EP2567158B1

EP2567158B1 - Vorrichtung und verfahren zum umwandeln thermischer energie

Info

Publication number: EP2567158B1
Application number: EP11722711.6A
Authority: EP
Inventors: Bernhard Adler; Sebastian Riepl
Original assignee: Ecop Technologies GmbH
Current assignee: Ecop Technologies GmbH
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-05-09
Also published as: CN102893103A; CN102893103B; AT509231B1; US20130042994A1; US9797628B2; EP2567158A1; WO2011137476A1; AT509231A4

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem drehbar um eine Drehachse gelagerten Rotor, in dem ein Strömungskanal für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium vorgesehen ist, wobei der Strömungskanal einen Verdichtungskanal, in dem das Arbeitsmedium zur Druckerhöhung mit Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen führbar ist, einen Entspannungskanal, in dem das Arbeitsmedium zur Druckverringerung mit Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach innen führbar ist, und zwei im Wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufende Verbindungskanäle aufweist, und weiters Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgesehen sind, wobei der Verdichtungskanal und der Entspannungskanal jeweils einen Wärmetauschabschnitt aufweisen, dem jeweils ein mit dem Verdichtungskanal bzw. dem Entspannungskanal mitrotierender Wärmetauscher zugeordnet ist.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem um eine Drehachse rotierenden Arbeitsmedium, welches einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess durchläuft, wobei das Arbeitsmedium während einer Verdichtung in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen und während einer Entspannung in Bezug auf die Drehachse radial nach innen geführt wird, wobei eine Druckerhöhung bzw. eine Druckverringerung des Arbeitsmediums durch die auf das Arbeitsmedium wirkende Zentrifugalbeschleunigung erzeugt wird, und das Arbeitsmedium Wärme an ein Wärmeaustauschmedium abgibt bzw. Wärme von einem Wärmeaustauschmedium aufnimmt, wobei der Wärmeaustausch über ein mit dem Arbeitsmedium um die Drehachse mitrotierendes Wärmeaustauschmedium zumindest teilweise während der Verdichtung bzw. Entspannung erfolgt.
Aus dem Stand der Technik sind Wärmepumpen bzw. Wärmekraftmaschinen bekannt, bei denen ein gasförmiges Arbeitsmedium in einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess geführt wird.
Aus der GB 1 466 580 ist eine Wärmepumpe bekannt, welche einen in einem Gehäuse aufgenommenen Rotor aufweist, in welchem ein gasförmiges Fluid einen Kreiszprozess durchläuft. Das Fluid wird auf der Kompressorseite des Rotors zur Druckerhöhung mittels Zentrifugalwirkung radial nach außen geführt und anschließend über einen kurzen, parallel zur Drehachse verlaufenden Abschnitt in die Entspannerseite geleitet, in welchem das erste Fluid radial nach innen zur Drehachse strömt. Zum Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und einem zweiten bzw. dritten Fluid ist auf der Kompressorseite ein Wärmetauscher und auf der Entspannerseite ein Wärmetauscher vorgesehen, die mitrotierend im Rotor angeordnet sind. Die Wärmetauscher weisen jeweils mehrere umlaufende, in radialer Richtung beabstandete Wärmetauschleitungen auf; der zur Wärmeabfuhr vom verdichteten Fluid vorgesehene Wärmetauscher ist dabei radial weiter außen als der auf Entspannerseite innenliegende Wärmetauscher angeordnet. Die Wärmetauscherleitungen verlaufen daher auf der Komprimierungs- bzw. Expansionsseite jeweils quer zur Strömungsrichtung des Fluids, d.h. in Umfangsrichtung des Rotors. Diese Ausführung hat jedoch den Nachteil, dass beim Durchströmen der Kompressor- bzw. Entspannerseite in radialer Richtung ein diskontinuierlicher Wärmeaustausch erfolgt, was vergleichsweise große Energieverluste zur Folge hat.
Eine weitere Wärmepumpe dieser Art ist in der US 3,828,573 A offenbart.
In der WO 2009/015402 A1 ist eine Wärmepumpe beschrieben, bei der das Arbeitsmedium in einem Rohrleitungssystem eines Rotors einen Kreisprozess mit den Arbeitsschritten Verdichtung des Arbeitsmediums, Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium mittels eines Wärmetauschers, Entspannung des Arbeitsmediums und Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium mittels eines weiteren Wärmetauschers durchläuft. Die Druckerhöhung bzw. Druckverringerung des Arbeitsmediums stellt sich durch die Zentrifugalbeschleunigung ein, wobei das Arbeitsmedium in einer Verdichtungseinheit bezüglich einer Drehachse radial nach außen und in einer Entspannungseinheit radial nach innen strömt. Die Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium an ein Wärmeaustauschmedium des Wärmetauschers erfolgt in einem axialen bzw. parallel zur Drehachse verlaufenden Abschnitt des Rohrleitungssystems, dem ein mitrotierender, das Wärmeaustauschmedium aufweisender Wärmetauscher zugeordnet ist. Diese Vorrichtung ermöglicht grundsätzlich eine sehr effiziente Umsetzung von mechanischer Energie und Wärmeenergie niedriger Temperatur in Wärmeenergie höherer Temperatur. Um die gewünschte Wärmeabfuhr in dem axialen Abschnitt des Rohrleitungssystems sicherzustellen, muss dieser Abschnitt jedoch eine gewisse Längserstreckung aufweisen. Dies hat den Nachteil, dass die Anlage eine Mindestlänge in axialer Richtung nicht unterschreiten kann, so dass im Rotor viel ungenützter Raum freibleibt.
Aus der US 4,793,154 A ist zudem eine andersartige Verdichter-Wärmepumpe bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren der eingangs angeführten Art zu schaffen, bei der bzw. bei dem eine Umsetzung von mechanischer Energie in Wärmeenergie und umgekehrt mit hohem Wirkungsgrad in einer platzsparenden, stabilen Anordnung erzielbar ist.
Dies wird bei der Vorrichtung der eingangs angeführten Art dadurch erzielt, dass die Wärmeaustauschkanäle im Bereich des Wärmetauschabschnitts benachbart zu dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal angeordnet sind und im Wesentlichen parallel zu dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal verlaufen.
Demnach erfolgt der Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium in einem speziell für einen Wärmeaustausch mit dem zugehörigen Wärmetauscher eingerichteten, in radialer Richtung verlaufenden Wärmetauschabschnitt des Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals, welcher sich bis zur maximalen Länge des Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals erstrecken kann. Das Arbeitsmedium liegt während des Kreisprozesses bevorzugt in gasförmigem Zustand vor; es ist jedoch grundsätzlich auch ein flüssiges bzw. in einem Zwei-Phasen-Zustand befindliches Arbeitsmedium denkbar. Indem die Wärmetauschabschnitte in dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal ausgebildet sind, kann eine besonders platzsparende Anordnung erzielt werden, da die den Verdichtungs- mit dem Entspannungskanal verbindenden axialen Verbindungskanäle keine besonderen Aufgaben, insbesondere keinen Wärmeaustausch, erfüllen müssen. Insbesondere können daher die Verbindungskanäle - welche bei bekannten Anlagen im Hinblick auf einen Wärmeaustausch mit einem axial verlaufenden Wärmetauscher entsprechend langgestreckt ausgebildet sind - vergleichsweise kurz sein, da mit den Verbindungskanälen gemäß der Erfindung lediglich eine Umlenkung in den jeweils anderen in radialer Richtung verlaufenden Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal sichergestellt werden muss. Demnach lassen sich die Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere in Richtung der Drehachse gegenüber bekannten Wärmepumpen bzw. Wärmekraftmaschinen erheblich reduzieren. Dies ermöglicht beispielsweise auch die Hintereinanderschaltung von mehreren solchen Vorrichtungen entlang einer gemeinsamen Drehachse, wobei die insgesamt zur Verfügung gestellte Leistung im Wesentlichen der Summe der einzelnen Vorrichtungen entspricht. Zudem kann mit der erfindungsgemäßen radialen Anordnung der Wärmetauscher entlang dem Wärmetauschabschnitt des Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals ein Rotor mit hoher Stabilität erzielt werden, da die erfindungsgemäß radial angeordneten Wärmetauscher gegenüber axial verlaufenden Wärmetauschern besser dazu geeignet sind, die hohen Fliehkräfte beim Betrieb des Rotors aufzunehmen. Auf diese Weise kann der Rotor bzw. ein dem Rotor zugeordneter Antrieb, beispielsweise ein Elektromotor, mit hohen Winkelgeschwindigkeiten betrieben werden. Die kompakte, steife Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht hohe Umfangsgeschwindigkeiten, die hohen Temperaturspreizungen entsprechen.
