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SPEZIFIKATION
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" Der Gebrauch von Pumpenturbinen in der direkten Nutzung von natürlicher
Energie."
Diese Erfindung bezieht ich auf eine Methode zur 'iteigerung
der Energie, die von einer Turbine ausströmenden Flüssigkeiten oder Gasen oder einer
Mischung davon entnommen werden können.
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Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine Ausnutzung der natürlich
vorkommenden Strömungsformen z. ts. in Flussen, im Wind, in der Konvektionsluftbewegung
durch Sonnenerwärmung, um Energie in einer sofort verwendbaren Form zti erzeugen.
Eine durch strömende Flüssigkeiten oder Gase angetriebene Turbine könnte dann einen
Generator betreiben, um Strom zu erzeugen.
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Natürlich vorkommende Strömungsenergiequel Len in Flüssigkeiten und
Gasen verfügen manchmal über eine niedrige Intensität; die hier beschriebene Erfindung
versucht diesen Nachteil auszugleichen. Der Erfinder hat herausgefunden, daß die
von der Turbine aus der Flüssigkeits- und Gasströmung zu entnehmende Energie beträchtlich
vergrößert werden kann, wenn eine Pumpe in den Flüssigkeit s- und Gasströmungspfad
durch die Turbine zur Unterstützung der Strömung aufgestellt wird, wobei diese Steigerung
größer ist als der für die Pumpe erforderliche Antrieb. Die Pumpe kann von der Turbine
oder einer separaten Energiequelle, z. B. durch einen Llektro- oder Dieselmotor,
angetrieben werden. Wenn die Pumpe von einer separaten Energiequelle angetrieben
wird, kann sie bis zu jeder beliebigen Entfernung von der Turbine im Strömungsweg
der Gase oder Flüssigkeiten räumlich getrennt werden, wobei der Pumpenauslaß über
Druckleitungen vor der Turbine erfolgt.
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Gemäß der Erfindung wird eine Methode für ein höheres Maß an Energie
gegeben, die von einer Turbine (oder anderen Mechanismen, wie hier später definiert)
aus einem Flüssigkeits-/Gasstrom entzogen werden kann« wozu die Verwendung einer
Pumpe gehört, um den Fluß des strömenden Stoffes in eine Leitung zu unterstützen,
in der sich die Turbine befindet oder die den strömenden Stoff auf die Schaufeln
der Turbine gibt. Die Energie, die zum Antrieb der Pumpe verwendet wird, ist dabei
geringer als die gesteigerte Energieleistung der Turbine.
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Die Erfindung umfaßt außerdem Anlagen zur Durchführung dieser Methode.
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Der Begriff "Turbine", wie er hier verwendet wird, umfaßt alle Arten
von Rotationsmaschinen mit Schaufeln verschiedenster Art, auf die gasförmige oder
flüssige Stoffe aufgebracht werden, um eine Rotation der Maschine zu erzeugen. Beispiele
solcher Maschinen sind Wassermühlen, Windmühlen, Pelton-Räder, Francis-Turbinen,
Propellerturbinen, Kaplan-Turbinen o. . Andere Mechanismen zur Ausnutzung von Energie
in strömenden Stoffen, z.B. Kolbenmaschinen und Strahlrohrekfinnen anstelle von
oder zusamnen mit Turbinen verwendet werden. Diese Erfindung umfaßt eine solche
Nutzung, vorausgesetzt, daß eine Pumpe stromabwärts von der Außenquelle der Strömungsenergie,
die der besagte Mechanismus entzieht, vorgesehen wird. Der Begriff "Pumpe", wie
er in diesen Unterlagen verwendet wird, umfaßt alle Maschinen mit Oberflächen, die
angetrieben werden, um die Flüssigkeit und/oder das Gas beim Strömen zu unterstützen.
Beispiele solcher Maschinen sind Kreisel-, Zahnrad-, Kolben-, Propeller- und Zentrifugalpumpen.
Bei gasförmigen Stoffen spricht man normalerweise von einem Kompressor oder Verdichter.
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Der Erfinder kenr;t und stellt keine Ansprüche an bekannte Anordnungen
mit Gasturbinen und von Turbinen angetriebene Verdichter, in denen die eingehende
Luft verdichtet, mit Kraftstoff versehen und in einer Verbrennungskammer gezündet
wird, wobei die Gase von der Verbrennungskammer zur Turbine geleitet werden. Außerdem
stellt der Erfinder keinerlei Ansprüche in bezug auf bekannte Anordnungen, die Abgasturbolader
umfassen, in denen Abgasenergie von Verbrennungskolbenmotoren eine Turbine betreiben,
die wiederum einen Verdichter antreibt, um die Motoransaugluft zu verdichten.
