DE19758374A1 - Verfahren zur Energietransformation und energetischen Nutzung von Potentialwirbeln in Parallelströmungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur partiellen Konzentration, Energietransformation und zur energetischen Nutzung von durch Wirbelströmungen angetriebene Potentialwirbel in Parallelströmungen, insbesondere von einer Parallelströmung angeströmten Strömungsmodulen, in welchen Wirbel generiert, Wirbel­ strömungen hergestellt und zu induzierenden Wirbelspulen aufgewickelt werden, beispielsweise in parallelen und/oder spiraligen Drehströmungen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht beispielsweise die partielle Konzentration von Strömungsenergie verschie­ dener Ebenen und eine Energietransformation in andere Ebenen in einem Raum dieser Parallelströmung. Die über projizierte Anströmflächen nutzbare Strömungsenergie wird in kleineren Wirkungsräumen in ihrer Energiedichte und im nutzbaren Potential erhöht. Die Erzeugung nutzbarer Energie kann mit geringerem Bauaufwand bei allen Anströmgeschwindigkeiten erfolgen.

Eine freie Anströmung der angewendeten, an sich bekannten Strömungsmodule zur Durchführung des Verfahrens sollte gewährleistet sein. Das erfindungsgemäße Verfahrten ist vielfach in Parallelströmungen reproduzierbar. Baugröße und Anzahl der angeordneten Strömungsmodule bestimmen im Wesentlichen die erreichbare Strömungsenergiekonzentration und das in der Parallelströmung hergestellte, partiell ausnutzbare Potential.

Technisch werden Wirbel hergestellt, um beispielsweise eine Energietransformation durch Disproportionierung der mittleren Energie einer projizierten Anströmfläche zu bewirken. Aus der DE-OS 196 23 313 A1 ist ein Verfahren zur Energietransformation und energetischen Nutzung von Strömungsenergie in Parallelströmungen bekannt, nach welchen in einer Parallelströmung Doppelpotentialwirbel mit verbindender Potentialwirbelkernströmung hergestellt werden. Diese bauen in einer Ebene der Parallelströmung Druck auf, in einer anderen Ebene wird Unterdruck erzeugt. Der Unterdruck entsteht durch Einleitung von Induktions­ energie in expandierende Potentialwirbelscheiben, wodurch die Umfangsgeschwindigkeiten der Hauptströmung erhöht und eine Disproportionierung der mittleren Energie einer oder mehrerer Anströmflächen zur energetischen Nutzung in der Parallelströmung hergestellt wird.

Der in der jeweiligen Anströmfläche der Parallelströmung anströmende Massenstrom kann geschwindigkeitskonzentriert in voller Größe durchgesetzt werden, so daß die Potentialwirbelstromfunktion für die Leistung des Wirbelsystems voll ausnutzbar wird. Mit genügend großen Induktionen können Energietransformationen erfolgen, welche eine zeitweilige Nutzung der potentiellen Energie der Parallelströmung durch direkte Wandlungen von Druck in kinetische Energie an einer Turbine gestatten. Im Fluid sind technische Tiefdruckgebiete herstellbar.

