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"Kraftmaschine"
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieerzeugung
mit einer Kraftmaschine, bestehend aus mindestens einem abgeschlossenen Behälter
als Wärmeaustauscher, in welchem ein Medium abwechselnd erhitzt und gekühlt wird,
um die hierbei auftretenden Ausdehnungs- und Kontraktionskräfte auf einen Kolben
in einem Zylinder so wirken zu lassen, daß der Kolben zur Arbeitsleistung über eine
Kolbenstange hin- und herbewegt wird.
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Arbeits-Kraftmaschinen sind in vielen Systemen und Ausführungen bekannt.
So gibt es beispielsweise die durch Verbrennung von Benzin, Dieselöl oder Gas angetriebenen
Arbeits-Kraftmaschinen. Auch kann hingewiesen werden auf die Arbeits-Kraftmaschinen,
die durch
überhitzten Wasserdampf angetrieben werden.
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Die an erster Stelle genannten Verbrennungs-Kraftmaschinen erfordern
entsprechende Brennstoffe. Die an zweiter Stelle genannten Dampfmaschinen erfordern
ebenfalls Brennstoffe in Verbindung mit einem Feuerkessel, einem großen Rohrschlangensystem
und aufwendige Maschinen. Beiden Systemen ist gemeinsam, daß weit über 100" liegende
Arbeitstemperaturen vorhanden sein müssen, die entsprechend nur mit hohem Energieaufwand
zu erreichen sind.
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Aus der japanischen Patentschrift 56-121 880 ist eine sehr einfach
gestaltete Kraftmaschine bekannt, bei der ein Zylinder mit einer Ausdehnungsflüssigkeit
und einem Kolben in einem Behälter angeordnet ist, der abwechselnd von kaltem und
warmem Wasser durchflossen wird. Durch die Kontraktion und Expansion der Ausdehnungsflüssigkeit
wird auf den Kolben eine Kraft ausgeübt, die den Kolben bewegt und zur Arbeitsleistung
herangezogen werden kann.
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Es ist offensichtlich, daß der Wirkungsgrad einer derartigen Anordnung
nur sehr gering sein kann. Der Wasserwechsel (warm - kalt) kann mit einem Ablaßhahn
erfolgen, wobei bei jedem Wasserwechsel eine erhebliche Zeit vergeht, bis das Wasser
ausgeflossen und neues eingefüllt ist. Anderenfalls werden warmes oder kaltes Wasser
abwechselnd durch Zu- und Ableitungen geleitet, wobei sich zunächst jedesmal das
warme mit dem kalten Wasser mischt bis dann langsam
das warme oder
kalte Wasser zur Wirkung am Zylinder mit der Ausdehnungsflüssigkeit kommt. Da warmes
Wasser leichter ist als kaltes dürften weitere Schwierigkeiten durch Schichtbildungen
beim Wasserwechsel auftreten. Es entsteht bei dieser Verfahrensweise ein erheblicher
Anteil an lauwarmem Mischwasser. Eine wirtschaftliche Arbeitsweise ist daher mit
dem Gerät nicht möglich. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE-A- 3 034 791 ist
eine Anordnung bekannt, bei der versucht wird, die Nachteile des Gegenstandes der
japanischen Anmeldung zu mindern, indem das Heiz- und Kühlwasser in getrennten Kanälen
zugeführt wird, der Arbeitszylinder zum besseren Wärmetausch stark zerklüftet ist
und nur dünne Kanäle für den Dehnkörper vorgesehen sind und das Gerät von einem
Isolier- und Druckmantel umgeben ist. Als Dehnkörper ist Wachs, Stearin oder dergl.
vorgesehen.
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Auch diese Ausführung einer Wärmekraftmaschine zeigt erhebliche Nachteile.
