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 für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium, wobei der Rotor eine Verdichtereinheit mit mehreren Verdichtungskanälen, in welchen Strömungen des

Arbeitsmediums zur Druckerhöhung in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen führbar sind, und eine Entspannungseinheit mit mehreren Entspannungskanälen, in welchen Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckverringerung in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach innen führbar sind, aufweist, wobei der Rotor weiters Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium aufweist, und mit einem relativ zu dem Rotor drehbaren Schaufelrad, welches in einem

Wärmepumpenbetriebszustand zur Aufrechterhaltung der

Strömungen des Arbeitsmediums um die Drehachse des Rotors und/oder in einem Generatorbetriebszustand zur Nutzung der Strömungsenergie des Arbeitsmediums vorgesehen ist.

Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische

Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt, wobei ein Arbeitsmedium in einem um eine Drehachse rotierenden Rotor einen geschlossenen Kreisprozess

durchläuft, wobei mehrere Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckerhöhung in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen geführt werden, wobei die Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckverringerung in Bezug auf die

Drehachse im Wesentlichen radial nach innen geführt werden, wobei ein Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgenommen wird, wobei das

Arbeitsmedium in einem Wärmepumpenbetriebszustand zur

Aufrechterhaltung der Strömungen des Arbeitsmediums um die Drehachse des Rotors und/oder in einem

Generatorbetriebszustand zur Nutzung der Strömungsenergie des Arbeitsmediums durch ein Schaufelrad geführt wird. 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 beschrieben, bei der das Arbeitsmedium in einem Rohrleitungssystem eines

Rotors einen Kreisprozess mit den Arbeitsschritten a)

Verdichtung des Arbeitsmediums, b) Wärmeabfuhr vom

Arbeitsmedium mittels eines Wärmetauschers, c) Entspannung des Arbeitsmediums und d) Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium mittels eines weiteren Wärmetauschers durchläuft. Die

Druckerhöhung bzw. Druckverringerung des Arbeitsmediums stellt sich vorwiegend durch die Zentrifugalbeschleunigung ein, wobei das Arbeitsmedium in einer Verdichtungseinheit bezüglich einer Drehachse radial nach außen und in einer Entspannungseinheit radial nach innen strömt. Die Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium an ein Wärmeaustauschmedium des

Wärmetauschers erfolgt in einem axialen bzw. parallel zur Drehachse verlaufenden Abschnitt des Rohrleitungssystems, dem ein mitrotierender, das Wärmeaustauschmedium aufweisender Wärmetauscher zugeordnet ist.

Darüber hinaus wurde bei diesem Stand der Technik bereits ein Schaufelrad eingesetzt, welches insbesondere dazu verwendet wird, um die Strömung des Arbeitsmediums im Rotationsbetrieb aufrechtzuerhalten. Das Schaufelrad kann einerseits drehfest angeordnet sein, wobei sich aufgrund der drehfesten Anordnung eine Relativbewegung zu dem das Arbeitsmedium führenden

Rohrleitungssystem ergibt. Andererseits wurde bereits

vorgeschlagen, dass dem Schaufelrad ein Motor zur Erzeugung einer Relativbewegung zu dem Rohrleitungssystem zugeordnet ist. Weiters kann das Schaufelrad bei dieser Vorrichtung mit einem Generator verbunden sein, um die erzeugte

Wellenleistung durch die Relativbewegung des Schaufelrades in elektrische Energie umzuwandeln.

Im Stand der Technik sind verschiedenste Schaufelräder zur Aufrechterhaltung einer Fluidströmung bekannt, wobei solche Schaufelräder als Verdichter, Entspannungsturbinen oder Leiträder ausgeführt sein können. Im Stand der Technik sind als Grenzformen für die Durchströmungsart von Schaufelrädern einerseits axiale und andererseits radiale Ausführungen bekannt. Bei Mischformen wie diagonal durchströmten

Schaufelrädern gelten weitgehend dieselben Überlegungen für die radiale bzw. axiale Strömungskomponente. Bei Verwendung von axial durchströmten Schaufelrädern, sogenannten

Axialventilatoren (bzw. allgemein Axialverdichter) oder

Axialturbinen, kann im Wesentlichen eine herkömmliche

Dimensionierung angewendet werden. Die axiale Bauform hat jedoch den Nachteil, dass im Vergleich zur radialen Bauform geringere Druckerhöhungen bewirkt werden können, wodurch die axialen Schaufelräder meist mehrstufig aufgebaut werden müssen. Bei einer mehrstufigen Ausführung werden zwischen den Schaufelrädern sogenannte Leiträder angebracht, um die

Strömung umzulenken. Dadurch wird ein Drall mit der Rotation der umgebenden rotierenden Axialschaufeln erzeugt, der Drall im Wesentlichen vollständig aus der Strömung genommen oder ein Drall gegen die Drehrichtung erzeugt. Hinsichtlich des Einbaus von radialen Schaufelrädern, welche gegenüber axialen Schaufelrädern den Vorteil höherer Drücke pro Stufe haben und daher oft einstufig ausgeführt werden können, wurde bisher auf eine Variante zurückgegriffen, wie sie auch bei

mehrstufigen Radialverdichtern bzw. Zentripetalturbinen verwendet wird, bei welchen die Schaufelräder in einem stillstehenden Gehäuse angeordnet sind.

Bei umfangreichen Versuchen hat sich jedoch gezeigt, dass die vom Stand der Technik bekannte Anordnung der Schaufelräder bei gattungsgemäßen Vorrichtungen, bei welchen die Zu- und Ableitungen des Schaufelrads in dem Rotorgehäuse rotierend angeordnet sind, keine zufriedenstellende Ergebnisse liefert. Es wurde beobachtet, dass beispielsweise der Wirkungsgrad eines Radialventilators von 80% bei nicht rotierendem Gehäuse auf 25% bei rotierendem Gehäuse absinkt.

