WO2010034644A1 - Vorrichtung und verfahren zum wandeln von energie - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
- F03B17/00—Other machines or engines
- F03B17/005—Installations wherein the liquid circulates in a closed loop ; Alleged perpetua mobilia of this or similar kind
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
- F03G7/10—Alleged perpetua mobilia
Definitions
- the invention relates to a device and a method for converting energy.
- the kinetic energy of liquids can be used to generate mechanical energy.
- Liquid turbines for example, convert kinetic energy from liquids into rotational or rotational energy.
- the resulting mechanical energy can then be used directly or further converted into electrical energy, thermal energy or another form of energy.
- the kinetic energy of a liquid may be obtained from potential energy of the liquid when the liquid is at a higher level and the conversion to mechanical energy is at a lower level by dropping the liquid from the higher level to the lower level.
- the invention has for its object to further develop an apparatus and a method for providing mechanical energy.
- a device which includes a pump for pumping a liquid utilizing a capillary effect from a first height to a second level.
- the second height is higher than the first height.
- the presented device further comprises an energy converter for converting the potential energy of the liquid pumped from the pump to the second level into mechanical energy.
- a method which comprises pumping a liquid utilizing a capillary effect from a first height to a second level.
- the second height is higher than the first height.
- the method further comprises converting the potential energy of the fluid pumped from the pump to the second level into mechanical energy.
- the invention is based on the consideration that the capillary effect can be used to bring liquids to a higher potential energy level in a particularly efficient manner.
- Liquid can then be converted into mechanical energy.
- water can be selected as the liquid, but also any other liquid which is suitable for bridging a height difference in the pump used by means of the capillary effect.
- the pump comprises at least one capillary vessel for
- the pumping involves a liquid transporting the liquid from the first height to the second level through at least one capillary by means of the capillary effect, and maintaining a fluid movement of the liquid through the at least one capillary such that the liquid exits therefrom at an upper end of the at least one capillary.
- the means for maintaining a fluid flow of the liquid can be formed active or passive.
- An active design allows an increase in the quantitative flow rate of the liquid.
- the means for maintaining a flow movement of the liquid comprises means for generating a pressure at the lower end of the at least one capillary.
- Such means may, for example, be in the form of a conventional pump which actively pumps the liquid into the lower end of the at least one capillary.
- maintaining fluid flow of the fluid comprises creating a pressure at the lower end of the at least one capillary.
- the means for maintaining a fluid movement of the liquid comprises means for generating a suction at the upper end of the at least one capillary vessel.
- a suction can in turn be actively generated by means of a pump. Alternatively, it can be generated passively.
- maintaining a fluid flow of the fluid comprises Generating a suction at the upper end of the at least one capillary.
- the means for maintaining a fluid movement of the liquid comprises means formed to provide a column of liquid which communicates with the liquid at the top of the capillary at least one capillary directly communicates, and which due to gravity exerts a suction on the liquid in the at least one capillary.
- maintaining a fluid movement of the fluid comprises providing a fluid column which communicates directly with the fluid at the top of the at least one capillary and which by gravity exerts suction on the fluid in the at least one capillary.
- the device comprises a further pump for pumping a liquid utilizing a capillary effect from a third height to the first height, the first height being higher than the third height.
- a further pump for pumping a liquid utilizing a capillary effect from a third height to the first height, the first height being higher than the third height.
- the energy converter comprises a liquid turbine, for example in combination with a downpipe, in which the potential energy of the liquid can first be converted into kinetic energy, by means of which the liquid turbine can then be driven.
- a liquid turbine is used for energy conversion. If no mechanical energy is needed as useful energy, but another form of energy, then another energy converter can be provided.
- a device for converting the mechanical energy into electrical energy and / or heat energy Such a device may for example comprise a generator for converting the mechanical energy into electrical energy.
- the energy is converted into electrical energy and / or heat energy.
- electrical eg liquid turbine + generator
- mechanical eg liquid turbine
- heat energy eg by means of the aforementioned examples, supplemented by an electric heater or by frictional heat
- a potential advantage of the use also e.g. Active pumps besides passive pumps (e.g., gravity based only) are to increase the rate of flow through the capillary and other flow paths.
- Active pumps besides passive pumps e.g., gravity based only
- a water column following the gravitational field and directly hydraulically connected to the top of the capillary can be used. To do this, just imagine the described U - tube turned upside down. In this case, then pulls the weight of a water column in the formerly empty leg down and creates the suction.
- the capillary effect can be regarded as a partial or complete cancellation of the frictional resistance caused by the surface tension in the respective vessel. This makes it possible in this system presented here, method and / or apparatus for obtaining energy to use the gravity of the earth, a
- liquid e.g., water
- Hydroelectric power plants are known, energy converters are known.
- the combination of both or all components in the system presented here, which works everywhere on a heavy body is not yet known. Only systems that produce energy through the use of solar or other heat can be found. Systems, methods and / or devices that are based only on the gravity of a body and the physics of the capillary effect, however, are not known to the present state of knowledge.
- FIG. 1 is a schematic representation of a
- FIG. 2 is a schematic representation of possible details of
- Embodiment of Figure 1; 3 is a flowchart illustrating an embodiment of a method according to the invention; and FIG. 4 shows a schematic illustration of further possible details of the exemplary embodiment from FIG. 1.
- Figure 1 shows a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention.