Der Verdichtungskanal und der Entspannungskanal ebenso wie die zugehörigen Wärmetauscher sind im gemeinsamen Rotor aufgenommen und daher für eine synchrone Rotation um die Drehachse konfiguriert. Der geschlossene Strömungskanal des Arbeitsmediums verläuft demnach während des Kreisprozess vollständig in den rotierenden Bauteilen der Vorrichtung. Auf diese Weise werden Strömungsverluste, die bei einem Ein- bzw. Ausleiten des Arbeitsmediums aus dem Rotor auftreten würden, weitestgehend vermieden, so dass die Umwandlung thermischer Energie niedriger Temperaturen in thermische Energie höherer Temperatur und umgekehrt bei der vorliegenden Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad erfolgt.
Im Hinblick auf einen effizienten Wärmeaustausch ist der zur Ausbildung des Wärmetauschers vorgesehene, das Wärmeaustauschmedium führende Wärmetauschkanal im Bereich des Wärmetauschabschnitts benachbart zu dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal angeordnet und verläuft im Wesentlichen parallel zu dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal.
Zur Erzielung einer besonders steifen Anordnung, die den hohen Fliehkräften beim Betrieb standhalten kann, ist es günstig, wenn der Wärmetauschkanal und der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal im Wärmetauschabschnitt durch Ausnehmungen in einem gemeinsamen, vorzugsweise scheiben- bzw. plattenförmigen Körper gebildet werden. Demnach werden der Wärmetauschkanal und der Verdichtungs- bzw. der Entspannungskanal im Wärmetauschabschnitt jeweils in Ausnehmungen des Wärmetausch-Körpers geführt, wobei ein Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium in einander zugewandten bzw. gegenüberliegend benachbarten Ausnehmungen erfolgt.
Zur Erhöhung der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbaren Leistung ist es günstig, wenn eine Vielzahl von vorzugsweise in regelmäßigen Winkelabständen symmetrisch um die Drehachse angeordneten Verdichtungs- bzw. Entspannungskanälen sowie Wärmetauschkanäle vorgesehen sind, die jeweils einen in einer Ausnehmung des Wärmetauscher-Körpers angeordneten Wärmetauschabschnitt aufweisen. Bei dieser Ausführung kann eine Umwandlung mechanischer Energie in thermische Energie und umgekehrt mit hoher Leistung bei gleichzeitig geringem Platzbedarf realisiert werden. Die erzielbare Leistung kann weiter erhöht werden, wenn mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen in Serie geschalten werden.
In Abhängigkeit von den gewählten Dimensionen, insbesondere der Querschnittsfläche des Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals kann es hinsichtlich eines effizienten Wärmeaustauschs günstig sein, wenn sich im Wärmetauschabschnitt ein Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal in zumindest zwei Ausnehmungen des Wärmetauscher-Körpers gabelt. Demnach können jedem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal zumindest zwei gesonderte Ausnehmungen des Wärmetausch-Körpers zugeordnet sein. Vorzugsweise ist im Bereich des Übergangs zwischen dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal und den zugehörigen Ausnehmungen des Wärmetauscher-Körpers eine ringförmige Verteilungsnut vorgesehen. Bei anderen Ausführungen des Rotors kann allerdings der umgekehrte Fall günstig sein, wenn zumindest zwei Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle in einer gemeinsamen Ausnehmung des Wärmetauscher-Körpers ausgebildet sind.
Um einen effizienten Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium im jeweiligen Wärmetausch-Körper zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn an bezüglich der Haupterstreckungsebene des Wärmetausch-Körpers gegenüberliegenden Seiten Lamellen ausgebildet sind, zwischen denen die in Bezug auf den Wärmetausch-Körper nach außen offenen Ausnehmungen zur Ausbildung der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle bzw. Wärmetauschkanäle im Wärmetauschabschnitt angeordnet sind.
Zur Erzielung eines für hohe Fliehkräfte (hohe Umfangsgeschwindigkeiten) geeigneten Wärmetausch-Körpers ist es günstig, wenn die Lamellen beidseitig von einer vollflächigen Wand abstehen, deren Wandstärke vorzugsweise zwischen 1mm und 20mm beträgt. An gegenüberliegenden Seiten der vollflächigen Wand trennen jeweils eine Vielzahl von Lamellen eine entsprechende Anzahl von Ausnehmungen. Im zur Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium vorgesehenen Wärmetauscher sind in benachbarten, gegenüberliegenden Ausnehmungen die Wärmetauschabschnitte von Wärmetauschkanälen bzw. Verdichtungskanälen ausgebildet; im zur Wärmezufuhr an das Arbeitsmedium vorgesehenen Wärmetauscher liegen in entsprechender Art und Weise die Wärmetauschabschnitte der Wärmetauschkanäle jenen der Entspannungskanäle gegenüber.
Hinsichtlich eines zweckmäßigen Wärmeaustauschs im Wärmetausch-Körper ist es günstig, wenn eine Breite der Lamellen im Wesentlichen einer Breite der Ausnehmungen entspricht.
Untersuchungen der Wärmeströme im Wärmetausch-Körper haben ergeben, dass die Wärmeleitungsverluste gering sind bzw. die Stabilität gegenüber Differenzdrücken hoch ist, wenn die Lamellen bzw. Ausnehmungen der Wärmetauscher-Platte bzw. Scheibe in tangentialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet sind, wobei die Versetzung der Breite einer Ausnehmung bzw. einer Lamelle entspricht, so dass einander jeweils eine Lamelle und eine Ausnehmung gegenüberliegen.
Zur Erzielung eines stabilen und gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Wärmetausch-Körpers ist es günstig, wenn der Wärmetausch-Körper aus einem Material mit hoher Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit bzw. geringer Materialdichte, vorzugsweise Aluminium oder faserverstärktem Kunststoffmaterial, besteht.
Hinsichtlich einer unaufwendigen Herstellung des Wärmetausch-Körpers, wobei zudem eine besonders präzise Anpassung der Ausnehmungen ermöglicht wird, ist es von Vorteil, wenn die Ausnehmungen des Wärmetauscher-Körpers durch Fräsungen gebildet sind.-Bei einer alternativen Ausführung sind die Ausnehmungen des Wärmetauscher-Körpers in einem Gießverfahren hergestellt.
Zur Erzielung eines effizienten Wärmeübergangs im Wärmetauschabschnitt des Verdichtungs- bzw. des Entspannungskanals ist bei einer bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass als Wärmetauscher ein Plattenwärmetauscher mit einem Gehäuse vorgesehen ist, in dem Platten durch Zwischenräume getrennt angeordnet sind, in denen abwechselnd das Arbeitsmedium bzw. das Wärmeaustauschmedium geführt ist. Demnach weist ein solcher Plattenwärmetauscher eine Mehrzahl von Platten auf, die im Gehäuse derart angeordnet sind, dass jeweils in den aufeinanderfolgenden Zwischenräumen das Wärmeaustauschmedium bzw. das Arbeitsmedium fließt. Die beispielsweise miteinander verlöteten oder verschraubten Platten sind nach außen und jeweils zu den benachbarten Zwischenräumen für das jeweils andere Medium abgedichtet.
