DE102012002705A1

DE102012002705A1 - Verfahren mit den dazu gehörigen Vorrichtungen zum Pumpen und Saugen von Flüssigkeiten sowie Druckerhöhen und Druckmindern, Heizen und Kühlen von Gasen unter Einsatz einer neuartigen Scheibenläuferturbine

Info

Publication number: DE102012002705A1
Application number: DE201210002705
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2013-08-14

Abstract

Nikolaus Tesla hat die nach ihm benannte Tesla-Turbine als seine bedeutendste Erfindung bezeichnet. Diese Turbine, ausgeführt in Form einer Scheibenläuferturbine hat jedoch, obwohl bereits 1906 zum Patent angemeldet, nicht die gewünschte Marktdurchdringung erreicht. Unabhängige Untersuchungen konnten die von ihm genannten Eigenschaften nicht in vollem Umfang bestätigen.
Der Vorteil der Scheibenläuferturbine ist jedoch ihre Robustheit, ihre relativ leichte Herstellbarkeit, ihr geringes Gewicht, ihre geringe Baugröße u. a.
Im Rahmen der Energiediskussion wird unter anderem im Rahmen der Abwärme-/Restwärmenutzung, insbesondere der Nutzung niedertemperaturiger Wärme nach alternativen Lösungen gesucht.
Die in der Patentschrift dargestellte Scheibenläuferturbine besteht aus einer Kombination von verschiedenen Turbinenelementen. So werden unter anderem die Überlegungen von Tesla mit denen von Pelton und Bernoulli kombiniert. Dies führte zu einer erheblichen Wirkungsgradverbesserung. Insbesondere wurde dem Umstand der verschiedenen Zustände des Mediums Rechnung getragen. Gerade im Bereich stark wechselnder Temperaturen kann das Medium flüssig oder gasförmig sein, auch Mischzustände wie Nassdampf und Sattdampf treten auf.
Dies führte unter anderem dazu, dass der Scheibenabstand mit einer Regelungstechnik dem Zustand des Mediums während des Prozessablaufes angepasst werden kann und dadurch der Gesamtwirkungsgrad optimiert werden kann.
Die vorgestellte Scheibenläuferturbine kann sowohl im rechtsläufigen Carnot-Prozess zum Einsatz kommen wie im linksläufigen. Das Einsatzspektrum der Turbine erhöht sich damit erheblich: Sie kann bei wechselnden Temperatur- und Druckverhältnissen Flüssigkeiten pumpen und saugen, kann bei Gasen Druckerhöhen und Druckmindern, Heizen und Kühlen.
Ihr Einsatzgebiet liegt damit nicht nur in der Energieumwandlung/-erzeugung von Strom und Druckluft in mobilen und stationären Anlagen, Hybridsystemen, sondern auch im Bereich der Klimatechnik, Heizen und Kühlen, Abgasturbolader, Kompressoren, Nutzen der Abwärme-/Restwärme von Produkten wie Brammen, Glas etc., Geothermieanlagen, Blockheizkraftwerken, Biogasanlagen der ersten und zweiten Generation der Gewinnung von Wasser aus Luft und vieles andere mehr.
Die vorgestellte Turbine ist in ihrer Einsatzbreite vergleichbar dem Mikroprozessor, Mikrocontroller in der Informationstechnik oder dem Bauelement Lager im Maschinenbau.

Description

Die Vorteile einer Scheibenläuferturbine sind

– ihre Robustheit
– ihre relativ leichte Herstellbarkeit und damit verbunden kostengünstige Herstellung
– ihr geringes Gewicht
– ihre geringe Baugröße (Höhe, Länge, Tiefe)
– ihre Einsatzmöglichkeit im Bereich der Abwärme-/Restwärmenutzung
– die Turbine arbeitet weitgehend ölfrei

