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Anlage zur Auswertung kleiner, in der Natur vorhandener Wärmegefälle.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die in der Natur vorhandenen kleinen Wärmegefälle zwischen der die Erde umgebenden Atmosphäre und des flüssigen oder festen Anteiles der Erdoberfläche mit Hilfe technischer Mittel auszuwerten und praktisch nutzbar zu machen. Die Art dieser Auswertung erfolgt erfindungsgemäss dadurch, dass das Wärmegefälle zwischen dem Wärmereservoir der die Erde umgebenden gasförmigen Atmosphäre einerseits und dem Wärmereservoir des flüssigen oder festen Anteiles der Erdoberfläche anderseits mittels eines geschlossenen, in einer Kraftmaschine nutzbar gemachten Kreisprozesses ausgewertet wird, wobei ein Kreislauf des Arbeitsmittels in einem gegen die Atmosphäre hermetisch abgeschlossenen Ringleitungssystem mit zwischengeschalteter Kraftmaschine durchgeführt wird, deren Arbeitsräume keine beweglichen, austretenden Teile aufweisen,
so dass weder Luft eindringen, noch Gas entweichen kann und bei welcher die Wärmearbeit in eine elastische Deformation des in die Ringleitung eingeschalteten Arbeitsraumes der Kraftmaschine umgesetzt wird.
Weitere Kennzeichen der Erfindung liegen in besonderen baulichen Einzelheiten.
Es liegen bereits Veröffentlichungen über Einrichtungen vor, nach welchen, die Nutzbarmachung des Wärmegefälles zwischen der die Erde umgebenden Atmosphäre und des flüssigen oder festen Anteiles der Erdoberfläche ausgenommen, die bei der Anlage nach der Erfindung zusammengefassten Massnahmen und Merkmale im einzelnen an sich in Verbindung mit andern, hier nicht verwendeten, vorgeschlagen wurden. Eine praktisch auswertbare Maschine jedoch ist bisher nicht zustande gekommen, da die bauliche Ausgestaltung zu kompliziert, die Baukosten zu hoch, die Betriebswartung zu schwierig und der Wirkungsgrad zu klein war.
Erst durch die erfindungsgemässe Zusammenfassung von bisher im einzelnen teilweise schon bei verschiedenen, praktisch nicht verwertbaren vorgeschlagenen Versuchsanlagen verwendeten Massnahmen ist es möglich geworden, eine Maschine zur Auswertung kleiner, in der Natur vorhandener Wärmegefälle zu bauen, bei welcher die thermischen, Lässigkeits-und Strahlungsverluste auf ein Minimum herabgesetzt sind und sowohl der thermodynamisehe als auch der mechanische Wirkungsgrad ausserordentlich hoch gehalten ist. Durch die gemäss der Erfindung ausgebildete Maschine ist es praktisch möglich, auch noch Temperaturdifferenzen von 4 C zu verwerten.
Eine durch künstliche Mittel
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Auf der Zeichnung ist die Anlage in einigen Ausführungsbeispielen dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 das Ausführungsbeispiel einer Gesamteinrichtung im Schema, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer zugehörigen Kraftmaschine im Schnitt und die Fig. 3-5 Einzelheiten, welche die Zuführung des Arbeitsmittels in den Arbeitsraum der Kraftmaschine betreffen.
Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass bei einer derartigen Anlage das Wärmegefälle zwischen dem Wärmereservoir der die Erde umgebenden gasförmigen Atmosphäre einerseits und dem Wärmereservoir des flüssigen oder festen Anteiles der Erdoberfläche anderseits, vermittels eines Kreisprozesses in einer Kraftmaschine nutzbar gemacht wird. Vorzugsweise vollzieht sich der Kreisprozess in einem gegen die Atmosphäre hermetisch dicht abgeschlossenen Leitungssystem mit zwischengeschalteter, gegen die Atmosphäre dicht gekapselter Kraftmaschine.
Als Kraftmaschine wird zweckmässiger- weise eine solche verwendet, bei welcher die Wärmearbeit in eine elastische Deformation des vom Arbeitsmittel durchströmten, d. h. in den Kreisprozess eingeschalteten Arbeitsraumes der Kraftmaschine mechanisch umgesetzt wird, da sich eine derartige Maschine am leichtesten hermetisch abdichten lässt.
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In besonderen Fällen kann aber auch eine Turbine als Kraftmaschine verwendet werden, deren Laufradbewegung durch ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse mittels magnetischer Kupplung (z. B. nach Art einer, Wirbelstrombremse) abgenommen wird.
