AT515210A4 - Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (20) zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem drehbar um eine Drehachse (22) gelagerten Rotor (21), in dem ein Strömungskanal für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium vorgesehen ist, das in einer Verdichtereinheit (23) zur Druckerhöhung mit Bezug auf die Drehachse nach außen geführt wird und in einer Entspannungseinheit (24) zur Druckverringerung mit Bezug auf die Drehachse (22) nach innen geführt wird, wobei zumindest ein in Bezug auf die Drehachse innerer Wärmetauscher (1'') und zumindest ein in Bezug auf die Drehachse äußerer Wärmetauscher (1') für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgesehen sind, wobei die Wärmetauscher (1', 1'') bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors (21) angeordnet sind, wobei der Rotor (21) einen den inneren (1'') und/oder äußeren Wärmetauscher (1') über die Länge abstützenden Stützkörper (51) zur Halterung des inneren (1'') und/oder äußeren Wärmetauschers (1') aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln thermi¬scher Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höhererTemperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einemdrehbar um eine Drehachse gelagerten Rotor, in dem ein Strö¬mungskanal für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufen¬des Arbeitsmedium vorgesehen ist, das in einer Verdichtereinheitzur Druckerhöhung mit Bezug auf die Drehachse im Wesentlichenradial nach außen geführt wird und in einer Entspannungseinheitzur Druckverringerung mit Bezug auf die Drehachse im Wesentli¬chen radial nach innen geführt wird, wobei zumindest ein in Be¬zug auf die Drehachse innerer Wärmetauscher und zumindest ein inBezug auf die Drehachse äußerer Wärmetauscher für einen Wär¬meaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustausch¬medium vorgesehen sind, wobei die Wärmetauscher bevorzugt im We¬sentlichen parallel zur Drehachse des Rotors angeordnet sind.

Aus dem Stand der Technik sind bereits rotierende Wärmepumpenbzw. Wärmekraftmaschinen bekannt, bei denen ein gasförmiges Ar¬beitsmedium in einem geschlossenen thermodynamischen Kreispro¬zess geführt wird.

In der WO 2009/015402 Al ist eine Wärmepumpe bzw. Wärmekraftma¬schine beschrieben, bei der das Arbeitsmedium in einem Rohrlei¬tungssystem eines Rotors einen Kreisprozess mit den Arbeits¬schritten a) Verdichtung des Arbeitsmediums, b) Wärmeabfuhr vomArbeitsmedium mittels eines Wärmetauschers, c) Entspannung desArbeitsmediums und d) Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium mittels ei¬nes weiteren Wärmetauschers durchläuft. Die Druckerhöhung bzw.Druckverringerung des Arbeitsmediums stellt sich durch die Zent¬rifugalbeschleunigung ein, wobei das Arbeitsmedium in einer Ver¬dichtungseinheit bezüglich einer Drehachse radial nach außen undin einer Entspannungseinheit radial nach innen strömt. Die Wär¬meabfuhr vom Arbeitsmedium an ein Wärmeaustauschmedium des Wär¬metauschers erfolgt in einem axialen bzw. parallel zur Drehachseverlaufenden Abschnitt des Rohrleitungssystems, dem ein mitro¬tierender, das Wärmeaustauschmedium aufweisender Wärmetauscherzugeordnet ist. Diese Vorrichtung ermöglicht bereits eine effi¬ziente Umsetzung von mechanischer Energie und Wärmeenergie nied¬riger Temperatur in Wärmeenergie höherer Temperatur.

In der Praxis werden hohe Anforderungen an die Stabilität derVorrichtung gestellt, welche aufgrund der Drehbewegung des Ro¬tors hohen Fliehkräften ausgesetzt sein kann.

Im Stand der Technik wurden die Wärmetauscher im Bereich derstirnseitigen Enden der Wärmetauscher eingespannt. Nachteiliger¬weise können sich die Wärmetauscher bei dieser Ausführung im Be¬trieb zwischen den Einspannungen an den Enden durchbiegen,wodurch die Stabilität der Anordnung beeinträchtigt wird. Zudemkann hiermit die Betriebssicherheit nicht gewährleistet werden.

Demnach besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,eine rotierende Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie,wie eingangs angegeben, zu schaffen, welche hohen Kräften im Be¬trieb der Vorrichtung zuverlässig standhalten kann.

Dies wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch erzielt,dass der Rotor einen den inneren und/oder äußeren Wärmetauscherüber dessen Längserstreckung abstützenden Stützkörper zur Halte¬rung des inneren und/oder äußeren Wärmetauschers aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nützt die Zentrifugalbeschleu¬nigung des rotierenden Systems, um verschiedene Druck- bzw. Tem¬peraturniveaus zu erzeugen; dem verdichteten Arbeitsmedium wirdhierbei Wärme hoher Temperatur entzogen bzw. zugeführt und dementspannten Arbeitsmedium wird Wärme vergleichsweise niedrigerTemperatur zugeführt bzw. entzogen. Je nach Strömungsrichtungdes Arbeitsmediums wird die Vorrichtung dabei wahlweise als Wär¬mepumpe oder Motor betrieben werden. Hierbei wird ein in Bezugauf die Drehachse innerer Wärmetauscher und zumindest ein in Be¬zug auf die Drehachse äußerer Wärmetauscher verwendet, welchebevorzugt im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors an¬geordnet sind. Der innere Wärmetauscher ist für einen Wärmeaus¬tausch bei niedrigerer Temperatur und der äußere Wärmetauscherfür einen Wärmeaustausch bei höherer Temperatur vorgesehen. Be¬vorzugt sind mehrere innere Wärmetauscher und mehrere äußereWärmetauscher vorgesehen, welche jeweils in gleichen radialenAbständen zur Drehachse angeordnet sind. Erfindungsgemäß weistder Rotor einen Stützkörper auf, welcher den inneren bzw. äuße¬ren Wärmetauscher über die Länge des Wärmetauschers zwischen den

