DE4015879A1

DE4015879A1 - Pump drive using temp. difference - has several well insulated chambers in heat exchangers each holding medium at different temps.

Info

Publication number: DE4015879A1
Application number: DE19904015879
Authority: DE
Inventors: Hans Weiss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-05-17
Filing date: 1990-05-17
Publication date: 1991-11-21
Also published as: DE4015879C2

Abstract

The pump drive comprises a slide (1) on which double cones (2,3) are fitted. On the cones are fitted insulators (4,5) of strong material, and which counteract the heat exchange on adjoining parts. On the one insulator (4) is mounted the pump inner housing (6) and on the other (5) the pump outer housing (7). The pump inner and outer pistons (8,9) comprise L-profile rings, and form together the pump chamber (26). They are fitted with sealing ribs in which sealing rings (10,11) are accommodated. On the pump inner housing (6) is fitted a bearer flange (15) which operates a heat pump (17), whilst a similar flange (16) on the outer pump housing (7) drives a refrigerator (18). Heat exchangers (19,20) are fitted on the face sides of the slide (1), and are divided into differing chambers (27) contg. a medium to which a predetermined heat content has been imparted.

Description

Jede bekannte Energiegewinnung ist mit Wärmeentwicklung verbunden, dabei wird die gewonnene Wärme Maschinen zugeführt, die nur aus Wärme Arbeit und Leistung entwickeln, ob dies nun über Wasserver dampfung, oder durch heiße Gasentwicklungen bewerkstelligt wird. In all diesen Fällen entstehen große Anteile von Wärmeabfällen, die zum Teil sogar vernichtet werden, oder zu anderen Zwecken, wie zum Beispiel in Fernheizungen, Verwendung finden.Every known energy production is connected with heat development, the heat gained is fed to machines that only come from Develop heat work and performance, whether this is about water supply vaporization, or by hot gas evolution. In all of these cases there is a large amount of heat waste, some of which are even destroyed, or for other purposes, such as for example in district heating.

Alle diese Wärmeabfälle können über eine Temperatur-Differenz- Pumpe (TDP) in andere Energiearten umgesetzt werden. Dadurch entsteht ökologisch und ökonomisch ein großer Nutzen, der vorerst in seinem ganzen Umfange noch garnicht voll erfaßt werden kann, zumal Temperaturdifferenzen bis hinunter zu 30 Grad Celsius in Energien umgesetzt werden können.All of this heat waste can be Pump (TDP) can be converted into other types of energy. Thereby there is a great ecological and economic benefit, which for the time being in its entirety cannot yet be fully grasped, especially since temperature differences down to 30 degrees Celsius Energies can be implemented.

Construction and mode of operation of the temperature difference pump

Der Pumpenantrieb besteht aus dem Stößel (1), auf dem die Doppel konen (2) und (3) angebracht sind. Auf den Doppelkonen (2) und (3) sind Isolatoren (4) und (5) aus einem Isolierstoff hoher Festig keit angebracht. Sie wirken dem Wärmeaustausch auf benachbarte Bauteile entgegen. Auf dem Isolator (4) ist das Pumpeninnengehäuse (6) und auf dem Isolator (5) das Pumpenaußengehäuse (7) ange bracht. Die Pumpeninnenkolben (8) und die Pumpenaußenkolben (9) bestehen aus Ringen mit L-Profil und bilden untereinander zugleich die Pumpenkammern (26). Die Pumpeninnen- (8) und -außenkolben (9) sind mit Dichtungsrillen versehen in denen die Innendichtringe (10) und die Außendichtringe (11) untergebracht sind. The pump drive consists of the plunger ( 1 ) on which the double cones ( 2 ) and ( 3 ) are attached. On the double cones ( 2 ) and ( 3 ) insulators ( 4 ) and ( 5 ) made of an insulating material with high strength are attached. They counteract the heat exchange on neighboring components. On the insulator ( 4 ) the pump inner housing ( 6 ) and on the insulator ( 5 ) the pump outer housing ( 7 ) is introduced. The pump inner pistons ( 8 ) and the pump outer pistons ( 9 ) consist of rings with an L-profile and at the same time form the pump chambers ( 26 ). The pump inner ( 8 ) and outer pistons ( 9 ) are provided with sealing grooves in which the inner sealing rings ( 10 ) and the outer sealing rings ( 11 ) are accommodated.

