AT524673B1 - Vorrichtung zur Übertragung von Wärme eines gasförmigen Arbeitsmediums - Google Patents

Vorrichtung zur Übertragung von Wärme eines gasförmigen Arbeitsmediums Download PDF

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AT524673B1 ATA50146/2021A AT501462021A AT524673B1 AT 524673 B1 AT524673 B1 AT 524673B1 AT 501462021 A AT501462021 A AT 501462021A AT 524673 B1 AT524673 B1 AT 524673B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Übertragung von Wärme eines gasförmigen Arbeitsmediums (M2) auf ein Wärmetauschermedium (M3) durch Komprimierung des gasförmigen Arbeitsmediums (M2), wobei die Vorrichtung (1) Folgendes umfasst: Eine Arbeitsleitung (AL), wobei das von der Arbeitsleitung (AL) umschlossene Volumen (V) in zumindest zwei Abschnitte, nämlich einen ersten (AL-V1) und einen zweiten Abschnitt (ALV2), aufgeteilt ist, wobei der erste Abschnitt (AL-V1) zur Aufnahme eines Druckübertragungsmediums (M1) und der zweite Abschnitt (AL-V2) zur Aufnahme und Abgabe des gasförmigen Arbeitsmediums (M2) eingerichtet ist, wobei zur Aufnahme und Abgabe des gasförmigen Arbeitsmediums (M2) zumindest ein Einlass- und Auslassventil (2) vorgesehen ist, wobei ein durch den ersten Abschnitt (AL-V1) begrenztes erstes Volumen von einem durch den zweiten Abschnitt (AL-V2) begrenztem zweiten Volumen durch eine in der Arbeitsleitung (AL) verschiebbare erste Trennschicht (T12) getrennt ist, wobei die erste Trennschicht (T12) dergestalt angeordnet ist, dass Druckdifferenzen zwischen dem ersten (AL-V1) und zweiten Abschnitt (AL-V2) der Arbeitsleitung (AL) durch eine Verschiebung der ersten Trennschicht (T12) in der Arbeitsleitung (AL) und eine damit einhergehende Änderung des Größenverhältnisses zwischen dem ersten Volumen dem zweiten Volumen ausgeglichen werden, und eine Wärmetauscherleitung (WL) zur Aufnahme des Wärmetauschermediums (M3), wobei die Wärmetauscherleitung (WL) zum Herbeiführen eines Druckausgleiches mit dem ersten Abschnitt (AL-V1) der Arbeitsleitung (AL) gekoppelt ist.

Description

VORRICHTUNG ZUR ÜBERTRAGUNG VON WÄRME EINES GASFÖRMIGEN ARBEITSMEDIUMS
Die Erfindung, betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme eines gasförmigen Arbeitsmediums auf ein Wärmetauschermedium durch Komprimierung des gasförmigen Arbeitsmediums, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: Eine Arbeitsleitung, wobei das von der Arbeitsleitung umschlossene Volumen in zumindest zwei Abschnitte, nämlich einen ersten und einen zweiten Abschnitt, aufgeteilt ist, wobei der erste Abschnitt zur Aufnahme eines Druckübertragungsmediums und der zweite Abschnitt zur Aufnahme und Abgabe des gasförmigen Arbeitsmediums eingerichtet ist, wobei zur Aufnahme und Abgabe des gasförmigen Arbeitsmediums zumindest ein Einlass- und Auslassventil vorgesehen ist, wobei ein durch den ersten Abschnitt begrenztes erstes Volumen von einem durch den zweiten Abschnitt begrenztem zweiten Volumen durch eine in der Arbeitsleitung verschiebbare erste Trennschicht getrennt ist, wobei die erste Trennschicht dergestalt angeordnet ist, dass Druckdifferenzen zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Arbeitsleitung durch eine Verschiebung der ersten Trennschicht in der Arbeitsleitung und eine damit einhergehende Änderung des Größenverhältnisses zwischen dem ersten Volumen dem zweiten Volumen ausgeglichen werden, und eine Wärmetauscherleitung zur Aufnahme des
Wärmetauschermediums.
Aus dem Stand der Technik sind zum Beispiel Wärmepumpen bekannt geworden, die dazu eingerichtet sind, gegebenenfalls vorgewärmte Frischluft in einen Innenraum, beispielsweise eines Gebäudes oder einer Fahrzeugkabine eines Fahrzeuges, zuzuführen. Dabei wird mithilfe von Kompression eines Arbeitsmediums Wärme an ein Wärmetauschermedium übertragen, wobei der Wirkungsgrad einer solchen Wärmepumpe stark von der Vorlauftemperatur des Arbeitsmediums sowie von den eingesetzten Drücken abhängig ist. Bei herkömmlichen Wärmepumpen, wie sie in der Haustechnik eingesetzt werden, können beispielsweise Drücke von einigen wenigen Bar vorherrschen. Grundsätzlich erlaubt der Einsatz eines höheren Arbeitsdruck einen höheren Wirkungsgrad. Allerdings führen höhere Drücke auch zu höheren Anforderungen hinsichtlich der eingesetzten Materialien sowie der dabei einzusetzenden Konstruktion. Um bei niedrigen Drücken dennoch einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, war es daher bisher üblich, das Arbeitsmedium, insbesondere in Form von
Außenluft, vorzuerwärmen, was beispielsweise durch Nutzung von Erdwärme erfolgen kann.
