WO2006012762A1 - Verfahren und einrichtung zur energieumwandlung - Google Patents

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WO2006012762A1
WO2006012762A1 PCT/CH2005/000426 CH2005000426W WO2006012762A1 WO 2006012762 A1 WO2006012762 A1 WO 2006012762A1 CH 2005000426 W CH2005000426 W CH 2005000426W WO 2006012762 A1 WO2006012762 A1 WO 2006012762A1
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WO
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hydraulic
frequency
valve
ram
oscillating
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PCT/CH2005/000426
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English (en)
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Ralf Otte
Hartmut Müller
Vera MÜLLER
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Tecdata Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F7/00—Pumps displacing fluids by using inertia thereof, e.g. by generating vibrations therein
    • F04F7/02—Hydraulic rams
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the resonance optimizations are performed based on the Global Scaling (GS) theory, but other optimization strategies from the physics of dynamic systems are also applicable.
  • GS Global Scaling
  • the quantity z represents the so-called partial counter whose value is set to the value 2 according to GS for subsequent frequency analyzes.
  • integer part denominators [no, ni, n 2 ...] must always be greater than the numerator because of the convergence condition for continued fractions, and are always always divisible by 3 divisible integers.
  • the invention uses self-resonance effects of liquids, as they arise by suitable excitation of hydraulic systems.
  • the pressure valve D Since the pressure valve D is closed and the compressed gas in the air chamber W relaxes, the amount of water QNUTZ is raised to the level H2 via the riser line L s .
  • a crucial component of the GS Aries is the shock valve S with its weight g s . Due to the interplay between overpressure in the main water line LT and the sudden closure of the valve S and gravity, which acts on the weight g s and the thus generated opening of the valve S as soon as the overpressure is no longer present, the hydraulic system in periodic pressure oscillation of the frequency f w or the period T w . By the wind boiler this periodic pressure surge is in a continuous relaxation. and thus con ⁇ continuous elevation of the liquid in the riser Ls converted.
  • E po t_ A (H i ) is the potential energy of the liquid in the main water tank A and E po t (H2 ) is the potential energy of the liquid after the lifting, ie in the tank B.
  • nriNu ⁇ z_ B or m TO ⁇ A L_ A the mass of the liquid in the container B or A and g is the gravitational acceleration. Since the gravitational acceleration and the density of the liquid in the numerator and denominator are identical, they can be shortened and the calculation of the efficiency ⁇ depends on the volumes or quantities Q.
  • the efficiency ⁇ of a ram can be up to 0.92 as described in the prior art.
  • a problem with the known devices of a hydraulic ram is a high water loss QVE R LU S T, so that the device can only be used where sufficient water is available or where H2 can remain small.
  • the ram is operated with a cycle which has the natural resonance f RE s of the hydraulic fluid and at the same time a GS node frequency higher or relatively high priority, whereby the pressure oscillations in particular videschkeln. Since the speed of sound with which the pressure wave propagates in the system is lower in the hydraulic fluid than in the metal housing of the ram, the self-resonance vibrations of the fluid do not lead to destruction of the ram, since no natural frequencies occur in the housing.
  • nO, n1, n2 frequencies are determined which can be realized in principle with the technical system, for example 0.25 Hz or even 5 Hz.
  • the necessary hydraulic shock is created by quickly closing a valve in a liquid flowing through a hydraulic line (e.g., a steel pipe).
  • a hydraulic line e.g., a steel pipe
  • the construction of the hydraulic lifter is now preferably designed such that both d and the oscillation period are Tw GS node values of high priority, i. the periods correspond to the frequencies of high n ⁇ , n1, n2, ... priority.
  • the ram newly constructed according to the invention is preferably operated as follows: ⁇ .
  • the water can be lifted significantly greater than 0.92 with an efficiency calculated according to equation (4), even in situations in which a gradient H1 is not suitable for the use of water turbines or water wheels, the water can be raised to a height H2 be generated by the use of the turbine T (or a Was ⁇ serrades) taking advantage of the drop height H2 and the generator G the was ⁇ , as shown in FIG. 3 shows.
  • the GS Aries is based on the utilization of self-resonance effects of hydraulic fluids
  • numerous other embodiments are possible in which the efficiency of the system can be improved by utilizing the physical self-resonances in n ⁇ , n1, n2, ... proximity. In the o.g. Embodiment, it is significantly higher than the best known efficiency of 0.92.
  • the water losses at the shock valve S can be significantly reduced.
