DE102010008325A1

DE102010008325A1 - Hocheffiziente Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102010008325A1
Application number: DE201010008325
Authority: DE
Inventors: Arne Joergensen
Original assignee: Joergensen Arne 13158
Current assignee: Joergensen Arne 13158
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verbesserung der radialen Wärmeleitung in einer Gaszentrifuge. In einer Gaszentrifuge bildet sich ein radialer Temperaturgradient aus. Um diesen Temperaturgradienten technisch sinnvoll zu nutzen, sollte das Arbeitsgas in der Zentrifuge eine niedrige spezifische Wärmekapazität und gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben. Aber alle bekannten Gase mit geringer spezifischer Wärmekapazität haben auch eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Der Sinn dieser Erfindung ist die Verbesserung der radialen Wärmeleitfähigkeit. Die Lösung besteht aus einer eingebauten offenporigen porösen Struktur, die vom Arbeitsgas durchströmt wird. Durch die entstehenden Turbulenzen durchmischt sich das Arbeitsgas und erhöht den Wärmeaustausch des Arbeitsgases. Durch den erhöhten Wärmestrom lassen sich Gaszentrifugen als Wärmepumpen mit hohen Leistungsgrad nutzen. Ihr technischer Nutzen besteht in der Herstellung von Wärme und Kälte. Mit der erzeugten Temperaturdifferenz lassen sich auch Wärmekraftmaschinen antreiben.