- the device comprises a capillary pump 11 and a
- the energy converter 13 is located at the level of the lower end of the capillary pump 11.
- the capillary pump 11 pumps liquid, such as water, from its lower end to its upper end. For bridging the height difference she uses the capillary effect. From the upper end of the capillary pump 11, the liquid 12 is supplied to the energy converter 13. From the energy converter 13, it is in turn fed to the lower end of the capillary pump 11.
- the liquid at the upper end of the capillary pump 11 has a higher potential energy than the liquid at the lower end of the capillary pump 11. This potential energy is converted by the energy converter 13 into mechanical energy. For this purpose, the liquid flows from the upper end of the capillary 11 down. This transforms the potential energy of the fluid into kinetic energy, which in turn can be converted directly into mechanical energy by the energy converter 13.
- FIG. 2 shows a schematic illustration of possible details of the exemplary embodiment from FIG. 1.
- the capillary pump 11 comprises a liquid container 21 and a capillary vessel 22.
- the capillary vessel 22 may consist of a capillary or comprise a bundle of capillaries, for example.
- Capillary can be formed in the capillary 22, for example, as a long, thin cavity.
- the capillary 22 projects with its lower end into the liquid container 21.
- the capillary pump 11 further includes pressure generating means 23, which are arranged in the liquid container 21 at the lower end of the capillary 22.
- the pressure generating means 23 may be a conventional fluid pump operated by supplied electric power.
- the upper end of the capillary 22 is closed by one end of a U-shaped tube 24 turned upside down. On the side facing away from the capillary 22, the U-shaped tube 24 opens into a downpipe 25.
- a liquid turbine 26 is arranged as an exemplary energy converter 13.
- the downpipe 25 can be regarded as a part of the energy converter 13, depending on the expression but at the same time as part of the capillary pump 11. Between the liquid turbine 26 and the liquid container 21 exists a connection for draining liquid from the liquid turbine 26 into the liquid container 21.
- FIG. 3 shows a flowchart which illustrates an exemplary embodiment of a method according to the invention.
- the described actions do not run as self-contained steps one after the other, but continuously and in parallel.
- the capillary 22 transports liquid from the liquid container 21 by means of the capillary effect from its lower end to its upper end, and thus from a lower height to a higher level (action 31).
- the capillary effect is only suitable for allowing a liquid to rise above a certain level. It is not suitable for maintaining a fluid flow as soon as the liquid has reached the end of a capillary or the end of the maximum possible height of rise in a capillary.
- Flow for example, be maintained by the fact that at the upper end of the capillary 22 produces a suction which sucks the liquid out of the capillary 22.
- a suction can be generated for example by means of a conventional suction pump.
- the liquid at the top of the capillary 22 may communicate with a liquid column.
- Embodiment of Figure 2 may be located in the downpipe 25, a liquid column, which communicates via the U-shaped tube 24 with the liquid at the upper end of the capillary 22 in conjunction.
- the weight pulls the liquid column in the downpipe 25 down, and the
- Liquid column thereby exerts a suction on the liquid at the upper end of Kapillargefäßes 22 and thereby maintains the flow movement in the capillary 22 and thus in the entire cycle upright.
- liquid can be withdrawn due to the continuous flow of liquid through the capillary 22 (Action 33). Due to the height difference, the liquid has a higher potential energy than the liquid in the
- Liquid container 21 Liquid container 21.
- the liquid is now supplied via the U-shaped tube 24 to the downpipe 25 and dropped by the downpipe 25 (action 34). This converts the potential energy of the fluid into kinetic energy.
- the falling liquid drives the liquid turbine 26, which thus converts the kinetic energy of the falling liquid into mechanical energy (Action 35).
- the mechanical energy can be used directly as useful energy. Alternatively, however, it can also first be converted into another form of energy, for example into electrical energy by means of a generator, or into heat energy (action 36). Heat energy can be obtained directly from the mechanical energy, such as by friction, or indirectly by means of a heater from initially generated electrical energy.
- FIG. 4 shows a schematic representation of further possible details of the exemplary embodiment from FIG. 1, which can be combined with the details from FIG. 2 but need not.
- the device comprises a first buffer 41 for liquid into which the lower end of a first capillary pump 42 protrudes.
- the device comprises a second buffer 43 for liquid into which the lower end of a second capillary pump 44 protrudes.
- the second buffer 43 is arranged at a higher level than the first buffer 41, but not higher than the upper end of the first capillary pump 42.
- the apparatus comprises a third liquid tank 45 into which the lower end of a third Capillary pump 46 protrudes.
- the third latch 45 is disposed at a higher level than the second latch 43, but not higher than the upper end of the second capillary pump 44.
- the apparatus further includes a turbine 48, possibly coupled to one
- the device finally includes a drop tube 47 which begins at a level above the level of the third latch 45 but not higher than the upper end of the third capillary pump 46 and which ends at the turbine 48.
- the capillary pump 11 of Figure 1 can be seen in this embodiment as a combination of the first, second and third capillary 42, 44 and 46 of Figure 4.
- the individual capillary pumps 42, 44 and 46 can be operated, for example, similar to the capillary pump in the embodiment of Figure 2; however, they are cascaded in a row.
- the first capillary pump 42 pumps liquid from the first buffer 41 from its lower end to its upper end.
- the flow of liquid through the first capillary pump 42 is suitably maintained, and the liquid thus discharged from the upper end of the first capillary pump 42 is supplied to the second buffer 43.
