AT515210B1 - 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 strömt und in einer Entspannungseinheit (24) zur Druckverringerung mit Bezug auf die Drehachse (22) nach innen strömt, 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

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie niedrigerTemperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und um¬gekehrt mit einem drehbar um eine Drehachse gelagerten Rotor, in dem ein Strömungskanal fürein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium vorgesehen ist, das ineiner Verdichtereinheit zur Druckerhöhung mit Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radialnach außen strömt und in einer Entspannungseinheit zur Druckverringerung mit Bezug auf dieDrehachse im Wesentlichen radial nach innen strömt, wobei zumindest ein in Bezug auf dieDrehachse innerer Wärmetauscher und zumindest ein in Bezug auf die Drehachse äußererWärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wär¬meaustauschmedium vorgesehen sind, wobei die Wärmetauscher bevorzugt im Wesentlichenparallel zur Drehachse des Rotors angeordnet sind.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind bereits rotierende Wärmepumpen bzw. Wärmekraftma¬schinen bekannt, bei denen ein gasförmiges Arbeitsmedium in einem geschlossenen thermo¬dynamischen Kreisprozess geführt wird.

[0003] In der WO 2009/015402 A1 ist eine Wärmepumpe bzw. Wärmekraftmaschine beschrie¬ben, bei der das Arbeitsmedium in einem Rohrleitungssystem eines Rotors einen Kreisprozessmit den Arbeitsschritten a) Verdichtung des Arbeitsmediums, b) Wärmeabfuhr vom Arbeitsme¬dium mittels eines Wärmetauschers, c) Entspannung des Arbeitsmediums und d) Wärmezufuhrzum Arbeitsmedium mittels eines weiteren Wärmetauschers durchläuft. Die Druckerhöhungbzw. Druckverringerung des Arbeitsmediums stellt sich durch die Zentrifugalbeschleunigungein, wobei das Arbeitsmedium in einer Verdichtungseinheit bezüglich einer Drehachse radialnach außen und in einer Entspannungseinheit radial nach innen strömt. Die Wärmeabfuhr vomArbeitsmedium an ein Wärmeaustauschmedium des Wärmetauschers erfolgt in einem axialenbzw. parallel zur Drehachse verlaufenden Abschnitt des Rohrleitungssystems, dem ein mitrotie¬render, das Wärmeaustauschmedium aufweisender Wärmetauscher zugeordnet ist. DieseVorrichtung ermöglicht bereits eine effiziente Umsetzung von mechanischer Energie und Wär¬meenergie niedriger Temperatur in Wärmeenergie höherer Temperatur.

[0004] In der Praxis werden hohe Anforderungen an die Stabilität der Vorrichtung gestellt,welche aufgrund der Drehbewegung des Rotors hohen Fliehkräften ausgesetzt sein kann.

[0005] Im Stand der Technik wurden die Wärmetauscher im Bereich der stirnseitigen Enden derWärmetauscher eingespannt. Nachteiligerweise können sich die Wärmetauscher bei dieserAusführung im Betrieb zwischen den Einspannungen an den Enden durchbiegen, wodurch dieStabilität der Anordnung beeinträchtigt wird. Zudem kann hiermit die Betriebssicherheit nichtgewährleistet werden.

[0006] In der WO 98/30846 A1 ist eine gattungsgemäße Rotor-Vorrichtung zum Umwandelnthermischer Energie offenbart. Die US 3,846,302 beschreibt eine andersartige Vorrichtung zurWärmebehandlung von Schlämmen. Schließlich bezieht sich die US 3,258,197 auf eine an¬dersartige Kühleinrichtung.

[0007] Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine rotierendeVorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie, wie eingangs angegeben, zu schaffen,welche hohen Kräften im Betrieb der Vorrichtung zuverlässig standhalten kann.

[0008] Dies wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch erzielt, dass der Rotor einenden inneren und/oder äußeren Wärmetauscher über dessen Längserstreckung abstützendenStützkörper zur Halterung des inneren und/oder äußeren Wärmetauschers aufweist.

[0009] Die erfindungsgemäße Vorrichtung nützt die Zentrifugalbeschleunigung des rotierendenSystems, um verschiedene Druck- bzw. Temperaturniveaus zu erzeugen; dem verdichtetenArbeitsmedium wird hierbei Wärme hoher Temperatur entzogen bzw. zugeführt und dem ent¬spannten Arbeitsmedium wird Wärme vergleichsweise niedriger Temperatur zugeführt bzw.entzogen. Je nach Strömungsrichtung des Arbeitsmediums wird die Vorrichtung dabei wahlwei¬ se als Wärmepumpe oder Motor betrieben werden. Hierbei wird ein in Bezug auf die Drehachseinnerer Wärmetauscher und zumindest ein in Bezug auf die Drehachse äußerer Wärmetauscherverwendet, welche bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors angeordnetsind. Der innere Wärmetauscher ist für einen Wärmeaustausch bei niedrigerer Temperatur undder äußere Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch bei höherer Temperatur vorgesehen.Bevorzugt sind mehrere innere Wärmetauscher und mehrere äußere Wärmetauscher vorgese¬hen, welche jeweils in gleichen radialen Abständen zur Drehachse angeordnet sind. Erfin¬dungsgemäß weist der Rotor einen Stützkörper auf, welcher den inneren bzw. äußeren Wärme¬tauscher über die Länge des Wärmetauschers zwischen den Stirnseiten gegenüber im Betriebauftretenden Radialkräften unterstützt. Bei dieser Ausführung weist der Rotor einen Stützkörperauf, welcher den inneren bzw. äußeren Wärmetauscher über die Länge des Wärmetauscherszwischen den Stirnseiten gegenüber im Betrieb auftretenden Radialkräften unterstützt. Vorteil¬hafterweise wird der Wärmetauscher mittels des Stützkörpers im Wesentlichen gleichmäßig inLängsrichtung des Wärmetauschers abgestützt, so dass lediglich geringe bzw. unkritischeBiegungen entlang des Wärmetauschers auftreten. Bevorzugt sind sämtliche Wärmetauscheran einem gemeinsamen Stützkörper montiert, welcher als Bestandteil des Rotors um die Dreh¬achse rotierend angeordnet ist. Hiermit kann eine besonders stabile Ausführung erzielt werden,mit welcher die im Betrieb der Vorrichtung auftretenden Kräfte aufgenommen werden können.Der Stützkörper kann aus einem Bauteil oder mehreren, in Längsrichtung des Wärmetauschersbeabstandeten Bauteilen bestehen.