Die Verwendung von Dehnkörpern aus Stearin, Wachs oder ähnlicher Materialien mit
einer Schmelz- und Erstarrungsperiode hat den Nachteil, daß während des Fest- und
Schmelzzustandes keine oder nur geringe Wärmekonvektion in den Schmelzkörpern stattfinden
kann und daher der Wärmeübergang beim Schmelzvorgang und insbesondere im Bereich
um die Kühlwasserkanäle nur langsam abläuft. Außerdem entstehen bei der Erstarrung,
insbesondere im Bereich der Warmwasserkanäle Inseln aus noch flüssigen Dehnkörpern,
die sich nur langsam verfestigen und dabei ausdehnen. Auch das Prinzip der getrennten
Heiz- und Kühlwasserkanäle hat erhebliche Nachteile, die die Funktion
der
Maschine in starkem Maße beeinträchtigen. Insbesondere werden alle Kanäle und deren
Umgebung jeweils mit geheizt und mit gekühlt, so daß bereits durch die Vorrichtung
das Heizwasser abgekühlt und das Kaltwasser aufgewärmt wird, wodurch der Wirkungsgrad
erheblich verschlechtert wird. Die weiterhin vorgeschlagene zerklüftete Ausbildung
des Kolbenzylinders zur Erhöhung des Wärmeüberganges dürfte auch nicht von Vorteil
sein, da das Volumen des Dehnkörpers ja eine erhebliche Rolle für den Kolbenhub
spielt und bei der vorgeschlagenen Ausführung das Volumen relativ klein ist.
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Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine in baulicher
Hinsicht einfache, leicht bedienbare Arbeits-Kraftmaschine zu schaffen, die mit
Arbeitstemperaturen unterhalb 100" angetrieben wird und insbesondere unter Nutzung
der Temperaturunterschiede der natürlichen Umwelt mit einem hohen Wirkungsgrad und
einer großen Leistung betreibbar ist.
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Bei der Erwärmung des Mediums entsteht, entsprechend der Leistung
der Wärmekraftmaschine, ein sehr hoher Druck in dem Wärmeaustauscher und in dem
Zylinder von 100 bar und mehr. Es ist also die Aufgabe zu lösen und einen Wärmeaustauscher
zu finden, der zur Lösung der obengenannten Aufgabe a) die hohen Drücke aushält,
b) gleichzeitig einen schnellen abwechselnden Druckfluß des warmen und kalten Wassers
durch die Zone des hohen Druckes erlaubt und
c) gleichzeitig auf
ein Optimum an Wärmeübergängen an das Medium gestattet.
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Bei einer Kraftmaschine der oben genannten Art wurde die Aufgabe gemäß
der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Erhitzung und Abkühlung des Mediums in dem
Wärmeaustauscher warmes und kaltes Wasser hintereinander und abwechselnd durch ein
Bündel mit einer Vielzahl von dünnen Rohren durch den Wärmeaustauscher geleitet
wird.
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Durch die erfindungsgemäße und vorteilhafte Anwendung einer Vielzahl
dünner Rohre, die einen hohen Druck widerstehen können, entsteht gleichzeitig in
dem Wärmeaustauscher eine maximale Konvektionsoberfläche. Durch das abwechselnde
Durchleiten oder Durchdrücken von erhitztem und kaltem Wasser wird das erhitzte
Wasser durch die Röhrchen selbst nur wenig abgekühlt und gibt die Wärme optimal
an das Medium ab. Gleichermaßen wird das kalte Wasser durch die Röhrchen selbst
nur wenig erhitzt. Bei der Vielzahl dünner Durchflußröhrchen mit kleinen Querschnitten
kann ein schneller Durchfluß mit Turbulenzen über den ganzen Querschnitt der Röhrchen
stattfinden und somit eine schnelle und intensive Wärme- und Kälteübertragung erreicht
werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß zwei Wärmeaustauscher beiderseits des Kolbens abwechselnd mit kaltem und
warmen Wasser beschickt werden, so daß sich das auf einer Seite des Kolbens befindliche
Medium durch Erwärmen ausdehnt,
während sich gleichzeitig das auf
der anderen Seite des Kolbens befindliche Medium durch Abkühlen zusammenzieht und
sich die Erwärmungs- und Abkühlungsvorgänge in schneller Folge in den Wärmeaustauschern
abwechseln.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird vorgeschlagen,
daß das durch Wärmeausdehnung und Kontraktion die Kraft ausübende Medium aus einem
Stoff mit hoher Wärmeausdehnung und guten Gleit-bzw. Schmiereigenschaften, insbesondere
aus einem ol, besteht.