  • new applications of oscillating hydraulic systems are possible, for example, the generation of electricity based on a A GS Aries in hitherto unsuitable places, ie in places with too little available water or with insufficient power gradient H1.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und Verfahren zur Umwandlung kinetischer und potenzieller Energie hydraulischer Flüssigkeiten, bei dem durch Ausnutzung von Eigenresonanzeffekten der schwingenden hydraulischen Flüssigkeit eine signifikante Wirkungsgraderhöhung realisiert wird.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Energieumwandlung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Umwandlung von Energie. Sie ist insbesondere geeignet zur Umwandlung potentieller oder kinetischer Energie in elektrische Energie.
Das Verfahren und die Einrichtung ist weiterhin geeignet zur Umwandlung potentieller oder kinetischer Energie hydraulischer Anlagen in Rotationsenergie oder elektrische Energie. Die Erfindung ist in sehr vielen Bereichen der Industrie anwendbar, z.B. in der Landwirtschaft, Privatwirtschaft, Bauindustrie oder Schwerindustrie.
Es sind zahlreiche hydraulische Einrichtungen zur Energieumwandlung, sog. Wasser¬ kraftmaschinen, bekannt, die die Energie strömender Flüssigkeiten dafür nutzen, Arbeit zu verrichten. Grimsehl 1955 nennt als Beispiele für Wasserkraftmaschinen beispiels¬ weise Hydraulische Widder, Wasserräder und Turbinen [Grimsehl, Lehrbuch der Phy¬ sik, Band 1 , Mechanik - Wärmelehre - Akustik, Teubenerverlagsgesellschaft, Leipzig 1955, S.283 ff.].
Hydraulische Widder sind sogenannte Stossheber, die ohne Einsatz von elektrischer Energie die kinetische Energie einer strömenden Wassermenge nutzen, eine Teilmenge davon auf eine grossere Höhe, als die Ursprungshöhe zu heben.
Wasserräder nutzen die Schwerkraft, d.h. die potentielle bzw. kinetische Energie von fallendem Wasser und teilweise auch die Strahlablenkung, um Arbeit zu verrichten.
Turbinen nutzen die kinetische Energie einer Flüssigkeit durch Strahlumlenkung für Umwandlung in Rotationsenergie. Der Wirkungsgrad dieser bekannten Wasserkraftmaschinen wird durch Turbulenzen , und Reibungen innerhalb der Flüssigkeit oder Reibungen mit dem umgebenden System vermindert.
Der typische Wirkungsgrad eines Widders wird in [Bolshaja sovetskaja enzyklopedia, Band 11 , 1952] mit 0,25 bis 0,80 benannt und in [Evdokimov I. N., Vedishev I. A. Physi¬ kalische Effekte bei Erdöl- und Erdgasbohrungen. Veröffentlichungen der Russischen Staatlichen Universität für Erdöl und Gas, Moskau, 2001] mit bis zu 0,92 angegeben. Der Wirkungsgrad ist dabei der Quotient aus Nutzarbeit zu Gesamtarbeit bzw. Nutzleis¬ tung zu Gesamtleistung. Das Arbeitsmodell eines hydraulischen Widders ist im Deut¬ schen Museum, München, unter der Inventarnummer 78451 ausgestellt, eine Ausfüh¬ rungsvariante von 1930 im [Deutschen Museum, München, unter der Inventarnummer 78102] gezeigt. Hydraulische Widder sind damit gut erforschte und bekannte Einrich¬ tungen und Verfahren zum Heben von Wasser.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Einrichtungen insbesondere von hydraulischen Systemen, beispielsweise Wasserkraftmaschinen wie dem hydrauli¬ schen Widder, anzugeben, die durch die Erfindung einen sehr hohen Wirkungsgrad be¬ sitzen, um die Einrichtung oder das Verfahren an dafür geeigneten Orten zur Energie¬ umwandlung, beispielsweise Stromerzeugung einzusetzen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein im Anspruch 1 angegebenes Verfahren und eine in Anspruch 7 angegebene Einrichtung zur Energieumwandlung, bei dem mittels einer Resonanzoptimierung und Konstruktion technischer Anlagen, beispielsweise eines hyd¬ raulischen Stosshebers, wie den sogenannten hydraulischen Widder, unter gezielter Ausnutzung von Eigenresonanzeffekten bestimmter schwingender oder rotierender Teilsysteme ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird, so dass eine Energieumwandlung, beispielsweise Stromerzeugung effizient durchgeführt werden kann.
Die Erfindung beruht insbesondere auf der Ausnutzung von Eigenresonanzeffekten von schwingenden oder rotierenden Teilsystemen zur Wirkungsgradverbesserung techni¬ scher Anlagen und wird im folgenden am Ausführungsbeispiel der hydraulischen Ein¬ richtung und des Verfahrens näher beschrieben und im Anschluss verallgemeinert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel an Hand einer Zeichnung näher erläu¬ tert. In der Zeichnung zeigen die
Fig. 1 : Werkzeug GSC3000 zur GS-Analyse von Frequenzen Fig. 2: Aufbau eines hydraulischen Widders Fig. 3: GS-Widder zur Stromerzeugung.
