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Malone-Wärmekraftmaschine
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Zur Umwandlung von Sonnenenergie in mechanische oder elektrische Energie
ist eine von J.F.J. Malone erfundene Wärmekraftmaschine besonders gut geeignet,
weil diese bei niedrigen Eingangstemperaturen Wirkungsgrade erreicht, die den idealen
Carnot-Wirkungsgraden nahekommen. Diese Wärmekraftmaschine kann daher vorteilhaft
bei Temperaturen arbeiten, die von herkömmlichen und billigen, selektiv beschichteten
Flachkollektoren erreicht werden.
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Auch ist die Energiespeicherung unproblematisch, weil Wärme in einem
Heißwasserkessel gespeichert und während der sonnenfreien Zeit zum Antrieb einer
Malone-Wärmekraftmaschine genutzt werden kann.
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Elektrische oder mechanische Energie, z.B. zum Pumpen von Grundwasser
in heißen Zonen, sind dann zu jeder Zeit verfügbar.
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Die Malone-Wärmekraftmaschine arbeitet mit einer Flüssigkeit als Arbeitsmedium.
Der thermodynamische Prozeß entspricht dem Stirling-Prozeß mit dem Unterschied,
daß der Regenerator einer Stirling-Wärmekraftmaschine durch ein wärmeaustauschendes
Funktionselement ersetzt werden muß, das Malone T.D.-pile (thermodynamic pile =
thermodynamische Säule) nennt.
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In der Malone-Wärmekraftmaschine wird eine abgeschlossene Flüssigkeitsmenge
abwechselnd erhitzt und gekühlt. Die thermische Ausdehnung wird zum Antrieb eines
Kolbens genutzt.
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Die Flüssigkeit muß während einer Periode einmal in den warmen und
einmal in den kalten Arbeitsraum mittels eines Verdrängers geschoben werden. Dabei
soll keine Wärme zwischen den Arbeitsräumen durch die Flüssigkeit ausgetauscht werden.
Die Stirling-Wärmekraftmaschine besitzt daher einen Regenerator, durch den das Arbeitsmedium
Gas strömt und dabei Wärme abgibt. Wegen der
hohen Wärmekapazität
der Flüssigkeit reicht die Wärmekapazität der Speichermatrix eines Regenerators
nicht aus, die mitgeführte Wärme zu speichern. Malone verwendet daher anstelle eines
Regenerators einen Rekuperator, in dem während eines Verdrängungsprozesses auf der
einen Seite der Trennwand die Flüssigkeit strömt, während sie auf der anderen Seite
steht. Die Flüssigkeit strömt daher in den einander zugeordneten Kanälen pulsierend
nur in einer Richtung. In die T.D.-Säule sind daher Ventile eingebav.t.
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Von Malone ausgeführte Wärmekraftmaschinen erreichten um 1930 Wirkungsgrade
um 20, gegenüber 5% bei Dampfmaschinen. Gewicht und Leistung der Vergleichsmaschinen
waren identisch.
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Da solar beheizte Malone-Wärmekraftmaschinen stationär betrieben werden,
beeinträchtigt das hohe Gewicht pro Leistungseinheit, bedingt durch die hohen Innendrücke,
prinzipiell nicht deren Verwendbarkeit. Problematisch sind jedoch die hohen Materialkosten.
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Die Erfindungsaufgabe besteht daher darin, Funktionselemente so zu
konzipieren, daß eine kompakte und materialsparende Bauweise ermöglicht wird.
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Zum Pumpen von Grundwasser in heißen Klimazonen (z.B. der Sahelzone)
sind Bohrlochtiefen bis ca. 100 m erforderlich. Aus technischen und Kostengründen
werden Bohrlochdurchmesser von ca. 11 cm gewählt. Pumpen, die auf den Grund der
Bohrlöcher abgesenkt werden sollen, können wegen des kleinen Bohrlochdurchmessers
nicht mit einer Kurbelwelle arbeiten.
