DE112010001360T5

DE112010001360T5 - System und Verfahren zur autonomen Produktion von Flüssigkeit und Elektrizität

Info

Publication number: DE112010001360T5
Application number: DE112010001360T
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2012-12-06
Also published as: LU91747B1; US10823204B2; CZ2011537A3; PE20121101A1; ES2398334R1; HUP1200028A2; IL214499A0; SM201100042A; KR20110135939A; JP2012518117A; CU20110157A7; PL396864A1; RO127422A2; WO2010093267A2; ECSP11011321A; CO6501156A2; AT512344A9; HUP1200028A3; BG111030A; TN2011000373A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Systems zum Pumpen und Übertragen von Flüssigkeit und zum Erzeugen von Energie in einer kontinuierlichen und autonomen Weise. Sie ist aus abgeschlossenen thermodynamischen Systemen aufgebaut, die in einer Reihe angeordnet sind. Die Erfindung gründet auf der Entdeckung der Prinzipien der autonomen Reihenabsenkung und Kompression. Es ist die Expansion von Gas, die die zum Pumpen und Übertragen von Flüssigkeit von einer Kammer in die andere nötige Arbeit leistet.

Description

Stand der Technik
Die verschiedenen künstlichen Verfahren zum Pumpen, die heute existieren haben alle einen Faktor gemein, nämlich dass sie eine mechanische, elektrische, Solar-, Wind- oder hydrodynamische Energiequelle benötigen, um hydraulische oder hydrodynamische Energie zum Transferieren einer Flüssigkeit von einem Punkt zum anderen bereitzustellen. Es gibt elektrische Pumpen (eintauchbare oder vom Axialtyp mit dem Elektromotor an der Oberfläche), welche, wie der Name impliziert, elektrische Energie benötigen, um eine Flüssigkeit von einem Punkt zu einem anderen pumpen zu können. Es gibt auch handbetriebene Kolbenpumpen, die zum Pumpen von Wasser aus Bohrlöchern verwendet werden. Diese Pumpen benötigen die ständige Eingabe menschlicher Kraft, um zu arbeiten. Es gibt auch Pumpen vom Glockeman-Typ, die ebenfalls stetig arbeiten, jedoch ein Gefälle oder einen natürliche Quelle benötigen, um autonom betrieben zu werden.
All diese verschiedenen Pumpsysteme benötigen externe Energie; sie benötigen mechanische Bewegung um die zum Verschieben von Flüssigkeiten nötige hydraulische Energie bereitzustellen. Daher unterliegen sie mechanischem Bauteilverschleiß, was bedeutet, dass sie mit häufigerer Nutzung eine verkürzte Lebensdauer haben. Die in beinahe sämtlichen Dorfbohrlöchern eingesetzten Handpumpen in der dritten Welt sind nicht besonders haltbar, da sie ziemlich schnell verschleißen. Die Besten dieser Pumpen haben Probleme, eine Tiefe von 100 Metern zu erreichen und dies macht diese Art von Pumpen in bestimmten Flachlandbereichen unpraktisch, in welchen der Grundwasserspiegel in einer Tiefe unterhalb von 100 Metern liegt. In diesen Fällen wird dann auf ein System von Tauchpumpen zurückgegriffen, die Solarpannele oder sogar elektrische Generatorvorrichtungen verwenden. Die maximale Förderleistung dieser Handpumpen sinkt stark mit der Tiefe. Die meisten dieser Pumpen haben eine mittlere Flussrate von 750 Litern pro Stunde, was den Zugang zum Trinkwasser in den Dörfern erschwert. Dies führt zu langen Warteschlangen. Daher können diese Pumpsysteme in den meisten Entwicklungsländern nicht ohne weiteres verwendet werden, insbesondere wenn entweder die Bewässerung oder die wirksame Verteilung von Trinkwasser ein Thema sind.
Eines der entscheidenden Probleme der heutigen Zeit ist die Gewinnung von ”grüner” Energie. Heute basieren die am weitesten verbreiteten Systeme zur Energieherstellung auf fossilen Brennstoffen. Es gibt Kraftwerke, die fossile Brennstoffe zur schnellen Herstellung von Elektrizität benötigen. Das Verbrennen dieser Brennstoffe erzeugt Kohlendioxidgas und andere Treibhausgase, die für die globale Erwärmung verantwortlich sind. Diese Kraftwerke verwenden sogenannte Brennkraftmaschinen, die beim Starten eine Welle drehen, welche einen Dynamo antreibt, der wiederum Elektrizität erzeugt.
Kernkraftwerke verwenden fossile Brennstoffe zum Erwärmen von Wasser, dessen Dampf unter hohem Druck auf Turbinen geleitet wird, und diese dreht. Die Drehung dieser Turbinen treibt dann einen Dynamo an, welcher bei der Rotation elektrische Energie erzeugt. Kernkraftwerke erzeugen keine Treibhausgase emittieren jedoch eine große Menge von radioaktivem Müll, der schwierig zu kontrollieren ist. Kernkraftwerke stellen unabhängig von ihrer Position globale Gefahren dar, falls ein Unfall wie derjenige, der in den Kernkraftwerk in Tschernobyl auftrat, passiert. Die Investitionskosten und die zur Kontrolle dieser Kernkraftwerke benötigten Fähigkeiten sind enorm und aus diesem Grund können sehr viele Länder in der ganzen Welt noch nicht einmal von der Verwendung einer solchen Technologie träumen.