Die Fixierung der Pumpeninnenkolben (8) und der Pumpenaußenkolben (9) werden durch durch die geteilten Innenfixierscheiben (12) und die Außenfixierscheiben (13) vorgenommen. Zwischen dem Stößel (1) und dem Pumpeninnengehäuse (6) ist eine Wärmedämmung (14) unterge bracht.The pump inner pistons ( 8 ) and the pump outer pistons ( 9 ) are fixed by the split inner fixing washers ( 12 ) and the outer fixing washers ( 13 ). Between the plunger ( 1 ) and the pump inner housing ( 6 ), thermal insulation ( 14 ) is placed under.

Auf dem Pumpeninnengehäuse (6) ist der Trägerflansch (15) ange bracht, der die Wärmepumpe (17) betätigt. Auf dem Pumpenaußenge häuse (7) ist der Trägerflansch (16) angebracht, der die Kältema schine (18) antreibt.On the pump inner housing ( 6 ), the carrier flange ( 15 ) is introduced, which actuates the heat pump ( 17 ). On the pump outer housing ( 7 ) the support flange ( 16 ) is attached, which drives the Kältema machine ( 18 ).

An den Stirnseiten des Stößels (1) befindet sich je ein Wärme tauscher (19) und (20). Die beiden Wärmetauscher sind in verschie dene Kammern (27...) aufgeteilt. Jede Kammer enthält ein Medium, das mit einem vorbestimmten Wärmeinhalt beaufschlagt ist. Alle Kammern der beiden Wärmetauscher sind allseitig mit der Isolation (23) isoliert. Das Medium (27) wird über die Schieber (24) und (25) dem Stößel (1) zugeführt und vom Ventilkolben (21) gesteuert.There is a heat exchanger ( 19 ) and ( 20 ) on each end of the plunger ( 1 ). The two heat exchangers are divided into different chambers ( 27 ... ). Each chamber contains a medium that is subjected to a predetermined heat content. All chambers of the two heat exchangers are insulated on all sides with the insulation ( 23 ). The medium ( 27 ) is fed to the plunger ( 1 ) via the slide ( 24 ) and ( 25 ) and controlled by the valve piston ( 21 ).

Mode of action

Läßt man das Medium (27) aus den Kammern der Wärmetauschern (19) und (20) taktweise und folgerichtig durch den Stößel (1) fließen, so erfährt er eine Aufwärmung und eine Abkühlung pro Arbeitstakt. Der Stößel (1) dehnt sich nach der Formel:If you let the medium ( 27 ) flow from the chambers of the heat exchangers ( 19 ) and ( 20 ) intermittently and logically through the tappet ( 1 ), it will heat up and cool down per work cycle. The plunger ( 1 ) expands according to the formula:

Delta Länge = Alpha × Länge × max. Temperatur.Delta length = alpha × length × max. Temperature.

aus und geht nach seiner Abkühlung auf seine ursprüngliche Länge zurück. Der Stößel (1) verrichtet sowohl durch seine Ausdehnung als auch durch seine Schrumpfung eine Arbeit von Delta Länge× Druck pro qmm × Stößelquerschnitt in mmkp. Die verschiedenen Temperaturniveaus der Kammern in den Wärmetauscher (19) und (20) wurden deshalb gewählt, weil dies ein wesentlicher Punkt der Erfindung ausmacht, indem diese Anordnung den Wirkungsgrad der TDP nachhaltig anhebt. Geht man von einer einfachen Erwärmung und Abkühlung von Null bis 100 Grad-Celsius pro Halbtakt aus, ohne die Wärmetauscher durchzulaufen, so beträgt der theoretische Wirkungs grad nur 1,75%, was unwirtschaftliche wäre. Leitet man den Wärme austausch über die Wärmetauscher (19) und (20), so erhält man einen theoretischen Wirkungsgrad von 50 bis 95% , je nach Wahl des Stößelwerkstoffes.and cools down to its original length after cooling. The plunger ( 1 ) does a job of delta length × pressure per qmm × plunger cross section in mmkp both due to its expansion and its shrinkage. The different temperature levels of the chambers in the heat exchangers ( 19 ) and ( 20 ) were chosen because this is an essential point of the invention, since this arrangement sustainably increases the efficiency of the TDP. Assuming simple heating and cooling from zero to 100 degrees Celsius per half cycle without going through the heat exchanger, the theoretical degree of efficiency is only 1.75%, which would be uneconomical. Passing the heat exchange over the heat exchangers ( 19 ) and ( 20 ), you get a theoretical efficiency of 50 to 95%, depending on the choice of the plunger material.

