DE2227189A1

DE2227189A1 - Thermodynamisches Verfahren sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2227189A1
Application number: DE19722227189
Authority: DE
Inventors: Clifford Mc Donald Eindhoven Hargreaves (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-06-14
Filing date: 1972-06-03
Publication date: 1972-12-28
Also published as: NL7108157A; CA964071A; FR2141904B1; FR2141904A1; US4117695A; GB1391206A

Description

PHN.5660. BOSS/EVH.

Br.

temtiv: M, Y. Philips' Gloeilampenfabriekeo

Ate»NaJ pHH- 5660 —ig^m* 1. Juni 1972

"Thermodynamisches Verfahren sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens".

Die Erfindung betrifft ein thermodynamisches Verfahren sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens₀

Aus der U.S. Patentschrift 2.^51 „873" sind ein thermodynamisches Verfahren und eine Anordnung zu Heizawecken bekannt, wobei ein gasförmiges Medium einem um eine Well© rotierenden Läuferelement zugeführt und innerhalb des Läuferelements zunächst im wesentlichen in radialer Richtung von der Rotationswelle aus durch einen Korapressionskanal hindurchgeführt wird, in dem das Medium durch Zentrifugalwirkung komprimiert und ihm dabei Kempresaionswärme entzogen wird, wonach das Medium im Lauferelement im wesentlichen in radialer Richtung zur Rotationswelle durch einen Espansioas-

209853/0675

kanal hindurchgeführt wird, in dem das Medium entgegen der Zentrifugalwirkung expandiert, und wobei dem Medium Wärme zugeführt wird, xtfonach es aus dem Läuferelement abgeleitet wird ·

Die bei der Kompression des Mediums freiwerdende Kompressionswärme wird hier zur eigentlichen Erwärmung des zu erwärmenden Objekts benutzt.

Dem expandierenden Medium wird Wärme ztigeführt, um die infolge der Expansion auftretende Temperatursenkung des Mediums einzuschränken.

Da die Mediumtemperatur im Expansionskanal niedriger als im Kompressionskanal ist und weil demzufolge die Mediumdichte im ersten Fall grosser ist, ist unter den Mediumströmungsbedingungen der Druckgradient infolge der Zentrifugalkräfte über dem Expansionskanal grosser als der über dem Kompressionskanale Hieraus geht ein Druckunterschied hervor, der sich entgegen der Strömungsrichtung bemerkbar macht. Um MediumstrSmung in Richtung vom Kömpressions- zum Expansions- raun· aufrechtzuerhalten, muss der Druck im Mediumeinlass des Läuferelements soviel höher sein als der im Mediumauslass, dass der genannte Druckunterschied sowie die Mediumreibimgsverluste im Lfefarelement überwunden werden. Bei dieser bakannteii Anordnung isfc daher ein Kompressor vorhanden, der den eriToiiepllohen Druckunterschied zum Pumpen der Mediuuuuenge lioferi*

Die vorliegende Erfindung bezweckt, ein Verfahren zu schaffen^ das die bekannte thermodynamisehe Anordnung einen ganz anderen Zweck erfüllen lÄsst, und es ermöglicht, diese

209853/0675

Anordnung auf vorteilhafte Weise für allerhand Anwendungen zu benutzen, in denen die Anordnung eine völlig andere ' Funktion erfüllt.

Das erfindungsgemässe Verfahren weist dazu das Kennzeichen auf, dass dem Medium soviel Wärme zugeführt wird, dass die Mediumtemperatur im Expansionskanal immer höher ist als die Mediumtemperatur im Kompressionskanal, und dass bei der hervorgerufenen kleineren Mediumdichte im Expansionskanal als im Kompres§ionskanal durch die Zentrifugalwirkung Mediumströmung im Läuferelement in Richtung vom Kompressions- zum Expansionskanal erzeugt wird.

Auf diese Art und Weise ist erreicht, dass die thermodynamische Anordnung zu einer Pumpanordnung bzw. einem Kompressor geworden ist, dessen Wirkung auf der erzwungenen Konvektion von Medium vom Kompressions- zum Expansionskanal durch Zentrifugalwirkung in beiden Kanälen auf Medium mit unterschiedlicher Dichte mit der grössten Dichte im Korn- ' pressionskanal beruht, was im Gegensatz zu der bekannten Anordnung steht.