Damit sind allerdings beträchtliche Kosten verbunden zur. Zudem haben solche Mafsnahmen
auch einen entsprechend großen Platzbedarf.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme zu schaffen, die die eingangs genannten Nachteile überwindet und damit eine
kompakte Bauweise bei hoher Effizienz ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, indem erfindungsgemäß die Wärmetauscherleitung zum Herbeiführen eines Druckausgleiches mit dem ersten Abschnitt der Arbeitsleitung gekoppelt ist, indem die Wärmetauscherleitung mit dem ersten Abschnitt der Arbeitsleitung verbunden ist und zwischen diesen Leitungen eine zweite Trennschicht zur Trennung der Leitungen zueinander vorgesehen ist, wobei die zweite Trennschicht dergestalt ausgebildet und angeordnet ist, dass ein kontinuierlicher Druckausgleich zwischen der Wärmetauscherleitung und dem ersten Abschnitt der Arbeitsleitung gegeben ist, wobei der zweite Abschnitt der Arbeitsleitung einen Wärmeabgabeabschnitt aufweist, der von einem zweiteiligen Wärmeaufnahmeabschnitt der Wärmetauscherleitung aufßen- und innenseitig umschlossen ist, indem die Arbeitsleitung eine Innenwand und eine die Innenwand ummantelnde Außenwand aufweist, und zwischen der Innenwand und der Außenwand ein Arbeitsmediumspalt zur Führung des Arbeitsmediums ausgebildet ist, wobei die Innenwand einen Kanal umschließt, durch den ein erster Teil der Wärmetauscherleitung im Wärmeaufnahmeabschnitt ausbildet, und die Wärmetauscherleitung im Wärmeaufnahmeabschnitt zudem eine die Außenwand der Arbeitsleitung umhüllende Mantelwand aufweist, durch die ein zweiter Teil der Wärmetauscherleitung im Wärmeaufnahmeabschnitt ausgebildet und begrenzt ist, wobei zwischen der Außenwand der Arbeitsleitung und der Mantelwand der Wärmetauscherleitung ein mit dem Kanal parallel geschalteter Wärmetauschermediumspalt ausgebildet ist, sodass ein im Wärmeaufnahmeabschnitt der Wärmetauscherleitung geführtes Wärmetauschermedium die Arbeitsleitung außenseitig über den
Wärmetauschermediumspalt und innenseitig über den Kanal umströmen kann.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung ist es möglich, einen sehr breiten Arbeitsbereich hinsichtlich der in der Vorrichtung vorherrschen Drücke zu ermöglichen. Da
die Arbeitsleitung im Wärmeabgabeabschnitt beidseitig von dem Wärmetauschermedium
umströmt werden kann, kann eine besonders effiziente Wärmeübertragung auf das
Wärmetauschermedium erfolgen.
Ein weiterer besonderer Vorteil besteht darin, dass durch die Druckkoppelung zwischen Druckübertragung, Wärmetauschermedium und Arbeitsmedium ein Druckgleichgewicht hergestellt werden kann, das ermöglicht, die Wände der Arbeitsleitung im Bereich des Wärmeabgabeabschnittes deutlich dünner auszugestalten, als sie ausgestaltet werden müssten, wenn kein entsprechender Druckausgleich gegeben wäre. Die Wände müssen tatsächlich lediglich so ausgestaltet sein, dass sie eine entsprechende Führung der ersten Trennschicht ermöglichen und mechanische Stabilität der Leitungen gewährleisten, da Innenund Außenseitig der Wände der Arbeitsleitung ein weitgehend gleicher Druck herrscht. Das bedeutet, dass die Wände zum Beispiel über 50 % dünner ausgeführt werden können, als dies ohne dementsprechend Druckausgleich möglich wäre. Dadurch kann die Effizienz der Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmetauschermedium zusätzlich erhöht werden. In absoluten Zahlen ausgedrückt könnte im Wärmeabgabe- bzw. Aufnahmeabschnitt die Wandstärken mit Ausnahme der Wandstärke der außenliegenden Mantelwand der Wärmetauscherleitung eine Dicke von z.B. zwischen 1 mm und 4 mm,
insbesondere weniger als 10 mm aufweisen.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, die beispielsweise in Form einer Wärmepumpe für ein Gebäude oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, eingesetzt werden kann,
können COP-Werte im Bereich von 5 bis 8 erzielt werden.