In der heutigen Zeit wurden viele Mühen auf erneuerbare Energien wie beispielsweise Solarenergie, Windenergie, geothermische Energie, etc. verwendet.
Solarenergie nutzt die Sonnenstrahlung zum Energetisieren photovoltaischer Panels aus, welche als Ausgabe elektrische Energie bereitstellen. Dies ist eine nicht-umweltverschmutzende und kostenfreie Energie, obwohl die Kosten der Solarausstattung immer noch sehr groß sind und ferner jahreszeitliche oder klimatische Änderungen die Leistungsfähigkeit der Photovoltaiksysteme beeinträchtigen. Dies macht sie für den Energieverbrauch in entwickelten Gebieten bekannten Größenordnung gewissermaßen unattraktiv und nicht anwendbar. In vielen entwickelten Ländern wird Windenergie weit verbreitet genutzt, auch dann wird jedoch Wind zum Erzeugen dieser Energie benötigt. Windsysteme unterliegen nicht der menschlichen Kontrolle. Sie hängen von Windzyklen ab und können nur als Ergänzung verwendet werden, die andere Energieherstellungssysteme unterstützt.
Im Fall von Windenergie ist es der Wind, welcher eine Turbine betreibt, die wiederum den Elektrizität erzeugenden Dynamo dreht.
Alle die oben genannten Systeme wandeln empfangene Energie in eine Rotationsbewegung um, welche einen Dynamo antreibt und so Elektrizität produziert. Der Idealfall ist derjenige hydroelektrischer Kraftwerke, welche einen stetigen Abfluss von Wasser nutzen, um eine ziemliche große Menge von Energie zu erzeugen. Hydroelektrische Dämme sind die besten Systeme, weil sie die Umwelt nicht verschmutzen, keine Treibstoffe verwenden und keine Treibhausgase erzeugen. Diese hydroelektrischen Dämme können jedoch nur dort gebaut werden, wo ein natürliches Gefälle besteht, wobei die Höhe des Gefälles ziemlich groß sein muss, um den Betrieb zu ermöglichen. Dies schränkt ihre Verwendung geografisch ein; hydroelektrische Kraftwerke können nicht gebaut werden. Hydroelektrische Kraftwerke können an Orten gebaut werden, in welchen technische Studien zeigen, dass ein Potential dafür besteht. Viele haben die Idee in Erwägung gezogen, hydroelektrische Kraftwerke mit einem geschlossenen Kreislauf zu bauen, also Kraftwerke, die aus einem hochgelegenem Reservoir und einem anderen Reservoir darunter bestehen. Die Idee war, das Wasser aus dem hochgelegenem Reservoir abfließen oder fallen zu lassen, so dass dieser Abfluss eine Turbine zum Erzeugen von Elektrizität antreibt. Dann würde in dem tiefer liegenden Sammelreservoir eine Pumpe installiert, so dass das Wasser zurück in das oben aufgebaute Reservoir gepumpt werden könnte. Ein solches System kann jedoch nicht realisiert werden, weil bereits die Turbine einen Teil der potentiellen Energie des fallenden Wassers durch Reibung dissipieren würde und zweitens die gesamte von der Pumpe absorbierte Energie nicht zu 100 Prozent in hydraulische Energie zum Rückführen des Wassers in das Ursprungsreservoir umgewandelt würde. Ein geschlossenes hydroelektrisches System ist unmöglich. Daher besteht der Bedarf, ein natürliches Gefälle für den Fluss zu finden.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird daher das Problem der Versorgung mit externer Energie zur Umwandlung in hydraulische Energie, die zum Pumpen oder Transportieren einer Flüssigkeit von einem Punkt zu dem anderen nötig ist, lösen. Die Erfindung besteht in einem Verfahren auf der Grundlage der Prinzipien der autonomen Serienabsenkung oder Expansion und Kompression und in einem System, welches das autonome und kontinuierliche Pumpen jeder Flüssigkeit ermöglicht, die in Kontakt mit dem System steht. Das System hat keine Tauchpumpe oder einen mechanischem Kolben und benötigt auch keine externe Energieversorgung um kontinuierlich zu arbeiten. Mit diesen vorgenannten Merkmalen hat das System eines der grölten Probleme überwunden: die Notwendigkeit der Nutzung externer Energie.
Autonome Reihenabsenkung
Das Prinzip der Reihenabsenkung gründet auf der Tatsache, dass ein in einem nicht isolierten geschlossenen System enthaltenes Gas Arbeit von der äußeren Umgebung aufnehmen kann oder Arbeit an die äußere Umgebung abgeben kann. Ein nicht isoliertes geschlossenes thermodynamisches System ist ein System, welches keine Teilchen mit der externen Umgebung austauscht, jedoch alle Arten von Energie mit der externen Umgebung austauschen kann (beispielsweise Wärme, mechanische Kräfte, Verschiebung, etc.).
Die vorliegende Erfindung nutzt diese Situation aus, wobei es das geschlossene System ist, welches Arbeit für die externe Umgebung bereitstellt. Hier geht es hauptsächlich um kompressible Fluide.
Betrachten wir den Fall eines kompressiblen Fluids, beispielsweise Luft, welches in einer von der externen Umgebung isolierten Röhre mittels eines Stopfens von Gewicht isoliert ist, und ohne Reibung entlang der Röhrenwand gleiten kann. Wenn der Druck in der externen Umgebung unter dem im Inneren des Systems herrschenden Druck reduziert wird, wird sich der Stopfen unter der Wirkung der Expansion des kompressiblen Fluids in dem System bewegen. Es wird dann davon gesprochen, dass das System Arbeit leistet.
