DE2712679A1

DE2712679A1 - Pumpe fuer zwei, unterschiedliche temperaturen aufweisende stroemungsmedien

Info

Publication number: DE2712679A1
Application number: DE19772712679
Authority: DE
Inventors: Axel Dr Ing Koenig
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1977-03-23
Filing date: 1977-03-23
Publication date: 1978-09-28
Also published as: US4231720A

Description

VOLKSWAGENWERK AKTIENGESELLSCHAFT

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Pumpe für zwei, unterschiedliche Temperaturen aufweisende Strömungsmedien

Die Erfindung betrifft eine Pumpe für zwei, unterschiedliche Temperaturen aufweisende Strömungsmedien.

Angesichts der Energieknappheit ist man daran interessiert, ohne zusätzlichen Energieaufwand anfallende Wärme, "beispielsweise Abgaswärme von Brennkraftmaschinen oder Sonnenwärme, umzuwandeln in mechanische Energie. Ein bekannter, in der Praxis wohl kaum realisierbarer Vorschlag sieht mit einer Flüssigkeit gefüllte, einen unter dem Druck der Flüssigkeit ausfahrenden Kolben besitzende Zylinder vor, die zeitweise der Sonnenstrahlung ausgesetzt werden, so daß dann der Kolben auf einen Exzenter an einer Welle drückt, und die dann in einen Kühlwasserbehälter geschwenkt werden, so daß der Kolben sich wieder zurückbewegt. Dieser "Sonnenmotor" ist, wie bereits bemerkt, schon im Hinblick auf seinen eigenen großen Energiebedarf kaum realisierbar. Diese bekannte Konstruktion zeigt also, daß man bei der Gewinnung von mechanischer Energie aus Wärmeenergie, die dort durch die Sonne geliefert wird, sich weitgehend freimachen muß von üblichen Motorkonzepten.

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Die Erfindung befaßt sich mit dem speziellen Problem der Schaffung einer Pumpe, die durch Wärmeenergie, insbesondere gewonnen aus Sonnenstrahlung, betrieben werden kann. Diese also der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe stellt sich bereits unmittelbar im Bereich der Solar-Strahlungs-Sammler selbst. Diese Einrichtungen arbeiten ja in aller Regel in einem Kreislauf eines strömenden Mediums, insbesondere Wasser, wobei das ihnen zugeführte kalte Medium in ihnen erwärmt wird und im Regelfall mittels einer Pumpe nach Erwärmung wieder einem Vorratsbehälter, beispielsweise einem Schwimmbecken, zugeführt wird. Diese Pumpe wird bei bekannten Einrichtungen dieser Art durch elektrischen Strom betrieben. Es wäre verständlicherweise vorteilhaft, wenn man eine Pumpe zur Verfügung hätte, die von der aus der Sonnenstrahlung gewonnenen Wärmeenergie, also letztlich ohne Zufügung irdischer Energie, betrieben ist. Bei den mit bekannten Solar-Strahlungs-Sammlera erzielbaren guten Wirkungsgraden wäre ein geringer Wärmeentzug aus der die Pumpe durchfließenden Flüssigkeit zum Betrieb der Pumpe in keiner Weise nachteilig.

Verständlicherweise gibt es noch eine Vielzahl anderer Einsatzmöglichkei*en für eine Pumpe, die durch itr zugoführte, keinen zusätzlichen Energieaufwand bedingende Wärme betätigt wird. Beispielsweise kann es sich um den Transport von Grundwasser zur Erdoberfläche in einen Wasserspeicher handeln.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe zu schaffen, die allein durch Zufuhr von Wärme, und zwar über auf unterschiedlichen Temperaturen befindliche Strömungsmedien, betrieben wird. Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Hauptanspruchs.