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Die vorerwähnten Medien, die zur Kraftausübung, aber auch zur Erhitzung
oder zur Kühlung herangezogen werden, können aus verschiedenen Flüssigkeiten bestehen.
Bei dem flüssigen Medium, dessen Ausdehnung bzw. anschließende Kontraktion in Kraft
umgesetzt wird, handelt es sich um solche Stoffe, die einen hohen Wärmeausdehnungs-Koeffizienten
haben und zugleich Schmiereigenschaften haben. Ein solcher Stoff ist beispielsweise
U1. Unter den verschiedenen Allen werden dann jene gewählt, die mit hohem Wärmeausdehnungs-Koeffizienten
und guter Schmiereigenschaft vorhanden sind. Da die erfindungsgemäße Wärme-Kraftmaschine
bei Temperaturen unter 1000 arbeitet, werden an die Schmierung ohnehin nur geringe
Anforderungen gestellt. In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen,
daß das erwärmende oder erhitzende flüssige Medium aus Wasser des einen Kreislaufes
und das abkühlende flüssige Medium aus Wasser eines anderen Kreislaufes besteht.
Danach wird das Medium, insbesondere o1 in einem geschlossenen Behälter über einen
Wärmetauscher
erhitzt und wieder abgekühlt, wobei die dabei zufolge der Temperaturdifferenz auftretende
Wärmeausdehnung und anschliessende Kontraktion erfolgt.
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Besonders vorteilhaft ist dabei die weitere erfindungsgemäße Lösung,
daß der Arbeitskraftmaschire eine Wärmepumpe und/oder ein Sonnenkollektor zur Erwärmung
bzw. Erhitzung des dem Wärmetauscher zuzuführenden erwärmten oder erhitzten Wassers
zugeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung, die es ermöglicht, die in der Natur vorhandenen
Temperaturunterschiede des Wassers zu nutzen, ist besonders vorteilhaft in Ländern
der Dritten Welt, weil sie einfach in der Ausbildung ist und einen äußerst geringen
Wartungsaufwand erfordert. Gerade in solchen Ländern, bei denen durch Sonneneinstrahlung
hohe Temperaturen vorhanden sind, ist die erfindungsgemäße Lösung sehr vorteilhaft
als Bestandteil einer Pumpe zu verwenden, weil das kühle, aus einem tiefen Brunnen
stammende Wasser eine ausreichende Temperaturdifferenz zu einem obererdigen Wasser
hat. Dabei kann das obererdige Wasser vor der Zuführung in den Wärmeaustauscher
durch Sonnenenergie, möglicherweise auch durch Anwendung einer von der Arbeitskraft-Maschine
angetriebenen Wärmepumpe, weiterhin erwärmt werden. Die erfindungsgemäße Lösung
ist besonders vorteilhaft angewendet, sofern das erwärmte bzw. erhitzte Wasser eine
Temperatur von 400 bis 90" C, insbesondere 60° bis 80" C erhalten hat. Es steht
dann in einem ausreichend starken Temperaturgefälle zu dem Brunnenwasser mit gegebenenfalls
einer Temperatur von 5° bis 10° C. Es ist verständlich, daß das dem Wärmeaustauscher
zuzuführende
erhitzte Wasser auch durch einfache Feuerungen, beispielsweise Holz- oder Kohlefeuer,
zusätzlich erwärmt werden kann.
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Dabei kann auch der bei einer Erhitzung auftretende Wasserdampf genutzt
werden. Es handelt sich aber vorteilhaft um sehr einfache Feuerungen, so daß kein
wie bei Dampfkesseln erforderlicher Druckkessel notwendig ist.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich erfindungsgemäß
dadurch aus, daß der oder die Wärmeaustauscher aus einem zylindrischen Druckgefäß
bestehen, dessen eine Seite mit einem Zylinder und einem darin beweglichen Kolben
und dessen andere Seite aus einem Flansch besteht, durch den mindestens ein Rohrbündel
mit einer Vielzahl umeinander angeordneter dünner Rohre zur Bildung einer großen
Konvektionsfläche in den Wärmeaustauscher hinein- und herausführt.
