DE102017001217A1 - Method for using flow and buoyancy force by means of compressed air in a fluid - Google Patents

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Abstract

In dem Verfahren zur Nutzung von Strömung und Auftriebskraft mittels Duckluft in einem Fluid wird Druckluft aus einen Druckluftanschluß (1) über einen Luftsprudler (2) in das Fluid gefüllte Fluidströmungsrohr (8) einleitet. Die Luftbläschen der Druckluft bewirken eine Zirkulation des Fluidkreislaufs. An dem oberen Wendepunkt des Fluidkreislaufs werden die Luftbläschen der Druckluft aus dem Fluidkreislauf ausgeschieden und dienen zum Antrieb eines Schaufelrads (4) innerhalb eines Aussprudelbehälter der Druckluft (5), unterhalb des Fluidfüllstands (12) . Das von der Luft getrennte Fluid treibt im weiteren Verlauf des Fluidkreislaufs eine Strömungsturbine (3) an. Die nun vorliegenden Antriebsleistungen an Schaufelrad und Strömungsturbine können über Generatoren elektrisch (6) umgewandelt werden. So liegt uns mit diesem Verfahren eine effektive Nutzung zur Energierückgewinnung aus Druckluft vor.In the method of utilizing flow and buoyancy force by means of duck air in a fluid, compressed air from a compressed air port (1) is introduced into the fluid filled fluid flow tube (8) via an aerator (2). The air bubbles of the compressed air cause a circulation of the fluid circuit. At the upper inflection point of the fluid circuit, the air bubbles of the compressed air are discharged from the fluid circuit and serve to drive a paddle wheel (4) within a Aussprudelbehälter compressed air (5), below the fluid level (12). The fluid separated from the air drives a flow turbine (3) in the further course of the fluid circuit. The drive power now present on the impeller and the flow turbine can be electrically converted by generators (6). Thus, this method provides us with an effective use for energy recovery from compressed air.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von Strömung und Auftriebskraft mittels Duckluft in einem Fluid.The invention relates to a method for the use of flow and buoyancy force by Duckluft in a fluid.

Problematikproblem

Die regenerativen Energien bekommen einen immer größer werdenden Stellenwert an der Gesamtkapazität unseres Energiebedarfs. So besteht jedoch auch eine große Problematik in der zeitlichen Bedarfsdeckung. Der Wind weht nicht und die Sonne scheint nicht synchron mit unserem Strombedarf. So entstehen halt Bedarfsengpässe, die wieder durch herkömmliche fossile oder nukleare Energien, mit denen ihrerseits bekannten Problemen der Umweltverschmutzung abgedeckt werden müssen. Auch die Einspeisung von Überkapazitäten der regenerativen Energien in Batterien ist keine befriediegende Lösung, da die Batterien sich mit der Zeit selbst entladen und auch vom Umweltgedanken nicht gerade als sauber zu bezeichnen sind. Im Hinblick darauf bekommen die Luftdruckspeicher ein immer größeres Interesse, zumal an der Küste die großen Windparks Onshore wie Offshore entstehen und dort kein großes Höhenpotential für Pumpspeicherkraftwerke möglich ist. Um Druckluft optimal zum Antrieb von Turbinen zu nutzen, gibt es jedoch einige Probleme (Vereisung, Materialverschleiß) des nicht isotherm stattfindenden Prozesses der Druckluftentspannung.Renewable energies are becoming increasingly important in terms of the total capacity of our energy needs. However, there is also a great problem in the temporal needs. The wind is not blowing and the sun is not in sync with our electricity needs. This creates bottlenecks that can be met by conventional fossil or nuclear energy, which in turn must be used to address known environmental pollution problems. Also, the supply of excess capacity of the regenerative energy in batteries is not a satisfactory solution, since the batteries are self-discharging over time and are not just to call the environmental concept clean. In view of this, the air accumulators are gaining in interest, especially since the large onshore and offshore wind farms are being developed on the coast and there is no great potential for pumped storage power stations. However, in order to use compressed air optimally for driving turbines, there are some problems (icing, material wear) of the non-isothermal process of compressed air relaxation.

Dies wird nun mit dem hier vorliegenden Verfahren zur Nutzung von Strömung und Auftriebskraft mittels Duckluft in einem Fluid nachhaltig und umweltschonend gelöst.This is now solved with the present method for the use of flow and buoyancy force by Duckluft in a fluid sustainable and environmentally friendly.

