DE69405262T2

DE69405262T2 - Vorrichtung zur Heizung von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE69405262T2
Application number: DE69405262T
Authority: DE
Inventors: James L Griggs
Original assignee: Hydro Dynamics Inc
Current assignee: Hydro Dynamics Inc
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1994-02-09
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2014-02-10
Also published as: EP0610914B1; JPH0749152A; ES2106381T3; DE69405262D1; ATE157763T1; DK0610914T3; GR3025281T3; CA2115383C; EP0610914A1; CA2115383A1; US5385298A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Erwärmen eines Fluids mit:
einem Aufbewahrungsbehälter zum Aufnehmen erwärmten Fluides, wobei der Behälter einen Einlaß und einen Auslaß aufweist;
einer mechanischen Umwandlungsvorrichtung zum Erwärmen von Fluid, welche Umwandlungsvorrichtung
(a) ein Gehäuse, welches eine Höhlung bildet, welche Höhlung durch eine zylindrische Seitenwand und Paar von Endplatten gebildet wird, wobei jede der Endplatten mit mittig angeordneten Öffnungen versehen ist, welche Endplatten innere und äußere Oberflächen bilden,
(b) Dichtungselemente, die in den Öffnungen und den Endplatten angebracht sind;
(c) eine Lagerungsanordnung, die auf der äußeren Oberfläche der Endplatte angebracht ist und mit den Öffnungen fluchtet,
(d) einer Welle, die sich durch die Achse der Hohlung hindurch erstreckt und in den Lagerungsanordnungen und Dichtungselementen gelagert ist, wobei die Welle mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist, um die Welle zu drehen,
(e) einen Rotor, der auf der Welle innerhalb der Höhlung angebracht ist, um sich mit der Welle zu drehen, wobei der Rotor derart dimensioniert ist, um eng innerhalb der Seitenwände und den Endplatten aufgenommen zu werden,
(f) einen Einlaßanschluß zum Einbringen von zu erwärmendem Fluid in den Raum zwischen dem Rotor und der inneren Oberfläche an der Höhlung und
(g) einen Auslaßanschluß zum Ausbringen von erwärmtem Fluid aus dem Raum zwischen dem Rotor und der inneren Oberfläche der Höhlung aufweist;
einer ersten Fluidverbindung, die mit dem Einlaßanschluß der Umwandlungsvorrichtung verbunden ist zum Einbringen von zu erwärmendem Fluid in die Umwandungsvorrichtung;
und einer zweiten Fluidverbindung, die zwischen dem Auslaßanschluß der Umwandlungsvorrichtung und dem Einlaß des Aufbewahrungsbehälters verbunden ist.
Solch ein System ist bekannt aus der US-A-4 277 020. Die Wärme wird erzeugt durch innere Reibung und Bewegung. Während des Betriebes erzeugt der Rotor Kräfte parallel zur Längserstrekkung der Welle. Daher sind Lagerungen erforderlich, die Axialkräfte kompensieren.
Verschiedene andere Konstruktionen existieren für Vorrichtungen, welche Rotoren oder andere drehbare Elemente verwenden, um den Druck und/oder die Temperatur von Fluiden zu erhöhen. Dies beinhaltet Vorrichtungen die zweckmäßig sind, wo es erwünscht ist, um Fluide von der flüssigen in die gasförmige Phase umzuwandeln. Das Patent Nr. 3,791,349, welches für Scharfer am 12. Februar 1974 erteilt wurde, offenbart zum Beispiel einen Apparat und ein Verfahren für die Erzeugung von Dampf und Druck durch das beabsichtigte Erzeugen von Schockwellen in einem ausgedehnten Körper aus Wasser. Verschiedene Durchgänge und Kammern werden verwendet, um einen gewundenen Weg für das Fluid zu erzeugen und um den Wasserhammereffekt für das Erwärmen/Unterdrucksetzen zu maximieren.
