DE3242773A1

DE3242773A1 - Mit hilfe von temperaturunterschieden arbeitende kraftmaschine

Info

Publication number: DE3242773A1
Application number: DE19823242773
Authority: DE
Inventors: Esko 02170 Espoo Huhta-Koivisto; Ilkka 15850 Lahti Toivio
Original assignee: WREDE KY
Current assignee: WREDE KY
Priority date: 1981-12-04
Filing date: 1982-11-19
Publication date: 1983-06-23
Also published as: GB2113316A; SE8206820L; FR2517738A1; AU551253B2; SE8206820D0; AU9116282A; IN156111B

Description

32A27T3

Mit Hilfe von Temperaturunterschieden arbeitende Kraftmaschine

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine, mit Hilfe von Temperaturunterschieden arbeitende Kraftmaschine, welche einen Verdampfer, einen Motor, an dem eine Arbeitsmaschine angekoppelt ist, einen Kondensator und eine Kondensatpumpe umfasst, welche in der erwähnten Reihenfolge, zwecks Bildung eines geschlossenen Kreises für ein aus einer Anordnung in eine andere strömendes Arbeitsmittel aneinander angeschlossen sind, wobei der Motor aus einem Ventil, einem im Ventil beweglichen Schieber, einem in Verbindung mit dem Ventil angeordneten Zylinder, einem im Zylinder beweg 1ichen,mit einer Kolbenstange versehenen Kolben, und einem, an den Schieber und die Kolbenstange angeschlossenen, mit der Kolbenstange gleichachsigen Verlängerungsarm des Schiebers besteht.

Wegen der steigenden Energiepreise, werden die Mittel immer wichtiger, mittels deren kleine, in der Natur vorliegende Temperaturunterschiede in mechanische Energie umwandelt werden können. Eine mit diesem Prinzip arbeitende, vorbekannte Apparatur arbeitet mit Hilfe des in den Ozeanen

vorliegenden Temperaturunterschiedes. Die Apparatur umfasst einen mit warmen Oberflächenwasser geheizten Kondensator, in dem ein Arbeitsmittel, z.B. Ammoniak, verdampft wird. Der erzeugte Dampf wird über eine Turbine in einen Verdampfer geführt, welcher mit Hilfe von aus grösserer Tiefe gepumptem kälterem Wasser abgekühlt wird.Das erzeugte Kondensat wird mit Hilfe einer Kondensatpumpe in den Verdampfer zurückgeleitet. Die von der Turbine erzeugte Nutzenergie kann z.B. in Elektrizität, mit Hilfe eines, auf der Turbinenachse gekoppelten Generators umwandelt werden. Die Oberflächenwasserpumpe und die Tiefwasserpumpe und die Kondensatpumpe werden mit Elektromotoren getrieben, deren Strom einem Generator entnommen wird. Der Wirkungsgrad der Apparatur bleibt jedoch schlecht, denn unter optimalen Verhältnissen ergibt sich folgendes · h ~ ¹Q ^Χ*Ί ^X1 ^x Y) ^ae ''total ^ü Turb ^ Gen ^L Mot ^ Pump 0,8 χ 0,9 x 0,9 x 0,8 = 51 %. Die von den Pumpen benötigte Energie beträgt somit etwa 50 % der von der Apparatur erzeugten Energie, sodass der totale Wirkungsgrad schlecht bleibt.

Mit Hilfe der Sonnenwärme arbeitende Pumpen und Generatoren, welche in den letzten Jahren für den Gebrauch in den Tropen entwickelt worden sind, sind vorbökännt. Als Verdampfer einersolchan bekannten Wasserpumpe fungiert ein Sonnensammler, aus dem der Frecadampf über ein Ventil in den Motor geleitet wird, der aus einem im Zylinderraum beweglichen Kolben, dessen Kolbenstange eine Brunnenpumpe treibt, besteht. Zwecks Abkühlung des Kondensators, wird das aus dem Branneh erhaltene Wasser in Strömung durch den Kondensator gebracht.

