自第一介质到第二介质传递热量的工艺和装置.pdf

本发明涉及从一种从相对冷的第一介质(23)向相对热的第二介质(22)传递热量的工艺，其包括以下步骤：围绕旋转轴旋转包含的可压缩流体量(6)，从而在所述流体中产生径向温度梯度，和通过距离旋转轴相对远的部分流体中的流体加热第二介质(22)。本发明也和实施所述工艺的装置相关。

1.  一种从相对冷的第一介质(23)到相对热的第二介质(22)传递热量的工艺，其包括以下步骤：
围绕旋转轴旋转包含的可压缩流体量(6)，从而在所述流体中产生径向温度梯度，及
通过距离所述旋转轴相对远的流体部分中的流体加热所述第二介质(22)。

2.  根据权利要求1所述的工艺，其包括步骤：通过位于所述旋转轴的部分中的或距离所述旋转轴相对近的部分中的所述流体从所述第一介质(23)提取热量。

3.  根据权利要求1或2所述的工艺，其中所述第一介质和/或第二介质沿着所包含的流体量的至少一个半径流动，在所述流体中产生至少部分径向环流。

4.  用以从相对冷的第一介质到相对热的第二介质传递热量的装置(1)，其包括具有用以保持可压缩流体的内腔并且可旋转地安装在框架中的不漏气滚筒，及
第一热交换器(23)，其安装在距离所述滚筒的旋转轴相对远的所述滚筒内部。

