Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von Wärme, bei dem ein Arbeitsmedium im Inneren eines schnell rotierenden Rotors in thermischen Kontakt mit einer inneren Wärmeübergangsfläche eines ringförmigen Gasraums gebracht wird, um Wärme bei einer niedrigen Temperatur abzugeben und bei dem ein Arbeitsmedium mit einer äußeren Wärmeübergangsfläche des ringförmigen Gasraums gebracht wird, um Wärme bei einer höheren Temperatur aufzunehmen.

Verfahren zur Nutzung der Wärme im obigen Sinn kann man grob einteilen in Kreisprozesse zur Gewinnung von mechanischer Arbeit aus Wärmeenergie und in Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie, beispielsweise im Sinne einer Wärmepumpe, bei denen Wärme von einem Temperaturniveau auf ein anderes Temperaturniveau gebracht wird. Die Anmelder der vorliegenden Anmeldung haben solche Verfahren entwickelt, bei denen schnelllaufende Zentrifugen eingesetzt werden, die einen im Wesentlichen ringförmigen Gasraum aufweisen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der WO 2005/049973 A offenbart. Weitere bekannte Verfahren sind aus der DE 38 12 928 A oder der DE 38 07 783 A zu entnehmen.

Um solche Verfahren wirtschaftlich einsetzen zu können, sind extrem hohe Drehzahlen der Zentrifuge erforderlich und es ist notwendig, die Reibungsverluste so gering wie möglich zu halten. Überdies werden hohe Anforderungen an den Wärmeübergang gestellt, so dass die Realisierung solcher Verfahren schwierig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der oben beschriebenen Art insbesondere so wie es aus der erstgenannten Druckschrift der Anmelder der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist, so weiterzubilden, dass optimale Wirkungsgrade und eine Möglichkeit der wirtschaftlichen Anwendung erreicht werden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben, die dem obigen Kriterium genügt.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass die Wärmeübertragung im Bereich der inneren Wärmeübergangsfläche durch Wärmestrahlung, vorzugsweise über radiale Lamellen, erfolgt, die einerseits mit dem Gasraum und andererseits mit dem Arbeitsmedium thermisch in Verbindung stehen.

Allgemein wird in thermischen Maschinen der Wärmetransport primär durch Wärmeleitung und durch Konvektion bewerkstelligt. Wärmeleitung findet beispielsweise in den Wärmeübertragungsflächen von Wärmetauschern statt, als Konvektion wird der Wärmetransport durch Bewegung eines Arbeitsmediums oder War- meträgermediums bezeichnet. In der Regel handelt es sich dabei um erzwungene Konvektion, bei der das Wärmeträgermedium durch Pumpen bewegt wird. Für die meisten bisher realisierten praktischen Anwendungen haben sich diese Wärmetransportmechanismen als effizient und praktikabel erwiesen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass für Verfahren der oben beschriebenen Art in Zusammenhang mit der schnelllaufenden Zentrifuge Probleme auftreten, die eine praktische Umsetzung zu wirtschaftlichen Bedingungen behindern.

Überraschenderweise können diese Probleme dadurch vermieden werden, dass zumindest im Bereich der inneren Wärmeübergangsfläche eine Wärmeübertragung durch Strahlung eingesetzt wird. Auf diese Weise können die Verluste durch mechanische Reibung wesentlich verringert werden, was den Gesamtwirkungsgrad entsprechend verbessert. Um die an sich geringere Wärmemenge auszugleichen, die durch Strahlung übertragen werden kann, ist es von besonderem Vorteil, wenn die Wärmeübergangsflächen als radiale Lamellen ausgebildet sind, so dass die Übertragungsflächen entsprechend vergrößert werden. Ein zusätzlicher Vorteil der Übertragung über radiale Lamellen liegt darin, dass die Abstände zwischen den Wärmeübergangsflächen sehr gering gehalten werden können.

Wie bereits oben ausgeführt, kann das Verfahren der oben beschriebenen Art als Wärmekraftprozess ausgebildet sein, bei dem mechanische Arbeit gewonnen wird, indem das Arbeitsmedium in einem Kreislauf geführt wird, bei dem es zunächst an der inneren Wärmeübergangsfläche abgekühlt wird, danach verdichtet wird, danach an der äußeren Wärmeübergangsfläche erwärmt wird und danach unter Gewinnung mechanischer Arbeit entspannt wird.

Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das Arbeitsmedium in einem Kreislauf geführt wird, bei dem es zunächst an der inneren Wärmeübergangsfläche abgekühlt wird, danach vorzugsweise in einem Umgebungswärmetauscher erwärmt wird, danach an der äußeren Wärmeübergangsfläche weiter erwärmt wird und danach die Wärme an einen Verbraucher abgibt. Ein solcher Prozess entspricht dem einer Wärmepumpe. Im Fall von Kühlbedarf kann das Arbeitsmedium nach dem Durchströmen der inneren Wärmeübergangsfläche selbstverständlich auch zum Kühlen verwendet werden.