Stand der TechnikState of the art

Wassersprudler sind auch unter der Bezeichnung Airlifter bekannt und werden vielfält genutzt. Meist dienen sie der kostengünstigen Umwälzung von Wasser in Teichanlagen. Wasserräder dienen der Menschheit schon lange als Antrieb in Wassermühlen und sind sehr bekannt. Eine neuere und effektivere Art von Wasserrad ist die Peltonturbine. An Strömungsturbinen sind die Franzisturbine und die Kaplanturbine sehr gebräuchlich. Eine weniger gebräuchliche Art, ist die unter der Bezeichnung Teslatubine bekannte Scheibenläuferturbine.Water sprinklers are also known as airlifters and are widely used. Mostly, they serve the cost-effective circulation of water in pond systems. Water wheels have long served humanity as a drive in water mills and are well known. A newer and more effective type of waterwheel is the Pelton turbine. On turbines are the Franciscan turbine and the Kaplan turbine very common. A less common species is the disc rotor turbine known as Teslatubine.

Aufbau/FunktionDesign / Function

Das Verfahren zur Nutzung von Strömung und Auftriebskraft mittels Duckluft in einem Fluid, nutzt die Duckluft aus einem Druckluftanschluß (1), an dem vorzugsweise die Duckluft aus der Energie von Überkapazitäten aus regenerativen Energien, die zum Beispiel in Druckluftspeichern gespeichert wird, anliegt.The method for utilizing flow and buoyancy force by means of duck air in a fluid, uses the Duckluft from a compressed air connection ( 1 ), at which preferably the Duckluft from the energy of overcapacities from renewable energy, which is stored for example in compressed air reservoirs, is applied.

Hierzu Figur 1. auf Zeichnung Blatt 1For this figure 1 , on drawing sheet 1

Aus einer Druckluftquelle wird die Druckluft über den Druckluftanschluß (1) bei Bedarf zur Druckkammer des Luftsprudlers (2) eingeleitet. Die Druckluftkammer des Luftsprudlers (2) umschließt das mit einem Fluid gefüllte Fluidströmungsrohr(8). Durch kleine Löcher (0,5mm- 1,5mm), die sich in der Wandung zwischen Druckkammer des Luftsprudlers (2) und dem Fluid gefüllten Fluidströmungsrohr (8) befinden kann die Druckluft in kleinen Luftbläschen in das Fluid einströmen. Hierdurch wird eine Strömung des Fluids im Fluidströmungsrohr erzeugt. Bekannt ist dieses Verfahren zur Wasserumwälzung unter der Bezeichnung Airlifter und wird bei einigen Teichbesitzern verwendet. Der Effekt wird durch die Dichteänderung des nun vorliegenden Luft/Fluid-Gemischs bewirkt, welches leichter ist als das von der Luft entsprudelte Fluid auf der Gegenseite des Fluidkreislaufs.From a source of compressed air, the compressed air via the compressed air connection ( 1 ) if necessary to the pressure chamber of the aerator ( 2 ). The compressed air chamber of the aerator ( 2 ) encloses the fluid flow tube (8) filled with a fluid. Through small holes (0.5mm-1.5mm), which are located in the wall between the pressure chamber of the aerator ( 2 ) and the fluid-filled fluid flow tube (FIG. 8th ), the compressed air can flow into the fluid in small air bubbles. As a result, a flow of the fluid is generated in the fluid flow tube. This method of water circulation is known as airlifter and is used by some pond owners. The effect is caused by the density change of the now present air / fluid mixture, which is lighter than the air bubbled by the air on the opposite side of the fluid circuit.

Am höchsten Punkt des Fluidströmungskreislaufs werden die Luftbläschen über einen Abgang zum Aussprudelbehälter (9) aus dem Fluidströmungskreislauf an einen Spoiler (13) in einen Aussprudelbehälter der Druckluft (5) weitergeleitet. Die Luftbläschen werden von dem Spoiler (13) unter die Schaufeln eines Schaufelrads (4) unterhalb des Fluidfüllstands (12) innerhalb des Aussprudelbehälters der Druckluft (5) geführt. Das Schaufelrad (4) wird durch den Auftrieb der Luftbläschen angetrieben. Die Abnahme der Leistung an dem Schaufelrad (4) kann direkt im Fluid oder über eine Kraftübertragung (7) mittels Zahnriehmen, Kettenantrieb o.ä. mit abgestimmter Übersetzung zu einem Generator (6) außerhalb des Fluids (12) erfolgen.At the highest point of the fluid flow circuit, the air bubbles are discharged via an outlet to the effervescent container ( 9 ) from the fluid flow circuit to a spoiler ( 13 ) in a Aussprudelbehälter the compressed air ( 5 ) forwarded. The air bubbles are from the spoiler ( 13 ) under the blades of a paddle wheel ( 4 ) below the fluid level ( 12 ) within the outlet of the compressed air ( 5 ) guided. The paddle wheel ( 4 ) is driven by the buoyancy of the air bubbles. The decrease in power at the paddle wheel ( 4 ) can be directly in the fluid or via a power transmission ( 7 ) by means of toothed belts, chain drive or the like with coordinated translation to a generator ( 6 ) outside the fluid ( 12 ) respectively.