Demnach besteht ein großer Bedarf für Verbesserungen an den Schaufelrädern, um die komplexen Randbedingungen während des mehrere Arbeitsschritte aufweisenden Prozesses innerhalb des Rotors besser berücksichtigen zu können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, eine rotierende Vorrichtung zum Umwandeln thermischer

Energie, wie eingangs angegeben, zu schaffen, bei welcher die Nachteile des Standes der Technik eliminiert bzw. zumindest deutlich gelindert werden. Demnach setzt sich die Erfindung insbesondere zum Ziel, die Strömung des Arbeitsmediums um die Drehachse mit möglichst geringen Energieverlusten

aufrechtzuerhalten .

Erfindungsgemäß ist das Schaufelrad zwischen im

Wärmepumpenbetriebszustand die Strömung des Arbeitsmediums zuführenden Zuleitungskanälen und zumindest einem im

Wärmepumpenbetriebszustand die Strömung des Arbeitsmediums abführenden Ableitungskanal des Rotors angeordnet, wobei die Zuleitungskanäle im Wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufende, bis unmittelbar vor eine Eintrittsöffnung des Schaufelrads erstreckte Austrittsabschnitte auf, so dass einzelne Strömungen des Arbeitsmediums aus den

Zuleitungskanälen im Wesentlichen parallel zur Drehachse in das Schaufelrad führbar sind.

Demnach beruht die Erfindung auf der überraschenden

Erkenntnis, dass der Wirkungsgrad des Schaufelrads dadurch wesentlich verbessert werden kann, dass das Arbeitsmedium vor dem Eintritt in das Schaufelrad in einzelnen Strömungen parallel zur Drehachse, d.h. in axialer Richtung, geführt wird. Für die Zwecke dieser Offenbarung bedeutet die

Erstreckung der Austrittsabschnitte der Zuleitungskanäle bis unmittelbar vor das Schaufelrad, dass die Strömungen des Arbeitsmediums in den Zuleitungskanälen nicht

zusammengeführt, sondern getrennt voneinander dem Schaufelrad zugeführt werden. Bevorzugt sind die Austrittsabschnitte der Zuleitungskanäle in regelmäßigen Winkelabständen und in demselben radialen Abstand um die Drehachse angeordnet.

Demnach werden mehrere axiale Strömungen des Arbeitsmediums in das Schaufelrad eingeleitet. Danach strömt das

Arbeitsmedium in den zumindest einen Ableitungskanal des Rotors. Demnach wird das Arbeitsmedium aus dem Schaufelrad direkt, d.h. ohne Zwischenschaltung eines stillstehenden Gehäuses, in den Rotor geführt. Der Rotor bildet daher ein rotierendes Gehäuse für das Schaufelrad, welches das

Schaufelrad vorzugsweise vollständig umschließt. Das

Arbeitsmedium wird also durch das im Inneren des Rotors befindliche Schaufelrad geführt, wobei das Arbeitsmedium anders als beim Stand der Technik nicht in einem

stillstehenden Gehäuse geführt wird. Dadurch kann die

Strömungsenergie des Arbeitsmediums beim Durchlaufen des Kreisprozesses im Wesentlichen beibehalten werden.

Vorteilhaft ist zudem, dass dynamische Dichtungen des

Arbeitsmediums zur Umgebung nicht erforderlich sind. Bei der herkömmlichen Auslegung von Schaufelrädern war ein

stillstehendes Gehäuse vorgesehen. Demgegenüber ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Rotor vorgesehen, so dass die das Schaufelrad umgebenden Komponenten im Betrieb

rotieren. Um die unterschiedliche Einbausituation zu

berücksichtigen, wäre es naheliegend gewesen, allein die relativen Drehzahlen zwischen dem Schaufelrad und dem Rotor zu betrachten, d.h. die Differenzdrehzahl zwischen der absoluten Rotordrehzahl und der absoluten

Schaufelraddrehzahl. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Betrachtung grundlegend fehlschlägt. Bei der im Stand der Technik üblichen radialen Zuströmung des Arbeitsmediums von den rotierenden Zuleitungskanälen in das Schaufelrad entsteht beim radialen Austritt aus dem Zuleitungskanal, insbesondere durch die Coriolisbeschleunigung, ein Drall, der bei einer Strömung, vom relativen, rotierenden System aus betrachtet, radial nach innen entgegen der Drehrichtung ausgebildet ist. Dieser Drall verändert die Charakteristik der Einströmung, insbesondere die Geschwindigkeitsdreiecke, maßgeblich, wodurch eine Dimensionierung nach herkömmlichen Methoden erfolglos sein musste. Erfindungsgemäß wird das Arbeitsmedium jedoch in axialer Richtung aus den das Arbeitsmedium

befördernden Zuleitungskanälen herausgeführt. Dies hat vorteilhafterweise zur Folge, dass die Coriolisbeschleunigung annähernd null wird und sich kein bzw. kein wesentlicher Drall einstellt. Dadurch ist der Übertritt ins Schaufelrad einfacher berechenbar und vorteilhafterweise auch nicht von den Drehzahlen des Schaufelrades sowie des umgebenden

Gehäuses des Rotors als auch nicht von der relativen

Strömungsgeschwindigkeit abhängig . Um einen stabilen Betrieb zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn eine möglichst geringe Anzahl von radialen

Ableitungskanälen an das Schaufelrad angeschlossen wird. Je geringer die Anzahl der angeschlossenen radialen

Ableitungskanäle ist, desto stabiler ist der Betrieb, da die Wahrscheinlichkeit eines Strömungsabrisses eines