Eine besonders einfache und effiziente Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahren ist gewährleistet, wenn das Arbeitsmedium im Wesentlichen in Axialrichtung durch den Rotor geführt wird. Besonders günstig ist es dabei, wenn im Rotor eine Temperaturdifferenz von mindestens 100 K, vorzugsweise von mindestens 300 K und besonders vorzugsweise von mindestens 500 K aufgebaut wird. Auf diese Weise werden hohe Wirkungsgrade erreicht. Weiters betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Nutzung von Wärme in mechanische Arbeit, mit einem Rotor, in dem ein im Wesentlichen ringförmiger Gasraum angeordnet ist, an dessen innerem Umfang ein erster Wärmetauscher vorgesehen ist und an dessen äußerem Umfang ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der erste Wärmetauscher ortsfeste Wärmetauscherflächen und rotierende Wärmetauscherflächen aufweist, zwischen denen die Wärmeübertragung primär durch Strahlung erfolgt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt einen hohen Wirkungsgrad dank geringst möglicher mechanischer Verluste. Besonders günstig ist - wie bereits oben ausgeführt - wenn die ortsfesten Wärmetauscherflächen und die rotierenden Wärmetauscherflächen als radiale Lamellen ausgebildet sind, die ineinandergreifend angeordnet sind. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn erste Lamellen fest mit einer starren Längsachse verbunden sind und wenn zweite Lamellen mit der Innenwand des Gasraums verbunden sind. Auf diese Weise wird ein besonders robuster und einfacher mechanischer Aufbau erreicht. Vorteilhafterweise durchströmt dabei das Arbeitsmedium die starre Längsachse in Längsrichtung.

Die Oberflächen der Lamellen sind bevorzugt profiliert ausgebildet, beispielsweise in der Form von kleinen pyramidenförmigen Erhebungen, was dazu dient, die Oberfläche zur Strahlungsübertragung zu vergrößern.

Um die mechanischen Widerstände zu minimieren ist es weiters von besonderem Vorteil, wenn die Zwischenräume zwischen den ortsfesten Wärmetauscherflächen und den rotierenden Wärmetauscherflächen evakuiert sind, wobei der Druck in den Zwischenräumen vorzugsweise kleiner ist als 1 mbar, vorzugsweise kleiner als 0,1 mbar. Durch die Evakuierung wird zwar der konvektive Wärmetransport zwischen den Wärmeübergangsflächen auf nahezu Null reduziert, was aber im Sinn der vorliegenden Erfindung durchaus beabsichtigt ist, da der Wärmetransport ja primär durch Strahlung erfolgen soll. Gleichzeitig werden aber auch die Verluste bedingt durch die Viskosität der Luft entsprechend reduziert, was die oben beschriebenen Vorteile ergibt.

Analog zu den Verhältnissen am ersten Wärmetauscher ist es ebenfalls von besonderem Vorteil, wenn der zweite Wärmetauscher ortsfeste Wärmetauscherflächen und rotierende Wärmetauscherflächen aufweist, zwischen denen die Wärmeübertragung primär durch Strahlung erfolgt. Auch hier steht die Verringerung der Reibungsverluste im Vordergrund. An dieser Stelle ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass die ortsfesten Wärmetauscherflächen und die rotierenden Wärmetauscherflächen des zweiten Wärmetauschers mit einer die Oberfläche vergrößernden Struktur versehen ist, die etwa mit kleinen pyramidenförmigen Erhebungen ausgestaltet ist. Es ist auch möglich, dass die ortsfesten Wärmetauscherflächen und die rotierenden Wärmetauscherflächen des zweiten Wärmetauschers kegelstumpfförmige Flächen ausgebildet sind, die gegeneinander gerichtet sind. Es hat sich herausgestellt, dass kegelstumpfförmige Flächen hier besonders geeignet sind, um die Wärmeübergangsflächen entsprechend zu vergrößern. Um die mechanischen Belastungen zu Folge der Fliehkräfte gering zu halten, wird jedoch an dieser Stelle in der Regel von der Verwendung von Lamellen abgesehen, um die erreichbaren Drehzahlen nicht einzuschränken. Die etwas ungünstigere Geometrie der kegelstumpfförmi- gen Wärmetauscherflächen im Vergleich zu den Lamellen fällt hier nicht ins Gewicht, da aufgrund der größeren Umfangsfläche an der Außenseite des Rotors ohnehin mehr Fläche zur Verfügung steht und andererseits aufgrund der hier vorliegenden höheren Temperaturen der Wärmeübergang durch Strahlung entsprechend verbessert ist. Aber auch in diesem Bereich ist es günstig, wenn die Zwischenräume zwischen den ortsfesten Wärmetauscherflächen und den rotierenden Wärmetauscherflächen des zweiten Wärmetauschers evakuiert sind, wobei der Druck vorzugsweise kleiner ist als 1 mbar, vorzugsweise kleiner als 0,1 mbar.

