DE3904806A1

DE3904806A1 - Waermepumpe

Info

Publication number: DE3904806A1
Application number: DE19893904806
Authority: DE
Inventors: Jakob Dr Keller
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1989-02-17
Filing date: 1989-02-17
Publication date: 1990-08-23

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe zur Er zeugung von Wärme durch mechanische Arbeit, wobei ein Verdich ter Luft zu Heißluft verdichtet, die im Gegenstrom einen Teil ihrer Wärme an für Heiz- oder Prozeßzwecke verwendbare Heizluft abgibt.

Technisches Gebiet

Wärmepumpen bringen unter Aufwendung mechanischer oder elek trischer Arbeit ein gasförmiges Medium von einer tieferen Tem peratur T ₀ auf eine höhere Temperatur T und erzeugen dabei eine Wärmemenge Q, die um T/(T - T ₀) größer ist als die von außen zugeführte Arbeit A. Das Verhältnis Q/A = T/(T - T ₀) ist die Leistungsziffer dieses Prozesses und liegt bei tech nischen Anlagen meist zwischen 2 und 3. Die Temperatur T ₀ ist bei gasförmigen Medien deren eigene, wie bei Umgebungsluft, oder stammt aus einer Fremdquelle, z. B. von Flußwasser- oder Erdwärme, wobei in den zwei letztgenannten Fällen Wärme tauscher erforderlich sind.

Solche Wärmetauscher, die wegen der verhältnismäßig kleinen Temperaturdifferenzen ebenso wie die Wärmetauscher im Heizungs kreislauf sehr große Wärmetauschflächen aufweisen, haben in Verbindung mit den konstruktiv aufwendigen konventionellen Verdichterbauarten, wie Kolben-, Axialverdichter etc. sowie den Hilfsinstallationen hohe Anlagekosten zur Folge, die eine Anwendung erst bei Vorliegen günstiger primärer Wärme quellen, z. B. als Abwärme aus industriellen Prozessen, renta bel machen. Nachteilig ist bei diesen konventionellen Anlagen auch, daß sie primärseitig umweltschädigende Übertragungs medien, z. B. Freone, verwenden.

Aufgabe der Erfindung

Die Erfindung entstand aus der Aufgabe, eine unkomplizierte, billige Wärmepumpe zu schaffen, die sowohl Heizwasser als auch Heißluft, z. B. für Heißluftvorhänge in Warenhäusern erzeugen und deren Leistung in einem weiten Bereich geregelt werden kann. Giftige gasförmige Prozeßmedien, wie das ge nannte Freone, waren zu vermeiden, so daß dafür nur Luft in Frage kam. Schließlich waren der konstruktive Aufbau möglichst einfach und die Anlagekosten deutlich niedriger als bei konventionellen Anlagen vergleichbarer Leistung zu halten.

Definition der Erfindung

Die erfindungsgemäße Wärmepumpe ist gekennzeichnet durch ein Zellenrad mit auf einem kegelstumpfförmigen Mantel ange ordneten, abwechselnd aufeinanderfolgenden Heißluftzellen bzw. Heizluftzellen, einen am größeren Durchmesser des konischen Mantels angeordneten Verdichter mit geschlossenen Laufschaufelkanälen, eine am kleineren Durchmesser des koni schen Mantels angeordnete Radialturbine, wobei der Auslaßkanal des Verdichters, die Heißluftzellen und die Kanäle der Radialturbine ein gegenüber dem Heizluftkreislauf abgeschlossenes Kanalsystem bilden, durch einen auf der Verdichterseite des Zellenrades vorgesehenen, rotierenden Sammelkanal für die Aufnahme der aus den Heizluftzellen austretenden Heizluft, einen auf der Seite der Radialturbine angeordneten, rotieren den Sammelkanal für die Aufnahme der aus einen Wärmetauscher kommenden, abgekühlten Heizluft, wobei die zwei rotierenden Sammelkanäle mit den Heizluftzellen ein gegenüber der Heiß luftströmung abgeschlossenes Kanalsystem bilden, ferner gekennzeichnet durch einen den rotierenden Sammelkanal für die erwärmte Heizluft umgebenden und mit ihm über einen Ringspalt kommunizierenden, stationären Sammelkanal, der über einen Verbindungskanal mit dem Einlaß des Wärmetauschers kommuniziert, durch einen den rotierenden Sammelkanal für die abgekühlte Heizluft umgebenden und mit ihm über einen Ringspalt kommunizierenden, stationären Sammelkanal, der über einen Verbindungskanal mit dem Auslaß des Wärmetau schers kommuniziert, sowie durch ein Einlaßgehäuse und ein Auslaßgehäuse, welche den Raum um die Spalte zwischen den betreffenden rotierenden und stationären Sammelkanälen abgedichtet umgeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Kurze Beschreibung der Figuren

