DE19535062C1 - Vorrichtung zur Umwandlung einer Energie in eine andere Energieform bzw. in Nutzwärme - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Um­ wandlung einer Energie in eine andere Energieform oder in Nutzwärme mit mindestens einer Antriebseinheit zum Antrieb einer Druckmittel-Fördereinrichtung.

Es ist allgemein bekannt, bei Hydrosystemen mit Hilfe von Elektrohydroaggregaten elektrische Energie in hydraulische Energie umzuwandeln. Bei der Energieum­ wandlung und dem Energietransport entstehen erhebliche Verluste, so daß die bekannten Anlagen mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad arbeiten.

Es ist bereits eine Vorrichtung der eingangs aufgeführ­ ten Art bekannt (DE 295 03 215 U1), die bereits ein Heizsystem mit einer Antriebsvorrichtung aufweist, wo­ bei die mechanische Energie der Antriebsvorrichtung mittels einer Hydraulikpumpe oder eines hydrostatischen Getriebes in Wärmeenergie umgewandelt wird. Bei Verwen­ dung eines hydrostatischen Getriebes kann der Verstell­ motor einen Generator antreiben, so daß aus einer Wär­ meerzeugung gleichzeitig auch elektrischer Strom er­ zeugt werden kann. Das vorgeschlagene Heizungssystem weist jedoch keinen Wärmetauscher mit Rohrleitungen auf, in dem Turbolatoren angeordnet sind, so daß die dem Druckmedium zugefügte Wärmeenergie im Wärmetauscher nicht in sehr kurzer Zeit an das den Wärmetauscher um­ gebende Druckmittel bzw. Wasser abgegeben werden kann. Dies zeigt sich insbesondere dadurch, daß das in den Wärmetauscher eingegebene Öl mit einer Temperatur von beispielsweise 80°C eintritt und mit einer Temperatur von 75 °C austritt. Daraus ergibt sich, daß die dem Öl zugeführte Wärmeenergie beim Durchlauf durch den Wärme­ tauscher nicht in der gewünschten Zeit, die für den Durchlauf des Öls im Wärmetauscher zur Verfügung steht, abgegeben wird. Dadurch verlängert sich die Aufheizzeit des Wassers über dem Wärmetauscher, so daß eine derar­ tige Anlage noch nicht mit den bisherigen Heizungssy­ stemen wettbewerbsfähig ist.

Die gleichen Nachteile weisen auch die Vorrichtungen nach der DE 43 41 209 C1 und DE 39 15 208 A1 auf. Auch diese Systeme zeigen keine Wärmetauscher für Heizungs­ anlagen, bei denen die Wärmetauscher Turbolatoren auf­ weisen, die sich quer zur Strömungsrichtung der Mittel­ achse der Turbolatoren erstrecken.

Demgemäß besteht die Erfindungsaufgabe darin, die Vor­ richtung zur Umwandlung einer Energie in eine andere Energieform bzw. Nutzwärme und die zugehörigen Aggre­ gate derart auszubilden und anzuordnen, daß die dem Druckmittel, das den Wärmetauscher durchfließt, zuge­ führte Energie in kürzester Zeit an das den Wärmetau­ scher umgebende Medium abgegeben wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des neuen An­ spruchs 1 gelöst.

Durch die dem Wärmetauscher vorgeschaltete Druckmittel­ erhöhungseinrichtung bzw. die Drossel wird das Druck­ mittel bzw. das Öl auf eine Temperatur von beispiels­ weise 80°C erhitzt. Danach fließt das erhitzte Druck­ mittel bzw. Öl über den Wärmetauscher, in dem die Wi­ derstandselemente bzw. Turbolatoren angeordnet sind, die sich in vorteilhafter Weise quer zur Strömungsrich­ tung des Druckmittels erstrecken, d. h. in Richtung der Mittelachse des Wärmetauscherrohrs. Nur hierdurch kann die in dem Druckmittel bzw. Öl gespeicherte Wärmeener­ gie in sehr kurzer Zeit abgegeben werden, was mit her­ kömmlichen Anlagen bisher nicht erreicht werden konnte. Tritt also das Öl bzw. das Druckmittel mit einer Tempe­ ratur von ca. 80°C in den Wärmetauscher ein, so weist das Druckmittel beim Verlassen eine Temperatur von 60°C, also ein Temperatur-Delta von 20°C, auf. Dies zeigt, daß durch die günstige Anordnung der sich in die Rohrmitte erstreckenden Turbolatoren der Wärmeaustausch erfolgen kann. Von einem namhaften Institut durchge­ führte Untersuchungen haben ergeben, daß mit einer der­ artigen Anlage ein Wirkungsgrad von ca. 98% erreicht wird und daß ein derartiges Heizsystem allen bisher be­ kannten Heizsystemen weit überlegen ist.

Eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrads wird auch dadurch erreicht, daß diese Vorrichtung aus der Antriebseinheit, der Druckmittelpumpe, der Druckmittel- Erhöhungseinrichtung und dem Wärmetauscher besteht, der mit zahlreichen hintereinander angeordneten Wider­ standselementen wie Turbolatoren ausgestattet ist, die sich quer zur Strömungsrichtung des Druckmittels in die Rohrleitung zur Rohrmitte oder zu seiner Mittelachse erstrecken. Durch die Verwendung von in dem Wärmetau­ scher bzw. in den zugehörigen Rohrleitungen vorgese­ henen Turbolatoren werden die Wärmemoleküle des erhitz­ ten Öls aufgelöst, so daß Wärmeenergie über die Rohr­ leitungen an das in dem Behälter befindliche Medium (Flüssigkeit, Wasser) abgegeben wird. Erhitzt man bei­ spielsweise das Druckmittel, insbesondere das Öl, über die Druckerhöhungseinrichtung bzw. die Drossel auf eine Temperatur von 80°C und führt man dieses erhitzte Öl dem Wärmetauscher zu, so verläßt das Öl den Wärmetau­ scher mit einer Temperatur von ca. 60°C. Wären derar­ tige Turbolatoren in dem Wärmetauscher bzw. in den zu­ gehörigen Leitungen nicht vorgesehen, so würde die Tem­ peraturdifferenz nicht 20°C, sondern maximal 5°C be­ tragen. Das bewirkt, daß sich die Ölmoleküle wesentlich leichter auflösen können und somit der Wärmetransfer zwischen dem Öl und dem den Wärmetauscher umgebenden Medium wesentlich besser erfolgt. Diese frei werdende Wärmeenergie kann Heizungsanlagen, Warmwasserspeichern und anderen Einrichtungen ohne weiteres zugeführt wer­ den.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbil­ dung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die Vor­ richtung zur Umwandlung einer Energie in Nutzwärme oder der zugehörige Wärmetauscher aus einem Rohrleitungssy­ stem besteht, in dem die Widerstandselemente wie Turbo­ latoren vorgesehen sind, die sich quer zur Strömungs­ richtung des Druckmittels in die Rohrleitung zur Rohr­ mitte oder zu seiner Mittelachse erstrecken und in die­ sem Bereich einander überlappen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil­ haft, daß die Vorrichtung zur Umwandlung einer Energie in Nutzwärme oder der zugehörige Wärmetauscher über Rohrleitungen mit einem Behälter zur Aufnahme des Druckmittels oder des Öls verbunden ist, in dem die Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme vorgesehen ist, zu der zumindest eine Druckmittel-Erhöhungseinrichtung oder Drossel gehört, über die das Öl auf ein Tempera­ turniveau gebracht wird, das über der Umgebungstempera­ tur liegt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß der Be­ hälter so weit mit Öl befüllt ist, daß die Antriebsein­ heit und die Druckmittelpumpe ständig unterhalb des Öl­ spiegels liegen. Da die Antriebseinheit bzw. der Motor sowie auch die Druckmittelpumpe ständig unter dem Öl­ spiegel liegen, kann bereits die Motorwärmeenergie an das Öl abgegeben werden, so daß hierdurch ebenfalls eine Wirkungsgradverbesserung eintritt. Ferner besteht die Möglichkeit, die Druckmittelpumpe als offenes Sy­ stem einzusetzen, wobei gleichzeitig auch aufwendige Zu- und Abführleitungen eingespart werden können. Hier­ durch erhält man eine sehr kompakte Bauweise, zumal beide Aggregate fest miteinander verbunden und insge­ samt auf kleinstem Raum in dem Ölbehälter untergebracht werden können. Sämtliche Wärmeenergie, die bereits durch den Lauf des Elektromotors und durch den Einsatz der Pumpe aufgebracht wird, kann unmittelbar dem Öl als Wärmeenergie zur Verfügung gestellt werden.

Hierzu ist es vorteilhaft, daß die im Behälter vorgese­ hene Druckmittelpumpe einen offenen Ölkreislauf und hierzu eine unterhalb des Ölspiegels liegende Ansaug­ öffnung sowie eine Auslaßöffnung aufweist.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, daß die im Behälter vorgesehene Druckmittelpumpe eine oder mehrere mit Be­ zug auf die Mittelachse der Druckmittelpumpe schräg verlaufende Aussparungen wie Nuten aufweist, die an der Innenoberfläche des Gehäuses des Motors oder an der Oberfläche des Läufers oder Rotors oder an einem ande­ ren Teil des Motors vorgesehen sein können.

Vorteilhaft ist es ferner, daß die Nuten aus parallel verlaufenden Stegen gebildet sind und zur Aufnahme von Druckmittel oder Öl dienen, wobei die Nuten mit der An­ saugöffnung und/oder mit der Auslaßöffnung des Motors wirkungsmäßig verbunden sind, und daß die Druckmittel­ pumpe eine Auslaßöffnung mit einer an die Druckmittel- Erhöhungseinrichtung wie Drossel angeschlossenen Druck­ mittelleitung und eine in den Sammelbehälter reichende Saugseite oder Einlaßöffnung aufweist. Durch den Ein­ satz von aus parallel verlaufenden Stegen gebildeten Nuten, die entweder an der Innenoberfläche des Motorge­ häuses oder auch auf der Oberfläche des Läufers bzw. des Rotors vorgesehen sein können, wird auf einfache Weise erreicht, daß der Motor nicht trocken läuft und zum anderen die von dem Motor aufgebrachte bzw. produ­ zierte Wärmeenergie dem Öl direkt übertragen wird, so daß diese als Nutzwärme beispielsweise für die Hei­ zungsanlage verwendet werden kann.

