DE19919616A1 - Vorrichtungen und Verfahren zum Betreiben einer Wärmezentrifuge - Google Patents

Abstract

Wärmezentrifuge zur Erzeugung einer Nutzwärme- bzw. Nutzkälteleistung zur Verwendung in Kraft- und Arbeitsmaschinen, zur Konditionierung von Innenraumluft und andere Aufgaben, sowie Sonderformen zur Erzeugung von Nutzleistung bzw. Schub, DOLLAR A bei welcher ein Arbeitsfluid in eine Drehbewegung versetzt wird, wodurch das Arbeitsfluid je nach Achsabstand relativ verdichtet oder entspant wird, und ein turbulenter Wärmeübergang hervorgerufen wird oder eine Wärmeleistung durch Trennung des Arbeitsfluids aufgrund von Dichteunterschieden erfolgt, wobei Nutzwärme, Nutzkälte, Nutzleistung oder Schub gewonnen werden können. Durch besondere Gestaltung kann der Wirkungsgrad gegenüber dem bekannten Wirbelrohr stark angehoben werden.

Description

Es ist bekannt, daß durch eine Wirbelströmung in geeigneter Umbauung eine Trennung eines tangential eingeblasenen Luftstromes in einen achsnah ausströmenden Kaltluftanteil und einen seitenwandnah austretenden Heißluftanteil erfolgen kann. Ein derartiges sog. Wirbelrohr wurde erstmals von Ranque [1] beschrieben. Hilsch [2] erzielte durch bauliche Änderungen eine Verbesserung der erzielbaren Temperaturen. Schultz-Grunow [3] legt eine theoretische Abhandlung über das Phänomen dar, welches auf einen Wärmeübergang durch die Wirkung der Turbulenz an der Grenze zwischen achsnahem Kaltluftanteil und seitenwandnahem Heißluftanteil beruht. Eine nähere Betrachtung der Meßergebnisse deutet auf einen geringen Wirkungsgrad des Verfahrens hin, welcher in der Größenordnung von zehn Prozent des Carnotschen Wirkungsgrades liegt.

Der hier dargestellten Maßnahme liegt das Problem zugrunde, diesen Wirkungsgrad zu erhöhen.

Dieses Problem wird durch die Ausgestaltungsformen der Erfindung nach Hauptanspruch 1 gelöst. Durch die Verwendung einer rotierenden Trommel wird die Wandreibung an deren Innenseite, durch die Verwendung eines evakuierten Gehäuses auch an der Aussenseite, eliminiert. Dadurch kann auch auf die Einblasung verzichtet werden, an deren Stelle jedoch Lüfter verwendet werden können. Die weiteren vorteilhaften Merkmale sind in Hauptanspruch 1 dargelegt. Weitere Maßnahmen wie berührungsfreie Lager können die Reibungsverluste weiter reduzieren.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung ist in Nebenanspruch 2 beschrieben. Dabei wird anstelle des kompressiblen ein inkompressibles Arbeitsfluid verwendet sowie die Turbulenz möglichst verhindert. In der Folge erfolgt eine Trennung des Arbeitsfluides durch das Zentrifugalfeld in schwerere (kältere) und leichtere (wärmere) Anteile, wodurch eine dem turbulenten Wärmedurchgang, welcher in Hauptanspruch 1 zur Anwendung kommt, entgegengesetzte Temperaturverteilung entsteht. Da die zu erzielende Trennwirkung geringer ist als in Hauptanspruch 1, ist mit einer größeren und damit teuereren Bauausführung zu rechnen. Da die Turbulenz jedoch möglichst vermieden wird, sind geringere interne Reibungsverluste zu erwarten; der Wirkungsgrad ist demnach höher.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Nebenanspruch 3 erlaubt die Gewinnung einer Nutzleistung in Form von Wellenleistung oder Schub. Dabei ist eine Beheizung des verdichteten Arbeitsfluides durch eine Brennkammer oder durch Wärmetauscher vorgesehen. Die Ausgestaltungsformen nach Hauptanspruch 1 und Nebenanspruch 2 können zur Kühlung des Arbeitsfluides bei der Kompression herangezogen werden. Gegenüber herkömmlichen Gasturbinen ergibt sich eine bauliche Vereinfachung, welche im Hochdruckteil frei ist von Spalten und formstabiler als schwingende Schaufeln. Bei feststehender Trommel erinnert die Ausgestaltung der Erfindung nach Nebenanspruch 3 dem Lorinantrieb (Schubrohr), im Gegensatz zu diesem ist jedoch eine geringere axiale Anströmgeschwindigkeit zum Betrieb ausreichend.

