CN105934640A - 用于转换热能的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设备(20)，用于借助机械能将低温热能转换为高温热能，反之亦然，它包括一个可绕旋转轴线(22)旋转支承的转子(21)，转子(21)内设有流动通道，用于一种流过闭合循环过程的工质，工质为了增压在压缩装置(23)内相对于旋转轴线向外导引，以及为了降压在膨胀装置(24)内相对于旋转轴线(22)向内导引，其中，设置至少一个相对于旋转轴线在内部的换热器(1″)和至少一个相对于旋转轴线在外部的换热器(1′)，它们用于在工质与热交换介质之间进行热交换，所述换热器(1′、1″)优选地基本上平行于转子(21)的旋转轴线排列，以及，为了固定内部换热器(1″)和/或外部换热器(1′)，所述转子(21)有沿纵向支承内部换热器(1″)和/或外部换热器(1′)的支承体(51)。

Description

用于转换热能的设备

技术领域

本发明涉及一种设备，用于借助机械能将低温热能转换为高温热能，反之亦然，它包括一个可绕旋转轴线旋转支承的转子，在转子内设有流动通道，用于一种流过闭合循环过程的工质，工质为了增压在压缩装置内相对于旋转轴线基本上沿径向向外导引，以及为了降压在膨胀装置内相对于旋转轴线基本上沿径向向内导引，其中，设置至少一个相对于旋转轴线在内部的换热器和至少一个相对于旋转轴线在外部的换热器，它们用于在工质与热交换介质之间进行热交换，所述换热器优选地基本上平行于转子的旋转轴线排列。

背景技术

由现有技术已知旋转式热泵或热力发动机，在其中气态工质在一种闭合的热动力循环过程中运行。

在WO2009/015402A1中介绍了一种热泵或热力发动机，在其中工质在转子的管路系统中流过循环过程，其中包括工作步骤a)压缩工质，b)借助换热器给工质散热，c)工质膨胀，以及d)借助另一个换热器向工质供热。工质增压或降压通过离心加速完成，其中，工质在压缩机内相对于旋转轴线沿径向向外流动，而在膨胀装置内沿径向向内流动。将热量从工质向换热器的热交换介质排放，在管路系统的一个沿轴向或平行于旋转轴线延伸的部分内进行，为这部分配设一种一起旋转的、具有热交换介质的换热器。此设备已经有可能将机械能和低温热能有效转换为高温热能。

实践中对设备稳定性提出了高的要求，由于转子的旋转运动，设备会遭受大的离心力。

在现有技术中，换热器在其端侧的端部区内被夹紧。不利的是，按这种设计的换热器在端部夹紧装置之间的区域内会弯曲，由此影响设备的稳定性。此外由此也不能保证可靠工作。

在WO98/30846A1中公开了一种按此类型用于转换热能的转子设备。US3846302介绍了另一种泥桨热处理设备。最后，US3258197涉及另一种冷却装置。

发明内容

与此相对，本发明的目的在于，创造一种如前言所述那样的用于转换热能的旋转设备，它能可靠地承受设备运行时产生的大的力。

在按本发明的设备中为达到此目的采取的措施是，为了固定内部换热器和/或外部换热器，转子有沿其纵向长度支承内部换热器和/或外部换热器的支承体。

按本发明的设备利用旋转系统的离心加速，以造成不同的压力或温度水平；在这里从压缩的工质提取或供给它高温热量，以及供给膨胀的工质或从那里提取温度较低的热量。根据工质的流动方向，设备按选择作为热泵或发动机运行。在这里使用相对于旋转轴线在内部的换热器以及至少一个相对于旋转轴线在外部的换热器，它们优选地基本上平行于转子的旋转轴线排列。内部换热器规定用于在温度较低时的热交换，而外部换热器规定用于在温度较高时的热交换。优选地，设置多个内部换热器和多个外部换热器，它们分别布置为离旋转轴线有相同的径向距离。按本发明转子有一个支承体，它沿换热器纵向在端侧之间承受运行时出现的径向力支承内部或外部换热器。在本实施形式中转子有一个支承体，它沿换热器纵向在端侧之间承受运行时出现的径向力支承内部或外部换热器。有利地，换热器借助支承体沿换热器长度方向基本上均匀地支承，从而沿换热器只产生小或无关紧要的弯曲。优选地，全部换热器都安装在一个公共的支承体上，支承体作为转子的组成部分设置为可围绕旋转轴线旋转。由此能获得一种特别稳定的结构，用它可以承受在设备运行时产生的力。支承体可以由一个构件或由多个沿换热器纵向间隔的构件组成。