Hierzu ist es ferner vorteilhaft, daß die Druckmittel- Erhöhungseinrichtung oder die Drossel über ihre Druck­ seite mittels einer Druckmittelleitung an den Behälter zur Aufnahme des Motors und der Druckmittelpumpe ange­ schlossen ist und daß die Vorrichtung zur Umwandlung einer Energie in Nutzwärme aus dem Behälter besteht, in dem der Wärmetauscher mit seinen Rohrleitungen vorgese­ hen ist, wobei in der als Zuführleitung ausgebildeten Rohrleitung eine Förderpumpe vorgesehen ist, die den Wärmetauscher aus der Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme mit Druckmittel wie Öl versorgt, während über die zweite als Rücklaufleitung ausgebildete Rohrleitung Öl zur Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme zurückgeführt wird. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der einzel­ nen Aggregate in dem Behälter ist es möglich, daß Pumpe und Motor im offenen Kreislauf arbeiten können und die auftretende Verlustwärme an das Öl abgegeben werden kann. Das Öl wird hierzu in der Unterölanlage bzw. in der Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme ständig umge­ wälzt, so daß aufgrund dieser Umwälzung und durch die vorteilhafte Anordnung der einzelnen Bauteile Verlust­ wärme entsteht, die genutzt werden kann, indem diese Wärmeenergie an das Öl abgegeben wird, so daß sie dann wieder als Wärmeenergie in Nutzwärme umgewandelt und Heizungssystemen zugeführt werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil­ haft, daß an die Vorrichtung zur Umwandlung einer Ener­ gie in Nutzwärme neben dem ersten Wärmetauscher und der Heizungsvorrichtung ein weiterer Wärmetauscher ange­ schlossen ist.

Wie zuvor beschrieben, gewährleistet die Ausbildung des Turbolators gemäß Anspruch 14 eine gute Herauslösung der Ölmoleküle, so daß in sehr kurzer Zeit ein Energie­ transfer zwischen Öl und dem umgebenden Medium vorge­ nommen werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil­ haft, daß der Turbolator aus mindestens einem sich zur Rohrmitte der Rohrleitung verjüngenden oder trapezför­ mig oder dreieckförmig ausgebildeten Widerstandselement besteht, dessen jeweilige Breitseite in Strömungsrich­ tung zeigt, und daß eine Seite des Turbolators an der Innenwand der Rohrleitung befestigt ist.

Von Vorteil ist es ferner, daß sich alle Turbolatoren sternförmig zur Rohrmitte oder zu seiner Mittelachse erstrecken und daß zumindest zwei gegenüberliegende Turbolatoren mit geringem Abstand d angeordnet sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil­ haft, daß zumindest zwei gegenüberliegende Turbolatoren mit Abstand d zwischen 2 cm und 50 cm oder 10 cm und 50 cm oder 15 cm und 50 cm oder 25 cm und 50 cm oder 30 cm und 50 cm oder 40 cm und 50 cm oder 25 cm und 45 cm oder 28 cm und 33 cm oder mit Abstand von 30 cm angeordnet sind und daß zumindest zwei, drei oder vier oder zahlreiche nebeneinander liegende und/oder gegen­ überliegende Turbolatoren jeweils mit Abstand d zwi­ schen 2 cm und 50 cm oder 10 cm und 50 cm oder 15 cm und 50 cm oder 25 cm und 50 cm oder 30 cm und 50 cm oder 40 cm und 50 cm oder 25 cm und 45 cm oder 28 cm und 33 cm oder mit Abstand von 30 cm angeordnet sind.

Vorteilhaft ist es ferner, daß die Turbolatoren ober­ flächenvergütet oder gehärtet oder aus einem gesinter­ ten Material gebildet sind.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbil­ dung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die Turbo­ latoren einen Überlappungsbereich aufweisen, der zwi­ schen 10% und 50% der Gesamthöhe A eines Turbolators liegt, und daß die Turbolatoren einen Überlappungsbe­ reich aufweisen, der zwischen 20% und 40% der Gesamt­ höhe A eines Turbolators liegt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil­ haft, daß die Turbolatoren einen Überlappungsbereich aufweisen, der zwischen 25% und 35% der Gesamthöhe A eines Turbolators liegt, und daß mit Bezug auf die Vor­ deransicht der Turbolatoren die durch die Turbolatoren nicht abgedeckte Fläche F kleiner ist als die Gesamt­ fläche G vier hintereinander liegender Turbolatoren. Das auf die Oberfläche der Turbolatoren austretende Öl wird durch die vorteilhafte Ausgestaltung der schräg verlaufenden Seitenteile der Turbolatoren stets zu den Seitenkanten der Turbolatoren geleitet, so daß in dem freien Raum zwischen zwei benachbarten Turbolatoren eine sehr starke Verwirbelung bzw. Turbulenz des Öls in den Rohrleitungen geschaffen wird, so daß die Wärmemo­ leküle sich sehr schnell freisetzen können.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß der Volumendurchfluß des Öls in den die Turbolatoren aufweisenden Rohrleitungen zwi­ schen 2 m³/h und 5 m³/h oder zwischen 3 m³/h und 4 m³/h oder zwischen 3,5 m³/h und 4,4 m³/h liegt und daß der Turbolator aus zwei zur Mitte der Rohrleitungen zusam­ menlaufenden Seiten gebildet wird, die einen Winkel α zwischen 15° und 5° oder zwischen 20° und 40° oder zwischen 25° und 35° oder zwischen 28° und 32° ein­ schließen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß der Durchmesser D der die Turbolatoren aufnehmenden Rohr­ leitungen zwischen 20 mm und 50 mm oder zwischen 30 mm und 40 mm oder zwischen 35 mm und 45 mm oder zwischen 26 mm und 30 mm oder 28 mm groß ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt.