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Diese Erfindung hier ist eng damit verwandt, unterscheidet sich jedoch
von den obigen bekannten Anordnungen darin, daß Kraftstoff in Form einer brennbaren
Mischung in einer Verbrennungskammer zwischen Pumpe und Turbine nicht notwendig
ist, um die Bewegung der Turbine beizubehalten. Bei dieser Erfindung hier kann die
Turbine durch die Bewegung der strömenden Flüssigkeiten oder Gase rotiert werden,
die vorliegt, gleichgilltig ob ein Verbrennungs- oder Warmeprozeß zwischen Pumpe
und Turbine
auftritt. In anderen Worten, die zu entnehmende Energie
ist bereits im Gas bzw. in der Flüssigkeit vorhanden, bevor sie zur Pumpe gelangt,
d.h. die Energiequelle liegt stromaufwärts von der Pumpe. Wie bereits erwähnt, kann
eine solche Strömungsenergie im Strom eines Flusses oder einer Meeresströmung liegen,
im Wind oder in der Konvektionsbewegung von Dampf, Luft oder irgendwelchen Gasen
aufgrund von Sonnenerwärmung oder anderen Erwärmungsmethoden. Wenn die Turbine mit
einer Verbrennungskammer ausgestattet ist und Kraftstoff in der üblichen Weise verbrannt
wird, so handelt es sich dabei nur um eine zusätzliche oder Reserveenergiequelle.
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Der Begriff "Konvektion" beschränkt sich im Sinne dieser Erfindung
nicht nur auf die Abwärtsbewegung natürlicher Konvektion, sondern außerdem auf den
Anstieg einer Strömungsgeschwindigkeit, der erzielt wird, wenn eine Flüssigkeit
und/oder ein Gas in einer Leitung erwarmt wird. Der Begriff "Konvektionsbewegung"
sollte genauer gesagt "Fntha]pieans-t:ieg aufgrund von Erwärmung strömender Stoffe"
heißen. Die Strömungsbewegung in der Leitung wird durch einen Startermechanismus
ausgelöst (z.B. einen Kickstarter). Die vorgezogene Strömungsbewegungsrichtung liegt
jedoch aufwärts, um den Vor-teil der Aufwärts bewegung einer natürlichen Konvektion
auszunutzen.
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In der Anlage zur Durchführung der erfundenen Methode wird die Pumpe
vorzugsweise stromaufwärts in der Turbine in der Nähe des Turbineneinlasses angebracht.
Die Pumpe kann jedoch auch stromabwärts in der Turbine vorgesehen werden.
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Die Pumpe hat die folgenden Funktionen: 1) Startermechanismus: Die
Pumpenturbinenanlage beginnt ihren Betrieb, wenn ein Startermechanismuseine Antriebskraft
auf die Pumpe ausübt.
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2) Ventil: Die Pumpe wirkt als Ventil, indem sie einen Rückfluß der
strömenden Stoffe verhindert, wenn die Flüssigkeit und/oder das Gas auf die Turbine
auftreten. Diese Ventilwirkung der Pumpe stellt sicher, daß immer nur eine Strömungsrichtung
vorliegt, nämlich durch die Turbine.
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3) Energiekonzentrierer: Die Pumpe sorgt dafür, daß die Energie, die
über einen weiten Bereich verteilt ist, zu einer Flüssigkeits- oder Gasströmung
in einem kleineren Bereich zusammengefaßt wird. Diese Wirkung der Pumpe wird am
besten durch konvergierende Kanal zum Pumpeneinlaß unterstützt. Diese Konvergenz
kann zwischen einem Mindestwert von etwa 50 und einem Höchstwert von etwa 1800 liegen;
der letztere Wert entspricht einen Damm mit einem gutgerundeten Auslaßloch.
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4) Abteilung von Drücken und Temeraturen: Die Pumpe teilt den Durchflußkanal
in einen Hochdruckteil zwischen Pumpe und Turbine und einen Niederdruckteil in anderen
Bereichen des Kanals Wenn die Methode zur Nutzung von Wärme energie verwendet wird,
ist der Hochdruckteil außerdem der fiochtemperaturbereich und der Niederdruckteil
in cihnlicher Weise e der Niedertemperaturbereich.
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Diese Funktion der Pumpe ist wichtig, da so die Notwendigkeit von
starkem Baumaterial eingeschrc;inkt und ein hohes Maß an Wärmeisolierung für den
kleinen Bereich zwischen Pumpe und Turbine sichergestellt wird. Diese Tatsache ermöglicht
außerdem eine leistungsfähige W;irmeübertragung bei niedriger Temperatur von Quelle
zur Antriebsflüssigkeits bzw. zum Antriebsgas.