Wird nun bei dem in der U.S. Patentschrift 2.451.873 beschriebenen thermodynamisehen Verfahren der thermodynamisehen Anordnung durch einen Kompressor komprimiertes Medium geliefert, so ist nun die thermodynamische Anordnung entsprechend der Erfindung selbst ein Kompressor geworden.

In bezug auf bekannte Pumpanordnungen bzw, Kompressionsanordnungen hat die vorliegende thermozentrifugale Konvektionspumpanordnung allerhand Vorteile, Die Nachteile üblicher Kolbenverdrängerpumpen, wie

2098 5 3/0675

t-rin ·

Grössenabraessungen und hohes Gewicht, Weglecken von OeI vom GehSuse zum Arbeitsraum usw. sind hier nicht vorhanden. Im Vergleich zu beispielweise Turbinenpumpen sind die Strömungsyerluste im vorliegenden Fall gering, da die Strömungsgeschwindigkeit durch die Kanäle verhältnisniässig niedrig ist, obwohl die Rotationsgeschwindigkeit des Läuferelements gross ist.

Ausserdem kann bei der vorliegenden Purapanordnung durch die guten Gewichtsausgleichsmöglichkeiten der Lärm- und Schwingungspegel sehr niedrig gehalten werden.

Bei den üblichen Pumpanordnungen ist die Kompression ausserdem ganz und gar nicht isotherm, was bedeutet, dass der Wirkungsgrad bei Anordnungen mit hohen Kompressionsverhältnissen niedrig ist. Mit der vorliegenden thermozentrifugalen Konvektionspumpanordnung mit der grosse Kompressionsverhältnisse verwirklicht werden können, da grosse zentrifugale Beschleunigungen, beispielsweise um einen Faktor 2.10 grosser als die Beschleunigung der Schwerkraft, bei den erreichbaren hohen Drehzahlen des Läuferelements erzeugt werden können ist der Wirkungsgrad dennoch hoch. Dies rührt daher, dass im Gegensatz zum Kompressionsraum üblicher Kompressoren, in dem sich Mrvr«gende Teile befinden, so dass keine wärmeübertragenden Oberflächen von Bedeutung vorgesehen werden können, dies im vorliegenden Fall möglich ist.

Das Kompressionsverhältnis kann weiter durch Vergrösserung des Temperaturunterschieds zwischen Expansionsund Kompressionskanal erhöht werden. Das Kompressionsverhältnis nimmt für einen gegebenen Temperaturunterschied

209853/0675

um so mehr zu, je mehr der mittlere Temperaturpegel des Mediums sinkt und mithin die mittlere Mediumdichte ansteigt.

Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete thermodynamische Anordnung, die zumindest ein um eine Welle rotierbares und für gasförmiges Medium durchströmbares Läuferelement enthält, mit einem auf oder nahe der Rotationswelle liegenden Mediumeinlass, der in Durchströmungsrichtung gesehen mit einem auf oder nahe der Rotationswelle liegenden Mediumauslass über nacheinander einen sich im wesentlichen in einer Querrichtung zur Rotationswelle erstreckenden Kompressionskanal, einen sich im wesentlichen parallel zur Rotationswelle erstreckenden Verbindungskanal und einen sich im wesentlichen in derselben Richtung wie der Kompressionskanal erstreckenden Expansionskanal in Verbindung steht, wobei der Kompressionskanal mit einer Kühlanordnung und der Expansionskanal mit einer Heizanordnung versehen ist·

Die thermodynamische Anordnung ist entsprechend der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Heizanordnung derart ausgeführt ist, dass sie im Betrieb das Medium im Expansionskanal auf einem höheren Temperaturpegel hält ala dem Temperaturpegel des Mediums im Kompr»esionakanal.

