WO2015103656A1

WO2015103656A1 - Vorrichtung zum umwandeln thermischer energie

Info

Publication number: WO2015103656A1
Application number: PCT/AT2015/050005
Authority: WO
Inventors: Bernhard Adler; Sebastian Riepl
Original assignee: Ecop Technologies Gmbh
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2015-07-16
Also published as: US9897348B2; CN105934640A; AT515210B1; US20160377327A1; EP3092447A1; CN105934640B; AT515210A4; EP3092447B1

Abstract

Vorrichtung (20) zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem drehbar um eine Drehachse (22) gelagerten Rotor (21), in dem ein Strömungskanal für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium vorgesehen ist, das in einer Verdichtereinheit (23) zur Druckerhöhung mit Bezug auf die Drehachse nach außen geführt wird und in einer Entspannungseinheit (24) zur Druckverringerung mit Bezug auf die Drehachse (22) nach innen geführt wird, wobei zumindest ein in Bezug auf die Drehachse innerer Wärmetauscher (1'') und zumindest ein in Bezug auf die Drehachseäußerer Wärmetauscher (1') für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgesehen sind, wobei die Wärmetauscher (1', 1'') bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors (21) angeordnet sind, wobei der Rotor (21) einen den inneren (1'') und/oder äußeren Wärmetauscher (1') über die Länge abstützenden Stützkörper (51) zur Halterung des inneren (1'') und/oder äußeren Wärmetauschers (1') aufweist.

Description

Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem drehbar um eine Drehachse gelagerten Rotor, in dem ein Strömungskanal für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium vorgesehen ist, das in einer Verdichtereinheit zur Druckerhöhung mit Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen geführt wird und in einer Entspannungseinheit zur Druckverringerung mit Bezug auf die Drehachse im Wesentli^¬ chen radial nach innen geführt wird, wobei zumindest ein in Be^¬ zug auf die Drehachse innerer Wärmetauscher und zumindest ein in Bezug auf die Drehachse äußerer Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgesehen sind, wobei die Wärmetauscher bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors angeordnet sind.

Aus dem Stand der Technik sind bereits rotierende Wärmepumpen bzw. Wärmekraftmaschinen bekannt, bei denen ein gasförmiges Arbeitsmedium in einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess geführt wird.

In der WO 2009/015402 AI ist eine Wärmepumpe bzw. Wärmekraftma^¬ schine beschrieben, bei der das Arbeitsmedium in einem Rohrleitungssystem eines Rotors einen Kreisprozess mit den Arbeits^¬ schritten a) Verdichtung des Arbeitsmediums, b) Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium mittels eines Wärmetauschers, c) Entspannung des Arbeitsmediums und d) Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium mittels ei^¬ nes weiteren Wärmetauschers durchläuft. Die Druckerhöhung bzw. Druckverringerung des Arbeitsmediums stellt sich durch die Zent^¬ rifugalbeschleunigung ein, wobei das Arbeitsmedium in einer Verdichtungseinheit bezüglich einer Drehachse radial nach außen und in einer Entspannungseinheit radial nach innen strömt. Die Wär^¬ meabfuhr vom Arbeitsmedium an ein Wärmeaustauschmedium des Wärmetauschers erfolgt in einem axialen bzw. parallel zur Drehachse verlaufenden Abschnitt des Rohrleitungssystems, dem ein mitro^¬ tierender, das Wärmeaustauschmedium aufweisender Wärmetauscher zugeordnet ist. Diese Vorrichtung ermöglicht bereits eine effi^¬ ziente Umsetzung von mechanischer Energie und Wärmeenergie nied- riger Temperatur in Wärmeenergie höherer Temperatur.

In der Praxis werden hohe Anforderungen an die Stabilität der Vorrichtung gestellt, welche aufgrund der Drehbewegung des Ro^¬ tors hohen Fliehkräften ausgesetzt sein kann.

Im Stand der Technik wurden die Wärmetauscher im Bereich der stirnseitigen Enden der Wärmetauscher eingespannt. Nachteiligerweise können sich die Wärmetauscher bei dieser Ausführung im Betrieb zwischen den Einspannungen an den Enden durchbiegen, wodurch die Stabilität der Anordnung beeinträchtigt wird. Zudem kann hiermit die Betriebssicherheit nicht gewährleistet werden.

In der WO 98/30846 AI ist eine gattungsgemäße Rotor-Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie offenbart. Die US 3,846,302 beschreibt eine andersartige Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Schlämmen. Schließlich bezieht sich die US 3,258,197 auf eine andersartige Kühleinrichtung.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine rotierende Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie, wie eingangs angegeben, zu schaffen, welche hohen Kräften im Betrieb der Vorrichtung zuverlässig standhalten kann.