Im Ausführungsbeispiel werden die Resonanzoptimierungen basierend auf der Global Scaling (GS) Theorie durchgeführt, wobei aber auch andere Optimierungsstrategien aus der Physik dynamischer Systeme anwendbar sind.
GS eignet sich deshalb zur Resonanzoptimierung, d.h. zur gezielten Auswertung von Eigenresonanzeffekten, da durch die Wahl geeigneter und nach GS berechenbarer Re¬ sonanzfrequenzen des Systems der Wirkungsgrad der Einrichtung und des Verfahrens gegenüber und in Ergänzung mit anderen Optimierungsverfahren nochmals gesteigert werden kann.
im folgenden wird deshalb die Global Scaling (GS) Theorie eingeführt.
Global Scaling (GS) ist ein eingeführter physikalischer Begriff, der verdeutlicht, dass Häufigkeitsverteilungen physikalischer Grossen wie z.B. Massen, Temperaturen, Ge¬ wichte und Frequenzen realer Systeme logarithmisch skaleninvariant sind. Die Publika¬ tionen von Hartmut Müller im Ehlers-Verlag über Global Scaling werden hierbei aus¬ drücklich zum Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung gerechnet, insbesondere dann wenn die Erfindung nach GS optimiert wird.
Mit Hilfe des GS lassen sich damit diejenigen physikalischen Frequenzwerte, d.h. Schwingungen, berechnen, die von realen Prozessen bevorzugt eingenommen werden. Diese bevorzugten Werte können durch eine Kettenbruchzerlegung nach L. Euler ermit¬ telt werden, denn nach Euler ist bekannt, dass jede reelle Zahl x durch ihren Ketten¬ bruch entsprechend Gleichung (1 ) dargestellt werden kann: x = n0 + z / (m + z / (n2 + z / (n3 + z / (n4 + z / (n5 + ■■) )))) (1 )
Die Grösse z stellt dabei den sog. Teilzähler dar, dessen Wert nach GS für nachfolgen¬ de Frequenzanalysen auf den Wert 2 festgelegt wird.
Da die Skaleninvarianz in logarithmischen Massstäben auftritt, werden im GS-Verfahren alle Analysen von zur Basis e logarithmierten Grossen durchgeführt. Damit entsteht Gleichung (2)
In x = n0 + 2 / (m + 2 / (n2 + 2 / (n3 + 2 / (n4 + 2 / (n5 + ..) )))) (2)
Die jeweiligen Zahlenwerte für (n0, n-i, n2....) hängen von den zugrundeliegenden Mass¬ einheiten für X ab. In GS werden die auszuwertenden Grossen ins Verhältnis zu physi¬ kalischen Konstanten y, den sogenannten Eichmassen, gesetzt. Diese Konstanten sind allerdings nur innerhalb einer vorgegebenen Präzision bekannt, weshalb es obere und untere Grenzwerte für diese Konstanten gibt.
Dadurch entsteht die Gleichung (3) als wichtigste Grundgleichung des GS, die durch eine Phasenverschiebungen um φ = 3/2 erweitert werden kann, was für die Erläuterun¬ gen der Erfindung aber nicht relevant, manchmal jedoch vorteilhaft ist.
In (x/y) = n0 + 2 / (m + 2 / (n2 + 2 / (n3 + 2 / (n4 + 2 / (n5 + ..) )))) (3)
Die ganzzahligen Teilnenner [no,ni,n2...] müssen aufgrund der Konvergenzbedingung für Kettenbrüche ihrem absoluten Betrag nach stets grösser als der Zähler sein und sind stets durch 3 teilbare ganze Zahlen.
Durch Anwendung der Gleichung (3) kann eine vorgegebene physikalische Grosse, z.B. eine Frequenz, wie die Eigenfrequenz eines Systems, nach der GS-Kettenbruch- methode zerlegt und in einen sog. Kettenbruch-Code (n0, n-i, n2....) umgewandelt wer¬ den. Dies soll beispielhaft durch eine GS-Kettenbruchbruchzerlegung für eine Frequenz fo beschrieben werden. In GS wird als physikalische Konstante y zur Berechnung von Frequenzen der Wert 1 ,4254869e24 Hz verwendet.
