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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Wärmeenergie, wobei die Wärme- energie über einen ersten Wärmetauscher in einen Innenraum einer rotierenden Zentrifuge einge- bracht wird, in welchem Innenraum ein gasförmiges Energieübertragungsmedium vorliegt, und wobei die Wärme über einen zweiten Wärmetauscher aus der Zentrifuge abgeführt wird.
Es ist bekannt, dass durch thermodynamische Kreisprozesse Wärmeenergie von einem Medi- um, das bei niedriger Temperatur vorliegt, in ein Medium transportiert werden kann, das bei höhe- rer Temperatur vorliegt. Solche Kreisprozesse werden beispielsweise in Kühlgeräten, Wärmepum- pen und dgl. verwendet, wobei jedoch zur Aufrechterhaltung des Kreisprozesses die Zufuhr von Energie notwendig ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit de- nen ein solcher Kreisprozess zum Wärmetransport von niedriger Temperatur in Richtung höherer Temperatur möglich ist, wobei die dafür eingesetzte Energie wesentlich verringert ist. Ein solches Verfahren kann einerseits zur Kühlung verwendet werden und andererseits zur Heizung ähnlich einer Wärmepumpe, wenn es möglich ist einem anderen Medium Wärme zu entnehmen, wie es etwa bei der Ausnützung von Erdwärme der Fall ist.
Aus der US 5,226,593 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beheizung von Gebäuden bekannt, bei denen ein Ventilator zur Erzeugung eines durch das Gebäude geleiteten Warmluft- stromes verwendet wird, wobei gleichzeitig die vom Ventilator dissipierte Energie zur Erwärmung des Mediums beiträgt. Der Energieaufwand eines solchen Heizsystems unterscheidet sich nicht grundsätzlich von dem einer elektrischen Widerstandsheizung und ist daher für viele Anwendun- gen unvertretbar hoch. Ähnliche Nachteile gelten auch für eine Lösung, wie sie in der US 4,696,283 A beschrieben ist. Ferner ist aus der US 3,861,147 A eine Vorrichtung bekannt, bei der durch eine thermisch induzierte Strömung in einem Rotor Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. Ein gezielter Transport von Wärme ist mit einer solchen Vorrich- tung nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Energieaufwand zu minimieren, der für einen Transport von Wärmeenergie von einem Zustand niedrigerer Temperatur auf einen Zustand höhe- rer Temperatur notwendig ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dass ein solches Verfahren einfach durchführbar ist und dass die benötigte Vorrichtung kostengünstig, realisierbar ist und einen einfachen Aufbau aufweist.
Erfindungsgemäss ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Energie- übertragungsmedium im Inneren des Rotors in einem Gleichgewichtszustand vorliegt und dass die Wärmeströmung radial nach aussen gerichtet ist.
Wesentlich am erfindungsgemässen Verfahren ist, dass sich in der Gasmasse im Rotor auf- grund der durch die Drehung hervorgerufenen Zentripetalbeschleunigung sehr grosse Dichteunter- schiede zwischen den Bereichen in der Nähe der Achse und den von der Achse entfernteren Bereichen einstellen. Aufgrund dieser Dichteunterschiede bildet sich ein Temperaturgradient aus, so dass im Gleichgewichtszustand im Zentralbereich des Rotors eine geringere Temperatur vor- liegt als im Bereich des Umfangs. Wenn nun im Inneren des Rotors Wärme zugeführt wird, breitet sich diese durch Wärmeleitung radial nach aussen aus und kann an der Aussenseite des Rotors abgeführt werden. Durch kontinuierliche Zufuhr von Wärme innen und Abfuhr von Wärme aussen kann ein kontinuierlicher Wärmestrom im Rotor herbeigeführt werden.
Unter Voraussetzung einer ausreichend hohen Drehzahl und damit eines genügend grossen Druck- und Temperaturunter- schiedes in Radialrichtung innerhalb des Rotors erfolgt dabei die Wärmeübertragung von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Temperatur des Energieübertragungsmediums von innen nach aussen zu- nimmt und dass der Temperaturunterschied des Energieübertragungsmediums zwischen dem Innenbereich des Rotors und dem äusseren Bereich des Motors mindestens 5 K, vorzugsweise mindestens 50 K, besonders bevorzugt mindestens 100 K und weiters besonders bevorzugt min- destens 200 K beträgt. Auf diese Weise kann ein optimaler Wirkungsgrad erreicht werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wärmetransport im Rotor primär durch eine Wärmelei- tung erfolgt. Auch Strahlungseffekte innerhalb des Energieübertragungsmediums im Rotors kön- nen bei der erfindungsgemässen Lösung eine Rolle spielen. Das Ausmass der auftretenden Strah-
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lungseffekte hängt wesentlich vom mittleren Temperaturniveau, der geometrischen Ausbildung des Rotors, von der Art des Gases und von der Beschaffenheit der Oberflächen des Gasraumes ab.
Der höchste Wirkungsgrad wird jedoch erreicht, wenn die Wärmeleiteffekte dominieren. Wesentlich für die Erfindung ist jedoch, dass Konvektionsströmungen weitgehend unterbunden werden, da diese für die Ausnutzung der erfindungsgemässen Effekte nachteilig sind.
Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie mit einem Rotor, der einen Innenraum aufweist, der mit einem gasförmigen Energieübertragungsmedium gefüllt ist, wobei im Bereich der Achse des Rotors ein erster Wärmetauscher vorgesehen ist, und wobei im Bereich des äusseren Umfangs des Rotors ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen ist, welche beiden Wärmetauscher mit dem gasförmigen Energieübertragungsmedium in Kontakt stehen. Erfindungsgemäss ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Ener- gieübertragungsmedium im Innenraum des Rotors in einem Gleichgewichtszustand vorliegt.
