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PATENTANSPRÜCHE 1. Einrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in hydrostatische Energie. dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens einen Verdrängungsbehälter (1) sowie ein Ansaug- (5) und ein Druckrückschlagventil (6) und einen Druckspeicher (8) aufweist. welche derart ausgebildet sind, dass ein durch Wärmeausdehnung entstehendes Zusatzvolumen einer im Verdrängungsbehälter eingebrachten Flüssigkeit (2) die gleiche oder eine anders zusammengesetzte Flüssigkeit durch das Druckrückschlagventil (6) in den Druckspeicher (8) drängt und dass bei einer Verkleinerung jenes Flüssigkeitsvolumens infolge Abkühlung von aussen her Flüssigkeit über das Ansaugrückschlagventil (5) nachgesaugtwird. das Ganze derart,
dass die jeweilige Temperaturerhöhung der Flüssigkeit (2) im Verdrängungsbehäl ter (1) eine dem jeweiligen Zusatzvolumen entsprechende gleichgerichtete Flüssigkeitsförderung im Druckspeicher (8) und damit eine Erhöhung der potentiellen Energie zur Folge hat.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Mediumwandler (3). in welchem die Temperaturschwankungen ausgesetzte Flüssigkeit (2) im Verdrängungsbehälter (1) die Volumenänderung auf eine weitere Flüssigkeit überträgt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungsbehälter (1) mit je einem selbsttätigen, automatisch wirkenden Ansaug- und Druckrückschlagventil versehen ist, wobei vorzugsweise im Verdrängungsbehälter (1) und dem Druckspeicher (8) dieselbe Flüssigkeit vorhanden ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet.
dass der Verdrängungsbehälter (1) zur Oberflächenvergrösserung Rippen aufweist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (8) ein mindestens teilweise elastisch begrenzter. vorzugsweise durch darüberliegendes Material belasteter. z. B. unterirdischer Raum (28) ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Einrichtung Zusatzteile (42, 43, 44) zur veränderbaren Abschirmung bezüglich Energieeinstrahlung des Verdrängungsbehälters (1) aufweist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungsbehälter (1) eine Einrichtung zum zeitweisen Eintauchen desselben in eine kühlende oderwärmende Flüssigkeit aufweist (Fig. 4).
S. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Einrichtung (62) zum zeitweisen Zuleiten eines kühlenden oder wärmenden Luft- oder Abgasstromes zum Verdrängungsbehälter (1) aufweist.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Medienwandler ausgebildeter Verdrängungsbehälter angeordnet ist und dieser zwei, durch einen längsbeweglichen Kolben (73) voneinander getrennte. der Aufnahme von Flüssigkeit dienende Kammern (71,72) aufweist, wobei der Kolben ein Mischen der beiden Kammerinhalte in jeder Lage des Behälters verunmöglicht.
I (). Einrichtung nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (73) auf einer als Tauchrohr (76) ausgebildeten Stange verschiebbar angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in hydrostatische Energie.
Die bewusste Umwandlung thermischer Energie und deren Nutzbarmachung für mechanische Arbeit. hat spätestens im 18. Jahrhundert mit der Erfindung der Dampfmaschine von James Watt begonnen.
Seitdem entwickelten sich ganze Industriezweige für die Produktion ton Wärmekraftmaschinen verschiedenster Art.
Die einst einzige Möglichkeit. mechanische Arbeit durch die Expansion des Dampfes-welcher an Ort und Stelle hergestellt werden musste - ausführen zu lassen. blieb heute nur noch bei Kraftwerken erhalten, welche nach einer thermisch-mechanischelektrischen Energieumwandlung diese elektrische Energie verteilen. Aus dieser für die Verteilung sicherlich optimalen Universalform der Energie wird je nach Bedarf. mechanische, hydrostatische. pneumatische. thermische und auch elektrische Arbeit erzeugt. Letztere - die direkte Anwendung von Elektrizität stellt einen kleinen Bruchteil der in Elektrizität umgewandelten Energiemenge dar.