Ableitungskanales mit sinkender Anzahl an Ableitungskanälen immer geringer wird. In einer bevorzugten Ausführung ist daher genau ein Ableitungskanal pro Schaufelrad vorgesehen. Bei dieser Ausführung wird daher für jeden Ableitungskanal, der radial nach außen geführt wird, genau ein Schaufelrad vorgesehen, wobei mehrere Schaufelräder (und eine

entsprechende Anzahl von Ableitungskanälen) vorgesehen sein können. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ist bei einer alternativen bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass das Schaufelrad mit mindestens drei Ableitungskanälen verbunden ist. Bevorzugt sind nicht mehr als zwölf Ableitungskanäle an das Schaufelrad angeschlossen. Die beschriebene Ausführung bezieht sich lediglich auf die Anzahl der direkt radial vom Schaufelrad wegführenden Ableitungskanäle. Es ist jedoch durchaus möglich, dass ein radialer Ableitungskanal im achsfernen Bereich, vorzugsweise nach einer Umlenkung in die axiale Richtung, in mehrere Wärmetauscherkanäle aufgeteilt wird .

Um beim Durchströmen der Verdichtungs- und Entspannungskanäle Druckunterschiede mit hohen Wirkungsgraden zu erzielen, jedoch die Ausbildung von Drallströmungen vor dem Eintritt in das Schaufelrad zuverlässig zu verhindern, ist es günstig, wenn die Zuleitungskanäle im Wesentlichen in radialer

Richtung verlaufende Zuleitungsabschnitte aufweisen, welche zwischen den Austrittsabschnitten und in Bezug auf die

Drehachse inneren Wärmetauschern angeordnet sind. Die

Zuleitungsabschnitte sind vorzugsweise länger als die

Austrittsabschnitte der Zuleitungskanäle.

Um einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium bei höherer Temperatur zu

bewerkstelligen, ist es günstig, wenn der zumindest eine Ableitungskanal mit den Verdichtungskanälen verbunden ist, welche mit in Bezug auf die Drehachse äußeren Wärmetauschern verbunden sind.

Um den Kreisprozess im Betrieb mit möglichst geringem

Energieaufwand aufrechtzuerhalten, ist es günstig, wenn das Schaufelrad in radialer Richtung näher an der Drehachse als der innere Wärmetauscher angeordnet ist, wobei das

Schaufelrad bevorzugt konzentrisch um die Drehachse des

Rotors angeordnet ist. Demnach sind die Drehachsen des Rotors und des Schaufelrads bevorzugt fluchtend angeordnet. Dadurch kann eine besonders effiziente Betriebsweise erzielt werden.

Um die radialen Strömungen des Arbeitsmediums in den

Zuleitungskanälen vor dem Eintritt in das Schaufelrad in axiale Strömungen umzuwandeln, ist es von Vorteil, wenn die Zuleitungskanäle an den Austrittsabschnitten bogenförmig gekrümmte Wandungen aufweisen, welche eine Umlenkung des Arbeitsmediums um im Wesentlichen 90° von den

Zuleitungsabschnitten in die Austrittsabschnitte bewirken. Durch die bogenförmigen Wandungen der Entspannungskanäle am Austrittsende kann das Arbeitsmedium kontinuierlich in eine axiale Strömung umgelenkt werden, wobei die Strömungen des Arbeitsmediums durch die Umlenkung nicht bzw. nur

unwesentlich gestört werden.

Um die Strömungen des Arbeitsmediums einzeln, d.h. im

Wesentlichen unvermischt bzw. getrennt voneinander, in das Schaufelrad einzuleiten, ist es vorteilhaft, wenn die

Austrittsabschnitte der Zuleitungskanäle zwischen im

Wesentlichen in radialer und axialer Richtung zur Drehachse erstreckten Trennelementen, insbesondere im Wesentlichen ebenen Trennwänden, gebildet sind. Durch die Anordnung von Trennwänden kann auf besonders einfache Weise erreicht werden, dass die axialen Strömungen des Arbeitsmediums in den Austrittsabschnitten der Zuleitungskanäle unvermischt und im Wesentlichen drallfrei in Bezug auf den rotierenden Rotor, der das Gehäuse für das Schaufelrad darstellt, in das

Schaufelrad geführt werden.

Für eine bessere Regelbarkeit, insbesondere im Teillastbereich, ist es günstig, wenn die Trennelemente vor dem Schaufelrad verstellbar sind. Vorteilhafterweise kann so ein definierter Eintrittsdrall erzeugt werden, welcher über die Trennelemente eingestellt werden kann. Im Unterschied zu dem beim Stand der Technik am Eintritt in das Schaufelrad auftretenden Drall aufgrund der Coriolisbeschleunigung lässt sich dieser definierte Eintrittsdrall bei der Auslegung der Vorrichtung berechnen bzw. simulieren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird üblicherweise für einen bestimmten

Betriebspunkt ausgelegt. Hierbei kann insbesondere der

Eintrittswinkel der Trennelemente derart dimensioniert werden, dass die Strömung bei Betrachtung im relativen, rotierenden Schaufelrad-System einen stetigen Übergang, d.h. ein Einströmen ohne wesentliche Richtungsänderung, in den Schaufelbereich des Schaufelrades aufweist. Bei einer

Drehzahlveränderung des Schaufelrades und/oder bei

variierenden relativen Strömungsgeschwindigkeiten, also bei einem Betrieb außerhalb des Auslegungspunktes, ändern sich üblicherweise die Einströmwinkel der Strömung, wodurch eine unstetige Einströmung in den Schaufelbereich des

Schaufelrades entstehen würde. Dieser Effekt reduziert den Wirkungsgrad des Schaufelrades bei Betrieb außerhalb des Auslegungspunktes. Um diesen Nachteil zu beheben, können die Trennelemente für einen Betrieb außerhalb des

Auslegungspunktes derart verstellt werden, dass das

Arbeitsmedium, bezogen auf das relative, rotierende

Schaufelrad-System, beim Eintritt in den Schaufelbereich des Schaufelrades in stetiger Weise strömt. Dadurch kann der Wirkungsgrad erhöht werden. Das Schaufelrad kann durch diese Maßnahme zudem einen höheren Druck und einen höheren

maximalen Volumenstrom erzeugen, wodurch der Einsatzbereich erweitert wird.