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Die Erfindungsaufgabe wird daher dahingehend erweitert, daß die kompakte
Malone-Wärmekraftmaschine als linear arbeitende Wasserpumpe ohne Kurbelwelle arbeiten
kann.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren erläutert.
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Es zeigen: Fig.1 Die Malone-Wärmekraftmaschine mit Kolben und Kurbelwelle.
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Fig.2 Die Malone-Wärmekraftmaschine mit magnetischem Antrieb der T.D.-Säule.
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Fig.3 Erfindungsgemäße Funktionselemente während eines Verdrängungsvorganges.
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Fig.4 Schnitte A-B in Fig.3.
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Fig.5 Ventil der T.D.-Säule.
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Fig.1 zeigt eine Malone-Wärmekraftmaschine, deren bewegliche Teile
in einem hoch druckfesten Gehäuse 1 untergebracht sind.
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Der Kolben 2 treibt mittels eines Pleuels 3 eine Kurbelwelle 4 an.
Die Kurbelwelle 4 treibt über die Stange 5 die T.D.-Säule 6 an. Die T.D.-Säule 6
läuft dem Kolben 2 um 900 phasenverschoben voraus.
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Der kalte Arbeitsraum 7 und der warme Arbeitsraum 8 sind jeder von
einem ringförmig angeordneten Wärmeaustauscher 9 auf der kalten Seite und einem
Wärmeaustauscher 10 auf der warmen Seite umgeben. Die Wärmeaustauscher 9,10 werden
über umlaufende Ringspalten 11 von Flüssigkeit hinterströmt. Zwischen den Arbeitsräumen
7,8 befindet sich die T.D.-Säule 6, die gleichzeitig die Funktion des Verdrängens
und der Wärmespeicherung übernimmt.
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Die T.D.-Säule 6 besteht aus einem Metall- oder Kunststoffring 12,
in den dünne, steife Metallbleche 13 in einem Abstand von ca.
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0,25 mm eingesetzt sind. Die zwischen den Metallblechen 13 liegenden
Flüssigkeitskanäle 14,15 sind an den Enden mit Ventilen versehen, die bewirken,
daß beim Niederfahren der T.D.-Säule 6 die Kanäle 14 offen sind und die Kanäle 15
geschlossen. Beim Hochfahren der T.D.-Säule 6 sind die Kanäle 15 offen und die Kanäle
14 geschlossen. Die Flüssigkeit strömt daher in den zugeordneten Kanälen pulsierend
immer in der gleichen Richtung.
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Die am Ende der T.D.-Säule austretende Flüssigkeit wird mittels einer
Umlenkplatte 16 radial nach außen gelenkt in den Ringspalt 11. Von dort strömt die
Flüssigkeit in den Wärmeaustauscher 9,10 und verdrängt die im Totvolumen während
dreiviertel einer Periodendauer ruhende Flüssigkeit in den Arbeitsraum 7,8.
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Das Totvolumen der Wärmeaustauscher 9,10 hat etwa die Größe des Volumens
der Arbeitsräume 7,8.
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Nach Fig.3 befinden sich in der Umlenkplatte 16 Ventile 17, die sich
beim Entleeren eines Arbeitsraumes 7,8 öffnen. Reibungsverluste in den Wärmeaustauschern
9,10 treten daher nrnnbep?<Q\1iÄ\ßll
der Arbeitsräume 7,8 auf.
Die Flüssigkeit strömt in den Wärmeaustauschern 9,10 vorwiegend in einer Richtung.
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Nach Fig.3 sind in der T.D.-Säule 6 steife Bleche 13 eingesetzt, zwischen
denen dünne, federnde Bleche 18 liegen, die an den Enden so abgewinkelt sind, daß
sie leicht federnd die Kanäle 14 oben und die Kanäle 15 unten schließen. Während
des, Verdrängungs prozesses öffnen sich die Kanäle jeweils nur auf einer Seite der
T.D.-Säule 6.
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Fig.3 und Fig.4 verdeutlichen den Aufbau der T.D.-Säule 6 und des
Wärmeaustauschers 9.
