DE102008043705B4 - Method and flow engine for converting flow energy of a fluid - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Wandeln von Strömungsenergie eines Fluids, wobei das Fluid mindestens einen Rotor (4, 23, 36, 39, 40) einer Strömungskraftmaschine (1, 19, 28, 37) antreibt und der rotierende Rotor (4, 23, 36, 39, 40) durch Fluidreibung in einem Arbeitsfluid in einem Behälter (10, 20, 29, 41), der eine zylindrische Innenwand (14, 22, 32) und eine gegenüber der Innenwand (14, 22, 32) rotierende zylindrische Außenwand (15) aufweist, eine im Wesentlichen der Strömungsenergie proportionale mechanische Arbeit verrichtet und mit der Arbeit im Wesentlichen einen strömenden Wärmeträger aufheizt, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch die Rotation in einem Spalt zwischen der Innenwand (14, 22, 32) und der Außenwand (15) in dem Arbeitsfluid eine Scherströmung bildet und die durch die Scherströmung entstehende Joule'sche Wärme den Wärmeträger aufheizt.Method for converting flow energy of a fluid, wherein the fluid drives at least one rotor (4, 23, 36, 39, 40) of a flow engine (1, 19, 28, 37) and the rotating rotor (4, 23, 36, 39, 40) by fluid friction in a working fluid in a container (10, 20, 29, 41) which has a cylindrical inner wall (14, 22, 32) and a cylindrical outer wall (15) rotating with respect to the inner wall (14, 22, 32) , performs a mechanical work that is essentially proportional to the flow energy and essentially heats up a flowing heat carrier with the work, characterized in that the rotation in a gap between the inner wall (14, 22, 32) and the outer wall (15) in the Working fluid forms a shear flow and the Joule heat generated by the shear flow heats the heat carrier.
Description
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Wandeln von Strömungsenergie eines Fluids, wobei das Fluid mindestens einen Rotor einer Strömungskraftmaschine antreibt und der rotierende Rotor durch Fluidreibung in einem Arbeitsfluid in einem Behälter, der eine zylindrische Innenwand und eine gegenüber der Innenwand rotierende zylindrische Außenwand aufweist, eine im Wesentlichen der Strömungsenergie proportionale mechanische Arbeit verrichtet und mit der Arbeit im Wesentlichen einen strömenden Wärmeträger aufheizt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Strömungskraftmaschine zum Wandeln von Strömungsenergie eines Fluids, mit einem in einem Fundament verankerbaren Mast und mindestens einem an dem Mast rotierbar angebrachten Rotor, mittels dessen ein im Wesentlichen konstanter Anteil der Strömungsenergie in Rotationsenergie wandelbar ist, und mit einem Wandler, der einen Behälter mit einer zylindrischen Innenwand und einer gegenüber der Innenwand rotierbaren zylindrischen Außenwand aufweist, und mittels dessen die Rotationsenergie des Rotors im Wesentlichen in Wärme wandelbar ist und mit Anschlüssen an dem Wandler für Zuleitung und Ableitung eines fluiden Wärmeträgers, mittels dessen die Wärme aus dem Wandler abführbar ist.The invention relates firstly to a method for converting fluid flow of a fluid, wherein the fluid drives at least one rotor of a turbomachine, and the rotating rotor by fluid friction in a working fluid in a container having a cylindrical inner wall and a cylindrical outer wall rotating relative to the inner wall essentially performs mechanical work proportional to the flow energy and essentially heats up a flowing heat carrier with the work. Furthermore, the invention relates to a flow engine for converting flow energy of a fluid, with a mast anchored in a foundation and at least one rotatably mounted on the mast rotor, by means of which a substantially constant portion of the flow energy is convertible into rotational energy, and with a converter which a container having a cylindrical inner wall and a rotatable relative to the inner wall cylindrical outer wall, and by means of which the rotational energy of the rotor is substantially convertible into heat and with connections to the converter for supply and discharge of a fluid heat carrier, by means of which the heat from the converter is deductible.
