EP3137821A1 - Vorrichtung und verfahren zum umwandeln thermischer energie - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum umwandeln thermischer energie

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EP3137821A1
EP3137821A1 EP15724506.9A EP15724506A EP3137821A1 EP 3137821 A1 EP3137821 A1 EP 3137821A1 EP 15724506 A EP15724506 A EP 15724506A EP 3137821 A1 EP3137821 A1 EP 3137821A1
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EP
European Patent Office
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working medium
rotation
axis
rotor
paddle wheel
Prior art date
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EP15724506.9A
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English (en)
French (fr)
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EP3137821B1 (de
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Adler Bernhard
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Ecop Technologies GmbH
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Ecop Technologies GmbH
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Publication date
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B3/00—Self-contained rotary compression machines, i.e. with compressor, condenser and evaporator rotating as a single unit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point

Definitions

  • the invention relates to a device for converting
  • Working medium for pressure increase with respect to the axis of rotation can be guided substantially radially outwards, and a relaxation unit with a plurality of expansion channels, in which flows of the working medium for pressure reduction with respect to the axis of rotation are substantially radially inwardly feasible, wherein the rotor further heat exchanger for a heat exchange between the working medium and a heat exchange medium, and having a relative to the rotor rotatable impeller, which in a
  • Flows of the working medium is provided around the axis of rotation of the rotor and / or in a generator operating state for utilizing the flow energy of the working medium.
  • the invention relates to a method for converting thermal energy from low temperature to thermal
  • Rotary axis are guided substantially radially inwardly, wherein a heat exchange between the working medium and a heat exchange medium is made, wherein the
  • Rotary heat pumps or heat engines are already known from the prior art, in which a gaseous working medium in a closed thermodynamic
  • Circular process is performed.
  • Pressure increase or pressure reduction of the working medium is mainly due to the centrifugal acceleration, wherein the working fluid in a compression unit with respect to a rotation axis flows radially outward and in a relaxation unit radially inwardly.
  • Heat exchanger takes place in an axial or parallel to the axis of rotation extending portion of the piping system, which is associated with a co-rotating, the heat exchange medium exhibiting heat exchanger.
  • a paddle wheel has been used, which is used in particular to maintain the flow of the working fluid in the rotating operation.
  • the paddle wheel can be arranged on the one hand rotationally fixed, wherein due to the rotationally fixed arrangement, a relative movement leading to the working medium
  • the impeller is associated with a motor for generating a relative movement to the piping system.
  • the paddle wheel in this device can be connected to a generator in order to generate the
  • paddle wheels for maintaining a fluid flow are known, wherein such paddle wheels as compressors, expansion turbines or Diffusers can be executed.
  • axial and, on the other hand, radial designs are known as boundary forms for the flow-through type of paddle wheels. In mixed forms as flowed diagonally
  • Paddle wheels are largely the same considerations for the radial or axial flow component.
  • so-called axially flowed paddle wheels so-called
  • Axial fans or in general axial compressor
  • Axial turbines essentially a conventional one
  • the axial design has the disadvantage that in comparison to the radial design lower pressure increases can be effected, whereby the axial paddle wheels usually have to be constructed in multiple stages.
  • so-called guide wheels are attached between the paddle wheels to the
  • Multi-stage centrifugal or centripetal turbines is used, in which the paddle wheels are arranged in a stationary housing.
  • the object of the present invention is thus to provide a rotary device for converting thermal
  • the invention is in particular the goal of the flow of the working medium around the axis of rotation with the lowest possible energy losses
  • the impeller is in between
  • Heat pump operating state arranged the flow of the working fluid dissipating discharge channel of the rotor, wherein the supply channels extending substantially parallel to the axis of rotation, extending to immediately in front of an inlet opening of the impeller outlet portions, so that individual flows of the working medium of the
  • Supply channels can be guided substantially parallel to the axis of rotation in the paddle wheel.
  • the invention is based on the surprising
  • the outlet sections of the feed channels are preferably arranged at regular angular intervals and at the same radial distance around the axis of rotation.
  • Paddle preferably completely surrounds.
  • Working medium is thus guided by the paddle wheel located in the interior of the rotor, wherein the working medium, unlike the prior art not in one
  • Drain channels is connected to the paddle wheel. The smaller the number of connected radials
  • Derivative channels is, the more stable the operation, since the likelihood of a stall
  • the impeller is connected to at least three discharge channels. Preferably, no more than twelve discharge channels are connected to the paddle wheel.
  • the described embodiment relates only to the number of directly radially away from the impeller leading away discharge channels.
  • a radial discharge channel in the region remote from the axis preferably after a deflection in the axial direction, is divided into a plurality of heat exchanger channels.
  • Rotary axis inner heat exchangers are arranged.
  • Lead portions are preferably longer than the
  • the at least one discharge channel is connected to the compression channels, which are connected to outer heat exchangers with respect to the axis of rotation.
  • the impeller is arranged in the radial direction closer to the axis of rotation than the inner heat exchanger, wherein the
  • Paddle preferably concentric about the axis of rotation of
  • Rotor is arranged. Accordingly, the axes of rotation of the rotor and the impeller are preferably arranged in alignment. As a result, a particularly efficient mode of operation can be achieved.
  • substantially planar partitions are formed.
  • the arrangement of partitions can be achieved in a particularly simple manner that the axial flows of the working medium in the outlet sections of the supply channels unmixed and substantially free of twist with respect to the rotating rotor, which is the housing for the paddle wheel in the
  • the separating elements are adjustable in front of the paddle wheel.
  • a defined entrance swirl can be generated, which can be adjusted via the separating elements.
  • this defined entrance spin can be calculated or simulated in the design of the device.
  • the device according to the invention is usually for a specific
  • Entry angles of the separators are dimensioned such that the flow when viewed in the relative rotating impeller system, a steady transition, i. an inflow without significant change in direction, in the blade region of the impeller.
  • Paddle wheel system when entering the blade area of the paddle wheel flows in a steady manner. As a result, the efficiency can be increased.
  • the paddle wheel can by this measure also a higher pressure and a higher
  • the impeller has a plurality of, in particular arcuately curved blades.
  • the working medium is accelerated in the circumferential direction with respect to the axis of rotation, before the working medium via outlet openings between the outer edges of the blades of the blade wheel in the compression channels is performed.
  • the impeller on the side facing the axis of rotation on a free radial blades on blades.
  • Working medium in the radial section are homogenized before accelerating radially from the radial portion to the outside working fluid accelerated by the rotating blades and then discharged into the discharge channels.
  • the blade wheel In order to supply the working medium flowing in the axial direction to the blades, it is favorable if the blade wheel has an arcuately curved deflecting wall at the radial portion, with which the working medium can be deflected by substantially 90 ° in the radial direction.
  • the at least one discharge channel is at an angle to the radial direction
  • the inlet portion of the drainage channel preferably extends in a direction in which there is a steady flow transition, i. in which there is an inflow without significant change in direction results. This is by design
  • the working medium is introduced in the tangential direction, relative to a substantially circular in cross-section envelope or outer surface of the impeller in the inlet sections, which are connected to the substantially extending in the radial direction derivative portions.
  • the inlet sections and the compression sections are preferably over
  • Paddle wheel has a particular rotatable parallel to the axis of rotation of the rotor Schaufelradwelle, which is connected to a motor or to a generator. Accordingly, the paddle wheel can be connected on the one hand to a motor in order to generate a relative movement between the rotor and the paddle wheel. In this embodiment, the paddle wheel is set in a heat pump operating condition for maintaining the circulation of the working fluid.
  • the impeller may be connected to a generator in order to convert the shaft power present at the Schaufelradwelle by the relative movement of the impeller into electrical energy. In such a use of the device, a flow in the nature of a natural circulation is obtained due to the different temperature levels at the heat exchangers. The energy of the flow is then converted into shaft power in the impeller blade acting as a turbine, which subsequently by means of a generator in
  • inlet and outlet refer to the function of the paddle wheel to maintain the flow of the paddle wheel
  • the axes of rotation of the paddle wheel and the rotor coincide.
  • Paddlewheel shaft aligned on the shaft of the rotor
  • the rotor is connected to a second motor.
  • Paddle wheel and the rotor can be used.
  • Compression channels for the working medium is set up.
  • the device according to the invention uses the
  • Heat exchanger and at least one with respect to the rotation axis outer heat exchanger for a heat exchange between the working medium and a heat exchange medium are provided.
  • the heat exchangers are arranged co-rotating in the rotor. Depending on the direction of flow of the working medium, the
  • Circulation flow generated by a fan can be operated.
  • the reverse flow direction corresponds to operation as a heat-power machine for generating electric current, wherein different temperature levels are used to generate a flow, which is converted in the acting as a turbine paddle wheel into mechanical energy, which is finally converted into electrical energy in a generator.
  • the rotor is driven by a motor, which, e.g. is supplied by the recovered electrical energy from the turbine.