- the second capillary pump 44 pumps liquid from the second latch 43 from its lower end to its upper end. Also, the fluid movement of the liquid through the second capillary pump 44 is suitably maintained. The from the upper end of the second capillary 44th leaking liquid is supplied to the third buffer 45.
- the third capillary pump 46 pumps liquid from the third buffer 45 from its lower end to its upper
- the flow of fluid through the third capillary pump 46 is maintained in a suitable manner.
- the liquid emerging from the upper end of the third capillary pump 46 is supplied to the downpipe 47.
- the liquid flowing through the downcomer 47 drives the turbine 48 and the turbine 48 optionally drives the generator.
- the device thus provides mechanical or electrical energy.
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Abstract
Zum Bereitstellen von mechanischer Energie pumpt eine Pumpe einer Flüssigkeit unter Ausnutzung eines kapillaren Effekts von einer ersten Höhe auf eine zweite Höhe. Die zweite Höhe ist dabei höher als die erste Höhe. Ein Energiewandler wandelt dann die potentielle Energie der von der Pumpe auf die zweite Höhe gepumpten Flüssigkeit in mechanische Energie um.
Description
Vorrichtung und Verfahren zum Wandeln von Energie
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Wandeln von Energie .
Die kinetische Energie von Flüssigkeiten kann genutzt werden, um mechanische Energie zu erzeugen. Flüssigkeitsturbinen, beispielsweise, wandeln kinetische Energie von Flüssigkeiten in eine Dreh- oder Rotationsenergie um. Die resultierende mechanische Energie kann dann direkt genutzt oder weiter in elektrische Energie, Wärmeenergie oder eine andere Energieform gewandelt werden.
Die kinetische Energie einer Flüssigkeit kann dabei beispielsweise aus potentieller Energie der Flüssigkeit gewonnen werden, wenn die Flüssigkeit auf einer höheren Höhe bereitsteht und die Wandlung in mechanische Energie auf einer niedrigeren Höhe erfolgt, indem die Flüssigkeit von der höheren Höhe zur niedrigeren Höhe fallengelassen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bereitstellen von mechanischer Energie weiter fortzubilden.
Es wird eine Vorrichtung vorgestellt, die eine Pumpe zum Pumpen einer Flüssigkeit unter Ausnutzung eines kapillaren Effekts von einer ersten Höhe auf eine zweite Höhe umfasst. Dabei ist die zweite Höhe höher als die erste Höhe. Die vorgestellte Vorrichtung umfasst ferner einen Energiewandler
zum Wandeln der potentiellen Energie der von der Pumpe auf die zweite Höhe gepumpten Flüssigkeit in mechanische Energie.
Des Weiteren wird ein Verfahren vorgestellt, das ein Pumpen einer Flüssigkeit unter Ausnutzung eines kapillaren Effekts von einer ersten Höhe auf eine zweite Höhe umfasst. Dabei ist die zweite Höhe höher als die erste Höhe. Das Verfahren umfasst ferner ein Wandeln der potentiellen Energie der von der Pumpe auf die zweite Höhe gepumpten Flüssigkeit in mechanische Energie.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass der kapillare Effekt genutzt werden kann, um Flüssigkeiten in einer besonders effizienten Weise auf ein höheres potentielles Energieniveau zu bringen. Die potentielle Energie der
Flüssigkeit kann dann in mechanische Energie umgewandelt werden .
Als Flüssigkeit kann hierzu beispielsweise Wasser gewählt werden, aber ebenso jede andere Flüssigkeit, die geeignet ist, in der eingesetzten Pumpe mittels des kapillaren Effekts eine Höhendifferenz zu überbrücken.
In einem Ausführungsbeispiel der vorgestellten Vorrichtung umfasst die Pumpe mindestens ein Kapillargefäß zum
Transportieren von Flüssigkeit von der ersten Höhe auf die zweite Höhe mittels des kapillaren Effekts, und zusätzlich Mittel zum Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit durch das mindestens eine Kapillargefäß, derart dass die Flüssigkeit an einem oberen Ende des mindestens einen Kapillargefäßes aus diesem austritt. In einem entsprechenden Verfahren umfasst das Pumpen einer Flüssigkeit
ein Transportieren der Flüssigkeit von der ersten Höhe auf die zweite Höhe durch mindestens ein Kapillargefäß mittels des kapillaren Effekts, und ein Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit durch das mindestens eine Kapillargefäß, derart dass die Flüssigkeit an einem oberen Ende des mindestens einen Kapillargefäßes aus diesem austritt .
Die Mittel zum Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit können dabei aktiv oder passiv ausgebildet sein. Eine aktive Ausgestaltung erlaubt dabei eine Steigerung des mengenmäßigen Durchsatzes der Flüssigkeit.
In einem Ausführungsbeispiel der vorgestellten Vorrichtung weisen die Mittel zum Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit Mittel zum Erzeugen eines Drucks am unteren Ende des mindestens einen Kapillargefäßes auf. Solche Mittel können zum Beispiel in Form einer herkömmlichen Pumpe gegeben sein, die die Flüssigkeit aktiv in das untere Ende des mindestens einen Kapillargefäßes hineinpumpt. In einem entsprechenden Verfahren umfasst das Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit ein Erzeugen eines Drucks am unteren Ende des mindestens einen Kapillargefäßes.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorgestellten
Vorrichtung weisen die Mittel zum Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit Mittel zum Erzeugen eines Sogs am oberen Ende des mindestens einen Kapillargefäßes auf. Ein derartiger Sog kann wiederum aktiv mittels einer Pumpe erzeugt werden. Alternativ kann er auch passiv erzeugt werden. In einem entsprechenden Verfahren umfasst das Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit das
Erzeugen eines Sogs am oberen Ende des mindestens einen Kapillargefäßes .
