DE4330505C1 - Energierad zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Energierad zur direkten Umwand­ lung von Wärmeenergie in mechanische Energie, insbesondere zum Antreiben von Arbeitsmaschinen, Generatoren, Pumpen o. dgl., nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Energierad ist aus DD 2 83 187 A5 bekannt. Dieses besitzt jedoch keine federbelasteten Rückschlagklappen. Die Strö­ mung der zu verdrängenden Flüssigkeit erfolgt innerhalb des Rades vorerst in zwei Richtungen. Durch eine ungleiche Fül­ lung der Kammern entsteht zwar ein Drehmoment, der Wir­ kungsgrad dieses Rades ist dadurch jedoch nicht optimal. Vom Eintauchen einer Kammer in das Warmwasserbad bis zur inneren Füllung zu den Stutzen geht außerdem Energie ver­ loren, die für die Verdrängung nicht genutzt werden kann.

Ein ebenfalls bekanntes Energierad (DD 2 83 188 A5) ist in seinem Aufbau kompliziert. Es besitzt getrennte Luft- und Flüssigkeitskammern. Die Drehbewegung basiert auf dem Prinzip der Volumen­ verdrängung einer Flüssigkeit entgegen der Schwerkraft nur durch die Ausdehnung der vorhandenen Luftmenge in den Luftkammern.

Aus der Anmeldung CH-PS 546 343 ist ein Rad bekannt, bei dem zwischen benachbart angeordneten Kammern eine einzige Verbindungsleitung mit einem Absperrventil vorhanden ist. Die konstruktive Ausbildung dieser Rohre bewirkt, daß die Zu- und Ablauföffnungen für das verdrängte Flüssigkeitsvolumen räumlich relativ weit voneinander getrennt sind, so daß eine optimale Aus­ nutzung der Flüssigkeitsverdrängung nicht möglich ist.

Ausgehend von dem bekannten Energierad nach DD 2 83 187 A5 ist es Aufgabe der Erfindung, ein Energierad mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruches 1 vorgesehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Rades nach dem Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt A-A nach Fig. 2 und Ansicht auf das Energierad mit Darstellung der inneren Flüssig­ keitsverteilung in den Kammern,

Fig. 2 einen Schnitt B-B nach Fig. 1 und zwei Energieräder.

Mit einer Achse 13 wird eine Radscheibe 14 fest verbunden. An die Radscheibe 14 werden mehrere gleichgroße flache Hohlkörper, bestehend aus wärmeleitendem Blech, befestigt. Diese Hohlkörper sind Kammern 1 bis 12, die teils mit einem flüssigen Arbeitsmedium 21 gefüllt werden. Die Bezeichnung der Kammern 1 bis 12 im Uhrzeigersinn entspricht der Be­ zeichnung der Grundstellung. Die Kammern 1 bis 12 haben die Form von Kreisrundstücken, und in ihrer Anordnung an der Rad­ scheibe 14 bilden sie ein großes Rad. Die Anzahl der Kam­ mern 1 bis 12 kann entsprechend dem Durchmesser des Rades bzw. der Größe der Radscheibe 14 erhöht werden. Im auskra­ genden Bereich sind die Kammern 1 bis 12 durch einen Frei­ raum voneinander isoliert. Dadurch wird in diesem Abschnitt eine unerwünschte Wärmeübertragung von Kammer zu Kammer vermieden. Jede Kammer 1 bis 12 erhält zwei Anschlußstut­ zen, den Einlaufstutzen 18 und den Auslaufstutzen 19. Diese sind in einer Reihe asymmetrisch am äußersten linken Rand der Kammer 1 bis 12 angeordnet. An die Einlaufstutzen 18 und die Auslaufstutzen 19 sind Rohrleitungen 16 anzu­ schließen und die Kammern 1 bis 12 aneinander zu koppeln. Jede Kammer 1 bis 12 ist mit den rechts und links daneben­ liegenden somit durch eine Rohrleitung verbunden. Zwischen den Kammern 1 bis 12 sind in das System Rohrleitungen 16, federbelastete Rückschlagklappen 15 eingebaut.