Durch die Passage und die Rückführung der Medien (27) mit den ver schiedenen Temperaturniveaus und verschiedenen Mengeneinheiten durch den Stößel (1) entstehen an den beiden Endpunkten der beiden Wärmetauschern (19) und (20) eine Temperaturdifferenz von ca 1 Grad-Celsius. Die Erreichung dieser kleinen Temperaturdifferenz ist ein weiterer wichtiger Punkt dieser Erfindung. Nach Carnot ist bekanntlich die Leistungsziffer einer Wärmepumpe
Eta = T2/(T2-T1)
und bei der Kältemaschine ist es:
Eta = T1/(T2-T1).Through the passage and the return of the media ( 27 ) with the different temperature levels and different units of quantity through the plunger ( 1 ), a temperature difference of approximately 1 degree Celsius arises at the two end points of the two heat exchangers ( 19 ) and ( 20 ). Achieving this small temperature difference is another important point of this invention. According to Carnot, the performance figure of a heat pump is known
Eta = T2 / (T2-T1)
and with the chiller it is:
Eta = T1 / (T2-T1).

Obiges bedeutet, daß theoretisch nur die Wärmemengen zu ersetzen sind, die jeweils durch ein Grad-Celsius Temperaturdifferenz auszugleichen sind. Um der Theorie so nah wie möglich zu kommen, sind alle Wärmetauscherkammern der Wärmetauschern (19) und (20) allseitig sehr gut isoliert, sodaß davon ausgegangen werden kann, daß die Wärmeverluste durch Leitung und Strahlung vernachlässigbar klein sind. Die Trennung und die Isolierung der Wärmeaustauch kammern unter sich ist der dritte markante Punkt der Erfindung.The above means that theoretically only the amounts of heat can be replaced, each of which must be compensated for by a degree Celsius temperature difference. To get as close as possible to the theory, all heat exchanger chambers of the heat exchangers ( 19 ) and ( 20 ) are very well insulated on all sides, so that it can be assumed that the heat losses through conduction and radiation are negligibly small. The separation and insulation of the heat exchange chambers between them is the third striking point of the invention.

Ein weiterer Punkt der Erfindung ist die Wärmerückgewinnung und die Kälteerzeugung unter Zuhilfenahme von Carnot, indem im Neben schluß der TDP mittels der Wärmepumpe (17) und der Kältemaschine (18) die oberen und die unteren Temperaturdifferenzen von jeweils einem Grad-Celsius ausgeglichen werden.Another point of the invention is the heat recovery and cooling with the help of Carnot by the TDP by means of the heat pump ( 17 ) and the refrigerator ( 18 ), the upper and lower temperature differences of one degree Celsius each are compensated.

Ein weiterer Punkt der Erfindung ist die Tatsache, daß die TDP auch Temperaturdifferenzen verarbeiten kann, die unterhalb des Gefrierpunktes liegen können, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 273 und 173 Grad-Kelvin. Another point of the invention is the fact that the TDP can also process temperature differences below the Freezing point, for example at temperatures between 273 and 173 degrees Kelvin.

Die Teile (1) bis (9) stellen eigentlich die Bauteile dar, die die Pumpenleistungen erbringen. Durch die Tätigkeit des Stößels (1) werden die übrigen Teile von (2) bis (9) betätigt, d. h. die zwi schen den Pumpeninnenkolben (8) und den Pumpenaußenkolben (9) bestehenden Kammern (26) verengen und verbreitern sich im Takte der Stößelbewegung. Die Pumpeninnen- und -außenkolben (8) und (9) saugen und pressen das Fördergut über die Ventile (28) weiter.Parts ( 1 ) to ( 9 ) actually represent the components that provide the pump performance. The action of the tappet ( 1 ) actuates the remaining parts from ( 2 ) to ( 9 ), ie the chambers ( 26 ) between the inner pump pistons ( 8 ) and the outer pump pistons ( 9 ) narrow and widen in time with the tappet movement . The pump inner and outer pistons ( 8 ) and ( 9 ) suck and press the material to be conveyed further via the valves ( 28 ).

Eines der tragendsten Pfeiler der Erfindung ist diese Bauart, daß die enormen Drücke, die im System auftreten, in demselben aufge fangen werden.One of the most important pillars of the invention is this design that the enormous pressures that occur in the system are built up in it will catch.