Das zumindest eine Ein- und Auslassventil muss nicht einstückig ausgebildet sein. Natürlich können ein gesondertes Einlassventil und ein gesondertes Auslassventil vorgesehen sein. Auch können mehrere Ventile vorgesehen sein. Der Ausdruck „Druck einer Leitung“ bezieht sich natürlich auf den Druck, der in dem in der Leitung aufgenommenen Medium vorherrscht, d.h. ein Ausgleich von Druck zwischen zwei Leitungen bedeutet, dass ein Druckausgleich
zwischen den in den Leitungen aufgenommen Medien erfolgt.
Der Druckausgleich erfolgt vorzugsweise so, dass in radialer Richtung der Leitungen im Wesentlichen keine Zug- oder Druckspannungen auftreten. Damit können die Wände, die
zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmetauschermedium im Wärmeabgabeschnitt
vorhanden sind, äußerst dünnwandig ausgebildet werden, wodurch ein besserer
Wärmeübergang ermöglicht wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei beispielsweise so funktionieren, dass über das Druckübertragungsmedium zyklische Druckänderungen auf die beiden Trennschichten übertragen werden, wobei eine Druckerhöhung zumindest zu einer Verschiebung er ersten Trennschicht führt, sodass das im ersten Abschnitt aufgenommene Arbeitsmedium komprimiert und damit erwärmt wird. Das erwärmte Arbeitsmedium überträgt die Wärme dabei an das Wärmetauschermedium. Der Druck wird so lange erhöht, bis die erste Trennschicht eine Endstellung erreicht hat und nach ausreichender Wärmeübertragung das Auslassventil zur Freigabe des Arbeitsmediums geöffnet wird. Danach wird der Druck des Druckübertragungsmediums abgesenkt, sodass die erste Trennschicht wieder zurückwandert und frisches Arbeitsmedium über ein nun zu öffnendes Einlassventil in den zweiten Abschnitt
eingesaugt wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmetauschermedium zumindest teilweise gasförmig ist. Dabei kann es sich z.B. um erhitzten Wasserdampf handeln, auch sind
Mischformen von gasförmigen und flüssigen Zuständen denkbar.
Weiters kann vorgesehen sein, dass das Wärmetauschermedium ein flüssiges Medium, insbesondere Wasser, ist. Die Zustandsangaben beziehen sich immer auf die thermischen Zustände während des Nennbetriebes der erfindungsgemäßen Vorrichtung und beziehen sich
auf den Nennwert des im Medium vorherrschenden Druck- und Temperaturbereichs.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Druckübertragungsmedium im ersten Abschnitt
der Arbeitsleitung ein Öl ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die entsprechenden Medien natürlich enthalten
bzw. auch schon bei deiner Auslieferung entsprechend befüllt sein.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die erste Trennschicht unmittelbar durch die aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Druckübertragungsmediums in Bezug auf das
gasförmige Arbeitsmedium ausgebildete Grenzfläche ausgebildet ist.
Die erwähnten Trennschichten, also die erste und die zweite Trennschicht, können jeweils einfach durch die Grenzschicht, die zwei nicht durchmischbare Medien zueinander ausbilden, gegeben sein. So können Trennschichten z.B. durch den Übergang zwischen Öl und Luft oder Öl und Wasser ausgebildet werden. Dabei können die Leitungen in den Übergangsbereichen so orientiert sein, dass aufgrund der unterschiedlichen Dichte der eingesetzten Medien eine Grenzfläche ausgebildet wird, die quer, insbesondere normal, zum jeweiligen Leitungsquerschnitt verläuft und damit die Medien auf kurzen Wege zueinander abgrenzt. So könnten die Leitungen im Übergangsbereich der Medien beispielsweise senkrecht orientiert sein und auf diese Weise z.B. eine Grenze zwischen einem Öl (als Druckübertragungsmedium) und Luft (als Arbeitsmedium) geschaffen werden, indem sich das Öl aufgrund seiner höheren
Dichte in den unteren Bereich des senkrechten Leitungsabschnitts sammelt.
