer Ausführungsform kann zumindest einem, vorzugsweise beiden Zylindern der Vorrichtung zum Verdichten eines Gases jeweils ein Wärmetauscher zugeordnet sein. Diese Ausführungsform ermöglicht eine isotherme Verdichtung des Gases. Die Hydraulikflüssigkeit, die aus einem Zylinder in den anderen Zylinder strömt, passiert den Wärmetauscher und wird dort abgekühlt. Anschließend wird sie über eine Düse in den Zylinder geleitet und dort versprüht. Auf diese Weise kann die Hydraulikflüssigkeit die bei der Verdichtung des Gases entstehende Kompressionswärme aufnehmen. Dabei erwärmt sich die Hydraulikflüssigkeit nur geringfügig. Das Gas nimmt lediglich den Anteil an Druckenergie auf und speichert diesen. Es nimmt nur einen geringen Teil der Kompressionswärme auf. Nach der Umschaltung der Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit passiert die Hydraulikflüssigkeit auf dem Weg von dem einen Zylinder zu dem anderen Zylinder erneut einen Wärmetauscher, in dem der Hydraulikflüssigkeit die Kompressionswärme wieder entzogen wird.
Vorrichtung zur Entspannung eines Gases (Expansionsmaschine)
In einer Ausführungsform ist die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Entspannung des gasförmigen Arbeitsmittels gerichtet, bei der

– der erste adiabate Zylinder über ein erstes Ventil und ein erstes Dreiwegeventil mit einer ersten Leitung verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den erste adiabaten Zylinder strömen kann;
– der erste adiabate Zylinder über ein zweites Ventil und ein zweites Dreiwegeventil mit einer zweiten Leitung verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittels aus dem ersten adiabaten Zylinder strömen kann;
– der zweite adiabate Zylinder über ein drittes Ventil und das erste Dreiwegeventil mit der ersten Leitung verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
– der zweite adiabate Zylinder über ein viertes Ventil und das zweite Dreiwegeventil mit der zweiten Leitung verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
– die Einrichtung zur Abfuhr von Energie ein Hydraulikmotor ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, der den Hydraulikmotor passiert, verringert; wobei
– in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand das erste, zweite, dritte und vierte Ventil der beiden Zylinder geschlossen ist;
– in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) über das geöffnete dritte Ventil verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus der ersten Leitung in den zweiten adiabaten Zylinder strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder verdrängt wird und in den ersten adiabaten Zylinder strömt; und (ii) ent spanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder über das geöffnete zweite Ventil in die zweite Leitung strömt;
– in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) über das geöffnete erste Ventil verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder verdrängt wird und in den zweiten adiabaten Zylinder strömt; und (ii) entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder über das geöffnete vierte Ventil in die zweite Leitung strömt.

Zweckmäßigerweise wird die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit über zwei Dreiwegeventile bestimmt, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet sind. Die Strömung des verdichteten gasförmigen Arbeitsmittels aus der ersten Leitung zum ersten adiabaten Zylinder oder zum zweiten adiabaten Zylinder wird durch das erste Dreiwegeventil bestimmt. Die Strömung des entspannten gasförmigen Arbeitsmittels aus dem ersten adiabaten Zylinder oder dem zweiten adiabaten Zylinder in die zweite Leitung wird durch das zweite Dreiwegeventil bestimmt. Diese vier Dreiwegeventile werden vorzugsweise synchron geschaltet, so daß die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit sowie die Zufuhr von verdichtetem Arbeitsmittel und die Abfuhr von entspanntem Arbeitsmittel gleichzeitig geändert werden.
Das erste, zweite, dritte und vierte Ventil sind zweckmäßigerweise Rückschlagventile.
Die Steuerung des ersten, zweiten, dritten und vierten Ventils und der Dreiwegeventile kann über eine Steuereinheit erfolgen.
Vorzugsweise ist die zweite Leitung, in der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über eine Hydraulikpumpe mit der ersten Leitung verbunden, in dem das ent spannte gasförmige Arbeitsmittel verdichtet wird, so daß das gasförmige Arbeitsmittel im Kreislauf geführt wird.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Verdichtung oder Entspannung eines gasförmigen Arbeitsmittels mittels einer Hydraulikflüssigkeit in einer Vorrichtung, umfassend einen ersten adiabaten Zylinder und einen zweiten adiabaten Zylinder, der mit dem ersten Zylinder über eine Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie hydraulisch verbunden ist, vorgesehen, wobei

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt.
Verfahren zur Verdichtung eines Gases mittels einer Kompressionsmaschine
In einer Ausführungsform ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmittels gerichtet, bei dem

– der erste adiabate Zylinder über ein erstes Ventil mit einer ersten Leitung (Druckleitung) verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder strömen kann;
– der erste adiabate Zylinder über ein zweites Ventil mit einer zweiten Leitung (Saugleitung) verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömen kann;
– der zweite adiabate Zylinder über ein drittes Ventil mit der ersten Leitung (Druckleitung) verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
– der zweite adiabate Zylinder über ein viertes Ventil mit der zweiten Leitung (Saugleitung) verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
– die Einrichtung zur Zufuhr von Energie eine Hydraulikpumpe ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, die die Hydraulikpumpe passiert, erhöht; wobei
– in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand das erste, zweite, dritte und vierte Ventil der beiden Zylinder geschlossen ist;
– in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmit tel in dem ersten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das erste Ventil öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung strömt; und (ii) der Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder erreicht ist, das vierte Ventil öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömt; und
– in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das dritte Ventil öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung (Druckleitung) strömt; und (ii) der Druck in dem ersten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem ersten adiabaten Zylinder erreicht ist, das zweite Ventil öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömt.

Die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit wird zweckmäßigerweise über zwei Dreiwegeventile bestimmt, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet sind. Die beiden Dreiwegeventile werden gleichzeitig umgeschaltet, um die Strömungsrichtung zu ändern.
