EP3092447B1 - Device for converting thermal energy - Google Patents

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EP3092447B1
EP3092447B1 EP15705481.8A EP15705481A EP3092447B1 EP 3092447 B1 EP3092447 B1 EP 3092447B1 EP 15705481 A EP15705481 A EP 15705481A EP 3092447 B1 EP3092447 B1 EP 3092447B1
Authority
EP
European Patent Office
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heat exchanger
axis
rotation
heat
support body
Prior art date
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Active
Application number
EP15705481.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP3092447A1 (en
Inventor
Bernhard Adler
Sebastian Riepl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ecop Technologies GmbH
Original Assignee
Ecop Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Ecop Technologies GmbH filed Critical Ecop Technologies GmbH
Publication of EP3092447A1 publication Critical patent/EP3092447A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP3092447B1 publication Critical patent/EP3092447B1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B3/00—Self-contained rotary compression machines, i.e. with compressor, condenser and evaporator rotating as a single unit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D11/00—Heat-exchange apparatus employing moving conduits
    • F28D11/02—Heat-exchange apparatus employing moving conduits the movement being rotary, e.g. performed by a drum or roller
    • F28D11/04—Heat-exchange apparatus employing moving conduits the movement being rotary, e.g. performed by a drum or roller performed by a tube or a bundle of tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically

Definitions

  • the invention relates to a device for converting thermal energy of low temperature into thermal energy of higher temperature by means of mechanical energy and vice versa with a rotatably mounted about a rotation axis rotor, in which a flow channel is provided for a closed loop process continuous working fluid in a compressor unit for pressure increase is guided with respect to the axis of rotation substantially radially outwardly and is guided in a relaxation unit for depressurizing with respect to the axis of rotation substantially radially inwardly, wherein at least one with respect to the axis of rotation inner heat exchanger and at least one with respect to the axis of rotation outer Heat exchangers are provided for a heat exchange between the working medium and a heat exchange medium, wherein the heat exchangers are preferably arranged substantially parallel to the axis of rotation of the rotor.
  • Rotary heat pumps or heat engines are already known from the prior art, in which a gaseous working medium is guided in a closed thermodynamic cycle.
  • WO 2009/015402 A1 is a heat pump or heat engine described according to the preamble of claim 1, wherein the working fluid in a piping system of a rotor a cycle with the steps a) compression of the working fluid, b) heat removal from the working fluid by means of a heat exchanger, c) relaxation of the working medium and d ) Passes through heat supply to the working medium by means of another heat exchanger.
  • the pressure increase or pressure reduction of the working medium adjusts itself by the centrifugal acceleration, wherein the working medium in a compression unit with respect to a rotation axis flows radially outward and in a relaxation unit radially inwardly.
  • the heat dissipation from the working fluid to a heat exchange medium of the heat exchanger takes place in an axial or parallel to the axis of rotation extending portion of the piping system, which is associated with a co-rotating, the heat exchange medium exhibiting heat exchanger.
  • This device already enables efficient conversion of mechanical energy and low-temperature thermal energy into higher-temperature thermal energy.
  • the heat exchangers were clamped in the region of the front ends of the heat exchanger.
  • the heat exchangers in this embodiment can flex in operation between the grips at the ends, whereby the stability of the arrangement is impaired.
  • the reliability can not be guaranteed hereby.
  • WO 98/30846 A1 a generic rotor device for converting thermal energy is disclosed.
  • the US 3,846,302 describes a different type of apparatus for heat treatment of sludges.
  • the US 4,420,944 refers to a rotor for different types of cooling equipment.
  • the device is driven by a shaft.
  • two pairs of cylinder-piston units are disposed on opposite sides of the shaft.
  • the cylinder-piston units are attached via cylindrical head parts to mounting bodies.
  • the cooled gas is passed through outlets of the cylinder-piston units via the headers and a conduit into a heat exchanger. In the heat exchanger, the cooled gas is heated by the supplied room air.
  • the object of the present invention is to provide a rotary device for converting thermal energy, as stated above, which can reliably withstand high forces during operation of the device.
  • the device of the invention utilizes the centrifugal acceleration of the rotating system to different pressure or temperature levels to create; In this case, the high-temperature heat is removed or supplied to the compressed working medium, and the relaxed working medium is supplied or withdrawn with heat at a comparatively low temperature.
  • the device will be operated either as a heat pump or motor.
  • an inner heat exchanger with respect to the axis of rotation and at least one outer heat exchanger with respect to the axis of rotation is used, which preferably is arranged substantially parallel to the axis of rotation of the rotor are.
  • the inner heat exchanger is provided for a lower temperature heat exchange and the outer heat exchanger for higher temperature heat exchange.
  • the rotor has a supporting body, which supports the inner or outer heat exchanger over the length of the heat exchanger between the end faces relative to radial forces occurring during operation.
  • the rotor has a support body which supports the inner or outer heat exchanger over the length of the heat exchanger between the end faces relative to radial forces occurring during operation.
  • the heat exchanger is supported by the support body substantially uniformly in the longitudinal direction of the heat exchanger, so that only small or uncritical bends occur along the heat exchanger.
  • all heat exchangers are mounted on a common support body, which is arranged as a component of the rotor rotating about the axis of rotation.
  • the support body may consist of one or more components spaced apart in the longitudinal direction of the heat exchanger.
  • the at least one outer heat exchanger between the outer tube and the support body has an insulation element made of a thermally insulating material, wherein the inner heat exchanger remains free of an insulation element.
  • the outer or achsfernen heat exchangers which have a higher relative temperature than the inner or near-axis heat exchanger under normal operation, in particular thermally insulated by tubular insulating elements with a compared to the supporting body substantially lower thermal conductivity of the support body ,
  • the thermal insulating material preferably has a tensile strength of at least 10 MPa to avoid flow under the load.
  • the thermally insulating material have a temperature stability corresponding to the maximum temperature of the heat exchanger. Therefore, ordinary polycarbonate offers at service temperatures up to max. 120 ° C on. At higher temperatures up to about 200 ° C polyetheretherketone, in particular with fillers such as carbon fiber or glass fiber, polyamide, in particular with various fillers, hardboard materials or other high temperature materials are used with low thermal conductivity. Due to the heat insulation of the support body from the outer heat exchanger on the one hand in the absence of such an insulating element on the inner heat exchanger on the other hand, the temperatures of the inner heat exchanger are essentially decisive for the support body. As a result, advantageously no or lower strength losses occur in the support body.
  • this has an effect on the use of aluminum or aluminum alloys, since these generally show strength reductions starting at about 50.degree.
  • Another advantage of this embodiment is that set lower temperature gradients within the support body, since the temperature of the near-axis heat exchanger is set substantially to the insulation layer to the off-axis heat exchanger. This leads to lower residual stresses in the support body. At particularly high temperatures, however, it is also conceivable that both the off-axis and the near-axis heat exchanger by means of insulating elements of the support body are thermally insulated.
  • the support body can be equipped with an active cooling (for example via water cooling, heat radiation or convection) in order to prevent losses in the strength of the support body.
  • the support body is produced as a cast body, in particular made of aluminum, wherein preferably high-strength aluminum alloys, for example AlCu4Ti, are used. Due to the high thermal conductivity of aluminum, the arrangement of the insulating element at least at the inner heat exchanger is advantageous.
  • the support body can be made of (for example bainitic) cast iron. Due to the low thermal conductivity can in a support body produced in this way the insulation element of the off-axis heat exchanger omitted. Due to the low strength reductions at higher temperatures, this support variant is very well suited for high-temperature applications.
  • the support body can be made of steel using welded joints, this embodiment brings special cost advantages, with relatively high strength properties, with it.
  • Another advantage of a welded support body is the almost unlimited size scaling. In this case, the diameter of the rotor of at least 4m are conceivable.
  • This variant also has the advantage that due to the low thermal conductivity of steel can be dispensed with an insulation element on the outer heat exchanger.
  • the support body can be made of fiber composites, which are advantageously very light and have a high rigidity.
  • the support body can be assembled from semi-finished products, wherein, for example, aluminum plates and aluminum tubes and / or steel plates and steel tubes can be used.
  • all materials can be used, which are available in plate or tube form as a semi-finished product.
  • the support body has a plurality of plate elements which are arranged substantially perpendicular to the axis of rotation and spaced in the direction of the axis of rotation, which have recesses for mounting the heat exchangers.
  • the plate elements may have cutouts or depressions in order to reduce the weight of the support body and / or to change the rigidity of the plate elements. This can be used advantageously to achieve uniform deformations in the transition to the edge region, which may have an increased weight.
  • the plate elements are preferably arranged at equal intervals.
  • the plate elements are preferred disc-shaped.
  • the heat exchangers between the plates are slightly deflected due to the centrifugal acceleration and there are additional bending stresses that must be absorbed by the heat exchanger.
  • the advantage of this design is that when manufactured from semi-finished products, increased strength in the raw materials can be achieved.
  • the heat exchanger on the outside has a support tube which has recesses extending in the circumferential direction for receiving the plate elements.
  • shear forces can be absorbed hereby.
  • a supporting body extending in the direction of the axis of rotation profile body having an inner member having at least one inner recess for the at least one inner heat exchanger and at least one Au ⁇ enelement having at least one outer recess for the at least one outer heat exchanger.
  • the profile body is rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation in an arrangement of at least two outer and two inner heat exchangers.
  • the inner element and the outer element are connected to one another via connecting webs running essentially in the radial direction.
  • a plurality of outer elements are provided, wherein preferably exactly two connecting webs are provided between the inner element and each outer element.
  • the connecting webs with the outer elements are preferably arranged in a star shape around the inner element.
  • the power transmission it is favorable if the distance between the connecting webs in the radial direction increases continuously outwards.
  • the width of the connecting web can decrease in the radial direction to the outside.
  • the at least one outer element of the support body is designed as a cylindrical receptacle for the outer heat exchanger.
  • the intake can be partly open inwards. Due to the non-circumferentially supported, off-axis heat exchanger, one core per heat exchanger can be dispensed with during casting production. Furthermore, the introduction of force in the off-axis heat exchanger can be improved, whereby the stresses due to the centrifugal forces can be reduced.
  • the support body has a cylindrical enclosure surrounding the outer elements.
  • the outer elements are in this case attached to the inside of the cylindrical enclosure. Due to the cylindrical jacket, the friction losses in the rotating operating state of the device are significantly reduced.
  • the rotor is operated in a room with an ambient pressure of less than 50 mbar absolute pressure, in particular less than 5 mbar absolute pressure.
  • Fig. 1 is a heat exchanger 1 for installation in a rotary device 20 for the conversion of heat energy by means of mechanical energy and vice versa (see. Fig. 7 . 8th ).
  • the heat exchanger 1 has an inner longitudinal element 2 and an outer tube 3, which surrounds the inner longitudinal element 2.
  • inner longitudinal element 2 a hollow inner tube 4 is provided.
  • the outer tube 3 and the inner tube 4 are arranged coaxially with respect to a central longitudinal axis 5.
  • a heat transfer tube 6 is arranged, which extends coaxially to the outer tube 3 and to the inner tube 4 in the longitudinal direction of the heat exchanger 1.
  • the heat transfer tube 6 has a wall 7 with an outer circumferential surface 8 and an inner circumferential surface 9, projecting from the outer fins 10 and inner 11 fins.
  • the lamellae 10, 11 extend in the direction of the longitudinal axis 5 of the heat transfer tube 6.
