DE3137937A1 - Niedertemperaturwaermekraftmaschine - Google Patents

Description

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Niedertemperaturwaermekraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Niedertemperaturwaermekraftmaschine, die geheizt durch Sonnensrahlung, vorzugsweise als Antrieb fuer Wasserpumpen verwendet werden soll.

Zweck der Erfindung ist es, fuer die Landwirtschaft, besonders die Viehhaltung, eine einfache, sonnengetriebene Wasserpumpe zu schaffen, die in sonnenreichen Laendern eingesetzt werden kann. Die Pumpe soll eine Leistung von eingigen hundert Watt haben und in der Lage sein auch aus grossen Tiefen Wasser zu pumpen.

Seit ueber einhungdert Jahren wird versucht, ein Verfahren zu entwickeln, das zum Wasserpumpen mit Sonnenenergie im praktischen Betrieb verwendbar ist. Dennoch ist bisher keine Anlage bekannt geworden, die den Anforderungen des rauhen Betriebes im landwirtschaftlichen Einsatz gewachsen ist. Keiner der vielen Vorschlaege konnte zur Serienreife gefuehrt oder zu vernuenftigen Kosten hergestellt werden.

Schon 1864 baute Bernhard Mouchot in Algier eine Anlage, die durch Sonnenenergie Wasser pumpte.(P.R. Sabady, Haus und Sonnenkraft, S. 23, Heiion Verlag Muenchen 1979) 1870 baute Ericson in den USA eine aehnliche Anlage.(ebenda) Im Jahre 1880 meldete Robert Schulz unter der Nr. 14078 beim kaiserlichen Patentamt eine Maschine zum Patent an, bei der das Sonnenlicht die Energie liefert. Es folgten Maschinen von A.G. Aneas um 1910 in Pasadena USA, Shumann 1911 in Kairo und andere. (H.Rau. Heliotechnik, S. 190 ff, Udo Pfriemer Verlag, Muenchen 1976)

In neuerer Zeit wurden Versuchsprojekte zum Wasserpumpen durch Sonnenenergie in vielen suedlichen Laendern bekannt.

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"Nadje" in Senegal, "Onersol" in "Niger","Segal" in Senegal, "Ouaga" in Obervolta, "Chinguetti" in Mauretanien und "Ejido Bahia" in Mexiko. (Informationswerk Sonnenenergie, Band 4, S. 277, Udo Pfriemer Verlag, Muenchen 1977)

Die technischen Prinzipien der verschiedenen bekanntgewordenen Maschinen lassen sich in zwei Hauptgruppen teilen,. Maschinen, die das Sonnenlicht in Parabolkollektoren sammeln und dadurch Wasser verdampfen um mit dem Dampf eine Dampfmaschine zu betreiben. Anlagen, bei denen Flachkollektoren Waerme sammeln, damit Niedrigsieder z.B. Freon verdampfen und mit dem Dampf wiederum eine Dampfmaschine oder Turbine betreiben.

Die Maschinen mit den Parabolkollektoren haben den Nachteil, dass einerseits die Spiegel staendig der Sonne nachgefuehrt werden muessen, was einen grossen Aufwand bedingt,, andererseits die Spiegel empfindlich gegen Verschmutzung sind. Das macht eine haefige Reinigung der Spiegel erfor derlich, wodurch ein Betrieb in abgelegenen Gegenden,, ohne staendige Wartung unmoeglich ist.

Die Anlagen mit Flachkollektoren sind dagegen unempfindlich gegen Verschmutzung und eine Nachfuehrung auf den Sonnenstand ist auch entbehrlich, aber sie haben bisher ungeloeste Abdichtungsprobleme gegenueber dem Verlust des niedrigsiedenden Mediums.

Beide Maschinentypen benutzen Dampf unterschiedlicher Medien zum Antrieb einer Dampfmaschine oder Turbine. Die Verwendung dieser herkoemmlichen Dampfaggregate hat den Nachteil, dass zunaechst der bekannte technische Aufwand betrieben wird, um eine lineare Bewegung (Kolben im Zylinder) in eine Drehbewegung (Excenter,Schwungrad) umzusetzen, die dann bei der Pumpe (Tiefbohrung mit Kolbenpumpe) wieder in eine Linearbewegung umgesetzt werden muss.

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Diese zweifache Umsetzung mindert den Wirkungsgrad und erhoeht die Kosten betraechtlich.

Bei Anlagen mit Turbinen wird die Drehbewegung auf einen Generator gegeben, der dann einen Ε-Motor an der Pumpe betreibt, auch hier mindert sich durch die Umsetzung der Wirkungsgrad bei gleichzeitig hohem Aufwand und Kosten.

