AT505532B1 - Verfahren zum umwandeln thermischer energie niedriger temperatur in thermische energie höherer temperatur mittels mechanischer energie und umgekehrt - Google Patents

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem Arbeitsmedium, welches einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess durchläuft, wobei der Kreisprozess folgende Arbeitsschritte aufweist:- adiabate Verdichtung des Arbeitsmediums,- isobare Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium mittels eines Wärmetauschmediums,- adiabate Entspannung des Arbeitsmediums,- isobare Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium mittels eines Wärmetauschmediums,wobei zur Druckerhöhung bzw. -Verringerung des Arbeitsmediums während der Verdichtung bzw. Entspannung das Arbeitsmedium in Bezug auf eine Drehachse im Wesentlichen radial nach außen bzw. nach innen geführt wird, wodurch eine Erhöhung bzw. Verringerung der auf das Arbeitsmedium wirkenden Zentrifugalkraft erzeugt wird, wobei das Arbeitsmedium während des geschlossenen Kreisprozesses sowie die Wärmetauschmedien zur Wärmezu- und abfuhr um die Drehachse geleitet werden, so dass die Strömungs¬energie des Arbeitsmediums während des geschlossenen Kreisprozesses im Wesentlichen beibehalten wird.

Description

österreichisches Patentamt AT 505 532 B1 2010-08-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt, d.h. die Umwandlung thermischer Energie hoher Temperatur in thermische Energie niederer Temperatur bei Abgabe von mechanischer Energie, mit einem Arbeitsmedium, welches einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess durchläuft, wobei der Kreisprozess folgende Arbeitsschritte aufweist: [0002] - reversible adiabate Verdichtung des Arbeitsmediums, [0003] - isobare Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium, [0004] - reversible adiabate Entspannung des Arbeitsmediums, [0005] - isobare Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium, [0006] wobei zur Druckerhöhung bzw. -Verringerung des Arbeitsmediums während der Verdichtung bzw. Entspannung das Arbeitsmedium in Bezug auf eine Drehachse im Wesentlichen radial nach außen bzw. nach innen geführt wird, wodurch eine Erhöhung bzw. Verringerung der auf das Arbeitsmedium wirkenden Zentrifugalkraft erzeugt wird.

[0007] Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Verdichter, einer Entspannungseinheit und jeweils einem Wärmetauscher zur Wärmezufuhr bzw. Wärmeabfuhr, wobei der Verdichter und die Entspannungseinheit drehbar um eine Drehachse gelagert sind und der Verdichter bzw. die Entspannungseinheit derart ausgestaltet sind, dass das Arbeitsmedium im Verdichter in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen bzw. in der Entspannungseinheit im Wesentlichen radial nach innen geführt wird, so dass eine Druckerhöhung bzw. -Verringerung über eine Erhöhung bzw. Verringerung der auf das Arbeitsmedium wirkenden Zentrifugalkraft erzeugt wird.

[0008] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen, sog. Wärmepumpen bekannt, bei welchen üblicherweise mit Hilfe eines Elektromotors ein Arbeitsmedium niedriger Temperatur auf höhere Temperatur durch Druckerhöhung erwärmt wird. Bei bekannten Wärmepumpen wird das Arbeitsmedium in einem thermodynamischen Kreisprozess geführt, wobei dieser thermodynamische Kreisprozess ein Verdampfen, Komprimieren, Verflüssigen und Expandieren an einer Drossel des Arbeitsmediums umfasst; d.h. üblicherweise ändert sich der Aggregatzustand des Arbeitsmediums.

[0009] Bei bekannten Wärmepumpen wird üblicherweise das Kältemittel R134a oder einem Gemisch, das unter anderem aus R134a besteht eingesetzt, welches zwar keine ozonzerstörende Wirkung aufweist, jedoch einen 1300fach höheren treibhausbildenden Effekt aufweist als die gleiche Menge C02. Derartige Verfahren, welche im Wesentlichen nach dem Carnot-Prozess durchgeführt werden, weisen eine theoretische Leistungszahl oder COP (Coefficient of Performance), d.h. ein Verhältnis der abgegebenen Wärme zur eingesetzten elektrischen Energie von ca. 5,5 auf (beim "Pumpen" des Arbeitsmediums von 0 auf 35°C). Praktisch wird bisher jedoch bestenfalls eine Leistungszahl von 4,9 erreicht; in der Regel erreichen heutige gute Wärmepumpen eine Leistungszahl von ca. 4,7.