Eine Ausgestaltungsform der Erfindung nach Hauptanspruch 1 sei im folgenden anhand Abb. 1 näher dargelegt.

Eine rotierende Trommel (1) ist so ausgerichtet, daß die Mittelachse (2) in der Richtung des Schwerefeldes verläuft, d. h. senkrecht steht. Die Mittelachse ist in dieser Ausgestaltungsform durch die Trommel durchgehend ausgeführt und mit dieser starr verbunden. Oberhalb und unterhalb der Trommel sei die Mittelachse in geeigneten Lagern (3) aufgehängt. Innerhalb der verschlossenen Trommel befinde sich ein geeignetes, im allgemeinen kompressibles Arbeitsfluid (Gas), welches durch die Rotation der Trommel in eine Drehung versetzt wird. Dieser Drehbewegung um die Mittelachse überlagert sich eine durch konvektive Effekte bedingte Sekundärströmung in axialer Richtung, wobei das seitenwandnahe Arbeitsfluid aufsteigt und das achsnahe Arbeitsfluid absinkt. Im dazwischenliegenden Bereich scheren diese Strömungen aneinander vorbei und erzeugen dabei Turbulenz, wodurch ein Wärmeübergang von dem achsnahen Fluid auf das seitenwandnahe Fluid erfolgt. Dadurch ist das seitenwandnahe Fluid wärmer als die Umgebungsluft, das achsnahe Arbeitsfluid kälter als die Umgebungsluft. Im dargestellten Fall wird die Wärme von der Aussenseite der Trommel direkt an die Umgebungsluft abgeben. Durch eine zentrale, durchgehende Bohrung in der Mittelachse (2) wird ein Wärmeaustauschmedium (Heiz/Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser oder auch Luft) oben (5) in die Mittelachse eingebracht und gibt bei dem Durchströmen der wärmeleitenden Mittelachse Wärme an das kalte, mittelachsnahe Arbeitsfluid ab. Dabei kühlt sich die Kühlflüssigkeit ab und verläßt die Mittelachse unten wieder (6).

Nicht dargestellt sind drehbare Verbindungen (5, 6) zum Überleiten der Heiz/Kühlflüssigkeit von der stillstehenden Umgebung zur in der dargestellten Ausgestaltungsform rotierenden Mittelachse (2). Die Drehrichtung der Trommel ist nicht ausschlaggebend. Der Antrieb der Trommel zur Erzeugung einer gleichförmigen Rotation kann durch jede herkömmliche Antriebsmaschine erfolgen und ist ebenfalls nicht dargestellt. Im Falle eines elektrischen Antriebes kann dieser direkt in die Trommel integriert werden, wobei die Trommel gleichzeitig zum Läufer des Elektromotores wird.

Eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung nach Nebenanspruch 2 ist in Abb. 2 dargestellt. Eine rotierende Trommel (1) ist kürzer als in Abb. 1 ausgeführt, um die Turbulenzbildenden Scherstrecke innerhalb der Trommel zu verkürzen. Die Mittelachse (2) ist ebenfalls durchgehend ausgeführt, allerdings ist sie mit einer beidseitigen, nicht durchgängigen Mittelachsbohrung versehen, welche jeweils ein mit der Mittelachse fluchtendes Rohrstück enthält, so daß ein Kernloch für die Hinströmung und eine kreisringförmige Bohrung für die Rückströmung entsteht. Die Mittelachse ist geeignet in einem Umgebungsluftdichten Gehäuse (9) gelagert (3), wobei die Mittelachsenden durch Dichtungen gegenüber der Umgebungsluft abgedichtet sind, so daß ein evakuierbarer Zwischenraum zwischen Trommel (1) und Gehäuse (9) entsteht. Das Gehäuse ist seinerseits geeignet ortsfest gelagert (3). Das in der Trommel befindliche Arbeitsfluid (4) ist in dieser Ausgestaltungsform inkommpressibel (Flüssigkeit, z. B. Wasser) und folgt der Drehbewegung der Trommel. Deren Antrieb ist hier ebenfalls nicht dargestellt. Im Gegensatz zu Abb. 1 entsteht in dieser Trommel nur geringe Turbulenz. Da das Fluid inkompressibel ist, entsteht keine durch die Verdichtung verursachte Erwärmung des Fluides. Dagegen findet eine Entmischung des Fluides aufgrund zufällig vorhandener örtlicher geringer Temperaturunterschiede, welche zu einer Ansammlung des kälteren, schwereren Fluides an der Seitenwand und des wärmeren, leichteren Fluides an der Mittelachse führt. Die Schwerkraft bedingt dann einen konvektiven Effekt, wobei das kältere Fluid absinkt und das wärmere Fluid aufsteigt, wodurch sich eine gegenüber Abb. 1 umgekehrte Sekundärströmung des Arbeitsfluides ergibt. (Die Anomalie des Wassers bedingt, daß diese bei ca. 4°C am schwersten (dichtesten) ist, weshalb diese Temperatur bei der Verwendung von Wasser als Arbeitsfluid i.A. nicht unterschritten werden kann.)

Im dargestellten Fall gibt das achsnahe, nun warme Arbeitsfluid die Wärme an eine in der Mittelachse von oben (5) durch das Innenrohr einströmende Kühlflüssigkeit ab, welche in dem kreisringförmigen Spalt zwischen Innenrohr und hohlgebohrter, jedoch nicht durchgängiger Mittelachse wieder zurückströmt und nach aussen abgegeben wird (6). Die meist erforderlichen drehbaren Verbindungen sind hier jedoch nicht dargestellt. Die Wärmezufuhr an das kalte, seitenwandnahe Arbeitsfluid erfolgt durch eine Heizflüssigkeit, welche durch das untere Innenrohr in die hohlgebohrte Mittelachse einströmt (8) und anschliessend radial nach aussen zur Seitenwand strömt, welche als Wärmetauscher ausgebildet ist, durch welchen die Heizflüssigkeit in axialer Richtung strömt, anschliessend in axialer Richtung zurückströmt und anschliessend wieder radial zur Mittelachse geführt wird, wobei sie in dem kreisringförmigen Spalt zwischen Innenrohr und hohlgebohrter Mittelachse wieder ausströmt (7). Die Heiz- sowie die Kühlflüssigkeit können den Wärme- bzw. Kälteinhalt durch Wärmetauscher nutzbar machen, die Umwälzung der Fluide kann durch Umwälzpumpen oder durch freie Konvektion erfolgen. Durch die Vakuumpumpe (10) beliebiger Bauart wird der Hohlraum zwischen Trommel (1) und Gehäuse (9) evakuiert, wodurch Reibungsverluste an der Aussenwand der Trommel verhindert werden. In einer Abweichung kann auch ein Fluid mit geringer Viskosität und hoher Wärmeleitfähigkeit in den Raum zwischen Gehäuse und Trommel eingebracht werden, wodurch hier Heizkreislauf entfallen kann und der Kühlkreislauf entsprechend Abb. 1 ausgeführt wird.