Andere Vorrichtungen, welche drehende Elemente verwenden, um Fluide zu erwärmen, sind in dem US Patent Nr. 3,720,372, welches für Jacobs am 13. März 1973 erteilt wurde, offenbart, welches eine turbinenartige Kühlungspumpe offenbart, die durch einen Automotor angetrieben wird, um ein Motorkühlmittel zu erwärmen; dem US Patent Nr. 2,991,764, welches am 11. Juli 1961 erteilt wurde, welches einen Erwärmer des Fluidagitationstyps offenbart; und dem US Patent Nr. 1,758,207, welches für Walker am 13. Mai 1930 erteilt wurde, das ein hydraulisches Wärmeerzeugungssystem offenbart, welches einen Wärmeerzeuger beinhaltet, der aus einem mit Schaufeln versehenen Rotor und Stator besteht, die zusammenwirken, um Fluide zu erwärmen, wenn sie sich relativ zueinander bewegen.
Diese Vorrichtungen verwenden strukturell komplizierte Rotoren und Statoren, welche Turbinenschaufeln oder Durchgänge für den Fluidfluß aufweisen, wodurch sich eine strukturelle Komplexität, erhöhte Herstellungskosten, und eine erhöhte Wahrscheinlichkeit eines strukturellen Versagens und konsequenter Weise höhere Wartungskosten und verringerte zuverlässigkeit ergeben.
Weitere Referenzen, die für eine Bewertung der vorliegenden Erfindung dienlich sein können, sind die US Patente mit den Nummern: 2,316,522, welches für J. E. Loeffler am 13. April 1943 erteilt wurde; 3,508,402, welches für V. H. Gray am 28. April 1970 erteilt wurde; 3,690,302, welches am 12. September 1972 für P. J. Rennolds erteilt wurde; 4,381,762, welches am 3. Mai 1983 für A. E. Ernst erteilt wurde; und 4,779,575, welches am 25. Oktober 1988 für E. W. Perkins erteilt wurde.
Es ist entsprechend ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Erwärmen von Fluid in einem Hohlraum bereitzustellen, der zwischen einem sich drehenden Rotor und einem stationären Gehäuse angeordnet ist, welche Vorrichtung strukturell einfach ist und reduzierte Herstellungs- und Wartungskosten erfordert.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine mechanisch elegante und thermodynamisch hoch effiziente Einrichtung zum Erhöhen von Druck und/oder Temperatur von Fluiden, wie z.B. Wasser zu erzeugen (eingeschlossen, wo erwünscht, das Umwandlen von Fluid von der Flüssig- in die Gasphase).
Es ist ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System zum Bereitstellen von Wärme und heißem Wasser für Wohnungen und Geschäftsräume bereitzustellen, welches Vorrichtungen verwendet, die mechanisch angetriebene Rotoren zum Erwärmen von Wasser aufweisen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zum Erwärmen von Fluiden bereitzustellen, und insbesondere von Wasser, zum Bereitstellen von Wärme zu Einrichtungen, bei denen die mechanische Rotationserwärmungsvorrichtung konstruiert ist für ein einfaches Herstellen und ein einfaches Ersetzen von Komponenten.
Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich bei Betrachtung der nachfolgenden Zeichnungen zusammen mit bezug auf ihre detaillierte Beschreibung in diesem Dokument.
Die Ziele werden gemäß der Erfindung erreicht durch ein System zum Erwärmen von Fluid der zuvor genannten Art, bei dem der Rotor eine zur Seitenwand weisende Oberfläche aufweist, die mit Bohrungen in einem ausgewählten Winkel zur Oberfläche versehen ist, wobei die Bohrungen Turbulenzen des Fluids innerhalb eines Raumes zwischen dem Rotor und einer inneren Oberfläche der Höhlung erzeugen, und die Lagerungsanordnung abnehmbar angebracht ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine teilweise ausgeschnittene perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht eines Wohnungsheizsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist eine teilweise Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eine Lagerungs/Dichtungsanordnung für eine Vorrichtung des Typs, wie er in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.
Fig. 6 ist eine teilweise Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Lagerungs/Dichtungsanordnung für eine Vorrichtung des Typs, wie er in Fig. 3 dargestellt ist.

