EP4202342A1 - Heat exchanger, in particular tube bundle heat exchanger, for arrangement in a rotor with an axis of rotation - Google Patents
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- EP4202342A1 EP4202342A1 EP21216865.2A EP21216865A EP4202342A1 EP 4202342 A1 EP4202342 A1 EP 4202342A1 EP 21216865 A EP21216865 A EP 21216865A EP 4202342 A1 EP4202342 A1 EP 4202342A1
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- F28D7/1607—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with particular pattern of flow of the heat exchange media, e.g. change of flow direction
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Abstract
Wärmetauscher (7), insbesondere Rohrbündelwärmetauscher, zur Anordnung in einem Rotor (1) mit einer Drehachse (2), aufweisend:erste Wärmeaustauschkanäle (15) zur Führung eines ersten Wärmeaustauschmediums, insbesondere einer Flüssigkeit,zweite Wärmeaustauschkanäle (12) zur Führung eines zweiten Wärmeaustauschmediums, insbesondere eines Gases, bevorzugt eines Edelgases, wobei die zweiten Wärmeaustauschkanäle (12), bezogen auf den montierten Gebrauchszustand, zumindest einen näher an der Drehachse (2) gelegenen inneren Wärmeaustauschkanal und einen weiter von der Drehachse (2) entfernten äußeren Wärmeaustauschkanalaufweisen,ein in Strömungsrichtung des zweiten Wärmeaustauschmediums gesehen aufgeweitetes, vorzugsweise konisch aufgeweitetes, Aufteilungselement (17) zur Zuführung des zweiten Wärmeaustauschmediums von einer Eintrittsöffnung (17A) des Aufteilungselements (17) in Einströmöffnungen (29) der zweiten Wärmeaustauschkanäle (12),ein in Strömungsrichtung des zweiten Wärmeaustauschmediums gesehen verjüngtes, vorzugsweise im Wesentlichen konisch verjüngtes, Zusammenführungselement (18) zur Ableitung des zweiten Wärmeaustauschmediums von Ausströmöffnungen (28) der zweiten Wärmeaustauschkanäle (12) in eine Austrittsöffnung (18A) des Zusammenführungselements (18), undeine Einrichtung (30) zur Vergleichmäßigung der Durchströmung der zweiten Wärmeaustauschkanäle (12), welche ein Drosselorgan zur unterschiedlichen Drosselung einer den inneren Wärmeaustauschkanal passierenden inneren Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums und einer den äußeren Wärmeaustauschkanal passierenden äußeren Strömung des zweiten Wärmeaustauschmediums zwischen der Eintrittsöffnung (17A) des Aufteilungselements (17) und der Austrittsöffnung (18A) des Zusammenführungselements (18) aufweist.Heat exchanger (7), in particular tube bundle heat exchanger, for arrangement in a rotor (1) with an axis of rotation (2), having: first heat exchange channels (15) for conducting a first heat exchange medium, in particular a liquid, second heat exchange ducts (12) for conducting a second heat exchange medium , in particular a gas, preferably an inert gas, wherein the second heat exchange channels (12), based on the assembled state of use, have at least one inner heat exchange channel located closer to the axis of rotation (2) and an outer heat exchange channel further away from the axis of rotation (2), an in Splitting element (17) widened, preferably conically widened, seen in the direction of flow of the second heat exchange medium, for supplying the second heat exchange medium from an inlet opening (17A) of the splitting element (17) into inflow openings (29) of the second heat exchange channels (12), seen in the direction of flow of the second heat exchange medium tapered, preferably substantially conically tapered, merging element (18) for discharging the second heat exchange medium from outflow openings (28) of the second heat exchange channels (12) into an outlet opening (18A) of the merging element (18), and a device (30) for equalizing the flow through the second heat exchange channels (12) which have a throttling element for differentially throttling an inner flow of the second heat exchange medium passing through the inner heat exchange channel and an outer flow of the second heat exchange medium through the outer heat exchange channel between the inlet opening (17A) of the dividing element (17) and the outlet opening (18A) of the combining element (18).
Description
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.