Ein grundsätzlicher Nachteil von Plattenwärmetauschern liegt in ihrer geringen Druckstabilität. Im Betrieb der Vorrichtung treten hohe Innendrücke im Plattenwärmetauscher auf, die Formänderungen bzw. Durchbiegungen der Platten bewirken. Bei sehr hohen Drücken kann dabei die Belastungsgrenze des Plattenwärmetauschers überschritten werden. Um hohen Innendrücken insbesondere des Wärmeaustauschmediums standhalten zu können, ist es günstig, wenn das Gehäuse des Plattenwärmetauschers mittels einer insbesondere hydraulischen Druckerzeugungsvorrichtung mit einem Druck beaufschlagbar ist, welcher einer geringen Druckdifferenz zum Innendruck des Plattenwärmetauschers entspricht. Demnach wird mit der Druckerzeugungsvorrichtung ein Außendruck auf den Plattenwärmetauscher aufgebracht, welcher eine Durchbiegung der Platten weitestgehend verhindert. Der Außendruck wirkt dabei vorzugsweise von allen Seiten auf den Plattenwärmetauscher, wobei dieser quasi in einem Druckbehälter angeordnet wird. Auf diese Weise kann die Stabilität der Anordnung beispielsweise bei einer Verwendung von Argon als Wärmeaustauschmedium mit einem Druck von bis zu 350 bar gewährleistet werden.
Um den Druck des Arbeitsmediums im Plattenwärmetauscher im Hinblick auf eine verbesserte Stabilität der Anordnung zu erhöhen, ist es günstig, wenn ein Arbeitsmediumraum mit einem Verdichter, insbesondere einem Zylinder-Kolben-Verdichter, verbunden ist, so dass das Volumen des Arbeitsmediums komprimiert wird.
Um den Druck des Arbeitsmediums im Plattenwärmetauscher auf ein Niveau anzuheben, das im Wesentlichen dem Druck des Wärmeaustauschmedium im Plattenwärmetauscher entspricht, ist es von Vorteil, wenn sich ein zur Ausübung des Drucks auf das Gehäuse des Plattenwärmetauschers eingerichteter Flüssigkeitskanal der hydraulischen Druckerzeugungsvorrichtung in einen weiteren Flüssigkeitskanal gabelt, der auf den Zylinder des Zylinder-Kolben-Verdichters wirkt. Demnach kann das Druckniveau des Arbeitsmediums an das Wärmeaustauschmedium angeglichen werden, wobei über den Flüssigkeitskanal der hydraulischen Druckerzeugungsvorrichtung ein entsprechender Außendruck auf das Gehäuse des Plattenwärmetauschers aufgebracht wird.
Verbesserungen im Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs können erzielt werden, wenn im Wärmetauschabschnitt der Verdichtungs- bzw. des Entspannungskanäle eine Turbulenzerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Turbulenzen im strömenden Arbeitsmedium vorgesehen sind. Mit der Turbulenzerzeugungseinrichtung wird die Strömung des Arbeitsmediums im Wärmetauschabschnitt gestört, wodurch lokale Turbulenzen erzeugt werden bzw. die Turbulenz lokal erhöht wird, so dass der Wärmeaustausch mit dem Wärmeaustauschmedium verbessert wird.
Hinsichtlich einer zweckmäßigen, konstruktiv einfachen Erzielung von Turbulenzen bzw. Rückströmungen im Wärmetauschabschnitt des Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals ist es günstig, wenn als Turbulenzerzeugungseinrichtung zumindest ein insbesondere bogenförmig gekrümmter Vorsprung an einer Wand der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle oder Profilierungen an den Platten des Plattenwärmetauschers vorgesehen ist. Sofern die Ausnehmungen in den Wärmetausch-Körper gefräst werden (z.B. mittels eines Scheibenfräsers), können die Vorsprünge durch Variation der Frästiefe erzielt werden.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Vorrichtung ist es günstig, wenn sich die Querschnittsfläche der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle in einem an ein Schaufelrad anschließenden bzw. einem dem Schaufelrad vorangehenden Abschnitt in Bezug auf die Drehachse radial nach außen erweitert. Die Strömung des Arbeitsmediums im Kreisprozess wird durch das insbesondere magnetisch nahe der Drehachse im Entspannungskanal fixierte Schaufelrad aufrechterhalten. Zur Vermeidung von Verlusten ist es günstig, wenn das Arbeitsmedium mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit in das Schaufelrad eingeleitet bzw. aus diesem herausgeführt wird, was durch die Verjüngung des Entspannungskanals vor dem Schaufelrad bzw. die Erweiterung des Verdichtungskanals nach dem Schaufelrad erzielt wird. Auf diese Weise kann ein optimaler Eintritts- bzw. Austrittswinkel beim Übergang des Arbeitsmediums in das Schaufelrad erzielt werden, was den Wirkungsgrad der Anlage beträchtlich erhöht. Die - in Strömungsrichtung betrachtet - Verringerung des Strömungsquerschnitts im Entspannungskanal in der Art einer Düse kann auf verhältnismäßig kurzer Distanz ohne nennenswerte Verluste erfolgen. Bei einer in Strömungsrichtung betrachtet Vergrößerung des Strömungsquerschnittes im Verdichtungskanal in der Art eines Diffusers ist eine möglichst lange Distanz erforderlich, um die Verluste gering zu halten bzw. um den Diffusorwirkungsgrad zu erhöhen. Dabei wird ausgenützt, dass im achsnahen Bereich eine vergleichsweise hohe und im achsfernen Bereich eine vergleichsweise niedrige relative Strömungsgeschwindigkeit vorliegt.
Um eine rückströmungsfreie Strömung des Arbeitsmediums in den außerhalb des Wärmetausch-Körpers verlaufenden Abschnitten der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle zu erzielen, ist günstig, wenn sich die Verdichtungs- bzw. die Entspannungskanäle in Bezug auf die Drehachse radial nach außen zumindest einmal in zwei Teilabschnitte gabeln, in denen der jeweilige Verdichtungs- bzw. der Entspannungskanal durch eine Teilungswand in zwei Hälften geteilt ist.
Bei der Strömung des Arbeitsmediums in radialer Richtung tritt neben der eine Verdichtung bzw. Entspannung des Arbeitsmediums bewirkenden Zentrifugalkraft zudem die quer zur Zentrifugalkraft wirkende Corioliskraft auf, so dass in jedem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal eine Druckseite und eine Saugseite ausgebildet wird. Um das Arbeitsmedium gleichmäßig in die Teilabschnitte aufzuteilen, ist es günstig, wenn die Teilungswand von einer parallel zu einer durch die Drehachse und die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums aufgespannten Ebene angeordneten Mittelebene des Verdichtungs- bzw. des Entspannungskanals zu einer Saugseite des Verdichtungs- bzw. des Entspannungskanals hin versetzt angeordnet ist. In diesem Fall weist das Arbeitsmedium in beiden Teilabschnitten dasselbe durch die Corioliskraft hervorgerufene Geschwindigkeitsprofil auf.
Eine gleichmäßige Aufteilung des Arbeitsmediums in die Teilabschnitte ist bei einer mittigen Anordnung der Teilungswand vorzugsweise dadurch erzielbar, dass die Haupterstreckungsebene der Teilungswand zumindest abschnittsweise tangential bzw. senkrecht zur Drehachse angeordnet ist. Diese Aufteilung der Strömungskanäle in der Mitte ist auf konstruktiv einfache Weise möglich und erfordert keine aufwendige Auslegung.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Haupterstreckungsebene der Teilungswand einen verdrillten Verlauf aufweist, wobei ein näher an der Drehachse angeordneter Endbereich der Haupterstreckungsebene der Teilungswand im Wesentlichen tangential bzw. senkrecht zur Drehachse angeordnet ist und ein weiter von der Drehachse entfernter Endbereich der Haupterstreckungsebene der Teilungswand im Wesentlichen parallel zur Drehachse verläuft. Demnach wird das Arbeitsmedium zunächst an dem der Drehachse zugewandten, senkrecht zur Drehachse angeordneten Endbereich der Teilungswand zu gleichen Teilen in die Teilabschnitte aufgeteilt. In den Teilabschnitten weist die Teilungswand einen um im Wesentlichen 90° verdrillten Verlauf auf, so dass die Haupterstreckungsebene der Teilungswand am anderen Endbereich der Teilungswand parallel zur Drehachse angeordnet ist. Im Anschluss an die Teilabschnitte kann eine erneute Gabelung der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle vorgesehen sein; in Abhängigkeit von den radialen Abmessungen der jeweiligen Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle ist es zweckmäßig, wenn sich die Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle mehrmals, insbesondere dreimal, in radial nach außen anschließenden Abschnitten aufgabeln, wobei sich die Anzahl der Teilabschnitte mit jeder Gabelung verdoppelt.
