DE2100066A1 - Gerät zur Heizung und Kühlung - Google Patents

Description

• Gerät zur Heizung und Kühlung.
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät, dasw zur Heizung oder wahlweisen Kühlung von Luft z.B. in Gebäuden dient. Es beruht auf dem bekannten Prinzip der wärmepumpe und Kühlmaschiene. Der Vorteil solcher Anlagen gegenüber Heizung durch Verbrennen oder elektrischer Wiederstandsheizung liegt darin, daß weniger Energie verbraucht wird um eine bestimmte wärmemenge zu erzeugen. Das Verhältnis zwischen der gewonnenen Wärmemenge beim Heizen bezw. der abgegebenen beim Kühlen einerseits und der verbrauchten Energie andererseits wird als Leistungsziffer bezeuchnet. Dieses Verhältnis ist annähernd umgekehrt proportional der Differenz zwischen der Temperatur die die zu beheizende bezw. tu kühlende Luft erhalten soll.
• und der Temperatur der Außenluft oder eines anderen Mediums, z.B. Flusswasser, das in unbeschränkter Menge zur Verfügung steht.
• Solche anlagen werden bisher mit Hilfe von geeigneten Flüssigkaiten betrieben, die sich beim Verdampfen abkühlen. Dabei ist jeweils ein Wärmeübergang auf die Flüssigkeit und von dieser auf die zu beheizende bezw. zu kühlende Luft erforderlich. Die damit erforderliche Vergrößerung der Temperaturdifferenz1 die das Gerät zu liefern hat. vermindert die Leistungsziffer insbesondere dann merklich, wenn die zu überbrückende Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außentemperatur eines Gebäudes gering ist.
• Dieser Mangel kann mit Hilfe von Maschinen, die ohne Flüssigkeit, d.h. mit der zu beheizenden bezw. zu kühlenden Luft direkt arbeiten, umgangen werden. Dabei braucht die Luft nicht auf dem Umweg über Wärmetauscher von der Flüssigkeit beheizt bezw. gekühlt zu werden. Die von der Anlage zu erzeugende Temperaturdifferenz wird damit entsprebhend kleiner und daher die Leistungsziffer höher.
• Im Gegensatz tu den mit reiner Verdampfung zwecks KXlteerzeugung arbeitenden Anlagen wird hierbei die Abkühlung in einer Expansionsmaschine vorgenommen, die einen Teil der nur Kompression verbrauchten Energie zurückgewinnt.
• Praktisch ist dies aber mit den bisher verwendeten Verdichteren und Expansionmaschinen nicht durchführbar, da die Wirkungsgrade solcher Geräte nicht ausreichend sind und dadurch die Leistungsziffren stark vermindert werden.
• Die Druckverluste die die Wirkungsgrade entscheidend vermindern, entstehen in rotierenden Maschinen vor alles beim Obergeng der Luft aus dem bewegten Teil der Maschine in den feststehenden und umgekehrt. Diesen Mangel vermeidet die vorliegende Erfindung dadurch, dass solche Übergänge soweit wie möglich vermeiden werden. Die in dem entsprechenden offenen Kreisprozess erforderliche vorübergehende Verdichtung der Luft, der danach erforderliche Übergang der wärme auf einen zweiten Luftstrom und die Expansion erfolgen innerhalb eines rotierenden Teils der Maschine, ohne dass die Luft zwischendurch in einen feststehenden Teil der Maschine Ubertritt Die Verdichtung der Luft wird dabei wie in dynamischen Komprcssoren durch die Massenkraft bewirkt.
• In einer solchen rotierenden Maschine wird die Luft aus der Umgebung, die in etwa In axialer Richtung in entsprechende Kanäle des Läufers eintritt, in radialer Richtung umgelenkt, so daß sie sich von der Achse des Läufers entfernt. Dabei wird Energie von den rotierenden Teilen der Maschine auf die Luft übertragen. Sie wird durch die Zentrifugalkraft adiabatisch verdichtet und dabei erwärmt.
• Diese Wärme wird durch einen zweiten Luftstrom (oder ein anderes Medium, das beheizt werden soll)4er Luft durch Wärmeübertragung entzogen. Danach wird der erste Luftstrom so geleitet, daß er sich wieder der Achse nähert und schliesslich in axialer Richtung aus der Maschine austritt und dabei infolge der Massenkraft Arbeit an die rotierenden Teile der Maschine zurückgibt. Infolge der damit verbundenen adiabatischen Expansion kühlt sich die Luft ab.
• Der zur Wärmeaufnahme vorgesehene zweite Luftstrom umgibt die Kanäle des ersten Luftstroms. Dieser zweite Luftstrom bewegt sich im wesentlichen entgegen der Richtung des ersten, so daß die Wärmeübertragung nach dem Gegenstromprinzip erfolgt.
• Ausserdem ist es zweckmässig. deB dieser Luftstrom durch die Rotation der Maschine nicht verdichtet wird wie der erste, sondern nach Möglichkeit beim Eintritt in die Maschine adiabatisch expandiert, so daß seine Temperatur vermindert und dadurch der Wärmeübergang vom ersten Luftstrom veregrößert wird.Beim Austritt aus der Maschine wird er dann wieder adiabatisch auf den Druck der Umgebung verdichtet und dadurch seine Temperatur erhöht. Um nicht durch die Rotation verdichtet zu werden bewegt sich der zweite Luftstrom möglichst genau in axialer Richtung.
