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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Wärmeenergie, wobei die Wärme- energie über einen ersten Wärmetauscher in einen Innenraum einer rotierenden Zentrifuge einge- bracht wird, in welchem Innenraum ein gasförmiges Energieübertragungsmedium vorliegt, und wobei die Wärme über einen zweiten Wärmetauscher aus der Zentrifuge abgeführt wird.
Es ist bekannt, dass durch thermodynamische Kreisprozesse Wärmeenergie von einem Medi- um, das bei niedriger Temperatur vorliegt, in ein Medium transportiert werden kann, das bei höhe- rer Temperatur vorliegt. Solche Kreisprozesse werden beispielsweise in Kühlgeräten, Wärmepum- pen und dgl. verwendet, wobei jedoch zur Aufrechterhaltung des Kreisprozesses die Zufuhr von Energie notwendig ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit de- nen ein solcher Kreisprozess zum Wärmetransport von niedriger Temperatur in Richtung höherer Temperatur möglich ist, wobei die dafür eingesetzte Energie wesentlich verringert ist. Ein solches Verfahren kann einerseits zur Kühlung verwendet werden und andererseits zur Heizung ähnlich einer Wärmepumpe, wenn es möglich ist einem anderen Medium Wärme zu entnehmen, wie es etwa bei der Ausnützung von Erdwärme der Fall ist.
Aus der US 5,226,593 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beheizung von Gebäuden bekannt, bei denen ein Ventilator zur Erzeugung eines durch das Gebäude geleiteten Warmluft- stromes verwendet wird, wobei gleichzeitig die vom Ventilator dissipierte Energie zur Erwärmung des Mediums beiträgt. Der Energieaufwand eines solchen Heizsystems unterscheidet sich nicht grundsätzlich von dem einer elektrischen Widerstandsheizung und ist daher für viele Anwendun- gen unvertretbar hoch. Ähnliche Nachteile gelten auch für eine Lösung, wie sie in der US 4,696,283 A beschrieben ist. Ferner ist aus der US 3,861,147 A eine Vorrichtung bekannt, bei der durch eine thermisch induzierte Strömung in einem Rotor Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. Ein gezielter Transport von Wärme ist mit einer solchen Vorrich- tung nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Energieaufwand zu minimieren, der für einen Transport von Wärmeenergie von einem Zustand niedrigerer Temperatur auf einen Zustand höhe- rer Temperatur notwendig ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dass ein solches Verfahren einfach durchführbar ist und dass die benötigte Vorrichtung kostengünstig, realisierbar ist und einen einfachen Aufbau aufweist.
Erfindungsgemäss ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Energie- übertragungsmedium im Inneren des Rotors in einem Gleichgewichtszustand vorliegt und dass die Wärmeströmung radial nach aussen gerichtet ist.
Wesentlich am erfindungsgemässen Verfahren ist, dass sich in der Gasmasse im Rotor auf- grund der durch die Drehung hervorgerufenen Zentripetalbeschleunigung sehr grosse Dichteunter- schiede zwischen den Bereichen in der Nähe der Achse und den von der Achse entfernteren Bereichen einstellen. Aufgrund dieser Dichteunterschiede bildet sich ein Temperaturgradient aus, so dass im Gleichgewichtszustand im Zentralbereich des Rotors eine geringere Temperatur vor- liegt als im Bereich des Umfangs. Wenn nun im Inneren des Rotors Wärme zugeführt wird, breitet sich diese durch Wärmeleitung radial nach aussen aus und kann an der Aussenseite des Rotors abgeführt werden. Durch kontinuierliche Zufuhr von Wärme innen und Abfuhr von Wärme aussen kann ein kontinuierlicher Wärmestrom im Rotor herbeigeführt werden.
Unter Voraussetzung einer ausreichend hohen Drehzahl und damit eines genügend grossen Druck- und Temperaturunter- schiedes in Radialrichtung innerhalb des Rotors erfolgt dabei die Wärmeübertragung von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Temperatur des Energieübertragungsmediums von innen nach aussen zu- nimmt und dass der Temperaturunterschied des Energieübertragungsmediums zwischen dem Innenbereich des Rotors und dem äusseren Bereich des Motors mindestens 5 K, vorzugsweise mindestens 50 K, besonders bevorzugt mindestens 100 K und weiters besonders bevorzugt min- destens 200 K beträgt. Auf diese Weise kann ein optimaler Wirkungsgrad erreicht werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wärmetransport im Rotor primär durch eine Wärmelei- tung erfolgt. Auch Strahlungseffekte innerhalb des Energieübertragungsmediums im Rotors kön- nen bei der erfindungsgemässen Lösung eine Rolle spielen. Das Ausmass der auftretenden Strah-
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lungseffekte hängt wesentlich vom mittleren Temperaturniveau, der geometrischen Ausbildung des Rotors, von der Art des Gases und von der Beschaffenheit der Oberflächen des Gasraumes ab.