Hinsichtlich einer kostengünstigen, konstruktiv einfachen Ausgestaltung der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle ist es günstig, wenn die Verdichtungskanäle und die Entspannungskanäle abschnittsweise in einem wärmeisolierenden, vorzugsweise aus Kunststoff hergestellten, Drehkörper ausgebildet sind. Der Drehkörper kann beispielsweise im Spritzgießverfahren hergestellt sein.
Zur Erzielung einer kompakten, besonders stabilen Ausführung des Rotors ist es von Vorteil, wenn eine mitrotierende blockförmige Einfassung vorgesehen ist, in der die Wärmetauscher-Körper und der Drehkörper angeordnet sind. Mit der vorzugsweise aus Kunststoff gefertigten blockförmigen Einfassung werden die einzelnen Teile des Rotors in einer starren, modulartigen Anordnung zusammengefügt, die hohen Belastungen standhält.
Insbesondere im Hinblick auf geltende Sicherheitsvorschriften ist es günstig, wenn die blockförmige Einfassung in einem stillstehenden äußeren Gehäuse angeordnet ist. Mit dem Gehäuse können die rotierenden Bauteile im Inneren der Vorrichtung geschützt angeordnet werden. Weiters kann durch Erzeugung eines Vakuums in diesem Gehäuse die Aussenreibung minimiert werden.
Das Verfahren der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschmedium während des Wärmeaustauschs benachbart und im Wesentlichen parallel zu dem Arbeitsmedium geführt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden somit dieselben Vorteile wie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt, so dass zwecks Vermeidung von Wiederholungen auf vorstehende Ausführungen verwiesen wird.
Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads beim Durchlaufen des Kreisprozesses ist es günstig, wenn das Arbeitsmedium vor dem Wärmeaustausch im Wesentlichen adiabat verdichtet bzw. adiabat entspannt wird, wobei zur Vermeidung bzw. Verringerung von Turbulenzen eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit v des Arbeitsmediums, eine Winkelgeschwindigkeit w der Drehbewegung und eine Erstreckung a des Arbeitsmediums in tangentialer Richtung die Beziehung $a . w / v < 1$
erfüllt. Unter Einhaltung der obigen Bedingung können den Wirkungsgrad erniedrigende Turbulenzen vermieden bzw. verringert werden, welche dann auftreten, wenn ein durch die Corioliskraft hervorgerufenes Geschwindigkeitsprofil des Arbeitsmediums, d.h. eine Schieflage der Geschwindigkeitsverteilung quer zur Drehachse, größer als die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v wird. Demzufolge kann es insbesondere bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten v bzw. hohen Winkelgeschwindigkeiten w zweckmäßig sein, die das strömende Arbeitsmedium in radial anschließenden Teilabschnitten aufzugabeln, wie vorstehend bereits erläutert wurde.
Andererseits können während des Wärmeaustauschs Rückströmungen bzw. Turbulenzen erwünscht sein, da hierdurch die Effektivität des Wärmeaustauschs erhöht werden kann. Demnach ist es günstig, wenn während des Wärmeaustauschs zur Erzielung von Rückströmungen eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit v des Arbeitsmediums, eine Winkelgeschwindigkeit w der Drehbewegung und eine Erstreckung a des Arbeitsmediums in Richtung der Drehachse die Beziehung $a . w / v > 1$
erfüllt.
Zur Verbesserung der Wärmeleitung zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium hat es sich überraschenderweise als günstig herausgestellt, wenn das Wärmeaustauschmedium und das Arbeitsmedium im Wärmetauschabschnitt mit gleicher Strömungsrichtung um die Drehachse geleitet werden. Demnach wird bei dieser Ausführung das Gleichstromprinzip angewandt, wodurch die mittlere Temperaturdifferenz zwischen den Medien gegenüber dem Gegenstromprinzip minimiert wird.
Hinsichtlich einer Verbesserung des Wirkungsgrads des Kreisprozesses ist es von Vorteil, wenn der Druck im geschlossenen Kreisprozess zwischen 10 bar und 150 bar beträgt.
Zur Erzielung einer hohen Verdichtung aufgrund der Zentrifugalkraft werden als Arbeitsmedium vorzugsweise Gase mit niedriger spezifischer Wärmekapazität, insbesondere ein Edelgas, vorzugsweise Argon, Krypton oder Xenon, verwendet.
Hinsichtlich eines effizienten Wärmeaustausches zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium ist es günstig, wenn zur Wärmeabfuhr und Wärmezufuhr ein Wärmeaustauschmedium mit hoher spezifischer Wärmekapazität von zumindest 1 kJ/(kg*K) und/oder einem Isentropenexponent κ von im Wesentlichen 1, insbesondere Wasser, Wasserglykolgemisch, Öl, Helium, oder Luft, verwendet wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittansicht einer derartigen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 ein Diagramm, aus dem schematisch der Verlauf von Temperatur und Entropie des gasförmigen Arbeitsmediums beim Durchlaufen des geschlossenen Kreisprozesses ersichtlich ist;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, bei dem Lamellen beidseitig von einer vollflächigen Wand abstehen;
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht des Wärmetauschers gemäß Fig. 4, wobei die Lamellen an den gegenüberliegenden Seiten versetzt zueinander angeordnet sind;
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts eines eine Vielzahl von in regelmäßigen Winkelabständen angeordneten Verdichtungs- bzw. Entspannungskanälen aufweisenden Drehkörpers;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht, aus der schematisch ein verdrillter Verlauf einer im Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal angeordneten Teilungswand ersichtlich ist;
Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals, aus der ein durch die Corioliskraft bewirktes Geschwindigkeitsprofil des Arbeitsmediums ersichtlich ist;
Fig. 9 eine schematische Ansicht eines Wärmetauschabschnitts eines Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals, bei dem an der Wand Vorsprünge zur Erzeugung von Turbulenzen im strömenden Arbeitsmedium vorgesehen sind;
Fig. 10 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Plattenwärmetauschers;
Fig. 11 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher Plattenwärmetauscher gemäß Fig. 10 vorgesehen sind; und
Fig. 12 eine schematische Schnittansicht eines alternativen Wärmetauschers mit Gegenplatten;

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Umwandeln von mechanischer Energie in Wärmeenergie und umgekehrt gezeigt, die bei der dargestellten Ausführung als Wärmepumpe betrieben wird. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Rotor 2, der von einer Drehachse 3 eines Motors 4 angetrieben wird. Der Rotor 2 weist eine blockförmige Einfassung 5 auf, die ihrerseits in einem äußeren, stillstehenden Gehäuse 6 aufgenommen ist. Innerhalb des Rotors 2 ist ein geschlossener Strömungskanal für ein einen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium ausgebildet, das während des gesamten Zyklus im gasförmigen Zustand vorliegt. Das Arbeitsmedium, beispielsweise Argon, wird im Uhrzeigersinn bzw. in Pfeilrichtung 7 von einem Verdichtungskanal 8 über einen ersten Verbindungskanal 9 in einen Entspannungskanal 10 geführt, der über einen zweiten Verbindungsabschnitt 11 mit dem Verdichtungskanal 8 in Verbindung steht. Der Verdichtungskanal 8 und der Entspannungskanal 10 sind jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse 3 angeordnet, wogegen die Verbindungskanäle 9, 11 im Wesentlichen parallel zur Drehachse 3 verlaufen. Die Strömung des Arbeitsmediums wird durch z.B. ein magnetisch fixiertes Schaufelrad 12 verursacht bzw. aufrechterhalten, das nahe der Drehachse 3 im Entspannungskanal 10 angeordnet ist, um Verlustleistungen gering zu halten.
Durch die Drehbewegung des Rotors 2 wirkt auf das im Verdichtungskanal 8 radial nach außen strömende Arbeitsmedium eine Zentrifugalkraft, die eine Druck- bzw. Temperaturerhöhung des Arbeitsmediums bewirkt. Gleichermaßen verringert sich im Entspannungskanal 10 die auf das Arbeitsmedium einwirkende Zentrifugalkraft in Richtung zur Drehachse 3, wodurch der Druck bzw. die Temperatur des Arbeitsmedium erniedrigt wird. Dieser Umstand wird bei der Wärmepumpe dazu ausgenützt, um verschiedene Druckniveaus bzw. Temperaturniveaus zu erzeugen.Dem verdichteten Arbeitsmedium wird Wärme hoher Temperatur entzogen, und dem entspannten Arbeitsmedium wird Wärme vergleichsweise niedriger Temperatur zugeführt. Zu diesem Zweck sind zwei Wärmetauscher 13, 14 vorgesehen, wobei der eine Wärmetauscher 13 zur Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium und der andere Wärmetauscher 14 zur Wärmezufuhr an das Arbeitsmedium eingerichtet ist.
