WO2002099274A1 - Strömungskraftmaschine - Google Patents

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WO2002099274A1
WO2002099274A1 PCT/EP2002/005999 EP0205999W WO02099274A1 WO 2002099274 A1 WO2002099274 A1 WO 2002099274A1 EP 0205999 W EP0205999 W EP 0205999W WO 02099274 A1 WO02099274 A1 WO 02099274A1
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Martin Ziegler
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Martin Ziegler
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00Other machines or engines
    • F03B17/005Installations wherein the liquid circulates in a closed loop ; Alleged perpetua mobilia of this or similar kind
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2210/00Working fluid
    • F05B2210/16Air or water being indistinctly used as working fluid, i.e. the machine can work equally with air or water without any modification

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungskraftmaschine zur Erzeugung von Wellenarbeit unter Nutzung der Potenzialdifferenzen von ruhenden Fluiden im Gleichgewicht. Sie besteht aus einem Gehäuse, einer Turbine und einer Pumpe, die das fluide Gleichgewicht stört und eine Fluidmenge durch die Maschine fördert, wobei die Wellenarbeit der Turbine zu einem ersten Teil dem Antrieb der Pumpe dient und zu einem zweiten Teil als Nutzarbeit an einen Verbraucher gegeben wird. Der Zufluß der Maschine liegt auf einer Äquipotentialfläche UNTERHALB des fluiden Gleichgewichtszustandes. Die Pumpe fördert das Fluid auf eine Äquipotentialfläche OBERHALB des Gleichgewichtszustandes. Bei Wiederherstellung des fluiden Gleichgwichts der Maschine wird in der Turbine mehr Wellenarbeit frei als der Pumpenantrieb benötigt. Die freie Wellenarbeit wird durch einen Verbraucher genutzt.

Description


  



      STRÖMUNGSKRAFTMASCHINE   
Die Erfindung betrifft eine Strömungskraftmaschine zur Erzeugung von Wellenarbeit unter Nutzung der Potenzialdifferenzen ruhender Fluide im Gleichgewicht sowie Anwendungen der Maschine.



     Strömungskraftmaschinen    sind Energiewandler (Turbinen), die durch Änderung des Drehimpulses einer Strömung ein Drehmoment erzeugen, welches als Antrieb für eine Arbeitsmaschine genutzt werden kann. Beispiele nach dem Stand der Technik sind hierzu für Dampf oder Luft die Dampfturbine, die Gasturbine und die Windkraftanlage, sowie für Wasser die Pelton-, Kaplan-, Francisund   Ossbergerturbine.   



   Bekannte Maschinen werden aufgrund einer Potenzialdifferenz zwischen Zufluss und Abfluss durchströmt, das ist entweder ein geodätisches Potenzial (Speicherwasserkraftwerk,   Laufwasser-    kraftwerk) oder ein thermisch bedingtes Potenzial    (Dampfkraftwerk,    Windkraftanlage, Flugzeugtriebwerk). Es verursacht einen Massenstrom in der Maschine, welche dem strömenden Fluid dann kinetische Energie entziehen und als Wellenarbeit an einen Verbraucher abgeben kann, z. B. an einen Propeller, eine Pumpe, einen   Verdichters einen    Generator oder ein Getriebe.



   Der Nachteil bekannter Maschinen ist, dass ihr Zufluss immer oberhalb des Gleichgewichtspotenzials des Fluides liegt. Sobald das Fluid dann sein Gleichgewichtspotenzial erreicht hat, kann ihm keine Nutzenergie mehr entzogen werden. So kann ein herkömmliches Wasserkraftwerk auf Meereshöhe oder in einem ruhenden See keine Nutzarbeit abgeben, weil das Wasser sein Gleichgewichtspotenzial im Schwerefeld der Erde erreicht hat und keine Höhendifferenz zwischen Zufluss und Abfluss für einen weiteren Energiegewinn mehr zur Verfügung steht. Ebenso kann eine bekannte Windkraftanlage nur aus der strömenden Luft Nutzarbeit gewinnen. Sobald der Wind nach Ausgleich des horizontalen Druckpotenzials in der   Atmosphäre"eingeschlafen"    ist, bleibt eine Windkraftanlage stehen.



   Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine zu finden, die auch dann noch Wellenarbeit abgeben kann, wenn das Fluid sein Gleichgewichtspotenzial erreicht hat und nicht mehr von selber strömt. Eine solche Maschine kann die innere Energie aus der Atmosphäre oder aus ruhenden Gewässern nutzen und beispielsweise 24 Stunden am Tag kontinuierlich Strom erzeugen oder auch ein Fahrzeug antreiben.    i   
Die Maschine wird in Bezug auf drei Figuren beschrieben. Den Grundgedanken der Maschine enthält Figur 1 als Denkmodell, die weiteren Figuren betreffen gesonderte Ausführungen der Maschine.