Der höchste Wirkungsgrad wird jedoch erreicht, wenn die Wärmeleiteffekte dominieren. Wesentlich für die Erfindung ist jedoch, dass Konvektionsströmungen weitgehend unterbunden werden, da diese für die Ausnutzung der erfindungsgemässen Effekte nachteilig sind.
Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie mit einem Rotor, der einen Innenraum aufweist, der mit einem gasförmigen Energieübertragungsmedium gefüllt ist, wobei im Bereich der Achse des Rotors ein erster Wärmetauscher vorgesehen ist, und wobei im Bereich des äusseren Umfangs des Rotors ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen ist, welche beiden Wärmetauscher mit dem gasförmigen Energieübertragungsmedium in Kontakt stehen. Erfindungsgemäss ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Ener- gieübertragungsmedium im Innenraum des Rotors in einem Gleichgewichtszustand vorliegt.
In einer besonders begünstigten Ausführungsvariante der Erfindung kann der erreichbare Tem- peraturunterschied dadurch vergrössert werden, dass mehrere Rotoren vorgesehen sind und dass eine Einrichtung zur Energieübertragung von dem zweiten Wärmetauscher eines ersten Rotors an den ersten Wärmetauscher eines weiteren Rotors vorgesehen ist. Besonders günstig ist es in diesem Zusammenhang, wenn der erste Rotor und der weitere Rotor mit unterschiedlichen Ener- gieübertragungsmedien gefüllt sind. Dadurch kann jede Stufe in Abhängigkeit von dem mittleren Temperaturniveau innerhalb dieser Stufe für sich optimiert werden. Ein mechanisch einfacher Aufbau wird in diesem Zusammenhang insbesondere dadurch errecht, dass die Rotoren fest miteinander verbunden sind.
Thermische Verluste können in besonders bevorzugter Weise dadurch vermieden werden, dass mindestens ein Rotor in einem isolierten Schutzmantel untergebracht ist. In Zusammenhang mit der Erfindung hat sich die Verwendung eines Gases mit hoher Molmasse bzw. Atommasse, wie etwa Quecksilberdampf, Krypton oder Argon als Energieübertragungsmedium besonders bewährt.
Das Auftreten von unerwünschten Konvektionsströmungen kann innerhalb des Rotors durch ent- sprechende Hindernisse verhindert werden.
In der Folge wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels nä- her erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung.
Die Vorrichtung besteht aus einem Antriebsmotor 1 und einem als Zentrifuge ausgebildeten Rotor 2, der mit hoher Drehzahl, beispielsweise mit 10.000 min-' in Rotation versetzt werden kann.
Der Rotor 2 besitzt einen ringförmigen Innenraum 3, in dem innen ein erster Wärmetauscher 4 und aussen ein zweiter Wärmetauscher 5 angeordnet sind. Der Radius in Bezug auf die Achse 1a der Vorrichtung ist für den inneren Wärmetauscher 4 mit r, und für den zweiten Wärmetauscher 5 ra bezeichnet. Im Innenraum 3 ist dabei ein geeignetes Gas eingeschlossen.
Im Ruhezustand, d. h., ohne Rotation stellt sich im Innenraum 3 ein gleichbleibender Druck po ein, und ohne Wärmezufuhr oder-abfuhr über die Wärmetauscher 4 und 5 stellt sich ein Tempera- turgleichgewicht bei der Temperatur To ein. Falls über den inneren Wärmetauscher 4 kontinuierlich ein Wärmestrom in den Rotor 2 eingebracht wird und über den Wärmetauscher 5 analog abgeführt wird, so bildet sich in bekannter Weise ein Temperaturgefälle aus. Die Steilheit des Temperaturge- fälles hängt dabei hauptsächlich vom Wärmestrom und von der Geometrie des Rotors 2 und den thermischen Eigenschaften des Gases im Innenraum 3 ab. Die Wärme fliesst dabei in an sich bekannter Weise von einem Zustand höherer Temperatur zu einem Zustand tieferer Temperatur.
Durch die bei der Rotation auftretende Zentripetalbeschleunigung ist der Druck Pr des Gases im Innenraum 3 nach aussen hin zunehmend und erreicht am äusseren Durchmesser ra des Innen- raums 3 seinen grössten Wert. Ein ähnlicher Kurvenverlauf ergibt sich für die Temperatur Tro des Gases im Innenraum 3. Dabei steigt die Temperatur kontinuierlich von einer Temperatur T,o am inneren Durchmesser r; bis zu einer Temperatur Tao bei ra. Wenn nun in gleicher Weise wie zuvor am ersten Wärmetauscher 4 Wärme in das System eingebracht wird und am zweiten Wärmetau- scher 5 aus dem System abgezogen wird, stellt sich der Temperaturverlauf Tr1 ein, mit einer Tem- peratur Ti1 bei r, und Ta1 bei ra. Es ist ersichtlich, dass folgende Beziehungen gelten:
EMI2.1
Ta1 Tao.
