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Verfahren und Anlage zur Nutzbarmachung von mit geringer ungleichmässiger Ge- schwindigkeit gewonnener mechanischer Energie.
Es gibt eine Reihe von Energiequellen, die zwar oft ganz beträchtlich sind, aber keine wirtschaftlich günstige Nutzbarmachung zulassen, weil einerseits der Energieträger eine so geringe Geschwindigkeit hat, dass deren Umsetzung in gebrauchsfähige Werte mit grossen Arbeitsverlusten verbunden ist, und weil sich anderseits diese kleine, primäre Geschwindigkeit meistens auch noch innerhalb so weiter Grenzen ändert, dass die Herstellung einer einigermassen gleichbleibenden, sekundären Gebrauchsgeschwindigkeit mit den bisher bekannten Mitteln schwierig ist. Bei der Gewinnung elektrischer Energie fallen diese
Umstände besonders ins Gewicht, denn die Dynamomaschinen verlangen hohe und dabei möglichst konstante Umlaufzahlen.
Solche Energiequellen sind u. a. das Arbeitsvermögen des Windes, der Gezeiten und jener Flüsse, deren Gefälle klein ist und aus irgendwelchem Grunde nicht künstlich vergrössert werden kann, bei denen also die natürliche Stossenergie des fliessenden Wassers ausgenutzt werden muss.
Allen diesen Energiequellen kann ferner mit einer Einzelanlage immer nur ein verhältnismässig kleiner Bruchteil ihres gesamten Arbeitsvermögens entnommen werden, was ihre Ausnutzungsmöglichkeit noch weiter einschränkt. Man kann nämlich bei den bisher üblichen Anlagen die Drehzahl der Primärmaschine nicht beliebig klein wählen, sondern muss bestimmte Mindestwerte einhalten. Infolgedessen darf der Raddurchmesser nicht zu gross gemacht werden, wodurch eine wichtige Möglichkeit, die Leistung des Einzelrades zu steigern, wesentlich eingeschränkt ist. Wird als Energiequelle z.
B. ein grösserer Fluss mit einer natürlichen Strömungsgeschwindigkeit von etwa 2-5 Sekundenmetern bei normalem Wasserstande angenommen, so kann die Leistung eines Wasserrades an der Radwelle auf höchstens beiläufig 20 PS gebracht werden, wie ausgeführte Anlagen ergeben haben. Dabei muss die ausserordentlich kleine Drehzahl von 9-10minutlichen Umläufen in Kauf genommen werden, deren Umsetzung mittels Zahnrad-, Riemen-oder Seiltrieben auf die z. B. für Dynamobetrieb erwünschte Drehzahl von 1500 bereits ungefähr 30% Arbeitsverlust verursacht. Die mit einem Einzelrad erhältliche elektrische Energie würde mithin im betrachteten Falle kaum etwa 10 KW betragen.
Wenn nun durch die zu erwartenden Wasserstandsschwankungen die Strömungsgeschwindigkeit des Flusses von 2'5 m auf etwa 1'5 m sänke, würde die mit einem Einzelrade erreichbare elektrische Höchstleistung nur noch etwa 6 KW sein. Man müsste bei diesen schlechten Verhältnissen, um einigermassen für Kraftübertragungszweeke geeignete Leistungen zu erhalten, eine so grosse Anzahl einzelner Wasserradanlagen errichten, dass die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage durch die hohen Herstellungs-und Betriebskosten in Frage gestellt ist. Dabei sind noch die aussergewöhnlichen technischen Schwierigkeiten zu berücksichtigen, die der an sich schon komplizierten Betriebsführung durch die wechselnde Geschwindigkeit und Leistungsaufnahme erwachsen.
Da weiter die in Rede stehenden Energiequellen zeitweise entweder vollständig versagen, oder auf kürzere oder längere Dauer in ihrer Ergiebigkeit so weit herabsinken, dass sie zur Deckung des normalen Arbeitsbedarfes nicht mehr ausreichen, ist man gezwungen, Reserveanlagen bereitzustellen. Es kommen meistens nur kalorische Reserven in Betracht, die in allen ihren Teilen grundverschieden von jenen der eigentlichen Hauptanlagen sind und für den normalen Betrieb nicht mit herangezogen werden können. Die Anlagekosten werden dadurch um die einer vollständigen Reserve im Umfang der Hauptanlage vergrössert.
Dies bedeutet natürlich eine weitere Beeinträchtigung der Wirtschaftlichkeit.