Bei der vorliegenden ala Purapanordnung wirksamen thermodynamisehen Anordnung bezweckt die Erfindung ferner, eine optimale Pumpwirkung zu schaffen. Um dies zu verwirklichen, ist entsprechend der Erfindung ein Wärmeaustauscher vorhanden, der einerseits im Mediumauslass und andererseits im Verbindungskanal vorhanden ist und in dem Medium im

209853/0875

Auslass mit Medium im Verbindungskanal Wärme austauschen kann* Auf diese Weise wird erreicht, dass das Medium bei der Ankunft im Expansionskanal die erwünschte Temperatur hat. Durch den Wärmeentzug des Mediums im Auslass wird die Mediumtemperatur an der Stelle auf die Einlasstemperatur zurückgebracht. Hierdurch ist der thermische Wirkungsgrad der Anordnung hoch.

Bei einer günstigen Ausführungsform der thermodynamischen Anordnung entsprechend der Erfindung sind mehrere Läuferelemente vorhanden, deren Rotationswellen in einer gemeinsamen Rotationswelle zusammenfallen, und welche Lauferelemente in einer Kaskadenschaltung zu einem festen Läufergebilde zusammengesetzt sind, wobei sich je von zwei benachbarten Elementen der Mediumauslass des einen Elements an den Mediumeinlass des anderen Elements anschliesst.

Auf diese Art und Weise ist eine Mehrstufenkompressions- bzw, Pumpanordnung erhalten, deren Kompressionsverhältnis proportional der Anzahl von Läufere lenient en ist.

Die Lauferelementβ können in Richtung der gemeinsamen Rotationswelle gesehen beispielsweise alle hintereinander oder teilweise hintereinander und teilweise nebeneinander angeordnet sein. Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform der erfindungsgemässen thermodynamisehen Anordnung sind die Läuferelemente in einer Zylinderform und rotationssymmetrisch um die gemeinsame Rotationswelle herum angeordnet, wobei die Mittenlinien der Mediumkompressionskanäle alle in einer senkrecht zur gemeinsamen Rotationswelle stehenden Fläche liegen, weiche Fläche eine Zylinderendfläche bildet,

209853/0875

— 7 ™" JTiWt

und wobei die Mittenlinien der Mediumexpansionskanäle gleichfalls alle in einer senkrecht zur gemeinsamen Rotationswelle stehenden Fläche liegen, die die andere ZyIinderendfläche bildet. Durch diese Anordnung kann nur eine Kühlanordnung für alle Kompressionskanäle und nur eine Heizanordnung für alle Expansionskanäle ausreichen, statt dass für jeden Kompressions- oder Expansionskanal gesondert eine zugehörige Kühl- bzw« Heiaanordnung verwendet wird.

Durch die Rotationssymmetrie, die die Anordnung aufweist, ist ferner ein guter Gewichtsausglaich der Anordnung gewährleistet, und die Anordnung ist aussardem gedrängt ausgeführt.

Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter AusfUhrungsbeispiele näher erläutert. Es zeigern

Fig. 1 ein Prinzipschema der Pumpanordnung (Fig. 1a) und den Temperaturverlauf beim Betrieb innerhalb dieser Anordnung (Fig. 1b),

Fig. 2.eine Ausführungsform der Pumpanordnung in einem Längsschnitt (Fig. 2a) und in Querschnitten an der Stelle der Linien Ub-IIb (Fig. 2b) und Hc-IIc (Fig. 2c) von Fig. 2a,

Fig. 3 eine andere AusfUhrungsform der Pumpanordnung in einem Längsschnitt (Fig. 3a) und in einem Querschnitt an der Stelle der Linie IHb-IIIb (Fig. 3b) von Fig. 3a, Fig. k eine Ausftihrungsform einer zweistufigen

Kompressionsanordnung, Dabei zeigt Fig. 4a einen Längsschnitt und Fig. kh einen Querschnitt an der. Stelle der Linie IVb-IVb von Fig. IVa, während Fig. ho einen Querschnitt an der

209853/0875

Stelle der Linie IVc-IVc von Fig. 4a wiedergibt und zwar denjenigen Teil, der oberhalb der Horizontalebene durch die Welle der Pumpanordnung liegt,

Fig. 5a ein Prinzipschema eines Mehretufenkompressors, während Fig. 5h eine Ausftihrungsform eines Zwölfstufenkompressors darstellt,