Zur Aufrechterhaltung der Strömung des Arbeitsmediums beim Durchlaufen des Kreisprozesses ist es günstig, wenn das Schaufelrad eine Mehrzahl von insbesondere bogenförmig gekrümmten Schaufeln aufweist. Durch die Schaufeln wird das Arbeitsmedium in Umfangrichtung in Bezug auf die Drehachse beschleunigt, bevor das Arbeitsmedium über Austrittsöffnungen zwischen den äußeren Kanten der Schaufeln des Schaufelrads in die Verdichtungskanäle geführt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist das Schaufelrad auf der der Drehachse zugewandten Seite einen von Schaufeln freien Radialabschnitt auf. In dem ringförmigen

Radialabschnitt des Schaufelrads werden die in den

Zuleitungskanälen getrennt geführten Strömungen des

Arbeitsmediums zusammengeführt. Dadurch kann das

Arbeitsmedium in dem Radialabschnitt homogenisiert werden, bevor das vom Radialabschnitt radial nach außen strömende Arbeitsmedium durch die rotierenden Schaufeln beschleunigt und danach in die Ableitungskanäle abgeführt wird.

Um das in axialer Richtung einströmende Arbeitsmedium den Schaufeln zuzuführen, ist es günstig, wenn das Schaufelrad an dem Radialabschnitt eine bogenförmig gekrümmte Umlenkwand aufweist, mit welcher das Arbeitsmedium um im Wesentlichen 90° in radialer Richtung umlenkbar ist.

Um die Strömungsenergie des Arbeitsmediums im Wesentlichen beizubehalten, ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Ableitungskanal einen schräg zur radialen Richtung

angeordneten Eintrittsabschnitt aufweist, welcher mit einem im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufenden

Ableitungsabschnitt verbunden ist. Der Eintrittsabschnitt des Ableitungskanals erstreckt sich bevorzugt in ene Richtung, in der sich ein stetiger Übergang der Strömung, d.h. in der ein Einströmen ohne wesentliche Richtungsänderung vorhanden ist, ergibt. Dies wird bei der Auslegung durch

Vektorenaddition erzielt. Demnach wird das Arbeitsmedium in tangentialer Richtung, bezogen auf eine im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmige Umhüllende bzw. Außenfläche des Schaufelrads, in die Eintrittsabschnitte eingebracht, welche mit den im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufenden Ableitungsabschnitten verbunden sind. Die Eintrittsabschnitte und die Verdichtungsabschnitte sind bevorzugt über

bogenförmig gekrümmte Übergangsabschnitte miteinander

verbunden .

Um das Schaufelrad anzutreiben und so das Arbeitsmedium beim Durchgang zu beschleunigen bzw. um die Rotationsenergie des Schaufelrads zu nutzen, ist es von Vorteil, wenn das

Schaufelrad eine insbesondere parallel zur Drehachse des Rotors rotierbare Schaufelradwelle aufweist, welche mit einem Motor oder mit einem Generator verbunden ist. Demnach kann das Schaufelrad einerseits mit einem Motor verbunden sein, um eine Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Schaufelrad zu erzeugen. Bei dieser Ausführung ist das Schaufelrad in einem Wärmepumpenbetriebszustand zur Aufrechterhaltung der Kreisführung des Arbeitsmediums eingerichtet. Andererseits kann das Schaufelrad mit einem Generator verbunden sein, um die an der Schaufelradwelle vorliegende Wellenleistung durch die Relativbewegung des Schaufelrades in elektrische Energie umzuwandeln. Bei einer solchen Verwendung der Vorrichtung wird aufgrund der unterschiedlichen Temperaturniveaus an den Wärmetauschern eine Strömung in der Art eines Naturumlaufes erhalten. Die Energie der Strömung wird dann in dem als Turbine wirkenden Schaufelrad in Wellenleistung umgewandelt, welche in weiterer Folge mittels eines Generators in

elektrischen Strom umgewandelt wird. Vorzugsweise wird ein Teil dieser Energie für einen Motor aufgewendet, welcher den Rotor antreibt. In der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Eintritt" und „Austritt" auf die Funktion des Schaufelrades zur Aufrechterhaltung der Strömung des

Arbeitsmediums um die Drehachse, d.h. wenn das Schaufelrad in einem Wärmepumpenbetriebszustand als Ventilator verwendet wird. Bei der Funktion des Schaufelrades als Turbine zur Erzeugung elektrischer Energie ist die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vertauscht, so dass beispielsweise die

Austrittsabschnitte der Zuleitungen zu den

Eintrittsabschnitten der Ableitungen werden.

In einer bevorzugten Ausführung fallen die Drehachsen des Schaufelrads und des Rotors zusammen. Wenn die

Schaufelradwelle fluchtend auf der Welle des Rotors

angeordnet wird, können vorteilhafterweise keine

asymmetrischen Kräfte aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung auf die Lagerung des Schaufelrads entstehen. Bevorzugt ist ein eigener Motor/Generator für die Schaufelradwelle

vorgesehen, so dass das Schaufelrad unabhängig von dem die Verdichtungs- und Entspannungskanäle aufweisenden Rotor antreibbar ist; in diesem Fall ist der Rotor mit einem zweiten Motor verbunden. Alternativ kann auch derselbe Motor für den Antrieb des Schaufelrads und des Rotors bzw. derselbe Generator für die Nutzung der Rotationsenergie des

Schaufelrads und des Rotors verwendet werden.