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Zum leistungsfähigen Betrieb der Pumpen/Turbinen-Anordnung müssen
beide Maschinen in der Lage sein, identische Massenströme von Flüssigkeit/Gas zu
fördern (mit Ausnahme in Fällen, wo ein Teil der komprimierten Fluidalstoffe (Gas/Fltissigkeit)
für andere Zwecke verwendet werden). In der vorgezogenen Anordnung, in der sich
die Pumpe stromaufwärts von der Turbine befindet, muß die Gesamthöhe (d.h. Summe
von Druckhöhe plus Geschwindigkeitshöhe) am Pumpenausgang einen Wert zeigen, der
für die Turbine angemessen ist. Eine Möglichkeit zur Erzielung dieser leistungsfähigen
Kombination liegt darin, eine Pumpe und eine Turbine zu verwenden, die mehr oder
weniger über die gleichen Durchflu ß- und Druckwerte verfügen, wobei die Pumpe nur
mit einem Teil ihrer Leistung geliefert wird; dieser Teil hängt von der Intensität
und Quantität der auszunutzenden natürlichen Energiequelle ab. Auf keinen Fall dürfen
Gas und/oder
Flüssigkeit, die in die Pumpe flie f3en, Schockbelastungen
ausgesetzt werden. Wenn Pumpen, die mit Reaktionsschaufeln bestückt sind, verwendet
werden, muß die Eingangsgeschs-indigkeit der Strömungsflüssigkeit bzw. des -gases
tangential in bezug auf die Schaufeln sein.
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Dieser letzte Punkt ist für den Betrieb der Anlage unbedingt notwendig
und soll hier weiter ausgefibrt werden. Da im Idealfall bei der Anwendung dieser
Methode die auszunutzende Energie bereits in den strömenden Stoffen vorliegt, bevor
sie in die Pumpe gelangen, besteht immer die Tendenz, daß die Eingangsgeschwindigkeit
der strömenden Stoffe zu hoch für die Pumpe ist. Wenn das der Fall ist, tritt eine
Drosselung auf; der Durchfluß stromaufwärts mindert sich, so daß nur wenig oder
keine Energie von der Turbine entnommen werden kann. Um dies zu vermeiden, muß die
übermäßige Geschwindigkeit in Druck umgewandelt werden, indem der Durchfluß ausgeweitet
wird, entweder durch Neuanordnung der Pumpeneinla ßf1rungsflägel oder durch Einbau
eines trompenförmigen Diffusers zwischen dem Venturi-Rohr des enger werdenden Durchlasses
und dem Pumpeneinlaß.AuGerdem oder statt dessen werden die Pumpenmerkmale, besonders
der Steigungswinkel der Turbinen- und Leitschaufeln sowie die Drehgeschwindigkeit
des Laufrades gemindert, um der erhöhten Geschwindigkeit zu entsprechen.
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Wenn diese Erfindung zur Ausnutzung von Wärme energie eingesetzt wird,
tragen die folgenden Schritte dazu bei, den Drosseleffekt der Wärmezuführung zum
Gas bzw. zur Flüssigkeit zu vermindern.
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1) Die Strömungsbewegung ist vorzugsweise (jedoch nicht unbedingt)
aufwärts zu führen.
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2) Statt dessen oder darüber hinaus soll der Einlaß von der Außenseite
zu den Wärmetauscherflächen einen enger werdenden Durchlaß (Venturi) aufweisen,
in dem die Flüssigkeit bzw. das Gas durch Strömen durch einen sich ausweitenden
Durchlaß verteilt wird.
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3) Statt dessen oder darüber hinaus wird ein Gebläse oder Verdichter
arm Einlaß vorgesehen. Dieser Verdichter stromaufwärts muß ein niedrigeres Druckverhiltnis
aufweisen als der Verdichter stromabwärts, der niher an der Turbine liegt.
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Die Verwendung eines Einlaßverdichters macht diese Methode der standardmäßigen
Gasturbine ähnlicher; das unterscheidende Merkmal eines Verdichters, der stromabwärts
zu den Wärmetauscherflächen liegt, ist jedoch noch immer vorhanden.
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Der Einsatz eines Einla<?diffusers (wie oben beschrieben) ähnelt
der Verwendung beim bekannten Staustrahltriebwerk; ein Staustrahltriebwerk unterscheidet
sich jedoch von dieser Methode darin, daß es in Bewegung ist und außerdem nicht
über einen Verdichter verfügt, der sich stromabwärts von der Verbrennungskammer
befindet.
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Alle Übergänge im Strömungskanal von Gas bzw. Flüssigkeit müssen allmillich
sein.
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Die folgenden Bemerkungen fassen die wichtigsten Anordnungen zur Ausnutzung
von Wärmeenergie zusammen:
| 1) Einlaßdiffuser Wärme Verdichter # Turbine |
| 2) Verdichter Wärme Verdichter h Turbine |
| 3) Verdichter - Expander Wärme # Verdichter # Turbine |
Die Geschwindigkeit am Venturihals, der in die Diffuser führt, soll vorzugsweise
über der kritischen Geschwindigkeit für diesen Durchfluß liegen. (Die kritische
Geschwindigkeit V für Reibungsfluß wird durch die folgende Gleichung definiert:
V = #I/K, wobei M die Mach-Nummer I und K das spezifische Wärmeverhältnis darstellt.)