Fig. 6 eine Pumpanordnung, die in einem kälteverarbeitendem Joule-Thomson-Expansionssystem angewendet wird, mit der die Pumpanordnung ein starres und rotierbares Ganzes bildet.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 ein um eine Welle X-X rotierbares Läuferelement bezeichnet, das einen Mediumeinlass 2 und einen Mediumauslass 3 besitzt, die sich nahe der Rotationswelle und parallel dazu erstrecken. Der Mediumeinlass und -auslass stehen über nacheinander einen sich quer zur Rotationswelle erstreckenden Kompressionskanal k_t einen parallel zur Rotationswelle verlaufenden Verbindungskanal 5 und einen quer zur Rotationswelle verlaufenden Expansionskanal 6 miteinander in offener Verbindung, Selbstverständlich können der Kompressions- und Expansion;?- kanal auch andere Winkel als 90° zur Rotationswelle bilden, während der Verbindungskanal, statt parallel zu dieser Welle zu verlaufen, auch einen Winkel dazu bilden kann. Es muss nur dafür gesorgt werden, dass bei der Rotation des Läuferelements die Zentrifugalwirkung sich im Expansions- und Kompressionskanal bemerkbar macht» Dabei wird selbstverständlich ein optimaler Einfluss der Zentrifugalwirkung angestrebt.

209853/0675

Der Kompressionskanal 4 ist mit einer KUhlspirale 7 als Kühlanordnung versehen, während der Expansionskanal 6 mit einer hier durch eine elektrische Heizspirale gebildeten Heizanordnung 8 versehen ist. Ein Wärmeaustauscher 9 ist einerseits im Mediumauslass 3 und andererseits im Verbindungskanal 5 aufgenommen.

Im Betrieb, wenn das Läuferelement 1 um die Welle X-X rotiert, wird dem Mediumeinlass 2 ein gasförmiges Medium zugeführt. Unter Einfluss von radial nach aussen hin in Grosse zunehmenden Zentrifugalkräften wird dieses Medium im Kompressionskanal 4 in zunehmendem Masse komprimiert. Die hierbei freiwerdende Kompressionswärme wird durch die Kühlanordnung 7, nämlich die von einer Kühlflüssigkeit durchflossene Kühlspirale, abgeleitet. Bei Ankunft des komprimierten Mediums im Expansionskanal 6 expandiert es entgegen den mit abnehmendem Radius abnehmenden Zentrifugalkräften, Der Heizanordnung 8 wird nun soviel Wärme zugeführt, dass die Mediumtemperatur im Expansionskanal 6 trotz der Expansion stets höher als im Kompressionskanal 4 bleibt. Die Mediumdichte im Expansionskanal 6 ist kleiner als diejenige im Kompressionskanal 4. Dadurch ist der Druckgradient infolge der Zentrifugalkräfte über dem Kompressionskanal grosser als der über dem Expansionskanal, und dies hat einen Druckunterschied zur Folge, der sich in Strömungsrichtung, also in Richtung vom Kompressionskanal 4 zum Expansionskanal 6 bemerkbar macht. Es tritt mithin eine Pumpwirkung auf, wobei Medium vom Einlass zum Auslass gepumpt wird. Durch die Anwesenheit des Wärmeaustauschers 9 hat die Pumpanordnung

209853/0675

einen hohen thermischen Wirkungsgrad. Da dem Medium im Auslass 3 Wärme entzogen wird, verlässt dieses Medium die Pumpanordnung mit nahezu der gleichen Temperatur, mit der es in den Einlass 2 hineinströmt. Mit der dem Medium im Auslass 3 entzogenen Wärme wird das zum Expansionskanal 6 strömende Medium unterwegs vorerwärmt, so dass es nahezu mit der Expansionstemperatur in den Kanal einströmt, Die mit-der Heizspirale 8 zugeführte Wärme wird auf die beschriebene Art und Weise optimal ausgenutzt. Die Anwesenheit des Wärmeaustauschers macht die Pumpanordnung für praktische Zwecke geeignet.

Fig, 1b zeigt wieder den Temperaturverlauf des Mediums beim Durchlaufen des Läuferelements, wobei die mit den Buchstaben A, B, C und D angegebenen Stellen den Stellen aus Pig. 1a, die mit denselben Buchstaben bezeichnet sind, entsprechen. Die Pumpwirkung bzw. das Kompressionsverhältnis der Pumpanordnung kann bei den vorgegebenen Abmessungen der Anordnung durch eine Erhöhung der Drehzahl und/oder eine Vergrösserung des Temperaturunterschieds zwischen dem Medium im Expansionskanal 6 und dem im Kompressionskanal k erhöht werden. Im letzteren Fall nimmt auch der Unterschied in der Mediumdichte zwischen beiden Kanälen zu.