5.  根据权利要求4所述的装置(1)，其包括位于所述旋转轴上或距离所述旋转轴相对近的位置的第二热交换器(2)。

6.  根据权利要求4或5所述的装置，其中所述第一热交换器和/或所述第二热交换器(23，22)包括径向延伸进所述内腔中的多个管(40)。

7.  根据权利要求6所述的装置，其中虹吸管(46)定位为与至少一些所述管(40)同心。

自第一介质到第二介质传递热量的工艺和装置
技术领域
【0001】本发明涉及一种从相对冷的第一介质到相对热的第二介质传递热量的工艺和装置。
背景技术
【0002】在目前的动力设备(power plants)中，使用高温源和低温源(吸热设备)通过卡诺循环(carnot cycle)或“蒸汽循环”产生功。在实践中，高温介质，代表性的是过热蒸汽，被馈送给涡轮机产生功，并且过热蒸汽随后被冷凝，然后冷凝的蒸汽被(过度)加热并且再次馈送给涡轮机。即，根据热力学第一定律，高温介质中包含的热量与低温源吸收的热量的差被转换为功。
【0003】在高温源和低温源之间的温度差较高时，更多的热量可以被转换为功，并且该工艺的效率被提高。通常，环境(大地)作为低温源(吸热设备)，而高温介质通过燃烧矿物燃料或通过核裂变产生。
【0004】DE 3238567涉及产生用于加热和冷却的温度差的装置。在外力的影响下，在气体中形成温度差。通过使用离心力和借助高分子量的气体，这种效应被增加到技术使用关心的程度。
【0005】WO 03/095920涉及传输热能的方法，其中热能经由第一热交换器(4，4a，4b)被传输到旋转离心机的内腔室(3)，在此内腔室(3)中提供气态能量传递介质，并且其中热量经由第二热交换器(5，5a，5b)从离心机(2)中排出。通过在转子(12)内提供平衡状态的气态能量传输介质和通过在向外方向径向定向热流，可以相当大地减少所使用的能量的量。对于WO03/095920中的发明，对流被阻止是必要的(第2页，最后一句)。
【0006】US 3902549涉及被安装用于高速旋转的转子。热能的源位于其中心，而热交换器位于其周边。提供容纳气态材料的腔室，根据气态材料在腔室中的位置，气态材料可以接收来自热能的源的热量或产生到热交换器的热量。
发明内容
【0007】本发明的目标是提供高效产生高温介质的工艺。
【0008】为此目的，根据本发明的工艺包括如下步骤：
【0009】围绕旋转轴旋转包含的可压缩流体量，从而在所述流体中产生径向温度梯度，及
【0010】通过距离旋转轴相对远的部分流体中的流体加热第二介质。
【0011】在一方面，本发明进一步包括：通过位于旋转轴的部分中的流体或距离旋转轴相对近的部分中的流体从第一介质中提取热量的步骤，即冷却。
【0012】因此获得的热介质和冷介质然后可以通过例如卡诺循环或“蒸汽循环”，被用来例如加热或冷却建筑物或发电。
【0013】如果沿径向限定的流体的分段被完全混合以在这些分段中获得至少基本不变的熵，从而改进流体中的热传导，则根据本发明的该工艺的效率可以进一步被提高。
【0014】此外，热传导随着流体的压强和密度而增长，从而效率随着流体的压强和密度而增长。因此，压强优选超过2巴(bar)(旋转轴上的压强)，更优选压强超过10巴(旋转轴上的压强)。优选周围的压强与旋转轴的压强之比超过5，更优选其超过8。
【0015】取代通过热传导传递热量，热量可以替代地或附加地通过热容和质量流传递。为此，第一介质和/或第二介质沿着所含量的流体的至少一个半径流动，在流体中产生至少部分径向环流。
【0016】本发明进一步涉及从第一相对冷的介质到第二相对热的介质传递热量的装置，其包括：可旋转地安装在框架中的不漏气滚筒，及
【0017】第一热交换器，其安装在距离滚筒的旋转轴相对远的滚筒内部，例如被安装在滚筒的内壁中。
【0018】在本发明的一个方面，该装置包括第二热交换器，其位于旋转轴上或距离旋转轴相对近的位置。
【0019】在另一个方面，该装置包括一个或多于一个至少基本圆柱形并且同轴的壁，其沿径向将滚筒的内部分隔成多个隔间。
【0020】在另一个方面，至少一个热交换器被耦合到循环环路以产生功。另一个循环环路可以包括蒸发器或过热器、冷凝器和热机，其中蒸发器或过热器被热耦合到高温热交换器，冷凝器被热耦合到低温热交换器。环境一般充当吸热设备(热汇)，但是如果循环环路的工作温度足够低，其也可以作为高温源。
【0021】在又一个方面，可压缩流体是气体，并且优选实质上包含或包括原子数(Z)≥18的单原子元素，诸如氩，优选Z≥36，诸如氪和氙。
【0022】本发明是基于这样的见识：尽管热量一般从较高的熵流到较低的熵，从而从较高温度流到较低温度，但是在等熵柱中，位于重力热场中的可压缩流体也从较低的熵流到较高的熵。在地球大气中，这种效应将垂直温度梯度从计算的10℃/km降低到实际的6.5℃/km。水力发电基于相同的原理。
【0023】被降低的热阻进一步增强从较低温度到较高温度的热流。
【0024】根据本发明的至少一些方面，与只受地球重力的柱相比，人造重力被用来减少可压缩流体柱的长度，并且大气可以由允许流体中的更高温度梯度的气体代替。混合被用来改进流体内的热传导。
