DE102020003641A1 - Vorrichtung zur Beschleunigung von Wasser mit Hilfe von Druckluft - Druckluft-Wasser-Turbine (DWT 2) - Google Patents

Vorrichtung zur Beschleunigung von Wasser mit Hilfe von Druckluft - Druckluft-Wasser-Turbine (DWT 2) Download PDF

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Abstract

Die Erfindung dient dazu, Wasser mit Hilfe von Druckluft effektiv zu beschleunigen (Fig.1). Hierzu wird komprimierte Luft durch eine Zuleitung (3) in einen Verteilring (11) im Adaptersegment (10) eingeleitet und dem Düsenfeld (12) zugeleitet. Dieser Vorgang versetzt das Turbinensegment (9) in Rotation, wodurch über die gemeinsame Achse (6) auch das vorgelagerte Pumpensegment (7) zunehmend in Funktion tritt und Wasser dem Turbinensegment (9) zuführt. Das so beschleunigte Wasser verstärkt die Rotation in positiver Rückkopplung erheblich.Ferner verfügt die Rotationsachse auf der Höhe des Düsenfeldes (11) des Adaptersegments (10) über einen Strömungskopf (14) mit begleitenden Verengungen (15) im Gehäuserohr (2a) des Turbinensegments, die gemeinsam eine laminare Strömung und einen Venturieffekt begünstigen. Hierdurch werden Verwirbelungen und Strömungswiderstände reduziert und die Pumpleistung des Pumpsegments (7) unterstützt. Das angesaugte Wasser tritt dann stark beschleunigt am oberen Ende der DWT 2 (8) als Wasser-Luftgemisch aus.In der energetischen Bilanz von erheblichem Vorteil ist, dass die Vermischung der Druckluft mit dem Wasser dazu führt, dass die expandierende Luft dem Wasser annähernd die Enthalpie entzieht, die sie bei dem vorausgehenden Kompressionsvorgang abgeben musste. So ergeben sich hohe Wirkungsgrade und ein nahezu adiabater Druckluftspeicherbetrieb. Ferner wird eine Vereisung der Anlage durch die expandierende Luft sicher vermieden.Die DWT 2 kann mit mehr als 10 bar Druckluft betrieben werden und damit mehrere Megawatt Leistung erzeugen.

Description

  • 1. Systembeschreibung
  • Die Druckluft-Wasser-Turbine (DWT 2) ist eine Vorrichtung zur Beschleunigung von Wasser mit Hilfe von Druckluft und weist eine durchgehende Rotationsachse (6) als Antriebselement in den Rohrgehäusen (2a und 2b) auf. Die Rohrgehäuse sind durch ein Adaptersegment (10) verbunden, welches über die Druckluftzuleitung (3), einen internen Druckluftverteilungskanal (12) und über ein Düsenfeld (11) verfügt. Die einheitliche Rotationsachse wird über Stützelemente (5) in ihrer Position fixiert und trägt das Turbinensegment mit Pumpfunktion (7) im vorderen Rohrgehäuse (2b), das Turbinensegment mit Antriebsfunktion (9) im hinteren Rohrgehäuse (2a) und mittig auf der Höhe des Düsenfeldes (11) einen Strömungskopf (14). Am unteren Ende des vorderen Rohrgehäuses (2b) befindet sich der Wassereinlass (4) und am oberen Ende des hinteren Rohrgehäuses (2a) befindet sich der Auslass für das beschleunigte Luft-Wasser-Gemisch (8). Erkennbar ist, dass das (Prozess)-Wasser durch die Beschleunigung entlang der Rohrgehäuse (2b und 2a) transportiert wird, wobei sich Wasser und Druckluft auf der Höhe des Düsenfeldes (11) vermischen und als Druckluft-Wassergemisch über die Austrittsöffnung (8) einer weiteren Nutzung zugeleitet werden kann (1).