Bei der Erfindung ist also eine Umsetzung in Drehbewegungen von irgendwelchen Teilen, wie sie beispielsweise bei üblichen Motoren erforderlich wäre, mit ihren Reibungsverlusten vermieden. Die Er-

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findung benötigt vielmehr lediglich einen Verdrängerkörper aus derart temperaturabhängigem Material, daß sich seine Form, wozu im Rahmen der Erfindung auch die Größe gehören soll, temperaturabhängig ändert. Mit diesen Formänderungen müssen Änderungen des Wärmeübergangs zwischen den beiden Medien einerseits und dem Verdrängerkörper andererseits gekoppelt sein. Erfolgt also zunächst eine Formänderung des Verdrängerkörpers durch Überwiegen des Wärmeübergangs beispielsweise von dem wärmeren Medium zu dem Verdrängerkörper, so führt erfindungsgemäß die dadurch hervorgerufene Formänderung desselben zu einer Vergrößerung des Wärmeübergangs von dem Verdrängerkörper zu dem kälteren Medium unter Verringerung des Wärmeübergangs von dem wärmeren Medium zu dem Verdrängerkörper. Das Ergebnis ist, daß die eben beschriebene Formänderung nun durch den geänderten Wärmeübergang wieder rückgängig gemacht wird, woraufhin wieder das wärmere Medium einen größeren Einfluß auf die Form des Verdrängerkörpers hat. In Verbindung mit den in den Zu- und Abflüssen vorgesehenen Rückschlagventilen hat dies eine periodische Änderung der Größen der beiden Kammern zur Folge, so daß die in ihnen befindlichen Volumen der Strömungsmedien periodisch zumindest teilweise durch die Abflüsse ausgestoßen bzw. durch die Zuflüsse entsprechende Volumen der Strömungsmedien nachgesaugt werden.

Bei der Konstruktion nach Anspruch 2 spielt sich dies bezüglich der Volumen der beiden Kammern jeweils gleichzeitig, dagegen bei der Konstruktion nach Anspruch 9 abwechselnd ab.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale, wie sie auch in den Unteransprüchen angegeben sind, werden im folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung erläutert. Dabei zeigen die Figuren 1 und 2 Längsschnitte durch ein erstes Ausführungsbeispiel in zwei verschiedenen Betriebszuständen, während Figur 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe wiedergibt. Figur 4 zeigt

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die in der Konstruktion nach Figur 3 verwendete Membran in Draufsicht. Die Figuren 5 und 6 schließlich beziehen sich auf zwei Einsatzmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Pumpe.

Betrachtet man nun zunächst die Figuren 1 und 2, so erkennt man eine erste Kammer 1 und eine zweite Kammer 2, die jeweils einen Zufluß 3 bzw. 4 und einen Abfluß 5 "bzw. 6 aufweisen; in jedem dieser Zu- bzw. Abflüsse ist ein Rückschlagventil 7» 8, 9 bzw. 10 angeordnet. Während die erste Kammer 1 mit relativ warmer Flüssigkeit, beispielsweise in einem Solar-Strahlungs-Sammler erhitztem Wasser, beliefert wird, erhält die zweite Kammer 2 eine kältere Flüssigkeit.

Die beiden Kammern 1 und 2 sind getrennt durch den Verdrängerkörper 11, der in seinem mittleren TJmfangsbereich bei 12 dicht in die Kammerwand eingesetzt ist. Im wesentlichen besteht der Verdrängerkörper aus dem Metallfaltenbalg 13» der stirnseitig durch die thermisch isolierende Platte 14 bzw. die gut wärmeleitende Platte 15 abgeschlossen ist, die mit wärmeleitenden Rippen 16 versehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel nimmt der so gebildete Hohlraum des Verdrängerkörpers 11 eine siedende Flüssigkeit 17» beispielsweise einen hälogenierten Kohlenwasserstoff, auf, dessen Dampfdruck abhängig ist von der Temperatur.

Die erwähnten gut wärmeleitenden Rippen 16 ragen in der in Figur 1 dargestellten eingezogenen Stellung des Verdrängerkörpers 11 in das in der ersten Kammer 1 befindliche wärmere Medium hinein, während die Rippen 16 in der in Figur 2 dargestellten anderen Extremform des Verdängerkörpers 11 von Vertiefungen 18 in einer Wand der ersten Kammer 1 ausgenommen und im wesentlichen gegen den Zutritt des wärmeren Mediums abgeschirmt sind.

Zur Vervollständigung der Beschreibung der Pumpe sei auf den ringförmigen Fortsatz 19 aus wärmeisolierendem Material hingewiesen,

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der in dem in Figur 1 dargestellten eingezogenen Zustand des Verdrängerkörpers 11 dessen in die zweite Kammer 2 hineinragenden Umfangsbereich gegen das kältere Strömungsmedium atschirmt. Wie die Figuren 1 und 2 ferner zeigen, umgibt die Wand der ersten Kammer

I den Umfang des in diese Kammer hineinrag enden Teils des Verdrängerkörpers 11 relativ dicht, während das Volumen der zweiten Kammer 2 größer ist und im ausgezogenen Zustand (Figur 2) des Verdrängerkörpers dessen Umfang mit Abstand umgibt.