Der andere, grössere Teil wird wieder um oderzurückgewandelt. Die dabei entstehenden Energie-Umwege lassen den grössten Teil der Ursprungsenergie in den Verlusten der einzelnen Umwandlungsstufen verschwinden.
Der stets wachsende Energieverbrauch und die schwindenden Reserven der Brennstoffe haben die Industrie, insbesondere im letzten Jahrzehnt, zur Brauchbarmachung natürlicher Energiequellen bewegt.
Die direkte Benützung der Geothermischen- oder der Solarenergie zur Heizung bietet bereits eine zukunftsträchtige Lösung. da es sich hier eigentlich um eine Energie-Anpassung handelt. Genauso sind es für die Speisung der elektrischen Verbraucher die Solarzellen.
Zur Erzeugung mechnischer oder hydrostatischerArbeit ist keine der vorgenannten Energievarianten direkt anwendbar.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Einrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in hydrostatische Energie zu schaffen, welche sich dadurch auszeichnet, dass diese mindestens einen Verdrängungsbehälter sowie ein Ansaug- und ein Druckrückschlagventil und einen Druckspeicher aufweist, welche derart ausgebildet sind, dass ein durch Wärmeausdehnung entstehendes Zusatzvolumen einer im Verdrängungsbehälter eingebrachten Flüssigkeit die gleiche oder eine anders zusammengesetzte Flüssigkeit durch das Druckrückschlagventil in den Druckspeicher drängt und dass bei einer Verkleinerung jenes Flüssigkeitsvolumens infolge Abkühlung von aussen her Flüssigkeit über das Ansaugrückschlagventil nachgesaugt wird, das Ganze derart,
dass die jeweilige Temperaturerhöhung der Flüssigkeit im Verdrängungsbehälter eine dem jeweiligen Zusatzvolumen entsprechende gleichgerichtete Flüssigkeitsförderung im Druckspeicher und damit eine Erhöhung der potentiellen Energie, zur Folge hat.
Ausführungsvarianten der Erfindung werden beispielsweise anhand einer Zeichnung erläutert.
Es zeigen rein schematisch:
Fig. 1 eine grundsätzliche Ausführung eines thermohydraulischen Wandlers.
Fig. 2 einen Freiluftwandler mit unterirdischem Speicher,
Fig. 3 eine Einrichtung zur Erzeugung von Temperaturschwankungen durch alternierende Abdeckung,
Fig. 4 eine Einrichtung zur Erzeugung von Temperaturschwankungen durch alternierendes Eintauchen,
Fig. 5 eine Einrichtung zur Erzeugung von Temperaturschwankungen durch alternierende Zuführung von Luftwärme.
Fig. 6 eine autonome, thermohydraulische Wandler-Einheit.
Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Anlage. bestehend aus Behälter 1, gefüllt mit einer Flüssigkeit 2 (mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten), beispielsweise Paraffinöl. ei nem Mediumwandlergefäss 3, teilweise ebenfalls mit Flüssigkeit 2 und im unteren Teil des Gefässes 3 mit einer schwereren
Flüssigkeit 14. beispielsweise Wasser. gefüllt.
Im weiteren wird die Flüssigkeit 2 Primärflüssigkeit und die Flüssigkeit 14 Sekundärflüssigkeit genannt.
Insofern beide Flüssigkeiten nicht mischbar sind und abweichende spezifische Gewichte haben. können sie, wie dargestellt.
ohne Trennkolben übereinander liegen: ansonst ist ein Trennkolben vorzusehen.
Ebenfalls mit der Sekundärflüssigkeit gefüllt sind ein Ventil 4
mit Ansaugteil 5 und Druckteil 6. ein unterer Teil 7 des Druckspeichers X mit darüber liegendem Gasvolumen 9. ein Steuerorgan 10 ftir einen Verbraucher 11 und eine Mediumrückführung 12 zu einem Behälter 13.