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die erste Trennschicht durch ein hierzu vorgesehenes erstes Trennmittel ausgebildet ist, das vorzugsweise als räumlich verschiebbares erstes Dichtelement ausgebildet ist. Ein solches Dichtelement kann
beispielsweise als O-Ring oder als Lippendichtung realisiert sein.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Wärmetauscherleitung im Bereich des
Wärmeaufnahmeabschnitts symmetrisch um eine Längsachse ausgebildet ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Arbeitsleitung im Wärmeabgabeabschnitt als konzentrisches Doppelrohr ausgebildet ist, das koaxial zu der Längsachse der Wärmetauscherleitung im Bereich des Wärmeaufnahmeabschnitts ausgebildet ist, wobei der Arbeitsmediumspalt zwischen der Innenwand und der Außenwand des Doppelrohres ausgebildet und durch diese begrenzt ist, wobei die Mantelwand der Wärmetauscherleitung das Doppelrohr umschließt und der Kanal von der Innenwand des Doppelrohres umschlossen
ist.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Innenwand und die Außenwand im Querschnitt einen mehrzahnigen Stern ausbilden, der insbesondere achs- oder punktsymmetrisch ausgebildet ist, wobei der durch die Außenwand ausgebildete Stern vorzugsweise eine Vergrößerung des durch die Innenwand ausgebildeten Sterns ist. Durch die Ausbildung als Stern wird die Oberfläche der jeweiligen Wand deutlich erhöht, wodurch der Wärmeaustausch zwischen
dem Arbeitsmedium und dem Wärmetauschermedium verbessert wird. Normalerweise ist
der Einsatz von solchen Strukturen in Systemen, die unter hohen Druck stehen, aufgrund auftretender Biegespannungen in den jeweiligen Spitzen äußerst schwierig. Vorliegend erlaubt aber der Druckausgleich zwischen den Medien den Einsatz komplexer Geometrien mit geringen Wandstärken trotz hoher Umgebungsdrücke. Die Vergrößerung erfolgt dabei vorzugsweise so, dass der äußere Stern die gleiche geometrische Form wie der innenliegende Stern aufweist und lediglich eine proportionale Vergrößerung des innenliegenden Sterns darstellt. Bei proportionaler Verkleinerung des äußeren Sterns könnte dieser also in
deckungsgleiche Übereinstimmung zum inneren Stern gebracht werden.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Arbeitsleitung in einem Bereich des Wärmeabgabeabschnittes dergestalt ausgebildet ist, dass sich der Arbeitsmediumspalt hin zu dem zumindest einen Einlass- und Auslassventil verjüngt. Dabei kann sich die Spaltbreite von um zumindest 20%, vorzugsweise 30%, insbesondere 50%, oder 80% gegenüber dem nichtverjüngten Bereich der Arbeitsleitung verjüngen. Auf diese Weise kann der
Wärmeübergang zusätzlich verbessert werden.
Weiters kann vorgesehen sein, dass sich die Arbeitsleitung zumindest innerhalb des
Wärmeabgabeabschnittes auf parallel geschaltete Zweige verteilt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung für einen Arbeitsnenndruck zwischen 6 Bar und 1000 Bar, vorzugsweise zwischen 50 Bar und 100 Bar, ausgelegt ist, indem die Arbeitsleitung und die Wärmetauscherleitung als auch das zumindest eine Ein- und Auslassventil dazu ausgelegt sind, dem Arbeitsnenndruck standzuhalten. Drücke von 1000 Bar können für Wasserstoffanwendungen sinnvoll sein. Sofern die erfindungsgemäße Vorrichtung als Wärmepumpe eingesetzt werden soll, würden sich Arbeitsdrücke von beispielsweise zumindest 10Bar (d.h. Drücke im Übertragungsmedium bzw. ersten Abschnitt, die dann auf die verbleibenden Medien übertragen werden), wobei für diese Erfindung vorzugweise 50 Bar bis 100 Bar besonders sinnvoll erscheinen. Je höher der Druck gewählt
wird, desto besser wird der Wirkungsgrad der Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in unterschiedlichsten Größen dimensioniert werden. So kann für Kleinanlagen ein Gewicht in der Größenordnung von 10kg bei Abmessungen von weniger als 30cm vorgesehen sein, wodurch die Vorrichtung z.B. für
Fahrzeuge besonders gut eingesetzt werden kann. Es ist aber auch der Einsatz für
Grofßanlagen denkbar, sodass das Gewicht der Vorrichtung mehrere Tonnen und die Bauhöhe etwa 3 m betragen könnte. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist hinsichtlich ihrer Leistung
ausgezeichnet skalierbar.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung weiters eine Pumpe zur Übertragung von Druck auf ein im ersten Abschnitt der Arbeitsleitung enthaltenes Druckübertragungsmedium aufweist, wobei die Pumpe vorzugsweise als Kreiskolbenpumpe, Kolbenpumpe,
Zahnradpumpe oder als Flügelzellenpumpe ausgeführt ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung weiters einen Wärmetauscher aufweist, wobei die Wärmetauscherleitung mit dem Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme
verbunden ist.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die zweite Trennschicht durch ein hierzu vorgesehenes zweites Trennmittel ausgebildet ist, das vorzugsweise als räumlich verschiebbares zweites Dichtelement ausgebildet ist, das als eine an seinen Rändern fest montierte elastische Membran oder in seiner Gesamtheit räumlich verschiebbar ausbildet ist. Das zweite
Dichtelement kann dabei beispielsweise als O-Ring oder als Lippendichtung ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Konstruktion zur annähernd isothermen Komprimierung von Gasen mit Hilfe von Kolbenkompressoren. Dabei kann die für einen Wärmeaustausch aufgewendete Energie beim Komprimieren von Gasen verringert und dadurch der Wirkungsgrad erhöht werden. Beim Verdichten von Gasen werden grundsätzlich
zwei Widerstände überwunden:
1. Widerstand durch das Verkleinern des Volumens
2. Durch das Verkleinern des Volumens wird die Temperatur laufend erhöht und damit der
Widerstand zur weiteren Kompression vergrößert.