[0010] Um den Stützkörper im Betrieb der Vorrichtung im Wesentlichen auf der Temperatur deszumindest einen inneren Wärmetauschers zu halten, ist es von Vorteil, wenn der zumindesteine äußere Wärmetauscher zwischen dem Außenrohr und dem Stützkörper ein Isolationsele¬ment aus einem thermisch isolierenden Material aufweist, wobei der innere Wärmetauscher voneinem Isolationselement frei bleibt. Um die absolute Temperatur niedrig zu halten, können dieäußeren bzw. achsfernen Wärmetauscher, welche unter Normalbetrieb eine höhere relativeTemperatur als die inneren bzw. achsnahen Wärmetauscher aufweisen, durch insbesondererohrförmige Isolationselemente mit einer im Vergleich zum Stützkörper wesentlich niedrigerenWärmeleitfähigkeit von dem Stützkörper wärmeisoliert werden. Das thermisch isolierende Mate¬rial weist bevorzugt eine Zugfestigkeit von mindestens 10 Mpa auf, um ein Fließen unter derBelastung zu vermeiden. Zudem soll das thermisch isolierende Material eine Temperaturstabili¬tät aufweisen, die der maximalen Temperatur des Wärmetauschers entspricht. Daher bietet sichgewöhnliches Polycarbonat bei Einsatztemperaturen bis max. 120¾ an. Bei höheren Tempera¬turen bis ca. 200°C können Polyetheretherketon, insbesondere mit Füllstoffen wie Kohlefaseroder Glasfaser, Polyamid, insbesondere mit diversen Füllstoffen, Hartfaserwerkstoffe oderandere Hochtemperaturwerkstoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden. Durch dieWärmeisolation des Stützkörpers von dem äußeren Wärmetauscher einerseits bei Fehlen einessolchen Isolationselements am inneren Wärmetauscher andererseits sind für den Stützkörperim Wesentlichen die Temperaturen des inneren Wärmetauschers maßgebend. Dadurch tretenvorteilhafterweise keine bzw. geringere Festigkeitseinbußen bei dem Stützkörper auf. Insbe¬sondere wirkt sich dies bei Verwendung von Aluminium bzw. Aluminium- Legierungen aus, dadiese in der Regel ab ca. 50¾ Festigkeitsabschläge zeigen. Ein weiterer Vorteil dieser Ausge¬staltung besteht darin, dass sich innerhalb des Stützkörpers geringere Temperaturgradienteneinstellen, da sich die Temperatur des achsnahen Wärmetauschers im Wesentlichen bis zurIsolationsschicht um den achsfernen Wärmetauscher einstellt. Dadurch kommt es zu geringerenEigenspannungen im Stützkörper. Bei besonders hohen Temperaturen ist es allerdings auchdenkbar, dass sowohl der achsferne als auch der achsnahe Wärmetauscher mittels Isolations¬elementen von dem Stützkörper wärmeisoliert werden. In diesem Fall kann der Stützkörper miteiner aktiven Kühlung (z.B. über Wasserkühlung, Wärmestrahlung oder Konvektion) ausgestat¬tet werden, um Einbußen in der Festigkeit des Stützkörpers zu verhindern.

[0011] In einer bevorzugten Ausführung ist der Stützkörper als Gusskörper, insbesondere ausAluminium, hergestellt, wobei vorzugsweise hochfeste Aluminiumlegierungen, beispielsweiseAICu4Ti, verwendet werden. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist dieAnordnung des Isolationselements zumindest an dem inneren Wärmetauscher von Vorteil.

[0012] Alternativ kann der Stützkörper aus (beispielsweise bainitischen) Gusseisen hergestelltsein. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit kann bei einem derartig hergestellten Stützkör¬per das Isolationselement des achsfernen Wärmetauschers entfallen. Aufgrund der geringenFestigkeitsabschläge bei höheren Temperaturen eignet sich diese Stützvariante sehr gut fürHochtemperaturanwendungen.

[0013] Weiters kann der Stützkörper aus Stahl unter Verwendung von Schweißverbindungenhergestellt sein, wobei diese Ausführung besondere Kostenvorteile, bei vergleichsweise hohenFestigkeitseigenschaften, mit sich bringt. Ein weiterer Vorteil eines geschweißten Stützkörpersist die beinahe unbeschränkte Größenskalierung. Dabei sind Durchmesser des Rotors vonzumindest 4m denkbar. Dieses Variante hat auch den Vorteil, dass aufgrund der geringenWärmeleitfähigkeit von Stahl auf ein Isolationselement am äußeren Wärmetauscher verzichtetwerden kann.

