WO2007090420A1 - Thermodynamic flow machine - Google Patents

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WO2007090420A1
WO2007090420A1 PCT/EP2006/001111 EP2006001111W WO2007090420A1 WO 2007090420 A1 WO2007090420 A1 WO 2007090420A1 EP 2006001111 W EP2006001111 W EP 2006001111W WO 2007090420 A1 WO2007090420 A1 WO 2007090420A1
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gas
channel
axis
thermodynamic
lateral surface
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PCT/EP2006/001111
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Klaus-Peter Renner
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Klaus-Peter Renner
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B3/00Self-contained rotary compression machines, i.e. with compressor, condenser and evaporator rotating as a single unit
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/18Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines without stationary working-fluid guiding means
    • F01D1/22Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines without stationary working-fluid guiding means traversed by the working-fluid substantially radially
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/05Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly characterised by the type or source of heat, e.g. using nuclear or solar energy
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/14Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant
    • F02C3/16Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant the combustion chambers being formed at least partly in the turbine rotor or in an other rotating part of the plant
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point

Definitions

  • the invention relates to a thermodynamic fluid machine, which is operated with a gas as a working fluid.
  • An object of the present invention is to make the compression and expansion process of a turbomachine almost loss-free and to subject only the usable work the usual conversion losses of flow work in mechanical work. Another object of this invention is to maintain the high efficiency in a wide performance range from part load to full load.
  • thermodynamic machine wherein the centrifugal force is used instead of gravity, in small dimensions necessary for thermodynamic turbomachines temperature and pressure differences to reach.
  • the compression and expansion takes place in a rotating body by flow against a positive or negative pressure gradient in adiabatically layered gas columns almost lossless, the pressure gradients are generated in the hydrostatic equilibrium gas columns by centrifugal forces.
  • the following parts of the cycle process take place: hydrostatic compression, high-pressure phase and hydrostatic relaxation.
  • the existing from Restentpressive or residual compression mechanical active power can be implemented outside of the rotating body by means of fans or turbines.
  • the cycle is closed on low temperature side either inside the rotating body or by the external gaseous environment as a heat reservoir.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the method according to the invention in a closed circuit in the centrifugal force field
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the method according to the invention in an open circuit in the centrifugal force field
  • 4a to c show a longitudinal sectional view and two cross-sectional views of an embodiment of an open turbomachine according to the invention, and 5 shows a longitudinal sectional view of another open turbomachine according to the invention.
  • Fig. 1 shows a closed pipe system in a rotating body, for example mounted in a rotor.
  • the working gas circulates as indicated by the arrows.
  • the rotation axis 4 is perpendicular to the plane of the drawing and intersects it at x.
  • the radial arrows represent the radially increasing centrifugal forces. In the centrifugal force field, even without flow, a radially increasing hydrostatic pressure distribution in the working gas sets in. If now a flow is generated in the pipe system, for example by a fan (shown schematically at L), an adiabatic temperature increase arises after a short time between A and B, likewise a temperature drop between C and D.
  • Temperature gradient and centrifugal acceleration are linearly related for a given gas type (dT / dr ⁇ ⁇ 2 ⁇ .)
  • the temperature differences depend only on the rotor speed, the distances to the axis of rotation 4 and the gas used, but not of the (from 0 different) flow rate of the working gas.
  • FIG. 2 shows an open system with the difference from Fig. 1 that the working gas is connected through openings, ie inlet 6 and outlet 8, in the rotating body at A and D with the non-rotating environment.
  • the circuit is thus closed by externally mounted fan (not shown here).
  • the system operates as a chiller when heat is removed from the environment at the low temperature level (at D) or as a heat engine when heat is released to the environment at a high temperature level in a thin channel section 10 (between B and G).
  • FIG. 3 illustrates the state diagram of a gas packet that traverses the representations of FIG. 1 or FIG. 2.
  • the gas package is compressed by the fan from the initial pressure and temperature (P1, T1) while working on P2, T2 at the inlet 6 of the rotating body (A).
  • the necessary compaction pressure through the fan (P2-P1) is adjusted automatically so that the flow losses and the necessary thermodynamic work output of the heat / chiller are provided.
  • the following applies after the Brayton cycle: Whe i Z / W mech T4 / (T4-T5).
  • the system works as a heat engine when heat is introduced into the system at high temperature levels (between B and C) and released into the environment at low temperature levels (at A).
  • the state diagram in Fig. 3 is reversed.
  • the gas package starts at A with initial pressure and temperature P1, T5. From A to B, the adiabatic compression in channel 2 takes place through flow in the hydrostatic gas column to P3, T4 at B.
  • the gas package now flows at constant pressure to C and absorbs heat from an external heat source. After heating up by T3-T4, the relaxation in the gas column begins against the centrifugal force to D.
  • the lossless compression and relaxation means a significant improvement over conventional thermodynamic turbomachinery.
  • the speed can be used to optimally adjust the machine to the required temperature levels.
  • the performance of the device as a heat pump or chiller can be controlled over the mass flow generated by the fan over a wide range. Even with low mass flows, a high level of efficiency is to be expected since the compressor only has to apply active power and the rotating body only has to compensate for bearing losses.
  • the fan or the turbine transmits only the active work, i.
  • the turbine efficiency is a simple factor in the overall efficiency.
  • FIGS. 4a to 4c An embodiment of an open system according to the invention is shown in FIGS. 4a to 4c in a longitudinal section and two cross sections.
  • the thermodynamic fluid machine consists of a symmetrical rotatable body having an outer drum, which consists of several successive sections 12, 14, 16, 18 and 20.
  • the end portions 12 and 20 thereby form a cylindrical shape, wherein they are relatively close to the axis of rotation 4, while the portions 14 and 18 form the shape of a truncated cone, which opens to a central portion 16, which in turn takes the form of a cylinder of larger radius forms around the axis of rotation 4.
  • the central portion 16 is thus also referred to as a lateral surface portion of the rotatable body.
  • the turbomachine also has an inner drum 22, which is arranged in the region of the lateral surface portion 16 and extends close to this.
  • channels 2 are formed, which are separated from one another in the tangential direction by side walls 24. They open at each end face in a concentric circular opening (inlet 6 and outlet 8) about the axis of rotation 4.
  • the opening diameter should be as small as possible, for example 25% of the diameter of the rotating body does not exceed.
  • the gas has a high temperature and high pressure during operation.
  • the essential for the operating principle side walls 24 serve to receive the occurring due to the radial gas flow component Coriolis forces and must therefore be performed mechanically stable.
  • the beginning and end portions of the side walls 24 may be aerodynamically shaped. Only in areas in which no or only a small Coriolis force occurs, the side walls 24 may be interrupted, so for example in the region of the channel portion 10th
  • All of the radially extending structures of this embodiment are made of as few thermally conductive and high strength materials as possible, e.g. Fiber composites.