Das erste, zweite, dritte und vierte Ventil sind zweckmäßigerweise Rückschlagventile.
Die Steuerung des ersten, zweiten, dritten und vierten Ventils und der Dreiwegeventile kann über eine Steuereinheit erfolgen.
Vorzugsweise ist die erste Leitung (Druckleitung), in der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über ein Expansionsventil mit der zweiten Leitung (2) verbun den, in dem das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel entspannt wird, so daß das Arbeitsmittel im Kreislauf geführt wird.
Das Verfahren zur Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmittels wird nachfolgend ausführlicher beschrieben:
Das gasförmige Arbeitsmittel, welches den ersten adiabaten Zylinder vollständig füllt, wird durch eine Hydraulikflüssigkeit komprimiert, bis sich ein gewünschter Druck aufbaut. Gleichzeitig wird aus dem zweiten adiabaten Zylinder, welcher hydraulisch mit dem ersten adiabaten Zylinder verbunden ist, die Hydraulikflüssigkeit entnommen. Dadurch sinkt der Druck im zweiten adiabaten Zylinder auf einen gewünschten Wert. Ist dieser erreicht, öffnet sich das zweite Rückschlagventil und läßt Gas aus einer Saugleitung in den zweiten Zylinder einströmen. Die entnommene Hydraulikflüssigkeit fließt durch Leitungen zu einer Hydraulikpumpe, erfährt dort durch Energiezufuhr eine Druckerhöhung und wird anschließend dem ersten Zylinder wieder zugeführt.
Ist im ersten Zylinder der gewünschte Druck erreicht, öffnet sich das dritte Rückschlagventil und läßt das komprimierte Gas isobar in eine Druckleitung entweichen. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, stellen die beiden 3-Wege-Ventile die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit nun so um, das nun aus dem vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten ersten Zylinder die Hydraulikflüssigkeit entnommen wird, über die Hydraulikpumpe fließt und in den zweiten Zylinder einströmt.
Das in den zweiten Zylinder zuvor eingeströmte Gas aus der Saugleitung wird im zweiten Zylinder nun durch die Hydraulikflüssigkeit komprimiert. Dabei schließt sich das zweite Rückschlagventil an der Saugleitung. Wenn wieder ein gewünschter Druck erreicht ist, öffnet sich das erste Rückschlagventil am zweiten Zylinder und läßt das komprimierte Gas wiederum isobar entweichen. Gleichzeitig sinkt im ersten Zylinder, welchem die Hydraulikflüssigkeit entnommen wird, der Druck, bis sich ein viertes Rückschlagventil an der Saugleitung öffnet und Gas in den ersten Zylinder einströmen läßt.
Ist der zweite Zylinder vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, stellen wieder die beiden 3-Wege-Ventile die Strömungsrichtung um, so daß nun wieder die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten Zylinder entnommen wird und in den ersten Zylinder einströmt. Damit schließt sich der Zyklus und eine fortwährende Komprimierung eines Gases ist damit gewährleistet.
In einer Ausführungsform ist zumindest einem, vorzugsweise beiden Zylindern der Vorrichtung zum Verdichten eines Gases jeweils ein Wärmetauscher zugeordnet. Diese Ausführungsform ermöglicht eine isotherme Verdichtung des Gases. Die Hydraulikflüssigkeit, die in aus einem Zylinder in den anderen Zylinder strömt, passiert den Wärmetauscher und wird dort abgekühlt. Anschließend wird sie über Düse in den Zylinder geleitet und dort versprüht. Auf diese Weise kann die Hydraulikflüssigkeit die bei der Verdichtung des Gases entstehende Kompressionswärme aufnehmen. Dabei erwärmt sich die Hydraulikflüssigkeit nur geringfügig. Das Gas nimmt lediglich den Anteil an Druckenergie auf und speichert diesen. Es nimmt nur einen geringen Teil der Kompressionswärme auf. Nach der Umschaltung der Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit passiert die Hydraulikflüssigkeit auf dem Weg von dem einen Zylinder zu dem anderen Zylinder erneut einen Wärmetauscher, in dem der Hydraulikflüssigkeit die Kompressionswärme wieder entzogen wird.
Verfahren zur Entspannung eines Gases (Expansionsmaschine)
In einer Ausführungsform ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Entspannung des gasförmigen Arbeitsmittels gerichtet, bei dem

– der erste adiabate Zylinder über ein erstes Ventil und ein erstes Dreiwegeventil mit einer ersten Leitung verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den erste adiabaten Zylinder strömen kann;
– der erste adiabate Zylinder über ein zweites Ventil und ein zweites Dreiwegeventil mit einer zweiten Leitung verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder strömen kann;
– der zweite adiabate Zylinder über ein drittes Ventil und das erste Dreiwegeventil mit der ersten Leitung verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
– der zweite adiabate Zylinder über ein viertes Ventil und das zweite Dreiwegeventil mit der zweiten Leitung verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
– die Einrichtung zur Abfuhr von Energie ein Hydraulikmotor ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, der den Hydraulikmotor passiert, verringert; wobei
– in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand das erste, zweite, dritte und vierte Ventil der beiden Zylinder geschlossen ist;
– in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) über das geöffnete dritte Ventil verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus der ersten Leitung in den zweiten adiabaten Zylinder strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder verdrängt wird und in den ersten adiabaten Zylinder strömt; und (ii) entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder über das geöffnete zweite Ventil in die zweite Leitung strömt;
– in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) über das geöffnete erste Ventil verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder verdrängt wird und in den zweiten adiabaten Zylinder strömt; und (ii) entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder über das geöffnete vierte Ventil in die zweite Leitung strömt.

