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Vorrichtung zur Energieerzeugung unter Ausnutzung der Temperaturdifferenz zweier Medien
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zweiten Ventilgruppe, die gegeneinander versetzt so offenbar und schliessbar sind, dass das Kühlmittel entweder durch den ersten oder durch den zweiten Wärmetauscher und darauf zurück zum Kühlmittel- behälter strömt und das Treibmittel entweder zuerst durch den ersten Wärmetauscher und darauf durch den Motor oder zunächst durch den zweiten Wärmetauscher und darauf durch den Motor strömt. Da- durch kann die Strömungsrichtung des Treibmittels im Kreislauf den jeweiligen Temperaturbedin- gungen der zur Verfügung stehenden Medien angepasst werden, wenn deren Temperaturen, tages- oder jahreszeitlich bedingt, Schwankungen unterliegen, so dass abwechselnd die Temperatur des einen Me- diums die des andern übersteigt.
Besteht beispielsweise das eine der beiden Medien aus Luft und das andere aus Wasser, so besteht der erste Wärmetauscher zweckmässigerweise im wesentlichen aus einer vom Treibmittel durchströmten Rohrschlange, einer vom Kühlmittel durchströmten Rohrschlange und einem Gebläse zum Anblasen der Rohrschlangen, und der zweite Wärmetauscher im wesentlichen aus einer vom Treibmittel durch- strömen Rohrschlange und einer vom Kühlmittel durchströmten Rohrschlange, die beide in einem Behälter angeordnet sind, durch den das zweite Medium geführt wird. Hiebei kann zur Verbesserung des Wärmeaustausches im ersten Wärmetauscher vor dem Gebläse ein saugfähiges Kissen angeordnet sein, das an den Behälter des zweiten Wärmetauschers angeschlossen ist.
Für den Fall, dass die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Medien unter Umständen nicht zur Energieerzeugung ausreichen sollte, kann in die Vorrichtung eine Hilfsheizeinrichtung eingefügt werden, die vorzugsweise aus einer vom Treibmittel durchströmten Schlange und einem Brenner besteht und durch die Ventile der Ventilgruppen jeweils zwischen den vom Treibmittel zuerst durchflossenen Wärmetauscher und den Motor schaltbar ist.
Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Energieerzeugung werden Verbrennungsrückstände jeglicher Art im allgemeinen von vornherein vermieden und sie arbeitet sowohl bei geringen Leistungen, die zum Betrieb von Fahrzeugen oder auch Modellfahrzeugen ausreichen, als auch bei grössten Leistungen, wie beispielsweise in Kraftwerksanlagen, wirtschaftlich und ohne Störungen.
Die Erfindung sowie zweckmässige und wirtschaftliche Weiterbildungen und Ausgestaltungen derselben werden im folgenden an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Fig. l zeigt die schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Energieerzeugung, die unter bestimmten Bedingungen arbeitet ; Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung ähnlich der der Fig. l, wobei die Arbeitsbedingungen der Vorrichtung geändert sind ; Fig. 3 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer in der Vorrichtung zur Energieerzeugung verwendeten Treibmittelpumpe ; Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht eines in der Vorrichtung verwendeten umlaufenden Motors ; und Fig. 5 schematisch einen Querschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Energieerzeugung arbeitet unter verschiedenen Bedingungen. Bei der in Fig. l gezeigten Vorrichtung ist die Temperatur der zur Verfügung stehenden Luft höher als die des zur Verfügung stehenden Wassers, dagegen ist bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung die Temperatur des zur Verfügung stehenden Wassers höher als die Temperatur der zur Verfügung stehenden Luft. In jedem Fall kann die Vorrichtung so betrieben werden, dass sie bei einem Temperaturunterschied zwischen Luft und Wasser von mehr als etwa 5, 50C (10 F) nutzbare Energie erzeugt. Ist die Differenz geringer oder die erforderliche Ausgangsleistung höher, so wird zur Ergänzung der natürlichen Temperaturdifferenz zwischen Luft und Wasser eine sekundäre Wärmeübertragungsvorrichtung verwendet.
Ferner kann erforderlichenfalls dem Treibmittel in der Primärvorrichtung Wärme zugeführt werden. In jedem Fall wird dem Treibmittel Wärme zugeführt, bevor dieses zum Antrieb eines Motors verwendet wird, um einen Teil der Energie des Treibmittels in mechanische Energie umzuwandeln.
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tur etwa 23, 3 C (74 F). Unter diesen Bedingungen sind sämtliche geradzahlig bzw. mit V2 bezeichneten Ventile offen und sämtliche ungeradzahlig bzw. mit VI gezeichneten Ventile geschlossen. Das Treibmittel besteht zweckmässigerweise aus einem Fluid, das bei geringer Temperaturdifferenz eine möglichst hohe Wärmekapazität aufweist. Es kann also beispielsweise aus Freon 22 bestehen.