  • the outer lamellae 10 protrude from the outer circumferential surface 8 in the radial outward direction to an inner surface 12 of the outer tube 3.
  • the inner lamellae 11 jump from the inner Lateral surface 9 of the wall 7 of the heat transfer tube 6 to an outer surface 13 of the inner tube 4 before. Accordingly, the heat transfer tube 6 is held between the inner tube 4 and the outer tube 3, wherein the outer plates 10 are supported on the outer tube 3 and the inner plates 11 on the inner tube 4.
  • Between the outer fins 10 intermediate spaces 14 are formed, which form heat exchange channels 15 for a first heat exchange medium.
  • spaces 16 between the inner fins 11 form heat exchange channels 17 for a second heat exchange medium.
  • the heat exchange medium having the lower absolute pressure flows in the outer heat exchange channels 15 between the outer fins 10, whereby the second heat exchange medium can flow through the heat exchange channels 17 between the inner fins 11 at a considerably higher pressure.
  • the two-sided support of the heat transfer tube 6 allows that caused by the differential pressure voltages in the region of the wall 7 of the heat transfer tube 6 are transmitted via the outer fins 10 to the outer tube 3. Conversely, forces introduced into the wall 7 can be transmitted to the inner tube 4 via the inner lamellae 11 when the heat exchange medium at the higher pressure flows in the outer heat exchange channels 15. Thus, a mechanically very stable arrangement of the heat transfer tube 6 is achieved, which can be made thin-walled to optimize the heat transfer between the heat exchange media.
  • the ratio between a wall thickness s of the wall 7 of the heat transfer tube 6 and a wall thickness s' of the outer tube 3 is approximately 0.2.
  • the ratio between the wall thickness s of the heat transfer tube 6 and a wall thickness s "of the inner tube 4 is about 0.3.
  • the thin-walled construction of the heat transfer tube 6 permits Heat transfer with high efficiency, whereby in particular the extension of the heat exchanger can be shortened in the longitudinal direction, which, for example, in the reference to the Fig. 7 and 8th explained embodiment has proved advantageous.
  • the outer lamellae 10 have a height h, ie an extension in the radial direction, which is preferably greater than a height h 'of the inner lamellae 11.
  • the ratio between the height h of the outer fins 10 and the height h 'of the inner fins 11 is between 0.2 and 5, depending on the fluid, mass flow and pressures.
  • the outer heat exchange channels 15 forming gaps 14 have a width b of about 1 mm.
  • a width b 'of the intermediate spaces 16 between the inner slats 11 preferably corresponds to the width b of the intermediate spaces 14.
  • the heat transfer tube 6 is made of a material having a modulus of elasticity which is lower than the modulus of elasticity of the outer tube 3 or of the inner longitudinal element 2.
  • the heat transfer tube 3 is made of an aluminum or copper alloy.
  • the outer tube 3 or the inner longitudinal element 2 is made of a high-strength steel alloy.
  • the in the Fig. 1 to 3 shown outer and inner plates 10 and 11 are suitably provided as a milling, which can be introduced with high accuracy in a preform.
  • the Fig. 4 or 5 and 6 each show an alternative embodiment of the heat transfer tube 6, which was produced in particular by an extrusion molding process.
  • a wall thickness a of the inner fins 11 or a wall thickness a 'of the outer fins 10 decreases in the radial direction inwards or in the radial direction outwards. Accordingly, the extension of the fins 10, 11 in the circumferential direction following the wall 7 of the heat transfer tube 6 is greatest and decreases continuously with the distance to the wall 7.
  • edges of the outer fins 10 and inner lamellae 11 performed rounded.
  • the outer fins 10 and the inner fins 11 contoured surfaces, which in the direction of the longitudinal axis 5 extending valleys 19 'and mountains 19'', so that a wave-shaped course is achieved. In this way, the heat exchange surface available for heat exchange is considerably increased.
  • the Fig. 7 and 8th show the arrangement of the heat exchanger 1 in a device 20 for converting mechanical energy into heat energy and vice versa, which is operated in particular as a heat pump.
  • a device 20 - but with different heat exchangers - is in the AT 505 532 B1 described.
  • the device 20 comprises a rotor 21 which is rotatable about a rotation axis 22 by means of a motor (not shown).
  • a flow channel for a closed loop process continuous working fluid such as a noble gas
  • the rotor 21 has a compressor unit 23 and a relaxation unit 24, which form a piping system.
  • the working fluid flows radially outward with respect to the rotation axis 22, compressing the working fluid due to the centrifugal acceleration. Accordingly, the working medium for pressure reduction in expansion tubes 26 of the expansion unit 24 is guided substantially radially inwards.
  • the compressor unit 23 and the expansion unit 24 are connected to each other by axially extending portions of the piping system, in which a heat exchange with a heat exchange medium, for example water, takes place.
  • a heat exchange medium for example water
  • outer heat exchangers 1 'and inner heat exchangers 1 are provided, in which the working medium compressed in the compression tubes 25 gives off heat to a heat exchange medium at a first temperature or the working medium expanded in the expansion tubes 26 absorbs heat from the heat exchange medium at a second temperature. Accordingly, the centrifugal acceleration acting on the working medium becomes exploited to produce different pressure levels or temperature levels. High-temperature heat is removed from the compressed working medium, and heat is supplied to the relaxed working medium at a comparatively low temperature.
  • the heat exchangers 1 'and 1 are fluidly connected to one another via lines 27, 28 or 29.
  • the heat exchange medium is supplied to the pipeline system via a feed 31 of a static distributor 32, via a co-rotating manifold 33, the heat exchange medium then via the line 27 Heat exchanger 1 'supplied in which it is heated by the line 28 in the co-rotating manifold 33.
  • the heated heat transfer medium is then fed to a heat cycle.
  • the cold heat exchange medium of the heat exchanger 1 is passed through an inlet 34 of a static distributor 35, conveyed with another co-rotating distributor 36 in the co-rotating line 29 to the low-pressure heat exchanger 1", where heat is released to the gaseous working medium. Subsequently, the heat exchange medium is supplied via the co-rotating distributor 36 to the static distributor 35, and finally leaves the device 20 via a drain.
  • the heat exchangers 1 'and 1 "by the basis of Fig. 1 to 6 explained heat exchanger 1 given, being provided as a second heat exchange medium, the working medium, the heat exchange medium as the first heat exchange medium.
  • the working medium and the heat exchange medium flow in countercurrent in the heat exchange channels 15 and 17, wherein in the heat exchangers 1 ', 1 "is to ensure proper return of the heat exchange medium.
  • Fig. 9 shows a longitudinal section through an alternative embodiment of the device 20 in the region of the heat exchanger 1, wherein the flow 20 'of the working medium and the flow 20 "of the heat exchange medium is shown schematically.
  • Fig. 10 shows an enlarged section of the heat exchanger 1. Accordingly the heat exchanger 1 in a central cavity 37 of the inner tube 4, a tie rod 38. At the protruding from the inner tube 4 ends of the tie rod 38 head parts 38 'are attached, which cover the end faces of the heat exchanger 1.
  • the device 20 further comprises a supply line 39 for the working medium.
  • the supply line 39 is connected to an annular gap 40, in which the linear flow in the feed line 39 is converted into a circular flow of the working medium about the longitudinal axis of the heat exchanger 1 (see. Fig. 11 ).
  • the annular gap 40 is formed in the embodiment shown between the lateral surface of the protruding from the inner tube 4 end of the tie rod 38 and an inner wall of the head portion 38 '.
  • the inlet openings 43 are connected to a feed 44 for the heat exchange medium.
  • the end faces 42 of the outer slats 10 are inclined forward as viewed in the flow direction.
  • the optimum angle between the end faces 42 of the outer fins 10 and the longitudinal axis of the heat transfer tube 6 is preferably selected as a function of the flow velocity. At flow velocities of less than 2 meters per second (m / s) steeper angles greater than 45 ° are possible. At speeds greater than 2 m / s, flatter angles are an advantage. In general, due to the limited space requirement, flat angles, in particular an angle of 45 °, are to be preferred.
  • each passage opening 47 is connected to exactly one distributor element 46, which is arranged substantially symmetrically with respect to the passage opening 47.
  • the passage openings 47 are arranged here at opposite ends of the circular-arc-shaped distributor elements 46.
  • FIGS. 14a to 14f show sections through the individual stages of the distributor 45, wherein Fig. 14a the entrance side of the manifold 45 and Fig. 14f the exit side of the distributor device 45 shows.
  • the first distributor element 46 viewed in the flow direction, is semicircular, with the distributor elements 46 of the subsequent stages being formed by correspondingly shorter arc elements.
  • the outlet-side distributor elements 46 of the distributor device 45 are arranged in such a way that an annular exit surface 48 is formed which has outlet openings 49 at substantially the same angular intervals.
  • the outlet openings 49 are arranged in the flow direction immediately in front of the inlet openings 43 of the outer heat exchange channels 15. Due to the symmetrical arrangement of the distributor elements 46, the heat exchange medium retains substantially equal flow paths between the feed 44 and the outlet openings 49 of the distributor device 45. Out Fig. 14 In addition, fastening means 50 can be seen with which the distributor elements 46 are held in a defined position relative to each other.
  • Fig. 15 shows a part of the device 20, wherein one of the inner axis of rotation with respect to the heat exchanger 1 "and one with respect to the axis of rotation outer heat exchanger 1 'can be seen are.
  • the rotor 21 has a common supporting body 51 for holding the inner heat exchanger 1 "and the outer heat exchanger 1 ' Fig. 15
  • the support body 51 has a plurality of plate elements 52 arranged substantially perpendicular to the axis of rotation and spaced apart in the direction of the axis of rotation (cf. Fig. 16 which have recesses for the passage of the heat exchangers 1 ', 1 ".
  • the heat exchangers 1', 1" are in this case encased with support tubes 53, which have gradations 54 for mounting the plate elements 52.
  • the outer heat exchanger 1 'between the outer tubes 3 and the support body 51 each have an insulating member 55 made of a thermally insulating material.
  • the inner heat exchanger 1 "remain free of such insulation elements, so that the support body 51 substantially assumes the temperature of the inner heat exchanger 1" during operation.
  • Fig. 17 shows an alternative embodiment of the support body 51, which according to Fig. 17 is formed with respect to the axis of rotation rotationally symmetrical profile body 56.
  • the profile body 56 has an inner element 57 with a plurality of inner recesses 58 for receiving the inner heat exchanger 1 "and a plurality of outer elements 59 with outer recesses 60 for receiving the outer heat exchanger 1 '
  • Fig. 17 are provided as outer elements 59 circumferentially closed, cylindrical receptacles 59 ', which include the outer recesses 60.
  • the inner member 57 is connected to each outer member 59 via exactly two extending in the radial direction connecting webs 61.
  • the distance between the connecting webs 61 advantageously increases radially outwards (cf. Fig. 18 ).
  • the wall thickness of the connecting webs advantageously decreases in the radial direction.
  • the outer elements 59 are connected via welds 62 with the connecting webs 61.
  • Welded joints 62 between the connecting webs 61 and the inner member 57 are provided.
  • the welded joints 62 may also be a positive connection, such as a hammer head or dovetail connection may be provided.
  • Fig. 19 shows an alternative embodiment of the support body 51, wherein the outer elements 59 in the direction of the inner member 57 has open outer recesses 60.
  • Fig. 20 shows a further embodiment of the support body 51, which according to Fig. 20 a fixed to the outside of the outer elements 59, cylindrical enclosure 63 has.