Nach Gleichung (3) ergibt sich eine Kettenbruchzerlegung und die Berechnung der Teilnenner no, n-i, n2, n3, n4 usw. Die Berechnung der Frequenzwerte durch Kettenbrü¬ che nach Gleichung (3) wurde beispielhaft mit dem Werkzeug GSC3000 Professional des Institutes für Raum-Energie-Forschung GmbH, Wolfratshausen, durchgeführt und ist in exemplarisch in Fig. 1 für die Frequenz fo= 5 Hz dargestellt. Die Frequenz 5 Hz entspricht dem sogenannten GS-Kettenbruchcode [-54; -282]. Der Teilnenner n0 = -54, der Teilnenner n-i = -282 bzw. ni = -281 , je nach Grenzwert der verwendeten Konstante y für die Frequenz (siehe Fig. 1).
Da der Teilnenner ni in diesem Beispiel (n1=-282) gross und damit der gesamte Quo¬ tient aus Umlenkung (3) ab ni verschwfndet gering ist, liegt die Frequenz 5 Hz in der Nähe des Wertes n0 (no = -54) und wird deshalb auch als sogenannte GS-Knoten- punktfrequenz hoher bzw. höchster Priorität oder auch no-Frequenz bezeichnet. Weitere GS-Knotenpunktfrequenzen hoher bzw. höchster Priorität nach Gleichung (3) sind bei¬ spielsweise 0,25 Hz oder 0,01248 Hz. Basierend auf diesen Grundlagen der GS Fre¬ quenzanalyse, wird die Erfindung weiter beschrieben.
Erfindungsgemäss sind ein Verfahren und eine Einrichtung angegeben, die unter Aus¬ nutzung von Resonanzeffekten geeigneter Frequenzen, also gegenüber Systemrhyth¬ mik, den Wirkungsgrad technischer Anlagen wesentlich steigern, um solche Einrichtun¬ gen an dafür geeigneten Orten zur Energieumwandlung bzw. Arbeitsverrichtung einzu¬ setzen.
Spätestens seit Altschullers sog. 3. Gesetz der Abstimmung der Rhythmik der Teile ei¬ nes Systems, siehe [Altschuller, Genrich Saulowitsch: Erfinden - Wege zur Lösung technischer Probleme, ISBN 3-00-002700-9, 1984], ist bekannt, dass einer der wichtigs¬ ten Entwicklungsgesetze technischer Systeme darin beseht, die Rhythmik der Systeme und Teile des Systems bzw. deren Koordinierung immer besser zu gestalten. Dieser Ansatz der verbesserten Rhythmik schwingender oder rotierender Systeme in Verbin- dung mit der gezielten Erzeugung von Eigenresonanzfrequenzen, die optimalerweise nach GS analytisch berechnet wurden, ist mit der Erfindung weiter verfolgt.
Ein weiterer Aspekt bei der Optimierung des Ausführungsbeispieles ist es, den Wasser¬ verlust QVERLUST eines hydraulischen Stosshebers, eines Widders, zu reduzieren, um dieses konkrete Ausführungsbeispiel einer hydraulischen Anlage effizienter zur Stro¬ merzeugung einzusetzen.
Die Lösung wird im weiteren im Detail - jedoch ohne Einschränkung der Allgemeinheit - an einem konkreten Ausführungsbeispiel einer schwingenden hydraulischen Anlage, dem sogenannten Stossheber oder auch hydraulischen Widder, im folgenden GS Wid¬ der genannt, beschrieben. Allerdings sind alle schwingenden oder rotierenden Anlagen für den hier beschriebenen Einsatz prinzipiell verwendbar.
Ist die Einrichtung nicht von vorne herein ein schwingendes System, handelt es sich beispielsweise um einen hydraulischer Kraftverstärker, so kann das System durch peri¬ odische Anregung mit der Eigenfrequenz der Flüssigkeit in Eigenresonanz gebracht werden und damit auch in diesem Falle die entstehenden Resonanzeffekte in dem Sys¬ tem zur Wirkungsgraderhöhung des Gesamtsystems, z.B. des hydraulischen Kraftver¬ stärkers verwendet werden.
Die Aufgabe wird im Ausführungsbeispiel zunächst gelöst durch eine allgemein bekann¬ te Einrichtung des hydraulischen Widders bestehend aus einer Flüssigkeitsquelle A, einer Treibleitung l_τ, einem Stossventil S, einem Druckventil D, einem Windkessel W und einer Steigleitung Ls, siehe Fig.2 und im weiteren erfindungsgemäss durch ein Fall¬ rohr LF, eine Turbine T und einen Generator G, siehe Fig. 3.
Die Erfindung nutzt Eigen resonanzeffekte von Flüssigkeiten, wie sie durch geeignete Anregung von hydraulischen Systemen entstehen.