Zweckmäßigerweise wird die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit über zwei Dreiwegeventile bestimmt, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet sind. Die Strömung des verdichteten gasförmigen Arbeitsmittels aus der ersten Leitung zum ersten adiabaten Zylinder oder zum zweiten adiabaten Zylinder wird durch das erste Dreiwegeventil bestimmt. Die Strömung des entspannten gasförmigen Arbeitsmittels aus dem ersten adiabaten Zylinder oder dem zweiten adiabaten Zylinder in die zweite Leitung wird durch das zweite Dreiwegeventil bestimmt. Diese vier Dreiwegeventile werden vorzugsweise synchron geschaltet, so daß die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit sowie die Zufuhr von verdichtetem Arbeitsmittel und die Abfuhr von entspanntem Arbeitsmittel gleichzeitig geändert werden.
Das ersten, zweiten, dritten und vierten Ventil sind zweckmäßigerweise Rückschlagventile.
Die Steuerung des erste, zweite, dritte und vierte Ventils und der Dreiwegeventile kann über eine Steuereinheit erfolgen.
Vorzugsweise ist die zweite Leitung, in der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über eine Hydraulikpumpe mit der ersten Leitung verbunden, in dem das entspannte gasförmige Arbeitsmittel verdichtet wird, so daß das gasförmige Arbeitsmittel im Kreislauf geführt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die die Erfindung nicht einschränken sollen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Kompression eines Gases;
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Expansion eines Gases; und
3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur isothermen Kompression eines Gases.
Beispiel 1
Die in 1 gezeigte Anordnung zur Kompression eines Gases ist ein Verdichter einer Wärmepumpe mit dem Kältemittel Kohlendioxid (R744, CO₂) und einer hydraulischen Axialkolbenpumpe (hergestellt von der Fa. Danfoss, DE), welche als Hydraulikflüssigkeit (Hf) Wasser verwendet. Der erste Zylinder und der zweite Zylinder haben das gleiche Innenvolumen. Die Rückschlagventile öffnen oder schließen, wenn eine Druckdifferenz zwischen den Komponenten besteht, zwischen denen sie eingebaut sind. Bei Strömungswechsel, infolge der beiden 3-Wege-Ventile, schließen die Rückschlagventile, da die Druckdifferenz zusammenbricht.
Zustand vor Schritt 1a und 1b
Vor den Schritten 1a und 1b ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit Wasser gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit CO₂ gefüllt ist. Die Rückschlagventile 3, 4, 5 und 6 sind geschlossen.
Schritt 1a
In einen vollständig mit CO₂ gefüllten ersten Zylinder 8 strömt Hydraulikflüssigkeit ein und komprimiert das dort befindliche CO₂, bis sich ein Druck von 95 bar aufbaut. Dabei erhöht sich die Temperatur des CO₂ von anfangs 30°C auf 113°C. Sobald der Druck von 95 bar im ersten Zylinder 8 erreicht ist, öffnet sich das dritte Rückschlagventil (Rv) 6 und läßt das CO₂ isobar in die Druckleitung (D1) 1 entweichen, dabei baut sich ein Druck von ca. 95 bar in der Druckleitung 1 auf.
Schritt 1b
Gleichzeitig mit Schritt 1a wird dem zweiten Zylinder 7 die benötigte Hydraulikflüssigkeit entnommen, durch das 3-Wegeventil 9 geleitet und der Hydraulikpumpe (Hp) 11 zugeführt. Die Hydraulikpumpe 11 pumpt das Wasser auf einen Druck von 95 bar und läßt es über das 3-Wegeventil 10 in den ersten Zylinder 8 einströmen. Die dazu benötigte elektrische Leistung von 4,8 kW bekommt die Hydraulikpumpe 11 von einem Elektromotor 12. Während der Entnahme der Hydraulikflüssigkeit sinkt der Druck in dem zweiten Zylinder 7 auf 37,7 bar. Sobald der Druck von 37,7 bar im zweiten Zylinder 7 erreicht ist, öffnet sich das zweite Rückschlagventil 4 und läßt CO₂ aus der Saugleitung (S1) 2 in den ersten Zylinder 7 einströmen.
Zustand nach Schritt 1a und 1b
Nach den Schritten 1a und 1b ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit CO₂ gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit Wasser gefüllt ist. Die Rückschlagventile 3, 4, 5 und 6 sind geschlossen.
Schritt 2a
In diesen Zustand ändern nun die beiden 3-Wegeventile 9 und 10 die Strömungsrichtung des Wassers; dabei schließen die Rückschlagventile 4 und 6, so daß nun das Wasser aus dem ersten Zylinder 8 über das 3-Wegeventil 10 durch die Hydraulikpumpe 11 strömt. In der Hydraulikpumpe 11 erfährt das Wasser eine Druckerhöhung von 37,7 bar auf 95 bar. Danach wird das Wasser durch das 3-Wegeventil 9 in den zweiten Zylinder 7 geleitet und komprimiert dort das CO₂ von 37,7 auf 95 bar, wobei das CO₂ seine Temperatur von 30°C auf 113°C ändert. Sobald der Druck von 95 bar im zweiten Zylinder 7 erreicht ist, öffnet sich das erste Rückschlagventil 3 und läßt wiederum das CO₂ isobar in die Druckleitung 1 entweichen.
Schritt 2b
Gleichzeitig mit Schritt 2a fällt im ersten Zylinder 8 hingegen der Druck. Sobald der Druck im zweiten Zylinder 37,7 bar erreicht hat, öffnet sich das vierte Rückschlagventil 5 und läßt CO₂ aus der Saugleitung 2 in den Zylinder 8 einströmen. Sobald der zweite Zylinder 7 vollständig mit CO₂ gefüllt, ändern die beiden 3-Wegeventile 9 und 10 die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit, so daß nun das Wasser vom zweiten Zylinder 7 über die Hydraulikpumpe 11 zu dem ersten Zylinder 8 strömt.