Die dargestellte Einrichtung eignet sich dazu. die aus einer Wärmeausdehnung der Primärflüssigkeit 2 resultierende Volu menänderungin hydrostatische Energieform umzuwandeln, indem die positiven Volumenänderungen der Primärflüssigkeit 2 auf die Sekundärflüssigkeit 14 übertragen und diese über das Ventil 6 in den Speicher 8 gepresst werden. Bei negativen Volumenänderungen wird dagegen über das dann offene Ventil 5 Sekundärflüssigkeit 14 aus dem Behälter 13 angesaugt.
Die Anwendung von zweierlei Flüssigkeiten bietet die optimale Wahl der einen. für die Verdrängungsarbeit. ohne auf dessen Eigenschaften als hydraulisches Arbeitsmedium achten zu müssen. Bekanntlich verursachen einige für die Verdrängungsarbeit geeignete Medien Quellungen an den Dichtungen handelsüblicher Art.
Um eine gute Förderleistung zu erzielen, müssen bei der Primärflüssigkeit möglichst grosse und/oder häufige Temperaturänderungen erreicht werden. Dabei ist die Besonderheit der Einrichtung zu beachten. dass jede positive Temperaturänderung in Verdrängungsarbeit umgewandelt und summiert, negative aber nicht subtrahiert werden.
Dem Energiebedarf und den thermischen Gegebenheiten entsprechend werden die Behälter für Primärflüssigkeit betreffend Form, Grösse und Anzahl angeordnet und den Temperaturschwankungen wir folgt ausgesetzt: a) Im Freien werden sie so angeordnet, dass die Temperaturschwankungen zwischen nächtlicher Kälte und Mittagswärme sowie alle Zwischenschwankungen darauf einwirken können (s.
Fig. 2).
b) Wie a), jedoch mit. durch zusätzliches alternierend wirkendes Mittel erzeugten Temperaturschwankungen (Fig. 3, 4, 5).
Fig. 2 zeigt eine Anlage mit einem Behälter 20 für Primärflüssigkeit 22 und einem Mediumwandlergefäss 21, welches teilweise mit Primärflüssigkeit 22 bzw. Sekundärflüssigkeit 23 gefüllt ist.
Die Primärflüssigkeit wird aus einem weiteren Behälter 24 über ein Ventil 25 angesaugt. Bei Volumenzunahme der Primärflüssigkeit 22 wird diese durch das Ventil 26 über eine Leitung 27 in ein durch die darüberliegende Erdmasse belastetes Folienbeutelreservoir 2S gepresst und gegebenenfalls über eine Leitung 30 und ein Steuerorgan 31 nach Bedarf einem Verbraucher 32 zugeführt und über einen Rücklauf 33 in den Behälter 24 zurückgeleitet. Die Ausführungsform des Behälters 20 kann für schnelle Temperaturänderungszyklen ähnlich wie Radiatoren oder Autokühler ausgeführt werden.
Fig. 3 zeigt zwei unabhängig verdrängende Primärmedium Behältergruppen 40 und 41. welche derart ineinander gefügt werden. dass die verschiebbar oder schwenkbar befestigten Abdeckplatten 42.43.44 entweder die zur einen oder zur anderen Behältergruppe gehörenden Teile gegen Sonnenstrahlen oder Wind abschirmen und deren Erwärmungszustand alternierend beeinflussen.
Fig. 4 zeigt einen angetriebenen Rotor aus vier unabhängigen Primärbehältern. wovon drei 50.51.52 der Luftwärme ausgesetzt sind und einer53 ins Wasser getaucht ist. Das System rotiert den erreichbaren Temperaturschwankungen entsprechend.
Fig. 5 zeigt die Behälter zweier Verdrängungssysteme 60, 61, welche durch eine Klappe 62 alternierend durch den Warmluftstrom 63 einer Lüftung. das Abgas eines Kamins oder eines Motors. erwärmt und dazwischen z. B. durch die kältere Umgebung, wieder abgekühlt werden.
Fig. 6 zeigt einen Verdrängungsbehälter als autonome Einheit.