  • Desweitern ist erkennbar, dass aus Gesichtspunkten der strömungstechnischen Optimierung in der Gehäuseform (2a) auf der Höhe des Strömungskopfes (14) wandständig Leitelemente (15) verbaut sein können, um einen laminaren Strömungsverlauf zu optimieren.
  • In dem geteilten Rohrgehäuse (2b und 2a) befindet sich eine durchgehende Rotationsachse als Antriebselement, auf der ein erstes Turbinensegment mit Pumpfunktion (7) und ein zweites Turbinensegment mit Antriebsfunktion (9) installiert sind. Zwischen beiden Turbinensegmenten befindet sich ein Adaptersegment (10), dass die Zuleitungen für die Druckluft aufnimmt und innen strömungstechnisch in einer Weise ausgeführt ist, dass im Lastbetrieb zusätzlich zu der Pumpfunktion des vorderen Turbinensegments (7) ein Venturi-Effekt von der Druckluft auf das Wasser ausgeübt werden kann. Dies wird technisch durch einen Strömungskopf (14) auf der Rotationsachse (6) gemeinsam mit randständigen Strömungselementen (15) ermöglicht. Ferner verfügt die DWT 2 über eine Zuleitung für Wasser (4) und über einen Ausgang für das beschleunigte Wasser-Luftgemisch (8) (siehe 1 und 2).
  • Das Rohrgehäuse des ersten Turbinensegments (2b) mit Pumpfunktion (7) ist im Durchmesser meist enger als das Rohrgehäuse des zweites Turbinensegments (2a) mit Antriebsfunktion (9) ausgeführt. Die Rohrgehäuse sind fest mit dem Adaptersegment (10) verbunden, also geschraubt, geschweißt, geklebt oder heiß-kalt-verpresst (siehe 2). Die durchgehende Antriebsachse (6) ist gegen die Rohrgehäuse präzise ausgerichtete und durch Halterungen (5) stabil abgestützt.
  • Zweck der Erfindung ist es, in Zeiten zunehmender, fluktuierender Erneuerbarer Energien (Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen u.a.) bekannte und verfügbare Speichermöglichkeiten (Druckluftkavemen, Pipelines u.a.) zu nutzen, indem mit elektrischer Energie mittels Kompressoren Druckluft erzeugt und gespeichert wird, die bei Bedarf später über die DWT 2 direkt genutzt oder über bekannte Turbinen- und Wasserkrafttechnologie einer effektiven Verstromung zugeführt werden kann.
  • Die aktuelle nur schlecht regelbare Energieerzeugung von Anlagen für Erneuerbare Energien hat zur Folge, dass in Zeiten hoher Energieerzeugung die überschüssige, nicht benötigte Energie aus dem Netz entfernt werden muss, da diese sonst zum Zusammenbruch des Stromnetzes, oder bestimmter Teile davon, führen kann. Wird hingegen durch Umwelteinflüsse nur wenig Energie erzeugt, wie z.B. bei Photovoltaikanlagen in der Nacht oder bei Windkraftanlagen während Windflauten, ist es erforderlich, die nötige Energie z.B. aus Reserven wie Speicherkraftwerken oder aus dem Ausland einzukaufen und dem Stromnetz zuzuführen.