Diese gestatten die Strömung des ausgedehnten Gases bzw. des flüssigen Arbeitsmediums 21 nur entgegen der Drehrich­ tung und verhindern den Druckausgleich zwischen den Kam­ mern 1 bis 12. Jede Kammer 1 bis 12 besitzt ein inneres Leitblech 20 als Kammer-Teilabtrennung. Das Leitblech 20 beginnt neben dem Auslaufstutzen 19 und wird schräg in den Innenraum der Kammern 1 bis 12 geführt. Diese Anordnung be­ wirkt, daß bei den in das Warmwasserbad 23 eingetauchten Kammern 1 bis 12 der Stellung 5, 6, 7 und 8 das zu ver­ drängende Arbeitsmedium 21 stets zum Auslaufstutzen 19 ge­ leitet wird.

Die Kammern 1 bis 12 bilden mit den Rohrleitungen 16 und den federbelasteten Rückschlagklappen ein in sich geschlos­ senes System.

In die unteren Kammern 5 bis 8 wird ein flüssiges Arbeits­ medium 21 eingefüllt, die oberen Kammern 1 bis 4; 9 bis 12 bleiben leer. Das Arbeitsmedium 21 könnte theoretisch Was­ ser sein. Die Kammern 1 bis 12 müßten dann breiter bzw. größer gebaut werden, damit der Anteil Wasser als flüssiges Arbeitsmedium 21 zum verbleibenden Luftvolumen in den Kam­ mern 1 bis 12, welches sich bei Erwärmung ausdehnt, im ent­ sprechenden Verhältnis steht.

Der Wirkungsgrad wird um ein Vielfaches erhöht, wenn eine Flüssigkeit verwendet wird, die bereits bei niedrigen Tem­ peraturen verdampft. Für diesen Zweck sind beim Energierad Kältemittel oder Äther als flüssiges Arbeitsmedium 21 zu verwenden.

Die Vorgänge in den Kammern 1 bis 12 des Energierades wer­ den durch Veränderungen von Temperatur, Druck und Aggregat­ zustand des Arbeitsmediums 21 bestimmt.

Ausgelöst werden die Wechselwirkungen durch eine unter­ schiedliche Temperaturbeeinflussung der gefüllten Kammern 5 bis 8 im Warmwasserbad 23 und der Kammern 1 bis 4; 9 bis 12 im luftgekühlten Außenbereich. Der Arbeitsprozeß beginnt, wenn in den unteren gefüllten Kammern 5 bis 8 über das Warmwasserbad 23 die Temperatur erhöht wird und somit ein Temperatur- und Druckgefälle zu den oberen kühleren Kammern 1 bis 4; 9 bis 12 über der Wasseroberfläche entsteht.

Die Wirkungsweise des Energierades ist folgendermaßen:
Das Energierad wird etwa bis zu einem Drittel in ein Warm­ wasserbad 23 getaucht. Die Achse 13 liegt oberhalb des Was­ serspiegels. Im Warmwasserbad 23 befinden sich die mit dem flüssigen Arbeitsmedium 21 gefüllten Kammern 5 bis 8. Die Eintauchtiefe des Energierades in das Warmwasserbad 23 ist abhängig von der Anzahl der gewählten Kammern bzw. vom Rad­ durchmesser des Energierades. Es gibt eine ideale Eintauch­ tiefe. Das Warmwasserbad 23 bildet den Wärmespeicher.

Das Energierad ist in Ruhestellung, wenn in allen Kammern 1 bis 12 die gleiche Temperatur und der gleiche Druck vor­ herrschen. Wird die Temperatur des Wassers im Wasserbecken 22 erhöht, so wird diese Temperaturerhöhung auf die im Warmwasserbad 23 befindlichen Kammern 5 bis 8 übertragen. In diesen Kammern 5 bis 8 entsteht im Freiraum ein erhöhter Dampfdruck, der die Flüssigkeit verdrängt. Über die Rohr­ leitungen 16 fließt das flüssige Arbeitsmedium 21 in die angrenzenden Nebenkammern ab.

Durch die eingebauten federbelasteten Rückschlagklappen 15 wird die Fließrichtung festgelegt. Das flüssige Arbeitsme­ dium 21 fließt in den Rohrleitungen 16 entgegen der Dreh­ richtung des Energierades. Das aus den Kammern 5 bis 8 ver­ drängte flüssige Arbeitsmedium 21 wird in die Kammern 4, 3 und 2 geleitet. Die Schwerpunkte in den Kammern werden so verlagert und es entsteht ein Drehmoment.

