DE4442505A1

DE4442505A1 - System for increasing heat transmission of fluids in variable volumes

Info

Publication number: DE4442505A1
Application number: DE19944442505
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Maeckel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1994-11-30
Publication date: 1996-06-05

Abstract

The volume of bodies is so broken down that the contained fluid can be expanded by displacing the bodies relative to each other. Through the rotation of a broken down body or of a further moistened body through friction or viscosity, similarly by transmission of the rotation impulse through direct pushing processes, the fluid is stimulated into a turbulent flow of circulation.The variable volume container takes the form of a cylinder and piston with concentric and rotations symmetrically formed surfaces e.g. conical. A combination of geometrical forms of the volume may be incorporated including one or more gaps between concentric cylinders, running in radial and axial directions and a variation of gap widths the achieve the desired flow in the canals.

Description

1.1 Problem and background

Eine einfache Vorrichtung zur Kompression oder Expansion von Fluiden besteht aus ei nem Zylinder mit beweglichem Kolben nach Bild 1. Soll die Druck- bzw. Volumenände rung des Fluides isotherm geschehen, muß Wärme über die Außenflächen ab- bzw. zu geführt werden. Der Wärmeübergang zwischen Wand und Fluid ist für zeitlich schnelle Kompressions- bzw. Expansionsvorgänge nicht mehr befriedigend, um noch von einem isothermen Vorgang sprechen zu können. Über den Querschnitt des Fluidvolumens bauen sich Temperaturgradienten auf.A simple device for compressing or expanding fluids consists of a cylinder with a movable piston as shown in Figure 1. If the pressure or volume change of the fluid is to be isothermal, heat must be removed or supplied via the outer surfaces. The heat transfer between the wall and the fluid is no longer satisfactory for rapid compression or expansion processes in order to be able to speak of an isothermal process. Temperature gradients build up across the cross-section of the fluid volume.

Um sich dem isothermen Vorgang anzunähern ist es von Vorteil, die Übertragungsfähig keit, abgekürzt NTU (number of transfer units), zu verbessern. NTU ist eine übliche Kennzahl für Wärmeübertrager und ist definiert zuIn order to approach the isothermal process, it is advantageous to be able to transfer speed, abbreviated NTU (number of transfer units). NTU is a common one Key figure for heat exchangers and is defined as

für den Fall eines durchströmten Wärmeübertragers. Dies kann z. B. ein Zylinder mit der Mantellänge L, der Querschnittsfläche A_c und dem hydraulischen Radius r_h sein. Dabei ist _wall die an die benetzte Wandoberfläche gelieferte Wärmemenge und ΔT_x die Temperaturdifferenz zwischen Wandoberfläche und der thermischen Grenzschicht des Arbeitsfluides. _fluid ist die Wärmemenge, die an das Fluid übergeht, wobei ΔT_y die durchschnittliche Temperaturdifferenz ist, um die sich die Fluidtemperatur ändert.for the case of a heat exchanger through which there is flow. This can e.g. B. a cylinder with the jacket length L, the cross-sectional area A _c and the hydraulic radius r _h . _{Wall is} the amount of heat delivered to the wetted wall surface and ΔT _x the temperature difference between the wall surface and the thermal boundary layer of the working fluid. _fluid is the amount of heat transferred to the fluid, where ΔT _{y is} the average temperature difference by which the fluid temperature changes.

Die Wärmemenge _fluid ist daher gleich c_pΔT_y = pc_pΔT_y und die an die Wand oberfläche übergegangene Wärme ist _wall = hA_wΔT_x, wobei A_w die benetzte Oberfläche und h der Wärmeübergangskoeffizient (im deutschsprachigen Raum meist α) für den konvektiven Wärmeübergang ist. So kann NTU umgeformt werden zu:The amount of heat _fluid is therefore equal to c _p ΔT _y = pc _p ΔT _y and the heat transferred to the wall surface is _wall = hA _w ΔT _x , where A _{w is} the wetted surface and h the heat transfer coefficient (in German-speaking countries mostly α) for the is convective heat transfer. This is how NTU can be converted to:

Die dimensionslose Stanton Zahl N_st wird üblicherweise für die Beschreibung des Wärmeübergangs in durchströmten Kanälen mit konstantem Querschnitt herangezogen und enthält die entsprechenden Koeffizienten oder kann aus anderen dimensionslosen Kennzahlen zusammengesetzt werden:The dimensionless Stanton number N _st is usually used to describe the heat transfer in flow-through channels with a constant cross-section and contains the corresponding coefficients or can be composed of other dimensionless key figures:

Die Kennzahl des konvektiven Wärmeübergangs bzw. die Nusselt Zahl N_Nu ist abhängig von den sieben folgenden charakteristischen Größen:The key figure of the convective heat transfer or the Nusselt number N _Nu depends on the following seven characteristic quantities:

Für die Wärmeleitfähigkeit k wird im deutschsprachigen Raum meist λ verwendet und für die dynamische Viskosität, hier µ, steht auch η. Die Größen ρ, µ, c_p, k sind durch die Wahl des Arbeitsfluides und des Werkstoffes festgelegt. Es bleiben noch L₀ und u₀ über die der Wärmeübergang verbessert werden kann.In German-speaking countries, λ is mostly used for the thermal conductivity k and η also stands for the dynamic viscosity, here µ. The sizes ρ, µ, c _p , k are determined by the choice of the working fluid and the material. There are still L₀ and u₀ over which the heat transfer can be improved.

1.2 State of the art

Eine einfache Möglichkeit der zur Verbesserung des Wärmeübergangs im Falle des Expansions- bzw. Kompressionsvolumens nach Bild 1 ist die Erweiterung der Übertragungsflächen im Verhältnis zum enthaltenen Fluidvolumen. Dies kann durch Änderung der Gesamtgeometrie des Körpers, im Falle des Zylinders mit Kolben durch Änderung des Verhältnisses von h/d, oder durch Erweiterung der Oberfläche z. B. mit Rippen geschehen.A simple way of improving the heat transfer in the case of the expansion or compression volume according to Figure 1 is to expand the transfer areas in relation to the fluid volume contained. This can be done by changing the overall geometry of the body, in the case of the cylinder with piston by changing the ratio of h / d, or by expanding the surface z. B. done with ribs.

Eine Änderung des Verhältnisses von h/d unter Beibehaltung des Fluidvolumens ist jedoch bei gleichem Kompressions- bzw. Expansionsverhältnis mit einer Änderung des Kolben hubs verbunden. Wird der Querschnitt des Kolbens konstant gehalten, aber das Kolben- und Zylinderende zu einem Konus umgeformt (Bild 2), kann die benetzte Oberfläche unabhängig vom Kolbenquerschnitt vergrößert werden.A change in the ratio of h / d while maintaining the fluid volume is associated with a change in the piston stroke at the same compression or expansion ratio. If the cross-section of the piston is kept constant, but the piston and cylinder end are formed into a cone ( Fig. 2), the wetted surface can be enlarged regardless of the piston cross-section.

Auch Rippen können im Zylinder ohne Einfluß auf den Hub untergebracht werden. Rip pen haben dafür die Nachteile, daß die Fertigung aufwendiger ist, daß sich auch über ihre Länge ein Temperaturgradient bildet und daß ein Spalt zwischen den Rippen zur Vermeidung von Reibung zwischen den Rippen am Zylinder und Rippen am Kolben das Kompressionsverhältnis begrenzt.Ribs can also be accommodated in the cylinder without affecting the stroke. Rip pen have the disadvantages that the production is more complex, that about their length forms a temperature gradient and that there is a gap between the ribs Avoiding friction between the ribs on the cylinder and ribs on the piston Compression ratio limited.