  • Derartige Speicherkraftwerke können Pumpspeicherkraftwerke sein, die die Höhendifferenz zweier Wasserreservoire nutzen, um Wasser auf eine höhere Ebene zu pumpen und damit Energie in Form von potenzieller Energie zu speichern. Bei einem erhöhten Bedarf an Strom, kann das Wasser von der höheren Ebene wieder der unteren Ebene zugeführt werden, um mittels einer Turbine elektrische Energie zu erzeugen. Der Neu- und Ausbau derartiger Pumpspeicherkraftwerke ist in Deutschland aber aufgrund von geographischen Vorgaben, hoher finanzieller Aufwendungen und der Systemanforderungen kaum noch möglich.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Energiespeicherung sind Druckluftspeicherkraftwerke, auch CAES genannt (Compressed Air Energy Storage), die z.B. in Schwachlastzeiten elektrische Energie dafür nutzen, Luft zu komprimieren und in einem Druckluftspeicher zu speichern. Derartige Druckluftspeicher können z.B. als unterirdische Kaverne ausgebildet sein. In Zeiten hoher Stromnachfrage wird die komprimierte Luft einer Gasturbine zugeführt, um so elektrische Energie zu erzeugen. Aufgrund ihrer geringen Rentabilität existieren weltweit nur zwei Kraftwerke (Macintosh USA und Huntorf in Niedersachsen) dieses Typus; sie sind schwarzstartfähig. Die geringen Wirkungsgrade der CAES-Kraftwerke und infolge reduzierte Wirtschaftlichkeit wird vor allem durch hohe Kompressionsverluste und durch die Notwendigkeit verursacht, Erdgas im Gasstrom mit zu verbrennen, um die Vereisungsgefahr beherrschen zu können.
  • DE 10 2014 004 237 A1 ist ein Speichersystem, das unter dem Namen „Hydro-Pneumatischer-Energie-Speicher“ (HPES) veröffentlicht wurde. Es offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom, wobei in einem Druckbehälter ein komprimiertes Gas gespeichert werden und bei Bedarf über eine Gaszuleitung einer Mischkammer zugeführt werden kann. Die Mischkammer besitzt neben der Gaszuleitung eine Flüssigkeitszuleitung zum Einleiten einer Flüssigkeit. Durch das eingeleitete, komprimierte Gas kann die Flüssigkeit in der Mischkammer beschleunigt werden und über eine Austrittsöffnung einer Turbine zugeführt werden. Die Mischkammer ist technisch einer Venturiedüse vergleichbar.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung der Druckluft-Wasser-Turbine (DWT 2) eine verbesserte Vorrichtung zur steuerbaren Mischung und Beschleunigung von Wasser mit Hilfe von Druckluft zu schaffen, um den erzeugten Luft-Wasser-Strahl z.B. mechanisch direkt zu nutzen, oder um das Drehmoment der Rotationsachse (6) für den Betrieb eines Generators direkt einzusetzen oder um mit dem erzeugten Luft-Wasser-Strahl über hoch effiziente Wasserkrafttechnologien wieder eine effektive Verstromung zu ermöglichen.
  • Es wird vorgeschlagen, dass die DWT 2 eine durchgehende Rotationsachse als Antriebselement hat, wobei dieses derart mit der einströmenden Druckluft (3) in Wechselwirkung steht, dass das zweite Turbinensegment (mit Antriebsfunktion) in Rotation geht. Hierdurch wird auch das erste Turbinensegment (mit Pumpfunktion) in Rotation versetzt, so dass zunehmend Wasser von diesem zum zweiten Turbinensegment befördert wird. Hier mischen sich Wasser und Druckluft zunehmend effektiv, wobei die nachströmende Druckluft das Wasser stark beschleunigt, ihm dabei kinetische Energie überträgt und thermische Energie entzieht. Diese kinetische Energie verursacht einen zunehmenden Impuls, wodurch das Wasser nun zusätzlich die Rotation erheblich beschleunigt und wodurch - wiederum in einer sich verstärkenden, positiven Rückkopplung - das erste Turbinensegment (mit Pumpfunktion) immer mehr Wasser zum zweiten Turbinensegment (mit Antriebsfunktion) befördert. Durch diese Rückkopplung zeigt die DTW 2 das Verhalten einer hochlaufenden Turbine. (Der Prototyp hört sich exakt wie eine anlaufende Flugturbine an.) Anschließend tritt ein stark beschleunigtes Luft-Wassergemisch mit großer Energie aus.