为了在设备运行时将支承体保持为所述至少一个内部换热器的温度，有利的是，所述至少一个外部换热器在外管与支承体之间有用隔热材料制的隔热元件，其中，在内部的换热器没有这种隔热元件。为了保持低的绝对温度，在正常运行时有比内部或近轴线的换热器温度高的外部或远离轴线的换热器，可以通过具有比支承体热导率低得多的尤其管状隔热元件与支承体隔热。所述隔热材料优选地有拉伸强度为至少10Mpa，以避免受载屈服。此外，隔热材料应有与换热器最高温度相对应的温度稳定性。为此，当使用温度最高至120℃时提供普通的聚碳酸酯。在温度更高至约200℃时，可以使用尤其有填充料如石墨纤维或玻璃纤维的聚醚醚酮、尤其有不同填充料的聚酰胺、硬纤维材料或其他热导率低的高温材料。一方面通过支承体与外部换热器隔热，而另一方面在内部换热器旁没有这种隔热元件的情况下，内部换热器的温度基本上对于支承体起决定性作用。由此有利地对支承体不造成或只造成较低的强度损失。尤其在使同铝或铝合金时达到这种效果，因为它们通常约从50℃起便显示强度下降。这种设计的另一个优点在于，在支承体内部形成较小的温度梯度，因为直至围绕远离轴线的换热器的隔热层，基本上形成近轴线的换热器的温度。由此导致支承体内较低的内应力。当然，在温度特别高的情况下也可以考虑，不仅远离轴线的换热器，而且近轴线的换热器，均借助隔热元件与支承体隔热。在这种情况下，可以设计为主动冷却的支承体(例如通过水冷、热辐射或对流)，目的是防止影响支承体的强度。

按优选的实施形式，支承体尤其用铝制成的铸件，在这里优选地使用高强度铝合金，例如AlCu4Ti。基于铝高的热导率，至少在内部换热器旁设置隔热元件是有利的。

作为替代方式，支承体可以由(例如贝茵体)铸铁制成。基于低的热导率，所以对于如此制成的支承体可以取消远离轴线的换热器隔热元件。由于在高温下低的强度下降，这种支承体非常适合在高温下使用。

此外，支承体也可以在使用焊接的情况下用钢制造，这种实施方案在有较高强度特性的同时，尤其带来成本优势。焊接式支承体另一个优点是，几乎不限制尺寸比例。在这里可考虑至少4m的转子直径。这种方案还有一个优点，亦即基于钢低的热导率，可以省去在外部换热器那里的隔热元件。

此外，支承体可以用纤维复合材料制成，这些材料有利地非常轻，而且有高的刚度。

此外，支承体还可以用半成品组合而成，此时可以使用例如铝板与铝管和/或钢板与钢管。在这里可以使用所有能提供板状或管状半成品的材料。这种实施形式的优点在于，基于直接使用半成品所以无需再加工，基本上可以避免在(例如在焊接时那样的)高温下强度损失。

对于承受离心力有利的是，支承体有多个基本上垂直于旋转轴线并沿旋转轴线方向间隔排列的板状元件，它们有用于支承换热器的孔。板件可以有切口或凹槽，以降低支承体的重量和/或改变板件的刚度。这可以有利地用于，在过渡到可能有大重量的边缘区时达到均匀的变形。这些板件优选地等距排列。优选地，板状元件设计为圆盘形。在这种实施形式中，在板之间的换热器基于离心加速度小量弯曲，并产生换热器必须承受附加的弯曲应力。然而这种设计的优点在于，在用半成品制造时可以在原材料中达到高的强度。此外，这种实施形式还有利的是，换热器可以在外侧有支承管，它有沿周向延伸的凹槽用于安装板状元件。由此有利地可以承受剪力。