Stirnseiten gegenüber im Betrieb auftretenden Radialkräften un¬terstützt. Bei dieser Ausführung weist der Rotor einen Stützkör¬per auf, welcher den inneren bzw. äußeren Wärmetauscher über dieLänge des Wärmetauschers zwischen den Stirnseiten gegenüber imBetrieb auftretenden Radialkräften unterstützt. Vorteilhafter¬weise wird der Wärmetauscher mittels des Stützkörpers im Wesent¬lichen gleichmäßig in Längsrichtung des Wärmetauschers abge¬stützt, so dass lediglich geringe bzw. unkritische Biegungenentlang des Wärmetauschers auftreten. Bevorzugt sind sämtlicheWärmetauscher an einem gemeinsamen Stützkörper montiert, welcherals Bestandteil des Rotors um die Drehachse rotierend angeordnetist. Hiermit kann eine besonders stabile Ausführung erzielt wer¬den, mit welcher die im Betrieb der Vorrichtung auftretendenKräfte aufgenommen werden können. Der Stützkörper kann aus einemBauteil oder mehreren, in Längsrichtung des Wärmetauschers beab-standeten Bauteilen bestehen.

Um den Stützkörper im Betrieb der Vorrichtung im Wesentlichenauf der Temperatur des zumindest einen inneren Wärmetauschers zuhalten, ist es von Vorteil, wenn der zumindest eine äußere Wär¬metauscher zwischen dem Außenrohr und dem Stützkörper ein Isola¬tionselement aus einem thermisch isolierenden Material aufweist,wobei der innere Wärmetauscher von einem Isolationselement freibleibt. Um die absolute Temperatur niedrig zu halten, können dieäußeren bzw. achsfernen Wärmetauscher, welche unter Normalbe¬trieb eine höhere relative Temperatur als die inneren bzw. achs-nahen Wärmetauscher aufweisen, durch insbesondere rohrförmigeIsolationselemente mit einer im Vergleich zum Stützkörper we¬sentlich niedrigeren Wärmeleitfähigkeit von dem Stützkörper wär¬meisoliert werden. Das thermisch isolierende Material weist be¬vorzugt eine Zugfestigkeit von mindestens 10 Mpa auf, um einFließen unter der Belastung zu vermeiden. Zudem soll das ther¬misch isolierende Material eine Temperaturstabilität aufweisen,die der maximalen Temperatur des Wärmetauschers entspricht. Da¬her bietet sich gewöhnliches Polycarbonat bei Einsatztemperatu-ren bis max. 120°C an. Bei höheren Temperaturen bis ca. 200°Ckönnen Polyetheretherketon, insbesondere mit Füllstoffen wieKohlefaser oder Glasfaser, Polyamid, insbesondere mit diversenFüllstoffen, Hartfaserwerkstoffe oder andere Hochtemperaturwerk¬stoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden. Durch die Wärmeisolation des Stützkörpers von dem äußeren Wärmetau¬scher einerseits bei Fehlen eines solchen Isolationselements aminneren Wärmetauscher andererseits sind für den Stützkörper imWesentlichen die Temperaturen des inneren Wärmetauschers maßge¬bend. Dadurch treten vorteilhafterweise keine bzw. geringereFestigkeitseinbußen bei dem Stützkörper auf. Insbesondere wirktsich dies bei Verwendung von Aluminium bzw. Aluminium-Legierungen aus, da diese in der Regel ab ca. 50°C Festigkeits¬abschläge zeigen. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung be¬steht darin, dass sich innerhalb des Stützkörpers geringere Tem¬peraturgradienten einstellen, da sich die Temperatur des achsna-hen Wärmetauschers im Wesentlichen bis zur Isolationsschicht umden achsfernen Wärmetauscher einstellt. Dadurch kommt es zu ge¬ringeren Eigenspannungen im Stützkörper. Bei besonders hohenTemperaturen ist es allerdings auch denkbar, dass sowohl derachsferne als auch der achsnahe Wärmetauscher mittels Isolati¬onselementen von dem Stützkörper wärmeisoliert werden. In diesemFall kann der Stützkörper mit einer aktiven Kühlung (z.B. überWasserkühlung, Wärmestrahlung oder Konvektion) ausgestattet wer¬den, um Einbußen in der Festigkeit des Stützkörpers zu verhin¬dern .

In einer bevorzugten Ausführung ist der Stützkörper als Gusskör¬per, insbesondere aus Aluminium, hergestellt, wobei vorzugsweisehochfeste Aluminiumlegierungen, beispielsweise AlCu4Ti, verwen¬det werden. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumist die Anordnung des Isolationselements zumindest an dem inne¬ren Wärmetauscher von Vorteil.

Alternativ kann der Stützkörper aus (beispielsweise bainiti-schen) Gusseisen hergestellt sein. Aufgrund der geringen Wärme¬leitfähigkeit kann bei einem derartig hergestellten Stützkörperdas Isolationselement des achsfernen Wärmetauschers entfallen.Aufgrund der geringen Festigkeitsabschläge bei höheren Tempera¬turen eignet sich diese Stützvariante sehr gut für Hochtempera¬turanwendungen .

Weiters kann der Stützkörper aus Stahl unter Verwendung vonSchweißverbindungen hergestellt sein, wobei diese Ausführung be¬sondere Kostenvorteile, bei vergleichsweise hohen Festigkeitsei¬ genschaften, mit sich bringt. Ein weiterer Vorteil einesgeschweißten Stützkörpers ist die beinahe unbeschränkte Größens¬kalierung. Dabei sind Durchmesser des Rotors von zumindest 4mdenkbar. Dieses Variante hat auch den Vorteil, dass aufgrund dergeringen Wärmeleitfähigkeit von Stahl auf ein Isolationselementam äußeren Wärmetauscher verzichtet werden kann.