  • the rotating body can be driven by a conventional motor, such as an electric motor, which controls the speed.
  • the shaft shown in the region of the axis of rotation 4 is not absolutely necessary, but can serve as storage.
  • fans or turbines which are attached to the inlet 6 or outlet 8 and implement the mechanical power.
  • the end sections 12, 20 of the outer drum can also be used for storage, also as an airtight connection for fans or turbine.
  • an impeller may be installed between axis 4 and the outer sections 1220 of the outer drum for the fan or turbine function.
  • the embodiment of the invention shown here as an air-to-air heat pump uses the air as a heat source and working gas.
  • a fan (not shown) is mounted as a drive.
  • the heat is dissipated via the rotating lateral surface portion 16, which should consist of good heat conducting material, to the body surrounding air layer, which is used directly as heating air.
  • An embodiment according to the invention as an air-water heat pump arises from the same arrangement in that the rotating body is surrounded by a heat exchanger, e.g. a tube winding around the lateral surface portion 16, in which the liquid circulates.
  • the heat is mainly transported by heat conduction in the smallest possible air gap between lateral surface portion 16 and heat exchanger.
  • any external heat source can be used which supplies heat to the lateral surface section 16 at the selected temperature.
  • the use of solar energy as a heat source is particularly favorable.
  • the radiation can be focused directly on the lateral surface portion 16, without detours through other heat exchangers.
  • a turbine (not shown) attached to the outlet 8 converts the residual pressure of the working gas into available shaft power.
  • Another embodiment of the invention as a heat engine uses the internal combustion with air as the working gas.
  • the fuel is passed approximately through a separate supply channel (not shown) in the region of the axis of rotation 4 of the rotating body and a radially extending supply line (not shown) and admixed with the air in the channel section 10.
  • the combustion and thus the heat supply thus takes place in the pressure maximum.
  • the body is best thermally insulated, so that here, too, a nearly ideal implementation of the thermodynamic principle is achieved.
  • the body may be stored in an evacuated housing.
  • FIG. 1 Another embodiment according to the invention is shown in FIG.
  • This embodiment combines a heat pump and a heat engine. From the left, the working gas enters a rotating body and is compressed. In the temperature and pressure maximum at the highest peripheral speed in a first thin channel portion 10a adjacent to a first lateral surface portion 16a is in turn externally or by combustion heat supplied (heat supply devices not shown). After partial relaxation, heat is released at a lower temperature level in the region of a second thin channel section 10b via a second good heat-conducting lateral surface section 16b.
  • a turbine can also be coupled to the inlet, which then acts as a "suction turbine”, and a fan can also be coupled to the outlet, which then sucks the gas out of the rotating body, which makes sense if one and the same machine So both heat / chiller and used as a heat engine and aerodynamic reasons, the flow direction is maintained.
  • the present invention provides considerable energy savings potential through better efficiencies.
  • possible applications include e.g. in power plants, in particular solar power plants, when using low temperature differences for power generation, in hybrid drives in conjunction with internal combustion. Due to the small number of parts, a cost-effective production in all applications possible.

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Abstract

In a method for operating a thermodynamic flow machine with a gas as the working agent and on the basis of the Brayton cycle or the inverse Brayton cycle, the gas is compressed and expanded in the interior of a body which rotates about a rotation axis (4), and the compression and expansion work is produced by flow in gas columns in the centrifugal force field of the rotating body in that, in the rotating body, the gas is carried in at least one channel (2) which not only forces the gas to flow from areas close to the axis to areas remote from the axis of the body which can rotate, thus resulting in compression, but also forces the gas to flow from areas remote from the axis to areas close to the axis of the rotating body, thus producing expansion. The Coriolis forces which occur in the at least one channel (2) during the radial compression and expansion flow of the gas are in this case completely absorbed by a side wall (24) which bounds the channel (2) in the tangential direction.

Description

Thermodynamische Strömungsmaschine Thermodynamic turbomachine
Die Erfindung betrifft eine thermodynamische Strömungsmaschine, die mit einem Gas als Arbeitsmittel betrieben wird.The invention relates to a thermodynamic fluid machine, which is operated with a gas as a working fluid.
Herkömmliche Strömungs-Wärmekraftmaschinen (z.B. Gasturbinen) leiden besonders darunter, dass sowohl in den Verdichter- als auch in den Expansionsstufen aerodynamische Verluste auftreten. Diese Verluste sind zwar im Verhältnis zur jeweiligen Verdichtungs- und Expansionsleistung relativ gering, jedoch hoch im Vergleich zur nutzbaren Arbeit, der Differenz zwischen Verdichtungs- und Expansionsleistung, und stellen eine wesentliche Beschränkung des erreichbaren Wirkungsgrades dar.Conventional flow heat engines (e.g., gas turbines) suffer particularly from aerodynamic losses in both the compressor and expansion stages. Although these losses are relatively low in relation to the respective compression and expansion performance, but high in comparison to the usable work, the difference between compression and expansion performance, and represent a significant limitation of the achievable efficiency.
Herkömmliche Wärmepumpen nutzen vielfach ein Arbeitsmittel mit Phasenübergängen in geschlossenen Kreisläufen. Wegen der notwendigen Wärmetauscher, Nebenaggregate und des durch das Arbeitsmittel vorgegebenen Temperaturbereichs wird der theoretisch mögliche Wirkungsgrad bei weitem nicht erreicht.Conventional heat pumps often use a working medium with phase transitions in closed circuits. Because of the necessary heat exchangers, ancillaries and the temperature range predetermined by the working fluid, the theoretically possible efficiency is far from being achieved.
Ein Lösungsansatz, der die Zentrifugalkraft zur Verdichtung und Entspannung des Arbeitsgases als Unterstützung des sog. Lorin-Antriebs auszunutzen versucht, wird in der Offenlegungsschrift DE 199 19 616 A1 in der Ausführungsform der Fig. 3 beschrieben. Praktisch ergeben sich bei dieser Ausführungsform allerdings auch nur geringe Wirkungsgrade, und insbesondere bei kleinen Volumenströmen des Arbeitsgases ist die dargestellte Konstruktion impraktikabel.An approach that seeks to exploit the centrifugal force for compression and expansion of the working gas in support of the so-called. Lorin drive is described in the published patent application DE 199 19 616 A1 in the embodiment of FIG. In practice, however, only low efficiencies result in this embodiment, and especially at low flow rates of the working gas, the construction shown is impracticable.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Verdichtungs- und Expansions- prozess einer Strömungsmaschine nahezu verlustfrei zu gestalten und nur die nutzbare Arbeit den üblichen Wandlungsverlusten von Strömungsarbeit in mechanische Arbeit zu unterwerfen. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, den hohen Wirkungsgrad in einem weiten Leistungsbereich von Teillast bis Volllast zu halten.An object of the present invention is to make the compression and expansion process of a turbomachine almost loss-free and to subject only the usable work the usual conversion losses of flow work in mechanical work. Another object of this invention is to maintain the high efficiency in a wide performance range from part load to full load.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 13 gelöst.This object is achieved by the method according to claim 1 and the device according to claim 13 according to the invention.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Erfinduπgsgemäß wird das Prinzip der hydrostatischen Verdichtung und Entspannung, wie sie beispielsweise auch in der Atmosphäre stattfindet, in einer thermody- namischen Maschine technisch verwirklicht, wobei anstelle von Schwerkraft die Zentrifugalkraft verwendet wird, um in kleinen Dimensionen die für thermodynamische Strömungsmaschinen notwendigen Temperatur- und Druckdifferenzen zu erreichen.Advantageous embodiments are described in the subclaims. According to the invention, the principle of hydrostatic compression and expansion, as occurs, for example, in the atmosphere, is technically realized in a thermodynamic machine, wherein the centrifugal force is used instead of gravity, in small dimensions necessary for thermodynamic turbomachines temperature and pressure differences to reach.