Solche Verfahren zum Wandeln der Strömungsenergie eines Fluids in eine andere, technisch besser nutzbare Energieform sind allgemein bekannt. Beispielsweise wird in
Weit verbreitete Strömungskraftmaschinen zur Ausführung solcher Verfahren sind mit Horizontalachsenrotoren (so genannten „Windmühlen”) ausgerüstet. Zunehmend kommen alternativ Vertikalachsenrotoren zum Einsatz, wie sie beispielsweise aus
Strömungskraftmaschinen der vorgenannten Art werden insbesondere – zumeist unmittelbar an der Nabe des Rotors – mit Generatoren ausgestattet, mittels derer die Strömungsenergie des Fluids über die Rotationsenergie des Rotors und die hiermit in dem Generator verrichtete mechanische Arbeit in elektrische Energie gewandelt und über Wechselrichter in das Versorgungsnetz eingespeist wird. Als Fundament solcher Strömungskraftmaschinen können gegossene oder gebaute Erdfundamente ebenso zum Einsatz kommen wie Stahlbaukonstruktionen, insbesondere für den Offshore-Einsatz schwimmfähige so genannte „Pontons” oder andere Konstruktionen mit der erforderlichen Tragfähigkeit.Flow engines of the aforementioned type are in particular - usually directly to the hub of the rotor - equipped with generators, by means of which the flow energy of the fluid through the rotational energy of the rotor and the hereby performed in the generator mechanical work converted into electrical energy and fed via inverters in the supply network becomes. As a foundation of such flow engines, cast or built earth foundations can be used as well as steel structures, especially for offshore use buoyant so-called "pontoons" or other structures with the required load capacity.
Die Wirtschaftlichkeit solcher Strömungskraftmaschinen steigt nahezu proportional mit der von der Rotorgröße abhängigen Leistung: Insbesondere der Generator, der die Rotationsenergie des Rotors in elektrische Energie wandelt, trägt bei kleinen Windkraftanlagen überproportional zu den Kosten der Anlage bei.The economy of such flow engines increases almost proportionally with the dependent on the rotor size power: In particular, the generator that converts the rotational energy of the rotor into electrical energy, contributes disproportionately in small wind turbines to the cost of the system.
Je kleiner die Leistung, desto größer wird – wie auch bei Photovoltaikanlagen – der Anteil der elektrischen Komponenten an den Kosten der Anlage. Windkraftanlagen mit geringer Leistung, beispielsweise für den Bedarf eines Einfamilienhauses sind daher im Regelfall nicht wirtschaftlich zu betreiben. Der Markt für derartige kleine Anlagen ist entsprechend sehr klein.The smaller the power, the larger - as with photovoltaic systems - the proportion of electrical components in the costs of the system. Wind turbines with low power, for example, for the needs of a family home are therefore generally not economical to operate. The market for such small systems is correspondingly very small.
Im weiteren Umfeld der Erfindung offenbart
Aufgabetask
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die technische Nutzung der Strömungsenergie zu vereinfachen.The invention has for its object to simplify the technical use of the flow energy.
Lösungsolution
Ausgehend von den bekannten Verfahren wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass sich durch die Rotation in einem Spalt zwischen der Innenwand und der Außenwand in dem Arbeitsfluid eine Scherströmung bildet und die durch die Scherströmung entstehende Joule'sche Wärme den Wärmeträger aufheizt, also die Rotationsenergie in Warme gewandelt wird. Wandler, mittels derer Rotationsenergie in Wärme gewandelt wird, sind nicht nur technisch deutlich einfacher, dadurch billiger und robuster als Generatoren, sie können auch – für geringe Leistung – ohne überproportionale Kosten nahezu beliebig verkleinert werden.Starting from the known method is proposed according to the invention that forms a shear flow through the rotation in a gap between the inner wall and the outer wall in the working fluid and the resulting Scherströmung Joule heat heats the heat carrier, so the rotational energy in heat is converted. Transducer, by means of which Rotation energy is converted into heat, are not only technically much simpler, cheaper and more robust than generators, they can also - for low power - without disproportionate costs are reduced almost arbitrarily.