Die Wirkungsweise der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Pumpe ist folgende:

Geht man von dem in Figur 1 dargestellten eingezogenen Zustand des Verdrangerkorpers 11 aus, so findet ein überwiegender Wärmeaustausch zwischen dem in der ersten Kammer 1 befindlichen wärmeren Strömungsmedium einerseits und dem Verdrängerkörper 11, d.h. der Flüssigkeit 17, andererseits statt. Dabei liegen auch die gut wärmeleitenden Rippen 16 frei, so daß sich die Flüssigkeit 17 erwärmt und der Gasdruck in dem Verdrängerkörper 11 steigt: Der Verdrängerkörper beginnt sich zu längen, wodurch sein in die zweite Kammer 2 hineinragender Bereich allmählich aus dem Gebiet der Wärmeisolation 19 herauskommt. Damit nimmt der Wärmeübergang von dem Verdrängerkörper 11 mit der Flüssigkeit 17 zu der kälteren Flüssigkeit in der anderen Kammer 2 zu, während der Wärmeübergang von der wärmeren Flüssigkeit in der Kammer 1 zu dem Verdrängerkörper

II schließlich sehr stark verringert ist, da sich die gut wärmeleitenden Rippen innerhalb ihrer Aufnahmen 18 befinden und der den innerhalb der ersten Kammer 1 befindlichen Teil des Verdrängerkörpers 11 umgebende Flüssigkeitsmantel relativ dünn ist. Dies hat eine Abkühlung der Flüssigkeit 17 und damit eine Verringerung des Dampfdrucks innerhalb des Verdrängerkörpers 11 zur Folge, so daß sich dieser wieder zusammenzuziehen beginnt. Dadurch wird einerseits der Wärmeaustausch zwischen der wärmeren Flüssigkeit in der Kammer 1 und dem Verdrängerkörper 11 wieder größer, andererseits

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nimmt der Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit 17 und dem kälteren Strömungsmedium in der anderen Kammer 2 nach Wirksamwerden des wärmeisolierenden Rings 19 wieder ab, so daß, wenn der Verdrängerkörper 11 wieder seine in Figur 1 dargestellte Ausgangsform eingenommen hat, eine Wiederholung der beschriebenen Wirkungsweise eintritt.

Das beschriebene "Atmen" des Verdrängerkörpers 11 hat ein periodisches Ausstoßen der Strömungsmedien in den Kammern 1 und 2 durch die Rückschlagventile 9 und 10 sowie ein erneutes Nachsaugen durch die Rückschlagventile 7 und 8 zur Folge, d.h. es erfolgt gleichzeitig ein stoßweises Pumpen von Flüssigkeit durch die beiden Kammern 1 und 2 unter alleiniger Verwendung von Wärmeenergie, die durch die die erste Kammer 1 durchsetzende Flüssigkeit geliefert wird.

In dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3 und 4 dagegen erfolgt ein abwechselndes Ausstoßen und Nachsaugen von Flüssigkeit aus den beiden hier mit 30 und 31 bezeichneten Kammern, von denen die erste Kammer 30 wiederum mit einem Zufluß 32 und einem Abflufl 33 für das wärmere Strömungsnedium, dagegen die zweite Kammer 31 irit einem Zufluß 34 und einem Abfluß 35 für ein kälteres Strömungsmedium in Verbindung stehen. Auch hier sind den Zu- und Abflüssen Rückschlagventile 36 bis 39 zugeordnet.

Als Verdrängerkörper dient hier die elastische Membran 40, die, wie in Figur 4 dargestellt, mit Bimetallstreifen 4I in etwa sternförmiger, rotationssymmetrischer Anordnung bestückt ist. Damit die elastische Membran 40 nur zwischen zwei stabilen Formen hin und her springen kann, von denen die eine in Figur 3 ausgezogen und die andere bei 40' mit unterbrochenen Linien angedeutet ist, weist die Membran 40 in ihrem zentralen Bereich konzentrische Rippen 42 auf.