Erfindungsgemäß erfolgt der Wärmeaustausch über ein mit dem Arbeitsmedium um die Drehachse 3 mitrotierenden Wärmeaustauschmedium teilweise während der Verdichtung bzw. Entspannung, indem der Verdichtungskanal 8 und der Entspannungskanal 10 jeweils einen Wärmetauschabschnitt 8', 10' aufweisen, die jeweils für einen Wärmeaustausch mit den mitrotierend im Rotor 2 angeordneten Wärmetauschern 13, 14 eingerichtet sind; die Wärmetauscher 13, 14 sind demnach in radialer Richtung senkrecht zur Drehachse 3 angeordnet. Da die Verbindungskanäle 9, 11 bei der vorliegenden Vorrichtung 1 lediglich zur Umlenkung des Arbeitsmediums vom Verdichtungskanal 8 in den Entspannungskanal 10 und umgekehrt vorgesehen sind - und nicht zur Wärmezufuhr bzw. Wärmeabfuhr -, können diese vergleichsweise kurz sein.
Zur Ausbildung der Wärmetauscher 13, 14 ist jeweils ein das vorzugsweise flüssige Wärmeaustauschmedium führender Wärmetauschkanal 15, 18 vorgesehen, der im Bereich seines jeweiligen Wärmetauschabschnitts 15', 18' im Wesentlichen parallel zu dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal 8, 10 angeordnet ist. Die Wärmetauschkanäle 15, 18 und der Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanal 10 werden im Wärmetauschabschnitt 8', 10' durch Ausnehmüngen 16 in einem gemeinsamen, vorzugsweise scheiben- bzw. plattenförmigen Körper 17 des jeweiligen Wärmetauschers 13, 14 gebildet, der im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 5 näher erläutert wird.
Die einzelnen Schritte im Ablauf des geschlossenen Kreisprozesses, den das Arbeitsmedium entlang seines Strömungskanales im Rotor durchläuft, können schematisch dem Temperatur/Entropie-Diagramm in Fig. 3 entnommen werden, wobei jedem Anfang und Ende eines Schritts eine in den Fig. 1 und 2 mit den Buchstaben A bis F veranschaulichte Position des Arbeitsmediums im Strömungskanal entspricht. Demnach wird das Arbeitsmedium zunächst in einem vom Wärmekörper 13 abliegenden Abschnitt 8'' des Verdichtungskanals 8 von A nach B im Wesentlichen adiabat verdichtet. Anschließend tritt das Arbeitsmedium in die Ausnehmung 16 des Wärmetauschers 13 ein, wo es im Wärmetauschabschnitt 8' des Verdichtungskanals 8 von B nach C Wärme an den parallel geführten Wärmetauschabschnitt 15' des Wärmetauschkanals 15 abgibt. Über den ersten Verbindungskanal 9 wird das Arbeitsmedium in den Entspannungskanal 10 geleitet, wo es in einem Abschnitt 10'' des Entspannungskanals 10 von C nach D im Wesentlichen adiabat entspannt wird. Im Anschluss nimmt das Arbeitsmedium im Wärmetauschabschnitt 10' des Entspannungskanals 10 von D nach E Wärme von dem in dem Wärmetauschabschnitt 18' des Wärmetauschkanals 18 geführten Wärmeaustauschmedium auf. Aufgrund der Tatsache, dass das Schaufelrad 12 nicht unmittelbar an den Wärmetauscher 14 anschließen kann, ist ein Verbindungsstück erforderlich, welches unterschiedliche Austritts- und Eintrittsradien aufweist (Punkte E und F), wodurch die Temperatur geringfügig abnimmt. Bei adiabater Strömung mit sehr geringen inneren Strömungsverlusten bewirkt dieser Versatz jedoch keine Verluste für das Gesamtsystem. Der Wärmeaustausch erfolgt jeweils möglichst nahe an der Isothermen, was unter realen Bedingungen nicht ganz erreichbar ist, wobei diese unvermeidlichen Abweichungen im in Fig. 2 gezeigten Diagramm übertrieben dargestellt sind. Die Strömungsenergie des Arbeitsmediums im geschlossenen, vollständig innerhalb des Rotors 2 verlaufenden Strömungskanals bleibt während des Kreisprozesses bis auf vergleichsweise geringe Verluste, verursacht durch Reibung der Strömung an der Kanalwand, sowie inneren Reibungen der Strömung, annähernd konstant, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Der Druck des Arbeitsmediums beträgt beim Durchlaufen des Kreisprozesses zwischen 10 und 150 bar.
Um die dargestellte Vorrichtung 1 als Wärmekraftmaschine zu betreiben, wird der Kreisprozess in umgekehrter Richtung durchlaufen, wobei anstelle eines den Rotor 2 antreibenden Motors 4 ein Generator vorgesehen ist. Bei dieser Ausführung wird im Wärmetauscher 13 Wärme bei vergleichsweise hoher Temperatur zugeführt und im Wärmetauscher 14 Wärme bei vergleichsweise niedriger Temperatur abgezogen.
Wie in Fig. 4 und Fig. 5 ersichtlich, sind bevorzugt eine Vielzahl von in regelmäßigen Winkelabständen symmetrisch um die Drehachse angeordnete Wärmetauschkanäle 15, 18 der Wärmetauscher 13, 14 sowie eine Vielzahl von Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanälen 10 (vgl. Fig. 6) vorgesehen, die in Wärmetauschabschnitten 8', 10', 15', 18' in entsprechenden Ausnehmungen 16 des scheiben- bzw. plattenförmigen Wärmetausch-Körpers 17 ausgebildet sind.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist jedem Entspannungskanal 8 bzw. jedem Verdichtungskanal 10 im jeweiligen Wärmetauschabschnitt 8', 10' gerade eine Ausnehmung 16 des Wärmetausch-Körpers 17 zugeordnet. In machen Fällen kann es allerdings zweckmäßig sein, von dieser Ausgestaltung abzuweichen, so dass die Anzahl der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle 8, 10 nicht mehr mit jener der Ausnehmungen 16 im Wärmetausch-Körper 17 übereinstimmt.
In Fig. 2 ist eine solche Variante schematisch veranschaulicht, indem an den Übergängen zum Wärmetauschabschnitt 8' des Verdichtungskanals 8 - und entsprechend an den Übergängen zum Entspannungskanal 10 - schematisch ringförmige Verteilungsnuten 25 angedeutet sind, mit denen der Kontakt zwischen einem Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanal 10 und zumindest zwei Ausnehmungen 16 des Wärmetausch-Körpers begrenzenden Flächen des Wärmetauscher 13, 14 hergestellt wird.
Die Fig. 4 und 5 zeigen jeweils schematisch einen Auschnitt des erfindungsgemäßen Wärmetausch-Körpers 17, der durch eine Scheibe bzw. Platte aus Aluminium, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit mit hoher Steifigkeit kombiniert, gebildet ist. Der Wärmetausch-Körper 17 weist eine zentrale vollflächige Wand 19 auf, deren Haupterstreckungsebene senkrecht zur Drehachse 3 angeordnet ist. Durch Fräsen werden Lamellen 20 erzeugt, zwischen denen - im Fall des dem Verdichtungskanal 8 zugeordneten Wärmetauschers 13 - auf der einen Seite Ausnehmungen 16 für die Wärmetauschkanäle 15 und auf der gegenüberliegenden Seite Ausnehmungen 16 für die Verdichtungskanäle 8 im Wärmetauschabschnitt 8' vorgesehen sind. Der dem Entspannungskanal 10 zugeordnete Wärmetauscher 14 ist analog aufgebaut.
