DE10127294A1

DE10127294A1 - Strömungskraftmaschine zur Nutzung von Potentialdifferenzen ruhender Fluide im Gleichgewicht

Info

Publication number: DE10127294A1
Application number: DE10127294A
Authority: DE
Inventors: Martin Ziegler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-06-05
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2002-12-12
Also published as: WO2002099274A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungskraftmaschine zur Erzeugung von Wellenarbeit unter Nutzung der Potentialdifferenzen von ruhenden Fluiden im Gleichgewicht. Sie besteht aus einem Gehäuse, einer Turbine und einer Pumpe, die das fluide Gleichgewicht stört und eine Fluidmenge durch die Maschine fördert, wobei die Wellenarbeit der Turbine zu einem ersten Teil dem Antrieb der Pumpe dient und zu einem zweiten Teil als Nutzarbeit an einen Verbraucher gegeben wird. Der Zufluß der Maschine liegt auf einer Äquipotentialfläche UNTERHALB des fluiden Gleichgewichtszustandes. Die Pumpe fördert des Fluid auf eine Äquipotentialfläche OBERHALB des Gleichgewichtszustandes. Bei Wiederherstellung des fluiden Gleichgewichts der Maschine wird in der Turbine mehr Wellenarbeit frei als der Pumpenantrieb benötigt. Die freie Wellenarbeit wird durch einen Verbraucher genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungskraftmaschine zur Erzeugung von Wellenarbeit unter Nutzung der Potenzial differenzen ruhender Fluide im Gleichgewicht sowie Anwendungen der Maschine.

Strömungskraftmaschinen sind Energiewandler (Turbinen), die durch Änderung des Drehimpulses einer Strömung ein Drehmoment erzeugen, welches als Antrieb für eine Arbeitsmaschine genutzt werden kann. Beispiele nach dem Stand der Technik sind hierzu für Dampf oder Luft die Dampfturbine, die Gasturbine und die Windkraftanlage, sowie für Wasser die Pelton-, Kaplan-, Fraricis- und Ossbergerturbine.

Bekannte Maschinen werden aufgrund einer Potenzialdifferenz zwischen Zufluß und Abfluß durchströmt, das ist entweder ein geodätisches Potenzial (Speicherwasserkraftwerk, Laufwasser kraftwerk) oder ein thermisch bedingtes Potenzial (Dämpfkraftwerk, Windkraftanlage, Flugzeugtriebwerk). Es verursacht einen Massenstrom in der Maschine, welche dem strömenden Fluid dann kinetische Energie entziehen und als Wellenarbeit an einen Verbraucher abgeben kann, z. B. an einen Propeller, eine Pumpe, einen Verdichter, einen Generator, oder ein Getriebe.

Der Nachteil bekannter Maschinen ist, daß ihr Zufluß immer oberhalb des Gleichgewichtspotenzials des Fluides liegt. Sobald das Fluid dann sein Gleichgewichtspotenzial erreicht hat, kann ihm keine Nutzenergie mehr entzogen werden. So kann ein herkömmliches Wasserkraftwerk auf Meereshöhe oder in einem ruhenden See keine Nutzarbeit abgeben, weil das Wasser sein Gleichgewichtspotenzial im Schwerefeld der Erde erreicht hat und keine Höhendifferenz zwischen Zufluß und Abfluß für einen weiteren Energiegewinn mehr zur Verfügung steht. Ebenso kann eine bekannte Windkraftanlage nur aus der strömenden Luft Nutzarbeit gewinnen. Sobald der Wind nach Ausgleich des horizontalen Druckpotenzials in der Atmosphäre "eingeschlafen" ist, bleibt eine Windkraftanlage stehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine zu finden, die auch dann noch Wellenarbeit abgeben kann, wenn das. Fluid sein Gleichgewichtspotenzial erreicht hat und nicht mehr von selber strömt. Eine solche Maschine kann die innere Energie aus der Atmosphäre oder aus ruhenden Gewässern nutzen und beispielsweise 24 Stunden am Tag kontinuierlich Strom erzeugen oder auch ein Fahrzeug antreiben.

Die Maschine wird in Bezug auf drei Figuren beschrieben. Den Grundgedanken der Maschine enthält Fig. 1 als Denkmodell, die weiteren Figuren betreffen gesonderte Ausführungen der Maschine.