Beste Art zum Ausführen der Erfindung

Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt die Vorrichtung 10 in ihrer einfachsten Form einen Rotor 12, der auf einer Welle montiert ist, wobei Rotor 12 und Welle 14 sich innerhalb eines Gehäuses 16 drehen. Die Welle 14 in der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform hat typischerweise einen Hauptdurchmesser von 45 mm (1 3/4 Inch) und kann aus geschmiedetem Stahl, Gußeisen oder duktilem Guß oder anderen passenden Wellenmaterialien je nach Wunsch bestehen. Die Welle 14 kann durch einen Elektromotor 17 oder andere Antriebseinrichtungen angetrieben werden, kann direkt (wie dargestellt) oder über Getriebe, durch eine Rolle oder auf andere Weise wie gewünscht angetrieben werden.
Der Rotor 12 ist fest an der Welle 14 angebracht, und kann typischerweise aus Aluminium, Stahl, Eisen oder anderen passenden Metallen oder Legierungen bestehen. Der Rotor 12 ist im wesentlichen ein solider Zylinder aus Material, welches eine Wellenbohrung 18 zum Aufnehmen der Welle 14 aufweist, und es sind eine Anzahl von Unregelmäßigkeiten 20 in seine zylindrische Oberfläche eingeformt. In der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform weist der Rotor 12 typischerweise 152 mm (6 Inches) Durchmesser und 229 mm (9 Inches) Länge auf, während er bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Fig. 12 typischerweise 254 mm (10 Inches) im Durchmesser und 102 mm (4 Inches) in der Länge mißt. Sperrstifte, Sicherungsschrauben oder andere Befestigungen 22 können verwendet werden, um den Rotor 12 an der Welle 14 zu befestigen. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist der Rotor 12 eine Vielzahl von regelmäßig voneinander beabstandeten und zueinander angeordneten Bohrungen 24 auf, die gebohrt oder eingeschnitten oder auf andere Weise in seine zylindrische Oberfläche 26 eingeformt sind. Die Bohrungen 24 können gegengesenkte Unterseiten aufweisen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die Bohrungen 24 können auch gegenüber der radialen Richtung entweder in eine Richtung zu oder weg von der Richtung der Drehbewegung des Rotors 12 versetzt sein . In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Bohrungen 24 ungefähr um 15 Grad gegenüber der Radialen in Richtung der Rotation des Rotors 12 versetzt. Jede Bohrung 24 kann eine Lippe 25 aufweisen, wo sie auf die Oberfläche des Rotors 12 trifft, und die Lippe kann konisch oder anderweitig konturiert sein, um eine kontinuierliche Oberfläche zwischen der Oberfläche der Bohrungen 24 und der zylindrischen Oberfläche 26 des Rotors 12 zu bilden. Solche konischen Oberflächen sind nützlich, um Bereiche bereitzustellen, in welchen sich ein Vakuum entwickelt, wenn der Rotor 12 sich relativ zum Gehäuse 16 dreht. Die Tiefe, der Durchmesser und die Orientierung der Bohrung 24 kann in ihren Dimensionen angepaßt werden, um die Effizienz und Effektivität der Vorrichtung 10 zum Erwärmen verschiedener Fluide zu optimieren, und um den Betrieb, die Effizienz und Effektivität der Vorrichtung 10 bezüglich spezieller Fluidtemperaturen, Druck- und Fließraten zu optimieren, soweit sie von der Drehgeschwindigkeit des Rotors 12 abhängen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Bohrungen 24 radial sich erstreckend ausgebildet, um ungefähr achtzehn Grad voneinander beabstandet und weisen eine Tiefe auf, die größer als ihr Durchmesser ist.
Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist das Gehäuse 16 aus zwei Gehäuseglocken 30A und 30B gebildet, welche im wesentlichen C-förmig im Querschnitt sind und deren innere Oberflächen 32A und 32B eng zu der zylindrischen Oberfläche 26 und den Enden 34 des Rotors 12 passen. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung weist einen 2,5 mm (0,1 Inch) Freiraum 28 zwischen Rotor 12 und Gehäuse 16 in sowohl radialer Richtung als auch axialer Richtung auf. Kleinere oder größere Freiräume können offensichtlich bereitgestellt werden, wiederum abhängig von den Parametern des involvierten Fluids, der gewünschten Fließrate und der Drehgeschwindigkeit des Rotors 12. Die Gehäuseglocken 30A und 30B können aus Aluminium, rostfreiem Stahl oder anderweitig je nach Wunsch geformt sein und weisen vorzugsweise eine Vielzahl von axial angeordneten Löchern 36 auf, durch welche Bolzen oder andere Befestigungsmittel 38 die Gehäuseglocken 30A und 30B in abdichtender Weise verbinden. Jede Gehäuseglocke 30A und 30B weist auch eine axiale Bohrung 40 in einer Endwand 39 auf, die einen genügend großen Durchmesser aufweist, um die Welle 14 zusammen mit Dichtungen um die Welle aufzunehmen, und um zusätzlich einen Fluß von Fluid zwischen der Welle, den Dichtungen und der Gehäuseglocke 30A und 30B und den Bohrungen 40A und 40B zu erlauben.
