Hirschmanner, Rudolf (Schmiedgasse 11, KAPFENBERG, A-8605, AT)
| 1. | Verfahren zur Übertragung von Wärmeenergie, wobei die Wärmeenergie über einen ersten Wärmetauscher (4 ; 4a, 4b) in einen Innenraum (3) einer rotierenden Zentrifuge eingebracht wird, in welchem Innenraum (3) ein gasförmiges Energieübertragungsmedium vorliegt, und wobei die Wärme über einen zweiten Wärmetauscher (5 ; 5a, 5b) aus der Zentrifuge abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Energieübertra gungsmedium im Inneren eines Rotors (2 ; 12) der Zentrifuge in einem Gleichgewichtszustand vorliegt und dass die Wärmeströmung radial nach außen gerichtet ist. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tempera tur des Energieübertragungsmediums von innen nach außen zunimmt und dass der Temperaturunterschied des Energieübertragungsmediums zwi schen dem Innenbereich des Rotors (2 ; 12) und dem äußeren Bereich des Rotors mindestens 5 K, vorzugsweise mindestens 50 K, besonders bevor zugt mindestens 100 K und weiters besonders bevorzugt mindestens 200 K beträgt. |
| 3. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetransport im Rotor (2 ; 12) primär durch Wärmeleitung und vorzugsweise Strahlung erfolgt. |
| 4. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2 ; 12) mit einer Drehzahl von mehr als 3.000 min1, vor zugsweise von mehr als 10.000 min1 betrieben wird. |
| 5. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) mit im Wesentlichen konstanter Drehzahl betrieben wird. |
| 6. | Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie mit einem Rotor (12), der einen Innenraum (3) aufweist, der mit einem gasförmigen Energieübertra gungsmedium gefüllt ist, wobei im Bereich der Achse des Rotors ein erster Wärmetauscher (4a, 4b) vorgesehen ist, und wobei im Bereich des äußeren Umfangs des Rotors (12) ein zweiter Wärmetauscher (5a, 5b) vorgesehen ist, welche beiden Wärmetauscher (4a, 4b ; 5a, 5b) mit dem gasförmigen Energieübertragungsmedium in Kontakt stehen, dadurch gekennzeich net, dass das gasförmige Energieübertragungsmedium im Innenraum (3) des Rotors (12) in einem Gleichgewichtszustand vorliegt. |
| 7. | Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rotoren vorgesehen sind und dass eine Einrichtung zur Energieübertragung von dem zweiten Wärmetauscher (5a, 5b) eines ersten Rotors (12) an den ersten Wärmetauscher (4a, 4b) eines weiteren Rotors vorgesehen ist. |
| 8. | Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rotor (12) und der weitere Rotor mit unterschiedlichen Energieübertra gungsmedien gefüllt sind. |
| 9. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeich net, dass die Rotoren fest miteinander verbunden sind. |
| 10. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rotor in einem isolierten Schutzmantel untergebracht ist. |
| 11. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeich net, dass als Energieübertragungsmedium ein Gas mit hoher Molmasse bzw. Atommasse, wie etwa Quecksilberdampf, Krypton oder Argon im Rotor (12) vorliegt. |
| 12. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeich net, dass im Rotor (12) Mittel zur Vermeidung von Konvektionsströmungen vorgesehen sind. |
Es ist bekannt, dass durch thermodynamische Kreisprozesse die Möglichkeit besteht, Wärmeenergie von einem Medium, das bei niedriger Temperatur vorliegt, in ein Medium transportiert werden kann, das bei höherer Temperatur vorliegt. Solche Kreisprozesse werden beispielsweise in Kühlgeräten, Wärme- pumpen und dgl. verwendet, wobei jedoch zur Aufrechterhaltung des Kreispro- zesses die Zufuhr von Energie notwendig ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen ein solcher Kreisprozess zum Wärmetransport von niedri- ger Temperatur in Richtung höherer Temperatur möglich ist, wobei die dafür ein- gesetzte Energie wesentlich verringert ist. Ein solches Verfahren kann einerseits zur Kühlung verwendet werden und andererseits zur Heizung ähnlich einer Wär- mepumpe, wenn es möglich ist einem anderen Medium Wärme zu entnehmen, wie es etwa bei der Ausnützung von Erdwärme der Fall ist.