In ähnlichen Kraftmaschinen wird mit sehr kleinen, etwa 1 bis 5 Bar Druckunterschieden des Arbeitsmittels gearbeitet, weshalb übliche SchieberventiIe, welche Druckunterschiede von mehreren Bar benötigen, den Kolben nicht in Bewegung bringen können, sondern am Totpunkt stehen bleiben. Diese können auch um ihre Mittel lage vibrierend bleiben und das Arbeitsmittelgas verschwenden.

Zwecks Vermeidung dieses Nachteiles, ist in der obenerwähnten Wasserpumpe die Kolbenstange mit Hilfe von Stäben an einem, die Pumpe treibenden Schwungrad, gekoppelt. Durch die Einwirkung des Drehmomentes des Schwungrades, bleibt der Schieber des Ventils nicht am Totpunkt stehen, sodass in der Pumpe ein übliches Schieberventil benutzt werden kann. Nachteile des Schwungrades sind der grosse Bedarf an Platz und das grosse Gewicht, was eine stabile Gehäusekonstruktion fordert. Ausserdem können Verunreinigungen von Aussen. z,B. Sand in die Lager des Schwung-· rades und der daran gekoppelten Arme geraten, was den Wirkungsgrad der Maschine ausschlaggebend herabsetzen würde.

Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmaschine zu erzielen, in der die Arbeit des Ventils in einer einfachen und betriebssicheren Weise gesichert ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Verlängerungsarm und der Kolbenstange in der Längsrichtung der Arme federnd ist und dass im Ventil eine, mit dem Schieber zusammenarbeitende federbelastete Verriegelungsanordnung vorhanden ist, welche Anordnung die Verschiebung des Schiebers aus einer Endstellung in eine andere nur dann zulässt, wenn die Kraft zwischen dem Verlängerungsarm des Schiebers und der Kolbenstangeeinen gegebenen Grenzwert überschreitet. Durch die Einwirkung der Verschlussanordnung kann sich der Schieber nur in seinen EndstelTungen befinden, was das Halten des Ventils am Totpunkt verhindert.

Dank der federnden Verbindung zwischen Kolbenstange und Verlängerungsarm, kann der Kolben den Schieber bereits schon mit einem kleinen Druckunterschied aus einer Endstellung in eine andere bewegen, weil die auf den Schieber gerichtete Kraft gleichmässig zunimmt, bevor sich der Schieber aus einer Endstellung in eine andere verschiebt. Die federnde Verbindung zwischen Kolbenstange und Verlängerungsarm und die Verschlussanordnung können klein und einfach konstruiert werden und weil sie im Inneren des Motors liegen, kommen die äusseren Verunreinigungnen oder

andere UmgebungsVerhältnisse nicht dazu, diese zu beeinflussen.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungsanordnung aus einer, mit Hilfe einer auf dem Ventilgehäuse befestigten Feder gegen den Schieber angedrückten Verriegelungskugel besteht und dass der Schieber für die Kugel zwei, in der Achsenrichtung im Abstand von einander befindliche Vertiefungen mit einem zwischenliegenden Ansatz aufweist. Diese Konstruktion verhindert in einfacher Weise die Vibration des Ventils , weil sie den Schieber immer in Endstellung zwingt.

Die federnde Verbindung zwischen der Kolbenstange und dem Verlängerungsarm kann günstig so gelöst werden, dass der Verlängerungsarm des Schiebers in eine, in der Kolbenstange befindliche Mittelbohrung eindrängt, dass der Verlängerungsarm von einer Spiralfeder, welche zwischen zwei auf dem Verlängerungsarm befindlichen Begrenzern sich befindet, umgeben ist, und dass auch in der Mittelbohrung der Kolbenstange zwei im Abstand von einander befindliche Begrenzer vorhanden sind, wobei die Spiralfeder, wenn der Kolben sich in der Nähe seiner Endstellungen befindet zwischen einem Begrenzer des Verlängerungsarmes und einem Begrenzer der Kolbenstange zusammengedrückt wird,und den Verlängerungsarm federnd in Richtung auf die Endstellung drückt. Diese Lösung ist, was die Konstruktion betrifft, sehr einfach und betriebssicher.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird unten mehr im Einzelnen, unter Hinweis auf eine beigelegte Zeichnung beschrieben, in der

Figur 1 eine mit Hilfe von Temperaturunterschieden arbeitende Kraftmaschine als eine Prinzipzeichnung aufweist.