Die innere Oberfläche 32A und 32B der Gehäuseglocken 30A und 30B kann glatt sein, wie dargestellt, ohne Unregelmäßigkeiten, oder kann gezackt sein, Löcher aufweisen oder Bohrungen oder andere Unregelmäßigkeiten je nach Wunsch, um Effizienz und Effektivität der Vorrichtung 10 zu erhöhen für spezielle Fluide, Fließraten und Drehgeschwindigkeiten des Rotors 12. In der bevorzugten Ausführungsform sind keine solchen Unregelmäßigkeiten vorgesehen.
Mit einer äußeren Oberfläche 44A und 44B der Endwand 39 jeder Gehäuseglocke 30A und 30B ist eine Lagerungsplatte 46A und 46B verbunden. Die primäre Funktion der Lagerungsplatten 46A und 46B ist es, eine oder mehrere Lagerungen 48A und 48B (Kugeln, Rollen oder anderweitig wie gewünscht) zu tragen, welche wiederum die Welle 14 tragen, und einen O-Ring 50A und 50B zu tragen, welcher in gleitender Weise eine mechanische Dichtung 52A und 52B berührt, die an der Welle 14 angebracht ist. Die Dichtungen 52A und 52B wirken mit den O-Ringen 50A und 50B zusammen, um eine Lekage von Fluid angrenzend an die Welle 14 aus der Vorrichtung 10 zu verhindern oder zu minimieren. Die mechanischen Dichtungen 52A und 52B sind vorzugsweise federbelastete Dichtungen, wobei die Federn 53A und 53B eine Stopfbuchsenbrille 54A und 54B gegen den O-Ring 50A und 50B drükken, die vorzugsweise aus Wolframcarbid besteht. Offensichtlich können andere Dichtungen und O-Ringe je nach Wunsch verwendet werden. Eine oder mehrere Lagerungen 48A und 48B können mit jeder Lagerungsplatte 46A und 46B verwendet werden, um die Welle 14 zu tragen.
Lagerungsplatten 46A und 46B können an den Gehäuseglocken 30A und 30B unter Verwendung von Bolzen 58 oder anderen Befestigungsmitteln je nach Wunsch befestigt werden. Vorzugsweise können scheibenförmige Stellringe 60, durch welche sich die Welle 14 hindurch erstreckt, gegen die Endplatten 46A und 46B angelegt werden, um die Lagerungen 48A und 48B an ihrem Platz zu halten.
In der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist ein Fluideinlaßanschluß 63 in jede Lagerungsplatte 46A und 46B (Fig. 1) oder in die Endwand 44A des Gehäuses 16 (Fig. 2) eingebohrt oder auf andere Weise eingeformt, die es erlaubt, dem zu erwärmenden Fluid in die Vorrichtung 10 einzutreten, zuerst durch Eintreten in eine Kammer oder einen Hohlraum 64, der innerhalb der Lagerungsplatte 46A oder 46B (Fig. 1) eingeformt ist, oder direkt in in den Freiraum 28, der zwischen dem Rotor 12 und dem Gehäuse 16 angeordnet ist (Fig. 2). Fluid, welches durch eine Lagerungsplatte 46 hindurchtritt, fließt dann von der Kammer 46 durch die Axialbohrung 40A und 40B in der Gehäuseglocke 30A und 30B, wenn sich der Rotor 12 innerhalb des Gehäuses 16 dreht. Das Fluid wird in den Freiraum 28 zwischen dem Rotor 12 und dem Gehäuse 16 hineingezogen, wo die Rotation des Rotors 12 bezüglich der inneren Oberfläche 32A und 32B der Gehäuseglocken 30A und 30B dem Fluid Wärme zuführt.
Eine oder mehrere Auslaßanschlüsse oder Bohrungen 66 sind innerhalb einer oder mehrere der Gehäuseglocken 30A und 30B eingeformt, zum Ablassen des Fluids mit einem höheren Druck und/oder einer höheren Temperatur. Ablaßanschlüsse 66 können radial angeordnet sein (wie in Fig. 1 dargestellt) oder auf andere Weise wie gewünscht, und ihre Durchmesser können optimiert werden, um verschiedene Fluide aufzunehmen, und bestimmte Fluide bei verschiedenen Eingangsparametern, Fließraten und Drehgeschwindigkeiten des Rotors 12 aufzunehmen. In gleicher Weise können Einlaßanschlüsse 63 die Lagerungsplatten 46A und 46B oder das Gehäuse 16 in einer axialen Richtung durchdringen, oder auf andere Weise orientiert sein und eine andere Größe aufweisen, je nach Wunsch, um verschiedene Fluide und bestimmte Fluide bei verschiedenen Einlaßparamtern, Fließraten und Drehgeschwindigkeiten des Rotors 12 aufzunehmen.