Die Robustheit ist insbesondere wichtig, wenn die Medien im Laufe eines Prozesses verschiedene Zustände annehmen können. So geht Wasser vom flüssigen Zustand, über Nassdampf und Sattdampf in die rein gasförmige Phase – ähnlich dem Zustand idealer Gase – über. Verschiedene Temperaturen führen zu unterschiedlichen Ausdehnungen. Wird bei heutigen Axialturbinen der Luftspalt zu eng dimensioniert, kann des durch die Ausdehnung des Materials zu Kollisionen kommen. Bei Axialturbinen ist der Luftspalt ein wesentlicher Parameter für den Wirkungsgrad.
Bei den in Kraftwerken heute eingesetzten Turbinen müssen die flüssigen Phasen der Medien möglichst vermieden werden. So können Wassertropfen die Leiterschaufeln der Turbinen zerstören. Deswegen wird in der Energieerzeugung im Kraftwerksbereich der Niederdruckteil im Vakuum betrieben. Es ist also dringend notwendig, im Kraftwerksbereich über eine lange Zeit stabile Prozesszustände durch eine umfangreiche Regelungstechnik sicher zu stellen.
Instabile Prozesszustände treten jedoch auf bei Wärmequellen mit stark wechselnden Wärmemengen. Das kann z. B. ein Verbrennungsmotor sein, der aus der Kaltstartphase hochläuft oder beim Stop- und Go-Betrieb nur im Teillastbereich arbeitet oder durch eine Start-Stop-Automatik zeitweise ausgeschaltet wird.
Ein anderes Beispiel ist ein heißes Produkt z. B. eine Bramme im Stahlwerksbereich, die langsam abkühlt. Deren Restwärme möchte man jedoch nutzen.
Weitere Beispiele liegen im Bereich der Klimatechnik, des Heizens und des Kühlens. In vielen Klimaanlagen kommen Treibmittel zum Einsatz, die zum Teil umweltschädlich sind. Diese Treibmittel sind in der Art ausgelegt, dass sie im Prozessbereich zwischen dem flüssigen und dem gasförmigen Zustand wechseln. Scheibenläuferturbinen ermöglichen den Aufbau von Heizungs -und Kühlsystemen ohne die Verwendung von Treibmitteln.
Eine Scheibenläuferturbine kann bei gasförmigen Medien sowohl den Druck erhöhen als auch den Druck mindern. Diese Eigenschaften können sogar zusätzlich zur Energieumwandlung/-erzeugung verwendet werden. So kann im Falle der Druckminderung z. B. überschüssige Energie umgewandelt werden in Strom oder Druckluft.
Bei Einsatz von flüssigen Medien kann eine Scheibenläuferturbine sowohl pumpen als auch saugen.
Vergleicht man eine Axialturbine mit einer Scheibenläuferturbine, dann ist die Herstellung einer Scheibenläuferturbine weniger kostenintensiv. Es entfallen z. B. die Leiterschaufeln. Gleichwohl können Scheibenläuferturbinen ebenso wie die Axialturbinen kaskadenweise zum Einsatz kommen. Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen können in beiden Turbinenarten miteinander kombiniert werden.
Die entscheidenden Kräfte sind bei einer Scheibenläuferturbine die Adhäsionskräfte. Diese Adhäsionskräfte können von verschiedenen Medien aufgebracht werden. Dazu gehören auch sehr leichte Medien wie z. B. Kunststoffe, Aluminium, Magnesium etc. Gerade im mobilen Einsatz ist das Gewicht einer Turbine ein entscheidendes Kriterium. Denn Baugruppen müssen beschleunigt und verzögert werden. Es wird also mehr Energie benötigt, wenn die Systeme schwerer sind.
In stationären Anlagen hat die Baugröße im allgemeinen nicht die herausragende Bedeutung wie in mobilen Anlagen. Scheibenläuferturbinen haben den Vorteil, dass sie sehr kompakt – also mit relativ geringen Baugrößen- hergestellt werden können.
Der Bereich der Abwärmenutzung/Restwärmenutzung wird im Bestreben nach hoher Energieeffizienz zunehmend eine bedeutendere Rolle wahrnehmen. Überschlägige Berechnungen haben ergeben, dass z. B. bei Verbrennungsmotoren der Energiebedarf um ca. 15–20% gesenkt werden kann. Die Scheibenläuferturbine kann dazu einen wesentlichen Beitrag leisten.
Die heute verwendeten Kompressoren haben einen direkten Kontakt zum Öl, um die Reibungsverluste in den Zylindern zu verringern. Dieses Öl muss dann aufwändig abgeschieden werden. Damit ist der Einsatz derartiger Kompressoren bei sensitiven Produkten oder Dienstleistungen nicht optimal- man denke an die Nahrungsmittelherstellung oder die Medizin. Eine Scheibenläuferturbine hat keinen direkten Kontakt zum Öl. Es gibt inzwischen auch ölfreie Lager.
Zusammengefasst kann die Turbine der „Mikroprozessor” der Energiewirtschaft, also ein zentrales Systemelement im Bereich der Energieumwandlung werden. Durch Applikationen wird sie den verschiedenen Bedarfsfällen angepasst.
Aufgabenstellung der Erfindung ist es, eine Scheibenläuferturbine zu entwickeln, die den oben genannten Anforderungen gerecht wird und darüber hinaus weitere Eigenschaften umfasst.