[0010] Aus der WO 1998/30846 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die als Kältemaschine oder als Motor eingesetzt werden kann, wobei hier Luft als Arbeitsmedium eingesetzt wird und dieses von der Umgebung angesaugt und nach einer Verdichtung bzw. Entspannung wieder an die Umgebung abgeführt wird. Bei einem derartig offenen System wird nachteiligerweise beim Eintritt des Arbeitsmediums in die Maschine ein Drehimpuls aufgebaut und beim Austritt des Arbeitsmediums aus der Maschine Drehimpulse abgebaut, sodass erhebliche Reibungsverluste auftreten.

[0011] Aus der DE 27 29 134 A1 ist eine Vorrichtung mit einem hohlförmig ausgebildeten Rotor bekannt, wobei hier Führungsdurchlässe bzw. Leitschaufeln vorgesehen sind, die am äußeren Umfang des Rotationskörpers angeordnet sind und demzufolge eine hohe Relativgeschwindig- 1/17 österreichisches patentaint AT 505 532 B1 2010-08-15 keit zwischen den Leitdurchlässen und dem Arbeitsmedium auftritt. Durch derartige Leitschaufeln treten ebenfalls sehr hohe Verluste der Strömungsenergie auf, welches zu einer relativ niedrigen Leistungszahl führt.

[0012] Aus der FR 2 749 070 A1 ist lediglich eine andersartige Wärmepumpe mit einem herkömmlichen Turboverdichter oder mit einem gezahnten Verdränger bekannt.

[0013] Zudem ist aus der GB 1 217 882 A eine thermodynamische Vorrichtung bekannt, welche sich zwar grundsätzlich die Zentrifugalkraft zunutze macht, wobei jedoch hier auch eine Drosselstelle vorgesehen ist, sodass erhebliche Reibungsverluste auftreten.

[0014] Andererseits sind im Stand der Technik auch zahlreiche Verfahren bekannt, bei welchen insbesondere die Wärme aus geothermischer Flüssigkeit und geothermischem Dampf in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei dem sog. KALINA-Prozess wird die Wärme von Wasser an ein Ammoniak-Wasser Gemisch abgegeben, so dass schon bei wesentlich niedrigeren Temperaturen Dampf entsteht, der zum Antrieb von Turbinen genutzt wird. Ein derartiger KALINA-Prozess ist beispielsweise in der US 4 489 563 beschrieben.

[0015] Bei den verschiedensten Wärmeaustauschverfahren ist theoretisch die Erzielung von sehr hohen Leistungszahlen möglich, jedoch haben üblicherweise herkömmliche Verdichter und Entspannungseinheiten, in welchen das Arbeitsmedium im gasförmigen Bereich verdichtet bzw. entspannt wird, einen verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad.

[0016] Ziel der vorliegenden Erfindung ist demzufolge der Wirkungsgrad bzw. die Leistungszahl bei der Umwandlung thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt zu verbessern.

[0017] Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass das Arbeitsmedium während des geschlossenen Kreisprozesses sowie die Wärmetauschmedien zur Wärmezu- und abfuhr um die Drehachse geleitet werden, so dass die Strömungsenergie des Arbeitsmediums während des geschlossenen Kreisprozesses im Wesentlichen beibehalten wird.

[0018] Durch die Ausnutzung der Zentrifugalbeschleunigung und die Beibehaltung der Strömungsenergie des Arbeitsmediums wird gegenüber herkömmlichen Verdichtern, bei welchen die hohe Geschwindigkeit des Arbeitsmediums am Umfang des Verdichters in Druck umgesetzt wird und so ein schlechter Wirkungsgrad erzielt wird, ein deutlich höherer Wirkungsgrad erzielt. Ebenso wird der Wirkungsgrad bei der Entspannung erhöht, wenn die Druckverringerung des Arbeitsmediums während der Entspannung durch eine Verringerung der Zentrifugalkraft erzielt wird. Hierdurch wird die Leistungszahl des gesamten Verfahrens wesentlich verbessert.

[0019] Weiters ist es zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Vorteil, wenn das Arbeitsmedium während des gesamten Kreisprozess gasförmig ist, da bei der Expansion des gasförmigen Arbeitsmediums energetisch sinnvoll Arbeit zurückgewonnen werden kann, welches bei flüssigen Medien energetisch nicht relevant ist. Zudem ist der Einfluss auf den Wirkungsgrad im gasförmigen Bereich größer als im 2-Phasenbereich.

