專利名稱：自第一介質到第二介質傳遞熱量的工藝和裝置的制作方法
技術領域：
0001本發明涉及一種從相對冷的第一介質到相對熱的第二介質傳
遞熱量的工藝和裝置。
背景技術：
0002在目前的動力設備(power plants)中，使用高溫源和低溫源 (吸熱設備)通過卡諾循環(camot cycle)或"蒸汽循環"產生功。在 實踐中，高溫介質，代表性的是過熱蒸汽，被饋送給渦輪機產生功， 并且過熱蒸汽隨后被冷凝，然后冷凝的蒸汽被(過度)加熱并且再次 饋送給渦輪機。即，根據熱力學第一定律，高溫介質中包含的熱量與 低溫源吸收的熱量的差被轉換為功。
0003在高溫源和低溫源之間的溫度差較高時，更多的熱量可以被 轉換為功，并且該工藝的效率被提高。通常，環境(大地)作為低溫 源(吸熱設備)，而高溫介質通過燃燒礦物燃料或通過核裂變產生。
0004DE 3238567涉及產生加熱和冷卻的溫度差的裝置。在外力的 影響下，在氣體中形成溫度差。通過使用離心力和借助高分子量的氣 體，這種效應被增加到對技術使用關心的程度。
0005WO 03/095920涉及傳輸熱能的方法，其中熱能經由第一熱交 換器(4， 4a， 4b)被傳輸到旋轉離心機的內腔室(3)，在此內腔室(3) 中提供氣態能量傳遞介質，并且其中熱量經由第二熱交換器(5， 5a， 5b)從離心機(2)中排出。通過在轉子(12)內提供平衡狀態的氣態 能量傳輸介質和通過在向外方向徑向定向熱流，可以相當大地減少所 使用的能量的量。對于WO03/095920中的發明，對流被阻止是必要的
(第2頁，最后一句)。
0006US 3902549涉及被安裝用于高速旋轉的轉子。熱能的源位于 其中心，而熱交換器位于其周邊。提供腔室，其容納氣態材料，根據氣態材料在腔室中的位置，氣態材料可以接收來自熱能的源的熱量或 產生到熱交換器的熱量。
發明內容
0007本發明的目標是提供高效產生高溫介質的工藝。
0008為此目的，根據本發明的工藝包括如下步驟
0009圍繞旋轉軸旋轉包含的大量的可壓縮流體，從而在所述流體 中產生徑向溫度梯度，及
0010通過距離旋轉軸相對遠的部分流體中的流體加熱第二介質。
0011在一方面，本發明進一步包括通過位于旋轉軸的部分中的 流體或距離旋轉軸相對近的部分中的流體從第一介質中提取熱量的步 驟，即冷卻。
0012因此獲得的熱介質和冷介質可以通過例如卡諾循環或"蒸汽 循環"，然后被用來加熱或冷卻建筑物或發電。
0013如果沿徑向限定的流體的分段完全被混合以在這些分段中獲 得至少基本不變的熵，從而改進流體中的熱傳導，則根據本發明的該 工藝的效率可以進一步被提高。
0014此外，熱傳導隨著流體的壓強和密度而增長，從而效率隨著 流體的壓強和密度而增長。因此，壓強優選超過2巴(bar)(旋轉軸上 的壓強)，更優選壓強超過10巴(旋轉軸上的壓強)。優選周圍的壓強 與旋轉軸的壓強之比超過5，更優選其超過8。
0015本發明進一步涉及從第一相對冷的介質到第二相對熱的介質 傳遞熱量的裝置，其包括可旋轉地安裝在框架中的不漏氣滾筒，及
0016第一熱交換器，其安裝在距離滾筒的旋轉軸相對遠的滾筒內 部，例如被安裝在滾筒的內壁中。
0017在本發明的一個方面，該裝置包括第二交換器，其位于旋轉 軸上或距離旋轉軸相對近的位置。
0018在另一個方面，該裝置包括一個或多于一個至少基本圓柱形并且同軸的壁，其沿徑向將滾筒的內部分隔成多個隔間。
0019在另一個方面，至少一個熱交換器被耦合到循環環路以產生 功。另一個循環環路可以包括蒸發器或過熱器、冷凝器和熱機，其11， 蒸發器或過熱器被熱耦合到高溫熱交換器，冷凝器被熱耦合到低溫熱 交換器。環境一般充當吸熱設備，但是如果循環環路的工作溫度足夠 低，其也可以作為高溫源。
0020在又一個方面，可壓縮流體是氣體，并且優選實質上包含或 包括原子數(Z) ^18的單原子元素，諸如氬，優選Z^36，諸如氪和 氤。