In der Zeichnung stellt in unterschiedlichen Maßstäben dar

Fig. 1 einen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen achsnormalen Querschnitt gemäß dem in Fig. 1 eingetragenen Schnittverlauf II-II,

Fig. 3 einen achsnormalen Querschnitt gemäß dem Schnittverlauf III-III in Fig. 1, und

Fig. 4 im größeren Maßstab die aus Fig. 3 erkennbaren Zellen am Umfang des Zellenrades.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 bezeichnet 1 ein Zellenrad, das auf einer Welle 2 sitzt und über diese von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben wird. Dargestellt ist die obere Hälfte in einem axialen Längsschnitt. Das Zellenrad weist auf der rechten Seite einen ringförmigen Einlaufkanal 3 auf, durch den Umge bungsluft angesaugt und in einem Verdichterschaufelkranz 4, dessen Laufschaufeln 5 auch aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich sind, isentrop verdichtet wird. Die im Schaufelkranz 4 ver dichtete und dadurch erhitzte Luft tritt am äußeren Ende der geschlossenen Laufschaufelkanäle 6, siehe auch die Fig. 2 und 3, in Heißluftzellen 8 eines Zellenkranzes 7 ein, der den Umfang des Zellenrades 1 bildet und zwei abwechselnd aufeinanderfolgende Zellenarten aufweist, die vorerwähnten Heißluftzellen 8 und die Heizluftzellen 9, wobei unter Heizluft die durch diese Heizluftzellen 9 und einen Wärmetau scher 10 zirkulierende Luft zu verstehen ist, die in letzte ren ihre in den Heizluftzellen 9 aus den benachbarten Heiß luftzellen aufgenommene Wärme an ein Heißwasserrohrbündel 11 für beispielsweise eine Raumheizung abgibt. Das Material für die Zellenwände zwischen den Zellen 8 und 9 sollte mög lichst gut wärmeleitend sein.

Der Zellenkranz 7 hat die Form eines von der Seite des Verdich terschaufelkranzes 4 aus im Durchmesser abnehmenden, doppelwan digen Kegelstumpfes. Dadurch erhält die aus dem Wärmetauscher 10 kommende, abgekühlte Heizluft, die, wie unten gezeigt wird, links, auf der Seite des Zellenrades mit dem kleineren Durchmesser eintritt, eine aus der Zentrifugalwirkung und der Volumenzunahme durch die Erwärmung herrührende treibende Kraft, welche die abgekühlte Heizluft gegensinnig zur Heiß luft in den Zellen 8 durch ihre Zellen 9 strömen läßt, wobei sich aus den benachbarten Heißluftzellen 8 bis zu ihrem Austreten auf der Seite desVerdichterschaufelkranzes 4 auf ihre Endtemperatur erwärmt wird, mit der sie in einen rinförmigen Sammelkanal 12 ausströmt, der nach außen und oben gekrümmt ist und einen Teil des Zellenrades bildet. An seinem Umfang strömt die erwärmte Heizluft aus dem zylindri schen Austrittsquerschnitt über einen Spalt 13 in einen zum rotierenden Sammelkanal 12 koaxialen, stationären Sammel kanal 14 über, wobei sie einen an dessen innerem Umfang befindlichen Drallgitterring 15 passiert, der ihren Drallimpuls aufhebt und Druck und Temperatur entsprechend erhöht.

