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Bett.: Patent- und Gebrauchsmusterhilfeanmeldung
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Anmelder: Prof. Dipl.Ing. Hermann Albrich, Germering Vorrichtung zur
Fluidförderung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fördern von flilseigen,
gasförmigen und/oder damffförmigen Medien sowie deren Mischungen, wobei die dafür
erforderliche Antriebsenergie der Enthalpie bzw.
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dem Enthalpiestrom des geförderten Mediums entnommen wird.
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Es sind vielfältige Vorrichtungen zum Fördern von Pluiden bekannte
wie Kreiselmaschinen, Kolben-, Membran-, Zahnrad- und Schnecken= pumpen oder Verdichter,
InJektoren oder Strahlpumpen usw.
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Alle diese Vorrichtungen haben eine elektrische, mechanische, hydraulische
oder pneumatische Energieeinspeisung für die Förder= leistung oder werden mit Antriebsaggregaten
wie Verbrennungsmotoren oder Dampfkraftmascainen betrieben.
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Der Aufwand für die Energiezuführung und Übertragung auf das eigentliche
Förderelement ist hierbei oft um ein Vielfaches größe, als die Kosten für das Förderelement
selbst.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Energie für den Antrieb
der Enthalpie des Fluid es zu entnehmen und durch diesen
direkten
Energiefluß Einsparungen für die Vorrichtungskosten zu erreichen, wobei der abgezapfte
Enthalpieanteil in einfacher thermo= dynamischer Art in mechanische Förderleistung
gewandelt wird. Den physikalischen Gesetzen entsprechend, ist für den Vorgang ein
Tempera= turgefälle zwischen dem strömenden Medium und der Umgebung, oder einem
Hilfsfluid notwendig. Daher ist die anschließend beschriebene Vorrichtung für die
Förderung von warmen oder heißen Fluiden beson= ders geeignet, wobei das Temperaturgefälle
zwischen dem geförderten Fluid und der Umgebung, oder auch, bei Umwälzvorgängen,
die Tempera= turdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf genutzt wird.
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Erfindungsmäßig kann die Lösung der Aufgabe wie folgt beschrieben
werden: In einem Behälter wird durch Wärmezufuhr aus dem den dichten Behälter umströmenden
Fluid, bei einer entsprechenden Temperatur, ein Hilfsfluid verdampft, z.B. Frigen
12. Der unter Drucksteigerung entstandene Dampf der Hilfsflüssigkeit wird, nach
einer Arbeitsleistung für den indirekten Antrieb des Förderelenientes, in einem
zweiten Behälter bei geringerer Temperatur kondensiert. Die frei werdende Kondensa=
tionswärme wird an die Behälterumgebung oder ein Hilfsfluid abge= leitet. Der Antrieb
für die Förderung erfolgt nach dem Verdränger= prinzip oder mittels einer Turbine
oder dergleichen, wobei das verdampfende Hilfafluid von dem zu fördernden Fluid
hermetisch abge schlossen ist. Die Verdampfung und Arbeitsleistung erfolgt periodisch.
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Zwischen den Verdampfungsperioden erfolgt ein kurzzeitiger Druckaus
gleich zwischen dem Verdampfungs- und dem Kondensations-Behälter, in Verbindung
mit einer selbsttätigen Rückspeisung der Hilfsflüssig= keit über ein Ventil.
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Diese chargenweise Verdampfung, Arbeitsleistung, indirekte Leistungs=
übertragung, Kondensation und Rückspeisung wird an zwei AusfUhrungs= beispielen
anschließend beschrieben, wodurch weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung
erklärt werden.
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Fig. 1 Schematisch Darstellung eines Ausführungsbeispieles mit einem
nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Antrieb, mittels eines elastischen Behälters
oder Balges und einem Injektor als Förderelement.
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Fig. 2 Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispleles, wobei
die Förderung mittels einem Axialrad erfolgt, welches über eine Magnetkupplung von
einer Turbine angetrieben wirt.