Es hat sich überraschend als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Motor zur Rotation des Schaufelrads in derselben

Drehrichtung wie der Rotor mit den Entspannungs- und

Verdichtungskanälen für das Arbeitsmedium eingerichtet ist. Vorteilhafterweise kann bei einer Rotation des Schaufelrads in die gleiche Richtung wie der Hauptrotor das

Beschleunigungsfeld des Hauptrotors ausgenutzt werden.

Dadurch kann die Effizienz des Schaufelrades sogar gegenüber einer Anordnung mit nicht rotierendem Gehäuse erhöht werden, da der Verdichtungsanteil im Schaufelrad selbst aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung erhöht wird und diese Verdichtung einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist als die

Druckerhöhung aufgrund von Geschwindigkeitsänderungen, welche beispielsweise beim Übertritt von dem Schaufelrad zu dem Ableitungskanal erfolgen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nützt die

Zentrifugalbeschleunigung beim Durchströmen der Verdichtungsund Entspannungskanäle des Rotors, um verschiedene Druck ^¬ bzw. Temperaturniveaus des Arbeitsmediums zu erzeugen. Zur Umwandlung von thermischen Energie des Arbeitsmediums mittels kinetischer Energie und umgekehrt ist es günstig, wenn zumindest ein in Bezug auf die Drehachse innerer

Wärmetauscher und zumindest ein in Bezug auf die Drehachse äußerer Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgesehen sind. Die Wärmetauscher sind in dem Rotor mitrotierend angeordnet. Je nach Strömungsrichtung des Arbeitsmediums kann die

Vorrichtung einerseits als Wärmepumpe, bei welcher der Rotor mit einem Antrieb in Drehbewegung versetzt wird und die

KreislaufStrömung durch einen Ventilator erzeugt wird, betrieben werden. Die umgekehrte Strömungsrichtung entspricht einem Betrieb als Wärme-Kraft-Maschine zur Erzeugung von elektrischem Strom, wobei unterschiedliche Temperaturniveaus zur Erzeugung einer Strömung genutzt werden, welche in dem als Turbine wirkenden Schaufelrad in mechanische Energie umgewandelt wird, die schließlich in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. In diesem

Betriebszustand wird der Rotor mit einem Motor angetrieben, welcher z.B. durch die gewonnene elektrische Energie aus der Turbine versorgt wird.

Bevorzugt sind die Wärmetauscher im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors angeordnet. Die Wärmetauscher sind hierbei zwischen die Verdichtungs- und Entspannungskanäle geschaltet. Der innere Wärmetauscher ist für einen

Wärmeaustausch bei niedrigerer Temperatur und der äußere Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch bei höherer Temperatur vorgesehen .

Zur Erhöhung der Leistung der Vorrichtung ist es günstig, wenn jeweils mehrere innere Wärmetauscher und äußere

Wärmetauscher vorgesehen sind. Bevorzugt sind die inneren Wärmetauscher einerseits und die äußeren Wärmetauscher andererseits in regelmäßigen Winkelabständen bezüglich der Drehachse angeordnet. Bevorzugt sind ebenso viele innere bzw. äußere Wärmetauscher wie Verdichtungs- und Entspannungskanäle vorgesehen. Demnach sind die inneren und die äußeren

Wärmetauscher paarweise über jeweils einen Verdichtungs- und einen Entspannungskanal miteinander verbunden. Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass die Anzahl der Zuleitungs- und Ableitungskanäle für das Schaufelrad der Anzahl der inneren bzw. äußeren Wärmetauscher entspricht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung entspricht die Anzahl der inneren Wärmetauscher einem Vielfachen der äußeren Wärmetauscher oder umgekehrt.

Der Wärmeaustausch kann besonders effizient gestaltet werden, wenn der zumindest eine innere Wärmetauscher und der

zumindest eine äußere Wärmetauscher im Wesentlichen parallel zur Drehachse erstreckt sind, wobei die Verdichtungs- und Entspannungskanäle zwischen dem inneren Wärmetauscher und dem äußeren Wärmetauscher verlaufen. Bevorzugt sind mehrere innere Wärmetauscher und mehrere äußere Wärmetauscher

vorgesehen, welche jeweils in gleichen radialen Abständen zur Drehachse angeordnet sind. Bei dieser Ausführung ist zudem bevorzugt vorgesehen, dass eine der Zahl der inneren bzw. äußeren Wärmetauscher entsprechende Anzahl von Verdichtungsbzw. Entspannungskanälen vorgesehen ist.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei welcher das Schaufelrad mehrere hintereinander von dem Arbeitsmedium durchströmbare Schaufelradstufen aufweist. Die

Zuleitungskanäle weisen bei dieser Ausführung im Wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufende Austrittsabschnitte auf, welche bis unmittelbar vor die Eintrittsöffnung der in

Strömungsrichtung gesehen ersten Schaufelradstufe erstreckt sind. Die aufeinanderfolgenden Schaufelradstufen sind jeweils über eine Umlenkung miteinander verbunden, mit welcher das Arbeitsmedium zwischen den Schaufelradstufen umgelenkt wird. Bevorzugt weist die Umlenkung im Wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufende Austrittsabschnitte auf, welche bis unmittelbar vor die Eintrittsöffnung der in Strömungsrichtung gesehen folgenden Schaufelradstufe erstreckt sind. Dadurch wird das Arbeitsmedium stets bis vor die nächste

Schaufelradstufe geführt und in Richtung der Drehachse eingeleitet. Die in Strömungsrichtung gesehen letzte

Schaufelradstufe ist mit dem zumindest einen Ableitungskanal verbunden .

