DE2908694A1 - Linearer-solar-waerme-motor vornehmlich fuer pumpenantriebe - Google Patents

Description

• Beschreibung
• Linearer Solar-Wärme-Motor vornehmlich für Pumpenansriebe Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen, die es ermöglichen Volum-Veränderung vcn Dehnkörpern (wie Wachs, Paraffin usw.) bei deren Aggregatzustandsänderung ("fest - in - flüssig und umgekehrt) durch Erwärmung bezw. Abkühlung, insbesondere durch Sonnenenergie, in eine schnelle lineare Antriebs-Bewegung hoher Kraft und grossen Weges umzuwandeln, damit z,B. in Gegenden hoher Solareinstrahlung, diese mit billigen Einrichtungen zum Wasserpumpen benutz werden kann.
• Es ist bekannt, daß die Volumen-Veränderung plastischer Stoffe, die bei ihrer Erwärmung oder Abkühlung eintritt zur Erzeugung mechanischer Arbeit benutzt werden kann.
• Der n einem Zylinder eingeschlossene Dehnkörper bewegt mit seiner Volum-Veränderung einen Kolben. Weg und Kraft des Kolbens entsprechen seinem Querschnitt und der Volum-Veränderung des Dehnkörpers, die ihrerseits von der Wärmemenge abhängig ist, die dem Dehnkörper zugeführt wird.
• Durch richtige Auswahl der Dehnkörper sind bisher temperaturabhängige, mechanische Stellglieder beliebiger Temperatur/Hub-Kennlinie gebaut worden.
• Wegen der schlechten Wärmeübertragung vom Wärmeträger in den Dehnkörper sind die bisher bekannten Stellglieder sehr träge und eignen sich darum nicht dazu, durch schnelle wrwärmung und Abkühlung als Antrieb von Arbeitsmaschinen, wie z.B. Wasserpumpen, benutzt zu werden.
• Wird gemäß Abb. 1 in einem druckfesten Gehäuse 2 ein Dehnkörper 1 bis zu seiner Schmelztemperatur erhitzt, aann verflüssigt er sich proportional der weiterhin zugeführten Wärmeenergiemenge und sein Volumen wächst entsprechend an, wodurch der Arbeitskolben 3 in Pfeilrichtung verdrängt wird und zwar um einen Hub (Weg) h, der von der Volum-vergrößeren v und seiner Grundfläche f abhängig ist: #v (Vflüssig - vfest).4 h = f = d²Kolben . # Bei genügender Wärme zufuhr kann also die Größe des Hubes durch Wahl der Dehnkörpermenge, sowie des Kolbendurchmessers bestimmt werden und die Größe der Schubkraft des Arbeitskolbens wird nur durch die Druckfestigkeit des Gehäuses 2, sowie der Kolbendichtung 4 begrenzt. Um den Wärmeübergang vom Wärmeträger 5 in den Dehnkörper und andrerseits auch aus dem Dehnkörper in das Kühlmittel 5,die abwechselnd den Dehnkörper umströmen, zu beschleunigen, wird erfindungsgemäß das Dehnkörpergehäuse so gestaltet, daß das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Dehnkörpers ein mögliches Maximum erreicht und der Werkstoff des Dehnkörpergehäuses ein guter Wärmeleiter ist, aber eine kleinstmögliche Wärmekapazität besitzt, damit bei seiner periodischen Temperaturänderung durch die sich abwechselnden Wärmeträger und Kühlmedium, kein größerer Energieverlust entsteht.
• Abb. 2 zeigt eine Lösung, bei der um den Arbeitszylinder mit dem Arbeitskolben 3 kreisförmig angeordnet, weitere mit ihm verbundene, nach außengeschlossene Rohre angebracht sind 2, die alle gut umspült werden 5. Die insgesamt große Dehnkörpermasse 1 stellt aber überall nur eine dünne Schicht dar, der von allen Seiten Wärme zugeführt bezw. abgezogen wird 5.
• Aus konstruktiver Sicht müssen die Gehäuseteile für den Dehnkörper als Röhren mit Kreisquerschnitt ausgebildet werden, weil so das größte Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und auch die höchste Druckfestigkeit erreicht wird.
• Als logische Folgerung daraus ist die Ausführung gem Abb. 3 entstanden, bei der das Dehnkörpergehäuse aus einem schraubenförmig geformten Kupferrohr 2 besteht. Es ist von einem Mentelgehäuse 6 aus wärmeisolierendem Material umgeben, das abwechselnd von warmen Wasser w und Kühlwasser k durchströmt wird.
