DE2422855C3 - Flüssigkeitssäulenmaschine - Google Patents

Description

S Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitssäulenmaschine, umfassend einen Flüssigkeitsbehälter mit absperrbarem, mit einer Flüssigkeitsquelle, insbesondere mit einem offenen Gewässer verbundenen Einlaß und untenliegendem, absperrbarem Ablaß sowie eine mit

ίο dem oberen Ende des Behälters in Verbindung stehende Zylinder-Kolben-Anordnung, wobei der Einlaß unterhalb des unteren Totpunkts der Kolbens liegt

Eine derartige Maschine ist bekannt (DT-PS 406 134). Hierbei bildet der Behälter gleichzeitig den

is Zylinder der Zylinder-Kolben-Anordnung, und der Zylinder wird abwechselnd auf seiner Oberseite und seiner Unterseite mit dem Differenzdruck beaufschlagt, der sich aus der Fallhöhe des Gewässers ergibt Um den Kolben abwechselnd nach unten und oben zu schieben, hierzu den Kolben abwechselnd auf seiner Ober- und Unterseite mit dem Oberwasser zu beaufschlagen und dabei jeweils das auf der anderen Seite des Kolbens befindliche Wasser zum Unterwasser hin auszutreiben, sind Einlasse und Auslässe am unteren und oberen Ende des Behälters, also insgesamt vier Einlaß- und Auslaßventile erforderlich. Ein Nachtes: der bekannten Maschine ergibt sich dabei dann, wenn die Hin- und Herbewegung des Kolbens in üblicher Weise, beispielsweise mittels eines Kurbelantriebs, in eine Drehbewegung umgewandelt werden soll. Dabei ist ein derartiger Bewegungsverlauf des Kolbens erforderlich, daß dessen Geschwindigkeit in den Totpunkten zu Null wird, dagegen in der Mitte zwischen diesen ein Maximum erreicht Dieses Geschwindigkeitsmaximum ist jedoch bei der bekannten Maschine davon abhängig, wie schnell das Wasser durch den jeweils geöffneten Auslaß ausgeschoben werden kann. Die Auslässe müssen also hinsichtlich ihres Querschnitts für die maximale Geschwindigkeit des Kolbeiis und somit relativ groß bemessen werden, was zu einem entsprechenden Bauaufwand der an ihnen angeordneten Ventile führt Dies gilt insbesondere dann, wenn die Maschine bei Fallhöhen zum Einsatz kommen soll, die in der Größenordnung der Höhe der dem Umgebungsdruck entsprechenden Flüssigkeitssäule liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitssäulenmaschine mit geringem Bauaufwand so weiterzubilden, daß bei zur Verfügung stehenden Fallhöhen, die etwas größer als die Höhe der dem

so Umgebungsdruck entsprechende Flüssigkeitssäule sind, ein ruhiger Lauf des Kolbens erreicht wird.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Flüssigkeitssäulenmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die bis zu dem im oberen Totpunkt

SS befindlichen Kolben gemessene Gesamthöhe von Behälter und Zylinder über dem Ablaß größer ist als die Höhe der dem Umgebungsdruck entsprechenden Flüssigkeitssäule. Bei der Maschine gemäß der Erfindung ist die

Geschwindigkeit des Kolbens während des Arbeitshubs nicht mehr an die jeweilige Geschwindigkeit der Wassersäule gebunden; beim Arbeitshub des Kolbens aus seinem oberen Totpunkt heraus kann er dem sich unter ihm bildenden Vakuum mit beliebiger Geschwin-

6s digkeit folgen, solange er hierbei die abfließende Flüssigkeitssäule nicht berührt Da der Kolben aus dem oberen Totpunkt beginnend mit der Geschwindigkeit Null anläuft und erst zwischen oberem und unterem

Totpunkt sein Geschwindigkeitsmaximum erreicht, kann dieses Geschwindigkeitsmaximum größer sein als diejenge Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeitssäule abläuft, wenn ihre Höhe derjenigen Stellung des Kolbens entspricht, bei der er sein Geschwindigkeitsmaximum aufweist