Dies wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch erzielt, dass der Rotor einen den inneren und/oder äußeren Wärmetauscher über dessen Längserstreckung abstützenden Stützkörper zur Halterung des inneren und/oder äußeren Wärmetauschers aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nützt die Zentrifugalbeschleu^¬ nigung des rotierenden Systems, um verschiedene Druck- bzw. Temperaturniveaus zu erzeugen; dem verdichteten Arbeitsmedium wird hierbei Wärme hoher Temperatur entzogen bzw. zugeführt und dem entspannten Arbeitsmedium wird Wärme vergleichsweise niedriger Temperatur zugeführt bzw. entzogen. Je nach Strömungsrichtung des Arbeitsmediums wird die Vorrichtung dabei wahlweise als Wär^¬ mepumpe oder Motor betrieben werden. Hierbei wird ein in Bezug auf die Drehachse innerer Wärmetauscher und zumindest ein in Be^¬ zug auf die Drehachse äußerer Wärmetauscher verwendet, welche bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors an- geordnet sind. Der innere Wärmetauscher ist für einen Wärmeaus^¬ tausch bei niedrigerer Temperatur und der äußere Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch bei höherer Temperatur vorgesehen. Bevorzugt sind mehrere innere Wärmetauscher und mehrere äußere Wärmetauscher vorgesehen, welche jeweils in gleichen radialen Abständen zur Drehachse angeordnet sind. Erfindungsgemäß weist der Rotor einen Stützkörper auf, welcher den inneren bzw. äußeren Wärmetauscher über die Länge des Wärmetauschers zwischen den Stirnseiten gegenüber im Betrieb auftretenden Radialkräften unterstützt. Bei dieser Ausführung weist der Rotor einen Stützkörper auf, welcher den inneren bzw. äußeren Wärmetauscher über die Länge des Wärmetauschers zwischen den Stirnseiten gegenüber im Betrieb auftretenden Radialkräften unterstützt. Vorteilhafterweise wird der Wärmetauscher mittels des Stützkörpers im Wesent^¬ lichen gleichmäßig in Längsrichtung des Wärmetauschers abge^¬ stützt, so dass lediglich geringe bzw. unkritische Biegungen entlang des Wärmetauschers auftreten. Bevorzugt sind sämtliche Wärmetauscher an einem gemeinsamen Stützkörper montiert, welcher als Bestandteil des Rotors um die Drehachse rotierend angeordnet ist. Hiermit kann eine besonders stabile Ausführung erzielt wer^¬ den, mit welcher die im Betrieb der Vorrichtung auftretenden Kräfte aufgenommen werden können. Der Stützkörper kann aus einem Bauteil oder mehreren, in Längsrichtung des Wärmetauschers beab- standeten Bauteilen bestehen.

Um den Stützkörper im Betrieb der Vorrichtung im Wesentlichen auf der Temperatur des zumindest einen inneren Wärmetauschers zu halten, ist es von Vorteil, wenn der zumindest eine äußere Wär^¬ metauscher zwischen dem Außenrohr und dem Stützkörper ein Isolationselement aus einem thermisch isolierenden Material aufweist, wobei der innere Wärmetauscher von einem Isolationselement frei bleibt. Um die absolute Temperatur niedrig zu halten, können die äußeren bzw. achsfernen Wärmetauscher, welche unter Normalbetrieb eine höhere relative Temperatur als die inneren bzw. achs^¬ nahen Wärmetauscher aufweisen, durch insbesondere rohrförmige Isolationselemente mit einer im Vergleich zum Stützkörper wesentlich niedrigeren Wärmeleitfähigkeit von dem Stützkörper wärmeisoliert werden. Das thermisch isolierende Material weist be^¬ vorzugt eine Zugfestigkeit von mindestens 10 Mpa auf, um ein Fließen unter der Belastung zu vermeiden. Zudem soll das ther- misch isolierende Material eine Temperaturstabilität aufweisen, die der maximalen Temperatur des Wärmetauschers entspricht. Da^¬ her bietet sich gewöhnliches Polycarbonat bei Einsatztemperatu^¬ ren bis max . 120°C an. Bei höheren Temperaturen bis ca. 200°C können Polyetheretherketon, insbesondere mit Füllstoffen wie Kohlefaser oder Glasfaser, Polyamid, insbesondere mit diversen Füllstoffen, Hartfaserwerkstoffe oder andere Hochtemperaturwerkstoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden. Durch die Wärmeisolation des Stützkörpers von dem äußeren Wärmetau^¬ scher einerseits bei Fehlen eines solchen Isolationselements am inneren Wärmetauscher andererseits sind für den Stützkörper im Wesentlichen die Temperaturen des inneren Wärmetauschers maßgebend. Dadurch treten vorteilhafterweise keine bzw. geringere Festigkeitseinbußen bei dem Stützkörper auf. Insbesondere wirkt sich dies bei Verwendung von Aluminium bzw. Aluminium- Legierungen aus, da diese in der Regel ab ca. 50°C Festigkeits^¬ abschläge zeigen. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass sich innerhalb des Stützkörpers geringere Tem^¬ peraturgradienten einstellen, da sich die Temperatur des achsnahen Wärmetauschers im Wesentlichen bis zur Isolationsschicht um den achsfernen Wärmetauscher einstellt. Dadurch kommt es zu geringeren Eigenspannungen im Stützkörper. Bei besonders hohen Temperaturen ist es allerdings auch denkbar, dass sowohl der achsferne als auch der achsnahe Wärmetauscher mittels Isolati^¬ onselementen von dem Stützkörper wärmeisoliert werden. In diesem Fall kann der Stützkörper mit einer aktiven Kühlung (z.B. über Wasserkühlung, Wärmestrahlung oder Konvektion) ausgestattet werden, um Einbußen in der Festigkeit des Stützkörpers zu verhin^¬ dern .

In einer bevorzugten Ausführung ist der Stützkörper als Gusskörper, insbesondere aus Aluminium, hergestellt, wobei vorzugsweise hochfeste Aluminiumlegierungen, beispielsweise AlCu4Ti, verwendet werden. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist die Anordnung des Isolationselements zumindest an dem inne^¬ ren Wärmetauscher von Vorteil.

Alternativ kann der Stützkörper aus (beispielsweise bainiti- schen) Gusseisen hergestellt sein. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit kann bei einem derartig hergestellten Stützkörper das Isolationselement des achsfernen Wärmetauschers entfallen. Aufgrund der geringen Festigkeitsabschläge bei höheren Tempera^¬ turen eignet sich diese Stützvariante sehr gut für Hochtempera^¬ turanwendungen .