Gemäß Fig. 1.1 denke man sich ein an beiden Seiten offenes zylindrisches Rohr mit einer Querschnittsfläche von 1 m² (d. h. mit einem inneren Durchmesser von 112,8 cm) und einer Länge von 10 m senkrecht in einem See, so daß sein oberes Ende gerade noch die Wasseroberfläche durchdringt. Das untere Ende befindet sich dann in 10 Wassertiefe. Die Rohrwand trennt aus dem Seewasser eine innere Wassermenge, die in N gleiche Teile aufgeteilt ist. Bei einem Querschnitt von 1 m² enthält es dann 10 gleiche Volumeneinheiten Wasser je 1 m³. Das Wasser im Rohr und im See befindet sich in Ruhe, im System herrscht Gleichgewicht.

Nun stört man das Gleichgewicht gemäß Fig. 1.2 und hebt die oberste Volumeneinheit aus dem Rohr um einen Meter in die Höhe und pumpt sie zurück in den See. Der Gewinn an Höhe bedeutet Gewinn an potentieller Energie, die von außen aufgewendet werden muß. Eine Tonne Wasser um einen Meter in die Höhe zu heben erfordert etwa 10 kJ aufzuwendende Arbeit. Damit ist der Wasserspiegel im Rohr um 1 m gesunken und es gibt eine Pegel- und damit auch Druckdifferenz im Rohr zwischen innen und außen.

Gemäß Fig. 1.3 reagiert der See mit Ausgleich der Druckdifferenz und es strömt Wasser im Rohr nach oben, bis der Wasserpegel im Rohr den Wasserpegel im See erreicht hat. Dazu muß die im Rohr verbliebene untere Wassersäule von 9 m Länge um einen Meter gehoben werden, und die entnommene Menge an Wasser fließt gemäß Fig. 1.4 am unteren Ende des Rohres nach und wird ebenfalls um einen Meter angehoben. Dann erst ist das System wieder im Gleichgewicht. Der See wirkt so wie eine Pumpe, die eine Wassersäule von 10 m Länge um einen Meter in die Höhe hebt. Die hierzu notwendige Arbeit stammt aus der inneren Energie des Sees und der darüberliegenden Atmosphäre und beträgt das zehnfache der anfangs aufgewendeten Arbeit. In Zahlen ausgedrückt heißt das: Wenn der Pumpenantrieb 10 kJ aufwendet, um eine Tonne. Wasser aus dem Rohr zu pumpem und um einen Meter zu heben, dann reagiert der See mit einer Freigabe von 100 kJ an potenzieller Energie, indem er eine Wassersäule von 10 m Länge um einen Meter in die Höhe hebt. Solange diese Wassersäule in Bewegung ist, kann sie Turbinen antreiben.

Gemäß Fig. 1.5 läßt man dazu mehrere Turbinen (T) im Rohr gemeinsam an einer Welle arbeiten und die eine Pumpe (P) antreiben, welche das Wasser aus dem Rohr pumpt. Weil im Rohr mehr Energie frei wird als die Pumpe benötigt, kann der freie Anteil als Wellenarbeit an einen Verbraucher gegeben werden und beispielsweise einen elektrischen Generator (G) für die Stromerzeugung antreiben.

Die Maschine arbeitet kontinuierlich, weil sich ihr Zufluß UNTERHALB der Gleichgewichtspotentialfläche des Wassers befindet und die Pumpe das fluide Gleichgewicht stört, indem sie einen geringen Teil des Fluides von einem Punkt UNTERHALB des Gleichgewichtspotenzials auf einen Punkt OBERHALB des Gleichgewichtspotenzials fördert. Weil die Potenzialdifferenz zwischen zwischen den beiden Rohrenden GRÖSSER ist als die Potenzialdifferenz, welche die Pumpe zur Erzeugung der Störung überwinden muß, wird bis zur Wiederherstellung des fluiden Gleichgewichts durch den See mehr potenzielle Energie frei als zur Erzeugung des Ungleichgewichtes erforderlich ist. Das Längenverhältnis Pumphöhe/Rohrlänge wirkt im übertragenen Sinne wie ein Hebel, mit Hilfe dessen sich aus der Potenzial differenz innerhalb des ruhenden Fluides mehr Energie "ernten" läßt, als zur Erzeugung der Störung erforderlich ist. Damit kann die Störung aus der freigewordenen Energie erneut erzeugt und damit dauerhaft aufrechterhalten werden. Das System befindet sich dann ständig im Ungleichgewicht und kann Energie als Wellenarbeit an einen Verbraucher abgeben, die aus der inneren fluiden Energie des Sees stammt. Die Maschine benutzt den gesamten See damit als Solarkollektor für Sonnenenergie, und die Atmosphäre über dem See als Kolben, um die Wassersäule im Rohr nach oben zu pumpen. Sie muß einmal mit einer Startvorrichtung angeworfen werden und wird spätestens dann aufhören zu arbeiten, wenn der See bis in 10 m Tiefe gefroren ist.