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In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß
der Kolben der Arbeits-Kraftmaschine kraftschlüssig mit dem Kolben einer Pumpe,
insbesondere als Wasserpumpe, ausgebildet ist. Dabei ist in weiterer Erfindung einfach
die Lösung, daß der Kolben der Arbeits-Kraftmaschine koaxial zum Kolben der Pumpe
angeordnet ist.
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Dabei können in besonderen Fällen der Kolben und der Zylinder der
Arbeits-Kraftmaschine mit dem Kolben und dem Zylinder der Wasserpumpe eine Einheit
bilden bzw. einstückig sein.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, die Arbeits-Kraftmaschine zugleich mit
einer Pumpe zu versehen und die von der Pumpe geförderte Flüssigkeit, die insbesondere
aus Brunnenwasser besteht, als kühle Flüssigkeit dem Wärmetauscher zuzuführen. In
Verbindung mit dem weiteren Vorschlag, daß die dem Wärmetauscher zugeführte warme
oder erhitzte Flüssigkeit vor der Zuführung in den Wärmetauscher durch Sonneneinwirkung
und/oder durch eine Wärmepumpe erwärmt oder erhitzt wird, wird die Temperaturdifferenz
von Wasser, das in der natürlichen Umwelt vorhanden ist und vorteilhaft durch natürliche
in der Natur vorhandene Einwirkungen, wie einerseits Brunnenwasser oder andererseits
durch Sonnenstrahlung, erhitzt, zum Betrieb der Arbeits-Kraftmaschine genutzt.
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Eine besonders schnelle und kraftstarke Kraftmaschine zeichnet sich
erfindungsgemäß dadurch aus, daß in einem Zylindergehäuse ein doppelseitig wirkender
Kolben beweglich angeordnet ist, das Zylindergehäuse an jeder Kolbenseite über Durchlässe
oder Rohrleitungen mit einem ein Medium enthaltenden Wärmeaustauscher verbunden
ist, wobei jeder Wärmeaustauscher mit einem Rohrbündel versehen ist, durch welches
erhitztes oder kaltes Wasser leitbar ist.
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In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß
der Wärmeaustauscher druckfest ausgebildet ist und aus einem ersten Flansch besteht,
an dem ein Druckzylinder mit Arbeitskolben kommunizierend angebracht ist, ein Stahl
zylinder vorgesehen ist, der von
Zugankern hochdruckdicht zwischen
dem ersten Flansch und einem zweiten Flansch eingespannt ist, wobei der Zylinder
und der Wärmeaustauscher gemeinsam ein Ausdehnungsmedium enthalten und der zweite
Flansch mit einem Einlaßteil und einem Auslaßteil für die abwechselnde Durchleitung
von warmem und kaltem Wasser durch eine Vielzahl dünner Röhrchen im Wärmeaustauscher
versehen ist.
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Durch diese vorteilhafte erfindungsgemäße Anordnung und Ausgestaltung
des Zylinders und Wärmeaustauschers wird eine Kraftmaschine erhalten, die hohen
Innendrücken von 100 bar und mehr ohne wesentliche eigene Verformung standhält,
so daß die gesamte Volumenänderung bei der Erwärmung des Mediums auf den Kolben
wirkt und diesen antreibt.
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Die Verwendung eines Wärmeaustauschers mit einer Vielzahl von dünnen
Röhrchen, durch die das warme und kalte Wasser geleitet wird, zeigt eine Reihe von
unerwarteten Vorteilen. Die dünnen Röhrchen haben relativ zu ihrem Innendurchmesser
eine erhebliche Wandstärke (beispielsweise bei einem Röhrchen von 4 mm Durchmesser
und einem Innendurchmesser von 2 mm eine Wandstärke von 1 mm). Derartige Röhrchen
können sehr hohen Drücken widerstehen ohne sich zu verformen, wenn deren runder
Querschnitt bei der Verarbeitung beibehalten wird.
