DE2729134A1

DE2729134A1 - Vorrichtung mit einem hohlfoermig ausgebildeten rotor

Info

Publication number: DE2729134A1
Application number: DE19772729134
Authority: DE
Inventors: Johannes Los; Jaap Wind
Original assignee: Ultra Centrifuge Nederland NV
Current assignee: Ultra Centrifuge Nederland NV
Priority date: 1976-06-28
Filing date: 1977-06-28
Publication date: 1978-01-05
Also published as: IN147066B; NL7607040A; BR7704198A; GB1575684A; AU509733B2; AU2566377A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit wenigstens einem Roter, der in einem Gehäuse angeordnet ist, innerhalb dessen ein Strömungsmedium in einem Kreislauf sich derart bewegt, daß es zuerst einer Druckzunahme und anschließend einer Druckabnahme ausgesetzt ist, wobei die Druckänderungen alternierend zu Wärmeaustauschzustandsänderungen auftreten und wobei ein Wärmeaustauschvorgang eine Heizwirkung und ein weiterer Wänneaustauschvorgang eine Kühlwirkung für das Strömungsmedium hervorrufen.

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Derartige Vorrichtungen und Anlagen können auf die verschiedensten Art und Weisen verwendet werden, z.B. als Kühlmaschinen, Wärmepumpen, als Energieerzeugungsanlagen, wie z.B. bei einer Anlage zur Absorption von Sonnenenergie usw.

Die Erfindung zielt darauf ab, eine solche Vorrichtung bzw. Anlage zu verbessern, indem die getrennt Bauweise verstärkt wird, um ihre Einsatzmöglichkeiten zu erweitern.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß der Rotor derart ausgebildet ist, daß er einen hohlförmigen Behälter umfaßt, innerhalb welchem das Medium an einem Ende von einem Punkt in der Nähe der Rotationsachse zentrifugal auf den höchsten Druckwert gebracht wird, bevor es in Wärmeaustauschkontakt mit der Innenwandung des Behälters zu dem anderen Ende gefördert wird, an dem es zentripedal auf den Ausgangsdruckwert in der Nähe der Rotationsachse expandiert, und daß dieser Teil der Außenwandung des Behälters eine so ausgebildete Oberfläche aufweist, daß der Wärmeaustausch mit der Wandung des Gehäuses durch Abstrahlung unterstützt wird.

An der Außenseite weist der Rotor vorzugsweise die Form eines Zylinders auf, der innerhalb eines ungefähr zylindrisch ausgebildeten Gehäuses untergebracht werden kann. Die zuvor angegebene Außenwandung des Rotationsbehälters kann teilweise geschwärzt sein, oder die Oberfläche kann teilweise mit einer fein gerippten oder gitterförmigen Struktur versehen sein. Die letztere kann beispielsweise in den Rotor eingewalzt oder eingepreßt sein, jedoch kann eine derartige Struktur oder ein derartiger Aufbau auch dadurch erzielt werden, daß eine kräftige bzw. stark Faser bzw. ein Faden aus einem Material darum gewickelt wird, welches gute Wärmeleiteigenschaften aufweist, wie z.B. starke Kohlenstoffasern, wobei diese Fäden bzw. Fasern um den Rotor derart gewickelt werden, daß ein Zwischenraum zwischen den Fäden bzw. Fasern freibleibt, der größenordnungsmäßig gleich dem Betrag der Faserdicke ist.

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Derartige Wicklungen bzw. Windungen sind vorzugsweise kreuzförmig angeordnet, so daß sich ein offener Hohlraum (eine Pore) an den Verbindungsstellen jedes Faserpaares bildet. Diese Maßnahmen tragen insbesondere dazu bei, den Wärmeaustausch mit Hilfe der Wärmestrahlung zu verstärken und zu unterstützen.

Ein Teil der Außenfläche des Rotors kann eine stark reflekrende Auflage im Gegensatz zu dem verbleibenden Rest der Außenfläche aufweisen, welcher nicht reflektierend oder wesentlich weniger reflektierend ist.