Zudem kann der Stützkörper aus Faserverbundwerkstoffen gefertigtsein, die vorteilhafterweise sehr leicht sind und eine hoheSteifigkeit besitzen.

Weiters kann der Stützkörper aus Halbzeugen zusammengefügt sein,wobei beispielsweise Aluminiumplatten und Aluminiumrohreund/oder Stahlplatten und Stahlrohren verwendet werden können.Hierbei können sämtliche Werkstoffe verwendet werden, die inPlatten- bzw. Rohrform als Halbzeug verfügbar sind. Ein Vorteildieser Ausführung liegt darin, dass aufgrund der direkten Ver¬wendung von Halbzeugen insbesondere ohne Nachbearbeitung bei ho¬her Temperatur (wie beispielsweise beim Schweißen) Festigkeits¬einbußen weitgehend vermieden werden können.

Zur Aufnahme von Fliehkräften ist es günstig, wenn der Stützkör¬per mehrere im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse angeordnete,in Richtung der Drehachse beabstandete Plattenelemente aufweist,welche Ausnehmungen zur Lagerung der Wärmetauscher aufweisen.

Die Plattenelemente können Ausschnitte bzw. Vertiefungen aufwei¬sen, um das Gewicht des Stützkörpers zu reduzieren und/oder umdie Steifigkeit de Plattenelemente zu verändern. Dies kann vor¬teilhafterweise dazu genutzt werden, um beim Übergang zum Rand¬bereich, welcher ein erhöhtes Gewicht aufweisen kann, gleichmä¬ßige Verformungen zu erzielen. Die Plattenelemente sind bevor¬zugt in gleichen Abständen angeordnet. Bevorzugt sind die Plat¬tenelemente scheibenförmig ausgebildet. Bei dieser Ausführungwerden die Wärmetauscher zwischen den Platten aufgrund der Zent¬rifugalbeschleunigung geringfügig durchgebogen und es entstehenzusätzliche Biegespannungen, die der Wärmetauscher aufnehmenmuss. Der Vorteil dieser Ausführung liegt jedoch darin, dass beieiner Herstellung aus Halbzeugen eine erhöhte Festigkeit in denRohmaterialien erzielt werden kann. Bei dieser Ausführung ist eszudem von Vorteil, wenn der Wärmetauscher an der Außenseite ein

Stützrohr aufweist, das in Umfangrichtung verlaufende Vertiefun¬gen zur Aufnahme der Plattenelemente aufweist. Vorteilhafter¬weise können hiermit Scherkräfte aufgenommen werden.

Gemäß einer alternativen Ausführung ist als Stützkörper ein inRichtung der Drehachse erstreckter Profilkörper vorgesehen, wel¬cher ein Innenelement mit zumindest einer inneren Aussparung fürden zumindest einen inneren Wärmetauscher und zumindest ein Au¬ßenelement mit zumindest einer äußeren Aussparung für den zumin¬dest einen äußeren Wärmetauscher aufweist. Der Profilkörper istbei einer Anordnung von zumindest zwei äußeren bzw. zwei innerenWärmetauschern bezüglich der Drehachse rotationssymmetrisch aus¬gebildet .

Zur Aufnahme von Kräften ist es besonders günstig, wenn das In¬nenelement und das Außenelement über im Wesentlichen in radialerRichtung verlaufende Verbindungsstege miteinander verbundensind.

Um die Spannungen im Profilkörper zu verringern bzw. gleichmäßigzu verteilen, ist es vorteilhaft, wenn mehrere Außenelementevorgesehen sind, wobei bevorzugt genau zwei Verbindungsstegezwischen dem Innenelement und jedem Außenelement vorgesehensind. Bevorzugt sind die Verbindungsstege mit den Außenelementensternförmig um das Innenelement angeordnet. Hinsichtlich derKraftübertragung ist es günstig, wenn der Abstand zwischen denVerbindungsstegen in radialer Richtung nach außen kontinuierlichzunimmt. Alternativ oder zusätzlich kann die Breite des Verbin¬dungssteges in radialer Richtung nach außen abnehmen.

Zur Erzielung einer besonders stabilen Ausführung mit geringemMaterialaufwand ist es günstig, wenn das zumindest eine Außen¬element des Stützkörpers als zylindrische Aufnahme für den äuße¬ren Wärmetauscher ausgebildet ist. Alternativ kann die Aufnahmenach innen teilweise offen sein. Aufgrund des nicht umlaufendunterstützten achsfernen Wärmetauschers kann bei einerGussherstellung ein Kern pro Wärmetauscher entfallen. Weiterskann die Krafteinleitung im achsfernen Wärmetauscher verbessertwerden, wodurch die Spannungen aufgrund der Fliehkräfte redu¬ziert werden können.