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Der Wärmeaustauscher 9 besteht aus einzelnen Taschen 19, die in axialer
Richtung in den Arbeitraum 7 hineinragen, so daß ein Ringspalt 11 entsteht. In den
Taschen 19 strömt das wärmespendende oder wärmeabführende Medium, z.B. Wasser, durch
die Axialspalten 20, die durch Stege 21 unterteilt sind zur Aufnahme des hohen Innendruckes.
Das Arbeitsmedium strömt durch die Radialspalten 22 in den Arbeitsraum 7.
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Die Wärmeaustauscher 9,10 können auch so in den Druckbehälter 1 eingesetzt
werden, daß die Ringspalten 11 an den äußeren Deckeln des Druckbehälters 1 entlangführen.
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Fig.2 zeigt eine Malone-Wärmekraftmaschine zum Pumpen von Wasser aus
engen Bohrlöchern. Der Antrieb der T.D.-SäuSe 6 erfolgt über Elektrctnagnete 23.
Zu diesem Zweck sind auf die Umlenkplatten 16 hohle Metallzylinder 24 aufgesetzt.
Die Metallzylinder 24 können aus einem weichmagnetischen Material bestehen. Vorteilhafter
kann ein dauermagnetisches Material sein, weil dann beide Elektro magnete 23 gleichzeitig
eine Kraftwirkung auf die T.D.-Säule 6 ausüben können. Die Erregung der Elektromagnete
23 erfolgt zweckmäßig über eine Batterie.
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Neben der kompakten Bauweise, die diese Pumpe zum Absenken in enge
Bohrlöcher geeignet macht, besitzt sie noch weitere Vorteile, die insbesondere bei
solarer Energieversorgung wichtig sind.
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Bei einer Pumpe nach Fig.2 paßt sich der Kolbenhub der Temperatur
an. Höhere Temperaturen führen daher zu höheren Pumpleistungen.
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Das istwichtig bei solar betriebenen Pumpen, weil die Temperatur hier
starken Schwankungen unterliegt.
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Bei der Pumpe mit Kurbelwelle ist der Hub durch den Kurbelwellendurchmesser
festgelegt, und höhere Leistungen können nur über die Frequenz erzeugt werden. Dabei
entstehen jedoch höhere Reibungsverluste in der Maschine und der Wirkungsgrad sinkt
Bei magnetischem Antrieb der T.D.-Säule 6 ist es wegen der geringen Zugkräfte der
Elektromagnete 23 zweckmäßig, eine Ventilkonstiuktion zu verwenden, die einen kleineren
Strömungswiderstand besitzt als die in Fig.3 dargestellten Federzungen.
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Nach Fig.5 werden die Flüssigkeitskanäle 14 und 15 von gleichstarken,
dünnen Blechen 13 gebildet. Zwischen der Umlenkplatte 16 und der TOD.-Säule 6 liegt
eine in axialer Richtung verschiebbare, perforierte Platte 25, in die Schieber 26
aus Metall oder Kunststoff eingesetzt sind.
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Die Schieber 26 können auch durch Querstäbe so zusammengehalten werden,
daß eine gitterartige Struktur entsteht.
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Erreicht die T.D.-Säule 6 den unteren Totpunkt, stoßen mehrere Führungssäulen
27 auf Sockel 28 und drücken die Schieber 26 aus den Spalten 14, wobei sich diese
öffnen. Die Schieber 26 sind auf der der T.D.-Säule 6 zugewandten Seite kammartig
ausgebildet, so daß sie in der oberen Position nicht aus den Spalten 14 herausgleiten
können.
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Sinngemäß gilt dasselbe, wenn die T.D.-Säule 6 den oberen Totpunkt
erreicht. Dann stoßen die Führungssäulen 27 an obere Anschläge 29 und drücken die
Schieber 26 in die Spalten 14. Gleichzeitig werden auf der anderen Seite der T.D.-Säule
die Spalten 15 geöffnet.