【0025】在本发明的框架内，术语“梯度”被定义为从一个点到另一个点(如，沿着圆柱的半径)观察到的属性大小的连续或阶梯式增加或减少。
【0026】为了完整性，注意到US 4107944涉及产生加热和冷却的方法和装置，其通过在转子携带的通道内循环工作流体，在通道内压缩所述工作流体，以及在排热热交换器中从所述工作流体中排除热量，并且将热量加到供热热交换器中的所述工作流体来产生加热和冷却，这些全部都是由转子执行。工作流体被密封在其内，并且工作流体可以是合适的气体，诸如氮气。也可以提供工作流体热交换器以在所述工作流体的两种流之间在转子内交换热量。
【0027】US 4005587涉及将热量从低温热源传递到较高温加热的散热器中的方法和装置，其使用通过旋转转子内的离心力压缩的可压缩工作流体，工作流体具有伴随的温度增加。热量从加热的工作流体被传递到温度较高的吸热设备，并且在工作流体从较冷热源膨胀和冷却后，热量被加到工作流体中。在转子内提供冷却以控制工作流体的密度，从而帮助工作流体循环。
【0028】相似的方法和装置可以从US 3828573、US 3933008、US4060989和US3931713中得知。
【0029】WO2006/119946涉及使用移动的(通常是气态或蒸汽)原子或分子(4)将热量从第一区域(71)传递到第二区域(72)的设备(70)和方法，其中在一个实施例中，通过使用优选细长的纳米尺寸的约束体(33)(诸如碳纳米管)来排列原子/分子，然后使其在热量被传递的方向受到加速力，通常通过简单的分子运动阻扰热量传递的原子/分子的无序运动被克服。在一个替代实施例中，纳米尺寸约束体中的分子(4c)可以被设置成通过横穿细长约束体(40)的延伸方向的振动传递热量。
【0030】JP 61165590和JP 58035388涉及旋转式热管。US 4285202涉及能量转换的工业处理，其包括至少一个步骤，该步骤是以产生压缩或膨胀的方式作用于存在的工作流体。
附图说明
【0031】现在将参考附图更详细地解释本发明，附图示意性地显示目前的优选实施例。
【0032】图1和图2是根据本发明的装置的第一实施例的透视图和侧视图。
【0033】图3是图1和图2的实施例中使用的滚筒的剖面图。
【0034】图4是根据本发明的装置的第二实施例的剖面图。
【0035】图5是包括图4实施例的动力设备的示意布局图。
【0036】图6A和6B是根据本发明的装置的第三实施例的剖面侧视图。
【0037】图7是图6A和6B的实施例中使用的交换器单元的剖面图。
【0038】图8是图7的单元中使用的交换器管的剖面图。
【0039】相同部件和执行相同或基本相同功能的部件将使用相同的数字表示。
具体实施方式
【0040】图1显示根据本发明的人造重力装置1的实验装配。装置1包括牢牢定位在地板上的静态基架2和安装在基架2上的旋转台3。驱动装置例如电动机4安装在基架2中并且连接到旋转台3。为了减少阻力，环形壁5沿着旋转台3的圆周被固定在旋转台3上。此外，汽缸(圆筒)6被固定在旋转台3上并且沿其半径延伸。
【0041】如图3所示，汽缸6包括一个中心环7、两个(Perspex^TM)外汽缸8、同轴安装在外汽缸8内部的两个(Perspex^TM)内汽缸9、两个端板10和多个柱螺栓11，通过柱螺栓将端板10牵引在汽缸8、9上，并且依次地汽缸8、9被牵引在中心环7上。汽缸6的总长度是1.0米。图3是比例图。
【0042】通过中心环7、内汽缸9和端板10限定的内腔被充满处于室温，压强为1.5巴的氙气，并且内腔进一步包括多个混合器或通风器13。最后，珀耳帖(Peltier)元件(未显示)被安装在环7的内壁上并且温度传感器和压强计(也未显示)存在于环7和端板10两者上。
【0043】在工作期间，旋转台3以大约1000RPM的速度旋转，从而汽缸6以大约1000RPM的速度旋转。流体的径向分段通过通风器12被完全混合，以在这些分段中获得一个至少基本不变的熵。鉴于工艺是可逆的，并且鉴于内外汽缸8、9提供的热绝缘，该绝缘使得能够实施基本绝热的工艺，在汽缸6内从旋转轴到周围的热传递，以及反过来从周围到旋转轴的热传递是基本等熵的。
【0044】在旋转时，氙气在端板10上的温度和压强增加，并且其在环7上的温度和压强降低。当达到平衡，阶跃式热脉冲通过珀耳帖元件被提供给环7上的气体时，环7上的温度和压强增加，并且随后，端板10上的温度和压强增加，即，热量从温度相对低的源(环上的气体)流到温度相对高的源(端板上的气体)。
【0045】图4是根据本发明的第二个人造重力装置1的剖面图。装置1包括牢牢定位在地板上的静态基架2和绕其纵轴被可旋转安装在基架2中的旋转滚筒6，如通过合适的轴承，诸如滚珠轴承20。滚筒6的合适直径范围是2-10米，在此示例中是4米。滚筒的壁本身以已知的方式被热隔离。装置1进一步包括驱动装置(未显示)，以50-500RPM范围的转速旋转滚筒。