Bei einem gegebenen Temperaturunterschied zwischen beiden Kanälen nimmt ferner die Pumpwirkung um so mehr zu, je mehr der mittlere Temperaturpegel des Mediums sinkt. Wenn bei einem relativ hohen mittleren Temperaturpegel die Mediumdiohte im Kompressionskanal J°^ und im ICxpansionskanal 0,, ist, so ist die Pumpwirkung proportional dem

2098 5 3/067B

Dichteunterschied />..- J^ , während die Pumpwirkung proportional zu 2 (j⁰*- Pn) is*» ^wenn angenommen wird, dass bei einem verhältnismäßig niedrigen mittleren Temperaturpegel die Mediumdichte im Kompressions- bzw, Expansionskanal 2 yO, bzw, 2/>2 beträgt.

In Fig. 2a ist eine rotationssymmetrische Pumpanordnung dargestellt, wobei fllr die Fig., 1a entsprechenden Einzelteile dieselben Bezugsziffern -benutzt werden. Der Einlass 2 besteht hier aus einem den zentralen Auslass 3 umgebenden Ringkanal,

Wie aus Fig. 2b hervorgeht, sind im vorliegenden Fall mehrere Kompressionskanäle h durch radiale Zwischenwände 20 und ebensoviele Verbindungskanäle 5 durch die Trennwände 21 untereinander getrennt. In konstruktiver Hinsicht sind auf identische Weise wie bei den Kompressionskanälen h mehrere Expansionskanäle 6 vorhanden, was nicht näher dargestellt ist. Die Expansionskanäle 6 münden alle in einen zentralen Auslass 3·

Die radialen Zwischenwände bei den Kompressions- und Expansionskanälen in den Trennwänden zwischen den Verbindungskanälen sind nicht unbedingt notwendig, sie behindern jedoch die Rotation der Mediummasse um die Rotationswelle·

Aus Fig. 2c geht deutlich hervor, dass Medium in den Verbindungskanälen 5 über den Wärmeaustauscher 9 mit dem Medium im zentralen Auslass 3 Wärme austauschen kann. Da die Wirkungsweise der Pumpanordnung nach Fig. 2 gleich derjenigen von Fig. 1 ist, erübrigt sich eine weitere Beschreibung,

Fig. 3a zeigt eine Pumpanordnung, die in grossen Zügen gleich derjenigen von Fig. 2 ist. Für entsprechende

209853/0875

Einzelteile sind dieselben Bezugsziffern verwendet.

Die Kühlanordnung 7 besteht hier aus den für Kühlmittel durchströmbaren Kanälen im Lagerblock 22, der ebenso wie der Lagerblock 23 mit Gaslagern versehen ist. Das Medium in den Kompressionakanälen 4 wird hier mithin über die Gaslagerung gekühlt, während das Medium in den Expansionskanälen 6 mit Hilfe der Brenner 8 erwärmt wird.

Der Wärmeaustauscher 9. ist geschichtet aufgebaut, nämlich aus einer Anzahl von runden Folien aus wärmeleitendem Material, die durch Distanzhalter aus wärmeisolierendem Material im Abstand gehalten werden. Die Folien sind in der Mitte und an den Rändern mit den Oeffnungen 24 bzw. 25 versehen. Dies ist anhand von Fig. 3b veranschaulicht, in der ein Schnitt durch eine Folie an der Stelle der Linie IHb-IIIb von Fig. 3a dargestellt ist. Das durch die Verbindungskanäle 5 strömende und dabei die Oeffnungen 25 passierende Medium nimmt über die Folien Wärme vom Medium auf, das durch den Auslass 3 strömt und dabei die Oeffnungen Zk passiert. Wegen der wärmeisolierenden Distanzhalter findet praktisch kein Wärmetransport zwischen den Folien in axialer Richtung statt.