Alle diese Anlagen haben zudem noch den Nachteil, dass sie relativ gross sind, weil sich bei dem vorliegenden Aufwand, Baugroessen im Bereich von einigen hunder Watt nicht lohnen. Gerade aber dieser Leistungsbereich ist in vielen Bereichen der Landwirtschaft gefragt. So kann man mit einer 200 Watt Pumpe ca. 1000 Schafe mit Wasser versorgen. Andererseits muss dabei auch beruecksichtigt werden, dass viele Brunnen in den trockenen Gebieten der Erde nicht genug Wasser hergeben. Der Einsat einer grossen Anlage ist in diesen Faellen nicht gerechtfertigt und oft auch finanziell nicht moeglich.

Die aufgezeigten Nachteile haben es bisher, trotz vieler Versuche, verhindert, dass eine serienreife, sonnengetriebene Wasserpumpe auf dem Markt zu haben ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde,die aufgezeigten Nachteile zu beseitigen und eine kleine solargetriebene Wasserpumpe fuer den rauhen Betrieb in der Landwirtschaft mit folgenden Eigenschaften zu ermoeglichen:

- Anlagengroesse bis ca. 200 Watt, abgestimmt auf den Bedar zur Bewaesserung und Viehtraenkung in kleinen und mitleren landwirtschaftlichen Betrieben, besonders in Entwicklungslaendern

- Maschine langfristig wartungsfrei, sodass sie auch in abgelegenen Gegenden ohne Aufsicht arbeiten kann

- Maschine muss bei Sonneneinstrahlung selber anspringen

- Wasserpumpung auch aus grossen Tiefen mit Kolbenpumpen muss moeglich sein.

Diese Aufgaben wurden erfindungsgemaess dadurch geloest, indem die Arbeit nicht durch eine herkoemmliche Dampfmaschine geleistet wird und auch keine Umsetzung der Bewegungsrichtung erfolgt.

Die Arbeitsmaschine besteht aus dem Membranzylinder, dessen eine Kammer ueber ein Ventil mit Dampf beaufschlagt wird? wobei das Pleul des Membranzylinders ueber einen Hebel ein Seil oder Gesaenge betaetigt, das auf die Pumpe im Boden wirkt.

Die Steuerung der Maschine erfolgt ueber ein spezielles Ventil, welches ein Schwungrad zur üeberwindung des Totpunktes - wie sonst bei Dampfmaschinen ueblich - entbehrlich macht.

Alle beweglichen und mit Dampf in Beruehrung kommenden Bauteile sind zur Dichtung mit Membranen ausgestettet_? sodass keine Probleme mit Schmierung und Undichtigkeit auftreten.

Die Erzeugung des Dampfes, eines niedrigsiedenden Mediums, erfolgt direkt in dem druckfesten Solarkollektor. Die erforderliche Kondensation des entspannten Dampfes geschieht in einem herkoemmlichen Kondensator, der durch das gepumpte Brunnenwasser gekuehlt wird. Das niedergeschlagene Kondensat wird von einer Membranpumpe, angetrieben vom Hauptzylinder, wieder in den Solarkollektor gepumpt.

Steigt die Temperatur im Kondensator durch nicht ausreichende Kuehlung ueber den Siedepunkt des Mediums bei Atmos = phaerendruck, so wird durch eine Verbindung zwischen Kondensator und einem Gegendruckzylinder ein Stillstand oder Leistungsverlusst verhindert, indem der Kondensatordruck ueber den Gegendruckzylinder fuer eine Entlueftung des Haupt·= Zylinders sorgt.

Ein Ausfuehrungsbexspxel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden naeher beschrieben:

Die Maschine besteht aus dem Solarkollektor 1, dem Dampfdom 2, dem Einlassventil 3, dem Auslassventil 4, dem Kipphebel 5, den Permanentmagneten 6 und 7, dem Steuerschieber mit den Schaltfedern 9 und 10, dem Arbeitszylinder 11 mit Membran 12 und Membranteller 13, der Pleulstange 14, dem Gleitstueck 15, dem Arbeitshebel 16, dem Gegendruckzylinder 17, der Kondensatpumpe 18, dem Kondensator 19, der Umlenkrolle 20 mit Zugseil 21 welches in die Brunnenpumpe 22 fuehrt.

Die Baugruppen sind durch die Leitungen 23-28 miteinander verbunden.