Fig. 1 ein Funktionsschema einer Vorrichtung zur Umwandlung einer Energie in Nutzwärme mit einer Vorrichtung zur Er­ zeugung von Wärme und den zugehörigen Verbrauchern,

Fig. 2 einen Hydraulikkreislauf gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme mit einer Antriebseinheit und einer Pumpe,

Fig. 4 eine über einen Motor angetriebene Pumpe, die in einem Behälter der Vor­ richtung zur Erzeugung von Wärme ein­ baubar ist,

Fig. 5 eine Teilansicht der auf dem Läufer vorgesehenen Rippen und Vertiefungen zur Aufnahme von Öl,

Fig. 6 die Vorderansicht zweier übereinander­ lappender Turbolatoren,

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie A-B ge­ mäß Fig. 6,

Fig. 8 Seitenansicht zweier nebeneinander lie­ gender Turbolatoren, im Schnitt.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 mit 1 eine Vorrichtung zur Umwandlung einer Energieform in eine andere, bei­ spielsweise in Heizungswärme, dargestellt. Diese Vor­ richtung 1 besteht aus einem Behälter bzw. Sammelbehäl­ ter 7 zur Aufnahme einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser. Der Sammelbehälter 7 ist mit einem Isolierteil bzw. einer Isolierung 38 versehen, so daß die Wasser­ temperatur innerhalb des Sammelbehälters 7 über einen möglichst großen Zeitraum konstant gehalten werden kann. In dem Sammelbehälter 7 befindet sich ein Wärme­ tauscher 8, der aus zahlreichen wendelförmig angeordne­ ten Rohrleitungen besteht, die eine als Zuführleitung ausgebildete Rohrleitung 12 und eine als Abführleitung ausgebildete Rohrleitung 11 aufweisen.

Wie aus Fig. 1 ferner hervorgeht, ist im oberen Be­ reich des Sammelbehälters 7 ein Thermometer 39 und ein Temperaturregler 40 vorgesehen. Im oberen Bereich des Sammelbehälters 7 befindet sich ein zweiter Wärmetau­ scher 31, der über eine Zuführleitung 41 und eine Brauchwasserleitung 42 mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Verbraucher verbunden sein kann. Am obe­ ren Ende des Sammelbehälters 7 ist eine Rohrleitung 43 mit einem Druckspeicher 44 vorgesehen, wobei die Rohr­ leitung 43 (Heizungsvorlauf) mit einem Heizkörper 9 verbunden ist. Die Auslaßöffnung des Heizkörpers 9 ist wiederum über eine Rücklaufleitung 45 mit dem unteren Ende des Sammelbehälters 7 verbunden. In dem Heizungs­ vorlauf bzw. in der Rohrleitung 43 kann sich ein Steuer- oder Regelventil 46 befinden, über das der Zu­ lauf zum Heizkörper 9 gesteuert bzw. geregelt wird.

Der im unteren Bereich vorgesehene Wärmetauscher 8 ist gemäß Fig. 1, insbesondere gemäß Fig. 2 und 3, mit einer Vorrichtung 28 zur Erzeugung von Wärme verbunden. Die Vorrichtung 28 zur Erzeugung von Wärme ist in Fig. 3 in perspektivischer Darstellung und in Fig. 2 nur schematisch angedeutet, wobei Teile der Vorrichtung nur in einem Funktionsschema und nicht in der räumli­ chen Anordnung wiedergegeben sind.

Die Vorrichtung 1 zur Umwandlung einer Energie in eine andere Energieform sowie die Vorrichtung 28 zur Erzeu­ gung von Wärme sind als kompakte Baueinheit in einem Behälter bzw. Sammelbehälter 13 zur Aufnahme einer Druckmittelflüssigkeit insbesondere zur Aufnahme von Synthetiköl 6 angeordnet. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, liegen alle wesentlichen Bauteile der Vorrichtung 1 und 28 gemäß Fig. 3 unterhalb eines Ölspiegels 14, so daß diese Vorrichtungen mit einem offenen Ölkreis laufen können und die Wärmeenergie, insbesondere aus dem Mo­ tor 2, bereits dem Öl zugeführt wird, wie nachstehend noch näher beschrieben wird.

Wie aus Fig. 2 und 3 hervorgeht, ist die Antriebsein­ heit bzw. der Elektromotor 2 über eine Kupplung 55 mit einer Druckmittel-Fördereinrichtung bzw. Hydraulik­ pumpe 3 antriebsmäßig verbunden. Die Stromversorgung der Antriebseinheit erfolgt über elektrische Leitun­ gen 54, die an ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Stromnetz anschließbar sind.

Der Motor 2 ist gemäß Fig. 2 und 3 über die Kupp­ lung 55 mit der Druckmittel-Fördereinrichtung bzw. Hydraulikpumpe 3 wirkungsmäßig verbunden.