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Description

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 Wesentlichen radial nach innen geführt wird, wobei 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, 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.The invention relates to a device for converting thermal energy of low temperature into thermal energy of higher temperature by means of mechanical energy and vice versa with a rotatably mounted about a rotation axis rotor, in which a flow channel is provided for a closed loop process continuous working fluid in a compressor unit for pressure increase is guided with respect to the axis of rotation substantially radially outwardly and is guided in a relaxation unit for depressurizing with respect to the axis of rotation substantially radially inwardly, wherein at least one with respect to the axis of rotation inner heat exchanger and at least one with respect to the axis of rotation outer Heat exchangers are provided for a heat exchange between the working medium and a heat exchange medium, wherein the heat exchangers are preferably arranged substantially parallel to the axis of rotation of the rotor. Rotary heat pumps or heat engines are already known from the prior art, in which a gaseous working medium is guided in a closed thermodynamic cycle.

In der WO 2009/015402 A1 ist eine Wärmepumpe bzw. Wärmekraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 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 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. Diese Vorrichtung ermöglicht bereits eine effiziente Umsetzung von mechanischer Energie und Wärmeenergie niedriger Temperatur in Wärmeenergie höherer Temperatur.In the WO 2009/015402 A1 is a heat pump or heat engine described according to the preamble of claim 1, wherein the working fluid in a piping system of a rotor a cycle with the steps a) compression of the working fluid, b) heat removal from the working fluid by means of a heat exchanger, c) relaxation of the working medium and d ) Passes through heat supply to the working medium by means of another heat exchanger. The pressure increase or pressure reduction of the working medium adjusts itself by the centrifugal acceleration, wherein the working medium in a compression unit with respect to a rotation axis flows radially outward and in a relaxation unit radially inwardly. The heat dissipation from the working fluid to a heat exchange medium of the heat exchanger takes place in an axial or parallel to the axis of rotation extending portion of the piping system, which is associated with a co-rotating, the heat exchange medium exhibiting heat exchanger. This device already enables efficient conversion of mechanical energy and low-temperature thermal energy into higher-temperature thermal energy.

In der Praxis werden hohe Anforderungen an die Stabilität der Vorrichtung gestellt, welche aufgrund der Drehbewegung des Rotors hohen Fliehkräften ausgesetzt sein kann.In practice, high demands are placed on the stability of the device, which may be exposed to high centrifugal forces due to the rotational movement of the rotor.

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 the prior art, the heat exchangers were clamped in the region of the front ends of the heat exchanger. Disadvantageously, the heat exchangers in this embodiment can flex in operation between the grips at the ends, whereby the stability of the arrangement is impaired. In addition, the reliability can not be guaranteed hereby.

In der WO 98/30846 A1 ist eine gattungsgemäße Rotor-Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie offenbart. Die US 3,846,302 beschreibt eine andersartige Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Schlämmen. Weiters bezieht sich die US 3,258,197 auf eine andersartige Kühleinrichtung.In the WO 98/30846 A1 a generic rotor device for converting thermal energy is disclosed. The US 3,846,302 describes a different type of apparatus for heat treatment of sludges. Furthermore, the refers US 3,258,197 to a different type of cooling device.

Das US 4 420 944 bezieht sich auf einen Rotor für andersartige Kühleinrichtungen. Die Vorrichtung wird über eine Welle angetrieben. In einer Ausführungsform sind zwei Paare von Zylinder-Kolben-Einheiten auf gegenüberliegenden Seiten der Welle angeordnet. Die Zylinder-Kolben-Einheiten sind über zylindrische Kopfteile an Befestigungskörpern befestigt. Das gekühlte Gas wird durch Auslässe der Zylinder-Kolben-Einheiten über die Kopfteile und eine Leitung in einen Wärmetauscher geführt. Im Wärmetauscher wird das gekühlte Gas durch die zugeleitete Raumluft erhitzt.The US 4,420,944 refers to a rotor for different types of cooling equipment. The device is driven by a shaft. In one embodiment, two pairs of cylinder-piston units are disposed on opposite sides of the shaft. The cylinder-piston units are attached via cylindrical head parts to mounting bodies. The cooled gas is passed through outlets of the cylinder-piston units via the headers and a conduit into a heat exchanger. In the heat exchanger, the cooled gas is heated by the supplied room air.

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.In contrast, the object of the present invention is to provide a rotary device for converting thermal energy, as stated above, which can reliably withstand high forces during operation of the device.

Dies wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung nützt die Zentrifugalbeschleunigung 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 Wärmepumpe oder Motor betrieben werden. Hierbei wird ein in Bezug auf die Drehachse innerer Wärmetauscher und zumindest ein in Bezug auf die Drehachse äußerer Wärmetauscher verwendet, welche bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors angeordnet sind. Der innere Wärmetauscher ist für einen Wärmeaustausch 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 Wesentlichen gleichmäßig in Längsrichtung des Wärmetauschers abgestützt, 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 werden, mit welcher die im Betrieb der Vorrichtung auftretenden Kräfte aufgenommen werden können. Der Stützkörper kann aus einem Bauteil oder mehreren, in Längsrichtung des Wärmetauschers beabstandeten Bauteilen bestehen.This is achieved in the device according to the invention by the features of claim 1. The device of the invention utilizes the centrifugal acceleration of the rotating system to different pressure or temperature levels to create; In this case, the high-temperature heat is removed or supplied to the compressed working medium, and the relaxed working medium is supplied or withdrawn with heat at a comparatively low temperature. Depending on the direction of flow of the working medium, the device will be operated either as a heat pump or motor. Here, an inner heat exchanger with respect to the axis of rotation and at least one outer heat exchanger with respect to the axis of rotation is used, which preferably is arranged substantially parallel to the axis of rotation of the rotor are. The inner heat exchanger is provided for a lower temperature heat exchange and the outer heat exchanger for higher temperature heat exchange. Preferably, a plurality of inner heat exchangers and a plurality of outer heat exchangers are provided, which are each arranged at equal radial distances from the axis of rotation. According to the invention, the rotor has a supporting body, which supports the inner or outer heat exchanger over the length of the heat exchanger between the end faces relative to radial forces occurring during operation. In this embodiment, the rotor has a support body which supports the inner or outer heat exchanger over the length of the heat exchanger between the end faces relative to radial forces occurring during operation. Advantageously, the heat exchanger is supported by the support body substantially uniformly in the longitudinal direction of the heat exchanger, so that only small or uncritical bends occur along the heat exchanger. Preferably, all heat exchangers are mounted on a common support body, which is arranged as a component of the rotor rotating about the axis of rotation. Hereby, a particularly stable design can be achieved with which the forces occurring during operation of the device can be absorbed. The support body may consist of one or more components spaced apart in the longitudinal direction of the heat exchanger.