Von Wichtigkeit ist ferner die Form des die beiden Kammern 30 und 31 umschließenden Pumpengehäuses: Es besteht in seinem die Membran

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aufnehmenden Bereich aus zwei entsprechend den beiden möglichen Formen der Membran gestalteten trichterförmigen Bereichen 43 und 44· In ihren beiden stabilen Gestalten oder Formen legt sich daher die Membran mit einem größeren äußeren Bereich gegen jeweils einen der Gehäusebereiche 43 und 44, so daß die Bimetallstreifen 41 jeweils gegen das Strömungsmedium in einer der Kammern praktisch abgeschirmt sind.

Die Wirkungsweise der Anordnung nach den Figuren 3 und 4 ist demgemäß folgende:

Geht man von der in Figur 3 dargestellten Betriebslage bzw. Form der Membran 40 aus, so stehen ihre Bimetallstreifen 41 also unter der Wirkung des wärmeren StrÖmungsnediums in der hier sehr großen ersten Kammer 30. Die Krümmung der Bimetallstreifen 41 durch diese Erwärmung hat ein Durchbiegen des mittleren Bereichs der Membran 40 in Figur 3 nach rechts zur Folge, bis die Membran schließlich in ihre mit 4O¹ bezeichnete Form springt. Damit verbunden ist demgemäß ein Aussto ßen von Flüssigkeit aus der ersten Kammer 30 durch das Rückschlagventil 37· Weiterhin erfolgt ein Nachsaugen von kälterer Flüssigkeit in die Kammer 3I durch das Rückschlagventil 38» da durch die Bewegung des mittleren Bereichs der Membran 40 in Figur 1 nach rechts die zweite Kammer 31 vergrößert wird. Nunmehr liegt also der etwa trichterförmig geformte äußere Bereich der Membran zumindest weitgehend auf auf dem entsprechend gefornten Gehäusebereich 43» so daß der Wärmeaustausch zwischen der Membran einerseits und der wärneren Flüssigkeit in der ersten Kammer 30 andererseits allenfalls gering ist, während der Wärmeaustausch zwischen der Membran einerseits und der kälteren Flüssigkeit der zweiten Kammer 31 andererseits weit überwiegt. Diese Abkühlung hat schließlich ein Zurückspringen der Membran 40 in ihre in Figur 3 ausgezogen dargestellte andere Form zur Folge, worauf sich der beschriebene Torgang periodisch wiederholt.

Figur 5 zeigt eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Pumpe, die dort mit 50 bezeichnet ist. Ihre - dort nicht dargestellte -

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erste Kammer ist eingeschleift in den Kreislauf 51 des im Solar-Strahlungs-Sammler 52 erwärmten Wassers, während ihre zweite Kammer mit dem Grundwasserspiegel 53 und dem Wasserspeicher 54 über die Leitungen 55 und 56 in Verbindung steht. Hier erfüllt die Pumpe 50 also einen doppelten Zweck: Zum einen unterstützt sie den Kreislauf des wärmeren Wassers durch das Leitungssystem 511 52, und zum anderen fördert sie Wasser. Beide Aufgaben löst sie allein durch Energieentzug aus dem wärmeren Wasser, und zwar in einem Umfang, der noch eine weitere Nutzung des wärmeren Wassers zuläßt.

Der letzterwähnte Tatbestand wird in der Anordnung nach Figur 6 ausgenutzt. Dort findet sich wiederum ein Solar-Strahlungs-Sammler 60, dessen Ausgangsleitung 61 mit dem Verzweiger und Regler 62 verbunden ist. Hier erfolgt eine Aufteilung der in der Leitung 61 sowie in der Zuführungsleitung 63 zum Solar-Strahlungs-Sammler 60 vorliegenden gemeinsamen Strömung in eine erste Teilst römung, die dem Wärmespeicher 64 zugeführt wird, und eine zweite Teilströmung, die unmittelbar zur Pumpe 65 gelangt. Der Pumpe, und zwar ihrer - hier wiederum nicht dargestellten - zweiten Kammer, wird das im Wärmespeicher 64 abgekühlte Wasser zugeführt, so daß die Pumpe wiederum betrieben wird letztlich durch die Temperaturdifferenz zwischen den beiden ihr zugeführten Teilströmungen. Die beiden Teilströmungen werden in diesem Ausführungsbeispiel bereits innerhalb der Pumpe wieder vereinigt, so daß eine einzige Ausgangsleitung 63 aus der Pumpe herausführt.