Weiters kann der Stützkörper aus Stahl unter Verwendung von Schweißverbindungen hergestellt sein, wobei diese Ausführung besondere Kostenvorteile, bei vergleichsweise hohen Festigkeitsei^¬ genschaften, mit sich bringt. Ein weiterer Vorteil eines

geschweißten Stützkörpers ist die beinahe unbeschränkte Größens^¬ kalierung. Dabei sind Durchmesser des Rotors von zumindest 4m denkbar. Dieses Variante hat auch den Vorteil, dass aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Stahl auf ein Isolationselement am äußeren Wärmetauscher verzichtet werden kann.

Zudem kann der Stützkörper aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt sein, die vorteilhafterweise sehr leicht sind und eine hohe Steifigkeit besitzen.

Weiters kann der Stützkörper aus Halbzeugen zusammengefügt sein, wobei beispielsweise Aluminiumplatten und Aluminiumrohre

und/oder Stahlplatten und Stahlrohren verwendet werden können. Hierbei können sämtliche Werkstoffe verwendet werden, die in Platten- bzw. Rohrform als Halbzeug verfügbar sind. Ein Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass aufgrund der direkten Verwendung von Halbzeugen insbesondere ohne Nachbearbeitung bei hoher Temperatur (wie beispielsweise beim Schweißen) Festigkeits^¬ einbußen weitgehend vermieden werden können.

Zur Aufnahme von Fliehkräften ist es günstig, wenn der Stützkörper mehrere im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse angeordnete, in Richtung der Drehachse beabstandete Plattenelemente aufweist, welche Ausnehmungen zur Lagerung der Wärmetauscher aufweisen. Die Plattenelemente können Ausschnitte bzw. Vertiefungen aufwei^¬ sen, um das Gewicht des Stützkörpers zu reduzieren und/oder um die Steifigkeit de Plattenelemente zu verändern. Dies kann vor^¬ teilhafterweise dazu genutzt werden, um beim Übergang zum Rand^¬ bereich, welcher ein erhöhtes Gewicht aufweisen kann, gleichmäßige Verformungen zu erzielen. Die Plattenelemente sind bevor^¬ zugt in gleichen Abständen angeordnet. Bevorzugt sind die Plat- tenelemente scheibenförmig ausgebildet. Bei dieser Ausführung werden die Wärmetauscher zwischen den Platten aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung geringfügig durchgebogen und es entstehen zusätzliche Biegespannungen, die der Wärmetauscher aufnehmen muss. Der Vorteil dieser Ausführung liegt jedoch darin, dass bei einer Herstellung aus Halbzeugen eine erhöhte Festigkeit in den Rohmaterialien erzielt werden kann. Bei dieser Ausführung ist es zudem von Vorteil, wenn der Wärmetauscher an der Außenseite ein Stützrohr aufweist, das in Umfangrichtung verlaufende Vertiefungen zur Aufnahme der Plattenelemente aufweist. Vorteilhafter^¬ weise können hiermit Scherkräfte aufgenommen werden.

Gemäß einer alternativen Ausführung ist als Stützkörper ein in Richtung der Drehachse erstreckter Profilkörper vorgesehen, welcher ein Innenelement mit zumindest einer inneren Aussparung für den zumindest einen inneren Wärmetauscher und zumindest ein Außenelement mit zumindest einer äußeren Aussparung für den zumindest einen äußeren Wärmetauscher aufweist. Der Profilkörper ist bei einer Anordnung von zumindest zwei äußeren bzw. zwei inneren Wärmetauschern bezüglich der Drehachse rotationssymmetrisch ausgebildet .

Zur Aufnahme von Kräften ist es besonders günstig, wenn das In- nenelement und das Außenelement über im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Verbindungsstege miteinander verbunden sind .

Um die Spannungen im Profilkörper zu verringern bzw. gleichmäßig zu verteilen, ist es vorteilhaft, wenn mehrere Außenelemente vorgesehen sind, wobei bevorzugt genau zwei Verbindungsstege zwischen dem Innenelement und jedem Außenelement vorgesehen sind. Bevorzugt sind die Verbindungsstege mit den Außenelementen sternförmig um das Innenelement angeordnet. Hinsichtlich der Kraftübertragung ist es günstig, wenn der Abstand zwischen den Verbindungsstegen in radialer Richtung nach außen kontinuierlich zunimmt. Alternativ oder zusätzlich kann die Breite des Verbindungssteges in radialer Richtung nach außen abnehmen.

Zur Erzielung einer besonders stabilen Ausführung mit geringem Materialaufwand ist es günstig, wenn das zumindest eine Außen- element des Stützkörpers als zylindrische Aufnahme für den äuße^¬ ren Wärmetauscher ausgebildet ist. Alternativ kann die Aufnahme nach innen teilweise offen sein. Aufgrund des nicht umlaufend unterstützten achsfernen Wärmetauschers kann bei einer

Gussherstellung ein Kern pro Wärmetauscher entfallen. Weiters kann die Krafteinleitung im achsfernen Wärmetauscher verbessert werden, wodurch die Spannungen aufgrund der Fliehkräfte redu^¬ ziert werden können.