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 Wärmetauscher 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. achsnahen 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 bevorzugt eine Zugfestigkeit von mindestens 10 Mpa auf, um ein Fließen unter der Belastung zu vermeiden. Zudem soll das thermisch isolierende Material eine Temperaturstabilität aufweisen, die der maximalen Temperatur des Wärmetauschers entspricht. Daher bietet sich gewöhnliches Polycarbonat bei Einsatztemperaturen 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 Wärmetauscher 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. AluminiumLegierungen aus, da diese in der Regel ab ca. 50°C Festigkeitsabschläge zeigen. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass sich innerhalb des Stützkörpers geringere Temperaturgradienten 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 Isolationselementen 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 verhindern.In order to keep the support body during operation of the device substantially at the temperature of the at least one inner heat exchanger, it is advantageous if the at least one outer heat exchanger between the outer tube and the support body has an insulation element made of a thermally insulating material, wherein the inner heat exchanger remains free of an insulation element. In order to keep the absolute temperature low, the outer or achsfernen heat exchangers, which have a higher relative temperature than the inner or near-axis heat exchanger under normal operation, in particular thermally insulated by tubular insulating elements with a compared to the supporting body substantially lower thermal conductivity of the support body , The thermal insulating material preferably has a tensile strength of at least 10 MPa to avoid flow under the load. In addition, the thermally insulating material have a temperature stability corresponding to the maximum temperature of the heat exchanger. Therefore, ordinary polycarbonate offers at service temperatures up to max. 120 ° C on. At higher temperatures up to about 200 ° C polyetheretherketone, in particular with fillers such as carbon fiber or glass fiber, polyamide, in particular with various fillers, hardboard materials or other high temperature materials are used with low thermal conductivity. Due to the heat insulation of the support body from the outer heat exchanger on the one hand in the absence of such an insulating element on the inner heat exchanger on the other hand, the temperatures of the inner heat exchanger are essentially decisive for the support body. As a result, advantageously no or lower strength losses occur in the support body. In particular, this has an effect on the use of aluminum or aluminum alloys, since these generally show strength reductions starting at about 50.degree. Another advantage of this embodiment is that set lower temperature gradients within the support body, since the temperature of the near-axis heat exchanger is set substantially to the insulation layer to the off-axis heat exchanger. This leads to lower residual stresses in the support body. At particularly high temperatures, however, it is also conceivable that both the off-axis and the near-axis heat exchanger by means of insulating elements of the support body are thermally insulated. In this case, the support body can be equipped with an active cooling (for example via water cooling, heat radiation or convection) in order to prevent losses in the strength of the support body.

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 inneren Wärmetauscher von Vorteil.In a preferred embodiment, the support body is produced as a cast body, in particular made of aluminum, wherein preferably high-strength aluminum alloys, for example AlCu4Ti, are used. Due to the high thermal conductivity of aluminum, the arrangement of the insulating element at least at the inner heat exchanger is advantageous.

Alternativ kann der Stützkörper aus (beispielsweise bainitischen) 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 Temperaturen eignet sich diese Stützvariante sehr gut für Hochtemperaturanwendungen.Alternatively, the support body can be made of (for example bainitic) cast iron. Due to the low thermal conductivity can in a support body produced in this way the insulation element of the off-axis heat exchanger omitted. Due to the low strength reductions at higher temperatures, this support variant is very well suited for high-temperature applications.

Weiters kann der Stützkörper aus Stahl unter Verwendung von Schweißverbindungen hergestellt sein, wobei diese Ausführung besondere Kostenvorteile, bei vergleichsweise hohen Festigkeitseigenschaften, mit sich bringt. Ein weiterer Vorteil eines geschweißten Stützkörpers ist die beinahe unbeschränkte Größenskalierung. 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.Furthermore, the support body can be made of steel using welded joints, this embodiment brings special cost advantages, with relatively high strength properties, with it. Another advantage of a welded support body is the almost unlimited size scaling. In this case, the diameter of the rotor of at least 4m are conceivable. This variant also has the advantage that due to the low thermal conductivity of steel can be dispensed with an insulation element on the outer heat exchanger.

Zudem kann der Stützkörper aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt sein, die vorteilhafterweise sehr leicht sind und eine hohe Steifigkeit besitzen.In addition, the support body can be made of fiber composites, which are advantageously very light and have a high rigidity.

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) Festigkeitseinbußen weitgehend vermieden werden können.Furthermore, the support body can be assembled from semi-finished products, wherein, for example, aluminum plates and aluminum tubes and / or steel plates and steel tubes can be used. Here, all materials can be used, which are available in plate or tube form as a semi-finished product. An advantage of this design is that due to the direct use of semi-finished products, in particular without post-processing at high temperature (such as during welding) loss of strength can be largely avoided.

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 aufweisen, um das Gewicht des Stützkörpers zu reduzieren und/oder um die Steifigkeit de Plattenelemente zu verändern. Dies kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um beim Übergang zum Randbereich, welcher ein erhöhtes Gewicht aufweisen kann, gleichmäßige Verformungen zu erzielen. Die Plattenelemente sind bevorzugt in gleichen Abständen angeordnet. Bevorzugt sind die Plattenelemente 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. Vorteilhafterweise können hiermit Scherkräfte aufgenommen werden.For receiving centrifugal forces, it is favorable if the support body has a plurality of plate elements which are arranged substantially perpendicular to the axis of rotation and spaced in the direction of the axis of rotation, which have recesses for mounting the heat exchangers. The plate elements may have cutouts or depressions in order to reduce the weight of the support body and / or to change the rigidity of the plate elements. This can be used advantageously to achieve uniform deformations in the transition to the edge region, which may have an increased weight. The plate elements are preferably arranged at equal intervals. The plate elements are preferred disc-shaped. In this embodiment, the heat exchangers between the plates are slightly deflected due to the centrifugal acceleration and there are additional bending stresses that must be absorbed by the heat exchanger. The advantage of this design, however, is that when manufactured from semi-finished products, increased strength in the raw materials can be achieved. In this embodiment, it is also advantageous if the heat exchanger on the outside has a support tube which has recesses extending in the circumferential direction for receiving the plate elements. Advantageously, shear forces can be absorbed hereby.

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 Au-βenelement 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.According to an alternative embodiment is provided as a supporting body extending in the direction of the axis of rotation profile body having an inner member having at least one inner recess for the at least one inner heat exchanger and at least one Au βenelement having at least one outer recess for the at least one outer heat exchanger. The profile body is rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation in an arrangement of at least two outer and two inner heat exchangers.

Zur Aufnahme von Kräften ist es besonders günstig, wenn das Innenelement und das Außenelement über im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Verbindungsstege miteinander verbunden sind.To absorb forces, it is particularly advantageous if the inner element and the outer element are connected to one another via connecting webs running essentially in the radial direction.

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.In order to reduce or evenly distribute the stresses in the profile body, it is advantageous if a plurality of outer elements are provided, wherein preferably exactly two connecting webs are provided between the inner element and each outer element. The connecting webs with the outer elements are preferably arranged in a star shape around the inner element. With regard to the power transmission, it is favorable if the distance between the connecting webs in the radial direction increases continuously outwards. Alternatively or additionally, the width of the connecting web can decrease in the radial direction to the outside.

Zur Erzielung einer besonders stabilen Ausführung mit geringem Materialaufwand ist es günstig, wenn das zumindest eine Außenelement des Stützkörpers als zylindrische Aufnahme für den äußeren 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 reduziert werden können.To achieve a particularly stable design with low material cost, it is advantageous if the at least one outer element of the support body is designed as a cylindrical receptacle for the outer heat exchanger. Alternatively, the intake can be partly open inwards. Due to the non-circumferentially supported, off-axis heat exchanger, one core per heat exchanger can be dispensed with during casting production. Furthermore, the introduction of force in the off-axis heat exchanger can be improved, whereby the stresses due to the centrifugal forces can be reduced.

Bei einer bevorzugten Ausführung ist zudem vorgesehen, dass der Stützkörper eine die Außenelemente umgebende, zylindrische Einfassung aufweist. Die Außenelemente sind hierbei an der Innenseite der zylindrischen Einfassung befestigt. Durch den zylindrischen Mantel werden die Reibungsverluste im rotierenden Betriebszustand 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.In a preferred embodiment, it is also provided that the support body has a cylindrical enclosure surrounding the outer elements. The outer elements are in this case attached to the inside of the cylindrical enclosure. Due to the cylindrical jacket, the friction losses in the rotating operating state of the device are significantly reduced. Preferably, the rotor is operated in a room with an ambient pressure of less than 50 mbar absolute pressure, in particular less than 5 mbar absolute pressure.