Im Ausführungsbeispiel entsteht die Systemanregung durch Öffnen und Schliessen ei¬ nes Stossventils S (Fig. 2) unter Ausnutzung der Druckkraft zum Schliessen und der Erdgravitation zum Öffnen des Ventils, wobei auch die Druckkraft zum Schliessen letzt- endlich durch die Geschwindigkeit der Flüssigkeit und dadurch auch durch die Gravita¬ tion entsteht. Die Anregung und Resonanzerhöhung des Systems entsteht in diesem Ausführungsbeispiel somit durch geeignete Ausnutzung der Gravitationskraft.
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemässe Verfahren, die Einrich¬ tung und die Baugruppen bzw. Einheiten auszugestalten bzw. weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Ansprüche als auch auf die Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten bevorzug¬ ten Ausführungsbeispiele.
Nach dem von Montgolfier 1796 entwickelten und allgemein bekannten Hydraulischen Widder besteht dieser aus nachfolgenden Baugruppen und wirkt wie folgt (Fig. 2):
Ein Hydraulischer Widder nutzt zum Betrieb das sogenannte Prinzip des Druckstosses. Dabei wird die potenzielle Energie einer Wassermenge QTOTAL der Höhe H1 in einem Behälter A in kinetische Energie umgewandelt, indem eine Wassermenge QVERLUST über ein Stossventil S abläuft und dabei eine Geschwindigkeit v erhält. Zum Zeitpunkt der maximalen Geschwindigkeit vmax schliesst das Stossventil S plötzlich. Dadurch ent¬ steht ein grosser Druck innerhalb des Widders, der den Druck des ruhenden Wasser in dem System um ein Vielfaches übersteigt. Durch diesen Überdruck in der Triebwasser¬ leitung l_τ und dem Widder öffnet sich das Druckventil D und eine gewisse Wassermen¬ ge QNUTZ wird in den Windkessel W gepresst. In diesem Windkessel W befindet sich ein Gas, beispielsweise Luft, welches durch die einströmende Wassermenge QNUTZ komp¬ rimiert wird. Durch das Einströmen des Wassers QNUTZ entsteht in der Triebwasserlei¬ tung Lτ eine Entspannung des Überdruckes, teilweise sogar ein leichter Unterdruck, weshalb das Druckventil D des Windkessels sich wieder schliesst. Gleichzeitig öffnet sich das Stossventil S wieder, da das Gewicht gs durch die Schwerkraft und den feh¬ lenden Überdruck in der Triebwasserleitung Lτ wieder nach unten fällt und der Zyklus in der Triebwasserleitung LT beginnt- von Neuem.
Da das Druckventil D geschlossen ist und sich das komprimierte Gas im Windkessel W entspannt, wird die Wassermenge QNUTZ über die Steigleitung Ls auf die Höhe H2 ge¬ hoben. Ein entscheidendes Bauelement des GS Widders ist dabei das Stossventil S mit seinem Gewicht gs. Durch das Wechselspiel zwischen Überdruck in der Triebwasserleitung LT und dem dadurch erzeugten plötzlichen Schliessen des Ventils S und der Schwerkraft, die auf das Gewicht gs wirkt und dem dadurch erzeugten Öffnen des Ventils S, sobald der Überdruck nicht mehr vorhanden ist, wird das hydraulische System in periodische Druckschwingung der Frequenz fw bzw. der Periode Tw versetzt. Durch den Windkessel wird dieser periodische Druckstoss in eine kontinuierliche Entspannung. und damit kon¬ tinuierliche Hebung der Flüssigkeit in der Steigleitung Ls umgewandelt.
Ein Stossheber wandelt damit potentielle Energie Epot(Hi) = mHτoτAL_A*g*H1 einer Was¬ sermenge QTOTAL in kinetische Energie Ekin(QτoτAL.) um, die wiederum in kinetische Energie Ekin(QNuτz) einer Wassermenge QNUTZ weitergegeben wird. Diese kinetische Energie der Wassermenge QNUTZ im Steigrohr Ls führt dazu, dass die Wassermenge QNUTZ die potentielle Energie Epot(H2) = IT)NUTZ_B *g*H2 erhält.