Die Ausnahme zur obigen Geschwindigkeitseinschrinkung ist dann gegeben, wenn diese
Methode zum Antrieb von Staustrahltriebwerken mit Transschall- und Überschallgeschwindigkeiten
verwendet wird.
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Die Geschwindigkeit an den Wärmetauscherflächen dieser Erfindung muß
ausreichen, um etwa 20 % bis mehr als 95 C/o des Wärmeeingangs zu entnehmen. Die
Geschwindigkeit an diesen Flächen muß so gestaltet sein, daß die Reibungsverluste
geringer als der
Enthalpiegewinn sind, die aus dem Erwärmen resultieren.
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Reaktionsturbinen sollen von Diffusern gefolgt werden, die am besten
nach oben als isolierte Kabine weitergeführt werden, die den DurchfluPgang weiter
ausweiten, bis eine niedrige Auslaßgeschwindigkeit (vorzugsweise 1 - 20 km/h) erzielt
wird.
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In der Erfindungsmethode können ein oder mehrere Pumpen in Reihen-
oder Parallelanordnung in Kombination mit ein oder mehreren Turbinen in Reihen-
oder Parallelanordnung verwendet werden.
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Anwendungsformen zur Durchführung der Methode in bezug auf die Erfindung
werden hiernach als Beispiele beschrieben (siehe auch beigefügte Zeichnungen): Abb.
1 ist eine Aufsicht einer Anwendungsform, die Wasser als Strömungsmittel verwendet.
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Abb. 2 ist ein senkrechter Schnitt durch eine andere Anwendungsform,
die ebenfalls Wasser als Strölnungsflassigkeit verwendet.
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Abb. 3 ist ein senkrechter Querschnitt durch eine Anwendungsform,
die Luft als Strömungsgas verwendet.
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Abb. 4 ist die schematische Darstellung einer anderen Anwendungsform,
die Luft als Strömungsgas verwendet.
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Abb. 5 ist ein senkrechter Querschnitt einer abgeänderten Form von
Abb. 3.
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Abb. 6 ist ein senkrechter Querschnitt einer anderen Abänderung der
Anwendungsform von Abb. 3.
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Abb. 7 ist ein senkrechter Querschnitt durch eine weitere Änderung
der Anwendungsform von Abb. 3.
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Abb. 8 ist ein waagerechter Querschnitt einer anderen Anwendungsform,
die Luft als Strömungsgas verwendet.
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Abb. 9 ist die Seitenansicht eines Flugkörpers, an dem diese Erfindung
verwendet wird.
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Abb. 10 zeigt einen senkrechten Querschnitt durch eine andere Ausrüstung,
tei der diese Erfindung verwendet wird.
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Abb. 11 zeigt einen senkrechten Querschnitt durch eine Anwendungsform,
die eine Mischung von Luft und Wasser als Strömurgsstoffe verwendet.
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Abb. 12 ist ein senkrechter Querschnitt durch eine andere Anwendungsform,
die Luft als Strömungsgas verwendet.
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Abb. 13 ist eine modifizierte Anwendungsform der Abb. 11.
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Abb. 14 zeigt einen senkrechten Querschnitt einer weiteren Anwendungsform,
die Luft als Strömungsgas verwendet.
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Abb. 15 zeigt einen senkrechten Querschnitt einer Anwendungsform,
die eine Mischung von Luft und Dampf verwendet.
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Auf Abb. 1 fließt Wasser, z.B. in einem Fluß, in Richtung des Pfeiles
und wird durch einen enger werdenden Kanal oder Trichter 5 zu einer Tauchpumpe 1
in Verbindung mit einer Turbine 2 durch einen Elektrogenerator 4 geleitet; das Wasser
verläßt die Turbine durch einen auseinandergehenden Kanal, auch Saugrohr genannt
6.
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Die Pumpe 1 ermöglicht es der Turbine 2, eine größere Energiemenge
aus dem Fluß zu entnehmen, als es ohnedem möglich wäre. Dieser Anstieg entzogener
Energie ist höher als die Energie, die von der Turbine zum Antrieb der Pumpe genommen
wird.
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Die Pumpe 1 kann direkt mit der Turbine 2 oder indirekt über Getrieberäder
verbunden werden, so daß sowohl Pumpe als auch Turbine mit optimalen Drehzahlen
rotieren. Die Turbinen/Pumpen-Gruppe kann entweder manuell oder durch einen Elektromotor,
z.B.
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einen Gleichstrommotor mit Drehzahlregler, angelassen werden.