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung, welche einen kleineren Rotor 12 verwendet, wird mit einer höheren Drehgeschwindigkeit betrieben (im Bereich von 5000 Umdrehungen pro Minute), als die Vorrichtungen 10 mit größeren Rotoren 12. Solche höheren Drehgeschwindigkeiten involvieren die Verwendung von Antriebsrollen oder Getrieben, und erhöhen daher die mechanische Komplexität und verringern die Zuverlässigkeit. Erhältliche Motoren werden typischerweise effektiv in einem Bereich von ungefähr 3450 Umdrehungen pro Minute betrieben, was für die Erfindung als eine komfortable Drehgeschwindigkeit für Rotoren im 185 mm bis 254 mm (7,3 bis 10 Inch) Durchmesserbereich empfunden hat. Vorrichtungen, wie sie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt sind, können komfortabel angetrieben werden, bei Verwendung von 3,7 bis 5,6 kW (5 bis 7,5 PS) Elektromotoren.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung wurde mit 13 mm (1/2 Inch) Rohren bei 5000 Umdrehungen pro Minuten betrieben, unter Verwendung von Stadtwasserdruck von ungefähr 5,2 bar (75 Pounds). Die Auslaßtemperatur bei diesem Druck, mit einer komfortablen Fließrate, beträgt ungefähr 150ºC (300 F). Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung wurde unter Verwendung eines Ventils an dem Einlaßanschluß 63 und eines Ventils an dem Auslaßanschluß 66 und durch Einstellen der Fließrate des Wassers in die Vorrichtung 10 gesteuert. Vorzugsweise wird das Ventil an dem Einlaßanschluß 63 in gewünschter Weise eingestellt, und wird die Ablaßwassertemperatur erhöht durch Verengen der Öffnung des Ventils an dem Ablaßanschluß 66 und umgekehrt. Der Ablaßdruck wird vorzugsweise unterhalb des Einlaßdruckes gehalten; andernfalls nimmt der Fluß ab und der Rotor 12 dreht sich einfach nur mit erhöhter Geschwindigkeit, da der Fluß von Wasser in dem Hohlraum 28 offensichtlich einer laminaren Strömung näher kommt.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung 10' gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur werden Elemente, die die gleichen sind wie bei den Fig. 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und Elemente, die geringfügig geändert sind, jedoch denselben Funktionen dienen, tragen mit einem Strich versehene Nummern. Diese Vorrichtung weist einen Rotor 12' auf, der einen größeren Durchmesser und eine geringere Länge aufweist, und der in einem Gehäuse 16' angeordnet ist, welches nur eine Gehäuseglocke 30' aufweist. Die innere Oberfläche 32' der Gehäuseglocke 30' erstreckt sich über die Länge des Rotors 12'. Eine Gehäuseplatte 68, die vorzugsweise scheibenförmig ist und einen Durchmesser aufweist, der ähnlich dem Durchmesser der Gehäuseglocke 30' ist, ist mit der Gehäuseglocke 30' in einer abdichtenden Weise verbunden, um die verbleibende Wand des Gehäuses 16 zu bilden. Die Gehäuseplatte 68, wie auch die Gehäuseglocke 30' weist eine axiale Bohrung 40 auf, die einen genügend großen Durchmesser aufweist, zum Aufnehmen der Welle 14, der Dichtungen 52A und 52B und dem Fluß von Fluid zwischen den Hohlräumen 64, die in den Lagerungsplatten 46A und 46B eingeformt sind. Diese Ausführungsform weist eine reduzierte Fließrate auf und wird bevorzugt für Anwendungen wie z.B. das Wärmen von Wohnungen. Der Einlaßanschluß 63 erstreckt sich in dieser Vorrichtung vorzugsweise durch das Gehäuse 16', wie auch der Ablaßanschluß 66 (durch die Gehäuseplatte 68), kann sich jedoch auch durch die Lagerungsplatten 46 erstrecken.
Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung 10' wird vorzugsweise mit 19 mm (3/4 Inch) Kupfer oder galvanisierten Rohren und einer Rotation von ungefähr 3450 Umdrehungen pro Minute betrieben, kann jedoch auch mit jeder anderen gewünschten Geschwindigkeit betrieben werden. Bei einem Einlaßdruck bei ungefähr 4,5 bar (65 Pounds) und einem Auslaßdruck von ungefähr 3,5 bar (50 Pounds), liegt die Auslaßtemperatur in einem Bereich von ungefähr 150ºC (300º F).
Fig. 4 zeigt eine Wohnungsheizungssystem 70 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Einlaßseite der Vorrichtung 10 (oder 10') ist mit einer Heißwasserleitung 71 eines (inaktivierten) Heißwasserheizers 72 verbunden. Der Auslaß der Vorrichtung 10 ist mit der Ablaßleitung 73 verbunden, welche wiederum mit dem Kessel oder einem HVAC Wärmetauscher 74 und einer Rückführleitung 76 zur Kaltwasserversorgungsleitung 77 des Heißwasserheizers 72 verbunden ist. Die Vorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform eines solchen Systems weist einen Rotor 12 auf, der einen Durchmesser von 8 Inches aufweist. Ein Wärmetauschereinlaßsolenoidventil 80 steuert den Fluß des Wassers von der Vorrichtung 10 zu dem Wärmetauscher 74, während ein Wärmetauscherauslaßsolenoidventil 82 den Fluß des Wassers vom Wärmetauscher 74 zur Rückführleitung 76 steuert. Ein drittes Solenoidventil in der Form eines Wärmetauschersvorbeileitungssolenodiventil 84, sofern