Um diese Übelstände zu vermeiden, muss vor allem von der üblichen Geschwindigkeitsübersetzung mittels Zahnrad-, Riemen-oder Seiltrieben entweder ganz oder mindestens doch der Hauptsache nach
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abgesehen werden. Diese Einrichtungen verursachen bedeutende und mit zunehmendem Umsetzungsverhältnis rasch anwachsende Arbeitsverluste und übertragen infolge ihrer mechanischen Zwangläufigkcit alle primären Gesehwindigkeitssehwankungen auch auf den sekundären Teil. An ihre Stelle tritt nach vorliegender Erfindung das vorliegende neue Umsetzungsverfahren, das grundsätzlich dann besteht,
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es in diesem umgesetzten Zustand dem sekundären Arbeitsverbraucher zuzuführen,
der angestrebte hohe Drehzahl besitzt. Hiebci entstehen aber verschiedene Schwierigkeiten (durch die Kompressions- wärme u. a. ), die bei den bekannten Anordnungen dieser Art nicht beseitigt sind. Man hat nämlich zur Ausnutzung von Windkräften u. dgl. wohl schon die pneumatische Energieübertragung vorgeschlagen.
Die vom Windmotor erzeugte Druckluft war aber hiebei im Wesen nicht zur Geschwindigkeitsumsetzung, sondern zur EnergiespeichErung bestimmt. Die bei der Kompression erzeugte Wärmemenge war wegen
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verloren. Anders liegen die Verhältnisse bei der vorliegenden Erfindung. Die zum wirtschaftlichen Betriebe rp. sehlaufender Maschinen erforderlichen Drücke entstehen unter hohen Komperessionstomperaturen, die einerseits den Betrieb wesentlich erschweren, anderseits erhebliche Wärme Verluste veranlassen können. Es wäre sehr unwirtschaftlich, diese Wärmemengen, die einen sehr erheblichen Teil des gesamten Arb@itvermögens vorstellen, in einem der Abkühlung ausgesetzten Speicher vorlorengchen zu lassen.
Es wird daher erfindungsgemäss einerseits in das gasförmige Treibmittel ein weiteres Mittel von höhsrer Wärmekapazität (z. B. Wasser) eingeführt, so dass die Energieübertragung durch ein Gemisch au--einem Gvs (Luft) und einem Dampf (Wasserdampf) erfolgt. Anderseits wird absichtlich eine Speicherung des Treibmittels vermieden, und dafür dem Gas-Dampf-Gemisch im Sinne der Erfindung, wenn erforderlich, Wärmeenergie in wechselnden, die Schwankungen der Primärleistung ausgleichenden Beträgen zugeführt.
Gleichzeitig wird zweckmässig durch einen an zweckentsprechender Stelle eingebauten Regler dafür gesorgt, dass der Druck des gepressten Treibmittels selbsttätig konstant erhalten bleibt.
Fig. 1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das unterschlächtige Wass@mad 1 ist etwa zwischen zwei Kähnen in einem Strom angeordnet und gibt die ihm mitgeteilte Arbeit über die Welle 2 und die Kurbel 3 an einen oder mehrere (z. B. drei unter 120 Kurbelversetzung angeordnete) Druckerzeuger- ab. In letzterem, der die Saugventile 5 und die Druckver@le 6 hat, wird das Treib- mittel, z. B. Luft auf den für die gewünschte sekundäre Geschwindigkeit erforderlichen Druck gebracht.
Um nun die weitere Energieübertragung mit einem Mittel von höherer Wärmckapazität durchzuführen, wird in die durch die Kompression hocherhitzte Luft etwa an der Stelle 20 mittels einer Sprühdüse Wasser oder eine andere geeignete verdampfbare Flüssigkeit eingespritzt. Der entstehende Wasserdampf nimmt unter der sehr erwünschten Herabsetzung der Temperatur einen grossen Teil der Luftwärme auf und
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Treibmittel selbsttätig unter gleichbleibendem Drucke hält. Er besteht z. B. aus dem beweglichen Kolben 9, der durch einen bei 10 gelagerten Hebel 11 mit dem einstellbaren Gewicht 12 beschwert ist.
Die Öffnung 13 in der Reglerwand gestattet den Austritt etwa überschüssigen Treibmittels ins Freie oder in ein dort anzuschliessendes Abflussrohr, wenn der Kolben 9 seine Hochststellung erreicht hat. Dem Arbeitsrad 17 strömt also durch das Rohr 14 (das ein Abschlussorgan ? J enthält) und die Düse lss ein Heissluft- Wasserdampf-Gemisch zu. Das Rad 1'7 läuft nun infolge des konstant gehaltenen Druckes bei gleichbleibender Belastung gleichförmig mit der gewünschten hohen Geschwindigkeit, auch wenn die Drehzahl der Welle 2 unregelmässig ist. Von der Welle 18 wird schliesslich mittelbar oder unmittelbar der Arbeitsverbraucher, z.
