EP3137821B1

EP3137821B1 - Vorrichtung und verfahren zum umwandeln thermischer energie

Info

Publication number: EP3137821B1
Application number: EP15724506.9A
Authority: EP
Inventors: Bernhard Adler
Original assignee: Ecop Technologies GmbH
Current assignee: Ecop Technologies GmbH
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2035-04-22
Also published as: AT515217A4; EP3137821A1; JP2017514098A; CN106415154A; US20170045270A1; PL3137821T3; JP6496010B2; WO2015161330A1; HUE038862T2; AT515217B1; ES2684621T3; US10247450B2; CN106415154B; DK3137821T3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14.
EP 2567158 A1 offenbart eine Vorrichtung gemäß dem Oberanspruch von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberanspruch von Anspruch 12. Dieses Dokument beschreibt eine Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt, mit einem drehbar gelagerten Rotor, in dem ein Strömungskanal für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium vorgesehen ist. Der Strömungskanal weist einen Verdichtungskanal, in dem ein Arbeitsmedium zur Druckerhöhung führbar ist, und einen Entspannungskanal, in dem ein Arbeitsmedium zur Druckverringerung führbar ist, auf. Für den Austausch von Wärme zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmetauschermedium sind Wärmetauscher vorgesehen, wobei diese benachbart und im Wesentlichen parallel zu dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal verlaufen.
Die EP 0119777 A2 offenbart eine Kompressionswärmepumpe, bestehend aus einem Verdampfer, einem Kompressor und einem Kondensator, wobei zumindest der Verdampfer oder der Kondensator rotierende Platten aufweist, über welche ein Wärmeaustausch stattfindet. Dabei wird ein Fluid durch die Zentrifugalkraft entlang der Platten radial nach außen beschleunigt.
In der WO 2009/015402 A1 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.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 14 gelöst.
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 jene 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 Verdichtungs- und 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 Verdichtungs- bzw. 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 jedoch
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'' 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 Z1 bis Z7 bezeichnet sind. In Fig. 2 sind entsprechend die Positionen innerhalb der Vorrichtung 20 markiert, an welchen das Arbeitsmedium die Zustände Z1 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 Z1 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 Z1.

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', 30" aufweist. Die Schaufelradstufen 30' 30" sind über eine Umlenkung 30"' miteinander verbunden, mit welcher das Arbeitsmedium von einer Strömung radial nach außen im Anschluss an die erste Schaufelradstufe 30" zunächst in eine Strömung radial nach innen und danach in eine Strömung in Richtung der Drehachse 22 bis unmittelbar vor die zweite Schaufelradstufe 30' umgelenkt wird. Jede Schaufelradstufe 30', 30'' ist entsprechend der einstufigen Ausführung gemäß Fig. 1 bis 6 aufgebaut. In der gezeigten Ausführung sind die Schaufelradstufen 30', 30'' auf derselben Schaufelradwelle 44 angeordnet, welche mit einem Motor oder mit einem Generator verbunden ist. Die Schaufelradstufen 30', 30'' können alternativ auf getrennten Schaufelradwellen gelagert sein, wobei jede Schaufelradstufe 30', 30'' mit einem Motor bzw. Generator verbunden ist.

Claims

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, 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, dadurch gekennzeichnet, dass 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) eine Mehrzahl von insbesondere bogenförmig gekrümmten Schaufeln (38) aufweist.
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, wobei bevorzugt 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.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 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.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 8, 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.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, 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, wobei die Anzahl der inneren Wärmetauscher (1'') bevorzugt einem Vielfachen der äußeren Wärmetauscher (1') oder umgekehrt entspricht, wobei der zumindest eine innere Wärmetauscher (1'') und der zumindest eine äußere Wärmetauscher (1') vorzugsweise 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.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) mehrere hintereinander von dem Arbeitsmedium durchströmbare Schaufelradstufen (30', 30") aufweist.
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.
Verfahren nach Anspruch 14, 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.