geöffnet, erlaubt es Wasser direkt von der Vorrichtung 10 zur Rückführleitung 76 zu fließen, wobei es am Wärmetauscher 74 vorbeigeleitet wird. Die Wärmetauscherventile 80 und 82 können mit der normalerweise geschlossenen Seite eines 10 Ampere oder einem anderen passenden Relais 78 verbunden sein, und das Vorbeileitungsventil 84 ist mit der normalerweise offenen Seite des Relais 78 verbunden. Das Relais 78 ist dann mit der Klimaanlagenseite des Wohnungsheizungsthermostaten verbunden, so daß das Vorbeileitungsventil 84 geöffnet ist, und die Wärmetauscherventile 80 und 82 geschlossen sind, wenn der Wohnungsbesitzer die Klimaanlage ausschaltet und die Heizung abschaltet. Ein Kontakterzeuger 86 ist mit dem Thermostat in dem Heißwasserheizer und dem Wohnungsheizungsthermostaten verbunden, so daß ein Betätigen eines der beiden Thermostaten den Kontakterzeuger 86 ausschaltet, um die motorangetriebene Vorrichtung 10 einzuschalten. (Bei Gaswasserheizern, kann der Temperaturschalter in der Leitung angeordnet sein, um das normale Bimetall zu ersetzen.)
Der Heißwasserheizer 72 wird abgeschaltet und bei dem in Fig. 4 dargestellten System als Reservoir verwendet, um das Wasser aufzunehmen, welches durch die Vorrichtung 10 aufgeheizt wurde. Die Vorrichtung 10 wird betrieben, um das Wasser auf ungefähr 82ºC bis 88º (180 bis 190º F) aufzuheizen, so daß Wasser, welches dem Reservoir der Heißwasserheizung 72 in Bezug direkt auf die Rückführleitung 76 zurückgeführt wird, ungefähr diese Temperatur aufweist, während Wasser, welches über den Wärmetauscher 74 zurückgeführt wird, welches einen Temperaturverlust von ca. 40º erfährt, dem Reservoir mit einer Temperatur von ungefähr 65ºC (150º F) rückgeführt wird. Absperrventile 88 erlauben es, die Vorrichtung 10 und den Wärmetauscher 74 zu isolieren, wenn dies gewünscht wird für Wartung und Reparatur.
Eines der Probleme, welches mit Vorrichtungen des in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Typs auftreten, ist das was sich auf Wärmeschäden an Dichtungen und Lagerungen nach extensiven Betrieb bezieht. Um dieses Problem zu verringern, wurden verschiedene Modifikationen vorgenommen, wie dies in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist. In Fig. 5 z.B. weisen die Endwände (Endplatten) 90 einer Fluiderwärmungsvorrichtung 92 eine vergrößerte Dicke auf. Dann wird durch Verwenden einer Lagerungsanordnung 94, die daran befestigt ist mit Bolzen 96, die in Gewinden aufgenommen sind in den Endwänden 90 bei 97, die Lagerung 98 innerhalb dieser Anordnung 94 weiter von dem Innern 100 der Vorrichtung 92 entfernt. Wenn irgendein Schaden an der Lagerung 98 oder irgendeiner Dichtung (nicht dargestellt) der Lagerung 98 auftritt, kann die gesamte Lagerungsanordnung 94 entfernt und durch eine neue Anordnung ersetzt werden. Dies kann im Gegensatz zur komplexeren Struktur aus Fig. 2 stehen. Es ist zu verstehen, daß die Vorrichtung 92 eine gegenüberliegende Endwand oder Platte (nicht dargestellt) vom im wesentlichen der gleichen Konstruktion aufweist. Diese Endwand 90 verwendet die gleiche federbelastete Dichtungsanordnung 102, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. In dieser Ausführungsform ist das Gehäuse der Vorrichtung 92 mit einer zylindrischen Wand 104 vervollständigt, die an den zwei Endwänden 90 durch Bolzen 106 gehalten wird, die sich durch Öffnungen 108 in den Endwänden 90 erstrecken. Es wird angemerkt, daß die Enden dieser zylindrischen Wand 104 in den Ausnehmungen 110 in der Endwand aufgenommen sind, und daß eine Dichtung vorgesehen ist mit einem O-Ring 112 oder einer äquivalenten Art von Dichtung. In dieser Ausführungsform erstreckt sich der Einlaß für die Vorrichtung 92 durch einen mit einem Gewinde versehenden Anschluß 114 in der Endwand 90 (der Auslaß kann an einer gegenüberliegenden Endwand angeordnet sein). Sowohl der Einlaß, als auch der Auslaß können selbstverständlich an anderen Orten angeordnet sein, als dies mit bezug auf Fig. 2 und 3 vorgeschlagen wird. In dieser Ausführung ist der Rotor bei 116 dargestellt, wie er auf der Welle 118 angebracht ist. Dieser Rotor 116 kann von einem der Typen sein, die zuvor diskutiert wurden mit bezug auf die Fig. 2 und 3, und wird regelmäßig voneinander beabstandete Ausnehmungen in seiner Oberfläche aufweisen um Turbulenzen zu erzeugen.
Die Ausführungsformen aus den Fig. 4 und 5 können in dem in Fig. 4 dargestellten System verwendet werden, oder in anderen Systemen zum Erwärmen von Fluiden in einem System.