1 zeigt zwei Kammern, die durch einen undurchlässigen Stopfen von vernachlässigbarem Gewicht getrennt sind. Der Stopfen ist mittels zwei Stiften (100) gesichert, um den Stopfen gegen die Differenzialdrücke in seiner Position zu halten. Seien V1 und P1 jeweils das Volumen und der Druck in der Kammer B und sei Pex der Druck in der Kammer A, so dass Pex << P1. Wenn die beiden Stifte (100) entfernt werden, wird der Stopfen (101) wegen der Expansion der Gase, wie in 2 dargestellt, nach oben geschoben. Dies ist das Resultat der Arbeit des in der Kammer B enthaltenen Gases.
Die von dem System geleistete Arbeit führt zu einer Vergrößerung des Volumens (103), welches der folgenden Gleichung entspricht: w = –P_exdV (Gleichung 1) wobei Pex der in der externen Umgebung herrschende Druck ist und dV die Veränderung des Volumens (103).
Betrachten wir das gleich Experiment, jedoch ersetzen wir den Stopfen, der ohne Reibung unter der Wirkung der Ausdehnung oder Expansion des Gases gleiten kann, mit einem Stopfen (104), der vollständig durch Schweißen oder Verkleben an der Wand der Röhre fixiert ist. Dieser Stopfen kann nicht bewegt werden, wenn sich das Gas ausdehnt. Füllen wir nun die Kammer B mit einer inkompressiblen Flüssigkeit (107). Führen wir dann eine Röhre (106) durch den Stopfen (104) zwischen den Kammern A und B. Diese Röhre (106) dringt bis zu einer gewissen Tiefe ein, sodass jeder Austausch von Gas zwischen der Kammer B und der Kammer A vermieden wird. Dieses System ist daher ein geschlossenes nicht-isoliertes thermodynamisches System, in welchem der schwimmende Stopfen durch eine inkompressible Flüssigkeit ersetzt ist. Die Röhre (106), welche durch die beiden Kammern dringt, ist mittels eines Ventils (105) isoliert. Wenn das Ventil (105), wie in 3 dargestellt, geschlossen ist, sind die beiden Kammern A und B thermodynamisch abgeschlossen und isoliert. Halten wir den Druck Pex des Gases in der Kammer A niedriger als der Druck P1 des Gases (110), der oberhalb der Flüssigkeit in der Kammer B herrscht. Wenn das Ventil (105) nun geschlossen gehalten wird, sind die beiden Kammern daher, wie in 3 dargestellt, voneinander isoliert. Unter solchen Bedingungen geschieht in der Kammer B nichts. Wenn das Ventil (105) (langsam) geöffnet wird, wird, da der Druck Pex in der Kammer A geringer als der Druck des Gases (110) in der Kammer B ist, das Gas mit einer isothermen Ausdehnung beginnen, das zu einem Ansteigen der Flüssigkeit (107) in der Kammer B entlang der Röhre (106) führt, wie in 4 dargestellt. Dieses Ansteigen von Flüssigkeit wird begleitet durch ein Ansteigen des Volumens des Gases (110) in der Kammer. Dieses Ansteigen des Volumens (108) ist das Ergebnis der von dem Gas (110) in der Kammer B geleisteten Arbeit. Das Ansteigen des Volumens ohne Austausch von Material in der Kammer B wird daher durch einen Abfall des Drucks P1 des Gases (110) begleitet. Die gesamte von dem Gas (110) durch seine Expansion geleistete Arbeit wird daher durch die folgende Beziehung dargestellt: w = –Pdv – mgh = –P_exdV (Gleichung 2)
Wobei P der Druck des Gases in der Kammer B ist, dv die Veränderung des Volumens (108) des Gases (110) in 4, m die Masser der Flüssigkeit, g die Gravitationsbeschleunigung und h die Höhe bzw. Oberfäche (111) der inkompressiblen Flüssigkeit (107) in der Röhre (106). Pex ist der Druck außerhalb der Kammer B, der in der Kammer A herrscht und dV ist die Veränderung des Volumens (103) in 2.
Die Bedingung dafür, dass die Flüssigkeit (107) die Röhre (106) vollständig füllt, ist dass die durch das Expandieren oder Ausdehnen des Gases (110) geleistete Arbeit ausreichend für die benötigte Arbeit ist. Und dieses (jenes?) steht unmittelbar in Zusammenhang mit der Größe des Drucks Pex in der Kammer A. In der experimentellen Vorrichtung aus 3 und 4 muss die für das vollständige Füllen der gesamten Länge der Röhre (106) mit der Flüssigkeit (107) benötigte Arbeit durch die unten genannte Formel beschrieben werden, die unter Beachtung experimenteller Faktoren erarbeitet wurde:
P1 und V1 sind jeweils der Druck und das Volumen des Gases (110) im Anfangszustand, also vor dem Öffnen des Ventils (105). ρ ist die Dichte der Flüssigkeit (107); g ist die Gravitationsbeschleunigung, R ist die universelle Gaskonstante; T ist die Temperatur des Gases; Vt ist das Gesamtvolumen der Röhre (106), Vtsp ist das spezifische Volumen der Röhre (106); α ist der Winkel zwischen dem System und der horizontalen Ebene.
