-
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere Rohrbündelwärmetauscher, zur Verwendung bei einem Rotor mit einer Drehachse, aufweisend:
- erste Wärmeaustauschkanäle zur Führung eines ersten Wärmeaustauschmediums, insbesondere einer Flüssigkeit,
- zweite Wärmeaustauschkanäle zur Führung eines zweiten Wärmeaustauschmediums, insbesondere eines Gases, bevorzugt eines Edelgases, wobei die zweiten Wärmeaustauschkanäle, bezogen auf den montierten Gebrauchszustand des Wärmetauschers, zumindest einen näher an der Drehachse gelegenen inneren
Wärmeaustauschkanal und einen weiter von der Drehachse entfernten äußeren Wärmeaustauschkanal aufweisen, - ein in Strömungsrichtung des zweiten Wärmeaustauschmediums gesehen aufgeweitetes, vorzugsweise konisch aufgeweitetes, Aufteilungselement zur Zuführung des zweiten
Wärmeaustauschmediums von einer Eintrittsöffnung des Aufteilungselements in Einströmöffnungen der zweiten Wärmeaustauschkanäle, und - ein in Strömungsrichtung des zweiten Wärmeaustauschmediums gesehen verjüngtes, vorzugsweise im Wesentlichen konisch verjüngtes, Zusammenführungselement zur Ableitung des zweiten Wärmeaustauschmediums von Ausströmöffnungen der zweiten Wärmeaustauschkanäle in eine Austrittsöffnung des Zusammenführungselements.
-
Weiters betrifft die Erfindung einen Rotor, insbesondere eine Rotationswärmepumpe, aufweisend:
- eine Drehachse,
- einen Wärmetauscher.
-
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeaustauschmedium, insbesondere einer Flüssigkeit, und einem zweiten Wärmeaustauschmedium, insbesondere eines Gases, bevorzugt eines Edelgases, im Inneren eines Rotors, mit den Schritten:
- Rotieren des Rotors um eine Drehachse,
- Führung des ersten Wärmeaustauschmediums entlang von ersten Wärmeaustauschkanälen eines Wärmetauschers,
- Führung eines zweiten Wärmeaustauschmediums entlang von zweiten Wärmeaustauschkanälen des Wärmetauschers in unterschiedlichen Abständen zur Drehachse des Rotors.
-
Aus der
WO2015/103656 ist eine Rotationswärmepumpe bekannt, bei welcher die Zentrifugalbeschleunigung des Rotors genutzt wird, um verschiedene Druck- bzw. Temperaturniveaus zu erzeugen. Dem verdichteten Arbeitsmedium wird hierbei Wärme hoher Temperatur entzogen und dem entspannten Arbeitsmedium wird Wärme vergleichsweise niedriger Temperatur zugeführt. Zu diesem Zweck weist die Rotationswärmepumpe innere Wärmetauscher und äußere Wärmetauscher auf, welche im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors angeordnet sind. Die inneren Wärmetauscher sind für einen Wärmeaustausch bei niedrigerer Temperatur und die äußeren Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch bei höherer Temperatur eingerichtet.
-
Darüber hinaus werden bei stationären Anwendungen vielfach Rohrbündelwärmetauscher verwendet, bei welchen das Arbeitsmedium durch ein Bündel von Rohren strömt, das innerhalb eines zylinderförmigen Gehäusemantels angeordnet ist. Das Wärmeaustauschmedium durchströmt den Mantelraum in Schleifen, die durch Leitbleche gebildet sind. Dieser Typ Wärmetauscher verspricht einen besonders guten Wärmeübergang zwischen den beiden Medien. Bei stationären Anwendungen solcher Rohrbündelwärmetauscher wird die eintretende Strömung des Arbeitsmediums symmetrisch zur Hauptströmungsrichtung aufgefächert, um das Arbeitsmedium entsprechend auf die einzelnen Rohre aufzuteilen.
-
Beim Versuch, die bekannten Rohrbündelwärmetauscher bei einem Rotor, insbesondere bei einer Rotationswärmepumpe, zu verwendet, hat sich jedoch gezeigt, dass der Wärmeübergang zwischen den Medien deutlich hinter den Erwartungen zurückbleibt.
-
Somit stellt sich die vorliegende Erfindung der Aufgabe, die Nachteile des Standes der Technik zu lindern bzw. zu beheben. Die Erfindung setzt sich bevorzugt zum Ziel, einen Wärmetauscher zu schaffen, welcher bei einem Einsatz in einem Rotor einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher nach Anspruch 1, einen Rotor nach Anspruch 8 und ein Verfahren nach Anspruch 13 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung zur Vergleichmäßigung der Durchströmung der zweiten Wärmeaustauschkanäle vorgesehen. Diese Einrichtung weist ein Drosselorgan auf, welches dazu ausgebildet ist, eine den inneren der zweiten Wärmeaustauschkanäle passierende innere Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums und eine den äußeren der zweiten Wärmeaustauschkanäle passierende äußere Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums zwischen der Eintrittsöffnung des Aufteilungselements und der Austrittsöffnung des Zusammenführungselements unterschiedlich stark zu drosseln.
-
Für die Zwecke dieser Offenbarung beziehen sich die Orts- und Richtungsangaben auf die bestimmungsgemäße Verwendung des Wärmetauschers als Teil eines Rotors. "Vorne" und "hinten" beziehen sich auf die Strömungsrichtung des zweiten Wärmeaustauschmediums. "Radial" und "axial" beziehen sich auf die Drehachse des Rotors. "Innen" bedeutet näher an der Drehachse des Rotors. "Außen" bedeutet weiter von der Drehachse entfernt. Die Abstände beziehen sich auf die radialen Abstände von der Drehachse.