Will man die Leistung einer Temperatur-Differenz-Pumpe erhöhen, so geht man klassisch vor und erhöht zuerst einmal die Anzahl der Stößel (1), wie beispielsweise beim Ottomotor die Anzahl der Zylinder. Desweiteren kann man den Querschnitt des Stößels (1) erhöhen, oder aber auch die Länge desselben erhöhen. Bei der Erweiterung der Temperaturdifferenz ist ebenfalls eine Leistungs erhöhung gegeben. Die größte Leistungserhöhung bringen natürlich die Faserverbundstoffe, die bereits gefertigt werden und Stand der Technik geworden sind.If you want to increase the performance of a temperature differential pump, you proceed in the classical manner and first increase the number of tappets ( 1 ), such as the number of cylinders in a gasoline engine. Furthermore, the cross section of the plunger ( 1 ) can be increased, or the length of the same can be increased. When the temperature difference is expanded, there is also an increase in output. The greatest increase in performance naturally comes from the fiber composites that are already manufactured and have become state of the art.

Claims

1. A temperature differential pump, such that it has several well-insulated chambers in the heat exchangers ( 19 ) and ( 20 ), each containing a different temperature medium ( 27 ), the same in terms of timing and assigned in the correct way Flow through a tappet ( 1 ), whereby the same work is transferred to all pump parts ( 2 to 9 ), to the heat pump ( 17 ) and to the refrigeration machine ( 18 ) in that the tappet ( 1 ) expands cyclically by the action of heat and contracts due to the action of cold and this arrangement results in an extremely low-loss heat exchange in the heat exchangers ( 19 ) and ( 20 ), so that the proportion of delta t warm and delta t cold thereof almost made up for by the heat pump ( 17 ) and the refrigerator ( 18 ) and the heat exchangers ( 19 ) and ( 20 ) are supplied analogously and according to the program, which gives the temperature differential pump a very high efficiency t, all materials that are state of the art can be used for all possible types of design of the plunger ( 1 ).

2. Claim according to 1, in such a way that all chambers of the heat exchanger ( 19 ) and ( 20 ) and other components that are subject to heat loss due to high thermal conductivities are carefully insulated to all required sides and also extremely well against each other, so that only a very low heat spreading value Delta Q can arise.

3. Claim according to 1, such that the media ( 27 ) in the heat exchangers ( 19 ) and ( 20 ) can consist of all liquid and gaseous agents which are state of the art in heat and cold transmission.

4. Claim according to 1, such that the components of the pump ( 2 ) to ( 9 ) with respect to the plunger ( 1 ) have the smallest possible length change by compressive and tensile forces, especially since the cross section of the plunger ( 1 ) to the cross sections of the individual components of the pump ( 2 ) to ( 9 ) behave at most as a: b, the quotient from a: b being at most 0.5 or less.

5. Claim according to 1, such that all the chambers of the heat exchanger ( 19 ) and ( 20 ) and the pressures on the media therein ( 27 ) are so different that rapid and low-loss heating and cooling of the tappet ( 1 ) is achieved is, the number of chambers in ( 19 ) and ( 20 ) and the heat content Q of the media ( 27 ) can be kept variable and the entire process is programmed.

6. Claim according to 1, such that the valve piston ( 21 ), which manages the exchange of media from the chambers of the heat exchangers ( 19 ) and ( 20 ), can be actuated not only pneumatically or hydraulically, but also electromagnetically or electromechanically.

7. Claim according to 1, such that to absorb the very high forces that occur in the tappet ( 1 ), no supporting forces have to be absorbed outside the temperature difference pump, since they are absorbed in it itself.

8. Claim according to 1, such that for feeding the Differential temperature pump not only uses heat waste but also temperature fluctuations in nature applications find, for example, in the tropics and the Arctic Ocean in are inexhaustible.

9. Claim according to 1, such that the temperature differential pump is such that it provides the full heating power compared to the heating system with a fraction of the oil or gas consumption of a conventional household heating by the heat pump ( 17 ) and the refrigerator ( 18 ) the TDP should be interpreted in such a way that it can fulfill its new task.

10. Claim according to 1, such that the delivery rate of Differential temperature pump guided by a hydraulic motor can be, so that a power output on the rotating Shaft stub of the hydraulic motor can be done by also hydraulic, or a mechanical transmission in between can be switched.