(2)
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Bei ausreichend grosser Drehzahl des Rotors 2 und entsprechend gewählten Randbedingungen kann dabei stets erreicht werden, dass
Ta1 T11 (3), d. h., dass der Wärmetauscher 4 bei einer niedrigeren Temperatur betrieben werden kann als der Wärmetauscher 5. Bei Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Kühlung kann dabei der Wärmetauscher 4 in einem Kühlkreislauf angeordnet sein und der Wärmetauscher 5 im We- sentlichen die Wärme an die Umgebung abführen. Umgekehrt kann bei der Verwendung zur Be- heizung der Wärmetauscher 4 mit einer Wärmequelle bei Umgebungstemperatur in Verbindung stehen, und der Wärmetauscher 5 zur Lieferung bei Wärme auf einem entsprechend höheren Temperaturniveau verwendet werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht es, eine thermodynamisch hochwirksame Vor- richtung anzugeben, die vielfältig einsetzbar ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Übertragung von Wärmeenergie, wobei die Wärmeenergie über einen ers- ten Wärmetauscher (4) in einen Innenraum (3) einer rotierenden Zentrifuge eingebracht wird, in welchem Innenraum (3) ein gasförmiges Energieübertragungsmedium vorliegt, und wobei die Wärme über einen zweiten Wärmetauscher (5) aus der Zentrifuge abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Energieübertragungsmedium im In- neren des Rotors (2) in einem Gleichgewichtszustand vorliegt und dass die Wärmeströ- mung radial nach aussen gerichtet ist.
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The invention relates to a method for transferring thermal energy, the thermal energy being introduced via a first heat exchanger into an interior of a rotating centrifuge, in which interior there is a gaseous energy transfer medium, and the heat being removed from the centrifuge via a second heat exchanger becomes.
It is known that thermal energy can be transported from a medium that is at a low temperature into a medium that is at a higher temperature by means of thermodynamic cyclic processes. Such cyclic processes are used, for example, in cooling devices, heat pumps and the like, although the supply of energy is necessary to maintain the cyclic process.
The aim of the present invention is to provide a method and a device by means of which such a cycle process for heat transport from a low temperature towards a higher temperature is possible, the energy used for this being significantly reduced. Such a method can be used on the one hand for cooling and on the other hand for heating similar to a heat pump, if it is possible to extract heat from another medium, such as is the case when geothermal energy is used.
From US 5,226,593 A a method and a device for heating buildings is known, in which a fan is used to generate a warm air flow directed through the building, the energy dissipated by the fan simultaneously contributing to the heating of the medium. The energy consumption of such a heating system does not differ fundamentally from that of an electrical resistance heater and is therefore unacceptably high for many applications. Similar disadvantages also apply to a solution as described in US 4,696,283 A. Furthermore, from US 3,861,147 A a device is known in which thermal energy can be converted into mechanical work by a thermally induced flow in a rotor. A targeted transport of heat is not possible with such a device.
The object of the present invention is to minimize the energy expenditure which is necessary for transporting thermal energy from a state of lower temperature to a state of higher temperature.
Another object of the invention is that such a method is simple to carry out and that the required device is inexpensive, feasible and has a simple structure.
According to the invention, the method is characterized in that the gaseous energy transmission medium in the interior of the rotor is in a state of equilibrium and in that the heat flow is directed radially outwards.
It is essential to the method according to the invention that, due to the centripetal acceleration caused by the rotation, very large differences in density between the areas near the axis and the areas away from the axis occur in the gas mass in the rotor. Due to these density differences, a temperature gradient is formed, so that in the equilibrium state the temperature in the central area of the rotor is lower than in the area of the circumference. If heat is now supplied inside the rotor, it spreads radially outward through heat conduction and can be dissipated on the outside of the rotor. A continuous heat flow in the rotor can be brought about by the continuous supply of heat inside and the removal of heat outside.
Assuming a sufficiently high speed and thus a sufficiently large pressure and temperature difference in the radial direction within the rotor, the heat transfer takes place from a low temperature level to a higher temperature level.
In a particularly preferred embodiment variant of the method according to the invention it is provided that the temperature of the energy transfer medium increases from the inside to the outside and that the temperature difference of the energy transfer medium between the inner region of the rotor and the outer region of the motor is at least 5 K, preferably at least 50 K, particularly is preferably at least 100 K and furthermore particularly preferably at least 200 K. In this way, optimal efficiency can be achieved.