Description

Zurzeit werden hauptsächlich Kompressions-Wärmepumpen zur Erzeugung von Wärme und Kälte eingesetzt. Deren Leistungszahl (COP) ist aber durch die Konstruktion beschränkt. Bekannt ist, dass Gaszentrifugen zum Erzeugen von Temperaturdifferenzen verwendet werden können ( DE 3238567 ). Sie bieten noch ein großes Potential zur Steigerung der Leistungszahl.
In einer Gaszentrifuge nimmt mit dem Abstand von der Drehachse die Geschwindigkeit linear zu, die Enthalpie eines Gases nimmt quadratisch zur Geschwindigkeit zu. Δh = ½v²
Die Entropie bleibt dabei konstant. Die Temperatur ändert sich proportional zur Enthalpieänderung.
c_s ist die spezifische Wärmekapazität bei gleich bleibender Entropie. Je kleiner c_s ist, desto größer ist die Temperaturdifferenz. Der Wärmestrom ergibt sich aus der Temperaturdifferenz, der spezifischen Wärmeleitfähigkeit und den Abmessungen der Gaszentrifuge. A ist die Mantelfläche und s die Dicke der hohlzylinderförmigen Gasschicht in der Zentrifuge.
Da bekannte Gase mit geringer spezifischer Wärmekapazität (z. B. Argon, Xenon) auch immer eine geringe spezifische Wärmeleitfähigkeit haben, ist der Wärmestrom gering und technisch kaum nutzbar.
Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, die radiale Wärmeleitung des Gases (Arbeitsgas) in einer Gaszentrifuge zu verbessern. In DE 19919616 wird vorgeschlagen, das Arbeitsgas in eine zusätzliche Drehbewegung zu versetzten, um so durch Gasaustausch die Wärmeleitung zu verbessern.
Da dabei aber gegen die Dichteschichtung des Gases gearbeitet wird, muss der Lüfter eine erhebliche Leistung erbringen. Dadurch ist keine hohe Leistungszahl mit einer solchen Maschine zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch Mikroverwirbelungen, die entstehen, wenn eine offenporige poröse Struktur vom Arbeitsgas durchströmt wird.
In einer Gaszentrifuge wird eine offenporige poröse Struktur eingebaut. Als poröse Struktur sind hierbei auch lose Schüttungen und Einbauten, wie zum Beispiel statische Mischer gemeint.
Diese offenporige poröse Struktur wird mit dem Arbeitsgas durchströmt. Dabei kann die Gasströmung gleichmäßig oder wechselnd sein. Die Strömungsrichtung kann radial, axial und tangential sein. Natürlich sind auch jegliche Mischströmungen vorstellbar.
Bei dem Durchströmen der offenporigen porösen Struktur wird das Arbeitsgas durch kleine Wirbelungen (Mikroturbulenzen) vermischt, es entsteht so ein sehr intensiver Wärmeaustausch.
Dadurch steigt die effektive Wärmeleitung des Arbeitsgases stark an. Der Wärmeaustausch ist dabei umso intensiver, je kleiner die Poren der Struktur und damit die Gasverwirbelungen sind.
Besonders hervorzuheben ist die oszillierende radiale Gasströmung, da diese aufgrund von zusätzlichen Expansions-/Kompressionseffekten eine noch höhere effektive Wärmeleitung erreicht.
Mit der Verbesserung der Wärmeleitung des Arbeitsgases vergrößert sich die Wärmeleistung der Gaszentrifuge, die Leistungszahl steigt erheblich. Die Gaszentrifuge kann damit als sehr effiziente Wärmepumpe genutzt werden. Wie auch bei allen anderen Wärmepumpen kann die Temperaturdifferenz dazu genutzt werden, um eine Wärmekraftmaschine (z. B. Stirlingmotor) anzutreiben.
Im Ausführungsbeispiel 1 (Schnittanschicht) ist ein Rotor dargestellt, der im Gehäuse 1 in den Lagern 2 drehbar aufgehängt ist. Der Raum zwischen dem Gehäuse und dem Rotor ist zur Reduzierung der Gasreibung evakuiert.
Der Rotor besteht aus einem zylinderförmigen Behälter 3, in dem ein zweiter zylinderförmiger Behälter 4 angeordnet ist. In diesen inneren Behälter 4 sind zwei offenporige poröse Strukturen 5, ein Zylinder 6 und ein Kolben 7 angeordnet. Im Inneren ist auf der Drehachse ein Rohr 8 angeordnet.
In dem Raum, der durch den inneren Behälter und dem Rohr begrenzt ist, befindet sich das Arbeitsgas (z. B. Xenon oder Argon). Der Kolben 7 wird angetrieben, so dass er sich auf den Rohr 8 hin und her bewegt (nach rechts und links).
Der Antrieb des Kolbens kann z. B. durch magnetische Kopplung von außen geschehen. Der Kolben bewegt dabei das Arbeitsgas oszillierend durch die Zentrifuge. Der Weg des Arbeitsgases ist in der oberen Hälfte durch die großen Pfeile dargestellt.
Dreht sich die Zentrifuge, nimmt der Druck von der Achsmitte nach außen hin zu. Gleichermaßen nimmt auch die Temperatur von innen nach außen hin zu. Es entsteht ein nutzbares Temperaturgefälle.
Um die Kälte und Wärme nutzen zu können, fließen durch die Zentrifuge zwei Medienströme. Durch das innere Rohr fließt ein Medienstrom 9, der seine Wärme an das Arbeitsgas abgibt und sich dadurch abkühlt.
Zwischen den inneren und den äußeren Gehäuse fließt der zweite Medienstrom 10 (z. B. Wasserstoffgas), der von der äußeren Zylinderfläche des inneren Behälters 4 die Wärme aufnimmt und sich dadurch erwärmt. Die beiden Medienströme werden aus der Zentrifuge herausgeführt. Ihre Kälte und Wärme können dann genutzt werden. Die Stirnseiten des inneren Behälters 4 sind wärmeisoliert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3238567 [0001]
DE 19919616 [0006]

Claims

Gaszentrifuge zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte dadurch gekennzeichnet, dass die radiale effektive Wärmeleitfähigkeit durch eine Mikroverwirbelung des Arbeitsgases, verursacht durch eine vom Arbeitsgas durchströmte offenporige poröse Struktur, einer Schüttung oder von Einbauten, verbessert wird.