Darüber hinaus wird mit einem erfindungsgemäßen Verfahren die Strömungsenergie in der Energieform bereitgestellt, die in kleineren Einheiten – beispielsweise für private Wohnnutzung – zum Einen überwiegend benötigt wird und die zum Andern auch mit geringen Verlusten und wirtschaftlich vertretbarem Aufwand gespeichert werden kann.In addition, with a method according to the invention, the flow energy is provided in the form of energy, which is predominantly needed in smaller units - for example, for residential use - on the one hand and can be stored to others with low losses and economically feasible effort.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Wärmeträger eine Flüssigkeit, insbesondere ein Öl, Wasser oder eine Emulsion. Für höhere Temperaturbereiche sind insbesondere Öle als technische Wärmeträger geeignet. Wasser steht in einer für technische Zwecke brauchbaren Qualität im Wesentlichen weltweit preisgünstig zur Verfügung. Beispielsweise kann als Wärmeträger in einem erfindungsgemäßen Verfahren der Wärmeträger eines – insbesondere auch parallel geschalteten – Solarkollektors zum Einsatz kommen.In a method according to the invention, the heat transfer medium is a liquid, in particular an oil, water or an emulsion. For higher temperature ranges in particular oils are suitable as a technical heat transfer medium. Water is available in a generally usable quality for technical purposes substantially worldwide at low cost. For example, as a heat transfer medium in a method according to the invention, the heat transfer medium of a - in particular also in parallel - solar collector can be used.
Erfindungsgemäß verrichtet der Rotor die Arbeit durch Fluidreibung in einem Arbeitsfluid. Beispielsweise kann ein Wandler einen von dem Rotor angetriebenen Wellenstumpf in einem becherförmigen Hohlraum des Masts aufweisen, wobei die Scherviskosität des Arbeitsfluids in einem Spalt zwischen den Wandungen des Wellenstumpfs und des Hohlraums die mit dem Wandler aufnehmbare Energie bestimmt. Der Widerstand dieser Anordnung gegen Rotation und damit die von dem Wandler aufnehmbare Energie – kann durch gezielte Strukturierung der Wandungen verstärkt werden.According to the invention, the rotor performs the work by fluid friction in a working fluid. For example, a transducer may have a shaft stub driven by the rotor in a cup-shaped cavity of the mast, wherein the shear viscosity of the working fluid in a gap between the walls of the stub shaft and the cavity determines the energy absorbable by the transducer. The resistance of this arrangement against rotation and thus the energy absorbed by the transducer - can be enhanced by targeted structuring of the walls.
Als Arbeitsfluid kann in einem solchen Wandler der strömende Wärmeträger zum Einsatz kommen. Alternativ kann der Arbeitsraum des Wandlers, in dem das Arbeitsfluid erwärmt wird, von dem Wärmeträger getrennt sein. Der Wärmeträger führt dann die Wärme nicht unmittelbar aus dem Arbeitsfluid, sondern über einen Wärmetauscher, beispielsweise von einer äußeren Oberfläche des oben beschriebenen becherförmigen Hohlraums aus dem Wandler ab.As a working fluid, the flowing heat carrier can be used in such a converter. Alternatively, the working space of the transducer in which the working fluid is heated, be separated from the heat carrier. The heat transfer medium then does not conduct the heat directly from the working fluid, but rather via a heat exchanger, for example from an outer surface of the cup-shaped cavity described above, out of the converter.
Alternativ oder zusätzlich können in einem Wandler durch Relativbewegung gegenüber Permanentmagneten in einem elektrischen Leiter Wirbelströme induziert werden. Beispielsweise kann eine Kupferbeschichtung eines von dem Rotor angetriebenen Wellenstumpfs zwischen Permanentmagneten in einer Wandung des becherförmigen Hohlraum des Masts als Ohm'scher Verbraucher die Rotationsenergie in Joule'sche Wärme wandeln.Alternatively or additionally, eddy currents can be induced in a converter by relative movement relative to permanent magnets in an electrical conductor. For example, a copper coating of a shaft stub driven by the rotor between permanent magnets in a wall of the cup-shaped cavity of the mast as an ohmic load can convert the rotational energy into Joule heat.