Die Folien können beispielsweise wegen der guten wärmeleitenden Eigenschaften dieses Metalls aus Kupfer bestehen. Es kommt jedoch beispielsweise auch Aluminim in Betracht, das, obwohl es weniger gut wärmeleitend ist, ein niedrigeres spezifisches Gewicht besitzt, wodurch das Läuferelement 1 in seiner Gesamtheit verhältnismässig leicht ausgeführt sein kann, was in bezug auf die Lagerung und den

209853/0675

- 13 - " PIlN.5660.

Gewichtsausgleich dieses Elements günstig ist. Ein wichtiger Vorteil ist jedoch, dass wegen der kleineren Massenkräfte höhere Umfangsgeschwindigkeiten möglich sind. Selbstverständlich sind allerhand andere Wärmeaustauscher möglich, beispielsweise Gazewärmeaustauscher, wobei Gaze aus draht- oder bandförmigem Material die Folien ersetzen.

Fig. 3c zeigt einen Querschnitt durch die Pumpanordnung nach Fig. 3a an der Stelle der Expansionskanäle 6.

Die Wirkungsweise dieser Pumpanordnung ist gleich derjenigen nach Fig. 2 und bedarf deshalb keiner weiteren-Erläuterung.

In Fig. 4a ist ein aus beiden Läuferelementen I und II aufgebauter rotationssymmetrischer ZweiStufenkompressor dargestellt. Für jedes Läuferelement sind für die dem Läuferelement nach Fig. 1 entsprechenden Einzelteile dieselben Bezugsziffern verwendet, die durch I bzw, II hervorgehoben sind.

Der Mediumeinlass 2 ist zugleich der Kompreesoreinlass, Der Mediumauslass 3 ist mit dem Mediumeinlass 2 verbunden; Der Mediumauslass 3 ist zugleich der Kompressorauslass,

Zwischen dem Verbindungskanal und dem Mediumauslass des Lauferelements I befindet sich ein Wärmeaustauscher 9 * während zwischen dem Verbindungskanal und dem Mediumauslass des Läuferelements II ein Wärmeaustauscher 9 vorhanden

Jedes Läuferelement besitzt analog zu Fig. 2 und 3

ein Vielfaches an Kompressionskanälen k bzw. k _f die untereinander durch radiale Zwischenwände 20 bzw. 20

209853/0675

- 14 - PTIN.5660.

getrennt sind (siehe Fig. 4c , wo dies für das Läufereiement I in einem Querschnitt von Fig. 4a an der Stelle der Linie IVc-IVc dargestellt ist). Daran schliessen sich ebensoviel© untereinander durch Trennwände 21 getrennte Verbindungskanäle 5 an. An die Verbindungskanäle 5 schliesst sich die gleiche Anzahl von Expansionskanälen 6 an, die mit dem Mediumauslass 3 in Verbindung steht. Der als Kompressorauslass dienende Mediumauslass 3 des Läuferelements II ist durch einen zentralen Hohlraum 41 zwischen den beiden Wärmeaustauschern 9 und <? nach aussen geführt, und er ist innerhalb des Hohlraums in bezug auf die erwähnten Wärmeaustauscher durch eine Isolierschicht 22 thermisch isoliert. Die Kompressionskanäle 4 und 4 haben eine gemeinsame Kühlanordnung 7» während die Expansionskanäle und 6 eine gemeinsame Heizanordnung 8 besitzen. Dies ist vorteilhaft und möglich, da die Kompressionskanäle beider Lauferelementβ alle in einer gemeinsamen Fläche liegen, während für die Expansionskanäle das Gleiche gilt. Durch eine Reihenschaltung zweier Läufereiemente wird der Pumpdruck verdoppelt. Dies leuchtet ein, wenn man bedenkt, dass die in den gesonderten Lauferelementen zwischen den Kompressions- und Expansionskanälen erzeugten Mediumdruckunterschiede Δρ wegen der Reihenschaltung summiert werden.

Eine Erweiterung der vorliegenden Anordnung auf einen Kompressor mit mehr als zwei Stufen unter Beibehaltung der Rotationssymmetrie mit einem guten Gewichtsausgleich und unter Verwendung nur einer Kühl- bzw. Heizmordnung ist dadurch möglich, dass die Läuferelemente in einer

209853/0675

- 15 - PHN.5660.