Claims

1. System zum Erwärmen eines Fluides, mit:

einem Aufbewahrungsbehälter (72) zum Aufnehmen des erwärmten Fluides, wobei der Behälter einen Einlaß und einen Auslaß aufweist;

eine mechanische Umwandlungsvorrichtung (10) zum Erwärmen von Fluid, wobei die Umwandlungsvorrichtung

(a) ein Gehäuse (16), welches eine Höhlung definiert, wobei die Höhlung in einer zylindrischen Seitenwand (32A, 32B) und einem Paar von Endplatten (39A, 39B) gebildet wird, wobei jeder der Endplatten mit mittig angeordneten Öffnungen (40A, 40B) versehen ist, welche Endplatten innere und äußere Oberflächen (44a, 44B) definieren,

(b) Dichtungselemente (52A, 52B), die in der Öffnungen der Endplatten angebracht sind,

(c) eine Lagerungsanordnung (46A, 46B, 48A, 48B), die auf der äußeren Oberfläche der Endplatten und fluchtend zu den Öffnungen angebracht ist;

(d) eine Welle (14), die sich durch eine Achse der Höhlung erstreckt und in den Lagerungsanordnungen und Dichtungselementen gelagert ist, wobei die Welle mit einer Antriebseinrichtung (17) verbunden ist, um die Welle zu drehen,

(e) einen Rotor (12), der auf der Welle innerhalb der Höhlung angebracht ist, um sich mit der Welle zu drehen, wobei der Rotor so dimensioniert ist, um eng innerhalb der Seitenwände und der Endplatten aufgenommen zu sein,

(f) einen Einlaßanschluß (63) zum Einleiten von zu erwärmendem Fluid in den Raum zwischen dem Rotor und der inneren Oberfläche der Höhlung, und

(g) einen Auslaßanschluß (66) für das Ausleiten von erwärmtem Fluid aus dem Raum zwischen dem Rotor und der inneren Oberfläche der Höhlung aufweist;

einer ersten Fluidverbindung (71), die mit dem Einlaßanschluß der Umwandlungseinrichtung verbunden ist zum Einbringen von zu erwärmendem Fluid in die Umwandlungsvorrichtung;

und einer zweiten Fluidverbindung (73, die den Auslaßanschluß der Umwandlungsvorrichtung mit dem Einlaß des Aufbewahrungsbehälters verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine zur Seitenwand gerichtete Oberfläche mit Bohrungen aufweist, die in vorbestimmten Winkeln zur Oberfläche angeordnet sind, wobei die Bohrungen eine Turbulenz des Fluides innerhalb des Raumes zwischen dem Rotor und einer inneren Oberfläche der Höhlung erzeugen und die Lagerungsanordnung (46A, 46B, 48A, 48B) abnehmbar angebracht ist.

