DE4413558C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischer und/oder elektrischer Energie mittels eines schaufelbestückten Rotationskörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von mechanischer und/oder elektrischer Energie mittels ei­ nes schaufelbestückten Rotationskörpers innerhalb eines die Rotation bewirkenden, bewegten Fluids sowie auf Vorrichtun­ gen zur Durchführung des Verfahrens.

Verfahren zur Erzeugung von elektrischer und/oder mechani­ scher Energie der gattungsgemäßen Art sind in unter­ schiedlichen Ausgestaltungen bekannt, so etwa bei einem die Meereswellenbewegungen ausnutzenden Kraftwerkes nach der DE-B-25 07 330. Neben dieser bekannten, sehr aufwendigen, wirtschaftlich wenig praktikablen Lösung zeigt die DE-A-36 13 725 ein Verfahren mit einem Kältemittelkreis­ lauf, welches von der Idee ausgeht, daß in einem ausgespro­ chen hohen Bauwerk ein flüssiges Kältemittel in einer ersten Höhenlage verdampft, in einer zweiten, weit darüber­ liegenden Höhenlage kondensiert wird und in einer vom Steigrohr getrennten Falleitung auf die erste Höhenlage herabgeführt wird, um dort eine Turbine zu treiben.

Aus der DE-A-41 40 778 ist eine Wärmepumpenanlage bekannt, die in einem geschlossenen Kältemittelkreislauf zwei Roto­ ren in einem geschlossenen Gehäuse aufweist, und zwar einen ersten Rotor mit tangentialer Einströmung und axialem Aus­ tritt sowie mit einem nachgeschalteten Wirbelrotor, wobei die auf einer gemeinsamen Welle sitzenden Rotoren einen Ge­ nerator treiben sollen.

Die DE-A-40 00 240 zeigt eine Möglichkeit, Temperaturunter­ schiede zwischen einem von einer Eisschicht bedeckten Ge­ wässer einerseits als Wärmeenergiequelle und einem der kalten Außenluft ausgesetzten Kondensator andererseits zur Verdampfung bzw. Kondensierung eines Kältemittels aus zu­ nutzen. Auch hier ist wiederum einem vergleichsweise großen Kaminschacht in Auftrieb des verdampften Arbeitsmediums ein dünnes Fallrohr für das Kondensat zugeordnet. Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Literaturstelle ist hier im dampfführenden Kaminschacht eine Turbine angeordnet.

Erkennbar sind die vorbeschriebenen Lösungen wegen eines erheblichen apparativen und baulichen Aufwandes wirtschaft­ lich ausgesprochen aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist daher Schaffung einer Lösung, mit der es möglich ist, unter Einsatz einer sehr kompakten Bau­ weise mechanische und/oder elektrische Energie in wirt­ schaftlicher Weise zu erzeugen.

Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird die­ se Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei ei­ ner Anordnung des Rotationskörpers im wesentlichen in Schwerkraftrichtung als Fluid eine verdampfbare Flüssigkeit eingesetzt wird, die unterhalb des Rotationskörpers ver­ dampft und oberhalb des Rotationskörpers kondensiert wird, daß die Dampfblasen und das Fluidkondensat gleichzeitig den Rotationskörper beaufschlagen und daß am Rotationskörper Schaufeln eingesetzt werden, die einen Vortrieb unabhängig von der Anströmrichtung senkrecht zur Vortriebsrichtung be­ wirken.

Grundsätzlich sind Turbinenkörper bekannt, die Schaufelrin­ ge aufweisen, die beidseitig anströmbar sind, wobei z. B. aufwendige Leitschaufelsysteme notwendig sind, wie dies im Beispiel der oben schon genannten DE-B-25 07 330 der Fall ist. Dabei werden die Rotierschaufeln aber entweder nur gleichförmig oder wechselweise, aber dann über einen länge­ ren Zeitraum wiederum gleichmäßig in einer Richtung beauf­ schlagt, wie dies auch bei Konstruktionen der Fall ist, die sich den Tidenhub, d. h. das auflaufende bzw. ablaufende Wasser an Meeresküsten, zunutze machen.