- first heat exchange channels for conducting a first heat exchange medium, in particular a liquid,
- second heat exchange channels for conducting a second heat exchange medium, in particular a gas, preferably an inert gas, the second heat exchange channels, based on the assembled state of use of the heat exchanger, at least one inner one located closer to the axis of rotation
have a heat exchange channel and an outer heat exchange channel further away from the axis of rotation, - a dividing element which is widened, preferably conically widened, as seen in the direction of flow of the second heat exchange medium, for supplying the second
Heat exchange medium from an inlet opening of the dividing element into inflow openings of the second heat exchange channels, and - a merging element that is tapered, preferably substantially conically tapered, as seen in the direction of flow of the second heat exchange medium, for discharging the second heat exchange medium from outflow openings of the second heat exchange channels into an outlet opening of the merging element.
Weiters betrifft die Erfindung einen Rotor, insbesondere eine Rotationswärmepumpe, aufweisend:
- eine Drehachse,
- einen Wärmetauscher.
- an axis of rotation,
- a heat exchanger.
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.
- rotating the rotor around an axis of rotation,
- Guiding the first heat exchange medium along first heat exchange channels of a heat exchanger,
- Guide a second heat exchange medium along second heat exchange channels of the heat exchanger in different distances to the axis of rotation of the rotor.
Aus der
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.In addition, tube bundle heat exchangers are often used in stationary applications, in which the working medium flows through a bundle of tubes that is arranged inside a cylindrical housing shell. The heat exchange medium flows through the jacket space in loops that are formed by baffles. This type of heat exchanger promises particularly good heat transfer between the two media. In the case of stationary applications of such shell-and-tube heat exchangers, the incoming flow of the working medium is fanned out symmetrically to the main flow direction in order to divide the working medium accordingly among the individual tubes.
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.However, when attempting to use the known tube bundle heat exchangers with a rotor, in particular with a rotary heat pump, it has been shown that the heat transfer between the media falls well short of expectations.
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.The object of the present invention is therefore to alleviate or eliminate the disadvantages of the prior art. The aim of the invention is preferably to create a heat exchanger which, when used in a rotor, has a high level of efficiency.
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.This object is achieved by a heat exchanger according to
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.According to the invention, a device for equalizing the flow through the second heat exchange channels is provided. This device has a throttle element which is designed to direct an inner flow of the second heat exchange medium passing through the inner of the second heat exchange channels and an outer flow of the second heat exchange medium through the outer of the second heat exchange channels between the inlet opening of the dividing element and the outlet opening of the combining element throttle.
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.For purposes of this disclosure, references to location and direction relate to the intended use of the heat exchanger as part of a rotor. "Front" and "rear" refer to the flow direction of the second heat exchange medium. "Radial" and "axial" refer to the axis of rotation of the rotor. "Inside" means closer to the axis of rotation of the rotor. "Outside" means farther from the axis of rotation. The distances refer to the radial distances from the axis of rotation.
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.Thus, the invention is based on the surprising finding that the heat exchanger cannot be operated effectively under the action of centrifugal acceleration by evenly dividing the second heat exchange medium. The invention solves this problem in that the different pressure differences of the partial flows of the second heat exchange medium flowing at different distances from the axis of rotation between the inlet opening of the dividing element and the outlet opening of the combining element are at least partially, preferably essentially completely, compensated. Advantageously, it can be achieved in this way that the flow through the second heat exchange channels is essentially uniform.
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.Extensive flow analyzes have shown that the main reason for the different pressure differences of the partial flows is that the outer flow in the dividing element first flows outwards and is compressed due to centrifugal force before the outer flow along the outer of the second heat exchange channels heats up with the first Exchanges heat exchange medium and then flows inwardly towards the outlet opening in the merging element and is relaxed in the process; for the inner flow the sequence is reversed as the inner flow in the dividing element first flows inwards and is expanded due to centrifugal force, then exchanges heat with the first heat exchange medium along the inner of the second heat exchange channels before the inner flow in the combining element flows outwards to the exit opening is guided and compressed in the process.