2. Das System nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Wärmetauscher (74) zum Übertragen von Wärme auf Fluid innerhalb des Aufbewahrungsbehälters auf ein anderes Fluid, wobei ein Einlaß des Wärmetauschers mit dem Auslaß des Aufbewahrungsbehälters verbunden ist und ein Auslaß mit dem Einlaß des Aufbewahrungsbehälters verbunden ist.

3. Das System nach Anspruch 2, weiterhin mit einer ersten Fluidtransportleitung (76) zwischen dem Auslaß des Wärmetauschers und dem Einlaßanschluß der Umwandlungsvorrichtung.

4. Das System nach einem der Ansprüche 2 oder 3, weiterhin mit:

einer zweiten Fluidtransportleitung (73) zwischen dem Auslaßanschluß der Umwandlungsvorrichtung und dem Einlaß des Wärmetauschers; und

einer Ventileinheit (84) zum selektiven Verbinden des Auslasses des Aufbewahrungsbehälters mit dem Einlaß des Wärmetauschers und des Auslasses der Umwandlungsvorrichtung mit dem Einlaß des Wärmetauschers

5. Das System nach einem der Ansprüche 2 bis 4 weiterhin mit:

einem Regulierventil (88) in der Fluidverbindung zu dem Einlaßanschluß der Umwandlungsvorrichtung zum Regulieren der Fließrate in die Umwandlungsvorrichtung; und

einem zweiten Regulierventil (80) in der Fluidverbindung zu dem Auslaßanschluß der Umwandlungsvorrichtung zum Regulieren der Fließrate aus der Umwandlungsvorrichtung heraus, um das Erwärmen des Fluides durch die Umwandlungsvorrichtung zu steuern, wobei das zweite Regulierventil einen Auslaßdruck mit einem Wert ermöglicht, der geringer ist als der Einlaßdruck.

6. Das System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das durch die Umwandlungsvorrichtung erwärmte Fluid Wasser ist, und beim die Wärme des Wasser durch den Wärmetauscher auf Luft übertragen wird.

7. Das System nach einem der Ansprüche 2 bis 6 weiterhin mit einem thermostatisch gesteuerten Ventil (84) in der Fluidverbindung zu dem Einlaß des Wärmetauschers, wobei ein Fluß von erwärmtem Wasser in den Wärmetauscher gesteuert wird in Abhängigkeit von einem Thermostat innerhalb des Systems, wobei ein Erwärmen der Luft innerhalb des Systems gesteuert wird.

8. Das System nach einem der Ansprüche 2 bis 7 weiterhin mit einem Vorbeileitungsventil (84), welches zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Wärmetauschers angeordnet ist, um auswählbar einen Fluß von erwärmtem Wasser um den Wärmetauscher herumzuleiten, wenn ein Erwärmen von Luft durch den Wärmetauscher nicht gewünscht wird.

9. Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin mit einer Hilfsheizeinrichtung, die innerhalb des Aufbewahrungsbehälters angeordnet ist, um zusätzliche Wärme dem Wasser innerhalb des Aufbewahrungsbehälters zuzuführen.

10. Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin mit einem Steuerungssystem, welches mit der mit der Welle verbundenen Antriebseinrichtung verbunden ist, wobei die Steuerungseinrichtung die Antriebseinrichtung aufgrund eines Signals von einem Sensor innerhalb des Aufbewahrungsbehälters in Betrieb nimmt und außer Betrieb setzt, wobei das Signal sich auf eine Temperatur des Wassers innerhalb des Aufbewahrungsbehälters bezieht.

11. Das System nach Anspruch 10, bei dem das Steuerungssystem die Antriebseinrichtung in Betrieb nimmt und außer Betrieb setzt aufgrund eines zweiten Signales von einem Sensor innerhalb des Systems, wobei das zweite Signal sich auf eine Temperatur von Luft innerhalb des Systems bezieht.