• Die Kanäle für den ersten Luftstrom verlaufen entweder in axialer Richtung. Dann wird der zweite Luftstrom z.8. nur längs der Aussenseite dieser Kanäle geleitet. Oder die Kanäle für den ersten Luftstrom bilden Schraubenlinien, so daß die Luft mit einer höheren Geschwindigkeit, als der Drehgeschwindigkeit der Maschine entspricht, rotiert und dadurch verstärkt verdichtet wird. Bei entsprechender Bemessung und Mahl der Geschwindigkeiten bewegt sich dann der zweite Luftstrom im Raum gesehen nur in axialer Richtung, so daß sein Druck niedrig bleibt. Dagegen wird der Druck in dem ersten Luftstrom durch die zusätzliche Rotation in Drehrichtung der Maschine vergrössert gegenüber einer Konstruktion mit rein axialem Verlauf dieser Kanäle.
• Der Luftstrom der gekühlt werden soll. wird im wesentlichen durch radiale und zusätzliche tangentiale Bewegung verdichtet bezw. expandiert.
• Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt Fig. 1 und 2 eine Maschine nach der Erfindung mit Kanälen für die verdichtete Luft in axialer Richtung. Dabei ist Fig. 1 der Schnitt C-D nach Fig. 2 und Fig. 2 der Schnitt A-B nach Fig. 1 fig. 3. 4 und 5 eine Maschine nach der Erfindung mit Kanälen für die verdichtete Luft, die schraubenförmig um die Längsachse des Läufers verlaufen. Dabei ist Fig. 3 der Schnitt G-H nach Fig. 5 in tangentialer Richtung projiziert. Er fällt mit der Linie G - H in der Schnittebene nach Fig. 4 zusammen Fig. 4 der Schnitt E-F nach Fig. 3, Pig. 5 der Schnitt J-K nach Fig. 4 in der Abwicklung Die Luft, die abgekühlt werden soll, strömt in Richtung der Pfeile 1 durch die Maschine, die Luft, die erwärmt wird, in Richtung der Pfeile 2.
• Die Welle 3 wird von einem nicht dargestellten Motor angetrieben. Auch die Lager dieser Welle sind nicht gezeichnet. In Fig.
• 1 und 2 besteht der mit der Welle festverbundene Läufer im wesentlichen aus den Rohrleitungen 4 für die zu erwichtende Luft, der die Wärme entzogen wird. und den Rohrleitungen 5 für die tu erwärmende Luft. Der Wärmeübergang erfolgt über die beide Leitungen trennende Wand 6. Der Luftstrom der zu kühlenden Luft wird durch die Leitbleche 7 im achsfernen Teil der Leitungen etwa parallel zur Achse geleitet, Au Eintritt in den Läufer so, daß die Luft verdichtet wird, am Austritt aus dem Läufer so, daß die Luft Arbeit an den Läufer abgibt. Die Leitbleche 8 für die zu erwärmende Luft sind im achsfernen Teil des Läufers so ausgebildet, daß sich dieser Luftstrom möglichst genau in axialer Richtung bewegt, d.h. in etwa schraubenförmig um die Achse des Läufers gewunden. Am Austritt aus dem Läufer sind diese Leitbleche so geformt, daß die Luft aus dem Läufer abgesaugt und dabei verdichtet wird. Am Eintritt in den Läufer sind diese Bleche so geformt, daß der Luftstrom Arbeit an den Läufer abgibt und dabei die Luft expandiert.In den Kanälen 4 herrscht also Oberdruck, in den Kanälen 5 dagegen Unterdruck.
• In der Ausführung nach Fig. 3, 4 und S sind auch die Rehrleitungen 9 für die abzukühlende Luft schraubenförmig um die Achse des Läufers gewunden, und zwar so, daß daß die Rotationsgeschwindigkeit der Luft beim Durchströmen der Kanäle erhöht wird. Die Luft erhält dabei eine Geschwindigkeitskomponente in Drehrichtung des Läufers - Pfeilrichtung 10. An den Enden dieser Rohrleitungen, die der Achse näher liegen, ist ihre Richtung dagegen so, daß die Komponente in Umfangsrichtung verschwindet. Dadurch wird beim Eintritt die Luft in din Läufer eine Pumpenwirkung erreicht und beim Austritt aus dem Läufer eine Turbinenwirkung.
• FUr den zu erwärmenden Luftstrom - entsprechend Pfeilrichtung 2 - sind die Stromrichtungen am Eintritt und Austritt umgekehrt. Daher ergibt sich beim Austritt eine Pumpenwirkung und beim eintritt die Turbinenwirkung. Die Geschwindigkeit des Luftstromes wird so bemessen, daß die Komponente in U-fangsrichtung gleich und von entgegengesetzter Richtung wie die Drehgeschwindigkeit - Pfeilrichtung 10 - ist. Damit erfolgt des Strömung um Raum ausschließlich in axialer Richtung.
• Die zu erwärmende Luft strömt durch Kanäle 11, die durch eine innere Wand 12 und eine äußere Wand 13 gebildet werden. Im Bereich des Eln-und Austritts dieser Luft sind ferner Leitbleche vorgesehen. Sie gehen im achsfernen Bereich der Leitungen 9 in Wände 14 Ubur, die die Leitungen stützen und gleichzeitig als Leitbleche dienen. Der Wärmeübergang erfolgt an der Oberfläche der Leitung 9 in deren achsfernen Teilen.