Die Gesamtordnung der Anlage (Fig. 1) besteht aus dem Kondensator s, der Kraftmaschine M und dem Vorwärmer i. Letzterer kann in speziellen Fällen auch wegfallen. Der Kondensator s kann durch einen Absorber ersetzt werden.
Der Kraftmaschine M (Fig. l) wird durch die Leitung a das Arbeitsmittel (Arbeitsgas) in flüssiger Form zugeführt. Es kommt durch diese Leitung zuerst in die Pumpe 20 (Fig. 2) und von dort durch die Leitung b in den Unterdecke 2 der Maschine, dessen umlaufender Kanal c durch den Holländer 23 mit der Leitung b verbunden ist. Der umlaufende Kanal c ist durch eine Reihe von Düsen d mit dem Arbeitsraum der Maschine verbunden, welcher durch den Unterdecke 2 und den Oberdeckel 6 sowie die elastisch deformierbaren Stahllamellen 3 und deren Aussenverbindung 4 gebildet wird. In Fig. 2 ist nur ein einziger Arbeitsraum, aus zwei Stahllamellen bestehend, dargestellt. Natürlich kann, wie aus Fig. 1 ersichtlich, dieser Arbeitsraum durch Aneinanderreihen von mehreren Lamellenpaaren entsprechend vergrössert werden.
Als Arbeitsraum dieser Maschine wird daher vorzugsweise ein Blas-
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ist in diesem Fall durch die Leitungen h und g mit dem Vorwärmer t verbunden (Fig. 1), welchem die Wärme aus der Luft vermittels des Ventilators K zugeführt wird. Der Flüssigkeitsumlauf dieser Anordnung ist so angelegt, dass sie siphonartig arbeitet, d. h. dass in ihr kein hydraulisches Gefälle entsteht, so dass ihr Energieaufwand nur zur Überwindung der hydraulischen Widerstände dient.
Nachdem sich diese wärmevermittelnde Flüssigkeit nur ganz langsam zu bewegen braucht, sind die hydraulischen Verluste dieser Anordnung sehr klein. Zur Erzeugung des Flüssigkeitsumlaufes wird die Bewegung der gegen die Gehäusewand kolbenartig anliegenden Lamellen im Gehäuse 19 herangezogen (Fig. 2), welche wie eine Plungerpumpe wirken. Durch die siphonartige Anordnung entsteht in der Vorwärmeranlage auch kein massgebender Druck, so dass der Vorwärmer i (Fig. 1) nach Art der bekannten Automobilkühler ausgebildet werden kann. Man kann ihm damit die beste bekannte Form zur Erzielung von Wärmeübergängen aus der Luft geben.
Schon ganz kleine derartige Kühler weisen viele Quadratmeter von Wärmedurchgangsflächen auf und können daher bei ganz kleinen Temperaturdifferenzen grosse Kalorienmengen aus der Luft auf die wärmevermittelnde Flüssigkeit übertragen. Mit dieser Anordnung ist für die Maschine selbst von der Lamellenaussenseite nach der Lamelleninnenseite ein Wärmeübergang gegeben, welcher von Flüssigkeit durch Strahl zu verdampfendem Gas stattfindet, also bekannt günstig ist, so dass auch durch kleine Wärmegefälle die Dimensionen der Wärmeübergangsflächen der Maschine selbst verhältnismässig klein gehalten werden können. Ein Zwischenglied in diesen Anordnungen stellen die bekannten Berieselungsvorrichtungen dar, welche unter bestimmten Verhältnissen ebenfalls Anwendung finden können.
Wenn auch der Wirkungsgrad der Maschine infolge des unendlich grossen vorhandenen Wärmereservoirs prinzipiell gleichgültig ist, so beeinflusst er doch bei kleinen Temperaturgefällen ganz wesentlich die Baugrösse der Maschine und der ganzen Anlage. Es ist daher notwendig, für die Energieumsetzung
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welcher es auch gestattet, der Maschine bei jedem einzelnen Arbeitsvorgang möglichst grosse Wärmemengen aufzudrücken.. Wie aus der Beschreibung der Maschine hervorgeht, wird erfindungsgemäss ein solcher Arbeitsprozess angenommen, welcher im wesentlichen bei der Expansion polytropisch verläuft, wobei die Polytrope möglichst der Isotherme genährt ist.
In Spezialfällen kann die Expansion auch adiabatisch verlaufen, insbesondere bei ganz grossen Anlagen und dann, wenn die Temperatur des vorhandenen oberen Wärmereservoirs der Atmosphäre über der Erde sehr hoch liegt.