Vorzugsweise heizt der Wärmeträger einen Wärmespeicher. Die aus der Strömungsenergie gewonnene Wärme kann dann für einen späteren Bedarf bevorratet und beispielsweise über ein Heizungssystem abgerufen werden. Alternativ kann die Wärme unmittelbar für die Heizung beispielsweise eines Wohnraums verwendet werden.Preferably, the heat carrier heats a heat storage. The heat recovered from the flow energy can then be stored for later use and retrieved, for example via a heating system. Alternatively, the heat can be used directly for heating, for example, a living space.
Ausgehend von den bekannten Strömungskraftmaschinen wird nach der Erfindung vorgeschlagen, einen Spalt zwischen der Innenwand und der Außenwand vorzusehen, in dem sich durch die Rotation in einem Arbeitsfluid eine Scherströmung bildet, wobei die durch die Scherströmung entstehende Joule'sche Wärme den Wärmeträger aufheizt. Eine erfindungsgemäße Strömungskraftmaschine ermöglicht die Ausführung eines der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren und zeichnet sich durch die hierfür beschriebenen Vorteile aus.Starting from the known flow engines is proposed according to the invention to provide a gap between the inner wall and the outer wall, in which forms a shear flow through the rotation in a working fluid, wherein the heat generated by the Scherströmung Joule heat heats the heat carrier. A turbomachine according to the invention makes it possible to carry out one of the above-described methods according to the invention and is distinguished by the advantages described therefor.
Besonders bevorzugt ist an einer erfindungsgemäßen Strömungskraftmaschine der Rotor ein Vertikalachsenrotor. Vertikalachsenrotoren sind nicht nur technisch einfacher und robuster als – prinzipiell auch einsetzbare – Horizontalachsenrotoren, sondern eignen sich auch durch die vertikal verlaufende Achse besonders für die Kombination mit einem koaxial zu dem Mast angeordneten Wandler.Particularly preferably, the rotor is a vertical axis rotor on a turbomachine according to the invention. Vertical axis rotors are not only technically simpler and more robust than - in principle, also usable - horizontal axis rotors, but are also suitable by the vertical axis especially for combination with a coaxial with the mast arranged transducer.
An einer solchen erfindungsgemäßen Strömungskraftmaschine kann ein gemeinsamer Wandler zwischen zwei gegenläufig rotierbaren Vertikalachsenrotoren angeordnet sein, wobei beispielsweise – in der oben beschriebenen Anordnung mit Aufheizen eines Arbeitsfluids durch Fluidreibung – der untere dieser Vertikalachsenrotoren den Becher und der obere den Wellenstumpf antreibt.On such a turbomachine according to the invention, a common transducer between two counterrotatable vertical axis rotors may be arranged, for example - in the above-described arrangement with heating of a working fluid by fluid friction - the lower of these vertical axis rotors the cup and the upper drives the stub shaft.
Vorteilhafter Weise weist eine erfindungsgemäße Strömungskraftmaschine ein Regelelement auf, mittels dessen die Wandlung der Rotationsenergie in Wärme drehzahlabhängig regelbar ist. In den oben beschriebenen Anordnungen (mit Fluidreibung oder Ohm'schem Verbraucher) ist der Widerstand des Wandlers gegen Rotation bereits grundsätzlich drehzahlabhängig.Advantageously, a turbomachine according to the invention has a control element by means of which the conversion of the rotational energy into heat can be regulated as a function of the speed. In the above-described arrangements (with fluid friction or Ohm's consumer), the resistance of the converter to rotation is already fundamentally speed-dependent.