Nachteilig ist es, daß verfahrensgemäß an den Strömungsmodulen Staudruck hergestellt werden muß, der gleichzeitig in den Strömungsmodulen als Überdruck wirkt. Dadurch können die Anfangsdrehgeschwindigkeit der in Strömungsmodulen unter Druck erzeugten Potentialwirbel nur ca. vier Zehntel der Anströmgeschwindigkeit betragen. Physikalisch resultiert eine Begrenzung der wandelbaren kinetischen Energie. Daraus ergeben sich dann auch die Anfangsgeschwindigkeiten der Wirbelströmungen, die für die Beschleunigung der Umfangsgeschwindigkeiten des expan­ dierenden Teiles eines Doppelpotentialwirbels generiert werden. Die Induktion von Zusatzgeschwindigkeiten in expandierenden Potentialwirbelscheiben erfolgt aufgrund der Anzahl der generierten Wirbelströmungen in sich überlagernden Induktionsfeldern, wonach sich Induktions­ verluste bestimmen. Die geringen Anfangsgeschwindigkeiten müssen durch größere Radienverhältnisse und damit, bezogen auf theoretische mögliche Baugrößen, durch größere Bauräume ausgeglichen werden. Der Zirkulation der einzelnen Wirbelströmungen sind dadurch wieder Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches es, auf projizierte Anströmflächen in einer Parallelströmung bezogen ermöglicht, aus der mittleren Energie der Anströmungen Induktionsenergie direkt mit Anströmgeschwindigkeit zu konzentrieren, den in Druck zu wandelnden Teil der Anströmung gering zu halten und größere Druckgradienten in der Parallelströmung zu erzeugen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren so zu gestalten, daß Druckdifferenzstufen an Doppelpotentialwirbeln eingestellt und energetisch genutzt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches gelöst.

Erfindungsgemäß werden anströmende Volumenströme in kreisringförmig abströmende, rotierende Strömungsschichten und strömungsmechanisch mit den Strömungsschichten verbundene, ortsfest ringwirbelartig rotierend induzierende, Unterdruck erzeugende Potentialwirbel generierende Wirbelströmungen geschwindigkeitskonzentriert umgeformt und durch die Parallelströmung betrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht weiterhin darin, daß aus einer oder mehreren Anströmungen, in rotationssymmetrischen Anströmeinrichtungen sowie auf einer oder mehreren Drehachsen in gegen die Anströmung abgeschirmten Gebieten, eine oder mehrere, rotierend geschwindigkeitskonzentrierte, kreisringförmig in ein Lee expandierende Strömungsschichten hergestellt werden, diesen Strömungsschichten ringwirbelartig induzierende, rotierende Wirbelströmungen überlagert und Unterdruck erzeugende Potentialwirbel generiert werden.

Erfindungsgemäß werden dazu aus einer oder mehreren Ebenen einer Anströmung über Anströmkanten an den Strömungs­ schichten rotierende Ringwirbel generiert, welche in strömungsmechanisch angrenzenden Potentialwirbelscheiben geschlossene, rotierende Induktionsfelder herstellen, Zusatzgeschwindigkeiten induzieren, über Mantelflächen der Potentialwirbelscheiben Abströmgeschwindigkeiten einstel­ len und energetisch nutzbare Potentialwirbel generieren. Die generierten Potentialwirbel sind zugleich Teile von expandierenden Potentialwirbeln, die mit mindestens einem Doppelpotentialwirbel betrieben werden und im Doppelpoten­ tialwirbel Unterdruck erzeugen. Es resultieren einstell­ bare Drehzahlen des Doppelpotentialwirbels sowie aus der Druckdifferenz im Doppelpotentialwirbel höhere Massen­ stromdurchsätze.

Erfindungsgemäß werden dazu in einer Parallelströmung in verschiedenen Ebenen Strömungsmodule mit bei Anströmung öffnenden Klappen angeströmt, wobei die Klappen im Lee schließen. In mindestens einer, strömungsmechanisch angrenzenden Ebene befindet sich eine gegen die Anströmung abgeschirmte, an sich bekannte Potentialwirbelscheibe. Hinter den geöffneten Klappen wird eine Anströmkante einer rotationssymmetrischen Anströmeinrichtung angeströmt und eine Wirbelschicht generiert. Zugleich wird die Parallelströmung durch eine spiralförmig ausgebildete, rotationssymmetrische Leiteinrichtung sowohl in Translation über der Wirbelschicht in Richtung Ausströmung einer Potentialwirbelscheibe umgelenkt als auch mit annähernder Anströmgeschwindigkeit in Rotation versetzt, so, daß sich mehrfach eingeleiteter Drehimpuls zu einer starken, ringwirbelartigen Wirbelströmung ansammelt. Es wird ein geschlossenes, gleichförmig wirkendes, in Drehrichtung nachfolgend generierter Doppelpotentialwirbel rotierendes Induktionsfeld im expandierenden Potentialwirbel erzeugt, welches Zusatzgeschwindigkeiten induziert und die Abströmgeschwindigkeiten über der Mantelfläche einer Potentialwirbelscheibe einstellt.