[0020] Hinsichtlich einer hohen Verdichtung mit Hilfe der Zentrifugalbeschleunigung ist es von Vorteil, wenn Gase mit hoher Dichte eingesetzt werden. Demzufolge wird bevorzugt als Arbeitsmedium ein Edelgas, insbesondere Krypton, Xenon, Argon, oder Radon bzw. ein Gemisch davon verwendet. Weiters hat sich gezeigt, dass es günstig ist, wenn der Druck im geschlossenen Kreisprozess zumindest über 50 bar, insbesondere über 70 bar, vorzugsweise im Wesentlichen 100 bar beträgt, d.h. der Druck während des gesamten Verfahrens vergleichsweise hoch ist. Aufgrund des vergleichsweise hohen Drucks kann der Druckverlust im Wärmetauscher gering gehalten werden, da der Wärmeübergang bei vergleichsweise geringen Strömungsgeschwindigkeiten vergleichsweise hoch ist. Wenn der Kreisprozess in der Nähe des kritischen Punktes des gasförmigen Arbeitsmediums durchgeführt wird, ergibt sich eine weitere Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades bzw. eine Erhöhung der Leistungszahl, wobei der kritische Punkt in Abhängigkeit von dem verwendeten Arbeitsmedium bei unterschiedlichem Druck bzw. Temperatur vorliegt. 2/17 österreichisches Patentamt AT 505 532 B1 2010-08-15 [0021] Eine konstruktiv einfache und effiziente Kühlung bzw. Erwärmung des Arbeitsmediums ist gegeben, wenn zur Wärmeabfuhr und Wärmzufuhr ein Wärmetauschmedium mit einem Isentropenexponenten Kappa ~1, d.h. solche Medien, bei welchen bei einer Druckerhöhung die Temperatur im Wesentlichen konstant bleibt, insbesondere ein flüssiges Wärmetauschmedium, verwendet wird.

[0022] Die Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher mit dem Verdichter und der Entspannungseinheit, in welchen das Arbeitsmedium während des geschlossenen Kreisprozesses um die Drehachse geleitet wird, mitrotierend ausgebildet sind, so dass die Strömungsenergie des Arbeitsmediums während des geschlossenen Kreisprozesses im Wesentlichen beibehalten wird. Zur effizienten Kühlung des verdichteten Arbeitsmediums ist in dem Gehäuse ein mitdrehender Wärmetauscher aufgenommen. Vorteilhafterweise ist der mitdrehende Wärmetauscher umfangsseitig außen angeordnet. Hierdurch wird, wie vorstehend in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits beschrieben, eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads bei der Verdichtung und Entspannung des Arbeitsmediums erzielt und somit die Leistungszahl der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber bekannten Vorrichtungen deutlich verbessert.

[0023] Hinsichtlich einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung des Wärmetauschers ist es vorteilhaft, wenn die Wärmetauscher jeweils zumindest ein von einem flüssigen Wärmeübertragungsmedium durchströmtes Rohr aufweisen.

[0024] Hinsichtlich eines möglichst reibungsfreien Übergangs von der Verdichtungsturbine in die Entspannungseinheit, d.h. um die Strömungsenergie des Arbeitsmediums beizubehalten, ist es vorteilhaft, wenn die Entspannungseinheit über die Wärmetauscher unmittelbar an den Verdichter anschließt. Hinsichtlich einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung der Vorrichtung ist es vorteilhaft, wenn die Laufräder des Verdichters und der Entspannungseinheit auf einer gemeinsamen Drehwelle gelagert sind.

[0025] Auf konstruktiv einfache Weise kann die Druckerhöhung des Arbeitsmediums über eine Zentrifugalbeschleunigung erzielt werden, wenn ein mit Laufrädern des Verdichters und der Entspannungseinheit mitdrehendes Gehäuse vorgesehen ist.

[0026] Um außenliegende, rotierende Teile zu vermeiden ist es günstig, wenn ein den Verdichter und die Entspannungseinheit umgebendes drehfest angeordnetes Gehäuse vorgesehen ist.

[0027] Um eine effiziente Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn die beiden Wärmetauscher in dem Gehäuse aufgenommen sind.