[0014] Zudem kann der Stützkörper aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt sein, die vorteilhaf¬terweise sehr leicht sind und eine hohe Steifigkeit besitzen.

[0015] Weiters kann der Stützkörper aus Halbzeugen zusammengefügt sein, wobei beispiels¬weise Aluminiumplatten und Aluminiumrohre und/oder Stahlplatten und Stahlrohre verwendetwerden können. Hierbei können sämtliche Werkstoffe verwendet werden, die in Platten- bzw.Rohrform als Halbzeug verfügbar sind. Ein Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass aufgrundder direkten Verwendung von Halbzeugen insbesondere ohne Nachbearbeitung bei hoherTemperatur (wie beispielsweise beim Schweißen) Festigkeitseinbußen weitgehend vermiedenwerden können.

[0016] Zur Aufnahme von Fliehkräften ist es günstig, wenn der Stützkörper mehrere im Wesent¬lichen senkrecht zur Drehachse angeordnete, in Richtung der Drehachse beabstandete Plat¬tenelemente aufweist, welche Ausnehmungen zur Lagerung der Wärmetauscher aufweisen.

[0017] Die Plattenelemente können Ausschnitte bzw. Vertiefungen aufweisen, um das Gewichtdes Stützkörpers zu reduzieren und/oder um die Steifigkeit der Plattenelemente zu verändern.Dies kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um beim Übergang zum Randbereich, wel¬cher ein erhöhtes Gewicht aufweisen kann, gleichmäßige Verformungen zu erzielen. Die Plat¬tenelemente sind bevorzugt in gleichen Abständen angeordnet. Bevorzugt sind die Plattenele¬mente scheibenförmig ausgebildet. Bei dieser Ausführung werden die Wärmetauscher zwischenden Platten aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung geringfügig durchgebogen und es entste¬hen zusätzliche Biegespannungen, die der Wärmetauscher aufnehmen muss. Der Vorteil dieserAusführung liegt jedoch darin, dass bei einer Herstellung aus Halbzeugen eine erhöhte Festig¬keit in den Rohmaterialien erzielt werden kann. Bei dieser Ausführung ist es zudem von Vorteil,wenn der Wärmetauscher an der Außenseite ein Stützrohr aufweist, das in Umfangrichtungverlaufende Vertiefungen zur Aufnahme der Plattenelemente aufweist. Vorteilhaftenweise kön¬nen hiermit Scherkräfte aufgenommen werden.

[0018] Gemäß einer alternativen Ausführung ist als Stützkörper ein in Richtung der Drehachseerstreckter Profilkörper vorgesehen, welcher ein Innenelement mit zumindest einer innerenAussparung für den zumindest einen inneren Wärmetauscher und zumindest ein Außenelementmit zumindest einer äußeren Aussparung für den zumindest einen äußeren Wärmetauscheraufweist. Der Profilkörper ist bei einer Anordnung von zumindest zwei äußeren bzw. zwei inne¬ren Wärmetauschern bezüglich der Drehachse rotationssymmetrisch ausgebildet.

[0019] Zur Aufnahme von Kräften ist es besonders günstig, wenn das Innenelement und dasAußenelement über im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Verbindungsstege mitei¬nander verbunden sind.

[0020] Um die Spannungen im Profilkörper zu verringern bzw. gleichmäßig zu verteilen, ist esvorteilhaft, wenn mehrere Außenelemente vorgesehen sind, wobei bevorzugt genau zwei Ver¬bindungsstege zwischen dem Innenelement und jedem Außenelement vorgesehen sind. Bevor¬zugt sind die Verbindungsstege mit den Außenelementen sternförmig um das Innenelementangeordnet. Hinsichtlich der Kraftübertragung ist es günstig, wenn der Abstand zwischen den

Verbindungsstegen in radialer Richtung nach außen kontinuierlich zunimmt. Alternativ oderzusätzlich kann die Breite des Verbindungssteges in radialer Richtung nach außen abnehmen.

[0021] Zur Erzielung einer besonders stabilen Ausführung mit geringem Materialaufwand ist esgünstig, wenn das zumindest eine Außenelement des Stützkörpers als zylindrische Aufnahmefür den äußeren Wärmetauscher ausgebildet ist. Alternativ kann die Aufnahme nach innenteilweise offen sein. Aufgrund des nicht umlaufend unterstützten achsfernen Wärmetauscherskann bei einer Gussherstellung ein Kern pro Wärmetauscher entfallen. Weiters kann dieKrafteinleitung im achsfernen Wärmetauscher verbessert werden, wodurch die Spannungenaufgrund der Fliehkräfte reduziert werden können.

[0022] Bei einer bevorzugten Ausführung ist zudem vorgesehen, dass der Stützkörper eine dieAußenelemente umgebende, zylindrische Einfassung aufweist. Die Außenelemente sind hierbeian der Innenseite der zylindrischen Einfassung befestigt. Durch den zylindrischen Mantel wer¬den die Reibungsverluste im rotierenden Betriebszustand der Vorrichtung deutlich verringert.Vorzugsweise wird der Rotor in einem Raum mit einem Umgebungsdruck von weniger als50 mbar Absolutdruck, insbesondere weniger als 5 mbar Absolutdruck, betrieben.

[0023] Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugtenAusführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. ImEinzelnen zeigen in der Zeichnung: [0024] Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher für eine erfindungsgemäße

Rotor-Vorrichtung zur Übertragung thermischer Energie, wobei zwischen einemInnenrohr und einem Außenrohr ein Wärmeübertragungs-Rohr angeordnet ist; [0025] Fig. 2 einen Ausschnitt des in Fig. 1 dargestellten Wärmetauschers in demgegenüber vergrößertem Maßstab; [0026] Fig. 3 einen weiter vergrößerten Ausschnitt des Wärmetauschers gemäß Fig. 1 bzw.