Das Treibmittel befindet sich in einem Treibmittelbehälter --10--, u. zw. bei einer Temperatur von etwa 4, 40C (40oF) und einem Druck von etwa 4, 8 kg/cm2 (68 psig). Das Treibmittel wird aus dem Treibmittelbe- hälter-10-über eine Leitung --12-- abgeführt und durch eine Treibmittelpumpe--14--kompri- miert (s. Fig. 3), die im folgenden noch genauer beschrieben werden soll. Das Treibmittel wird darauf durch Leitungen --16 und 18-- und eine Schlange --20-- gepumpt, über die mittels eines Gebläses
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- Umgebungsluft geblasen wird.
Das Treibmittel wird darauf durch die Leitungen --24, 26 und 28-- zu einer Schlange --30-- geführt, in der gewünschtenfalls mittels einer Energiequelle, beispiels- weise eines Brenners --32-- zusätzliche Wärme zugeführt werden kann. Das Treibmittel wird darauf bei einer Temperatur von etwa 37, 8 C (100 F) und einem Druck von etwa 13, 8 kg/cm2 (196 psig) durch eine Leitung --34-- zu einem Motor --36-- geleitet. Hier gibt das Treibmittel einen Teil seiner gespeicherten Energie in Form von mechanischer Energie ab, die auf die Flächen von Rotorflügeln des Motors wirken. Der Motor soll weiter unten noch genauer beschrieben werden.
Das expandierte Treibmittel mit einer Temperatur von etwa 26, 70C (800F) und einem Druck von etwa 10 kg/cm2 (143 psig) wird über eine Leitung --38-- aus dem Motor abgeleitet, von wo es über eine Leitung --40-- zu einer wassergekühltenSchlange --42-- in einem geeigneten Behälter --44-- geführt wird. Nach dem Durchlauf durch die Schlange --42-- liegt die Temperatur des Treibmittels bei etwa 24, 4 C (76 F) und der Druck bei etwa 9, 4 kg/cm2 (134 psig), wenn die Temperatur des im Behälter --44-- verwendeten Wassers etwa 23, 30C (74oF) beträgt. Das Treibmittel wird darauf durch Leitungen --46 und 48-und eine Schlange --50-- in einen Kühlmittelbehälter --52-- geführt. Danach wird es wieder in den Treibmittelbehälter--10--eingeleitet.
Wird Wasser als Wärmequelle und Luft als Kühlmittel verwendet, so sind die mit V2 bezeichneten Ventile im Primärsystem geschlossen und die mit V1 bezeichneten Ventile geöffnet, (Fig.2). Die Wassertemperatur soll dabei etwa 23, 30C (740F) und die Lufttemperatur etwa 17, 8 C (64 F), die Temperatur des flüssigen Treibmittels etwa 4,4 C(40 F) und sein Druck etwa 4, 8 kg/cm2 (68 psig) betragen.
Das Treibmittel wird wieder mittels der Treibmittelpumpe --14-- aus dem Treibmittelbehälter--10-- abgeführt, in diesem Fall jedoch durch eine Leitung --54-- zur Schlange --42-- im Behälter --44-- geleitet, der Wasser mit einer Temperatur von etwa 23,3 C(74 F) enthält. Das Treibmittel wird durch eine Leitung --56-- zur Schlange --30-- und darauf zum Motor --36-- geleitet. In den Motor tritt es mit einer Temperatur von etwa 34, 4 C (94 F) und einem Druck von etwa 12, 6 kg/cm2 (179 psig) ein.
Das abgeführte Treibmittel, Temperatur etwa 23, 30C (740F), Druck etwa 9, 1 kg/cm2 (130 psig) wird
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eine Leitung --60-- und die Leitung --48--, sowie durch die Schlange --50-- geführt und danach wieder in den Behälter --10-- geleitet.
Die Kühlwirkung der Luft kann durch ein saugfähiges Kissen --62-- weiter verstärkt werden, das vor der Schlange --20-- liegt und aus dem Behälter --44-- über eine Leitung --64-- mit Wasser versorgt wird, das über eine Leitung --66-- wieder abgeleitet wird. Die Luft strömt durch das feuchte Kissen und wird weiter gekühlt, so dass die Kühlwirkung der Schlange --20-- erhöht wird. Dadurch werden eine wirkungsvolle Heizung und Kühlung zwischen Wasser und Luft erreicht, obwohl die Temperaturdifferenz gering ist.