Zustand nach Schritt 2a und 2b
Nach den Schritten 2a und 2b ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit Wasser gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit CO₂ gefüllt ist. Dieser Zustand entspricht somit dem Zustand vor den Schritten 1a und 1b. Die Rückschlagventile 3, 4, 5 und 6 sind geschlossen. Damit ist der Zyklus geschlossen und eine fortwährende Komprimierung des CO₂ gewährleistet.
Abkühlung und Entspannung des CO₂
Das in den Schritten 1a und 2a in Druckleitung 1 abgegebene, erhitzte CO₂ wird in der Druckleitung 1 zu einem Gaskühler 13 geleitet und dort im Gegenstromprinzip mit Wasser auf 32°C gekühlt. Dabei erwärmt sich das Wasser und nimmt ca. 21 kW aus dem CO₂ auf. Anschließend kann das Wasser einem Verbraucher 17 (beispielsweise einer Gebäudeheizung) zur Verfügung gestellt werden.
Nachdem das CO₂ im Gaskühler 13 21 kW an Wärmeleistung abgegeben hat, wird es von der Druckleitung 1 zum inneren Wärmeübertrager 14 geleitet. Dort erwärmt es im Gegenstrom das CO₂ aus der Saugleitung 2, wobei sich das CO₂ in der Druckleitung 1 von 32°C auf 20,7°C abkühlt. Anschließend gelangt das CO₂ in der Druckleitung 1 zum Expansionsventil 15. Mittels des Expansionsventil 15 wird das CO₂ in der Druckleitung 1 isenthalp von 95 bar auf 37,7 bar ins Zweiphasengebiet entspannt. Dabei gelangt das CO₂ in Saugleitung 2.
Verdampfen und Erwärmen des CO₂
In Saugleitung 2 wird das CO₂ einem Verdampfer 16 zugeführt. Dieser entnimmt einem Brunnen 18 Wasser. Mit diesem Wasser wird das CO₂ bei 3°C, wiederum im Gegenstromprinzip, verdampft und auf 6°C überhitzt, wobei das CO₂ 16,1 kW aus dem Brunnenwasser an Wärmeleistung aufnimmt.
Nachdem das CO₂ vollständig im Verdampfer 16 verdampft ist, wird es von der Saugleitung 2 zum inneren Wärmeübertrager 14 geleitet und dort von 6°C auf 30°C erwärmt und steht danach dem Hydraulikverdichter zur Verfügung.
Leistungszahlen
Mit dieser Wärmepumpe lassen sich Wärmepumpenleistungszahlen von 4,3 realisieren (21 kW/4,8 kW = 4,3). Dies steht im Gegensatz zum Stand der Technik, welcher unter gleichen Bedingungen lediglich eine Leistungszahl von ca. 3,5 erreicht. Des Weiteren kann vollständig auf den Einsatz von Schmieröl verzichtet werden.
Beispiel 2
Die in 2 gezeigte Anordnung zur Expansion eines Gases ist eine Expansionsmaschine eines ORC-Prozesses mit dem Arbeitsmittel Kohlendioxid und einem hydraulischen Axialkolbenmotor (Hersteller: Fa. Danfoss, DE), welcher als Hydraulikflüssigkeit Wasser verwendet.
Die in 2 gezeigte Anordnung entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten Anordnung, außer daß die Rückschlagventile 103, 104, 105 und 106 an den Zylindern 107, 108 im Vergleich die Rückschlagventile 3, 4, 5 und 6 an den Zylindern 7, 8 in ihrer Strömungsrichtung getauscht werden und die Hydraulikpumpe 11 durch einen Hydraulikmotor (Hm) 111 ersetzt wird. Zusätzlich müssen noch die beiden 3-Wege-Ventile 119 und 120 jeweils in die Leitungen 101 und 102 eingebaut werden.
Die Rückschlagventile öffnen oder schließen nur wenn eine Druckdifferenz zwischen den Komponenten besteht zwischen denen sie eingebaut sind. Bei Strömungswechsel, infolge der beiden 3-Wege-Ventile, schließen die Rückschlagventile, da die Druckdifferenz zusammenbricht.
Erwärmung und Kompression von CO₂
In einer Hydraulikpumpe 15 wird flüssiges CO₂ von 60 bar auf 100 bar komprimiert. Dabei erwärmt sich das CO₂ von 19°C auf 26°C und nimmt eine Leistung von 4,5 kW von der Hydraulikpumpe 15, welche mit einem Wirkungsgrad von 95% arbeitet, auf.
Anschließend wird das CO₂ in Leitung 101 zu einem Wärmetauscher 117 geführt und dort im Gegenstrom von Wasser auf 60°C erwärmt und verdampft. Dabei entzieht das CO₂ dem Wasser 157 kW an Wärmeleistung. Das Wasser stammt aus einer industriellen Abwärmequelle 118.
Zustand vor Schritt 1a und 1b
Vor den Schritten 1a und 1b ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit Wasser gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit CO₂ gefüllt ist. Die Rückschlagventile 103, 104, 105 und 106 sind geschlossen.
Schritt 1a
Vom Wärmeaustauscher 117 gelangt das CO₂ in Leitung 101 über das 3-Wege-Ventil 20 und das geöffnete Rückschlagventil 103 zum zweiten Zylinder 107. Der zweite Zylinder 107 ist nahezu vollständig mit Wasser gefüllt. Das dort nun eindringende CO₂ verdrängt das Wasser mit 100 bar. Dieses Wasser wird nun über das 3-Wege-Ventil 109 zum Hydraulikmotor 111 geleitet, dort auf 60 bar entspannt und zum ersten Zylinder 108 über das 3-Wegeventil 110 geleitet (siehe Schritt 1b). Bei der Ent spannung gibt der Hydraulikmotor 111 14,9 kW Wellenleistung an den Generator 112 ab. Der Generator 112 wandelt dann die Wellenleistung in elektrische Leistung um. Dabei werden 14,2 kW elektrische Leistung einem Verbraucher zur Verfügung gestellt. Der Wirkungsgrad des Hydraulikmotors 111 beträgt dabei 92% und der des Generator 95%.