Claims (6)

Patentansprüche.

1. Gerät zur Heizung oder wahlweisen Kühlung von Luft dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Prinzip der Wärme-und Kühl maschine komprimierter Luft Wärme entzogen und diese Wärme expandierter Luft zugeführt wird, wobei das Komprimieren und Expandieren in Rotationsmaschinen unter Anweddung der Massenkraft der Luft erfolgt, ohne daß die Luftströme Im Laufe des Prozesses vorübergehend in feststehende Teile übertreten, und die Wärmeübertragung innerhalb des rotierenden Teils der Maschine erfolgt.

2. Gerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Luft, der Wärme entzogen werden soll, in dem achsfernen Teil des Läufers durch Kanäle (4) in axialer Richtung verlaufend geleitet wird und am Ein- und Austritt unter Verringerung des Abstandes von der Achse in tangentialer Richtung so umgelenkt wird, daß sie am Eintritt in die Maschine gepumpt wird und beta Austritt Arbeit an die Maschine abgibt.

3. Gerät nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die zu erwärmende Luft in dem achsfernen Teil durch Kanäle (5) geleitet wird, die schraubenförmig verlaufen, so daß die Luft bei Rotation der Maschine in axialer Richtung strömt, wobei am E1n- und Austritt def Abstand von der Achse größer ist und die Richtung der Kanäle von der Schraubenform dahingehend abweicht, daß beim Eintritt Arbeit von der Luft an die Maschine abgegeben wird und beim Austritt die Luft wieder verdichtet wird.

4. Gerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Luft, der Wärme entzogen werden soll, in den achsfernen Teil durch Kanäle (9) geleitet wird, die schraubenförmig verlaufen, u.zw. so, daß die Drehgeschwindigkeit der Luft in den Kanälen höher als die Drehgeschwindigkeit der Maschine ist, während die Kanäle am Eintritt und Austritt unter Verringerung des Abstandes von der Achse in tangentialer Richtung so umgelenkt werden, daß die Luft am Eintritt in die Maschine gepumpt wird und beim Austritt Arbeit an die Maschine abgibt.

5. Gerät nach Anspruch 1 und 4 dadurcch gekennzeichnet, daß die zu erwärmende Luft in dem achsfernen Teil des Läufers durch Kanäle (11) geleitet wlrd, die schraubenförmige Kanäle (9) für die abzukühlende Luft umschließen, so daß bei geeigneter Geschwindigkeit des Luftstromes eine rein axiale Bewegung des Luftstromes entsteht, während am Ein-und Austritt der Abstand von der Achse größer ist und die Richtung der Kanäle von der Schraubenform dahingehend bweicht, daß beim Eintritt Arbeit an die Maschine abgegeben wird und beim Austritt die Luft verdichtet wird.

6. Gcrät nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die zu erwärmende Luft und die abzukühlende die Wärme-übertragungsflächen im wesentlichen in entgegengesetzter Richtung strömend berühren.