Gelingt es, die Wärmeenergie während der Kompression laufend abzuführen (d.h. es wird eine möglichst konstante Temperatur gehalten), bedeutet das eine beachtliche Verringerung
des Energieaufwandes. Bei dieser Konstruktion bzw. erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
eine annähernd kontinuierliche Abfuhr der Wärmeenergie während des
Kompressionsvorganges auf Kolbenbasis erreicht werden.
Im Übrigen sei erwähnt, dass das komprimierte und gekühlte Arbeitsmedium bei der Entspannung durch das Auslassventil extrem niedrige Temperaturen erreichen kann. Das abgelassene Arbeitsmedium eignet sich hervorragend für Kühlzwecke jeder Art, sowohl für
Raumklimatisierung als auch für Kühlhäuser und Einsätze in der chemischen Industrie.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand einer beispielhaften und nicht einschränkenden
Ausführungsform näher erläutert, die in den Figuren veranschaulicht ist. Darin zeigt
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäfßen Vorrichtung, und
Figur 2 eine Schnittdarstellung entsprechend der Schnittlinie A-B der Fig. 1.
In den folgenden Figuren bezeichnen - sofern nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale. Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Übertragung von Wärme eines gasförmigen Arbeitsmediums M2 auf ein Wärmetauschermedium M3 durch Komprimierung des gasförmigen Arbeitsmediums M2. Dabei umfasst die Vorrichtung 1 eine Arbeitsleitung AL, wobei das von der Arbeitsleitung AL umschlossene Volumen V in zumindest zwei Abschnitte, nämlich einen ersten AL-V1 und einen zweiten Abschnitt AL-V2, aufgeteilt ist. Der erste Abschnitt AL-V1 ist zur Aufnahme eines Druckübertragungsmediums M1 und der zweite Abschnitt AL-V2 zur Aufnahme und Abgabe des gasförmigen Arbeitsmediums M2 eingerichtet. Zur Aufnahme und Abgabe des gasförmigen Arbeitsmediums M2 ist zumindest ein Einlass- und Auslassventil 2 vorgesehen, wobei ein durch den ersten Abschnitt AL-V1 begrenztes erstes Volumen von einem durch den zweiten Abschnitt AL-V2 begrenztem zweiten Volumen durch eine in der Arbeitsleitung AL
verschiebbare erste Trennschicht T12 getrennt ist.
Die erste Trennschicht T12 ist dergestalt angeordnet, dass Druckdifferenzen zwischen dem
ersten AL-V1 und zweiten Abschnitt AL-V2 der Arbeitsleitung AL durch eine Verschiebung
der ersten Trennschicht T12 in der Arbeitsleitung AL (die Verschiebung ist beispielhaft in Fig. 1 anhand von Pfeilen angedeutet) und eine damit einhergehende Änderung des Größenverhältnisses zwischen dem ersten Volumen dem zweiten Volumen ausgeglichen werden, wobei das Arbeitsmedium M2 dadurch komprimiert und somit erwärmt werden
kann.
Weiters umfasst die Vorrichtung 1 eine Wärmetauscherleitung WL zur Aufnahme des Wärmetauschermediums M3. Dabei ist die Wärmetauscherleitung WL zum Herbeiführen eines Druckausgleiches mit dem ersten Abschnitt AL-V1 der Arbeitsleitung AL gekoppelt, indem die Wärmetauscherleitung WL mit dem ersten Abschnitt AL-V1 der Arbeitsleitung AL verbunden ist und zwischen diesen Leitungen (also der Arbeitsleitung AL und der Wärmetauscherleitung WL) eine zweite Trennschicht T13 zur Trennung der Leitungen
voneinander vorgesehen ist.
Die zweite Trennschicht T13 ist dabei dergestalt ausgebildet und angeordnet, dass ein kontinuierlicher Druckausgleich zwischen der Wärmetauscherleitung WL und dem ersten Abschnitt AL-V1 der Arbeitsleitung AL gegeben ist. Der zweite Abschnitt AL-V2 der Arbeitsleitung AL weist einen Wärmeabgabeabschnitt AL-V2‘ (zur besseren Übersicht ist dieser nur an einer Seite des x-Achs-symmetrischen Aufbaus markiert und mit Bezugszeichen versehen) auf, der von einem zweiteiligen Wärmeaufnahmeabschnitt WL‘ der Wärmetauscherleitung WL außen- und innenseitig umschlossen ist, indem die Arbeitsleitung AL eine Innenwand AL-IW und eine die Innenwand AL-IW ummantelnde Außenwand ALAW aufweist (siehe auch Fig. 2), und zwischen der Innenwand AL-IW und der Außenwand AL-AW ein Arbeitsmediumspalt S-M2 zur Führung des Arbeitsmediums M2 ausgebildet ist. Die Innenwand AL-IW umschliefst einen Kanal K, durch den ein erster Teil der Wärmetauscherleitung WL im Wärmeaufnahmeabschnitt WL‘ ausbildet ist. Zudem weist die Wärmetauscherleitung WL im Wärmeaufnahmeabschnitt WL‘ zudem eine die Außenwand AL-AW der Arbeitsleitung AL umhüllende Mantelwand WL-M auf, durch die ein zweiter Teil der Wärmetauscherleitung WL im Wärmeaufnahmeabschnitt ausgebildet und begrenzt ist. Zwischen der Außenwand AL-AW der Arbeitsleitung AL und der Mantelwand WL-M der Wärmetauscherleitung WL ist ein mit dem Kanal K parallel geschalteter W ärmetauschermediumspalt S-M3 ausgebildet, sodass ein im Wärmeaufnahmeabschnitt WL/
der Wärmetauscherleitung WL geführtes Wärmetauschermedium M3 die Arbeitsleitung AL
10
außenseitig über den Wärmetauschermediumspalt S-M3 und innenseitig über den Kanal K
umströmen kann.