[0028] Wenn zumindest ein das Arbeitsmedium im Kreis führendes, drehbar gelagertes Rohrleitungssystem vorgesehen ist, ergibt sich eine Vorrichtung mit einem vergleichsweise geringem Gesamtgewicht, da die Wandstärke der das Arbeitsmedium führenden Rohre geringer ausgeführt sein kann als jene von das Arbeitsmedium aufnehmenden Gehäusen.

[0029] Hinsichtlich der Verdichtung des Arbeitsmediums in dem Rohrleitungssystem mittels der Zentrifugalkraft ist es günstig, wenn das Rohrleitungssystem lineare in radialer Richtung verlaufende Verdichtungsrohre aufweist.

[0030] Um das Arbeitsmedium zuverlässig in dem Rohrleitungssystem im Kreis zu führen ist es vorteilhaft, wenn das Rohrleitungssystem gegen die Drehrichtung der Drehwelle gekrümmte Entspannungsrohre aufweist. Hierbei können die Entspannungsrohre zwecks einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung im Querschnitt kreisbogenförmig gekrümmt sein. Alternativ ist es auch möglich, dass die Entspannungsrohre im Querschnitt eine Krümmung mit einem sich zum Drehmittelpunkt konstant verringernden Radius aufweisen. Hierdurch können etwaige Turbulenzen in dem Rohrleitungssystem reduziert werden.

[0031] Ebenso ist zuverlässig eine Strömung des Arbeitsmediums in dem Rohrleitungssystem gewährleistet, wenn in dem Rohrleitungssystem eine relativ zu dem Rohrleitungssystem rotierende Turbine aufgenommen ist. Hierbei kann die Turbine drehfest angeordnet sein, wobei sich aufgrund der drehfesten Anordnung eine Relativbewegung zu dem rotierenden Rohrleitungssys- 3/17 österreichisches Patentamt AT 505 532 B1 2010-08-15 tem ergibt. Ebenso ist es denkbar, dass beispielsweise der Turbine ein Elektromotor zur Erzeugung einer Relativbewegung zu dem Rohrleitungssystem zugeordnet ist.

[0032] Hinsichtlich einer einfachen und effizienten Wärmezufuhr bzw. -abfuhr ist es vorteilhaft, wenn axial verlaufende Abschnitte des Rohrleitungssystems von koaxial angeordneten Rohren des Wärmetauschers umgeben sind.

[0033] Um die Differenz zwischen der notwendigen Energie aus der Verdichtung und der zurückgewonnenen Energie aus der Entspannung der Vorrichtung beim Betrieb als Wärmepumpe zuzuführen, ist es vorteilhaft, wenn mit der Drehwelle oder dem Rohrleitungssystem ein Elektromotor verbunden ist.

[0034] Um die aus unterschiedlichen Temperaturniveaus gewonnene mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, d.h. wenn die Vorrichtung als Wärmekraftmaschine verwendet wird, ist es vorteilhaft, wenn mit der Drehwelle ein Generator verbunden ist.

[0035] Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch näher erläutert. Selbstverständlich sind auch Kombinationen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich. Im Einzelnen zeigen in der Zeichnung: [0036] Fig. 1 [0037] Fig. 2 [0038] Fig. 3 [0039] Fig. 4 [0040] Fig. 5 [0041] Fig. 6 [0042] Fig. 7 [0043] Fig. 8 [0044] Fig. 9 schematisch ein Prozessblockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Betrieb als Wärmepumpe; eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem mitdrehenden Gehäuse; eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels mit Rohrleitungen, in welchen das Arbeitsmedium geführt wird; einen Schnitt gemäß der Linie Vl-Vl in Fig. 5; einen Schnitt gemäß der Linie Vll-Vll in Fig. 5; eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels mit einem das Arbeitsmedium aufnehmenden Rohrleitungssystem; eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 8; eine Schnittansicht einer Vorrichtung ähnlich Fig. 5 jedoch mit einer stillstehenden Turbine; und eine Schnittansicht ähnlich Fig. 10 jedoch mit einer relativ zum Rohrleitungssystem rotierenden Turbine.

[0045] In Fig. 1 ist schematisch ein Prozessblockschaltbild eines thermodynamischen Kreisprozesses gezeigt, wie dieser grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Bei der gezeigten Verwendung als Wärmepumpe wird zunächst mit Hilfe eines Verdichters 1 eine adiabate isentrope Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmediums vorgenommen. Anschließend erfolgt über einen Wärmetauscher 2 eine isobare Wärmeabfuhr, so dass die thermische Energie mit hoher Temperatur über einen Kreislauf (mit Wasser, Wasser/Frostschutz oder sonstigen flüssigen Wärmeübertragungsmedien) an einen Heizkreislauf abgegeben wird.

