DE2155719C3 - Gaskältemaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gaskältemaschine mit einer Verdichter- und Expansionseinheit und gasseitig zwischengeschaltetem Kühler, wobei die Verdichter- und Expansionseinheit aus einem Statorgehäuse mit parallelen im Abstand zueinander angeordneten Stirnflächen sowie einem in diesem drehbar gelagerten zylindrischen Rotor mit einer Mehrzahl radial verschiebbarer, dichtend an der Innenwandung des Statorgehäuses anliegender Flügel besteht und wobei die Innenwandung des Statorgehäuses bezüglich der Außenfläche des Rotors so ausgebildet ist, daß die zwischen den Flügeln gebildeten Kammern bei Drehung des Rotors ihr Volumen verändern, und Einlaß und Auslaß des Kühlers im Bereich kleinster Kammervolumina liegen.

Diese vorbekannte Gaskältemaschine (DF-PS

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65 6 55 201) besitzt ein zylindrisches Statorgehäuse, in dem ein Rotor mit radial angeordneten und in radialer Richtung verschiebbaren Flügeln exzentrisch zur Statorgehäuseachse drehbar gelagert ist Auf der einen Seite des Rotors wird das Volumen der in den Kammern eingeschlossenen Luft verringert und in den Wärmetauscher gepumpt, durch den es mit im wesentlichen konstantem Druck strömt und dabei die Verdichtungswärme abgibt. Aus dem Wärmetauscher strömt die Luft auf die Expansionsseite des Rotors, wo sie auf dem Weg zur Ausstroßöffnung expandiert Auf dem Umfang des Statorgehäuses ist eine Ausstoßöffnung angeordnet, aus der die entspannte Kaltluft aus dem Statorgehäuse durch die Fliehkraft und durch die Rotorflügel ausgestoßen wird. Die Ansaugöffnung für die zu verdichtende Frischluft ist gegenüber dem äußeren Zylinderdurchmesser des Statorgehäuses nach innen zurückgesetzt in einer Stirnwand des Gehäuses angeordnet Zur ausreichenden Füllung der Rotorkammern wird auf der Gaseinlaßseite ein Gebläse verwendet Die Kammervolumen sowohl auf der Einlaß- als auch auf der Auslaßseite des Wärmetauschers sind gleich groß. Zum Ausgleich der Volumenveränderung des komprimierten Gases in dem Wärmetauscher durch die dort erfolgende Temperaturverringerung ist auf der Einlaßseite des Wärmetauschers der Querschnitt der Einlaßöffnung vergrößert ausgebildet. Dadurch et folgt bereits vor dem Einströmen der verdichtenden Gase in den Wärmetauscher eine Volumenvergrößerung, die aber erst im Verlaufe der Durchströmung durch den Wärmetauscher infolge der Abkühlung wieder kompensiert wird. Hierdurch ergibt sich am Eingang des Wärmetauschers ein Rückstau, der den Wirkungsgrad der Gaskältemaschine wesentlich vermindert. Da auf diese Weise eine Expansion der Gase im Wärmetauscher erfolgt, fehlt die dadurch frei werdende Energie auf der Expansionsseite des Rotors, um einen Teil der Kompressionsarbeit kompensieren zu können.

Ein bekannter Kreiskolbenmotor (US-PS 30 57 157) besitzt einen Stator mit ovalem Querschnitt, in dem ein zylindrischer Rotor mit zu der Statorwandung vorstehenden federnd gehaltenen Flügeln angeordnet ist. Auf der einen Seite der kleinen Halbachse sind die Ansaug- und Ausstoßöffnungen und auf der anderen Seite die Einlaß- und Auslaßöffnungen für eine Verbrennungskammer angeordnet. Die durch die Ansaugöffnung angesaugten Gase werden auf der Kompressionsseite verdichtet und in die Verbrennungskammer abgegeben. In der Verbrennungskammer erfolgt durch eine Brennstoffverbrennung eine Druckerhöhung, die auf der Expansionsseite zur Arbeitsgewinnung abgebaut wird. Auch bei diesem Rotationsmotor sind die Kammervolumen auf der Kompressions- und Expansionsseite gleich groß. Bei einer Umkehrung dieses Prinzips einer Verbrennungsmaschine ergäben sich die gleichen Nachteile wie bei der eingangs genannten Gaskältemaschine.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs genannte Gaskältemaschine so zu verbessern, daß bei der Verwendung des umgekehrten Brayton-Zyklus ein wesentlich verbesserter Wirkungsgrad über einen großen Drehzahlbereich erzielbar ist.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß das Volumen der zu Beginn der Expansion

it dem Kühlerauslaß verbundenen Kammer, die von den Flügeln gebildet wird, um einen vom Kühlvorgang abhängigen Betrag kleiner als das Volumen der nach der