Fig. 2, wobei insbesondere äußere Lamellen des Wärmeübertragungs-Rohrsersichtlich sind; [0027] Fig. 4 eine alternative Ausführung eines im Strangpressverfahren hergestellten Wär¬ meübertragungs-Rohrs, das zur Anordnung in einem Wärmetauscher gemäßden Fig. 1 bis 3 vorgesehen ist; [0028] Fig. 5 eine modifizierte Ausführung des in Fig. 4 dargestellten Wärmeübertragungs-

Rohrs, bei der die Oberflächen der Lamellen wellenförmig gekrümmt sind; [0029] Fig. 6 einen Ausschnitt des in Fig. 5 dargestellten Wärmeübertragungs-Rohrs in dem¬ gegenüber vergrößertem Maßstab; [0030] Fig. 7 eine Ansicht einer rotierenden Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Ener¬ gie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur, bei der einArbeitsmedium in einem Rotor einen geschlossenen Kreisprozess durchläuft; [0031] Fig. 8 eine weitere Ansicht der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung; [0032] Fig. 9 einen Längsschnitt durch eine alternative Ausführung der Vorrichtung im Be¬ reich des Wärmetauschers, wobei die Strömung des Arbeitsmediums und dieStrömung des Wärmeaustauschmediums schematisch (hier im Gegenstrom)dargestellt sind; [0033] Fig. 10 einen vergrößerten Ausschnitt der Vorrichtung im Bereich des Wärmetau¬ schers; [0034] Fig. 11 eine Schnittansicht der Vorrichtung im Bereich eines ringförmigen Spalts zur

Erzielung einer Kreisströmung des Arbeitsmediums vor dem Eintritt in denWärmetauscher; [0035] Fig. 12 eine schaubildliche Ansicht einer Ausführung des Wärmeübertragungs-Rohrs des Wärmetauschers, bei welcher die Stirnflächen der äußeren Lamellen inStrömungsrichtung gesehen nach vorne geneigt sind; [0036] Fig. 13 eine schaubildliche Ansicht einer Verteilereinrichtung, mit welcher eine lineare

Strömung des Wärmeaustauschmediums auf eine Vielzahl von ringförmig an¬geordneten Teilströmen aufgeteilt wird; [0037] Fig. 14 verschiedene Schnittansichten der Verteilereinrichtung gemäß Fig. 13; [0038] Fig. 15 eine Ausführung der Vorrichtung, bei welcher zur Lagerung der Wärmetauscher ein Stützkörper mit mehreren Plattenelementen vorgesehen ist; [0039] Fig. 16 einen Ausschnitt des Stützkörpers mit einem darin gelagerten Wärmetauscher; [0040] Fig. 17 eine schaubildliche Ansicht einer weiteren Ausführung des Stützkörpers mit im

Wesentlichen parallel verlaufenden Verbindungsstegen; [0041] Fig. 18 eine Ansicht einer weiteren Ausführung des Stützkörpers mit in radialer Rich¬ tung des Rotors verlaufenden und damit nach außen auseinanderlaufendenVerbindungsstegen; [0042] Fig. 19 eine schaubildliche Ansicht einer weiteren Ausführung des Stützkörpers; und [0043] Fig. 20 eine schaubildliche Ansicht einer weiteren Ausführung des Stützkörpers.

[0044] In Fig. 1 ist ein Wärmetauscher 1 zum Einbau in einer rotierenden Vorrichtung 20 zurUmwandlung von Wärmeenergie mittels mechanischer Energie und umgekehrt (vgl. Fig. 7, 8)gezeigt. Der Wärmetauscher 1 weist ein inneres Längselement 2 und ein Außenrohr 3 auf,welches das innere Längselement 2 umgibt. Als inneres Längselement 2 ist ein hohles Innen¬rohr 4 vorgesehen. Das Außenrohr 3 und das Innenrohr 4 sind koaxial bezüglich einer zentralenLängserstreckungsachse 5 angeordnet. Zwischen dem Innenrohr 4 und dem Außenrohr 3 istein Wärmeübertragungsrohr 6 angeordnet, das koaxial zum Außenrohr 3 bzw. zum Innenrohr 4in Längsrichtung des Wärmetauschers 1 verläuft. Das Wärmeübertragungs-Rohr 6 weist eineWand 7 mit einer äußeren Mantelfläche 8 und einer inneren Mantelfläche 9 auf, von der äußereLamellen 10 bzw. innere 11 Lamellen abstehen. Die Lamellen 10, 11 erstrecken sich in Rich¬tung der Längserstreckungsachse 5 des Wärmeübertragungs-Rohrs 6. Die äußeren Lamellen10 ragen von der äußeren Mantelfläche 8 in radialer Richtung nach außen bis zu einer Innen¬fläche 12 des Außenrohrs 3. Die inneren Lamellen 11 springen von der inneren Mantelfläche 9der Wand 7 des Wärmeübertragungs- Rohrs 6 bis zu einer Außenfläche 13 des Innenrohrs 4vor. Demnach ist das Wärmeübertragungs-Rohr 6 zwischen dem Innenrohr 4 und dem Außen¬rohr 3 gehalten, wobei die äußeren Lamellen 10 am Außenrohr 3 und die inneren Lamellen 11am Innenrohr 4 abgestützt sind. Zwischen den äußeren Lamellen 10 sind Zwischenräume 14ausgebildet, die Wärmetauschkanäle 15 für ein erstes Wärmeaustauschmedium ausbilden. Inentsprechender Art und Weise bilden Zwischenräume 16 zwischen den inneren Lamellen 11Wärmetauschkanäle 17 für ein zweites Wärmeaustauschmedium.

