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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Antreiben einer Generatorwelle, insbesondere der Welle eines Stromgenerators zum Erzeugen von elektrischem Strom, durch Umwandlung von Wärmeenergie in Bewegungsenergie. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein System mit mehreren dieser Vorrichtungen.
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Aus dem Stand der Technik sind sogenannte Auftriebskraftwerke bekannt, bei denen in einem Flüssigkeitsbehälter angeordnete Auftriebskörper mit einem Gas befüllt werden und anschließend aufgrund der auf sie wirkenden Auftriebskräfte aufsteigen, wobei die Auftriebskörper an einem Zugmittelgetriebe oder dergleichen befestigt sind und somit durch die Bewegung der Auftriebskörper ein Antreiben einer Generatorwelle erfolgt.
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Die Wirkungsweise und die Effizienz solcher Auftriebskraftwerke waren bereits Gegenstand mehrerer Patentanmeldungen. Ein mit einem zufriedenstellenden Ergebnis arbeitendes Auftriebskraftwerk konnte jedoch bisher nicht zur Verfügung gestellt werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bisher veröffentlichte Technik zu verbessern und unter Zugrundelegung der Idee eines Auftriebskraftwerks ein funktionierendes Arbeitsprinzip zum Antreiben einer Generatorwelle zu beschreiben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 5 bzw. durch ein System nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung und umgekehrt.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß bereits sehr viel Energie benötigt wird, um die Auftriebskörper mit dem gasförmigen Auftriebsmedium zu befüllen, da hierbei die sich bis dahin in den Auftriebskörpern befindende Flüssigkeit aus den Auftriebskörpern herausgedrückt werden muß.
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Um diesen Nachteil der bekannten Vorrichtungen zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Auftriebsmedium dem Auftriebskörper nicht in gasförmiger Form zuzuführen. Statt dessen wird dem Auftriebskörper das Auftriebsmedium in flüssiger Form zugeführt. Die Vorrichtung ist derart ausgeführt, daß das Auftriebsmedium in dem Auftriebskörper verdampft. Aufgrund der mit der Verdampfung einhergehenden Volumenausdehnung verdrängt das Auftriebsmedium die sich in dem Auftriebskörper befindende Flüssigkeit. Dabei muß lediglich eine vergleichsweise geringe Menge an Auftriebsmedium in den Auftriebskörper eingebracht werden, da sich das Auftriebsmedium bei der Verdampfung auf ein Vielfaches seines ursprünglichen Volumens ausdehnt. Das Verdrängen der sich in den Auftriebskörpern befindenden Flüssigkeit erfolgt also nicht in erster Linie durch das aktive Zuführen des Auftriebsmediums in flüssiger Form, sondern aufgrund der sich anschließenden, selbsttätigen Verdampfung des flüssigen Auftriebsmediums. Das gasförmige Auftriebsmedium drückt die Flüssigkeit aus den Auftriebskörpern heraus.
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Die für die Verdampfung des Auftriebsmediums notwendige Verdampfungswärme wird der Umgebung des Auftriebskörpers entzogen. Um die benötigte Wärmemenge bereitzustellen, wird die Flüssigkeit in dem Behälter, in dem die Auftriebskörper angeordnet sind, auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb der Verdampfungstemperatur des Auftriebsmediums liegt. Die Temperatur des Auftriebsmediums während des Zuführ- bzw. Einspritzvorgangs liegt noch unterhalb der Verdampfungstemperatur, steigt aber bereits während der Zuführung, die bereits teilweise durch den mit entsprechend temperierter Flüssigkeit befüllten Behälter erfolgt, an. Nach Erreichen des Auftriebskörpers wird die Verdampfungstemperatur erreicht und das in flüssiger Form eingespritzte Auftriebsmedium verdampft im Inneren des Auftriebskörpers.
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Vorzugsweise ist die benötigte Verdampfungswärme des Auftriebsmediums gering und die zu diesem Zweck der Flüssigkeit in dem Behälter zuzuführende Energie minimal. Andererseits soll sich das geeignete Auftriebsmedium während des Verdampfens stark ausdehnen, so daß möglichst wenig Auftriebsmedium in flüssiger Form zugeführt werden muß.