Aus der US 5,226, 593 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beheizung von Gebäuden bekannt, bei denen ein Ventilator zur Erzeugung eines durch das Gebäude geleiteten Warmluftstromes verwendet wird, wobei gleichzeitig die vom Ventilator dissipierte Energie zur Erwärmung des Mediums beiträgt. Der Energie- aufwand eines solchen Heizsystems unterscheidet sich nicht grundsätzlich von dem einer elektrischen Widerstandsheizung und ist daher für viele Anwendungen unvertretbar hoch. Ähnliche Nachteile gelten auch für eine Lösung, wie sie in der US 4,696, 283 A beschrieben ist. Ferner ist aus der US 3,861, 147 A eine Vor- richtung bekannt, bei der durch eine thermisch induzierte Strömung in einem Rotor Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. Ein gezielter Transport von Wärme ist mit einer solchen Vorrichtung nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Energieaufwand zu minimieren, der für einen Transport von Wärmeenergie von einem Zustand niedrigerer Tem- peratur auf einen Zustand höherer Temperatur notwendig ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dass ein solches Verfahren einfach durchführbar ist und dass die benötigte Vorrichtung kostengünstig, realisierbar ist und einen einfachen Aufbau aufweist.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das gasför- mige Energieübertragungsmedium im Inneren des Rotors in einem Gleichge- wichtszustand vorliegt und dass die Wärmeströmung radial nach außen gerichtet ist.
Wesentlich am erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass sich in der Gasmasse im Rotor aufgrund der durch die Drehung hervorgerufenen Zentripetalbeschleuni- gung sehr große Dichteunterschiede zwischen den Bereichen in der Nähe der Achse und den von der Achse entfernteren Bereichen einstellen. Aufgrund dieser Dichteunterschiede bildet sich ein Temperaturgradient aus, so dass im Gleichge- wichtszustand im Zentralbereich des Rotors eine geringere Temperatur vorliegt als im Bereich des Umfangs. Wenn nun im Inneren des Rotors Wärme zugeführt wird, breitet sich diese durch Wärmeleitung radial nach außen aus und kann an der Außenseite des Rotors abgeführt werden. Durch kontinuierliche Zufuhr von Wärme innen und Abfuhr von Wärme außen kann ein kontinuierlicher Wärme- strom im Rotor herbeigeführt werden. Unter Voraussetzung einer ausreichend hohen Drehzahl und damit eines genügend großen Druck-und Temperaturunter- schiedes in Radialrichtung innerhalb des Rotors erfolgt dabei die Wärmeübertra- gung von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Temperatur des Energieübertragungsmedi- ums von innen nach außen zunimmt und dass der Temperaturunterschied des Energieübertragungsmediums zwischen dem Innenbereich des Rotors und dem äußeren Bereich des Motors mindestens 5 K, vorzugsweise mindestens 50 K, besonders bevorzugt mindestens 100 K und weiters besonders bevorzugt min- destens 200 K beträgt. Auf diese Weise kann ein optimaler Wirkungsgrad erreicht werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wärmetransport im Rotor primär durch eine Wärmeleitung erfolgt. Auch Strahlungseffekte innerhalb des Energieübertra- gungsmediums im Rotors können bei der erfindungsgemäßen Lösung eine Rolle spielen. Das Ausmaß der auftretenden Strahlungseffekte hängt wesentlich vom mittleren Temperaturniveau der geometrischen Ausbildung des Rotors, von der Art des Gases und von der Beschaffenheit der Oberflächen des Gasraumes ab.
Der höchste Wirkungsgrad wird jedoch erreicht, wenn die Wärmeleiteffekte dominieren. Wesentlich für die Erfindung ist jedoch, dass Konvektionsströmun- gen weitgehend unterbunden werden, da diese für die Ausnutzung der erfin- dungsgemäßen Effekte nachteilig sind.
Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, wenn der Rotor mit einer Dreh- zahl von mehr als 8.000 min-1, vorzugsweise von mehr als 12.000 min-1 betrie- ben wird. Auf diese Weise können bei zulässiger mechanischer Belastung des Rotors günstige Temperaturverhältnisse erreicht werden. Generell ist davon aus- zugehen, dass Rotoren mit größeren Radialabmessungen bei niedrigeren Dreh- zahlen betrieben werden als Rotoren mit geringeren Radialabmessungen.