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Gleichzeitig hat die Vielzahl dünner Röhrchen eine erheblich größere
Oberfläche als ein einzelnes Rohr mit dem gleichen Querschnitt, so daß eine wesentlich
größere Wärmeübergangsfläche zur Verfügung steht, als bei einem Einzel rohr. Eine
zehnfache Oberfläche ist hierbei leicht zu erreichen. Die dünnen Röhrchen haben
weiterhin den wesentlichen
Vorteil, daß die Strömung innerhalb
der Röhrchen schon bei geringer Strömungsgeschwindigkeiten turbulent erfolgt und
hierbei ein optimaler Wärmeübergang an das Medium erfolgt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Anordnung der Röhrchen im Wärmeaustauscher
wurde gefunden, daß es besonders vorteilhaft ist, wenn die im Einlaßteil und Auslaßteil
eingelöteten gebündelter Röhrchen im Wärmeaustauscher so geformt und gebogen werden,
daß sie in der Mitte des Wärmeaustauschers (entlang des Schnittes VIII - VIII, Figur
6) alle einen etwa gleich großen Abstand voneinander haben, im oberen Bereich des
Wärmeaustauschers einen Bogen beschreiben und durch die Mitte mit gleichem Abstand
zueinander zum Auslaßteil zurückgeführt werden.
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Durch diese Verteilung der Röhrchen im Raum des Wärmeaustauschers
wird das zwischen den Röhrchen befindliche Medium fast überall gleichmäßig und schnell
aufgeheizt bzw. abgekühlt.
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In vorteilhafter Weise wird das Einlaß- und Auslaßteil aus zylindrischen
Rohren gefertigt, in die einerseits das Bündel dünner Röhrchen und andererseits
Spannteile mit Gewinde eingelötet, geschweißt oder geklebt sind, so daß die Einlaß-
und Auslaßteile in einfacher Weise und hochdrucksicher mit Spannmuttern gegen Konen
und/oder andere Dichtungen in dem Flansch einsetzbar sind. Zusätzlich können die
zylindrischen Rohre in Ringnuten im Flansch eingreifen
und auf
zusätzliche Dichtungen in den Nuten gepreßt werden.
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Von Vorteil ist es, wenn die Röhrchen im Raum des Wärmeaustauschers
keine Berührung miteinander haben und der Abstand voneinander so groß gewählt wird,
daß auch bei deren Ausdehnung bei Erwärmung keine gegenseitige oder keine Berührung
mit den Teilen des Wärmeaustauschers stattfindet. Günstig ist die Ausbildung des
oberen Flansches mit einer Auswölbung, in die die Röhrchen hineinragen.
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Bevorzugt werden Röhrchen verwendet, die aus einem gut wärmeleitenden
und gleichzeitig festem Material hergestellt sind, wie beispielsweise Kupferrohre
oder Röhrchen aus Edelstahl. Von Vorteil sind beispielsweise Kupferröhrchen mit
einem Außendurchmesser von 4 mm, einem Innendurchmesser von 2 mm und somit mit einer
Wandstärke von 1 mm. Bei der Verarbeitung der Röhrchen ist insbesondere darauf zu
achten, daß der runde Durchmesser nicht verformt wird und daß beim Biegen der Röhrchen
keine Knicke entstehen, insbesondere wenn sehr hohe Drücke vorgesehen sind.
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Besonders vorteilhaft werden die Röhrchen an ihren beiden Enden vor
dem Bündeln und Löten in der Länge des Bereiches der zylindrischen Rohre zu Sechskantrohren
verformt, so daß sie mit einem bienenwabenförmigen Querschnitt anordbar und einlötbar
sind.
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Der sechskantige Rohrquerschnitt erlaubt, durch das dichte Aneinanderfügen
der Röhrchen eine größere Zahl von Röhrchen gei gleichem
Querschnitt
unterzubringen und beim Einlöten und Verlöten der Rohre untereinander Lötmittel
zu sparen. Es ist auch eine Verformung zu einem drei- oder viereckigen Querschnitt
der Rohre möglich, jedoch ist hierbei die Verformung an den Kanten so groß, daß
die Drucksicherheit nicht gewährleistet ist und der Rohrquerschnitt stark verkleinert
wird.