Eine Maschine gemäß der Erfindung ist aufgrund ihrer einfachen Bauart zu vielseitiger Verwendung geeignet In Flüsse mit relativ geringem Gefälle und großer pro Zeiteinheit zur Verfugung stehender Wassermenge kann bei entsprechender Kanalisierung oder Stauung eine Maschine mit einer Vielzahl von Flüssigkeitsbehältern und Zylinder-Kolben-Einheiten eingebaut werden, sofern nur die zur Verfugung stehende Fallhöhe etwas größer als die Höhe der dem Luftdruck entsprechenden Wassersäule ist Die einfache Bauart erlaubt auch einen Betrieb mit Abwässern. So kann eine Maschine gemäß der Erfindung beispielsweise in ein Hochhaus eingebaut werden, um aus den abfließenden Abwässern Energie zurückzugewinnen. In entsprechend größerem Maßstab ist es gleichfalls möglich, aus den in der Kanalisation von Großstädten fließenden Abwasserströmen Energie zu gewinnen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert in denen ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt ist Es zeigt

F i g. 1 eine hydrostatische Maschine gemäß der Erfindung,

Fig.2 und 3 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Maschine gemäß F i g. 1,

Fig.4 einen Teil einer abgewandelten Ausführung der Maschine gemäß Fig. t.

Die Maschine gemäß F i g. 1 umfaßt einen Flüssigkeitsbehälter 10, der nahe seinem unteren Ende ein Auslaßrohr 12 aufweist in das ein von einem Stellantrieb 14 verstellbares Ventil 16 eingeschaltet ist Der Behälter 10 weist eine Höhe auf, die größer ist als die Höhe der dem Umgebungsdruck entsprechenden Wassersäule. Beispielsweise kann bei einem Luftdruck von annähernd 10 m die Höhe des Behälters 10 über dem Ablaß 13 m betragen. Der Behälter 10 ist aus einem offenen Gewässer 18, dessen Flüssigkeitsstand mindestens der Höhe des Behälters 10 entspricht, über ein, Einlaßrohr 20 befüllbar, in das ein von einem Stellantrieb 22 verstellbares Vent!¹ 24 eingeschaltet ist. Der obere Teil des Behälters 10 dient gleichzeitig als Zylinder 26 einer Zylinder-Kolben-Anordnung, die einen im Zylinder 28 abgedichtet geführten Kolben 28 umfaßt Dieser arbeitet über seine Kolbenstange 30, eine Geradführung 32 und ein Pleuel 34 auf eine Kurbelwelle 36. Sind weitere, nicht gezeigte Flüssigkeitsbehälter und Kolben-Zylinder-Anordnungen vorgesehen, so arbeiten deren Kolben gemeinsam auf die Kurbelwelle 36, wobei die Kolben einen gegeneinander phasenverschobenen Bewegungsablauf haben. Die jeweilige Stellung der Kurbelwelle 36 und damit des Kolbens 28 ist mittels eines Stellungsgebers 38 als elektrisches Signal erfaßbar.

Bei der beschriebenen Anordnung hat der Kolben 18 in seinem oberen Totpunkt eine Höhe von 13 m über dem Ablaßrohr 12. Der Hubweg des Kolbens 28 ist so bemessen, daß er mindestens der Differenz zwischen derjenigen Höhe von 13 m, bis zu der der Behälter 10 befüllbar ist, und der Höhe von 10 m der dem Umgebungsdruck entsprechenden Flüssigkeitssäule über dem Ablaßrohr 12 entspricht, also mindestens 3 m beträgt. Der untere, in Fi g. 1 gestrichelt eingezeichnete Totpunkt des Kolbens 28 liegt also in einer Höhe von 10 m ober dem Ablaßrohr 22 oder tiefer, worauf noch einzugehen sein wird. Das Einlaßrohr 20 mündet in den Behälter 10 in einer Höhe, die in jedem Falle bei im unteren Totpunkt befindlichem Kolben 28 noch eine

Befüllung des Behälters 10 zuläßt Beispielsweise kann das Einlaßrohr 20 in einer Höhe von 8,80 m über dem Auslaßrohr 12 münden,

Grundsätzlich könnte der Kolben 28 als Tauchkolben ausgeführt sein. Beim Ausführungsbeispiel ist er jedoch,

ίο wie bereits erwähnt abgedichtet im Zylinder 26 geführt und die Kolbenstange 30 ist abgedichtet durch die obere Stirnseite des Zylinders 26 hindurchgeführt so daß der Zylinder 26 auf der der Saugseite des Kolbens 28 abgewandten Seite abgedichtet ist Dieser abgedichtete

ij Raum steht über ein von einem Stellantrieb 40 verstellbares Ventil 42 mit der Umgebung in Verbindung.