Die vollflächige Wand 19 des Wärmetausch-Körpers 17 kann, ohne die Stabilität zu beeinträchtigen, dünnwandig ausgebildet sein, wobei die Wandstärke d zur Erzielung einer effizienten Wärmeübertragung unter Berücksichtigung der Stabilität etwa 1 bis 5 mm beträgt. Die Breite s' der Lamellen 20, d.h. ihre Erstreckung senkrecht zur Drehachse 3, entspricht im Wesentlichen der Breite s der Ausnehmungen 16 senkrecht zur Drehachse 3. Das Verhältnis zwischen einer Längserstreckung h einer Lamelle 20, d.h. ihrer Erstreckung in Richtung der Drehachse 3, und ihrer Breite s' beträgt in etwa 1 bis 20. Bei gleichbleibender Nutbreite (Kanalbreite) und gleichbleibender Lamellenanzahl ist die Breite s, s' in radialer Richtung kontinuierlich vergrößert.
Das Ausführungsbeispiel des in Fig. 5 dargestellten Wärmetausch-Körpers 17 unterscheidet sich von jenem gemäß Fig. 4 dahingehend, dass die Lamellen 20 bzw. Ausnehmungen 16 des Wärmetausch-Körpers 17 in Richtung senkrecht zur Drehachse 3 gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Versetzung entspricht gerade der Breite s einer Ausnehmung 16 bzw. s' einer Lamelle 20, so dass einander jeweils eine Lamelle 20 und eine Ausnehmung 16 gegenüberliegen. Mit dieser Anordnung können die Wärmeleitungsverluste im Wärmetauscher 13, 14 vermindert, sowie die Festigkeit gegenüber Differenzdrücken verbessert werden. Eine Verbesserung der Wärmeeleitung wird im Fall, dass die Längserstreckung h der Lamellen 20 größer als ihre Breite s' ist, gerade dann erzielt, wenn die Wandstärke d der Wand 19 größer oder gleich der Breite s' der Lamellen 20 ist. Eine Verbesserung der Wärmeleitungfähigkeit wird in jedem Fall erzielt, wenn die Längserstreckung h der Lamellen 20 kleiner oder gleich der Breite s' ist. Diese Zusammenhänge gelten insbesondere im achsnahen Bereich, wenn vergleichsweise geringe Durchmesser vorliegen.
Aus Fig. 6 ist schematisch eine Schnittansicht eines Ausschnitts eines vorzugsweise aus Kunststoff gefertigten Drehkörpers 21 gezeigt, in dem eine Vielzahl an bezüglich der Drehachse 3 in regelmäßigen Winkelabständen angeordneten Verdichtungskanälen 8 ausgebildet sind. Die Entspannungskanäle 10 sind entsprechend an der gegenüberliegenden Seite des plattenförmig ausgebildeten Drehkörpers 21 angeordnet, wie aus der Schnittansicht der Vorrichtung 1 gemäß den Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich ist.
Das in den Verdichtungskanälen 8 in Pfeilrichtung 7 radial nach außen strömende Arbeitsmedium ist der Corioliskraft ausgesetzt, die in eine Richtung senkrecht zur Winkelgeschwindigkeit w bzw. zur Strömung in Pfeilrichtung 7, also im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse 3 wirkt. Auf diese Weise stellt sich in den Verdichtungskanälen 8 (und entsprechend in den Entspannungskanälen 10) ein in Fig. 9 schematisch mit Pfeilen veranschaulichtes Geschwindigkeitsprofil ein, wobei die Strömungsgeschwindigkeit v_s des Arbeitsmediums von einer Druckseite zu einer Saugseite hin kontinuierlich zunimmt.
Zur Vermeidung von Rückströmungen in den Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanälen 10, die auftreten können, wenn eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit v des Arbeitsmediums, eine Winkelgeschwindigkeit w der Drehbewegung und eine Erstreckung a des Arbeitsmediums in tangentialer Richtung die Beziehung $a . w / v > 1$
erfüllen, weisen die Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle 8, 10 einen jeweils in Bezug auf die Drehachse 3 radial nach außen erweiternden Verlauf auf, wie aus Fig. 6 ersichtlich.
Um Rückströmungen über die gesamte radiale Erstreckung der Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanäle 10 zu vermeiden, gabeln sich die Verdichtungskanäle 8 (und entsprechend die Entspannungskanäle 10) in Bezug auf die Drehachse 3 radial nach außen mehrmals in durch Teilungswände 22 getrennte Teilabschnitte 8a, 8b.
Bei der in Fig. 6 dargestellten mittigen Anordnung der Teilungswände 22 in den Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanälen 10 wird das Arbeitsmedium nicht gleichmäßig auf die beiden Hälften aufgeteilt, da das in die eine Hälfte geleitete Arbeitsmedium einen die Druckseite aufweisenden Teil des durch die Corioliskraft bewirkten Geschwindigkeitsprofils und das in die andere Hälfte geleitete Arbeitsmedium den die Saugseite aufweisenden Teil des Geschwindigkeitsprofils - in der die Strömungsgeschwindigkeit durchschnittlich höher ist - enthält.
Eine gleichmäßige Aufteilung des Arbeitsmediums am Übergang in die Teilabschnitte eines Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanals 10 kann insbesondere auf zwei verschiedene Arten erfolgen.
Einerseits kann eine parallel zur Drehachse 3 angeordnete Teilungswand 22 von einer parallel zur Drehachse 3 verlaufenden Mittelebene des Verdichtungs- bzw. des Entspannungskanals 8, 10 zu einer Saugseite des Verdichtungs- 8 bzw. des Entspannungskanals 10 hin versetzt angeordnet sein. Auf diese Weise weisen die in die Teilabschnitte 8a, 8b geführten Ströme jeweils dasselbe Geschwindigkeitsprofil auf.
Alternativ dazu kann die Haupterstreckungsebene jeder Teilungswand 22 zur gleichmäßigen Aufteilung der Gasströme zumindest abschnittsweise senkrecht zur Drehachse 3 angeordnet werden. Als besonders vorteilhaft stellt sich eine Ausführung der Teilungswand 22 dar, die in Fig. 7 schematisch dargestellt ist. Dabei weist die Haupterstreckungsebene der Teilungswand 22 einen verdrillten Verlauf auf. Ein der Drehachse 3 zugewandter Endbereich 22' der Haupterstreckungsebene der Teilungswand 22 ist dabei senkrecht zur Drehachse 3 angeordnet. Die Teilungswand 22 verläuft daran anschließend um insgesamt 90° verdrillt, wobei der andere Endbereich 22'' der Haupterstreckungsebene der Teilungswand 22 im Wesentlichen parallel zur Drehachse 3 verläuft. Bei dieser Ausführung ist es nicht erforderlich, dass die Endbereiche 22', 22'' der Teilungswand 22 von den parallel bzw. senkrecht zur Drehachse 3 verlaufenden Mittelebenen versetzt angeordnet sind.
Im Unterschied zu den außerhalb des Wärmetausch-Körpers 17 verlaufenden Abschnitten 8'', 10'' der Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanäle 10 kann das Auftreten von Turbulenzen bzw. Rückströmungen in den Wärmetauschabschnitten 8', 10' erwünscht sein. Zu diesem Zweck können die Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanäle 10 in den Wärmetauschabschnitten 8', 10' eine Turbulenzerzeugungseinrichtung 23 aufweisen, mit der gezielt Turbulenzen in dem in den Ausnehmungen 16 des Wärmetausch-Körpers 17 strömenden Arbeitsmedium erzeugt werden können. Dies kann auf konstruktiv einfache Weise, wie in Fig. 9 dargestellt, durch bogenförmig gekrümmte Vorsprünge 23' an einer Wand 24 der Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanäle 10 erfolgen. Die Vorsprünge 23' können unaufwendig durch unterschiedliche Frästiefen beim Einfräsen der Ausnehmungen 16 in den Wärmetausch-Körper 17 vorgesehen werden. Weiters können solche Turbulatoren auch einfach mittels Gießverfahren hergestellt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist als Wärmetauscher 13, 14 jeweils ein Plattenwärmetauscher 13', 14' vorgesehen, dessen Grundprinzip aus Fig. 10 ersichtlich ist.