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Distanzhalter sorgen dafür, daß zwischen der Umlenkplatte 16 und der
Platte 25 immer ein Spalt zum Abfluß der Flüssigkeit bleibt.
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Es ist zweckmäßig, die Führungssäulen 27 der beiden Platten 25 zu
verbinden, so daß die Schieber 26 beider Seiten nicht unabhängig voneinander bewegbar
sind.
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Der Innendruck der Wärmekraftmaschine muß immer höher sein als der
Dampfdruck des Arbeitsmediums bei der höchsten, in der Maschine auftretenden Temperatur0
In die Maschine nach Fig.1 muß daher Flüssigkeit unter Druck
eingefüllt
werden.
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Weicher läuft die Maschine, wenn ein Druckausgleichbehälter 30 an
den Arbeitsraum 7 angekoppelt ist, gefüllt mit einer kompressiblen Flüssigkeit,
z.B. Pentan , die durch eine bewegliche Membran 31 vom Arbeitsmedium getrennt ist0
Bei einer Maschine nach Fig.2 mit freiem Kolben 2 verhindert im Pumpbetrieb die
auf den Kolben drückende Wassersäule eine Blasenbildung im Arbeitsraum.
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Wird die Pumpe auf der Erdoberfläche verwendet, ist eine Druckfeder
vorzusehen, die von außen gegen den Kolben 2 drückt.
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Bei einzylindrischen Maschen mit Kurbelwelle ist ein Schwungrad erforderlich,
weil ein Teil der während der Arbeitsphase gewonnenen Energie zur Kompression der
Flüssigkeit und zum Antrieb der T.D.-Säule 6 zur Verfügung stehen muß.
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Die Wirkungsweise der Malone-Wärmekraftmaschine wird anhand der Fig.
1 beschrieben.
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Die T.D.-Säule 6 befindet sich im unteren Totpunkt. Der Kolben 2 ist
auf dem halben Weg nach unten, der T.D.-Säule 6 um 900 phasenverschoben nachlaufend.
Das Arbeitsmedium, z.B. Wasser, befindet sich im oberen Arbeitsraum 7.
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1) Die Stange 5 zieht die T.D.-Säule 6 an, die Ventile 17 der oberen
Umlenkplatte 16 öffnen sich und die kalte Flüssigkeit strömt durch die Spalten 15,
deren Ventile geöffnet sind, nach unten. Dabei nimmt sie Wärme auf aus der in den
Spalten 14 ruhenden Flüssigkeit. Die Ventile der Spalten 14 sind geschlossen.
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Die Flüssigkeit strömt auf der warmen Seite gegen die Umlenkplatte
16 und von dort radial nach außen in den Ringspalt 11.
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Aus dem Ringspalt 11 strömt die Flüssigkeit in den Wärmeaustauscher
10 und verdrängt die dort ruhende Flüssigkeit in den Arbeitsraum 8.
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Wenn die T.D.-Säule die halbe Arbeitsraumhöhe zurückgelegt hat, befindet
sich der Kolben 2 im unteren Totpunkt.
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2) Die T.D.-Säule wird weiter nach oben bis zum oberen Totpunkt bewegt,
Dabei vergrößert sich das Arbeitsvolumen 8. Die thermische
Ausdehnung
der Flüssigkeit bewirkt einen Anstieg des Druckes, wodurch der Kolben nach oben
getrieben wird.
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Wenn die T.D.-Säule (6) den oberen Totpunkt erreicht hat, befindet
dich der Kolben 2 auf halbem Weg nach oben.
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3) Die Stange 5 drückt die T.D.-Säule nach unten. Die Ventile 17 der
unteren Umlenkplatte 16 öffnen sich. Die Flüssigkeit strömt durch die Spalten 14
nach oben und gibt dabei Wärme an die in den Spalten 15 ruhende Flüssigkeit ab.
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Wenn die T.D.-Säule 6 den halben Weg zurückgelegt hat, erreicht der
Kolben 2 den oberen Totpunkt.
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4) Im letzten Viertel der Periode stellt sich der in Fig.1 dargestellte
Zustand wieder ein.