In einem Ausführungsbeispiel der vorgestellten Vorrichtung, in dem ein passiver Sog am oberen Ende des mindestens einen Kapillargefäßes erzeugt wird, weisen die Mittel zum Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit Mittel auf, die ausgeformt sind zum Bereitstellen einer Flüssigkeitssäule, die mit der Flüssigkeit am oberen Ende des mindestens einen Kapillargefäßes unmittelbar in Verbindung steht, und die aufgrund der Schwerkraft einen Sog auf dieFlüssigkeit in dem mindestens einen Kapillargefäß ausübt. In einem entsprechenden Verfahren umfasst das Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit ein Bereitstellen einer Flüssigkeitssäule, die mit der Flüssigkeit am oberen Ende des mindestens einen Kapillargefäßes unmittelbar in Verbindung steht, und die aufgrund der Schwerkraft einen Sog auf die Flüssigkeit in dem mindestens einen Kapillargefäß ausübt.
In einem Ausführungsbeispiel der vorgestellten Vorrichtung, umfasst die Vorrichtung eine weitere Pumpe zum Pumpen einer Flüssigkeit unter Ausnutzung eines kapillaren Effekts von einer dritten Höhe auf die erste Höhe, wobei die erste Höhe höher ist als die dritte Höhe. Zusätzlich kann eine beliebige Anzahl weiterer derartiger und nachfolgend angeordneter
Pumpen vorgesehen werden. Mit einer solchen Kaskade von Pumpen kann eine beliebige Höhendifferenz überbrückt werden. In einem entsprechenden Verfahren wird eine Flüssigkeit unter Ausnutzung eines kapillaren Effekts zunächst von einer dritten Höhe auf die erste Höhe gepumpt, wobei die erste Höhe höher ist als die dritte Höhe.
In einem Ausführungsbeispiel der vorgestellten Vorrichtung, umfasst der Energiewandler eine Flüssigkeitsturbine, beispielsweise in Kombination mit einem Fallrohr, in dem die potentielle Energie der Flüssigkeit zunächst in kinetische Energie umgewandelt werden kann, mittels der dann die Flüssigkeitsturbine angetrieben werden kann. In einem entsprechenden Verfahren wird zur Energiewandlung eine solche Flüssigkeitsturbine genutzt. Wird als Nutzenergie keine mechanische Energie benötigt, sondern eine andere Energieform, so kann ein weiterer Energiewandler vorgesehen werden. Ein Beispiel hierfür ist eine Einrichtung zum Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie und/oder Wärmeenergie. Eine solche Einrichtung kann beispielsweise einen Generator umfassen zum Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie. In einem entsprechenden Verfahren erfolgt eine Energieumwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie und/oder Wärmeenergie.
Es versteht sich, dass jedes Merkmal eines in diesem Text beschriebenen Ausführungsbeispiels beliebig mit den Merkmalen sämtlicher anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden kann.
Beispielhafte Ausführungsformen und Details der Erfindung können mit anderen Worten auch wie folgt beschrieben werden:
Das System, Verfahren und / oder Vorrichtung zum Gewinnen von Energie besteht aus einer Einheit (=Pumpe) die mittels des kapillaren Effektes eine Flüssigkeit im Schwerefeld eines Körpers auf ein höheres potentielles Energieniveau pumpt, sowie einer Einheit, in der die so gewonnene in der Flüssigkeit gespeicherte potentielle Energie durch Wandlung
in andere Energieformen, wie z.B. elektrische (z.B. Flüssigkeitsturbine + Generator) oder auch mechanische (z.B. Flüssigkeitsturbine) oder auch Wärmeenergie (z.B. mittels der vorgenannten Beispiele ergänzt durch eine elektrischen Heizkörper oder durch Reibungswärme) , vorgenommen wird.
Reicht die Wirkung des Kapillareffektes für die überbrückung einer Höhendifferenz nicht aus, so werden mehrere Stufen von Pumpen, die auf dem Kapillareffekt basieren, nacheinander geschaltet (=Kaskade von Pumpen) (Fig. 1, Fig. 4) .
In diesem System, Verfahren und / oder Vorrichtung findet kein Phasenübergang der Flüssigkeit statt und es wird auch keine Wärme oder irgendeine andere Strahlungsenergie benötigt. Als Beispiel für das Funktionieren der Pumpe auf kapillarer Basis seien Bäume und sonstige Pflanzen angeführt.