Im Solarkollektor 1 wird das Medium (Siedepunkt ca 1° C) erhitzt und gelangt in den Dampfdom 2 von wo aus es ueber die Leitung 23 und das Einlassventil 3 in den Arbeits zylinder 11 gelangt, sich dort ausdehnt und ueber die Membran 12, Pleulstange 14 und Arbeitshebel 16 ueber das Zugseil 21 und die ümlenkrolle 20 die Brunnenpumpe 22 betaetig Bei diesem Vorgang wird die Schaltfeder 9 durch den Steuerschieber 8 gegen den Kipphebel 5 gedrueckt. Dieser wird duri den Permanentmagneten 6 an einer Bewegung nach unten gehindert, weil der Permanentmagnet den Kipphebel 5 solange fest haelt bis die Schaltfeder 9 Windung auf Windung liegt und di weiter ansteigende Druck zu einem Losreissen des Kipphebels 5 vom Permanentmagneten 6 fuehrt. Die in der Schalt feder 9 gespeicherte Energie wirft nun den Kipphebel 5 um, sodass dieser gegen den gegenueberliegenden Permanentmagneten 7 schlaegt und dort verbleibt (dieser Zustand ist in de: Zeichnung dargestellt) und dabei gleichzeitig das Auslassvei til 4 oeffnet. Ueber das Auslassventil 4 stroemt der entspannte Dampf durch die Leitung 27 in den Kondensator 19.

Dort wird der Dampf durch das von der Brunnenpumpe 22 gefoerderte Wasser gekuehlt und kondensiert.

Das im Kondensator 19 gesammelte Kondensat wird durch öie Kondensatpumpe 18, welche durch den Arbeitshebel 16 bei jedem Hub angetrieben wird, ueber die Leitungen 26 und 25 wieder in den Solarkollektor 1 gepumpt.

Ueber die Leitung 28 liegt der im Kondensator 19 herrschend© Druck auf dem Gegendruckzylinder 17 staendig an» Dadurch wird erreicht, dass bei Oeffnen des Auslassventils zum Ent= lueften der Arbeitszylinder 11 in beiden Zylindern Druckgleichheit herrscht, sodass die am Arbeitshebel 16 anliegende Last zu einem schnellen Entlueften des Arbeitszylinäers fuehrt.

Gegenueber dem Stande der Technik werden folgende Vorteile erzielt:

- Kein Aufwand fuer Getriebe, Exenter, Schwungraeder, Generatoren, Turbinen usw.

- Mediumverlusste durch Verwendung von Membranen vermieden

- Maschine springt bei Beginn der Sonnenbestrahlung selber an, da das Ventil auch bei langsamster Bewegung sicher den Totpunkt des Zylinders ueberwindet

- Maschine arbeitet ohne Schmierung

- Einsatz auch bei schwergaengigen Kolbenpumpen in grosser Tiefe moeglich

- Anpassung an unterschiedlichste Pumpentypen moeglich

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Claims (2)

• Μ · · · ψ I Ii *3l 37.'937.0 3137337 SCHUTZANSPRUECHE

1./ Niedertemperaturwaermekraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf eines niedrigsiedenden Mediums,, um Mediumsverlusste zu vermeiden, in einen hermetisch dichten Membranzylinder geleitet wird wo er sich zur Kraftabgabe ausdehnt, wobei die Steuerung des Ausdehnungsund Entlueftungsvorganges durch eine zum Membranzylinder gehoerende Ventilvorrichtung erfolgt, welche zur Ueberwindung des oberen und unteren Totpunktes des Membranzylinders die gespeicherte Energie einer Feder verwendet, indem die Feder bei jedem Hub gespannt und dabei durch einen Permanentmagneten festgehalten wird, solange bis die Windungen der Feder aufeinander liegen und bei weiterem Druckanstieg die Feder vom haltendenPermanentmagneten gerissen wird, wodurch die gespeicherte Energie der Feder schlagartig freigesetzt und zum Umschalten der Ventile verwendet wird, sodass selbst bei langsamsten Hubbewegungen der Totpunkt des Membranzylinders ueberwunden werden kann.

2. Niedertemperaturwaermekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator das entspannte Medium nach Verlassen des Membranzylinders zur Verfluessigung aufnimmt, wobei der Druck des Kondensators auf einen weiteren Membranzylinder wirkt, welcher dem unter Anspruch 1 beschriebenen Membranzylinder gegenueber·= liegt, sodass unabhaengig von dem im Kondensator herrschenden Druck, eine schnelle Entlueftung erfolgen kann, weil bei Ventilstellung "Entlueftung" in beiden Membranzylindern Druckgleichheit herrscht und die Last am Arbeitszylinder dafuer sorgt, das der entspannte Dampf in den Kondensator gedrueckt wird.