Darüber hinaus ist der Widerstand des Wandlers gegen Rotation proportional zu den sich wirksam gegenüberliegenden Oberflächen (beispielsweise des Bechers und des Wellenstumpfs). Eine Regelung – insbesondere für eine Anlaufphase der erfindungsgemäßen Strömungskraftmaschine – kann daher über die Eintauchtiefe (des Wellenstumpfs in das Arbeitsfluid beziehungsweise zwischen die Permanentmagnete) erfolgen.In addition, the resistance of the transducer to rotation is proportional to the effectively opposing surfaces (e.g., the cup and the stub shaft). A regulation - in particular for a start-up phase of the flow engine according to the invention - can therefore take place via the immersion depth (of the stub shaft into the working fluid or between the permanent magnets).
Die Eintauchtiefe kann beispielsweise elektrisch oder – rein mechanisch – über einen Fliehkraftregler gesteuert werden. In der oben beschriebenen Anordnung mit Aufheizen eines Arbeitsfluids durch Fluidreibung kann die Eintauchtiefe zudem erhöht werden, indem die Menge des Arbeitsfluids erhöht wird. Alternativ – oder zusätzlich – kann die Eintauchtiefe an einer erfindungsgemäßen Strömungskraftmaschine auch manuell eingestellt werden.The immersion depth can be controlled, for example, electrically or - purely mechanically - via a centrifugal governor. In the above In addition, as described with heating a working fluid by fluid friction, the immersion depth can be increased by increasing the amount of the working fluid. Alternatively, or additionally, the immersion depth can also be set manually on a turbomachine according to the invention.
Ausführungsbeispieleembodiments
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert: Es zeigenThe invention is explained below with reference to exemplary embodiments:
Die in
Der Rotor
Unterhalb der Rotorblätter
Durch den Mast
Durch die Rotation der Außenwand
Um den Scherwiderstand im Wärmeträger zu verringern und so den Anlauf der Strömungskraftmaschine
Eine nicht weiter dargestellte Anordnung von fünf erfindungsgemäßen Strömungskraftmaschinen
Die in
Auch die in
Die in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- StrömungskraftmaschineFlow engine
- 22
- Mastmast
- 33
- Fundamentfoundation
- 44
- Rotorrotor
- 55
- Durchmesserdiameter
- 66
- Höheheight
- 77
- Fußscheibebasal disc
- 88th
- Deckelcover
- 99
- Rotorblattrotor blade
- 1010
- Behältercontainer
- 1111
- BereichArea
- 1212
- Bodenground
- 1313
- Kreisöffnungcircular opening
- 1414
- Innenwandinner wall
- 1515
- Außenwandouter wall
- 1616
- Anschlussconnection
- 1717
- Anschlussconnection
- 1818
- Pegellevel
- 1919
- StrömungskraftmaschineFlow engine
- 2020
- Behältercontainer
- 2121
- Mastmast
- 2222
- Innenwandinner wall
- 2323
- Rotorrotor
- 2424
- Bodenground
- 2525
- Kreisöffnungcircular aperture
- 2626
- Anschlussconnection
- 2727
- Anschlussconnection
- 2828
- StrömungskraftmaschineFlow engine
- 2929
- Behältercontainer
- 3030
- Fußscheibebasal disc
- 3131
- Deckelcover
- 3232
- Innenwandinner wall
- 3333
- Mastmast
- 3434
- Bodenground
- 3535
- Labyrinthdichtunglabyrinth seal
- 3636
- Rotorrotor
- 3737
- StrömungskraftmaschineFlow engine
- 3838
- Mastmast
- 3939
- Rotorrotor
- 4040
- Rotorrotor
- 4141
- Behältercontainer
- 4242
- Deckelcover
- 4343
- Zwischenwandpartition
- 4444
- Fußscheibebasal disc
- 4545
- Anschlussconnection
- 4646
- Anschlussconnection
- 4747
- Bodenground
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2008
- 2008-11-13 DE DE102008043705A patent/DE102008043705B4/en not_active Expired - Fee Related
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