Im Folgenden wird eine Turbine vorgestellt, die aus mehreren verschiedenen Turbinenelementen besteht.
Das erste Turbinenelement beruht auf den Überlegungen von Tesla. Tesla bezeichnete die von ihm erfundene Teslaturbine als seine bedeutendste Erfindung. Die von ihm genannten Eigenschaften reichten jedoch nicht aus, dieser Erfindung einen Marktdurchbruch zu ermöglichen. Die von ihm genannten Wirkungsgrade wurden durch unabhängige Untersuchungen nicht bestätigt.
Das zweite Turbinenelement beruht auf den Überlegungen von Pelton. Durch eine Umlenkung der Kräfte konnte der Wirkungsgrad seiner Wasserturbinen erheblich erhöht werden.
Das dritte Turbinenelement berücksichtigt die unterschiedlichen Zustände der Medien (flüssig, Nassdampf, Sattdampf, gasförmig- angenähert dem Zustand idealer Gase).
Darüber hinaus wird durch eine spezielle Bauart die Berührungsfläche bei einer begrenzten Baugröße erheblich erhöht.
Das Problem der Abdichtung wird durch den Einsatz dynamischer Dichtungen verbessert.
Weiterhin wird durch eine konzentrische Umschließung der einzelnen Scheiben das Anström-Verhalten optimiert.
Eine weitere Leistungserhöhung wird erreicht durch die Nutzung des Bernoulli Effektes bei der Anströmung der einzelnen Scheiben.
Die vom Verfasser dieser Patentschrift erstellte Turbine erreichte Wirkungsgrade, die oberhalb der praktischen Wirkungsgrade des Carnot Prozesses lagen. In der Praxis erreichen die realen thermodynamischen Prozesse lediglich 60% des idealen Carnot-Wirkungsgrades.
Stand der Technik
Eine bekannte Art der Scheibenläuferturbine ist die Telsa Turbine. Diese wurde bereits 1906 unter der Patentnummer US (1061206) zum Patent angemeldet. Die Teslaturbine arbeitete mit einem konstanten Zustand eines Mediums. Der Wechsel des Zustandes des Mediums fand in seinen Patentschriften keine Beachtung. Dieser Wechsel des Zustandes ist bei instabilem Betrieb jedoch ein wesentliches Kriterium.
Eine Modifikation, die die Eigenschaften der Teslaturbine mit einer anderen Turbinenart verbindet, wurde in der Patentanmeldung des Verfassers dieser Patentschrift im Jahr 2011 unter der Nummer 10 2011 112 843.7 beim Deutschen Patentamt in München angemeldet.
Eine weitere Modifikation wurde im Jahr 2012 unter der Nummer 10 2012 001 713.8 beim Deutschen Patentamt in München angemeldet.
Beide vom Verfasser angemeldeten Modifikationen führten zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades.
Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Scheibe der Scheibenläuferturbine zu erkennen (1). Diese Scheibe wird durch Erhebungen ganz oder teilweise umrundet (2). Die Erhebungen stellen sich in einem bestimmten Winkel oder auch einer bestimmten geometrischen Form z. B. flach, konkav oder konvex dem anströmenden Medium (3) entgegen. Durch die Ablenkung des anströmenden Mediums mittels der hervorstehenden Elemente (2) – wenige oder rundum auf der Scheibe – wird die resultierende Kraft erhöht. Diesen Effekt nutzte Pelton bei der Anströmung seiner Turbinen.
In einer Ausführungsform betrug der Winkel alpha (4) z. B. 45 Grad. Dadurch dass die Luftströmung auf diese hervorstehenden-Elemente traf, konnte das Anlaufverhalten der Turbine verbessert werden. Das Moment, ausgelöst durch die Adhäsionskräfte des Mediums zwischen den Scheiben, wird erhöht durch das Ausnutzen der Strömungsenergie des Mediums.
Der Winkel kann in weiten Bereichen variiert werden z. B. von 30 Grad bis 150 Grad.
Im 1 ist der Prozess rechtslaufend dargestellt. Die Turbine wird mit Überdruck betrieben. Der Druckabbau wird genutzt zur Energieumwandlung z. B. in Strom – durch die Kombination mit einem Elektrogenerator. Gleichzeitig kühlt sich das Medium ab.
Im linkslaufenden Prozess kann auf die Erhebungen (2) ggfs. verzichtet werden. Die Turbine baut Druck auf unter Einsatz einer Antriebsquelle z. B. Elektromotor. Dies kann aber auch ein Pneumatik- oder Hydraulikmotor sein. Dieser Druckaufbau geht einher mit einer Temperaturerhöhung. Bei einem flüssigen Medium kann man auch von der Betriebsart „Pumpen” sprechen. Im linkslaufenden Prozess ist eine Wirkungsgraderhöhung dadurch zu erreichen, dass bereits im Ansaugkanal durch eine entsprechende Vorrichtung das Medium beim Übergang von der transversalen Richtung in eine rotatorische unterstützt wird.
Eine weitere Variable ist die Erhöhung der Elemente in Bezug zum Gesamtdurchmesser der Scheiben. In gebauten Varianten lag die Erhöhung h (5) zwischen ca. 5% bis 20% des Durchmessers (6) der Scheiben.
Damit wird durch die Variablen