  • Vorteilhaft und mit reduziertem technischem Aufwand verbunden wäre es, das zweite Turbinensegment, das Antriebssegment, der DWT 2 so umfangreich auszuführen, dass direkt über seine Rotationsachse ein Generator angetrieben werden kann. Dann kann eine nachgeschaltete Wasserturbine entfallen.
  • Die nachgeschaltete Wasserturbine kann eine Peltonturbine sein. Eine Peltonturbine ist eine Gleichdruckturbine, die die Bewegungsenergie zum Beispiel von Wasser in mechanische Energie umwandelt. Derartige Peltonturbinen können einen an die Bedingungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen angepassten hohen Wirkungsgrad (>90%) erreichen, welcher einen effizienten Betrieb der Vorrichtung ermöglicht.
  • Beim Kompressionsvorgang der Luft fällt am Kompressor ein sehr hoher Betrag an Wärmeenergie an. In der Regel sind dies 1/3 der zugeführten Energie, die abgeführt werden muss, um einen stabilen Betrieb sicherzustellen. Diese Energie kann zum Beispiel in einem Wärmespeicher gespeichert werden. Denkbar ist, dass das im Betrieb der DWT 2 verwendete Wasserreservoir selbst als Wärmespeicher ausgebildet ist und die anfallende Wärmeenergie über eine Wasserkühlung der Kompressoren in diesem aufnimmt.
  • Wird die Druckluft wieder entspannt, kühlt sie sich stark ab und entzieht dabei der Umgebung Energie in dem Maße wie zuvor an diese abgegeben. Dies kann zur Vereisung des Antriebselementes führen, wie aus konventionellen CAES-Kraftwerken bekannt ist. Der empirisch nachgewiesene, hohe Wirkungsgrad des Gesamtsystems HPES aus DE 10 2014 004 237 A1 ist vor allem dadurch verursacht, dass die expandierende, sich stark abkühlende Druckluft im Prozess dem fein eingemischten Wasser annähernd so viel Enthalpie entzieht, wie durch die Kompression der Druckluft an thermischer Energie anfänglich abgegeben werden musste. Da Wasser (4,2 kJ/(kg*K) eine um Faktoren höhere spezifische Wärmekapazität besitzt als Luft (0,718 kJ/(kg*K), ist das Wärmereservoir des Wassers unter Normalbedingungen durch das expandierende Luftgemisch kaum erschöpfbar und damit ein nahezu adiabater Prozess möglich. Daher ist eine „Einlagerung“ der Kompressionswärme im Wasserreservoir vermutlich ein nicht zwingend lohnender Aufwand.
  • Die experimentellen Versuchsreihen am Funktionsmuster haben gezeigt, dass schon geringe Anteile an zugemischtem Wasser (7%) eine Vereisung der Anlage infolge der Expansion der Druckluft sicher vermeiden kann, auch wenn das Wasser im Kreis geführt wird.
  • Druckluftspeicherkraftwerke können künftig durch den Einsatz der DWT 2 einen sehr hohen Wirkungsgrad erreichen. Für einen effizienten Betrieb einer derartigen Vorrichtung kann es lohnend sein, dass der Druckspeicher hinreichend groß ausgebildet ist und die Luft mit bis zu 100 bar aufgepresst wird.
  • Die Vorrichtung sollte eine Druckminderungseinheit als Regulationseinheit haben, um die Leistung der Anlage steuern zu können. Diese Einheit könnte durch bekannte Reduzierventile dargestellt werden. Diese Regulationseinheit wird es zudem erlauben, über eine Verschiebung der Balance der Druckverhältnisse, das Mischungsverhältnis von Wasser und Druckluft zu variieren und damit an unterschiedliche Betriebsweisen und Leistungsanforderungen, ggf. im laufenden Betrieb, anzupassen.