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.When the second heat exchange medium gives off heat to the first heat exchange medium in the second heat exchange channels, the pressure difference is created by first compressing at low density before heat exchange, namely from the collected inflow of the second heat exchange medium via the inlet opening to the inflow opening of the outer heat exchange channel, then heat dissipation takes place in the outer heat exchange channel, as a result of which the temperature of the second heat exchange medium drops and thus—in the case of a substantially isobaric heat exchange—the density increases; then the second heat exchange medium expands again with a comparatively high density, namely from the outflow opening of the outer heat exchange channel to the collection of the second heat exchange medium at the outlet opening. Because the second heat exchange medium compresses at low density (low pressure difference) and expands at high density (higher pressure difference), an additional pressure difference remains when considering this flow thread, which is required when flowing through the outer heat exchange channel. This would result in the second heat exchange medium preferring the inner one of the second heat exchange channels. When heat is supplied to the second heat exchange medium through the first heat exchange medium, the situation is reversed. Then the second would Heat exchange medium prefer the outer of the second heat exchange channels.
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.The invention now begins to equalize the additional pressure difference through the throttle element, which throttles the outer and inner flow to different degrees in a section between the inlet opening of the dividing element and the outflow opening of the combining element, i.e. causes different flow resistances.
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.If heat is dissipated from the second heat exchange medium to the first heat exchange medium in the second heat exchange channels, the throttle element is set up to throttle the inner flow more than the outer flow.
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.If heat is supplied from the first heat exchange medium to the second heat exchange medium in the second heat exchange channels, the throttle element is set up to throttle the outer flow more than the inner flow.
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).Thus, the throttling element is set up for asymmetrical throttling of the flow of the second heat exchange medium with respect to the central axis or axis of symmetry of the heat exchanger. With the aid of the throttle element, the second heat exchange medium is subjected to essentially the same pressure differences as it flows through the heat exchanger from the inlet to the outlet opening. Advantageously, it can be achieved in this way that the flow through the second heat exchange channels is essentially uniform, so that the second heat exchange medium has essentially the same average flow rate or essentially the same volume flow along the second heat exchange channels (provided that the second flow channels have, as is preferred, the same flow cross-section).
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.In a preferred embodiment, the heat exchanger is designed as a tube bundle heat exchanger. The tube bundle heat exchanger has a tube bundle with a plurality of tubes, preferably each with a substantially circular cross section, which enclose the second heat exchange channels. The pipes preferably extend parallel to one another. The tube bundle can be arranged within a preferably cylindrical housing. The first heat exchange medium is guided through first heat exchange channels extending inside the housing. Deflection elements for the first heat exchange medium are preferably provided within the housing. The deflection elements are preferably arranged essentially perpendicular to the tubes. The deflection elements preferably leave recesses free for the first heat exchange medium in the interior of the housing, with the recesses preferably being arranged alternately on opposite sides. As a result, the first heat exchange medium is guided in loops through the interior of the housing, the first heat exchange medium flowing in sections transversely to the tubes with the second heat exchange channels.
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.In a first preferred embodiment, the throttle device has a throttle diaphragm with throttle openings, with a throttle opening further away from the axis of rotation and a throttle opening located closer to the axis of rotation being of different sizes. The throttle orifice can be arranged in front of the inflow openings, in particular immediately in front of the inflow openings, or after the outflow openings, in particular immediately after the outflow openings. In an embodiment for dissipating heat from the second heat exchange medium, the throttle opening that is further away from the axis of rotation is larger than the throttle opening that is closer to the axis of rotation. In an embodiment for supplying heat to the second heat exchange medium, the throttle opening that is further away from the axis of rotation is smaller than the throttle opening that is closer to the axis of rotation. The advantage of this design of the throttle element is the simple structural implementation. Furthermore, the heat exchanger can be set to a specific operating point by simply replacing the restrictor orifice.
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.The throttle orifice is preferably arranged in front of the second heat exchange channels in such a way that the second heat exchange medium is fed to exactly one of the second heat exchange channels via the throttle openings.
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.Alternatively, the throttle orifice can be arranged after the second heat exchange channels in such a way that the second heat exchange medium is discharged from each of the second heat exchange channels through exactly one throttle opening.
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.In the following, preferred embodiments of the restrictor orifice are described using an embodiment for dissipating heat from the second heat exchange medium along the second heat exchange channels. The principle can be transferred accordingly to the case of supplying heat to the second heat exchange medium if greater throttling is provided, here by smaller throttling openings, with the distance to the axis of rotation to the outside.
