DE102014006505A1 - Apperatur zur Erzeugung von mechanischer oder elektrischer Energie durch die Nutzung eines im Verhältnis zum Stand der Technik geringen Temperaturdifferenz - Google Patents

Abstract

Technische Aufgabe und Zielsetzung Die Apparatur erzeugt im Gegensatz zum Stand der Technik schon bei sehr geringen Temperaturdifferenzen (z. B. 10 K) mechanisch bzw. elektrisch nutzbare Energie. Hierdurch ist es möglich, ohne unmittelbare Abhängigkeit von Wind und Sonne kontinuierlich regenerative und technisch nutzbare Energie mit vertretbarem technischem Aufwand zu erzeugen. Lösung der technischen Aufgabe Die Apparatur besteht aus einer festen Verbindung von thermischem Aktor und Flüssigkeitspumpe. Diese Einheit wird wechselweise in eine wärmeres Wärmeträgermedium und eine kälteres Wärmeträgermedium getaucht. Dabei verformt sich im thermischen Aktor eine große Zahl von linsenartig vorgespannten Thermobimetallen und treibt mittels einer Kolbenstange eine Flüssigkeitspumpe an. Die dabei entstehende Druckenergie erhöht die Druckenergie in einem Druckspeicher, um die stoßfreien und kontinuierlichen Betrieb eines Generators zu ermöglichen. Die jeweiligen Wärmeenergien werden in geeigneten Wärmespeichern gespeichert und mittels herkömmlicher Wärmetauscher der Atmosphäre, Gewässern oder dem Erdreich entnommen. Anwendungsgebiet Die Apparatur kommt dort zum Einsatz, wo große Wärmemengen mit relativ geringer Temperaturdifferenz zur Erzeugung von für den Menschen nutzbaren Energien, wie elektrischer Strom, genutzt werden sollen. Aufgrund der hohen Energieumsetzung pro Zyklus und somit einer hohen Energiedichte kann die Apparatur mit relativ geringen Kosten bei der Vorsorgung von Haushalten mit Energie oder der Verstromung von Prozesswärme genutzt werden. Durch den emissionsfreien Betrieb kann Apparatur auch in Wohngebieten zur Anwendung kommen und stellt besonders im Winter eine Alternative zur Photovoltaik dar.

Description

• Es ist bekannt, mechanisch nutzbare Energie durch die Anwendung eines thermodynamischen Prozesses herzustellen. Dies geschieht gegenwärtig durch vielfältige Wärmekraftmaschinen, die bei wirtschaftlicher Nutzung eine relativ große Temperaturdifferenz zum Antrieb erfordern. Ebenso bekannte Niedrigtemperaturgeräte (LTD) sind aufgrund der geringen Energiedichte bis heute nicht wirtschaftlich nutzbar, da diese i. A. mit Gasen als Prozessmedium arbeiten und demnach in Verbindung mit der geringen Dichte und der geringen Temperaturdifferenz pro Zyklus wenig Arbeit verrichten. Die Nutzung bei geringen Temperaturdifferenzen, wie sie beispielsweise durch die Tag-Nachttemperaturdifferenz gegeben ist, erfordert nach dem Stand der Technik sehr große Apparate, um beispielsweise ein Haus mit Energie zu versorgen.
• Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass sich Wärmemengen auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau oftmals nicht wirtschaftlich nutzen lassen, da die zur Umsetzung der thermischen Energie in für den Menschen nutzbare Energie zu große bzw. zu teure Apparate erfordert. So kann die im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung anfallende Wärme nur unmittelbar genutzt werden, indem die Wärme zum direkten Heizen eines Prozesses oder einer nahe gelegenen Infrastruktur genutzt wird. Im Besonderen ist es mit der Technologie des Standes der Technik nicht mit vertretbarem Aufwand möglich, elektrische regenerative Energie aus den täglichen Temperaturschwankungen der Atmosphäre zu gewinnen.
• Diese Probleme werden durch die in den Patentansprüchen 1 bis 3 aufgeführten Merkmale gelöst.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, aus zwei Wärmemengen mit einer geringen Temperaturdifferenz unmittelbar mechanische Energie bzw. elektrische Energie zu erzeugen. Aufgrund der relativ großen Energiedichte der Apparatur kann mit relativ geringem technischen Aufwand kontinuierlich mittels geringer Temperaturdifferenzen, wie sie beispielsweise durch die in dem Wechsel von Tag und Nacht begründet sind, elektrische Energie erzeugt werden. So kann die Apparatur beispielsweise zum Heizen von Wohnhäusern genutzt werden, da die unterschiedlich temperierten Wärmemengen in Verbindung mit den Wärmespeichern nahezu unabhängig von Wind und Sonne zur Verfügung stehen. Auch im Winter lässt sich aufgrund der Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht stets die zum Betrieb der Apparatur erforderliche Temperaturdifferenz nutzen, ggf. in Verbindung mit im Erdreich verlegten Wärmetauschern.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in 2 in Verbindung mit 1 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Alternativ zur folgend dargestellten Ausführung kann die Einheit (3) auch fest installiert werden und der thermische Aktor (2) durch eine geeignete Flüssigkeitsversorgung mit den unterschiedlich temperierten Medien durchströmt werden.
• Es zeigen
• 1 die Einheit (3) aus thermischem Aktor (1) und Flüssigkeitspumpe (2), einen Druckenergiespeicher (15), einen durch eine Verdrängermaschine oder durch eine Turbine angetriebenen Generator (10), ein Sammelbecken (19), jeweils zwei Rückschlagventile (21) für den Saugteil und zwei Rückschlagventile (22) für den Druckteil des Leitungssystems.
• 2 die Drehbare Lagerung (4) der Einheit aus thermischem Aktor (1) und Flüssigkeitspumpe (3), Eintauchbecken für das kältere und das wärmere Wärmeträgermedium.
• 3 ein Anlagenschema, wie es vorteilhaft beim Betrieb der hier beschriebenen Apparatur zur Erzeugen von mechanischer bzw. elektrischer Energie bei der Nutzung der atmosphärischen Temperaturdifferenz oder der bei der Nutzung von entsprechenden Temperaturdifferenzen in thermischen Prozessen verwendet werden kann.
• Bezugszeichenliste