Hier wird der Verdrängungsbehälter gleichzeitig als Mediumwandler verwendet, in dem das Volumen 71 mit der Primärflüssigkeit und Volumen 72 mit der Sekundärflüssigkeit gefüllt sind.
Der Kolben 73 trennt die beiden Medien 71 und 72. insofern eine solche Trennung erforderlich ist. Ansonst erübrigt sich der Kolben 73.
Die Sekundärflüssigkeit wird über das Ventil 74 angesaugt und über das Ventil 75 in den Speicher verdrängt. Das Ende des Rohres 76 bleibt stets unter dem Trenn-Niveau der beiden Flüssigkeiten, wodurch ein Weiterfördern der Primärflüssigkeit 71 verhindert wird. Angedeutet ist die Möglichkeit, den Druckspeicher 77 direkt anzubauen, ferner eine Mediumrückführung 78 und einen Verbraucher 79, in welchen auch eine eventuell notwendige Druckbegrenzung eingebaut werden kann.
Solche Einheiten können durch die Anwendung des Trennkolbens 73 auch transportabel ausgeführt werden. Sie können als Speiseeinrichtung von hydraulischen Servobetätigungen dienen, auch in Gebieten, in denen keine andere Energieform vorhanden ist.
Die dargestellte Art der Energieumwandlung ergibt die Möglichkeit. grosse Mengen hydrostatischer Energie im Mitteldruckbereich mit einem Speicherdruck von ca. 50-80 bar praktisch ohne Betriebskosten und ohne irgendwelche Art von Materialverlusten herzustellen.
Die thermische Verdrängungsarbeit einer Flüssigkeit als Energiequelle blieb bisher unbeachtet und unterschätzt. Deshalb kann es überraschend erscheinen, dass z. B. bereits ein Liter Paraffinöl im Stahlbehälter an einem meteorologischen Durchschnittstag ohne Temperatur-Zwischenschwankungen ca. 150 J Arbeit erzeugen kann, welcher Wert durch die Erzeugung von Temperaturschwankungen noch auf das Mehrfache gesteigert werden kann.
Die auf diese Weise umgewandelte hydrostatische Energie bietet eine direkte Anwendbarkeit als Antriebsmittel für hydraulische Maschinen und Betätigungen bereits bekannter Art. Die Möglichkeit zur Erzeugung hydrostatischer Energie ermöglicht deren Anwendung überall, z. B. in der Haustechnik. Es gibt viele elektrische Antriebe im Alltag, welche hydrostatisch wesentlich besser, billiger, leiser und auch sicherer sein könnten.
Die beschriebenen Einrichtungen können auch mit Sonnenwärmeanlagen kombiniert werden. Sie haben den einzigartigen Vorteil, dass ihre Funktion nur durch die Temperaturschwankungen bedingt ist, praktisch unabhängig davon, in welchem absoluten Temperaturbereich diese Schwankungen stattfinden.
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PATENT CLAIMS 1. Device for converting thermal energy into hydrostatic energy. characterized in that it has at least one displacement container (1) as well as a suction (5) and a pressure check valve (6) and a pressure accumulator (8). which are designed in such a way that an additional volume caused by thermal expansion of a liquid (2) introduced into the displacement container forces the same or a differently composed liquid through the pressure check valve (6) into the pressure accumulator (8) and that when the liquid volume is reduced due to cooling from the outside, it decreases liquid is sucked in via the suction check valve (5). the whole thing
that the respective temperature increase of the liquid (2) in the displacement container (1) results in a rectified liquid supply in the pressure accumulator (8) corresponding to the respective additional volume and thus an increase in the potential energy.
2. Device according to claim 1, characterized by a medium converter (3). in which the temperature fluctuations exposed liquid (2) in the displacement container (1) transfers the volume change to another liquid.
3. Device according to claim 1, characterized in that the displacement container (1) is each provided with an automatic, automatically acting suction and pressure check valve, preferably the same liquid being present in the displacement container (1) and the pressure accumulator (8).
4. Device according to claim 1, characterized.
that the displacement container (1) has ribs for enlarging the surface.