Bei einer bevorzugten Ausführung ist zudem vorgesehen, dass der Stützkörper eine die Außenelemente umgebende, zylindrische Ein^¬ fassung aufweist. Die Außenelemente sind hierbei an der Innen^¬ seite der zylindrischen Einfassung befestigt. Durch den zylindrischen Mantel werden die Reibungsverluste im rotierenden Be^¬ triebszustand der Vorrichtung deutlich verringert. Vorzugsweise wird der Rotor in einem Raum mit einem Umgebungsdruck von weniger als 50 mbar Absolutdruck, insbesondere weniger als 5 mbar Absolutdruck, betrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher für eine erfindungsgemäße Rotor-Vorrichtung zur Übertragung thermischer Energie, wobei zwischen einem Innenrohr und einem Außenrohr ein Wärmeübertragungs-Rohr angeordnet ist;

Fig. 2 einen Ausschnitt des in Fig. 1 dargestellten Wärmetauschers in demgegenüber vergrößertem Maßstab;

Fig. 3 einen weiter vergrößerten Ausschnitt des Wärmetauschers gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2, wobei insbesondere äußere Lamellen des Wärmeübertragungs-Rohrs ersichtlich sind;

Fig. 4 eine alternative Ausführung eines im Strangpressverfahren hergestellten Wärmeübertragungs-Rohrs, das zur Anordnung in ei^¬ nem Wärmetauscher gemäß den Fig. 1 bis 3 vorgesehen ist; Fig. 5 eine modifizierte Ausführung des in Fig. 4 dargestellten Wärmeübertragungs-Rohrs, bei der die Oberflächen der Lamellen wellenförmig gekrümmt sind;

Fig. 6 einen Ausschnitt des in Fig. 5 dargestellten Wärmeübertragungs-Rohrs in demgegenüber vergrößertem Maßstab;

Fig. 7 eine Ansicht einer rotierenden Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur, bei der ein Arbeitsmedium in einem Rotor einen geschlossenen Kreisprozess durchläuft;

Fig. 8 eine weitere Ansicht der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 9 einen Längsschnitt durch eine alternative Ausführung der Vorrichtung im Bereich des Wärmetauschers, wobei die Strömung des Arbeitsmediums und die Strömung des Wärmeaustauschmediums schematisch (hier im Gegenstrom) dargestellt sind;

Fig. 10 einen vergrößerten Ausschnitt der Vorrichtung im Bereich des Wärmetauschers;

Fig. 11 eine Schnittansicht der Vorrichtung im Bereich eines ringförmigen Spalts zur Erzielung einer Kreisströmung des Arbeitsmediums vor dem Eintritt in den Wärmetauscher;

Fig. 12 eine schaubildliche Ansicht einer Ausführung des Wärme^¬ übertragungs-Rohrs des Wärmetauschers, bei welcher die Stirnflä^¬ chen der äußeren Lamellen in Strömungsrichtung gesehen nach vorne geneigt sind;

Fig. 13 eine schaubildliche Ansicht einer Verteilereinrichtung, mit welcher eine lineare Strömung des Wärmeaustauschmediums auf eine Vielzahl von ringförmig angeordneten Teilströmen aufgeteilt wird;

Fig. 14 verschiedene Schnittansichten der Verteilereinrichtung gemäß Fig. 13; Fig. 15 eine Ausführung der Vorrichtung, bei welcher zur Lagerung der Wärmetauscher ein Stützkörper mit mehreren Plattenelementen vorgesehen ist;

Fig. 16 einen Ausschnitt des Stützkörpers mit einem darin gela^¬ gerten Wärmetauscher;

Fig. 17 eine schaubildliche Ansicht einer weiteren Ausführung des Stützkörpers mit im Wesentlichen parallel verlaufenden Verbindungsstegen;

Fig. 18 eine Ansicht einer weiteren Ausführung des Stützkörpers mit in radialer Richtung des Rotors verlaufenden und damit nach außen auseinanderlaufenden Verbindungsstegen;

Fig. 19 eine schaubildliche Ansicht einer weiteren Ausführung des Stützkörpers; und

Fig. 20 eine schaubildliche Ansicht einer weiteren Ausführung des Stützkörpers.

In Fig. 1 ist ein Wärmetauscher 1 zum Einbau in einer rotierenden Vorrichtung 20 zur Umwandlung von Wärmeenergie mittels mechanischer Energie und umgekehrt (vgl. Fig. 7, 8) gezeigt. Der Wärmetauscher 1 weist ein inneres Längselement 2 und ein Außen^¬ rohr 3 auf, welches das innere Längselement 2 umgibt. Als inne^¬ res Längselement 2 ist ein hohles Innenrohr 4 vorgesehen. Das Außenrohr 3 und das Innenrohr 4 sind koaxial bezüglich einer zentralen Längserstreckungsachse 5 angeordnet. Zwischen dem In^¬ nenrohr 4 und dem Außenrohr 3 ist ein Wärmeübertragungsrohr 6 angeordnet, das koaxial zum Außenrohr 3 bzw. zum Innenrohr 4 in Längsrichtung des Wärmetauschers 1 verläuft. Das Wärmeübertra^¬ gungs-Rohr 6 weist eine Wand 7 mit einer äußeren Mantelfläche 8 und einer inneren Mantelfläche 9 auf, von der äußere Lamellen 10 bzw. innere 11 Lamellen abstehen. Die Lamellen 10, 11 erstrecken sich in Richtung der Längserstreckungsachse 5 des Wärmeübertra^¬ gungs-Rohrs 6. Die äußeren Lamellen 10 ragen von der äußeren Mantelfläche 8 in radialer Richtung nach außen bis zu einer Innenfläche 12 des Außenrohrs 3. Die inneren Lamellen 11 springen von der inneren Mantelfläche 9 der Wand 7 des Wärmeübertragungs- Rohrs 6 bis zu einer Außenfläche 13 des Innenrohrs 4 vor. Dem^¬ nach ist das Wärmeübertragungs-Rohr 6 zwischen dem Innenrohr 4 und dem Außenrohr 3 gehalten, wobei die äußeren Lamellen 10 am Außenrohr 3 und die inneren Lamellen 11 am Innenrohr 4 abgestützt sind. Zwischen den äußeren Lamellen 10 sind Zwischenräume 14 ausgebildet, die Wärmetauschkanäle 15 für ein erstes Wär^¬ meaustauschmedium ausbilden. In entsprechender Art und Weise bilden Zwischenräume 16 zwischen den inneren Lamellen 11 Wärmetauschkanäle 17 für ein zweites Wärmeaustauschmedium.