Zudem ist in Fig. 1 eine Pumpe 3 gezeigt, mittels der das Druckübertragungsmedium M1 mit Druck beaufschlagt werden kann. Wird dabei der Druck erhöht, so wird die Trennschicht T12 in Richtung der Ventile 2 bewegt, und im Falle von geschlossenen Ventilen das Arbeitsmedium M2 komprimiert und damit erwärmt. Nach einer vorbestimmbaren Zeitdauer und/oder Komprimierung und erfolgter Wärmeübertragung auf das Wärmetauschermedium M3 wird das Auslassventil 2 geöffnet, der Druck auf das Druckübertragungsmedium M1 abgesenkt, sodass sich die Trennschicht 12 wieder abwärts bewegen kann und über das Einlassventil 2 frisches Arbeitsmedium M2 in den zweiten Abschnitt AL-V2 einströmen kann, das in weitere Folge wieder durch Druckerhöhung komprimiert und erhitzt werden kann. Bei der in Fig. 1 gezeigten Pumpe 3 handelt es sich beispielsweise um eine Hydraulikpumpe, bei
der in einem Behälter 5 aufgenommene Hydraulikflüssigkeit 6 dargestellt ist.
Bei dem Wärmetauschermedium M3 kann es sich z.B. um ein flüssiges Medium, insbesondere um Wasser, handeln. Zudem kann vorgesehen sein, dass das Druckübertragungsmedium M1 im ersten Abschnitt AL-V1 der Arbeitsleitung AL ein Öl ist. Abhängig von den eingesetzten Medien kann die erste Trennschicht T12 unmittelbar durch die aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Druckübertragungsmediums M1 in Bezug auf das gasförmige Arbeitsmedium M2 ausgebildete Grenzfläche ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die erste Trennschicht T12 durch ein hierzu vorgesehenes erstes Trennmittel T12 ausgebildet sein, das vorzugsweise als räumlich verschiebbares erstes Dichtelement ausgebildet ist. Ähnlich dazu kann die zweite Trennschicht T13 durch ein hierzu vorgesehenes zweites Trennmittel ausgebildet sein, das vorzugsweise als räumlich verschiebbares zweites Dichtelement ausgebildet ist, das als eine an seinen Rändern fest montierte elastische Membran oder in seiner Gesamtheit räumlich verschiebbar ausbildet ist. Die erste Trennschicht T12 und/oder die zweite Trennschicht T13 kann auch jeweils durch die Oberfläche eines Trennzylinders ausgebildet sein, der verschiebbar in der Arbeitsleitung AL
gehalten sein kann.
Zudem ist in Fig. 1 in Zusammenschau mit Fig. 2 erkennbar, dass die Wärmetauscherleitung WL im Bereich des Wärmeaufnahmeabschnitt WL‘ symmetrisch um eine Längsachse x
ausgebildet ist. Genauer gesagt kann die Arbeitsleitung AL im Wärmeabgabeabschnitt AL-V2‘
11
als konzentrisches Doppelrohr ausgebildet sein, das koaxial zu der Längsachse x der Wärmetauscherleitung WL im Bereich des Wärmeaufnahmeabschnitt WL‘ ausgebildet ist, wobei der Arbeitsmediumspalt S5-M2 zwischen der Innenwand AL-IW und der Außenwand AL-AW des Doppelrohres ausgebildet und durch diese begrenzt ist, wobei die Mantelwand WL-M der Wärmetauscherleitung WL das Doppelrohr umschließt und der Kanal K von der Innenwand AL-IW des Doppelrohres umschlossen ist (siehe auch Fig. 2). An der Innenwand AL-IW können in den Kanal K abstehende Kühlrippen zur Verbesserung des Wärmeaustausches vorgesehen sein. In Fig. 2 sind zudem weitere Kühlrippen gezeigt, die von der Außenwand AL-AW in den Wärmetauschermediumspalt S-M3 zur Verbesserung des
Wärmeaustausches abstehen.
Anders als in den Figuren dargestellt, können die Innenwand AL-IW und die Außenwand AL-AW im Querschnitt einen mehrzahnigen Stern ausbilden, der insbesondere achs- oder punktsymmetrisch ausgebildet ist, wobei der durch die Außenwand AL-AW ausgebildete Stern vorzugsweise eine Vergrößerung des durch die Innenwand AL-IW ausgebildeten Sterns
ist.