Anhand von Abb. 3 wird eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung nach Nebenanspruch 3 näher dargelegt. Es handelt sich dabei um eine Ausgestaltungsform der Erfindung zur Erzeugung einer Nutzleistung, wobei zusätzlich Schub gewonnen werden kann. Im Gegensatz zur Ausgestaltungsform nach Hauptanspruch 1 ist auch hier kein Bereich der Scherung der aneinander vorbeiströmenden achsnahen und seitenwandnahen Fluidanteile vorgesehen, wodurch dort keine Turbulenz und kein damit verbundener Wärmeübergang stattfindet. Entgegen Nebenanspruch 2 wird hier jedoch wieder ein kompressibles Arbeitsfluid (Gas, bei der hier dargestellten offenen Bauart Umgebungsluft) verwendet. Die Lage der Mittelachse ist hier waagrecht, wodurch hier keine freie Konvektion auftritt. Die Trommel (1) ist hier beidseitig offen und strömungsgünstig gestaltet ausgeführt, wobei die von links eintretende Umgebungsluft (4) in einem Strömungskanal strömt, welcher durch die Innenwand der Trommel (1), eine Innentrommel sowie zwischen diesen eingebrachte Leitbleche (6, 7) gebildet wird. Die Aussenkanten der Leitbleche sind etwas gebogen, um die eintretende Umgebungsluft auf die Drehgeschwindigkeit der Trommel zu beschleunigen und bei dem Austreten wieder zu verzögern. An der Ausströmseite ist eine herkömmliche Turbinenlaufstufe (8) dargestellt, welche durch das ausströmende Fluid ebenfalls durchströmt wird. Die Mittelachse (2) ist hohlgebohrt und dient als Treibstoffzulaufrohr. Sie ist links ortsfest gelagert (3) und rechtsseitig in der Laufradstufe gelagert (3), welche ihrerseits ortsfest gelagert ist (3).

Der Treibstoff strömt von der linken Seite (5), da diese kälter ist, durch die Mittelachse ein und strömt dann radial zu Brennkammern, welche in bekannter Weise als Ringbrennkammern oder als mehrerer radial angeordnete Brennkammern ausgeführt werden können, und fest mit der Trommel verbunden dargestellt sind; sie können jedoch auch ortsfest ausgeführt werden. Das Arbeitsfluid (4) wird beim Eintreten in die Trommel auf die Drehgeschwindigkeit der Trommel beschleunigt. Beim Weiterströmen nimmt der radiale Abstand des Strömungskanales zu, wodurch das Fluid einer stärkeren Fliehkraftwirkung und damit einer Verdichtung ausgesetzt wird. Durch die Verbrennung (10) des Treibstoffes-wird das Arbeitsfluid anschliessend erwärmt. Es können jedoch auch Wärmetauscherflächen zur indirekten Erwärmung des Arbeitsfluides, beispielsweise durch Solarwärme, eingebracht werden. Der radiale Abstand des Strömungskanales nimmt anschliessend wieder ab, wodurch das Arbeitsfluid entspannt wird. Das Fluid verläßt die Trommel in axialer Richtung, wobei Leitschaufeln (7) entgegen der Richtung der Drehbewegung gebogen sind, wodurch das Arbeitsfluid die Trommel (1) mit einer Drehbewegung verläßt, welche der Drehbewegung der Trommel entgegengesetzt ist. Dadurch wird ein Drehmoment erzeugt, welche die Drehbewegung der Trommel entgegen den Reibungskräften aufrechterhält. Der Drehmomentüberschuß kann zur Gewinnung einer Nutzleistung verwendet werden. Durch die anschliessende Laufradstufe (8) welche mit einer anderen Drehgeschwindigkeit bzw. Drehrichtung als die Trommel umläuft, wird die Drehbewegung das Arbeitsfluides wieder verzögert, wobei ebenfalls eine Nutzleistung freigesetzt wird. Das Arbeitsfluid strömt anschliessend wieder an die Umgebung, wobei ein Schub erzeugt wird, da die Ausströmgeschwindigkeit bzw. das Volumen größer sind als bei dem Einströmen des Arbeitsfluides. Die Bewegung von Trommel und Laufradstufe kann über Getriebe gekoppelt werden, wodurch feste Drehgeschwindigkeitsverhältnisse entstehen. Anstelle eines Laufrades kann jedoch auch ein Leitschaufelkranz oder eine oder mehrere Laufradstufen mit entsprechenden Leitschaufelkränzen angebaut werden.