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Günstige Kombinationen sind beispielsweise die Verwendung von Wasser als Flüssigkeit in dem Behälter und einem Auftriebsmedium mit einer Verdampfungstemperatur, die unter der Wassertemperatur liegt. Dies ist beispielsweise bei verschiedenen sogenannten Kältemitteln der Fall, beispielweise bei Ether (z.B. Diethylether).
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Eine andere Kombination sieht die Verwendung von Öl als Behälterflüssigkeit vor. In diesem Fall kann auch Wasser als Auftriebsmedium verwendet werden. Auch hier weist das Auftriebsmedium eine Verdampfungstemperatur auf, die unter der Temperatur der Behälterflüssigkeit liegt. Bei dem Öl kann es sich beispielsweise um ein Wärmeträgeröl, wie Diphyl THT, handeln. Während bei einer Verwendung eines Kältemittels oder eines anderen synthetischen Arbeitsmittels (wie beispielsweise Korasilon Öl M 0,65) als Auftriebsmedium das Wasser nur auf eine Temperatur entsprechend des Siedepunktes des verwendeten Auftriebsmediums (typischerweise in einem Bereich zwischen 30 °C und 90°C) erwärmt werden muß, kann bei der Verwendung von Wasser als Auftriebsmedium eine viel größere Ausdehnung erwartet werden (Faktor 1672). Jedoch muß hierfür das Öl stärker erwärmt werden, typischerweise auf über 100°C.
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Zum Erwärmen der Flüssigkeit wird vorzugsweise „überschüssige Energie“ verwendet, also Energie, die zu einem bestimmten Zeitpunkt durch Solarthermie, Erdwärme oder dergleichen „erzeugt“, jedoch nicht anderweitig benötigt wird. Zu diesem Zweck kann in dem Flüssigkeitsbehälter beispielsweise ein Wärmetauscher vorgesehen sein, der an eine solche externe Wärmequelle anschließbar ist. Die dafür geeigneten Systeme, Anlagen und Steuerungen sind dem Fachmann bekannt und bedürfen daher an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung.
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Als vorteilhaft hat sich eine Ausführung der Erfindung erwiesen, bei der das Auftriebsmedium einen Kreislauf beschreibt. Dabei wird das in Gasform vorliegende Auftriebsmedium nach dem Austritt aus dem Auftriebskörper erneut in seine flüssige Form gebracht und kann wiederholt in die Auftriebskörper eingespritzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Vorrichtungen als Module eines Systems hintereinander angeschlossen. Das Verflüssigen erfolgt vorzugsweise selbsttätig, beispielsweise mit Hilfe von über der Flüssigkeitsoberfläche des Behälters angeordneten Kühlblechen oder dergleichen, an denen das Auftriebsmedium kondensieren kann, oder aber bei einer Reihenschaltung mehrerer Module zur mehrfachen Realisierung gleichartiger Kreisprozesse über Wärmetauscher im nachgeschalteten Behälter. Vorzugsweise wird die beim Verflüssigen wieder abgegebene Kondensationswärme (Restwärme) erneut genutzt, beispielsweise indem sie dem ersten Modul über eine Wärmepumpe wieder zugeführt wird oder für Heizzwecke, wie beispielsweise zum Betreiben einer Fußbodenheizung oder dergleichen.
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Nach dem Aufsteigen des Auftriebskörpers in der oberen Position wird der Auftriebskörper entleert, anschließend mit Flüssigkeit befüllt und mit Hilfe eines Zugmittels wieder in die untere Position gebracht. Die Auftriebskörper sind zu diesem Zweck in dem Flüssigkeitsbehälter heb- und senkbar angeordnet und zwar derart, daß die Steigbewegung der Auftriebskörper zum Antreiben der Antriebswelle nutzbar ist.