  • the heat exchangers are arranged substantially parallel to the axis of rotation of the rotor.
  • the heat exchangers are in this case connected between the compression and expansion channels.
  • the inner heat exchanger is for one
  • Heat exchange at a lower temperature and the outer heat exchanger provided for a heat exchange at a higher temperature are identical to each other.
  • Heat exchangers are provided.
  • the inner heat exchanger on the one hand and the outer heat exchanger on the other hand arranged at regular angular intervals with respect to the axis of rotation.
  • as many inner and outer heat exchangers as compression and expansion channels are provided. Accordingly, the inner and the outer
  • Heat exchangers connected in pairs via one compression and one expansion channel.
  • the number of supply and discharge channels for the impeller corresponds to the number of inner and outer heat exchangers.
  • the number of internal heat exchangers corresponds to a multiple of the external heat exchangers or vice versa.
  • the heat exchange can be made particularly efficient if the at least one internal heat exchanger and the
  • At least one outer heat exchanger extending substantially parallel to the axis of rotation, wherein the compression and expansion channels between the inner heat exchanger and the run outside heat exchanger. Preference is given to a plurality of internal heat exchangers and a plurality of external heat exchangers
  • the impeller has a plurality of successively flowed through by the working medium Schaufelradchn.
  • Supply channels have in this embodiment substantially parallel to the axis of rotation extending outlet sections, which until just before the inlet opening of in
  • the successive Schaufelrad task are each connected to one another via a deflection, with which the working medium is deflected between the Schaufelradmen.
  • the deflection preferably has outlet sections which extend essentially parallel to the axis of rotation and which extend as far as directly in front of the inlet opening of the impeller stage following in the flow direction.
  • Paddle wheel led out and introduced in the direction of the axis of rotation. The last seen in the direction of flow
  • Paddle wheel stage is connected to the at least one discharge channel.
  • Mass flow and the blade characteristic typically have two intersections, but only one of them is a stable operating point, a vertical characteristic would be ideal for pressure generation. This could be realized, for example, by positive displacement machines (such as reciprocating engines).
  • Rotary axis are introduced into the paddle wheel. Accordingly, the flows of the working medium individually or
  • Expansion and compression channels is rotated.
  • a higher absolute speed of the impeller is provided which causes a correspondingly higher centrifugal acceleration and thus a more efficient compression of the working medium.
  • the centrifugal compression effect is proportionally increased, thereby increasing the efficiency.
  • Fig. 1 shows schematically a perspective view of a
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the device of FIG. 1, wherein for the sake of clarity, only the components relevant to the function of the blade wheel are shown;
  • Fig. 2a is a temperature / entropy - diagram of in the
  • FIG. 3 shows a longitudinal section of the device according to FIG. 1, 2 in the region of the paddle wheel;
  • Fig. 4 shows a cross section of the device along the line IV-IV in Fig. 2 in the region of the paddle wheel, wherein the
  • Figure 5 is a schematic perspective view of parts of the rotor in the region of the supply ducts, which have before entering the impeller in the axial direction extending exit sections.
  • FIG. 7 shows a longitudinal section of the device according to FIG. 3 in the region of the blade wheel, which in this embodiment has a plurality of paddle wheel stages which can be flowed through one behind the other.
  • Fig. 1 shows a device 20 for the conversion of
  • the device 20 comprises a rotor 21 which is rotatable about a rotation axis 22 by means of a motor (not shown).
  • the rotor 21 has a compressor unit 23 and a relaxation unit 24, which have flow channels for a working medium.
  • the working medium for example a noble gas, passes through a closed loop process which comprises the steps of a) compression of the working medium, b) heat exchange between the working medium and a heat exchange medium in an external heat exchanger 1 ', c) expansion of the working medium and d) Heat exchange between the working medium and a heat exchange medium in an inner heat exchanger 1 '' has.
  • the compressor unit 23 extends substantially in the radial direction
  • the compressor unit 23 and the relaxation unit 24 are characterized by axial, i. in the direction of the axis of rotation 22, extending flow channels connected to each other, in which a
  • Heat exchange medium such as water
  • Heat exchanger 1 'and inner heat exchanger 1' ⁇ provided which are substantially parallel to the axis of rotation 22 are provided.
  • Centrifugal acceleration used to generate different pressure levels or temperature levels.
  • Heat exchanger 1 ' is provided, which in regular
  • Angular distances are arranged with respect to the axis of rotation.
  • the inner heat exchangers 1 'and the outer heat exchangers 1' are each substantially parallel to the axis of rotation 22, wherein the compression and expansion channels 23 run between the inner heat exchangers 1 'and the outer heat exchangers 1'.
  • Fig. 2 parts of the device 20 are shown in longitudinal section, with only one of the inner heat exchanger 1 '' and one of the outer heat exchanger 1 'are located.
  • a paddle wheel 30 can be seen, with which in the embodiment shown, the flow of the working medium about the axis of rotation 22nd
  • the impeller 30 is connected on the one hand to supply channels 31, which take over the working fluid from the inner heat exchangers 1 ''.
  • the paddle wheel 30 is connected to discharge channels 32, with which the working medium is guided into the compression channels 25 of the compressor unit 23.
  • the compression channels 25 are connected to the outer heat exchanger 1 '.
  • the paddle wheel 30 is closer in the radial direction to the axis of rotation 22 than the inner one Heat exchanger 1 '' arranged.
  • the axis of rotation of the paddle wheel 30 is aligned on the
  • Rotary axis 22 of the rotor 21 arranged to reduce the loads due to the centrifugal acceleration on the bearing of the shaft of the impeller 30.
  • Fig. 2a shows a temperature (T) - entropy (S) - diagram, wherein the individual states of the working medium are designated ZI to Z7.
  • T temperature
  • S entropy
  • the supply channels 31 have outlet sections 34 extending substantially parallel to the axis of rotation 22 and extending directly in front of an inlet opening 33 of the blade wheel 30, so that the flows of the working medium in the inlet channels 31 are separated from one another and substantially parallel to the axis Rotary axis 22 are guided in the paddle wheel 30.
  • Supply channels 31 substantially in the radial direction extending supply line sections 35, which are arranged between the opening into the impeller 30 outlet sections 34 and the inner heat exchangers 1 ''.
  • Discharge channels 32 are connected to the compression channels 25, which the working medium to the outer
  • Heat exchangers 1 'lead
  • arcuately curved walls 36 which cause a deflection of the working medium by substantially 90 ° from the radial feed line sections 35 into the axial outlet sections 34.
  • separating elements 37 which are formed in the embodiment shown by substantially planar partitions.
  • the separating elements 37 have a radial
  • outlet sections 34 are therefore arranged regularly and at constant radial distances about the axis of rotation 22 of the rotor 21.
  • the paddle wheel 30 has, with which the working fluid is accelerated when flowing through the impeller 30 in the direction of rotation 39 of the impeller 30.
  • the paddle wheel 30 has on the
  • Working medium from the supply channels 31 are brought together and homogenized.
  • An arcuately curved deflecting wall 41 is provided on the radial section 40 (see Fig. 3), with which the working medium is deflected by substantially 90 ° from the axial flow on entering the impeller 30 in a radial flow in front of the blades 38.
  • Paddle wheel 30 to the radial direction inclined inlet portions 42 which are connected to substantially radially extending discharge sections 43.
  • FIGS. 4, 6, the FIG.
  • Paddle wheel 30 has a paddlewheel shaft 44 which is connected to a motor (not shown).
  • the motor is configured to rotate the paddle wheel 30 in the direction of rotation 45 of the rotor 21.
  • the axis of rotation of the paddle wheel 44 and the axis of rotation 22 of the rotor 21 coincide.
  • a generator is connected to the paddle wheel 30, which then works as a turbine. The turbine converts at one
  • the device 20 As can be seen from FIG. 5, the device 20
  • FIG. 7 shows at which the individual blade wheel 30 has a plurality of in the embodiment shown, two, one after the other flowed through Schaufelraditn 30 ⁇ , 30 ⁇ ⁇ an alternative embodiment.
  • the Schaufelraditn 30 ⁇ , 30 ⁇ ⁇ are connected to each other via a deflection 30 ⁇ ⁇ ⁇ , with which the
  • Each paddle wheel stage 30 ⁇ , 30 ⁇ ⁇ is constructed according to the single-stage embodiment of FIG. 1 to 6.
  • the paddlewheel stages 30 are arranged ⁇ , 30 ⁇ ⁇ on the same Schaufelradwelle 44, which is connected to a motor or to a generator.
  • the Schaufelraditn 30 ⁇ , 30 ⁇ ⁇ can be
  • each paddle wheel stage 30 ⁇ , 30 ⁇ ⁇ is connected to a motor or generator.