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.The throttle orifice preferably has at least one first throttle opening at a first distance from the axis of rotation and at least one second throttle opening at a second distance from the axis of rotation of the rotor, the second distance being greater than the first distance and the second throttle opening being greater than the first throttle opening. The throttle orifice preferably has at least one third throttle opening at a third distance from the axis of rotation, which is greater than the second distance, the at least one third throttle opening being greater than the at least one second throttle opening. The throttle orifice preferably has at least one fourth throttle opening at a fourth distance from the axis of rotation, which is greater than the third distance, the at least one fourth throttle opening being greater than the at least one third throttle opening. Of course, the throttle orifice can have further throttle openings at greater distances from the axis of rotation of the rotor, with throttle openings further away from the axis of rotation being larger in each case than throttle openings located closer to the axis of rotation.
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.In a preferred embodiment, the heat exchanger comprises a plurality of rows of second heat exchange channels, the second heat exchange channels of each row being at substantially the same distance from the axis of rotation of the rotor. Correspondingly, the orifice plate preferably has a plurality of rows each with a plurality of throttle openings, one row further away from the axis of rotation and one closer to the axis of rotation located row have differently sized throttle openings. In the case of heat dissipation, the row of orifices farther from the axis of rotation has larger orifices than the row of orifices closer to the axis of rotation.
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.Thus, a first row of first throttle openings, each essentially at the first distance from the axis of rotation, and a second row of second throttle openings, each essentially at the second distance from the axis of rotation, preferably also a third row of third throttle openings, each essentially at the third distance to the axis of rotation, preferably also a fourth row of fourth throttle openings, each essentially at a fourth distance from the axis of rotation, preferably also at least one further row of further throttle openings, each at a further distance from the axis of rotation.
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.In order to enable the second heat exchange medium to be fed into the individual second heat exchange channels, the dividing element is arranged in front of the second heat exchange channels (seen in the direction of flow of the second heat exchange medium), which is widened as seen in the direction of flow of the second heat exchange medium, i.e. is designed with an increasing cross section. The splitting element enables the splitting of the flow of the second heat exchange medium at the inlet of the heat exchanger into the individual flows within the second heat exchange channels. The dividing element is preferably widened conically.
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.In a second preferred embodiment, a flow grid is arranged within the dividing element, the flow grid having individual dividing channels which widen in the direction of flow, the dividing channels each having a starting section and an end section.
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.In a second embodiment of the throttle element, the beginning and/or end section of a distribution channel that is further away from the axis of rotation and the beginning and/or end section of one that is closer to the axis of rotation have Distribution channel on different flow cross sections. The advantage of this design is that the flow grid is generally useful for good distribution and flow guidance in order to keep pressure losses as small as possible. Advantageously, this flow grid can now also be designed as a throttle element, with which an asymmetrical widening of the cross section is achieved in order to compensate for the different pressure differences depending on the distance from the axis of rotation. The initial section connects to the inlet of the heat exchanger. The end section guides the second heat exchange medium to the inflow opening of the second heat exchange channel. In the case of heat dissipation from the second heat exchange medium to the first heat exchange medium, the beginning and/or end section of the dividing channel further away from the axis of rotation has a larger flow cross section than the beginning and/or end section of the dividing channel located closer to the axis of rotation.
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.The flow grid preferably has exactly one distribution channel for each second heat exchange channel, so that the second heat exchange medium is fed to exactly one of the second heat exchange channels via each distribution channel. The distribution channels are separated from one another by individual wall parts, with vertical and horizontal wall parts preferably being provided. On the one hand, the standing wall parts serve to ensure that there is an even distribution in the tangential direction (whereby the problem of different pressures described above does not occur here), but they also have the advantage that the horizontal wall parts, which are provided for the radial distribution of the flow, be supported against deflection under the action of centrifugal force.
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.In the following, preferred embodiments of the flow grid are described using an embodiment for dissipating heat from the second heat exchange medium along the second heat exchange channels. The principle can be transferred accordingly to the case of heat supply if greater throttling is provided with the distance to the axis of rotation to the outside.
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.The flow grid preferably has at least a first distribution channel at a first distance from the axis of rotation and at least one second distribution channel at a second distance from the axis of rotation of the rotor, the second distance being greater than the first distance and the beginning and/or the end section of the second distribution channel having a larger flow cross-section than the beginning - Has and/or end section of the first splitting channel. The flow grid preferably has at least one third distribution channel at a third distance from the axis of rotation, the third distance being greater than the second distance and the start and/or end section of the third distribution channel having a larger flow cross section than the start and/or end section of the second distribution channel has. The flow grid preferably has at least one fourth distribution channel at a fourth distance from the axis of rotation, the fourth distance being greater than the third distance and the beginning and/or end section of the fourth distribution channel having a larger flow cross section than the beginning and/or end section of the third distribution channel has. Of course, the flow grid can have further distribution channels at greater distances from the axis of rotation, with the flow cross section of the beginning and/or end section increasing with the distance from the axis of rotation.