Das nun von den Luftbläschen entsprudelte Fluid fliest im Fluidströmungsrohr (8) weiter zu einer Strömungsturbine (3) mit ihrer Turbinenachse in Strömungsrichtung des Fluids, innerhalb des Fluidströmungsrohrs (8).The fluid now bubbled from the air bubbles flows in the fluid flow tube (FIG. 8th ) to a flow turbine ( 3 ) with its turbine axis in the flow direction of the fluid, within the fluid flow tube ( 8th ).

Hierzu Figur 2. auf Zeichnung Blatt 2For this figure 2 , on drawing sheet 2

Die Abnahme der Leistung an der von der Fluidströmung angetriebene Strömungsturbine (3) innerhalb des Fluidströmungsrohrs (8) kann direkt im Fluid oder außerhalb des Fluidströmungsrohrs (8) über einen Generator (6) mit abgestimmter Kraftübertragung (7) und Übersetzung erfolgen. Eine direkte Generierung von elektrischen Strom innerhalb des Fluids durch bürstenlose Generatoren (ohne Zeichnung), bei denen die Rotorkränze mit ihren Dauermagneten direkt an die Turbinenrotorachse der Strömungsturbine (3) eingesetzt werden, haben erhebliche Vorteile der Dichtigkeit als auch der Stromabnahme, zumal bei gleichen Druck der eingeführten Druckluft die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids gleich bleibt und somit auf ein Getriebe verzichtet werden kann, wenn der bürstenlose Generator mit seiner Drehzahl auf die anliegende Strömung des Fluids abgestimmt ist. Nach dem Durchlauf des Fluids in der Strömungsturbine (3) wird das Fluidströmungsrohr (8) auf möglichst kurzen Weg zur Druckluftkammer des Luftsprudlers (2) geführt.The decrease in power at the fluid flow driven turbine ( 3 ) within the fluid flow tube ( 8th ) can be directly in the fluid or outside the fluid flow tube ( 8th ) via a generator ( 6 ) with tuned power transmission ( 7 ) and translation. A direct generation of electric current within the fluid by brushless generators (without drawing) in which the rotor rings with their permanent magnets directly to the turbine rotor axis of the flow turbine ( 3 ), have considerable advantages of tightness as well as the current decrease, especially at the same pressure of the introduced compressed air, the flow velocity of the fluid remains the same and thus can be dispensed with a transmission when the brushless generator tuned at its speed to the applied flow of the fluid is. After passing the fluid in the flow turbine ( 3 ), the fluid flow tube ( 8th ) on the shortest possible way to the compressed air chamber of the aerator ( 2 ) guided.

Eine andere Variante besteht in der Nutzung der Strömung des Fluids in einer Strömungsturbinenkammer (11).Another variant is the use of the flow of the fluid in a flow turbine chamber ( 11 ).

Hierzu Figur 3. auf der Zeichnung Blatt3For this figure 3 , on the drawing sheet3

Hierbei ist die Strömungsturbine (3) in einer Strömungsturbinenkammer (11) installiert und die Rotoren der Strömungsturbine (3) liegen quer mit ihrer Drehachse zur Strömungsrichtung des Fluids, welches über einen entsprechend ausgeführten Fluidströmungsrohrabgang (11) direkt aus dem Fluidströmungsrohr (8) an die Strömungsturbine (3) in die Strömungsturbinenkammer (10) geleitet wird. Durch die Strömung des Fluids wird die Strömungsturbine (3) angetrieben.Here, the flow turbine ( 3 ) in a flow turbine chamber ( 11 ) and the rotors of the flow turbine ( 3 ) lie transversely with their axis of rotation to the flow direction of the fluid, which via a correspondingly executed Fluidströmungsrohrabgang ( 11 ) directly from the fluid flow tube ( 8th ) to the flow turbine ( 3 ) into the flow turbine chamber ( 10 ). Due to the flow of the fluid, the flow turbine ( 3 ).