Wie weiters aus Fig. 1 ersichtlich, sind eine Vielzahl, beispielsweise 250, von äußeren Lamellen 10 bzw. inneren Lamellen 11 vorgesehen, so dass in regelmäßigen Winkelabständen in Um- fangsrichtung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 beabstandete äußere Wärmetauschkanäle 15 für das erste Wärmeaustauschmedium bzw. innere Wärmetauschkanäle 17 für das zweite Wärmeaustauschmedium ausgebildet werden. Zweckmäßigerweise strömt das Wärmeaustausch^¬ medium mit dem niedrigeren absoluten Druck in den äußeren Wärmetauschkanälen 15 zwischen den äußeren Lamellen 10, wobei das zweite Wärmeaustauschmedium mit erheblich höherem Druck durch die Wärmetauschkanäle 17 zwischen den inneren Lamellen 11 strömen kann.

Die beidseitige Abstützung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 ermög^¬ licht es, dass durch den Differenzdruck verursachte Spannungen im Bereich der Wand 7 des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 über die äu^¬ ßeren Lamellen 10 auf das Außenrohr 3 übertragen werden. Umgekehrt können in die Wand 7 eingeleitete Kräfte über die inneren Lamellen 11 auf das Innenrohr 4 übertragen werden, wenn in den äußeren Wärmetauschkanälen 15 das Wärmeaustauschmedium mit dem höheren Druck strömt. Somit wird eine mechanisch sehr stabile Anordnung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 erzielt, welche zur Op^¬ timierung des Wärmeübergangs zwischen den Wärmeaustauschmedien dünnwandig ausgeführt sein kann. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung beträgt das Verhältnis zwischen einer Wandstärke s der Wand 7 des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 und einer Wandstärke s' des Außenrohrs 3 ungefähr 0,2. Weiters beträgt das Verhältnis zwischen der Wandstärke s des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 und ei^¬ ner Wandstärke s'' des Innenrohrs 4 ungefähr 0,3. Die dünnwandi^¬ ge Ausführung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 erlaubt eine Wärmeübertragung mit hohem Wirkungsgrad, wodurch insbesondere auch die Erstreckung des Wärmetauschers in Längsrichtung verkürzt werden kann, was sich beispielsweise bei der anhand der Fig. 7 und 8 erläuterten Ausführung als vorteilhaft erwiesen hat .

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, weisen die äußeren Lamellen 10 eine Höhe h, d.h. eine Erstreckung in radialer Richtung, auf, die bevorzugt größer als eine Höhe h' der inneren La^¬ mellen 11 ist. Bei einer zweckmäßigen Ausführung beträgt das Verhältnis zwischen der Höhe h der äußeren Lamellen 10 und der Höhe h' der inneren Lamellen 11 zwischen 0,2 und 5, je nach Fluid, Massenstrom und Drücken. Wie weiters aus Fig. 3 ersichtlich, weisen die die äußeren Wärmetauschkanäle 15 ausbildenden Zwischenräume 14 eine Breite b von ungefähr 1 mm auf. Eine Breite b' der Zwischenräume 16 zwischen den inneren Lamellen 11 entspricht vorzugsweise der Breite b der Zwischenräume 14.

Zur zweckmäßigen Kräfteübertragung ist das Wärmeübertragungs- Rohr 6 aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul gefertigt, welches niedriger als das Elastizitätsmodul des Außenrohrs 3 bzw. des inneren Längselements 2 ist. Bevorzugt ist das Wärme^¬ übertragungs-Rohr 3 aus einer Aluminium- oder Kupferlegierung gefertigt. Zur Erzielung einer hohen Steifigkeit ist das Außenrohr 3 bzw. das innere Längselement 2 aus einer hochfesten

Stahllegierung gefertigt. Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten äußeren bzw. inneren Lamellen 10 bzw. 11 sind zweckmäßigerweise als Fräsungen vorgesehen, welche mit hoher Genauigkeit in eine Vorform eingebracht werden können.

Die Fig. 4 bzw. 5 und 6 zeigen je eine alternative Ausführung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6, welches insbesondere in einem Strangpressverfahren hergestellt wurde. Bei dieser Ausführung nimmt eine Wandstärke a der inneren Lamellen 11 bzw. eine Wand^¬ stärke a' der äußeren Lamellen 10 in radialer Richtung nach innen bzw. in radialer Richtung nach außen ab. Demnach ist die Erstreckung der Lamellen 10, 11 in Umfangsrichtung anschließend an die Wand 7 des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 am größten und nimmt mit der Entfernung zur Wand 7 kontinuierlich ab. Bei der gezeigten Ausführung sind Kanten der äußeren Lamellen 10 bzw. inneren Lamellen 11 abgerundet ausgeführt.