In Fig. 1 ist zudem erkennbar, dass die Arbeitsleitung AL in einem Bereich des Wärmeabgabeabschnittes AL-V2‘ dergestalt ausgebildet ist, dass sich der Arbeitsmediumspalt S5-M2 hin zu dem zumindest einen Einlass- und Auslassventil 2 verjüngt. Dieser Bereich ist mit
dem Bezugszeichen S5-M2v versehen.
Auch kann vorgesehen sein, dass sich die Arbeitsleitung AL zumindest innerhalb des Wärmeabgabeabschnittes WL‘ AL-V2‘ auf parallel geschaltete Zweige verteilt. Unter dem Ausdruck „parallel geschaltet“ wird dabei verstanden, dass sich das parallel geführte Medium
nach der Parallelschaltung wieder vermengen kann.
In Fig. 1 ist zudem ein Wärmetauscher 4 gezeigt, der Bestandteil der Vorrichtung 1 sein kann, wobei die Wärmetauscherleitung WL mit dem Wärmetauscher 4 zur Abgabe von Wärme
verbunden ist.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern durch den gesamten Schutzumfang der Ansprüche definiert. Auch können einzelne Aspekte der
Erfindung bzw. der Ausführungsformen aufgegriffen und miteinander kombiniert werden.
12
Etwaige Bezugszeichen in den Ansprüchen sind beispielhaft und dienen nur der einfacheren
Lesbarkeit der Ansprüche, ohne diese einzuschränken.

Claims (16)

13 PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (1) zur Übertragung von Wärme eines gasförmigen Arbeitsmediums (M2) auf ein Wärmetauschermedium (M3) durch Komprimierung des gasförmigen
Arbeitsmediums (M2), wobei die Vorrichtung (1) Folgendes umfasst:
- eine Arbeitsleitung (AL), wobei das von der Arbeitsleitung (AL) umschlossene Volumen (V) in zumindest zwei Abschnitte, nämlich einen ersten (AL-V1) und einen zweiten Abschnitt (AL-V2), aufgeteilt ist, wobei der erste Abschnitt (AL-V1) zur Aufnahme eines Druckübertragungsmediums (M1) und der zweite Abschnitt (AL-V2) zur Aufnahme und Abgabe des gasförmigen Arbeitsmediums (M2) eingerichtet ist, wobei zur Aufnahme und Abgabe des gasförmigen Arbeitsmediums (M2) zumindest ein Einlass- und Auslassventil (2) vorgesehen ist, wobei ein durch den ersten Abschnitt (AL-V1) begrenztes erstes Volumen von einem durch den zweiten Abschnitt (AL-V2) begrenztem zweiten Volumen durch eine in der Arbeitsleitung (AL) verschiebbare erste Trennschicht (T12) getrennt ist, wobei die Anordnung der ersten Trennschicht (T12) Druckdifferenzen zwischen dem ersten (AL-V1) und zweiten Abschnitt (AL-V2) der Arbeitsleitung (AL) durch eine Verschiebung der ersten Trennschicht (T12) in der Arbeitsleitung (AL) und eine damit einhergehende Änderung des
Gröfßenverhältnisses zwischen dem ersten Volumen dem zweiten Volumen ausgleicht, und
- eine Wärmetauscherleitung (WL) zur Aufnahme des Wärmetauschermediums (M3),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmetauscherleitung (WL) zum Herbeiführen eines Druckausgleiches mit dem ersten Abschnitt (AL-V1) der Arbeitsleitung (AL) gekoppelt ist, indem die Wärmetauscherleitung (WL) mit dem ersten Abschnitt (AL-V1) der Arbeitsleitung (AL) verbunden ist und zwischen diesen Leitungen (WL, AL) eine zweite Trennschicht (T13) zur Trennung der Leitungen (WL, AL) zueinander vorgesehen ist, wobei die Anordnung der zweiten Trennschicht (T13) einen kontinuierlichen Druckausgleich zwischen der Wärmetauscherleitung (WL) und dem ersten
Abschnitt (AL-V1) der Arbeitsleitung (AL) ergibt,
wobei der zweite Abschnitt (AL-V2) der Arbeitsleitung (AL) einen Wärmeabgabeabschnitt
(AL-V2‘) aufweist, der von einem zweiteiligen Wärmeaufnahmeabschnitt (WL“‘) der
14
Wärmetauscherleitung (WL) außen- und innenseitig umschlossen ist, indem die Arbeitsleitung (AL) eine Innenwand (AL-IW) und eine die Innenwand (AL-IW) ummantelnde Außenwand (AL-AW) aufweist, und zwischen der Innenwand (AL-IW) und der Aufenwand (AL-AW) ein Arbeitsmediumspalt (S-M2) zur Führung des Arbeitsmediums (M2) ausgebildet ist, wobei die Innenwand (AL-IW) ein Kanal (K) umschließt, durch den ein erster Teil der Wärmetauscherleitung (WL) im Wärmeaufnahmeabschnitt (WL‘) ausgebildet ist, und die Wärmetauscherleitung (WL) im Wärmeaufnahmeabschnitt (WL‘) zudem eine die Außenwand (AL-AW) der Arbeitsleitung (AL) umhüllende Mantelwand (WL-M) aufweist, durch die ein zweiter Teil der Wärmetauscherleitung (WL) im Wärmeaufnahmeabschnitt (WL‘) ausgebildet und begrenzt ist, wobei zwischen der Außenwand (AL-AW) der Arbeitsleitung (AL) und der Mantelwand (WL-M) der Wärmetauscherleitung (WL) ein mit dem Kanal (K) parallel geschalteter Wärmetauschermediumspalt (S-M3) ausgebildet ist, sodass ein im Wärmeaufnahmeabschnitt (WL‘) der Wärmetauscherleitung (WL) geführtes Wärmetauschermedium (M3) die Arbeitsleitung (AL) außenseitig über den