按一种作为替代的实施形式，作为支承体采用沿旋转轴线方向延伸的成型件，它有具有至少一个内孔的内部元件，内孔用于所述至少一个内部换热器，以及有至少一个具有至少一个外孔的外部元件，外孔用于所述至少一个外部换热器。在配置至少两个外部或两个内部换热器时，这种成型件设计为相对于旋转轴线旋转对称。

对于受力特别有利的是，内部元件和外部元件通过基本上沿径向延伸的连接腹板互相连接。

为了在成型件内降低或均匀分布应力，有利的是设置多个外部元件，其中，优选地在内部元件与每个外部元件之间正好设置两块连接腹板。优选地，连接腹板与外部元件星形地围绕内部元件排列。对于传力有利的是，在连接腹板之间的距离沿径向向外连续增大。作为替换或附加的方式，连接腹板的宽度可以沿径向向外减小。

为了达到特别稳定的结构有利的是，支承体的所述至少一个外部元件设计为外部换热器的圆柱形安装座。作为替换方式，所述安装座可以向内局部敞开。基于非环形地支承远离轴线的换热器，所以在铸造时可以取消每个换热器的型芯。此外可以改善将力传入远离轴线的换热器，由此可以降低基于离心力的应力。

此外在一种优选的实施形式中规定，支承体有一个围绕外部元件的圆柱形框圈。在这里，外部元件固定在圆柱形框圈的内侧。通过圆柱形外套，显著减小在设备旋转工作状态时的摩擦损失。优选地，转子在一个环境压力低于50mbar绝对压力，尤其低于5mbar绝对压力的空间内运行。

附图说明

下面借助附图表示的优选实施例说明本发明，然而本发明不应仅限于这些实施例。其中：

图1表示通过按本发明的转子设备用于传输热能的换热器横截面，其中在内管与外管之间设传热管；

图2表示图1所示换热器的局部放大图；

图3表示按图1或图2的换热器另一个局部放大图，其中尤其可看到传热管的板片；

图4表示用挤压法制造的传热管一种替代性实施形式，此传热管规定设置在按图1至3的换热器内；

图5表示图4所示传热管一种经修改的实施形式，其中板片的表面波纹状弯曲；

图6表示图5所示传热管局部放大图；

图7表示旋转设备局部图，它用于将低温热能转换为高温热能，其中工质在转子内流过闭合的循环过程；

图8表示图7所示设备另一个视图；

图9表示在换热器的区域内通过设备一种替代性实施形式的纵剖面图，其中示意表示工质的流动和热交换介质的流动(在这里对流或逆流)；

图10表示设备在换热器区域内的局部放大图；

图11表示设备在环状间隙区域内的剖视图，环状间隙用于工质在进入换热器前进行环流；

图12表示换热器传热管一种实施形式的透视图，其中外板片的端面沿流动方向看向前倾斜；

图13表示分配器的透视图，借助它将热交换介质的直线流动分成许多环状排列的支流；

图14表示按图13的分配器不同的剖视图；

图15表示设备的一种实施形式，其中为了支承换热器设置一个具有多个板状元件的支承体；

图16表示支承体与其中支承的换热器局部图；

图17表示支承体另一种实施形式的透视图，它有一些基本上平行延伸的连接腹板；

图18表示支承体另一种实施形式的视图，它有沿转子径向延伸并因而向外扩散的连接腹板；

图19表示支承体另一种实施形式的透视图；以及

图20表示支承体另一种实施形式的透视图。

具体实施方式

图1表示换热器1安装在旋转设备20内，设备20用于借助机械能转换热能，反之亦然(参见图7、8)。换热器1有内部纵向元件2和围绕内部纵向元件2的外管3。采用空心内管4作为内部纵向元件2。外管3和内管4相对于纵向延伸的中心轴线5同轴排列。在内管4与外管3之间设置传热管6，它同轴于外管3或内管4沿换热器1纵向延伸。传热管6有壁7，它有外表面8和内表面9，从它们伸出外板片10或内板片11。板片10、11沿传热管6纵向延伸轴线5的方向延伸。外板片10从外表面8沿径向向外，一直伸到外管3的内表面12。内板片11从传热管6壁7的内表面9，一直挺进到内管4的外表面13。因此，传热管6保持在内管4与外管3之间，其中，外板片10支承在外管3上，而内板片11则支承在内管4上。在外板片10之间构成空隙14，它们形成用于第一种热交换介质的换热通道15。按相应的方式，在内板片11之间的空隙16形成用于第二种热交换介质的换热通道17。