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 einem 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 Wärmeübertragungs-Rohrs des Wärmetauschers, bei welcher die Stirnflächen 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 gelagerten 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.
The invention will be explained below with reference to preferred embodiments shown in the drawings, to which, however, it should not be limited. In detail, in the drawing:
  • Fig. 1 a cross section through a heat exchanger for a rotor device according to the invention for the transmission of thermal energy, wherein between a inner tube and an outer tube, a heat transfer tube is arranged;
  • Fig. 2 a section of the in Fig. 1 in contrast, enlarged heat exchanger on the other hand;
  • Fig. 3 a further enlarged section of the heat exchanger according to Fig. 1 or. Fig. 2 wherein, in particular, outer fins of the heat transfer tube can be seen;
  • Fig. 4 an alternative embodiment of an extrusion-produced heat transfer tube, which can be arranged in a heat exchanger according to the Fig. 1 to 3 is provided;
  • Fig. 5 a modified version of the in Fig. 4 shown heat transfer tube in which the surfaces of the slats are curved in a wave;
  • Fig. 6 a section of the in Fig. 5 in contrast, enlarged heat transfer tube;
  • Fig. 7 a view of a rotating device for converting low temperature thermal energy into higher temperature thermal energy at which a working fluid in a rotor undergoes a closed loop process;
  • Fig. 8 another view of the in Fig. 7 illustrated device;
  • Fig. 9 a longitudinal section through an alternative embodiment of the device in the region of the heat exchanger, wherein the flow of the working medium and the flow of the heat exchange medium are shown schematically (here in countercurrent);
  • Fig. 10 an enlarged section of the device in the region of the heat exchanger;
  • Fig. 11 a sectional view of the device in the region of an annular gap to achieve a circular flow of the working medium before entering the heat exchanger;
  • Fig. 12 a perspective view of an embodiment of the heat transfer tube of the heat exchanger, in which the end faces of the outer fins are inclined in the direction of flow forwardly;
  • Fig. 13 a diagrammatic view of a manifold, with which a linear flow of the heat exchange medium is divided into a plurality of annularly arranged partial flows;
  • Fig. 14 different sectional views of the distribution device according to Fig. 13 ;
  • Fig. 15 an embodiment of the device in which for supporting the heat exchanger, a support body is provided with a plurality of plate elements;
  • Fig. 16 a section of the support body with a heat exchanger mounted therein;
  • Fig. 17 a perspective view of another embodiment of the support body with substantially parallel connecting webs;
  • Fig. 18 a view of a further embodiment of the support body extending in the radial direction of the rotor and thus diverging outwardly connecting webs;
  • Fig. 19 a perspective view of another embodiment of the support body; and
  • Fig. 20 a perspective view of another embodiment of the support body.

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 Außenrohr 3 auf, welches das innere Längselement 2 umgibt. Als inneres 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 Innenrohr 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 Wärmeübertragungs-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 Wärmeübertragungs-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. Demnach 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 Wärmeaustauschmedium ausbilden. In entsprechender Art und Weise bilden Zwischenräume 16 zwischen den inneren Lamellen 11 Wärmetauschkanäle 17 für ein zweites Wärmeaustauschmedium.In Fig. 1 is a heat exchanger 1 for installation in a rotary device 20 for the conversion of heat energy by means of mechanical energy and vice versa (see. Fig. 7 . 8th ). The heat exchanger 1 has an inner longitudinal element 2 and an outer tube 3, which surrounds the inner longitudinal element 2. As inner longitudinal element 2, a hollow inner tube 4 is provided. The outer tube 3 and the inner tube 4 are arranged coaxially with respect to a central longitudinal axis 5. Between the inner tube 4 and the outer tube 3, a heat transfer tube 6 is arranged, which extends coaxially to the outer tube 3 and to the inner tube 4 in the longitudinal direction of the heat exchanger 1. The heat transfer tube 6 has a wall 7 with an outer circumferential surface 8 and an inner circumferential surface 9, projecting from the outer fins 10 and inner 11 fins. The lamellae 10, 11 extend in the direction of the longitudinal axis 5 of the heat transfer tube 6. The outer lamellae 10 protrude from the outer circumferential surface 8 in the radial outward direction to an inner surface 12 of the outer tube 3. The inner lamellae 11 jump from the inner Lateral surface 9 of the wall 7 of the heat transfer tube 6 to an outer surface 13 of the inner tube 4 before. Accordingly, the heat transfer tube 6 is held between the inner tube 4 and the outer tube 3, wherein the outer plates 10 are supported on the outer tube 3 and the inner plates 11 on the inner tube 4. Between the outer fins 10 intermediate spaces 14 are formed, which form heat exchange channels 15 for a first heat exchange medium. In a corresponding manner, spaces 16 between the inner fins 11 form heat exchange channels 17 for a second heat exchange medium.

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 Umfangsrichtung 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 Wärmeaustauschmedium 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.How far out Fig. 1 As can be seen, a plurality, for example 250, provided by outer fins 10 and inner fins 11, so that at regular angular intervals in the circumferential direction of the heat transfer tube 6 spaced outer heat exchange channels 15 for the first heat exchange medium or inner heat exchange channels 17 formed for the second heat exchange medium become. Conveniently, the heat exchange medium having the lower absolute pressure flows in the outer heat exchange channels 15 between the outer fins 10, whereby the second heat exchange medium can flow through the heat exchange channels 17 between the inner fins 11 at a considerably higher pressure.

Die beidseitige Abstützung des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 ermöglicht es, dass durch den Differenzdruck verursachte Spannungen im Bereich der Wand 7 des Wärmeübertragungs-Rohrs 6 über die äußeren 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 Optimierung 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 einer Wandstärke s" des Innenrohrs 4 ungefähr 0,3. Die dünnwandige 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.The two-sided support of the heat transfer tube 6 allows that caused by the differential pressure voltages in the region of the wall 7 of the heat transfer tube 6 are transmitted via the outer fins 10 to the outer tube 3. Conversely, forces introduced into the wall 7 can be transmitted to the inner tube 4 via the inner lamellae 11 when the heat exchange medium at the higher pressure flows in the outer heat exchange channels 15. Thus, a mechanically very stable arrangement of the heat transfer tube 6 is achieved, which can be made thin-walled to optimize the heat transfer between the heat exchange media. At the in Fig. 1 As shown, the ratio between a wall thickness s of the wall 7 of the heat transfer tube 6 and a wall thickness s' of the outer tube 3 is approximately 0.2. Further, the ratio between the wall thickness s of the heat transfer tube 6 and a wall thickness s "of the inner tube 4 is about 0.3. The thin-walled construction of the heat transfer tube 6 permits Heat transfer with high efficiency, whereby in particular the extension of the heat exchanger can be shortened in the longitudinal direction, which, for example, in the reference to the Fig. 7 and 8th explained embodiment has proved advantageous.

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 Lamellen 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.As in particular from Fig. 2 As can be seen, the outer lamellae 10 have a height h, ie an extension in the radial direction, which is preferably greater than a height h 'of the inner lamellae 11. In an expedient embodiment, the ratio between the height h of the outer fins 10 and the height h 'of the inner fins 11 is between 0.2 and 5, depending on the fluid, mass flow and pressures. How far out Fig. 3 As can be seen, the outer heat exchange channels 15 forming gaps 14 have a width b of about 1 mm. A width b 'of the intermediate spaces 16 between the inner slats 11 preferably corresponds to the width b of the intermediate spaces 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 Wärmeübertragungs-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.For expedient transmission of forces, the heat transfer tube 6 is made of a material having a modulus of elasticity which is lower than the modulus of elasticity of the outer tube 3 or of the inner longitudinal element 2. Preferably, the heat transfer tube 3 is made of an aluminum or copper alloy. To achieve a high rigidity, the outer tube 3 or the inner longitudinal element 2 is made of a high-strength steel alloy. The in the Fig. 1 to 3 shown outer and inner plates 10 and 11 are suitably provided as a milling, which can be introduced with high accuracy in a preform.