Demgegenüber liegt der Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß in einem gemeinsamen Turbinenraum die z. B. durch sich in unterschiedlichem Aggregatzustand befindlichen Fluid-Teile bewirkten, unterschiedlich gerichtete Strömun­ gen gleichzeitig ausgenutzt werden können.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei es beispielsweise vorteilhaft ist, querschnittlich umschlagsymmetrisch gleichförmige Tragflä­ chenprofilformen für die Schaufeln zu wählen, um Turbulen­ zen innerhalb der Strömungen vorzubeugen bzw. diese aus zu­ gleichen, verformbare Abströmbereiche an den Schaufeln vor­ zusehen oder die Schaufeln aus verstellbaren Einzelsegmen­ ten zu gestalten, die sich den jeweiligen örtlichen Strö­ mungsverhältnissen anpassen können.

Verfahrensmäßig kann auch vorgesehen sein, einen Schaufel­ körper einzusetzen mit einem inneren Radialturbinenkörper für auf steigende Fluidteile und wenigstens einem äußeren Schaufelkranz für nach unten strömende Fluidteile, was je nach Größe von einzusetzendem Rotationskörper zu einer ver­ gleichsweise flachbauenden Ausgestaltung einer entsprechen­ den Vorrichtung führt, so wie diese weiter unten noch näher beschrieben ist.

Zur Energieeinsparung kann beispielsweise zur Verdampfung eine Solarheizanlage eingesetzt werden, etwa mit einem dem Sonnenstand nachführbaren Parabolspiegel, der den Ver­ dampf er beheizt. Auch kann zur Kondensierung Windkraft ein­ gesetzt werden, so wie es auch möglich ist, diese beiden natürlichen Energien zu kombinieren.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, die sich dadurch auszeichnet, daß der Ro­ tationskörper innerhalb eines im wesentlichen in Schwer­ kraftrichtung ausgerichteten Arbeitsraumes angeordnet ist mit einer im Fluid Dampfblasen erzeugenden unteren Heizein­ richtung und einer oberen Kondensierungseinrichtung, wobei die Schaufeln des Rotationskörpers eine Querschnittspro­ filform aufweisen, die einen Vortrieb bewirkt unabhängig von der Richtung einer senkrecht zur Rotationsrichtung ste­ henden Anströmung.

Mittels einer solchen Vorrichtung ist gewährleistet, daß innerhalb eines Arbeitsraumes der Rotationskörper in Ro­ tationen versetzbar ist, unabhängig davon, ob ein Fluid von unten nach oben oder oben nach unten strömt. Bei erzeugten Dampfblasen im Arbeitsmedium ergeben sich zwangsläufig Auf- und Abströmungen.

Weitere vorteilhafte Vorrichtungsausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Vorrichtungsansprüchen, wobei eine andere Art der Vorrichtung erfindungsgemäß darin besteht, daß der Rotationskörper einen inneren, von unten ange­ strömten Radial-Turbinenbereich aufweist, der von wenig­ stens einem von oben nach unten angeströmten äußeren Schau­ felkranz umgeben ist.

Unabhängig von der Ausgestaltung des Rotationskörpers kann es zweckmäßig sein, oberhalb des Fluid-Flüssigkeitsstandes ein etwa kegelstumpfförmiges Dampf-Kondensatblech vorzu­ sehen, im Fluid-Dampfbereich eine Restdampfturbine, eine sensorgesteuerte Druckregelungseinrichtung u. dgl.

Wie oben schon zum Verfahren ausgeführt, kann es zweckmäßig sein, natürliche Energiequellen sowohl zur Beheizung als auch zur Kondensierung zu benutzen. Auch hierfür sind vor­ richtungsmäßige Ausgestaltungen nach der Erfindung in wei­ teren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 in vereinfachter Prinzipdarstellung einen Schnitt durch eine Vorrichtung nach einem Aus­ führungsbeispiel,

Fig. 2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Vor­ richtung in prinzipieller Darstellung, solar­ beheizt, luftgekühlt,

Fig. 3 eine prinzipielle Seitenansicht auf Schaufel­ träger,

Fig. 4 und 5 eine An-, Seiten- und Aufsicht von Schaufeln in zwei unterschiedlichen Gestaltungsvarianten sowie in

Fig. 6 als Beispiel eine Anordnung einer Axialtur­ bine mit dem äußeren Schaufelkranz für ent­ gegengesetzte Anströmungen.