Bei besonders grossen Anlagen lässt sich die vorbeschriebene Kraftmaschine mit elastisch deformierbaren Arbeitsräumen in besonderen Anwendungsfällen durch eine Turbine ersetzen. Dies stellt jedoch einen Spezialfall dar, wie aus den Verhältnissen an Turbinen klar hervorgeht. (Bei kleinen Maschinen schlechter thermodynamischer Wirkungsgrad, Unmöglichkeit der Wärmezufuhr während der Expansion.
Starke Kondensation während der Expansion bei den in Frage kommenden Arbeitgasen.) Da bei Durchführung der Turbinenlaufradwelle durch das Gehäuse in das Leitungssystem des Kreisprozesses eine undichte Stelle käme, welche auch mit den bekannten Stopfbüchsen nicht hermetisch verschliessbar ist, wird in diesem Fall die Kupplung der Turbinenwelle mit den folgenden
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so dass auch in diesem Fall das Turbinengehäuse gegen die Atmosphäre hermetisch abgeschlossen werden kann.
Für die Wahl des Arbeitsgases ist es massgebend, dass dieses in den auf der Erdoberfläche vorkommenden Temperaturgebieten so verdampft, dass die entstehenden Drücke nicht zu hoch liegen, vorzugsweise nicht über 1 atü und dass auf der Kondesseite Drücke entstehen (also nach der Expansion und während des Ausschiebens), welche möglichst weit unter 1 ata liegen. Es sind dies jene Gebiete, in welchen den Arbeitsgasen die grössten Wärmemengen zur Verdampfung und während der Expansion zugeführt werden können und in welchen daher die einzuspritzenden Gasmengen für einen Hub möglichst kleine sind.
Ein solches Gas ist beispielsweise das für derartige Zwecke bekannte Äthylchlorid. In Gegenden, in welchen die Lufttemperatur als oberes Wärmereservoir sehr hoch ist, kann beispielsweise Pentan verwendet werden, welches dann zum grössten Teil unter 1 ata arbeitet.
Zweckmässigerweise wird aber die Verdampfung aus der Maschine selbst herausverlegt, wodurch an Stelle des Vorwärmers ein Verdampfer tritt. Eine derartige Anordnung ist dann deshalb möglich, weil auch dieser Verdampfer wie ein bekannter Automobilkühler ausgebildet sein kann, d. h. aus ganz dünnen Blechen gebaut sein kann (vorzugsweise unter 1-5 mm), ganz dünne Strömungsquerschnitte aufweisen kann (vorzugsweise unter 4 mm lichte Weite), und trotzdem insbesondere das Vakuum, wie Versuche bewiesen haben, schon bei gewöhnlicher Lötung sehr gut aushält. Dabei darf jedoch ein vorkommender Überdruck nicht grösser sein, wie etwa 1-6 6 ata. Durch diese Anordnung wird ebenso wie in der vorbeschriebenen ein genügender Übergang der Wärme aus der Luft in das Gas ermöglicht.
Eine entsprechende Dichtung der Maschine vorausgesetzt, ist in solchen Fällen für Grossanlagen auch die Anwendung von Turbinen möglich. Die vorliegende Maschine (Fig. 2) erhält in diesem Fall neben dem Auslassventil M, auch ein Einlassventil, sofern das Arbeitsmittel nicht (wie in Fig. 2 dargestellt), direkt zwischen den Lamellen 3 eingespritzt wird. Die Wärmezufuhr während der Expansion findet auch in diesem Fall durch die Lamellen statt und es genügt dann hiezu, dass die Lamellen innerhalb des Gefässes 19 mit der umgebenden warmen Luft bespült werden.
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Sobald ein Teil des Kreisprozesses in solchen Anlagen unter 1 ata zu liegen kommt, ist es unbedingt nötig, dass sämtliche Arbeitsräume, also sowohl diejenigen in der Maschine als auch diejenigen des Kondensators und gegebenenfalls auch die des Verdampfers an sich und untereinander so ausgebildet sind, dass unter keinen Umständen Luft eintreten kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Erfüllung dieser grundlegenden Bedingung in einwandfreier Form, da an keiner Stelle bewegte Konstruktionsteile abgedichtet werden müssen und das ganze Leitungssystem dicht geschlossen ist.
Bei den zu verwendenden Arbeitsgasen macht schon ein geringer Eintritt von Luft den Kreisprozess unmöglich, da sieh diese Gase auf der Kondensatorseite von der Luft nicht mehr richtig trennen lassen, also auch ein Absaugen von Luft, wie bei den gewöhnlichen Dampfmaschinen und Dampfturbinen aus dem Kondensator, nicht mehr möglich ist. Die Notwendigkeit des hermetischen Abschlusses nach aussen besteht aus wirtschaftlichen Gründen auch dann, wenn die Maschinen im Überdruckgebiet arbeiten, da die Arbeitsgase ziemlich wertvoll sind und nicht verloren gehen dürfen.