Die Verdichtung und Entspannung erfolgt in einem rotierenden Körper durch Strömung gegen einen positiven oder negativen Druckgradienten in adiabatisch geschichteten Gassäulen nahezu verlustfrei, wobei die Druckgradienten in den sich im hydrostatischen Gleichgewicht befindlichen Gassäulen durch Zentrifugalkräfte erzeugt werden. Im rotierenden Körper laufen folgende Anteile des Kreisprozesses ab: hydrostatische Verdichtung, Hochdruckphase und hydrostatische Entspannung. Die aus Restentspannung oder Restverdichtung bestehende mechanische Wirkleistung kann außerhalb des rotierenden Körpers mittels Lüfter oder Turbinen umgesetzt werden. Der Kreisprozess wird auf Niedertemperaturseite entweder im Inneren des rotierenden Körpers oder durch die externe gasförmige Umgebung als Wärmereservoir geschlossen.The compression and expansion takes place in a rotating body by flow against a positive or negative pressure gradient in adiabatically layered gas columns almost lossless, the pressure gradients are generated in the hydrostatic equilibrium gas columns by centrifugal forces. In the rotating body, the following parts of the cycle process take place: hydrostatic compression, high-pressure phase and hydrostatic relaxation. The existing from Restentspannung or residual compression mechanical active power can be implemented outside of the rotating body by means of fans or turbines. The cycle is closed on low temperature side either inside the rotating body or by the external gaseous environment as a heat reservoir.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.Further details, features and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem geschlossenen Kreislauf im Zentrifugalkraftfeld,1 shows a schematic diagram of the method according to the invention in a closed circuit in the centrifugal force field,
Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem offenen Kreislauf im Zentrifugalkraftfeld,2 shows a schematic diagram of the method according to the invention in an open circuit in the centrifugal force field,
Fig. 3 zeigt ein Zustandsdiagramm, das die erfindungsgemäßen Kreisläufe erläutert,3 shows a state diagram which explains the circuits according to the invention,
Fig. 4a bis c zeigen eine Längsschnittsansicht sowie zwei Querschnittsansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen offenen Strömungsmaschine, und Fig. 5 zeigt eine Längsschnittsansicht einer anderen erfindungsgemäßen offenen Strömungsmaschine.4a to c show a longitudinal sectional view and two cross-sectional views of an embodiment of an open turbomachine according to the invention, and 5 shows a longitudinal sectional view of another open turbomachine according to the invention.
Das zugrunde liegende Prinzip wird anhand von Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben. Fig. 1 zeigt ein geschlossenes Rohrsystem in einem rotierenden Körper, z.B. angebracht in einem Rotor. In einem Kanal 2 zirkuliert das Arbeitsgas wie durch die Pfeile angedeutet. Die Drehachse 4 steht senkrecht auf der Zeichenebene und schneidet diese bei x. Die radialen Pfeile stellen die radial zunehmenden Zentrifugalkräfte dar. Im Zentrifugalkraftfeld stellt sich bereits ohne Strömung eine radial zunehmende hydrostatische Druckverteilung im Arbeitsgas ein. Wird nun im Rohrsystem, beispielsweise durch einen Lüfter (schematisch dargestellt bei L), eine Strömung erzeugt, stellt sich nach kurzer Zeit zwischen A und B ein adiabatischer Temperaturanstieg ein, ebenso ein Temperaturabfall zwischen C und D. Ohne Wärmeaustausch über die Wandungen des Kanals 2 stellt sich eine statische, nur vom Abstand zur Drehachse abhängige und radial zunehmende Temperaturverteilung ein. Temperaturgradient und Zentrifugalbeschleunigung stehen bei gegebener Gasart in linearem Zusammenhang (dT/dr ~ ω2ή. Die Temperaturdifferenzen (B-A oder D-C) hängen dabei nur von der Rotordrehzahl, den Abständen zur Drehachse 4 und dem verwendeten Gas ab, nicht aber von der (von 0 verschiedenen) Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsgases.The underlying principle will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Fig. 1 shows a closed pipe system in a rotating body, for example mounted in a rotor. In a channel 2, the working gas circulates as indicated by the arrows. The rotation axis 4 is perpendicular to the plane of the drawing and intersects it at x. The radial arrows represent the radially increasing centrifugal forces. In the centrifugal force field, even without flow, a radially increasing hydrostatic pressure distribution in the working gas sets in. If now a flow is generated in the pipe system, for example by a fan (shown schematically at L), an adiabatic temperature increase arises after a short time between A and B, likewise a temperature drop between C and D. Without heat exchange via the walls of the channel 2 a static, only depending on the distance from the axis of rotation and radially increasing temperature distribution sets. Temperature gradient and centrifugal acceleration are linearly related for a given gas type (dT / dr ~ ω 2 ή.) The temperature differences (BA or DC) depend only on the rotor speed, the distances to the axis of rotation 4 and the gas used, but not of the (from 0 different) flow rate of the working gas.
Die Strömung des Gases im rotierenden Bezugssystem erzeugt im Gas Corioliskräfte, die auf die Wandungen des Rohres wirken. Dadurch wird auf dem Weg von A nach B ein Drehmoment entgegen der Drehrichtung, auf dem Weg von C nach D ein Drehmoment in Drehrichtung erzeugt. Beide Drehmomente heben sich vollständig auf, führen aber zu Spannungen oder Verwindungen im rotierenden Körper. Energetisch betrachtet wird die bei der Entspannung (von C nach D) freiwerdende Coriolisleistung im rotierenden Körper sofort und verlustfrei in die zur Verdichtung (von A nach B) notwendige Coriolisleistung gesteckt.The flow of gas in the rotating reference system creates in the gas Coriolis forces acting on the walls of the pipe. As a result, on the way from A to B, a torque is generated counter to the direction of rotation, on the way from C to D, a torque in the direction of rotation. Both torques cancel each other out completely, but lead to tensions or twists in the rotating body. From an energy point of view, the release of Coriolis in the rotating body during relaxation (from C to D) is immediately and losslessly plugged into the Coriolis power required for compression (from A to B).
