DE3526289C2 - - Google Patents
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- DE3526289C2 DE3526289C2 DE19853526289 DE3526289A DE3526289C2 DE 3526289 C2 DE3526289 C2 DE 3526289C2 DE 19853526289 DE19853526289 DE 19853526289 DE 3526289 A DE3526289 A DE 3526289A DE 3526289 C2 DE3526289 C2 DE 3526289C2
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Description
Die Erfindung betrifft eine hydraulische Wärmekraft
maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der japanischen Patentschrift 56-1 21 880 ist eine sehr einfach
gestaltete Kraftmaschine bekannt, bei der ein Zylinder mit einer
Ausdehnungsflüssigkeit und einem Kolben in einem Behälter angeord
net ist, der abwechselnd von kaltem und warmem Wasser durchflossen
wird. Durch die Kontraktion und Expansion der Ausdehnungsflüssig
keit wird auf den Kolben eine Kraft ausgeübt, die den Kolben be
wegt und zur Arbeitsleistung herangezogen werden kann.
Es ist offensichtlich, daß der Wirkungsgrad einer derartigen Anord
nung 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 ab
wechselnd 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 Aus
dehnungsflüssigkeit kommt. Da warmes Wasser leichter ist als kal
tes dürften weitere Schwierigkeiten durch Schichtbildungen beim
Wasserwechsel auftreten. Es entsteht bei dieser Verfahrensweise
ein erheblicher Anteil an lauwarmem Mischwasser. Eine wirtschaft
liche Arbeitsweise ist daher mit dem Gerät nicht möglich.
Aus der
deutschen Offenlegungsschrift DE 30 34 791 A1 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 besse
ren 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.
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 Warmwasser
kanäle 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. Insbeson
dere werden alle Kanäle und deren Umgebung jeweils mit
geheizt und mitgekühlt, so daß bereits durch die Vor
richtung das Heizwasser abgekühlt und das Kaltwasser
aufgewärmt wird, wodurch der Wirkungsgrad erheblich
verschlechtert wird. Die weiterhin vorgeschlagene zer
klüftete Ausbildung des Kolbenzylinders zur Erhöhung
des Wärmeübergangs 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.
Aus der FR-OS 24 53 289 ist eine hydraulische Wärmekraft
maschine bekannt. Diese Wärmekraftmaschine weist eine
Druckkammer mit einem Arbeitsfluid auf, das von einem
in der Druckkammer angeordneten Wärmetauscher abwech
selnd erhitzt und abgekühlt wird, indem abwechselnd ein
warmes bzw. ein kaltes Wärmeübertragungsmedium durch
Wärmetauscher hindurchgeführt wird. Die Expansion bzw.
Kontraktion des Arbeitsfluids führt abwechselnd zu
einem Druckaufbau bzw. zu einer Druckverringerung, die
dazu genutzt wird, über einen hin- und herbeweglichen
Arbeitskolben Arbeitsleistung abzugeben. Bei dieser
Wärmekraftmaschine besteht der Wärmetauscher lediglich
aus einer einzigen Rohrwicklung, die ein- und auslaß
seitig an geeigneter Stelle durch die Behälterwand
hindurchgeführt ist.
Aus dem VDI-Wärmeatlas, 4. Auflage, 1984, Seite Ob 3,
ist ein Rohrbündel-Wärmeübertrager mit Haarnadelrohren
bekannt, der allerdings nicht abwechselnd mit einem
warmen bzw. kalten Wärmeübertragungsmedium durchflossen
ist. Das Rohrbündel mündet bei diesem Wärmetauscher in
eine Rohrplatte, die auf ihrer gesamten Fläche von den
Rohrelementen des Rohrbündels einzeln und mit gegen
seitigem Abstand durchbrochen ist. Dadurch würde an der
Rohrplatte, wenn abwechselnd warme und kalte Wärmeüber
tragungsmedien durch das Rohrbündel fließen würden, ein
erheblicher Wärmeverlust entstehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrauli
sche Wärmekraftmaschine zu verbessern, die bei einfa
chem Aufbau eine Steigerung der Arbeitshübe pro Zeitein
heit gegenüber dem Stand der Technik erreicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Haupt
anspruchs.
Bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine wird je
weils das zuflußseitige bzw. das abflußseitige Ende des
Rohrbündels eng gebündelt mit gegenseitiger Berührung
der Rohrelemente durch den Rohrflansch geführt, wodurch
Wärmeverluste auf Grund abwechselnder Erwärmung und
Abkühlung des Flansches weitestgehend vermieden werden,
da die Wärmeübergangsflächen erheblich reduziert werden.
Der als Rohrbündel gestaltete Wärmetauscher weist ein
günstiges Oberflächen-/Volumenverhältnis auf, hat einen
geringen Strömungswiderstand, ermöglicht eine freie
Dehnfähigkeit der einzelnen Rohrelemente und weist einen
einfachen, herstellungstechnisch vorteilhaften Aufbau
auf.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine erlaubt einen
schnellen abwechselnden Durchfluß des warmen und kalten
Wassers durch den Druckbehälter
und gleichzeitig ein Optimieren des Wärmeübergangs an das Medium.
Durch die erfindungsgemäße und vorteilhafte Anwendung einer Vielzahl
dünner Rohre, die einem hohen Druck widerstehen können, entsteht
gleichzeitig in dem Wärmeaustauscher eine maximale Konvektionsober
fläche. Durch das abwechselnde Durchleiten oder Durchdrücken von
erhitztem und kaltem Wasser wird das erhitzte Wasser durch die Röhr
chen 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 Turbulen
zen über den ganzen Querschnitt der Röhrchen stattfinden und somit
eine schnelle und intensive Wärme- und Kälteübertragung erreicht
werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß zwei Wärmeaustauscher beiderseits des Kolbens abwechselnd
mit kaltem und warmem 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 be
findliche Medium durch Abkühlen zusammenzieht und sich die Erwär
mungs- und Abkühlungsvorgänge in schneller Folge in den Wärmeaus
tauschern abwechseln.
Das durch Wärmeausdehnung und Kontraktion eine Druckkraft ausübende
Medium kann aus einem Stoff mit hoher Wärmeausdehnung und guten Gleit-
bzw. Schmiereigenschaften, z. B. aus einem Öl, bestehen.
Die vorerwähnten Medien, die zur Kraftausübung, aber auch zur Er
hitzung oder zur Kühlung herangezogen werden, können aus verschie
denen Flüssigkeiten bestehen. Bei dem flüssigen Medium, dessen Aus
dehnung 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 Öl. Unter den verschiedenen Ölen
werden dann jene gewählt, die mit hohem Wärmeausdehnungs-Koeffi
zienten und guter Schmiereigenschaft vorhanden sind. Da die erfin
dungsgemäße Wärme-Kraftmaschine bei Temperaturen unter 100° arbei
tet, werden an die Schmierung ohnehin nur geringe Anforderungen
gestellt. In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorge
schlagen, 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 Me
dium, insbesondere Öl in einem geschlossenen Behälter über einen
Wärmetauscher erhitzt und wieder abgekühlt, wobei die dabei zufolge
der Temperaturdifferenz auftretende Wärmeausdehnung und anschlie
ßende Kontraktion erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist dabei, die
Arbeitskraftmaschine an eine Wärmepumpe und/oder einen Sonnen
kollektor zur Erwärmung bzw. Erhitzung des dem Wärmetauscher zuzu
führenden erwärmten oder erhitzten Wassers anzuschließen.
Die in der Natur
vorhandenen Temperaturunterschiede des Wassers zu nutzen, ist be
sonders vorteilhaft in Ländern der Dritten Welt, weil eine solche Anlage einfach
in der Ausbildung ist und einen äußerst geringen Wartungsaufwand
erfordert. Gerade in solchen Ländern, bei denen durch Sonnenein
strahlung hohe Temperaturen vorhanden sind, ist die erfindungs
gemäße Wärmekraftmaschine sehr vorteilhaft als Bestandteil einer Pumpe zu ver
wenden, weil das kühle, aus einem tiefen Brunnen stammende Wasser
eine ausreichende Temperaturdifferenz zu einem obererdigen Wasser
hat. Dabei kann das obererdige Wasser vor der Zufuhrung in den
Wärmeaustauscher durch Sonnenenergie, möglicherweise auch durch
Anwendung einer von der Arbeitskraft-Maschine angetriebenen Wärme
pumpe, weiterhin erwärmt werden.