Der Druck des Gases (110) in der Kammer B bei der Leistung der Arbeit ist groß genug, dass die Flüssigkeit (107) über die gesamte Höhe der Röhre (106) steigt, wenn der durch die durch Gleichung 4 beschriebene Gleichung ausgedrückt werden kann. Dieser Druck ist als der kritische Druck Pc bekannt, oberhalb welchem die Flüssigkeit (107) aus der Röhre in die Kammer A überläuft. Dies ist durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt:
Die gesamte durch die isotherme Expansion des Gases (110) geleistete Arbeit wird daher durch die unten genannte Beziehung ausgedrückt, welche die Lösung der Gleich 3 ist.
Die Verringerung des Drucks des Gases (110) in der Kammer B als Ergebnis seiner Expansion kann mittels eines externen Drucks von einem anderen nicht isolierten geschlossenen System ähnlich zu dem System der 3 und 4 genutzt werden. Dies entspricht der Anordnung dieser einfachen Vorrichtungen des in 3 und 4 untersuchten Modells in einer Reihe, indem diese wie in 5 dargestellt, aufeinandergestapelt werden. Diese Vorrichtung wird daher aus einer Reihe von thermodynamischen Systemen aufgebaut, die in Bezug auf das gespeicherte Gas oberhalb der Flüssigkeit jedes Systems isoliert und abgeschlossen sind. Die Molezahl dieser Gase bleibt konstant, da kein Material mit anderen Systemen ausgetauscht wird. Vom thermodynamischen Standpunkt aus verhält sich die inkompressible Flüssigkeit jedoch wie in einem offenen System, da die Möglichkeit einer Übertragung von Flüssigkeit von einem System in das nächste besteht. Es ist daher diese Kombination von Systemen zwischen der Flüssigkeit und dem Gas, die entscheidend für den Betrieb des gesamten wie in 5 dargestellten Systems ist. Die Ausdehnung des in dem geschlossenen und isolierten Systems enthaltenen Gases stellt die für den Transport der in einem offenen System enthaltenen Flüssigkeit von einem System in ein anderes nötige Arbeit bereit.
In der Vorrichtung aus 5 wird, wenn ein geringerer Druck auf das Gas in dem ersten System (112) ausgeübt wird dieses (jener?) eine Expansion des Systems (114), das unter ihm liegt verursachen und diese ”Reihe oder serielle Expansion oder Absenkung” wird sich bis zum letzten System (105) ausbreiten und zwar abhängig von dem in dem ersten System (112) erzeugten Druck. Das letzte System (115) ist direkt mit einer Röhre (114) mit der externen Umgebung verbunden (externes System (116), welches Flüssigkeit enthält, über welcher ein Druck P herrscht, der in den meisten Fällen der Atmosphärendruck ist oder ein anderer Druck sein kann, wenn dieses externe System gegenüber der Atmosphäre abgeschlossen ist). Dieser Druck P ist mehr oder weniger identisch zu den Gasdrücken jedes der Systeme aus 5. Wenn der Druck auf das erste System (112) ausgeübt wird, ausreichend ist, um eine Expansion des in dem letzten System (115) enthaltenen Gases zu verursachen, wird diese Expansion ihrerseits eine Druckreduktion in dem System (115) verursachen. Diese wird eine Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck des externen Systems (115) verursachen, deren Konsequenz sein wird, dass die in dem System (115) enthaltene Flüssigkeit innerhalb der Röhre (117) nach oben steigt. Das Eintreffen von Flüssigkeit in dem System (112) wird den Druck des Gases in diesem System erhöhen und dies wird zu einem weiteren Ansteigen der Flüssigkeit in dem System (112) in Richtung des darüberliegenden Systems führen. Dieser Anstieg wird sich der Reihe nach fortsetzen – der verwendete Begriff ist ”seriellen Fluss” – bis die Flüssigkeit das erste System erreicht und dort ausgegeben wird (113). Wenn der Druck in dem ersten System konstant gehalten wird, wird diese serielle Druckabsenkung und der sich daraus ergebende serielle Fluss niemals enden.
Wenn die in dem ersten System (112) erzeugte Absenkung groß genug ist, so dass der Druck in dem letzten System (115) gleich dem kritischen Druck ist, kann der Druck Pi des in jedem Systems enthaltenen Gases mittels der folgenden Gleichung beschrieben oder ausgewertet werden:
Wobei i der Rang des Systems nach unten ist und Pex der absolute auf das erste System ausgeübte Druck.
Für eine Absenkung Pex, die in dem ersten System (112) erzeugt wird, kann die maximale Zahl n von thermodynamischen Systemen, die in einer Reihe angeordnet werden können, sodass der Druck des Gases in dem letzten System gleich dem kritischen Druck Pc ist, mittels der folgenden Gleichung berechnet werden:
Gemäß Gleichung 7 konvergiert die Anzahl der in einer Reihe angeordneten Systeme gegen eine Konstante, wenn der Winkel α gegen 90° konvergiert, also gegen eine vertikale Anordnung. Die Größe von n ist durch das Quadrat des Volumens der Röhre beschränkt oder anders gesagt die Masse n der Flüssigkeit, da die Arbeit (–mbh), die zum Ansteigenlassens des Wassers in der Röhre zugeführt werden muss.