  • Eine Regulierung des Betriebswassers kann zum Beispiel über eine Pumpe, die die gewünschte Menge der DWT 2 bereitstellt oder durch einen Flussbegrenzer (Schieber) in der Zuleitung erfolgen. Der Einsatz einer Wasserpumpe zur „Vorbeschleunigung“ des Prozesswassers hat sich insbesondere beim Anfahren der Anlage empirisch als vorteilhaft erwiesen. Zudem sind die energetischen Einbußen für den elektrischen Betrieb der Pumpe relativ gering, da die für diese Vorbeschleunigung des Wassers investierte Energie entsprechend dem hohen Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu einem erheblichen Teil sofort zurückgewonnen wird. Ein Druckluftspeichersystem mit einer DWT 2 wird schwarzstartfähig sein.
  • Mit Hilfe einer Druckminderungseinheit und ggf. einem Flussbegrenzer kann die Menge der erzeugten elektrischen Energie an den jeweiligen Bedarf auf einfache und schnelle Weise angepasst werden.
  • 2. Abgrenzende Stellungname zu bisher in Betracht gezogenen Druckschriften
    • 1. 10 2018 124 621.8 (zurückgezogener Antrag vom Oktober 2018)
    • 2. DE 2014 004 237 A1 , Der Hydro-Pneumatischen-Energie-Speicher (HPES)
    • 3. WO 2017/ 197 470 A1
    • 4. Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi: Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb. 4. Aktualisierte und erweiterte Auflage. Berlin- Heidelberg: Springer-Verlag, 2005. S 537-580. Kapitel 15. - ISBN 978-3-540-25505-5
    • 5. Wagner, Gerhard: Anwendungsmöglichkeiten und Einsatzgebiete von Strahlpumpen.
    • In: Chemie Ingenieur Technik, Bd. 51, 1979, Nr.9, S 867-877. - ISSN 0009-286X 6. DE 401 283 A
  • zu 10 2018 124 621.8 (DWT im zurückgezogenen Antrag vom Oktober 2018)
  • Die DWT 2 geht über den Stand der Technik der ersten DWT (dargelegt in 10 2018 124 621.8) deutlich hinaus, da die DWT 2 über das Adaptersegment (10) zwischen den Rohrgehäusen (2a und 2b) verfügt (1 und 2). Dieses Adaptionssegment ist eine neue Baugruppe und eröffnet mehrere Vorteile. Es erlaubt:
    1. 1. die Rohrgehäuse (2a und 2b) mit unterschiedlichen Querschnitten über Schweißen, Schrauben, Verkleben oder Heiß-Kalt-Verpressen sicher zu verbinden,
    2. 2. die äußere Druckluftleitung (3) und ihre Zuführungen ins Innere ggf. vorteilhaft zu trennen über einen inneren Verteilkanal (12) und ein Düsenfeld (11), das ringförmig über den gesamten Querschnitt verteilt geordnet sein kann (2) und
    3. 3. durch die Formung des inneren Durchganges mit Hilfe eines Strömungskopfes (14) auf der Rotationsachse (6) und komplementärer, randständiger Einsätze (15) Strömungsverhältnisse so zu etablieren, dass über die Druckluft ein Venturi-Effekt auf das zugeführte Wasser ausgeprägt wird.
  • Zudem eröffnet diese Konstruktion der DWT 2 eine relativ einfache Montage und Wartung des Systems. Sie unterscheidet sich mit ihrer räumlichen Konzeption (1 und 2) grundlegend von den im früheren Antrag (10 2018 124 621.8) offenbarten Strukturen.
  • Die DWT 2 ist daher als ein neuer Stand der Technik anzusehen.