Bei einer bevorzugten Ausführung ist zudem vorgesehen, dass derStützkörper eine die Außenelemente umgebende, zylindrische Ein¬fassung aufweist. Die Außenelemente sind hierbei an der Innen¬seite der zylindrischen Einfassung befestigt. Durch den zylind¬rischen Mantel werden die Reibungsverluste im rotierenden Be¬triebszustand der Vorrichtung deutlich verringert. Vorzugsweisewird der Rotor in einem Raum mit einem Umgebungsdruck von weni¬ger als 50 mbar Absolutdruck, insbesondere weniger als 5 mbarAbsolutdruck, betrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dar¬gestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedochnicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im Einzelnenzeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher für eine er¬findungsgemäße Rotor-Vorrichtung zur Übertragung thermischerEnergie, wobei zwischen einem Innenrohr und einem Außenrohr einWärmeübertragungs-Rohr angeordnet ist;

Fig. 2 einen Ausschnitt des in Fig. 1 dargestellten Wärmetau¬schers in demgegenüber vergrößertem Maßstab;

Fig. 3 einen weiter vergrößerten Ausschnitt des Wärmetauschersgemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2, wobei insbesondere äußere Lamellendes Wärmeübertragungs-Rohrs ersichtlich sind;

Fig. 4 eine alternative Ausführung eines im Strangpressverfahrenhergestellten Wärmeübertragungs-Rohrs, das zur Anordnung in ei¬nem Wärmetauscher gemäß den Fig. 1 bis 3 vorgesehen ist;

Fig. 5 eine modifizierte Ausführung des in Fig. 4 dargestelltenWärmeübertragungs-Rohrs, bei der die Oberflächen der Lamellenwellenförmig gekrümmt sind;

Fig. 6 einen Ausschnitt des in Fig. 5 dargestellten Wärmeüber¬tragungs-Rohrs in demgegenüber vergrößertem Maßstab;

Fig. 7 eine Ansicht einer rotierenden Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energiehöherer Temperatur, bei der ein Arbeitsmedium in einem Rotor ei¬nen geschlossenen Kreisprozess durchläuft;

Fig. 8 eine weitere Ansicht der in Fig. 7 dargestellten Vorrich¬tung;

Fig. 9 einen Längsschnitt durch eine alternative Ausführung derVorrichtung im Bereich des Wärmetauschers, wobei die Strömungdes Arbeitsmediums und die Strömung des Wärmeaustauschmediumsschematisch (hier im Gegenstrom) dargestellt sind;

Fig. 10 einen vergrößerten Ausschnitt der Vorrichtung im Bereichdes Wärmetauschers;

Fig. 11 eine Schnittansicht der Vorrichtung im Bereich einesringförmigen Spalts zur Erzielung einer Kreisströmung des Ar¬beitsmediums vor dem Eintritt in den Wärmetauscher;

Fig. 12 eine schaubildliche Ansicht einer Ausführung des Wärme¬übertragungs-Rohrs des Wärmetauschers, bei welcher die Stirnflä¬chen der äußeren Lamellen in Strömungsrichtung gesehen nach vor¬ne geneigt sind;

Fig. 13 eine schaubildliche Ansicht einer Verteilereinrichtung,mit welcher eine lineare Strömung des Wärmeaustauschmediums aufeine Vielzahl von ringförmig angeordneten Teilströmen aufgeteiltwird;

Fig. 14 verschiedene Schnittansichten der Verteilereinrichtunggemäß Fig. 13;

Fig. 15 eine Ausführung der Vorrichtung, bei welcher zur Lage¬rung der Wärmetauscher ein Stützkörper mit mehreren Plattenele¬menten vorgesehen ist;

Fig. 16 einen Ausschnitt des Stützkörpers mit einem darin gela¬gerten Wärmetauscher;

Fig. 17 eine schaubildliche Ansicht einer weiteren Ausführung des Stützkörpers mit im Wesentlichen parallel verlaufenden Ver¬bindungsstegen;

Fig. 18 eine Ansicht einer weiteren Ausführung des Stützkörpersmit in radialer Richtung des Rotors verlaufenden und damit nachaußen auseinanderlaufenden Verbindungsstegen;

Fig. 19 eine schaubildliche Ansicht einer weiteren Ausführungdes Stützkörpers; und

Fig. 20 eine schaubildliche Ansicht einer weiteren Ausführungdes Stützkörpers.

In Fig. 1 ist ein Wärmetauscher 1 zum Einbau in einer rotieren¬den Vorrichtung 20 zur Umwandlung von Wärmeenergie mittels me¬chanischer Energie und umgekehrt (vgl. Fig. 7, 8) gezeigt. DerWärmetauscher 1 weist ein inneres Längselement 2 und ein Außen¬rohr 3 auf, welches das innere Längselement 2 umgibt. Als inne¬res Längselement 2 ist ein hohles Innenrohr 4 vorgesehen. DasAußenrohr 3 und das Innenrohr 4 sind koaxial bezüglich einerzentralen Längserstreckungsachse 5 angeordnet. Zwischen dem In¬nenrohr 4 und dem Außenrohr 3 ist ein Wärmeübertragungsrohr 6angeordnet, das koaxial zum Außenrohr 3 bzw. zum Innenrohr 4 inLängsrichtung des Wärmetauschers 1 verläuft. Das Wärmeübertra¬gungs-Rohr 6 weist eine Wand 7 mit einer äußeren Mantelfläche 8und einer inneren Mantelfläche 9 auf, von der äußere Lamellen 10bzw. innere 11 Lamellen abstehen. Die Lamellen 10, 11 erstreckensich in Richtung der Längserstreckungsachse 5 des Wärmeübertra¬gungs-Rohrs 6. Die äußeren Lamellen 10 ragen von der äußerenMantelfläche 8 in radialer Richtung nach außen bis zu einer In¬nenfläche 12 des Außenrohrs 3. Die inneren Lamellen 11 springenvon der inneren Mantelfläche 9 der Wand 7 des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 bis zu einer Außenfläche 13 des Innenrohrs 4 vor. Dem¬nach ist das Wärmeübertragungs-Rohr 6 zwischen dem Innenrohr 4und dem Außenrohr 3 gehalten, wobei die äußeren Lamellen 10 amAußenrohr 3 und die inneren Lamellen 11 am Innenrohr 4 abge¬stützt sind. Zwischen den äußeren Lamellen 10 sind Zwischenräume14 ausgebildet, die Wärmetauschkanäle 15 für ein erstes Wär¬meaustauschmedium ausbilden. In entsprechender Art und Weisebilden Zwischenräume 16 zwischen den inneren Lamellen 11 Wärme- tauschkanäle 17 für ein zweites Wärmeaustauschmedium.