Schritt 1b
Gleichzeitig mit Schritt 1a füllt das im Hydraulikmotor 111 auf 60 bar entspannte Wasser den ersten Zylinder 108. Das dort befindliche CO₂ wird über das geöffnete Rückschlagventil 105 und das Dreiwegeventil 119 isobar bei einem Druck von 60 bar in die Leitung 2 verdrängt.
Zustand nach Schritt 1a und 1b
Nach den Schritten 1a und 1b ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit CO₂ gefüllt, während der erste Zylinder 8 nahezu vollständig mit Wasser gefüllt ist. Die Rückschlagventile 103, 104, 105 und 106 sind geschlossen.
Schritt 2a
Sobald der erste Zylinder 108 nahezu vollständig mit Wasser gefüllt ist, ändern die 3-Wegeventile 109, 110 und 119, 120 die Strömungsrichtungen, so daß nun das CO₂ aus Leitung 101 über das Dreiwegeventil 120 und das geöffnete Rückschlagventil 106 in den ersten Zylinder 108 einströmen kann und nun dort das Wasser verdrängt. Das Wasser wird so geleitet, das es über die 3-Wege-Ventile 109 und 110 und den Hydraulikmotor 111 zum den zweiten Zylinder 107 gelangt.
Schritt 2b
Gleichzeitig mit Schritt 2a füllt das im Hydraulikmotor 111 auf 60 bar entspannte Wasser den zweiten Zylinder 107. Das dort befindliche CO₂ wird über das geöffnete Rückschlagventil 104 und Dreiwegeventil 119 isobar bei einem Druck von 60 bar in die Leitung 2 verdängt.
Zustand nach Schritt 2a und 2b
Nach den Schritten 2a und 2b ist der zweite Zylinder 7 nahezu vollständig mit Wasser gefüllt, während der erste Zylinder 8 nahezu vollständig mit CO₂ gefüllt ist. Die Rückschlagventile 103, 104, 105 und 106 sind geschlossen. Dieser Zustand entspricht somit dem Zustand vor den Schritten 1a und 1b. Damit ist der Zyklus geschlossen und eine fortwährende Entspannung des CO₂ gewährleistet.
Abkühlung und Verflüssigung des CO₂
Über Leitung 102 gelangt nun das CO₂ bei einem Druck von 60 bar und einer Temperatur von 23°C in den Kondensator 13. Dort wird es im Gegenstrom von Kühlturmwasser auf 19°C abgekühlt und verflüssigt. Anschließend gelangt das nun wieder flüssige CO₂ zur Hydraulikpumpe 15.
Beispiel 2 zeigt, daß ein ORC-Prozeß, welcher mit der erfindungsgemäßen Anordnung zur Expansion eines Gases betrieben wird, durchaus im kleinen und mittleren Leistungsbereich und relativ niedrigen Temperaturen mit einfachen Mitteln technisch und wirtschaftlich realisierbar ist.
Beispiel 3
Die in 3 gezeigte Anordnung zur isothermen Kompression eines Gases entspricht der in 1 gezeigten Ausführungsform mit Ausnahme zwei zusätzlicher Wärmetauscher, durch die Hydraulikflüssigkeit 20, 25 zur Abkühlung geführt wird. Gleiche Bezugszeichen haben dieselbe Bedeutung wie in 1. Als gasförmiges Arbeitsmittel wird Luft eingesetzt. Die Hydraulikflüssigkeit ist Wasser.
Zustand vor Schritt 1a und 1b
Vor den Schritten 1a und 1b ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit Luft gefüllt ist. Die Rückschlagventile 3, 4, 5, und 6 sind geschlossen.
Schritt 1a
In einen vollständig mit Luft gefüllten ersten Zylinder 8 strömt mittels Wärmetauscher 25 (siehe Schritt 1b) abgekühlte Hydraulikflüssigkeit über Düse 27 ein und komprimiert die dort befindliche Luft, bis sich ein erster vorgegebener Druck aufbaut. Die Kompressionswärme wird von der mittels Düse 27 versprühten Hydraulikflüssigkeit aufgenommen. Dabei erwärmt sich die Hydraulikflüssigkeit geringfügig, während die Luft lediglich den Anteil an Druckenergie aufnimmt und speichert und nur einen sehr geringen Teil der Kompressionswärme aufnimmt.
Sobald der erste vorgegebene Druck im ersten Zylinder 8 erreicht ist, öffnet sich das dritte Rückschlagventil (Rv) 6 und läßt die Luft isobar in die Druckleitung (D1) 1 entweichen, dabei baut sich der erste vorgegebene Druck in der Druckleitung 1 auf.
Schritt 1b
Gleichzeitig mit Schritt 1a wird dem zweiten Zylinder 7 die benötigte Hydraulikflüssigkeit entnommen, durch das geöffnete Rückschlagventil 22 und das 3-Wegeventil 9 geleitet und der Hydraulikpumpe (Hp) 11 zugeführt. Die Hydraulikpumpe 11 pumpt die Hydraulikflüssigkeit auf den ersten vorgegebenen Druck und läßt sie über das 3-Wegeventil 10 und das geöffnete Rückschlagventil 24 zu Wärmetauscher 25 strömen. Dabei ist Rückschlagventil 26 geschlossen, um ein direktes Eindringen der Hydraulikflüssigkeit in den ersten Zylinder 8 zu verhindern.
In Wärmetauscher 25 wird die Hydraulikflüssigkeit mit Kühlturmwasser, das eine niedrigere Temperatur als die Hydraulikflüssigkeit aufweist, im Gegenstromprinzip abgekühlt. Das Wasser stammt aus einem Kühlturm 21. Nach der Abkühlung der Hydraulikflüssigkeit in Wärmetauscher 25 strömt sie über die Düse 27 in den ersten Zylinder 8 ein (siehe Schritt 1a).