Die Funktionsweise von Pumpen, die auf dem Kapillareffekt basieren, lässt sich an Hand eines Experiments, das auch als Basis für Ausführungsformen dient, recht einfach erläutern. Nimmt man z.B. ein symmetrisches U - förmiges Rohr, mit beliebigen Querschnitt des Rohres, mit einer Schenkellänge von beispielsweise 20 Metern und füllt dieses senkrecht stehend (also den Gradienten des Schwerefeldes durchlaufend) im Schwerefeld eines Körpers zur Hälfte mit einer Flüssigkeit z.B. Wasser, so stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem beide Schenkel gleichhoch gefüllt sind (Stichwort: kommunizierende Röhren) . Verändert man die Konstruktion des U - Rohres nun derart, dass einer der Schenkel durch ein ein gleiches Volumen fassendes Kapillargefäß von ebenso 20 Meter Höhe ersetzt wird, das auch in der Lage ist Wasser 20 Meter hoch zu saugen, dann stellt sich ein neuer
Gleichgewichtszustand ein, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Wasser nun vollständig in das Kapillargefäß gezogen ist und nur noch der Bogen des U mit „freiem" Wasser gefüllt ist. Mithin haben wir eine Pegeldifferenz von in diesem Fall 20 Metern, die als Gleichgewichtszustand vorliegt. Bringt man nun durch einen Druck auf die Wassersäule unten am Bogen des U den Spiegel des „freien" Wassers nach unten, so wird dieser Druck durch einen Gegendruck, der sich durch einen erhöhten Wasserpegel am oberen Ende des Kapillargefäßes einstellt, widergespiegelt. Dabei wird keine Energie für das Anheben der 20 Meter Wassersäule aufgebracht, dies hat bereits der Kapillareffekt übernommen. Nur die Energie für die Verschiebung des Wasserpegels, wie für die Reibung in den Gefäßen muss erbracht werden, gleichsam so, als ob die Höhendifferenz überhaupt nicht vorhanden wäre. Daraus folgt: Sorgt man mittels Einbringen von Energie für eine Fließbewegung im Wasser und stellt gleichzeitig genügend Wasser zur Verfügung, so kann Wasser unten in das Kapillargefäß hineingepumpt werden und man erhält es oben, ohne Aufbringen der Energie für die Höhenüberbrückung aus dem Kapillargefäß, zurück. Alternativ kann auch oben am Kapillargefäß mittels Unterdruck, also Absaugen, gleiches erreicht werden.
Im Fall von Bäumen wird diese Pumpleistung und damit die
Fließbewegung in den Wurzeln und Kapillargefäßen durch Osmose erbracht. Dies lässt sich besonders gut im Frühling beobachten. Zu dieser Jahreszeit ist ein Verdampfungssog, also ein entleeren der Kapillaren durch Verdampfung mittels der Oberfläche der Blätter noch nicht vorhanden, dennoch platzen die Blattknospen durch den Wasserdruck, der durch die Osmose in den Wurzeln aufgebracht wird, auf und die Blätter
werden aufgepumpt. Flüssigkeit in Kapillargefäßen hat das Bestreben, diese immer weitest möglich, d.h. den Eigenschaften des Kapillargefäßes entsprechend, aufzufüllen. Daher spricht man, wird eine Kapillare durch Verdampfen der in ihr befindlichen Flüssigkeit entleert, von einem Sog, der durch die Verdampfung zustande kommt. (Dies ist semantisch eigentlich falsch, da hier Ursache und Wirkung nicht richtig zugeordnet werden.)
Ein möglicher Vorteil des Einsatzes auch z.B. aktiver Pumpen neben den passiven (z.B. nur auf der Schwerkraft beruhenden) Pumpen ist die Steigerung des mengenmäßigen Durchsatzes durch die Kapillar- wie sonstigen Fließwege. Einzig zu berücksichtigen ist bei der konstruktiven Auslegung, dass bei erhöhter Fließgeschwindigkeit naturgemäß die Reibungsverluste steigen.
Als Beispiel eines Soges am oberen Ende kann eine Wassersäule, die dem Schwerefeld folgt und mit dem oberen Ende des Kapillargefäßes direkt hydraulisch verbunden ist, genutzt werden. Hierzu stelle man sich einfach das beschriebene U - Rohr auf den Kopf gestellt vor. Dabei zieht dann die Gewichtskraft einer Wassersäule in dem vormals leeren Schenkel nach unten und erzeugt den Sog.
Mit anderen Worten: Pumpt man auf niedrigem potentiellem Niveau eine geeignete Flüssigkeit in ein entsprechend angeordnetes Kapillargefäß hinein, so erhält man auf höherem potentiellem Niveau diese Flüssigkeit unter dem selben Pumpdruck vermindert nur um die Verluste durch den
Strömungswiderstand des Fließweges. Diese kann dann als mit geringem energetischem Aufwand gepumpte Flüssigkeit auf
höherem potentiellem Niveau genutzt werden. Hier z.B. auch für die Energiegewinnung in einem Flüssigkeitskraftwerk.
Der Strömungswiderstand der Fließwege unterliegt ebenso wie die Transportkapazität der Kapillarpumpe, wie die
Leistungsfähigkeit des gesamten Systems im Prinzip keinerlei Beschränkung und ist letztendlich Auslegung der Konstruktion an die Gegebenheiten und Anforderungen.
Der Kapillareffekt kann als teilweise oder vollständige Aufhebung des durch die Oberflächenspannung verursachten Reibungswiderstandes im jeweiligen Gefäß angesehen werden. Dadurch wird es in diesem hier vorgestellten System, Verfahren und / oder Vorrichtung zum Gewinnen von Energie möglich die Schwerkraft der Erde dazu zu nutzen, eine
Flüssigkeit (z.B. Wasser) in einer entsprechend dargestellten Kapillarleitung auf größere Höhe zu pumpen.