  • zu DE 2014 004 237 A1, der Hydro-Pneumatischen-Energie-Speicher (HPES)
  • Die DWT 2 ist für einen Funktionszusammenhang wie dem Hydro-Pneumatischen-Energie-Speicher (HPES) - offenbart in DE 2014 004 237 A1 - nicht zwingend erforderlich, da der HPES über eine Wasserpumpe und ein sehr einfaches Mischelement - wie anfänglich geschehen mit einer Venturidüse - betrieben werden kann. Das Mischelement stellt technisch eine Venturidüse dar und ist einer Wasserstrahlpumpe vergleichbar. Doch zeigten die empirischen Untersuchungen am Funktionsmusters des HPES deutlich, dass eine Venturidüse als Mischelement im Funktionszusammenhang des HPES allein nicht geeignet ist, hinreichend Wasser in die Mischkammer zu ziehen. Ohne vorgeschaltete Wasserpumpe, funktioniert der HPES nicht! Die DWT 2 ist eine Entwicklung, die dieses Handikap des HPES überwinden hilft. Sie kann daher im Kontext eines HPES vorteilhaft eingesetzt werden, aber auch völlig unabhängig und alternativ. Die DWT 2 ist daher als eine völlig neue, bisher unbekannte technische Baugruppe anzusehen.
  • zu WO 2017/197 470 A1
  • Die DWT 2 hat technische Ähnlichkeiten zu der Anlage beschrieben in WO 2017/197 470 A1 , doch letztere ist eine Pumpe, die Trinkwasser auf ein höheres Niveau befördem soll unter Einsparung von Energie. Die technische Baugruppe speist dabei atmosphärische Luft hinter den Turbinensegmenten ein. Die dann folgende Baugruppe hat die Gestalt und Funktion einer Strahldüse, die atmosphärische Luft durch das schon in der Vorlage beschleunigte Wasser anzieht. Hier ist das Prinzip einer großen Wasserstrahlpumpe - Wasser zieht Luft an - realisiert. Die Beschleunigung des Wassers muss durch eine vorgeschaltete Pumpe oder durch Höhenunterschiede im Leitungssystem erfolgen. Es ist aber nicht vorgesehen, dass die Turbinensegmente durch Druckluft angetrieben werden. Diese Konzeption hat die Funktion, Trinkwasser auf ein höheres Niveau zu heben, wobei über das Einbringen von Luft in das Trinkwasser Strömungswiderstände und spezifische Wassergewichte reduziert werden sollen; mit dem Ziel, Hebeenergie zu sparen.
  • Neben den konzeptionellen Unterschieden zur DWT 2 in Konstruktion und im Bauplan hat sie nicht die Funktion, Wasser zu beschleunigen.
  • zu Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi: Wasserkraftanlagen
  • Die hier beschriebenen technischen Anlagen betreffen nicht unmittelbar die DWT 2, da die DWT 2 primär keine Wasserkraftanlage ist. Allerdings kann sie in Kombination mit einer Wasserturbine, wie z.B. einer Peltonturbine, ein Teil dieser werden und dieser effektiv dienlich sein.
  • zu Wagner, G.: Anwendungsmöglichkeiten und Einsatzgebiete von Strahlpumpen.
  • Strahlpumpen haben sich als nicht hinreichend leistungsstark und effizient erwiesen, wenn ein leichtes Medium, wie ein Gas, ein spezifisch schwereres Medium, wie Wasser, transportieren soll. Was umgekehrt gut funktioniert, gelingt so nicht, da riesige Volumina an Gas - oder Druckluft - bereitgestellt werden müssen, um dennoch nur wenig Wasser fördern zu können. Ein Mischungsverhältnis ist nicht einstellbar. Diese Problematik hat sich auch bei den empirischen Untersuchungen am HPES gezeigt. Ohne eine Wasserpumpe, die das Wasser mit Druck in die Vorlage brachte, funktionierte das System nicht.
  • Diese Einschätzung wird auch von Herstellern und Spezialisten für Strahlpumpen geteilt. Es spielen nur wenige Einsatzgebiete eine Rolle, z.B. Brushpainting und Lenzstrahlpumpen in explosionsgefährdeten Räumen.