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In Fig. 1 ist das Schema eines Ausführungsbeispieles dargestellt.
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Die Förderfunktion läuft darin wie folgt ab: In einem elastischen
Balg 6 verdampft eine Treibflüssigkeit, z.B.
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Frigen, durch Wårmezufuhr aushem den Balg umspülenden Fluid.
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Dadurch steigt der Druck in dem dichten Balg und er verformt sich,
bzw. vergrößert sein Volumen und verdrängt aus dem Behälter 5 Flüssigkeitowobei
die Ventile 3 und 9 schließen und die verdrängte Flüssigkeit mit Überdruck im Injektor
7 Förderarbeit leistet.
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Nach der Ausdehnung des Balges, bis ein Ventilöffner 8 zum Anschlag
kommt beginnt eine Zugkraft in Öffnungsrichtung auf das Ventil 3 zu wirken. Nachdem
die Zugkraft den Schließdruck des Ventile erreicht bzw. überschritten hat, wird
durch die Elastizität der Dampffüllung und des Balges ein schlagartiges Öffnen des
Ventiles er= folgen. Dadurch entweicht Dampf über das Verbindungsrohr 2 in den unter
geringerem Druck stehenden Behälter 1'der sich in einem Umgebungsmedium befindet
das eine geringere Temperatur besitzt als die im Behälter 6. Nach Entspannung und
Abkühlung an der Behälterwand, wird dort Kondensation erfolgen. Gleichzeitig mit
dem Ausströmen des Dampfes wird im Gegenstrom durch das relativ große Ventil 3 eine
Charge kondensierter Flüssigkeit in den Behälter 6 zurückströmen, welche sich vorher
schon in dem Verbindungs= rohr 2 gesammelt hatte und nun einfach ganz, oder teilweise,
durch Schwerkraft in Behälter 6 fließt.
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Der plötzliche Druckausgleich zwischen Behälter 1 und 6 bewirkt, 4aß
sich Behälter 6 bzw. der elastische Balg wieder zusarenzieht, wodurch über Ventil
9 wieder Flüssigkeit angesaugt wird. Dabei soll der Querschnitt des Ventils 9 so
groß sein, daß der Füllvorgang kurz ist und eine eventuelle gleichzeitige RUckströmung
vom Injektorteil 7 bedeutungslos bleibt, bzw. sich ein Rtlckschlagventil an der
Treibdüse des Injektors erübrigt. Anschließend beginnt die Drucksteigerung und Verdampfung
im Balg 6 erneut, Ventil 3 schließt und der Vorgang wiederholt sich, eine pulsierende
PorWerung ist im Gang.
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In Fig. 2 ist das Schema eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung
dargestellt. Die Energieübertragung erfolgt hierbei wiederum periodisch von dem
unter Überdruck stehenden Behälter 6, über eine Axial- oder Radi alturbine, mit
Magnetkupplung auf ein Axialrad.
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Im Einzelnen läuft der Vorgang wie folgt ab: Aus Behälter 1, in dem
z. B. Frigen kondensiert und die frei werden= de Wärme an die Umgebung abgegeben
wird, fließt über das Ventil 3 flüssiges Frigen in den Behälter 6, wo höhere Temperatur
vorhanden ist als vorher und Wärmezufuhr aus dem zu fördernden Fluid aus Behälter
4 erfQt. Dadurch wird die Verdampfung und Drucksteigerung in Behälter 6 eingeleitet,
das Ventil 3 schließt und der Dampf strömt über eineLabyrintabscheidung 10 zur Turbine
die über eine Magnetkupplung 8 ein Axialrad zur Förderung des Fluids antreibt. Dabei
ist der Behälter 4, der von dem zu fördernden Fluid durchströmt wird, vom Behälter
6 dicht getrennt und die Kraftverbindung über die Magnetkupplung 8 erfolgt durch
eine übliche Anordnung von Permanentmagneten über eine Trennplatte aus ni chtmagnetischem
Material.