Wenn jedoch der Winkel α gegen Null konvergiert, konvergiert die Anzahl n von Systemen gegen Plus unendlich, was bedeutet, dass wenn das System in einer horizontalen Ebene angeordnet wird, also auf einer Erdoberfläche ausgebreitet wird, die Länge des Systems gegen Plus unendlich konvergiert. Dies bedeutet, dass das System die ideale Pipeline zum Transportieren von Flüssigkeit von einem Punkt zu einem anderen ist. Druckverluste durch Reibung sind daher vernachlässigbar und können insbesondere deshalb auf Null gesetzt werden, da diese Verluste auf die Verluste entlang der Röhre (106) jedes Systems beschränkt sind und sich diese Druckabfälle nicht addieren. Dies bedeutet, dass die Vorrichtung wie in 5 dargestellt eine enorme Länge haben kann. Das Design der Röhren hat keinen Einfluss auf das System. Die Röhren können, wie beispielsweise in 6 dargestellt, verschiedene Formen haben.
Durch die Kenntnis der Gesamtzahl der in Reihe montierten Systeme ist es daher möglich, die Absenkung PexR zu berechnen, die in dem ersten System (112) erzeugt werden muss, um den kritischen Druck Pc in letzten System zu erreichen, indem die folgende Gleichung verwendet wird:
Die Bedingung dafür, dass sich der serielle Fluss über das gesamte Reservoir fortsetzt, hängt von dem Differenzialdruck zwischen dem Druck oberhalb der Flüssigkeit (116) und dem Druck des Gases in dem letzten System (115) ab. Diese Differenz muss groß genug sein, um einen Anstieg der Flüssigkeit (115) über die gesamte Höhe der Röhre (117) zu verursachen, sodass diese in das letzte System (115) überläuft.
Um eine kontinuierliche Arbeit dieses Systems zu ermöglichen ist es daher wichtig zu bemerken, dass der Druck des Gases (110) oberhalb des Siededrucks liegen muss. Unterhalb dieses Drucks werden die gelösten Gase verdampfen und die Druckdifferenz in dem System erzeugen, das neben dem ersten System liegt. Aus der flüssigen Phase heraustretende Gase werden daher den Druck des Gases oberhalb der Flüssigkeit erhöhen und dies wird die Aktivierung einer autonomen Reihenabsenkung verhindern. Der kritische Druck Pc und der Druck des ersten System Pex müssen daher absolut höher als der Siededruck sein. Im Fall von Wasser ist der Siededruck selbst bei 50 Grad Celsius hinreichen gering (0,123 bar) und kann mittels der folgenden Gleichung für alle Temperaturen zwischen 5 und 140 Grad Celsius abgeschätzt werden: In ρ_sat = 13,7 – 5120 / T (Gleichung 9) wobei T die Temperatur auf der Rankine-Skala und Psat der Sättigungsdruck in Atmosphären ist.
Die Vorrichtung aus 5 ist daher zur autonomen Reihenabsenkung in der Lage, die einen autonomen Reihenfluss verursacht. Dieser Betrieb wird unendlich laufen, vorausgesetzt, dass dem System keine Flüssigkeit ausgeht und dass die in dem ersten System (112) erzeugte Druckabsenkung konstant gehalten wird. Praktisch kann dies durch eine mit dem ersten System (112) verbundene Vakuumpumpe erreicht werden; dann wird der Fluss stetig. Die Verwendung einer Vakuumpumpe bedeutet die Nutzung von Energie aus einer externen (elektrischen oder mechanischen) Quelle.
Es ist daher eine der wohlbekannten Eigenschaften von der Flüssigkeitsmechanik, die zum Erzeugen der in dem System (112) benötigten Absenkung genutzt wird, um den stetigen Betrieb des Systems oder dem Endlosbetrieb des Systems zu gewährleisten. Betrachtet wir nun eine Vorrichtung wie diejenigen, die in 7 beschrieben ist. Sie ist aus einer mit einer Flüssigkeit bis zu einer Höhe (119) gefüllten Röhre aufgebaut. Oberhalb der freien Oberfläche der Flüssigkeit herrscht ein Normaldruck, der gleich dem Umgebungsdruck des Gases der externen Umgebung sein kann. Die Röhre hat eine Abflussöffnung (112), die durch ein Ventil (121) geschlossen ist. Wenn das Ventil (121) offen ist, fließt das Wasser unter seinem Eigengewicht aus der Öffnung. Dieser Fluss verursacht ein Anwachsen des Volumens des Gases (123), das einer Expansion gleicht, jedoch einer durch den Fluss von Wasser angetriebenen Expansion. Die Folge davon ist, dass sich der Druck des Gases (123) reduziert. Wenn die Verlängerung (124) aus 7 mit dem ersten System (112) aus 5 wie in 8 dargestellt verbunden ist, wird die Absenkung des Gases (123) eine Druckreduktion erzeugen, die in dem ersten System (112) zum Aktivieren der autonomen Reihenabsenkung benötigt wird. Ferner wird die autonome Reihenabsenkung einen autonomen Reihenfluss verursachen, wenn dieser Druck Pex im System (112) gleich dem durch Gleichung 8 beschriebenen Druck ist.
Der Fluss durch die Öffnung (122) wird bei einem minimalen Stand oder einer Höhe aufhören, der durch die folgende Gleichung beschrieben ist:
wobei Patm der externe Druck ist, der dem Atmosphärendruck in einem zur Atmosphäre geöffneten System ist. Wenn die Verbindung der Verlängerung (124) am Boden (125) des Systems (112) erfolgt, wird der Reihenfluss das Niveau der Flüssigkeit erhöhen, die daher durch die Verlängerung (124) der Antriebssäule aus 7 fließen wird.