Die zyklische Steuerung der Ventile 16, 24 der Maschine- und beim Ausführungsbeispiel zusätzlich auch des Ventils 42 erfolgt mittels einer Steuervorrichtung 44 über Leitungen 46, 48, 50. Die Steuervorrichtung 44 erzeugt hierzu elektrische Stellsignale, die den Stellantrieben 14, 22, 40 zugeführt werden. Diese Stellsignale werden in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des

2s Stelli'.ngsgebers 38 erzeugt Zusätzlich kann die Erzeugung der Steiisignale auch in Abhängigkeit vom Ausgangssignal einer Sonde 52 erfolgen, die dieses Ausgangssignal dann erzeugt wenn die Flüssigkeitssäule im Behälter 10 ihren niedrigsten zulässigen Stand erreicht.

Der Ablauf eines Steuerzyklus sei zunächst anhand von F i g. 1 in Verbindung mit F i g. 2 erläutert In F i g. 2 zeigt die Kurve V24 die Stellung des Ventils 24, die Kurve V16 die Stellung des Ventils 16, die Kurve V42 die Stellung des Ventils 42, die Kurve N den Stand der Flüssigkeitssäule im Behälter 10 und die Kurve Z die Stellung des Kolbens 28, jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t Zunächst ist das Einlaßventil 24 geö'fnet, das Auslaßventil 16 abgesperrt und das Ventil 42 geöffnet Dadurch wird der Behälter 10 bis zum maximalen Stand ar Flüssigkeitssäule befüllt wenn sich der Kolben 28 gemäß Kurve Z in seiner oberen Totpunktlage befindet Wird nun das Einlaßventil 24 geschlossen und das Auslaßventil 16 geöffnet, so fließt Wasser aus dem Auslaßventil 16 ab, und die Flüssigkeitssäule im Behälter 10 sinkt gemäß Kurve Λ/ab. Dabei bildet sich über ihr ein Vakuum, durch dessen Saugwirkung der Kolben 28 gemäß Kurve Z nach unten gezogen wird und dem Spiegel der Flüssigkeitssäule folgt, bis zur Teil U die untere Totpunkflage erreicht ist Diese Bewegung erfolgt zeitlich annähernd linear, da sich die Gesamthöhe der Flüssigkeitsä-jle nicht sehr stark ändert.

'") Abänderung des beschriebenen Verlaufs könnte auch beim Offnen des Abschlußventils 16 zunächst das

SS Ventil 42 geschlossen bleiben, wodurch der Kolben 28 an einer Abwärtsbewegung gehindert würde. Diese Bewegung würde somit erst dann erfolgen, wenn das Ventil 42 geöffnet wird. Die sich hierbei ergebende absatzweise Betriebsweise ist jedoch nur für Sonderfälle geeignet, insbesondere für den Fall, daß nur eine einzige Zylinder-Kolben-Anordnung auf die Kurbelwelle 36 arbeitet und diese nicht kontinuierlich umläuft.

Nach Erreichen des unteren Totpunkts zur Zeit /, wird das Ablaßventil 16 geschlossen, während gleichzeitig das Einlaßventil 24 geöffnet wird. Der Behälter wird nun wieder bis zu seinem ursprünglichen Stand gefüllt, während gleichzeitig der Kolben 28 unter dem hydrostatischen Druck des Wassers im Gewässer 18

angehoben und ggf. durch weitere auf die Kurbelwelle 36 wirkende Kolben mitgenommen wird, bis er wieder seinen oberen Totpunkt erreicht. Diese Bewegung ist nicht in allen Fällen linear, da die vom hydrostatischen Druck des Gewässers 18 auf die Unterseite des Kolbens 28 ausgeübte Kraft mit dessen Bewegung nach oben abnimmt. Diese Wirkung ist jedoch vorteilhaft, da sich hierdurch der zeitliche Verlauf der Bewegung des Kolbens 28 einer Cosinus-Funktion nähert, die gegenüber einem aus linearen Abschnitten Zusammengesetzten Dreieckverlauf der Kurve Z einen ruhigeren, gleichmäßigen Lauf der Kurbelwelle 36 bedeutet.