Wie weiters aus Fig. 1 ersichtlich, sind eine Vielzahl, bei¬spielsweise 250, von äußeren Lamellen 10 bzw. inneren Lamellen11 vorgesehen, so dass in regelmäßigen Winkelabständen in Um¬fangsrichtung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 beabstandete äußereWärmetauschkanäle 15 für das erste Wärmeaustauschmedium bzw. in¬nere Wärmetauschkanäle 17 für das zweite Wärmeaustauschmediumausgebildet werden. Zweckmäßigerweise strömt das Wärmeaustausch¬medium mit dem niedrigeren absoluten Druck in den äußeren Wärme¬tauschkanälen 15 zwischen den äußeren Lamellen 10, wobei daszweite Wärmeaustauschmedium mit erheblich höherem Druck durchdie Wärmetauschkanäle 17 zwischen den inneren Lamellen 11 strö¬men kann.

Die beidseitige Abstützung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 ermög¬licht es, dass durch den Differenzdruck verursachte Spannungenim Bereich der Wand 7 des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 über die äu¬ßeren Lamellen 10 auf das Außenrohr 3 übertragen werden. Umge¬kehrt können in die Wand 7 eingeleitete Kräfte über die innerenLamellen 11 auf das Innenrohr 4 übertragen werden, wenn in denäußeren Wärmetauschkanälen 15 das Wärmeaustauschmedium mit demhöheren Druck strömt. Somit wird eine mechanisch sehr stabileAnordnung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 erzielt, welche zur Op¬timierung des Wärmeübergangs zwischen den Wärmeaustauschmediendünnwandig ausgeführt sein kann. Bei der in Fig. 1 dargestelltenAusführung beträgt das Verhältnis zwischen einer Wandstärke sder Wand 7 des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 und einer Wandstärke s'des Außenrohrs 3 ungefähr 0,2. Weiters beträgt das Verhältniszwischen der Wandstärke s des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 und ei¬ner Wandstärke s'' des Innenrohrs 4 ungefähr 0,3. Die dünnwandi¬ge Ausführung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 erlaubt eineWärmeübertragung mit hohem Wirkungsgrad, wodurch insbesondereauch die Erstreckung des Wärmetauschers in Längsrichtung ver¬kürzt werden kann, was sich beispielsweise bei der anhand derFig. 7 und 8 erläuterten Ausführung als vorteilhaft erwiesenhat.

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, weisen die äußeren La¬mellen 10 eine Höhe h, d.h. eine Erstreckung in radialer Rieh- tung, auf, die bevorzugt größer als eine Höhe h' der inneren La¬mellen 11 ist. Bei einer zweckmäßigen Ausführung beträgt dasVerhältnis zwischen der Höhe h der äußeren Lamellen 10 und derHöhe h' der inneren Lamellen 11 zwischen 0,2 und 5, je nach Flu¬id, Massenstrom und Drücken. Wie weiters aus Fig. 3 ersichtlich,weisen die die äußeren Wärmetauschkanäle 15 ausbildenden Zwi¬schenräume 14 eine Breite b von ungefähr 1 mm auf. Eine Breiteb' der Zwischenräume 16 zwischen den inneren Lamellen 11 ent¬spricht vorzugsweise der Breite b der Zwischenräume 14.

Zur zweckmäßigen Kräfteübertragung ist das Wärmeübertragungs-Rohr 6 aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul gefertigt,welches niedriger als das Elastizitätsmodul des Außenrohrs 3bzw. des inneren Längselements 2 ist. Bevorzugt ist das Wärme¬übertragungs-Rohr 3 aus einer Aluminium- oder Kupferlegierunggefertigt. Zur Erzielung einer hohen Steifigkeit ist das Außen¬rohr 3 bzw. das innere Längselement 2 aus einer hochfestenStahllegierung gefertigt. Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten äu¬ßeren bzw. inneren Lamellen 10 bzw. 11 sind zweckmäßigerweiseals Fräsungen vorgesehen, welche mit hoher Genauigkeit in eineVorform eingebracht werden können.

Die Fig. 4 bzw. 5 und 6 zeigen je eine alternative Ausführungdes Wärmeübertragungs-Rohrs 6, welches insbesondere in einemStrangpressverfahren hergestellt wurde. Bei dieser Ausführungnimmt eine Wandstärke a der inneren Lamellen 11 bzw. eine Wand¬stärke a' der äußeren Lamellen 10 in radialer Richtung nach in¬nen bzw. in radialer Richtung nach außen ab. Demnach ist dieErstreckung der Lamellen 10, 11 in Umfangsrichtung anschließendan die Wand 7 des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 am größten und nimmtmit der Entfernung zur Wand 7 kontinuierlich ab. Bei der gezeig¬ten Ausführung sind Kanten der äußeren Lamellen 10 bzw.inneren Lamellen 11 abgerundet ausgeführt.

Bei der in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführung des Wärmeüber¬tragungs-Rohrs 6 weisen die äußeren Lamellen 10 und die innerenLamellen 11 konturierte Oberflächen auf, welche in Richtung derLängserstreckungsachse 5 verlaufende Täler 19' bzw. Berge 19''aufweist, so dass ein wellenförmiger Verlauf erzielt wird. Aufdiese Weise wird die für einen Wärmeaustausch zur Verfügung ste- hende Wärmeaustauschfläche erheblich vergrößert.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die Anordnung des Wärmetauschers 1 ineiner Vorrichtung 20 zum Umwandeln von mechanischerEnergie in Wärmeenergie und umgekehrt, die insbesondere als Wär¬mepumpe betrieben wird. Eine solche Vorrichtung 20 - jedoch mitandersartigen Wärmetauschern - ist in der AT 505 532 Bl be¬schrieben .