0021本發明是基于這樣的見識盡管在等熵柱中，熱量一般從較 高的熵流到較低的熵，從而從較高溫度流到較低溫度，但是位于重力 熱場中的可壓縮流體也從較低的熵流到較高的熵。在地球大氣中，這 種效應將垂直溫度梯度從計算的10°C/km降低到6.5°C/km。水力發電 基于相同的原理。
0022被降低的熱阻進一步增強從較低溫度到較高溫度的熱流。
0023根據本發明的至少一些方面，與只受地球重力的柱相比，人 造重力被用來減少可壓縮流體柱的長度，并且大氣可以由允許流體中 的更高溫度梯度的氣體代替。混合被用來改進流體內的熱傳導。
0024在本發明的框架內，術語"梯度"被定義為從一個點到另一 個點(如，沿著圓柱的半徑)觀察到的屬性大小的連續或階梯式增加
或減少。
0025為了完整性，注意到US 4107944涉及產生加熱和冷卻的方法 和裝置，其通過在轉子攜帶的通道內循環工作流體，在通道內壓縮所 述工作流體，以及從排熱熱交換器中的所述工作流體中排除熱量，并 且將熱量加到供熱熱交換器中的所述工作流體來產生加熱和冷卻，這 些全部都是由轉子執行。工作流體被密封在其內，并且工作流體可以 是合適的氣體，諸如氮氣。也可以提供工作流體熱交換器以在所述工 作流體的兩種流之間的轉子內交換熱量。
0026US 4005587涉及將熱量從低溫熱源傳遞到較高溫加熱的散熱器中的方法和裝置，其使用通過旋轉轉子內的離心力壓縮的可壓縮.J: 作流體，工作流體具有伴隨的溫度增加。熱量從加熱的工作流體被傳 遞到溫度較高的吸熱設備，并且在工作流體從較冷熱源膨脹和冷卻后， 熱量被加到工作流體上。在轉子內提供冷卻以控制工作流體的密度， 從而幫助工作流體循環。
0027相似的方法和裝置可以從US 3828573 、 US 3933008 、 US4060989和US3931713中得知。
0028WO2006/119946涉及使用移動的(通常是氣態或蒸汽)原子 或分子(4)將熱量從第一區域(71)傳遞到第二區域(72)的設備(70) 和方法，其中在一個實施例中，通過使用優選細長的納米尺寸的約束 體(33)(諸如碳納米管)來排列原子/分子，然后使其在熱量被傳遞的 方向受到加速力，通常通過簡單的分子運動阻擾熱量傳遞的原子/分子 的無序運動被克服。在一個替代實施例中，納米尺寸約束體中的分子
(4c)可以被設置成通過橫穿細長約束體(40)的延伸方向的振動傳 遞熱量。
0029JP 611655卯和JP 58035388涉及旋轉式熱管。US 4285202涉 及能量轉換的工業處理，其包括至少一個步驟，該步驟以產生壓縮或 膨脹的方式作用于現存的工作流體。
0030現在將參考附圖更詳細地解釋本發明，附圖示意性地顯示目 前的優選實施例。
0031圖1和圖2是根據本發明的裝置的第一實施例的透視圖和側 視圖。
0032圖3是圖1和圖2的實施例中使用的滾筒的剖面圖。
0033圖4是根據本發明的裝置的第二實施例的剖面圖。
0034圖5是包括圖4實施例的動力設備的示意布局圖。
0035相同部件和執行相同或基本相同功能的部件將使用相同的數 字表示。
具體實施例方式
0036圖1顯示根據本發明的人造重力裝置1的實驗裝配。裝覽1 包括牢牢定位在地板上的靜態基架2和安裝在基架2上的旋轉臺3。驅 動裝置例如電動機4安裝在基架2中并且連接到旋轉臺3。為了減少阻 力，環形壁5沿著旋轉臺3的圓周被固定在旋轉臺3上。此外，汽缸6 被固定在旋轉臺3上并且沿其半徑延伸。
0037如圖3所示，汽缸6包括一個中心環7、兩個(Perspex'M) 外汽缸8、同軸安裝在外汽缸8內部的兩個(Perspex )內汽缸9、兩 個端板10和多個柱螺栓11，通過柱螺栓將端板10牽引在汽缸8、9上， 并且依次地汽缸8、 9被牽引在中心環7上。汽缸6的總長度是1.0米。 圖3是比例圖。
0038通過中心環7、內汽缸9和端板10限定的內腔被充滿處于室 溫，壓強為1.5巴的氙氣，并且內腔進一步包括多個混合器或通風器 13。最后，珀耳帖(Peltier)元件(未顯示)被安裝在環7的內壁上并 且溫度傳感器和壓強計(也未顯示)存在于環7和端板10兩者上。