[0046] Anschließend wird in einer Turbine ausgebildeten Entspannungseinheit 3 eine adiabate isentrope Entspannung durchgeführt, wodurch mechanische Energie rückgewonnen wird. Darauffolgend wird über einen weiteren Wärmetauscher 4 eine isobare Wärmezufuhr durchgeführt, wodurch thermische Energie niedriger Temperatur über einen Kreislauf (mit Wasser, Wasser/Frostschutz, Sole oder sonstigen flüssigen Wärmeübertragungsmedien) dem System zugeführt wird. Üblicherweise wird hierbei thermische Energie aus Brunnenwasser, aus sog. Tiefensonden, bei welchen die in einem bis zu 200 m in der Erde befindlichen Wärmetauscher die Wärme entzogen wird und der Wärmepumpe zugeführt wird, zugeführt oder die thermische Energie aus knapp unter der Erde liegenden großflächigen Wärmetauschern (Rohrleitungen) oder aus der Luft entnommen. Nach der isobaren Wärmezufuhr erfolgt wiederum eine adiabate 4/17 österreichisches Patentamt AT 505 532 B1 2010-08-15 isentrope Verdichtung mit Hilfe der Verdichter 1, wie vorstehend beschrieben.

[0047] Sofern die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie höherer Temperatur in thermische Energie niedriger Temperatur eingesetzt wird, erfolgt der vorstehend beschriebene Kreislauf in umgekehrter Reihenfolge. Im Falle des Betriebs als Wärmepumpe ist ein Elektromotor 5 zum Antrieb einer Drehwelle 5' vorgesehen; beim Betrieb als Wärmekraftmaschine wird der Motor durch einen Generator 5 bzw. Motor-Generator 5 ersetzt.

[0048] In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, bei welcher mit Hilfe des Elektromotors 5 über die Drehwelle 5' ein Verdichter 1 mit einem mitdrehenden Gehäuse 6 angetrieben wird. Mit der von dem E-Motor 5 angetriebenen Drehwelle 5' werden zudem Laufräder T des Verdichters 1 angetrieben, so dass das in dem geschlossenen, stillstehenden Gehäuse 8 aufgenommene Edelgas, vorzugsweise Krypton oder Xenon, auf Grund der Zentrifugalbeschleunigung im mitdrehenden Gehäuse 6 verdichtet wird.

[0049] In dem mitdrehenden Gehäuse 6 ist eine spiralförmige Rohrleitung 9 des Wärmetauschers 2 aufgenommen, in welchem ein Wärmeaustauschmedium, z.B. Wasser, aufgenommen ist. Das vergleichsweise kalte Wasser wird über einen Eingang 10 in Strömungsrichtung 10' in die spiralförmige Rohrleitung 9 eingebracht und ist im mitdrehenden Gehäuse 6 umfangsaußenseitig angeordnet, um bei einem möglichst hohen Druck des Arbeitsmediums eine isobare Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium zu erzielen, so dass am Ausgang 11 ein vergleichsweise warmes Wasser entnommen werden kann.

[0050] Das Arbeitsmedium strömt sodann ohne wesentliche Strömungsverluste zu Laufrädern 3' der Entspannungseinheit 3, über welche mechanische Energie rückgewonnen wird. Anschließend erfolgt über eine spiralförmige Rohrleitung 12 des weiteren Wärmetauschers 4 im stillstehenden Gehäuse 8 eine isobare Wärmezufuhr, bevor das Arbeitsmedium wiederum über die Laufräder T des Verdichters 1 einer adiabaten isentropen Verdichtung unterzogen wird.

[0051] Wesentlich ist jedoch lediglich, dass die Energie des Arbeitsmediums, das in der ein geschlossenes System bildenden Vorrichtung aufgenommen ist, bei der Verdichtung im Verdichter 1 und/oder bei der Entspannung in der Entspannungseinheit 3 seine Strömungsenergie beibehält und lediglich über eine Zentrifugalbeschleunigung der Gasmoleküle des Arbeitsmediums eine Druckerhöhung bzw. -Verringerung des Arbeitsmediums erzielt wird. Hierdurch kann der Wirkungsgrad bzw. die Leistungszahl bei der Umwandlung thermische Energie niedrigerer Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels elektrischer bzw. mechanischer Energie und umgekehrt wesentlich verbessert werden.