-
Somit beruht die Erfindung auf der überraschenden Erkenntnis, dass der Wärmetauscher unter der Wirkung der zentrifugalen Beschleunigung durch gleichmäßiges Aufteilen des zweiten Wärmeaustauschmediums nicht effektiv betrieben werden kann. Dieses Problem löst die Erfindung dadurch, dass die unterschiedlichen Druckdifferenzen der in verschiedenen Abständen zur Drehachse strömenden Teilströme des zweiten Wärmeaustauschmediums zwischen der Eintrittsöffnung des Aufteilungselements und der Austrittsöffnung des Zusammenführungselements zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, ausgeglichen werden. Vorteilhafterweise kann so erreicht werden, dass die zweiten Wärmeaustauschkanäle im Wesentlichen gleichmäßig durchströmt werden.
-
Bei umfassenden Strömungsanalysen hat sich gezeigt, dass die Hauptursache für die unterschiedlichen Druckdifferenzen der Teilströme daran liegt, dass die äußere Strömung im Aufteilungselement zuerst nach außen strömt und aufgrund der Zentrifugalkraft verdichtet wird, bevor die äußere Strömung entlang des äußeren der zweiten Wärmeaustauschkanäle Wärme mit dem ersten Wärmeaustauschmedium austauscht und danach im Zusammenführungselement nach innen zur Austrittsöffnung hin strömt und dabei entspannt wird; für die innere Strömung ist die Abfolge umgekehrt, da die innere Strömung im Aufteilungselement zuerst nach innen strömt und aufgrund der Zentrifugalkraft entspannt wird, danach entlang des inneren der zweiten Wärmeaustauschkanäle Wärme mit dem ersten Wärmeaustauschmedium austauscht, bevor die innere Strömung im Zusammenführungselement nach außen zur Austrittsöffnung hin geführt und dabei verdichtet wird.
-
Wenn das zweite Wärmeaustauschmedium in den zweiten Wärmeaustauschkanälen Wärme an das erste Wärmeaustauschmedium abgibt, entsteht die Druckdifferenz dadurch, dass zuerst bei niedriger Dichte vor dem Wärmeaustausch verdichtet wird, nämlich von der gesammelten Zuströmung des zweiten Wärmeaustauschmediums über die Eintrittsöffnung bis zur Einströmöffnung des äußeren Wärmeaustauschkanals, dann eine Wärmeabfuhr im äußeren Wärmeaustauschkanal stattfindet, wodurch die Temperatur des zweiten Wärmeaustauschmediums sinkt und so - bei einem im Wesentlichen isobaren Wärmeaustausch - die Dichte steigt; dann das zweite Wärmeaustauschmedium mit vergleichsweiser hoher Dichte wieder expandiert, nämlich von der Ausströmöffnung des äußeren Wärmeaustauschkanals bis zur Sammlung des zweiten Wärmeaustauschmediums an der Austrittsöffnung. Weil das zweite Wärmeaustauschmedium bei niedriger Dichte verdichtet (geringe Druckdifferenz) und bei hoher Dichte expandiert (höhere Druckdifferenz), bleibt bei Betrachtung dieses Stromfadens eine zusätzliche Druckdifferenz übrig, welche beim Durchströmen des äußeren Wärmeaustauschkanals benötigt wird. Das würde dazu führen, dass das zweite Wärmeaustauschmedium den inneren der zweiten Wärmeaustauschkanäle bevorzugen würde. Bei einer Wärmezufuhr an das zweite Wärmeaustauschmedium durch das erste Wärmeaustauschmedium ist es umgekehrt. Dann würde das zweite Wärmeaustauschmedium den äußeren der zweiten Wärmeaustauschkanäle bevorzugen.
-
Die Erfindung setzt nun daran an, die zusätzliche Druckdifferenz durch das Drosselorgan auszugleichen, welches die äußere und die innere Strömung in einem Abschnitt zwischen der Eintrittsöffnung des Aufteilungselements und der Ausströmöffnung des Zusammenführungselements unterschiedlich stark drosselt, d.h. unterschiedliche Strömungswiderstände verursacht.
-
Findet in den zweiten Wärmeaustauschkanälen eine Wärmeabfuhr vom zweiten Wärmeaustauschmedium an das erste Wärmeaustauschmedium statt, ist das Drosselorgan zur stärkeren Drosselung der inneren Strömung als der äußeren Strömung eingerichtet.
-
Findet in den zweiten Wärmeaustauschkanälen eine Wärmezufuhr vom ersten Wärmeaustauschmedium an das zweite Wärmeaustauschmedium statt, ist das Drosselorgan zur stärkeren Drosselung der äußeren Strömung als der inneren Strömung eingerichtet.
-
Somit ist das Drosselorgan zur asymmetrischen Drosselung der Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums bezüglich der Mittel- bzw. Symmetrieachse des Wärmetauschers eingerichtet. Mit Hilfe des Drosselorgans wird das zweite Wärmeaustauschmedium beim Durchströmen des Wärmetauschers von der Eintritts- bis zur Austrittsöffnung im Wesentlichen denselben Druckdifferenzen unterworfen. Vorteilhafterweise kann so erreicht werden, dass die zweiten Wärmeaustauschkanäle im Wesentlichen gleichmäßig durchströmt werden, so dass das zweite Wärmeaustauschmedium entlang der zweiten Wärmeaustauschkanäle jeweils im Wesentlichen dieselbe mittlere Strömungsgeschwindigkeit bzw. im Wesentlichen den gleichen Volumenstrom aufweist (vorausgesetzt, die zweiten Strömungskanäle haben, wie bevorzugt, den gleichen Durchströmungsquerschnitt).
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmetauscher als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet. Der Rohrbündelwärmetauscher weist ein Rohrbündel mit mehreren Rohren, vorzugsweise jeweils mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, auf, welche die zweiten Wärmeaustauschkanäle einschließen. Die Rohre erstrecken sich vorzugsweise parallel zueinander. Das Rohrbündel kann innerhalb eines vorzugsweise zylindrischen Gehäuses angeordnet sein. Das erste Wärmeaustauschmedium wird durch erste Wärmeaustauschkanäle geführt, welche sich im Inneren des Gehäuses erstrecken. Bevorzugt sind innerhalb des Gehäuses Umlenkelemente für das erste Wärmeaustauschmedium vorgesehen. Die Umlenkelemente sind bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zu den Rohren angeordnet. Bevorzugt lassen die Umlenkelemente im Inneren des Gehäuses Ausnehmungen für das erste Wärmeaustauschmedium frei, wobei die Ausnehmungen bevorzugt abwechselnd an gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind. Dadurch wird das erste Wärmeaustauschmedium schleifenförmig durch den Innenraum des Gehäuses geführt, wobei das erste Wärmeaustauschmedium abschnittsweise quer zu den Rohren mit den zweiten Wärmeaustauschkanälen strömt.