Kompression mit dem Kühlereinlaß verbundenen Kammer ist

Durch die Erfindung ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine Gaskältemaschine mit wesentlich geringeren Abmessungen in kompakter Bauweise auszuführen. Es hat sich auch gezeigt, daß eine Volumenverkleinerung der Kammern auf der Expansionsseite zur Ausgleichung der Gasvolumenverringerung durch die Kühlung im Wärmetauscher eine wesentliche Verringerung des Geräuschpegels der Gaskältemaschine ergibt, ι ο

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im nachfolgenden sind an Hand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Die Zeichnung zeigt in

F i g. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer Gaskältemaschine,

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Rotor und Stator einer bevorzugten Ausführungsform,

Fig.3 eine graphische Darstellung des P-V-Diagramms der in F i g. 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform,

Fig.4 eine graphische Darstellung des T-S-Diagramms der bevorzugten Ausführungsform nach F i g. 2,

F i g. 5 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch den Rotor und Stator einer anderen Ausführungsform einer Gaskältemaschine mit schematischer Darstellung einer bewegbaren Wärmeaustauscher-Auslaßöffnung,

Fig.6 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Rotor und Stator nach einer weiteren Ausführungsform mit einem einstellbaren Gleitermittel innerhalb des Rotorkerns zur Zuführung eines gekühlten Flußmediums zu der Expansionsseite der Vorrichtung,

F i g. 7 eine entsprechende Darstellung durch einen Rotor und Stator einer anderen Ausführungsform, wobei die Rotorachse exzentrisch gelagert ist und

F i g. 8 einen schematischen Schnitt durch den Rotor und Stator einer weiteren Ausführungsform, bei der der Rotor innerhalb eines unsymmetrischen Stators in Stellung gebracht ist

Im nachfolgenden ist die Arbeitsweise der Gaskältemaschine beschrieben. In F i g. 1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer Gaskältemaschine mit den zugehörigen wesentlichsten Komponenten gezeigt Der Stator 1 ist so ausgeführt, daß die Stirnwände genau parallel liegen. Der Querschnitt des Innenraumes des Stators 1 hat eine elliptische Form. Der Stator 1 ist mit einer Reihe von Durchlässen versehen, welche derart angeordnet sind, daß durch sie Luft zum richtigen Zeitpunkt hindurchtreten kann. Der Rotor 4 ist mit einer Reihe von Schlitzen 5 ausgerüstet, die in axialer Anordnung an dem Stator vorgesehen sind und die der Aufnahme von Flügeln 6 dienen. Die Schlitze sind symmetrisch rund um die Umfangsfläche des Rotors verteilt, und in die Schlitze sind die Flügel 6 gleitend eingepaßt Die Flügel werden dauernd während der Drehbewegung des Rotors an der Statoriiinenwand anliegend gehalten, was über einen außerhalb des Kernes 7 des Rotors wirkenden Druck geschieht. In F i g. 1 sind die beiden Endplatten des Stators nicht gezeigt, welche mit Lagern und Abdichtungen für die Welle versehen sind und die die Rotor-Flügel-Anordnung innerhalb des Stators in herkömmlicher Weise fest zusammenhalten. Der gerippte rohrartige Wärmeaustauscher 8 ist unmittelbar oder aber über ein nicht dargestelltes einfaches Rohrsystem direkt mit dem Einlaß 9 und dem Auslaß 10 der Öffnungen, welche in den Stator eingebracht sind, verbunden.