• In Abb. 4 ist die endgültig beste und nreisgünstigste Lösung wiedergegeben. Hier ist die Kupferrohrwendel 2 von einem Kunststoffschlauch 6 als Eeiz-tüh1-X7antel umgeben, der eine optimale Wärmeübertragung von bezw. an die Heiz-und Kühl-Flüssigkeiten 5 gewährleistet.
• Die Gesamtfunktion einer erfindungsgemäßen solarbeheizten Wasserpumpe wird an Hand der Abb. 5 erklärt: Die als Licht einstrahlende Sonnenenergie s wird im Solarkollektor 7 in Wärmeenergie umgewandelt und heizt das Wasser 8 im wärmeisolierten Heißwasserspeicher 9. das durch Schwerkraft den Kollektor durchfließt, auf 80 - 900C auf.
• Durch das Schwimmerventil 10 wird das Wasser 8 im Heißwasserspeicher 9 aus dem Druckwassertank oder Hochbehälter 11 stets auf gleichen Stand aufgefüllt. Zum Inbetriebsetzen der Wasserpumpe wird mit der Handpumpe 12 heißes Wasser durch den Mantel des Linearmotors gepumpt, dessen Dehnkörper beginnt zu schmelzen und bewegt die beiden Arbeitskolben 13 und 14, sowie die beiden Wasserpumpenkolben 15 und 16 nach oben. Der Pumpkolben 17 saugt nun das heiße Wasser selbständig durch den geöffneten Schieber 19 und den Linearmotor 13 an; die Handpumpe 12 braucht nicht mehr betätigt zu werden.
• Da das Heißwasser die Saugwirkung des Pumpkolbens 17 wegen der höheren Lage des Heißwasserspeichers unterstützt, wird von diesem Kolben kein kaltes Wasser aus dem Brunnen 21 angesaugt, weil dort eine Wassersäule angehoben werden müßte.
• Dagegen saugt der Pumpkolben 18 Kaltwasser aus dem Brunnen 21 an, weil der Heißwasserschieber 20 geschlossen ist und pumpt das über ihm stehende Wasser in den Hochbehälter 11.
• Im letzten Teil des Aufwärtspumpenhubes (ca. 1/10) schließt der Arbeitskolben 15 über ein Steuergestänge 22 den Heißwasserschieber 19 und der Arbeitskolben 16 öffnet über ein Steuergestänge 23 den Heißwasserschieber 20, wodurch der Pumpenkolben 18 Heißwasser durch den Linearmotor 14 und der pumpkolben 17 kaltes Wasser durch den Linearmotor 13 ansaugen.
• Die Aufwärtsbewegung aller Kolben kommt zum Stillstand und jahre Aufwärtsbewegung beginnt, weil der Dehnkörper des Linearmotors 14 sich ausdehnt und der des Linearmotors 13 schrumpft.
• Während dieses Hubes schiebt der Pumpkolben 17 das unter ihm befindliche warme Wasser in den Heißwasserspeiclier zurück und der Pumpkolben 18 das unter ihm befindliche kalte Wasser in den Hochbehälter 11.
• Im letzten Teil des Abwärtspumpenhubes wird Heißwasserschieber 20 geschlossen und der Heißwasserschieber 19 geöffnet, wodurch die Abwärtsbewegung beendet und eine neue Aufwärtsbewegung der Kolben eingeleitet wird.
• Die Pumpbewegungen wiederholen sich solange bis die Temperatur des Wassers 8 im Heißwasserspeicher 9 wegen des Sonnenunterganges unter die Schmelztemperatur des Dehnkörpers absinkt oder bis einer der beiden Reißwasserschieber 19 oder 20 durch bewußte Außerbetriebsetzung des Steuergestänges 22 oder 23 im letzten Teil eines PumperOubes nicht mehr geöffnet wird.
• Die Funktion der Rückschlagventile der Anordnung geht aus der Abbildung eindeutig hervor, es kann daher von ihrer Beschreibung Abstand genommen werden. Selbstverständlich könnte einer der beiden Pumpzylinder.in einem Teil Heißwasser und in seinem anderen Teil Kaltwasser umsetzen, es würde aber durch die dauernde Erwärmung und Abkühlung seiner Bauteile, wie Zylinderwand, Kolben, Kolbenstange, Ventile und leitungen viel Energie vergeudet werden. Um dieses zu vermeiden fördert ein Doppelzylinder nur kaltes und der zweite nur warmes Wasser.
• Durch die Anordnung je eines Austrittes für Heißwasser und eines für Kaltwasser aus den linearmotoren wird erreicht, daß der Dehnkörper in dem Teil seines Gehäuses, in dem sich der Arbeitskolben bewegt, immer flüssig bleibt, denn wenn er auch in diesem Teile durch das Kühlwasser zum Erstarren käme, müßten viel höhere Reibungskräfte überwunden werden, was nutzlose Vergeudung von Energie bedeutet.
• Die sehr kräftige Druckfeder 24 stellt eine Sicherung gegen Beschädigung für den Fall dar, daß durch eine eventuelle ungenaue Steuerung der Schieber 19-und 20 kurzzeitig beide Arbeitskolben 15 und 16 gegeneinander arbeiten.
• Der Hauptvorteil der beschriebenen Antriebs einrichtung für Solarpumpen ist die außerordentlich preiswerte Herstellungsmöglichkeit, Robustheit, Störungsanfälligkeit u.nd Wartungsfreundlichkeit, was insbesondere für Entwicklungsländer von ausschlaggebender Bedeutung ist, weil dadurch das lebensnotwendige Wasser zu einem, auch dort tragbaren Preis, gefördert werden kann.
• Bisher existierende Solarpumpenantriebssysteme mit photovoltaischen Zellen über Eelektromotoren oder mit Solarflachkollektoren und Carnot-Kreisprozeßmaschinen mit fluorierten dhIen-'t-asserstoffen bezw. konzentrierenden Kollektoren und Wasserdampf-Kraftmaschinen erfordern so hohe Investitionskosten, daß sie dort nieht realisierbar sind.
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Claims (8)

1. Patentansprüche: 1. Linear-Wärme-Motor mit Dehnstoff wie Machs, Paraffin, Stearin usw. als Energiewandler von Warme energie in mechanische Arbeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumen-Veranderung des Dehnkörpers bei seiner schnell abwechselnden Erwärmung über deine Schmelztemperatur und Abkühlung unter seine Erstarrungstemperatur zum Antreiben eines Arbeitskolbens benutzt wird.
2. 2. IiinearT;!ärmeMotor nach Anspruch 1 dadurch geVennzeichnet, daß der Dehnkörper zwecks guter Wärmeübertragung in einer oder zwei Dimensionen möglichst kleine Abmessungen hat.
3. 3. 1i'inear-Wärme-Notor nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das druckfeste Gehäuse des Dehnkörpers aus kreisförmig um den Arbeitskolben angeordneten geschlossenen Rohren kleinen Durchmessers und guter Leitfähigkeit besteht, die mit dem Zylinder des Arbeitskolbens kommunizierend verbunden sind.
4. 4. Linear-Wärme-Motor nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das druckfeste Gehäuse des Dehnkörpers aus einem wendelförmigen Rohr mit kleinem Durchmesser und guter Leitfähigkeit besteht, das an einem Ende verschlossen und am anderen Ende mit dem Zylinder des Arbeitskolbens kommunizierend verbunden ist.
5. 5. Linear-Wärme-Motor nach Anspruch 1,2 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel für die Heiz- bezw. Ruhlflüssigkeit aus einem konzentrisch um das druckfeste Dehnkörpergehäuse angeordneten temperaturfesten Rohr oder Schlauch mit schlechter Wärmeleitfähigkeit besteht.
6. 6. Linear-Wärme-Motor nach Anspruch 1, und 3 oder 4 oder 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß für den Austritt der Heizflüssigkeit und der Kühlflüssigkeit zwei verschiedene Stellen des Mantels um das druckfeste Gehäuse gewählt werden, damit der Dehnkörper in dem Zylinder des Arbeitskolbens während beider Hubrichtungen zwecks Reibungsverminderung flüssig ist.
7. 7. Linear-Wärme-Motor nach Anspruch 1,2,6 und 3 oder 4 oder 4 und 5 dadurch gekermzeichnet, daß er zum Antrieb von Pumpen benutzt wird.
8. 8. Linear-Wärme-Motor nach Anspruch 1,2,6 und 3 oder 4 oder 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß er mit in Wärmeenergie umgewandelte Solareinstrahlung betrieben wird.