Wärmetauschermediumspalt (S-M3) und innenseitig über den Kanal (K) umströmt.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Wärmetauschermedium (M3) zumindest
teilweise gasförmig ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Wärmetauschermedium (M3) ein flüssiges
Medium, insbesondere Wasser, ist.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Druckübertragungsmedium (M1) im ersten Abschnitt (AL-V1) der Arbeitsleitung (AL) ein Öl
ist.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die erste Trennschicht (T12) unmittelbar durch die aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Druckübertragungsmediums (M1) in Bezug
auf das gasförmige Arbeitsmedium (M2) ausgebildete Grenzfläche ausgebildet ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Trennschicht (T12) durch ein hierzu vorgesehenes erstes Trennmittel ausgebildet ist, das vorzugsweise als räumlich
verschiebbares erstes Dichtelement ausgebildet ist.
15
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmetauscherleitung (WL) im Bereich des Wärmeaufnahmeabschnitt (WL‘) symmetrisch
um eine Längsachse (x) ausgebildet ist.
8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei die Arbeitsleitung (AL) im Wärmeabgabeabschnitt (AL-V2‘) als konzentrisches Doppelrohr ausgebildet ist, das koaxial zu der Längsachse (x) der Wärmetauscherleitung (WL) im Bereich des Wärmeaufnahmeabschnitt (WL‘) ausgebildet ist, wobei der Arbeitsmediumspalt (S-M2) zwischen der Innenwand (AL-IW) und der Außenwand (AL-AW) des Doppelrohres ausgebildet und durch diese begrenzt ist, wobei die Mantelwand (WL-M) der Wärmetauscherleitung (WL) das Doppelrohr umschließt und der
Kanal (K) von der Innenwand (AL-IW) des Doppelrohres umschlossen ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenwand (AL-IW) und die Außenwand (AL-AW) im Querschnitt einen mehrzahnigen Stern ausbilden, der insbesondere achs- oder punktsymmetrisch ausgebildet ist, wobei der durch die Außenwand (AL-AW) ausgebildete Stern vorzugsweise eine Vergrößerung des durch die Innenwand (AL-
IW) ausgebildeten Sterns ist.
10. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Arbeitsleitung (AL) in einem Bereich des Wärmeabgabeabschnittes (AL-V2‘) dergestalt ausgebildet ist, dass sich der Arbeitsmediumspalt (S-M2) hin zu dem zumindest einen Einlass- und Auslassventil (2)
verjüngt.
11. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Arbeitsleitung (AL) zumindest innerhalb des Wärmeabgabeabschnittes auf parallel geschaltete Zweige
verteilt.
12. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) für einen Arbeitsnenndruck zwischen 6 Bar und 1000 Bar, vorzugsweise zwischen 50 Bar und 100 Bar, ausgelegt ist, indem die Arbeitsleitung (AL) und die Wärmetauscherleitung (WL) als auch das zumindest eine Ein- und Auslassventil (2) dazu ausgelegt sind, dem Arbeitsnenndruck
standzuhalten.
16
13. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) weiters eine Pumpe (3) zur Übertragung von Druck auf ein im ersten Abschnitt (AL-V1) der Arbeitsleitung (AL) enthaltenes Druckübertragungsmedium (M1) aufweist, wobei die Pumpe (3) vorzugsweise als Kreiskolbenpumpe, Kolbenpumpe, Zahnradpumpe oder als
Flügelzellenpumpe ausgeführt ist.
14. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) weiters einen Wärmetauscher (4) aufweist, wobei die Wärmetauscherleitung (WL) mit dem
Wärmetauscher (4) zur Abgabe von Wärme verbunden ist.
15. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Trennschicht (T13) durch ein hierzu vorgesehenes zweites Trennmittel ausgebildet ist, das vorzugsweise als räumlich verschiebbares zweites Dichtelement ausgebildet ist, das als eine an seinen Rändern fest montierte elastische Membran oder in seiner Gesamtheit räumlich
verschiebbar ausbildet ist.
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