Während der Entnahme der Hydraulikflüssigkeit sinkt der Druck in dem zweiten Zylinder 7 auf den zweiten vorgegebenen Druck, der niedriger als der erste vorgegebene Druck ist. Sobald der zweite vorgegebene Druck im zweiten Zylinder 7 erreicht ist, öffnet sich das zweite Rückschlagventil 4 und läßt Luft aus der Saugleitung (S1) 2 in den ersten Zylinder 7 einströmen.
Zustand nach Schritt 1a und 1b
Nach den Schritten 1a und 1b ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit Luft gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist. Die Rückschlagventile 3, 4, 5, und 6 sind geschlossen.
Schritt 2a
In diesen Zustand ändern nun die beiden 3-Wegeventile 9 und 10 die Strömungsrichtung des Wassers; dabei schließen die Rückschlagventile 4, 6, 22 und 24, so daß nun die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten Zylinder 8 über das geöffnete Rückschlagventil 26 und das 3-Wegeventil 10 durch die Hydraulikpumpe 11 strömt. Das geschlossene Rückschlagventil 22 verhindert ein direktes Eindringen der Hydraulikflüssigkeit in den zweiten Zylinder 7. In der Hydraulikpumpe 11 erfährt die Hydraulikflüssigkeit eine Druckerhöhung vom zweiten vorgegebenen Druck auf den ersten vorgegebenen Druck. Danach wird die Hydraulikflüssigkeit über das 3-Wegeventil 9 und das geöffnete Rückschlagventil 19 zu Wärmetauscher 21 geführt.
In Wärmetauscher 21 wird die Hydraulikflüssigkeit mit Kühlturmwasser, das eine niedrigere Temperatur als die Hydraulikflüssigkeit aufweist, im Gegenstromprinzip abgekühlt. Das Wasser stammt aus einen Kühlturm 21. Nach der Abkühlung der Hydraulikflüssigkeit in Wärmetauscher 21 strömt sie über die Düse 23 in den zweiten Zylinder 7 und komprimiert dort die Luft vom zweiten vorgegebenen Druck auf den ersten vorgegebenen Druck. Sobald der erste vorgegebene Druck im zweiten Zylinder 7 erreicht ist, öffnet sich das erste Rückschlagventil 3 und läßt wiederum die Luft isobar in die Druckleitung 1 entweichen.
Die Kompressionswärme wird von der mittels Düse 23 versprühten Hydraulikflüssigkeit aufgenommen. Dabei erwärmt sich die Hydraulikflüssigkeit geringfügig, während die Luft lediglich den Anteil an Druckenergie aufnimmt und speichert und nur einen sehr geringen Teil der Kompressionswärme aufnimmt.
Schritt 2b
Gleichzeitig mit Schritt 2a fällt im ersten Zylinder 8 hingegen der Druck. Sobald der Druck im zweiten Zylinder den zweiten vorgegebenen Druck erreicht hat, öffnet sich das vierte Rückschlagventil 5 und läßt Luft aus der Saugleitung 2 in den Zylinder 8 einströmen. Sobald der zweite Zylinder 7 vollständig mit Luft gefüllt ist, ändern die beiden 3-Wegeventile 9 und 10 die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit, so daß nun die Hydraulikflüssigkeit vom zweiten Zylinder 7 über die Hydraulikpumpe 11 und dem Wärmetauscher 21 zu dem ersten Zylinder 8 strömt und in diesen über Düse 27 eingeleitet wird.
Zustand nach Schritt 2a und 2b
Nach den Schritten 2a und 2b ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit Luft gefüllt ist. Dieser Zustand entspricht somit dem Zustand vor den Schritten 1a und 1b. Die Rückschlagventile 3, 4, 5 und 6 sind geschlossen. Damit ist der Zyklus geschlossen und eine fortwährende Komprimierung des Luft unter Abfuhr an Kompressionswärme gewährleistet.
Weitere Bestandteile der dritten Ausführungsform der Erfindung
Die übrigen Bestandteile und Verfahrensschritte sind in den Abschnitten „Abkühlung und Entspannung des CO₂” und „Verdampfen und Erwärmen des CO₂” des Beispiels 1 und in 3 beschrieben, wobei in Beispiel 3 Luft anstelle CO₂ von als gasförmiges Arbeitsmittel eingesetzt wird. Alternativ kann an die Druckleitung 1 ein Speichergefäß beispielsweise für Luft (Druckluft) angebracht werden. Die Saugleitung würde dann der Atmosphäre die Ansaugluft entziehen. Die Abwärmequelle 21 (Kühlquelle) könnte ein Speichergefäß für Wasser sein, in dem das für die Kühlung der Hydraulik flüssigkeit benötigte Wasser gespeichert wird. An ihm könnten zusätzlich andere Abwärmequellen oder Solarkollektoren angeschlossen werden, die den Inhalt des Speichergefäßes bei Stillstand weiter erwärmen. Diese Wärme kann bei Bedarf später der gespeicherten Luft über Wärmetauscher wieder zurückgegeben werden, welche dann über einen Kraftprozeß beispielsweise den beschriebenen Entspannungsprozeß entspannt werden kann und zu einem sehr hohen Wirkungsgrad größer 80% (bei Berücksichtigung der kostenlosen Abwärmequelle) in elektrische oder mechanische Energie umgewandelt werden.