Die Antriebseinheit bzw. der Hydraulikmotor 2 weist (Fig. 2) ein Gehäuse 21 auf, in dem ein Rotor bzw. ein Läufer 20 vorgesehen ist. Zu dem Motor 2 gehört ein ringförmig angeordneter Stator 56. Der Antriebsmotor 2, der auch als Unterölelektromotor bezeichnet werden kann, weist an der einen Seite Ansaugöffnungen 15 und auf der anderen Seite Auslaßöffnungen 16 auf, die beim Antrieb des Läufers bzw. Rotors 20 durchflossen werden. An der Innenoberfläche des Gehäuses 21 bzw. an der Oberfläche des Läufers 20 und dadurch zwischen Sta­ tor 56 und Rotor 20 befinden sich zahlreiche parallel zueinander verlaufende Stege 27, die gemäß Fig. 5 schräg verlaufende Aussparungen bzw. Nuten 18 zur Auf­ nahme bzw. Durchdringung des Öl bilden. Die Nuten 18 schneiden eine Längsmittelachse 17 des Motors 2 in einem Winkel β, der zwischen 20° und 50°, insbesondere 45° groß sein kann. Durch die zahlreichen, mit gleichem Abstand zueinander angeordneten Nuten 18 wird das durchströmende Ölmedium beim Austritt aus den Öffnun­ gen 22 in einen Drall versetzt und gibt auf diese Weise die vom Elektromotor produzierte Wärmeenergie gleich­ mäßig an das Öl ab, so daß auch diese Wärmeenergie in Nutzenergie umgewandelt werden kann. Das aus dem Elek­ tromotor 2 über die Leitungen 15 und 16 im offenen Kreislauf zugeführte Öl wird fortlaufend in den Sammel­ behälter 13 zurückgeführt.

Die Hydraulikpumpe 3 steht über eine Auslaßöffnung 22 und eine Druckmittelleitung 4 mit einem Druckbegren­ zungsventil 47 in Verbindung, das bei Erreichen eines bestimmtes Drucks über eine Abflußleitung 48 dem Sam­ melbehälter 13 wieder Druckmittel zuführt, so daß eine Beschädigung der Druckmittel-Erhöhungseinrichtung bzw. der Drossel 5 vermieden wird.

Wie aus Fig. 2 ferner hervorgeht, steht die Druckmit­ telleitung 4 über die Drossel 5 und eine an die Dros­ sel 5 angeschlossene Abflußleitung 29 ebenfalls mit dem Sammelbehälter 13 in Verbindung, so daß auch die Hydraulikpumpe 3 ständig in einem offenen Ölkreislauf arbeiten kann und auf diese Weise dem Druckmittel bzw. dem Öl Wärmeenergie zuführt, wenn das Öl die Drossel 5 passiert. Auf diese Weise wird das Öl im Sammelbehälter von einer Temperatur von ca. 20° auf eine Temperatur von ca. 85° erhitzt. Die auf diese Weise dem Öl zuge­ führte Wärme wird anschließend über die Vorrichtung 1 in Nutzwärme umgewandelt.

Der Motor 2 treibt die Hydraulikpumpe bzw. Druckmittel- Fördereinrichtung 3 an. Diese saugt über einen Fil­ ter 26, der vor der Einlaßöffnung 25 der Pumpe 3 sitzt, Öl an. Es hat sich gezeigt, daß bei einer Drehzahl des Motors 2 zwischen 1000 und 3000 U/min, insbesondere von 1500 U/min, sowie einem Druck zwischen 150 und 200 bar, insbesondere 170 bar, und einem Austrittsdurchmesser an der Drossel 5 zwischen 3 mm und 5 mm bzw. 3.2 mm zusam­ men mit der Verwendung von synthetischem Öl auf Ester­ basis ein Wirkungsgrad von 98% in den Vorrichtungen 1 und 28 erzielt werden kann.

Als Öl wird in vorteilhafter Weise, wie bereits er­ wähnt, ein synthetisches Öl eingesetzt, das sich durch hervorragende Hochtemperatur- und extreme Oxydations­ stabilität auszeichnet. Aufgrund dieser Eigenschaften können Verharzungen, Ablagerungen und Ausscheidungen fast vollständig vermieden werden. Das Öl weist bei einer Temperatur von 15° eine Dichte von 0,9 g/cm³ auf. Die Viskosität beträgt bei 10°C 19,1.

Das auf diese Weise auf ca. 35°C aufgeheizte Öl wird über die Saugleitung 48 und über eine Pumpe 30 der Rohrleitung 12 zugeführt, die an den Wärmetauscher 8 angeschlossen ist. Das aus dem Wärmetauscher 8 austre­ tende Öl gelangt über die Hydraulikleitung 11 wieder in den Sammelbehälter 13. In der Leitung 11 sowie in der Leitung 12 können Steuer- bzw. Regelventile 49 bzw. 50 vorgesehen sein.

Das Öl aus dem Sammelbehälter 13 tritt mit einer Tempe­ ratur von ca. 88°C in den Wärmetauscher ein und verläßt den Wärmetauscher 8 über die Druckmittelleitung bzw. Rohrleitung 11 bei einer Temperatur von ca. 60°C. Das Wärmepotential, das sich aus der Temperaturdifferenz ergibt, kann als Nutzwärme zur Versorgung der Heizungs­ vorrichtung 9 oder anderer Verbraucher 31 eingesetzt werden.

Diese Temperaturdifferenz δ_t bzw. die Abgabe der Wärme­ energie aus dem Wärmetauscher 8 läßt sich nur errei­ chen, wenn sich in den einzelnen Rohrleitungen 11, 12 des Wärmetauschers 8 innerhalb des Behäl­ ters 7 Turbolatoren 10 befinden. Würden der Wärmetau­ scher 8 bzw. die Rohrleitungen 11 und 12 nicht die nachfolgend beschriebenen Turbolatoren 10 aufweisen, könnte die in dem Öl enthaltene Wärmeenergie nur über einen äußerst langen Zeitraum abgegeben werden, so daß sich daraus eine Wirkungsgradverschlechterung ergäbe.