Figur 2 einen, im Zusammenhang mit dieser Kraftmaschine benutzten erfindungsgemässen Motor als Längsschnitt aufweist, und

Figur 3 eine, im Zusammenhang mit dieser Kraftmaschine benutzte Konden-

satpumpe als Längsschnitt aufweist.

In Figur 1 hat ein Verdampfer, z.B. ein Sonnensammler die Bezugsnummer 1, in dem das Druckmittel, z.B. Freon, verdampft wird. Der Verdampfer ist durch ein Rohr 2 mit einem Motor 3 verbunden, welcher Motor aus einem Ventil h und einem Zylinder 5 besteht. Das Ventil h umfasst einen Kolben 6, welcher durch einen Verlängerungsarm 7 mit einem, im Zylinder 5 befindlichen Kolben 8 verbunden ist. Unter dem Zylinder ist eine Kolbenpumpe 9 gezeigt, welche aus einem Zylinder TO und einem Kolben 11 besteht, welcher an eine Kolbenstange 12 des Kolbens 8 im Zylinder 5 befestigt ist.

Der Motor steht mittels eines Rohres 13 mit einem Kondensator \h und dieser mittels eines Rohres 15 mit einer Kondensatpumpe 16 in Verbindung. Aus der Kondensatpumpe führt ein Rohr 17 zurück in den Verdampfer 1.

Die Kondensatpumpe umfasst zwei Zylinder 18, 19, von denen der erste einen grösseren Durchmesser als der Zylinder 19 hat. Auch die in den Zylindern beweg 1iehe η Kolben sind von unterschiedlicher Grosse, wobei der im Zylinder 18 befindliche Kolben mit dem grösseren Durchmesser, die Bezugsnummer 20 und der andere Kolben die Bezugsnummer 21 trägt. Die Kolben sind durch eine Kolbenstange 22 miteinander verbunden, welche zwischen den Zylindern durch den Raum 23 der Kondensatpumpe passiert, in den das aus dem Kondensator kommende Rohr 15 mündet. Der Zylinder 18 ist an das Ventil k des Motors 3 mit Rohren 2k und 25 befestigt , welche im Zylinder auf verschiedene Seiten des Kolbens 20 münden.

Das Innere des Zylinders 19 ist mit dem Raum 23 der Kondensatpumpe durch Öffnungen 26 und 26a und mit einem Rohr 17 durch an beiden Enden befindlichen Öffnungen verbunden.

In einer Quelle der zu pumpenden Flüssigkeit, z.B. einem Wasserbrunnen, ist ein Saugrohr 27 angeordnet, welches sich in zwei Rohrverzweigungen 28 und 29 verzweigt, welche beide ein Rückschlagventil 30 und 31 umfassen und sich in den Innenraum des Zylinders 10 auf verschiedene Seiten des Kolbens 11 münden. Der Zylinder 10 ist ausserdem durch mit Rückschlagventilen 32 und 33 versehene Rohrverzweigungen 34 und 35 und durch ein für diese Verzweignungen gemeinsames Rohr 36 mit einem, die Kondensatpumpe 16 teilweise umgebenden Nachkühler 37 Verbunden, welcher mit Hilfe eines Rohres 38 mit einem in Verbindung mit dem Kondensator 14 stehenden Raum 39 verbunden ist. Als Ausgangsrohr der Pumpenanordnung fungiert ein aus dem Raum 39 kommendes Rohr 40.

In Figur 1 werden ausserdem Rohre 41 und 42 zwischen dem Ventil 4 und dem Zylinder 5 urd die Strömungsrichtungen für Dampf und Flüssigkeiten durch Pfeile gezeigt.