1.3 Idea of the invention

Nach Gleichung 4 besteht die Möglichkeit durch Änderung der Fluidgeschwindigkeit u₀ den Wärmeübergang zu beeinflussen. Im Falle des Kompressionsvolumens Bild 1 und 2 ist keine Durchströmung des Körpers vorhanden. Der Erfindungsgedanke beruht nun darauf eine innere Zirkulation des Fluides zu erzeugen. Dazu soll der innere von zwei re lativ zueinander verschieblichen und konzentrischen Körpern, wie der innere Konus nach Bild 2 rotiert werden. Es bildet sich so bei bestimmten Verhältnissen von Spaltdicke und Drehzahl eine Wirbelstraße bzw. eine turbulente Strömung aus. Die Vermischung der Fluidteilchen nimmt dadurch zu. Die Größe des Temperaturgradienten wird daher in Richtung der Wärmeübertragungsflächen hin verschoben. Die Vergrößerung des Tempera turgradienten in der thermischen Grenzschicht verbessert den Wärmeübergang zwischen den Übertragungsflächen und dem Fluid. Dafür muß jedoch zur Rotation der inneren Körper eine gewisse Reibung überwunden werden.According to equation 4, there is the possibility of influencing the heat transfer by changing the fluid velocity u₀. In the case of the compression volume Fig. 1 and 2, there is no flow through the body. The idea of the invention is now based on generating an internal circulation of the fluid. For this purpose, the inner of two relatively displaceable and concentric bodies, like the inner cone according to Figure 2, should be rotated. With certain ratios of gap thickness and speed, a vortex street or a turbulent flow is formed. This increases the mixing of the fluid particles. The size of the temperature gradient is therefore shifted towards the heat transfer surfaces. The increase in the temperature gradient in the thermal boundary layer improves the heat transfer between the transfer surfaces and the fluid. To do this, however, a certain amount of friction has to be overcome in order to rotate the inner body.

Dargelegt ist die Bildung von Wirblen für den Spalt zwischen zwei Zylindern u. a. in: Ro senhaed L.: Laminar boundary layers. Oxford: Clarendon Press, 1963. Auch die Rotation überlagert mit mit einer Axialbewegung des inneren Zylinders wurde untersucht: Ludwieg H.: Experimentelle Nachprüfung der Stabilitätstheorien für reibungsfreie Strömungen mit schraubenförmigen Stromlinien. Zeitschrift für Flugwissenschaften, 12 (1964), Heft 8, S. 304 ff. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs wurde dieser Effekt schon in der Form ei nes rotierenden Verdrängerkolbens in Heißgasmotoren genutzt. Siehe hierzu: Organ A. J., Mäckel P.: A reappraisal of the hot-air engine. ICSC (International Conference on Stirling Cycle Machines), November 1995. Der Effekt wurde jedoch nicht in Zusammenhang mit einem Kompressions- oder Expansionsvolumen gebracht, sondern nur das Phenomen in einem parallel zur Rotationsachse verlaufenden Spalt untersucht. The formation of vortices for the gap between two cylinders and. a. in: Ro senhaed L .: Laminar boundary layers. Oxford: Clarendon Press, 1963. Also the rotation superimposed with an axial movement of the inner cylinder was examined: Ludwieg H .: Experimental verification of the stability theories for frictionless flows with helical streamlines. Zeitschrift für Flugwissenschaften, 12 (1964), No. 8, p. 304 ff. To improve the heat transfer, this effect was already in the form nes rotating displacement piston used in hot gas engines. See: Organ A. J., Mäckel P .: A reappraisal of the hot-air engine. ICSC (International Conference on Stirling Cycle Machines), November 1995. However, the effect was not related to brought a volume of compression or expansion, but only the phenomenon in examined a gap running parallel to the axis of rotation.