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Die beschriebene erfindungsgemäße Kraftmaschine erlaubt durch ihre
Ausbildung die Erzeugung sehr hoher Kräfte bei kurzfristig aufeinanderfolgenden
Hüben, so daß selbst mit geringen Wassermengen und/oder geringen Temperaturunterschieden
bereits nutzbare Arbeitsleistungen entnommen werden können.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 eine Kraftmaschine in schematischer Darstellung
und vertikalem Schnitt mit einem Behälter mit Wärmeaustauscher und einer Kolben-Zylinder-Anordnung,
Figur 2 die dicht angeordneten Rohre des Wärmeaustauschers in perspektivischer Darstellung,
Figur 3 die Anordnung nach Figur 2 mit Stirnansicht des Befestigungsflansches, Figur
4 eine Anordnung mit doppelseitig wirkendem Kolben und zwei Wärmeaustauschern, Figur
5 eine Arbeitskraftmaschine mit angeschlossener Pumpe im vertikalem Schnitt, Figur
6 die Kraftmaschine, bestehend aus einem Wärmeaustauscher und einem Arbeitszylinder
in Aufsicht, Figur 7 den Wärmeaustauscher mit Arbeitszylinder nach Fig. 6 im Schnitt,
Figur 8 einen Schnitt durch den Wärmeaustauscher längs der Linie VIII-VIII nach
Figur 6, Figur 9 ein Ein- bzw. Auslaßteil für das warme und kalte Wasser in dem
und an dem Wärmeaustauscher und Figur 10 eine Aufsicht auf das Röhrchenbündel in
einem Schnitt nach X - X nach Figur 9 Figur 1 zeigt eine Kraftmaschine in schematischer
Darstellung und vertikalem Schnitt. In einem druckfesten Behälter 1 befindet sich
ein
Medium 2, welches einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, beispielsweise
U1. Auf der einen Seite des Behälters 1 ist ein Zylindergehäuse 3 über einer Verbindungsöffnung
14 angeflanscht, in welchem ein Kolben 4 mit einer Kolbenstange 5 beweglich angeordnet
ist. Auf der Gegenseite des Behälters 1 ist ein Flansch 6 angeschraubt, in welchem
ein Heiz- oder Kühlmittel auslaßteil 9 eingesetzt ist. Das Einlaßteil 8 ist mit
dem Auslaßteil 9 durch eine Vielzahl dünner Rohre 10 verbunden, die in dem Behälter
1 als Wärmeaustauscheinrichtung dienen.
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Wird durch das Einlaßteil 8 heißes Wasser eingeleitet (siehe Pfeil)
so dehnt sich das Medium 2 in dem Zylinder 1 aus und wirkt auf den Kolben 4 mit
Druck, so daß dieser unter Leistung von Arbeit nach rechts bewegt wird. Wird anschließend
durch das Einlaßteil 8 kaltes Wasser eingeleitet, so zieht sich das Medium 2 zusammen
und der Kolben 4 wird einerseits durch Luftdruck und andererseits durch Vakuum nach
links bewegt. Dieses Zurückziehen unter Vakuum kann dadurch verstärkt werden, daß
der auf der anderen Seite des Kolbens 4 vorhandene Raum 11 im Zylinder 3 als Druckraum
ausgebildet ist, wobei durch die Bewegung nach rechts der Kolben 4 unter Luftdruck
steht und der Luftdruck bei der Zusammenziehung des Uls die Zurückbewegung des Kolbens
4 begünstigt.
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Figur 2 zeigt die dicht angeordneten Rohre 10 des Wärmeaustauschers
in perspektivischer Darstellung, wobei die Rohre 10 mit dem Einlaßteil
8
und dem Auslaßteil 9 fest mit dem Flansch 6 verbunden sind.
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Abweichend von der Darstellung in Figur 1 zeigt Figur 2, daß die den
Wärmeaustauscher bildenden Rohre 10 in sehr dichter Anordnung um einander angeordnet
sind, um einen wirkungsvollen und schnellen Temperaturwechsel des Uls zu erreichen.