Die Abnahme der Leistung an der Strömungsturbine (3), kann an einen Generator (6) direkt im Fluid oder über die nach außen aus der Strömungsturbinenkammer (10) ausgeführten Antriebsachse der Strömungsturbine (3) und mit für den Generator (6) abgestimmter Kraftübertragung (7) mit Übersetzung außerhalb des Fluids erfolgen. Im Abgang der Strömungsturbinenkammer (10) wird das Fluid in das Fluidtrömungsrohr (8) geführt, von wo aus das Fluid auf möglichst kurzen Weg zur Überdruckkammer des Luftsprudlers (2) zurückgelangt.The decrease in power at the flow turbine ( 3 ), can be connected to a generator ( 6 ) directly in the fluid or via the outward flow turbine chamber ( 10 ) running drive shaft of the flow turbine ( 3 ) and with for the generator ( 6 ) tuned power transmission ( 7 ) with translation outside of the fluid. In the outlet of the flow turbine chamber ( 10 ) the fluid is introduced into the fluid flow tube ( 8th ), from where the fluid on the shortest possible way to the pressure chamber of the aerator ( 2 ).

Auch ist eine Variante denkbar, in der mehrere Fluidkreisläufe mit dem entsprechenden Wasserstrudler (2) in ein gemeinsames Turbinensystem eingebunden sind.Also, a variant is conceivable in which a plurality of fluid circuits with the corresponding Wasserstrudler ( 2 ) are integrated in a common turbine system.

Hierzu Figur 4. aus Zeichnung Blatt 4For this figure 4 , from drawing sheet 4

Hierbei werden die Fluidströmungen mehrerer Luftsprudler (2) mit Ihren Fluidströmungsrohren (8) auf eine gemeinsame Strömungsturbine (3) und die Luftbläschen der Druckluft durch die jeweiligen Abgange zum Aussprudelbehälter (9) auf ein gemeinsames Schaufelrad (4) in einem Aussprudelbehälter der Druckluft (5) geleitet.Here are the fluid flows of several aerators ( 2 ) with your fluid flow tubes ( 8th ) on a common flow turbine ( 3 ) and the air bubbles of the compressed air through the respective outlets to the Aussprudelbehälter ( 9 ) on a common paddle wheel ( 4 ) in a Aussprudelbehälter the compressed air ( 5 ).

Mit der hier vorliegenden Erfindung werden gleichzeitig die Auftriebskräfte der Luftbläschen in einem Schaufelrad (4) unterhalb des Fluidstands (12) und die Strömung des zirkulierenden Fluids in einer Strömungsturbine (3) durch die Einbringung von Druckluft durch einen Luftsprudler (2) in einem Fluid effektiv, nachhaltig und umweltfreundlich genutzt. Auch wird hir das Problem der DEruckluftentspannung optimal gelöst, da die Druckluftbläschen genügend Zeit haben sich auf ihrem Weg zur Fluidoberfläche zu entspannen und das ganze Verfahren auch bei geringem Druck schon sehr effektive Leistung erbringen kann.With the present invention at the same time the buoyancy forces of the air bubbles in a paddle wheel ( 4 ) below the fluid level ( 12 ) and the flow of circulating fluid in a flow turbine ( 3 ) by the introduction of compressed air by an aerator ( 2 ) used in a fluid effectively, sustainably and environmentally friendly. Also, we hir the problem of DEruckluftentspannung optimally solved because the compressed air bubbles have enough time to relax on their way to the fluid surface and the whole process can provide very effective performance even at low pressure.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1.1.
DruckluftanschlußCompressed air connection
2.Second
Druckluftkammer des LuftsprudlersCompressed air chamber of the aerator
3.Third
Strömungsturbineflow turbine
4.4th
Schaufelradpaddle wheel
5.5th
Aussprudelbehälter der DruckluftDischarge container of compressed air
6.6th
Generatorgenerator
7.7th
Kraftübertragungpower transmission
8.8th.
FluidströmungsrohrFluid flow tube
9.9th
Abgang zum AussprudelbehälterDeparture to the Aussprudelbehälter
10.10th
StrömungsturbinenkammerFlow turbine chamber
11.11th
Abgang der StrömungsturbinenkammerDeparture of the flow turbine chamber
12.12th
FluidfüllstandThe fluid level
13.13th
Spoilerspoiler