1.4 Application example

Eine Anwendungsmöglichkeit bietet sich in Maschinen nach dem Stirlingprozeß als Kompressions- und Expansionsvolumen. Um den Wärmeübergang zum Arbeitsfluid in der Stirlingmaschine zu erhöhen werden die Übertragungsflächen üblicherweise durch Erhitzer- bzw. Kühlerrohre erweitert. Die Rohre sind die Verbindung zwischen dem Expansions- bzw. Kompressionsvolumen und dem Regenerator. Durch sie strömt das Ar beitfluid hindurch. Die Expansions- bzw. Kompressionsvolumen bestehen jedoch nur aus üblichen Zylindern mit Kolben, für die die schon beschriebenen Nachteile des Wärmeüber gangs bestehen. Werden diese durch rotierenden Anordnungen, wie z. B. in Bild 3, ersetzt, wird die Übertragungsfähigkeit verbessert.One application is in machines after the Stirling process as compression and expansion volumes. In order to increase the heat transfer to the working fluid in the Stirling engine, the transfer surfaces are usually expanded by heating or cooling pipes. The pipes are the connection between the expansion or compression volume and the regenerator. The working fluid flows through them. The expansion or compression volume, however, consist only of conventional cylinders with pistons, for which the disadvantages of heat transfer described above exist. Are these by rotating arrangements such. For example, in Figure 3, the transferability is improved.

Speziell die in Bild 3 gezeigte Anordnung ist dahingehend günstig, daß zur Vermeidung von Reibungsverlusten die Dichtungen mit großen Durchmessern nicht zwischen relativ zueinander rotierenden Körpern plaziert sind. Nur eine kleine schleifende Dichtung ist notwendig. Das ganze Volumen kann als Wärmeübertrager genutzt werden. Es ist je doch auch möglich den Körper zur Anwendung des Stirlingprozesses aufzuteilen, wobei der eine Kegelmantel als Expansions- und der andere als Kompressionswärmeübertrager dient. Dabei kann der zylindrische Spalt zwischen den inneren und äußeren zylindrischen Verlängerungen der Kegelböden zur Ausbildung eines Regeneratoreffektes führen. Durch eine unbewegliche Hülse um die inneren Rotationskörper mit einem Spalt zur äußeren Hülle kann der Wärmetransport durch die Bewegung zwischen Temperaturgradienten vermindert werden. Eine variable Länge des Spaltes kann zur Anpassung an die Tempe raturdifferenzen des Prozesses und zur Regelung der spezifischen Leistung genutzt werden. Bild 4 zeigt diese Anordnung als Dish/Stirling-Kombination, als eine alternative zu Stir lingmaschinen mit ausgeprägtem Regenerator aus feinmaschigen Gittern und erweiterten Wärmeübertragerflächen in Form von Kühler- und Erhitzerrohren. Ein weiterer Vorteil ist, daß beide äußeren Enden des Gehäuses im Gegensatz zur herkömmlichen α-Anordnung von Stirlingmaschinen stehende Teile sind. Der Antrieb der inneren rotierenden Teile und die Überlagerung der linearen Kolbenbewegung kann über ein Getriebe gekoppelt werden.The arrangement shown in Figure 3 is particularly advantageous in that the seals with large diameters are not placed between bodies rotating relative to one another in order to avoid frictional losses. Only a small rubbing seal is necessary. The entire volume can be used as a heat exchanger. However, it is also possible to divide the body using the Stirling process, with one cone jacket serving as an expansion and the other as a compression heat exchanger. The cylindrical gap between the inner and outer cylindrical extensions of the conical bottoms can lead to the formation of a regenerator effect. Due to an immovable sleeve around the inner rotating body with a gap to the outer shell, the heat transport can be reduced by the movement between temperature gradients. A variable length of the gap can be used to adapt to the temperature differences of the process and to regulate the specific power. Figure 4 shows this arrangement as a dish / Stirling combination, as an alternative to Stirling machines with a distinctive regenerator made of fine-mesh grids and extended heat transfer surfaces in the form of cooler and heater tubes. Another advantage is that both outer ends of the housing are parts in contrast to the conventional α arrangement of Stirling engines. The drive of the inner rotating parts and the superimposition of the linear piston movement can be coupled via a gear.

Claims

1. Proposed improvement to increase the heat transfer ability to fluids in variable volumes, characterized in that the volume of bodies is so ruled out that the contained fluid can be compressed or expanded relative to one another by moving the body, with one of the inclusive by the rotation or another body wetted by the fluid via friction and viscosity, as well as by transmitting the angular momentum through direct impact processes, the fluid is excited to circulate or to a turbulent flow.