Um eine quantitative Beschreibung durchzuführen, kann für eine solche Maschine der Wirkungsgrad η aus dem Quotienten von Nutzleistung PNUTZ ZU Gesamtleistung PGESAMT und weiter ausführend beispielsweise wie folgt'eingeführt werden:
I = PNUTZ / PGESAMT = (Epot_B(H2) / Δt) / (Epot_A(Hi) / Δt) η - Epot_B(H2) / EPot_A(Hi) = ΓΠNUTZ_B * g * H2 / mτoτAL_A * g * H 1
1 = QNUTZ * H2 / QTOTAL * H1 η = QNUTZ* H2 •/ (QNUTZ + QVERLUST) * H 1 (4)
Dabei ist Epot_A(Hi) die potentielle Energie der Flüssigkeit im Triebwasserbehälter A und Epot(H2) die potentielle Energie der Flüssigkeit nach der Hebung, also im Behälter B. nriNuτz_B bzw. mTOτAL_A ist die Masse der Flüssigkeit im Behälter B bzw. A und g ist die Erdbeschleunigung. Da die Erdbeschleunigung und die Dichte der Flüssigkeit im Zähler und Nenner identisch sind, können diese gekürzt werden und die Berechnung des Wir¬ kungsgrades η ist von den Volumina oder Mengen Q abhängig. Der Wirkungsgrad η eines Widders kann wie im Stand der Technik beschrieben bis 0,92 betragen. Problematisch bei den bekannten Einrichtungen eines hydraulischen Widders ist ein hoher Wasserverlust QVERLUST, SO dass die Einrichtung nur dort verwendet wer¬ den kann, wo ausreichend Wasser vorhanden ist oder wo H2 klein bleiben kann.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren der Resonanzoptimierung durch Auswertung von Eingenresonanzeffekten werden bei dem Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Widder Wirkungsgrade erreicht, die deutlich über 0,92 liegen..
Die grundlegende Idee der Erfindung zur Wirkungsgradverbesserung technischer, im Ausführungsbeispiel hydraulischer Systeme besteht in der Ausnutzung von Resonanz¬ effekten, d.h. Eigenresonanzen der Flüssigkeit.
Während Resonanz in der Regel in technischen Systemen vermieden werden soll, um die Stabilität und. Haltbarkeit solcher Systeme zu erhöhen, werden erfindungsgemäss derartige Betriebspunkte im hydraulischen. System gesucht, die die hydraulische Flüs¬ sigkeit in Eigenresonanz fREs = fw versetzen. Dadurch kommt es durch nur sehr geringe Anregung über das Stossventil S zu grossen Amplituden der Druckschwingungen in dem Widder. Diese Resonanzeffekte führen dazu, dass mit geringer Energie Es über das Stossventil S eine relativ grosse Druckschwingung in dem Widder aufrecht erhalten werden kann.
Unter aus Ausnutzung dieser resonanten Druckschwingungen kann die Wassermenge QNUTZ in der Steigleitung Ls höher gehoben werden, als wenn die Resonanz nicht auf¬ treten würde.
Während bei herkömmlichen Widdern der Zyklus, die Frequenz für das Stossventil S, nach anwendungs- oder konstruktiven Gesichtspunkten des Widders eingestellt wird, wird erfindungsgemäss der Widder mit einem Zyklus betrieben, der der Eigenresonanz fREs der hydraulischen Flüssigkeit und gleichzeitig einer GS-Knotenpunktfrequenz hoher bzw. relativ hoher Priorität entspricht, wodurch sich die Druckschwingungen insbeson¬ dere aufschaukeln. Da die Schallgeschwindigkeit mit der sich die Druckwelle in dem System ausbreitet in der hydraulischen Flüssigkeit geringer ist als in dem Metallgehäuse des Widders führen die Eigenresonanzschwingungen der Flüssigkeit nicht zu einer Zerstörung des Widders, da im Gehäuse keine Eigenfrequenzen auftreten.
Nach der GS Theorie existieren nun gewisse Resonanzschwingungen, sogenannte nθ, n1 , n2-Frequenzen, die diesen Effekt besonders stark hervorrufen, deshalb wird das Verfahren und die Einrichtung vorzugsweise folgendermassen realisiert.
Ausgehend von Gleichung (3) werden diejenigen nO,n1 ,n2-Frequenzen ermittelt, die mit dem technischen System prinzipiell realisierbar sind, beispielsweise 0,25 Hz oder auch 5 Hz.
Aus diesem Frequenzen folgt die Bestimmung der Geometrie, d.h. Bestimmung des Leitungsdurchmessers des Widders, des Abstandes zwischen Stoss- und Druckventil und das Gewicht des Stossventils, um die hydraulische Flüssigkeit bei Anregung durch das Stossventil S zum Beispiel in die Schwingung fres = nθ zu versetzen.
Durch das Gewicht gs wird die Arbeitsfrequenz des Widders festgelegt und der Abstand d zwischen Stoss- und Druckventil muss so gewählt sein, dass die Druckschwingung, d.h. die stehende Schalldruckwelle, die sich vom Stossventil S mit der Schallgeschwin¬ digkeit Vw und der Wellenlänge λw ausbreitet am Druckventil D eine maximale Amplitu¬ de hat.
Der notwendige hydraulische Stoss entsteht durch schnelles Schliessen eines Ventils in einer durch eine hydraulische Leitung (z.B. ein Stahlrohr) fliessenden Flüssigkeit.