Die einzelnen erfindungswesentlichen Turbolatoren und die vorteilhafte Ausgestaltung ist in den Fig. 6 bis 8 veranschaulicht. Wie aus Fig. 7 und 8 hervorgeht, bestehen die einzelnen Turbolatoren 10 aus einem fla­ chen Widerstandselement, das dreieckförmig ausgebildet ist. Zwei Stirnseiten 37 verlaufen von einer unteren Seite 33 ausgehend zusammen und bilden eine Spitze, die durch die Höhe H₁ in Fig. 8 angedeutet ist. Die Stirn­ seiten 37 der Turbolatoren 10 sollen scharfe, nicht ab­ gerundete Kanten aufweisen. Die Seite 33 des Turbola­ tors 10 ist an der Innenoberfläche der Rohrleitung 11 bzw. 12 des Wärmetauschers 8 befestigt. Der Winkel α gemäß Fig. 8 zwischen den beiden zusammenlaufenden Seiten 37 kann zwischen 15° und 50° bzw. zwischen 20° und 40° bzw. zwischen 25° und 35° bzw. 28° und 32° groß sein. Durch die zusammenlaufenden Seiten 37, die sich zur Mitte des Rohres 11 erstrecken, wird der auf die Oberfläche bzw. auf die Breitseite des Turbolators 10 austretende Ölstrom zu den Kanten 37 gezwungen und läuft an den Stirnseiten 37 entlang, bis er abreißt und dabei stark verwirbelt. Es wird dadurch vermieden, daß das Öl an der Oberfläche der Rohrleitung bzw. der Widerstandselemente haften bleibt. Auf diese Weise wer­ den Wärmemoleküle gelöst.

Wie aus Fig. 7 hervorgeht, sind die einzelnen dreieck­ förmig ausgebildeten Turbolatoren 10 am Innenumfang der Rohrleitung 11 bzw. 12 gleichmäßig verteilt angeordnet. Zumindest zwei gegenüber- und nebeneinanderliegende Turbolatoren 10 können einen Abstand d (Fig. 8) aufwei­ sen. Der Abstand d kann zwischen 2 cm und 50 cm bzw. zwischen 10 cm und 50 cm bzw. zwischen 15 cm und 50 cm bzw. zwischen 25 cm und 50 cm bzw. zwischen 30 cm und 50 cm bzw. zwischen 40 cm und 50 cm bzw. zwischen 25 cm und 45 cm, vorzugsweise zwischen 33 cm und 30 cm groß sein. Zwischen den Stirnkanten 37 zweier nebeneinander liegender Turbolatoren 10 befindet sich ebenfalls ein dreieckförmiger Freiraum 51 zur Aufnahme von Ölturbu­ lenzen, die sich durch Abriß des Öls an der Oberfläche des Turbolators 10 bilden. Die Auftrefffläche auf dem Turbolator 10 ist mit 52 und die Strömungslinien des Ölstroms mit 53 gekennzeichnet. Aufgrund dieser stark auftretenden Turbulenzen können die Ölwärmemoleküle herausgelöst und dem Wasser in dem Behälter 7 zugeführt werden, so daß diese Nutzenergie als Wärmeenergie für die Heizungsvorrichtung 9 oder jeden anderen Verbrau­ cher eingesetzt werden kann.

Die Spitzen (1/3 H₁) der Turbolatoren 10 können gehär­ tet, gesintert oder oberflächenvergütet sein, so daß sich diese beim Durchströmen des Öls nicht abrunden.

Im Bereich einer Mittelachse 35 überlappen sich die Turbolatoren 10 mit dem Maß 1/3 H₁. Der Überlappungs­ bereich 1/3 H₁ bzw. 36 kann 10% bis 50% der Gesamt­ höhe H₁ eines Turbolators 10 betragen. Der Überlap­ pungsbereich 1/3 H₁ kann auch zwischen 20% und 40% der Gesamthöhe des Turbolators 10 sein. In vorteilhafter Weise beträgt der Überlappungsbereich 25% bis 35% der Gesamthöhe H₁ des Turbolators 10.

Mit Bezug auf Fig. 7 und auf die Vorderansicht der Turbolatoren 10 deckt die durch die Turbolators 10 nicht abgedeckte Fläche 51 einen Bereich ab, der klei­ ner ist als die Gesamtfläche von vier hintereinander­ liegenden Turbolatoren 10. Hierdurch wird eine optimale Verwirbelung des Öls innerhalb der Rohrleitungen 11 und 12 bewirkt.

Der Volumendurchfluß des Öls innerhalb der die Turbolatoren 10 aufweisenden Rohrleitungen 11 und 12 kann zwischen 3 und 4 cm³/h bzw. zwischen 3,5 und 4,4 cm³/h liegen. Hierdurch wird in kürzester Zeit in Verbindung mit den Turbolatoren 10 der Wärmetransfer zwischen dem Medium Öl und dem im Behälter 7 vorgese­ henen Medium bzw. Wasser herbeigeführt.

Der Durchmesser D der die Turbolatoren 10 aufnehmenden Rohrleitungen 11 bzw. 12 kann zwischen 20 mm und 50 mm bzw. zwischen 30 mm und 40 mm bzw. zwischen 35 mm und 45 mm bzw. zwischen 26 mm und 30 mm, in vorteilhafter Weise jedoch 28 mm groß sein.