由图1还能看出，设置许多，例如250个外板片10或内板片11，从而按规则的角向距离，沿传热管6周向构成间隔的、用于第一种热交换介质的外换热通道15，或用于第二种热交换介质的内换热通道17。恰当的是，绝对压力较低的热交换介质在外板片10之间的外换热通道15中流动，而压力高得多的第二种热交换介质可以通过内板片11之间的内换热通道17流动。

传热管6的两侧支承，使得在传热管6壁7的区域内由于压差引起的应力，能够通过外板片10传递给外管3。反之，若压力较高的热交换介质在外换热通道15中流动，则传入壁7内的力便能通过内板片11传递给内管4。由此获得传热管6的一种在机械上非常稳定的结构，这种结构可以实施热交换介质之间最佳的薄壁式热传导。在图1所示的实施形式中，传热管6壁7的壁厚s与外管3壁厚s′之比大约等于0.2。此外，传热管6壁厚s与内管4壁厚s″之比约为0.3。传热管6的这种薄壁设计允许高效率传热，由此尤其还能缩短换热器沿纵向的尺寸，这例如在借助图7和8说明的实施形式中业已证明是有利的。

尤其由图2可以看出，外板片10有高度h，亦即沿径向的尺寸，它优选地大于内板片11的高度h′。在一种恰当的实施形式中，外板片10的高度h与内板片11高度h′之比值在0.2与5之间，这取决于流体、质量流量和压力。此外由图3还可以看出，构成外换热通道15的空隙14有宽度b约为1mm。在内板片11之间的空隙16宽度b′，优选地相应于空隙14的宽度b。

为了适用于传力，传热管6用一种弹性模量小于外管3或内部纵向元件2弹性模量的材料制成。优选地，传热管3用铝或铜合金制造。为了达到高的刚度，外管3或内部纵向元件2用高强度钢合金制成。在图1至3中表示的外或内板片10或11恰当地采用铣削，使它们在预制时能具有高精度地加工。

图4或5和6分别表示换热管6的一种替代性实施形式，它尤其用挤压法生产。在这种实施形式中，内板片11的壁厚a或外板片10的壁厚a′沿径向向内或沿径向向外渐减。因此，板片10、11沿周向的尺寸在与传热管6壁7相连处最大，随着与壁7距离增大连续减小。在图示的实施例中，将外板片10或内板片1的棱边修圆。

在图5和6中表示的换热管6实施形式中，外板片10和内板片11有制成一定轮廓形状的表面，它有沿纵向延伸轴线5方向延伸的谷19′或峰19″，从而获得一种波纹状曲线。以此方式，显著增大可供换热器使用的热交换面积。

图7和8表示换热器1在设备20中的配置，设备20用于将机械能转换为热能，反之亦然，它尤其作为热泵运行。在AT505532B1中介绍了这种设备20，不过它具有另一种类型的换热器。

设备20包括转子21，它能借助(图中没有表示的)发动机围绕旋转轴线22旋转。在转子21内设有流动通道，用于一种流过闭合循环过程的工质，例如惰性气体。转子21有压缩装置23和膨胀装置24，它们构成一个管路系统。工质在压缩装置23沿径向延伸的压缩管25内相对于旋转轴线22沿径向向外流动，在此过程中工质基于离心加速度被压缩。相应地，为了降压，工质在膨胀装置24的膨胀管26内基本上沿径向内导引。压缩装置23和膨胀装置24，通过管路系统沿轴向延伸的区段互相连接，在这些区段内用热交换介质，例如水，进行热交换。为此目的，设置外部换热器1′和内部换热器1″，在这些换热器内，在压缩管25中被压缩的工质将热量排放给第一种温度的热交换介质，或在膨胀管26中经膨胀的工质从第二种温度的热交换介质接受热量。因此，利用作用在工质上的离心加速度，造成不同的压力水平或温度水平。从压缩的工质提取高温热量，而将温度较低的热量供给膨胀的工质。