Die Vorrichtung 20 umfasst einen Rotor 21, der mittels eines(nicht dargestellten) Motors um eine Drehachse 22 rotierbar ist.Im Rotor 21 ist ein Strömungskanal für ein einen geschlossenenKreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium, beispielsweise einEdelgas, vorgesehen. Der Rotor 21 weist eine Verdichtereinheit23 und eine Entspannungseinheit 24 auf, die ein Rohrleitungssys¬tem bilden. In radial verlaufenden Verdichtungsrohren 25 derVerdichtereinheit 23 strömt das Arbeitsmedium mit Bezug auf dieDrehachse 22 in radialer Richtung nach außen, wobei das Arbeits¬medium aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung verdichtet wird.Entsprechend wird das Arbeitsmedium zur Druckverringerung inEntspannungsrohren 26 der Entspannungseinheit 24 im Wesentlichenradial nach innen geführt. Die Verdichtereinheit 23 und die Ent¬spannungseinheit 24 sind durch axial verlaufende Abschnitte desRohrleitungssystems miteinander verbunden, in denen ein Wär¬meaustausch mit einem Wärmeaustauschmedium, beispielsweise Was¬ser, erfolgt. Zu diesem Zweck sind äußere Wärmetauscher 1'bzw. innere Wärmetauscher 1'' vorgesehen, in denen das inden Verdichtungsrohren 25 verdichtete Arbeitsmedium Wärme an einWärmeaustauschmedium einer ersten Temperatur abgibt bzw. das inden Entspannungsrohren 26 entspannte Arbeitsmedium Wärme vomWärmeaustauschmedium einer zweiten Temperatur aufnimmt. Demnachwird die auf das Arbeitsmedium wirkende Zentrifugalbeschleuni¬gung dazu ausgenützt, um verschiedene Druckniveaus bzw. Tempera¬turniveaus zu erzeugen. Dem verdichteten Arbeitsmedium wirdWärme hoher Temperatur entzogen, und dem entspannten Arbeitsme¬dium wird Wärme vergleichsweise niedriger Temperatur zugeführt.

Die Wärmetauscher 1' bzw. 1'' sind über Leitungen 27, 28 bzw. 29miteinander flüssigkeitsleitend verbunden. Das Wärmeaustauschme¬dium wird dem Rohrleitungssystem über einen Zulauf 31 eines sta¬ tischen Verteilers 32 zugeführt; über einen mitdrehenden Vertei¬ler 33 wird das Wärmeaustauschmedium sodann über die Leitung 27dem Wärmetauscher 1' zugeführt, in welchem es erwärmtdurch die Leitung 28 in den mitdrehenden Verteiler 33 rückge¬führt wird. Über den statischen Verteiler 32 bzw. einen Ablaufwird das erwärmte Wärmeübertragungsmedium sodann einem Wärme¬kreislauf zugeführt.

Das kalte Wärmeaustauschmedium des Wärmetauschers 1'' wird übereinen Zulauf 34 eines statischen Verteilers 35 geleitet, mit ei¬nem weiteren mitdrehenden Verteiler 36 in die mitdrehende Lei¬tung 29 zum Niederdruck-Wärmetauscher 1'' gefördert, wo Wärme andas gasförmige Arbeitsmedium abgegeben wird. Anschließend wirddas Wärmeaustauschmedium über den mitdrehenden Verteiler 36 demstatischen Verteiler 35 zugeführt, und verlässt abschließendüber einen Ablauf die Vorrichtung 20.

Zur Erzielung eines zweckmäßigen Wärmeübergangs sind die Wärme¬tauscher 1' bzw. 1'' durch die anhand der Fig. 1 bis 6 erläuter¬ten Wärmetauscher 1 gegeben, wobei als zweites Wärmeaustauschme¬dium das Arbeitsmedium, als erstes Wärmeaustauschmedium das Wär¬meaustauschmedium vorgesehen ist. Bei der gezeigten Ausführungströmen das Arbeitsmedium und das Wärmeaustauschmedium im Gegen¬strom in den Wärmetauschkanälen 15 bzw. 17, wobei in den Wärme¬tauschern 1', 1'' für eine geeignete Rückführung des Wärmeaus¬tauschmediums zu sorgen ist.

Fig. 9 zeigt einen Längsschnitt durch eine alternativen Ausfüh¬rung der Vorrichtung 20 im Bereich des Wärmetauschers 1, wobeidie Strömung 20' des Arbeitsmediums und die Strömung 20'' desWärmeaustauschmediums schematisch dargestellt ist. Fig. 10 zeigteinen vergrößerten Ausschnitt des Wärmetauschers 1. Demnachweist der Wärmetauscher 1 in einem zentralen Hohlraum 37 des In¬nenrohrs 4 eine Zugstange 38 auf. An den aus dem Innenrohr 4vorstehenden Enden der Zugstange 38 sind Kopfteile 38' befes¬tigt, welche die Stirnseiten des Wärmetauschers 1 abdecken.

Wie aus Fig. 9 weiters ersichtlich, weist die Vorrichtung 20weiters eine Zuleitung 39 für das Arbeitsmedium auf. Die Zulei¬tung 39 ist mit einem ringförmigen Spalt 40 verbunden, in wel- chem die lineare Strömung in der Zuleitung 39 in eine kreisför¬mige Strömung des Arbeitsmediums um die Längsachse des Wärmetau¬schers 1 umgewandelt wird (vgl. Fig. 11). Der ringförmige Spalt40 ist in der gezeigten Ausführung zwischen der Mantelfläche desaus dem Innenrohr 4 vorstehenden Endes der Zugstange 38 und ei¬ner Innenwandung des Kopfteils 38' gebildet. Darüber hinausweist der Wärmetauscher 1 in Strömungsrichtung nach dem ringför¬migen Spalt 40 einen ebenfalls ringförmigen Raum 41 auf, in wel¬chem der Übergang von der kreisförmigen Strömung in die radialeStrömung in den inneren Wärmetauschkanälen 17 stattfindet.