Die Höhe dieser Antriebssäule muss ziemlich groß sein, sodass wenn das Niveau der Flüssigkeit eine minimale Höhe oder einen Stand Hmin erreicht, an welcher der Fluss an dem Ausfluss (122) versiegt, der Druck Pex des Gases gleich dem Druck PexR ist, der zum Aktivieren der autonomen Reihenabsenkung und des autonomen Reihenflusses ist.
Autonome Reihenkompression
Das oben beschriebene Prinzip, welches die autonome Reihenabsenkung verwendet, kann auch durch das Erzeugen einer autonomen Reihenkompression genutzt werden. Um dieses (jenes) zu erreichen, muss nur die Pumpe bis zu einer hinreichenden Tiefe eingetaucht werden, um eine Kompression des oberhalb der Flüssigkeit vorhandenen Gases zu verursachen. Das entscheidende Ziel ist, eine Kompression zu erzeugen, so dass eine Differenz bezogen auf einen externen – oder Umgebungsdruck herrscht. In dem Zeitpunkt der Kompression und da die Flüssigkeit zu dem über ihr liegenden System mit geringerem Druck offen ist, wird das komprimierte Gas eine Arbeit leisten, die einen Anstieg der Flüssigkeit in dem System in die obere Kammer verursacht. Das Gas wird durch den Eintritt von Flüssigkeit über ihren eingetauchten Teil komprimiert. Der Eintritt von Flüssigkeit in das System reduziert daher das Luftvolumen und erhöht dadurch ihren Druck. Der Kompressionsdruck ist gleich dem hydrostatischen Druck oder Spiegel der Flüssigkeit, in welche die Pumpe eingetaucht ist. 13 zeigt die im autonomen Reihenkompressionsmodus arbeitende Pumpe. Die gesamte von den Gas empfangene und erzeugte Arbeit wird durch die folgende Beziehung beschrieben.
wobei Ph der hydrostatische Druck beim Eintauchen in die Flüssigkeit ist, dvh das Volumen des komprimierten Gases ist, P der Druck des Gases nach seiner Ausdehnung ist, dv das bei der Expansion des Gases gewonnene Volumen ist und dV die Gesamtveränderung des Volumens des Gases, das in einem isolierten System enthalten ist, auf welches Ph angewandt wird, ist.
Das Lösung der Gleichung 11 ergibt den folgenden Ausdruck, welcher den Druck des Gases während der Aktivierung der autonomen Reihenkompression in jedem System als Funktion des hydrostatischen Drucks Ph beschreibt. Es stell den für den Anstieg der Flüssigkeit auf die volle Höhe hat der Röhre notwendigen Druck dar:
In dem autonomen Reihenkompressionssystem besteht kein Bedarf für eine Antriebssäule. Die Druckdifferenz zwischen dem System und der externen Umgebung ist daher ausreichend, um einen Reihenfluss zu ermöglichen, wenn die Eintauchtiefe ausreicht, um die Reihenkompression zu aktivieren. Gleichung 12 ist gültig, wenn der Kompressionsdruck kleiner oder gleich 1 bar ist. Darüber gilt die Annahme, wonach die Kompression dem Gesetz für ideale Gase folgt, nicht weiter. Die Effekte von realen Gasen, die andere Parameter haben, müssen beachtet werden.
Anwendungsgebiet
Bohrlöcher und Wasserbrunnen
Diese Erfindung kann im Gebiet von Wasser angewandt werden. Sie kann sämtliche heute für die Erzeugung von Wasser verwendeten Extraktionssysteme ersetzen. Die Tiefe, welche das System erreichen kann, ist größer als einige Hundert Meter. Eine Vereinfachung dieser Anwendung ist in 9 dargestellt. Die Bewegungssäule entspricht dem Brunnen. Die Kopfhöhe dieser Bewegungssäule muss so ausgelegt werden, dass die zum Starten der Absenkung und des Reihenflusses benötigten Bedingungen erfüllt sind, wenn der Zapfhahn 128 geöffnet wird. Wenn die Kapazität der Wasserader 129 zum Erzeugen von Wasser groß genug ist, kann die Kopfhöhe des Brunnenkopfs 127 erhöht werden, um im Kopf einen hinreichenden Druck zu haben. Der Zapfhahn 128 kann durch eine Reihe von Hydranten ersetzt werden, so dass sehr viele Personen gleichzeitig bedient werden können. Das Design dieser Pumpe muss die maximale Rate berücksichtigen, mit welcher die Wasserader 129 liefern kann, um zu vermeiden, dass das Bohrloch oder der Brunnen austrocknet. Die Lieferrate der Pumpe muss daher unterhalb der maximalen Rate liegen, mit welcher Wasser in den Brunnen oder das Bohrloch fließt. Mit dieser Pumpe kann ein in einer Höhe H über der Erde stehender Turm direkt gefüllt werden. Alles was für die Pumpe nötig ist, um Wasser aus dem Brunnen in eine Höhe zu fördern, die ein Entleeren über dem Zapfhahn 128 ermöglicht, ist die direkte Förderung von Wasser in den Turm. Neben dem Wunsch, eine Wasserreserve zu erzeugen, kann diese Pumpe ohne einen Turm arbeiten. Sie kann Wasserverteilungsleitungsnetzwerke für ein Dorf oder eine Stadt direkt speisen. Der begrenzende Faktor ist das Einfließen des Wassers in die Wasserader.