Zitierte Literatur

[1] Ranque, G.: J. Physique Radium (7) 4 (1933), S. 112.
[2] Hilsch, R.: Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als Kälteprozeß, Z. Naturforschg., Bd. 1 (1946), S. 208/14.
[3] Schultz-Grunow, F.: Turbulenter Wärmedurchgang im Zentrifugalfeld, Forschg. a.d. Geb. d. Ingwsns. 17 (3) (1951), S. 65.

Claims (3)

1. Wärmezentrifuge mit verbessertem Wirkungsgrad zur Erzeugung einer Wärme- bzw. Kälteleistung im Sinne einer Wärmepumpe bzw. einer Kältemaschine, bei welcher ein kompressibles Arbeitsfluid (Gas) in eine festkörperähnliche Drehbewegung versetzt wird, wodurch in Verbindung mit einer zweckdienlichen Gestaltung eine starke Turbulenz in dem Bereich des Aneinander-Vorbeiströmens der entlang der Mittelachse entgegengesetzt strömenden achsennahen bzw. seitenwandnahen Fluidmassen entsteht, welche einen Wärmetransport senkrecht zur Strömungsrichtung von der Mittelachse weg zu den Seitenwänden erzeugt, dadurch gekennzeichnet,
daß sich das kompressible Arbeitsfluid (Gas) in einer vollständig geschlossenen Trommel befindet, welche in eine Drehbewegung versetzt wird, wobei die Mittelachse vorteilhafterweise senkrecht zur Schwerkraftrichtung verläuft, wodurch eine axiale Bewegung der seitenwandnahen bzw. der achsnahen Strömung erreicht wird, oder
daß diese axiale Bewegung auch durch einen Lüfter erzeugt werden kann, welcher sich in der Trommel an geeigneter Stelle befindet, wodurch die Lage der Mittelachse gegenüber der Schwerkraft unerheblich werden kann,
daß die Mittelachse durch die Trommel hindurchgeführt werden kann, wobei die Mittelachse auch feststehend ausgeführt werden kann, wodurch die Turbulenz der Strömung des Arbeitsfluides erhöht werden kann, und daß die Trommel gegenüber deren Durchmesser lang ist, um die Strecke der Turbulenzwirksamkeit zu erhöhen,
daß die Wärmezu- und Abfuhr durch Wärmeleitung der rotierenden Seitenwand und der durchgeführten Mittelachse oder einem oder mehreren an dessen Stelle eingebauten Wärmetauscher(n) entweder an die umbebende Luft oder an einen eigenen Heiz- und/oder Kühlkreislauf erfolgen kann,
daß zur weiteren Senkung von Verlusten durch Reibung die sich drehende Trommel in ein feststehendes Gehäuse eingebaut werden kann, wobei der Zwischenraum zwischen Trommel und dem feststehenden Gehäuse evakuiert werden kann, und die Wärmeleitung durch Strahlung oder eigenen Flüssigkeitskreislauf, welcher ebenfalls durch die Mittelachse geführt wird, erfolgen kann,
daß die Trommel mit strömungsverbessernden Einbauten wie Leitblechen oder Leitschaufeln versehen oder auch offen ausgeführt werden kann, wobei an einem Ende eine Lochblende mit einer auf der Mittelachse liegenden Bohrung sowie an dem anderen Ende eine kreisringförmige an der Seitenwand anschliessende Bohrung angebracht werden kann, wobei die Trommel angetrieben, frei mitlaufend oder feststehend ausgeführt werden kann und die rotierende Bewegung durch die angetriebene Trommel und/oder einen Lüfter mit geeignet ausgeführtem Lüfterrad zur Erzeugung eines rotierenden Luftmassenstromes mit zwei axialen Bewegungsrichtungen ausgeführt werden kann, wobei der Wärmeübergang direkt erfolgen kann, und
daß die Einrichtung direkt zur Konditionierung von (Innen-) Raumluft verwendet werden kann.