– Anzahl der Scheiben,
– Dicke der Scheiben,
– Durchmesser der Scheiben,
– Anstellwinkel der Erhebungen auf der Scheibe
– Höhe der Erhebungen auf der Scheibe
– Anzahl der Erhebungen auf der Scheibe
– Abstand der Scheiben
– Material der Scheiben

Zusätzlich können Befestigungselemente (7) zwischen den Scheiben vorgesehen sein. Dies können einfach Schraubverbindungselemente sein – jedoch auch Elemente, die durch eine strömungsgünstige Form den Momentenverlauf zusätzlich verbessern. Darüber hinaus haben sie Einfluss auf das Schwingungsverhalten der Scheiben und damit des Gesamtsystems.
In 2 ist dokumentiert, wie sich die Ummantelung der Scheiben (8) immer enger an die Scheiben anlegt. Der Luftspalt verengt sich. Dadurch entsteht ein zusätzliches Moment, denn die Strömungsenergie des Mediums erfasst nicht nur die erste Erhebung sondern auch die folgenden-gleichzeitig erhöht sich durch die Verengung die Strömungsgeschwindigkeit (Bernoulli-Effekt).
In 3 dokumentiert, dass der Abstand zwischen den Scheiben (1) sowohl konstant als auch variierbar ist. Diese Abstandsvariation kann sinnvoll sein, wenn das Medium im Rahmen des Prozesses laufend verschiedene Zustände (flüssig, gasförmig) annimmt. Die Adhäsionskräfte werden auch durch die Zustandsform des Mediums beeinflusst. Die Untersuchungen mit dem Medium Luft führten z. B. bei einem Scheibendurchmesser von ca. 32 cm zu einem Optimum bei einem Scheibenabstand im Bereich von 0,2–0,5 mm.
In 4 ist beispielhaft dargestellt, dass durch eine Vorrichtung (9) die Scheiben sensorgeregelt während des laufenden Prozesses den Abstand verändern können. Sie werden z. B. durch Federelemente (10) auseinander gehalten. Bei einem flüssigen Zustand des Mediums ist der Abstand größer, beim gasförmigen Zustand kleiner. Ist der Abstand größer, dann verschwinden die nicht benötigten Scheiben in einer Ausbuchtung der Turbine (11). Das hier aufgezeigte Beispiel ist nur eines von vielen Möglichkeiten, den Abstand kontinuierlich während des Prozesses zu verändern.
In 5 ist dargestellt, wie durch eine andere Ausprägungsform statt der flachen Scheiben (1) gebogene Scheiben (12) zum Einsatz kommen. Durch diese Ausführungsform wird die Fläche, an der die Adhäsionskräfte wirksam werden, vergrößert bei einer gleichzeitig kompakten Form der Turbine.
In 6 ist dokumentiert, dass an den äußeren Begrenzungsscheiben dynamische Dichtungen zum Einsatz kommen. Da die Turbine mit sehr hohen Drehzahlen beaufschlagt wird, kann eine dynamische Dichtung (13) den Wirkungsgrad erheblich verbessern. Ein weiterer Vorteil dieser Dichtungsart ist, dass die Ausdehnung der drehenden Teile der Turbine bei wechselnden Temperaturen die Kollisionsgefahr verringert.
In 7 ist das Turbinensystem (14) als gekapselte Bauform dargestellt zur Verringerung der Leckverluste. Die Kraftübertragung nach extern erfolgt über Entkoppelungselemente z. B. in der Ausführungsform einer Magnetkupplung (15). Diese ist mit dem Generator/Motor (elektrisch, hydraulisch, pneumatisch) verbunden (16). Der Austrittsöffnung der Turbine ist durch (17) dargestellt.
In 8 sind die Scheiben (1) nicht an der zentralen Achse (18) befestigt, sondern an einer oder mehreren Tragscheiben (19). Dabei kommen Verbindungselemente (7) zum Einsatz. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass weniger Verwirbelungen im Ein-/Auslassbereich (17) auftreten.
Die Erfindung ist nicht auf die ausgeführten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern sie ist im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel. Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 1061206 [0025]
DE 102011112843 [0026]
DE 102012001713 [0027]