-
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform weist die Drosseleinrichtung eine Drosselblende mit Drosselöffnungen auf, wobei eine weiter von der Drehachse entfernte Drosselöffnung und eine näher an der Drehachse gelegene Drosselöffnung unterschiedlich groß sind. Die Drosselblende kann vor den Einströmöffnungen, insbesondere unmittelbar vor den Einströmöffnungen, oder nach den Ausströmöffnungen, insbesondere unmittelbar nach den Ausströmöffnungen, angeordnet sein. Bei einer Ausführung für eine Wärmeabfuhr vom zweiten Wärmeaustauschmedium ist die weiter von der Drehachse entfernte Drosselöffnung größer als die näher an der Drehachse gelegene Drosselöffnung. Bei einer Ausführung für eine Wärmezufuhr an das zweite Wärmeaustauschmedium ist die weiter von der Drehachse entfernte Drosselöffnung kleiner als die näher an der Drehachse gelegene Drosselöffnung. Der Vorteil dieser Ausführung des Drosselorgans ist die einfache konstruktive Umsetzung. Weiters kann durch einen einfachen Austausch der Drosselblende der Wärmetauscher auf einen bestimmten Betriebspunkt eingestellt werden.
-
Bevorzugt ist die Drosselblende so vor den zweiten Wärmeaustauschkanälen angeordnet, dass das zweite Wärmeaustauschmedium über die Drosselöffnungen jeweils genau einem der zweiten Wärmeaustauschkanäle zugeführt wird.
-
Alternativ kann die Drosselblende so nach den zweiten Wärmeaustauschkanälen angeordnet sein, dass das zweite Wärmeaustauschmedium von jedem der zweiten Wärmeaustauschkanäle durch genau eine Drosselöffnung abgeleitet wird.
-
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungen der Drosselblende anhand einer Ausführung für die Wärmeabfuhr vom zweiten Wärmeaustauschmedium entlang der zweiten Wärmeaustauschkanäle beschrieben. Das Prinzip ist entsprechend auf den Fall der Wärmezufuhr an das zweite Wärmeaustauschmedium übertragbar, wenn eine stärkere Drosselung, hier durch kleinere Drosselöffnungen, mit dem Abstand zur Drehachse nach außen vorgesehen wird.
-
Bevorzugt weist die Drosselblende zumindest eine erste Drosselöffnung in einem ersten Abstand zur Drehachse und zumindest eine zweite Drosselöffnung in einem zweiten Abstand zur Drehachse des Rotors auf, wobei der zweite Abstand größer als der erste Abstand ist und die zweite Drosselöffnung größer als die erste Drosselöffnung ist. Vorzugsweise weist die Drosselblende zumindest eine dritte Drosselöffnung in einem dritten Abstand zur Drehachse, welcher größer als der zweite Abstand ist, auf, wobei die zumindest eine dritte Drosselöffnung größer als die zumindest eine zweite Drosselöffnung ist. Vorzugsweise weist die Drosselblende zumindest eine vierte Drosselöffnung in einem vierten Abstand zur Drehachse, welcher größer als der dritte Abstand ist, auf, wobei die zumindest eine vierte Drosselöffnung größer als die zumindest eine dritte Drosselöffnung ist. Selbstverständlich kann die Drosselblende weitere Drosselöffnungen in weiteren Abständen zur Drehachse des Rotors aufweisen, wobei weiter von der Drehachse entfernte Drosselöffnungen jeweils größer als näher an der Drehachse gelegene Drosselöffnungen sind.
-
Bei einer bevorzugten Ausführung weist der Wärmetauscher mehrere Reihen von zweiten Wärmeaustauschkanälen auf, wobei die zweiten Wärmeaustauschkanäle jeder Reihe jeweils im Wesentlichen denselben Abstand von der Drehachse des Rotors aufweisen. Entsprechend weist die Drosselblende bevorzugt mehrere Reihen jeweils mit mehreren Drosselöffnungen auf, wobei eine weiter von der Drehachse entfernte Reihe und eine näher an der Drehachse gelegene Reihe unterschiedlich große Drosselöffnungen aufweisen. Im Fall der Wärmeabfuhr weist die weiter von der Drehachse entfernte Reihe von Drosselöffnungen größere Drosselöffnungen als die näher an der Drehachse gelegene Reihe von Drosselöffnungen auf.
-
Somit kann eine erste Reihe von ersten Drosselöffnungen, jeweils im Wesentlichen im ersten Abstand zur Drehachse, und eine zweite Reihe von zweiten Drosselöffnungen, jeweils im Wesentlichen im zweiten Abstand zur Drehachse, vorzugsweise zudem eine dritte Reihe von dritten Drosselöffnungen, jeweils im Wesentlichen im dritten Abstand zur Drehachse, vorzugsweise zudem eine vierte Reihe von vierten Drosselöffnungen, jeweils im Wesentlichen im vierten Abstand zur Drehachse, vorzugsweise zudem zumindest eine weitere Reihe von weiteren Drosselöffnungen, jeweils in einem weiteren Abstand zur Drehachse, vorgesehen sein.