Wie aus Fig. 12 ersichtlich, weist das Wärmeübertragungs-Rohr 6zwischen Stirnflächen 42 der äußeren Lamellen 10 Eintrittsöff¬nungen 43 für das Wärmeaustauschmedium auf. Die Eintrittsöffnun¬gen 43 sind mit einer Zuführung 44 für das Wärmeaustauschmediumverbunden. In der gezeigten Ausführung sind die Stirnflächen 42der äußeren Lamellen 10 in Strömungsrichtung gesehen nach vornegeneigt. Der optimale Winkel zwischen den Stirnflächen 42 deräußeren Lamellen 10 und der Längsachse des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 wird bevorzugt in Abhängigkeit von der Strömungsge¬schwindigkeit ausgewählt. Bei Strömungsgeschwindigkeiten vonkleiner 2 Meter pro Sekunde (m/s) sind steilere Winkel von grö¬ßer 45° möglich. Bei Geschwindigkeiten größer 2 m/s sind flache¬re Winkel von Vorteil. Generell sind aufgrund des limitierendenPlatzbedarfs flache Winkel, insbesondere ein Winkel von 45°, zubevorzugen.

Wie aus Fig. 9, 10, vgl. insbesondere auch Fig. 13, 14, ersicht¬lich, weist der Wärmetauscher 1 zwischen den Eintrittsöffnungen43 der äußeren Wärmetauschkanäle 15 und der Zuführung 44 für dasWärmeaustauschmedium eine Verteilereinrichtung 45 zur Aufteilungder Strömung des Wärmeaustauschmediums in der Zuführung 44 inmehrere Teilströme in Umfangsrichtung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 auf. Die Verteilereinrichtung 45 weist mehrere hinterei¬nander durchströmbare Stufen aus kreisbogenförmigen Verteile¬relementen 46 auf. Die Verteilerelemente 46 weisen jeweils zweiDurchtrittsöffnungen 47 zum Durchtritt des Wärmeaustauschmediumsin die Verteilerelemente 46 der nächsten Stufe auf, so dass dieVerteilerelemente 46 derselben Stufe parallel bzw. gleichmäßigdurchströmt werden. In der gezeigten Ausführung ist jede Durch¬ trittsöffnung 47 mit genau einem Verteilerelement 46 verbunden,welches im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Durchtritts¬öffnung 47 angeordnet ist. Die Durchtrittsöffnungen 47 sindhierbei an gegenüberliegenden Enden der kreisbogenförmigen Ver¬teilerelemente 46 angeordnet.

Wie aus Fig. 13, 14 weiters ersichtlich, nimmt die Länge derVerteilerelemente 46 von Stufe zu Stufe, in Strömungsrichtunggesehen, ab. Fig. 14a bis Fig. 14f zeigen Schnitte durch dieeinzelnen Stufen der Verteilereinrichtung 45, wobei Fig. 14a dieEintrittsseite der Verteilereinrichtung 45 und Fig. 14f die Aus¬trittsseite der Verteilereinrichtung 45 zeigt. In der gezeigtenAusführung ist das in Strömungsrichtung gesehen erste Verteile¬relement 46 halbkreisförmig, wobei die Verteilerelemente 46 dernachfolgenden Stufen durch entsprechend kürzere Bogenelementegebildet sind. Die austrittsseitigen Verteilerelemente 46 derVerteilereinrichtung 45 sind derart angeordnet, dass eine kreis¬ringförmige Austrittsfläche 48 gebildet wird, welche im Wesent¬lichen in gleichen Winkelabständen Austrittsöffnungen 49 auf¬weist. Die Austrittsöffnungen 49 sind in Strömungsrichtung un¬mittelbar vor den Eintrittsöffnungen 43 der äußeren Wärmetausch¬kanäle 15 angeordnet. Aufgrund der symmetrischen Anordnung derVerteilerelemente 46 legt das Wärmeaustauschmedium im Wesentli¬chen gleiche Strömungswege zwischen der Zuführung 44 und denAustrittsöffnungen 49 der Verteilereinrichtung 45 zurück. AusFig. 14 sind zudem Befestigungsmittel 50 ersichtlich, mit wel¬chen die Verteilerelemente 46 in einer definierten Stellung zu¬einander gehalten sind.

Fig. 15 zeigt einen Teil der Vorrichtung 20, wobei einer der inBezug auf die Drehachse inneren Wärmetauscher 1'' und einer derin Bezug auf die Drehachse äußeren Wärmetauscher 1' ersichtlichsind. Die Längsachsen der Wärmetauscher 1', 1'' sind im Wesent¬lichen parallel zur Drehachse des Rotors 21 angeordnet.

Wie aus Fig. 15 weiters ersichtlich, weist der Rotor 21 einengemeinsamen Stützkörper 51 zur Halterung der inneren Wärmetau¬scher 1'' und der äußeren Wärmetauscher 1' auf. Gemäß Fig. 15weist der Stützkörper 51 mehrere im Wesentlichen senkrecht zurDrehachse angeordnete, in Richtung der Drehachse beabstandete

Plattenelemente 52 auf (vgl. auch Fig. 16), welche Ausnehmungenzum Durchtritt der Wärmetauscher 1', 1'' aufweisen. Die Wärme¬ tauscher 1', 1'' sind hierbei mit Stützrohren 53 ummantelt, wel¬che Abstufungen 54 zur Lagerung der Plattenelemente 52 aufwei¬sen .