2. Proposed improvement to increase the heat transfer capability to fluids in variable volume according to the above claims, characterized in that the shape of the Volume or the envelope enclosing the fluid preferably from cylinder (s) and piston is expanded so that with concentric and rotationally symmetrical training Deten areas such. B. by changing the cylinder and piston crown to cone or cone shape, a gap portion of the included variable volume arises to egg the fluid contained in the gap to stimulate a similar vortex formation, which also occurs in the case of a pure axial gap between two concentric cylinders.

3. Proposed improvement to increase the heat transfer capacity to fluids in variable volume according to the above claims, characterized in that a com combination of the geometric shape of the volume between a) one or more purely axially to Columns of rotation between two concentric cylinders, b) with egg nem or more columns according to claim 2, which extends in the radial and axial directions c) with one or more pure gap running radially to the axis of rotation and d) with a variation in the gap thickness to produce the desired vortex flow in these channels is possible, but not necessarily rotational symmetry must be as long as the rotation and thus the Effect according to claim 1 is possible.

4. Proposed improvement to increase the heat transfer capability to fluids in variable volume according to the above claims, characterized in that the Volu Menhule or body parts preferred according to their functional types (volume change and Rotation) are divided or assembled that the necessary large seals not to change the total volume between bodies rotating relative to each other are arranged, but the rotating parts on axes with small diameters Reduced friction to the parts abge with a different relative speed sealed and stored.

5. Proposed improvement to increase the heat transfer capability to fluids in variable volume according to the above claims, characterized in that the volume (i.e. the enclosing shells or bodies) also with one or more openings with and without a valve can be removed and supplied through the fluids can.

6. Proposed improvement to increase the heat transfer capability to fluids in variable volume characterized in that the volume also from rotationssym Metric bodies can be built according to the above claims, that a wide res enclosed volume in an inner, constructed according to the above claims Body results, the volume of which is independent of the outer container and therefore can be changed regardless of the total volume, so that the heat mainly Lich on non-moving surfaces of the outer shell from or to the environment can go, but on the other hand only without changing its own volume Displacement of the fluid in the enveloping volume (between the outer shell and the inner Body) can be moved relative to the outer shell.

7. Proposed improvement to increase the heat transfer capability to fluids in variable volume according to the above claims, characterized in that either only Volume change or just the displacement by the relative movement of the inner or outer body can be carried out that the volume displacement and change un can be controlled depending on each other and that these are dependent or independent can be overlaid from each other.

8. Proposed improvement to increase the heat transfer capacity to fluids in variable volume according to the above claims, characterized in that the device related to the Stirling and other processes for converting Power and heat can be used as expansion and compression heat exchangers can.

9. Proposed improvement to increase the heat transfer capacity to fluids in variable volume according to the above claims, characterized in that the An order according to claim 6 and 7 in the application for the Stirling process by a additional sleeve around the inner rotating body only with a gap to the outer Bodies can be added to the inner body sealed, so that with a rela tive movement between inner and outer bodies according to claim 7 between them trapped fluid is pushed through this gap, creating a regenerator effect generated by the heat transfer between the fluid and the walls of the gap can be.

10. Proposed improvement to increase the heat transfer capacity to fluids in variable volume according to the above claims, characterized in that in claim 9 described sleeve to avoid heat transfer (shuttle losses) is not moved axially to the outer shell, but only about its own axis together with the inner bodies rotated according to claim 6.

11. Proposed improvement to increase the heat transfer capability to fluids in variable volume according to the above claims, characterized in that the sleeve according to Claims 9 and 10 not only a cylindrical, axially extending to the axis of rotation gap must receive, but also to influence the eddy excitation properties or for geometric design reasons also in another direction, as under claim 3 described, guided to the axis of rotation and its thickness can also be varied does not necessarily have to be rotationally symmetrical as long as the Ro tion is possible.

12. Proposed improvement to increase the heat transfer capability to fluids in variable volume according to the above claims, characterized in that the Length of the gap is variable or adjustable according to claims 9, 10 and 11 Regenerator effect of the temperature difference between the expansion and compression to be able to adapt the heat transfer accordingly, and thus the regenerator torso dream vary and thereby influence the specific performance of the Stirling process to be able to take.