[0052] In den Fig. 3 bis 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, wobei hier alle unter dem Druck des Arbeitsmediums stehenden Teile als Rohre bzw. Rohrleitungssystem 17 ausgebildet sind, wodurch das Gesamtgewicht der Vorrichtung verringert wird und die Wandstärke der Rohre 17 kann geringer ausgeführt sein als jene der in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Gehäuse 6, 6' und 8.

[0053] Hierbei wird das Arbeitsmedium zunächst in den radial verlaufenden Verdichtungsrohren 18 des Rohrleitungssystems 17 der Verdichtereinheit 1 aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung verdichtet. Der Wärmetauscher 2 weist hierbei zum außen liegenden, in axialer Richtung verlaufenden Abschnitt der Rohre 17 koaxial angeordnete Rohre 19 auf, die das jeweilige Rohr 17 umschließen, so dass die Wärme des verdichteten Arbeitsmediums im Gegenstrom an das flüssige Wärmetauschmedium des Wärmetauschers 2 abgegeben wird.

[0054] Anschließend wird das Arbeitsmedium in Entspannungsrohren 20 (der Entspannungseinheit 3) entspannt. Die Entspannungsrohre 20 sind hierbei entgegen der Drehrichtung 21 der Vorrichtung gekrümmt, wobei sich aufgrund der rückwärtigen Rohrkrümmung (vgl. Fig. 5) zuverlässig ein Kreislauf des Arbeitsmediums ergibt.

[0055] Wie insbesondere in Fig. 5 ersichtlich, können die Entspannungsrohre 20 halbkreisförmig gebogen sein, so dass diese auf konstruktiv einfache Weise hergestellt werden können. Anschließend strömt das Arbeitsmedium in axialer Richtung im Rohrleitungssystem 17, wobei hier 5/17 österreichisches Patentamt AT 505 532 B1 2010-08-15 der Niederdruckwärmetauscher 4 wiederum ein koaxial angeordnetes Rohr 19 aufweist, so dass aus dem flüssigen Wärmetauschmedium Wärme an das kalte entspannte Arbeitsmedium abgegeben wird.

[0056] Wie insbesondere in Fig. 5 ersichtlich, ergeben sich somit 2 geschlossene in Draufsicht im Wesentlichen achterschleifenförmige Rohrleitungssysteme 17 für das Arbeitsmedium, welche um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Selbstverständlich kann das Rohrleitungssystem 17 auch eine größere Anzahl von Leitungen 20 aufweisen, lediglich die Rotationssymmetrie der Anordnung ist aufgrund des einfacheren Wuchtens zu wahren.

[0057] Die koaxial zu den axial verlaufenden Abschnitten der Rohre 17 angeordneten Rohre 19 der Wärmetauscher 2 und 4 sind über Leitungen 22, 23, 24, 25 miteinander flüssigkeitsleitend verbunden, wobei dieses Rohrleitungssystem 22 bis 25 fest mit der übrigen Vorrichtung verbunden ist, so dass die Leitungen 22 bis 25 mitrotierend ausgeführt sind. Das flüssige Wärmeübertragungsmedium wird dem Rohrleitungssystem 17 über einen Zulauf 26' eines statischen Verteilers 26 zugeführt; über einen mitdrehenden Verteiler 27 wird das Wärmetauschmedium sodann über die Leitung 22 dem Wärmetauscher 2 zugeführt, in welchem es erwärmt durch die Leitung 23 in den mitdrehenden Verteiler 27 rückgeführt wird. Über den statischen Verteiler 26 bzw. einen Ablauf 26" wird das erwärmte Wärmeübertragungsmedium sodann dem Heizungskreislauf zugeführt.

[0058] Das kalte Wärmeaustauschmedium des Wärmetauschers 4 wird über einen Zulauf 28' eines statischen Verteilers 28 geleitet, mit einem weiteren mitdrehenden Verteiler 29 in diese mitdrehende Leitung 25 zum Niederdruckwärmetauscher 4 gefördert, wo Wärme an das gasförmige Arbeitsmedium abgegeben wird. Anschließend wird das Wärmetauschmedium über die mitdrehende Leitung 25 dem mitdrehenden Verteiler 29 sodann dem statischen Verteiler 28 zugeführt, und verlässt abschließend über einen Ablauf 28" die Vorrichtung.