Bei der in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 weisen die äußeren Lamellen 10 und die inneren Lamellen 11 konturierte Oberflächen auf, welche in Richtung der Längserstreckungsachse 5 verlaufende Täler 19' bzw. Berge 19'' aufweist, so dass ein wellenförmiger Verlauf erzielt wird. Auf diese Weise wird die für einen Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Wärmeaustauschfläche erheblich vergrößert.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die Anordnung des Wärmetauschers 1 in einer Vorrichtung 20 zum Umwandeln von mechanischer

Energie in Wärmeenergie und umgekehrt, die insbesondere als Wär^¬ mepumpe betrieben wird. Eine solche Vorrichtung 20 - jedoch mit andersartigen Wärmetauschern - ist in der AT 505 532 Bl beschrieben .

Die Vorrichtung 20 umfasst einen Rotor 21, der mittels eines (nicht dargestellten) Motors um eine Drehachse 22 rotierbar ist. Im Rotor 21 ist ein Strömungskanal für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium, beispielsweise ein Edelgas, vorgesehen. Der Rotor 21 weist eine Verdichtereinheit 23 und eine Entspannungseinheit 24 auf, die ein Rohrleitungssys^¬ tem bilden. In radial verlaufenden Verdichtungsrohren 25 der Verdichtereinheit 23 strömt das Arbeitsmedium mit Bezug auf die Drehachse 22 in radialer Richtung nach außen, wobei das Arbeitsmedium aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung verdichtet wird. Entsprechend wird das Arbeitsmedium zur Druckverringerung in Entspannungsrohren 26 der Entspannungseinheit 24 im Wesentlichen radial nach innen geführt. Die Verdichtereinheit 23 und die Ent^¬ spannungseinheit 24 sind durch axial verlaufende Abschnitte des Rohrleitungssystems miteinander verbunden, in denen ein Wärmeaustausch mit einem Wärmeaustauschmedium, beispielsweise Wasser, erfolgt. Zu diesem Zweck sind äußere Wärmetauscher 1' bzw. innere Wärmetauscher 1'' vorgesehen, in denen das in den Verdichtungsrohren 25 verdichtete Arbeitsmedium Wärme an ein Wärmeaustauschmedium einer ersten Temperatur abgibt bzw. das in den Entspannungsrohren 26 entspannte Arbeitsmedium Wärme vom Wärmeaustauschmedium einer zweiten Temperatur aufnimmt. Demnach wird die auf das Arbeitsmedium wirkende Zentrifugalbeschleuni- gung dazu ausgenützt, um verschiedene Druckniveaus bzw. Tempera^¬ turniveaus zu erzeugen. Dem verdichteten Arbeitsmedium wird Wärme hoher Temperatur entzogen, und dem entspannten Arbeitsmedium wird Wärme vergleichsweise niedriger Temperatur zugeführt.

Die Wärmetauscher 1' bzw. 1'' sind über Leitungen 27, 28 bzw. 29 miteinander flüssigkeitsleitend verbunden. Das Wärmeaustauschme^¬ dium wird dem Rohrleitungssystem über einen Zulauf 31 eines statischen Verteilers 32 zugeführt; über einen mitdrehenden Verteiler 33 wird das Wärmeaustauschmedium sodann über die Leitung 27 dem Wärmetauscher 1' zugeführt, in welchem es erwärmt

durch die Leitung 28 in den mitdrehenden Verteiler 33 rückgeführt wird. Über den statischen Verteiler 32 bzw. einen Ablauf wird das erwärmte Wärmeübertragungsmedium sodann einem Wärmekreislauf zugeführt.

Das kalte Wärmeaustauschmedium des Wärmetauschers 1 ' ' wird über einen Zulauf 34 eines statischen Verteilers 35 geleitet, mit ei^¬ nem weiteren mitdrehenden Verteiler 36 in die mitdrehende Leitung 29 zum Niederdruck-Wärmetauscher 1'' gefördert, wo Wärme an das gasförmige Arbeitsmedium abgegeben wird. Anschließend wird das Wärmeaustauschmedium über den mitdrehenden Verteiler 36 dem statischen Verteiler 35 zugeführt, und verlässt abschließend über einen Ablauf die Vorrichtung 20.

Zur Erzielung eines zweckmäßigen Wärmeübergangs sind die Wärme^¬ tauscher 1' bzw. 1'' durch die anhand der Fig. 1 bis 6 erläuterten Wärmetauscher 1 gegeben, wobei als zweites Wärmeaustauschme^¬ dium das Arbeitsmedium, als erstes Wärmeaustauschmedium das Wärmeaustauschmedium vorgesehen ist. Bei der gezeigten Ausführung strömen das Arbeitsmedium und das Wärmeaustauschmedium im Gegenstrom in den Wärmetauschkanälen 15 bzw. 17, wobei in den Wärmetauschern 1 ' , 1 ' ' für eine geeignete Rückführung des Wärmeaustauschmediums zu sorgen ist.

Fig. 9 zeigt einen Längsschnitt durch eine alternativen Ausführung der Vorrichtung 20 im Bereich des Wärmetauschers 1, wobei die Strömung 20' des Arbeitsmediums und die Strömung 20'' des Wärmeaustauschmediums schematisch dargestellt ist. Fig. 10 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Wärmetauschers 1. Demnach weist der Wärmetauscher 1 in einem zentralen Hohlraum 37 des nenrohrs 4 eine Zugstange 38 auf. An den aus dem Innenrohr 4 vorstehenden Enden der Zugstange 38 sind Kopfteile 38' befes^¬ tigt, welche die Stirnseiten des Wärmetauschers 1 abdecken.