Der genannte cosinusförmige Verlauf der Bewegung des Kolbens 28 kann durch geeignete Steuerung der Ventile 16,24,42 weiter unterstützt werden. Dies sei im folgenden anhand von F i g. 1 in Verbindung mit F i g. 3 erläutert. Hierbei ist wieder von der gleichen Ausgangsstellung wie in F i g. 2 ausgegangen. Das Ablaßventil 16 wird jedoch nicht plötzlich voll geöffnet und ebenso plötzlich geschlossen, sondern sein Öffnungsquerschnitt wird annähernd entsprechend einer Sinus-Funktion verstellt. Hierdurch ergibt sich für das Absinken der Flüssigkeitssäule gemäß Kurve Nund für die Bewegung des Kolbens 28 gemäß Kurze Z ein cosinusförmiger Verlauf, bis zu einer Zeit fi, deir untere Totpunkt erreicht ist. Die Zeit W ist größer als fi wenn der gleiche maximale Durchflußquerschnitt des Ablaßventils 16 beibehalten wird. Durch sachgemäße Wahl dieses Querschnitts können jedoch sowohl fi als auch W weitgehend beliebig gewählt werden.

Alternativ zum Verlauf der Kurve N in F i g. 3 ist es auch möglich, bei entsprechend großem Durchflußquerschnitt des Ablaßventils 16 ein sehr schnelles Absinken der Flüssigkeitssäule im Behälter 10 zu erreichen, eine ebenso schnelle Abwärtsbewegung des Kolbens 28 jedoch dadurch zu vermeiden, daß während dieser Abwärtsbewegung in Saugrichtung das Ventil 42 mehr oder weniger geschlossen wird. Das Ablaßventil 16 muß in diesem Fall früher als zu demjenigen Zeitpunkt t\' geschlossen werden, zu dem der Kolben 28 den unteren Totpunkt erreicht.

Aus Fig.3 geht weiter hervor, wie eine Cosinus-Funktion der anschließendem Aufwärtsbewegung des Kolbens 28 gefördert werden kann. So kann das Einlaßventil 24 gemäß Kurve V24 langsam und kontinuierlich bis zu seinem vollen Durchtrittsquerschnitt geöffnet werden, und/oder das Ventil 42 kann zu Beginn der Bewegung des Kolbens 28 entgegen der Saugrichtung zunächst geschlossen und anschließend langsam geöffnet werden, so daß der Kolben 28 gegen einen gewissen Staudruck anlaufen muß. Die zweite Maßnahme ist allerdings wegen der mit der Drosselung des Luftstroms im Ventil 42 verbundenen Verluste nur für Sonderfälle geeignet

Sobald sich der Kolben 28 wieder in der oberen Totpunktlage befindet, wird ggf. unter ihm angesammeltes Gas durch eine Ventilanordnung 60 entfernt, die aus einem das Eindringen von Umgebungsluft verhindernden Rückschlagventil und einem den Austritt von Wasser verhindernden Entgasungsventil besteht.

Hei der seitherigen Beschreibung des Ausführungsbeispiels anhand von Fig. 2 und 3 wurde davon ausgegangen, daß der Stand der Flüssigkeitssäule und damit der Kolben 28 nur so weit abgesenkt werden, daß die verbleibende Höhe der Flüssigkeitssäule dem Umgebungslufttlruck entspricht, also beispielsweise 10 m beträgt. Beim Erreichen dieser Höhe befindet sich jedoch die Flüssigkeitssäule in einer Bewegung und die kinetische Energie, die die Flüssigkeitssäule hierdurch hat, kann zu einer weiteren Verringerung der Höhe der Flüssigkeitssäule und einer entsprechenden Vergrößerung des Hubweges des Kolbens 28 ausgenutzt werden. So kann beispielsweise bei den für die Maschine gemäß H ig. 1 gegebenen Zahienbeispieien der untere Totpunkt des Kolbens 9 m über dem unteren Auslaßrohr 9 liegen. In diesem Fall ist es allerdings erforderlich, unbedingt das Ablaßventil 16 dann zu schließen, wenn die Flüssigkeitssäule zur Ruhe kommt, da unmittelbar darauf Luft aus der Umgebung durch das Ablaßventil 16 hindurch in den Behälter 10 einströmen würde. Ein mit Sicherheit rechtzeitiges Absperren wird durch die Ausgestaltung gemäß F i g. 4 erreicht, wobei dann der Sensor 52 a» F i g. 1 wegfallen kann.