Der in F i g. 1 schematisch gezeigte Luftkanal 11 ermöglicht die Trennung der mit dem Pfeil 12 gekennzeichneten ankommenden Warmluft von der gekühlten Luft, die mit dem Pfeil 13 angedeutet ist und zu dem zu kühlenden Raum fließt

Der Rotor 4 wird von einer äußeren Energiequelle Rngetrieben, wobei in der nachfolgenden Beschreibung von einer entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn verlaufenden Drehrichtung ausgegangen wird. Die eingesaugte Luft fließt in einen mit VNLT bezeichneten, sich drehenden Flügelsegmentraum unter atmosphärischem Druck ein und die Ausdehnung des Raumsegmentes WVL 7* ist hierbei so definiert daß dieses Raumsegment zwischen dem in Drehrichtung führenden Flügel 14 und dem rückwärtigen Flügel 15 liegt Wenn sich der Rotor insgesamt um 360°IZ dreht, wobei Z die Anzahl der Flügel ist d. h. bei der dargestellten 8-Flügel-Anordnung um 45°, erfolgt eine Bewegung des Gasvolumens von dom Raum VNLT zu dem Kompressionsvolumen, das mit VOC bezeichnet ist wobei ein maximales Volumen erreicht ist. Die rückwärtige Kante des Flügelsegmentes VOC ist durch den Flügel 15 gegeben, wenn dieser gerade die letzte Einlaßöffnung 3 passiert, bzw. die in F i g. 2 dargestellte Stellung einnimmt

Während einer weiteren Drehung um 45° wird das Flügelvolumensegment auf das Wärmeaustauschervolumen komprimiert, wobei die Kompressionsseite in den Figuren mit den Buchstaben VHXC gekennzeichnet ist. Zu diesem Zeitpunkt passiert der vordere Flügel 16, der das Raumvolumen VHXC begrenzt die Einlaßöffnung 9 des Wärmeaustauschers, und die komprimierte Luftmenge wird aus dem Volumensegment VHXQ wenn der Rotor seine Drehung um weitere 45° fortsetzt, ausgestoßen und in den Wärmeaustauscher 8 geleitet. Etwas komprimierte Luft wird hierbei über den Totraum V90C geleitet, welcher zwischen den Einlaßöffnungen 9 und den Auslaßöffnungen 10 des Wärmetauschers liegt. Die Kompressionswärme der Luft wird beim Durchgang durch den Wärmeaustauscher zum großen Teil abgegeben.

Während der Kompression auf der in Fig.2 gezeigten linken Seite ist das erste Flügel-Volumensegment auf der rechten Seite des Stators durch den Flügel 17 und den Flügel 18 definiert wobei diese Seite als die Volumen-Expansionsseite mit VHXE bezeichnet ist. Diese Seite nimmt die abgekühlte Luft aus dem Wärmeaustauscher auf. Die in dem Volumen VHXE enthaltene gekühlte Luft wird nunmehr entspannt und hierbei weiter abgekühlt, während das Volumen VHXE während der weiteren Drehbewegung um 45° des Volumensegmentes sich entspannend in eine Stellung gelangt, die als Expansionsvolumen mit VOJibezeichnet ist, das durch den vorderen Flügel 19 und den rückwärtigen Flügel 18 eingeschlossen ist. In diesem Entspannungsprozeß wird ein großer Teilbetrag der vorher aufgewendeten Kompressionsarbeit zurückgewonnen, die auf der linken Seite des Stators erforderlich ist.

Bei den nächsten 90° der Drehbewegung bewegt sich das Volumensegment von VOE zu dem mit VOLT bezeichneten Entspannvolumen, wodurch die gekühlte Luft durch die Auslaßöffnungen 20 in den zu kühlenden Raum ausgebracht wird.

Eine vollständige Umdrehung des Rotors 4 leitet eine Luftmenge über einen offenen Kühlzyklus, wie er durch die Linie a-b-c-d-e- f-g-a in den Fig. 3 und 4

gezeigt ist. Während einer 360°-Drehung führt die Gaskältemaschine die folgenden Arbeitsschritte aus:

1. Ansaugen der Außenluft,

2. Kompression und Erwärmung der Luft,

3. Pumpen der heißen Luft durch den Wärmeaustauscher und damit Abkühlung der Luft,

4. Entspanr η der unter relativ hohem Druck stehenden kühleren Luft auf Atmosphärendruck, weitere Absenkung der Temperatur und Zurückgewinnung von Kompressionsarbeit und

5. Ausstoßen und Umwälzen der gekühlten Luft innerhalb des zu kühlenden Raumes.

Die vorliegende Erfindung besteht nun in einer Verringerung des Kammervolumens auf der Expansionsseite (VHXE- Kompensation).