Bei dem Kreisprozess wird für einen steigenden Massenstrom eine nicht stetig steigende Druckdifferenz an dem Schaufelrad beobachtet. Demnach wird speziell bei niedrigen Massenströmen und hohen Drehzahlen des Rotors mit steigendem Massenstrom eine fallende Druckdifferenz am Schaufelrad hervorgerufen, bevor diese wieder ansteigt. Aus diesem Grund ist es günstig, wenn ein Schaufelrad verwendet wird, das einen möglichst steilen Verlauf aufweist, d.h. dass bei einer bestimmten Drehzahl des Schaufelrades sowie einer Hauptrotordrehzahl ab dem Erreichen des maximalen Drucks ein möglichst steil abfallender Verlauf bevorzugt wird. Ein derartiger Verlauf wird insbesondere mit mehrstufigen Schaufelrädern erzielt. Da die Prozesskennlinie (d.h. der benötigte Druck über dem

Massenstrom) und die Schaufelkennlinie (d.h. der erzeugte Druck über dem Massenstrom) in der Regel zwei Schnittpunkte aufweisen, jedoch nur einer davon ein stabiler Betriebspunkt ist, wäre eine vertikale Kennlinie für die Druckerzeugung ideal. Dies könnte beispielsweise durch Verdrängermaschinen (wie z.B. Kolbenmaschinen) realisiert werden. Eine

mehrstufige Druckerhöhung mit Schaufelrädern erzielt jedoch in vorteilhafter Weise einen ähnlichen Effekt, indem ab einem bestimmten Punkt ein sehr steiler Verlauf erzielt wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren der eingangs angeführten Art gelöst, bei welchem einzelne Strömungen des Arbeitsmediums in dem

Wärmepumpenbetriebszustand bis unmittelbar vor das

Schaufelrad geführt und im Wesentlichen parallel zur

Drehachse in das Schaufelrad eingeleitet werden. Demnach werden die Strömungen des Arbeitsmediums einzeln bzw.

getrennt voneinander und in axialer Richtung in das

Schaufelrad geführt.

Die Vorteile und technischen Effekte dieses Verfahrens ergeben sich aus den vorstehenden Erläuterungen, auf welche hiermit verwiesen werden kann.

Überraschenderweise hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Schaufelrad in derselben Drehrichtung und mit einer höheren absoluten Drehzahl wie der Rotor mit den

Entspannungs- und Verdichtungskanälen rotiert wird. Durch die Rotation des Schaufelrads in Drehrichtung des Rotors wird eine höhere absolute Drehzahl des Schaufelrads vorgesehen, welche eine entsprechend höhere Zentrifugalbeschleunigung und damit eine effizientere Verdichtung des Arbeitsmediums bewirkt. Bei gleicher Drehrichtung von Schaufelrad und Rotor wird der zentrifugale Verdichtungseffekt anteilsmäßig erhöht und dadurch die Effizienz gesteigt.

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

Einzelnen

zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 schematisch eine schaubildliche Ansicht einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Umwandeln thermischer

Energie, bei der ein Arbeitsmedium in einem Rotor einen geschlossenen Kreisprozess durchläuft, wobei der Kreisprozess mittels eines rotierenden Schaufelrads geschlossen wird;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 1, wobei der besseren Übersicht halber nur die für die Funktion des Schaufelrads relevanten Bauteile gezeigt sind;

Fig. 2a ein Temperatur/Entropie - Diagramm des in der

erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführten Kreisprozesses;

Fig. 3 einen Längsschnitt der Vorrichtung gemäß Fig. 1, 2 im Bereich des Schaufelrads;

Fig. 4 einen Querschnitt der Vorrichtung gemäß der Linie IV- IV in Fig. 2 im Bereich des Schaufelrads, wobei die

Austrittsabschnitte der Zuleitungskanäle einerseits und die Eintrittsabschnitte der Ableitungskanäle andererseits

ersichtlich sind;

Fig. 5 eine schematische schaubildliche Ansicht von Teilen des Rotors im Bereich der Zuleitungskanäle, welche vor dem Eintritt in das Schaufelrad in axialer Richtung verlaufende Austrittsabschnitte aufweisen;

Fig. 6 schematisch eine schaubildliche Ansicht des

Schaufelrads der in Fig. 1 bis 5 dargestellten Vorrichtung; und

Fig. 7 einen Längsschnitt der Vorrichtung gemäß Fig. 3 im Bereich des Schaufelrads, welches bei dieser Ausführung mehrere hintereinander durchströmbare Schaufelradstufen aufweist . Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 20 zur Umwandlung von

Wärmeenergie mittels mechanischer Energie und umgekehrt, welche in der gezeigten Ausführung als Wärmepumpe verwendet wird. Die Vorrichtung 20 umfasst einen Rotor 21, der mittels eines (nicht dargestellten) Motors um eine Drehachse 22 rotierbar ist. Der Rotor 21 weist eine Verdichtereinheit 23 und eine Entspannungseinheit 24 auf, welche Strömungskanäle für ein Arbeitsmedium aufweisen. Beim Durchströmen des Rotors 21 durchläuft das Arbeitsmedium, beispielsweise ein Edelgas, einen geschlossenen Kreisprozess , welcher die Arbeitsschritte a) Verdichtung des Arbeitsmediums, b) Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium in einem äußeren Wärmetauscher 1', c) Entspannung des Arbeitsmediums und d) Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium in einem inneren Wärmetauscher 1 ' ' aufweist. Zu diesem Zweck weist die Verdichtereinheit 23 im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende

Verdichtungskanäle 25 auf, in welchen das Arbeitsmedium mit Bezug auf die Drehachse 22 in radialer Richtung nach außen strömt. Aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung wird das

Arbeitsmedium in den Verdichtungskanälen 25 verdichtet.

Entsprechend wird das Arbeitsmedium zur Druckverringerung in Entspannungskanälen 26 der Entspannungseinheit 24 im

Wesentlichen radial nach innen geführt.