Autonome Erzeugung von Elektrizität
Diese Pumpe hat das unmögliche Problem geschlossener hydroelektrischer Kraftwerke wie in dem Stand der Technik betreffenden Absatz beschrieben gelöst. Da die Pumpe keine externe Energie benötigt, um Wasser bis zu jeder Höhe über das Erdniveau zu fördern, ist sie daher in der Lage, ein hydroelektrisches Energieerzeugungssystem in der Form eines Kreislaufs wie in 10 dargestellt, zu erzeugen. Diese Vorrichtung wird aus einem Reservoir 138 gebildet, das Wasser 139 enthält. Die autonome Reihenabsenkungspumpe 131 ist darin installiert und in ihrem Scheitelpunkt durch eine Antriebssäule 132 bedeckt, die Wasser enthält. Die Antriebssäule ist über ein Sammelrohr 133 mit dem Reservoir verbunden. Mit dem Ende dieses Sammlers ist eine Turbine 134 verbunden, die ihrerseits mit einem elektrischen Wechselrichter verbunden ist. Elektrische Kabel 136 sind mit dem Wechselrichter verbunden. Wenn das Ventil 140 geöffnet wird, fließt das Wasser aus der Antriebssäule 132 in das Sammelrohr 133 und dreht die Turbine, die dann einen Dynamo zum Erzeugen von Elektrizität antreibt. Die Verringerung der Wassermenge in der Antriebssäule erzeugt eine Ausdehnung des Gases 141 oberhalb des Wassers. Diese Ausdehnung erzeugt daher eine Absenkung, die die Phänomene der Absenkung und des seriellen Flusses durch die Pumpe 131 aktiviert. Diese Pumpe zieht Wasser aus dem Reservoir 138 und liefert es an die Antriebssäule. Dadurch wird ein unendlicher Fluss erzeugt, der die Turbine 134 endlos antreibt.
Die Auslegung des Systems muss die für den Betrieb dieses geschlossenen hydroelektrischen Kraftwerks notwendigen Bedingungen erfüllen. Die von einem solchen System erzeugte elektrische Leistung wird durch die folgenden Beziehungen beschrieben: Pkw = ρQhg (Gleichung 13) h = H – Patm – Pex / ρg (Gleichung 14) wobei Q die Flussrate ist, h die effektive Kopfhöhe des Tropfens und H die Kopfhöhe 142 des Wassers in der Antriebssäule bezogen auf den Schaft der Turbine 134. Diese Art von Kraftwerk kann in jedem Maßstab von einem kleinen Maßstab (ausreichend zum Versorgen eines Hauses) bis zu einem großen Maßstab (ausreichend zum Versorgen einer Stadt) gebaut werden. Gemäß Gleichung 13 ist die elektrische Leistung abhängig von der Kopfhöhe h des Gefälles und der Flussrate Q. Diese beiden Parameter sind unter der Kontrolle des Entwerfers, so dass es möglich wird, ein zum Erzeugen möglicher Strommengen geeignetes System zu bauen, in dem die Flussrate und die Kopfhöhe angepasst wird. Um die Flussrate Q zu erhöhen, ist es möglich, ein Design zu erwägen, welches mehrere autonome Reihenabsenkungspumpen wie in 11 dargestellt parallel verwendet. In diesem Fall wird die Gleichung 13 zu:
wobei k die Anzahl der parallel angeordneten Reihenpumpen ist und Qj die Flussrate jeder Pumpe.
Flüssigkeitstransportpipeline
In der die Absenkung in jedem System beschreibenden Gleichung (Gleichung 6) bemerkt man die Bedeutung des Einflusses, den die Neigung auf die Pumpenleistung hat. Wenn der Winkel α gegen Null konvergiert, also in Richtung der horizontalen Ebene, ist die Absenkung in all den thermodynamischen Systemen, welche die Pumpe bilden, die Gleiche. Dies entspricht der Tatsache, dass diese autonome Reihenabsenkung zum Transportieren von Flüssigkeit über große Distanzen ohne die Bereitstellung externer Energie verwendet werden kann. Diese Eigenschaft ermöglicht die Anwendung der Erfindung auf die Bewässerung von großen Gebieten, die Verteilung von Trinkwasser in anderen Gebieten und auch auf andere Flüssigkeiten unabhängig von Wasser. Die Verwaltung von Wasserresourcen wird dadurch vereinfacht. 12 zeigt den Aufbau zum Umschalten von einer vertikalen Ebene in eine horizontale.
Erschaffen von Kunstwerken
Diese Prinzipien können zum Schaffen von autonomen öffentlichen Brunnen oder Kunstwerken von verschiedener Art verwendet werden.
Beschreibung der Zeichnungen
Tafel 1/10:
Diese Tafel enthält 1 und 2. 1 ist ein thermodynamisches System mit zwei Kammern A und B, in welchen Gase mit unterschiedlichen Drücken sind. Die zwei Kammern sind durch einen fixierten Stopfen (101) von vernachlässigbarem Gewicht getrennt, der durch einen Stift (100) in seiner Position gehalten wird. 2 ist das gleiche System mit entfernten Stiften. Das Gas in der Kammer 2 expandiert und erzeugt Arbeit, die den Stopfen bewegen kann. Im Gleichgewicht ist der Druck in den beiden Kammern der Gleiche.
Tafel 2/10:
3 und 4 zeigen das in den 1 und 2 beschriebene System mit der Ausnahme, dass die beiden Kammern über eine Röhre 106 miteinander kommunizieren, die mit einem Ventil ausgestattet ist, welches eine Trennung oder eine Verbindung der Kammern miteinander ermöglicht. Hier ist der Stopfen durch eine Flüssigkeit ersetzt, die in der Röhre 106 ansteigen kann, abhängig davon, ob sich das Gas in der Kammer B ausdehnt oder nicht.