5. Device according to claim 1, characterized in that the pressure accumulator (8) is at least partially elastically limited. preferably contaminated by overlying material. e.g. B. is underground space (28).
6. Device according to claim 1, characterized in that this device has additional parts (42, 43, 44) for variable shielding with respect to energy radiation of the displacement container (1).
7. Device according to claim 1, characterized in that the displacement container (1) has a device for temporarily immersing the same in a cooling or warming liquid (Fig. 4).
S. Device according to claim 1, characterized in that it has a device (62) for temporarily supplying a cooling or warming air or exhaust gas flow to the displacement container (1).
9. Device according to claim 1, characterized in that a displacement container designed as a media converter is arranged and this two, separated from each other by a longitudinally movable piston (73). has chambers (71, 72) for receiving liquid, the piston preventing the two chamber contents from being mixed in any position of the container.
I (). Device according to claim 9, characterized in that the piston (73) is arranged displaceably on a rod designed as a dip tube (76).
The present invention relates to a device for converting thermal energy into hydrostatic energy.
The conscious conversion of thermal energy and its utilization for mechanical work. began inventing the James Watt steam engine in the 18th century at the latest.
Since then, entire branches of industry have developed for the production of various types of heat engines.
The only way once. to have mechanical work carried out by the expansion of the steam which had to be produced on the spot. remained today only in power plants that distribute this electrical energy after a thermal-mechanical-electrical energy conversion. This universal form of energy, which is certainly optimal for the distribution, becomes as needed. mechanical, hydrostatic. pneumatic. thermal and electrical work generated. The latter - the direct use of electricity represents a small fraction of the amount of energy converted into electricity.
The other, larger part is converted to or back again. The resulting detours of energy make most of the original energy disappear in the losses of the individual conversion stages.
The ever increasing energy consumption and the diminishing reserves of fuels have caused industry, particularly in the past decade, to make natural energy sources usable.
The direct use of geothermal or solar energy for heating already offers a promising solution. since this is actually an energy adjustment. So are the solar cells for supplying the electrical consumers.
None of the aforementioned energy variants can be used directly to generate mechanical or hydrostatic work.
The present invention has for its object to provide a device for converting thermal energy into hydrostatic energy, which is characterized in that it has at least one displacement container as well as a suction and a pressure check valve and a pressure accumulator, which are designed such that a thermal expansion resulting additional volume of a liquid introduced into the displacement container pushes the same or a differently composed liquid through the pressure check valve into the pressure accumulator and that when that liquid volume is reduced due to cooling from the outside, liquid is sucked in via the suction check valve, the whole thing,
that the respective increase in temperature of the liquid in the displacement container results in a liquid delivery in the pressure accumulator which corresponds to the respective additional volume and thus an increase in the potential energy.
Embodiment variants of the invention are explained, for example, with the aid of a drawing.
It shows purely schematically:
Fig. 1 shows a basic embodiment of a thermohydraulic converter.
2 an outdoor converter with underground storage,
3 shows a device for generating temperature fluctuations through alternating covering,
4 shows a device for generating temperature fluctuations by alternating immersion,
Fig. 5 shows a device for generating temperature fluctuations by alternating supply of air heat.
Fig. 6 is an autonomous, thermohydraulic converter unit.
Fig. 1 shows the basic structure of a system. consisting of container 1, filled with a liquid 2 (with a high coefficient of thermal expansion), for example paraffin oil. egg nem medium converter vessel 3, partly also with liquid 2 and in the lower part of the vessel 3 with a heavier
Liquid 14. For example water. filled.
In the following, liquid 2 is called primary liquid and liquid 14 is called secondary liquid.
Insofar as both liquids are immiscible and have different specific weights. you can, as shown.
lie one above the other without a separating piston: otherwise a separating piston must be provided.
A valve 4 is also filled with the secondary liquid
with suction part 5 and pressure part 6. a lower part 7 of the pressure accumulator X with gas volume 9 lying above it, a control element 10 for a consumer 11 and a medium return 12 to a container 13.