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Auf welche Art und Weise die Steigbewegung der Auftriebskörper zum Antreiben der Generatorwelle genutzt wird, ist von lediglich untergeordneter Bedeutung. Üblicherweise erfolgt das Umwandeln dieser Bewegung in eine Drehbewegung mit Hilfe eines Zugmittels bzw. Zugmittelgetriebes, mit dem die Auftriebskörper auf geeignete Weise verbunden sind. Andere Übertragungsmittel sind jedoch ebenfalls möglich. In allen Fällen erfolgt der Antrieb der Generatorwelle zumindest unter Mitwirkung der durch die Auftriebskraft hervorgerufenen Steigbewegungen der Auftriebskörper unter Verwendung einer geeigneten Wirkverbindung zwischen den Auftriebskörpern und der Generatorwelle.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 einen Schnitt durch ein mit der vorliegenden Erfindung ausgestattetes Auftriebskraftwerk (erste Ausführungsform),
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2 einen Schnitt durch ein mit der vorliegenden Erfindung ausgestattetes Auftriebskraftwerk (zweite Ausführungsform).
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Die Figuren zeigen die Erfindung nicht maßstabsgerecht, dabei lediglich schematisch und nur mit ihren wesentlichen Bestandteilen.
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Die in 1 abgebildete Vorrichtung 1 zum Antreiben einer Generatorwelle 2 umfaßt einen Behälter 3, der im vorliegenden Beispiel mit Wasser 4 gefüllt ist. In dem Behälter 3 sind mehrere heb- und senkbar angeordnete Auftriebskörper 5 vorgesehen. Die als Hohlkörper ausgeführten Auftriebskörper 5 sind auf bekannte Weise an einem mit durchbrochener Linie angedeuteten Zugmitteltrieb 6 befestigt, der die Generatorwelle 2 antreibt, sobald die Auftriebskörper 5 eine Steigbewegung 7 ausführen. Die Abwärtsbewegung 8 der Auftriebskörper erfolgt durch den Zugmitteltrieb 6. Mit Hilfe einer an einer Zuführleitung 9 angeschlossenen Düse 10 werden die Auftriebskörper 5 in einer geeigneten unteren Position 11 in dem Behälter 3 mit einem flüssigem Auftriebsmedium 12 befüllt. Das für diesen Zweck geeignet ausgewählte Auftriebsmedium 12 verdampft in dem Auftriebskörper 5 und verdrängt dabei das sich in dem Auftriebskörper 5 befindende Wasser 4. Jeder Auftriebskörper 5 verfügt über eine Anzahl Ein- bzw. Ausgangsöffnungen für das Auftriebsmedium 12 bzw. Wasser 4, wobei in 1 symbolisch lediglich eine einzige Öffnung je Auftriebskörper 5 abgebildet ist.
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Aufgrund der auf ihn wirkenden Auftriebskraft steigt jeder mit gasförmigem Auftriebsmedium 12 befüllte Auftriebskörper 5, geführt durch den Zugmitteltrieb 6, in Steigrichtung 7 zu einer oberen Position 13 in dem Behälter 3 auf. Dabei treibt die Bewegung des Auftriebskörpers 5 den Zugmitteltrieb 6 und dieser die Generatorwelle 2 an.
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Damit das Auftriebsmedium 12 verdampft, wird das Wasser 4 in dem Behälter 3 auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur vom Auftriebsmedium 12 erwärmt. Dies erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines in dem Wasser 4 angeordneten Wärmetauschers 14, der an eine externe Wärmequelle 15 anschließbar ist.
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Erreichen die gasbefüllten Auftriebskörper 5 ihre obere Position 13 in dem Behälter 3, an der Wasseroberfläche 16, werden sie mit geeigneten Mitteln entleert. Das Entleeren kann dabei im einfachsten Fall selbsttätig erfolgen, vorzugsweise allein aufgrund der durch den Zugmitteltrieb 6 vorgegebenen Lageänderung der Auftriebskörper 5 im Bereich der Wasseroberfläche 16, eine geeignete Konstruktion der Auftriebskörper 5 vorausgesetzt.
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Anschließend werden die Auftriebskörper 5 mit Wasser 4 befüllt, was erneut vorzugsweise selbsttätig erfolgt, indem die Auftriebskörper vollaufen. Die Auftriebskörper 5 bewegen sich daraufhin, geführt durch den Zugmitteltrieb 6, in Abwärtsrichtung 8 in eine untere Position 11 in dem Behälter 3, wo sie erneut mit flüssigem Auftriebsmedium 12 befüllt werden, welches unmittelbar anschließend verdampft.