Über das Radienverhältnis des mittleren Einlaufes der spiralförmigen Umlenkung zum Wirbelradius wird die äußere Umfangsgeschwindigkeit des hergestellten Ringwirbels eingestellt, es resultieren größere, rotierende Zirkula­ tionen. Die einen geschlossenen Ringwirbel ausbildende Wirbelströmung ist rotationssymmetrisch im Abströmbereich der Anströmeinrichtung strömungsmechanisch festgemacht, die über 360° wirksam und zu einer Potentialwirbelscheibe hin kreisringförmig offen ist. Strömungsmechanisch an Ringwirbel angrenzend wird mindestens ein expandierender Potentialwirbel auf gleicher Drehachse generiert.

Es entsteht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die neue Wirkung, daß auf einer Drehachse mehrere expandierende Potentialwirbelscheiben als Saugseite eines Doppelpoten­ tialwirbels durch Ringwirbel generiert und betrieben werden können. Die mittlere Energie mehrerer Ebenen einer Parallelströmung kann in Ringwirbeln geschwindigkeits­ konzentriert und in vorm expandierender Potentialwirbel auf mehrere koaxiale Wirkungsräume eines Doppelpoten­ tialwirbels transformiert werden. Die durch die Ringwirbel eingestellten Abströmgeschwindigkeiten mehrerer expandie­ render Potentialwirbelscheiben fordern Volumenströme an, die nur über die verbindende Potentialwirbelkernströmung durch die Druckseite eines Doppelpotentialwirbels nachgeschoben werden können.

Auf diese Weise können konstruktiv und/oder steuerungstechnisch Druckdifferenzstufen an Doppelpoten­ tialwirbeln eingestellt, stufenlos ausgeregelt und bei wechselnden Anströmgeschwindigkeiten betrieben werden. Bei geringen Anströmgeschwindigkeiten werden in allen vorgesehenen Ebenen der Parallelströmung Unterdruck erzeu­ gende Potentialwirbel generiert und strömungsmechanisch mit einem Doppelpotentialwirbel verbunden. Mit ansteigen­ den Anströmgeschwindigkeiten können nacheinander Ebenen strömungsmechanisch abgeschaltet werden, so daß Doppel­ potentialwirbel in weiten Bereichen, mit im Wirbelkern laufenden Turbinen mit Nennleistung betrieben werden können. Einrichtungen können beispielsweise auch so konzipiert werden, daß klassifizierte Anströmgeschwindig­ keitsbereiche durch eine stufenweise und/oder stufenlose Unterdrucksteuerung jeweils mit Nennleistungsstufen eines bzw. mehrerer Generatoren zur Elektroenergieerzeugung betrieben werden können.

Im Fluid entsteht zwischen der Anströmseite und dem Lee hinter den Strömungsmodulen ein einstellbares, energetisch nutzbares Potential. Am Leistungsmodul werden Druckgra­ dienten in der Parallelströmung und in der umgebenden Zone erzeugt, die im Sinne eines technischen Tiefdruckgebietes Zuströmungen erzeugen. Zeitweilig kann ein größerer Anteil nutzbarer Energie direkt aus potentieller Energie des Fluids erzeugt werden. Das Verfahren ist in Fluiden vielfach reproduzierbar.