In einer besonders begünstigten Ausführungsvariante der Erfindung kann der erreichbare Tem- peraturunterschied dadurch vergrössert werden, dass mehrere Rotoren vorgesehen sind und dass eine Einrichtung zur Energieübertragung von dem zweiten Wärmetauscher eines ersten Rotors an den ersten Wärmetauscher eines weiteren Rotors vorgesehen ist. Besonders günstig ist es in diesem Zusammenhang, wenn der erste Rotor und der weitere Rotor mit unterschiedlichen Ener- gieübertragungsmedien gefüllt sind. Dadurch kann jede Stufe in Abhängigkeit von dem mittleren Temperaturniveau innerhalb dieser Stufe für sich optimiert werden. Ein mechanisch einfacher Aufbau wird in diesem Zusammenhang insbesondere dadurch errecht, dass die Rotoren fest miteinander verbunden sind.
Thermische Verluste können in besonders bevorzugter Weise dadurch vermieden werden, dass mindestens ein Rotor in einem isolierten Schutzmantel untergebracht ist. In Zusammenhang mit der Erfindung hat sich die Verwendung eines Gases mit hoher Molmasse bzw. Atommasse, wie etwa Quecksilberdampf, Krypton oder Argon als Energieübertragungsmedium besonders bewährt.
Das Auftreten von unerwünschten Konvektionsströmungen kann innerhalb des Rotors durch ent- sprechende Hindernisse verhindert werden.
In der Folge wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels nä- her erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung.
Die Vorrichtung besteht aus einem Antriebsmotor 1 und einem als Zentrifuge ausgebildeten Rotor 2, der mit hoher Drehzahl, beispielsweise mit 10.000 min-' in Rotation versetzt werden kann.
Der Rotor 2 besitzt einen ringförmigen Innenraum 3, in dem innen ein erster Wärmetauscher 4 und aussen ein zweiter Wärmetauscher 5 angeordnet sind. Der Radius in Bezug auf die Achse 1a der Vorrichtung ist für den inneren Wärmetauscher 4 mit r, und für den zweiten Wärmetauscher 5 ra bezeichnet. Im Innenraum 3 ist dabei ein geeignetes Gas eingeschlossen.
Im Ruhezustand, d. h., ohne Rotation stellt sich im Innenraum 3 ein gleichbleibender Druck po ein, und ohne Wärmezufuhr oder-abfuhr über die Wärmetauscher 4 und 5 stellt sich ein Tempera- turgleichgewicht bei der Temperatur To ein. Falls über den inneren Wärmetauscher 4 kontinuierlich ein Wärmestrom in den Rotor 2 eingebracht wird und über den Wärmetauscher 5 analog abgeführt wird, so bildet sich in bekannter Weise ein Temperaturgefälle aus. Die Steilheit des Temperaturge- fälles hängt dabei hauptsächlich vom Wärmestrom und von der Geometrie des Rotors 2 und den thermischen Eigenschaften des Gases im Innenraum 3 ab. Die Wärme fliesst dabei in an sich bekannter Weise von einem Zustand höherer Temperatur zu einem Zustand tieferer Temperatur.
Durch die bei der Rotation auftretende Zentripetalbeschleunigung ist der Druck Pr des Gases im Innenraum 3 nach aussen hin zunehmend und erreicht am äusseren Durchmesser ra des Innen- raums 3 seinen grössten Wert. Ein ähnlicher Kurvenverlauf ergibt sich für die Temperatur Tro des Gases im Innenraum 3. Dabei steigt die Temperatur kontinuierlich von einer Temperatur T,o am inneren Durchmesser r; bis zu einer Temperatur Tao bei ra. Wenn nun in gleicher Weise wie zuvor am ersten Wärmetauscher 4 Wärme in das System eingebracht wird und am zweiten Wärmetau- scher 5 aus dem System abgezogen wird, stellt sich der Temperaturverlauf Tr1 ein, mit einer Tem- peratur Ti1 bei r, und Ta1 bei ra. Es ist ersichtlich, dass folgende Beziehungen gelten:
EMI2.1
Ta1 Tao.
(2)
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Bei ausreichend grosser Drehzahl des Rotors 2 und entsprechend gewählten Randbedingungen kann dabei stets erreicht werden, dass
Ta1 T11 (3), d. h., dass der Wärmetauscher 4 bei einer niedrigeren Temperatur betrieben werden kann als der Wärmetauscher 5. Bei Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Kühlung kann dabei der Wärmetauscher 4 in einem Kühlkreislauf angeordnet sein und der Wärmetauscher 5 im We- sentlichen die Wärme an die Umgebung abführen. Umgekehrt kann bei der Verwendung zur Be- heizung der Wärmetauscher 4 mit einer Wärmequelle bei Umgebungstemperatur in Verbindung stehen, und der Wärmetauscher 5 zur Lieferung bei Wärme auf einem entsprechend höheren Temperaturniveau verwendet werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht es, eine thermodynamisch hochwirksame Vor- richtung anzugeben, die vielfältig einsetzbar ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Übertragung von Wärmeenergie, wobei die Wärmeenergie über einen ers- ten Wärmetauscher (4) in einen Innenraum (3) einer rotierenden Zentrifuge eingebracht wird, in welchem Innenraum (3) ein gasförmiges Energieübertragungsmedium vorliegt, und wobei die Wärme über einen zweiten Wärmetauscher (5) aus der Zentrifuge abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Energieübertragungsmedium im In- neren des Rotors (2) in einem Gleichgewichtszustand vorliegt und dass die Wärmeströ- mung radial nach aussen gerichtet ist.