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 Wandstärke 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.The Fig. 4 or 5 and 6 each show an alternative embodiment of the heat transfer tube 6, which was produced in particular by an extrusion molding process. In this embodiment, a wall thickness a of the inner fins 11 or a wall thickness a 'of the outer fins 10 decreases in the radial direction inwards or in the radial direction outwards. Accordingly, the extension of the fins 10, 11 in the circumferential direction following the wall 7 of the heat transfer tube 6 is greatest and decreases continuously with the distance to the wall 7. In the illustrated embodiment, edges of the outer fins 10 and inner lamellae 11 performed rounded.

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.In the in the FIGS. 5 and 6 shown embodiment of the heat transfer tube 6, the outer fins 10 and the inner fins 11 contoured surfaces, which in the direction of the longitudinal axis 5 extending valleys 19 'and mountains 19'', so that a wave-shaped course is achieved. In this way, the heat exchange surface available for heat exchange is considerably increased.

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 Wärmepumpe betrieben wird. Eine solche Vorrichtung 20 - jedoch mit andersartigen Wärmetauschern - ist in der AT 505 532 B1 beschrieben.The Fig. 7 and 8th show the arrangement of the heat exchanger 1 in a device 20 for converting mechanical energy into heat energy and vice versa, which is operated in particular as a heat pump. Such a device 20 - but with different heat exchangers - is in the AT 505 532 B1 described.

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 Rohrleitungssystem 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 Entspannungseinheit 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 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.The device 20 comprises a rotor 21 which is rotatable about a rotation axis 22 by means of a motor (not shown). In the rotor 21, a flow channel for a closed loop process continuous working fluid, such as a noble gas, is provided. The rotor 21 has a compressor unit 23 and a relaxation unit 24, which form a piping system. In radially extending compression tubes 25 of the compressor unit 23, the working fluid flows radially outward with respect to the rotation axis 22, compressing the working fluid due to the centrifugal acceleration. Accordingly, the working medium for pressure reduction in expansion tubes 26 of the expansion unit 24 is guided substantially radially inwards. The compressor unit 23 and the expansion unit 24 are connected to each other by axially extending portions of the piping system, in which a heat exchange with a heat exchange medium, for example water, takes place. For this purpose, outer heat exchangers 1 'and inner heat exchangers 1 "are provided, in which the working medium compressed in the compression tubes 25 gives off heat to a heat exchange medium at a first temperature or the working medium expanded in the expansion tubes 26 absorbs heat from the heat exchange medium at a second temperature. Accordingly, the centrifugal acceleration acting on the working medium becomes exploited to produce different pressure levels or temperature levels. High-temperature heat is removed from the compressed working medium, and heat is supplied to the relaxed working medium at a comparatively low temperature.

Die Wärmetauscher 1' bzw. 1" sind über Leitungen 27, 28 bzw. 29 miteinander flüssigkeitsleitend verbunden. Das Wärmeaustauschmedium 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.The heat exchangers 1 'and 1 "are fluidly connected to one another via lines 27, 28 or 29. The heat exchange medium is supplied to the pipeline system via a feed 31 of a static distributor 32, via a co-rotating manifold 33, the heat exchange medium then via the line 27 Heat exchanger 1 'supplied in which it is heated by the line 28 in the co-rotating manifold 33. About the static manifold 32 and a drain, the heated heat transfer medium is then fed to a heat cycle.

Das kalte Wärmeaustauschmedium des Wärmetauschers 1" wird über einen Zulauf 34 eines statischen Verteilers 35 geleitet, mit einem 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.The cold heat exchange medium of the heat exchanger 1 "is passed through an inlet 34 of a static distributor 35, conveyed with another co-rotating distributor 36 in the co-rotating line 29 to the low-pressure heat exchanger 1", where heat is released to the gaseous working medium. Subsequently, the heat exchange medium is supplied via the co-rotating distributor 36 to the static distributor 35, and finally leaves the device 20 via a drain.

Zur Erzielung eines zweckmäßigen Wärmeübergangs sind die Wärmetauscher 1' bzw. 1" durch die anhand der Fig. 1 bis 6 erläuterten Wärmetauscher 1 gegeben, wobei als zweites Wärmeaustauschmedium 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.To achieve a convenient heat transfer, the heat exchangers 1 'and 1 "by the basis of Fig. 1 to 6 explained heat exchanger 1 given, being provided as a second heat exchange medium, the working medium, the heat exchange medium as the first heat exchange medium. In the embodiment shown, the working medium and the heat exchange medium flow in countercurrent in the heat exchange channels 15 and 17, wherein in the heat exchangers 1 ', 1 "is to ensure proper return of the heat exchange medium.

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 Innenrohrs 4 eine Zugstange 38 auf. An den aus dem Innenrohr 4 vorstehenden Enden der Zugstange 38 sind Kopfteile 38' befestigt, welche die Stirnseiten des Wärmetauschers 1 abdecken. Fig. 9 shows a longitudinal section through an alternative embodiment of the device 20 in the region of the heat exchanger 1, wherein the flow 20 'of the working medium and the flow 20 "of the heat exchange medium is shown schematically. Fig. 10 shows an enlarged section of the heat exchanger 1. Accordingly the heat exchanger 1 in a central cavity 37 of the inner tube 4, a tie rod 38. At the protruding from the inner tube 4 ends of the tie rod 38 head parts 38 'are attached, which cover the end faces of the heat exchanger 1.

Wie aus Fig. 9 weiters ersichtlich, weist die Vorrichtung 20 weiters eine Zuleitung 39 für das Arbeitsmedium auf. Die Zuleitung 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 Wärmetauschers 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.How out Fig. 9 Furthermore, the device 20 further comprises a supply line 39 for the working medium. The supply line 39 is connected to an annular gap 40, in which the linear flow in the feed line 39 is converted into a circular flow of the working medium about the longitudinal axis of the heat exchanger 1 (see. Fig. 11 ). The annular gap 40 is formed in the embodiment shown between the lateral surface of the protruding from the inner tube 4 end of the tie rod 38 and an inner wall of the head portion 38 '. In addition, the heat exchanger 1 in the flow direction after the annular gap 40 on a likewise annular space 41, in which the transition from the circular flow into the radial flow in the inner heat exchange channels 17 takes place.

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 Strömungsgeschwindigkeit ausgewählt. Bei Strömungsgeschwindigkeiten von kleiner 2 Meter pro Sekunde (m/s) sind steilere Winkel von größer 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.How out Fig. 12 can be seen, the heat transfer tube 6 between end faces 42 of the outer plates 10 on the inlet openings 43 for the heat exchange medium. The inlet openings 43 are connected to a feed 44 for the heat exchange medium. In the embodiment shown, the end faces 42 of the outer slats 10 are inclined forward as viewed in the flow direction. The optimum angle between the end faces 42 of the outer fins 10 and the longitudinal axis of the heat transfer tube 6 is preferably selected as a function of the flow velocity. At flow velocities of less than 2 meters per second (m / s) steeper angles greater than 45 ° are possible. At speeds greater than 2 m / s, flatter angles are an advantage. In general, due to the limited space requirement, flat angles, in particular an angle of 45 °, are to be preferred.

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 hintereinander 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.How out Fig. 9 . 10 , see. especially Fig. 13 . 14 As can be seen, the heat exchanger 1 between the inlet openings 43 of the outer heat exchange channels 15 and the feed 44 for the heat exchange medium, a distributor device 45 for dividing the flow of the heat exchange medium in the feed 44 in a plurality of partial flows in the circumferential direction of the heat transfer tube 6. The distributor device 45 has a plurality of stages of arcuate distributor elements 46 which can be flowed through in succession. The distributor elements 46 each have two passage openings 47 for the passage of the heat exchange medium into the distributor elements 46 of the next stage, so that the distributor elements 46 of the same stage are flowed through in parallel or uniformly. In the illustrated embodiment, each passage opening 47 is connected to exactly one distributor element 46, which is arranged substantially symmetrically with respect to the passage opening 47. The passage openings 47 are arranged here at opposite ends of the circular-arc-shaped distributor elements 46.