1: Druckleitung
2: Saugleitung
3: erstes Rückschlagventil
4: zweites Rückschlagventil
5: viertes Rückschlagventil
6: drittes Rückschlagventil
7: zweiter Zylinder
8: erster Zylinder
9: 3-Wege-Ventil
10: 3-Wege-Ventil
11: Hydraulikpumpe
12: Elektromotor
13: Gaskühler
14: innerer Wärmeübertrager
15: Expansionsventil
16: Verdampfer
17: Verbraucher
18: Brunnen
19: Rückschlagventil
20: Wärmetauscher
21: Abwärmequelle
22: Rückschlagventil
23: Düse im zweiten Zylinder 7
24: Rückschlagventil
25: Wärmetauscher
26: Rückschlagventil
27: Düse im zweiten Zylinder 8
101: erste Leitung
102: zweite Leitung
103: erstes Rückschlagventil
104: zweites Rückschlagventil
105: viertes Rückschlagventil
106: drittes Rückschlagventil
107: zweiter Zylinder
108: erster Zylinder
109: 3-Wege-Ventil
110: 3-Wege-Ventil
111: Hydraulikmotor
112: Generator
113: Kondensator
114: Kühlwasserturm
115: Hydraulikpumpe
116: Elektromotor
117: Wärmetauscher
118: Abwärmequelle
119: zweites 3-Wege-Ventil
120: erstes 3-Wege-Ventil

Claims

Vorrichtung zur Verdichtung oder Entspannung eines gasförmigen Arbeitsmittels mittels einer Hydraulikflüssigkeit, umfassend einen ersten adiabaten Zylinder (8, 108) und einen zweiten adiabaten Zylinder (7, 107), der mit dem ersten Zylinder (8, 108) über eine Einrichtung zur Zufuhr (11) oder Abfuhr (111) von Energie hydraulisch verbunden ist, wobei (a) sich in einem ersten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem ersten adiabaten Zylinder (8, 108) befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) befindet; (b) in einem ersten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) in den ersten adiabaten Zylinder (8, 108) geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr (11) oder Abfuhr (111) von Energie passiert; (c) sich in einem zweiten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem ersten adiabaten Zylinder (8, 108), befindet; (d) in einem zweiten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder (8, 108) in den zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr (11) oder Abfuhr (111) von Energie passiert; und (e) der erste Schritt (b) unter Erreichen des zweiten Zustandes und anschließend der zweite Schritt (d) unter Erreichen des ersten Zustandes wiederholt ausgeführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß – der erste adiabate Zylinder (8) über ein erstes Ventil (3) mit einer ersten Leitung (1) verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder (8) strömen kann; – der erste adiabate Zylinder (8) über ein zweites Ventil (4) mit einer zweiten Leitung (2) verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder (8) strömen kann; – der zweite adiabate Zylinder (7) über ein drittes Ventil (6) mit der ersten Leitung (1) verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder (7) strömen kann; – der zweite adiabate Zylinder (7) über ein viertes Ventil (5) mit der zweiten Leitung (2) verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder (7) strömen kann; – die Einrichtung zur Zufuhr (11) von Energie eine Hydraulikpumpe (11) ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, die die Hydraulikpumpe (11) passiert, erhöht; wobei – in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand die Ventile (3, 4, 5, 6) der beiden Zylinder (7, 8) geschlossen sind; – in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder (7) in den ersten adiabaten Zylinder (8) geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmittel in dem ersten adiabaten Zylinder (8) auf einen vorgege benen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das erste Ventil (3) öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung (1) strömt; und (ii) der Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder (7) auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder (7) erreicht ist, das vierte Ventil (5) öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder (7) strömt; und – in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder (8) in den zweiten adiabaten Zylinder (7) geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder (7) auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das dritte Ventil (6) öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung (1) strömt; und (ii) der Druck in dem ersten adiabaten Zylinder (8) auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem ersten adiabaten Zylinder (8) erreicht ist, das zweite Ventil (4) öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder (8) strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit über Dreiwegeventile (9, 10) bestimmt wird, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder (8) und dem zweiten adiabaten Zylinder (7) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung (1), in der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über ein Expansionsventil (15) mit der zweiten Leitung (2) verbunden ist, in dem das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel entspannt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Entspannung des gasförmigen Arbeitsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß – der erste adiabate Zylinder (108) über ein erstes Ventil (103) und ein Dreiwegeventil (120) mit einer ersten Leitung (101) verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder (108) strömen kann; – der erste adiabate Zylinder (108) über ein zweites Ventil (104) und ein Dreiwegeventil (119) mit einer zweiten Leitung (102) verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder (108) strömen kann; – der zweite adiabate Zylinder (107) über ein drittes Ventil (106) und dem Dreiwegeventil (120) mit der ersten Leitung (101) verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder (107) strömen kann; – der zweite adiabate Zylinder (107) über ein viertes Ventil (105) und dem Dreiwegeventil (119) mit der zweiten Leitung (102) verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder (107) strömen kann; – die Einrichtung zur Abfuhr (111) von Energie ein Hydraulikmotor (111) ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, der den Hydraulikmotor (111) passiert, verringert; wobei – in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand die Ventile (103, 104, 105, 106) der beiden Zylinder (107, 108) geschlossen sind; – in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder (107) in den ersten adiabaten Zylinder (108) geführt wird, (i) über das geöffnete dritte Ventil (106) verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus der ersten Leitung (1) in den zweiten adiabaten Zylinder (107) strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder (107) verdrängt wird und in den ersten adiabaten Zylinder (108) strömt; und (ii) entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder (108) über das geöffnete zweite Ventil (104) in die zweite Leitung (2) strömt; – in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder (108) in den zweiten adiabaten Zylinder (107) geführt wird, (i) über das geöffnete erste Ventil (103) verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder (108) strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder (108) verdrängt wird und in den zweiten adiabaten Zylinder (107) strömt; und (ii) entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder (107) über das geöffnete vierte Ventil (105) in die zweite Leitung (2) strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit über Dreiwegeventile (9, 10) bestimmt wird, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder (8) und dem zweiten adiabaten Zylinder (7) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß – die Strömung des verdichteten gasförmigen Arbeitsmittels aus der ersten Leitung (101) zum ersten adiabaten Zylinder (108) oder zum zweiten adiabaten Zylinder (107) durch das Dreiwegeventil 20 bestimmt wird; – die Strömung des entspannten gasförmigen Arbeitsmittels aus dem ersten adiabaten Zylinder (108) oder dem zweiten adiabaten Zylinder (107) in die zweite Leitung (102) durch das Dreiwegeventil 19 bestimmt wird.