Eine derartige Kompensation besteht in der Verkleinerung der Hauptachse 120 der Expansionsseite des Stators, um einen solchen Betrag, daß VHXE den richtigen Wert erhält (F i g. 8).

Ein anderes Verfahren der Kompensation zur Vergrößerung der Dichte der Luft nach dem Verlassen des Wärmeaustauschers besteht in der X- Y-Verschiebung der Rotorachse von der Mitte des Stators in eine Stellung 121, wodurch VHXE um den erforderlichen Betrag verringert werden kann. Diese Methode ist in F i g. 7 angedeutet.

Ein Verfahren zur variablen Kompensation von VHXE ist mit der in Fig.5 gezeigten Anordnung

erreichbar. Diese Variante der Vorrichtung ist so ausgelegt, daß die Wärmeaustauscherauslaßöffnung 200 seitlich verschoben werden kann, wodurch die Kompensierung von VHXE zum Ausgleich der Dichte-Unterschiede und zur Aufrechterhaltung maximaler Nutzleistung gewährleistet wird. Die Auslaßöffnungen 200 können entweder an den nicht dargestellten Endpiatten oder an der Statorwandung 201 vorgesehen sein, wobei eine im wesentlichen flache Sektion 202 in das Innere der Statorwandung in der Nähe der Wärmeaustauscherauslaßöffnung eingebracht ist, wodurch die Gleitbewegung und die Abdichtung erleichtert wird. Diese gleitend örtlich veränderbare öffnung kann mit einer einfachen Druckdosenanordnung 203 gesteuert werden (oder auch mit irgendeinem anderen bekannten Hilfsmittel, welches für derartige Vorgänge geeignet ist).

Es soll schließlich noch hervorgehoben werden, daß der Stator der beschriebenen Vorrichtung als Rotor ausgelegt sein kann und umgekehrt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gaskältemaschine mit einer Verdichter- und Expansionseinheit und gasseitig zwischengeschaltetem Kühler, wobei die Verdichter- und Expansionseinheit aus einem Statorgehäuse mit parallelen im Abstand zueinander angeordneten Stirnflächen sowie einem in diesem drehbar gelagerten zylindrischen Rotor mit einer Mehrzahl radial verschiebbarer, dichtend an der Innenwandung des Statorgehäuses anliegender Flügel besteht und wobei die Innenwandung des Statorgehäuses bezüglich der Außenfläche des Rotors so ausgebildet ist, daß die zwischen den Flügeln gebildeten Kammern bei Drehung des Rotors ihr Volumen verändern, und Einlaß und Auslaß des Kühlers im Bereich kleinster Kammervolumina liegen, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der zu Beginn der Expansion mit dem Kühlerauslaß (10) verbundenen Kammer (VHXE), die von den Flügeln (17, 18) gebildet wird, um einen vom Kühlvorgang abhängigen Betrag kleiner als das Volumen der nach der Kompression mit dem Kühlereinlaß (9) verbundenen Kammer (VHXC)IsL

2. Gaskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenänderung der mit dem Kühlereinlaß und dem Kühlerauslaß verbundenen Kammern (VHXC, VHXE) durch Verschiebung der Lagerung des Rotors (121) zur Expansionsseite des bezüglich der Kompressions- und Expansionsseite symmetrisch ausgebildeten Statorgehäuses erreicht wird.

3. Gaskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenänderung der mit dem Kühlereinlaß und dem Kühlerauslaß verbundenen Kammern (VHXC, VHXE) dadurch erreicht wird, daß bei gemeinsamer Rotor- und Statorachse der Abstand (120) zwischen Rotoraußenfläche und Statorinnenwand auf der Expansionsseite kleiner als auf der Kompressionsseite ist.

4. Gaskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenänderung der mit dem Kühlereinlaß und dem Kühlerauslaß (200) verbundenen Kammern (VHXC, VHXE) durch Verschiebung des Kühlereinlasses oder des Kühlerauslasses in Richtung zur Kompressionsseite hin erreicht wird.