Die Vorrichtung 1 zur Umwandlung einer Energie in Nutzwärme und die Vorrichtung 28 zur Erzeugung von Wärme bilden die in Fig. 3 dargestellte hydraulische Heizung. Bei der hydraulischen Heizung und beim Ölheiz­ motor liegt der Vorteil gegenüber elektrischen Heizstä­ ben in der schonenden, gleichmäßigen Erwärmung der Hydraulikflüssigkeit. Die Gefahr der Zerstörung der Hydraulikflüssigkeit durch örtliche Überhitzung wird ausgeschaltet. Durch den Einbau des Unterölaggregats, also der Vorrichtungen 1 und 28 in den Behältern 7, 13, die mit Wärmedämmstoffverkleidung versehen sein können, wird ein großes Flüssigkeitsvolumen, bspw. syntheti­ sches Öl, aufgenommen. Dadurch werden Verluste durch Wärmestrahlung in die Umgebung weitgehend ausgeschal­ tet. Als Druckflüssigkeit wird, wie bereits erwähnt, ein Bioöl auf der Basis synthetischer Ester verwendet. Damit arbeitet das System fast geruchlos, umweltfreund­ lich und ist zudem sehr gut alterungsbeständig.

Messungen von fertigen Heizsystemen, die nach dieser Vorrichtung arbeiten, haben einen Wirkungsgrad bei der Übertragung der eingesetzten Primärenergie, bspw. elek­ trischer Energie, von ca. 98% ergeben. Durch die vor­ teilhafte hydraulische Heizung ist kein Kamin erforder­ lich, ein Brennstofflagerraum mit Feuerschutztür ent­ fällt, und es kann fast völlig emissionsfrei gearbeitet werden.

Der Heizraum kann demnach als Lagerraum anderweitig ge­ nutzt werden.

Claims (26)

1. Vorrichtung (1) zur Umwandlung einer Energie in eine andere Energieform oder in Nutzwärme mit mindestens einer Antriebseinheit (2) zum Antrieb einer Druckmittel-Fördereinrichtung (3),