Wie aus Fig. 9 weiters ersichtlich, weist die Vorrichtung 20 weiters eine Zuleitung 39 für das Arbeitsmedium auf. Die Zulei^¬ tung 39 ist mit einem ringförmigen Spalt 40 verbunden, in welchem die lineare Strömung in der Zuleitung 39 in eine kreisförmige Strömung des Arbeitsmediums um die Längsachse des Wärmetau^¬ schers 1 umgewandelt wird (vgl. Fig. 11) . Der ringförmige Spalt 40 ist in der gezeigten Ausführung zwischen der Mantelfläche des aus dem Innenrohr 4 vorstehenden Endes der Zugstange 38 und einer Innenwandung des Kopfteils 38' gebildet. Darüber hinaus weist der Wärmetauscher 1 in Strömungsrichtung nach dem ringförmigen Spalt 40 einen ebenfalls ringförmigen Raum 41 auf, in welchem der Übergang von der kreisförmigen Strömung in die radiale Strömung in den inneren Wärmetauschkanälen 17 stattfindet.

Wie aus Fig. 12 ersichtlich, weist das Wärmeübertragungs-Rohr 6 zwischen Stirnflächen 42 der äußeren Lamellen 10 Eintrittsöffnungen 43 für das Wärmeaustauschmedium auf. Die Eintrittsöffnungen 43 sind mit einer Zuführung 44 für das Wärmeaustauschmedium verbunden. In der gezeigten Ausführung sind die Stirnflächen 42 der äußeren Lamellen 10 in Strömungsrichtung gesehen nach vorne geneigt. Der optimale Winkel zwischen den Stirnflächen 42 der äußeren Lamellen 10 und der Längsachse des Wärmeübertragungs- Rohrs 6 wird bevorzugt in Abhängigkeit von der Strömungsge^¬ schwindigkeit ausgewählt. Bei Strömungsgeschwindigkeiten von kleiner 2 Meter pro Sekunde (m/s) sind steilere Winkel von grö^¬ ßer 45° möglich. Bei Geschwindigkeiten größer 2 m/s sind flachere Winkel von Vorteil. Generell sind aufgrund des limitierenden Platzbedarfs flache Winkel, insbesondere ein Winkel von 45°, zu bevorzugen .

Wie aus Fig. 9, 10, vgl. insbesondere auch Fig. 13, 14, ersichtlich, weist der Wärmetauscher 1 zwischen den Eintrittsöffnungen 43 der äußeren Wärmetauschkanäle 15 und der Zuführung 44 für das Wärmeaustauschmedium eine Verteilereinrichtung 45 zur Aufteilung der Strömung des Wärmeaustauschmediums in der Zuführung 44 in mehrere Teilströme in Umfangsrichtung des Wärmeübertragungs- Rohrs 6 auf. Die Verteilereinrichtung 45 weist mehrere hinterei^¬ nander durchströmbare Stufen aus kreisbogenförmigen Verteilerelementen 46 auf. Die Verteilerelemente 46 weisen jeweils zwei Durchtrittsöffnungen 47 zum Durchtritt des Wärmeaustauschmediums in die Verteilerelemente 46 der nächsten Stufe auf, so dass die Verteilerelemente 46 derselben Stufe parallel bzw. gleichmäßig durchströmt werden. In der gezeigten Ausführung ist jede Durchtrittsöffnung 47 mit genau einem Verteilerelement 46 verbunden, welches im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Durchtrittsöffnung 47 angeordnet ist. Die Durchtrittsöffnungen 47 sind hierbei an gegenüberliegenden Enden der kreisbogenförmigen Verteilerelemente 46 angeordnet.

Wie aus Fig. 13, 14 weiters ersichtlich, nimmt die Länge der Verteilerelemente 46 von Stufe zu Stufe, in Strömungsrichtung gesehen, ab. Fig. 14a bis Fig. 14f zeigen Schnitte durch die einzelnen Stufen der Verteilereinrichtung 45, wobei Fig. 14a die Eintrittsseite der Verteilereinrichtung 45 und Fig. 14f die Austrittsseite der Verteilereinrichtung 45 zeigt. In der gezeigten Ausführung ist das in Strömungsrichtung gesehen erste Verteilerelement 46 halbkreisförmig, wobei die Verteilerelemente 46 der nachfolgenden Stufen durch entsprechend kürzere Bogenelemente gebildet sind. Die austrittsseitigen Verteilerelemente 46 der Verteilereinrichtung 45 sind derart angeordnet, dass eine kreis^¬ ringförmige Austrittsfläche 48 gebildet wird, welche im Wesent^¬ lichen in gleichen Winkelabständen Austrittsöffnungen 49 aufweist. Die Austrittsöffnungen 49 sind in Strömungsrichtung unmittelbar vor den Eintrittsöffnungen 43 der äußeren Wärmetauschkanäle 15 angeordnet. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Verteilerelemente 46 legt das Wärmeaustauschmedium im Wesentli^¬ chen gleiche Strömungswege zwischen der Zuführung 44 und den Austrittsöffnungen 49 der Verteilereinrichtung 45 zurück. Aus Fig. 14 sind zudem Befestigungsmittel 50 ersichtlich, mit wel^¬ chen die Verteilerelemente 46 in einer definierten Stellung zueinander gehalten sind.

Fig. 15 zeigt einen Teil der Vorrichtung 20, wobei einer der in Bezug auf die Drehachse inneren Wärmetauscher 1'' und einer der in Bezug auf die Drehachse äußeren Wärmetauscher 1' ersichtlich sind. Die Längsachsen der Wärmetauscher 1', 1'' sind im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors 21 angeordnet.