Zweckmäßigerweise sind Maßnahmen getroffen, die verhindern, daß sich ein Gleichgewichtszustand einstellt. Bei der Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4 sind diese Maßnahmen systemimmanent; in der Konstruktion nach den Figuren 1 und 2 wird man beispieleweise durch eine definierte Haftreibung dafür sorgen, daß eine Bewegung des Verdrängerkörpers erst bei Überschreiten einer Mindestkraft erfolgt .

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e e r s e i t e

Claims

ANSPRÜCHE

Pumpe für zwei,unterschiedliche Temperaturen aufweisende Strömungsmedien, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Kammer (i), die mit jeweils ein Rückschlagventil (7»9) aufweisenden Zu- und Abflüssen (3»5) für das wärmere der beiden Medien versehen ist, und eine zweite Kammer (2), die mit jeweils ein Rückschlagventil (8,10) aufweisenden Zu- und Abflüssen (4,6) für das kältere der beiden Medien versehen ist, voneinander getrennt sind durch einen Verdrängerkörper (11) mit derart temperaturabhängiger und dadurch die Größen der Kammern (1,2) verändernder Form, daß die durch Wärmeübergang zwischen dem Medium in einer der Kammern (1,2) und dem Verdrängerkörper (11) hervorgerufenen Formänderungen desselben zum Überwiegen des Wärmeübergangs zwischen dem Medium in der anderen der Kammern (2,1) und dem Verdrängerkörper (11) führen.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper (11) einen mit einer nichtstarren Substanz (17)» deren Druck temperaturabhängig ist, gefüllten, in beide Kammern (1,2) dehnbar hineinragenden Hohlkörper enthält, dem nur bei im wesentlichen kleinstem Volumen des Hohlkörpers voll wirksame Mittel (16,19) zur Erzielung eines Überwiegens des Wärmeübergangs zwischen dem wärmeren Medium und der Substanz (17) zugeordnet sind.
3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper als an seinen Stirnseiten geschlossener, etwa in seinem mittleren Bereich dichtend festgelegter (12) Faltenbalg aus wärmeleitendem Material ausgebildet ist.
4. Pumpe nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennz eichnet, daß der in die zweite Kammer (2) bei kleinstem Volumen hineinragende

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Teil des Hohlkörpers von einer wärmeisolierenden Hülse (19) zumindest teilweise aufgenommen ist.
5. Pumpe nach Anspruch 3 oder den Ansprüchen 3 und 4» dadurch gekennzeichnet, daß die in die zweite Kammer (2) hineinragende Stirnseite des Faltenbalgs (13) mit wärmeisolierendem Material (14) geschlossen ist.
6. Pumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 5_f dadurch gekennzeichnet, daß der in die erste Kammer (1) hineinragende Teil des Hohlkörpers stirnseitig mit wärmeleitenden Rippen (16) versehen ist, die bei größtem Volumen des Hohlkörpers in Aufnahmen (18) in einer Wand der ersten Kammer (i) hineinragen.
7. Pumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der zweiten Kammer (2) größer ist als das der ersten Kammer (i).
8. Pumpe nach Anspruch 6 oder den Ansprüchen 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (1) den Hohlkörper umfangsseitig dicht, dagegen die zweite Kammer (2) ihn mit Abstand umgibt.
9. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper durch eine mit Bimetallstreifen (41) bestückte, zwischen zwei gegenläufigen Trichterformen hin- und herspringende elastische Membran (40) gebildet ist und dieser benachbarte Wändp (43>44) der Kammern (30,31) ein zumindest annäherndes Anlegen der Membran (40) in jeweils einer ihrer Trichterformen zulassend verlaufen.
10. Pumpe nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (40) in ihrem zentralen Bereich mit konzentrischen Rippen (42) versehen ist.

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11. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmere und das kältere Medium durch Abzweigung aus einer gemeinsamen Strömung (61) entnommen sind.
12. Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmere und das kältere Medium in Strömungsrichtung hinter den Kammern der Pumpe (65) wieder zu der gemeinsamen Strömung (63) zusammengefaßt werden.

13· Verwendung der Pumpe nach Anspruch 12 im Kreislauf eines Wärmeträgermediums eines Solar-Strahlungs-Sammlers (60).

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