Die geschwärzte oder entsprechend behandelte Oberfläche konzentriert sich vorteilhafterweise in der Nähe des Endes des Rotors, welches ein zentrifugales Strömungsmuster des Mediums besitzt. Hieraus ergibt sich, daß ein derartiger Wärraegradient längs des Rotors erzeugt wird, daß der im Innenraum des Rotors ablaufende Wärmeprozeß so wirksam wie möglich ausgeführt werden kann. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, das Muster des Verhältnisses von beispielsweise geschwärzter und nicht geschwärzter Fläche in Richtung der Rotorachse um die Außenfläche des Rotors auszuführen, jedoch kann dieses Verhältnis so optimiert werden, daß die Wirkung so günstig wie möglich ist. Dies kann man beispielsweise dadurch erzielen, daß Bänder mit einem höheren thermischen Strahlungsaustauschkoeffizienten und mit z.B. einer konstanten Breite alternierend mit dazwischenliegenden blanken bzw. glänzenden Bändern mit einem kleineren Koeffizienten derart vorgesehen sind, daß aufeinanderfolgende Bänder der letzten Art eine zunehmende Breite besitzen.

Der Rotor kann erforderlichenfalls mit Führungs- und Bewegungsschaufeln und mit Führungs- und Bewegungsdurchlässen ausgestattet sein. Die Führungsdurchlässe können vorteilhafterweise an einer Rohrleitungsanordnung angebracht sein,

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die gleichzeitig zum Einleiten eines Betriebsmittels, wie z_oB. ein Kühlmittel, dient.

Ein Teil des zentripedal expandierten Mediums kann erforderlichenfalls von dem Rotor nach außen abgeführt werden und dort einem Wärmeaustauschvorgang, beispielsweise anstelle des Ablaufens desselben im Innenraum des Rotors unterworfen werden.

Da die Menge des Mediums innerhalb des Rotorbehälters wenigstens bei anderen identischen Betriebsbedingungen konstant bleiben muß, ist es erforderlich, daß wenigstens ein Teil des Mediums, das zentrifugal in dem Rotor verdichtet worden ist, auf ähnliche Art und V/eise von der Außenseite des Rotors bei diesen Anwendungsfällen zugeführt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung an bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Vertikalschnittansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform der in Fig. gezeigten Vorrichtung in Form einer Querschnittsansicht durch die Innenseite eines Rotors, der innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, das mit Wärmeaustauschschlangen ausgerüstet ist;

Fig. 3 zeigt schematisch das Funktionsprinzip gemäß der Erfindung in der allgemeinsten Form;

Fig. 4 ist ein Rotor gemäß der Erfindung, an dessen Außenseite alternierend Bänder aus schwarzem und glänzendem Material angeordnet sind;

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform von Fig. 4, bei der die schwarzen Bänder alle die gleiche Breite besitzen.

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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Gehäuse 1 gezeigt, das einen zylindrischen Rotor 2 aufnimmt, der um eine vertikale Achse drehbar ist. Dieser Rotor ist an der Unterseite über einen Rotorabschnitt 3 in einem Lager 4 abgestützt. Am unteren Ende des Rotorteiles 3 ist ein Rotor 5 eines Elektromotors angebracht, dessen Stator die Bezugsziffer 6 trägt. Die Teile 7 und 8 sind Dichtungen. Die Lager an der Oberseite sind nicht gezeigt. Kühlrippen 9 sind an der Außenseite des Gehäuses 1 angebracht. In der Figur ist gezeigt, daß das obere Ende des Rotors eine geschwärzte bzw.schwarze Oberfläche aufweist, während der untere Teil 11 des Rotors blank bzw. glänzend belassen worden ist.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Rotors in detaillierter Form, der als Wärmepumpe, eine Kühlmaschine oder eine Energieerzeugungseinrichtung verwendet werden kann. Dieses Ausbildungsform des Rotors wird unter der Annahme beschrieben, daß dieser für eine Wärmepumpe in einer Anlage bestimmt ist.