Bei dem hydraulischen Stoss in .einer hydraulischen Leitung breitet sich die Druckdiffe¬ renz in Form einer elastischen Welle mit der Geschwindigkeit v aus, deren Wert durch die Kompressionsfähigkeit und die Dichte der Flüssigkeit sowie den Elastizitätsmodul des Materials der Leitung, ihren Durchmesser und ihre Wandstärke bestimmt ist. Für fliessendes Wasser in Stahlrohren liegt v zwischen 1000 und 1350 m/s, d sei die Länge der hydraulischen Leitung zwischen Stossventil S und Druckventil D. Schliesst das Stossventil S, beispielsweise innerhalb einer Zeit, die wesentlich kürzer ist als 2*d/v, so wechseln die Zyklen des Über- und Unterdrucks in der Leitung mit einer Schwingungsperiode von T=2d/v.
Erfind.ungsgemäss ist die Konstruktion des hydraulischen Stosshebers vorzugsweise nun so ausgelegt, dass sowohl d als auch die Schwingungsperiode Tw GS-Knotenwerte hoher Priorität sind, d.h. die Perioden den Frequenzen hoher nθ, n1 , n2,... Priorität ent¬ sprechen.
Der gemäss der Erfindung neu konstruierte Widder wird vorzugsweise wie folgt betrie¬ ben: ■ .
> Füllen des Widders mit einer Flüssigkeit ohne Luftblasen
> Anregung des Widders durch manuelle oder elektrische Öffnung des Stossventils S durch Lösen des Gewichtes gs auf dem Stossventil aus seiner Arretierung.
> Ausströmen der Wassermenge QVERLUSTJ am Stossventil, Erzeugung eines Überdruckes durch die strömende Flüssigkeit am Stossventil S, plötzliches Schliessen des Ventils S und Erzeugung eines Überdruckes im Leitungssystem, Einströmen der Wassermenge QNUTZ über das Druckventil in den Windkessel W, Entspannung des Druckes im Leitungssystem, gleichzeitige Schliessung des Druckventils D und Öffnen des Stossventils S, Hebung der Flüssigkeit QNUTZ durch das Druckventil in den Windkessel und erneutes Ausströmen der Wassermenge QVERLUSTJ arn Stossventil. Der Zyklus beginnt von Neuem.
> Entstehung einer Arbeitsfrequenz fw in unmittelbarer Nähe der Resonanzfrequenz der Flüssigkeit, die einer nθ,n1 ,n2-Frequenz nach GS entspricht und drastische Reduktion des Flüssigkeitsverlustes zu QVERLUST_2 mit QVERLUST_2 « QVERLUSTJ bei gleichbleibender Wassermenge QNUTZ-
> Selbständige Arbeitsweise des GS Widders mit Wirkungsgrad deutlich grösser als 0,92 mit einer Resonanzfrequenz, die eine GS-Frequenz hoher Priorität entspricht z.B. fw = fres = no. Mit einem derartig konstruierten Widder ist es beispielsweise möglich mit extrem wenig Wasserverlust QVERLUST = QVERLUST_2 die Nutzwassermenge QNUTZ auf die Höhe H2 zu heben.
Durch den extrem niedrigen Wasserverlust ist es deshalb möglich, den Widder für Auf¬ gaben der Stromerzeugung einzusetzen, selbst wenn nur ein geringes Triebgefälle H1 hervorherrscht, was sich nicht effizient zur Stromerzeugung verwenden lässt.
Da das Wasser mit einem Wirkungsgrad berechnet nach Gleichung (4) deutlich grösser als 0,92 gehoben werden kann, kann auch in Situationen, in den sich ein Gefälle H1 nicht für den Einsatz von Wasserturbinen oder Wasserrädern eignet, das Wasser auf eine Höhe H2 gehoben werden und durch den Einsatz der Turbinen T (oder eines Was¬ serrades) unter Ausnutzung der Fallhöhe H2 und des Generators G Strom erzeugt wer¬ den, wie Fig. 3 zeigt.
Eine andere Möglichkeit besteht in der direkten Nutzung der Rotationsenergie der Tur¬ bine usw.
Da der GS Widders auf der Ausnutzung von Eigenresonanzeffekten hydraulischer Flüs¬ sigkeiten beruht, sind zahlreiche andere Ausführungsbeispiele möglich, bei denen der Wirkungsgrad des Systems durch Ausnutzung der physikalischen Eigenresonanzen in nθ, n1 , n2,...-Nähe verbessert werden kann. Im o.g. Ausführungsbeispiel ist er deutlich höher als der beste bekannte Wirkungsgrad von 0,92.