Tafel 3/10:
5 zeigt eine Reihenabsenkungs- oder Kompressionspumpe, die aus einem Reihenstapel von Vorrichtungen gemäß Tafel 2/10 besteht.
6 zeigt eine andere Art der Anordnung von Röhren, um die Kommunikation der thermodynamischen Kammern miteinander zu ermöglichen.
Tafel 4/10:
7 zeigt eine zum Erzeugen der Absenkung benötigte Antriebssäule, welche die Reihenabsenkung aktiviert.
Tafel 5/10:
8 zeigt die Antriebssäule und die Reihenabsenkungspumpe im zusammengesetzten Zustand.
Tafel 6/10:
9 zeigt den Aufbau, der die Erzeugung jedes Fluids in einem Brunnen ermöglicht.
Tafel 7/10:
10 beschreibt ein System, welches die autonome Erzeugung von elektrischer Energie ermöglicht; es umfasst ein Reservoir, eine autonome Pumpe, eine Turbine und einen Wechselrichter sowie ein Sammelrohr.
Tafel 8/10:
12 zeigt einen horizontalen Aufbau zum Transportieren von Flüssigkeit über die Oberfläche.
Tafel 9/10:
11 beschreibt eine autonome Stromerzeugungsstation mit einer Kombination aus verschiedenen autonomen Pumpen, die parallel angeordnet sind.
Tafel 10/10:
13 zeigt die Pumpe, die autonome Reihenkompression verwendet.

Claims

Verfahren zum Pumpen eines Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass es auf den Prinzipien der autonomen Reihenabsenkung und/oder Kompression sowie auf einem System basiert, welches das autonome Pumpen des Fluids ermöglicht.
Verfahren zum Pumpen des Fluids nach Anspruch 1, welches keine Tauchpumpe oder einen mechanischen Kolben umfasst.
Verfahren zum Pumpen nach Anspruch 1 oder 2, basierend auf der Tatsache, dass es die Situation ausnutzt, wonach es die Expansion oder Ausdehnung von Gas in einem geschlossenen System ist, die Arbeit für die externe Umgebung bereitstellt; das Gas kann in Bezug auf den Druck der externen Umgebung in einem abgesenkten Druck oder einem erhöhten Druck vorliegen.
Verfahren zum Pumpen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absenkung oder Kompression, die in einer als Einzelmodul betrachteten Kammer des Systems erzeugt wird, das Fluid in eine andere Kammer dieses Moduls treibt.
Verfahren zum Pumpen eines Fluids nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass es in der Anordnung einfacher Vorrichtungen oder Module in einer Reihe durch Aufeinanderstapeln derselben besteht.
Verfahren zum Pumpen nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl n von stapelbaren Vorrichtungen von in dem Winkel α zwischen dem System und der horizontalen Ebene abhängt.
Verfahren zum Pumpen nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass n eine Funktion des Quadrats des Volumens der Röhre ist, wenn α gleich 90 Grad ist.
Verfahren zum Pumpen nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass n nach unendlich konvergiert, wenn α gleich Null ist, insbesondere für eine horizontale Ebene.
Verfahren zum Pumpen von Fluid nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der abgesenkte Druck durch die Verwendung einer Vakuumpumpe konstant gehalten werden kann.
Verfahren zum Pumpen von Wasser durch einen Reihenfluss gemäß Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der abgesenkte Druck durch eine Vorrichtung erzeugt wird, die eine Wasser enthaltende Säule umfasst und welche durch ein Ventil geschlossen ist, welches beim Öffnen den abgesenkten Druck erzeugt, wobei der gleiche abgesenkte Druck über eine Röhre auf andere, entferntere Kammern ausgeübt werden kann.
Verfahren zum Pumpen von Wasser nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebssäule ersetzt werden kann durch ein teilweises Eintauchen des Systems in die Flüssigkeit, um den zum Aktivieren des autonomen Reihenflusses notwendigen Druck bereitzustellen.
System zum Pumpen eines Fluids nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid eine Turbine drehen kann.
Verwendung des Systems zum Pumpen eines Fluids nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 7 und 10 zur Erzeugung von hydroelektrischer oder hydrodynamischer Energie.
System zum Pumpen zum Zwecke der Erzeugung hydroelektrischer Energie gemäß den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 7, 10 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass es das folgende Zubehör umfasst: ein Wasser enthaltendes Reservoir, eine oder mehrere autonome Reihenpumpen, eine Antriebssäule und ein Sammelrohr und eine Turbine.
Verwendung des Systems zum Pumpen von Fluiden gemäß den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenpumpe zum Transportieren von Fluiden über große Distanzen verwendet werden kann.
Verwendung des Pumpsystems gemäß den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 7 und 10 zur Versorgung mit Trinkwasser aus einem Bohrloch oder Brunnen oder durch Oberflächentransport.
Verwendung des Pumpsystems gemäß den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 7 und 10 zur Bewässerung im Gebiet des Ackerbaus.
Verwendung des Pumpsystems nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 7 und 10 zum Bauen und Erschaffen von Kunstwerken oder dekorativen Stücken.
Verwendung des Systems nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Leistung zum Bewegen eines Fahrzeugs über Land, über See oder durch die Luft verwendet wird.