-
Um die Zuführung des zweiten Wärmeaustauschmediums in die einzelnen zweiten Wärmeaustauschkanäle zu ermöglichen, ist (in Strömungsrichtung des zweiten Wärmeaustauschmediums gesehen) vor den zweiten Wärmeaustauschkanälen das Aufteilungselement angeordnet, welches in Strömungsrichtung des zweiten Wärmeaustauschmediums gesehen aufgeweitet, d.h. mit zunehmendem Querschnitt ausgebildet, ist. Mit dem Aufteilungselement wird die Aufteilung der Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums am Eintritt des Wärmetauschers in die einzelnen Strömungen innerhalb der zweiten Wärmeaustauschkanäle ermöglicht. Bevorzugt ist das Aufteilungselement konisch aufgeweitet.
-
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist ein Strömungsgitter innerhalb des Aufteilungselements angeordnet, wobei das Strömungsgitter einzelne, sich in Strömungsrichtung aufweitende Aufteilungskanäle aufweist, wobei die Aufteilungskanäle jeweils einen Anfangsabschnitt und einen Endabschnitt aufweisen.
-
Bei einer zweiten Ausführungsform des Drosselorgans weisen der Anfangs- und/oder Endabschnitt eines weiter von der Drehachse entfernten Aufteilungskanals und der Anfangs- und/oder Endabschnitt eines näher an der Drehachse gelegener Aufteilungskanals unterschiedliche Strömungsquerschnitte auf. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass das Strömungsgitter für eine gute Verteilung und Strömungsführung generell sinnvoll ist, um Druckverluste möglichst klein zu halten. Vorteilhafterweise kann nun dieses Strömungsgitter zugleich als Drosselorgan ausgebildet sein, mit dem eine asymmetrische Querschnittsaufweitung erzielt wird, um die unterschiedlichen Druckdifferenzen abhängig vom Abstand von der Drehachse auszugleichen. Der Anfangsabschnitt schließt an den Eintritt des Wärmetauschers an. Der Endabschnitt führt das zweite Wärmeaustauschmedium zur Einströmöffnung des zweiten Wärmeaustauschkanals. Im Fall der Wärmeabfuhr vom zweiten Wärmeaustauschmedium an das erste Wärmeaustauschmedium weist der Anfangs- und/oder Endabschnitt des weiter von der Drehachse entfernten Aufteilungskanals einen größeren Strömungsquerschnitt als der Anfangs- und/oder Endabschnitt des näher an der Drehachse gelegener Aufteilungskanals auf.
-
Bevorzugt weist das Strömungsgitter jeweils genau einen Aufteilungskanal pro zweitem Wärmeaustauschkanal auf, so dass das zweite Wärmeaustauschmedium über jeden Aufteilungskanal genau einem der zweiten Wärmeaustauschkanäle zugeführt wird. Die Aufteilungskanäle sind über einzelne Wandteile voneinander getrennt, wobei bevorzugt stehende und liegende Wandteile vorgesehen sind. Die stehenden Wandteile dienen einerseits dazu, dass eine gleichmäßige Aufteilung in tangentialer Richtung erfolgt (wobei hier das oben beschriebene Problem der unterschiedlichen Drücke nicht auftritt), haben aber auch den Vorteil, dass die liegenden Wandteile, welche für die radiale Aufteilung der Strömung vorgesehen werden, gegen eine Durchbiegung unter der Wirkung der Fliehkraft abgestützt werden.
-
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungen des Strömungsgitters anhand einer Ausführung für die Wärmeabfuhr vom zweiten Wärmeaustauschmedium entlang der zweiten Wärmeaustauschkanäle beschrieben. Das Prinzip ist entsprechend auf den Fall der Wärmezufuhr übertragbar, wenn eine stärkere Drosselung mit dem Abstand zur Drehachse nach außen vorgesehen wird.
-
Bevorzugt weist das Strömungsgitter zumindest einen ersten Aufteilungskanal in einem ersten Abstand zur Drehachse und zumindest einen zweiten Aufteilungskanal in einem zweiten Abstand zur Drehachse des Rotors auf, wobei der zweite Abstand größer als der erste Abstand ist und der Anfangs- und/oder der Endabschnitt des zweiten Aufteilungskanals einen größeren Strömungsquerschnitt als der Anfangs- und/oder Endabschnitt des ersten Aufteilungskanals hat. Vorzugsweise weist das Strömungsgitter zumindest einen dritten Aufteilungskanal in einem dritten Abstand zur Drehachse auf, wobei der dritte Abstand größer als der zweite Abstand ist und der Anfangs- und/oder der Endabschnitt des dritten Aufteilungskanals einen größeren Strömungsquerschnitt als der Anfangs- und/oder Endabschnitt des zweiten Aufteilungskanals hat. Vorzugsweise weist das Strömungsgitter zumindest einen vierten Aufteilungskanal in einem vierten Abstand zur Drehachse auf, wobei der vierte Abstand größer als der dritte Abstand ist und der Anfangs- und/oder der Endabschnitt des vierten Aufteilungskanals einen größeren Strömungsquerschnitt als der Anfangs- und/oder Endabschnitt des dritten Aufteilungskanals hat. Selbstverständlich kann das Strömungsgitter weitere Aufteilungskanäle in weiteren Abständen zur Drehachse aufweisen, wobei der Strömungsquerschnitt des Anfangs- und/oder des Endabschnitts mit dem Abstand von der Drehachse zunimmt.
-
Bevorzugt weist das Strömungsgitter zumindest eine erste Reihe mit mehreren einzelnen, d.h. separaten, ersten Aufteilungskanälen im Wesentlichen im ersten Abstand zur Drehachse und eine zweite Reihe mit mehreren zweiten Aufteilungskanälen im Wesentlichen im zweiten Abstand zur Drehachse, vorzugsweise zudem eine dritte Reihe mit mehreren dritten Aufteilungskanälen im Wesentlichen im dritten Abstand zur Drehachse, vorzugsweise zudem eine vierte Reihe mit mehreren vierten Aufteilungskanälen im Wesentlichen im vierten Abstand zur Drehachse, vorzugsweise zudem weitere Reihen jeweils mit mehreren weiteren Aufteilungskanälen auf.