2. Wärmezentrifuge nach Hauptanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht kompressibles Arbeitsfluid (Flüssigkeit) verwendet wird wodurch die Selbsterwärmung des Arbeitsfluides durch die Komprimierung am rotierenden Seitenrand vernachlässigbar wird, daß die Länge der rotierenden Trommel gegenüber deren Durchmesser klein ist, um die Länge der Wirksamkeit der Turbulenz möglichst gering zu halten, wodurch der Wärmeübergang durch Turbulenz möglichst klein gehalten wird, jedoch lang genug, um eine kollektive Bewegung zu ermöglichen, und nun die Trennung der Flüssigkeit nach deren Dichte erfolgt, wodurch sich die dichteren, schwereren Teilchen des Arbeitsfluides, welche kälter sind als die mittlere Temperatur, an der Aussenwand sammeln, und die weniger dichten, leichteren Teilchen des Arbeitsfluides, welche wärmer sind, an der Mittelachse sammeln, wodurch ein dir Ausgestaltung nach Hauptanspruch 1 entgegengesetztes Temperaturgefälle entsteht, welches entsprechend der Ausgestaltungen nach Hauptanspruch 1 Nutzbargemacht werden kann.

3. Wärmezentrifuge nach Hauptanspruch 1 und Nebenanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Nutzleistung in Form einer Wellenleistung oder von Schub die Trommel mit einem strömungsgünstigen Kanal versehen wird, welcher durch durchgehende oder unterbrochene Leitbleche aufgeteilt werden kann,
daß das kompressible Arbeitsfluid (Gas, Umgebungsluft) bei der Komprimierung durch die Fliehkraft aufgrund des zunehmenden radialen Abstandes des Strömungskanals durch eine zusätzliche Kühleinrichtung gekühlt werden kann, um die Verdichtung effektiver zu machen, nach der Komprimierung durch eine Wärmezufuhr durch eine Brennkammer oder durch Wärmetauscherflächen weiter erwärmt wird, und anschliessend durch eine Abnahme des radialen Abstandes des Strömungskanales entspannt wird und anschliessend entweder direkt an die Umgebung abgegeben wird, wodurch ein Schub entsteht, oder aber eines oder mehrere herkömmliche Lauf- und Leitschaufeln durchströmt, wodurch eine Arbeitsleistung erzielt werden kann, wobei der Strömungskanal entweder in einer axialen Richtung verläuft oder als geschlossene Schleife geführt werden kann, wobei er in der Mittelachse zurückgeführt wird und Turbulenz möglichst verhindert werden sollte,
daß die Leitschaufeln an deren Enden entsprechend der rotierenden Bewegung der Trommel gebogen sein können, um deren Rotation entgegen der Wirkung der Reibungseinflüsse von alleine aufrechtzuerhalten,
daß die Trommel auch feststehen kann und die rotierende Bewegung der Luftmasse durch ebenfalls feststehende oder rotierende Leitbleche (Leitschaufeln) erzeugt wird, sowie
daß zur Kühlung bei der Verdichtung auch die Ausgestaltungsform nach Hauptanspruch 1 oder Nebenanspruch 2 verwendet werden kann, und daß diese auch in herkömmlichen Kraft- und Arbeitsmaschinen zur Wirkungsgradsteigerung durch gekühlte Verdichtung u.A. eingesetzt werden können.