0039在工作期間，旋轉臺3以大約1000RPM的速度旋轉，從而汽 缸6以大約1000RPM的速度旋轉。流體的徑向分段通過通風器12被 完全混合，以在這些分段中獲得一個至少基本不變的熵。鑒于工藝是 可逆的，并且鑒于內外汽缸8、 9提供的熱絕緣，該絕緣使得能夠實施 基本絕熱的工藝，在汽缸6內從旋轉軸到周圍的熱傳遞，以及反過來 從周圍到旋轉軸的熱傳遞是基本等熵的。
0040在旋轉時，氙氣在端板10上的溫度和壓強增加，并且其在環 7上的溫度和壓強降低。當達到平衡，階躍式熱脈沖通過珀耳帖元件被 提供給環7上的氣體時，環7上的溫度和壓強增加，并且隨后，端板 IO上的溫度和壓強增加，即，熱量從溫度相對低的源(環上的氣體) 流到溫度相對高的源(端板上的氣體)。
0041圖4是根據本發明的第二個人造重力裝置1的剖面圖。裝置1 包括牢牢定位在地板上的靜態基架2和繞其縱軸被可旋轉安裝在基架 2中的旋轉滾筒6，如通過合適的軸承，諸如滾珠軸承20。滾筒6的合適直徑范圍是2-10米，在此示例中是4米。滾筒的壁本身以已知的方 式被熱隔離。裝置1進一步包括驅動裝置(未顯示)，以50-500RPM 范圍的轉速旋轉滾筒。
0042滾筒7包含(至少)兩個熱交換器，第一熱交換器22被安裝 在距離滾筒7的旋轉軸相對遠的滾筒內部，第二熱交換器23位于所述 旋轉軸上或距離所述旋轉軸相對近的位置。在此示例中，熱交換器22、 23都包括與旋轉軸同軸的螺旋管，并且通過第一可旋轉流體連接器24 被連接在供給源上，通過第二可旋轉流體連接器25被連接在出口上。
0043圖4中所示的實施例進一步包括管26，其與滾筒7的縱軸同 軸并且包含軸流式通風器27以強迫滾筒內的物質循環。在此示例中， 滾筒被充滿壓強為5巴(溫度為室溫)的氙氣，而熱交換器22、 23被 充滿水。
0044圖5是包括圖4的實施例的動力設備的示意圖，該動力設備 被連接用于產生功的循環，在此示例中，該循環是所謂的"蒸汽循環"。 該循環包括過熱器30和熱機；其中過熱器30被連接到裝置1的高溫 熱交換器22上，熱機本身是已知的并且在此示例中包括渦輪機31、 連接到裝置1的第一熱交換器23上的冷凝器32、泵33和蒸發器34。 該蒸汽循環也被充滿水。其他合適介質在本領域中是已知的。
0045旋轉滾筒將在氙氣中產生徑向溫度梯度，熱交換器之間的溫 度差(AT)在100-60(TC的范圍中，其取決于滾筒的角速度。在此示 例中，滾筒以3'50RPM的轉速旋轉，這可產生大約300'C的溫度差(△ T)。溫度為20'C的水被饋送給熱交換器22、 23。來自高溫熱交換器22 的已加熱的蒸汽(320°C)被饋送給過熱器30，而來自低溫熱交換器 23的己冷卻的水(10°C)被饋送給冷凝器32。蒸汽循環本身以己知的 方式產生功。
0046在另一個實施例中，該裝置包括串行或并行連接的兩個或多 于兩個滾筒。例如，在包括串行連接的兩個滾筒的結構中，來自第一 滾筒的已加熱的介質被饋送給第二滾筒的低溫熱交換器。因此，與第 一滾筒中的熱傳遞相比，到第二滾筒中的高溫熱交換器的熱傳遞被相 當大地增加。來自第一滾筒的已冷卻的介質可以用作例如冷凝器中的冷卻劑。
0047在另一個實施例中，作為上述的管(26)的替代或者附加的 組件，該裝置包括多個至少基本圓柱形且同軸的壁，其將滾筒的內部 分成多個隔間。每個隔間中的流體被完全混合，例如通過通風器或靜 態元件，以便在每個隔間中建立基本不變的熵，從而提高每個隔間屮 的質量傳輸。因此，獲得在向外徑向方向上的階梯式和負的熵梯度， 其使熱量能夠從滾筒的旋轉軸傳遞到滾筒的周圍。
0048使隔間相互分隔的壁可以是不間斷的，因此可以阻止從一個 隔間到另一個隔間的質量傳遞；或可以是打開的，如類似薄紗或網孔， 因此允許被限制的質量傳遞。該壁也可以具有突出和/或增加表面面積 的其他特征，從而熱量在隔間之間傳遞。