Bei den gefüllten Kammern 4, 3 und 2 über der Wasserober­ fläche des Warmwasserbades 23 bewirkt die Schwerkraft die Drehung des ganzen Rades, bei den im Warmwasserbad 23 be­ findlichen Kammern 5 bis 8 ist der unterschiedliche Auf­ trieb für die Drehbewegung verantwortlich.

Die nun gefüllten Kammern 4, 3 und 2 bewegen sich nach unten und der Verdrängungsvorgang fängt wieder neu an.

Die Drehung des Energierades beginnt bereits bei geringen Temperaturunterschieden. Durch die Drehung des Rades ge­ langen die nassen unteren Kammern 5 bis 8 aus dem Warmwas­ serbad 23 über die Wasseroberfläche in den Luftbereich. Bei entsprechender Außentemperatur, Luftbewegung und Ober­ flächenbeschaffenheit der Kammern 1 bis 12 entsteht an der oberen Radhälfte der Kammern 1 bis 4; 9 bis 12 Ver­ dunstungskälte, die einen günstigen Einfluß auf die Tempe­ raturdifferenz und die Drehbewegung des Systems nimmt.

Je größer die Temperaturdifferenz zwischen den erwärmten Kammern 5 bis 8 im Warmwasserbad 23 und den kühleren Kam­ mern 1 bis 4; 9 bis 12 über der Wasseroberfläche ist, desto schneller ist die Drehbewegung.

Eine zweite und schnellere Drehphase kann erreicht werden, wenn das flüssige Arbeitsmedium 21 in den unteren Kammern 5 bis 8 über das Warmwasserbad so erwärmt wird, daß es ent­ sprechend dem gewählten inneren Druck die entsprechende Siedetemperatur erreicht.

Das flüssige Arbeitsmedium 21 geht an den erwärmten Wan­ dungen der Kammern 5 bis 8 plötzlich in einen gasförmigen Aggregatzustand über und verdrängt in der bereits beschrie­ benen Weise das noch in flüssiger Form vorhandene Arbeits­ medium 21 aus den unteren erwärmten Kammern 5 bis 8 in die Kammern 4, 3 und 2.

Da es sich um ein geschlossenen System handelt, kann ein zum Teil verdampftes Kältemittel in den oberen kühleren Kammern 1 bis 4 wieder kondensieren. Dieser Anteil an der Drehbewegung spielt jedoch eine untergeordnete Rolle.

Hauptursache der Schwerpunktverlagerung und der Drehbewe­ gung bleibt die Verdrängung des flüssigen Arbeitsmediums 21 von Kammer zu Kammer, ausgelöst durch die erhöhte Tempera­ tur und den inneren Dampfdruck.

Restflüssigkeiten oder kondensierte Arbeitsmedien, die zu einem geringen Anteil in die Kammern 9 bis 12 der linken Radhälfte gelangen, werden durch die Drehbewegung stets wieder in den Flüssigkeitsbereich einer jeden Kammer zu­ rückgeführt.

Es können unterschiedliche Arbeitsmedien 21 mit einer nie­ drigen Verdampfungstemperatur Verwendung finden. Die in­ neren Druckverhältnisse und die entsprechende Verdampfungs­ temperatur des flüssigen Arbeitsmediums 21 sind so zu wäh­ len, daß durch die Beeinflussung der zur Verfügung stehen­ den Wärme im Warmwasserbad 23 die Siedetemperatur des Ar­ beitsmediums 21 erreicht wird und ein ausreichendes Tempe­ raturgefälle zu den luftgekühlten Kammern besteht.

Die Ausbildung und Anordnung der Kammern 1 bis 12 veran­ schaulicht die Grundidee und entspricht dem Modellbeispiel. Die Anzahl der Kammern an der Radscheibe 14 kann erhöht und das Rad entsprechend vergrößert werden. Zur Gewährleistung einer schnellen Wärmeübertragung sind große Oberflächen der Kammern 1 bis 12 erforderlich. Dies wird durch eine flache Hohlkörperbildung erzielt. Eine weitere Lamellierung wäre dann nicht mehr unbedingt erforderlich.

Auf einer Achse 13 können mehrere solche Energieräder zu einem Block montiert werden. Durch die Vielzahl der Einzel­ radkonstruktionen addiert sich die wirkende Kraft. Über die Achse 13 ist das Drehmoment auf anzutreibende Systeme über­ tragbar.