Der Rotor weist hierbei einen äußeren zylindrischen Mantel 12 auf, der an beiden Enden mit den Rotorendwandungen 13 und 14 fest verbunden ist. Die Endwandung 14 trägt eine Lagerbuchse 15, die in einem Endlager 16 abgestützt ist, das in einer Hülse 17 des Abschlußdeckels 18 des Gehäuses festgelegt ist. Die Rotorendwandung 13 ist auf ähnliche Art und Weise mit einem hohlzylindrisch ausgebildeten Teil 19 versehen, jedoch ist die Lagerung hiervon nicht detailliert dargestellt. Innerhalb des Rotors ist die Endwandung 13 als ein Kreiselverdichterrotor 20 ausgebildet. Auf ähnliche Art und Weise ist die Innenseite der Endwandung 14 als ein Zentripedalturbinenläufer 21 ausgebildet. Eine Anordnung von Führungsdurchlässen ist an einer Stelle zwischen den beiden Rotorteilen befestigt und mit einer zentralen Rohrleitungsanordnung 22 verbunden. Die Führungsdurchlässe umfassen vor allem

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Durchlässe 23» in welchen das Medium von dem Kompressorrotor aufgenommen und in axialer Richtung umgelenkt wird. Die zuvor genannten Führungsdurchlässe umfassen ferner Durchlässe 24, die das Medium von dem Kompressor aufnehmen und zu dem Einlaß des Turbinenläufers 21 umlenken. Weiterhin umfassen die Führungsdurchlässe Durchlässe 25, die den Auslaß des Turbinenläufers 21 mit dem Einlaß des Kompressorrotors 20 verbinden. Kühlrippen 26 sind in den letztgenannten Durchlässen 25 so eingelassen, daß Wärme von der Innenseite des Durchlasses 22 zu dem Durchlaß 25 und umgekehrt übertragen werden kann.

Die Innenseite des ylindrischen Teiles 12 des Rotors bildet die Begrenzung der Führungsdurchlässe 27, die sich geringfügig in der Nähe des Einlasses der Leitschaufel Zk der Turbine vergrößern. Die Außenseite des Gehäuses 28 ist von einer Wärmeaustauschschlange 29 bedeckt, die in gutem Wärnielei tkontakt damit steht.

Die Funktionsweise der Vorrichtung bzw. der Anlage ist wie folgt:

Wenn die Vorrichtung als eine Wärmepumpe arbeitet, kann als Betriebsmittel beispielsweise ein Freon verwendet werden

ben ist. Bei einer solchen Wärmepumpe ist der Kreislauf insgesamt im Sättigungsbereich des Betriebsmittels angeordnet. Das Betriebsmittel absorbiert Wärme von den Rippen 26 während des Durchflusses durch die Leit- bzw. Führungsdurchlässe Die Rippen werden mit Wärme von einem Medium versorgt, das die Innenseite des Rohres 22 durchströmt. Dieses Medium kann beispielsweise von einem Grundwasservorrat kommen, dar Wasser bei einer Temperatur enthält, die zu niedrig ist, um zur Erzeugung von Wärme geeignet zu sein. Nachdem dies erv/ärrnt worden ist, tritt in dem Kompressorrotor 20 eine Kompression auf, wobei das Medium durch die Kompression erwärmt wird und

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die Strömung durch die Leitdurchlässe 27 weitergeht. Dies macht es erforderlich, daß die Außenseite der zylindrischen Wandung 12 zwischen dem Punkt 30 und dem Punkt 31 derart behandelt bzw. bearbeitet ist, daß die Oberfläche ein hohes Wärmeemissionsvermögen besitzt. In dem zuvor genannten Bereich kann die Oberfläche beispielsweise geschwärzt sein. Die Innenfläche des Gehäuses, die der geschwärzten Fläche gegenüberliegt, kann erforderlichenfalls ähnlich behandelt werden.· Infolge der Schwärzung kann die Wärme von dem in den Leitdurchlässen 27 enthaltenen heißem Medium zur Innenwandung des Gehäuses 28 abgestrahlt werden und durch Wärmeleitung zu den Wärmeaustauschschlangen übertragen werden. Ein Wärraetransportmittel, das durch die Schlange strömt, tritt bei 32 mit relativ niedriger Temperatur ein und durch das Auslaßrohr 33 mit einer wesentlich höheren Temperatur, beispielsweise zu Heizkörpern für Haushaltsheizungen, aus.