Mit Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können, auch in Abhängigkeit von den gewählten Durchmessern der expandierenden Potentialwirbel, sehr große Drehzahlen des, durch Unterdruck erzeugende Potentialwirbel unter Druck generierten Doppelpotentialwirbels und zugleich größere Druckdifferenzen an einer, im Wirbelkern dieses Doppelpotentialwirbels laufenden Turbine hergestellt werden. Eine Baugröße eines Strömungsmoduls zur Energieerzeugung kann mit entsprechend modifizierten Turbinen für verschiedene Leistungsstufen in der Anwendung entsprechend vorgesehener Standorte eingesetzt werden, wodurch die Fertigung in größeren Serien ermöglicht und damit wirtschaftlicher wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit an sich bekannten sowie bereits vorgeschlagenen Einrichtungen realisiert werden. Zur Durchführung des Verfahrens werden an die Einrichtungen keine besonderen oder zusätzlichen Anforderungen gestellt.

Das Verfahren soll nachfolgend in seinen Anwendungen näher erläutert werden.

Beispielsweise werden zur Nutzung von Windenergie zylinderförmige Strömungsmodule eingesetzt, die eine Mittelachse aufweisen, die zugleich strömungsmechanisch eine gemeinsame Drehachse bildet. Diese weisen für den Betrieb eines Doppelpotentialwirbels im Druckteil, ein als Leistungsmodul bezeichnetes Strömungsmodul mit einem, Einströmöffnungen bildende und im Lee schließendes Klappensystem auf. Der expandierende Teil des Doppelpotentialwirbels befindet sich in Wirbelscheiben, welche in einem Abstand eine Abschirmung gegen die Anströmungen aufweisen und allseitig geöffnet sind. Klappensysteme und drehbare Strömungsschirme werden selbsttätig auf beliebige Anströmrichtungen über 360° nachgeführt. An einer oder beiden Seiten der Wirbelschei­ ben sind sogenannte Wirbelmodule angeordnet, welche ebenfalls Klappensysteme aufweisen und zur Wirbelscheibe auf äußeren Radien kreisringförmig abgestuft geöffnet sind. In den Wirbelmodulen sind rotationssymmetrische Anströmeinrichtungen angeordnet. Diese sind mit in Richtung zu Wirbelscheiben spiralförmigen Einläufen sowie mit im Anströmbereich angeordneten Anströmkanten versehen und kreisringförmig zu einer Abströmung geöffnet.

Beginnt eine Anströmung aller Strömungsmodule, so erfolgt zugleich ein Druckaufbau im Leistungsmodul sowie eine Strömungsumlenkung über die spiralförmigen Einläufe der Wirbelmodule, zugleich wird über die angeströmten Anströmkannten eine radiale Drehimpulsschicht in die Strömungsumlenkung und tangentialer Drehimpuls einge­ leitet, so daß sich ein starker Wirbel in der Anströmeinrichtung ansammeln und rotieren kann. Die Umlenkung erzeugt unmittelbar kreisringförmig rotierende Strömungsschichten, welche in das abgeschirmte Lee expandieren. Die an den Strömungsschichten und an den Anströmeinrichtungen strömungsmechanisch festgemachten ringwirbelartigen Wirbelströmungen rotieren mit den Schichtströmungen. In jeder Wirbelscheibe entsteht ein geschlossenes, rotierendes Induktionsfeld, welches durch die rotierenden, ringwirbelartigen Wirbelströmungen aufrechterhalten wird. In der Wirbelscheibe werden Zusatzgeschwindigkeiten in Richtung äußere Radien der Wirbelscheibe induziert und die Masseteilchen über der Mantelfläche der Wirbelscheibe beschleunigt. Diese strömen in das die Wirbelscheibe umgebende Lee ab, so daß Rückströmungen aufgrund der leeseitigen Unterdrücke und der wirkenden Gravitation ausgeschlossen sind. Die aufzubringende Induktionsleistung entspricht der Leistung, die für die Querverschiebung der Masse in das Lee erforderlich ist. Der über der Drehachse entstehende Unterdruck eines generierten Potentialwirbels kann nur aus dem Druckteil des Doppelpotentialwirbels ausgeglichen werden.