  • Strahlpumpen unterscheiden sich zur DWT 2 in der Funktionsweise deutlich: Sie sind üblicherweise einstrahlig ausgeführt, indem mittig das Treibmedium Gas aus einer Düse austritt und das umgebende flüssige Medium mitgerissen und beschleunigt wird. Die DWT 2 arbeitet hier mit einem Düsenring. Zudem haben Strahldüsen keine Rotations- und Antriebsachse mit Turbinenelementen wie die DWT 2. Ferner unterscheiden sich beide Techniken in ihrem physikalischen Potential, da die DWT 2 Wasser bzw. ein flüssiges Medium wesentlich effektiver bei gleichen Luftmassen beschleunigt.
  • zu DE 401 283 A
  • Die Erfindung nach DE 401 283 A stellt ein Gesamtsystem zur Stromerzeugung dar und ist in dieser Funktion prinzipiell - nicht in der technischen Ausführung - dem HPES vergleichbar. Ihre zentralen Baugruppen sind ein Kompressor und ein Verbrennungsraum, die gemeinsam über gezündete Verbrennungsgase einen hohen Gasdruck aufbauen sollen, der über eine Strahldüse entspannt, Wasser ansaugen und dieses einer Wasserturbine zuführen soll. Die Anlage würde aber dieselben Probleme aufweisen wie alle Strahldüsen in diesem Funktionszusammenhang (- leichtes Medium soll schweres befördern -) und würde kaum eine hinreichende Leistung erreichen (s.o.).
  • Ferner erscheint problematisch, dass der Verbrennungsraum vor der Strahldüse liegt und mit der Luftdruckleitung in unmittelbarem Bezug steht. Es ist kaum anzunehmen, dass der Kompressor bei diesem sich aufbauendem Gegendruck das Gesamtsystem effektiv in Funktion zu setzen vermag. Es entsteht der Eindruck, dass die Anlage vor Patenterteilung nie in Funktion erprobt wurde. Es ist ebenso nicht bekannt, dass diese Erfindung jemals in den kommerziellen Betrieb genommen wurde.
  • Zudem stellt DE 401 283 A abgrenzend zur DWT 2 ein Gesamtsystem zur Stromerzeugung vergleichbar dem HPES dar: Sie verfügt damit über eine andere Funktion und bezüglich der Beschleunigung von Flüssigkeiten über keine Rotations- und Antriebsachse mit Turbinenelementen.
  • Bezugszeichenliste
  • Fig. 1 Räumlicher Aufbau der Druckluft-Wasser-Turbine in einer geöffneten Seitenansicht
  • Die konstruktive Ausgestaltung der Druckluft-Wasser-Turbine (DWT 2) weist eine durchgehende Rotationsachse (6) als Antriebselement in den Rohrgehäusen (2a und 2b) auf (1 in einer geöffneten Seitenansicht). Die Rohrgehäuse sind durch ein Adaptersegment (10) verbunden, welches über eine Druckluftzuleitung (3), einen internen Druckluftverteilungskanal (12) und über ein Düsenfeld (11) verfügt. Die Rotationsachse (6) kann ferner einen Strömungskopf (14) ebenso wie das Rohrgehäuse 2a innen Strömungselemente (15) besitzen.
  • Fig. 2 Aufbau des Adaptersegmentes
  • Die konstruktive Ausgestaltung des Adaptersegmentes (10) mit der zentralen Antriebsachse (6) in Aufsicht von vorn (a), in geöffneter Seitenansicht (b) und in Aufsicht von hinten (c). Dabei wird der Zusammenhang zwischen der Druckluftzuleitung (3), dem internen, ringförmigen Druckluftverteilungskanal (12) und dem Düsenfeld (11) deutlich. Die geöffnete Seitensicht (b) ist im Maßstab zu (a) und (c) reduziert dargestellt.
  • Auch der Adapterring (10) ist nach strömungstechnischen Anforderungen innen entsprechend ausgeformt. Ferner können wandständig Leitelemente (15) verbaut sein, um einen laminaren Strömungsverlauf zu optimieren.