Der Kanal 14, dessen Querschnitt 16 in Fig. 1 strichpunktiert eingezeichnet ist, steht über einen Verbindungskanal 17 mit dem Wärmetauscher 10 in leitender Verbindung. Die warme Heizluft gelangt aus diesem in den Wärmetauscher 10, gibt dort Wärme an das Heizwasserrohrbündel 11 ab, verläßt den Wärmetauscher als abgekühlte Heizluft auf seiner entgegenge setzten Seite über einen Verbindungskanal 18 und strömt aus diesem und einem stationären Sammelkanal 19 über einen austrittsseitigen Drallgitterring 20 in einen rotierenden Sammelkanal 21, aus dem die abgekühlte Heizluft wieder durch die Heizluftzellen 9 gedrückt wird und sie an ihren Enden als warme Heizluft über den rotierenden Sammelkanal 12, den Drallgitterring 15 und den stationären Sammelkanal 14 ver läßt und wieder in den Wärmetauscher 10 eintritt. Der aus trittsseitige Drallgitterring 20 lenkt die abgekühlte Heizluft stoßfrei in den rotierenden Sammelkanal 21 um.

Die vom Verdichterschaufelkranz 4 erzeugte Heißluft, die durch die Heißluftzellen 8 gegensinnig zur abgekühlten Heizluft in den Heizluftzellen 9 den Zellenkranz 7 durchströmt, tritt am linken Ende abgekühlt in eine Radialturbine 22 ein, gibt dort einen Teil ihrer Restenergie an das Zellenrad ab und verläßt dieses durch einen Auslaßkanal 23. Die Zirkulation der von außen über den Einlaufkanal 3 angesaugten Luft wird im Zellenrad dadurch aufrechterhalten, daß sie im Verdichterteil eine höhere Ruhetemperatur aufweist als im Turbinenteil.

Der Druck im Heizluftkreislauf kann mit Hilfe von Wirbelkammer dichtungen in den beiden, die Stirnseiten des Zellenrades abdeckenden Gehäusen, dem Einlaßgehäuse 24 und dem Auslaß gehäuse 25, in Verbindung mit verstellbaren Blenden, z. B. Irisblenden, innerhalb weiter Bereiche geregelt werden. Für die Wirbelkammerdichtung sind an den äußeren Deckwänden des Verdichterschaufelkranzes 4 und der Radialturbine 22 radial verlaufende Drallstege 26 bzw. 27 vorhanden, die in den Gehäusen Wirbelströme induzieren, die wie feste Körper mit dem Verdichter- bzw. dem Turbinenrad mitrotieren und zwischen den abzudichtenden Spalten 28 und 29 am inneren Umfang der Gehäuse 24 bzw. 25 und einem Spalt am äußeren Umfang der betreffenden Laufräder den gleichen Druckgradienten erzeugen wie er innerhalb derselben über die Länge ihrer Schaufelkanäle auftritt, wodurch Leckströmungen vermieden werden. Im vorliegenden Falle ist der äußere Spalt jener an den Drallgitterringen 15 bzw. 20. Bei völlig geschlossenem Gehäuse erstreckt sich der als Druckbarriere wirkende Wirbel kern vom Spalt am inneren Umfang der Gehäuse bis zum Spalt am jeweiligen Drallgitterring. Der Mechanismus der Wirbelkammer dichtung ist in der DE 36 27 778 A1 näher beschrieben.

Mit der erwähnten Blende läßt sich die radiale Länge des Wirbelkerns ändern, und zwar von den Spalten 28 bzw. 29 am inneren Umfang der Gehäuse 24 und 25 ausgehend bis zu den Drallgitterringen 15 bzw. 20. Anstelle einer Irisblende kann auch eine radial verlaufende Öffnung an den Außenseiten der besagten Gehäuse vorgesehen sein mit einem Verschluß element, das die Öffnung in unterschiedlichen radialen Entfernungen von der Wellenachse freigibt. Dank der starken radialen Druckgradienten im Bereich der Wirbelkammerdichtun gen reagiert die Druckdifferenz zwischen den Übergängen vom Drallgitterring in den Zellenring bzw. aus diesem in den Drallgitterring und der Umgebungsluft sehr empfindlich auf die jeweilige Einstellung einer Blende. Bei steigendem oder sinkendem Druck der Heizluft im Wärmetauscher steigt oder sinkt natürlich auch die Leistung der Wärmepumpe.