Stand der bekannten Technik: Kapillare Pumpen sind bekannt (siehe: Pflanzen),
Wasserkraftwerke sind bekannt, Energiewandler sind bekannt. Die Kombination beider oder aller Komponenten in dem hier vorgestellten System, das überall auf einem schweren Körper funktioniert ist bisher nicht bekannt. Zu finden sind lediglich Systeme, die über den Einsatz solarer oder sonstiger Wärme Energie produzieren. Systeme, Verfahren und / oder Vorrichtungen, die nur auf der Schwerkraft eines Körpers und der Physik des Kapillareffektes beruhen sind jedoch nach heutigem Wissensstand nicht bekannt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von beispielhaften Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 2 eine schematische Darstellung möglicher Details des
Ausführungsbeispiels aus Figur 1; Fig. 3 ein Flussdiagram, das ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert; und Fig. 4 eine schematische Darstellung weiterer möglicher Details des Ausführungsbeispiels aus Figur 1.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Vorrichtung umfasst eine Kapillarpumpe 11 und einen
Energiewandler 13. Der Energiewandler 13 befindet sich in der Höhe des unteren Endes der Kapillarpumpe 11. Die Kapillarpumpe 11 pumpt Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, von ihrem unteren Ende zu ihrem oberen Ende . Für die Überbrückung der Höhendifferenz nutzt sie dabei den kapillaren Effekt. Von dem oberen Ende der Kapillarpumpe 11 wird die Flüssigkeit 12 dem Energiewandler 13 zugeführt . Von dem Energiewandler 13 wird sie wiederum dem unteren Ende der Kapillarpumpe 11 zugeführt.
Die Flüssigkeit am oberen Ende der Kapillarpumpe 11 weist eine höhere potentielle Energie auf, als die Flüssigkeit am unteren Ende der Kapillarpumpe 11. Diese potentielle Energie wird von dem Energiewandler 13 in mechanische Energie umgewandelt. Hierzu strömt die Flüssigkeit vom oberen Ende der Kapillarpumpe 11 nach unten. Dadurch wandelt sich die potentielle Energie der Flüssigkeit in kinetische Energie,
die wiederum von dem Energiewandler 13 unmittelbar in mechanische Energie umgesetzt werden kann.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung möglicher Details des Ausführungsbeispiels aus Figur 1.
Die Kapillarpumpe 11 umfasst in diesem Fall einen Flüssigkeitsbehälter 21 und ein Kapillargefäß 22. Das Kapillargefäß 22 kann zum Beispiel aus einer Kapillare bestehen oder ein Bündel von Kapillaren aufweisen. Eine
Kapillare kann in dem Kapillargefäß 22 beispielsweise als langer, dünner Hohlraum ausgebildet sein. Das Kapillargefäß 22 ragt mit seinem unteren Ende in den Flüssigkeitsbehälter 21 hinein. Die Kapillarpumpe 11 umfasst des weiteren Druckerzeugungsmittel 23, die in dem Flüssigkeitsbehälter 21 am unteren Ende des Kapillargefäßes 22 angeordnet sind. Die Druckerzeugungsmittel 23 können eine konventionelle Flüssigkeitspumpe sein, die mittels zugeführter elektrischer Energie betrieben wird.
Das obere Ende des Kapillargefäßes 22 wird durch ein Ende eines auf den Kopf gedrehten U-förmigen Rohrs 24 abgeschlossen. Auf der dem Kapillargefäß 22 abgewandten Seite mündet das U-förmige Rohr 24 in einem Fallrohr 25. Auf der Höhe des Flüssigkeitsbehälters 21 und unmittelbar unter dem Fallrohr 25 ist eine Flüssigkeitsturbine 26 als beispielhafter Energiewandler 13 angeordnet. Das Fallrohr 25 kann dabei als ein Teil des Energiewandlers 13 angesehen werden, je nach Ausprägung aber gleichzeitig auch als ein Teil der Kapillarpumpe 11. Zwischen der Flüssigkeitsturbine 26 und dem Flüssigkeitsbehälter 21 existiert eine Verbindung
zum Ableiten von Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsturbine 26 in den Flüssigkeitsbehälter 21.
Die Funktionsweise der Vorrichtung aus Figur 2 wird nun Anhand von Figur 3 näher erläutert. Figur 3 zeigt ein Flussdiagram, das ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert. Die beschriebenen Aktionen laufen dabei nicht als in sich abgeschlossene Schritte nacheinander, sondern kontinuierlich und parallel zueinander ab.
Das Kapillargefäß 22 transportiert Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter 21 mittels des kapillaren Effekts von seinem unteren Ende zu seinem oberen Ende, und damit von einer niedrigeren Höhe zu einer höheren Höhe (Aktion 31) .
Der kapillare Effekt ist jedoch lediglich geeignet, eine Flüssigkeit über eine gewisse Höhe ansteigen zu lassen. Er ist nicht geeignet, eine Fließbewegung der Flüssigkeit aufrechtzuerhalten, sobald die Flüssigkeit das Ende einer Kapillare bzw. das Ende der maximal möglichen Steighöhe in einer Kapillare erreicht hat.