Fig. 2 zeigt ein offenes System mit dem Unterschied zu Fig. 1 , dass das Arbeitsgas durch Öffnungen, d.h. Einlass 6 und Auslass 8, im rotierenden Körper bei A und D mit der nicht rotierenden Umgebung verbunden ist. Der Kreislauf wird also durch extern angebrachte Lüfter (hier nicht dargestellt) geschlossen. Das System arbeitet als Kältemaschine, wenn im niedrigen Temperaturniveau (bei D) der Umgebung Wärme entzogen wird, oder als Wärmemaschine, wenn im hohen Temperaturniveau in einem dünnen Kanalabschnitt 10 (zwischen B und G) Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Fig. 3 stellt das Zustandsdiagramm eines Gaspakets dar, das die Darstellungen nach Fig. 1 oder Fig. 2 durchläuft. Das Gaspaket wird durch den Lüfter von Anfangsdruck und -temperatur (P1, T1) unter Arbeitseinsatz auf P2, T2 am Einlass 6 des rotierenden Körpers (A) verdichtet. Dann erfolgt die weitere adiabatische Verdichtung im Kanal 2 durch Strömung in der hydrostatischen Gassäule bis zum Druck- und Temperaturmaximum (P3, T3) bei B. Das Gaspaket strömt nun- bei Gleichdruck im Kanalabschnitt 10 nach C und gibt dabei Wärme ab. Nach einer Abkühlung um T4-T3 beginnt die Entspannung in der Gassäule entgegen der Zentrifugalkraft zum Auslass 8 bei D. Bei der Entspannung durchläuft das Gaspaket wieder die gleiche Temperaturdifferenz wie bei der Verdichtung (T3-T2 = T4-T5), vorausgesetzt, die radialen Wege der beiden Gassäulen sind dieselben. Im geschlossenen System (Fig. 1) nimmt das Gas bei D wieder Wärme auf (von T5 auf T1). Im offenen System (Fig. 2) verlässt das Gas den rotierenden Körper bei Anfangsdruck P1 um den Betrag T1-T5 abgekühlt. Der notwendige Verdichtungsdruck durch den Lüfter (P2-P1) stellt sich automatisch so ein, dass die Strömungsverluste und die notwendige ther- modynamische Arbeitsleistung der Wärme-/Kältemaschine erbracht werden. Für den theoretischen Wirkungsgrad der Kältemaschine gilt nach dem Brayton-Zyklus:
Figure imgf000006_0001
Für den theoretischen Wirkungsgrad der Wärmemaschine gilt nach dem Brayton-Zyklus: WheiZ/Wmech=T4/(T4-T5).
Fig. 2 shows an open system with the difference from Fig. 1 that the working gas is connected through openings, ie inlet 6 and outlet 8, in the rotating body at A and D with the non-rotating environment. The circuit is thus closed by externally mounted fan (not shown here). The system operates as a chiller when heat is removed from the environment at the low temperature level (at D) or as a heat engine when heat is released to the environment at a high temperature level in a thin channel section 10 (between B and G). FIG. 3 illustrates the state diagram of a gas packet that traverses the representations of FIG. 1 or FIG. 2. The gas package is compressed by the fan from the initial pressure and temperature (P1, T1) while working on P2, T2 at the inlet 6 of the rotating body (A). Then the further adiabatic compression takes place in the channel 2 by flow in the hydrostatic gas column up to the pressure and temperature maximum (P3, T3) at B. The gas packet now flows at constant pressure in the channel section 10 to C and releases heat. After cooling down around T4-T3, the relaxation in the gas column against the centrifugal force to the outlet 8 begins at D. During the relaxation, the gas package again passes through the same temperature difference as in the compression (T3-T2 = T4-T5), provided the radial Paths of the two gas columns are the same. In the closed system (Figure 1), the gas at D takes up heat again (from T5 to T1). In the open system (Figure 2), the gas exits the rotating body at initial pressure P1 by the amount T1-T5. The necessary compaction pressure through the fan (P2-P1) is adjusted automatically so that the flow losses and the necessary thermodynamic work output of the heat / chiller are provided. For the theoretical efficiency of the chiller after the Brayton cycle:
Figure imgf000006_0001
For the theoretical efficiency of the heat engine, the following applies after the Brayton cycle: Whe i Z / W mech = T4 / (T4-T5).
Das System arbeitet als Wärmekraftmaschine, wenn Wärme im hohen Temperaturniveau (zwischen B und C) in das System gesteckt wird und im niedrigen Temperaturniveau (bei A) an die Umgebung abgegeben wird. Dabei wird das Zustandsdiagramm in Fig. 3 umgekehrt durchlaufen. Das Gaspaket startet bei A mit Anfangsdruck und -temperatur P1 , T5. Von A nach B erfolgt die adiabatische Verdichtung im Kanal 2 durch Strömung in der hydrostatischen Gassäule auf P3, T4 bei B. Das Gaspaket strömt nun bei Gleichdruck nach C und nimmt dabei Wärme von einer externen Wärmequelle auf. Nach einer Aufheizung um T3-T4 beginnt die Entspannung in der Gassäule entgegen der Zentrifugalkraft nach D. Bei der Entspannung durchläuft das Gaspaket wieder die gleiche Temperaturdifferenz wie bei der Verdichtung (T3-T2 = T.4- T5), vorausgesetzt die radialen Wege der beiden Gassäulen sind dieselben. Zwischen D und A erfolgt die Restentspannung auf P1 , T1 unter Abgabe von Arbeitsleistung in einer Turbine. Die Abwärme T1-T5 wird in die Umgebung entlassen. Der entsprechende theoretische Wirkungsgrad ist: WmeCh/Wheiz=(T4-T5)/T4. ,The system works as a heat engine when heat is introduced into the system at high temperature levels (between B and C) and released into the environment at low temperature levels (at A). In this case, the state diagram in Fig. 3 is reversed. The gas package starts at A with initial pressure and temperature P1, T5. From A to B, the adiabatic compression in channel 2 takes place through flow in the hydrostatic gas column to P3, T4 at B. The gas package now flows at constant pressure to C and absorbs heat from an external heat source. After heating up by T3-T4, the relaxation in the gas column begins against the centrifugal force to D. During the relaxation, the gas package runs through the same temperature difference as in the compression (T3-T2 = T.4- T5), assuming the radial paths of the both gas columns are the same. Between D and A, the residual relaxation takes place on P1, T1 with delivery of work in a turbine. The waste heat T1-T5 is released into the environment. The corresponding theoretical efficiency is: W meCh / W he i z = (T4-T5) / T4. .
Die verlustfreie Verdichtung und Entspannung bedeutet eine wesentliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen thermodynamischen Strömungsmaschinen.The lossless compression and relaxation means a significant improvement over conventional thermodynamic turbomachinery.