Ein Kreisprozess, bei dem Verluste durch instationäre Effekte weitgehend ver- mieden werden können, wird dadurch erreicht, dass der Rotor mit im Wesentli- chen konstanter Drehzahl betrieben wird.
Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeener- gie mit einem Rotor, der einen Innenraum aufweist, der mit einem gasförmigen Energieübertragungsmedium gefüllt ist, wobei im Bereich der Achse des Rotors ein erster Wärmetauscher vorgesehen ist, und wobei im Bereich des äußeren Umfangs des Rotors ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen ist, welche beiden Wärmetauscher mit dem gasförmigen Energieübertragungsmedium in Kontakt stehen. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Energieübertragungsmedium im Innenraum des Rotors in einem Gleichgewichtszustand vorliegt.
In einer besonders begünstigten Ausführungsvariante der Erfindung kann der erreichbare Temperaturunterschied dadurch vergrößert werden, dass mehrere Rotoren vorgesehen sind und dass eine Einrichtung zur Energieübertragung von dem zweiten Wärmetauscher eines ersten Rotors an den ersten Wärmetauscher eines weiteren Rotors vorgesehen ist. Besonders günstig ist es in diesem Zusammenhang, wenn der erste Rotor und der weitere Rotor mit unterschiedli- chen Energieübertragungsmedien gefüllt sind. Dadurch kann jede Stufe in Abhängigkeit von dem mittleren Temperaturniveau innerhalb dieser Stufe für sich optimiert werden. Ein mechanisch einfacher Aufbau wird in diesem Zusam- menhang insbesondere dadurch errecht, dass die Rotoren fest miteinander ver- bunden sind.
Thermische Verluste können in besonders bevorzugter Weise dadurch vermieden werden, dass mindestens ein Rotor in einem isolierten Schutzmantel unterge- bracht ist.
In Zusammenhang mit der Erfindung hat sich die Verwendung eines Gases mit hoher Molmasse bzw. Atommasse, wie etwa Quecksilberdampf, Krypton oder Argon als Energieübertragungsmedium besonders bewährt.
Das Auftreten von unerwünschten Konvektionsströmungen kann innerhalb des Rotors durch entsprechende Hindernisse verhindert werden.
In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausfüh- rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung ; Fig. 2 und Fig. 3 Diagramme zur Darstellung des Druck-und Temperatur- verlaufs in Ruhe bzw. in Betrieb ; und Fig. 4 die schematische Darstellung eines Rotors einer weiteren Ausfüh- rungsvariante der Erfindung.
Die Vorrichtung von Fig. 1 besteht aus einem Antriebsmotor 1 und einem als Zentrifuge ausgebildeten Rotor 2, der mit hoher Drehzahl, beispielsweise mit 10.000 min-'in Rotation versetzt werden kann. Der Rotor 2 besitzt einen ring- förmigen Innenraum 3, in dem innen ein erster Wärmetauscher 4 und außen ein zweiter Wärmetauscher 5 angeordnet sind. Der Radius in Bezug auf die Achse la der Vorrichtung ist für den inneren Wärmetauscher 4 mit ri und für den zweiten Wärmetauscher 5 ra bezeichnet. Im Innenraum 3 ist dabei ein geeignetes Gas eingeschlossen.
Das Diagramm von Fig. 2 zeigt Druck-und Temperaturverlauf des Gases im Inneren des Innenraums 3 im Ruhezustand, d. h., ohne Rotation. In diesem Zustand stellt sich im Innenraum 3 ein gleichbleibender Druck po ein, und ohne Wärmezufuhr oder-abfuhr über die Wärmetauscher 4 und 5 stellt sich ein Tem- peraturgleichgewicht bei der Temperatur To ein, die mit einer durchgezogenen Linie in Fig. 2 eingezeichnet ist. Falls über den inneren Wärmetauscher 4 konti- nuierlich ein Wärmestrom in den Rotor 2 eingebracht wird und über den Wär- metauscher 5 analog abgeführt wird, so bildet sich in bekannter Weise ein Tem- peraturgefälle aus, das entsprechend der unterbrochenen Linie Tl im Diagramm von Fig. 2 dargestellt ist. Die Steilheit des Temperaturgefälles hängt dabei hauptsächlich vom Wärmestrom und von der Geometrie des Rotors 2 und den thermischen Eigenschaften des Gases im Innenraum 3 ab. Die Wärme fließt dabei in an sich bekannter Weise von einem Zustand höherer Temperatur zu einem Zustand tieferer Temperatur.