[0045] Wie weiters aus Fig. 1 ersichtlich, sind eine Vielzahl, beispielsweise 250, von äußerenLamellen 10 bzw. inneren Lamellen 11 vorgesehen, so dass in regelmäßigen Winkelabständenin Umfangsrichtung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 beabstandete äußere Wärmetauschkanä¬le 15 für das erste Wärmeaustauschmedium bzw. innere Wärmetauschkanäle 17 für das zweiteWärmeaustauschmedium ausgebildet werden. Zweckmäßigerweise strömt das Wärmeaus¬tauschmedium mit dem niedrigeren absoluten Druck in den äußeren Wärmetauschkanälen 15zwischen den äußeren Lamellen 10, wobei das zweite Wärmeaustauschmedium mit erheblichhöherem Druck durch die Wärmetauschkanäle 17 zwischen den inneren Lamellen 11 strömenkann.

[0046] Die beidseitige Abstützung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 ermöglicht es, dass durchden Differenzdruck verursachte Spannungen im Bereich der Wand 7 des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 über die äußeren Lamellen 10 auf das Außenrohr 3 übertragen werden. Umgekehrtkönnen in die Wand 7 eingeleitete Kräfte über die inneren Lamellen 11 auf das Innenrohr 4 übertragen werden, wenn in den äußeren Wärmetauschkanälen 15 das Wärmeaustauschmedi¬um mit dem höheren Druck strömt. Somit wird eine mechanisch sehr stabile Anordnung desWärmeübertragungs-Rohrs 6 erzielt, welche zur Optimierung des Wärmeübergangs zwischenden Wärmeaustauschmedien dünnwandig ausgeführt sein kann. Bei der in Fig. 1 dargestelltenAusführung beträgt das Verhältnis zwischen einer Wandstärke s der Wand 7 des Wärmeüber¬tragungs-Rohrs 6 und einer Wandstärke s' des Außenrohrs 3 ungefähr 0,2. Weiters beträgt dasVerhältnis zwischen der Wandstärke s des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 und einer Wandstärkes" des Innenrohrs 4 ungefähr 0,3. Die dünnwandige Ausführung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 erlaubt eine Wärmeübertragung mit hohem Wirkungsgrad, wodurch insbesondere auch dieErstreckung des Wärmetauschers in Längsrichtung verkürzt werden kann, was sich beispiels¬weise bei der anhand der Fig. 7 und 8 erläuterten Ausführung als vorteilhaft erwiesen hat.

[0047] Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, weisen die äußeren Lamellen 10 eine Höhe h,d.h. eine Erstreckung in radialer Richtung, auf, die bevorzugt größer als eine Höhe h’ der inne¬ren Lamellen 11 ist. Bei einer zweckmäßigen Ausführung beträgt das Verhältnis zwischen derHöhe h der äußeren Lamellen 10 und der Höhe h’ der inneren Lamellen 11 zwischen 0,2 und 5,je nach Fluid, Massenstrom und Drücken. Wie weiters aus Fig. 3 ersichtlich, weisen die dieäußeren Wärmetauschkanäle 15 ausbildenden Zwischenräume 14 eine Breite b von ungefähr 1mm auf. Eine Breite b’ der Zwischenräume 16 zwischen den inneren Lamellen 11 entsprichtvorzugsweise der Breite b der Zwischenräume 14.

[0048] Zur zweckmäßigen Kräfteübertragung ist das Wärmeübertragungs- Rohr 6 aus einemMaterial mit einem Elastizitätsmodul gefertigt, welches niedriger als das Elastizitätsmodul desAußenrohrs 3 bzw. des inneren Längselements 2 ist. Bevorzugt ist das Wärmeübertragungs-Rohr 3 aus einer Aluminium- oder Kupferlegierung gefertigt. Zur Erzielung einer hohen Steifig¬keit ist das Außenrohr 3 bzw. das innere Längselement 2 aus einer hochfesten Stahllegierunggefertigt. Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten äußeren bzw. inneren Lamellen 10 bzw. 11 sindzweckmäßigerweise als Fräsungen vorgesehen, welche mit hoher Genauigkeit in eine Vorformeingebracht werden können.

[0049] Die Fig. 4 bzw. 5 und 6 zeigen je eine alternative Ausführung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6, welches insbesondere in einem Strangpressverfahren hergestellt wurde. Bei dieserAusführung nimmt eine Wandstärke a der inneren Lamellen 11 bzw. eine Wandstärke a’ deräußeren Lamellen 10 in radialer Richtung nach innen bzw. in radialer Richtung nach außen ab.Demnach ist die Erstreckung der Lamellen 10, 11 in Umfangsrichtung anschließend an dieWand 7 des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 am größten und nimmt mit der Entfernung zur Wand 7 kontinuierlich ab. Bei der gezeigten Ausführung sind Kanten der äußeren Lamellen 10 bzw.inneren Lamellen 11 abgerundet ausgeführt.

[0050] Bei der in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6weisen die äußeren Lamellen 10 und die inneren Lamellen 11 konturierte Oberflächen auf,welche in Richtung der Längserstreckungsachse 5 verlaufende Täler 19’ bzw. Berge 19” auf¬weist, so dass ein wellenförmiger Verlauf erzielt wird. Auf diese Weise wird die für einen Wär¬meaustausch zur Verfügung stehende Wärmeaustauschfläche erheblich vergrößert.