[0059] Zum Antrieb von Verdichter 1, Wärmetauscher 2, 4 und Entspannungseinheit 3 ist wiederum ein Elektromotor 5 vorgesehen.

[0060] In Figuren 6 und 7 ist ein Ausführungsbeispiel ähnlich jenem der Figuren 5 bis 7 gezeigt, wobei hier jedoch die Entspannungsrohre 20 im Querschnitt nicht kreisbogenförmig ausgebildet sind, sondern einen kontinuierlich kleiner werdenden Radius zum Drehachsenmittelpunkt 30 aufweisen. Hierdurch wird eine monoton fallend verzögerte Bewegung des Arbeitsmediums erzielt, wodurch etwaige Turbulenzen reduziert werden können. Zudem sind bei dem in den Figuren 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispiel zwei um 60° zueinander versetzt angeordnete unabhängige Rohrleitungssysteme 17 gezeigt, wobei pro Rohrleitungssystem 17 drei Verdichtungen, Entspannungen etc. stattfinden.

[0061] In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, welches Großteils jenem gemäß der Figuren 3 bis 5 entspricht, jedoch wird der Kreislauf des Arbeitsmediums nicht auf Grund entgegen der Drehrichtung gekrümmten Rohren 20 erzielt, sondern mit Hilfe einer Turbine 31. Die Turbine 31 ist stillstehend angeordnet, wobei aufgrund der relativen Drehbewegung zu den die Turbine 31 umgebenden Rohren 17 eine Strömung des Arbeitsmediums in den Rohren 17 bewirkt wird.

[0062] Hierbei wird das Arbeitsmedium in den Rohren 17 der Entspannungseinheit 3 entspannt und der Turbine 31 zugeführt, wobei die Turbine 31 in einem Turbinengehäuse 32 aufgenommen ist, welches über einen Deckel 33 geschlossen ist. Die Turbine 31 ist über Lager 34 drehbar gelagert, weist jedoch Permanentmagnete 35 auf, welche mit außerhalb des Turbinengehäuses 32 drehfest angeordneten Permanentmagneten 36 Zusammenwirken, so dass die Turbine 31 drehfest angeordnet ist. Die Magnete 36 sind hierbei auf einer statischen Welle 37 ruhend gehalten.

[0063] In Fig. 9 ist eine zu dem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel sehr ähnlich ausgebildete Vorrichtung gezeigt, wobei hier jedoch die relative Drehbewegung der Turbine 31 zu den Rohren 17 der Verdichter- und Entspannungseinheit 1 und 3 mit Hilfe eines Elektromotors 38 erzeugt wird. Der Elektromotor 38 ist drehfest mit dem mitrotierenden Verteiler 27 verbunden. 6/17

Claims (23)