Der in Figur 2 als Vertikalschnitt gezeigte Motor 3 wird unten mehr im Einzelnen betrachtet. -

Auf der Aussenf lache des im Ventil 4 befindlichen Schiebers 6 befindet sich eine Ringvertiefung 43 für die Verteilung des aus dem Verdampfer kommenden Dampfes in verschiedene Rohre. Der Schieber weist auch eine Mittelbohrung 44 auf, welche auf die Oberfläche des Schiebers mündet und deren unterer Teil mit Hilfe von radialen Bohrungen 45 mit der Aussenfläche des Schiebers verbunden ist. Am unteren Ende des Schiebers ist der Verlängerungsarm 7, welcher sich durch den Kolben 8 des Zylinders bis in den Innenraum des Zylinders 10 streckt und dessen unterer Teil sich in einer Mittelbohrung 46 der an die Kolben 8, 11 steif befestigten Kolbenstange 12 befindet, fest angeschlossen. Im Abstand vom freien Ende des Verlängerungsarmes 7 ist am Verlängerungsarm ein Ansatz 47 ausgeformt, an dem ein, den Verlängerungsarm ungebender Stützring 48 anliegt. Der Stützring 48 weist einen, sich ausserhalb der Oberfläche des Verlängerungsarmes streckenden Flansch 49 auf.

Das freie Ende des Verlangerungsarmes weist eine Mutter 50 auf, auf die gestützt, ein zweiter, auf dem Verlängerungsarm gleitend angeordneter Stützring 51 vorliegt, welcher einen Flansch 52, mit etwa gleichem Durchmesser wie der Flansch kS, aufweist. Zwischen den Flanschen hS, ist eine, den Verlängerungsarm umgebende Spiralfeder 52 angeordnet.

In der Nähe des oberen Endes der Mittelbohrung 46 der Kolbenstange 12, befindet sich ein Ansatz $k, und ein unter diesem befindlicher Teil der Mittelbohrung weist etwa denselben Durchmesser wie die Flansche 49, 52 auf, während ein über dem Ansatz befindlicher Teil einen kleineren Durchmesser aufweist. Am unteren Ende der Mittelbohrung ist der Durchmesser wieder mittels einer Hülse 55 reduziert.

Auf der Aussenf lache des unteren Teiles des Schiebers 6 liegen zwei in der Achsenrichtung im Abstand von einander befindliche Vertiefungen 56 und 57 vor, zwischen denen ein Ansatz 58 mit geneigten Seiten sich befindet. Bei diesen ist in der Wand des Ventils 4 eine querlaufende Vertiefung 59, in der eine Kugel 60 angeordnet ist, welche durch eine Spiralfeder 61 gegen den Boden einer Vertiefung 56, 57, gedruckt wird, angeordnet.

Die Kondensatpumpe 16 ist genauer in Figur 3 dargestellt. Ausser den aus Figur 1 hervorgehenden Einzelheiten, wird aus Figur 3 ersehen, dass das Rohr 17 in der Kondensatpumpe sich in zwei Rohrverzweigungen 62 und 63 verzweigt, welche beide ein Rückschlagventil 64, 65 aufweisen. Die Verzweigungen münden auf die Endflächen des Zylinders 19.

Die erfindungsgemässe Kraftmaschine arbeitet in folgender Weise.

Das im Verdampfer 1 vergaste unter Druck stehende Arbeitsmittel wird in das Ventil 4 durch das Rohr 2 eingeführt. Der Schieber 6 leitet das Gas durch das Rohr 42 zum unteren Ende des Zylinders 5, wobei der Kolben 8 anfängt, aus der in Figur 2 gezeigten Stellung hochzusteigen. Das oben

befindliche Gas kann durch die Rohre 4l und 13 sich in den Kondensator 14 entfernen. Gleichzeitig strömt Gas durch das Rohr 25 in den Zylinder 13 der Kondensatpumpe, wobei die Kolben 20 und 21 in Figur 1 hochverschoben werden und das im Zylinder 19 befindliche Kondensat in den Verdampfer durch das Zweigrohr 62 und das Rohr 17 verschieben. Neues Kondensat strömt gleichzeitig aus dem Raum 23 durch die Öffnung 26a in den unteren Teil des Zylinders 19·

Wenn der Kolben 8 des Zylinders 5 hochgeht, wird auch die Kolbenstange 12 hochverschoben, wobei der Verlängerungsarm 7 des Schiebers immer weiter in die Mittelbohrung 34 der Kolbenstange eingedrückt wird. Dieses wird fortgesetzt, bis die Oberkante der Hülse 55 die Unterfläche des Flansches 52 trifft» Jetzt strebt der Kolben dazu, mittels der Feder 53> den Schieber hochzuheben, aber die Verschlusskugel 60 und der Ansatz 58 verhindern die Bewegung des Schiebers, bis die Spannkraft der Spiralfeder 53 die Verschlusskraft der Feder 61 überwindet und der Schieber in seine obere Stellung hochspringt, während die Kugel 60 über den Ansatz 58 verschoben wird.

