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Verfahren zum Nutzen von Strömungsmittelenergie
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und Einrichtung dafür
Beschreibung Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum Nutzen der einem in einem Leitungssystem geführten Strömungsmittel
innewohnenden Energie, insbesondere der Energie von Leitungswasser, ferner auf eine
Einrichtung zum Verwirklichen dieses Verfahrens.
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Die Erfindung geht aus von der Überlegung, daß in Leitungssystemen
geführten Strömungsmitteln in der Regel wesentlich mehr Energie innewohnt, als an
den Abgabe- bzw. Verbrauchsstellen benötigt wird. Namentlich gilt dies für Wasserleitungssysteme,
die'beispielsweise einen Strömungsmittelvorlaufdruck von 8 atü haben. Ein derartigxhoher
Vorlaufdruck wird jedoch an den Zapfstellen oder sonstigen Verbrauchern nicht benötigt.
An den Verbrauchsstellen geht daher die angesichts dieses Vorlaufdrucks im Strömungsmittel
enthaltene Energie ungenutzt verloren, beispielsweise infolge Verwirbelung beim
Ausströmen. Vielfach müssen sogar vor Verbrauchsstellen in die Leitungssysteme Druckbegrenzer
eingebaut werden, um eine zu hohe Druckbeaufschlagung von Einrichtungen zu verhindern,
die mit Leitungswasser zu versorgen sind.
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Das Ziel der Erfindung besteht nun darin, Wege und Mittel zum Nutzbarmachen
dieser bisher ungenutzten Energie aufzuzeigen. Demgemäß sollen durch die Erfindung
ein Verfahren zum Nutzen der einem in einem Leitungssystem geführten Strömungsmittel
innewohnenden Energie sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
geschaffen werden.
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In verfahrenstechnischer Hinsicht ist diese Aufgabe durch die im Kennzeichen
des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen dahingehend gelöst, daß vor einer Verbrauchsstelle
bzw. einer Anzahl benachbarter Verbrauchs stellen mittels einer in das das Strömungsmittel
führende Leitungssystem eingeschalteten Kraftmaschine zum Umsetzen potentieller
undZoder kinetischer Strömungsmittelenergie in mechanische Arbeit dem Strömungsmittel
in einem Ausmaß Energie entzogen und in mechanische Arbeit umgesetzt wird, daß die
im Strömungsmittel verbleibende Restenergie gerade noch zur Deckung des Energiebedarfs
an der Verbrauchsstelle bzw. den Verbrauchsstellen ausreicht.
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Bei der Erfindung handelt es sich mithin darum, dem Strömungsmittel
diejenige Energie vor den Verbrauchs stellen zu entziehen, welche die an diesen
Verbrauchsstellen benötigte Restenergie übersteigt. In der Regel muß an den Verbrauchsstellen
nur das Ausströmen des Strömungsmittels mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit
gewährleistet sein, aus welcher Forderung sich ein bestimmter Strömungsmitteldruck
an
der Abgabestelle ergibt. Demzufolge wird, nach der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
2, das Ausmaß der Energieentnahme aus dem Strömungsmittel durch den Abbau des Vor
auf drucks auf einen vorbestimmten, vorzugsweise konstanten, Strömungsmitteldruck
auf der Verbraucherseite bestimmt. Im übrigen kann, ebenfalls nach einer Ausgestaltung
der Erfindung, das Verfahren auch durch die Umsetzung der durch den Entzug von Energie
aus dem Strömungsmittel gewonnenen mechanischen Arbeit in elektrische Energie gekennzeichnet
sein.
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Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist durch eine Kraftmaschine
zum Umsetzen potentieller undloder kinetisches Strömungsmittelenergie in mechanische
Arbeit gekennzeichnet, die ein vom Arbeitsmedium indirekt beaufschlagtes und mit
über seinem Umfang verteilt angeordneten Druckstücken versehenes Laufrad sowie einen
von flexiblen Wandungen begrenzten Strömungsweg besitzt, der über ein Teilstück
der Umlaufbahn der Laufraddruckstücke so geführt ist, daß beim Umlauf des Laufrades
die Druckstücke den Strömungsweg abquetschen und das Strömungsmittel durch die Wandung
des Strömungsweges hindurch auf die Laufraddruckstücke einwirkt und diese in Strömungsrichtung
beaufschlagt.