Wie aus Fig. 15 weiters ersichtlich, weist der Rotor 21 einen gemeinsamen Stützkörper 51 zur Halterung der inneren Wärmetauscher 1'' und der äußeren Wärmetauscher 1' auf. Gemäß Fig. 15 weist der Stützkörper 51 mehrere im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse angeordnete, in Richtung der Drehachse beabstandete Plattenelemente 52 auf (vgl. auch Fig. 16), welche Ausnehmungen zum Durchtritt der Wärmetauscher 1', 1'' aufweisen. Die Wärmetauscher 1', 1'' sind hierbei mit Stützrohren 53 ummantelt, wel^¬ che Abstufungen 54 zur Lagerung der Plattenelemente 52 aufweisen .

Wie aus Fig. 15 weiters ersichtlich, weisen die äußeren Wärmetauscher 1' zwischen den Außenrohren 3 und dem Stützkörper 51 jeweils ein Isolationselement 55 aus einem thermisch isolierenden Material auf. Demgegenüber bleiben die inneren Wärmetauscher 1'' von solchen Isolationselementen frei, so dass der Stützkörper 51 im Betrieb im Wesentlichen die Temperatur der inneren Wärmetauscher 1'' annimmt.

Fig. 17 zeigt eine alternative Ausführung des Stützkörpers 51, welcher gemäß Fig. 17 als bezüglich der Drehachse rotationssymmetrischer Profilkörper 56 ausgebildet ist. Der Profilkörper 56 weist ein Innenelement 57 mit mehreren inneren Aussparungen 58 zur Aufnahme der inneren Wärmetauscher 1 ' ' und mehrere Außenelemente 59 mit äußeren Aussparungen 60 zur Aufnahme der äußeren Wärmetauscher 1' auf. Gemäß Fig. 17 sind als Außenelemente 59 in Umfangsrichtung geschlossene, zylindrische Aufnahmen 59' vorge^¬ sehen, welche die äußeren Aussparungen 60 einschließen.

Wie aus Fig. 17, 18 ersichtlich, ist das Innenelement 57 mit je^¬ dem Außenelement 59 über genau zwei in radialer Richtung verlau^¬ fende Verbindungsstege 61 verbunden. Der Abstand zwischen den Verbindungsstegen 61 nimmt vorteilhafterweise radial nach außen zu (vgl. Fig. 18) . Die Wandstärke der Verbindungsstege nimmt vorteilhafterweise in radialer Richtung ab. In der Ausführung gemäß Fig. 18 sind die Außenelemente 59 über Schweißverbindungen 62 mit den Verbindungsstegen 61 verbunden. Darüber hinaus sind Schweißverbindungen 62 zwischen den Verbindungsstegen 61 und dem Innenelement 57 vorgesehen. Anstelle der Schweißverbindungen 62 kann auch eine formschlüssige Verbindung, beispielsweise eine Hammerkopf- oder Schwalbenschwanz-Verbindung, vorgesehen sein.

Fig. 19 zeigt eine alternative Ausführung des Stützkörpers 51, wobei die Außenelemente 59 in Richtung des Innenelements 57 of^¬ fene äußere Aussparungen 60 aufweist.

Fig. 20 zeigt eine weitere Ausführung des Stützkörpers 51, wel^¬ cher gemäß Fig. 20 eine an der Außenseite der Außenelemente 59 befestigte, zylindrische Einfassung 63 aufweist.

Claims

Patentansprüche :

1. Vorrichtung (20) zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem drehbar um eine Drehachse (22) gelagerten Rotor (21), in dem ein Strömungskanal für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedi^¬ um vorgesehen ist, das in einer Verdichtereinheit (23) zur

Druckerhöhung mit Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen geführt wird und in einer Entspannungseinheit (24) zur Druckverringerung mit Bezug auf die Drehachse (22) im We^¬ sentlichen radial nach innen geführt wird, wobei zumindest ein in Bezug auf die Drehachse innerer Wärmetauscher (1'') und zu^¬ mindest ein in Bezug auf die Drehachse äußerer Wärmetauscher

(1') für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgesehen sind, wobei die Wärmetauscher (1', 1'') bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors (21) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (21) einen den inneren (1'') und/oder äußeren Wärmetauscher (1') über dessen Längserstreckung abstützenden Stützkörper (51) zur Halterung des inneren (1'') und/oder äußeren Wärmetauschers (1') aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine äußere Wärmetauscher (1') zwischen dem Außenrohr (3) und dem Stützkörper (51) ein Isolationselement (55) aus einem thermisch isolierenden Material aufweist, wobei der innere Wärmetauscher (1'') von einem Isolationselement (55) frei bleibt .

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (51) mehrere im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse angeordnete, in Richtung der Drehachse beabstandete Plattenelemente (52) aufweist, welche Ausnehmungen zur Lagerung der Wärmetauscher aufweisen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Stützkörper (51) ein in Richtung der Drehachse erstreckter Profilkörper (56) vorgesehen ist, welcher ein Innenelement (57) mit zumindest einer inneren Aussparung (58) für den zumindest einen inneren Wärmetauscher (1'') und zumindest ein Außenelement (59) mit zumindest einer äußeren Aussparung (60) für den zumindest einen äußeren Wärmetauscher (1') aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenelement (57) und das Außenelement (59) über im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Verbindungsstege (61) miteinander verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Außenelemente (59) vorgesehen sind, wobei bevorzugt genau zwei Verbindungsstege (61) zwischen dem Innenelement (57) und jedem Außenelement (59) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Außenelement (59) des Stütz^¬ körpers (51) als zylindrische Aufnahme (59') für den äußeren Wärmetauscher (1') ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (51) eine die Außenelemente (59) umgebende, zylindrische Einfassung (63) aufweist.