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 kreisringförmige Austrittsfläche 48 gebildet wird, welche im Wesentlichen 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 Wesentlichen gleiche Strömungswege zwischen der Zuführung 44 und den Austrittsöffnungen 49 der Verteilereinrichtung 45 zurück. Aus Fig. 14 sind zudem Befestigungsmittel 50 ersichtlich, mit welchen die Verteilerelemente 46 in einer definierten Stellung zueinander gehalten sind.How out Fig. 13 . 14 Furthermore, the length of the distributor elements 46 decreases from stage to stage, seen in the direction of flow. FIGS. 14a to 14f show sections through the individual stages of the distributor 45, wherein Fig. 14a the entrance side of the manifold 45 and Fig. 14f the exit side of the distributor device 45 shows. In the embodiment shown, the first distributor element 46, viewed in the flow direction, is semicircular, with the distributor elements 46 of the subsequent stages being formed by correspondingly shorter arc elements. The outlet-side distributor elements 46 of the distributor device 45 are arranged in such a way that an annular exit surface 48 is formed which has outlet openings 49 at substantially the same angular intervals. The outlet openings 49 are arranged in the flow direction immediately in front of the inlet openings 43 of the outer heat exchange channels 15. Due to the symmetrical arrangement of the distributor elements 46, the heat exchange medium retains substantially equal flow paths between the feed 44 and the outlet openings 49 of the distributor device 45. Out Fig. 14 In addition, fastening means 50 can be seen with which the distributor elements 46 are held in a defined position relative to each other.

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. Fig. 15 shows a part of the device 20, wherein one of the inner axis of rotation with respect to the heat exchanger 1 "and one with respect to the axis of rotation outer heat exchanger 1 'can be seen are. The longitudinal axes of the heat exchangers 1 ', 1 "are arranged substantially parallel to the axis of rotation of the rotor 21.

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, welche Abstufungen 54 zur Lagerung der Plattenelemente 52 aufweisen.How out Fig. 15 Furthermore, the rotor 21 has a common supporting body 51 for holding the inner heat exchanger 1 "and the outer heat exchanger 1 ' Fig. 15 For example, the support body 51 has a plurality of plate elements 52 arranged substantially perpendicular to the axis of rotation and spaced apart in the direction of the axis of rotation (cf. Fig. 16 which have recesses for the passage of the heat exchangers 1 ', 1 ". The heat exchangers 1', 1" are in this case encased with support tubes 53, which have gradations 54 for mounting the plate elements 52.

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.How out Fig. 15 Furthermore, it can be seen, the outer heat exchanger 1 'between the outer tubes 3 and the support body 51 each have an insulating member 55 made of a thermally insulating material. In contrast, the inner heat exchanger 1 "remain free of such insulation elements, so that the support body 51 substantially assumes the temperature of the inner heat exchanger 1" during operation.

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' vorgesehen, welche die äußeren Aussparungen 60 einschließen. Fig. 17 shows an alternative embodiment of the support body 51, which according to Fig. 17 is formed with respect to the axis of rotation rotationally symmetrical profile body 56. The profile body 56 has an inner element 57 with a plurality of inner recesses 58 for receiving the inner heat exchanger 1 "and a plurality of outer elements 59 with outer recesses 60 for receiving the outer heat exchanger 1 ' Fig. 17 are provided as outer elements 59 circumferentially closed, cylindrical receptacles 59 ', which include the outer recesses 60.

Wie aus Fig. 17, 18 ersichtlich, ist das Innenelement 57 mit jedem Außenelement 59 über genau zwei in radialer Richtung verlaufende 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.How out Fig. 17 . 18 can be seen, the inner member 57 is connected to each outer member 59 via exactly two extending in the radial direction connecting webs 61. The distance between the connecting webs 61 advantageously increases radially outwards (cf. Fig. 18 ). The wall thickness of the connecting webs advantageously decreases in the radial direction. In the execution according to Fig. 18 the outer elements 59 are connected via welds 62 with the connecting webs 61. In addition, are Welded joints 62 between the connecting webs 61 and the inner member 57 are provided. Instead of the welded joints 62 may also be a positive connection, such as a hammer head or dovetail connection may be provided.

Fig. 19 zeigt eine alternative Ausführung des Stützkörpers 51, wobei die Außenelemente 59 in Richtung des Innenelements 57 offene äußere Aussparungen 60 aufweist. Fig. 19 shows an alternative embodiment of the support body 51, wherein the outer elements 59 in the direction of the inner member 57 has open outer recesses 60.

Fig. 20 zeigt eine weitere Ausführung des Stützkörpers 51, welcher gemäß Fig. 20 eine an der Außenseite der Außenelemente 59 befestigte, zylindrische Einfassung 63 aufweist. Fig. 20 shows a further embodiment of the support body 51, which according to Fig. 20 a fixed to the outside of the outer elements 59, cylindrical enclosure 63 has.

Claims (8)

  1. Device (20) for converting thermal energy of a low temperature into thermal energy of a higher temperature and vice versa by means of mechanical energy, comprising a rotor (21) which is mounted so as to be able to rotate about an axis of rotation (22) and in which a flow duct is provided for a working medium undergoing a closed cyclic process, which medium is guided in a compressor unit (23) substantially radially outwards with respect to the axis of rotation in order to increase pressure, and is guided in an expansion unit (24) substantially radially inwards with respect to the axis of rotation (22) in order to reduce pressure, at least one heat exchanger (1") that is inner with respect to the axis of rotation and at least one heat exchanger (1') that is outer with respect to the axis of rotation being provided for heat exchange between the working medium and a heat exchange medium, the heat exchangers (1', 1") being arranged substantially in parallel with the axis of rotation of the rotor (21), characterised in that the rotor (21) comprises a support body (51) which supports the inner (1") and/or outer (1') heat exchanger over its longitudinal extension so as to retain the inner (1") and/or outer (1') heat exchanger.
  2. Device according to claim 1, characterised in that the at least one outer heat exchanger (1') comprises an insulating element (55) made of a thermally insulating material between the outer pipe (3) and the support body (51), the inner heat exchanger (1") remaining free of an insulating element (55).
  3. Device according to either claim 1 or claim 2, characterised in that the support body (51) comprises a plurality of plate elements (52) which are arranged substantially perpendicularly to the axis of rotation and are spaced apart in the direction of the axis of rotation, and which comprise recesses for mounting the heat exchangers.
  4. Device according to either claim 1 or claim 2, characterised in that, as the support body (51), a profile body (56) is provided which is extended in the direction of the axis of rotation and comprises an inner element (57) having at least one inner recess (58) for the at least one inner heat exchanger (1") and at least one outer element (59) having at least one outer recess (60) for the at least one outer heat exchanger (1').
  5. Device according to claim 4, characterised in that the inner element (57) and the outer element (59) are interconnected by means of connecting portions (61) which extend substantially in the radial direction.
  6. Device according to either claim 4 or claim 5, characterised in that a plurality of outer elements (59) are provided, with preferably exactly two connecting portions (61) being provided between the inner element (57) and each outer element (59).
  7. Device according to any of claims 4 to 6, characterised in that the at least one outer element (59) of the support body (51) is designed as a cylindrical receptacle (59') for the outer heat exchanger (1').
  8. Device according to any of claims 4 to 7, characterised in that the support body (51) comprises a cylindrical enclosure (63) that surrounds the outer elements (59).
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