换热器1′或1″通过管路27、28或29互相液体导通地连接。热交换介质通过静态分配器32的进口31输入管路系统；然后借助一起旋转的分配器33通过管路27将热交换介质供给换热器1′，它在其中被加热后通过管路28返回一起旋转的分配器33。然后，加热的传热介质经过静态分配器32或出口输入热循环中。

换热器1″冷却的热交换介质通过静态分配器35的进口34流动，借助另一个一起旋转的分配器36，在随同旋转的管路39内向低压换热器1″输送，在那里热量向气态工质排放。接着，热交换介质通过一起旋转的分配器33供给静态分配器35，以及最终经出口离开设备20。

为实现恰当传热，换热器1′或1″通过借助图1至6表示的换热器1提供，其中作为第二种热交换介质采用工质，作为第一种热交换介质采用这种热交换介质。在图示的实施形式中，工质和热交换介质在换热通道15或17内对流或逆流，其中，在换热器1′、1″内能保证热交换介质恰当回馈。

图9表示在换热器1的区域内通过设备20一种替代性实施形式纵剖面图，其中示意表示工质的流动20′和热交换介质的流动20″。图10表示换热器1局部放大图。据此，换热器1在内管4的中央空腔37中有拉杆38。头部38′固定在拉杆38从内管4伸出的端头上，它覆盖换热器1端侧。

由图9还可以看出，设备20还有工质输入管39。输入管39与环状间隙40连接，在此间隙40内，将输入管39中的直线流动转换为工质围绕换热器1纵轴线的环形流动(参见图11)。在图示的实施形式中，在拉杆38从内管伸出的端头外表面与头部38′内壁之间形成环状间隙40。此外，换热器1沿流动方向在环状间隙40后还有一个同样是环状的空腔41，在此空腔41内进行从环形流动过渡为在内换热通道17中沿径向流动。

如图12所示，传热管6在外板片10端面42之间有热交换介质进口43。这些进口43与热交换介质的输送装置44连接。在图示的实施形式中，外板片10的端面42沿流动方向看向前倾斜。在外板片10端面42与传热管6纵轴线之间的最佳角度，优选地根据流速选择。当流速小于每秒2米(m/s)时，可以选择大于45°较陡的角度。在速度大于2m/s时，较平缓的角度是有利的。通常基于限制位置需求应优选平缓的角度，尤其45°角。

如由图9、10，尤其还参见图13、14可看出的那样，挨热器1在外换热通道15的进口43与热交换介质输送装置44之间有分配器45，用于将输送装置44内的热交换介质流，沿传热管6周向分成许多支流。分配器45有多个由圆弧形分配元件46组成的、可连续通流的级。分配元件46分别有两个通孔47，用于热交换介质穿过并进入下一级分配元件46中，所以同一级的分配元件46平行或均匀通流。在图示的实施形式中，每个通孔47正好与一个相对于通孔47基本上对称排列的分配元件46连接。在这里，通孔47设置在圆弧形分配元件46的对置端。

由图13、14还可以看出，沿流动方向观察分配元件46的长度逐级减小。图14a至图14f表示通过分配器45各级的剖视图，其中，图14a表示分配器45的进口侧，而图14f表示分配器45出口侧。在图示的实施形式中，沿流动方向看的第一个分配元件46呈半圆形，下一级的分配元件46由相应地较短的弧形元件构成。在分配器45出口侧的分配元件46设置为形成一个圆环状出口面48，它有一些角向间距基本相同的出口49。这些出口49沿流动方向直接设置在外换热通道15的进口43前。基于分配元件46对称布局，所以热交换介质在输送装置44与分配器45出口49之间基本上经过相同的流径。此外由图14还可以看到固定装置50，分配元件46借助它相互保持处于规定的位置。

图15表示部分设备20，其中可看到相对于旋转轴线在内部的换热器1″之一和相对于旋转轴线在外部的换热器1′之一。换热器1′、1″的纵轴线基本上平行于转子21的旋转轴线排列。