-
Bei einer ersten Variante weist der Anfangsabschnitt des weiter von der Drehachse entfernten Aufteilungskanals einen größeren Strömungsquerschnitt als der Anfangsabschnitt des näher an der Drehachse gelegener Aufteilungskanals auf, wobei der Endabschnitt des weiter von der Drehachse entfernten Aufteilungskanals im Wesentlichen denselben Strömungsquerschnitt wie der Endabschnitt des näher an der Drehachse gelegener Aufteilungskanals aufweist. Diese Ausführung ist insbesondere aus konstruktiven Gründen vorteilhaft, wenn die zweiten Wärmeaustauschkanäle dieselben Strömungsquerschnitte haben. Somit kann das zweite Wärmeaustauschmedium bei dieser Variante asymmetrisch in das Strömungsgitter einströmen, wobei der Strömungsquerschnitt bei der Einströmung mit dem Abstand zur Drehachse zunimmt. Die Ausströmung aus dem Strömungsgitter kann hingegen symmetrisch, d.h. mit im Wesentlichen demselben Strömungsquerschnitt, erfolgen.
-
Bei einer zweiten Variante weist der Endabschnitt des weiter von der Drehachse entfernten Aufteilungskanals einen größeren Strömungsquerschnitt als der Endabschnitt des näher an der Drehachse gelegener Aufteilungskanals auf, wobei der Anfangsabschnitt des weiter von der Drehachse entfernten Aufteilungskanals im Wesentlichen denselben Strömungsquerschnitt wie der Anfangsabschnitt des näher an der Drehachse gelegener Aufteilungskanals aufweist. Diese Ausführung ist konstruktiv besonders einfach. Somit kann bei dieser Variante die Einströmung in das Strömungsgitter symmetrisch, aber die Ausströmung aus dem Strömungsgitter asymmetrisch sein.
-
Bei einer dritten Variante weisen der Anfangsabschnitt und der Endabschnitt des weiter von der Drehachse entfernten Aufteilungskanals jeweils einen größeren Strömungsquerschnitt als der Anfangsabschnitt und der Endabschnitt des näher an der Drehachse gelegener Aufteilungskanals auf. Somit kann bei dieser Variante sowohl die Einströmung in das Strömungsgitter als auch die Ausströmung aus dem Strömungsgitter asymmetrisch erfolgen, d.h. mit größerem Strömungsquerschnitt bei zunehmendem Abstand von der Drehachse.
-
Die asymmetrische Aufteilung des zweiten Wärmeaustauschmediums mittels des Strömungsgitters hat zur Folge, dass eine achsnahe Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums vom Eintritt in den Wärmetauscher bis zum Austritt aus dem Wärmetauscher abschnittsweise einen kleineren Strömungsquerschnitt als eine achsferne Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums durchströmt, wodurch die achsnahe Strömung einem höheren Druckverlust ausgesetzt wird als die achsferne Strömung. Damit wird die Druckdifferenz zwischen dem achsnahen und dem achsfernen zweiten Wärmeaustauschkanal zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, ausgeglichen.
-
Darüber hinaus kann ein Strömungsgitter innerhalb des Zusammenführungselements angeordnet sein, wobei das Strömungsgitter innerhalb des Zusammenführungselements einzelne, sich in Strömungsrichtung verjüngende Zusammenführungskanäle aufweist, wobei die Zusammenführungskanäle jeweils einen Anfangsabschnitt (auf Seite der Ausströmöffnungen der zweiten Wärmeaustauschkanäle) und einen Endabschnitt (auf der von den Ausströmöffnungen abgewandten Seite) aufweisen. Zur Ausbildung des Drosselorgans weisen der Anfangs- und/oder Endabschnitt eines weiter von der Drehachse entfernten Zusammenführungskanals und der Anfangs- und/oder Endabschnitt eines näher an der Drehachse gelegener Zusammenführungskanals unterschiedliche Strömungsquerschnitte auf.
-
Bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform weist die Einrichtung zur Vergleichmäßigung der Durchströmung der zweiten Wärmeaustauschkanäle Turbulatoren, insbesondere Spiral-Turbulatoren, innerhalb der zweiten Wärmeaustauschkanäle auf, wobei ein weiter von der Drehachse entfernter Turbulator ein näher an der Drehachse gelegener Turbulator unterschiedliche Druckverluste bewirken. Für den Fall der Wärmeabfuhr vom zweiten Wärmeaustauschmedium entlang der zweiten Wärmeaustauschkanäle bewirkt der weiter von der Drehachse entfernte Turbulator einen geringeren Druckverlust als der näher an der Drehachse gelegene Turbulator
-
Zu diesem Zweck können der weiter von der Drehachse entfernte Turbulator und der näher an der Drehachse gelegene Turbulator unterschiedliche Spirallängen aufweisen. Für den Fall der Wärmeabfuhr vom zweiten Wärmeaustauschmedium entlang der zweiten Wärmeaustauschkanäle kann der weiter von der Drehachse entfernte Turbulator eine größere Steigung als der näher an der Drehachse gelegene Turbulator aufweisen.
-
Der Vorteil der Turbulatoren gegenüber den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Drosseleinrichtung liegt darin, dass nicht nur der Druckverlust in den zweiten Wärmeaustauschkanälen mit unterschiedlichen Abständen zur Rotationsachse unterschiedlich eingestellt werden kann, um eine gleichmäßige Durchströmung der zweiten Strömungskanäle zu erreichen, sondern zudem der Wärmeübergang durch eine erhöhte Turbulenz bei der Wärmeübertragung erhöht wird.
-
Bei einer vierten Ausführungsform weisen der äußere und der innere der zweiten Wärmeaustauschkanäle zur Ausbildung des Drosselorgans unterschiedliche Strömungsquerschnitte, im Fall von Rohren mit kreisförmigen Querschnitten unterschiedliche Durchmesser, auf.
-
Bei einer bevorzugten Anwendung ist ein Rotor, insbesondere eine Rotationswärmepumpe, mit dem Wärmetauscher in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen.