Claims

Verfahren mit den dazu gehörigen Vorrichtungen dadurch gekennzeichnet, dass eine Scheibenläuferturbine mit einer oder mehreren Scheiben zum Pumpen und Saugen von Flüssigkeiten sowie Druckerhöhen und Druckmindern, Heizen und Kühlen von Gasen zum Einsatz kommen, die auf dem Scheibenäußeren strömungsoptimierte Erhebungselemente besitzen, entweder einzeln oder rundum, die in einem bestimmten als auch variierbaren Winkel in gerader oder komplexer Form, sich dem anströmenden Medium entgegenstellen und dadurch der Wirkungsgrad der Scheibenläuferturbine sowohl durch die Momente, aufgebracht durch die Adhäsionskräfte als auch durch Momente, die die Strömungsenergie des Mediums den Erhebungen entgegenstellt, verbessert wird.
Verfahren mit den dazu gehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch feste Verbindungen zwischen den Scheiben, die sowohl einfache Schraubverbindugen sein können als auch strömungsoptimierte Verbindungen sowohl das Schwingungsverhalten als auch das Anströmverhalten verbessert wird.
Verfahren mit den dazu gehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass unter Zugrundelegung des Bernoulli Effektes durch einen immer engen werdenden Luftspalt zwischen den Scheiben und der Ummantelung sich die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und damit sich der Wirkungsgrad erhöht.
Verfahren mit den dazu gehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1,2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben in unterschiedlichen Abständen zueinander auf der Achse befestigt werden, und damit bei unterschiedlichen Temperaturverläufen den unterschiedlichen Zuständen des Mediums (flüssig, Nassdampf, Sattdampf, gasförmig) Rechnung getragen wird.
Verfahren mit den dazu gehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1,2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Scheiben entsprechend dem Zustand des Mediums während des Prozesses laufend verändert wird und mit Hilfe einer Regelungstechnik der optimale Abstand z. B. bezogen auf den Wirkungsgrad eingestellt wird. Dabei kommen variierbare Distanzelemente z. B. in Form von Federn zum Einsatz, und überflüssige Scheiben verschwinden in einer separaten Kammer der Turbine oder werden aus dieser Kammer hervorgeholt.
Verfahren mit den dazu gehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben nicht eben sind, sondern unterschiedlichen geometrischen Formen z. B. halbkreisförmig folgen und damit die Berührungsflächen der Scheiben bei kompakter Bauart der Gesamtturbine erhöht wird mit der Folge höherer Adhäsionskräfte pro Volumeneinheit.
Verfahren mit den dazu gehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1–6 dadurch gekennzeichnet, dass neben statischen Dichtungen auch dynamische Dichtungen zum Einsatz kommen und dadurch die Reibungs- und Leckverluste optimiert werden.
Verfahren mit den dazu gehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass zur Verminderung der Leckverluste und Reibungsverluste das Turbinensystem gekapselt wird und die Kraftübertragung nach extern über Kopplungselemente z. B. in Form von Magnetkupplungen zum Motor/Generator erfolgt.
Verfahren mit den dazu gehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1–8 dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben nicht an einer zentralen Achse befestigt werden, sondern an einer oder mehreren tragenden Scheiben, und dadurch die Strömungsverluste im Einlass-/Auslasskanal verringert werden.