Das Medium, welches das Ende der Leitdurchlässe 27 erreicht hat, wird dann durch die Leitschaufeln 24 zu dem Einlaß des Turbinenläufers 21 umgelenkt. Aufgrund der Expansion erreicht das Medium in teilweise flüssiger Form die Leitdurchlässe Infolge der Wärmeabsorption geht es überwiegend in den Dampfzustand über, worauf es abschließend den Kompressorrotor 22 erreicht hat, wobei die Übertragung von Wärme bewirkt, daß ebenfalls letzte Flüssigkeitsanteile in den Dampfzustand übergehen.

Der Turbinenläufer, der Kompressorrotor und alle Leitdurchlässe sind mit einem Anti-Kavitationsbelag versehen.

Die Bezugsziffern 34 und 35 bezeichnen Dichtungen, die verhindern, daß das Betriebsmittel vom Innenraum des Rotors austritt.

Fig. 3 zeigt schematisch das Funktionsprinzip einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in allgemeinster Form. Das Gehäuse

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36 ist mit einem Kühlmantel 37 mit einem Einlaß 38 und einem Auslaß 39 umgeben. Innerhalb des Gehäuses ist ein Rotor 40 drehbar installiert und an Lagern, die nicht gezeigt sind, abgestützt. Ein Betriebsmittel läuft innerhalb des Rotors in Form eines Kreislaufes derart, daß er sich längs der Innenwandung des Rotors in Strömungsrichtung, die mit dem Pfeil 41 bezeichnet ist, nach unten bewegt, daraufhin in Zentripedalrichtung in der Nähe des Endverschlusses 22 umgelenkt wird und dann in die mit dem Pfeil 43 bezeichnete Richtung nach oben in Richtung auf das obere Verschlußteil 44 strömt, wo es dann wiederum umgelenkt wird und in zentrifugaler Richtung als Rückströmung zur Außenseite des Rotors gelangt.

Die Bezugsziffern 45 und 46 bezeichnen hohlzylindrisch ausgebildete Rotorteile, durch welche erforderlichenfalls wenigstens ein Teil des vorgesehenen Betriebsmittels auf die oben aufgeführte Art und Weise außerhalb des Gehäuses 36 geleitet werden kann. Es ist ebenfalls auch möglich, ein Teil des Betriebsmittels zu dem Rotor über die andere Verbindung, wie z.B. 46 bei der dargestellten Ausführungsform, zurückzuführen. Der geschwärzte Bereich der Außenseite der Wandung 48 erstreckt sich von dem Punkt 47 zu dem Punkt 48. Diese Ausführungsform gestattet auf die günstigste Art und V/eise die Abführung des während der Druckzunahme in der Nähe des oberen Verschlußteiles 44 erzeugte Wärmemenge zu dem Kühlmantel 37 abzuführen.

In Fig. 4 sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Anordnung von Schwärzungen gezeigt, insbesondere wie diese üoer einen Rotor verteilt sind. Die schwarzen Bänder 49 sind hier über die Länge des Rotors so unterteilt, daß ein Hauptteil der Schwärzung in der Nähe des Rotorendes 50 konzentriert ist.

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Gemäß der in Fig. 5 gezeigten abgewandelten Ausführungsform können auch schwarze Bänder 51 verwendet werden, die alle dieselbe Breite besitzen. Bei dieser Ausführungsform ist der Abstand zwischen den Bändern groß in der Nähe des oberen Endes 52 des Rotors und entsprechend klein in der Nähe des unteren Endes 53. Zwischen diesen Bereichen bildet die Bandbreite der glänzenden Rotorteile ein Muster, das sich allmählich ändert.