Die Fig. 2 und 3 zeigen verschiedene Ausführungen des Prinzips.

Fig. 2.1 zeigt die gleiche Maschine wie Fig. 1.5 bei der das Rohr am oberen Ende leergepumpt wird und das Fluid von unten nach oben strömt. Eine solche Maschine kann die innerer Energie aus dem Meer oder aus einem See oder aus der Atmosphäre nutzen. . Fig. 2.2 zeigt die Maschine mit Rohrströmung von oben nach unten. Eine solche Maschine kann neben der Energienutzung zur vertikalen Umverteilung von Wasser oder Luft mit einem Zusatznutzen verwendet werden, d. h. Anreicherung von Sauerstoff im Tiefenwasser eines Sees oder Reduktion der Schadstoffmenge in smogbelasteter Stadtluft. Fig. 2.3 zeigt eine Maschine in einem fluidgefüllten Behälter. Eine solche Maschine kann ein Fahrzeug oder ein Schiff antreiben oder Fluid durch ein Rohrleitungsnetz pumpen und damit in der Fläche verteilen.

Fig. 3 zeigt Anwendungen in denen die Senkung des Eingangspotenzials unter das Gleichgewichtspotenzial mittels einer Pumpe erzeugt wird und die Äquipotentialflächen dynamisch im Inneren der Maschine entstehen. Nach Fig. 3.1 arbeitet eine Maschine mit einer inneren Potenzialsteigerung, und nach Fig. 3.2 mit einer inneren Potenzialsenkung gegenüber dem fluiden Gleichgewichtspotenzial. Fig. 3.3 zeigt den axialen Potenzialverlauf im Inneren der beiden Maschinen.

Die Maschine kann stationär oder mobil, offen oder geschlossen sein. Eine stationäre Maschine wird vorzugsweise für die Herstellung von Strom, Wasserstoff oder Süßwasser verwendet, oder für den Transport von Fluiden in einem Rohrleitungsnetz. Eine mobile Maschine wird für den Antrieb von Fahrzeugen verwendet, vorzugsweise von Schiffen. Eine offene Maschine wird von Fluid aus ihrer Umgebung durchströmt, vorzugsweise Wasser oder Luft. Eine geschlossene Maschine enthält stets die gleiche Fluidmenge in einem abgeschlossenen Behälter oder wird von Fluid aus einem Rohrleitungsnetz durchströmt.

Claims

1. Strömungskraftmaschine bestehend aus einem Gehäuse, einer Turbine und einer Pumpe, die eine Fluidmenge durch die Maschine fördert, wobei die Wellenarbeit der Turbine zu einem ersten Teil dem Antrieb der Pumpe dient und zu einem zweiten Teil als Nutzarbeit an einen Verbraucher gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Zufluß der Maschine auf einer Äquipotentialfläche UNTERHALB des fluiden Gleichgewichtszustandes befindet, und daß die Pumpe das Fluid auf eine Äquipotentialfläche OBERHALB des fluiden Gleichgewichtszustandes fördert, und daß während der Wiederherstellung des fluiden Gleichgewichts in der Maschine mehr Energie frei wird als der Pumpenantrieb benötigt.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid gasförmig oder flüssig ist.

3. Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Zufluß und Abfluß der Maschine eine geodätische Potentialdifferenz besteht.

4. Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Zufluß und Abfluß der Maschine eine dynamisch erzeugte Potentialdifferenz besteht.

5. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine von einer sich stets ändernden Fluidmenge durchströmt wird.

6. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine von einer stets gleichen Fluidmenge durchströmt wird.

7. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine offen ist.

8. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine geschlossen ist.

9. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine stationär ist.

10. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine mobil ist.

11. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine für die Produktion von elektrischem Strom oder Wasserstoff oder Süßwasser verwendet wird.

12. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine für die Verarbeitung und den Transport von Gasen oder Flüssigkeiten verwendet wird.

13. Strömungsmaschine nach einem, der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine als Antrieb für den Transport von Personen oder Gütern verwendet wird.