Die Verdichtereinheit 23 und die Entspannungseinheit 24 sind durch axial, d.h. in Richtung der Drehachse 22, verlaufende Strömungskanäle miteinander verbunden, in denen ein

Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem

Wärmeaustauschmedium, beispielsweise Wasser, erfolgt. Zu diesem Zweck sind in Bezug auf die Drehachse äußere

Wärmetauscher 1 ' und innere Wärmetauscher 1 ' ^λ vorgesehen, welche im Wesentlichen parallel zur Drehachse 22 erstreckt sind. Wenn die Vorrichtung 20 als Wärmepumpe betrieben wird, gibt das in den Verdichtungskanälen 25 verdichtete

Arbeitsmedium in den äußeren Wärmetauschern 1 ' Wärme an ein Wärmeaustauschmedium einer ersten, vergleichsweise hohen Temperatur ab, wobei das in den Entspannungskanälen 26 entspannte Arbeitsmedium Wärme vom Wärmeaustauschmedium einer zweiten, vergleichsweise niedrigen Temperatur aufnimmt. Demnach wird die auf das Arbeitsmedium wirkende

Zentrifugalbeschleunigung dazu ausgenützt, um verschiedene Druckniveaus bzw. Temperaturniveaus zu erzeugen. Dem

verdichteten Arbeitsmedium wird Wärme hoher Temperatur entzogen, und dem entspannten Arbeitsmedium wird Wärme vergleichsweise niedriger Temperatur zugeführt. In einem Betrieb der Vorrichtung 20 als Motor werden die

Strömungskanäle vom Arbeitsmedium in umgekehrter Richtung durchströmt. Entsprechend ändert sich der Wärmeaustausch, wobei am äußeren Wärmetauscher 1 ' Wärme dem Arbeitsmedium zugeführt und am inneren Wärmetauscher 1'' Wärme dem

Arbeitsmedium entzogen wird.

Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, sind jeweils mehrere, in der gezeigten Ausführung zwölf, innere Wärmetauscher 1' und mehrere, in der gezeigten Ausführung zwölf, äußere

Wärmetauscher 1' vorgesehen, welche in regelmäßigen

Winkelabständen bezüglich der Drehachse angeordnet sind. Die inneren Wärmetauscher 1 ' und die äußeren Wärmetauscher 1 ' sind jeweils im Wesentlichen parallel zur Drehachse 22 erstreckt, wobei die Verdichtungs- 23 und Entspannungskanäle 25 zwischen den inneren Wärmetauschern 1' und den äußeren Wärmetauschern 1' verlaufen.

In Fig. 2 sind Teile der Vorrichtung 20 im Längsschnitt dargestellt, wobei lediglich einer der inneren Wärmetauscher 1'' und einer der äußeren Wärmetauscher 1' eingezeichnet sind. Darüber hinaus ist in Fig. 2 ein Schaufelrad 30 ersichtlich, mit welchem in der gezeigten Ausführung die Strömung des Arbeitsmediums um die Drehachse 22

aufrechterhalten wird. Das Schaufelrad 30 ist einerseits mit Zuleitungskanälen 31 verbunden, welche das Arbeitsmedium von den inneren Wärmetauschern 1'' übernehmen. Darüber hinaus ist das Schaufelrad 30 mit Ableitungskanälen 32 verbunden, mit welchen das Arbeitsmedium in die Verdichtungskanäle 25 der Verdichtereinheit 23 geführt wird. Die Verdichtungskanäle 25 sind mit den äußeren Wärmetauscher 1' verbunden.

Wie aus Fig. 2 weiters ersichtlich, ist das Schaufelrad 30 in radialer Richtung näher an der Drehachse 22 als der innere Wärmetauscher 1'' angeordnet. In der gezeigten Ausführung ist die Drehachse des Schaufelrades 30 fluchtend auf der

Drehachse 22 des Rotors 21 angeordnet, um die Belastungen aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung auf die Lagerung der Welle des Schaufelrades 30 zu reduzieren.

Fig. 2a zeigt ein Temperatur (T) - Entropie (S) - Diagramm, wobei die einzelnen Zustände des Arbeitsmediums mit ZI bis Z7 bezeichnet sind. In Fig. 2 sind entsprechend die Positionen innerhalb der Vorrichtung 20 markiert, an welchen das

Arbeitsmedium die Zustände ZI bis Z7 im Wesentlichen

erreicht. Demnach werden bei einem Betrieb als Wärmepumpe die folgenden Prozessschritte durchlaufen (bei einem Betrieb als Wärme-Kraft-Maschine würde der Kreisprozess in umgekehrter Richtung durchgeführt) :

- 1 nach 2: im Wesentlichen isentrope Verdichtung aufgrund der Hauptrotation vom Radius ZI des achsnahen Wärmetauschers 1'' bis zum Radius Z2 des achsfernen Wärmetauschers 1 ' ;

- 2 nach 3: im Wesentlichen isobare Wärmeabfuhr vom

Arbeitsmedium an das Wärmeaustauschmedium in dem äußeren Wärmetauscher 1' bei vergleichsweise hoher Temperatur und bei konstantem Radius der Strömung;

- 3 nach 4: im Wesentlichen isentrope Entspannung aufgrund der Hauptrotation vom Radius des äußeren Wärmetauschers 1 ' bis zum Radius des inneren Wärmetauschers 1 ' ' ;

- 4 nach 5: im Wesentlichen isobare Wärmeabfuhr bei

vergleichsweise niedriger Temperatur bei konstantem Radius in dem inneren Wärmetauscher 1 ' ' ;

- 5 nach 6: im Wesentlichen isentrope Entspannung aufgrund der Hauptrotation vom Radius des inneren Wärmetauschers bis zum Eintrittsradius des Schaufelrades;

- 6 nach 7: Verdichtung innerhalb des Schaufelrades, wobei die Verluste eine Entropieerhöhung bewirken; und - 7 nach 1: im Wesentlichen isentrope Verdichtung aufgrund der Hauptrotation vom Austritt des Schaufelrades bis zum Radius gemäß Zustand ZI.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weisen die Zuleitungskanäle 31 im Wesentlichen parallel zur Drehachse 22 verlaufende, bis direkt vor eine Eintrittsöffnung 33 des Schaufelrads 30 erstreckte Austrittsabschnitte 34 auf, so dass die Strömungen des Arbeitsmediums in den Zuleitungskanälen 31 getrennt voneinander und im Wesentlichen parallel zur Drehachse 22 in das Schaufelrad 30 geführt werden.