-
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist eine Mittel- bzw. Symmetrieachse des Wärmetauschers in einem radialen Abstand zur Drehachse, d.h. mit einem Achsversatz, angeordnet.
-
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist die Mittelachse des Wärmetauschers im Wesentlichen in einer Linie mit der Drehachse angeordnet. Auch in diesem Fall haben die zweiten Wärmeaustauschkanäle unterschiedliche Abstände zur Drehachse.
-
Bei dem Rotor erstrecken sich die zweiten Wärmeaustauschkanäle bevorzugt im Wesentlichen parallel und in unterschiedlichen Radialabständen zur Drehachse. Die ersten Wärmeaustauschkanäle können sich, wie bei Rohrbündelwärmetauschern üblich, abschnittsweise im Wesentlichen senkrecht zu den zweiten Wärmeaustauschkanälen erstrecken.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor eine Verdichtereinheit, in welcher das zweite Wärmeaustauschmedium zur Druckerhöhung aufgrund der Zentrifugalkraft von der Drehachse weggeführt wird, und eine Entspannungseinheit, in welcher das zweite Wärmeaustauschmedium zur Druckverringerung aufgrund der Zentrifugalkraft zur Drehachse hin geführt wird, auf.
-
Bei dieser Ausführung des Rotors ist bevorzugt zumindest ein in Bezug auf die Drehachse innerer Wärmetauscher und zumindest ein in Bezug auf die Drehachse äußeren Wärmetauscher vorgesehen. Je nach Ausführung kann der äußere Wärmetauscher und/oder der innere Wärmetauscher nach einer der obigen Ausführungsformen des Wärmetauschers ausgebildet sein.
-
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeaustauschmedium, insbesondere einer Flüssigkeit, und einem zweiten Wärmeaustauschmedium, insbesondere eines Gases, bevorzugt eines Edelgases, im Inneren eines Rotors, mit den Schritten:
- Rotieren des Rotors um eine Drehachse,
- Führung des ersten Wärmeaustauschmediums entlang von ersten Wärmeaustauschkanälen eines Wärmetauschers,
- Führung des zweiten Wärmeaustauschmediums entlang von zweiten Wärmeaustauschkanälen des Wärmetauschers in unterschiedlichen Abständen zur Drehachse des Rotors,
- Vergleichmäßigung der Durchströmung der zweiten Wärmeaustauschkanäle durch unterschiedliche Drosselung einer inneren Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums näher an der Drehachse und einer äußeren Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums weiter von der Drehachse entfernt.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Wärmeabfuhr vom zweiten auf das erste Wärmeaustauschmedium entlang der zweiten Wärmeaustauschkanäle durchgeführt, wobei die innere Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums stärker als die äußere Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums gedrosselt wird.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert, welche in den Zeichnungen dargestellt sind.
-
Fig. 1 zeigt einen Rotor 1, welcher in der gezeigten Ausführung als Vorrichtung zum Umwandeln von mechanischer Energie in Wärmeenergie (und umgekehrt) ausgeführt ist. Diese Vorrichtung wird insbesondere als Rotationswärmepumpe betrieben. Der Rotor 1 weist eine, im Betrieb beispielsweise horizontale, Drehachse 2 auf, um welche der Rotor 1 mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Motors rotiert wird. Der Rotor 1 weist eine Verdichtereinheit 3auf, in welcher ein Arbeitsmedium zur Druckerhöhung aufgrund der Zentrifugalkraft von der Drehachse 2 weggeführt wird. Zudem weist der Rotor 1 eine Entspannungseinheit 4 auf, in welcher das Arbeitsmedium zur Druckverringerung zur Drehachse 2 hin geführt wird. Das Arbeitsmedium wird bevorzugt in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb des Rotors 1 geführt. Darüber hinaus weist der Rotor 1 mehrere innere Wärmetauscher 5 (Niederdruckwärmetauscher) und mehrere äußere Wärmetauscher 6 (Hochdruckwärmetauscher) auf. In den inneren 5 und äußeren Wärmetauschern 6 wird ein Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeaustauschmedium und einem zweiten Wärmeaustauschmedium, nämlich dem Arbeitsmedium, durchgeführt. Eine solche Vorrichtung - jedoch mit andersartigen Wärmetauschern - ist beispielsweise in der
WO2015/103656 gezeigt.
-
Fig. 2A zeigt einen Wärmetauscher 7, auch als Wärmeübertrager bezeichnet, in einer Ausführung, welche bei dem inneren 5 und/oder dem äußeren Wärmetauscher 6 verwirklicht sein kann. Im Folgenden wird der Wärmetauscher 7 beispielhaft für eine Verwendung als äußerer Wärmetauscher 6, d.h. als Hochdruckwärmetauscher, beschrieben Der Wärmetauscher 7 weist ein Eintrittselement 8, über welches das zweite Wärmeaustauschmedium, d.h. das Arbeitsmedium, dem Wärmetauscher 7 zugeführt wird, und ein Austrittselement 9, über welches das zweite Wärmeaustauschmedium den Wärmetauscher 7 verlässt, auf.
-
In der gezeigten Ausführung ist der Wärmetauscher 7 als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet. Der Rohrbündelwärmetauscher weist ein zylindrisches Gehäuse 10 auf, in welchem ein Rohrbündel angeordnet ist. Das Rohrbündel weist langgestreckte, parallel und in Abständen in radialer Richtung und in Umfangsrichtung zueinander angeordnete Rohre 11 auf. Im Inneren schließen die Rohre 11 zweite Wärmeaustauschkanäle 12 für das zweite Wärmeaustauschmedium ein. Die Rohre 11 sind an gegenüberliegenden Enden jeweils in einem Rohrboden in Form einer Bodenplatte 11A gehalten (vgl. Fig. 2B). Das erste Wärmeaustauschmedium wird über eine Zuführung 13 ins Innere des Gehäuses 10 geführt und nach dem Wärmeaustausch mit dem zweiten Wärmeaustauschmedium über eine Ableitung 14 aus dem Gehäuse 10 abgeleitet. Im Inneren des Gehäuses 10 strömt das erste Wärmeaustauschmedium in ersten Wärmeaustauschkanälen 15, welche mit Hilfe von Umlenkelementen 16 so ausgebildet sind, dass das erste Wärmeaustauschmedium abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen quer zu den Rohren 11, d.h. in der gezeigten Lage abwechselnd nach unten und nach oben, strömt. Dazwischen wird das erste Wärmeaustauschmedium mittels der Umlenkelemente 16 in den nächsten Kanal umgelenkt.