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Abstract

Vorrichtung (20) und Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem Rotor (21) für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium, wobei der Rotor (21) eine Verdichtereinheit (23) mit mehreren Verdichtungskanälen (25) und eine Entspannungseinheit (24) mit mehreren Entspannungskanälen (26) aufweist, wobei der Rotor (21) weiters Wärmetauscher (1', 1'') für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium aufweist, und mit einem relativ zu dem Rotor (21) drehbaren Schaufelrad (30), wobei das Schaufelrad (30) zwischen im Wärmepumpenbetriebszustand die Strömung des Arbeitsmediums zuführenden Zuleitungskanälen (31) und zumindest einem im Wärmepumpenbetriebszustand die Strömung des Arbeitsmediums abführenden Ableitungskanal (32) des Rotors (21) angeordnet ist, wobei die Zuleitungskanäle (31) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (22) verlaufende, bis unmittelbar vor eine Eintrittsöffnung (33) des Schaufelrads (30) erstreckte Austrittsabschnitte (34) aufweisen, so dass einzelne Strömungen des Arbeitsmediums aus den Zuleitungskanälen (31) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (22) in das Schaufelrad (30) führbar sind.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie
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 für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium, wobei der Rotor eine Verdichtereinheit mit mehreren Verdichtungskanälen, in welchen Strömungen des
Arbeitsmediums zur Druckerhöhung in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen führbar sind, und eine Entspannungseinheit mit mehreren Entspannungskanälen, in welchen Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckverringerung in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach innen führbar sind, aufweist, wobei der Rotor weiters Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium aufweist, und mit einem relativ zu dem Rotor drehbaren Schaufelrad, welches in einem
Wärmepumpenbetriebszustand zur Aufrechterhaltung der
Strömungen des Arbeitsmediums um die Drehachse des Rotors und/oder in einem Generatorbetriebszustand zur Nutzung der Strömungsenergie des Arbeitsmediums vorgesehen ist.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische
Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt, wobei ein Arbeitsmedium in einem um eine Drehachse rotierenden Rotor einen geschlossenen Kreisprozess
durchläuft, wobei mehrere Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckerhöhung in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen geführt werden, wobei die Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckverringerung in Bezug auf die
Drehachse im Wesentlichen radial nach innen geführt werden, wobei ein Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgenommen wird, wobei das
Arbeitsmedium in einem Wärmepumpenbetriebszustand zur
Aufrechterhaltung der Strömungen des Arbeitsmediums um die Drehachse des Rotors und/oder in einem
Generatorbetriebszustand zur Nutzung der Strömungsenergie des Arbeitsmediums durch ein Schaufelrad geführt wird. Aus dem Stand der Technik sind bereits rotierende Wärmepumpen bzw. Wärmekraftmaschinen bekannt, bei denen ein gasförmiges Arbeitsmedium in einem geschlossenen thermodynamischen
Kreisprozess geführt wird.
In der WO 2009/015402 AI ist eine Wärmepumpe beschrieben, bei der das Arbeitsmedium in einem Rohrleitungssystem eines
Rotors einen Kreisprozess mit den Arbeitsschritten a)
Verdichtung des Arbeitsmediums, b) Wärmeabfuhr vom
Arbeitsmedium mittels eines Wärmetauschers, c) Entspannung des Arbeitsmediums und d) Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium mittels eines weiteren Wärmetauschers durchläuft. Die
Druckerhöhung bzw. Druckverringerung des Arbeitsmediums stellt sich vorwiegend 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.
Darüber hinaus wurde bei diesem Stand der Technik bereits ein Schaufelrad eingesetzt, welches insbesondere dazu verwendet wird, um die Strömung des Arbeitsmediums im Rotationsbetrieb aufrechtzuerhalten. Das Schaufelrad kann einerseits drehfest angeordnet sein, wobei sich aufgrund der drehfesten Anordnung eine Relativbewegung zu dem das Arbeitsmedium führenden
Rohrleitungssystem ergibt. Andererseits wurde bereits
vorgeschlagen, dass dem Schaufelrad ein Motor zur Erzeugung einer Relativbewegung zu dem Rohrleitungssystem zugeordnet ist. Weiters kann das Schaufelrad bei dieser Vorrichtung mit einem Generator verbunden sein, um die erzeugte
Wellenleistung durch die Relativbewegung des Schaufelrades in elektrische Energie umzuwandeln.
Im Stand der Technik sind verschiedenste Schaufelräder zur Aufrechterhaltung einer Fluidströmung bekannt, wobei solche Schaufelräder als Verdichter, Entspannungsturbinen oder Leiträder ausgeführt sein können. Im Stand der Technik sind als Grenzformen für die Durchströmungsart von Schaufelrädern einerseits axiale und andererseits radiale Ausführungen bekannt. Bei Mischformen wie diagonal durchströmten
Schaufelrädern gelten weitgehend dieselben Überlegungen für die radiale bzw. axiale Strömungskomponente. Bei Verwendung von axial durchströmten Schaufelrädern, sogenannten
Axialventilatoren (bzw. allgemein Axialverdichter) oder
Axialturbinen, kann im Wesentlichen eine herkömmliche
Dimensionierung angewendet werden. Die axiale Bauform hat jedoch den Nachteil, dass im Vergleich zur radialen Bauform geringere Druckerhöhungen bewirkt werden können, wodurch die axialen Schaufelräder meist mehrstufig aufgebaut werden müssen. Bei einer mehrstufigen Ausführung werden zwischen den Schaufelrädern sogenannte Leiträder angebracht, um die
Strömung umzulenken. Dadurch wird ein Drall mit der Rotation der umgebenden rotierenden Axialschaufeln erzeugt, der Drall im Wesentlichen vollständig aus der Strömung genommen oder ein Drall gegen die Drehrichtung erzeugt. Hinsichtlich des Einbaus von radialen Schaufelrädern, welche gegenüber axialen Schaufelrädern den Vorteil höherer Drücke pro Stufe haben und daher oft einstufig ausgeführt werden können, wurde bisher auf eine Variante zurückgegriffen, wie sie auch bei
mehrstufigen Radialverdichtern bzw. Zentripetalturbinen verwendet wird, bei welchen die Schaufelräder in einem stillstehenden Gehäuse angeordnet sind.
Bei umfangreichen Versuchen hat sich jedoch gezeigt, dass die vom Stand der Technik bekannte Anordnung der Schaufelräder bei gattungsgemäßen Vorrichtungen, bei welchen die Zu- und Ableitungen des Schaufelrads in dem Rotorgehäuse rotierend angeordnet sind, keine zufriedenstellende Ergebnisse liefert. Es wurde beobachtet, dass beispielsweise der Wirkungsgrad eines Radialventilators von 80% bei nicht rotierendem Gehäuse auf 25% bei rotierendem Gehäuse absinkt.
Demnach besteht ein großer Bedarf für Verbesserungen an den Schaufelrädern, um die komplexen Randbedingungen während des mehrere Arbeitsschritte aufweisenden Prozesses innerhalb des Rotors besser berücksichtigen zu können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, eine rotierende Vorrichtung zum Umwandeln thermischer
Energie, wie eingangs angegeben, zu schaffen, bei welcher die Nachteile des Standes der Technik eliminiert bzw. zumindest deutlich gelindert werden. Demnach setzt sich die Erfindung insbesondere zum Ziel, die Strömung des Arbeitsmediums um die Drehachse mit möglichst geringen Energieverlusten
aufrechtzuerhalten .
Erfindungsgemäß ist das Schaufelrad zwischen im
Wärmepumpenbetriebszustand die Strömung des Arbeitsmediums zuführenden Zuleitungskanälen und zumindest einem im
Wärmepumpenbetriebszustand die Strömung des Arbeitsmediums abführenden Ableitungskanal des Rotors angeordnet, wobei die Zuleitungskanäle im Wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufende, bis unmittelbar vor eine Eintrittsöffnung des Schaufelrads erstreckte Austrittsabschnitte auf, so dass einzelne Strömungen des Arbeitsmediums aus den
Zuleitungskanälen im Wesentlichen parallel zur Drehachse in das Schaufelrad führbar sind.
Demnach beruht die Erfindung auf der überraschenden
Erkenntnis, dass der Wirkungsgrad des Schaufelrads dadurch wesentlich verbessert werden kann, dass das Arbeitsmedium vor dem Eintritt in das Schaufelrad in einzelnen Strömungen parallel zur Drehachse, d.h. in axialer Richtung, geführt wird. Für die Zwecke dieser Offenbarung bedeutet die
Erstreckung der Austrittsabschnitte der Zuleitungskanäle bis unmittelbar vor das Schaufelrad, dass die Strömungen des Arbeitsmediums in den Zuleitungskanälen nicht
zusammengeführt, sondern getrennt voneinander dem Schaufelrad zugeführt werden. Bevorzugt sind die Austrittsabschnitte der Zuleitungskanäle in regelmäßigen Winkelabständen und in demselben radialen Abstand um die Drehachse angeordnet.