Wie aus Fig. 3 weiters ersichtlich, weisen die

Zuleitungskanäle 31 im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Zuleitungsabschnitte 35 auf, welche zwischen den in das Schaufelrad 30 mündenden Austrittsabschnitten 34 und den inneren Wärmetauschern 1'' angeordnet sind. Die

Ableitungskanäle 32 sind mit den Verdichtungskanälen 25 verbunden, welche das Arbeitsmedium zu den äußeren

Wärmetauschern 1' führen.

Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, weisen die

Zuleitungskanäle 31 an den Austrittsabschnitten 34

bogenförmig gekrümmte Wandungen 36 auf, welche eine Umlenkung des Arbeitsmediums um im Wesentlichen 90° von den radialen Zuleitungsabschnitten 35 in die axialen Austrittsabschnitte 34 bewirken.

Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich, sind die

Austrittsabschnitte 34 der Zuleitungskanäle 31 durch im

Wesentlichen in radialer und axialer Richtung zur Drehachse 22 erstreckte Trennelemente 37 begrenzt, welche in der gezeigten Ausführung durch im Wesentlichen ebene Trennwänden gebildet sind. Die Trennelemente 37 haben eine radiale

Erstreckung und sind sternförmig angeordnet. In der gezeigten Ausführung sind die Austrittsabschnitte 34 daher regelmäßig und in konstanten radialen Abständen um die Drehachse 22 des Rotors 21 angeordnet.

Aus Fig. 4 ist weiters ersichtlich, dass das Schaufelrad 30 eine Vielzahl von bogenförmig gekrümmten Schaufeln 38

aufweist, mit welchen das Arbeitsmedium beim Durchströmen des Schaufelrads 30 in Drehrichtung 39 des Schaufelrads 30 beschleunigt wird. Das Schaufelrad 30 weist auf der der

Drehachse 22 zugewandten Seite einen von Schaufeln 38 freien Radialabschnitt 40 auf, in welchem die Strömungen des

Arbeitsmediums aus den Zuleitungskanälen 31 zusammengeführt und homogenisiert werden. An dem Radialabschnitt 40 ist eine bogenförmig gekrümmte Umlenkwand 41 vorgesehen (vgl. Fig. 3), mit welcher das Arbeitsmedium um im Wesentlichen 90° von der axialen Strömung beim Eintritt in das Schaufelrad 30 in eine radiale Strömung vor den Schaufeln 38 umgelenkt wird.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weisen die Ableitungskanäle 32 in Bezug auf eine Umhüllende des Schaufelrads 30, d.h. in Bezug auf die im Querschnitt kreisförmige Außenfläche des

Schaufelrads 30, zur radialen Richtung geneigt verlaufende Eintrittsabschnitte 42 auf, welche mit im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufenden Ableitungsabschnitten 43 verbunden sind.

Wie aus Fig. 4, 6 schematisch ersichtlich, weist das

Schaufelrad 30 eine Schaufelradwelle 44 auf, welche mit einem Motor (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Motor ist dazu eingerichtet, das Schaufelrad 30 in die Drehrichtung 45 des Rotors 21 zu rotieren. In der gezeigten Ausführung fallen die Drehachse des Schaufelrads 44 und die Drehachse 22 des Rotors 21 zusammen. Bei dem Betrieb als Wärmekraftmaschine ist an das Schaufelrad 30, welches dann als Turbine arbeitet, ein Generator angeschlossen. Die Turbine wandelt bei einer

Durchströmung mit einem entsprechenden Massenstrom einen entstandenen Differenzdruck in Wellenleistung um.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, weist die Vorrichtung 20

dynamische Dichtspalte 46 auf, welche Rückströmungen aufgrund eines erhöhten Drucks am Ausgang des Schaufelrades 30

gegenüber dem Eingang minimieren sollen. In die Dichtspalten 46 greifen Gegenlamellen 47 des Schaufelrades 30 ein, um mehrere möglichst kleine Spalte zu erzeugen. Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführung, bei welcher das einzelne Schaufelrad 30 mehrere, in der gezeigten Ausführung zwei, hintereinander durchströmbare Schaufelradstufen 30 ^λ , 30 ^{λ λ} aufweist. Die Schaufelradstufen 30 ^λ , 30 ^{λ λ} sind über eine Umlenkung 30 ^{λ λ λ} miteinander verbunden, mit welcher das

Arbeitsmedium von einer Strömung radial nach außen im

Anschluss an die erste Schaufelradstufe 30 ^{λ λ} zunächst in eine Strömung radial nach innen und danach in eine Strömung in Richtung der Drehachse 22 bis unmittelbar vor die zweite Schaufelradstufe 30 ^λ umgelenkt wird. Jede Schaufelradstufe 30 ^λ , 30 ^{λ λ} ist entsprechend der einstufigen Ausführung gemäß Fig. 1 bis 6 aufgebaut. In der gezeigten Ausführung sind die Schaufelradstufen 30 ^λ , 30 ^{λ λ} auf derselben Schaufelradwelle 44 angeordnet, welche mit einem Motor oder mit einem Generator verbunden ist. Die Schaufelradstufen 30 ^λ , 30 ^{λ λ} können

alternativ auf getrennten Schaufelradwellen gelagert sein, wobei jede Schaufelradstufe 30 ^λ , 30 ^{λ λ} mit einem Motor bzw. Generator verbunden ist.