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Oberhalb der Wasseroberfläche 16 ist ein Kühlblech 17 vorgesehen, welches als eine Art Behälterdeckel ausgeführt ist, den Behälter 3 nach oben abschließt und ihn mit der Zuführleitung 9 verbindet. Das aus den Auftriebskörpern 5 austretende und nach oben steigende, gasförmige Auftriebsmedium 12 wird an dem Kühlblech 17 kondensiert und in flüssiger Form erneut der Zufuhrleitung 9 zugeführt. Ein Auffangtrichter 18 leitet das kondensierte Auftriebsmedium der Zuführleitung 9 zu. Sollte die in der Zufuhrleitung 9 stehende Flüssigkeitssäule 19 nicht ausreichen, um die geringe benötigte Menge an Auftriebsmedium 12 in die Auftriebskörper 5 einzuspritzen, kann zusätzlich eine Pumpe oder dergleichen (nicht abgebildet) in der Zufuhrleitung 9 vorgesehen sein.
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Das in 2 abgebildete System 100 umfaßt mehrere der in 1 illustrierten Vorrichtungen 1a, 1b, 1c, 1d zur Ausführung gleichartiger Kreisprozesse, wobei diese Vorrichtungen 1 als Module kaskadenförmig hintereinander geschaltet sind. Es ist in jedem Behälter 3 lediglich ein Paar Auftriebskörper 5 schematisch angedeutet.
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Mit einer solchen Anordnung kann, als Alternative zu dem oben beschriebenen Kühlblech, die Kondensationswärme mehrfach genutzt werden. Die Behälter 3 sind mit Flüssigkeiten 4 (z. B. Wasser oder Öl) befüllt. Jedoch werden in den unterschiedlichen Modulen voneinander verschiedene Auftriebsmedien 12 verwendet, und zwar in Prozeßrichtung 101 mit absteigender Verdampfungstemperatur. So weist das Auftriebsmedium 12 des ersten Moduls 1a beispielsweise eine Verdampfungstemperatur 90°C auf, während die Auftriebsmedien 12 des zweiten, dritten und vierten Moduls 1b, 1c, 1d beispielsweise eine Verdampfungstemperatur von 70°C, 50°C, 30°C aufweisen.
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Das Auftriebsmedium 12 des ersten Moduls 1a wird zur Verflüssigung durch einen Wärmetauscher 14 geleitet, welcher sich in dem Behälter 3 des in Prozeßrichtung 101 nachgeschalteten Moduls 1b befindet. Die Flüssigkeit 4 in dem nachgeschalteten Behälter wird dann durch die abgegebene Kondensationswärme (ggf. unter Verwendung zusätzlicher Wärmequellen) auf die erforderliche, gegenüber dem vorherigen Modul 1a niedrigere Prozeßtemperatur erwärmt. An das letzte Modul 1d angeschlossen ist ein Wärmetauscher 102, der die restliche Wärme beispielsweise zu Heizzwecken bereitstellt oder aber über eine Wärmepumpe (nicht dargestellt) dem ersten Modul 1a wieder zur Erwärmung der Behälterflüssigkeit 4 zur Verfügung stellt.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Generatorwelle
- 3
- Behälter
- 4
- Behälterflüssigkeit, Wasser, Öl
- 5
- Auftriebskörper
- 6
- Zugmitteltrieb
- 7
- Steigbewegung, Steigrichtung
- 8
- Abwärtsbewegung, Abwärtsrichtung
- 9
- Zuführleitung
- 10
- Düse
- 11
- untere Position
- 12
- Auftriebsmedium
- 13
- obere Position
- 14
- Wärmetauscher
- 15
- externe Wärmequelle
- 16
- Wasseroberfläche
- 17
- Kühlblech, Behälterdeckel
- 18
- Auffangtrichter
- 19
- Flüssigkeitssäule
- 100
- System
- 101
- Prozeßrichtung
- 102
- Wärmetauscher