-
Wie aus Fig. 2A weiters ersichtlich, weist der Wärmetauscher 7 zwischen dem Eintrittselement 8 und der Eintrittsseite des Gehäuses 10 ein Aufteilungselement 17 mit einer Eintrittsöffnung 17A auf, welches in Strömungsrichtung des zweiten Wärmeaustauschmediums gesehen aufgeweitet ist. Zudem weist der Wärmetauscher 7 zwischen dem Austrittselement 9 und der Austrittsseite des Gehäuses 10 ein Zusammenführungselement 18 mit einer Austrittsöffnung 18A zur Zusammenführung der einzelnen Strömungen des zweiten Wärmeaustauschmediums nach dem Durchströmen der zweiten Wärmeaustauschkanäle 12 auf. Das Zusammenführungselement 18 verjüngt sich in Strömungsrichtung des zweiten Wärmeaustauschmediums.
-
Fig. 2B zeigt vereinfacht den Wärmetauscher 7, wobei mit Pfeilen die Zuströmung und Aufteilung des Gases auf die einzelnen zweiten Wärmeaustauschkanäle 12 innerhalb des Gehäuses 10 veranschaulicht ist.
-
Die Ausführung des Wärmetauschers 7 als Rohrbündelwärmetauscher ist für die Anwendung bei dem Rotor 1 grundsätzlich sehr vorteilhaft. Wesentlich ist jedoch, dass die zweiten Wärmeaustauschkanäle 12 gleichmäßig durchströmt werden, um die Wärmeübertragungsfläche effektiv zu nutzen.
-
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wäre es naheliegend, die in den Wärmetauscher 7 eintretende Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums, vgl. Pfeil 20, durch eine Auffächerung gleichmäßig auf die diskreten zweiten Strömungskanäle 12, d.h. die Rohrbündelrohre, aufzuteilen. Zu diesem Zweck kann innerhalb des Aufteilungselements 17 ein Strömungsgitter 21 angeordnet sein, welches einzelne Aufteilungskanäle 22 aufweist, die sich entlang des Strömungsgitters 21 stetig aufweiten. Die Aufteilungskanäle 22 sind gemäß Fig. 3 ident ausgebildet, um eine gleichmäßige Aufteilung zu erzielen.
-
Überraschend hat sich jedoch gezeigt, dass im rotierenden Zustand des Rotors 1 unter hoher zentrifugaler Beschleunigung eine Reihe von Phänomenen auftreten, welche eine gleichmäßige Durchströmung durch einfaches Auffächern der eintretenden Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums verhindern. Als Grund wurde erkannt, dass unterschiedliche Dichten beim Ein- und Austritt des zweiten Wärmeaustauschmediums, hier des Gases, in den unterschiedlichen radialen Abständen zur Rotationsmitte der diskreten zweiten Strömungskanäle 12 auftreten.
-
Wie aus Fig. 4 anhand einer schematischen Darstellung des Wärmetauschers 7 bei einer Verwendung als äußerer (Hochdruck- )Wärmetauscher 6 ersichtlich, soll im Betrieb Wärme vom zweiten Wärmeaustauschmedium, im Folgenden auch kurz als Gas bezeichnet, auf das erste Wärmeaustauschmedium, im Folgenden auch kurz als Flüssigkeit bzw. Wasser bezeichnet, übertragen werden. Auf der rechten Seite findet die Einströmung mit relativ hoher Temperatur und auf der linken Seite die Ausströmung bei relativ niedriger Temperatur nach der Wärmeübertragung statt. Dadurch ergibt sich auf der Ausströmseite eine höhere Dichte als auf der Einströmseite.
-
Zur Illustration des technischen Effekts werden für eine Modellrechnung folgende Annahmen und Vereinfachungen getroffen:
- Mittlerer Radius zur Rotationsachse: 900 mm
- Radiale Erstreckung des Wärmetauschers 7 (vom innersten der zweiten Wärmeaustauschkanäle 12 zum äußersten der Wärmeaustauschkanäle 12): 100mm
- Mittlerer Druck im Wärmetauscher: 120bar
- Mittlere Temperatur: 400K
- Gas: Krypton
-
Wenn die Strömung des als ideal, d.h. ohne Berücksichtigung von Realgaseigenschaften, angenommenen Gases nur unter der Erdbeschleunigung stattfindet, und der Wärmetauscher so ausgerichtet ist, dass die Erdbeschleunigung dieselbe Richtung wie die Zentrifugalbeschleunigung aufweist, dann beträgt die Druckdifferenz zwischen dem äußerstem Strömungskanal und dem innersten Strömungskanal 0,14 mbar und wird aufgrund des minimalen Effektes nicht berücksichtigt.
-
Fig. 5 zeigt eine überschlagsmäßig berechnete Druckdifferenz zwischen den Strömungskanälen ("außen" - Pfeil 23 in Fig. 4; "innen" - Pfeil 24 in Fig. 4) in Umdrehungen pro Minute (U/min), wobei der Effekt der Rotation auf den Wärmetauscher 7 verdeutlicht wird. Der radiale Abstand des äußersten Kanals von der Drehachse 2 ist mit Pfeil 25, der radiale Abstand des innersten Kanals von der Drehachse 2 ist mit Pfeil 26 veranschaulicht. Die Hauptströmungsrichtung des Gases ist mit Pfeil 27 eingezeichnet. Bei einer Drehzahl des Rotors 1 von 1800 U/min beträgt dieser Unterschied 0,46 bar und ist daher um einen Faktor von etwa 3300 größer (entsprechend dem Verhältnis aus den Beschleunigungen) als unter Erdbeschleunigung. Das führt dazu, dass das Gas ohne andere Maßnahmen die inneren Kanäle bevorzugt, da das Gas in den inneren Bereichen eine Druckerhöhung erfährt, wobei das Gas durch den äußersten Kanal eine Druckminderung erfährt. Zudem kann es zu Rückströmungen kommen, so dass das Gas innen von rechts nach links und außen von links nach rechts strömt. Dies hat zur Folge, dass mehr Strömungsenergie benötigt wird und eine geringere effektive Wärmetauscherfläche zur Verfügung steht, da großteils nur der innere Bereich des Wärmetauschers genutzt wird.