Der in Fig. 10 schematisch dargestellte Plattenwärmetauscher 13', 14' weist ein zweiteiliges Gehäuse 26 mit Anschlüssen 27 auf, in dem beispielsweise vier profilierte Platten 28 durch Zwischenräume 29, 29' getrennt angeordnet sind. In den Zwischenräumen 29 strömt das schematisch mit Pfeilen 30 veranschaulichte Arbeitsmedium. Das Wärmeaustauschmedium ist, wie mit Pfeilen 31 veranschaulicht, im Zwischenraum 29' geführt. Demnach wechseln einander Zwischenräume 29 für das Arbeitsmedium und Zwischenräume 29' für das Wärmeaustauschmedium ab. Selbstverständlich kann die Abfolge der Zwischenräume 29, 29' vertauscht sein. Zudem ist eine Ausführung möglich, bei welcher die Anschlüsse 27 lediglich an einem Gehäuseteil vorgesehen sind. Die Platten 28 sind miteinander verlötet oder verschraubt.
Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 1 mit Plattenwärmetauschern 13', 14', deren Aufbau grundsätzlich jenem des anhand von Fig. 10 erläuterten Plattenwärmetauschers 13', 14' entspricht. Die Anschlüsse 27 für das Arbeitsmedium bzw. das Wärmeaustauschmedium sind hier allerdings an gegenüberliegenden Seiten vorgesehen. Zwecks Vermeidung von Wiederholungen soll nachstehend lediglich auf die gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 veränderten Merkmale der Vorrichtung 1 eingegangen werden.
Die Wärmetauscher 13', 14' sind derart in der Vorrichtung 1 angeordnet, dass ihre Platten 28 im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse 3 verlaufen. Demnach erfolgt auch bei dieser Ausführung der Erfindung ein Wärmeaustausch in radialer Richtung. Das Arbeitsmedium strömt vom Abschnitt 8'' des Verdichtungskanals 8 über ein kurzes waagrechtes Verbindungsstück 11' und den entsprechenden Anschluss 27 in den Wärmetauscher 13', in dem die Zwischenräume 29 als radial verlaufende Wärmetauschabschnitte 8' fungieren. Die benachbarten Zwischenräume 29', in denen das Wärmeaustauschmedium strömt, dienen als radial angeordnete Wärmetauschabschnitte 15' des Plattenwärmetauschers 13'. Anschließend verlässt das Arbeitsmedium den Plattenwärmetauscher 13' und wird über den Verbindungskanal 9 bzw. den Entspannungskanal 10 in den zweiten Wärmetauscher 14' geführt. Zur Aufrechterhaltung der Strömung des Arbeitsmediums im Kreisprozess ist das über Magnete 12' fixiertes Schaufelrad 12 vorgesehen.
Um den Plattenwärmetauscher 13' im Hinblick auf die hohen Drücke insbesondere des Wärmeaustauschmediums anzupassen, ist das Gehäuse 26 des Plattenwärmetauschers 13' mit einer hydraulischen Druckerzeugungsvorrichtung 32 verbunden, mit der über einen mit in den Fig. nicht gezeigten Mitteln (bspw. einem Zylinder-Kolben-Linearantrieb) druckbeaufschlagbaren Flüssigkeitskanal 33 ein Außendruck auf das Gehäuse 26 des Plattenwärmetauschers 13' ausgeübt werden kann. Dem Wärmetauscher 14' kann eine entsprechende Druckerzeugungsvorrichtung 32 (nicht gezeigt) zugeordnet sein, für den somit dieselben Überlegungen gelten. Der mit der Druckerzeugungsvorrichtung 32 auf das Gehäuse 26 des Plattenwärmetauschers 32 ausgeübte Druck entspricht im Wesentlichen dem Innendruck des Plattenwärmetauschers 13', um die Stabilität der Anordnung beeinträchtigende Formveränderungen der Platten 28 zu verhindern.
Um den Druck des Arbeitsmediums im Plattenwärmetauscher 13' an den Druck des Wärmeaustauschmediums anzugleichen, weist ein dem Plattenwärmetauscher 13' vorangehender Abschnitt des Verdichtungskanals 8 einen Verbindungskanal 34 zu einem Verdichter 35 mit einem Zylinder 36 und einem Kolben 37 auf. Der Kolben 37 wird durch einen vom Flüssigkeitskanals 33 der Druckerzeugungsvorrichtung 32 abgezweigten Flüssigkeitskanal 33' betätigt, um das Arbeitsmedium im gesamten Gaskreislauf zu komprimieren, indem das gesamte Volumen des Gaskreislaufes verkleinert wird. Somit kann der Kolben 37 und das Gehäuse 26 des Plattenwärmetauschers 13' über die Druckerzeugungsvorrichtung 32 gleichzeitig mit entsprechenden Drücken versorgt werden, um Differenzdrücke im Plattenwärmetauscher 13' zuverlässig zu verringern. Der Kolben 37 kann auch durch eine Membran (nicht dargestellt) ersetzt werden.
Fig. 12 zeigt eine alternative Ausführung des Wärmetauschers 13, 14, welcher den in Fig. 4 und 5 dargestellten Wärmetausch-Körper 17 fortbildet. Um einen besseren Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium zu realisieren, greifen Gegenplatten 38 mit Lamellen 39 in die Ausnehmungen 16 zwischen den Lamellen 20 des Wärmetausch-Körpers 17. Die Breiten s1 bzw. s4 der Lamellen 20 des Wärmetausch-Körpers 17 bzw. der Lamellen 39 der Gegenplatten 38 betragen optimalerweise zwischen 1 und 10mm. Die Breiten s2 bzw. s3 der Ausnehmungen 16 des Wärmetausch-Körpers 17 bzw. von entsprechenden Ausnehmungen 40 der Gegenplatten 38 sind jeweils um 0,5 bis 15mm breiter als die hineinstehenden Lamellen 39 bzw. 20. Dadurch ergeben sich Strömungskanalbreiten x2 von 0,25 bis 7,5mm. Durch diese vergleichsweise geringen Spaltbreiten werden entsprechend geringe hydraulische Durchmesser realisiert, wodurch der Wärmeübergang des Mediums auf die angrenzenden Wände deutlich erhöht wird. Um eine gleichmäßige Durchströmung zu gewährleisten, wird beidseitig der Lamellen 20 bzw. an den Stirnseiten der Lamellen 20 jeweils ein Spalt 41 bzw. 42 gelassen, deren Breiten x1 bzw. x2 annähernd gleich groß sind. Durch die Spalte 42 wird außerdem gewährleistet, dass die hineinstehenden Lamellen 39 gegen den Wärmetausch-Körper 17 gepresst werden, wodurch ein hoher Wärmeübertrag möglich ist.