1. österreichisches patentaint AT 505 532 B1 2010-08-15 Die Stromzuführung erfolgt hierbei über Leitungen 39, die in einer Welle 40 aufgenommen sind. Zur Stromübertragung weist die Welle 40 Kontakte 41 auf. Der Elektromotor 5 bringt bei dieser Ausführung nur Leistung zur Überwindung des Luftwiderstandes des rotierenden Systems auf. Dieser kann daher durch den Einsatz von Turbinen im Kreislauf des flüssigen Wärmeübertragungsmediums, welche diese Leistung diesem Kreislauf entziehen, entfallen. Die für die Überwindung des Luftwiderstandes benötigte Leistung wird dann von den Pumpen, welche den Kreislauf des flüssigen Wärmeübertragungsmediums antreiben, zusätzlich erbracht. Patentansprüche 1. Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem Arbeitsmedium, welches einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess durchläuft, wobei der Kreisprozess folgende Arbeitsschritte aufweist: - adiabate Verdichtung des Arbeitsmediums, - isobare Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium mittels eines Wärmetauschmediums, - adiabate Entspannung des Arbeitsmediums, - isobare Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium mittels eines Wärmetauschmediums, wobei zur Druckerhöhung bzw. -Verringerung des Arbeitsmediums während der Verdichtung bzw. Entspannung das Arbeitsmedium in Bezug auf eine Drehachse im Wesentlichen radial nach außen bzw. nach innen geführt wird, wodurch eine Erhöhung bzw. Verringerung der auf das Arbeitsmedium wirkenden Zentrifugalkraft erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium während des geschlossenen Kreisprozesses sowie die Wärmetauschmedien zur Wärmezu- und abfuhr um die Drehachse geleitet werden, so dass die Strömungsenergie des Arbeitsmediums während des geschlossenen Kreisprozesses im Wesentlichen beibehalten wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium während des gesamten Kreisprozesses gasförmig ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium ein Edelgas, insbesondere Krypton, Xenon, Argon, Radon bzw. ein Gemisch davon verwendet wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im geschlossen Kreisprozess zumindest über 50 bar, insbesondere über 70 bar, vorzugsweise im Wesentlichen 100 bar beträgt.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisprozess in der Nähe des kritischen Punktes des gasförmigen Arbeitsmediums durchgeführt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmeabfuhr und Wärmezufuhr ein Wärmetauschmedium mit einem Isentropenexponenten Kappa ~1, insbesondere ein flüssiges Wärmetauschmedium, verwendet wird.
7. 7. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Verdichter (1), einer Entspannungseinheit (3), und jeweils einem Wärmetauscher (2, 4) zur Wärmezufuhr bzw. Wärmeabfuhr, wobei der Verdichter (1) und die Entspannungseinheit (3) drehbar um eine Drehachse gelagert sind und der Verdichter bzw. die Entspannungseinheit (1, 3) derart ausgestaltet sind, dass das Arbeitsmedium im Verdichter (1) in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen bzw. in der Entspannungseinheit (3) im Wesentlichen radial nach innen geführt wird, so dass eine Druckerhöhung bzw. -Verringerung über eine Erhöhung bzw. Verringerung der auf das Arbeitsmedium wirkenden Zentrifugalkraft erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (2,4) mit dem Verdichter (1) und der Entspannungseinheit (3), in welchen das Arbeitsmedium während des geschlossenen Kreisprozesses um die Drehachse geleitet wird, mitrotierend ausgebildet sind, so dass die Strömungsenergie des Arbeitsmediums während des geschlossenen Kreisprozesses im Wesentlichen beibehalten wird. 7/17 österreichisches patentaint AT 505 532 B1 2010-08-15
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (2, 4) jeweils zumindest ein von einem flüssigen Wärmeübertragungsmedium durchströmtes Rohr (9) aufweisen.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungseinheit (3) über die Wärmetauscher (2,4) unmittelbar an den Verdichter (1) anschließt.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Laufräder (1', 3') des Verdichters und der Entspannungseinheit (1, 3) auf einer gemeinsamen Drehwelle (5') gelagert sind.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit den Laufrädern (1') des Verdichters (1', 3') und der Entspannungseinheit (3) mitdrehendes Gehäuse (6) vorgesehen ist.
12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Verdichter (1) und die Entspannungseinheit (3) umgebendes drehfest angeordnetes Gehäuse (8) vorgesehen ist.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wärmetauscher (2, 4) in dem Gehäuse (8) aufgenommen sind.
14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein das Arbeitsmedium im Kreis führendes, drehbar gelagertes Rohrleitungssystem (17) vorgesehen ist.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrleitungssystem (17) lineare in radialer Richtung verlaufende Verdichtungsrohre (18) aufweist.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrleitungssystem (17) gegen die Drehrichtung der Drehwelle (5') gekrümmte Entspannungsrohre (20) aufweist.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsrohre (20) im Querschnitt kreisbogenförmig gekrümmt sind.
18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsrohre (20) im Querschnitt eine Krümmung mit einem sich zum Drehmittelpunkt (30) konstant verringernden Radius aufweisen.
19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rohrleitungssystem (17) ein relativ zu dem Rohrleitungssystem (17) rotierendes Schaufelrad (31) aufgenommen ist.
20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (31) drehfest angeordnet ist.
21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schaufelrad (31) ein Elektromotor (38) zur Erzeugung einer Relativbewegung zu dem Rohrleitungssystem (17) zugeordnet ist.
22. 22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass axial verlaufende Abschnitte des Rohrleitungssystems (17) von koaxial angeordneten Rohren (19) der Wärmetauscher (2, 4) umgeben sind.
23. 23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Drehwelle (5') bzw. dem Rohrleitungssystem (17) ein Elektromotor oder Generator (5) verbunden ist. Hierzu 9 Blatt Zeichnungen 8/17