Vorteilhaft ist die Verwendung von erwärmtem bzw. erhitztem
Wasser mit einer Temperatur von 40° bis 90°C, insbesondere 60° bis 80°C.
Es steht dann in einem ausreichend starken Temperatur
gefälle zu dem Brunnenwasser mit gegebenenfalls einer Temperatur
von 5° bis 10°C. Es ist verständlich, daß das dem Wärmetauscher
zuzuführende erhitzte Wasser auch durch einfache Feuerungen, bei
spielsweise Holz- oder Kohlefeuer, zusätzlich erwärmt werden kann.
Dabei kann auch der bei einer Erhitzung auftretende Wasserdampf
benutzt werden. Es handelt sich aber vorteilhaft um sehr einfache
Feuerungen, so daß kein wie bei Dampfkesseln erforderlicher Druck
kessel notwendig ist.
Der Arbeitskolben der Wärmekraftmaschine kann kraftschlüssig mit dem Kolben
einer Pumpe, insbesondere als Wasserpumpe, verbunden sein. Dabei
kann der Arbeitskolben der
Wärmekraftmaschine koaxial zum Kolben der Pumpe angeordnet ist.
Dabei können in besonderen Fällen der Kolben und der Zylinder der
Wärmekraftmaschine mit dem Kolben und Zylinder der Wasser
pumpe eine Einheit bilden bzw. einstückig sein.
Weiterhin wird vorgeschlagen, die Arbeits-Kraftmaschine zugleich
mit einer Pumpe zu versehen und die von der Pumpe geförderte Flüs
sigkeit, 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
Wärmekraftmaschine genutzt.
Eine besonders schnelle und leistungsstarke Wärmekraftmaschine zeichnet sich
erfindungsgemäß dadurch aus, daß in einem Zylindergehäuse ein doppel
seitig wirkender Kolben beweglich angeordnet ist, das Zylindergehäuse
an jeder Kolbenseite über Durchlässe oder Rohrleitungen mit einem
ein Medium enthaltenden Wärmeaustauscher verbunden ist, wobei jeder
Wärmetauscher mit einem Rohrbündel versehen ist, durch welches
erhitztes oder kaltes Wasser leitbar ist.
In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß
der Wärmeaustauscher druckfest ausgebildet ist und aus einem ersten
Flansch besteht, an dem ein Druckzylinder mit Arbeitskolben kommuni
zierend angebracht ist, ein Stahlzylinder vorgesehen ist, der von
Zugankern hochdruckdicht zwischen dem ersten Flansch und einem
zweiten Flansch eingespannt ist, wobei der Zylinder und der Wärme
austauscher 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.
Durch diese vorteilhafte erfindungsgemäße Anordnung und Ausgestaltung
des Zylinders und Druckbehälters wird eine Wärmekraftmaschine erhalten,
die hohen Innendrücken von 100 bar und mehr ohne wesentliche eigene
Verformung standhält, so da die gesamte Volumenänderung bei der
Erwärmung des Mediums auf den Kolben wirkt und diesen antreibt.
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 (bei
spielsweise bei einem Röhrchen von 4 mm Durchmesser und einem Innen
durchmesser 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.
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 Einzelrohr. 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 opti
maler Wärmeübergang an das Medium erfolgt.
Gemäß einer Weiterbildung der Anordnung der Röhrchen im Druckbehälter
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 Wärmetauschers (entlang des Schnittes VIII-VIII,
Fig. 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 zurück
geführt werden.
Durch diese Verteilung der Röhrchen im Druckbehälter wird
das zwischen den Röhrchen befindliche Medium fast überall gleichmäßig
und schnell aufgeheizt bzw. abgekühlt.
In vorteilhafter Weise wird das Einlaß- und Auslaßteil aus zylin
drischen Rohren gefertigt, in die einerseits das Bündel dünner
Röhrchen und andererseits Spannteile mit Gewinde eingelötet, ge
schweißt 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. Zusätz
lich können die zylindrischen Rohre in Ringnuten im Flansch ein
greifen und auf zusätzliche Dichtungen in den Nuten gepreßt werden.
Von Vorteil ist es, wenn die Röhrchen im Druckbehälter
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
Druckbehälters stattfindet. Günstig ist die Ausbildung des oberen
Flansches mit einer Auswölbung, in die die Röhrchen hineinragen.