Wenn der Schieber 8 nach oben verschoben wird, steigt auch der Kolben 11 der Pumpe 9, wobei das oberhalb des Kolbens 11 befindliche Wasser durch das Verzweigungsrohr 34 und das Rohr 36 in den Nachkühler 37» von dort durch das Rohr 38 in den Raum 39 und schiiesslich in das Ausgangsrohr 40, strömt. Gleichzeitig wird neues Wasser durch die Rohre 27) 28 in den unter dem Kolben 11 befind liehen Raum eingesaugt.

Wenn der Schieber in die obere Stellung verschoben ist, wird die Richtung des Gassstromes gewechselt. Das Gas kann aus dem Rohr 2 durch die Ringvertiefung 43 in das Rohr 4l und diesem entlang in den oberen Teil des Zylinders 5 strömen. Aus dem unteren Teil kann das Gas dem Rohr 42 entlang und weiter durch im Schieber befindliche radiale Bohrungen in die Mittelbohrung 44, das Auslaufrohr 13 und von dort in den Kondensator 14 sich entfernen, wohin auch das in der Kondensatpumpe unter dem

Kolben 20 befindliche Gas durch das Rohr 25, die radialen Bohrungen 45 des Schiebers, die Mittelbohrung kk und das Rohr 13 strömt.

Gleichzeitig strömt unter hohem Druck stehender Dampf durch das Rohr 2k in den oberen Teil des Zylinders 18 und verschiebt die Kolben 20, 21 abwärts, Wenn der Kolben 8 abwärts verschoben wird, wird die Feder 53 zwischen den Flanschen 49, 52 der Stützringe, immer mehr zusammengedrückt. Wenn die Druckkraft so gross ist, dass sie die Verschlusskraft der Feder 61 überwindet, überträgt die Feder mit ihrer temporär darin gelagerten Kraft, den Kolben in die in Figur 2 gezeigte untere Stellung, wobei die Kugel 60 in eine andere Vertiefung versghoben wird. Somit ist das Verbleiben des Kolbens in einer Zwischenstellung unmöglich. Kondensat strömt aus dem Kondensator 14 durch das Rohr 15 in den Zylinder 19 der Kondensatpumpe 16-durch eine Öffnung 26, während im Zylinder, unter dem Kolben 21 befindliches Kondensat durch die Rohre 63, 17 in den Verdampfer übertragen wird.

In der Pumpe 9 verschiebt sich der Kolben 11 abwärts, wobei das unter dem Kolben befindliche Wasser durch das Rohr 35 in das Rohr 36 strömt und von dort in gleicher Weise weiter, wie oben beschrieben wurde. Neues Wasser strömt durch die Rohre 27, 29 in den Raum über den Kolben

Die vorbeschriebene Zusammenschaltung des Gaszylinders 5 des Motors und der Kondensatpumpe des Gaszylinders 18 versetzt diese in Gleichlauf so dass die Rückstellung des Kondensates In den Verdampfer gemäss der Laufgeschwindigkeit der Pumpe synchronisiert werden kann.

Die oben beschriebene Kraftmaschine arbeitet immer, wenn zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator ein ausreichend grosser Temperaturunterschied vorliegt, welcher entsprechend einen genügenden Druckunterschied zum Heben von Wasser von einer unteren Ebene auf erwünschte Höhe, hervorruft. Wenn der Temperaturunterschied der für eine Konstanthebehöhe

vorgesehenen Pumpe zunimmt, wird die Tätigkeit der Pumpe gesteigert und entsprechend nimmt die Quantität des zu pumpenden Wassers zu. Wenn der Temperaturunterschied und entsprechend der Druckunterschied unter die, der Hebehöhe entsprechenden Druckunterschied abnimmt, bleibt die Pumpe ausser Betrieb, bis der kritische Druckunterschied wieder erreicht wird. Hierbei läuft die Pumpe wieder automatisch an.