• a) die Druckmittel-Fördereinrichtung (3) ist über eine Druckmittelleitung (4) mit einer Druckmit­ tel-Differenzeinrichtung wie Druckmittel-Erhö­ hungseinrichtung (5) zur Erwärmung des Druckmit­ tels (6) wirkungsmäßig verbunden,
• b) das erwärmte Druckmittel (6) wie Öl wird einem in einem Behälter (7) vorgesehenen Wärme­ tauscher (8) zugeführt und die im Druckmittel aufgenommene Wärmeenergie an ein den Wärmetau­ scher umgebendes Mittel oder flüssiges Mittel ab­ gegeben,
• c) in dem Wärmetauscher (8) sind Widerstandsele­ mente wie Turbolatoren (10) vorgesehen,
• d) die Widerstandselemente wie Turbolatoren (10) erstrecken sich quer zur Strömungsrichtung des Druckmittels (6) in die Rohrleitung (11, 12),
• e) der Wärmetauscher (8) ist mit einem Verbrau­ cher wie einer Heizungsvorrichtung (9) wirkungs­ mäßig verbunden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß diese Vorrichtung aus der Antriebsein­ heit (2), der Druckmittelpumpe (3), der Druckmit­ tel-Erhöhungseinrichtung (5) und dem Wärmetau­ scher (8) besteht, der mit zahlreichen hinterein­ ander angeordneten Widerstandselementen wie Turbolatoren (10) ausgestattet ist, die sich quer zur Strömungsrichtung des Druckmittels (6) in die Rohrleitung (11, 12) zur Rohrmitte oder zu seiner Mittelachse (35) erstrecken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) zur Umwand­ lung einer Energie in Nutzwärme oder der zuge­ hörige Wärmetauscher (8) aus einem Rohrleitungs­ system (11, 12) besteht, in dem die Widerstands­ elemente wie Turbolatoren (10) vorgesehen sind, die sich quer zur Strömungsrichtung des Druckmit­ tels (6) in die Rohrleitung (11, 12) zur Rohr­ mitte oder zu seiner Mittelachse (35) erstrecken und in diesem Bereich einander überlappen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtung (1) zur Umwandlung einer Energie in Nutzwärme oder der zugehörige Wärme­ tauscher (8) über Rohrleitungen (11, 12) mit einem Behälter (13) zur Aufnahme des Druckmittels oder des Öls (6) verbunden ist, in dem die Vor­ richtung (28) zur Erzeugung von Wärme vorgesehen ist, zu der zumindest eine Druckmittel-Erhöhungs­ einrichtung oder Drossel (5) gehört, über die das Öl auf ein Temperaturniveau gebracht wird, das über der Umgebungstemperatur liegt.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (13) so weit mit Öl (6) befüllt ist, daß die Antriebseinheit (2) und die Druckmittel­ pumpe (3) ständig unterhalb des Ölspiegels (14) liegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die im Behälter (13) vorgesehene Druck­ mittelpumpe (3) einen offenen Ölkreislauf und hierzu eine unterhalb des Ölspiegels (14) lie­ gende Ansaugöffnung (15) sowie eine Auslaßöff­ nung (16) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Behälter (13) vorgesehene Druckmittel­ pumpe (3) eine oder mehrere mit Bezug auf die Mittelachse (17) der Druckmittelpumpe (3) schräg verlaufende Aussparungen wie Nuten (18) aufweist, die an der Innenoberfläche des Gehäuses (21) des Motors (2) oder an der Oberfläche (19) des Läufers oder Rotors (20) oder an einem anderen Teil des Motors (2) vorgesehen sein können.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (18) aus parallel verlaufenden Ste­ gen (27) gebildet sind und zur Aufnahme von Druckmittel oder Öl dienen, wobei die Nuten (18) mit der Ansaugöffnung (15) und/oder mit der Aus­ laßöffnung (16) des Motors (2) wirkungsmäßig ver­ bunden sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittelpumpe (3) eine Auslaßöffnung (22) mit einer an die Druckmittel-Erhöhungseinrichtung wie Drossel (5) angeschlossenen Druckmittellei­ tung (4) und eine in den Sammelbehälter (13) rei­ chende Saugseite oder Einlaßöffnung (25) auf­ weist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittel-Erhöhungseinrichtung wie Drossel (5) über ihre Druckseite (24) mittels einer Druckmittelleitung (29) an den Behäl­ ter (13) zur Aufnahme des Motors (2) und der Druckmittelpumpe (3) angeschlossen ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) zur Umwandlung einer Energie in Nutzwärme aus dem Behälter (7) besteht, in dem der Wärmetauscher (8) mit seinen Rohrleitun­ gen (11, 12) vorgesehen ist, wobei in der als Zu­ führleitung ausgebildeten Rohrleitung (48) eine Förderpumpe (30) vorgesehen ist, die den Wärme­ tauscher (8) aus der Vorrichtung (28) zur Erzeu­ gung von Wärme mit Druckmittel wie Öl (6) ver­ sorgt, während über die zweite als Rücklauflei­ tung ausgebildete Rohrleitung (11) Öl zur Vor­ richtung (28) zur Erzeugung von Wärme zurückge­ führt wird.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Vorrichtung (1) zur Umwandlung einer Ener­ gie in Nutzwärme neben dem ersten Wärmetau­ scher (8) und der Heizungsvorrichtung (9) ein weiterer Wärmetauscher (31) angeschlossen ist.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbolator (10) aus mindestens einem sich zur Rohrmitte der Rohrleitung (11, 12) verjüngenden oder trapezförmig oder dreieckförmig ausgebilde­ ten Widerstandselement besteht, dessen jeweilige Breitseite in Strömungsrichtung zeigt.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite (33) des Turbolators (10) an der In­ nenwand (34) der Rohrleitung (11) befestigt ist.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich alle Turbolatoren (10) sternförmig zur Rohr­ mitte oder zu seiner Mittelachse (35) erstrecken.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei gegenüberliegende Turbolatoren (10) mit geringem Abstand (d) angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei gegenüberliegende Turbolatoren (10) mit Abstand (d) zwischen 2 cm und 50 cm oder 10 cm und 50 cm oder 15 cm und 50 cm oder 25 cm und 50 cm oder 30 cm und 50 cm oder 40 cm und 50 cm oder 25 cm und 45 cm oder 28 cm und 33 cm oder mit Abstand von 30 cm angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei, drei oder vier oder zahlreiche nebeneinander liegende und/oder gegenüberliegende Turbolatoren (10) jeweils mit Abstand (d) zwi­ schen 2 cm und 50 cm oder 10 cm und 50 cm oder 15 cm und 50 cm oder 25 cm und 50 cm oder 30 cm und 50 cm oder 40 cm und 50 cm oder 25 cm und 45 cm oder 28 cm und 33 cm oder mit Abstand von 30 cm angeordnet sind.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbolatoren (10) oberflächenvergütet oder gehärtet oder aus einem gesinterten Material ge­ bildet sind.

20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbolatoren (10) einen Überlappungsbe­ reich (36) aufweisen, der zwischen 10% und 50% der Gesamthöhe (A) eines Turbolators liegt.

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbolatoren (10) einen Überlappungsbe­ reich (36) aufweisen, der zwischen 20% und 40% der Gesamthöhe (A) eines Turbolators liegt.

22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbolatoren (10) einen Überlappungsbe­ reich (36) aufweisen, der zwischen 25% und 35% der Gesamthöhe (A) eines Turbolators (10) liegt.

23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Bezug auf die Vorderansicht der Turbolatoren (10) die durch die Turbolatoren nicht abgedeckte Fläche (F) kleiner ist als die Gesamtfläche (G) vier hintereinander liegender Turbolatoren (10).

24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumendurchfluß des Öls in den die Turbolatoren (10) aufweisenden Rohrleitun­ gen (11, 12) zwischen 2 m³/h und 5 m³/h oder zwi­ schen 3 m³/h und 4 m³/h oder zwischen 3,5 m³/h und 4,4 m³/h liegt.

25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbolator (10) aus zwei zur Mitte der Rohr­ leitungen (11, 12) zusammenlaufenden Seiten (37) gebildet wird, die einen Winkel α zwischen 15° und 50° oder zwischen 20° und 40° oder zwischen 25° und 35° oder zwischen 28° und 32° einschlie­ ßen.

26. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (D) der die Turbolatoren (10) aufnehmenden Rohrleitungen (11, 12) zwischen 20 mm und 50 mm oder zwischen 30 mm und 40 mm oder zwischen 35 mm und 45 mm oder zwischen 26 mm und 30 mm oder 28 mm groß ist.