Die in Fig. 1 mit 1 bezeichnete Vorrichtung weist einen mit dort nicht näher dargestellten Schaufeln 2 ausgerüsteten Rotationskörper 3 auf, der innerhalb eines Gehäuses 4 im wesentlichen von einem Fluid 5, z. B. von einem bei ver­ gleichsweise niedrigen Temperaturen verdampfenden Kältemit­ tel, umgeben ist. Auf der Rotationsachse 6 des Rotations­ körpers 3 ist beispielsweise ein Generator 7 oder ein ande­ rer Verbraucher mechanischer Rotationsenergie vorgesehen.

Im unteren des vom Gehäuse 4 gebildeten Arbeitsraumes ist ein Verdampfer 8 vorgesehen, während im oberen, mit 4a be­ zeichneten Gasraum ein Kondensator 9 angeordnet ist. Der Gasraum 4a kann noch von einem Druckausgleichraum 4b über eine Druckausgleicheinrichtung 10 getrennt sein.

Oberhalb des durch eine Wellenlinie angedeuteten Flüssig­ keitsstandes im Gehäuse 4 ist noch ein etwa kegelstumpfför­ miges Dampf-Kondensatleitblech 11 vorgesehen, welches eine Restdampfturbine 12 umschließt.

Angedeutet ist auch noch in Fig. 1, daß die Seitenwände nach innen weisende Strömungsleiteinrichtungen 13 tragen können, auf deren besondere Ausgestaltung es hier nicht nä­ her ankommt.

Fig. 2 zeigt die Möglichkeit, den Verdampfer, dort mit 8a bezeichnet, mittels Solarenergie zu heizen, so beispiels­ weise über einen dem Sonnenstand nachführbaren Parabolspie­ gel 14, der seine Energie auf die entsprechenden Arbeits­ flächen des Verdampfers 8a bündelt. Die Vorrichtung 1 ist im Beispiel der Fig. 2 von einem Luftleitgehäuse 15 mit ei­ nem Ablufttrichter 16, in dem ggf. ein Lüftungsventilator 17 vorgesehen sein kann, versehen, wobei der Kondensator 9 von der in das Lüftungsgehäuse 15 unten eintretenden Luft gekühlt wird. Die eintretende Kühlluft ist mit einem Pfeil 18, die austretende Kühlluft mit einem Pfeil 19 bezeichnet. Das Gehäuse 15 kann dabei der jeweiligen Windrichtung so nachgeführt werden, daß der Trichter 16 so von dem Wind be­ aufschlagt wird, daß in seinem Inneren ein Unterdruck er­ zeugt wird, um die durch die Pfeile 18 und 19 sich erge­ bende Kühlluftströmung auszubilden.

Wie sich aus Fig. 3 ergibt, sind die mit 2 bezeichneten Schaufeln als querschnittlich im wesentlichen umschlag­ symmetrisches Tragflächenprofil ausgebildet, d. h. die Pro­ filform bewirkt einen Vortrieb gemäß Pfeil 20 unabhängig davon, ob das Profil in Fig. 3 aufwärts gemäß Pfeil 21 oder abwärts gemäß Pfeil 22 angeströmt wird.

In Fig. 4 ist die Möglichkeit dargestellt, eine allgemein mit 2 bezeichnete Schaufel aus einer Vielzahl von Schaufel­ segmenten 2a zu bilden, die um eine Achse 23 schwenkbar ge­ lagert sind je nach sich ausbildender Strömung, was in Fig. 4 durch kleine schwarze Pfeile angedeutet ist.

Um die Turbulenzen ausgleichen zu können, kann auch eine andere Lösung gewählt werden, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Hier weist eine Schaufel 2′ einen in der Strömung ver­ formbaren, mit 2b bezeichneten Abströmbereich auf. Auch dort ist die Verformbarkeit durch kleine Pfeile angedeutet.

In Fig. 6 ist ein etwas anderer Rotationskörper 3a darge­ stellt, der einen inneren Radialturbinenbereich 24 auf­ weist, der von einem Schaufelkranz 25 außen umgeben ist, derart, daß innen eine nach oben weisende Strömung (Pfeil 26) und außen eine nach unten weisende Strömung (Pfeil 27) nutzbar ist.

Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So ist die Erfindung weder auf bestimmte Materialien noch auf bestimmte, zum Einsatz kom­ mende Fluide beschränkt und auch nicht auf die als Beispiel dargestellten Beheizungen oder Kondensierungsmöglichkeiten.