The device shown is suitable for this. convert the change in volume resulting from thermal expansion of the primary liquid 2 into hydrostatic energy form by transferring the positive changes in volume of the primary liquid 2 to the secondary liquid 14 and pressing them into the reservoir 8 via the valve 6. In the case of negative volume changes, on the other hand, secondary liquid 14 is drawn in from the container 13 via the then open valve 5.
The use of two liquids offers the optimal choice of one. for the displacement work. without having to pay attention to its properties as a hydraulic working medium. As is known, some media suitable for displacement work cause swelling of the seals of a commercially available type.
In order to achieve a good delivery rate, the primary liquid must have large and / or frequent temperature changes. The peculiarity of the facility must be noted. that every positive temperature change is converted into displacement work and summed up, negative but not subtracted.
The containers for primary liquid are arranged in terms of shape, size and number according to the energy requirement and the thermal conditions, and are exposed to the temperature fluctuations as follows: s.
Fig. 2).
b) Like a), but with. temperature fluctuations generated by additional alternating agent (Fig. 3, 4, 5).
2 shows a system with a container 20 for primary liquid 22 and a medium converter vessel 21, which is partially filled with primary liquid 22 or secondary liquid 23.
The primary liquid is drawn in from a further container 24 via a valve 25. When the volume of the primary liquid 22 increases, it is pressed through the valve 26 via a line 27 into a foil bag reservoir 2S loaded by the overlying earth mass and, if necessary, fed to a consumer 32 via a line 30 and a control element 31 and via a return line 33 into the container 24 returned. The embodiment of the container 20 can be designed for rapid temperature change cycles similar to radiators or car coolers.
3 shows two independently displacing primary medium container groups 40 and 41, which are joined together in this way. that the slidably or pivotably fastened cover plates 42.43.44 shield either the parts belonging to one or the other container group against sun rays or wind and influence their heating state alternately.
Fig. 4 shows a driven rotor from four independent primary containers. three of which are exposed to the air 50.51.52 and one is submerged in water. The system rotates according to the temperature fluctuations that can be achieved.
Fig. 5 shows the container of two displacement systems 60, 61, which alternate through a flap 62 through the warm air flow 63 of a ventilation. the exhaust gas from a fireplace or an engine. heated and in between z. B. cooled by the colder environment.
6 shows a displacement container as an autonomous unit.
Here, the displacement container is simultaneously used as a medium converter, in which the volume 71 is filled with the primary liquid and volume 72 with the secondary liquid.
The piston 73 separates the two media 71 and 72. to the extent that such a separation is required. Otherwise the piston 73 is unnecessary.
The secondary liquid is sucked in via the valve 74 and displaced into the memory via the valve 75. The end of the tube 76 always remains below the separation level of the two liquids, thereby preventing the primary liquid 71 from being conveyed further. Indicated is the possibility of directly mounting the pressure accumulator 77, a medium return 78 and a consumer 79, in which a possibly necessary pressure limitation can also be installed.
Such units can also be made transportable by using the separating piston 73. They can serve as a feed device for hydraulic servo actuations, even in areas where no other form of energy is available.
The type of energy conversion shown gives the possibility. Produce large amounts of hydrostatic energy in the medium pressure range with a storage pressure of approx. 50-80 bar practically without operating costs and without any kind of material loss.
The thermal displacement work of a liquid as an energy source has so far been neglected and underestimated. Therefore, it may seem surprising that e.g. For example, a liter of paraffin oil in a steel container can produce approx. 150 J work on an average meteorological day without intermediate temperature fluctuations, which value can be increased many times over by generating temperature fluctuations.
The hydrostatic energy converted in this way offers direct applicability as a drive means for hydraulic machines and actuations of a known type. The possibility of generating hydrostatic energy enables their use anywhere, z. B. in home automation. There are many electric drives in everyday life that could be much better hydrostatically, cheaper, quieter and also safer.
The devices described can also be combined with solar heating systems. They have the unique advantage that their function is only dependent on the temperature fluctuations, practically regardless of the absolute temperature range in which these fluctuations take place.