0049在又一個實施例中，額外的液體，例如在徑向延伸的管內， 從滾筒的中心流向滾筒的周圍，從而增加勢能和壓強。高壓液體驅動 發電機，如(水)渦輪機，并且隨后通過位于滾筒內壁上或內壁附近 的相對熱的可壓縮流體(如氙氣)被蒸發。因此獲得的蒸汽至少部分 通過使用其自身的膨脹被傳回滾筒的中心，并且通過相對冷的可壓縮 流體被冷凝。此實施例可以用來直接驅動發電機。
0050本發明不限于上述的實施例，其可以在權利要求的范圍內以 多種方式變化。例如，其他介質，諸如二氧化碳、氫氣和CF4，可以用 在滾筒的熱交換器中。
權利要求
1.一種從相對冷的第一介質(23)到相對熱的第二介質(22)傳遞熱量的工藝，其包括以下步驟圍繞旋轉軸旋轉包含的大量的可壓縮流體(6)，從而在所述流體中產生徑向溫度梯度，及通過距離所述旋轉軸相對遠的部分所述流體中的流體加熱所述第二介質(22)。
2. 根據權利要求1所述的工藝，其包括步驟通過位于所述旋轉軸的部分中的或距離所述旋轉軸相對近的部分中的所述流體從所述第一介質(23)提取熱量。
3. 根據權利要求1或2所述的工藝，其中所述流體的分段被完全混合(12; 27)。
4. 根據上述權利要求中的任何一個權利要求所述的工藝，其中所述可壓縮流體所處的壓強超過2巴。
5. 根據上述權利要求中的任何一個權利要求所述的工藝，其中所述可壓縮流體被包含在滾筒中，所述滾筒的直徑至少為1.5米并且以至少50RPM的轉速旋轉，優選以至少IOORPM的轉速旋轉。
6. 根據上述權利要求中的任何一個權利要求所述的工藝，其中通過至少所述第一介質(22)產生功，優選通過所述第一介質和第二介質(22， 23)兩者產生功，并且優選通過卡諾循環或蒸汽循環(30-34)產生功。
7. 根據上述權利要求中的任何一個權利要求所述的工藝，其包括連續或者同時圍繞旋轉軸旋轉包含的大量可壓縮流體(6)的兩個或多于兩個步驟。
8. 根據上述權利要求中的任何一個權利要求所述的工藝，進一步包括以下步驟允許額外的液體流出所述旋轉軸， 使用所述液體驅動發電機，通過距離所述旋轉軸相對遠的所述流體的部分中的流體蒸發所述 液體，朝所述旋轉軸泵浦所述蒸汽，通過位于所述旋轉軸的部分中的所述流體或距離所述旋轉軸相對 近的部分中的所述流體冷凝所述蒸汽。
9. 根據上述權利要求中的任何一個權利要求所述的工藝，其中所 述可壓縮流體實質上包含或包括原子數(Z)》18，優選Z》36的單原 子元素。
10. 用以從相對冷的第一介質到相對熱的第二介質傳遞熱量的裝 置(1)，其包括可旋轉地安裝在框架中的不漏氣滾筒，及第一熱交換器(23)，其安裝在距離所述滾筒的旋轉軸相對遠的所 述滾筒內部。
11. 根據權利要求IO所述的裝置(1)，其包括位于所述旋轉軸上 或距離所述旋轉軸相對近的位置的第二交換器(2)。
12. 根據權利要求10或11所述的裝置(1)，其包括一個或多于一 個至少基本圓柱形的并且同軸的壁，所述壁將所述滾筒(6)的內部分 成多個隔間。
13. 根據權利要求10-12中任何一個權利要求所述的裝置(1)，其 中所述熱交換器(22， 23)中的至少一個包括與所述旋轉軸同軸的螺 旋管。
14. 根據權利要求10-13中的任何一個權利要求所述的裝置(1)，其中所述熱交換器(22， 23)中的至少一個被連接到產生功的循環 (30-34)。
15.根據權利要求14所述的裝置(1)，其中所述循環包括蒸發器 (34)或過熱器(30)、冷凝器(32)和熱機(31)，其中所述蒸發器 (34)或過熱器(30)被熱耦合到所述高溫熱交換器(22)，所述冷凝 器(32)被熱耦合到所述低溫熱交換器(23)。
全文摘要
本發明涉及從一種從相對冷的第一介質(23)向相對熱的第二介質(22)傳遞熱量的工藝，其包括以下步驟圍繞旋轉軸旋轉包含的大量的可壓縮流體(6)，從而在所述流體中產生徑向溫度梯度，和通過距離旋轉軸相對遠的部分流體中的流體加熱第二介質(22)。本發明也和實施所述工藝的裝置相關。
文檔編號F25B3/00GK101636621SQ200880003460
公開日2010年1月27日 申請日期2008年2月13日 優先權日2007年2月14日
發明者F·胡斯 申請人:赫勒斯技術股份有限公司