Claims (20)

1. Verfahren zur Erzeugung von mechanischer und/oder elektri­ scher Energie mittels eines schaufelbestückten Rotations­ körpers innerhalb eines die Rotation bewirkenden, bewegten Fluids, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anordnung des Rotationskörpers in einem Ar­ beitsraum im wesentlichen in Schwerkraftrichtung als Fluid eine verdampfbare Flüssigkeit eingesetzt wird, die unter­ halb des Rotationskörpers verdampft und oberhalb des Ro­ tationskörpers kondensiert wird, daß die Dampfblasen und das Fluidkondensat gleichzeitig den Rotationskörper beauf­ schlagen und daß am Rotationskörper Schaufeln eingesetzt werden, die einen Vortrieb unabhängig von der Anströmrich­ tung senkrecht zur Vortriebsrichtung bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schaufeln eingesetzt werden, die querschnittlich ein umschlagsymmetrisch gleiches Tragflächenprofil auf Ober- und Unterseite aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schaufeln mit einem verformbaren Abströmbereich einge­ setzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schaufeln mit um eine in der Mittelebene der Schaufel liegende Achse schwenkbaren Profilsegmenten eingesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaufelkörper mit einem inneren Radialturbinenkör­ per für aufsteigende Fluidteile, der von wenigstens einem äußeren Schaufelkranz umgeben ist, für eine nach unten ge­ richtete Fluidströmung eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verdampfung der Flüssigkeit eine Solarheizanlage eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper in einem Gehäuse untergebracht wird, welches von einem Luftleitgehäuse umgeben ist, wobei die Verdampfung des Arbeitsfluids über eine Solaranlage und die Kondensation über die umströmende Kühlluft vorgenommen wird.

8. Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischer und/oder elek­ trischer Energie mit einem von einem Fluid umströmten, schaufeltragenden Rotationskörper und einer Einrichtung zur Ausbildung einer Fluidströmung, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (3) innerhalb eines im wesentlichen in Schwerkraftrichtung ausgerichteten Arbeitsraumes (2) an­ geordnet ist mit einer im Fluid Dampfblasen erzeugenden un­ teren Heizeinrichtung (8) und einer oberen Kondensierungs­ einrichtung (9), wobei die Schaufeln (2) des Rotations­ körpers (3) eine Querschnittsprofilform aufweisen, die ei­ nen Vortrieb bewirkt, unabhängig von der Richtung einer senkrecht zur Rotationsrichtung stehenden Anströmung.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (2) querschnittlich ein umschlagsymme­ trisch gleiches Tragflächenprofil auf Ober- und Unterseite aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln einen in der Strömung verformbaren Ab­ strömbereich aufweisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (2) aus um eine in der Mittelebene der Schaufeln liegenden Achse (23) schwenkbaren, von der Fluid­ strömung bewegbaren Segmenten (2a) gebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotationskörper (3) mehrere Schaufelebenen an­ geordnet sind, wobei die Gehäuseinnenfläche im Bereich der freien Schaufelenden mit Fluidleitelementen (13) versehen ist.

13. Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischer und/oder elek­ trischer Energie mit einem von einem Fluid umströmten, schaufeltragenden Rotationskörper und einer Einrichtung zur Ausbildung einer Fluidströmung, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (3) einen inneren, von unten ange­ strömten Radialturbinenbereich aufweist, der von wenigstens einem von oben nach unten angeströmten äußeren Schaufel­ kranz umgeben ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Fluidflüssigkeitsstandes ein etwa kegel­ stumpfförmiges Dampf-Kondensatleitblech vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Achse (6) des Rotationskörpers im Fluid-Dampf­ bereich eine Restdampfturbine vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Gasraum (4a) des Fluids eine sensorgesteuerte Druck­ regeleinrichtung (10) vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizeinrichtung eine Solaranlage, insbesondere mit dem Sonnenlauf nachgeführten Solarkollektor (14), vorge­ sehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorrichtungsgehäuse (2) von einem weiteren Luft­ leitgehäuse (15) zur Bildung eines Kühlluftstromes (18, 19) umgeben ist, wobei die Kondensierung über die umströmende Kühlluft erfolgt.

19. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlluftleitgehäuse (15) mit einem sogbildenden Endtrichter (16) versehen ist.

20. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlluftgehäuse (15) von einem Ventilator (17) zur zwangsweisen Erzeugung eines Kühlluftstromes beaufschlagbar ist.