由图15还可以看出，转子21有一个公共的支承体51，用于固定内部换热器1″和外部换热器1′。按图15，支承体51有多个基本上垂直于旋转轴线排列、沿旋转轴线方向间隔的板状元件52(也可参见图16)，它们有用于穿过换热器1′、1″的孔。在这里，换热器1′、1″被支承管53包套，所述支承管53有用于支承板状元件52的凹槽54(Abstufungen)。

由图15还可以看出，外部换热器1′在外管3与支承体51之间分别有一个用隔热材料制的隔热件55。与此相对，在内部的换热器1″没有这种隔热元件，所以在运行时支承体51基本上形成内部换热器1″的温度。

图17表示支承体51一种替代性实施形式，按图17它设计为相对于旋转轴线旋转对称的成型件56。成型件56有一个具有多个内孔58的内部元件57，这些内孔58用于容纳内部换热器1″，以及有多个外部元件59，它们有用于容纳外部换热器1′的外孔60。按图17，作为外部元件59采用沿周向闭合的、包围外孔60的圆柱形安装座59′。

由图17、18可以看出，内部元件57正好通过两个沿径向延伸的连接腹板61与每个外部元件59互相连接。在连接腹板61之间的距离有利地沿径向向外增大(参见图18)。连接腹板的壁厚有利地沿径向减小。在按图18的实施形式中，外部元件59通过焊接与连接腹板61连接。除此之外，在连接腹板61与内部元件57之间也采用焊接62。也可以取代焊接62采用形状配合式连接，例如锤头或燕尾槽榫连接。

图19表示支承体51的一种作为替代的实施形式，其中，外部元件59有朝内部元件57方向敞开的外孔60。

图20表示支承体51另一种实施形式，按图20它有一个固定在外部元件59外侧的圆柱形框圈63。

Claims (8)

1.一种设备(20)，用于借助机械能将低温热能转换为高温热能，反之亦然，它包括可绕旋转轴线(22)旋转支承的转子(21)，在转子(21)内设有流动通道，用于一种流过闭合循环过程的工质，工质为了增压在压缩装置(23)内相对于旋转轴线基本上沿径向向外导引，以及为了降压在膨胀装置(24)内相对于旋转轴线(22)基本上沿径向向内导引，其中，设置至少一个相对于旋转轴线在内部的换热器(1″)和至少一个相对于旋转轴线在外部的换热器(1′)，它们用于在工质与热交换介质之间进行热交换，所述换热器(1′、1″)优选地基本上平行于转子(21)的旋转轴线排列，其特征为：为了固定内部换热器(1″)和/或外部换热器(1′)，所述转子(21)有沿其纵向长度支承内部换热器(1″)和/或外部换热器(1′)的支承体(51)。

2.按照权利要求1所述的设备，其特征为，所述至少一个外部换热器(1′)在外管(3)与支承体(51)之间有用隔热材料制的隔热元件(55)，而在内部的换热器(1″)没有这种隔热元件(55)。

3.按照权利要求1或2所述的设备，其特征为，支承体(51)有多个基本上垂直于旋转轴线并沿旋转轴线方向间隔排列的板状元件(52)，它们有用于支承换热器的孔。

4.按照权利要求1至3之一所述的设备，其特征为，作为支承体(51)采用沿旋转轴线方向延伸的成型件(56)，它有具有至少一个内孔(58)的内部元件(57)，内孔(58)用于所述至少一个内部换热器(1″)，以及有至少一个具有至少一个外孔(60)的外部元件(59)，外孔(60)用于所述至少一个外部换热器(1′)。

5.按照权利要求4所述的设备，其特征为，内部元件(57)和外部元件(59)通过基本上沿径向延伸的连接腹板(61)互相连接。

6.按照权利要求4或5所述的设备，其特征为，设置多个外部元件(59)，其中，优选地在内部元件(57)与每个外部元件(59)之间正好设置两块连接腹板(61)。

7.按照权利要求4至6之一所述的设备，其特征为，支承体(51)的所述至少一个外部元件(59)设计为用于外部换热器(1′)的圆柱形安装座(59′)。

8.按照权利要求4至7之一所述的设备，其特征为，支承体(51)有围绕所述至少一个外部元件(59)的圆柱形框圈(63)。