Zylinderform angeordnet werden, wie in Fig. 5a auf schematische Weise und der Deutlichkeit halber für nur einige der den Zylinder bildenden Lauferelemente angegeben ist.

Fig. 5b zeigt eine Seitenansicht eines auf diese Weise ausgeführten 12-Stufenkompressors, wobei der als Kompressorauslass wirksame Mediumauslass 3 ausserhalb des Zylinders an der Seite mündet, wo die Expansionskanäle 6 liegen, während sich der Mediumeinlass 2 an der Seite der Kompressionskanäle k befindet.

Fig. 6 zeigt eine Kälteerzeugungsanordnung, bei der ein Medium in einem geschlossenen Leitungssystem einen thermodynamischen Kreislauf durchläuft. Teil A bildet die Pumpanordnung,die in diesem Fall von dem in Fig; 3a dargestellten Typ ist, während Teil B das Kälteerzeugungssystem bildet. Für die Pumpanordnung sind für die entsprechenden Einzelteile wie in Fig. 3a dieselben Bezugsziffern verwendet. Die Teile A und B sind fest miteinander verbunden, und sie bilden ein starres rotierbares Gefüge, das über einen nicht dargestellten Antrieb auf hohen Drehzahlen rotieren kann. Das Kälteerzeugungssystem ist ein Joule-Thornson-System mit einer sich an den Mediumauslass 3 der Pumpanordnung anschliessenden Zufuhr für Hochdruckmedium 60, einem auf der Rotationswelle liegenden Joule-Thomson-Expansionshahn 61 und einer Abfuhr für Niederdruckmedium 62, die sich an den Mediumeinlass 2 der Pumpanordnung anschliesst. Zwischen der Zufuhr 60 und der Abfuhr 62 befindet sich ein Wärmeaustauscher 63» in dem expandiertes, verhältnismässig kaltes Medium in der Abfuhr 62 Hochdruckmedium in der Zufuhr 60

209853/0675

- 16 - PHW.5660.

vorkUhlen kann, bevor dieses Medium im Joule-Thomson-Expansionshahn 61 expandiert.

An der Stelle des Ausgangs des Joule -Thamson-IIahns ist ein Gefrierer 6h vorhanden, durch den hindurch dem Medium die durch die Expansion erzeugte Kälte für externe Ktihlungszwecke entzogen werden kann.

Im Betrieb besitzt der Gefrierer 6h eine Kuhltemperatur T₁, der Kompressionskanal h der Pumpanordnung, dem Mediumkompressxonswärme entzogen wird, eine höhere Kompressionskanaltemperatur T und der Expansionskanal 6, dem von aussen Wärme zugeführt wird, eine noch höhere Expansionskanaltemperatur Tp.

Für nicht allzu niedrige Kühltemperaturen kann beispielsweise Neon, Argon, Stickstoff oder Krypton als Medium verwendet werden, während für niedrige Kühltemperaturen

3 beispielsweise Wasserstoff, Helium oder das Isotop He gewählt werden kann»

Bei verhältnismässlg hoher Kühltemperatur kann die Abfuhr der Kompressionswärme aus dem Kompressionskanal h beispielsweise mittels Luftkühlung erfolgen, während bei verhältnismässig niedrigen Kühltemperaturen beispielsweise flüssiger Stickstoff verwendet werden kann, um die verhältnismässig niedrige Kompressionskanaltemperatur beizubehalten.

Die Kälteerzeugungsanordnung bildet ein hermetisch geschlossenes System ohne Abdichtungen. In solchen Fällen, in denen nur die Pumpanordnung rotiert, sind selbstverständlich Abdichtungen notwendig. Um die Pumpanordnung in diesen Fällen universell anwendbar zu machen, können möglicherweise

20 9 8 53/0675

- 17 - PIiN. 5660.

ferrofluidische Abdichtungen zwischen den mit hoher Drehzahl rotierenden und den stationären Kontruktionsteilen verwendet werden. Dabei werden unter Einfluss eines Magnetfelds Ringe einer magnetischen Flüssigkeit in ringförmigen Spalten quer zur Rotationswelle zwischen dem auf dem stationären und dem rotierenden Konstruktionsteil befestigten und zueinander hin gekehrten magnetischen Elementen eingeschlossen. Die Flüssigkeitsringe bilden somit Spaltabdichtungen (industrial Research, Oktober 197Ot "Progress in ferrohydrodynamics").