In Fig. 3 ist der Druck-und Temperaturverlauf beim Betrieb der erfindungsge- mäßen Vorrichtung gezeigt. Durch die bei der Rotation auftretende Zentripetal- beschleunigung ist der Druck Pr des Gases im Innenraum 3 nach außen hin zunehmend und erreicht am äußeren Durchmesser ra des Innenraums 3 seinen größten Wert. Ein ähnlicher Kurvenverlauf ergibt sich für die Temperatur Tro des Gases im Innenraum 3, die in Fig. 3 mit einer ausgezogenen Linie dargestellt ist.
Dabei steigt die Temperatur kontinuierlich von einer Temperatur Tio am inneren Durchmesser r ; bis zu einer Temperatur Tao bei ra. Wenn nun in gleicher Weise wie zuvor am ersten Wärmetauscher 4 Wärme in das System eingebracht wird und am zweiten Wärmetauscher 5 aus dem System abgezogen wird, stellt sich der mit unterbrochenen Linien dargestellte Temperaturverlauf Tri ein, mit einer Temperatur Til bei ri und Tat bei ra. Aus Fig. 3 ist unmittelbar ersichtlich, dass folgende Beziehungen gelten : Til > To ; (l) Tai < Tao. (2) Bei ausreichend großer Drehzahl des Rotors 2 und entsprechend gewählten Randbedingungen kann dabei stets erreicht werden, dass Tai > T, i (3), d. h., dass der Wärmetauscher 4 bei einer niedrigeren Temperatur betrieben wer- den kann als der Wärmetauscher 5. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung kann dabei der Wärmetauscher 4 in einem Kühlkreislauf angeordnet sein und der Wärmetauscher 5 im Wesentlichen die Wärme an die Umgebung abführen. Umgekehrt kann bei der Verwendung zur Beheizung der Wärmetauscher 4 mit einer Wärmequelle bei Umgebungstemperatur in Verbin- dung stehen, und der Wärmetauscher 5 zur Lieferung bei Wärme auf einem ent- sprechend höheren Temperaturniveau verwendet werden.
In Fig. 4 ist ein Rotor 12 einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung dar- gestellt. In dem Rotor 12 sind zwei Innenräume 3a, 3b nebeneinander vorgese- hen, die innen jeweils mit einem ersten Wärmetauscher 4a, 4b und außen mit einem zweiten Wärmetauscher 5a, 5b versehen sind. Der Rotor 12 besitzt außen eine Isolierschicht 6 zur Vermeidung von Wärmeverlusten. Die Wärmeträgerme- dien zur Anspeisung der Wärmetauscher 4a, 4b ; 5a, 5b werden vorzugsweise axial zu-bzw. abgeführt, wobei mit 7 schematisch eine erste Leitung zur Versor- gung eines ersten Wärmetauschers 4a bezeichnet ist, mit 8 eine zweite Leitung bezeichnet ist, durch die der dem ersten Wärmetauscher 4a gegenüberliegende Wärmetauscher 5a mit dem anderen ersten Wärmetauscher 4b verbunden ist und mit 9 eine Leitung, durch die die Wärme vom zweiten Wärmetauscher 5b aus dem Rotor 12 abgeführt wird. Es ist offensichtlich, dass die hier nur ange- deuteten Leitungen 7,8, 9 jeweils aus einer Zufuhr-und Abfuhrleitung bestehen und dass entsprechende Pumpen oder dgl. zur Umwälzung der Wärmetauscher- medien vorgesehen sind, die aus Gründen der Vereinfachung hier nicht darge- stellt sind.
Bei der Ausführungsvariante von Fig. 4 sind zwei Innenräume 3a, 3b in einem einzelnen Rotor 12 angeordnet. Es ist offensichtlich, dass es in gleicher Weise möglich ist, zwei getrennte Rotoren vorzusehen oder zwei einzelne Rotoren, die zwar getrennt hergestellt sind, jedoch auf einer gemeinsamen Achse la fest mit- einander verbunden sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, eine thermodynamisch hoch- wirksame Vorrichtung anzugeben, die vielfältig einsetzbar ist.
Next Patent: COOLING UNIT AND FLOW DISTRIBUTING ELEMENT FOR USE IN SUCH UNIT