Im Zusammenhang mit der Verwendung einer solchen Wärmepumpe für eine Raumheizung ist es auch möglich, Heizluft aus dem Wärmetauscher für einen anderen Zweck, z. B., wie einleitend erwähnt, zur Versorgung eines Heißluftvorhanges in Warenhäu sern oder öffentlichen Gebäuden abzuzweigen. In diesem Falle sorgen die Wirbelkammerdichtungen durch entsprechende Blenden einstellungen dafür, daß der abgezweigte Heizluftanteil an den Übergängen zwischen dem Zellenring und den Drallgitter ringen ersetzt werden kann.

An die Formsteifigkeit bzw. Formbeständigkeit des Zellenrades brauchen keine besonders hohen Ansprüche gestellt zu werden, so daß dafür als Werkstoffe auch Kunststoffe, z. B. Acryl, sowie Faserverbundstoffe in Frage kommen. Insbesondere letztere halten sehr hohe Zentrifugalkräfte aus und werden schon heute für extrem schnell rotierende Schwungräder und ähnliche hochtourig laufenden Maschinenteile eingesetzt.

Die naheliegende Energiequelle für den Antrieb des Zellenrades ist natürlich ein Elektromotor, es kommen aber auch, wenn es die Umstände erfordern, auch andere, insbesondere mechani sche Antriebsarten in Betracht.

Claims

1. Wärmepumpe, zur Erzeugung von Wärme durch mechanische Arbeit, wobei ein Verdichter Luft zu Heißluft verdichtet, die im Gegenstrom einen Teil ihrer Wärme an für Heiz- oder Prozeßzwecke verwendbare Heizluft abgibt, gekenn zeichnet durch ein Zellenrad (1) mit auf einem kegelstumpf förmigen Mantel angeordneten, abwechselnd aufeinanderfol genden Heißluftzellen (8) bzw. Heizluftzellen (9), einen am größeren Durchmesser des konischen Mantels angeord neten Verdichter (4) mit geschlossenen Laufschaufelkanälen (6), eine am kleineren Durchmesser des konischen Mantels angeordnete Radialturbine (22), wobei der Auslaßkanal des Verdichters (4), die Heißluftzellen (8) und die Kanäle der Radialturbine eine gegenüber dem Heizluftkreis lauf abgeschlossenes Kanalsystem bilden, durch einen auf der Verdichterseite des Zellenrades (1) vorgesehenen, rotierenden Sammelkanal (12) für die Aufnahme der aus den Heizluftzellen (9) austretenden Heizluft, einen auf der Seite der Radialturbine angeordneten, rotierenden Sammelkanal (21) für die Aufnahme der aus einem Wärmetau scher (10) kommenden, abgekühlten Heizluft, wobei die zwei rotierenden Sammelkanäle (12, 21) mit den Heizluft zellen (9) ein gegenüber der Heißluftströmung abgeschlosse nes Kanalsystem bilden, ferner gekennzeichnet durch einen den rotierenden Sammelkanal (12) für die erwärmte Heizluft umgebenden und mit ihm über einen Ringspalt (13) kommuni zierenden, stationären Sammelkanal (14), der über einen Verbindungskanal (17) mit dem Einlaß des Wärmetauschers (10) kommuniziert, durch einen den rotierenden Sammelkanal (21) für die abgekühlte Heizluft umgebenden und mit ihm über einen Ringspalt kommunizierenden, stationären Sammel kanal (19), der über einen Verbindungskanal (18) mit dem Auslaß des Wärmetauschers (10) kommuniziert, sowie durch ein Einlaßgehäuse (24) und ein Auslaßgehäuse (25), welche den Raum um die Spalte zwischen den betreffenden rotierenden, (12, 21), und den stationären Sammelkanälen (14, 19) abgedichtet umgeben.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Deckwände des Verdichters (4) und der Radial turbine (22) mit Drallstegen (26 bzw. 27) versehen sind, die durch Aufbau eines radialen Druckgradienten in den Gehäusen (28 bzw. 29) als Wirbelkammerdichtungen wirken.

3. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stationären Sammelkanäle (14, 19) an ihren Übergängen zu den rotierenden Sammelkanälen (12 bzw. 21) mit einem Drallgitterring (15 bzw. 20) versehen sind.

4. Wärmepumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Blende am Einlaßgehäuse (24) deren Öffnung zwecks Steuerung des Druckgradienten im Einlaßgehäuse (24) in radialer Richtung verstellbar ist.