It is particularly advantageous if the heat is transported in the rotor primarily by heat conduction. Radiation effects within the energy transmission medium in the rotor can also play a role in the solution according to the invention. The extent of the radiation
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Development effects depend essentially on the average temperature level, the geometric design of the rotor, the type of gas and the nature of the surfaces of the gas space.
However, the highest degree of efficiency is achieved if the thermal conductivity effects dominate. It is essential for the invention, however, that convection currents are largely prevented, since these are disadvantageous for the use of the effects according to the invention.
Furthermore, the invention relates to a device for transferring thermal energy with a rotor, which has an interior space which is filled with a gaseous energy transfer medium, a first heat exchanger being provided in the region of the axis of the rotor, and a in the region of the outer circumference of the rotor second heat exchanger is provided, which two heat exchangers are in contact with the gaseous energy transfer medium. According to the invention, the device is characterized in that the gaseous energy transmission medium is in an equilibrium state in the interior of the rotor.
In a particularly advantageous embodiment variant of the invention, the achievable temperature difference can be increased in that several rotors are provided and that a device for energy transfer from the second heat exchanger of a first rotor to the first heat exchanger of a further rotor is provided. In this context, it is particularly favorable if the first rotor and the further rotor are filled with different energy transmission media. This means that each stage can be optimized for itself depending on the average temperature level within this stage. A mechanically simple structure is achieved in this context in particular by the fact that the rotors are firmly connected to one another.
Thermal losses can be avoided in a particularly preferred manner by accommodating at least one rotor in an insulated protective jacket. In connection with the invention, the use of a gas with a high molar mass or atomic mass, such as mercury vapor, krypton or argon, has proven particularly useful as an energy transfer medium.
The occurrence of undesired convection currents can be prevented within the rotor by appropriate obstacles.
The invention is explained in more detail below on the basis of the exemplary embodiment shown in the figure. The figure shows a schematic representation of a device according to the invention.
The device consists of a drive motor 1 and a rotor 2 designed as a centrifuge, which can be set in rotation at high speed, for example at 10,000 rpm.
The rotor 2 has an annular interior 3, in which a first heat exchanger 4 is arranged on the inside and a second heat exchanger 5 is arranged on the outside. The radius with respect to the axis 1a of the device is denoted by r for the inner heat exchanger 4 and ra for the second heat exchanger 5. A suitable gas is enclosed in the interior 3.
At rest, d. That is, without rotation there is a constant pressure po in the interior 3, and without the addition or removal of heat via the heat exchangers 4 and 5 a temperature equilibrium is established at the temperature To. If a heat flow is continuously introduced into the rotor 2 via the inner heat exchanger 4 and is dissipated analogously via the heat exchanger 5, a temperature gradient is formed in a known manner. The steepness of the temperature gradient depends mainly on the heat flow and the geometry of the rotor 2 and the thermal properties of the gas in the interior 3. The heat flows in a manner known per se from a state of higher temperature to a state of lower temperature.
Due to the centripetal acceleration occurring during the rotation, the pressure Pr of the gas in the interior 3 increases towards the outside and reaches its greatest value at the outer diameter ra of the interior 3. A similar course of the curve results for the temperature Tro of the gas in the interior 3. The temperature rises continuously from a temperature T, o on the inner diameter r; up to a temperature Tao at ra. If heat is now introduced into the system at the first heat exchanger 4 and withdrawn from the system at the second heat exchanger 5, the temperature curve Tr1 is established, with a temperature Ti1 for r and Ta1 for ra. It can be seen that the following relationships apply:
EMI2.1
Ta1 Tao.
(2)
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With a sufficiently high speed of the rotor 2 and correspondingly selected boundary conditions, it can always be achieved that
Ta1 T11 (3), i.e. that is, the heat exchanger 4 can be operated at a lower temperature than the heat exchanger 5. When using the device according to the invention for cooling, the heat exchanger 4 can be arranged in a cooling circuit and the heat exchanger 5 essentially dissipates the heat to the environment , Conversely, when used for heating, the heat exchanger 4 can be connected to a heat source at ambient temperature, and the heat exchanger 5 can be used for supplying heat at a correspondingly higher temperature level.
The device according to the invention makes it possible to provide a thermodynamically highly effective device which can be used in many different ways.
PATENT CLAIMS:
1. A method for transferring thermal energy, the thermal energy being introduced via a first heat exchanger (4) into an interior (3) of a rotating centrifuge, in which interior (3) there is a gaseous energy transfer medium, and wherein the heat is transferred via a second Heat exchanger (5) is removed from the centrifuge, characterized in that the gaseous energy transfer medium in the interior of the rotor (2) is in a state of equilibrium and that the heat flow is directed radially outwards.