Das Warmwasserbad 23 dient als Wärmespeicher. Es läßt sich auf unterschiedliche Weise aufheizen. Über Sonnenkollek­ toren oder Solarsorber kann Wasser erwärmt und über Lei­ tungen dem Wasserbecken 22 direkt zugeführt werden. Eine Wärmeübertragung über die Rohrschlangen 24 ist möglich. Die Nutzung der eingestrahlten Sonnenenergie ist somit auch noch in den Nachtstunden gegeben.

Für das Aufheizen des Wassers im Wasserbecken 22 kann eben­ falls Abwärme aus unterschiedlichen Anlagen Verwendung fin­ den. Kühlwasser der Industrie ist dafür gut geeignet. Erd­ wärme ließe sich in einem größerem Maßstab nutzen. Auf diese Weise können alle natürlich vorhandenen oder auch künstlich erzeugten Temperaturunterschiede in mechanische Energie umgesetzt und genutzt werden.

Bezugszeichenliste

1 bis 12 Kammern
13 Achse
14 Radscheibe
15 federbelastete Rückschlagklappen
16 Rohrleitungen
17 Ständer
18 Einlaufstutzen
19 Auslaufstutzen
20 inneres Leitblech
21 flüssiges Arbeitsmedium
22 Wasserbecken
23 Warmwasserbad
24 Rohrschlangen
25 Zulauf
26 Ablauf

Claims (7)

1. Energierad zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, bestehend aus einer fest mit einer horizontalen Achse verbundenen Radscheibe, an deren Umfang, in Axialrichtung gesehen kreisringstückförmige, Kammern aus wärmeleitendem Blech kreissymmetrisch ange­ ordnet sind, wobei benachbarte Kammern über Verbindungs­ leitungen miteinander verbunden sind und die Kammern samt den Verbindungsleitungen ein geschlossenes, eine leicht verdampfbare Flüssigkeit als Arbeitsmedium ent­ haltendes System bilden, ferner bestehend aus einem ge­ füllten Warmwasserbehälter, in welchen die unteren Kam­ mern des Energierades eintauchen, um Wärme aufzunehmen und auf den Kammerinhalt zu übertragen, wodurch das Gas­ volumen in den Kammern vergrößert und die Restflüssig­ keit in die Nachbarkammern verdrängt wird, derart, daß eine ungleiche Gewichtsverlagerung der Flüssigkeit be­ züglich der Drehachse entsteht, die zu einer Drehbewe­ gung des Energierades führt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kammer (1 bis 12) einen Einlaufstutzen (18) und einen Auslaufstutzen (19) aufweist und daß zwischen be­ nachbarten Kammern (1 bis 12) jeweils nur eine am Einlauf­ stutzen (18) der einen Kammer und am Auslaufstutzen (19) der anderen Kammer angeschlossene Verbindungsleitung (16) installiert ist, in welche eine federbelastete Rückschlag­ klappe (15) derart eingebaut ist, daß die Flüssigkeit bzw. das Gas nur entgegen der Drehbewegung des Energierades verdrängbar ist, daß bei Drehung des Energierades im Uhrzeigersinn der Einlaufstutzen (18) und der Auslaufstut­ zen (19) der in das Warmwasserbad eintauchenden Kammern nebeneinander am radial äußersten linken Rand der Kammern (1 bis 12) angeordnet sind, und daß jede Kammer (1 bis 12) ein inneres Leitblech (20) als Teilabtrennung der Kammer aufweist, durch das die zu verdrängende Flüssigkeit (21) in den im Warmwasserbad (23) befindlichen Kammern stets zum Auslaufstutzen (19) geleitet wird.

2. Energierad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (1 bis 12) voneinander durch einen Frei­ raum gegen Wärmeübertragung von Kammer zu Kammer isoliert sind.

3. Energierad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitblech (20) neben dem Auslaufstutzen (19) be­ ginnt und schräg in den Innenraum der Kammern (1 bis 12) führt.

4. Energierad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb des Warmwasserbades (23) befindlichen Kammern luftgekühlt sind.

5. Energierad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Achse (13) mehrere Räder angeordnet sind.

6. Energierad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer großen Wärmeübertragungsfläche die Kammern (1 bis 12) als flache Hohlkörper ausgebildet sind.

7. Energierad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmwasserbad (23) als Wärmespeicher dient, der über Rohrschlangen (24), die z. B. mit Sonnenkollektoren, mit industriellen Abwassersystemen oder mit Erdwärmesy­ stemen verbunden sein können, aufladbar ist.