Die gefundene Ausnutzung von Resonanzeffekten insbesondere der Konstruktion von hydraulischen Systemen deren Eigenfrequenzen bei geeigneter Anregung mit den so¬ genannten Knotenfrequenzen nach Global Scaling zusammenfallen führt zu einer ent¬ scheidenden Erhöhung des Wirkungsgrades von schwingenden hydraulischen Syste¬ men.
Durch geeignete Massnahmen können die Wasserverluste am Stossventil S deutlich verringert werden. Dadurch werden neuen Anwendungsmöglichkeiten schwingender hydraulischer Systeme möglich, beispielsweise die Stromerzeugung basierend auf ei- nem GS Widder an bisher ungeeigneten Orten, also an Orten mit zu wenig zur Verfü¬ gung stehendem Wasser oder mit zu geringem Triebgefälle H1.
Die Idee der Wirkungsgradeerhöhung eines hydraulischen Widders basierend auf der Ausnutzung von Resonanzeffekten von Flüssigkeiten, die vorzugsweise GS-Frequen- zen hoher Priorität sind, kann für weitere Verfahren und Einrichtungen verallgemeinert werden. In der Tat ist es so, dass basierend auf diesem Konzept mit jedem System, welche eine Energieübertragung oder -Umwandlung gewährleistet, beispielsweise hyd¬ raulische Anlagen, wie hydraulische Pressen; mechanische Anlagen, wie mechanische Getriebe, gas- bzw.- luftgetriebene Anlagen, wie Wirbelstromkraftwerke oder elektroni¬ sche Systeme wie zum Beispiel schwingende Piezokristalle eine deutliche Wirkungs¬ gradeerhöhung gegenüber den bisherigen Stand der Technik erreicht werden kann.
Während bei vielen technischen Einrichtungen Resonanzeffekte vermieden werden sol¬ len, um die Einrichtungen nicht zu beschädigen oder zu zerstören, so werden erfin- dungsgemäss die Eigenresonanzen von schwingenden oder rotierenden Subsystemen der Einrichtung bewusst gewählt und verwendet, um den Wirkungsgrad der Energie¬ übertragung bzw. -Umwandlung weiter zu erhöhen und die inneren Verluste, wie bei¬ spielsweise Reibungen der Systeme weiter zu minimieren.
Ein weiterer Vorteil entsteht dann, wenn die Systeme so ausgelegt werden, dass die Eigenresonanzen der Subsysteme den nach Gleichung (3) analytisch berechenbaren Knotenpunktfrequenzen nach Global Scaling entsprechen, da die Resonanzeffekte da¬ durch insgesamt verstärkt werden.
Die Konstruktion der Einrichtungen muss dabei so gewählt werden, dass die Gehäuse und anderen schützenden Teile gerade dann nicht in Eigenschwingung versetzt wer¬ den, wenn die Subsysteme in Eigenresonanz sind, um die Stabilität und Haltbarkeit des Systems zu gewährleisten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Umwandlung kinetischer bzw. potenzieller Energie, insbesondere hydraulischer Flüssigkeiten in elektrische Energie basierend auf schwingenden hydraulischen Systemen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung des Sys¬ tems mit der Eigenresonanzfrequenz schwingender Subsysteme in Übereinstim¬ mung gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das schwingende ■ Subsystem eine Flüssigkeit ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenresonanzfre¬ quenz des Subsystems mit einer GS-Knotenpunktfrequenz zusammenfällt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf dem Wirkungsprinzip eines hydraulischen Widders beruht.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es auf dem Wirkungs¬ prinzip eines hydraulischen Kraftverstärkers beruht.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich¬ net, dass es zur deutlichen Wirkungsgraderhöhung bestehender Anlagen resp. Verfahren verwendet wird.
7. Einrichtung zur Umwandlung kinetischer bzw. potenzieller Energie, insbesondere hydraulischer Flüssigkeiten in elektrische Energie basierend auf schwingenden hydraulischen Systemen, wie zum Beispiel eines hydraulischen Widders, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) zwischen einem Stossventil und einem Druckventil und dem Gewicht des Stossventils in Verbindung mit der verwendeten Flüssigkeit und der sich daraus ergebenden Ausbreitungsgeschwindigkeit und Wellenlänge des Schalls so gewählt ist, dass eine stehende Druckwelle, also eine Schwingung mit einer Frequenz entsteht, die der Eigenresonanzfrequenz der Flüssigkeit entspricht.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) so gewählt ist, dass eine maximale Druckamplitude der Druckwelle am Druckventil (D) auftritt.
9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,, dass die Eigenresonanz¬ frequenz einer GS-Knotenpunktfrequenz entspricht.
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