Für die Nutzung von Strömungsenergie des Wassers, beispielsweise in Meeresströmungen, sind natürlich die größere Dichte und die Inkompressibilität bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu berücksichtigen. Beispielsweise empfiehlt es sich, die Drehachsen der Strömungsmodule senkrecht zur wirkenden Gravitation anzuordnen, um geringe Fallhöhen innerhalb der Strömungsmodule einzuhalten. Auch kann ein Klappensystem entfallen, da nicht mit über 360° wechselnden Anströmrichtungen gerechnet werden muß.

Mit Anwendung des Verfahrens entstehen eine Reihe spezifischer Vorteile für den Bau und den Betrieb von Energieerzeugungsanlagen. Insbesondere sind die in den Untergrund einzuleitenden Kräfte gering, da mit dem Verfahren auch im Wasser ein technisches Tiefdruckgebiet erzeugt wird und die Auflasten durch die Anströmung an den Anströmflächen gering sind. Die Baukosten für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Anlagen zur Energieerzeugung verringern sich dadurch wesentlich. Zusätzlich ergeben sich Stabilisierungseffekte durch die mit hohen Drehzahlen betriebenen Doppelpotentialwirbel, die aufgrund ihrer rotierenden Massen stabil in der erzeugten Lage verharren. Mit den bekannten Bautechnologien für maritime Einrichtungen kann das Verfahren angewendet werden, besondere Anforderungen resultieren nicht. Senkrecht in einer Strömung angeordnete Strömungsmodule können zur Hebung und zur Belüftung bzw. Dekontamination von Wasser aus größeren Tiefen eingesetzt werden, wobei auch zugleich die benötigte Elektroenergie erzeugt werden kann. Das stromab hinter den Strömungs­ modulen entstehende Totwassergebiet bewirkt, daß ein Teil des geförderten und mit Sauerstoff angereicherten Wassers wieder in die untere Schicht zurückströmt. In den betreffenden Gebieten kann eine dauerhafte, kostengünstige Wasserbehandlung mit dem Verfahren erreicht werden.

Die Anwendung des Verfahrens ist auch für Förderprozesse, beispielsweise die Förderung von Grundwasser zur Trinkwasseraufbereitung möglich. Die dazu notwendige Einrichtung besteht aus einem Förderohr, in welchem der Unterdruckkern der generierten Potentialwirbel bis auf die Grundwasserfläche abgesenkt wird. Das Leistungsmodul wird mit dem druckhaltenden Teil über ein das Förderohr umschließendes Mantelrohr ebenfalls bis zur Grundwasserfläche abgesenkt und mittig mit einem Durchströmrohr ausgerüstet. Bei Anströmung aller Strömungsmodule wird eine verbindende Potenialwirbelkern­ strömung im Förder- und Durchströmrohr hergestellt, der Anströmdruck liegt auf der Grundwasserfläche. Durch eine geeignete Vorrichtung wird Wasser in die Potentialwirbelkernströmung eingeleitet und gefördert. Mit Anwendung des Verfahrens zur Wasserförderung können kostengünstig Insellösungen geschaffen werden, insbesondere für Einsatzgebiete mit fehlender Infrastruktur.

Claims (7)

1. Verfahren zur Energietransformation und energetischen Nutzung von Potentialwirbeln in Parallelströmungen, wobei in einer Parallelströmung partielle Rotationen über einer gemeinsamen Drehachse durch Staudrucknutzung und tangentiale Einströmungen hergestellt und Staudruck- sowie Unterdruckgebiete in der Parallelströmung an den partiellen Rotationsgebieten ausgebildet und Doppelpotential­ wirbel durch die Parallelströmung betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß anströmende Volumenströme in kreisringförmig abströmende, rotierende Strömungsschichten und strömungsmechanisch mit den Strömungsschichten verbundene, ortsfest rotierende, ringwirbelartig induzierende, Unterdruck erzeugende Potentialwirbel generierende Wirbelströmungen geschwindigkeitskonzen­ triert umgeformt und durch die Parallelströmung betrieben werden.