Daher wird durch zusätzliche passive oder aktive Maßnahmen die Fließbewegung der Flüssigkeit durch das Kapillargefäß 22 aufrechterhalten (Aktion 32) . Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass auf die Flüssigkeit am unteren Ende des Kapillargefäßes 22 durch Druckerzeugungsmittel 23 ein Druck auf die Flüssigkeit ausgeübt wird und diese so in das Kapillargefäß 22 hineingepumpt wird. Alternative kann die
Fließbewegung beispielsweise dadurch aufrechterhalten werden, dass am oberen Ende des Kapillargefäßes 22 ein Sog erzeugt
wird, der die Flüssigkeit aus dem Kapillargefäß 22 hinaussaugt. Ein solcher Sog kann beispielsweise mittels einer konventionellen Saugpumpe erzeugt werden. Alternativ kann die Flüssigkeit am oberen Ende des Kapillargefäßes 22 mit einer Flüssigkeitssäule in Verbindung stehen. In dem
Ausführungsbeispiel von Figur 2 kann sich in dem Fallrohr 25 eine Flüssigkeitssäule befinden, die über das U- förmige Rohr 24 mit der Flüssigkeit am oberen Ende des Kapillargefäßes 22 in Verbindung steht. Die Gewichtskraft zieht die Flüssigkeitssäule in dem Fallrohr 25 nach unten, und die
Flüssigkeitssäule übt dadurch einen Sog auf die Flüssigkeit am oberen Ende des Kapillargefäßes 22 aus und hält dadurch die Fließbewegung in dem Kapillargefäß 22 und somit in dem gesamten Kreislauf aufrecht.
Am oberen Ende des Kapillargefäßes 22 kann aufgrund der stetigen Fließbewegung von Flüssigkeit durch das Kapillargefäß 22 Flüssigkeit entnommen werden (Aktion 33) . Die Flüssigkeit hat dabei aufgrund der Höhendifferenz eine höhere potentielle Energie als die Flüssigkeit in dem
Flüssigkeitsbehälter 21.
Die Flüssigkeit wird nun über das U- förmige Rohr 24 dem Fallrohr 25 zugeführt und durch das Fallrohr 25 fallengelassen (Aktion 34). Hierdurch wird die potentielle Energie der Flüssigkeit in kinetische Energie umgewandelt.
Die fallende Flüssigkeit treibt die Flüssigkeitsturbine 26 an, die somit die kinetische Energie der fallenden Flüssigkeit in mechanische Energie umwandelt (Aktion 35) .
Nach dem Antreiben der Flüssigkeitsturbine 26 kann die
Flüssigkeit wieder dem Flüssigkeitsbehälter 21 zugeführt werden.
Die mechanische Energie kann unmittelbar als Nutzenergie genutzt werden. Alternative kann sie aber auch zunächst in eine andere Energieform umgewandelt werden, zum Beispiel in elektrische Energie mittels eines Generators, oder in Wärmeenergie (Aktion 36) . Wärmeenergie kann dabei direkt aus der mechanischen Energie erhalten werden, etwa mittels Reibung, oder indirekt mittels einer Heizung aus zunächst erzeugter elektrischer Energie.
Figur 4 zeigt schließlich eine schematische Darstellung weiterer möglicher Details des Ausführungsbeispiels aus Figur 1, die mit den Details aus Figur 2 kombiniert werden können aber nicht müssen.
Das Ausführungsbeispiel aus Figur 4 ist für den Fall vorgesehen, dass die Wirkung des Kapillareffektes für die Überbrückung einer gewünschten Höhendifferenz nicht ausreicht .
Die Vorrichtung umfasst einen ersten Zwischenspeicher 41 für Flüssigkeit, in die das untere Ende einer ersten Kapillarpumpe 42 hineinragt. Die Vorrichtung umfasst einen zweiten Zwischenspeicher 43 für Flüssigkeit, in die das untere Ende einer zweiten Kapillarpumpe 44 hineinragt. Der zweite Zwischenspeicher 43 ist auf einer höheren Höhe angeordnet als der erste Zwischenspeicher 41, jedoch nicht höher als das obere Ende der ersten Kapillarpumpe 42. Die Vorrichtung umfasst einen dritten Zwischenspeicher 45 für Flüssigkeit, in die das untere Ende einer dritten
Kapillarpumpe 46 hineinragt. Der dritte Zwischenspeicher 45 ist auf einer höheren Höhe angeordnet als der zweite Zwischenspeicher 43, jedoch nicht höher als das obere Ende der zweiten Kapillarpumpe 44. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren eine Turbine 48, eventuell gekoppelt mit einem
Generator, auf der Höhe des ersten Zwischenspeichers 41. Die Vorrichtung umfasst schließlich ein Fallrohr 47, das auf einer Höhe oberhalb der Höhe des dritten Zwischenspeichers 45 jedoch nicht höher als das obere Ende der dritten Kapillarpumpe 46 beginnt, und das an der Turbine 48 endet.
Die Kapillarpumpe 11 aus Figur 1 kann in diesem Ausführungsbeispiel als Kombination der ersten, zweiten und dritten Kapillarpumpe 42, 44 und 46 aus Figur 4 angesehen werden. Die einzelnen Kapillarpumpen 42, 44 und 46 können beispielsweise ähnlich betrieben werden, wie die Kapillarpumpe in dem Ausführungsbeispiel aus Figur 2; sie sind jedoch kaskadenartig hintereinander geschaltet.
Die erste Kapillarpumpe 42 pumpt Flüssigkeit aus dem ersten Zwischenspeicher 41 von ihrem unteren Ende an ihr oberes Ende. Die Fließbewegung der Flüssigkeit durch die erste Kapillarpumpe 42 wird auf geeignete Weise aufrecht erhalten, und die somit aus dem oberen Ende der erste Kapillarpumpe 42 austretende Flüssigkeit wird dem zweiten Zwischenspeicher 43 zugeführt .