   Gemäss Figur 1.1 denke man sich ein an beiden Seiten offenes zylindrisches Rohr mit einer Querschnittsfläche von 1   m2    (d. h. mit einem inneren Durchmesser von 112,8 cm) und einer Länge von 10 m senkrecht in einem See, so dass sein oberes Ende gerade noch    '..    die Wasseroberfläche durchdringt. Das untere Ende befindet sich   - dann    in 10 m Wassertiefe. Die Rohrwand trennt aus dem Seewasser eine innere Wassermenge, die in N gleiche Teile aufgeteilt ist.



  Bei einem Querschnitt von 1   m2    enthält es dann 10 gleiche Volumeneinheiten Wasser je 1   m3.    Das Wasser im Rohr und im See befindet sich in Ruhe, im System herrscht Gleichgewicht.



   Nun stört man das Gleichgewicht gemäss Figur 1.2 und hebt die oberste Volumeneinheit aus dem Rohr um einen Meter in die Höhe und pumpt sie zurück in den See. Der Gewinn an Höhe bedeutet Gewinn an potentieller Energie, die von aussen aufgewendet werden muss. Eine Tonne Wasser um einen Meter in die Höhe zu heben erfordert etwa 10 kJ aufzuwendende Arbeit. Damit ist der Wasserspiegel im Rohr um 1 m gesunken und es gibt eine Pegelund damit auch Druckdifferenz im Rohr zwischen innen und aussen.



   Gemäss Figur   1.    3 reagiert der See mit Ausgleich der Druckdifferenz und es strömt Wasser im Rohr nach oben, bis der Wasserpegel im Rohr den Wasserpegel im See erreicht hat. Dazu muss die im Rohr verbliebene untere Wassersäule von 9 m Länge um einen Meter gehoben werden, und die entnommene Menge an Wasser fliesst gemäss Figur 1.4 am unteren Ende des Rohres nach und wird ebenfalls um einen Meter angehoben. Dann erst ist das System wieder im Gleichgewicht. Der See wirkt so wie eine Pumpe, die eine Wassersäule von 10 m Länge um einen Meter in die Höhe hebt.



  Die hierzu notwendige Arbeit stammt aus der inneren Energie des Sees und der darüberliegenden Atmosphäre und beträgt das zehnfache der anfangs aufgewendeten Arbeit. In Zahlen ausgedrückt heisst das : Wenn der Pumpenantrieb 10 kJ   aufwendet,    um eine Tonne Wasser aus dem Rohr zu   pumpem    und um einen Meter zu heben, dann reagiert der See mit einer Freigabe von 100. kJ an potenzieller Energie, indem er eine Wassersäule von 10 m Länge um einen Meter in die Höhe hebt. Solange diese Wassersäule in Bewegung ist, kann sie Turbinen antreiben.



   Gemäss Figur 1.5 lässt man dazu mehrere Turbinen (T) im Rohr gemeinsam an einer Welle arbeiten und die eine Pumpe   (P)    antreiben, welche das Wasser aus dem Rohr pumpt. Weil im Rohr mehr Energie frei wird als die Pumpe benötigt, kann der freie Anteil als Wellenarbeit an einen Verbraucher gegeben werden und beispielsweise einen elektrischen Generator (G) für die Stromerzeugung antreiben. 



   Die Maschine arbeitet kontinuierlich, weil sich ihr Zufluss UNTERHALB der Gleichgewichtspotentialfläche des Wassers befindet und die Pumpe das fluide Gleichgewicht stört, indem sie einen geringen Teil des Fluides von einem Punkt UNTERHALB des   Gleichgewichtspotenzials    auf einen Punkt OBERHALB des   Gleichgewichtspotenzials    fördert. Weil die Potenzialdifferenz zwischen den beiden Rohrenden GRÖSSER ist als die Potenzialdifferenz, welche die Pumpe zur Erzeugung der Störung überwinden muss, wird bis zur Wiederherstellung des fluiden Gleichgewichts durch den See mehr potenzielle Energie frei als zur Erzeugung des Ungleichgewichtes erforderlich ist.