1

Thermischer Aktor aus Thermobimetallen

2

Flüssigkeitspumpe

3

Einheit aus thermischem Aktor und Flüssigkeitspumpe

4

Drehbare Lagerung

5

Gegengewichte

6

kälteres Wärmeträgermedium

7

wärmeres Wärmeträgermedium

8

Feder

9

10

Generator

11

kalter Wärmespeicher

12

warmer Wärmespeicher

13

Wärmetauscher

14

15

Druckenergiespeicher

16

17

18

19

Sammelbecken

20

Wärmeisolierte Eintauchbecken

21

Rückschlagventile am Saugteil

22

Rückschlagventile am Druckteil

23

Kolbenstange

24

Vorspannfeder

25

Thermobimetalle

26

Hydraulikflüssigkeit

• Es folgt die Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnungen nach Aufbau und nach der Wirkungsweise der dargestellten Erfindung.
• Die Einheit (3) aus thermischem Aktor (1) und Flüssigkeitspumpe (Pumpe) (2) wird wahlweise wechselhaft in ein kälteres Wärmeträgermedium (6) und ein wärmeres Wärmeträgermedium (7) getaucht oder wechselweise mit einem kälteren Wärmeträgermedium und einem kälteren Wärmeträgermedium durchströmt. Dadurch verformen sich die Thermobimetalle (25) und verfahren über die Kolbenstange (23) den Kolben der Flüssigkeitspumpe. Bei jedem Gang des Kolbens wird sowohl Hydraulikflüssigkeit angesaugt als auch unter erhöhtem Druck gefördert. Der Zu- und Rücklauf wird über entsprechende Rückschlagventile (21, 22) geregelt. Der Betriebspunkt der Einheit (3) kann durch Variation der Vorspannkraft mittels Vorspannfeder (24) eingestellt werden. Die zyklischen Pumpstöße werden vorteilhaft über einen geeigneten Druckenergiespeicher (15) abgefangen, so dass eine Verdrängermaschine oder eine Turbine kontinuierlich mit der erforderlichen Enthalpie und ohne Druckschwankungen zum Antrieb eines Generators (10) beaufschlagt wird. Nachdem das entspannt Arbeitsmedium (z. B. Hydraulikflüssigkeit) den Druck an der Verdrängermaschine bzw. der Turbine abgegeben hat, wird es in einem Sammelbecken (19) gesammelt und kann beim nächsten Pumpenhub erneut angesaugt werden. Durch kontinuierliche Durchströmung des kälteren Eintauchbeckens mit kälterem Wärmeträgermedium und ebenso kontinuierliche Durchströmung des wärmeren Beckens mit dem wärmeren Wärmeträgermedium wird im Bereich der Eintauchbecken kontinuierlich die maximal verfügbare Temperaturdifferenz bevorratet. Die Einheit (3) aus thermischen Aktor und Flüssigkeitspumpe wird über eine mittels Gegengewicht (4) austarierte Lagerung (4) durch eine Drehbewegung wechselweise in das kältere und das wärmere Wärmeträgermedium getaucht. Aufgrund der austarierten Lagerung sind somit beim Wechsel der Position nur die Reibungswiderstände zu überwinden. Wird die Apparatur zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels der atmosphärischen Temperaturdifferenz, ggf. auch unter Nutzung von öffentlichen Gewässern oder der Wärme des Erdreiches, genutzt, so ist eine Bevorratung der beiden Wärmemengen in einem kälteren Wärmespeicher (11) und einem wärmeren Wärmespeicher (12) erforderlich. Das in 3 dargestellt Anlagenschema (ohne Reglungstechnik) ermöglicht den Betrieb mit einem Wärmetauscher (27). Sollen beide Temperaturpotentiale synchron zur Regeneration der beiden Wärmeenergiespeicher genutzt werden, so sind ggf. weitere Wärmetauscher entsprechend der verfügbaren Energiepotentiale zu ergänzen. Das hier dargestellte Schema ermöglicht die Erzeugung von mechanischer bzw. elektrischer Energie bei gleichzeitiger Regeneration eines der beiden Wärmemengenspeicher.