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Bei Pumpe 1 soll es sich vorzugsweise um eine Tauchpumpe (siehe Abb.)
handeln; eine Pumpe über dem Wasserstand ist ebenfalls möglich. Die Achse des Kanals
5 sollte außerdem vorzugsweise nach unten zur Pumpe verlaufen, um den Vorteil der
Schwerkraft auszunutzen. Insbesondere, wenn der Durchsatz der Pumpe nicht größer
ist als die bereits bestehende Wasserdurchflußrate durch
Kanal
5, wird nur wenig Energie zum Antrieb der Pumpe benötigt; die erforderliche Energie
liegt etwa in dem Bereich, der für den Ausgleich des W:trmeverlustes erforderlich
ist, wie er sich aus Konvergenz und aus anderen geringfügigen und Reibungsverlusten
ergibt. Geeignete Werkstoffe fiir Kanal 5 sind Holz, Kunststoffe oder Metallbleche.
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Die Anlage in Abb. 2 zeigt zwei Kreiselpumpen 1 a und 1 b, die jeweils
über ihren eigenen Kraftantrieb unabti;ingig von Turbine 2 verfügen, die ein Pelton-Rad
umfaßt ßt. Die Pumpen sorgen für ein Wasserabströmen in Diese 17. Die Pumpe 1 b
liegt teilweise über dem Wasserpegel; Kanal 5 ist mit dem Einlaß der Pumpe 1 a durch
einen Diffuser 6 verbunden; der beste Divergenzwinkel des Diffusers liegt zwischen
50 und 12,50. Die Leitung von Pumpe 1 b zur Düse 17 ist mit Sicherheitsventilen
14 und/oder Zwischenbehältern versehen, um übermäßigen Wasserdruck auszugleichen.
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Die Leitung zwischen Pumpe und Turbine kann verl ingert werden, um
eine Turbinendruckleitung zu bilden. Diese Druckleitung kann dann durch Wasserfälle,
Stromschnellen und T .lcr geführt werden, wodurch die Energiezufuhr zur Turbine
gesteigert wird. Die Hauptmöglichkeiten einer Anordnung von Pumpe, Druckleitung
und Turbine sind wie folgt:
| Trichter # Pumpe Druckleitung Turbine |
| Trichter # Pumpe Druckleitung Pumpe # Turbine |
| Trichter # Pumpe # Turbine Druckleitung Pumpe # Turbine |
| Trichter # Druckleitung # Pumpe # Turbine |
| Trichter # Pumpe Druckleitung Wasserzuführung an entfernter |
Stelle.
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Die Verwendung einer Pumpe hinter der Druckleitung ermöglicht es,
die Druckleitung selbst aus einem verhältnismäßig schwachen Material zu fertigen
wie z.B. Nylonrohre.
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Die aus einem Fluß mit Hilfe dieser Methode entnommene Energie kann
z.B. ausschließlich dazu verwendet werden, Wasser an eine entfernte Stelle zu pumpen.
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Die Turbinen/Pumpen-Kombinationen von Abb. 1 und 2 kann auf einem
Betonfundament angebracht und mit Hilfe eines Krans in ein Flußbett zur Ausnutzung
gesetzt werden.
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Die Ausrtistung (siehe Abb. 3) zur Nutzung von Sonnenenergie zur Bildung
von Konvelstionsluft itr(jmungen zeigt einen pyramiden-oder kegelförmigen Körper,
der einen Raum 11 umschließt. Dieser Körper zeigt eine iußere Schicht 8 aus durchsichtigem
Werkstoff (z.B. Glas); der Zwischenraum 9 treririt diese schicht von einer wärmeabsorbierenden
Lage oder Wand 7, die auf der Außenoberfläche schwarz gefärbt j.st. Luft tritt in
den Zwischenraum 9 durch ein oder mehrere Einlässe 19 ein, wird durch Sonneneinstrahlung,
die durch die Wand 7 absorbiert wird, erw;irmt und fließt als Konvektionsstrorn
zu einem Verdichter 1; die verdichtete Luft wird dann durch Turbine 2 geführt und
treibt sie an. Turbine 2 treibt Verdichter 1 und einen Elektrogenerator 4 über Getrieberäder
3.
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Eine Turmanordnung 16 oben am pyramiden- oder kegelförmigen Körper
trägt die Turbinen/Verdichter-Kombination.
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Der Zwischenraum 11 kann durch die Umgebungsluft durch ein oder mehrere
Öffnungen 22 belüftet werden (siehe Abb.) und dadurch selbst als Wärmequelle dienen,
um einen zusätzlichen Konvektionsluftdurchfluß zum Verdichter 1 zu schaffen. Der
Zwischenraum 11 kann daher als Haus oder Werk dienen, in dem Personal oder Maschinen,
z.B. Klimaanlagen, als zusätzliche Wärmequellen dienen. Abgesehen davon kann Zwischenraum
11 als Aufbewahrungsraum für erwärmtes Wasser oder Steinlagen dienen, die bereits
erwärmt sind (z.B. durch die Sonne).
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Die Turbine 2 kann über eine Verbrennungskammer mit Kraftstoff wie
z,B. Wasserstoff oder standardmäßigen Turbinenkraftstoff verfügen, um als Ersatz-
oder Zusatzenergiequelle dienen zu können.
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Der Wasserstoff kann durch Wasserelektrolyse mit Hilfe von gespeicherter
Elektrizität produziert werden, die durch den Generator 4 in Zeiten höchster Sonneneinstrahlung
erzeugt wird.
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Eine Reihe von Verdichtern kann in Serien- oder Parallelform vorgesehen
und angeordnet werden. Um eine gute Leistungsfähigkeit zu erzielen, wird die Turbinen/Verdichter-Kombination
mit einem Grad von Wärmeisolierung ausgestattet. Am Einlaß kann ein
Verdichter
vorgesehen werden, der ein kleineres Druckverhältnis aufweist wie der Verdich-terstrom
abwärts.
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Andere Arten von Sonnenwärmeabsorptionsschichten 7 können verwendet
werden. Zum Beispiel is-t es möglich, eine Außenglasschicht mit einer Absorberlage
zu versehen, die über V-förmige Riffelungen verfLigt, während die Innenseite dieser
Lage eine isolierte Metallführung mit Luft zeigt, an die die Sonnenwärme weitergegeben
wird. Eine doppelte Glasschicht mit teilweisem Vakuum zwischen beiden Lagen kann
ebenfalls verwendet werden. Bei einer anderen Konstruktionsform wird die Außenglasschicht
durch eine schwarze Schicht ersetzt, die mit einer Vielzahl von kleinen Perforationen
ausgestattet ist; die zu erwärmende Luft tritt durch diese Perforationen in den
Zwischenraum 9 ein und nicht durch die Öffnungen 15. Die äußere perforierte Schicht
kann eine Metallplatte, dichtes Metallgewebe oder einen Webstoff z.B. aus Nylon,
Baumwolle, Wolle oder Seide umfassen. Diese äufere perforierte Schicht kann auch
mehrlagig sein und eine Reihe von individuell perforierten Schichten miteinbeziehen.
Diese Konstruktionsurt ermöglicht eine gradmäßige Abs-tuftmg der Porosi-ttt der
perforierten Schicht im Aufbau von unten nach oben wie es auch Abb. j zeigt, um
eine gleichmäßige Luf-tverteilung beibehalten zu können. Am oberen Ende in der Nähe
des Verdichters würde eine größere Anzahl von Schichten vorgesehen, um eine geringere
Porösität zu schaffen.
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Bei der Verwendung von perforierten Außenschichten kann Energie zusatzlich
oder wahlweise durch Winddruck beigebracht werden; der Wind sorgt für ein Eintreten
der Luft durch die Perforationen und eine Abwärtsbewegung zum Zwischenraum 9.
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In der schematischen Darstellung der Abb. 4 wird ein Luftstrom von
einem Verdichter 1 a, der Luft direkt aus der Atmosphäre empfängt, über einen zweiten
Verdichter 1 b geführt, der Konvektionsluft erhalt, die durch Sonneneinstrahlung
erwärmt wurde. Energie wird so durch den Verdichter 1 b zur vorliegenden Energie
in der Luft, die den Verdichter 1 a verläßt, hinzugefügt; diese zusätzliche Energie
bezieht außerdem die Warme mit ein, die durch Verdichter 1 b selbst erzeugt wurde.
Die Verdichter 1 a
und 1 b können zu einer einzigen Anlage zusammengefaßt
werden.
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Zur Erzielung der höchsten Leistungsfähigkeit sind die Verdichter
1 a und 1 b und die Turbine 2 mehrstufig, um ein hohes Druckverhältnis zu erzielen;
es ist auferdem ein hohes Maß an Wärmeisolierung vorgesehen.
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Die Anwendungsform in Abb. 5, (lie eine variierte Form der Abb. 3
darstellt, zeigt den Zwischenraum 11 mit einem durchsichtigen Dach 8 b und einen
perforierten Boden, der unterteilte Lagen 7 und 8 a umfaßt; die untere Lage 8 a
stellt den Wärmeisolator dar, während Schicht 7 auf der Oberfläche geschwärzt ist,
um die Sonneneinstrahlung aufzunehmen. Luft, die durch Zwischenraum 11 durch die
Perforationen im Boden eintrit-t, wird durch Schicht 7 erwärmt und fließt durch
Konvektion nach oben zum Verdichter 1.
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Eine weitere Abänderung der Anwendungsform in Abb. 3 ist auf Abb.
6 zu sehen; hier treib-t die Luft, die in Zwischenraum 9 durch ein oder mehrere
Ein@@@se 15 einiritt, zunächst eine Niederdruckturbine 2 a an, bevor die Luft angewärmt
wird. Die erwärmte Luft treibt nach Verdieht:ung durch Verdichter 1 eine Hochdruckturbine
2 b an.