Claims

Vorrichtung (1) zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem drehbar um eine Drehachse (3) gelagerten Rotor (2), in dem ein Strömungskanal für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium vorgesehen ist, wobei der Strömungskanal einen Verdichtungskanal (8), in dem das Arbeitsmedium zur Druckerhöhung mit Bezug auf die Drehachse (3) im Wesentlichen radial nach außen führbar ist, einen Entspannungskanal, in dem das Arbeitsmedium zur Druckverringerung mit Bezug auf die Drehachse (3) im Wesentlichen radial nach innen führbar ist, und zwei im Wesentlicheh parallel zur Drehachse (3) verlaufende Verbindungskanäle (9, 11) aufweist, und weiters Wärmetauscher (13, 14) für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgesehen sind, wobei der Verdichtungskanal (8) und der Entspannungskanal (10) jeweils einen Wärmetauschabschnitt (8', 10') aufweisen, dem jeweils ein mit dem Verdichtungskanal (8) bzw. dem Entspannungskanal (10) mitrotierender Wärmetauscher (13, 14) zugeordnet ist, welcher jeweils durch zumindest einen das Wärmeaustauschmedium führenden Wärmetauschkanal (15, 18) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschkanäle (15, 18) im Bereich des Wärmetauschabschnitts (8', 10') benachbart zu dem Verdichtungs- (8) bzw. Entspannungskanal (10) angeordnet sind und im Wesentlichen parallel zu dem Verdichtungs- (8) bzw. Entspannungskanal (10) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauschkanal und der Verdichtungs- (8) bzw. Entspannungskanal (10) im Wärmetauschabschnitt (8', 10') durch, insbesondere durch Fräsungen gebildeten, Ausnehmungen (16) in einem gemeinsamen, vorzugsweise scheiben- bzw. plattenförmigen Körper (17) gebildet werden, wobei insbesondere eine Vielzahl von vorzugsweise in regelmäßigen Winkelabständen symmetrisch um die Drehachse (3) angeordneten Verdichtungs- (8) bzw. Entspannungskanälen (10) sowie Wärmetauschkanäle (15, 18) vorgesehen sind, die jeweils einen in einer Ausnehmung (16) des Wärmetauscher-Körpers (17) angeordneten Wärmetauschabschnitt (8',10',15',18') aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Wärmetauschabschnitt (8', 10') ein Verdichtungs- (8) bzw. Entspannungskanal (10) in zumindest zwei Ausnehmungen (16) des Wärmetauscher-Körpers (17) gabelt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an bezüglich der Haupterstreckungsebene des Wärmetausch-Körpers (17) gegenüberliegenden Seiten Lamellen (20) ausgebildet sind, zwischen denen die in Bezug auf den Wärmetausch-Körper (17) nach außen offenen Ausnehmungen (16) zur Ausbildung der Verdichtungs-(8) bzw. Entspannungskanäle (10) bzw. Wärmetauschkanäle (15, 17) im Wärmetauschabschnitt (8', 10', 15', 18') angeordnet sind , wobei vorzugsweise die Lamellen (20) beidseitig von einer vollflächigen Wand (19) abstehen, deren Wandstärke (d) vorzugsweise zwischen 1mm und 20mm beträgt, wobei eine Breite (s') der Lamellen (20) insbesondere einer Breite (s) der Ausnehmungen (16) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (20) bzw. Ausnehmungen (16) des Wärmetauscher-Körpers (17) in tangentialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet sind, wobei die Versetzung der Breite (s) einer Ausnehmung (16) bzw. (s') einer Lamelle (20) entspricht, so dass einander jeweils eine Lamelle (20) und eine Ausnehmung (16) gegenüberliegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetausch-Körper (17) aus einem Material mit hoher Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit bzw. geringer Materialdichte, vorzugsweise Aluminium oder faserverstärktem Kunststoffmaterial, besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmetauscher (13, 14) ein Plattenwärmetauscher (13', 14') mit einem Gehäuse (26) vorgesehen ist, in dem Platten (28) durch Zwischenräume (29, 29') getrennt angeordnet sind, in denen abwechselnd das Arbeitsmedium bzw. das Wärmeaustauschmedium geführt ist, wobei das Gehäuse (26) des Plattenwärmetauschers (13', 14') vorzugsweise mittels einer insbesondere hydraulischen Druckerzeugungsvorrichtung (32) mit einem Druck beaufschlagbar ist, welcher einer geringen Druckdifferenz zum Innendruck des Plattenwärmetauschers (13', 14') entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsmediumraum mit einem Verdichter (35), insbesondere einem Zylinder-Kolben-Verdichter (35; 36, 37), verbunden ist, so dass im Betrieb das Volumen des Arbeitsmediums komprimiert wird, wobei sich vorzugsweise ein zur Ausübung des Drucks auf das Gehäuse (26) des Plattenwärmetauschers (13', 14') eingerichteter Flüssigkeitskanal (33) der hydraulischen Druckerzeugungsvorrichtung (32) in einen weiteren Flüssigkeitskanal (33') gabelt, der auf den Zylinder (36) des Zylinder-Kolben-Verdichters (35; 36, 37) wirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauschabschnitt (8', 10') der Verdichtungs- (8) bzw. der Entspannungskanäle (10) eine Turbulenzerzeugungseinrichtung (23) zur Erzeugung von Turbulenzen im strömenden Arbeitsmedium vorgesehen sind, wobei als Turbulenzerzeugungseinrichtung (23) vorzugsweise zumindest ein insbesondere bogenförmig gekrümmter Vorsprung (23') an einer Wand (24) der Verdichtungs- (8) bzw. Entspannungskanäle (10) oder Profilierungen an den Platten (28) des Plattenwärmetauschers (13', 14') vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsfläche der Verdichtungs-(8) bzw. Entspannungskanäle (10) in einem an ein Schaufelrad (12) anschließenden bzw. in einem dem Schaufelrad (12) vorangehenden Abschnitt in Bezug auf die Drehachse (3) radial nach außen erweitert, sich die Verdichtungs- (8) bzw. die Entspannungskanäle (10) vorzugsweise in Bezug auf die Drehachse (3) radial nach außen zumindest einmal in zwei Teilabschnitte (8a, 8b) gabeln, in denen der jeweilige Verdichtungs- (8) bzw. der Entspannungskanal (10) durch eine Teilungswand (22) in zwei Hälften geteilt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupterstreckungsebene der Teilungswand (22) tangential bzw. im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse (3) angeordnet ist, wobei die Teilungswand (22) von einer parallel zu einer durch die Drehachse (3) und die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums aufgespannten Ebene verlaufenden Mittelebene des Verdichtungs- (8) bzw. des Entspannungskanals (10) zu einer Saugseite des Verdichtungs- (8) bzw. des Entspannungskanals (10) hin versetzt angeordnet ist, wobei die Haupterstreckungsebene der Teilungswand (22) vorzugsweise zumindest abschnittsweise tangential bzw. senkrecht zur Drehachse (3) angeordnet ist, wobei die Haupterstreckungsebene der Teilungswand (22) insbesondere einen verdrillten Verlauf aufweist, wobei ein näher an der Drehachse (3) angeordneter Endbereich (22') der Haupterstreckungsebene der Teilungswand (22) im Wesentlichen tangential bzw. senkrecht zur Drehachse (3) angeordnet ist und ein weiter von der Drehachse (3) entfernter Endbereich (22'') der Haupterstreckungsebene der Teilungswand (22) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (3) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungskanäle (8) und die Entspannungskanäle (10) abschnittsweise in einem wärmeisolierenden, vorzugsweise aus Kunststoff hergestellten, Drehkörper (21) ausgebildet sind, wobei vorzugsweise eine mitrotierende blockförmige Einfassung (5) vorgesehen ist, in der die Wärmetauscher-Körper (17) und der Drehkörper (21) angeordnet sind, wobei die blockförmige Einfassung (5) insbesondere in einem stillstehenden äußeren Gehäuse (6) angeordnet ist.
Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem um eine Drehachse (3) rotierenden Arbeitsmedium, welches einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess durchläuft, wobei das Arbeitsmedium während einer Verdichtung in Bezug auf die Drehachse (3) im Wesentlichen radial nach außen und während einer Entspannung in Bezug auf die Drehachse (3) radial nach innen geführt wird, wobei eine Druckerhöhung bzw. eine Druckverringerung des Arbeitsmediums durch die auf das Arbeitsmedium wirkende Zentrifugalkraft erzeugt wird, und das Arbeitsmedium Wärme an ein Wärmeaustauschmedium abgibt bzw. Wärme von einem Wärmeaustauschmedium aufnimmt, wobei der Wärmeaustausch über ein mit dem Arbeitsmedium um die Drehachse (3) mitrotierendes Wärmeaustauschmedium zumindest teilweise während der Verdichtung bzw. Entspannung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschmedium während des Wärmeaustauschs benachbart und im Wesentlichen parallel zu dem Arbeitsmedium geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium vor dem Wärmeaustausch im Wesentlichen adiabat verdichtet bzw. adiabat entspannt wird, wobei zur Vermeidung bzw. Verringerung von Rückströmungen bzw. Turbulenzen eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit v des Arbeitsmediums, eine Winkelgeschwindigkeit w der Drehbewegung und eine Erstreckung a des Arbeitsmediums in tangentialer Richtung die Beziehung $a . w / v < 1$

erfüllt,
wobei während des Wärmeaustauschs zur Erzielung von Rückströmungen bzw. Turbulenzen eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit v des Arbeitsmediums, eine Winkelgeschwindigkeit w der Drehbewegung und eine Erstreckung a des Arbeitsmediums in tangentialer Richtung vorzugsweise die Beziehung $a . w / v > 1$

erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschmedium und das Arbeitsmedium im Wärmetauschabschnitt (8', 10') mit gleicher Strömungsrichtung um die Drehachse (3) geleitet werden.