Durch die Nutzung der gasförmigen Umgebung als Wärmereservoir des offenen Systems entstehen keine Wärmetauschverluste auf Niedertemperaturseite.By using the gaseous environment as the heat reservoir of the open system no heat exchange losses occur on the low temperature side.
Über die Drehzahl kann die Maschine optimal auf die notwendigen Temperaturniveaus eingestellt werden.The speed can be used to optimally adjust the machine to the required temperature levels.
Die Leistung der Vorrichtung als Wärmepumpe oder Kältemaschine kann über den durch den Lüfter erzeugten Massenstrom über einen weiten Bereich gesteuert werden. Selbst bei geringen Massenströmen ist ein hoher Wirkungsgrad zu erwarten, da der Verdichter nur Wirkleistung aufbringen muss und der rotierende Körper nur Lagerverluste kompensieren muss.The performance of the device as a heat pump or chiller can be controlled over the mass flow generated by the fan over a wide range. Even with low mass flows, a high level of efficiency is to be expected since the compressor only has to apply active power and the rotating body only has to compensate for bearing losses.
Der Lüfter bzw. die Turbine überträgt nur die Wirkarbeit, d.h. der Turbinenwirkungsgrad geht als einfacher Faktor in den Gesamtwirkungsgrad ein.The fan or the turbine transmits only the active work, i. The turbine efficiency is a simple factor in the overall efficiency.
In einer Ausführung als geschlossenes System unter Benutzung schwerer einatomiger Gase kann die notwendige Drehzahl wesentlich verringert werden.In a closed system design using heavy monatomic gases, the necessary speed can be substantially reduced.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines offenen Systems ist in Fig. 4a bis c in einem Längsschnitt und zwei Querschnitten dargestellt. Die thermodynamische Strömungsmaschine besteht aus einem symmetrischen drehbaren Körper, der eine Außentrommel aufweist, die aus mehreren aufeinander folgenden Abschnitten 12, 14, 16, 18 und 20 besteht. Die Endabschnitte 12 und 20 bilden dabei eine Zylinderform, wobei sie relativ nahe an der Drehachse 4 verlaufen, während die Abschnitte 14 und 18 die Form eines Kegelstumpfes bilden, der sich zu einem Mittelabschnitt 16 hin öffnet, der wiederum die Form eines Zylinders mit größerem Radius um die Drehachse 4 bildet. Der Mittelabschnitt 16 wird somit auch als Mantelflächenabschnitt des drehbaren Körpers bezeichnet. Die Strömungsmaschine weist außerdem eine Innentrommel 22 auf, die im Bereich des Mantelflächenabschnitts 16 angeordnet ist und nahe an diesen heranreicht. Im Inneren des Körpers sind wiederum Kanäle 2 ausgebildet, die in tangentialer Richtung durch Seitenwände 24 voneinander getrennt sind. Sie münden an jeder Stirnseite in eine konzentrische kreisförmige Öffnung (Einlass 6 bzw. Auslass 8) um die Drehachse 4. Die Öffnungsdurchmesser sollen so gering wie möglich sein, z.B. 25 % des Durchmessers des rotierenden Körpers nicht überschreiten. Im Bereich zwischen Innentrommel 22 und Mantelflächenabschnitt 16 der Außentrommel ist der dünne Kanalabschnitt 10 ausgebildet, in dem das Gas im Betrieb eine hohe Temperatur und einen hohen Druck besitzt. Es ist wesentlich, dass die radiale Ausdehnung der Kanalabschnitte 10 zwischen Innentrommel 22 und Mantelflächenabschnitt 16 (siehe Schnitt Y-Y) so gering wie möglich gehalten wird, da bei maximalem Abstand von der Drehachse 4 sowohl Druck- als auch Temperaturgradient maximal sind. Große Aus- deKnungen vermindern den Wirkungsgrad.An embodiment of an open system according to the invention is shown in FIGS. 4a to 4c in a longitudinal section and two cross sections. The thermodynamic fluid machine consists of a symmetrical rotatable body having an outer drum, which consists of several successive sections 12, 14, 16, 18 and 20. The end portions 12 and 20 thereby form a cylindrical shape, wherein they are relatively close to the axis of rotation 4, while the portions 14 and 18 form the shape of a truncated cone, which opens to a central portion 16, which in turn takes the form of a cylinder of larger radius forms around the axis of rotation 4. The central portion 16 is thus also referred to as a lateral surface portion of the rotatable body. The turbomachine also has an inner drum 22, which is arranged in the region of the lateral surface portion 16 and extends close to this. In the interior of the body, in turn, channels 2 are formed, which are separated from one another in the tangential direction by side walls 24. They open at each end face in a concentric circular opening (inlet 6 and outlet 8) about the axis of rotation 4. The opening diameter should be as small as possible, for example 25% of the diameter of the rotating body does not exceed. In the area between the inner drum 22 and the lateral surface portion 16 of the outer drum of the thin channel portion 10 is formed, in which the gas has a high temperature and high pressure during operation. It is essential that the radial extent of the channel sections 10 between the inner drum 22 and lateral surface section 16 (see section YY) is kept as low as possible, since at maximum distance from the axis of rotation 4 both pressure gradient and temperature gradient are maximal. Large dimensions reduce the efficiency.
Die für das Funktionsprinzip wesentlichen Seitenwände 24 dienen zur Aufnahme der aufgrund der radialen Gasströmungskomponente auftretenden Corioliskräfte und müssen deshalb mechanisch stabil ausgeführt sein. Die Anfangs- und Endabschnitte der Seitenwände 24 können strömungsgünstig geformt sein. Lediglich in Bereichen, in denen keine oder nur eine geringe Corioliskraft auftritt, können die Seitenwände 24 unterbrochen sein, also beispielsweise im Bereich des Kanalabschnitts 10.The essential for the operating principle side walls 24 serve to receive the occurring due to the radial gas flow component Coriolis forces and must therefore be performed mechanically stable. The beginning and end portions of the side walls 24 may be aerodynamically shaped. Only in areas in which no or only a small Coriolis force occurs, the side walls 24 may be interrupted, so for example in the region of the channel portion 10th
Alle in radialer Richtung verlaufenden Strukturen dieser Ausführungsform bestehen aus möglichst wenig wärmeleitenden und hochfesten Materialien, z.B. Faserverbundwerkstoffen.All of the radially extending structures of this embodiment are made of as few thermally conductive and high strength materials as possible, e.g. Fiber composites.
Der rotierende Körper kann durch einen üblichen Motor, z.B. Elektromotor, angetrieben werden, der die Drehzahl regelt. Die dargestellte Welle im Bereich der Drehachse 4 ist nicht zwingend notwendig, kann aber als Lagerung dienen. Nicht dargestellt sind Lüfter oder Turbine, die am Einlass 6 oder Auslass 8 angebracht sind und die mechanische Leistung umsetzen. Die Endabschnitte 12, 20 der Außentrommel können e- benfalls zur Lagerung verwendet werden, auch als luftdichter Anschluss für Lüfter o- der Turbine. Alternativ kann ein Impeller zwischen Achse 4 und den Endabschnitten 1220 der Außentrommel für die Lüfter- bzw. Turbinenfunktion installiert werden. Die hier dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsform als Luft-Luft-Wärmepumpe benutzt die Luft als Wärmequelle und als Arbeitsgas. Beim Einlass ist ein Lüfter (nicht dargestellt) als Antrieb angebracht. Die Wärmeabgabe erfolgt über den rotierenden Mantelflächenabschnitt 16, der aus gut wärmeleitendem Material bestehen sollte, an die den Körper umgebende Luftschicht, die als Heizluft direkt genutzt wird.The rotating body can be driven by a conventional motor, such as an electric motor, which controls the speed. The shaft shown in the region of the axis of rotation 4 is not absolutely necessary, but can serve as storage. Not shown are fans or turbines, which are attached to the inlet 6 or outlet 8 and implement the mechanical power. The end sections 12, 20 of the outer drum can also be used for storage, also as an airtight connection for fans or turbine. Alternatively, an impeller may be installed between axis 4 and the outer sections 1220 of the outer drum for the fan or turbine function. The embodiment of the invention shown here as an air-to-air heat pump uses the air as a heat source and working gas. At the inlet, a fan (not shown) is mounted as a drive. The heat is dissipated via the rotating lateral surface portion 16, which should consist of good heat conducting material, to the body surrounding air layer, which is used directly as heating air.
Eine erfindungsgemäße Ausführung als Luft-Wasser-Wärmepumpe (nicht dargestellt) entsteht aus der gleichen Anordnung, indem der rotierende Körper von einem Wärmetauscher umgeben ist, z.B. einer Rohrwicklung um den Mantelflächenabschnitt 16, in der die Flüssigkeit zirkuliert. Dabei wird die Wärme hauptsächlich durch Wärmeleitung im möglichst kleinen Luftspalt zwischen Mantelflächenabschnitt 16 und Wärmetauscher transportiert.An embodiment according to the invention as an air-water heat pump (not shown) arises from the same arrangement in that the rotating body is surrounded by a heat exchanger, e.g. a tube winding around the lateral surface portion 16, in which the liquid circulates. The heat is mainly transported by heat conduction in the smallest possible air gap between lateral surface portion 16 and heat exchanger.
Für Ausführungen als Wärmekraftmaschine kann prinzipiell jede äußere Wärmequelle benutzt werden, die dem Mantelflächenabschnitt 16 bei der gewählten Temperatur Wärme zuführt. Besonders günstig ist jedoch die Verwendung von Solarenergie als Wärmequelle. Mit Hilfe von Reflektoren kann die Strahlung direkt auf den Mantelflächenabschnitt 16 gebündelt werden, ohne Umwege über weitere Wärmetauscher. Im stationären Betrieb wandelt eine am Auslass 8 angebrachte Turbine (nicht dargestellt) den Restdruck des Arbeitsgases in verfügbare Wellenleistung um.For embodiments as a heat engine, in principle any external heat source can be used which supplies heat to the lateral surface section 16 at the selected temperature. However, the use of solar energy as a heat source is particularly favorable. With the help of reflectors, the radiation can be focused directly on the lateral surface portion 16, without detours through other heat exchangers. In steady state operation, a turbine (not shown) attached to the outlet 8 converts the residual pressure of the working gas into available shaft power.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung als Wärmekraftmaschine nutzt die innere Verbrennung mit Luft als Arbeitsgas. Der Treibstoff wird etwa durch einen getrennten Zuführkanal (nicht dargestellt) im Bereich der Drehachse 4 des rotierenden Körpers sowie eine radial verlaufende Zuführleitung (nicht dargestellt) geleitet und der Luft im Kanalabschnitt 10 zugemischt. Die Verbrennung und damit die Wärmezufuhr erfolgt somit im Druckmaximum. Bei dieser Ausführung ist der Körper bestmöglich wärmeisoliert, so dass auch hier eine nahezu ideale Umsetzung des thermodynamischen Prinzips erreicht wird. Zur Verringerung von Verlusten kann der Körper in einem evakuierten Gehäuse gelagert sein.Another embodiment of the invention as a heat engine uses the internal combustion with air as the working gas. The fuel is passed approximately through a separate supply channel (not shown) in the region of the axis of rotation 4 of the rotating body and a radially extending supply line (not shown) and admixed with the air in the channel section 10. The combustion and thus the heat supply thus takes place in the pressure maximum. In this design, the body is best thermally insulated, so that here, too, a nearly ideal implementation of the thermodynamic principle is achieved. To reduce losses, the body may be stored in an evacuated housing.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Ausführungsform vereinigt eine Wärmepumpe und eine Wärmekraftmaschine. Von links tritt das Arbeitsgas in einen rotierenden Körper ein und wird verdichtet. Im Temperatur- und Druckmaximum an der größten Umfangsgeschwindigkeit in einem ersten dünnen Kanalabschnitt 10a angrenzend an einen ersten Mantelflächenabschnitt 16a wird wiederum extern oder durch Verbrennung Wärme zugeführt (Wärmezuführvorrichtungen nicht dargestellt). Nach teilweiser Entspannung erfolgt eine Wärmeabgabe auf niedrigerem Temperaturniveau im Bereich eines zweiten dünnen Kanalabschnitts 10b über einen zweiten gut wärmeleitenden Mantelflächenabschnitt 16b.Another embodiment according to the invention is shown in FIG. This embodiment combines a heat pump and a heat engine. From the left, the working gas enters a rotating body and is compressed. In the temperature and pressure maximum at the highest peripheral speed in a first thin channel portion 10a adjacent to a first lateral surface portion 16a is in turn externally or by combustion heat supplied (heat supply devices not shown). After partial relaxation, heat is released at a lower temperature level in the region of a second thin channel section 10b via a second good heat-conducting lateral surface section 16b.
In dieser Ausführungsform heben sich der Einfluss von Aufheizung und Abkühlung auf den Restdruck am Auslass 8 auf, eine weitere mechanische Antriebsquelle zur Förderung des Arbeitsgases wird nicht benötigt. Diese Anordnung stellt eine thermisch angetriebene Wärmepumpe oder Kältemaschine dar, wiederum bei höchstmöglichem Wirkungsgrad. Der Körper muss nur durch einen geeigneten Antrieb auf Drehzahl gehalten werden, allerdings mit geringer Leistungsaufnahme zur Überwindung der Reibung.In this embodiment, the influence of heating and cooling on the residual pressure at the outlet 8 cancel, a further mechanical drive source for conveying the working gas is not needed. This arrangement represents a thermally driven heat pump or chiller, again at the highest possible efficiency. The body only needs to be kept at speed by a suitable drive, but with low power consumption to overcome the friction.
Es ist klar, dass verschiedene geometrische Ausgestaltungen denkbar sind, die von den bisher genannten Beispielen abweichen, aber dennoch unter das erfindungsgemäße Konzept fallen, wie es durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Außerdem kann eine Turbine auch am Einlass angekoppelt sein, die dann als „Saugturbine" wirkt, und ein Lüfter kann auch am Auslass angekoppelt sein, der dann das Gas aus dem rotierenden Körper saugt. Diese beiden Varianten sind dann sinnvoll, wenn ein und dieselbe Maschine sowohl also Wärme-/Kältemaschine als auch als Wärmekraftmaschine verwendet wird und aus aerodynamischen Gründen die Strömungsrichtung beibehalten wird.It is clear that various geometrical configurations are conceivable, which deviate from the previously mentioned examples, but nevertheless fall under the inventive concept, as defined by the appended claims. In addition, a turbine can also be coupled to the inlet, which then acts as a "suction turbine", and a fan can also be coupled to the outlet, which then sucks the gas out of the rotating body, which makes sense if one and the same machine So both heat / chiller and used as a heat engine and aerodynamic reasons, the flow direction is maintained.
In der Kälte- und Wärmetechnik liefert die vorliegende Erfindung beträchtliches Energieeinsparungspotential durch bessere Wirkungsgrade. Als Wärmekraftmaschine liegen mögliche Anwendungen z.B. in Kraftwerken, insbesondere Solarkraftwerken, bei Nutzung von geringen Temperaturdifferenzen zur Energieerzeugung, bei Hybridantrieben in Verbindung mit innerer Verbrennung. Durch die geringe Anzahl der Teile wird eine kostengünstige Fertigung in allen Anwendungsbereichen ermöglich. In the refrigeration and heat engineering, the present invention provides considerable energy savings potential through better efficiencies. As a heat engine, possible applications include e.g. in power plants, in particular solar power plants, when using low temperature differences for power generation, in hybrid drives in conjunction with internal combustion. Due to the small number of parts, a cost-effective production in all applications possible.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben einer thermodynamischen Strömungsmaschine mit einem Gas als Arbeitsmittel auf der Basis des Brayton-Zyklus oder des umgekehrten Brayton-Zyklus, wobei das Gas im Inneren eines um eine Drehachse (4) rotierenden Körpers verdichtet und entspannt wird und die Verdichtungsund Entspannungsarbeit durch Strömung in Gassäulen im Zentrifugalkraftfeld des rotierenden Körpers erfolgt, indem das Gas im rotierenden Körper in mindestens einem Kanal (2) geführt wird, der sowohl eine Strömung des Gases von achsnahen Bereichen zu achsfernen Bereichen des rotierenden Körpers, wodurch die Verdichtung bewirkt wird, als auch eine Strömung des Gases von achsfernen Bereichen zu achsnahen Bereichen des rotierenden Körpers, wodurch die Entspannung bewirkt wird, erzwingt,1. A method for operating a thermodynamic fluid machine with a gas as a working fluid on the basis of the Brayton cycle or the reverse Brayton cycle, wherein the gas is compressed and relaxed inside a rotating about a rotation axis (4) body and the compression and relaxation work Flow in gas columns in the centrifugal force field of the rotating body is carried out by the gas in the rotating body in at least one channel (2), which both a flow of gas from near-axis regions to off-axis portions of the rotating body, whereby the compression is effected, as well a flow of the gas from off-axis areas to near-axis areas of the rotating body, whereby the relaxation is effected forces,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die bei der radialen Verdichtungs- oder Entspannungsströmung des Gases im mindestens einen Kanal (2) auftretenden Corioliskräfte durch eine den Kanal (2) in tangentialer Richtung begrenzende Seitenwand (24) vollständig aufgenommen werden.the Coriolis forces occurring in the radial compression or expansion flow of the gas in the at least one channel (2) are completely absorbed by a side wall (24) bounding the channel (2) in the tangential direction.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas mit möglichst niedriger spezifischer Wärmekapazität, beispielsweise Xenon, verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a gas with the lowest possible specific heat capacity, such as xenon, is used.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem parallel zu einem Mantelflächenabschnitt (16) des rotierenden Körpers verlaufenden Abschnitt (10) des mindestens einen Kanals (2) in der Hochdruckphase des Gases ein Wärmeaustausch stattfindet.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in a parallel to a lateral surface portion (16) of the rotating body extending portion (10) of the at least one channel (2) takes place in the high pressure phase of the gas heat exchange.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebung des Mantelflächenabschnitts (16) durch den Wärmeaustausch erwärmt wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that the environment of the lateral surface portion (16) is heated by the heat exchange.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Mantelflä- chenabschnitt (16) durch den Wärmeaustausch zusätzliche Wärme aus der Umgebung zugeführt wird.5. The method according to claim 3, characterized in that the Mantelflä- chenabschnitt (16) by the heat exchange additional heat from the environment is supplied.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustausch in der Hochdruckphase des Gases durch innere Verbrennung eines Treibstoffs erfolgt.6. The method according to claim 3, characterized in that the heat exchange takes place in the high pressure phase of the gas by internal combustion of a fuel.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten, parallel zu einem ersten Mantelflächenabschnitt (16a) verlaufenden Abschnitt (10a) des Kanals (2) dem Gas in der Hochdruckphase durch Wärmeaustausch oder durch innere Verbrennung eines Treibstoffs zusätzliche Wärme zugeführt wird, und dass in einem zweiten, parallel zu einem zweiten, näher an der Achse angeordneten Mantelflächenabschnitt (16b) verlaufenden Abschnitt (10b) des Kanals (2) die Umgebung des zweiten Mantelflächenabschnitts (16b) durch Wärmeaustausch erwärmt wird.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that in a first, parallel to a first lateral surface portion (16a) extending portion (10a) of the channel (2) the gas in the high pressure phase by heat exchange or by internal combustion of a fuel additional heat is supplied, and that in a second, parallel to a second, closer to the axis arranged lateral surface portion (16b) extending portion (10b) of the channel (2), the environment of the second lateral surface portion (16b) is heated by heat exchange.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas über einen achsnahen Auslass (8) des Kanals (2) zu einer Turbine geleitet wird, durch die der Restdruck des Gases in mechanische Leistung umgewandelt wird.8. The method according to any one of claims 5 to 7, characterized in that the gas is passed via a near-axis outlet (8) of the channel (2) to a turbine, by which the residual pressure of the gas is converted into mechanical power.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem parallel und nahe zur Achse des rotierenden Körpers verlaufenden Abschnitt des mindestens einen Kanals (2) in der Niederdruckphase des Gases ein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet.9. The method according to claim 1 or 2, characterized in that takes place in a parallel and close to the axis of the rotating body extending portion of the at least one channel (2) in the low pressure phase of the gas heat exchange with the environment.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebung des parallel und nahe zur Achse angeordneten Abschnitts des Kanals (2) durch den Wärmeaustausch abgekühlt wird.10. The method according to claim 9, characterized in that the environment of the parallel and arranged close to the axis portion of the channel (2) is cooled by the heat exchange.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustausch in der Niederdruckphase des Gases durch Massenaustausch über einen achsnahen Einlass (6) und Auslass (8) des Kanals (2) zur Umgebung erfolgt. 11. The method according to claim 9, characterized in that the heat exchange in the low pressure phase of the gas by mass exchange via a near-axis inlet (6) and outlet (8) of the channel (2) to the environment.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mittels eines Verdichters über einen achsnahen Einlass (6) in den Kanal (2) gefördert wird.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the gas is conveyed by means of a compressor via a near-axis inlet (6) in the channel (2).
13. Thermodynamische Strömungsmaschine mit einem Gas, das als Arbeitsmittel dient, und einem um eine Drehachse (4) drehbaren Körper, der mindestens einen Kanal (2) aufweist, in den das Gas einführbar ist und der darauf ausgerichtet ist, bei Drehung sowohl eine Strömung des Gases von achsnahen Bereichen zu achsfemen Bereichen des drehbaren Körpers, wodurch eine Verdichtung bewirkt wird, als auch eine Strömung des Gases von achsfernen Bereichen zu achsnahen Bereichen des drehbaren Körpers, wodurch eine Entspannung bewirkt wird, zu erzwingen,A thermodynamic turbomachine comprising a gas acting as a working fluid and a body rotatable about an axis of rotation (4) having at least one channel (2) into which the gas is insertable and which is oriented to rotate upon rotation the gas from near-axis regions to achsfemen areas of the rotatable body, whereby a compression is effected, as well as a flow of the gas from off-axis regions to near-axis regions of the rotatable body, whereby a relaxation is caused to force
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
der mindestens eine Kanal (2) in tangentialer Richtung durch eine Seitenwand (24) begrenzt ist, die zur vollständigen Aufnahme der bei der radialen Verdich- tungs- oder Entspannungsströmung des Gases entstehenden Corioliskräfte dient.the at least one channel (2) is delimited in the tangential direction by a side wall (24) which serves to completely accommodate the Coriolis forces arising during the radial compression or expansion flow of the gas.
14. Thermodynamische Strömungsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas, beispielsweise Xenon, eine möglichst niedrige spezifische Wärmekapazität aufweist.14. Thermodynamic turbomachine according to claim 13, characterized in that the gas, for example xenon, has the lowest possible specific heat capacity.
15. Thermodynamische Strömungsmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Körper einen Mantelflächenabschnitt (16) sowie einen dünnen Abschnitt (10) des mindestens einen Kanals (2) im Bereich des Mantelflächenabschnitts (16) aufweist, in dem Gas in der Hochdruckphase geführt wird.15. Thermodynamic turbomachine according to claim 13 or 14, characterized in that the rotatable body has a lateral surface portion (16) and a thin portion (10) of the at least one channel (2) in the region of the lateral surface portion (16), in the gas in the High pressure phase is performed.
16. Thermodynamische Strömungsmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelflächenabschnitt (16) eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. 16. Thermodynamic turbomachine according to claim 15, characterized in that the lateral surface section (16) has a good thermal conductivity.
17. Thermodynamische Strömungsmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein Wärmetauscher um den Mantelflächenabschnitt (16) herum angeordnet ist.17. Thermodynamic turbomachine according to claim 16, characterized in that a heat exchanger is arranged around the lateral surface section (16).
18. Thermodynamische Strömungsmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Drehachse (4) ein Zuführkanal für Treibstoff vorgesehen ist, der über eine radial verlaufende Zuführleitung mit dem dünnen Abschnitt (10) des Kanals verbunden ist.18. Thermodynamic turbomachine according to claim 16, characterized in that in the region of the axis of rotation (4) a supply channel for fuel is provided, which is connected via a radially extending supply line with the thin portion (10) of the channel.
19. Thermodynamische Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Körper einen ersten, parallel zu einem ersten Mantelflächenabschnitt (16a) verlaufenden Abschnitt (10a) des Kanals (2) aufweist, der zur Leitung von Gas in der Hochdruckphase dient, wobei entweder der erste Mantelflächenabschnitt (16a) eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt oder im Bereich der Drehachse (4) ein Zuführkanal für Treibstoff vorgesehen ist, der über eine radial verlaufende Zuführleitung mit dem dünnen Kanalabschnitt (10a), der im Bereich des ersten Mantelflächenabschnitts (16a) angeordnet ist, verbunden ist, und dass der drehbare Körper einen zweiten, näher an der Achse angeordneten Mantelflächenabschnitt (16b) aufweist, der eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt.19. Thermodynamic turbomachine according to one of claims 16 to 18, characterized in that the rotatable body has a first, parallel to a first lateral surface portion (16 a) extending portion (10 a) of the channel (2), which is for the passage of gas in the high pressure phase is used, wherein either the first lateral surface portion (16a) has a good thermal conductivity or in the region of the rotation axis (4) a supply channel for fuel is provided, which via a radially extending feed line with the thin channel portion (10a), in the region of the first lateral surface portion ( 16a), and that the rotatable body has a second, closer to the axis arranged lateral surface portion (16b), which has a good thermal conductivity.
20. Thermodynamische Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (2) einen achsnahen Auslass (8) aufweist, und dass die Strömungsmaschine eine Turbine aufweist, die mit dem Auslass (8) in Verbindung steht.20. Thermodynamic turbomachine according to one of claims 16 to 19, characterized in that the channel (2) has a near-axis outlet (8), and that the turbomachine has a turbine which communicates with the outlet (8).
21. Thermodynamische Strömungsmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (2) einen parallel und nahe zur Achse des rotierenden Körpers verlaufenden Abschnitt aufweist, der eine Innenwandung mit guter Wärmeleitfähigkeit besitzt.21. Thermodynamic turbomachine according to claim 13 or 14, characterized in that the channel (2) has a parallel and close to the axis of the rotating body extending portion having an inner wall with good thermal conductivity.
22. Thermodynamische Strömungsmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (2) im achsnahen Bereich einen Einlass (6) und einen Auslass (8) für das Gas aufweist. 22. Thermodynamic turbomachine according to claim 13 or 14, characterized in that the channel (2) has an inlet (6) and an outlet (8) for the gas in the area close to the axis.
3. Thermodynamische Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Verdichter aufweist, der dazu geeignet ist, das Gas über einen achsnahen Einlass (6) in den Kanal (2) zu fördern. 3. Thermodynamic turbomachine according to one of claims 13 to 22, characterized in that it comprises a compressor which is adapted to promote the gas via a near-axis inlet (6) in the channel (2).
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