Claims (7)

Das Verfahren zur Nutzung von Strömung und Auftriebskraft mittels Duckluft in einem Fluid,The method of using flow and buoyancy force by means of duck air in a fluid, dadurch gekennnzeichnet, dass mindestens ein Luftsprudler in seiner Druckluftkammer über einen Schlauch oder direkt mit Druckluft versorgt wird und dass mehrere kleine Bohrungen (0,5mm- 1,5mm) aus der Druckluftkammer des Luftsprudlers in das die Druckluftkammer durchlaufende Fluidströmungsrohr einmünden, durch die die Druckluft in kleinen Bläschen in das Fluid einsprudeln kann.characterized gekennnzeichnet that at least one aerator is supplied in its compressed air chamber via a hose or directly with compressed air and that several small holes (0,5mm- 1,5mm) from the compressed air chamber of the aerator into the air flow chamber passing through the fluid flow pipe, through which the compressed air in small bubbles in the fluid can bubble. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass das mit einem Fluid gefüllte Fluidströmungsrohr an seiner höchsten Stelle einen Abgang zum Aussprudelbehälter aufweist, welches an einen Spoiler zum weiterleiten der Luftblasen in einen Aussprudelbehälter der Druckluft einmündet.Method according to Claim 1 ., characterized in that the filled with a fluid fluid flow tube at its highest point has an outlet to the Aussprudelbehälter, which opens to a spoiler for passing the air bubbles in a Aussprudelbehälter the compressed air. Verfahren nach Anspruch 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, dass der Aussprudelbehälter der Druckluft ein Schaufelrad unterhalb des Fluidfüllstands aufweist, welches durch die über einen Spoiler geleitete Druckluft angetrieben wird und die Antriebskraft direkt oder indirekt zur Abnahme einer Leistung genutzt wird. Method according to Claim 1 , and 2., characterized in that the Aussprudelbehälter the compressed air has a paddle wheel below the fluid level, which is driven by the guided via a spoiler compressed air and the driving force is used directly or indirectly to decrease a power. Verfahren nach Anspruch 1.bis 3., dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidströmungsrohrs nach dem Abgang zum Aussprudelbehälter der Druckluft in seinem weiteren Verlauf in eine Turbinenkammer einmündet, in dessen Turbinenkammer sich eine Turbine befindet, die quer zu ihrer Rotordrehachse von der einströmenden Fluidströmung angeströmt wird und deren daraus resultierende Antriebskraft direkt oder indirekt zur Abnahme einer Leistung genutzt wird und das Fluid durch den Ausgang aus der Turbinenkammer in das Fluidströmungsrohr eingeleitet wird, welches von dort auf möglichst kurzem Weg zur Druckkammer des Luftsprudlers geführt wird.Method according to Claim 1 .bis 3., characterized in that the fluid flow tube after leaving the Aussprudelbehälter the compressed air in its further course in a turbine chamber In whose turbine chamber there is a turbine, which is flowed transversely to its rotor axis of rotation of the incoming fluid flow and the resulting driving force is used directly or indirectly to decrease a power and the fluid is introduced through the outlet from the turbine chamber in the fluid flow tube, which is led from there on the shortest possible way to the pressure chamber of the aerator. Verfahren nach Anspruch 1. bis 3., dadurch gekennzeichnet, dass im weiteren Verlauf des Fluidströmungsrohrs nach dem Abgang zum Aussprudelbehälter der Druckluft sich eine Strömungsturbine mit ihrer Rotordrehachse in Strömungsrichtung befindet, die zur Generierung einer Leistung genutzt wird.Method according to Claim 1 , to 3., characterized in that in the further course of the fluid flow pipe after leaving the Aussprudelbehälter the compressed air is a flow turbine with its rotor axis of rotation in the flow direction, which is used to generate a power. dadurch gekennzeichnet, dass mehrere dieser Fluidkreisläufe aus Anspruch 1 und 2 gemeinsam auf eine Strömungstubine nach Anspruch 4. oder 5. und die vom Fluid getrennten Luftbläschen gemeinsam auf ein Schaufelrad nach Anspruch 3. geführt werden. characterized in that a plurality of these fluid circuits Claim 1 and 2 together on a flow stubby Claim 4 , or 5. and the separated from the fluid air bubbles together on a paddle wheel Claim 3 , be guided.
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