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Figur 3 zeigt eine Aufsicht auf die Außenseite des Flansches 6, wobei
das Einlaßteil 8 und das Auslaßteil 9 mit der Vielzahl von Rohren 10 und die vier
Befestigungsbohrungen 12 im Flansch 6 zu sehen sind.
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Nach Figur 4 ist in dem Zylinder-Gehäuse 3 ein doppelseitig wirkender
Kolben 4 vorhanden, wobei dem Zylinder 3 an jeder Kolbenseite über zugeordnete Durchlässe
oder Rohrleitungen 14a, 14b ein geschlossener, mit U1 2 oder dergleichen gefüllten
Behälter 1 zugeordnet ist, in denen jeweils ein Wärmeaustauscher 10 vorhanden und
mit je einem Einlaßteil 8 und Auslaßteil 9 versehen ist, durch die abwechselnd erhitztes
oder gekühltes Wasser geleitet wird, damit die Ausdehnung des Uls 2 in dem einen
Behälter 1 bzw. an der einen Kolbenseite und die Kontraktion des bis 2 in dem anderen
Behälter bzw.
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der anderen Kolbenseite gleichzeitig wirken. Dadurch wird eine erhöhte
Leistung in verkürzter Zeit geschaffen.
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Figur 5 zeigt, daß in dem Behälter 1 ein Wärmeaustauscher-Rohrbündel
10 angeordnet ist, das eine große Konvektionsfläche hat. Der Zylinder
3
mit dem Arbeitskolben 4 erstreckt sich lotrecht zu dem Behälter 1 und ist mit diesem
durch eine Uffnung 14 verbunden. Die Kolbenstange 15 ist über einen Querbolzen 16
an einer Stange 17 angelenkt, die an dem einen Ende über einen Querbolzen 18 mit
einem vom Zylinder 1 ausgehenden Gestell 19 schwenkbeweglich gelagert ist und an
dem anderen Ende über einen Bolzen 20 mit der Kolbenstange 21 mit einer Pumpe verbunden
ist, die in Gestalt eines Kolbens 22 in dem Zylinder 23 dargestellt ist. Es sei
bemerkt, daß die Pumpe auch eine bekannte andere Ausbildung haben kann. An dem Einlaß
24 des Pumpengehäuses 23 ist ein Schlauch 25 angebracht.
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Die Arbeits-Kraftmaschine und die Pumpe sind über Halterungen 26,
27 an einer gemeinsamen Grundplatte 28 angeordnet.
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Figur 5 zeigt den Zustand, daß durch Erhitzung des im Behälter 1 befindlichen
Uls 2 durch die Ausdehnung der Kolben 4 angehoben ist.
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Dieser hat zugleich über das vorerwähnte und dargestellte Gestänge
den Kolben 22 der Pumpe angehoben, so daß diese über den Schlauch 25 Wasser ansaugen
kann. Dieses Wasser, das als Brunnenwasser sehr kühl ist, kann dem Wärmetauscher
10 als kühlende Flüssigkeit zugeführt werden. Dies führt dazu, daß der Kolben 4
und somit der Kolben 22 der Pumpe wieder abgesenkt werden.
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Statt der Anordnung des Zylindergehäuses 3 und des Kolbens 4 neben
dem Zylinder 23 und dem Kolben 22 können diese auch übereinander mit einer Kolbenstange
15, 21 angeordnet werden. Auch ist durch
die Kolbenstange eine
Steuerung der Warm- und Kaltwasserzufuhr zu dem Wärmeaustauscher möglich.
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Der Kolbenhub kann auch in bekannter Weise über ein Pleuel ein Rad
antreiben. Ebenso kann eine Vielzahl der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zusammengestaltet
werden, um beispielsweise eine Kurbelwelle anzutreiben.
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Figur 6 zeigt die Ansicht einer weiteren beispielsweisen Ausführung
der Kraftmaschine, bestehend aus einem Wärmeaustauscher 1 und einem Arbeitszylinder
3. Der Zylinder 3 ist mit dem oberen Flansch 29 des Wärmeaustauschers 1 mittels
Vier- oder Sechskant 30 druckfest verschraubt. Zwischen den Flanschen 29 und 31
ist ein Mantelrohr 32, beispielsweise aus Stahl oder Edelstahl, durch Zuganker 33
und Muttern 34 eingespannt. Der untere Flansch 31 besitzt ein Einlaßteil 8 und ein
Auslaßteil 9 für warmes und kaltes Wasser, die mit Muttern 35 dichtend im Flansch
31 befestigt sind.