Eine weitere Verringerung der Reibungsverluste kann dadurch erreicht werden, dass der Rotor über Magnetlager gelagert ist.

In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt; und

Fig. 2 ein Detail einer weiteren Ausführungsvariante.

Die Vorrichtung von Fig. 1 besteht allgemein aus einer Zentrifuge 1 mit einem feststehenden Gehäuse 2 und einer in dem Gehäuse 2 angeordneten starren Achse 3.

An der Achse 3 ist über Magnetlager 4 ein schnelllaufender Rotor gelagert, der sich typischerweise mit einer Drehzahl von 50.000 min ^"1 dreht. Im Rotor 5 ist ein ringförmiger Gasraum 6 angeordnet, der eine innere Wärmeübergangsfläche 6a und eine äußere Wärmeübergangsfläche 6b aufweist. Innerhalb der inneren Wärmeübergangsfläche 6a ist ein erster Wärmetauscher 7 angeordnet, der aus ineinandergreifend angeordneten Lamellen 9, 10 besteht. Dabei sind erste Lamellen 9 fest mit der Längsachse 3 verbunden, während zweite Lamellen 10 als Teile des Rotors 5 ausgebildet sind und mit der Innenwand des Gasraumes 6 in gutem thermischen Kontakt stehen. Der Zwischenraum 11 zwischen den Lamellen 9, 10 ist unter Berücksichtigung der erzielbaren Toleranzen so klein wie möglich ausgebildet und auf einen Druck von weniger als 10 ^"3 mbar, vorzugsweise weniger als 10 ^"4 mbar und besonders vorzugsweise weniger als 10 ^"5 mbar evakuiert. Die ortsfesten Wärmetauscherflächen 9a der ersten Lamellen 9 stehen somit durch Wärmestrahlung thermisch in Kontakt mit den rotierenden Wärmetauscherflächen 10a der zweiten Lamellen 10.

Die Zufuhr von Wärme in die Vorrichtung erfolgt über ein Arbeitsmedium, das in einem in Längsrichtung verlaufenden Strömungskanal 12 innerhalb der Längsachse 3 in Längsrichtung strömt. An der Außenseite des Gehäuses 2 ist ein weiterer Wärmetauscher 8 zur Abfuhr der Wärme vorgesehen, wie dies durch die Pfeile 13 angedeutet ist. Dies kann beispielsweise über einen hier nicht dargestellten Flüssigkeitswärmetauscher erfolgen.

In Fig. 2 ist eine besonders vorteilhafte Ausführung des zweiten Wärmetauschers 8 gezeigt. Am Rotor 5 sind dabei kegelstumpfförmige Flächen 14 ausgebildet, die über Wärmestrahlung entsprechend der Pfeile 15 mit zugeordneten kegelstumpf- förmigen Flächen 16 des Gehäuses 2 in thermischem Kontakt stehen.

Bei der Ausführungsvariante von Fig. 1 sind die Lamellen 9, 10 als im Wesentlichen zylindrische Scheiben dargestellt. Es ist im Rahmen der Erfindung alternativ auch möglich, die Lamellen 9, 10 an ihren jeweiligen Enden im Längsschnitt spitz zulaufend zu gestalten. Die Wärmeübergangsflächen 6a, 6b sind in Fig. 1 glatt dargestellte, es ist hier allerdings auch möglich zur Verbesserung des Wärmeüberganges, eine entsprechende Profilierung vorzusehen. Der Gasraum 6 ist vorzugsweise mit einem Gas mit höherer Atommasse bzw. Molekülmasse gefüllt, wie etwa Argon oder halogenierten Kohlenwasserstoffen. Insbesondere ist es vorteilhaft möglich, Gasgemische von Gasen mit unterschiedlichen Atommassen bzw. Molekülmassen zu verwenden. Dabei liegt im statischen Fall, d.h. bei nicht rotierendem Rotor der Druck im Bereich von 1 bar bis 20 bar. Bei einem Rotor mit einem Außendurchmesser von 300 mm können typischerweise Drehzahlen von 50.000 min ^"1 erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Wärmekraftmaschinen und Wärmepumpen mit besonders hohen Wirkungsgraden darzustellen.