[0051] Die Fig. 7 und 8 zeigen die Anordnung des Wärmetauschers 1 in einer Vorrichtung 20zum Umwandeln von mechanischer Energie in Wärmeenergie und umgekehrt, die insbesonde¬re als Wärmepumpe betrieben wird. Eine solche Vorrichtung 20 - jedoch mit andersartigenWärmetauschern - ist in der AT 505 532 B1 beschrieben.

[0052] Die Vorrichtung 20 umfasst einen Rotor 21, der mittels eines (nicht dargestellten) Motorsum eine Drehachse 22 rotierbar ist. Im Rotor 21 ist ein Strömungskanal für ein einen geschlos¬senen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium, beispielsweise ein Edelgas, vorgesehen.Der Rotor 21 weist eine Verdichtereinheit 23 und eine Entspannungseinheit 24 auf, die einRohrleitungssystem bilden. In radial verlaufenden Verdichtungsrohren 25 der Verdichtereinheit23 strömt das Arbeitsmedium mit Bezug auf die Drehachse 22 in radialer Richtung nach außen,wobei das Arbeitsmedium aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung verdichtet wird. Entspre¬chend wird das Arbeitsmedium zur Druckverringerung in Entspannungsrohren 26 der Entspan- nungseinheit 24 im Wesentlichen radial nach innen geführt. Die Verdichtereinheit 23 und dieEntspannungseinheit 24 sind durch axial verlaufende Abschnitte des Rohrleitungssystemsmiteinander verbunden, in denen ein Wärmeaustausch mit einem Wärmeaustauschmedium,beispielsweise Wasser, erfolgt. Zu diesem Zweck sind äußere Wärmetauscher 1' bzw. innereWärmetauscher 1" vorgesehen, in denen das in den Verdichtungsrohren 25 verdichtete Ar¬beitsmedium Wärme an ein Wärmeaustauschmedium einer ersten Temperatur abgibt bzw. dasin den Entspannungsrohren 26 entspannte Arbeitsmedium Wärme vom Wärmeaustauschmedi¬um einer zweiten Temperatur aufnimmt. Demnach wird die auf das Arbeitsmedium wirkendeZentrifugalbeschleunigung dazu ausgenützt, um verschiedene Druckniveaus bzw. Tempera¬turniveaus zu erzeugen. Dem verdichteten Arbeitsmedium wird Wärme hoher Temperatur ent¬zogen, und dem entspannten Arbeitsmedium wird Wärme vergleichsweise niedriger Temperaturzugeführt.

[0053] Die Wärmetauscher T bzw. 1" sind über Leitungen 27, 28 bzw. 29 miteinander flüssig¬keitsleitend verbunden. Das Wärmeaustauschmedium wird dem Rohrleitungssystem über einenZulauf 31 eines statischen Verteilers 32 zugeführt; über einen mitdrehenden Verteiler 33 wirddas Wärmeaustauschmedium sodann über die Leitung 27 dem Wärmetauscher T zugeführt, inwelchem es erwärmt durch die Leitung 28 in den mitdrehenden Verteiler 33 rückgeführt wird.Über den statischen Verteiler 32 bzw. einen Ablauf wird das erwärmte Wärmeübertragungsme¬dium sodann einem Wärmekreislauf zugeführt.

[0054] Das kalte Wärmeaustauschmedium des Wärmetauschers 1" wird über einen Zulauf 34eines statischen Verteilers 35 geleitet, mit einem weiteren mitdrehenden Verteiler 36 in diemitdrehende Leitung 29 zum Niederdruck-Wärmetauscher 1" gefördert, wo Wärme an dasgasförmige Arbeitsmedium abgegeben wird. Anschließend wird das Wärmeaustauschmediumüber den mitdrehenden Verteiler 36 dem statischen Verteiler 35 zugeführt, und verlässt ab¬schließend über einen Ablauf die Vorrichtung 20.

[0055] Zur Erzielung eines zweckmäßigen Wärmeübergangs sind die Wärmetauscher 1' bzw.1" durch die anhand der Fig. 1 bis 6 erläuterten Wärmetauscher 1 gegeben, wobei als zweitesWärmeaustauschmedium das Arbeitsmedium, als erstes Wärmeaustauschmedium das Wär¬meaustauschmedium vorgesehen ist. Bei der gezeigten Ausführung strömen das Arbeitsmedi¬um und das Wärmeaustauschmedium im Gegenstrom in den Wärmetauschkanälen 15 bzw. 17,wobei in den Wärmetauschern T, 1" für eine geeignete Rückführung des Wärmeaustauschme¬diums zu sorgen ist.

[0056] Fig. 9 zeigt einen Längsschnitt durch eine alternative Ausführung der Vorrichtung 20 imBereich des Wärmetauschers 1, wobei die Strömung 20' des Arbeitsmediums und die Strömung20" des Wärmeaustauschmediums schematisch dargestellt ist. Fig. 10 zeigt einen vergrößertenAusschnitt des Wärmetauschers 1. Demnach weist der Wärmetauscher 1 in einem zentralenHohlraum 37 des Innenrohrs 4 eine Zugstange 38 auf. An den aus dem Innenrohr 4 vorstehen¬den Enden der Zugstange 38 sind Kopfteile 38' befestigt, welche die Stirnseiten des Wärmetau¬schers 1 abdecken.