B. eine Dynamomaschine getrieben und mittels des Fliehkraftreglers ? die
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Damit nicht durch die Wasserzufuhr unnötige Wärmeverluste entstehen, wird das bei 20 einzuspritzende Wasser dem Kondensator des Arbeitsrades 17 entnommen und mittels einer Pumpe oder eines Injektors durch die Leitung 21 im Kreislauf wieder dem Druckregler 8 zugeführt.
Das Arbeitsvermögen des Treibmittels kann auf einfache Weise dadurch erhöht oder geregelt werden, wenn diesem Wärmeenergie in Form einer zusätzlichen Beheizung. z. B. des Druckreglers 8
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beeinflusst. Auf diese Weise wird der Betrieb des Arbeitsrades 17 anch von langzeitigen Geschwindigkeitsschwankungen der Energiequelle unabhängig. Zur Vervollkommnung der Regelung kann mit der Welle 2 des Wasserrades 1 ebenfalls ein Fliehkraftpendel 26 gekuppelt werden. Dieses wirkt seinerseits auf die Regelorgane 24 und 23 ein und verstellt diese sofort bei jeder Änderung der primären EnergieZufuhr.
Es ist nun nicht mehr die Aufstellung einer in allen Teilen selbständigen Reserveanlage nötig.
An Stelle der stillgesetzten Teile 1-6 hat bei Ausbleiben der primären Energie ein Dampferzeuger zu treten, während die übrigen Anlageteile unverändert im Betriebe bleiben. Die Feuerung 22 besorgt dann das Überhitzen des Dampfes.
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In der geschilderten Anlage können ausserordentlich grosse Übersetzungsverhältnisse erzielt werden, denn die Drehzahl des Rades 17 ist in erster Linie vom Treibmitteldrucke abhängig. Dieser aber wird
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z. B. durch entsprechende Ausgestaltung des Zwischengliedes mit Wasser- oder Windrädern von etwa zweiminutlichen Umläufen pressluft- oder Dampfturbinen von 30C0minutJichen Umläufen betreiben können. Wenn aber so geringe primäre Drehzahlen zulässig werden, kann auch der Durchmesser des primären Wasser-oder Windrades und damit dessen Leistungsaufnahmsfähigkeit nun ein Vielfaches des ursprünglich erreichbaren Wertes werden.
Die Wirtschaftlichkeit der Erfindung ergibt sich aus folgendem : Ein primäres, durch Wasser, Wind usw. betriebenes Rad wird bei grösserem Durchmesser im allgemeinen mit besserem Nutzeffekt arbeiten, weil die Leistung an sich grösser ist und die grössere Schaufeltiefe in radialer Richtung die Ausbildung dner guten Schaufelform begünstigt. Die schnellaufende Sekundärmaschine wird gleichfalls mit hohem Wirkungsgrade laufen, ebenso der damit betriebene Arbeitsverbraueher, z. B. eine 3000-Tourendynamomaschine. Das Zwischenglied, der Druckerzeuger, Druckregler und die Rohrleitung verursachen zwar Reibungs-, Wärmestrahlungs- und Treibmittelbeför derungs verluste, die aber besonders
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das Gleiten der Riemen- oder Seiltriebe hervorgerufen werden.
Die Wärmestrahlungsverluste lassen sieh in bekannter Weise durch Isolierung des Kompressors, des Druckreglers, der Leitung usw. auf ein geringes Mass herabsetzen. Dass die hier mögliche Art der Zufuhr und Auswertung von Wärmeenergie besonders günstig ist, ergibt die Betrachtung des kalorischen Kreisprozesses.
Die vorliegende Erfindung ist keinsewegs auf die Nutzbarmachung natürlicher Energiequ@llen beschränkt. Sie eignet sich sinngemäss ganz allgemein für alle jene Fälle, bei welchen irgendeine primäre,
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PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Nutzbarmachung von mit geringer ungleichmässiger Geschwindigkeit gewonnener mf chanischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass in ein mittels der Primärenergic zusammengepresstes G s ein durch die Kompressionswärme verdampfbarer Stoff eingeführt und das entstehende Gas-DampfG misch als Treibmittel für eine Wärmekraftmaschine verwendet wird.