   Das Längenverhältnis   Pumphöhe/Rohrlänge    wirkt im übertragenen Sinne wie ein Hebel, mit Hilfe dessen sich aus der Potenzialdifferenz innerhalb des ruhenden Fluides mehr Energie"ernten" lässt, als zur Erzeugung der Störung erforderlich ist. Damit. kann die Störung aus der freigewordenen Energie erneut erzeugt und damit dauerhaft aufrechterhalten werden. Das System befindet sich dann ständig im Ungleichgewicht und kann Energie als Wellenarbeit an einen Verbraucher abgeben, die aus der inneren fluiden Energie des Sees stammt. Die Maschine benutzt den gesamten See damit als Solarkollektor für Sonnenenergie, und die Atmosphäre über dem See als Kolben, um die Wassersäule im Rohr nach oben zu pumpen.

   Sie muss einmal mit einer Startvorrichtung angeworfen werden und wird spätestens dann aufhören zu arbeiten, wenn der See bis   in'a10    m Tiefe gefroren ist.



   Die Figuren 2 und 3 zeigen, verschiedene Ausführungen des Prinzips.



   Figur 2.1 zeigt die gleiche Maschine wie Figur 1.5 bei der das Rohr am oberen Ende leergepumpt wird und das Fluid von unten nach oben strömt. Eine solche Maschine kann die innerer Energie aus dem Meer oder aus einem See oder aus der Atmosphäre nutzen. 



  Figur 2.2 zeigt die Maschine mit Rohrströmung von oben nach unten. Eine solche Maschine kann neben der Energienutzung zur vertikalen Umverteilung von Wasser oder Luft mit einem Zusatznutzen verwendet werden, d. h. Anreicherung von Sauerstoff im Tiefenwasser eines Sees oder Reduktion der Schadstoffmenge in smogbelasteter   Stadtluft.    Figur 2.3 zeigt eine Maschine in einem fluidgefüllten Behälter. Eine solche Maschine kann ein Fahrzeug oder ein Schiff antreiben oder Fluid durch ein Rohrleitungsnetz pumpen und damit in der Fläche verteilen.



   Figur 3 zeigt Anwendungen in denen die Senkung des Eingangspotenzials unter das Gleichgewichtspotenzial mittels einer Pumpe erzeugt wird und die Äquipotentialflächen dynamisch im Inneren der Maschine entstehen. Nach Figur 3.1 arbeitet eine Maschine mit einer inneren Potenzialsteigerung, und nach Figur 3.2 mit einer inneren Potenzialsenkung gegenüber dem fluiden Gleichgewichtspotenzial. Figur 3.3 zeigt den axialen Potenzialverlauf im Inneren der beiden Maschinen.



   Die Maschine kann stationär oder mobil, offen oder geschlossen sein. Eine stationäre Maschine wird vorzugsweise für die Herstellung von Strom, Wasserstoff oder Süsswasser verwendet, oder für den Transport von Fluiden in einem Rohrleitungsnetz.



  Eine mobile Maschine wird für den Antrieb von Fahrzeugen verwendet, vorzugsweise von Schiffen. Eine offene Maschine wird von Fluid aus ihrer Umgebung durchströmt, vorzugsweise Wasser oder Luft. Eine geschlossene Maschine enthält stets die gleiche Fluidmenge in einem abgeschlossenen Behälter oder wird von Fluid aus einem Rohrleitungsnetz durchströmt.

Claims

Patentansprüche Strömungskraftmaschine bestehend aus einem Gehäuse, einer Turbine und einer Pumpe, die eine Fluidmenge durch die Maschine fördert, wobei die Wellenarbeit der Turbine zu einem ersten Teil dem Antrieb der Pumpe dient und zu einem zweiten Teil als Nutzarbeit an einen Verbraucher gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zufluss der Maschine auf einer Äquipotentialfläche UNTERHALB des fluiden Gleichgewichtszustandes befindet, und dass die Pumpe das Fluid auf eine Äquipotentialfläche OBERHALB des fluiden Gleichgewichtszustandes fördert, und dass während der Wiederherstellung des fluiden Gleichgewichts in der Maschine mehr Energie frei wird als der Pumpenatrieb benötigt.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid gasförmig oder flüssig ist.
3. Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Zufluss und Abfluss der Maschine eine geodätische Potentialdifferenz besteht.
4. Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Zufluss und Abfluss der Maschine eine dynamisch erzeugte Potentialdifferenz besteht.
5. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine von einer sich stets ändernden Fluidmenge durchströmt wird.
6. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine von einer stets gleichen Fluidmenge durchströmt wird.
7. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine offen ist.
8. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine geschlossen ist.
9. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine stationär ist.
10. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine mobil ist.
11. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine für die Produktion von elektrischem Strom oder Wasserstoff oder Süsswasser verwendet wird.' 12. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine für die Verarbeitung und den Transport von Gasen oder Flüssigkeiten verwendet wird.
13. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine als Antrieb für den Transport von Personen oder Gütern verwendet wird.
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