Verfahren zur Verdichtung oder Entspannung eines gasförmigen Arbeitsmittels mittels einer Hydraulikflüssigkeit in einer Vorrichtung, umfassend einen ersten adiabaten Zylinder (8, 108) und einen zweiten adiabaten Zylinder (7, 107), der mit dem ersten Zylinder (8, 108) über eine Einrichtung zur Zufuhr (11) oder Abfuhr (111) von Energie hydraulisch verbunden ist, wobei (a) sich in einem ersten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem ersten adiabaten Zylinder (8, 108) befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) befindet; (b) in einem ersten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) in den ersten adiabaten Zylinder (8, 108) geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr (11) oder Abfuhr (111) von Energie passiert; (c) sich in einem zweiten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem ersten adiabaten Zylinder (8, 108), befindet; (d) in einem zweiten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder (8, 108) in den zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr (11) oder Abfuhr (111) von Energie passiert; und (e) der erste Schritt (b) unter Erreichen des zweiten Zustandes und anschließend der zweite Schritt (d) unter Erreichen des ersten Zustandes wiederholt ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 8 zur Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß – der erste adiabate Zylinder (8) über ein erstes Ventil (3) mit einer ersten Leitung (1) verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem erste adiabaten Zylinder (8) strömen kann; – der erste adiabate Zylinder (8) über ein zweites Ventil (4) mit einer zweiten Leitung (2) verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder (8) strömen kann; – der zweite adiabate Zylinder (7) über ein drittes Ventil (6) mit der ersten Leitung (1) verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder (7) strömen kann; – der zweite adiabate Zylinder (7) über ein viertes Ventil (5) mit der zweiten Leitung (2) verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder (7) strömen kann; – die Einrichtung zur Zufuhr (11) von Energie eine Hydraulikpumpe (11) ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, die die Hydraulikpumpe (11) passiert, erhöht; wobei – in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand die Ventile (3, 4, 5, 6) der beiden Zylinder (7, 8) geschlossen sind; – in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder (7) in den ersten adiabaten Zylinder (8) geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmittel in dem ersten adiabaten Zylinder (8) auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das erste Ventil (3) öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung (1) strömt; und (ii) der Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder (7) auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder (7) erreicht ist, das vierte Ventil (5) öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder (7) strömt; und – in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder (8) in den zweiten adiabaten Zylinder (7) geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder (7) auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das dritte Ventil (6) öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung (1) strömt; und (ii) der Druck in dem ersten adiabaten Zylinder (8) auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem ersten adiabaten Zylinder (8) erreicht ist, das zweite Ventil (4) öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder (8) strömt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit über Dreiwegeventile (9, 10) bestimmt wird, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder (8) und dem zweiten adiabaten Zylinder (7) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung (1), in der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über ein Expansionsventil mit der zweiten Leitung (2) verbunden ist, in dem das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 zur Entspannung des gasförmigen Arbeitsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß – der erste adiabate Zylinder (108) über ein erstes Ventil (103) und ein Dreiwegeventil (120) mit einer ersten Leitung (101) verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder (108) strömen kann; – der erste adiabate Zylinder (108) über ein zweites Ventil (104) und ein Dreiwegeventil (119) mit einer zweiten Leitung (102) verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder (108) strömen kann; – der zweite adiabate Zylinder (107) über ein drittes Ventil (106) und dem Dreiwegeventil (120) mit der ersten Leitung (101) verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder (107) strömen kann; – der zweite adiabate Zylinder (107) über ein viertes Ventil (105) und dem Dreiwegeventil (119) mit der zweiten Leitung (102) verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder (107) strömen kann; – die Einrichtung zur Abfuhr (111) von Energie ein Hydraulikmotor (111) ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, der den Hydraulikmotor (111) passiert, verringert; wobei – in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand die Ventile (103, 104, 105, 106) der beiden Zylinder (107, 108) geschlossen sind; – in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder (107) in den ersten adiabaten Zylinder (108) geführt wird, (i) über das geöffnete dritte Ventil (106) verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus der ersten Leitung (1) in den zweiten adiabaten Zylinder (107) strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder (107) verdrängt wird und in den ersten adiabaten Zylinder (108) strömt; und (ii) entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder (108) über das geöffnete zweite Ventil (104) in die zweite Leitung (2) strömt; – in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder (108) in den zweiten adiabaten Zylinder (107) geführt wird, (i) über das geöffnete erste Ventil (103) verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder (108) strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder (108) verdrängt wird und in den zweiten adiabaten Zylinder (107) strömt; und (ii) entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder (107) über das geöffnete vierte Ventil (105) in die zweite Leitung (2) strömt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit über Dreiwegeventile (9, 10) bestimmt wird, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder (8) und dem zweiten adiabaten Zylinder (7) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß – die Strömung des verdichteten gasförmigen Arbeitsmittels aus der ersten Leitung (101) zum ersten adiabaten Zylinder (108) oder zum zweiten adiabaten Zylinder (107) durch das Dreiwegeventil 20 bestimmt wird; – die Strömung des entspannten gasförmigen Arbeitsmittels aus dem ersten adiabaten Zylinder (108) oder dem zweiten adiabaten Zylinder (107) in die zweite Leitung (102) durch das Dreiwegeventil 19 bestimmt wird.