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Bei Abb. 7 handelt: es sich urn eine weitere geänderte Version der
Anwendungsform von Abb. 3; der Einlaß der Wärmetauscherfläche ist mit einem Verdichter
1 b versehen, der ein niedrigeres Druckverhältnis aufweist als der Verdichter 1
a stromabwärts.
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Die Luftbewegung über die erwärmte Oberfläche ist nicht senkrecht;
die austretende Strömung führt jedoch durch Kamin 6 nach oben.
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In Anwendungsformen zur Nutzung von Sonneneinstrahlung können Parabolspiegel
verwendet werden, um die Einstrahlung auf die geschwärzten Oberflächen zu konzentrieren.
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Bei Abb. 8 handelt es sich um eine vereinfachte Anwendungsform einer
Ausrüstung, in der Sonnenlicht durch einen Parabolspiegel 22 auf die geschwärzten
Oberflächen 7 konzentriert wird, die sich am Einlaß zur Pumpe 1 und in der N'ihe
befinden. Die durchsichtige Platte 8 bildet außerdem den Trichter 5 des Einlasses.
Die Luftbewegung ist aufwärts gerichtet.
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Abb. 9 zeigt eine Anwendungsform, bei der Sonnenenergle zum Antrieb
eines Flugkörpers in Form einer "fliegenden Urlter tasse" mit 1 hilfe einer Turbinen/Verdichter-Kombination
(nicht abgebildet) angetrieben wird, die im flugkörper vorzusehen ist. Die Außenwände
des Flugkörpers bestehen aus einem dünnen, leichten, kräftigen Material wie z.B.
Titan und umfassen reihenmäßig ausgelegte überlappende Schaufeln 12 mit geschwärzten
Oberflächen 7.
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Die Außenflächen der Leitschaufeln können mit einer dünnlagigen transparenten
Isolierung versehen werden. Wenn die Außenwände durch die Turbine rotiert werden,
wird die Luft über und zwischen die geschwärzten Schaufeln mit Druck zur Innenseite
des Flugkörpers geführt. Die Luft, die durch die Schaufeln diffusiert und erw:1rmt
wird, bewegt sich vorzugsweise im Flugkg jrper nach oben und tritt in ein oder mehrere
Verdichter ein. Die verdichtete Luft treibt eine Turbine an, von der die Schaufeln
12 bet i-tigt werden.
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Die verdichtete Luft tritt außerdem durch regelbare Düsen 17 aus,
die Jets zur Bewegung und Lenkung des Flugkörpers in drei gegenseitig rechtwinklige
Richtungen bilden. Die rotierenden Außenwände des Flugkörpers sorgen für eine Drehkreiselstabilität.
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Die Abb. 10 zeigt eine Andere Anwendungsform für ein Fahrzeug, möglicherweise
einen Flugkörper, der mit Sonnenenergie angetrieben werden kann. Die Anlage umfaßt
eine Reihe von überlappenden Schrägflügeln 12, die so angeordnet sind, daß bei Vorwärtsbewegung
des Fahrzeuges in Pfeilrichtung Luft unter Druck durch die Schlitze zwischen den
geschwärzten, dünn isolierten Flügeln eingeführt wird.
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Die Luft wird zunächst verteilt, um einen Druckanstieg zu erhalten,
und dann durch einen trichtigerförmigen Gang 24 geführt, durch den die erwärmte
Luf-t eine Turbine 2 antreibt; die Turbinenabluft, die aus Düse 17 austritt, bildet
einen Antriebsstrahl. Der Verdichter 1 kann außerdem die Einlaßluft erhalten, die
durch eine Nase 25, die mit einem Diffuser versehen ist, in die Ausrüstung eintritt.
Das Fahrzeug kann darüber hinaus zu Lande oder zu Wasser verwendet werden. Beim
Einsatz als Flugkörper muß der Start durch eine andere Antriebsquelle erfolgen (z.B.
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Festkraftstoffraketenmotor).
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Die Anwendungsform 11 verwendet eine Luft- und Wassermischung als
Strömungsstoff, dessen Energieaufnahme durch Sonneneinstrahlung erfolgt. In der
Abb. wird die Luft durch Punkte, das Wasser durch gestrichelte Linien dargestellt.
Eine Pumpe 1 b, die durch einen Zusatzantrieb betrieben wird, bringt die Mischung
zu einem auseinanderführenden Kanal hinauf, dessen Außenwand 8 mit einer geschwärzten,
Sonnenenergie sammelnden Oberfläche 7 versehen ist.
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Die Mischung wird so angewärmt; ein nach oben gerichteter Konvektionsstrom
erfolgt,um die Kraftanforderungen der Pumpe zu senken. Oben an der Anlage wird Luft
und Wasser in einer Trennkammer getrennt; die Luft lituft wieder zur Pumpe 1 b durch
ein Rohr 10 um, während das Wasser in einem geschlossenen Trichter 9 zu einer Pumpe
1 a herunterflierJt, um von dort zur Turbine geführt zu werden. ÜbermäF.iger Druck
im System wird durch Sicherheitsventile 14 entlastet.