[0057] Wie aus Fig. 9 weiters ersichtlich, weist die Vorrichtung 20 weiters eine Zuleitung 39 fürdas Arbeitsmedium auf. Die Zuleitung 39 ist mit einem ringförmigen Spalt 40 verbunden, inwelchem die lineare Strömung in der Zuleitung 39 in eine kreisförmige Strömung des Arbeits¬mediums um die Längsachse des Wärmetauschers 1 umgewandelt wird (vgl. Fig. 11). Derringförmige Spalt 40 ist in der gezeigten Ausführung zwischen der Mantelfläche des aus demInnenrohr 4 vorstehenden Endes der Zugstange 38 und einer Innenwandung des Kopfteils 38’gebildet. Darüber hinaus weist der Wärmetauscher 1 in Strömungsrichtung nach dem ringförmi¬gen Spalt 40 einen ebenfalls ringförmigen Raum 41 auf, in welchem der Übergang von derkreisförmigen Strömung in die radiale Strömung in den inneren Wärmetauschkanälen 17 statt¬findet.

[0058] Wie aus Fig. 12 ersichtlich, weist das Wärmeübertragungs-Rohr 6 zwischen Stirnflächen42 der äußeren Lamellen 10 Eintrittsöffnungen 43 für das Wärmeaustauschmedium auf. DieEintrittsöffnungen 43 sind mit einer Zuführung 44 für das Wärmeaustauschmedium verbunden.

In der gezeigten Ausführung sind die Stirnflächen 42 der äußeren Lamellen 10 in Strömungs¬richtung gesehen nach vorne geneigt. Der optimale Winkel zwischen den Stirnflächen 42 deräußeren Lamellen 10 und der Längsachse des Wärmeübertragungs- Rohrs 6 wird bevorzugt inAbhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit ausgewählt. Bei Strömungsgeschwindigkeitenvon kleiner 2 Meter pro Sekunde (m/s) sind steilere Winkel von größer 45° möglich. Bei Ge¬schwindigkeiten größer 2 m/s sind flachere Winkel von Vorteil. Generell sind aufgrund deslimitierenden Platzbedarfs flache Winkel, insbesondere ein Winkel von 45°, zu bevorzugen.

[0059] Wie aus Fig. 9, 10, vgl. insbesondere auch Fig. 13, 14, ersichtlich, weist der Wärmetau¬scher 1 zwischen den Eintrittsöffnungen 43 der äußeren Wärmetauschkanäle 15 und der Zufüh¬rung 44 für das Wärmeaustauschmedium eine Verteilereinrichtung 45 zur Aufteilung der Strö¬mung des Wärmeaustauschmediums in der Zuführung 44 in mehrere Teilströme in Umfangs-richtung des Wärmeübertragungs- Rohrs 6 auf. Die Verteilereinrichtung 45 weist mehrere hin¬tereinander durchströmbare Stufen aus kreisbogenförmigen Verteilerelementen 46 auf. DieVerteilerelemente 46 weisen jeweils zwei Durchtrittsöffnungen 47 zum Durchtritt des Wär¬meaustauschmediums in die Verteilerelemente 46 der nächsten Stufe auf, so dass die Verteile¬relemente 46 derselben Stufe parallel bzw. gleichmäßig durchströmt werden. In der gezeigtenAusführung ist jede Durchtrittsöffnung 47 mit genau einem Verteilerelement 46 verbunden,welches im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Durchtrittsöffnung 47 angeordnet ist. DieDurchtrittsöffnungen 47 sind hierbei an gegenüberliegenden Enden der kreisbogenförmigenVerteilerelemente 46 angeordnet.

[0060] Wie aus Fig. 13, 14 weiters ersichtlich, nimmt die Länge der Verteilerelemente 46 vonStufe zu Stufe, in Strömungsrichtung gesehen, ab. Fig. 14a bis Fig. 14f zeigen Schnitte durchdie einzelnen Stufen der Verteilereinrichtung 45, wobei Fig. 14a die Eintrittsseite der Verteiler¬einrichtung 45 und Fig. 14f die Austrittsseite der Verteilereinrichtung 45 zeigt. In der gezeigtenAusführung ist das in Strömungsrichtung gesehen erste Verteilerelement 46 halbkreisförmig,wobei die Verteilerelemente 46 der nachfolgenden Stufen durch entsprechend kürzere Bogen¬elemente gebildet sind. Die austrittsseitigen Verteilerelemente 46 der Verteilereinrichtung 45sind derart angeordnet, dass eine kreisringförmige Austrittsfläche 48 gebildet wird, welche imWesentlichen in gleichen Winkelabständen Austrittsöffnungen 49 aufweist. Die Austrittsöffnun¬gen 49 sind in Strömungsrichtung unmittelbar vor den Eintrittsöffnungen 43 der äußeren Wär¬metauschkanäle 15 angeordnet. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Verteilerelemente46 legt das Wärmeaustauschmedium im Wesentlichen gleiche Strömungswege zwischen derZuführung 44 und den Austrittsöffnungen 49 der Verteilereinrichtung 45 zurück. Aus Fig. 14sind zudem Befestigungsmittel 50 ersichtlich, mit welchen die Verteilerelemente 46 in einerdefinierten Stellung zueinander gehalten sind.

[0061] Fig. 15 zeigt einen Teil der Vorrichtung 20, wobei einer der in Bezug auf die Drehachseinneren Wärmetauscher 1" und einer der in Bezug auf die Drehachse äußeren Wärmetauscher1' ersichtlich sind. Die Längsachsen der Wärmetauscher T, 1" sind im Wesentlichen parallel zurDrehachse des Rotors 21 angeordnet.