Die Arbeitsmaschine kann anstatt einer Kolbenpumpe, z.B. eine Membranpumpe oder ein Elektrogenerator sein, wobei die hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstange 12 in eine Rotationsbewegung umgewandelt werden muss. Die in die Kondensatpumpe führenden Rohre 2k und 25, können alternativ in Verbindung mit dem oberen entspr. unteren Teil des Zylinders 5 sein . Die Federn 53, 61 können durch irgendein anderes federndes Organ, z.B. ein Gaskissen, ersetzt werden.

Claims

32427T3

WREDE KY
Postfach hl
02701 Kauniainen
Fi nnland

Mit Hilfe von Temperaturunterschieden arbeitende Kraftmaschine

Patentansprüche

1 .J Mit Hilfe von Temperaturunterschieden arbeitende Kraftmaschine, welche einen Verdampfer, einen Motor, an dem eine Arbeitsmaschine angeschaltet ist, einen Kondensator und eine Köndensatpumpe umfasst, welche in der erwä'hten Reihenfolge miteinander verbunden sind zwecks Bildung eines geschlossenen Kreises für ein aus einer Anordnung in eine andere strömendes Arbeitsmittel, wobei der Motor aus einem Ventil, einem im Ventil beweglichen Schieber, einem in Verbindung mit dem Ventil angeordneten Zylinder, einem, im Zylinder beweglichen, mit einer Kolbenstange versehenen Kolben und einem, an den Schieber und die Kolbenstange angeschlossenen, mit der Kolbenstange gleichachsigen

VerläPgerungsarm des Schiebers besteht, dadurch g e k e η η ze i c h η e t, dass die Verbindung zwischen dem Verlängerungsarm (7) und der Kolbenstange (12) iη der Längsrichtung der Arme federnd ist und dass im Ventil (4) eine, mit dem Schieber (6) zusammenarbeitende federbelastete Verriegelungsanordnung (56 bis 61) vorhanden ist, welche Anordnung die Verschiebung des Schiebers aus einer Endstellung in eine andere nur dann zulässt, wenn die Kraft zwischen dem Verlä'ngerungsarm (7) des Schiebers und der Kolbenstange (12) einen gegebenen Grenzwert überschrei tet,
2. Kraftmaschine gemäss Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungsanordnung aus einer, mit Hilfe einer auf dem Ventilgehäuse befestigten Feder (61) gegen den Schieber (6) angedrückten Verriegelungskugel (60) besteht und dass der Schieber für die Kugel zwei, in der Achsenrichtung im Abstand von einander befindliche Vertiefungen (56, 57) mit einem zweischenllegenden Ansatz (58) aufweist.
3. Kraftmaschine gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Verlängerungsarm (7) des Schiebers in eine, in der Kolbenstange (12) befindliche Mittelbohrung (46) eindrängt, dass der Verlängerungsarm von einer Spiralfeder (53), welche zwischen zwei auf dem Verlängerungsarm befindlichen Begrenzern (47, 50) sich befindet, umgeben ist, und dass auch in der Mittelbohrung der Kolbenstange zwei im Abstand von einander befindliche Begrenzer (54, 55) vorhanden sind, wobei die Spiralfeder, wenn der Kolben (8) sich in der Nähe seiner Endstellungen befindet zwischen einem Begrenzer (47, 50) des Verlängerungsarmes und einem Begrenzer (54, 55) der Kolbenstange zusammengedrückt wird, und den Verlängerungsarm (7) federnd in Richtung auf die Endstellung drückt.
4. Kraftmaschine gemäss Patentanspruch 1, dessen Kondensatpumpe einen Zylinder mit einem Kolben umfasst, dadurch gekennze i chnet,

dass das Verteilerventil (4.) durch Rohre (24, 25) mi t dem ZyI Inder (l8) der Kondensatpumpe, zwecks Antrieb des Kolbens (20) i η Syn^- chronismus und mit demselben Druckmittel wie der Kolben (8) des Zylinders (5) des Motors (3), verbunden ist.