Die zweite Kapillarpumpe 44 pumpt Flüssigkeit aus dem zweiten Zwischenspeicher 43 von ihrem unteren Ende an ihr oberes Ende. Auch die Fließbewegung der Flüssigkeit durch die zweite Kapillarpumpe 44 wird auf geeignete Weise aufrecht erhalten. Die aus dem oberen Ende der zweiten Kapillarpumpe 44
austretende Flüssigkeit wird dem dritten Zwischenspeicher 45 zugeführt .
Die dritte Kapillarpumpe 46 pumpt Flüssigkeit aus dem dritten Zwischenspeicher 45 von ihrem unteren Ende an ihr oberes
Ende. Auch die Fließbewegung der Flüssigkeit durch die dritte Kapillarpumpe 46 wird auf geeignete Weise aufrecht erhalten. Die aus dem oberen Ende der dritten Kapillarpumpe 46 austretende Flüssigkeit wird dem Fallrohr 47 zugeführt.
Die durch das Fallrohr 47 strömende Flüssigkeit treibt die Turbine 48 an und die Turbine 48 gegebenenfalls den Generator. Die Vorrichtung stellt also mechanische oder elektrische Energie zur Verfügung.
Anstelle einer Kaskade mit drei Kapillarpumpen kann auch eine Kaskade mit einer beliebigen anderen Anzahl von Kapillarpumpen eingesetzt werden.
Es versteht sich, dass die beschriebenen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind, die im Rahmen der Ansprüche auf vielfältige Weise modifiziert und/oder ergänzt werden können.
Claims
1. Vorrichtung umfassend
- eine Pumpe zum Pumpen einer Flüssigkeit unter Ausnutzung eines kapillaren Effekts von einer ersten Höhe auf eine zweite Höhe, wobei die zweite Höhe höher ist als die erste Höhe,- und
- einen Energiewandler zum Wandeln der potentiellen Energie der von der Pumpe auf die zweite Höhe gepumpten Flüssigkeit in mechanische Energie.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Pumpe folgendes umfasst :
- mindestens ein Kapillargefäß zum Transportieren von Flüssigkeit von der ersten Höhe auf die zweite Höhe mittels des kapillaren Effekts; und
- Mittel zum Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit durch das mindestens eine Kapillargefäß, derart dass die Flüssigkeit an einem oberen Ende des mindestens einen Kapillargefäßes aus diesem austritt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Mittel zum Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit Mittel zum Erzeugen eines Drucks am unteren Ende des mindestens einen Kapillargefäßes aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, wobei die Mittel zum Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit Mittel zum Erzeugen eines Sogs am oberen Ende des mindestens einen Kapillargefäßes aufwe.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Mittel zum Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit Mittel aufweisen, die ausgeformt sind zum Bereitstellen einer Flüssigkeitssäule, die mit der Flüssigkeit am oberen Ende des mindestens einen
Kapillargefäßes in Verbindung steht, und die aufgrund der Schwerkraft einen Sog auf die Flüssigkeit in dem mindestens einen Kapillargefäß ausübt.
6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend eine weitere Pumpe zum Pumpen einer Flüssigkeit unter Ausnutzung eines kapillaren Effekts von einer dritten Höhe auf die erste Höhe, wobei die erste Höhe höher ist als die dritte Höhe.
7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Energiewandler eine Flüssigkeitsturbine umfasst .
8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Einrichtung zum Wandeln der mechanische Energie in elektrische Energie und/oder Wärmeenergie .
9. Verfahren umfassend
Pumpen einer Flüssigkeit unter Ausnutzung eines kapillaren Effekts von einer ersten Höhe auf eine zweite Höhe, wobei die zweite Höhe höher ist als die erste Höhe; und - Wandeln der potentiellen Energie der von der Pumpe auf die zweite Höhe gepumpten Flüssigkeit in mechanische Energie .
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Pumpen einer Flüssigkeit folgendes umfasst:
- Transportieren der Flüssigkeit von der ersten Höhe auf die zweite Höhe durch mindestens ein Kapillargefäß mittels des kapillaren Effekts; und
- Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit durch das mindestens eine Kapillargefäß, derart dass die Flüssigkeit an einem oberen Ende des mindestens einen Kapillargefäßes aus diesem austritt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit ein Erzeugen eines Drucks am unteren Ende des mindestens einen Kapillargefäßes umfasst.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit ein Erzeugen eines Sogs am oberen Ende des mindestens einen Kapillargefäßes umfasst.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Aufrechterhalten einer Fließbewegung der Flüssigkeit ein Bereitstellen einer Flüssigkeitssäule umfasst, die mit der Flüssigkeit am oberen Ende des mindestens einen
Kapillargefäßes in Verbindung steht, und die aufgrund der Schwerkraft einen Sog auf die Flüssigkeit in dem mindestens einen Kapillargefäß ausübt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, umfassend Pumpen einer Flüssigkeit unter Ausnutzung eines kapillaren Effekts von einer dritten Höhe auf die erste Höhe, wobei die erste Höhe höher ist als die dritte Höhe.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Wandeln der potentiellen Energie der von der Pumpe auf die zweite Höhe gepumpten Flüssigkeit in mechanische Energie mittels einer Flüssigkeitsturbine erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die mechanische Energie in elektrische Energie und/oder
Wärmeenergie umgewandelt wird.
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