[0062] Wie aus Fig. 15 weiters ersichtlich, weist der Rotor 21 einen gemeinsamen Stützkörper51 zur Halterung der inneren Wärmetauscher 1" und der äußeren Wärmetauscher T auf. Ge¬mäß Fig. 15 weist der Stützkörper 51 mehrere im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse ange¬ordnete, in Richtung der Drehachse beabstandete Plattenelemente 52 auf (vgl. auch Fig. 16),welche Ausnehmungen zum Durchtritt der Wärmetauscher T, 1" aufweisen. Die Wärmetau¬scher 1', 1" sind hierbei mit Stützrohren 53 ummantelt, welche Abstufungen 54 zur Lagerungder Plattenelemente 52 aufweisen.

[0063] Wie aus Fig. 15 weiters ersichtlich, weisen die äußeren Wärmetauscher T zwischen denAußenrohren 3 und dem Stützkörper 51 jeweils ein Isolationselement 55 aus einem thermischisolierenden Material auf. Demgegenüber bleiben die inneren Wärmetauscher 1" von solchenIsolationselementen frei, so dass der Stützkörper 51 im Betrieb im Wesentlichen die Temperaturder inneren Wärmetauscher 1" annimmt.

[0064] Fig. 17 zeigt eine alternative Ausführung des Stützkörpers 51, welcher gemäß Fig. 17 als bezüglich der Drehachse rotationssymmetrischer Profilkörper 56 ausgebildet ist. Der Profil¬körper 56 weist ein Innenelement 57 mit mehreren inneren Aussparungen 58 zur Aufnahme derinneren Wärmetauscher 1" und mehrere Außenelemente 59 mit äußeren Aussparungen 60 zurAufnahme der äußeren Wärmetauscher 1' auf. Gemäß Fig. 17 sind als Außenelemente 59 inUmfangsrichtung geschlossene, zylindrische Aufnahmen 59' vorgesehen, welche die äußerenAussparungen 60 einschließen.

[0065] Wie aus Fig. 17, 18 ersichtlich, ist das Innenelement 57 mit jedem Außenelement 59über genau zwei in radialer Richtung verlaufende Verbindungsstege 61 verbunden. Der Ab¬stand zwischen den Verbindungsstegen 61 nimmt vorteilhafterweise radial nach außen zu (vgl.Fig. 18). Die Wandstärke der Verbindungsstege nimmt vorteilhafterweise in radialer Richtungab. In der Ausführung gemäß Fig. 18 sind die Außenelemente 59 über Schweißverbindungen62 mit den Verbindungsstegen 61 verbunden. Darüber hinaus sind Schweißverbindungen 62zwischen den Verbindungsstegen 61 und dem Innenelement 57 vorgesehen. Anstelle derSchweißverbindungen 62 kann auch eine formschlüssige Verbindung, beispielsweise eineHammerkopf- oder Schwalbenschwanz-Verbindung, vorgesehen sein.

[0066] Fig. 19 zeigt eine alternative Ausführung des Stützkörpers 51, wobei die Außenelemente59 in Richtung des Innenelements 57 offene äußere Aussparungen 60 aufweist.

[0067] Fig. 20 zeigt eine weitere Ausführung des Stützkörpers 51, welcher gemäß Fig. 20 einean der Außenseite der Außenelemente 59 befestigte, zylindrische Einfassung 63 aufweist.

Claims (8)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung (20) zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermischeEnergie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem dreh¬bar um eine Drehachse (22) gelagerten Rotor (21), in dem ein Strömungskanal für ein ei¬nen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium vorgesehen ist, das in ei¬ner Verdichtereinheit (23) zur Druckerhöhung mit Bezug auf die Drehachse im Wesentli¬chen radial nach außen strömt und in einer Entspannungseinheit (24) zur Druckverringe¬rung mit Bezug auf die Drehachse (22) im Wesentlichen radial nach innen strömt, wobeizumindest ein in Bezug auf die Drehachse innerer Wärmetauscher (1") und zumindest einin Bezug auf die Drehachse äußerer Wärmetauscher (1') für einen Wärmeaustausch zwi¬schen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgesehen sind, wobeidie Wärmetauscher (1', 1") bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors (21) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (21) einen den inneren(1") und/oder äußeren Wärmetauscher (1') über dessen Längserstreckung abstützendenStützkörper (51) zur Halterung des inneren (1") und/oder äußeren Wärmetauschers (T)aufweist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine äußereWärmetauscher (1') zwischen dem Außenrohr (3) und dem Stützkörper (51) ein Isolations¬element (55) aus einem thermisch isolierenden Material aufweist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (51)mehrere im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse angeordnete, in Richtung der Dreh¬achse beabstandete Plattenelemente (52) aufweist, welche Ausnehmungen zur Lagerungder Wärmetauscher aufweisen.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Stütz¬körper (51) ein in Richtung der Drehachse erstreckter Profilkörper (56) vorgesehen ist, wel¬cher ein Innenelement (57) mit zumindest einer inneren Aussparung (58) für den zumindesteinen inneren Wärmetauscher (1") und zumindest ein Außenelement (59) mit zumindesteiner äußeren Aussparung (60) für den zumindest einen äußeren Wärmetauscher (T) auf¬weist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenelement (57) unddas Außenelement (59) über im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Verbin¬dungsstege (61) miteinander verbunden sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Außenele¬mente (59) vorgesehen sind, wobei bevorzugt genau zwei Verbindungsstege (61) zwischendem Innenelement (57) und jedem Außenelement (59) vorgesehen sind.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zu¬mindest eine Außenelement (59) des Stützkörpers (51) als zylindrische Aufnahme (59’) fürden äußeren Wärmetauscher (T) ausgebildet ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stütz¬körper (51) eine die Außenelemente (59) umgebende, zylindrische Einfassung (63) auf¬weist. Hierzu 13 Blatt Zeichnungen