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.The flow grid preferably has at least a first row with a plurality of individual, i.e. separate, first distribution channels essentially at the first distance from the axis of rotation and a second row with a number of second distribution channels essentially at the second distance from the axis of rotation, preferably also a third row with a number of third distribution channels in the Essentially at the third distance from the axis of rotation, preferably also a fourth row with a plurality of fourth distribution channels essentially at the fourth distance from the axis of rotation, preferably also further rows each with a plurality of further distribution channels.
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.In a first variant, the initial section of the distribution channel further away from the axis of rotation has a larger flow cross section than the initial section of the distribution channel located closer to the axis of rotation, the The end section of the distribution channel that is further away from the axis of rotation has essentially the same flow cross section as the end section of the distribution channel that is located closer to the axis of rotation. This embodiment is particularly advantageous for design reasons if the second heat exchange channels have the same flow cross sections. Thus, in this variant, the second heat exchange medium can flow asymmetrically into the flow grid, with the flow cross section increasing with the inflow with the distance from the axis of rotation. The outflow from the flow grid, on the other hand, can take place symmetrically, ie with essentially the same flow cross section.
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.In a second variant, the end section of the distribution channel further away from the axis of rotation has a larger flow cross-section than the end section of the distribution channel located closer to the axis of rotation, with the initial section of the distribution channel further away from the axis of rotation having essentially the same flow cross-section as the initial section of the channel closer to the Having axis of rotation located distribution channel. This design is structurally particularly simple. Thus, in this variant, the inflow into the flow grid can be symmetrical, but the outflow from the flow grid can be asymmetrical.
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.In a third variant, the initial section and the end section of the distribution channel further away from the axis of rotation each have a larger flow cross section than the initial section and the end section of the distribution channel located closer to the axis of rotation. With this variant, both the inflow into the flow grid and the outflow from the flow grid can take place asymmetrically, i.e. with a larger flow cross section with increasing distance from the axis of rotation.
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.The asymmetric distribution of the second heat exchange medium by means of the flow grid has the consequence that a flow of the second heat exchange medium close to the axis from the entry into the heat exchanger to the exit from the heat exchanger has a smaller flow cross section than one in sections off-axis flow of the second heat exchange medium flows through, whereby the off-axis flow is exposed to a higher pressure loss than the off-axis flow. In this way, the pressure difference between the second heat exchange channel near the axis and the second heat exchange channel remote from the axis is at least partially, preferably substantially completely, compensated.
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.In addition, a flow grid can be arranged within the merging element, the flow grid within the merging element having individual merging channels that taper in the direction of flow, the merging channels each having a starting section (on the side of the outflow openings of the second heat exchange channels) and an end section (on the side of the outflow openings side facing away) have. To form the throttle element, the beginning and/or end section of a merging channel further away from the axis of rotation and the beginning and/or end section of a merging channel closer to the axis of rotation have different flow cross sections.
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 TurbulatorIn a third preferred embodiment, the device for equalizing the flow through the second heat exchange channels has turbulators, in particular spiral turbulators, within the second heat exchange channels, with a turbulator further away from the axis of rotation and a turbulator closer to the axis of rotation causing different pressure losses. In the case of heat dissipation from the second heat exchange medium along the second heat exchange channels, the turbulator that is further away from the axis of rotation causes a lower pressure loss than the turbulator that is closer to the axis of rotation
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.For this purpose, the turbulator further away from the axis of rotation and the turbulator located closer to the axis of rotation can have different spiral lengths. In the case of heat dissipation from the second heat exchange medium along the second heat exchange channels, the turbulator that is further away from the axis of rotation can have a greater pitch than the turbulator that is closer to the axis of rotation.
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.The advantage of the turbulators compared to the previously described embodiments of the throttle device is that not only the pressure loss in the second heat exchange channels with different distances to the axis of rotation can be set differently in order to achieve a uniform flow through the second flow channels, but also the heat transfer by an increased Turbulence in heat transfer is increased.
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.In a fourth embodiment, the outer and inner of the second heat exchange channels have different flow cross-sections, in the case of tubes with circular cross-sections different diameters, to form the throttle member.
Bei einer bevorzugten Anwendung ist ein Rotor, insbesondere eine Rotationswärmepumpe, mit dem Wärmetauscher in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen.In a preferred application, a rotor, in particular a rotary heat pump, is provided with the heat exchanger in one of the previously described embodiments.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist eine Mittel- bzw. Symmetrieachse des Wärmetauschers in einem radialen Abstand zur Drehachse, d.h. mit einem Achsversatz, angeordnet.In a first preferred embodiment, a central or symmetrical axis of the heat exchanger is arranged at a radial distance from the axis of rotation, i.e. with an axial offset.
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.In a second preferred embodiment, the central axis of the heat exchanger is arranged substantially in line with the axis of rotation. In this case, too, the second heat exchange channels are at different distances from the axis of rotation.
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.In the case of the rotor, the second heat exchange channels preferably extend essentially parallel and at different radial distances from the axis of rotation. The first heat exchange channels can, as is usual in tube bundle heat exchangers, extend in sections essentially perpendicularly to the second heat exchange channels.
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.In a preferred embodiment, the rotor has a compressor unit in which the second heat exchange medium for pressure increase due to centrifugal force from the The axis of rotation is carried away, and an expansion unit in which the second heat exchange medium is guided toward the axis of rotation for pressure reduction due to the centrifugal force.
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.In this embodiment of the rotor, at least one heat exchanger that is on the inside with respect to the axis of rotation and at least one heat exchanger that is on the outside with respect to the axis of rotation are preferably provided. Depending on the design, the outer heat exchanger and/or the inner heat exchanger can be designed according to one of the above embodiments of the heat exchanger.
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.
- rotating the rotor around an axis of rotation,
- Guiding the first heat exchange medium along first heat exchange channels of a heat exchanger,
- Guiding the second heat exchange medium along second heat exchange channels of the heat exchanger at different distances from the axis of rotation of the rotor,
- Equalizing the flow through the second heat exchange channels by different throttling of an inner flow of the second heat exchange medium closer to the axis of rotation and an outer flow of the second heat exchange medium further away from the axis of rotation.
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.In a preferred embodiment, heat is removed from the second to the first heat exchange medium along the second heat exchange channels, with the inner flow of the second heat exchange medium being throttled more than the outer flow of the second heat exchange medium.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert, welche in den Zeichnungen dargestellt sind.The invention is explained below with reference to preferred exemplary embodiments which are illustrated in the drawings.
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.
Wie aus
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.The design of the
Wie aus
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.Surprisingly, however, it has been shown that in the rotating state of the
Wie aus
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
- Average radius to the axis of rotation: 900 mm
- Radial extension of the heat exchanger 7 (from the innermost of the second
heat exchange channels 12 to the outermost of the heat exchange channels 12): 100 mm - Medium pressure in the heat exchanger: 120bar
- Average temperature: 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.If the flow of the gas, which is assumed to be ideal, i.e. without considering real gas properties, takes place only under the acceleration of gravity, and the heat exchanger is aligned in such a way that the acceleration of gravity has the same direction as the centrifugal acceleration, then the pressure difference between the outermost flow channel and the innermost flow channel is 0.14 mbar and is not taken into account due to the minimal effect.