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Nach der Turbine strömt der entspannte Dampf über das Verbindungs=
rohr 2 wieder in den Behälter 1 zurück.Dieser Vorgang hält so lange an, bis das
flüssige Frigen im Behälter 6 verdampft ist und durch Abströmung des Restdampfes
ein Druckausgleich zwischen dem Behälter 1 und 6 stattfindet. Dann öffnet Ventil
3 durch Schwerkraft, wodurch angesammeltes kondensiertes Frigen in den Behälter
6 zurückfließt. Danach beginnt wiederum die Verdampfung, es entsteht Überdruck,
Ventil 3 schließt und der Arbeitsvorgang beginnt aus neue. Die periodische Funktion
kann durch die Wahl des Ventilquerschnittes 3 so gestaltet werden, daß ein langer
Arbeitsgang und eine kurze Füllzeit resultieren, so daß nur eine unbedeutend kurze
Unterbrechnug der Arbeitsleistung erfolgt.
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Sowohl die Ausführung nach Fig. 1 als auch die nach Fig. 2 eignen
sich besonders gut für die Förderung oder Umwälzung von Warmwasser in einem Heizungssystem'
in welchem im Vorlauf höhere Temperaturen vorhanden sinb und die notwendige Temperaturdifferenz
für die Funktion durch den Betriebszustand gegeben ist.
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Bei der betrachtung des Energieflusses in der erfindungsgenäßen Vorrichtung
wird nach den physikalischen Grundgesetzen die Energienutzung mit zunehmender Temperaturdifferenz
zwischen Verdampfungs- und Kondensationstemperatur ebenfalls zunehmen.
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Noch günstiger wird die Energienutzung wenn die Kondensations= wärme
in das geförderte Fluid zurückgeführt wird. Das ist dann möglich, wenn die Erfindung
zur Umwälzung eines Fluides verwendet wird, dessen Vor- und Rücklauftemperatur ein
nennenswertes Gefälle besitzt. Dabei kann die Kondensationswärme in den RUck= lauf
des geförderten Fluides abgeführt werden und damit erhält man z.B. bei Warmwasserheizungen
einen 100% -tigen Wirkungsgrad für den Antrieb des Förderelementes, auf das System
bezogen.
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Beim Vergleich mit dem gegenwärtigen Stand der Technik auf diesem
Teilgebiet, würde sich dabei auf lange Sicht, eine nennenswerte Primärenergie-Einsparung
ergeben, da die große Anzahl der Umwälzpumpen für Warmwasserheizungen und Industrieanlagen
fast durchwegs mit elektrischem Strom arbeiten.
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Für die praktische Anwendung der Erfindung, kann die periodische Antriebsleistung
auf das Förderelement, falls das in Sonderfällen gefordert wird, auch durch die
Iwischenschaltung eines Puffer-oder Speicherelementes in eine gleichmäßig durchlaufende
Antriebsleistung umgewandelt werden, z.B. in ähnlicher Art wie bei einer Kolbenpumpe
mit einem Windkessel, durch Iwillingsanordnungen oder dergleichen.
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Wesentlich für die Realisierung der Erfindung ist auch die spezifische
Größe der Wärmetauscherflächen im geförderten Fluid.
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Hierbei ergeben sich sehr kleine und wirtschaftliche Abessungen.
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So wird z.B. für die Verdampfung des Hilfsfluides im Vorlauf einer
Warmwasserheizung eines Einfamilienhauses eine Wärme tauscherfläche von nur etwa
50 bis 150 cm2 ausreichend sein.
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Falls die Kondensationswärme des Hilfsfluides an die Luft der Umgebung
abgegeben werden soll, kann die dabei erforderliche Wärmetauscherfläche durch Rippen
oder Lamellen auf der Luftseite vergrößert werden.
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L e e r s e i t e