【0046】滚筒6包含(至少)两个热交换器，第一热交换器22被安装在距离滚筒6的旋转轴相对远的滚筒内部，第二热交换器23位于所述旋转轴上或距离所述旋转轴相对近的位置。在此示例中，热交换器22、23都包括与旋转轴同轴的螺旋管，并且通过第一可旋转流体连接器24被连接在供给源上，通过第二可旋转流体连接器25被连接在出口上。
【0047】图4中所示的实施例进一步包括管26，其与滚筒6的纵轴同轴并且包含轴流式通风器27以强迫滚筒内的物质循环。在此示例中，滚筒被充满压强为5巴(温度为室温)的氙气，而热交换器22、23被充满水。
【0048】图5是包括图4的实施例的动力设备的示意图，该动力设备被连接用于产生功的循环，在此示例中，该循环是所谓的“蒸汽循环”。该循环包括过热器30和热机；其中过热器30被连接到装置1的高温热交换器22上，热机本身是已知的并且在此示例中包括：涡轮机31、连接到装置1的第一热交换器23上的冷凝器32、泵33和蒸发器34。该蒸汽循环也被充满水。其他合适介质在本领域中是已知的。
【0049】旋转滚筒将在氙气中产生径向温度梯度，热交换器之间的温度差(ΔT)在100-600℃的范围中，其取决于滚筒的角速度。在此示例中，滚筒以350RPM的转速旋转，这可产生大约300℃的温度差(ΔT)。温度为20℃的水被馈送给热交换器22、23。来自高温热交换器22的已加热的蒸汽(320℃)被馈送给过热器30，而来自低温热交换器23的已冷却的水(10℃)被馈送给冷凝器32。蒸汽循环本身以已知的方式产生功。
【0050】在另一个实施例中，该装置包括串行或并行连接的两个或多于两个滚筒。例如，在包括串行连接的两个滚筒的结构中，来自第一滚筒的已加热的介质被馈送给第二滚筒的低温热交换器。因此，与第一滚筒中的热传递相比，到第二滚筒中的高温热交换器的热传递被相当大地增加。来自第一滚筒的已冷却的介质可以用作例如冷凝器中的冷却剂。
【0051】在另一个实施例中，作为上述的管(26)的替代或者附加的组件，该装置包括多个至少基本圆柱形且同轴的壁，其将滚筒的内部分成多个隔间。每个隔间中的流体被完全混合，例如通过通风器或静态元件，以便在每个隔间中建立基本不变的熵，从而提高每个隔间中的质量传输。因此，获得在向外径向方向上的阶梯式和负的熵梯度，其使热量能够从滚筒的旋转轴传递到滚筒的周围。
【0052】使隔间相互分隔的壁可以是不间断的，因此可以阻止从一个隔间到另一个隔间的质量传递；或可以是打开的，如类似薄纱或网孔，因此允许被限制的质量传递。该壁也可以具有突出和/或增加表面面积的其他特征，从而热量在隔间之间传递。
【0053】取代上述实施例中的通过热传导传递热量，热量可以替代地或附加地通过热容和质量流传递。图6A-8显示基于通过热容和质量流的热量传递的人造重力装置1的实施例。在此实施例中，第一和第二热交换器包括多个径向延伸的交换器单元22A、23A，其在滚筒6的内壁表面上沿轴向和切向均匀分布。
【0054】如图7中更详细显示的，每个单元包括双壁交换器管40，在图8剖面图中所示。每个交换器管40包括入口41、中心进给管42、与进给管同心的外溢流管43和出口44。然后外管43可以在其外表面上配备用以加强热交换的装置，如增加外管43的外表面的部件，诸如散热片45。
【0055】每个单元进一步包括虹吸管46，其位于与交换器管40同心的位置并且跨度至少为滚筒6的壁6A、6B之间的径向距离的70％，如大约80％。为了均衡虹吸管46的内部和外部的熵，至少在虹吸管46的内表面上提供用以加强热交换的装置，如增加虹吸管46的内表面的部件，诸如散热片47。
【0056】在工作期间，冷却介质，如水，被供给距离滚筒6的旋转轴相对远位置的交换器管40，从而局部冷却滚筒6中的流体并且局部增加密度和减少熵。围绕交换器管22A的稠密流体将通过人造重力被向外挤压，即与水同流并且朝向滚筒6的外壁6A，并且被导致覆盖其内表面。
【0057】加热介质，如水，被供给距离滚筒6的旋转轴相对近的位置的交换器管23A，从而加热滚筒6中的流体并且局部减少密度和增加熵。围绕交换器管40的流体将由于人造重力而被向内置换(浮力)，即与水同流并且朝向滚筒6的内壁6B，并且被导致覆盖其表面。
【0058】这两种现象一起在接交换器之间产生环流，该环流增强从距离滚筒6的旋转轴相对近的热交换器23向外的热传递以及到距离滚筒6的旋转轴相对远的热交换器22的热传递。
【0059】在此实施例中，选择热交换器管22A、23A的长度以阻止这些管到达滚筒内的温度大约等于相关联的热缓冲器的温度的流体区域，诸如装置的周围。
【0060】在又一个实施例中，额外的液体，例如在径向延伸的管内，从滚筒的中心流向滚筒的四周，从而提高势能和压强。高压液体驱动发电机，如(水)涡轮机，并且随后通过位于滚筒内壁上或内壁附近的相对热的可压缩流体(如氙气)被蒸发。因此获得的蒸汽通过使用其自身的膨胀至少部分被传回滚筒的中心，并且通过相对冷的可压缩流体被冷凝。此实施例可以用来直接驱动发电机。
【0061】本发明不限于上述的实施例，其可以在权利要求的范围内以多种方式变化。例如，其他介质，诸如二氧化碳、氢气和CF₄，可以用在滚筒的热交换器中。此外，为了减少转动阻力，可以在低压或真空环境下操作滚筒。