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Weitere Ausgestaltungen der Einrichtung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in den Patentansprüchen 5 und folgende beschrieben.
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So kann es sich gemäß Patentanspruch 5 bei dem von flexiblen Wandungen
umschlossenen Strömungsweg um einen zusammenquetschbaren Schlauch handeln, der über
ein Teilstück der Umlaufbahn des Laufrades auf der von letzterem entfernten Seite
an einer der Umlaufbahn angepaßten, bogenförmigen Abstützung anliegt, so daß beim
Angriff eines Laufraddruckstückes der Durchströmweg infolge Zusammendrückung des
Schlauchabschnittes zwischen der genannten Abstützung und dem Laufraddruckstück
abgesperrt wird und mithin durch die Schlauchwandung hindurch der hydraulische Druck
des Strömungsmittels auf dieses Druckstück in Umfangsrichtung des Laufrades einwirkt.
Als vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, wenn gemäß der Lehre des Patentanspruchs
6 die am Umfang des Laufrades angeordneten Druckstücke drehbar gelagerte Druckrollen
sind, die beim Durchgang durch das mit einer abquetschbaren Leitung versehene Teilstück
des Umlaufweges längs des absperrbaren Strömungsweges abrollen.
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Nach der ausgestaltenden Lehre des Patentanspruchs 7 ist die Anordnung
so zu treffen, daß die Länge des abquetschbaren Strömungsweges und die Abstände
der über den Laufradumfang verteilt angeordneten Druckstücke so aufeinander abgestimmt
sind, daß beim Umlauf des Laufrades zu jeder Zeit wenigstens zwei Druckstücke an
dem verformbaren Strömungsweg angreifen und demgemäß der indirekten Einwirkung des
Strömungsmittels ausgesetzt sind.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist, nach der Lehre pes Patentanspruchs
8, durch einen nach der Kraftmaschine angeordneten, auf konstanten Strömungsmitteldruck
eingestellten Strömungsmittelspeicher gekennzeichnet. Bei diesem Strömungsmittelspeicher
kann es sich um einen Druckbehälter, etwa einen sogenannten Windkessel, oder auch
um einen auf einem bestimmten Höhenniveau angeordneten Speicher handeln.
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In ebenfalls weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann mit der Kraftmaschine
abtriebsseitig ein Generator odereine Wärmepumpe wirkverbunden sein. Angesichts
der bei nur geringen Strömungsmitteldurchflußmengen entsprechend geringen Drehzahl=
des Kraftmaschinenlaufrades kann es auch von Vorteil sein, zwischen letzterem und-
einem Generator oder einer Wärmepumpe ein Übersetzungsgetriebe anzuordnen, sei es
in Gestalt eines mechanischen Getriebes oder hydraulisch wirksamer Übertragungsmittel.
Im Rahmen der Erfindung kann auch ein mechanischer Energiespeicher mit dem Laufrad
der Kraftmaschine wirkverbunden sein, etwa in der Form, daß mittels eines Seilzuges
ein Gewicht auf ein vorbestimmtes Höhenniveau angehoben wird, welches im Bedarfs
falle zwecks Abgabe der ihm so erteilten Lageenergie ab laufenge lassen werden kann.
Die bei diesem Ablauf des Gewichts freigesetzte Energie kann wiederum zum Antrieb
eines Generators oder beispielsweise einer Wärmepumpe herangezogen werden.
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Einige Ausführungsformen der Erfindung sollen nachstehend anhand der
beigefügten Zeichnungen erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen: Fig.
1 die Einschaltung einer Kraftmaschine zur Umsetzung potentieller und/oder kinetischer
Strömungsmittelenergie in mechanische Arbeit in eine Wasserleitung vor einem Hochbehälter
als Verbraucher, Fig. 2 die Kraftmaschine für sich allein in einer Seitenansicht
mit einem über seinen Umfang verteilt angeordnete Druckstücke aufweisenden Laufrad
und einem über ein Teilstück der Umlaufbahn des Laufrades abquetschbaren Strömungsweg,
Fig. 3 in einer Ausschnittansicht gemäß III aus Fig. 2 ein Teilstück des abquetschbaren
Strömungsweges mit einem in Form einer Druckrolle angreifenden Druckstück des Laufrades,
Fig. 4 den Angriff einer Druckrolle an dem abquetschbaren Strömungsweg in einer
Schnittansicht gemäß Scnittlinie IV-IV in Fig. 35 Fig. 5 eine Einrichtung wie Fig.
1, die jedoch mit einem als Windkessel ausgebildeten Strömungsmittelspeicher sowie
einem letzteren nachgeschalteten Warmwasserboiler ausgerüstet ist und bei der das
Laufrad der Kraftmaschine einen Generator antreibt, wobei der vom Generator erzeugte
Strom den Warmwasserboiler beheizt, und
Fig. 6 eine Einrichtung
ähnlich der in Fig. 5, jedoch mit hydraulischen Mitteln zur Übertragung eines Drehmomentes
vom Laufrad der Kraftmaschine auf einen Generator, eine Wärmepumpe und/oder einen
mechanischen Energiespeicher.
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Bei der Einrichtung nach Fig. 1 ist eine in ihrer Gesamtheit mit 10
bezeichnete Kraftmaschine in eine Wasserleitung 11 in der Weise eingeschaltet, daß
es gelingt, dem in der Leitung geführten Strömungsmittel die letzterem innewohnende
Energie teilweise zu entziehen, nämlich bis auf eine vorbestimmte Restenergie, welche
erforderlich ist, über eine Steigleitung 12 einen auf einem vorbestimmten Höhenniveau
angeordneten Hochbehälter 13 mit Strömungsmittel zu versorgen.
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In diesem Hochbehälter 13 befindet sich ein dessen Füllungszustand
kontrollierender Schwimmer 14, der zur Steuerung eines Ventils 15 dient, welches
sich zwischen der Abströmseite der Kraftmaschine 10 und der Steigleitung 12 befindet.
Vom Hochbehälter 13 erstreckt sich eine Abgabeleitung 16 fort, die zu nicht weiter
dargestellten Verbrauchern führt, wobeieich bei diesen Verbrauchern beispielsweise
um die Zapfstellen eines Gebäudes handelt.
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Die Kraftmaschine 10, die in den Fig. 2 bis 4 hinsichtlich ihres prinzipiellen
Aufbaues dargestellt ist, hat ein als Speichenrad ausgebildetes Laufrad 21 mit jeweils
unter 450
zueinander verlaufenden Speichen 22, und am Ende einer
jeden Speiche ist eine Druckrolle 23 drehbar gelagert. Beim Umlauf des Laufrades
21 um seine Achse 24, die in hier nicht weiter interessierender Weise drehbar gelagert
ist, bewegen sich sämtliche Druckrollen 23 auf einer kreisförmigen Umlaufbahn, die
strichpunktiert angedeutet und mit 25 bezeichnet ist. Die Druckrollen 23 sind, wie
insbesondere Fig. 4 zeigt, mittels Achsen 26 im Bereich der Enden 27 der Speichen
12, welche gabelförmig gestaltet sind, drehbar gelagert.
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Unter der durch die Achse 24 des Laufrades 21 aufgespannten Mittelebene,
die bei 28 angedeutet ist, erstreckt sich über 0 einen Umfangswinkel von ca. 100
eine der Umlaufbahn 25 der Laufrad-Druckrollen 23 angepaßte Abstützung 30 bogenförmig
fort, die an ihren beiden Enden in horizontal verlaufende Abschnitte 31, 32 übergeht
und auf nur angedeuteten Tragstützen 33 aufgenommen ist. Auf dieser bogenförmigen
Abstützung ist ein zusammenquetschbarer Schlauch 35 aufgenommen, welcher den Strömungsweg
für das Arbeitsmedium bildet. Eine in der Zeichnung von links kommende Zuleitung
36 des Leitungssystems 11 mündet in diesen Strömungswegeirsd - in der Zeichnung
gesehen - rechtsseitig schließt sich eine Abströmleitung 37 an, die in die Steigleitung
12 gem. Fig. 1 übergeht, hier jedoch nicht weiter interessiert. Die Anordnung ist
dabei so getroffen, daß im Bereich der bogenförmigen Abstützung der den zusammenquetschbaren
Strömungsweg
bildende Schlauch 35 an der Abstützung 30 befestigt
ist und die angreifenden Druckstücke den Schlauch in solcher Weise zusammendrücken,
daß der Strömungsweg versperrt ist.
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Folglich wirkt der in Fließrichtung gemäß Pfeil 38 gerichtete Strömungsmitteldruck
jeweils an dem zuströmseitig im Bereich der Abstützung 35 angreifenden Druckstück
23, wodurch in Umfangsrichtung an der das betreffende Druckstück tragenden Speiche
22 des Laufrades 21 eine letzteres in Drehung um seine Achse versetzende Umfangs
kraft angreift und das Laufrad gemäß Pfeil 39 in Drehung versetzt wird.
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Bei dem den zusammenquetschbaren Strömungsweg bildenden Schlauch 35
kann es sich vorzugsweise um einen kunstfaserverstärkten Hochdruckschlauch handeln,
der in besonderem Maße gegen die beim Betrieb der Vorrichtung periodisch wiederkehrenden
Quetschungen beständig ist. Das Zusammenquetschen dieses Schlauchs 35 und das damit
verbundene Absperren des Durchströmquerschnittes im Angriffsbereich einer Druckrolle
23 zeigen insbesondere die Fig. 3 und 4, indem die Druckrollen des Schlauch im Spalt
zwischen der von ihrem äußeren Umfang bestimmten Umlaufbahn 25 des Laufrades und
der bogenförmigen Abstützung zusammendrücken.
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Wenn bei der in Fig. 1 veranschaulichten Einrichtung der Schwimmer
14 des Hochbehälters 13die Unterschreitung eines bestimmten Füllungsniveaus des
Strömungsmittel-Hochspeichers
anzeigt, bewirkt diese Anzeige ein
Öffnen des der Kraftmaschine 10 abströmseitig zugeordneten Ventils 15. Infolge dieses
Öffnens des Ventils 15 strömt aus dem Leitungssystem 11 Strömungsmittel in Richtung
des Pfeils 38 zu und infolge der dadurch bewirkten Beaufschlagung der Kraftmaschine
erfährt diese eine Drehung gemäß Pfeil 39, wobei ein Teil der dem Strömungsmittel
innewohnenden Energie in mechanische Arbeit umgesetzt wird, jedoch nur in einem
solchen Ausmaß daß die im Strömungsmittel verbleibende Restenergie ausreicht, den
Strömungsmittelausfluß in den auf einem vorbestimmten Höhenniveau angeordneten Hochbehälter
13 zu ermögliehen. Sobald der Hochbehälter 13, von dem aus die einzelnen Verbrauchsstellen
der Gesamtanordnung über die Leitung 16 versorgt werden, ein bestimmtes Füllungsniveau
erreicht hat, schaltet infolge Auslösung durch den Schwimmer 14 das Ventil 15 wieder
in Schließstellung, wodurch ein weiterer Strömungsmitteldurchfluß unterbrochen wird
und die Kraftmaschine 10 zum Stillstand kommt. Die Versorgung der einzelnen Verbrauchsstellen
mit hinreichender Energie des Strömungsmittels ist durch die Höhenlage des Hochbehälters
13 gewährleistet.
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Die in Fig. 5 dargestellte Einrichtung ist in ihrem prinzipiellen
Aufbau ähnlich der Einrichtung gemäß Fig. 1. Demzufolge sind in dieser Figur für
gleiche Teile wie in den vorhergehenden Figuren gleiche Bezugszeichen eingeführt,
jedoch zur Unterscheidung um 100 erhöh.
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Die Kraftmaschine 110 ist wiederum in das Leitungssystem 111 vor einem
Strömungsmittelspeicher 113 eingeschaltet.
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Bei diesem Strömungsmittelbehälter 113 handelt es sich jedoch nicht
um einen Hochspeicher, sondern um einen sogenannten Druckspeicher, der in der Art
eines Windkessels ausgebildet ist. Die Ausbildung als Windkessel veranschaulicht
ein in einem Zylinder 117 geführter Kolben 118, dessen eine Seite von einem über
einer Flüssigkeitsfüllung des Speichers befindlichen Luftpolster beaufschlagt ist
und der letzteres vermöge seines Eigengewichtes auf einem bestimmten Druck hält.
In diesen Druckspeicher mündet die sich abströmseitig von der Kraftmaschine 110
forterstreckende Strö-112 mungsmitte-lleitungXein, in die wiederum ein steuerbares
Ventil 115 eingeschaltet ist. Von dem Druckspeicher 113 erstreckt~ sich eine zu
den nicht weiter dargestellten Verbrauchern führende Versorgungsleitung 116 fort.
Ferner ist über eine Versorgungsleitung 116' dem Druckspeicher 113 ein Warmwasserboiler
140 nachgeschaltet, von dem sich eine zu ebenfalls nicht weiter dargestellten Verbrauchern
hinführende Versorgungsleitung 116" forterstreckt. Dieser Warmwasserboiler 140 ist
mit einer Heizspirale 141 ausgerüstet, die über eine elektrische Leitung 142 von
einem Generator 145 mit elektrischer Energie versorgt wird. Dieser Generator 145
steht über ein Ritzel 146 in direkter Antriebsverbindung mit einem Zahnrad 147,
welches drehfest mit dem Laufrad der
Kraftmaschine 110 verbunden
ist. Im übrigen ist in dem Warmwasserboiler 140 ein Thermostat 148 angeordnet, der
über eine Steuerleitung 149 mit dem abströmseitig von der Kraftmaschine 110 und
vor dem Druckspeicher 113 angeordneten Ventil in Wirkverbindung steht.
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Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Steuerung der gesamten Einrichtung
in Abhängigkeit vom Temperaturniveau des im Warmwasserboiler aufgenommenen Strömungsmittels.
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Wenn das Temperaturniveau der Wasserfüllung in diesem Boiler unter
einen bestimmten Grenzwert absinkt, etwa infolge starken Warmwasserverbrauchs, so
öffnet das Ventil 115 folge eines vom Thermostat 148 im Warmwasserboiler ausgehenden
Steuersignals, und über das Leitungssystem 111 strömt Frischwasser gemäß Pfeil 138
zum Druckbehälter 113.
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Da der Druckbehälter 113 angesichts seines gewichtsbelasteten Kolbens
118, der in dem Zylinder 117 geführt ist, auf der Abströmseite der Kraftmaschine
110 einen vorbestimmten Druck gewährleistet, der unter dem Vorlaufdruck liegt, werden
die Laufraddruckstücke der Kraftmaschine 110 in der in Verbindung mit den Fig. 2
bis 5 beschriebenen Weise in Zuströmrichtung beaufschlagt und mithin wird, neben
der allmählichen Füllung des Druckbehälters 113 mit Strömungsmittel, am Laufrad
der Kraftmaschine ein Drehmoment erzeugt. Dieses Antriebsmoment des Laufrades der
Kraftmaschine wird über das mit dem Laufrad drehfest verbundene Zahnrad 147 und
über
das Ritzel 146 auf den Generator 145 übertragen und der Generator
erzeugt entsprechend der ihm übermittelten Antriebsenergie elektrische Energie,
die über die Verbindungsleitung 142 die Heizspirale 141 des Warmwasserboil-ers 140
versorgt.
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Sobald infolge dieser Versorgung der Heizspirale 141 mit elektrischer
Energie eine den vorgegebenen Bedingungen entsprechende Aufheizung der Wasserfüllung
des Boilers erfolgt ist, wird über einen vom Thermostaten 148 und die Verbindungsleitung
149 ausgehenden Signalimpuls das der Kraftmaschine abströmseitig zugeordnete Ventil
115 gesperrt, womit gleichzeitig die Erzeugung elektrischer Energie durch den Generator
145 und die Strömungsmittelfüllung des Druckbehälters 113 unterbrochen werden. Der
vorstehend erläuterte Vorgang wiederholt sich, sobald das Temperaturniveau der im
Boiler 140 enthaltenen Wasserfüllung wiederum unter einen vorbestimmten Grenzwert
absinkt.
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Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 6 sind für gleiche Teile wie
inden vorhergehenden Figuren gleiche Bezugszeichen eingeführt, jedoch zur Unterscheidung
abermals um weitere 100 erhöht.
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Es ist wiederum eine nur schematisch angedeutete Kraftmaschine 210
in das Leitungssystem- 211 eingeschaltet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist
dabei die Leitungsführung auf der Abströmseite der Kraftmaschine nicht gezeigt.
Im
Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen ist die
Kraftmaschine 210 mittels eines hydraulischen Übertragungssystems mit einem Generator
245, einer Wärmepumpe und/oder einem mechanischen Energiespeicher 250 in Wirkverbindung
bringbar. So steht eine hydraulische GeberEeinheit 260 mit dem Laufrad der Kraftmaschine
über mechanische Mittel 261 in Antriebsverbindung und letztere ist über ein hydraulisches
Leitungssystem 262 mit einer hydraulischen Nehmereinheit 263 wirkverbunden, die
ihrerseits über mechanische Antriebsmittel 264 den Generator 245 antreibt. Anstelle
des Generators könnte auch eine Wärmepumpe oder ein sonstiges Aggregat angetrieben
werden. Den Strömungsmittelrückfluß von der hydraulischen Nehmereinheit 263 und
der Gebereinheit 260 zu einem Hydraulikmittelbehältnis 265 repräsentieren die nur
angedeuteten Strömungsmittelleitungen 266, 267, desgleichen die Versorgung der hydraulischen
Gebereinheit 260 mit Strömungsmittel eine ebenfalls nur angedeutete Strömungsmittelleitung
268, die sich von dem Hydraulikmittelbehälter 265 zu der Gebereinheit 260 forterstreckt.
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Bei der in Fig. 6 veranschaulichten Ausführungsform besteht darüberhinaus
die Möglichkeit, die Antriebsleistung der in das Hydrauliksystem eingeschalteten
Kraftmaschine 210 auf einen mechanischen Energiespeicher 250 zu lenken. Die Art
dieses
mechanischen Energiespeichers ist an sich erfindungsunerheblich, in der Zeichnung
jedoch in Form einer Vorrichtung zum Heben eines Gewichtes 270 auf ein bestimmtes
Höhenniveau dargestellt. Demzufolge umfaßt dieser mechanische Energiespeicher eine
Winde 271 zum Aufwinden eines das Gewicht tragenden Stahlseils 272 und die Trommel
dieser Winde wird von einer hydraulischen Nehmereinheit 275 angetrieben, die ihrerseits
über eine Hydraulikmittelleitung 276 mit der hydraulischen Gebereinheit 260 in Wirkverbindung
steht. Eine weitere Hydraulikmittelleitung 277 erstreckt sich von dieser hydraulischen
Antrieb-seinheit 275 zu dem Hydraulikmittelbehältnis 265 fort und in die Hydraulikmittelleitungen
sind Mehrwegeventile 278, 279, 280 eingeschaltet, die eine wahlweise Versorgung
der Nehmereinheit 263 zum Antrieb eines Generators 245 (bzw. einer Wärmepumpe) oder
der die Winde 271 des mechanischen Energiespeichers 250 antreibenden Nehmereinheit
275 ermöglichen, wobei letztere mit der Winde über mechanische Antriebsmittel 281
verbunden ist.
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Die Zuordnung eines wahlweise mit Energie versorgbaren mechanischen
Energiespeichers zu der Einrichtung begründet den Vorteil, daß die im mechanischen
Energiespeicher gespeicherte Energie während solcher Phasen zum Antrieb eines Generators
oder einer Wärmepumpe herangezogen werden kann, in denen wegen mangelnden Verbrauchs
von Strömungsmittel eine kontinuierliche Versorgung des Generators oder einer Wärmepumpe
mit Antriebsenergie nicht gewährleistet ist.