Bevorzugt werden Röhrchen verwendet, die aus einem gut wärmelei
tenden und gleichzeitig festem Material hergestellt sind, wie bei
spielsweise 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 Wandstär
ke von 1 mm. Bei der Verarbeitung der Röhrchen ist insbesondere da
rauf 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.
Besonders vorteilhaft werden die Röhrchen an ihren beiden Enden
vor dem Bündeln und Löten in der Länge des Bereiches der zylin
drischen Rohre zu Sechskantrohren verformt, so daß sie mit einem
bienenwabenförmigen Querschnitt anordbar und einlötbar sind.
Der sechskantige Rohrquerschnitt erlaubt, durch das dichte Aneinander
fügen der Röhrchen eine größere Zahl von Röhrchen bei gleichem
Querschnitt unterzubringen und beim Einlöten und Verlöten der
Rohre untereinander Lötmittel zu sparen. Es ist auch eine Ver
formung zu einem drei- oder viereckigen Querschnitt der Rohre mög
lich, jedoch ist hierbei die Verformung an den Kanten so groß, daß
die Drucksicherheit nicht gewährleistet ist und der Rohrquerschnitt
stark verkleinert wird.
Die beschriebene erfindungsgemäße Kraftmaschine erlaubt durch ihre
Ausbildung die Erzeugung sehr hoher Kräfte bei kurzfristig aufein
anderfolgenden Hüben, so daß selbst mit geringen Wassermengen
und/oder geringen Temperaturunterschieden bereits nutzbare Arbeits
leistungen entnommen werden können.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Wärmekraftmaschine in schematischer Darstellung
und vertikalem Schnitt mit einem Druckbehälter mit
Wärmeaustauscher und einer Kolben-Zylinder-Anordnung,
Fig. 2 die dicht angeordneten Rohre des Wärmeaustauschers
in perspektivischer Darstellung,
Fig. 3 die Anordnung nach Fig. 2 mit Stirnansicht des Be
festigungsflansches,
Fig. 4 eine Anordnung mit doppelseitig wirkendem Kolben
und zwei Druckbehältern,
Fig. 5 eine Arbeitskraftmaschine mit angeschlossener Pumpe
im vertikalen Schnitt,
Fig. 6 die Wärmekraftmaschine, bestehend aus einem Wärmeaus
tauscher in einem Druckbehälter und einem Arbeitszylinder in Aufsicht,
Fig. 7 den Druckbehälter mit Arbeitszyinder nach Fig. 6
im Schnitt,
Fig. 8 einen Schnitt durch den Druckbehälter längs der
Linie VIII-VIII nach Fig. 6,
Fig. 9 ein Ein- bzw. Auslaßteil
und
Fig. 10 eine Aufsicht auf das Röhrchenbündel in einem
Schnitt nach X-X nach Fig. 9.
Fig. 1 zeigt eine Wärmekraftmaschine in schematischer Darstellung und
vertikalem Schnitt. In einem druckfesten Behälter 1 befindet sich
ein Medium 2, welches einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt, beispielsweise Öl. Auf der einen Seite des Behälters 1
ist ein Zylindergehäuse 3 über einer Verbindungsöffnung 14 ange
flanscht, in welchem ein Kolben 4 mit einer Kolbenstange 5 beweg
lich angeordnet ist. Auf der Gegenseite des Behälters 1 ist ein
Flansch 6 angeschraubt, in welchem ein Heiz- oder Kühlmittelaus
laßteil 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.
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 im 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 Kol
ben 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 vor
handene 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 Öls die Zurückbewe
gung des Kolbens 4 begünstigt.
Fig. 2 zeigt die dicht angeordneten Rohre 10 des Wärmeaustauschers
in perspektivischer Darstellung, wobei die Rohre 10 mit dem Einlaß
teil 8 und dem Auslaßteil 9 fest mit dem Flansch 6 verbunden sind.
Abweichend von der Darstellung in Fig. 1 zeigt Fig. 2, daß die
den Wärmeaustauscher bildenden Rohre 10 in sehr dichter Anordnung
um einander angeordnet sind, um einen wirkungsvollen und schnellen
Temperaturwechsel des Öls zu erreichen.
Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf die Außenseite des Flansches 6, wo
bei das Einlaßteil 8 und das Auslaßteil 9 mit der Vielzahl von
Rohren 10 und die vier Befestigungsbohrungen 12 im Flansch 6 zu
sehen sind.