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Figur 7 eine Schnittdarstellung der Kraftmaschine nach Figur 6. In
dem Arbeitszylinder ist ein Kolben 4 mit Dichtungen beweglich gelagert und mit einer
Kolbenstange 5 verbunden. Der Hub des Kolbens 4 (Doppelpfeil) kann in üblicher Weise
zur Verrichtung mechanischer Arbeit eingesetzt werden, beispielsweise für eine Hin-
und Herbewegung oder zur Erzeugung einer Rotationsbewegung mit einer Pleuelstange.
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Der Hub kann auch direkt oder über eine Hebelübersetzung zum Antrieb
einer oder mehrerer Pumpen eingesetzt werden.
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Der Zylinder 3 ist kommunizierend mit dem Wärmeaustauscher 1 verbunden
und in beiden Gefäßen 1, 3 befindet sich ein Medium 2, welches bei Temperaturänderungen
eine große Volumenänderung aufweist und gleichzeitig gute Schmiereigenschaften für
den Kolben besitzt. Geeignet sind Ule oder ähnliche Flüssigkeiten. Vom Einlaßteil
8 erstreckt sich eine Vielzahl von dünnen Rohren 10, 10a, 10b usw. durch den gesamten
Innenraum des Wärmeaustauschers 1. Die Rohre 36 sind am Einlaßteil 8 zu einem Bündel
36 zusammengelötet und kurz oberhalb eines zylindrischen Rohres 37 so auseinandergebogen,
daß sie etwa in der Mitte des Wärmeaustauschers, in der Ebene des Schnittes VIII-VIII
voneinander den gleichen Abstand besitzen wie in Figur 8 dargestellt.
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Oberhalb dieser Ebene sind die Rohre U-förmig gebogen und durch die
Ebene mit gleichem Abstand der Rohre 10 untereinander zu dem Auslaßteil 9 geführt
und wieder gebündelt in einem zylindrischen Rohr 37a zusammengeführt. Optimale Wärmeübergänge
bei hohen Drücken werden erreicht, wenn die Röhrchen 10, 10a, lOb usw. so gebogen
sind, daß sie sich nach Verlassen des Bündels nicht berühren, keinen Kontakt mit
dem Wärmetauschermantel 32 haben und sich nach allen Seiten frei ausdehnen können,
wenn sie erwärmt werden. Der obere Flansch 29 ist für eine möglichst raumfüllende
Unterbringung der Röhrchen mit einer Auswölbung 38 versehen.
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In Figur 9 ist eine besonders geeignete Ausführung des Einlaß- bzw.
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Auslaßteiles dargestellt. In einem zylindrischen Rohr 37 ist einerseits
das Bündel 36 der Röhrchen 10, 10a usw. durch Löten, Kleben
oder
Schweißen befestigt, andererseits ist in dem Rohr 37 ein Spannteil 39 befestigt,
welches mit einem Gewinde und einer Spannmutter 35 in dem Flansch 31 so verschraubbar
ist, daß sich die Konen 40 des Spannteiles 39 und des Flansches 31 fest und gut
dichtend aufeinander setzen. Als zusätzliche Sicherung kann das Rohr 37 mit einem
über das Spannteil 39 hinausragenden Rand in eine Nut 41 im Flansch 31 eingreifen
und sich auf eine weiche Dichtung 42 aufsetzen.
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Eine spezielle Ausbildung der Röhrchen 10 beim Einbringen in das Rohrstück
37 zeigt Figur 10. Vor dem Einbringen werden die Röhrchen zu einem Sechskantprofil
43 verformt, wodurch sich die einzelnen Röhrchen 10 an ihren Enden dicht an dicht
anordnen lassen und sowohl mehr Röhrchen 10 im Rohr 37 untergebracht und gleichzeitig
Silberlot oder dergl. Befestigungsmittel gespart werden kann.
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- Ansprüche -