Wie aus Fig. 15 weiters ersichtlich, weisen die äußeren Wärme¬tauscher 1' zwischen den Außenrohren 3 und dem Stützkörper 51jeweils ein Isolationselement 55 aus einem thermisch isolieren¬den Material auf. Demgegenüber bleiben die inneren Wärmetauscher1'' von solchen Isolationselementen frei, so dass der Stützkör¬per 51 im Betrieb im Wesentlichen die Temperatur der innerenWärmetauscher 1'' annimmt.

Fig. 17 zeigt eine alternative Ausführung des Stützkörpers 51,welcher gemäß Fig. 17 als bezüglich der Drehachse rotationssym¬metrischer Profilkörper 56 ausgebildet ist. Der Profilkörper 56weist ein Innenelement 57 mit mehreren inneren Aussparungen 58zur Aufnahme der inneren Wärmetauscher 1'' und mehrere Außenele¬mente 59 mit äußeren Aussparungen 60 zur Aufnahme der äußerenWärmetauscher 1' auf. Gemäß Fig. 17 sind als Außenelemente 59 inUmfangsrichtung geschlossene, zylindrische Aufnahmen 59' vorge¬sehen, welche die äußeren Aussparungen 60 einschließen.

Wie aus Fig. 17, 18 ersichtlich, ist das Innenelement 57 mit je¬dem Außenelement 59 über genau zwei in radialer Richtung verlau¬fende Verbindungsstege 61 verbunden. Der Abstand zwischen denVerbindungsstegen 61 nimmt vorteilhafterweise radial nach außenzu (vgl. Fig. 18). Die Wandstärke der Verbindungsstege nimmtvorteilhafterweise in radialer Richtung ab. In der Ausführunggemäß Fig. 18 sind die Außenelemente 59 über Schweißverbindungen62 mit den Verbindungsstegen 61 verbunden. Darüber hinaus sindSchweißverbindungen 62 zwischen den Verbindungsstegen 61 und demInnenelement 57 vorgesehen. Anstelle der Schweißverbindungen 62kann auch eine formschlüssige Verbindung, beispielsweise eineHammerkopf- oder Schwalbenschwanz-Verbindung, vorgesehen sein.

Fig. 19 zeigt eine alternative Ausführung des Stützkörpers 51,wobei die Außenelemente 59 in Richtung des Innenelements 57 of¬fene äußere Aussparungen 60 aufweist.

Fig. 20 zeigt eine weitere Ausführung des Stützkörpers 51, wel¬cher gemäß Fig. 20 eine an der Außenseite der Außenelemente 59befestigte, zylindrische Einfassung 63 aufweist.

Claims (8)

1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung (20) zum Umwandeln thermischer Energie niedrigerTemperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels me¬chanischer Energie und umgekehrt mit einem drehbar um eine Dreh¬achse (22) gelagerten Rotor (21), in dem ein Strömungskanal fürein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedi¬um vorgesehen ist, das in einer Verdichtereinheit (23) zurDruckerhöhung mit Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radialnach außen geführt wird und in einer Entspannungseinheit (24)zur Druckverringerung mit Bezug auf die Drehachse (22) im We¬sentlichen radial nach innen geführt wird, wobei zumindest einin Bezug auf die Drehachse innerer Wärmetauscher (1' ') und zu¬mindest ein in Bezug auf die Drehachse äußerer Wärmetauscher(1') für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und ei¬nem Wärmeaustauschmedium vorgesehen sind, wobei die Wärmetau¬scher (1', 1'') bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Drehachsedes Rotors (21) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dassder Rotor (21) einen den inneren (1'') und/oder äußeren Wärme¬tauscher (1') über dessen Längserstreckung abstützenden Stütz¬körper (51) zur Halterung des inneren (1'') und/oder äußerenWärmetauschers (1') aufweist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derzumindest eine äußere Wärmetauscher (1') zwischen dem Außenrohr(3) und dem Stützkörper (51) ein Isolationselement (55) aus ei¬nem thermisch isolierenden Material aufweist, wobei der innereWärmetauscher (1'r) von einem Isolationselement (55) freibleibt.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass der Stützkörper (51) mehrere im Wesentlichen senkrecht zurDrehachse angeordnete, in Richtung der Drehachse beabstandetePlattenelemente (52) aufweist, welche Ausnehmungen zur Lagerungder Wärmetauscher aufweisen.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬zeichnet, dass als Stützkörper (51) ein in Richtung der Drehach¬se erstreckter Profilkörper (56) vorgesehen ist, welcher ein In¬nenelement (57) mit zumindest einer inneren Aussparung (58) für den zumindest einen inneren Wärmetauscher (1'') und zumindestein Außenelement (59) mit zumindest einer äußeren Aussparung(60) für den zumindest einen äußeren Wärmetauscher (1') auf¬weist .
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dasInnenelement (57) und das Außenelement (59) über im Wesentlichenin radialer Richtung verlaufende Verbindungsstege (61) miteinan¬der verbunden sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,dass mehrere Außenelemente (59) vorgesehen sind, wobei bevorzugtgenau zwei Verbindungsstege (61) zwischen dem Innenelement (57)und jedem Außenelement (59) vorgesehen sind.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn¬zeichnet, dass das zumindest eine Außenelement (59) des Stütz¬körpers (51) als zylindrische Aufnahme (59') für den äußerenWärmetauscher (1') ausgebildet ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekenn¬zeichnet, dass der Stützkörper (51) eine die Außenelemente (59)umgebende, zylindrische Einfassung (63) aufweist.