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.In this embodiment, a
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 the embodiment shown, a throttling device for different throttling of the discrete second
In der Ausführung gemäß
In der Ausführung gemäß
In der Ausführung gemäß
- 11
- Rotorrotor
- 22
- Drehachseaxis of rotation
- 33
- Verdichtereinheitcompressor unit
- 44
- Entspannungseinheitrelaxation session
- 55
- innere Wärmetauscherinternal heat exchangers
- 66
- äußere Wärmetauscherexternal heat exchangers
- 77
- Wärmetauscherheat exchanger
- 88th
- Eintrittselemententry element
- 99
- Austrittselementexit element
- 1010
- GehäuseHousing
- 1111
- RohreTube
- 11A11A
- Rohrbodentube sheet
- 1212
- zweite Wärmeaustauschkanälesecond heat exchange channels
- 1313
- Zuführungfeeding
- 1414
- Ableitungderivation
- 1515
- erste Wärmeaustauschkanälefirst heat exchange channels
- 1616
- Umlenkelementedeflection elements
- 1717
- Aufteilungselementsplitting element
- 17A17A
- Eintrittsöffnungentry opening
- 18A18A
- Austrittsöffnungexit port
- 1818
- Zusammenführungselementmerge element
- 2020
- PfeilArrow
- 2121
- Strömungsgitterflow grid
- 2222
- Aufteilungskanälesplit channels
- 22A22A
- Anfangsabschnittbeginning section
- 22B22B
- mittlerer Abschnittmiddle section
- 22C22C
- Endabschnittend section
- 2323
- PfeilArrow
- 2424
- PfeilArrow
- 2525
- PfeilArrow
- 2626
- PfeilArrow
- 2727
- PfeilArrow
- 2828
- Ausströmöffnungenoutflow openings
- 2929
- Einströmöffnungeninflow openings
- 3030
- Einrichtung zur Vergleichmäßigung der StrömungDevice for smoothing the flow
- 3131
- Drosselblendeorifice plate
- 3232
- Drosselöffnungenthrottle openings
- 3333
- Turbulatorenturbulators
- 3434
- PfeilArrow
- 3535
- PfeilArrow
- 3636
- Mittelachsecentral axis
Claims (13)
eine Drehachse (2),
einen Wärmetauscher (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Rotor (1), in particular rotary heat pump, having:
an axis of rotation (2),
a heat exchanger (7) according to any one of claims 1 to 7.
einen in Bezug auf die Drehachse (2) inneren Wärmetauscher (5) und einen in Bezug auf die Drehachse (2) äußeren Wärmetauscher (6).Rotor (1) according to one of Claims 8 to 10, characterized by :
an internal heat exchanger (5) with respect to the axis of rotation (2) and an external heat exchanger (6) with respect to the axis of rotation (2).
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP21216865.2A EP4202342A1 (en) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | Heat exchanger, in particular tube bundle heat exchanger, for arrangement in a rotor with an axis of rotation |
CA3236896A CA3236896A1 (en) | 2021-12-22 | 2022-12-22 | Heat exchanger, in particular shell-and-tube heat exchanger, for arrangement in a rotor having an axis of rotation |
PCT/EP2022/087405 WO2023118402A1 (en) | 2021-12-22 | 2022-12-22 | Heat exchanger, in particular shell-and-tube heat exchanger, for arrangement in a rotor having an axis of rotation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP21216865.2A EP4202342A1 (en) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | Heat exchanger, in particular tube bundle heat exchanger, for arrangement in a rotor with an axis of rotation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EP4202342A1 true EP4202342A1 (en) | 2023-06-28 |
Family
ID=79025000
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EP21216865.2A Pending EP4202342A1 (en) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | Heat exchanger, in particular tube bundle heat exchanger, for arrangement in a rotor with an axis of rotation |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP4202342A1 (en) |
CA (1) | CA3236896A1 (en) |
WO (1) | WO2023118402A1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1383690A (en) * | 1971-12-15 | 1974-02-12 | Stord Bartz Industri As | Heat exchangers |
CH576615A5 (en) * | 1973-07-05 | 1976-06-15 | Fmc Corp | Revolving linear tube heat exchanger - with cross-sections avoiding burn-inducing film build-up |
WO2015103656A1 (en) | 2014-01-09 | 2015-07-16 | Ecop Technologies Gmbh | Device for converting thermal energy |
-
2021
- 2021-12-22 EP EP21216865.2A patent/EP4202342A1/en active Pending
-
2022
- 2022-12-22 CA CA3236896A patent/CA3236896A1/en active Pending
- 2022-12-22 WO PCT/EP2022/087405 patent/WO2023118402A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1383690A (en) * | 1971-12-15 | 1974-02-12 | Stord Bartz Industri As | Heat exchangers |
CH576615A5 (en) * | 1973-07-05 | 1976-06-15 | Fmc Corp | Revolving linear tube heat exchanger - with cross-sections avoiding burn-inducing film build-up |
WO2015103656A1 (en) | 2014-01-09 | 2015-07-16 | Ecop Technologies Gmbh | Device for converting thermal energy |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2023118402A1 (en) | 2023-06-29 |
CA3236896A1 (en) | 2023-06-29 |
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