Im Rahmen der Erfindung sind ausser den dargestellten Ausführungsformen der Pumpanordnung selbstverständlich allerhand andere Ausführungsformen möglich.

209853/0675

Claims

PATENTANSPRÜCHE t

11,J Thermodynamisches Verfahren, bei dem einem um eine Welle rotierenden Läuferelement gasförmiges Medium zugeführt wird, das im Läuferelement zunächst im wesentlichen in radialer Richtung von der Rotationswelle aus durch einen Kompressionskanal geführt wird, in dem das Medium durch Zentrifugalwirkung komprimiert und wobei ihm Kompressionswärme entzogen wird, wonach das Medium innerhalb des Läuferelements im wesentlichen in radialer Richtung durch einen Expansionskanal hindurch zur Rotationswelle geführt wird, in welchem Kanal das Medium entgegen der Zentrifugalwirkung expandiert und wobei ihm Wärme zugeführt wird, wonach das Medium aus dem Läuferelement abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Medium soviel Wärme zugeführt wird, dass die Mediumtemperatur im Expansionskanal immer höher als die Medi unit emperatur im Kompressionskanal ist, und dass bei der hervorgerufenen kleineren Mediumdichte im Expansionskanal als im Kompressionskanal durch die Zentrifugalwirkung Mediumströmung im Läuferelement in Richtung vom Kompressions- zum Expansionskanal erzeugt wird._; 2, Thermodynamische Anordnung, geeignet zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit zumindest einem um eine Welle rotierbaren und für ein gasförmiges Medium durchströmbaren Läuferelement mit einem auf oder nahe der Rotationswelle liegenden Mediumeinlass, der in DurchstrBmungsrichtung gesehen mit einem auf oder nahe der Rotationswelle liegenden Mediumauslass über nacheinander einen sich im wesentlichen

209853/0675

in einer Querrichtung zur Rotationswelle erstreckenden
Kompressionskanal, einen sich im wesentlichen parallel zur Rotationswelle erstreckenden Verbindungskanal und einen
sich im wesentlichen in der gleichen Richtung wie der Kompressionskanal erstreckenden Expansionskanal in Verbindung ♦steht, wobei der Kompressionskanal mit einer Kühlanordnung und der" Expansionskanal mit einer Heizanordnung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizanordnung derart ausgeführt ist, dass sie im Betrieb das Medium im Expansionskanal auf einem höheren Temperaturpegel als dem Temperaturpegel des Mediums im Kompressionskanal hält.

3. Thermodynamische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet_r dass ein Wärmeaustauscher vorhanden ist,
der sich einerseits im Mediumauslass und andererseits im
Verbindungskanal befindet und in dem Medium im Auslass mit Medium im Verbindungskanal Wärme austauschen kann.

4. Thermodynamische Anordnung nach Anspruch 2 oder 3_f
dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Läuferelemente vorhanden sind, deren Rotationswellen in einer gemeinsamen
Rotationswelle zusammenfallen, und welche Lauferelemente

in einer Kaskadenschaltung zu einem ortsfesten Läufergefüge zusammengesetzt sind, wobei sich je von zwei benachbarten
Elementen der Mediumauslass des einen Elements an den Mediumeinlass des anderen Elements anschliesst.

5. Thermodynamische Anordnung nach Anspruch h_f dadurch gekennzeichnet, dass die Lauferelemente in einer Zylinderform und rotationssymmetrisch um die gemeinsame Rotationswelle herum angeordnet sind, wobei die Mittenlinien der

209853/0675

Mediumkompressionskanäle alle In einer senkrecht zur gemeinsamen Rotationswelle stehenden Fläche liegen, die eine Zylinderend.f lache bildet, und wobei die Mittenlinien der Mediumexpansionskanäle gleichfalls alle in einer senkrecht zur gemeinsamen Rotationswelle stehenden Fläche liegen, die die andere Zylinderendfläche bildet.

2 0 9 8 5 3/0675