2. Verfahren zur Energietransformation und energetischen Nutzung von Potentialwirbeln in Parallelströmungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer oder mehreren Anströmungen, in rotations­ symmetrischen Anströmeinrichtungen sowie auf einer oder mehreren Drehachsen in gegen die Anströmung abgeschirmten Gebieten, eine oder mehrere, rotierend geschwindigkeitskonzentrierte, kreisringförmig in gegen die Anströmung abgeschirmte Gebiete expandierende Strömungsschichten hergestellt werden, diesen Strömungsschichten ringwirbelartig induzie­ rende, rotierende Wirbelströmungen ortsfest überlagert und Unterdruck erzeugende Potentialwirbel generiert werden.

3. Verfahren zur Energietransformation und energetischen Nutzung von Potentialwirbeln in Parallelströmungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Anströmungen einer Parallelströmung an einer oder mehreren, rotationssymmetrischen Anströmflächen, innerhalb von leeseitig schließenden Klappensystemen, an rotationssymmetrischen, spiralför­ migen Einläufen in gegen die Anströmung abgeschirmte Bereiche umgelenkt werden, in der Umlenkung Kantenwirbel erzeugt und energetisch nutzbare, ringwirbelartige Wirbelströmungen hergestellt werden.

4. Verfahren zur Energietransformation und energetischen Nutzung von Potentialwirbeln in Parallelströmungen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Ebenen einer Anströmung generierte Potentialwirbel in Potentialwirbelscheiben Unterdruck erzeugen und zugleich als expandierende Potentialwirbel über eine verbindende Potentialwirbelkernströmung in anderen Ebenen druckbeaufschlagte Potentialwirbel generieren und energetisch nutzbare Doppelpotentialwirbel hervorrufen.

5. Verfahren zur Energietransformation und energetischen Nutzung von Potentialwirbeln in Parallelströmungen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Drehachse eines Doppelpotentialwirbels auf einer Druckseite mehrere Unterdruck erzeugende Potentialwirbel wirksam gemacht und stufenweise Druckdifferenzen im Doppelpotentialwirbel eingestellt und/oder stufenlos geregelt werden.

6. Verfahren zur Energietransformation und energetischen Nutzung von Potentialwirbeln in Parallelströmungen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Drehachse eine Vielzahl von Unterdruck erzeugenden Potentialwirbeln generiert und über einen rotationssymmetrischen Unterdruckkern mehrere, energe­ tisch nutzbare Doppelpotentialwirbel betrieben werden.

7. Verfahren zur Energietransformation und energetischen Nutzung von Potentialwirbeln in Parallelströmungen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Parallelströmung mit einer Vielzahl von partiellen Rotationsgebieten Anströmflächen proji­ ziert werden, in denen in einer oder mehreren Ebenen rotierende Strömungsschichten mit ringwirbelartigen Wirbelströmungen generiert werden, in strömungs­ mechanisch angrenzenden, gegen Anströmungen abgeschirmten Potentialwirbelscheiben geschlossene, rotierende Induktionsfelder hergestellt werden, zu äußeren Radien gerichtete Zusatzgeschwindigkeiten induziert werden, in Potentialwirbelscheiben energetisch nutzbare Potentialwirbel und auf den Drehachsen Doppelpotentialwirbel generiert und zur Erzeugung nutzbarer Energie durch die Parallelströmung betrieben werden und daß aus der Summe aller einzelnen Unterdrücke ein strömungsmechanisch wirksames, technisches Tiefdruck­ gebiet ausgebildet und Zuströmungen aus den Druckgradienten angetrieben werden.