Bei der Abwandlung gemäß F i g. 4 ist zunächst ein Flüssigkeitsbehälter 10' gezeigt, der die Form eines gegenüber dem Flüssigkeitsbehälters 10 in F i g. 1 dünneren Rohres hat. Für den Querschnitt des Behälters genügt es nämlich, wenn dieser dem Abfließen des Wassers keinen größeren Strömungswiderstand als der Ablaß entgegensetzt. Der Zylinder 26 der Kolben-Zylinder-Anordnung am oberen Ende des Behälters kann demgegenüber einen größeren Querschnitt aufweisen, um eine Kolbenfläche von gewünschter Größe zuzulassen.

Das Abflußrohr 12' gemäß Fig.4 schließt an das untere Ende des rohrförmigen Behälters 10' an und ist derart gebogen, daß es eine im Behälter 10' liegende Abflußöffnung 54 und einen dieser gegenüber höher liegenden Überlauf 56 aufweist, zwischen denen das zum Absperren dienende Ventil 16 liegt. Weiter ist zwischen Abflußöffnung 54 und Überlauf 56 ein Sensor 58 angeordnet, der beim Absinken des Flüssigkeitsstands im Ablaßrohr 12" unter die Höhe des Überlaufs 56 ein Ausgangssignal erzeugt, das anzeigt, daß die Flüssigkeitssäule nach ihrer Abwärtsbewegung ih'en tiefsten Stand erreicht hat und dabei ist, ihre Bewegungsrichtung umzukehren und Luft einzusaugen. Daher kann nun in Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal, das anstelle des Ausgangssignals des Sensors 52 der Steuervorrichtung 44 zugeführt wird, ein Steüsignal erzeugt werden, das die Betätigung des Stellantriebs 14 und das Absperren des Ventils 16 bewirkt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche;

1. Flüssigkeitssäulenmaschine, umfassend einen Flüssigkeitsbehälter mit absperrbarem, mit einer Flüssigkeitsquejle, insbesondere mit einem offenen Gewässer verbundenen Einlaß und untenliegendem, absperrbarem AbIaB sowie eine mit dem oberen Ende des Behälters in Verbindung stehende Zylinder-Kolben-Anordnung, wobei der Einlaß unterhalb des unteren Totpunkts des Kolbens liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die bis zu dem im oberen Totpunkt befindlichen Kolben (28) gemessene Gesamthöhe von Behälter (10) und Zylinder (26) über dem Ablaß (12) größer ist als die Höhe der dem Umgebungsdruck entsprechenden Flüssigkeitssäule.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da>B ein einziger Einlaß (20) und ein einziger Ablaß (12) vorgesehen sind.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubweg des Kolbens (28) mindestens so groß ist wie die Differenz zwischen derjenigen Höhe, bis zu der der Behälter (10) befüllbar ist, und der Höhe der dem Umgebungsdruck entsprechenden Flüssigkeitssäule über dem Ablaß (12).

4. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Anordnung (26,28) so angeordnet ist, daß der Kolben (28) bei beffllltem Behälter (10) benetzt wird.

5. Maschine nach einem €"s vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine die im Einlaß (20) und im Auslaß (12) angeordneten Ventile (24,16) zyklisch steuernde Steuervorrichtung (44).

6. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (28) im Zylinder (26) der Kolben-Zylinder-Anordnung (26,28) abgedichtet geführt ist und daß der Zylinder (26) auf der der Saugseite des Kolbens (28) abgewandten Seite abgedichtet ist und über ein verstellbares Ventil (42) mit der Umgebung in Verbindung steht

7. Maschine nach Anspruch 5 oder nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (44) ein verstellbares Ventil (16, 24, 42) zeitlich derart steuert, daß die angetriebene Bewegung des Kolbens (28) in Saugrichtung einer zeitlichen Cosinus-Funktion entspricht.

8. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Flüssigkeitsbehälter (10) und eine entsprechende Anzahl von phasenverschoben auf eine gemeinsame Kurbelwelle (36) arbeitende Zylinder-Kolben-Anordnungen (26,28).

9. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablaß (12") eine im Behälter (10') liegende Abflußöffnung (54) und einen dieser gegenüber höher liegenden Überlauf (96) aufweist, zwischen denen das zum Absperren dienende Ventil (16) liegt

10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Abflußöffnung (54) und Überlauf (56) ein Sensor (58) angeordnet ist, der beim Absinken des Flüssigkeitsstands im Ablaß (12') unter die Höhe des Überlaufs (56) ein Ausgangssignal erzeugt, in Abhängigkeit von dem das im Ablaß (12') angeordnete Ventil (16) abgesperrbar ist