-
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform des Wärmetauschers 7 für den Fall des äußeren Wärmetauschers 6, wobei im Folgenden nur die Unterschiede zu den vorangehenden Ausführungen beschrieben werden.
-
Bei dieser Ausführungsform ist eine Einrichtung 30 zur Vergleichmäßigung der Durchströmung der zweiten Wärmeaustauschkanäle 12 vorgesehen, mit welcher unterschiedliche Druckdifferenzen des zweiten Wärmeaustauschmediums ausgeglichen werden, welche durch die unterschiedlichen radialen Abstände der zweiten Wärmeaustauschkanäle 12 zur Drehachse 2 des Rotors 2 bedingt sind.
-
Als Einrichtung 30 zur Vergleichmäßigung der Durchströmung der zweiten Wärmeaustauschkanäle 12 ist in den gezeigten Ausführung eine Drosseleinrichtung zur unterschiedlichen Drosselung der diskreten zweiten Wärmeaustauschkanäle 12 vorgesehen. Dabei wird eine näher an der Drehachse 2 gelegene, d.h. einen geringeren radialen Abstand aufweisende, Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums stärker als eine weiter von der Drehachse 2 entfernte, d.h. einen größeren radialen Abstand aufweisende, Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums gedrosselt.
-
In der Ausführung gemäß Fig. 6 und Fig. 7 weist die Drosseleinrichtung eine scheibenförmige, in Strömungsrichtung des zweiten Wärmeaustauschmediums gesehen kreisförmige Drosselblende 31 mit einer Vielzahl von kreisförmigen Drosselöffnungen 32 auf, welche unmittelbar vor den Einströmöffnungen 29 der zweiten Wärmeaustauschkanäle 12 angeordnet sind. Die Drosselöffnungen 32 sind in Reihen angeordnet, wobei die Durchmesser der Drosselöffnungen 32 von Reihe zu Reihe nach außen, d.h. weg von der Drehachse 2, zunehmen. Innerhalb einer Reihe haben die Drosselöffnungen 32 denselben Durchmesser.
-
In der Ausführung gemäß Fig. 8 ist als Einrichtung 30 zur Vergleichmäßigung der Durchströmung der zweiten Wärmeaustauschkanäle ein (bezogen auf die Mittelachse 36 des Wärmetauschers 7) asymmetrisch ausgebildetes Strömungsgitter 21 vorgesehen. Die Aufteilungskanäle 22 des Strömungsgitters 21 haben jeweils einen Anfangsabschnitt 22A und einen Endabschnitt 22B. In der gezeigten Ausführung nimmt der Strömungsquerschnitt der Anfangsabschnitte 22A mit dem Abstand von der Drehachse 2 zu. Die Endabschnitte 22B haben hingegen dieselben Strömungsquerschnitte. Zwischen den Anfangsabschnitten 22A und den Endabschnitten 22B erstrecken sich mittlere Abschnitte 22C, welche einen kontinuierlichen Übergang von den Anfangsabschnitten 22A zu den Endabschnitten 22B bewerkstelligen.
-
In der Ausführung gemäß Fig. 9 sind Spiral-Turbulatoren 33 in die zweiten Wärmeaustauschkanäle 12 eingesetzt. Zur Ausbildung der Einrichtung 30 sind verschiedene Spiral-Turbulatoren 33 vorgesehen, welche umso geringere Druckverluste des zweiten Wärmeaustauschmediums bewirken, je weiter die Spiral-Turbulatoren 33 von der Drehachse 2 entfernt sind. Zu diesem Zweck kann ein weiter von der Drehachse 2 entfernter Spiral-Turbulator 33 eine größere Spirallänge, vgl. Pfeil 34, als ein näher an der Drehachse 2 gelegener Turbulator 33, vgl. Pfeil 35, aufweisen.
Bezugsziffernliste:
-
- 1
- Rotor
- 2
- Drehachse
- 3
- Verdichtereinheit
- 4
- Entspannungseinheit
- 5
- innere Wärmetauscher
- 6
- äußere Wärmetauscher
- 7
- Wärmetauscher
- 8
- Eintrittselement
- 9
- Austrittselement
- 10
- Gehäuse
- 11
- Rohre
- 11A
- Rohrboden
- 12
- zweite Wärmeaustauschkanäle
- 13
- Zuführung
- 14
- Ableitung
- 15
- erste Wärmeaustauschkanäle
- 16
- Umlenkelemente
- 17
- Aufteilungselement
- 17A
- Eintrittsöffnung
- 18A
- Austrittsöffnung
- 18
- Zusammenführungselement
- 20
- Pfeil
- 21
- Strömungsgitter
- 22
- Aufteilungskanäle
- 22A
- Anfangsabschnitt
- 22B
- mittlerer Abschnitt
- 22C
- Endabschnitt
- 23
- Pfeil
- 24
- Pfeil
- 25
- Pfeil
- 26
- Pfeil
- 27
- Pfeil
- 28
- Ausströmöffnungen
- 29
- Einströmöffnungen
- 30
- Einrichtung zur Vergleichmäßigung der Strömung
- 31
- Drosselblende
- 32
- Drosselöffnungen
- 33
- Turbulatoren
- 34
- Pfeil
- 35
- Pfeil
- 36
- Mittelachse