Reicht die Temperaturdifferenz zwischen Luft und Wasser nicht aus oder soll mit der Vorrichtung beispielsweise ein Fahrzeug angetrieben werden, so wird zur Ergänzung der Temperaturdifferenz der Primärvorrichtung eine Sekundärvorrichtung verwendet. In Fig. l, wo die Luft wärmer ist als das Wasser, sind sämtliche Ventile V2 in der Sekundärvorrichtung geöffnet. In dieser Vorrichtung wird vorzugsweise ein Treibmittel verwendet, das sich langsamer ausdehnt als das in der Primärvorrichtung, also beispielsweise Freon --11--. Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, wird ein Treibmittel aus dem Kühlmittelbehälter --52-- durch eine Leitung --68-- zu einem Kompressor-70-- geleitet. Das Kühlmit-
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40C (400F)mittels in der Primärvorrichtung wesentlich erhöht wird.
Das Kühlmittel verlässt die Sekundärschlange - mit einer Temperatur von etwa 37, 8 C (100 F) und einem Druck von etwa 1, 7 kg/cm2 (24 psig) und wird über die Leitungen --78 und 80-- zu einer Sprühdüse --82-- geleitet, durch die es auf den niedrigen Druck im Kühlmittelbehälter --52-- expandiert, von wo es wieder in den Kreislauf eingeführt werden kann.
Die Sekundärvorrichtung kann ebenso bei dem in Fig. 2 gezeigten Fall eingesetzt werden, wo das Wasser als Wärmequelle und die Luft als Kühlungsquelle dient. Das Kühlmittel wird wieder mit Hilfe des Kompressors --70-- über die Leitung --68-- aus dem Kühlmittelbehälter --52-- abgeführt. In diesem Fall fliesst das Kühlmittel durch die Leitung --72-- und eine Leitung --84-- zu einer Sekun- därschlange --86-- im Wasserbehälter --44--, wo es das Wasser und das Treibmittel in der Schlange
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- der Primärvorrichtung weiter aufheizt.
Das Kühlmittel fliesst darauf durch eine Leitung --88-und die Leitung --80-- zur Sprühdüse --82--, wo es über die Schlange --50-- im Behälter --52-- ge- sprüht wird und darauf wieder in den Kreislauf eingeführt werden kann.
Durch die besondere Ausbildung der Treibmittelpumpe --14-- wird der Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung wesentlich erhöht. Die Pumpe wird durch das Treibmittel auf der Hochdruckseite des Motors --36-- angetrieben, wobei es zur Niederdruckseite des Motors abgeführt wird. Wie in Fig. 3 ge-
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--14- ausKolben --98 und 100-- aufweisen, die durch eine gemeinsame Schubstange --102-- miteinander verbunden sind. Durch die Kolben-98 und 100-- werden die Zylinder --94 und 96-- in Kammern unterteilt, die mit A, B, C und D bezeichnet sind. Der Fluidstrom zu den vier Kammern wird durch ein Vierwegeventil --104-- reguliert, dessen Ventilkörper durch eine elektromagnetische Spule--106-- gesteuert werden kann. Diese wird durch einen geeigneten Zeitgeber periodisch gespeist.
Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, wird das unter hohem Druck stehende Treibmittel durch eine Leitung --108--, die in Strömungsrichtung oberhalb des Motors mit der Leitung --34-- in Verbin-
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Die Kammer C steht über Regulier- bzw. Rückschlagventile --114 und 116-- mit den Leitungen-12 und 16-- in Verbindung, so dass, wenn sich die Kolben in Fig. 3 nach rechts bewegen, Fluid in die
Kammer C aus der Leitung --12-- eingesaugt wird und wenn sich die Kolben nach links bewegen wird das Treibmittel komprimiert und durch die Leitung --16-- ausgestossen. Der Druck in der Kammer A dient zur Bewegung der Kolben nach rechts und zum Ansaugen des Treibmittels in die Kammer C, wogegen durch den Druck in den Kammern B und D die Kolben nach links gedrückt und das Treibmittel komprimiert wird. Das Vierwegeventil --104-- führt das Treibmittel aus den Kammern A, B und D über eine Leitung --117-- zur Leitung --58-- auf der Niederdruckseite des Motors --36-- ab.