Demnach werden mehrere axiale Strömungen des Arbeitsmediums in das Schaufelrad eingeleitet. Danach strömt das
Arbeitsmedium in den zumindest einen Ableitungskanal des Rotors. Demnach wird das Arbeitsmedium aus dem Schaufelrad direkt, d.h. ohne Zwischenschaltung eines stillstehenden Gehäuses, in den Rotor geführt. Der Rotor bildet daher ein rotierendes Gehäuse für das Schaufelrad, welches das
Schaufelrad vorzugsweise vollständig umschließt. Das
Arbeitsmedium wird also durch das im Inneren des Rotors befindliche Schaufelrad geführt, wobei das Arbeitsmedium anders als beim Stand der Technik nicht in einem
stillstehenden Gehäuse geführt wird. Dadurch kann die
Strömungsenergie des Arbeitsmediums beim Durchlaufen des Kreisprozesses im Wesentlichen beibehalten werden.
Vorteilhaft ist zudem, dass dynamische Dichtungen des
Arbeitsmediums zur Umgebung nicht erforderlich sind. Bei der herkömmlichen Auslegung von Schaufelrädern war ein
stillstehendes Gehäuse vorgesehen. Demgegenüber ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Rotor vorgesehen, so dass die das Schaufelrad umgebenden Komponenten im Betrieb
rotieren. Um die unterschiedliche Einbausituation zu
berücksichtigen, wäre es naheliegend gewesen, allein die relativen Drehzahlen zwischen dem Schaufelrad und dem Rotor zu betrachten, d.h. die Differenzdrehzahl zwischen der absoluten Rotordrehzahl und der absoluten
Schaufelraddrehzahl. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Betrachtung grundlegend fehlschlägt. Bei der im Stand der Technik üblichen radialen Zuströmung des Arbeitsmediums von den rotierenden Zuleitungskanälen in das Schaufelrad entsteht beim radialen Austritt aus dem Zuleitungskanal, insbesondere durch die Coriolisbeschleunigung, ein Drall, der bei einer Strömung, vom relativen, rotierenden System aus betrachtet, radial nach innen entgegen der Drehrichtung ausgebildet ist. Dieser Drall verändert die Charakteristik der Einströmung, insbesondere die Geschwindigkeitsdreiecke, maßgeblich, wodurch eine Dimensionierung nach herkömmlichen Methoden erfolglos sein musste. Erfindungsgemäß wird das Arbeitsmedium jedoch in axialer Richtung aus den das Arbeitsmedium
befördernden Zuleitungskanälen herausgeführt. Dies hat vorteilhafterweise zur Folge, dass die Coriolisbeschleunigung annähernd null wird und sich kein bzw. kein wesentlicher Drall einstellt. Dadurch ist der Übertritt ins Schaufelrad einfacher berechenbar und vorteilhafterweise auch nicht von den Drehzahlen des Schaufelrades sowie des umgebenden
Gehäuses des Rotors als auch nicht von der relativen
Strömungsgeschwindigkeit abhängig . Um einen stabilen Betrieb zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn eine möglichst geringe Anzahl von radialen
Ableitungskanälen an das Schaufelrad angeschlossen wird. Je geringer die Anzahl der angeschlossenen radialen
Ableitungskanäle ist, desto stabiler ist der Betrieb, da die Wahrscheinlichkeit eines Strömungsabrisses eines
Ableitungskanales mit sinkender Anzahl an Ableitungskanälen immer geringer wird. In einer bevorzugten Ausführung ist daher genau ein Ableitungskanal pro Schaufelrad vorgesehen. Bei dieser Ausführung wird daher für jeden Ableitungskanal, der radial nach außen geführt wird, genau ein Schaufelrad vorgesehen, wobei mehrere Schaufelräder (und eine
entsprechende Anzahl von Ableitungskanälen) vorgesehen sein können. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ist bei einer alternativen bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass das Schaufelrad mit mindestens drei Ableitungskanälen verbunden ist. Bevorzugt sind nicht mehr als zwölf Ableitungskanäle an das Schaufelrad angeschlossen. Die beschriebene Ausführung bezieht sich lediglich auf die Anzahl der direkt radial vom Schaufelrad wegführenden Ableitungskanäle. Es ist jedoch durchaus möglich, dass ein radialer Ableitungskanal im achsfernen Bereich, vorzugsweise nach einer Umlenkung in die axiale Richtung, in mehrere Wärmetauscherkanäle aufgeteilt wird .
Um beim Durchströmen der Verdichtungs- und Entspannungskanäle Druckunterschiede mit hohen Wirkungsgraden zu erzielen, jedoch die Ausbildung von Drallströmungen vor dem Eintritt in das Schaufelrad zuverlässig zu verhindern, ist es günstig, wenn die Zuleitungskanäle im Wesentlichen in radialer
Richtung verlaufende Zuleitungsabschnitte aufweisen, welche zwischen den Austrittsabschnitten und in Bezug auf die
Drehachse inneren Wärmetauschern angeordnet sind. Die
Zuleitungsabschnitte sind vorzugsweise länger als die
Austrittsabschnitte der Zuleitungskanäle.
Um einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium bei höherer Temperatur zu
bewerkstelligen, ist es günstig, wenn der zumindest eine Ableitungskanal mit den Verdichtungskanälen verbunden ist, welche mit in Bezug auf die Drehachse äußeren Wärmetauschern verbunden sind.
Um den Kreisprozess im Betrieb mit möglichst geringem
Energieaufwand aufrechtzuerhalten, ist es günstig, wenn das Schaufelrad in radialer Richtung näher an der Drehachse als der innere Wärmetauscher angeordnet ist, wobei das
Schaufelrad bevorzugt konzentrisch um die Drehachse des
Rotors angeordnet ist. Demnach sind die Drehachsen des Rotors und des Schaufelrads bevorzugt fluchtend angeordnet. Dadurch kann eine besonders effiziente Betriebsweise erzielt werden.
Um die radialen Strömungen des Arbeitsmediums in den
Zuleitungskanälen vor dem Eintritt in das Schaufelrad in axiale Strömungen umzuwandeln, ist es von Vorteil, wenn die Zuleitungskanäle an den Austrittsabschnitten bogenförmig gekrümmte Wandungen aufweisen, welche eine Umlenkung des Arbeitsmediums um im Wesentlichen 90° von den
Zuleitungsabschnitten in die Austrittsabschnitte bewirken. Durch die bogenförmigen Wandungen der Entspannungskanäle am Austrittsende kann das Arbeitsmedium kontinuierlich in eine axiale Strömung umgelenkt werden, wobei die Strömungen des Arbeitsmediums durch die Umlenkung nicht bzw. nur
unwesentlich gestört werden.
Um die Strömungen des Arbeitsmediums einzeln, d.h. im
Wesentlichen unvermischt bzw. getrennt voneinander, in das Schaufelrad einzuleiten, ist es vorteilhaft, wenn die
Austrittsabschnitte der Zuleitungskanäle zwischen im
Wesentlichen in radialer und axialer Richtung zur Drehachse erstreckten Trennelementen, insbesondere im Wesentlichen ebenen Trennwänden, gebildet sind. Durch die Anordnung von Trennwänden kann auf besonders einfache Weise erreicht werden, dass die axialen Strömungen des Arbeitsmediums in den Austrittsabschnitten der Zuleitungskanäle unvermischt und im Wesentlichen drallfrei in Bezug auf den rotierenden Rotor, der das Gehäuse für das Schaufelrad darstellt, in das
Schaufelrad geführt werden.
Für eine bessere Regelbarkeit, insbesondere im Teillastbereich, ist es günstig, wenn die Trennelemente vor dem Schaufelrad verstellbar sind. Vorteilhafterweise kann so ein definierter Eintrittsdrall erzeugt werden, welcher über die Trennelemente eingestellt werden kann. Im Unterschied zu dem beim Stand der Technik am Eintritt in das Schaufelrad auftretenden Drall aufgrund der Coriolisbeschleunigung lässt sich dieser definierte Eintrittsdrall bei der Auslegung der Vorrichtung berechnen bzw. simulieren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird üblicherweise für einen bestimmten
Betriebspunkt ausgelegt. Hierbei kann insbesondere der
Eintrittswinkel der Trennelemente derart dimensioniert werden, dass die Strömung bei Betrachtung im relativen, rotierenden Schaufelrad-System einen stetigen Übergang, d.h. ein Einströmen ohne wesentliche Richtungsänderung, in den Schaufelbereich des Schaufelrades aufweist. Bei einer
Drehzahlveränderung des Schaufelrades und/oder bei
variierenden relativen Strömungsgeschwindigkeiten, also bei einem Betrieb außerhalb des Auslegungspunktes, ändern sich üblicherweise die Einströmwinkel der Strömung, wodurch eine unstetige Einströmung in den Schaufelbereich des
Schaufelrades entstehen würde. Dieser Effekt reduziert den Wirkungsgrad des Schaufelrades bei Betrieb außerhalb des Auslegungspunktes. Um diesen Nachteil zu beheben, können die Trennelemente für einen Betrieb außerhalb des
Auslegungspunktes derart verstellt werden, dass das
Arbeitsmedium, bezogen auf das relative, rotierende
Schaufelrad-System, beim Eintritt in den Schaufelbereich des Schaufelrades in stetiger Weise strömt. Dadurch kann der Wirkungsgrad erhöht werden. Das Schaufelrad kann durch diese Maßnahme zudem einen höheren Druck und einen höheren
maximalen Volumenstrom erzeugen, wodurch der Einsatzbereich erweitert wird.