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In der Anwendungsform auf Abb. 12 wird ein Zwischenraum 11 von 4uBen-
und Innendurchflußkanälen 9 und 10 umgeben, die voneinander durch eine Wand 26 rnit
hoher Wärmeleitfähigkeit getrennt sind.
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Luft wird durch das obere Ende des Innenkanals 10 angesaugt und bewegt
sich nach unten, während sie durch die nach oben fließende, sich ausdehmende Luft
im Au<?enkanal 9 gekühlt wird; die Kanäle sind durch Düsen 17 verbunden. Der
Zwischenraum 11 kann ein Wärme- oder Kältespeicher sein. Die aufsteigende Luft im
Kanal 9 tritt in eine Turbinen/Verdichter-Kombination 21 im Turmaufbau 16 ein.
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Die Abb. 13 zeigt eine modifizierte Anwendungsform der Abb. 12; hier
wird der Turbinenauslaß wieder zurück zu Kanal 10 geführt, um für einen abgeschlossenen
Kreislauf zu sorgen.
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Die in Abb. 14 gezeigte Anwendungsform verwendet Windenergie und umfaßt
eine Turbinen/Verdichter-Kombination 21, die drehbar an Verbindungsstelle 19 angebracht
ist; der Einlaßtrichter 5 wird durch Flossen 18 am Ansaugrohr 6 in den Wind gehalten.
Die Kombination 21 kann außerdem eine Verbrennungskammer 20 miteinbeziehen die durch
Hinzuführung von Kraftstoff als zusätzlicher Turbinenantrieb vorgesehen wird, wenn
der Winddruck nicht ausreicht.
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Abb. 15 zeigt eine vereinfachte Anwendungsform, in der die Erfindung
eine Mischung von Gas (Luft) und flüssigem Dampf (Wasser) verwendet. Die Ansaugwirkung
des Verdichters 1 erzeugt einen Negativdruck in Behälter 7. Das hier enthaltene
Wasser verdampft und absorbiert latente Verdampfungswärme. Außerdem wird Luft durch
den Diffusereinlaß des Imlenrohrs 10 angesaugt, während des Durchganges durch das
besagte Rohr gekühlt und dann am vergrößerten unteren Ende des Rohres durch Perforationen
17 ausgelassen. Die austretende Luft bildet kleine Blasen, die inder Flüssigkeit
nach oben steigen und Warme absorbieren, während sie sich gegen die Oberflächenspannungskräfte
ausdehnen. Die Mischung von Luft und Flüssigkeit tritt in den Verdichter, wobei
Verdichtung einenTeil des I!'lüssigkeitsdampfes kondensiert und Wärme an die restliche
Mischung weitergibt, die auf die Turbine wirkt. Bei hohem Druckverhältnis, wenn
die Mischung einen hohen Anteil an Luft enthält, steigt die Temperatur über den
kritischen Druck der Flüssigkeit an, so daß sich der Flüssigkeitsdampf in eines
der tatsächlichen Gase verwandelt, die auf die Turbine wirken. Eine zusätzliche
Erwärmung zwischen Pumpe und Turbine kann vorgesehen werden.
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Wenn das Innenrohr geschlossen oder nicht vorhanden ist, wird die
Anlage zu einer Niedertemperatur-Niederdruck-Dampfausrüstung.
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In solchen Fällen muß der Dampf nach Durchgang durch den Verdichte
weiter angewärmt werden, um Kondensierung zu vermeiden.
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Wenn eine andere Flüssigkeit als Wasser verwendet wird, kann der Kreislauf
durch Kondensation des Dampfes und Rückführung der Flüssigkeit in die Wärmekammer
abgeschlossen werden.
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Der Ubergang vom Flüssigkeitsdampf in ein tatsächliches Gas bei einer
Temperatur, die über der kritischen Temperatur liegt, kann vorteilhaft als allgemeine
Methode zur Innenkühlung von Wärmemotoren verwendet werden, wie sie diese Erfindung
nutzt.
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Wasser kann z.B. in die Verbrennungskammer eines Kolbenmotors eingesprüht
werden, vorzugsweise gegen Ende des Arbeitstaktes.
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Es erfolgt eine Umwandlung in eine Gasphase, wobei der Motor gekühlt
und mehr Verbrennungswärme in Arbeit umgewandelt wird.
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Dadurch werden die Anforderungen an eine Außenkühlung des Motors herabgesetzt.
Darüber hinaus kann eine Mischung von Wasser und Kraftstoff, z.B. Alkohol, Ammoniak
und Hydrazin'eingespritzt werden. Eine vollständige Verbrennung wird durch Mitreißen
von mehr Luft erzielt (wie Verwendung von Turboladern).
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L e e r s e i t e