Claims (3)

1. Apparatur zur Erzeugung von mechanischer oder elektrischer Energie durch die Nutzung einer im Verhältnis zum Stand der Technik geringen Temperaturdifferenz durch folgende Merkmale gekennzeichnet: a) ein aus einer großen Anzahl von linsenartig geformten Thermobimetallen bestehender thermischer Aktor (1) bzw. Thermostellelement ist mit einer Flüssigkeitspumpe axial (2) fest verbunden, so dass der thermische Aktor (1) bei thermischen Schwankungen die Flüssigkeitspumpe antreibt, b) die Einheit (3) aus thermischem Aktor (1) und Flüssigkeitspumpe (2) wird wechselweise in das kältere und das wärmere Wärmeträgermedium getaucht bzw. wechselweise vom kälteren und vom wärmeren Wärmeträgermedium durchströmt, c) die Flüssigkeitspumpe (2) treibt wahlweise direkt einen Generator (10) oder ein anderes Aggregat an oder erhöht die Energie in einem Druckenergiespeicher (15), beispielsweise durch das Spannen einer Feder (8) oder das Füllen eines hochgelegenen Flüssigkeitsbehälters (nicht dargestellt).
2. Apparatur zur Erzeugung von mechanischer oder elektrischer Energie nach Anspruch 1 durch folgende weitere Merkmale gekennzeichnet: a) die Einheit (3) aus thermischem Aktor (1) und Flüssigkeitspumpe (2) ist derart drehbar gelagert (4), dass diese durch eine hin und hergehende Drehbewegung abwechselnd in das kältere Wärmeträgermedium (6) und das wärmere Wärmeträgermedium (7) getaucht werden kann, b) die Einheit (3) ist auf der drehbaren Lagerung (4) mit entsprechenden Gegengewichten (5) versehen, wodurch der Wechsel zwischen den beiden Wärmeträgermedien (6, 7) nominell ohne Arbeit verrichtet werden kann. c) Unterhalb der Einheit (3) sind zwei wärmeisolierte Eintauchecken (20) angeordnet, von denen ein Becken mit dem kälteren Wärmeträgermedium (6) und das andere Becken mit dem wärmeren Wärmeträgermedium (7) durchströmt werden.
3. Apparatur zur Erzeugung von mechanischer oder elektrischer Energie nach Anspruch 1 durch folgende weitere Merkmale gekennzeichnet: a) Die Wärmemengen werden wahlweise jeweils mit einem kalten Wärmespeicher (11) und einem warmen Wärmespeicher (12) bevorratet, die je nach verfügbarem Energieangebot zur schnellen Aufnahme und Speicherung des warmen bzw. kalten Energiepotentials dienen. b) Die jeweiligen warmen und kalten Wärmemengen werden über geeignete Wärmetauscher (13) der Atmosphäre, den vorhandenen Gewässern oder dem Erdreich entnommen. c) Eine Regelungstechnik (nicht dargestellt) leitet bei niedrigerer Temperatur der Atmosphäre bzw. des Prozess als der Temperatur im kälteren Wärmespeicher das kalte Wärmeträgermedium auf den jeweiligen kalten Wärmetauscher und bei einer größeren Temperatur der Atmosphäre bzw. der Prozesstemperatur als der Temperatur im warmen Wärmespeicher das warme Wärmeträgermedium des warmen Wärmespeicher auf den entsprechenden warmen Wärmetauscher.

Images