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Claims

Patentansprüche

1.j Vorrichtung mit wenigstens einem Rotor, der in einem Gehäuse angeordnet ist, in dem sich ein Strömungsmedium in einem Kreislauf derart bewegt, daß es zuerst einer Druckzunahme und dann einer Druckabnahme ausgesetzt ist, wobei die Druckänderungen alternierend mit Wärmeaustauschzustandsänderungen auftreten und wobei ein Wärmeaustauschvorgang eine Heizwirkung und ein anderer Wärmeaustauschvorgang eine Kühlwirkung des Strömungsmediums hervorrufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2,40) einen hohlförmigen Behälter bildet, innerhalb dessen das Strömungsmedium an einem Ende (13) von einem Punkt in der Nähe der Rotationsachse aufgrund der Zentrifugalwirkung auf einen höchsten Druckwert gebracht wird, daß das Strömungsmedium anschließend in Wärmeaustauschberührung mit der Innenwandung des Behälters zum anderen Ende (14) geleitet wird, in der es zentripedal auf den Ausgangsdruck in der Nähe der Rotationsachse expandiert wird, und daß ein Teil der Außenwandung des Behälters eine so ausgebildete Oberfläche aufweist, daß der Wärmeaustausch mit der Gehäusewandung durch Strahlung unterstützt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwandung des Rotors (2,40) teilweise derart geschwärzt ist, daß der Koeffizient der Wärmeabsorption und der Emission in diesem Bereich die höchstmöglichen Werte aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, zur Verwendung als eine Wärmepumpe oder als eine Kühlmaschine, wobei Wärme von der

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Wandung des Gehäuses abgeführt wird und der Rotor von einem Elektromotor angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom eines Heizmediums mit einer relativ niedrigen Temperatur längs der Rotationsachse eingespeist wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Verwendung als Energieerzeugungsanlage, wobei Wärme der Wandung des Gehäuses zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dafl ein Strom eines Kühlmittels längs der Rotationsachse eingespeist wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Außenwandung des Rotors(2,40)zur Bildung einer Spiegelfläche poliert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Außenwandung des Rotors(2,40)gerippt oder gitterförmig ausgebildet ist, wobei die Rippcn-oder Gitterstruktur derart fein ausgebildet ist, daß es den nächstmöglichen Wärmeemissions- oder Wärmeabsorptionskoeffizienten besitzt (im folgenden als Warmestrahlungsaustauschkooffizient bezeichnet).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche gewalzt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilzone mit einem hohen Strahlungsaustauschkoeffizienten dadurch gebildet wird, daß um den Rotor (2,40) vorzugsweise kreuzweise angeordnete Muster aus einer Wicklung oder Windung aufgebracht wird, die wenigstens aus einer Schicht aus einer sehr starken bzw. kräftigen Faser mit guten Wärmeleiteigenschaften besteht, und daß die Wicklung derart angeordnet ist, daß die Windung offen ist, so daß ein kleiner offener Zwischenraum zwischen einem Paar von kreuzweise angeordneten Fasern oder bei einer Ausfürhungsform

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mit nicht kreuszweise angeordneten Wicklungen dadurch freibleibt, daß die Fasern in einem Abstand angeordnet sind, der in der Größenordnung des Durchmessers einer Faser liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Rotors (2,40) mit Ringzonen versehen sind, die eine konstante Bandbreite und einen hohen thermischen Strahlungsaustauschkoeffizienten besitzen,, welcher sich mit Bänder (51,49) abwechseln, die einen niedrigen Wärmestrahlungsaustauschkoeffizienten besitzen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfläche mit einem hohen thermischen Strahlungsaustauschkoeffizienten in der Nähe des Rotorendes (53)konzentriert ist, welches einen zentrifugalen Strömungsverlauf aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder mit einem hohen thermischen Strahlungsaustauschkoeffizienten eine konstante Breite besitzen, und daß die dazwischen liegenden blanken bzw. glänzenden Bänder ungefähr ein Muster mit zunehmender Breite aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rohrleitungsanordnung (22) in der Rotationsachse angeordnet ist, mit welcher wenigstens eine Anordnung von Leitdurchlässen (23,24,25,27) verbunden ist, die zur Unterstützung der zentrifugalen oder zentripedalen Druckänderung dienen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bewegbare Leitschaufeln (24) innerhalb des Rotors (2,40) in der Nähe seiner Enden vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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wenigstens ein Teil des zentripedal expandierten Strömungsmediums vom Rotor (2,40) nach außen befördert wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Innenseite (12) des Rotors (2,40) die Begrenzung der Leitdurchlässe (27) bildet, die ungefähr parallel zur Längsachse des Rotors (2,40) verlaufen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des Gehäuses (1,28) wenigstens teilweise mit einem Oberflächenbelag versehen ist, der einen gesteigerten Wärmestrahlungsaustausch gestattet.

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