Die Pumpe arbeitet sowohl bei niedrigem als auch bei hohem Druck mit gutem Wirkungsgrad. Zur
Erläuterung sei angenommen, dass der Zylinderdurchmesser etwa 20 cm (8 inches) und der Durchmesser der Verbindungsstange etwa 5 cm (2 inches) beträgt. Das Treibmittel aus der Leitung --43-- steheunter einem Druck von etwa 1, 75 kg/cm2 (25 psig) und die Leitung --58-- unter einem Druck von etwa 0., 7 kg/cm2 (10 psig). Damit beträgt die in den Kammern B und D auf die Kolben ausgeübte Kraft zum Komprimieren der Flüssigkeit in derKammer C etwa 1100 kg (2 434 pounds), die durch eine Kraft von etwa 228 kg (503 pounds) in der Kammer A vermindert wird, die notwendig ist, um das Fluid in der Kammer A auf die Niederdruckseite abzuführen. Hinzu kommt ein Reibungsverlust von etwa 45 kg (100 pounds).
Dies ergibt eine Nutzkraft, die bei weitem ausreicht, das Treibmittel in der Kammer C auf etwa 1,75 kg/cm2 (25 psig) zu komprimieren. Bei höheren Drücken kann eine noch grössere Differenz erreicht werden, so dass die Treibmittelpumpe --14-- unter allen Bedingungen mit gutem Wirkungsgrad arbeitet.
Im folgenden soll nunmehr der umlaufende Motor --36-- an Hand der Fig. 4 und 5 näher erläutert werden. Der Motor --36-- ist so aufgebaut, dass er nach dem Prinzip der zwangsweisen Verschiebung in einem geschlossenen System arbeitet, u. zw. sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Drehzahlen und mit niedrigem Druckunterschied des Treibmittels zwischen den Einlass-und Auslassöffnungen. Der Motor weist ein Gehäuse --118-- auf, das aus einem Mittelteil --120-- und Endkappen --122 und 124-- besteht. Im Mittelteil --120-- des Gehäuses --118-- sind zwei Hohlräume --126 und 128-- ausgebildet, die durch kurze gewölbte Wände --130 und 132-- voneinander getrennt sind.
Wie aus Fig.5 zu ersehen ist, bilden die Hohlräume --126 und 128-- Kreissegmente, deren Mittelpunkte in einem Abstand voneinander liegen und vertikal etwas gegeneinander versetzt sind. Zwischen den Hohlräumen ist mittigeinRotor--134-- angeordnet, der unmittelbar an den gewölbten Wänden --130 und 132-- liegt, so dass die Hohlräume --126 und 128-- voneinander getrennt sind. Am Umfang des Rotors --134-- liegen Druckdichtungen --136 und 138-- an, die durch Federn --140 und 142-- gegen diesen gedrückt werden. Einlassöffnungen--144 und 146-stehen mit der Einlass-Sammelleitung in Verbindung, so dass das Treibmittel unter Druck in die Hohlräume --126 und 128-- eingeleitet wird.
Auf ähnliche Weise stehen Auslassöffnungen-148 und 150-- mit der Auslass-Sammelleitung in Verbindung, durch die das Treibmittel aus den Hohlräumen abgeleitet wird. In diesem Fall trägt der Rotor --134-- drei Flügel --152--, die durch Federn --154-- nach aussen gedrückt werden. Diese liegen auf Stiften --156--, die axial in Hohlräume-158-- zur Halterung der Flügel ragen.
Das Treibmittel tritt in die Hohlräume --126 und 128-- ein und übt eine Kraft auf die Flügel -- 152-- aus, so dass sich der Rotor --134-- in Fig. 5 im Uhrzeigersinn dreht. Der Rotor ist in Lagern --160-- in den Endkappen drehbar gelagert und mit einer Ausgangs- oder Abtriebswelle --162-- ver-
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keilt, von der die Ausgangsleistung der Vorrichtung abgenommen werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Energieerzeugung unter Ausnutzung der Temperaturdifferenz zweier Medien, mit einem ersten Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen einem ersten Medium und einem
Treibmittel, mit einem durch das Treibmittel angetriebenen Motor, mit einem zweiten Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen einem zweiten Medium und dem Treibmittel und mit einer Treibmit- telpumpe zum Umwälzen des Treibmittels, die in dieser Reihenfolge miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Treibmittelkreislauf vorder Treibmittelpumpe (14) eine in einen Treibmittelbehälter (10) mündende, vom Treibmittel durchflossene Kühlschlange (50) angeordnet ist, dass ein Kühlmittelbehälter (52) die Kühlmittelschlange (50) und den Treibmittelbehälter umgibt,
wobei ein Kühlmittel über eine Sprühdüse (82) in den Kühlmittelbehälter zugeführt wird, und dass der Kühlmittelbehälter (52) über einen Küh1mitteThompressor (70) an eine weitere Rohschlange (76 bzw.
86) in dem das Medium mit der höheren Temperatur führenden Wärmetauscher (20, 22 bzw. 42, 44) angeschlossen ist.