Die Maschine M weist keine innere Reibung auf, so dass ihre mechanischen Verluste sich auf die Kugellagerreibung beschränken und eine Schmierung innerhalb der Arbeitsräume überflüssig ist.
Letzteres ist insbesondere auch deshalb wichtig, weil dadurch eine Verunreinigung des Arbeitsgases vermieden wird, welche bei den in Betracht kommenden Gasen stets Änderungen der spezifischen Drücke mit sich bringt, so dass unter Umständen der ganze Verlauf des Kreisprozesses in weiten Grenzen labil werden kann.
. Zur Kondensation des Gases wird erfindungsgemäss vorzugsweise ebenfalls ein den bekannten Automobilkühlern ähnlicher Kühler verwendet. Das Gas wird innerhalb desselben kondensiert, wobei es von aussen durch Kühlwasser allenfalls unter Anwendung der Verdunstungskühlung, d. h. Heranziehung der Verdampfungswärme des Wassers, gekühlt ist. Diese Anordnung setzt einerseits die zum Wärme übergang aus dem Gas in das Kühlwasser notwendige Temperaturdifferenz auf ein Minimum herunter und ermöglicht anderseits auch das Auskommen mit ganz geringen Kühlwassermengen.
An Aufstellungsorten, an welchen das Kühlwasser nicht direkt an der Erdoberfläche anfällt ; sondern dem Grundwasser entnommen werden muss, wird erfindungsgemäss in allen jenen Fällen, in welchen das Kühlwasser später nicht mehr weiterverwendet werden soll, die Kühlwasserversorgung siphonartig angelegt, entweder als Vakuumsiphon oder als Drucksiphon, d. h. als durchwegs unter Überdruck stehende Heberleitung. In diesem Fall ist auch bei der Kühlwasserversorgung kein hydraulisches Gefälle vorhanden und sind als Verluste nur die hydraulischen Widerstände zu überwinden.
Das Kühlwasser wird, nachdem es die Wärme aus dem Kondensator aufgenommen hat, zur Wärmeabgabe in das Grundwasser zurückgeführt, wobei die beiden Enden der Kühlwasserleitungen horizontal nebeneinander oder vertikal
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von Leitungen bis an den Grundwasserspiegel schon die Anlage von entsprechend tief in der Erde liegenden Wasserbassins genügend. Das Wasser in diesen Bassins vermittelt den Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmittel und der Erde wieder in siphonartiger Anordnung. Um einen möglichst grossen Bereich der Erde in die Wärmeabfuhr einzubeziehen, erfolgt die Anordnung eines derartigen Beckens vorzugsweise in Ringkanalform. In Fällen, in welchen die Maschine zum Antrieb von Pumpwerken dient, wird das gepumpte Wasser gleich als Kühlwasser verwendet.
In Fällen, in welchen das Grundwasser sehr tief liegt, können Drucksiphon und Pumpwerk kombiniert werden.
In speziellen Fällen wird an Stelle des Kondensators s ein Absorber angeordnet, in welchem das expandierte Gas chemisch durch eine Absorptionsmasse aufgesaugt wird. Aus dieser Absorptionsmasse kann es dann an geeigneter Stelle und zu geeigneter Zeit wieder zurückgewonnen werden, damit auch zeitlich sich verändernde Wärmereservoire günstigst ausgenützt werden können.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anlage zur Auswertung kleiner, in der Natur vorhandener Wärmegefälle, gekennzeichnet durch die Vereinigung der Massnahmen, dass das Wärmegefälle zwischen dem Wärmereservoir der die Erde umgebenden gasförmigen Atmosphäre einerseits und dem Wärmereservoir des flüssigen oder festen Anteiles der Erdoberfläche anderseits, mittels eines geschlossenen, in einer Kraftmaschine nutzbar gemachten Kreisprozesses ausgewertet wird, wobei ein Kreislauf des Arbeitsmittels in einem gegen die Atmosphäre hermetisch abgeschlossenen Ringleitungssystem mit zwischengeschalteter Kraftmaschine durchgeführt wird, deren Arbeitsräume keine beweglichen austretenden Teile aufweisen, so dass weder Luft eindringen,
noch Gas entweichen kann und bei welcher die Wärmearbeit in eine elastische Deformation des in die Ringleitung eingeschalteten Arbeitsraumes der Kraftmaschine umgesetzt wird.