  • 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
    • DE 102014004237 A1 [0009, 0015]
    • DE 2014004237 A1 [0020, 0024]
    • WO 2017/197470 A1 [0020, 0025]
    • DE 401283 A [0020, 0031, 0033]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Jürgen Giesecke, Emil Mosonyi: Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb. 4. Aktualisierte und erweiterte Auflage. Berlin- Heidelberg: Springer-Verlag, 2005. S 537-580. Kapitel 15 [0020]
    • Wagner, Gerhard: Anwendungsmöglichkeiten und Einsatzgebiete von Strahlpumpen [0020]
    • In: Chemie Ingenieur Technik, Bd. 51, 1979, Nr.9, S 867-877 [0020]

Claims (12)

  1. Vorrichtung (1) zur Beschleunigung von Wasser mit Hilfe von Druckluft mit einer Druckluft-Wasser-Turbine (DWT 2), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine in zwei Rohrgehäuse (2a und 2b) durch Stabilisationselemente (5) gefasste Rotationsachse (6) als Antriebselement hat, auf der ein erstes Turbinensegment mit Pumpfunktion (7) und ein zweites Turbinensegment mit Antriebsfunktion (9) angebracht sind. Die beiden Rohrgehäuse sind mit einem Adaptersegment (10) stabil verbunden, über das die Druckluft (3) der Vorrichtung zugeleitet wird.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Adaptersegment (10) die zugeleitete Druckluft (3) über einen internen Verteilungskanal (12) einem Düsenfeld (11) zuleitet.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Druckluft (3) über das zweite Turbinensegment (9) die Rotationsachse (6) in Rotation versetzt, wodurch das erste Turbinensegment mit Pumpfunktion (7) Wasser über den Einlass (4) aufnimmt und zum zweiten Turbinensegment (9) befördert. Hierbei mischen sich Druckluft und Wasser und treten gemeinsam stark beschleunigt über den Auslass (8) aus.
  4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (6) mittig und hinter dem Düsenfeld (11) über einen Strömungskopf (14) verfügt, der gemeinsam mit randständigen Strömungselementen (15) einen Venturieffekt auf das einströmende Wasser auszuprägen hilft.
  5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrgehäuse (2a und 2b) unterschiedliche Durchmesser aufweisen können.
  6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Prozess expandierende Druckluft ihre energetischen Kompressionsverluste über die Vermischung mit dem Wasser weitestgehend ausgleicht und so eine Vereisung der Systems vermieden wird. Dieser Vorgang ermöglicht thermodynamisch erhebliche Vorteile in der energetischen Gesamtbilanz.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (6) über die Länge verteilt angeordnete Schaufelblätter hat, wobei die Form und Anzahl der Schaufelblätter des Pumpsegments (7) und des Turbinensegments (9) ihren unterschiedlichen Funktionen angepasst sind.
  8. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuereinheit vor dem Lufteintritt hat, mit der die Leistung des Systems über den Druckluftstrom geregelt werden kann.
  9. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse einen Generator zur Stromerzeugung oder andere Maschinen antreiben kann.
  10. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Austrittsöffnung (8) das beschleunigte Luft-Wasser-Gemisch eine Turbine antrieben kann, die zur Erzeugung von mechanischer Rotationsenergie oder zum Antrieb eines Generators genutzt werden kann.
  11. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Turbinenelement mit Pumpfunktion in explosiv gefährdeten Räumen Wasser angesaugt, abgepumpt, bzw. gelenzt werden kann. Da in dieser Vorrichtung mit sehr hohem Luftdruck gearbeitet werden kann, sind deutlich höhere Saugleistungen als mit Strahlpumpen zu erwarten.
  12. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine andere Flüssigkeit als Wasser und ein anderes Gas als Druckluft eingesetzt werden können.
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