Nach Fig. 4 ist in dem Zylinder-Gehäuse 3 ein doppelseitig wirken
der Kolben 4 vorhanden, wobei dem Zylinder 3 an jeder Kolbenseite
über zugeordnete Durchlässe oder Rohrleitungen 14 a, 14 b ein geschlos
sener, mit Öl 2 oder dergleichen gefüllter Druckbehälter zugeordnet
ist, in denen jeweils ein Wärmeaustauscher 10 vorhanden und mit
je einem Einlaßteil 8 und Auslaßteil 9 versehen ist, durch die ab
wechselnd erhitztes oder gekühltes Wasser geleitet wird, damit die
Ausdehnung des Öls 2 in dem einen Druckbehälter 1 bzw. an der einen Kol
benseite und die Kontraktion des Öls 2 in dem anderen Behälter bzw.
der anderen Kolbenseite gleichzeitig wirken. Dadurch wird eine er
höhte Leistung in verkürzter Zeit geschaffen.
Fig. 5 zeigt, daß in dem Behälter 1 ein Wärmeaustauscher-Rohrbündel
10 angeordnet ist, das ein große Konvektionsfläche hat. Der Zylin
der 3 mit dem Arbeitskolben 4 erstreckt sich lotrecht zu dem Be
hälter 1 und ist mit diesem durch eine Öffnung 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 ge
lagert 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.
Die Arbeits-Kraftmaschine und die Pumpe sind über Halterungen 26, 27
an einer gemeinsamen Grundplatte 28 angeordnet.
Fig. 5 zeigt den Zustand, daß durch Erhitzung des im Behälter 1 be
findlichen Öls 2 durch die Ausdehnung der Kolben 4 angehoben ist.
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.
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.
Der Kolbenhub kann auch in bekannter Weise über ein Pleuel ein Rad
antreiben. Ebenso kann eine Vielzahl der erfindungsgemäßen Vorrich
tungen zusammengestaltet werden, um beispielsweise eine Kurbelwelle
anzutreiben.
Fig. 6 zeigt die Ansicht einer weiteren beispielsweisen Ausführung
der Kraftmaschine, bestehend aus einem Druckbehälter 1 und einem
Arbeitszylinder 3. Der Zylinder 3 ist mit dem oberen Flansch 29 des
Wärmeaustauschers 1 mittels Vier- oder Sechskant 30 druckfest ver
schraubt. 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 Einlaß
teil 8 und ein Auslaßteil 9 für warmes und kaltes Wasser, die mit
Muttern 35 dichtend im Flansch 31 befestigt sind.
Fig. 7 zeigt eine Schnittdarstellung der Wärmekraftmaschine nach Fig. 6. In
dem Arbeitszylinder ist ein Kolben 4 mit Dichtungen beweglich ge
lagert 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.
Der Hub kann auch direkt oder über eine Hebelübersetzung zum Antrieb
einer oder mehrerer Pumpen eingesetzt werden.
Der Zylinder 3 ist kommunizierend mit dem Druckbehälter 1 verbun
den 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. Geeig
net sind Öle oder ähnliche Flüssigkeiten. Vom Einlaßteil 8
erstreckt sich eine Vielzahl von dünnen Rohren 10, 10 a, 10 b usw. durch
den gesamten Innenraum des Druckbehälters 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 Druckbehälters, in der Ebene des Schnittes VIII-VIII
voneinander den gleichen Abstand besitzen wie in Fig. 8 dargestellt.
Oberhalb dieser Ebene sind die Rohre U-förmig gebogen und durch die
Ebene mit gleichem Abstand der Rohre 10 untereinander zu dem Auslaß
teil 9 geführt und wieder gebündelt in einem zylindrischen Rohr 37 a
zusammengeführt. Optimale Wärmeübergänge bei hohen Drücken werden er
reicht, wenn die Röhrchen 10, 10 a, 10 b usw. gebogen sind, daß sie
sich nach Verlassen des Bündels nicht berühren, keinen Kontakt mit
dem Druckbehältermantel 32 haben und sich nach allen Seiten frei aus
dehnen können, wenn sie erwärmt werden. Der obere Flansch 29 ist für
eine möglichst raumfüllende Unterbringung der Röhrchen mit einer Aus
wölbung 38 versehen.