Zur Aufrechterhaltung der Strömung des Arbeitsmediums beim Durchlaufen des Kreisprozesses ist es günstig, wenn das Schaufelrad eine Mehrzahl von insbesondere bogenförmig gekrümmten Schaufeln aufweist. Durch die Schaufeln wird das Arbeitsmedium in Umfangrichtung in Bezug auf die Drehachse beschleunigt, bevor das Arbeitsmedium über Austrittsöffnungen zwischen den äußeren Kanten der Schaufeln des Schaufelrads in die Verdichtungskanäle geführt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist das Schaufelrad auf der der Drehachse zugewandten Seite einen von Schaufeln freien Radialabschnitt auf. In dem ringförmigen
Radialabschnitt des Schaufelrads werden die in den
Zuleitungskanälen getrennt geführten Strömungen des
Arbeitsmediums zusammengeführt. Dadurch kann das
Arbeitsmedium in dem Radialabschnitt homogenisiert werden, bevor das vom Radialabschnitt radial nach außen strömende Arbeitsmedium durch die rotierenden Schaufeln beschleunigt und danach in die Ableitungskanäle abgeführt wird.
Um das in axialer Richtung einströmende Arbeitsmedium den Schaufeln zuzuführen, ist es günstig, wenn das Schaufelrad an dem Radialabschnitt eine bogenförmig gekrümmte Umlenkwand aufweist, mit welcher das Arbeitsmedium um im Wesentlichen 90° in radialer Richtung umlenkbar ist.
Um die Strömungsenergie des Arbeitsmediums im Wesentlichen beizubehalten, ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Ableitungskanal einen schräg zur radialen Richtung
angeordneten Eintrittsabschnitt aufweist, welcher mit einem im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufenden
Ableitungsabschnitt verbunden ist. Der Eintrittsabschnitt des Ableitungskanals erstreckt sich bevorzugt in ene Richtung, in der sich ein stetiger Übergang der Strömung, d.h. in der ein Einströmen ohne wesentliche Richtungsänderung vorhanden ist, ergibt. Dies wird bei der Auslegung durch
Vektorenaddition erzielt. Demnach wird das Arbeitsmedium in tangentialer Richtung, bezogen auf eine im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmige Umhüllende bzw. Außenfläche des Schaufelrads, in die Eintrittsabschnitte eingebracht, welche mit den im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufenden Ableitungsabschnitten verbunden sind. Die Eintrittsabschnitte und die Verdichtungsabschnitte sind bevorzugt über
bogenförmig gekrümmte Übergangsabschnitte miteinander
verbunden .
Um das Schaufelrad anzutreiben und so das Arbeitsmedium beim Durchgang zu beschleunigen bzw. um die Rotationsenergie des Schaufelrads zu nutzen, ist es von Vorteil, wenn das
Schaufelrad eine insbesondere parallel zur Drehachse des Rotors rotierbare Schaufelradwelle aufweist, welche mit einem Motor oder mit einem Generator verbunden ist. Demnach kann das Schaufelrad einerseits mit einem Motor verbunden sein, um eine Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Schaufelrad zu erzeugen. Bei dieser Ausführung ist das Schaufelrad in einem Wärmepumpenbetriebszustand zur Aufrechterhaltung der Kreisführung des Arbeitsmediums eingerichtet. Andererseits kann das Schaufelrad mit einem Generator verbunden sein, um die an der Schaufelradwelle vorliegende Wellenleistung durch die Relativbewegung des Schaufelrades in elektrische Energie umzuwandeln. Bei einer solchen Verwendung der Vorrichtung wird aufgrund der unterschiedlichen Temperaturniveaus an den Wärmetauschern eine Strömung in der Art eines Naturumlaufes erhalten. Die Energie der Strömung wird dann in dem als Turbine wirkenden Schaufelrad in Wellenleistung umgewandelt, welche in weiterer Folge mittels eines Generators in
elektrischen Strom umgewandelt wird. Vorzugsweise wird ein Teil dieser Energie für einen Motor aufgewendet, welcher den Rotor antreibt. In der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Eintritt" und „Austritt" auf die Funktion des Schaufelrades zur Aufrechterhaltung der Strömung des
Arbeitsmediums um die Drehachse, d.h. wenn das Schaufelrad in einem Wärmepumpenbetriebszustand als Ventilator verwendet wird. Bei der Funktion des Schaufelrades als Turbine zur Erzeugung elektrischer Energie ist die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vertauscht, so dass beispielsweise die
Austrittsabschnitte der Zuleitungen zu den
Eintrittsabschnitten der Ableitungen werden.
In einer bevorzugten Ausführung fallen die Drehachsen des Schaufelrads und des Rotors zusammen. Wenn die
Schaufelradwelle fluchtend auf der Welle des Rotors
angeordnet wird, können vorteilhafterweise keine
asymmetrischen Kräfte aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung auf die Lagerung des Schaufelrads entstehen. Bevorzugt ist ein eigener Motor/Generator für die Schaufelradwelle
vorgesehen, so dass das Schaufelrad unabhängig von dem die Verdichtungs- und Entspannungskanäle aufweisenden Rotor antreibbar ist; in diesem Fall ist der Rotor mit einem zweiten Motor verbunden. Alternativ kann auch derselbe Motor für den Antrieb des Schaufelrads und des Rotors bzw. derselbe Generator für die Nutzung der Rotationsenergie des
Schaufelrads und des Rotors verwendet werden.
Es hat sich überraschend als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Motor zur Rotation des Schaufelrads in derselben
Drehrichtung wie der Rotor mit den Entspannungs- und
Verdichtungskanälen für das Arbeitsmedium eingerichtet ist. Vorteilhafterweise kann bei einer Rotation des Schaufelrads in die gleiche Richtung wie der Hauptrotor das
Beschleunigungsfeld des Hauptrotors ausgenutzt werden.
Dadurch kann die Effizienz des Schaufelrades sogar gegenüber einer Anordnung mit nicht rotierendem Gehäuse erhöht werden, da der Verdichtungsanteil im Schaufelrad selbst aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung erhöht wird und diese Verdichtung einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist als die
Druckerhöhung aufgrund von Geschwindigkeitsänderungen, welche beispielsweise beim Übertritt von dem Schaufelrad zu dem Ableitungskanal erfolgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nützt die
Zentrifugalbeschleunigung beim Durchströmen der Verdichtungsund Entspannungskanäle des Rotors, um verschiedene Druck¬ bzw. Temperaturniveaus des Arbeitsmediums zu erzeugen. Zur Umwandlung von thermischen Energie des Arbeitsmediums mittels kinetischer Energie und umgekehrt ist es günstig, wenn zumindest ein in Bezug auf die Drehachse innerer
Wärmetauscher und zumindest ein in Bezug auf die Drehachse äußerer Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgesehen sind. Die Wärmetauscher sind in dem Rotor mitrotierend angeordnet. Je nach Strömungsrichtung des Arbeitsmediums kann die
Vorrichtung einerseits als Wärmepumpe, bei welcher der Rotor mit einem Antrieb in Drehbewegung versetzt wird und die
KreislaufStrömung durch einen Ventilator erzeugt wird, betrieben werden. Die umgekehrte Strömungsrichtung entspricht einem Betrieb als Wärme-Kraft-Maschine zur Erzeugung von elektrischem Strom, wobei unterschiedliche Temperaturniveaus zur Erzeugung einer Strömung genutzt werden, welche in dem als Turbine wirkenden Schaufelrad in mechanische Energie umgewandelt wird, die schließlich in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. In diesem
Betriebszustand wird der Rotor mit einem Motor angetrieben, welcher z.B. durch die gewonnene elektrische Energie aus der Turbine versorgt wird.
Bevorzugt sind die Wärmetauscher im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors angeordnet. Die Wärmetauscher sind hierbei zwischen die Verdichtungs- und Entspannungskanäle geschaltet. Der innere Wärmetauscher ist für einen
Wärmeaustausch bei niedrigerer Temperatur und der äußere Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch bei höherer Temperatur vorgesehen .
Zur Erhöhung der Leistung der Vorrichtung ist es günstig, wenn jeweils mehrere innere Wärmetauscher und äußere
Wärmetauscher vorgesehen sind. Bevorzugt sind die inneren Wärmetauscher einerseits und die äußeren Wärmetauscher andererseits in regelmäßigen Winkelabständen bezüglich der Drehachse angeordnet. Bevorzugt sind ebenso viele innere bzw. äußere Wärmetauscher wie Verdichtungs- und Entspannungskanäle vorgesehen. Demnach sind die inneren und die äußeren
Wärmetauscher paarweise über jeweils einen Verdichtungs- und einen Entspannungskanal miteinander verbunden. Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass die Anzahl der Zuleitungs- und Ableitungskanäle für das Schaufelrad der Anzahl der inneren bzw. äußeren Wärmetauscher entspricht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung entspricht die Anzahl der inneren Wärmetauscher einem Vielfachen der äußeren Wärmetauscher oder umgekehrt.
Der Wärmeaustausch kann besonders effizient gestaltet werden, wenn der zumindest eine innere Wärmetauscher und der
zumindest eine äußere Wärmetauscher im Wesentlichen parallel zur Drehachse erstreckt sind, wobei die Verdichtungs- und Entspannungskanäle zwischen dem inneren Wärmetauscher und dem äußeren Wärmetauscher verlaufen. Bevorzugt sind mehrere innere Wärmetauscher und mehrere äußere Wärmetauscher
vorgesehen, welche jeweils in gleichen radialen Abständen zur Drehachse angeordnet sind. Bei dieser Ausführung ist zudem bevorzugt vorgesehen, dass eine der Zahl der inneren bzw. äußeren Wärmetauscher entsprechende Anzahl von Verdichtungsbzw. Entspannungskanälen vorgesehen ist.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei welcher das Schaufelrad mehrere hintereinander von dem Arbeitsmedium durchströmbare Schaufelradstufen aufweist. Die
Zuleitungskanäle weisen bei dieser Ausführung im Wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufende Austrittsabschnitte auf, welche bis unmittelbar vor die Eintrittsöffnung der in
Strömungsrichtung gesehen ersten Schaufelradstufe erstreckt sind. Die aufeinanderfolgenden Schaufelradstufen sind jeweils über eine Umlenkung miteinander verbunden, mit welcher das Arbeitsmedium zwischen den Schaufelradstufen umgelenkt wird. Bevorzugt weist die Umlenkung im Wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufende Austrittsabschnitte auf, welche bis unmittelbar vor die Eintrittsöffnung der in Strömungsrichtung gesehen folgenden Schaufelradstufe erstreckt sind. Dadurch wird das Arbeitsmedium stets bis vor die nächste
Schaufelradstufe geführt und in Richtung der Drehachse eingeleitet. Die in Strömungsrichtung gesehen letzte
Schaufelradstufe ist mit dem zumindest einen Ableitungskanal verbunden .
Bei dem Kreisprozess wird für einen steigenden Massenstrom eine nicht stetig steigende Druckdifferenz an dem Schaufelrad beobachtet. Demnach wird speziell bei niedrigen Massenströmen und hohen Drehzahlen des Rotors mit steigendem Massenstrom eine fallende Druckdifferenz am Schaufelrad hervorgerufen, bevor diese wieder ansteigt. Aus diesem Grund ist es günstig, wenn ein Schaufelrad verwendet wird, das einen möglichst steilen Verlauf aufweist, d.h. dass bei einer bestimmten Drehzahl des Schaufelrades sowie einer Hauptrotordrehzahl ab dem Erreichen des maximalen Drucks ein möglichst steil abfallender Verlauf bevorzugt wird. Ein derartiger Verlauf wird insbesondere mit mehrstufigen Schaufelrädern erzielt. Da die Prozesskennlinie (d.h. der benötigte Druck über dem
Massenstrom) und die Schaufelkennlinie (d.h. der erzeugte Druck über dem Massenstrom) in der Regel zwei Schnittpunkte aufweisen, jedoch nur einer davon ein stabiler Betriebspunkt ist, wäre eine vertikale Kennlinie für die Druckerzeugung ideal. Dies könnte beispielsweise durch Verdrängermaschinen (wie z.B. Kolbenmaschinen) realisiert werden. Eine
mehrstufige Druckerhöhung mit Schaufelrädern erzielt jedoch in vorteilhafter Weise einen ähnlichen Effekt, indem ab einem bestimmten Punkt ein sehr steiler Verlauf erzielt wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren der eingangs angeführten Art gelöst, bei welchem einzelne Strömungen des Arbeitsmediums in dem
Wärmepumpenbetriebszustand bis unmittelbar vor das
Schaufelrad geführt und im Wesentlichen parallel zur
Drehachse in das Schaufelrad eingeleitet werden. Demnach werden die Strömungen des Arbeitsmediums einzeln bzw.
getrennt voneinander und in axialer Richtung in das
Schaufelrad geführt.
Die Vorteile und technischen Effekte dieses Verfahrens ergeben sich aus den vorstehenden Erläuterungen, auf welche hiermit verwiesen werden kann.
Überraschenderweise hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Schaufelrad in derselben Drehrichtung und mit einer höheren absoluten Drehzahl wie der Rotor mit den
Entspannungs- und Verdichtungskanälen rotiert wird. Durch die Rotation des Schaufelrads in Drehrichtung des Rotors wird eine höhere absolute Drehzahl des Schaufelrads vorgesehen, welche eine entsprechend höhere Zentrifugalbeschleunigung und damit eine effizientere Verdichtung des Arbeitsmediums bewirkt. Bei gleicher Drehrichtung von Schaufelrad und Rotor wird der zentrifugale Verdichtungseffekt anteilsmäßig erhöht und dadurch die Effizienz gesteigt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie j edoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im
Einzelnen
zeigen in der Zeichnung:
Fig. 1 schematisch eine schaubildliche Ansicht einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Umwandeln thermischer
Energie, bei der ein Arbeitsmedium in einem Rotor einen geschlossenen Kreisprozess durchläuft, wobei der Kreisprozess mittels eines rotierenden Schaufelrads geschlossen wird;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 1, wobei der besseren Übersicht halber nur die für die Funktion des Schaufelrads relevanten Bauteile gezeigt sind;
Fig. 2a ein Temperatur/Entropie - Diagramm des in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführten Kreisprozesses;
Fig. 3 einen Längsschnitt der Vorrichtung gemäß Fig. 1, 2 im Bereich des Schaufelrads;
Fig. 4 einen Querschnitt der Vorrichtung gemäß der Linie IV- IV in Fig. 2 im Bereich des Schaufelrads, wobei die
Austrittsabschnitte der Zuleitungskanäle einerseits und die Eintrittsabschnitte der Ableitungskanäle andererseits
ersichtlich sind;
Fig. 5 eine schematische schaubildliche Ansicht von Teilen des Rotors im Bereich der Zuleitungskanäle, welche vor dem Eintritt in das Schaufelrad in axialer Richtung verlaufende Austrittsabschnitte aufweisen;
Fig. 6 schematisch eine schaubildliche Ansicht des
Schaufelrads der in Fig. 1 bis 5 dargestellten Vorrichtung; und
Fig. 7 einen Längsschnitt der Vorrichtung gemäß Fig. 3 im Bereich des Schaufelrads, welches bei dieser Ausführung mehrere hintereinander durchströmbare Schaufelradstufen aufweist . Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 20 zur Umwandlung von
Wärmeenergie mittels mechanischer Energie und umgekehrt, welche in der gezeigten Ausführung als Wärmepumpe verwendet wird. Die Vorrichtung 20 umfasst einen Rotor 21, der mittels eines (nicht dargestellten) Motors um eine Drehachse 22 rotierbar ist. Der Rotor 21 weist eine Verdichtereinheit 23 und eine Entspannungseinheit 24 auf, welche Strömungskanäle für ein Arbeitsmedium aufweisen. Beim Durchströmen des Rotors 21 durchläuft das Arbeitsmedium, beispielsweise ein Edelgas, einen geschlossenen Kreisprozess , welcher die Arbeitsschritte a) Verdichtung des Arbeitsmediums, b) Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium in einem äußeren Wärmetauscher 1', c) Entspannung des Arbeitsmediums und d) Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium in einem inneren Wärmetauscher 1 ' ' aufweist. Zu diesem Zweck weist die Verdichtereinheit 23 im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende
Verdichtungskanäle 25 auf, in welchen das Arbeitsmedium mit Bezug auf die Drehachse 22 in radialer Richtung nach außen strömt. Aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung wird das
Arbeitsmedium in den Verdichtungskanälen 25 verdichtet.
Entsprechend wird das Arbeitsmedium zur Druckverringerung in Entspannungskanälen 26 der Entspannungseinheit 24 im
Wesentlichen radial nach innen geführt.
Die Verdichtereinheit 23 und die Entspannungseinheit 24 sind durch axial, d.h. in Richtung der Drehachse 22, verlaufende Strömungskanäle miteinander verbunden, in denen ein
Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem
Wärmeaustauschmedium, beispielsweise Wasser, erfolgt. Zu diesem Zweck sind in Bezug auf die Drehachse äußere
Wärmetauscher 1 ' und innere Wärmetauscher 1 ' λ vorgesehen, welche im Wesentlichen parallel zur Drehachse 22 erstreckt sind. Wenn die Vorrichtung 20 als Wärmepumpe betrieben wird, gibt das in den Verdichtungskanälen 25 verdichtete
Arbeitsmedium in den äußeren Wärmetauschern 1 ' Wärme an ein Wärmeaustauschmedium einer ersten, vergleichsweise hohen Temperatur ab, wobei das in den Entspannungskanälen 26 entspannte Arbeitsmedium Wärme vom Wärmeaustauschmedium einer zweiten, vergleichsweise niedrigen Temperatur aufnimmt. Demnach wird die auf das Arbeitsmedium wirkende
Zentrifugalbeschleunigung 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. In einem Betrieb der Vorrichtung 20 als Motor werden die
Strömungskanäle vom Arbeitsmedium in umgekehrter Richtung durchströmt. Entsprechend ändert sich der Wärmeaustausch, wobei am äußeren Wärmetauscher 1 ' Wärme dem Arbeitsmedium zugeführt und am inneren Wärmetauscher 1'' Wärme dem
Arbeitsmedium entzogen wird.
Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, sind jeweils mehrere, in der gezeigten Ausführung zwölf, innere Wärmetauscher 1' und mehrere, in der gezeigten Ausführung zwölf, äußere
Wärmetauscher 1' vorgesehen, welche in regelmäßigen
Winkelabständen bezüglich der Drehachse angeordnet sind. Die inneren Wärmetauscher 1 ' und die äußeren Wärmetauscher 1 ' sind jeweils im Wesentlichen parallel zur Drehachse 22 erstreckt, wobei die Verdichtungs- 23 und Entspannungskanäle 25 zwischen den inneren Wärmetauschern 1' und den äußeren Wärmetauschern 1' verlaufen.
In Fig. 2 sind Teile der Vorrichtung 20 im Längsschnitt dargestellt, wobei lediglich einer der inneren Wärmetauscher 1'' und einer der äußeren Wärmetauscher 1' eingezeichnet sind. Darüber hinaus ist in Fig. 2 ein Schaufelrad 30 ersichtlich, mit welchem in der gezeigten Ausführung die Strömung des Arbeitsmediums um die Drehachse 22
aufrechterhalten wird. Das Schaufelrad 30 ist einerseits mit Zuleitungskanälen 31 verbunden, welche das Arbeitsmedium von den inneren Wärmetauschern 1'' übernehmen. Darüber hinaus ist das Schaufelrad 30 mit Ableitungskanälen 32 verbunden, mit welchen das Arbeitsmedium in die Verdichtungskanäle 25 der Verdichtereinheit 23 geführt wird. Die Verdichtungskanäle 25 sind mit den äußeren Wärmetauscher 1' verbunden.
Wie aus Fig. 2 weiters ersichtlich, ist das Schaufelrad 30 in radialer Richtung näher an der Drehachse 22 als der innere Wärmetauscher 1'' angeordnet. In der gezeigten Ausführung ist die Drehachse des Schaufelrades 30 fluchtend auf der
Drehachse 22 des Rotors 21 angeordnet, um die Belastungen aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung auf die Lagerung der Welle des Schaufelrades 30 zu reduzieren.
Fig. 2a zeigt ein Temperatur (T) - Entropie (S) - Diagramm, wobei die einzelnen Zustände des Arbeitsmediums mit ZI bis Z7 bezeichnet sind. In Fig. 2 sind entsprechend die Positionen innerhalb der Vorrichtung 20 markiert, an welchen das
Arbeitsmedium die Zustände ZI bis Z7 im Wesentlichen
erreicht. Demnach werden bei einem Betrieb als Wärmepumpe die folgenden Prozessschritte durchlaufen (bei einem Betrieb als Wärme-Kraft-Maschine würde der Kreisprozess in umgekehrter Richtung durchgeführt) :
- 1 nach 2: im Wesentlichen isentrope Verdichtung aufgrund der Hauptrotation vom Radius ZI des achsnahen Wärmetauschers 1'' bis zum Radius Z2 des achsfernen Wärmetauschers 1 ' ;
- 2 nach 3: im Wesentlichen isobare Wärmeabfuhr vom
Arbeitsmedium an das Wärmeaustauschmedium in dem äußeren Wärmetauscher 1' bei vergleichsweise hoher Temperatur und bei konstantem Radius der Strömung;
- 3 nach 4: im Wesentlichen isentrope Entspannung aufgrund der Hauptrotation vom Radius des äußeren Wärmetauschers 1 ' bis zum Radius des inneren Wärmetauschers 1 ' ' ;
- 4 nach 5: im Wesentlichen isobare Wärmeabfuhr bei
vergleichsweise niedriger Temperatur bei konstantem Radius in dem inneren Wärmetauscher 1 ' ' ;
- 5 nach 6: im Wesentlichen isentrope Entspannung aufgrund der Hauptrotation vom Radius des inneren Wärmetauschers bis zum Eintrittsradius des Schaufelrades;
- 6 nach 7: Verdichtung innerhalb des Schaufelrades, wobei die Verluste eine Entropieerhöhung bewirken; und - 7 nach 1: im Wesentlichen isentrope Verdichtung aufgrund der Hauptrotation vom Austritt des Schaufelrades bis zum Radius gemäß Zustand ZI.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weisen die Zuleitungskanäle 31 im Wesentlichen parallel zur Drehachse 22 verlaufende, bis direkt vor eine Eintrittsöffnung 33 des Schaufelrads 30 erstreckte Austrittsabschnitte 34 auf, so dass die Strömungen des Arbeitsmediums in den Zuleitungskanälen 31 getrennt voneinander und im Wesentlichen parallel zur Drehachse 22 in das Schaufelrad 30 geführt werden.
Wie aus Fig. 3 weiters ersichtlich, weisen die
Zuleitungskanäle 31 im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Zuleitungsabschnitte 35 auf, welche zwischen den in das Schaufelrad 30 mündenden Austrittsabschnitten 34 und den inneren Wärmetauschern 1'' angeordnet sind. Die
Ableitungskanäle 32 sind mit den Verdichtungskanälen 25 verbunden, welche das Arbeitsmedium zu den äußeren
Wärmetauschern 1' führen.
Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, weisen die
Zuleitungskanäle 31 an den Austrittsabschnitten 34
bogenförmig gekrümmte Wandungen 36 auf, welche eine Umlenkung des Arbeitsmediums um im Wesentlichen 90° von den radialen Zuleitungsabschnitten 35 in die axialen Austrittsabschnitte 34 bewirken.
Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich, sind die
Austrittsabschnitte 34 der Zuleitungskanäle 31 durch im
Wesentlichen in radialer und axialer Richtung zur Drehachse 22 erstreckte Trennelemente 37 begrenzt, welche in der gezeigten Ausführung durch im Wesentlichen ebene Trennwänden gebildet sind. Die Trennelemente 37 haben eine radiale
Erstreckung und sind sternförmig angeordnet. In der gezeigten Ausführung sind die Austrittsabschnitte 34 daher regelmäßig und in konstanten radialen Abständen um die Drehachse 22 des Rotors 21 angeordnet.
Aus Fig. 4 ist weiters ersichtlich, dass das Schaufelrad 30 eine Vielzahl von bogenförmig gekrümmten Schaufeln 38
aufweist, mit welchen das Arbeitsmedium beim Durchströmen des Schaufelrads 30 in Drehrichtung 39 des Schaufelrads 30 beschleunigt wird. Das Schaufelrad 30 weist auf der der
Drehachse 22 zugewandten Seite einen von Schaufeln 38 freien Radialabschnitt 40 auf, in welchem die Strömungen des
Arbeitsmediums aus den Zuleitungskanälen 31 zusammengeführt und homogenisiert werden. An dem Radialabschnitt 40 ist eine bogenförmig gekrümmte Umlenkwand 41 vorgesehen (vgl. Fig. 3), mit welcher das Arbeitsmedium um im Wesentlichen 90° von der axialen Strömung beim Eintritt in das Schaufelrad 30 in eine radiale Strömung vor den Schaufeln 38 umgelenkt wird.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weisen die Ableitungskanäle 32 in Bezug auf eine Umhüllende des Schaufelrads 30, d.h. in Bezug auf die im Querschnitt kreisförmige Außenfläche des
Schaufelrads 30, zur radialen Richtung geneigt verlaufende Eintrittsabschnitte 42 auf, welche mit im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufenden Ableitungsabschnitten 43 verbunden sind.
Wie aus Fig. 4, 6 schematisch ersichtlich, weist das
Schaufelrad 30 eine Schaufelradwelle 44 auf, welche mit einem Motor (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Motor ist dazu eingerichtet, das Schaufelrad 30 in die Drehrichtung 45 des Rotors 21 zu rotieren. In der gezeigten Ausführung fallen die Drehachse des Schaufelrads 44 und die Drehachse 22 des Rotors 21 zusammen. Bei dem Betrieb als Wärmekraftmaschine ist an das Schaufelrad 30, welches dann als Turbine arbeitet, ein Generator angeschlossen. Die Turbine wandelt bei einer
Durchströmung mit einem entsprechenden Massenstrom einen entstandenen Differenzdruck in Wellenleistung um.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, weist die Vorrichtung 20
dynamische Dichtspalte 46 auf, welche Rückströmungen aufgrund eines erhöhten Drucks am Ausgang des Schaufelrades 30
gegenüber dem Eingang minimieren sollen. In die Dichtspalten 46 greifen Gegenlamellen 47 des Schaufelrades 30 ein, um mehrere möglichst kleine Spalte zu erzeugen. Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführung, bei welcher das einzelne Schaufelrad 30 mehrere, in der gezeigten Ausführung zwei, hintereinander durchströmbare Schaufelradstufen 30 λ, 30 λ λ aufweist. Die Schaufelradstufen 30 λ, 30 λ λ sind über eine Umlenkung 30λ λ λ miteinander verbunden, mit welcher das
Arbeitsmedium von einer Strömung radial nach außen im
Anschluss an die erste Schaufelradstufe 30 λ λ zunächst in eine Strömung radial nach innen und danach in eine Strömung in Richtung der Drehachse 22 bis unmittelbar vor die zweite Schaufelradstufe 30 λ umgelenkt wird. Jede Schaufelradstufe 30 λ, 30 λ λ ist entsprechend der einstufigen Ausführung gemäß Fig. 1 bis 6 aufgebaut. In der gezeigten Ausführung sind die Schaufelradstufen 30 λ, 30 λ λ auf derselben Schaufelradwelle 44 angeordnet, welche mit einem Motor oder mit einem Generator verbunden ist. Die Schaufelradstufen 30 λ, 30 λ λ können
alternativ auf getrennten Schaufelradwellen gelagert sein, wobei jede Schaufelradstufe 30 λ, 30 λ λ mit einem Motor bzw. Generator verbunden ist.

Claims

Patentansprüche :
1. Vorrichtung (20) zum Umwandeln thermischer Energie
niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem drehbar um eine Drehachse (22) gelagerten Rotor (21) für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium, wobei der Rotor (21) eine Verdichtereinheit (23) mit mehreren Verdichtungskanälen (25) , in welchen Strömungen des
Arbeitsmediums zur Druckerhöhung in Bezug auf die Drehachse
(22) im Wesentlichen radial nach außen führbar sind, und eine Entspannungseinheit (24) mit mehreren Entspannungskanälen
(26), in welchen Strömungen des Arbeitsmediums zur
Druckverringerung in Bezug auf die Drehachse (22) im
Wesentlichen radial nach innen führbar sind, aufweist, wobei der Rotor (21) weiters Wärmetauscher (1', 1'') für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem
Wärmeaustauschmedium aufweist, und mit einem relativ zu dem Rotor (21) drehbaren Schaufelrad (30), welches in einem
Wärmepumpenbetriebszustand zur Aufrechterhaltung der
Strömungen des Arbeitsmediums um die Drehachse (22) des Rotors (21) und/oder in einem Generatorbetriebszustand zur Nutzung der Strömungsenergie des Arbeitsmediums vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) zwischen im Wärmepumpenbetriebszustand die Strömung des Arbeitsmediums zuführenden Zuleitungskanälen (31) und
zumindest einem im Wärmepumpenbetriebszustand die Strömung des Arbeitsmediums abführenden Ableitungskanal (32) des Rotors (21) angeordnet ist, wobei die Zuleitungskanäle (31) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (22) verlaufende, bis unmittelbar vor eine Eintrittsöffnung (33) des Schaufelrads
(30) erstreckte Austrittsabschnitte (34) aufweisen, so dass einzelne Strömungen des Arbeitsmediums aus den
Zuleitungskanälen (31) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (22) in das Schaufelrad (30) führbar sind.
2. Vorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungskanäle (31) im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Zuleitungsabschnitte (35) aufweisen, welche zwischen den Austrittsabschnitten (34) und in Bezug auf die Drehachse (22) inneren Wärmetauschern (1'')
angeordnet sind.
3. Vorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ableitungskanal (32) mit den Verdichtungskanälen (25) verbunden ist, welche mit in Bezug auf die Drehachse (22) äußeren Wärmetauschern (1') verbunden sind.
4. Vorrichtung (20) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) in radialer
Richtung näher an der Drehachse (22) als der innere
Wärmetauscher (1'') angeordnet ist, wobei das Schaufelrad
(30) bevorzugt konzentrisch um die Drehachse (22) des Rotors
(11) angeordnet ist.
5. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungskanäle (31) an den
Austrittsabschnitten (34) bogenförmig gekrümmte Wandungen
(36) aufweisen, welche eine Umlenkung des Arbeitsmediums um im Wesentlichen 90° von den Zuleitungsabschnitten (35) in die Austrittsabschnitte (34) bewirken.
6. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsabschnitte (34) der
Zuleitungskanäle (31) zwischen im Wesentlichen in radialer und axialer Richtung zur Drehachse erstreckten Trennelementen
(37) , insbesondere im Wesentlichen ebenen Trennwänden, gebildet sind.
7. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) eine Mehrzahl von insbesondere bogenförmig gekrümmten Schaufeln (38) aufweist.
8. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) auf der der
Drehachse (22) zugewandten Seite einen von Schaufeln (38) freien Radialabschnitt (40) aufweist.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichn dass das Schaufelrad (30) an dem Radialabschnitt (40) eine bogenförmig gekrümmte Umlenkwand (41) aufweist, mit welcher das Arbeitsmedium um im Wesentlichen 90° in radialer Richtung umlenkbar ist.
10. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine
Ableitungskanal (32) einen schräg zur radialen Richtung angeordneten Eintrittsabschnitt (42) aufweist, welcher mit einem im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufenden
Ableitungsabschnitt (43) verbunden ist.
11. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) eine insbesondere parallel zur Drehachse (22) des Rotors (21) rotierbare Schaufelradwelle (44) aufweist, welche mit einem Motor oder mit einem Generator verbunden ist.
12. Vorrichtung (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor zur Rotation des Schaufelrads (30) in
derselben Drehrichtung (39, 45) wie der Rotor (21) mit den Entspannungs- (25) und Verdichtungskanälen (26) für das Arbeitsmedium eingerichtet ist.
13. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein in Bezug auf die Drehachse innerer Wärmetauscher (1'') und zumindest ein in Bezug auf die Drehachse (22) äußerer Wärmetauscher (1') vorgesehen sind, wobei bevorzugt jeweils mehrere innere
Wärmetauscher (1'') und äußere Wärmetauscher (1') vorgesehen sind .
14. Vorrichtung (20) nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die Anzahl der inneren Wärmetauscher (1'') einem Vielfachen der äußeren Wärmetauscher (1') oder umgekehrt entspricht.
15. Vorrichtung (20) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine innere Wärmetauscher (1'') und der zumindest eine äußere Wärmetauscher (1') im Wesentlichen parallel zur Drehachse (22) erstreckt sind, wobei die Verdichtungs- (25) und/oder Entspannungskanäle (26) zwischen dem inneren Wärmetauscher (1'') und dem äußeren Wärmetauscher (1') verlaufen.
16. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) mehrere hintereinander von dem Arbeitsmedium durchströmbare
Schaufelradstufen (30 λ, 30 λ λ) aufweist.
17. Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt, wobei ein Arbeitsmedium in einem um eine Drehachse (22) rotierenden Rotor (21) einen geschlossenen Kreisprozess durchläuft, wobei mehrere
Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckerhöhung in Bezug auf die Drehachse (22) im Wesentlichen radial nach außen geführt werden, wobei die Strömungen des Arbeitsmediums zur
Druckverringerung in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach innen geführt werden, wobei ein Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgenommen wird, wobei das Arbeitsmedium in einem
Wärmepumpenbetriebszustand zur Aufrechterhaltung der
Strömungen des Arbeitsmediums um die Drehachse des Rotors und/oder in einem Generatorbetriebszustand zur Nutzung der Strömungsenergie des Arbeitsmediums durch ein Schaufelrad (30) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Strömungen des Arbeitsmediums in dem
Wärmepumpenbetriebszustand bis unmittelbar vor das
Schaufelrad (30) geführt und im Wesentlichen parallel zur Drehachse (22) in das Schaufelrad (30) eingeleitet werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) in derselben Drehrichtung (39, 45) und mit einer höheren absoluten Drehzahl wie der Rotor (21) mit den Entspannungs- (25) und Verdichtungskanälen (26) rotiert wird .
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