In Fig. 9 ist eine besonders geeignete Ausführung des Einlaß- bzw.
Auslaßteiles dargestellt. In einem zylindrischen Rohr 37 ist einer
seits das Bündel 36 der Röhrchen 10, 10 a usw. durch Löten, Kleben
oder Schweißen befestigt, andererseits ist in dem Rohr 37 ein Spann
teil 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 auf
einander 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.
Eine spezielle Ausbildung der Röhrchen 10 beim Einbringen in das
Rohrstück 37 zeigt Fig. 10. Vor dem Einbringen werden die Röhrchen
zu einem Sechskantprofil 43 verformt, wodurch sich die einzelnen
Röhrchen 1 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.
Claims (11)
1. Hydraulische Wärmekraftmaschine mit einem in einem
Druckbehälter befindlichen Arbeitsfluid mit hohem
Wärmeausdehnungskoeffizienten und mit einem in dem
Drukbehälter angeordneten Wärmetauscher, durch den
zur Energiegewinnung abwechselnd ein warmes und
kaltes Wärmeübertragungsmedium hindurchführbar ist,
wobei die abwechselnde Druckerhöhung und Druckver
ringerung im Druckbehälter eine Arbeitskraft auf
einen hin- und herbewegten Arbeitskolben überträgt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmetauscher aus einem Bündel von Röhrchen
(10) besteht, dessen beiden Enden jeweils durch
einen Flansch (6) an einem Einlaßteil (8) und einem
Auslaßteil (9) ohne gegenseitigen Abstand hindurch
geführt sind, daß das Bündel von Röhrchen (10) vom
Einlaßteil (8) ausgehend so geformt ist, daß zumin
dest im Bereich der Mitte des Druckbehälters (1)
alle Röhrchen (10) etwa gleichen Abstand
voneinander haben und einen U-förmigen Bogen
beschreiben.
2. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (1)
einen Flansch (29) aufweist, an dem ein druckfe
ster Zylinder (3) für den Arbeitskolben (4) mit
dem Druckbehälter (1) kommunizierend angebracht
ist.
3. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbe
hälter (1) aus einem Stahlzylinder (32) besteht,
der von Zugankern (33, 33 a usw.) hochdruckdicht
zwischen dem Flansch (29) und dem Behälterflansch
(6, 31) eingespannt ist.
4. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Einlaßteil (8) und das Auslaßteil (9) jeweils aus
einem zylindrischen Rohrabschnitt (37, 37 a) beste
hen, in denen jeweils auf einer Seite die Röhrchen
(10) des Rohrbündels und auf der anderen Seite
Spannteile (39) im Gewinde befestigt sind, welche
von Spannmuttern (35) gegen Konen (40) in dem
Flansch (31) abdichtend preßbar sind.
5. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Rohr
abschnitte (37, 37 a) in Ringnuten (41) im Flansch
(31) eingreifen und zur zusätzlichen Dichtung auf
Dichtungsringe (42) gepreßt sind.
6. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Röhrchen (10) im Druckbehälter (1) so angeordnet
und geformt sind, daß sie sich bei Temperaturände
rungen nicht berühren und sich frei nach allen
Seiten ausdehnen können.
7. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Flansch (29) zur Rohrbündelseite hin mit einer
Auswölbung (38) versehen ist.
8. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Röhrchen (10) einen Außendurchmesser von 4 mm und
einen Innendurchmesser von 2 mm besitzen.
9. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
runden Röhrchen (10) vor dem Bündeln und dem Be
festigen im Rohrabschnitt (37) an ihren Enden in
der Länge des Bereiches der Befestigung im zylin
drischen Rohrabschnitt (37) zu Sechskantrohren
(43) verformt, zu einem wabenförmigen Querschnitt
angeordnet und miteinander und dem Rohrabschnitt
(37) verlötet oder verschweißt sind.
10. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
dem Druckbehälter abgewandte Seite der Arbeitskol
ben-Zylinder-Einheit (3, 4) druckdicht abgedichtet
ist und einen Luftkompressionsraum (11) bildet.
11. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei Druckbehälter (1) auf den in dem Zylinder (3)
beidseitig druckbeaufschlagten Arbeitskolben (4)
abwechselnd einwirken.
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DE3526289A1 (de) | 1986-04-10 |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8125 | Change of the main classification |
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D2 | Grant after examination | ||
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |