DE3740387A1 - Fluessigkeitspumpe mit differenzdruckgesteuertem pneumatischem sonnenenergieantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Flüssigkeitsförderung.

Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, als Energie für die Flüssig­ keitsförderung ausschließlich Sonnenenergie zu benötigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Tanks (hier Windkessel genannt) eingeschlossene Luft zeitweilig durch Sonneneinstrahlung zum Expandieren ge­ bracht und die Luftexpansion zur Verdrängung von Flüssig­ keit und - mit Hilfe eines Schwimmers - zur Betätigung einer Kolbenpumpe genutzt wird.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann die Anlage zur Feldbewässerung, zur Viehtränke oder zu anderweitigen Wasserversorgungen eingesetzt werden.

Nach einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann die Anlage zum Ingangsetzen von Wasserkreisläufen dienen, die z. B. zur Fischzucht oder -mast mit dazugehö­ riger Wasserregenerierung genutzt wird.

Nach weiteren zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung kann die Anlage zum Ingangsetzen von Flüssigkeitskreis­ läufen dienen, die z. B. zur Naßtrennung von Teilchengemischen oder Laugungs-, Lösungs-, Fermentations- oder Waschprozessen usw. oder zum Wärmetransport zwischen Wärmetauschern ge­ nutzt werden.

Die Vorteile der Erfindung bestehen in der direkten, d. h., ohne Zwischenschaltung von Kraft- und Arbeitsmaschinen ablaufenden Umwandlung von Sonnenenergie in äußere Arbeit,
in der einfachen von rotierenden Elementen freien und - hinsichtlich der Instandhaltung - anspruchslosen mit handwerk­ lichen Mitteln beherrschbaren Anlagentechnik,
in der Verwendung von Luft als Arbeitsmedium und in dem erfindungsgemäß selbsttätig ablaufenden Ausgleich von Arbeitsmediumsverlusten aus der Umgebungsatmosphäre.

Diese Vorteile weisen die anderen bereits bekannten Kon­ struktionen und Erfindungen zur Flüssigkeitsförderung mit Sonnenenergie nicht auf.

Bei ihnen wird die Sonnenenergie mit Hilfe von Dampfer­ zeugung in äußere Förderarbeit umgewandelt, entweder indem Wasser mit durch Parabolspiegel gebündelten Sonnenstrahlen oder indem niedrigsiedende Stoffe (z. B. Freone, Butan, Ammoniak) in Sonnen-Flachkollektoren verdampft werden.

Mit den auf diese Weise gebildeten Dämpfen werden entweder Membran- oder Kolbenmotoren oder Turbinen angetrieben, die dann zum Teil unter Zwischenschaltung weiterer Kraft- und Arbeitsmaschinen (Turbine - Getriebe - Elektrogene­ rator - Elektromotor) die eigentliche Förderpumpe an­ treiben, und es wird - im Falle der niedrigsiedenden Arbeits­ medien ausnahmslos - der Dampf nach dem Verlassen der Kraft­ maschine kondensiert und erneut in den Verdampfer einge­ speist (Kreisprozeß).

Solche Anlage werden in folgenden Patentschriften be­ schrieben:
FR 78 16 718
DE-OS 28 42 181
DE-OS 31 37 937
DE-OS 33 36 407
DE-OS 33 40 119
DE-OS 35 23 627
DE-OS 35 26 605.

Sie haben gemeinsam den Nachteil,
daß die unvermeidlichen Spaltverluste ihrer Arbeitsmedien laufend ersetzt werden müssen und
daß sie in mehr oder weniger großen Umfang technisch hoch­ entwickelte Maschinen und Elemente enthalten.

Infolgedessen setzt ihre Nutzung beim Betreiber das Vorhanden­ sein entsprechend hochentwickelter technischer Möglich­ keiten zur Versorgung und Instandhaltung oder zumindest einer funktionierenden Ersatzteil- und Betriebsstofflogistik voraus. Diese Voraussetzungen dürften aber in den meisten Entwicklungsgebieten nicht gegeben sein.

Dagegen kommt die erfindungsgemäße Anlage mit ihrer einfachen Technik ohne industrielle Produkte aus und kann mit ein­ fachen handwerklichen Mitteln instandgehalten werden. Sie ist deshalb zur Anwendung in den sonnenreichen Breiten der Erde insbesondere dort geeignet, wo noch industrielle Rückständigkeit vorliegt.

Anhand des Bildes 1, in dem schematisch als Beispiel die zum Verständnis wesentlichen Teile einer erfindungsgemäßen Anlage dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert.

Durch die geöffnete Lamellenblende, die den Windkessel W überspannt, treffen Sonnenstrahlen auf W auf und erwärmen die darin eingeschlossene Luft.

Infolgedessen steigt der Druck in W und in dem mit ihm über Luftleitung L 1 verbundenen Verdrängungsraum E an. Schwimmer S 3, dessen Druckkammer über Luftleitung L 2 ebenfalls mit W in Verbindung steht, steigt und schließt A. Gleichzeitig wird die in E vorhandene Flüssigkeit in das Gehäuse von S 1, das über D mit E verbunden ist und in den Rohrbogen H gedrückt. Infolgedessen steigt S 1 auf und der mit ihm verbundene Pumpenkolben führt eine Hub­ bewegung aus, so daß aus dem in eine Quelle tauchenden Pumpenschacht Flüssigkeit nach oben gefördert wird. Im Verlauf des weiteren Druckanstieges schlägt S 1 an seinen Gehäusedeckel (oder eine andere mechanische Hubbegrenzung) an, wodurch der Arbeitshub beendet wird. Sobald der ab diesem Zeitpunkt immer noch weiter steigende Druck den durch die Höhe des Rohrbogens H vorgegebenen Wert erreicht hat, läuft Flüssigkeit aus E in das Gehäuse von S 2 über. Dadurch werden S 2 gehoben und die über W befindliche Lamellenblende geschlossen. Im nunmehr abgeblendeten W setzt - mit einer gewissen durch die Wärmespeicherung des Windkesselmaterials bedingten Phasenverschiebung - die Abkühlung ein. Während der Überdruck- bzw. Aufheizphase ist S 4 mit dem Flüssigkeitsspiegel in E soweit gefallen, daß er - unmittelbar nachdem die Lamellenblende über W geschlossen worden ist - M betätigt, das daraufhin eine gewisse Menge Luft aus W ins Freie abbläst.

Infolgedessen sinkt der Überdruck geringfügig ab, der Flüssigkeitsspiegel in E steigt entsprechend an und S 4 gibt M frei, das vom restlichen Überdruck wieder geschlossen wird. Die weitere Verminderung des Überdruckes verläuft analog zur Abkühlung.

Dabei fließt - wie auch schon während der Betätigung des Ventiles M - die in das Gehäuse von S 1 verdrängte Flüssig­ keit über D nach E zurück.

Sobald der Überdruck einen vorgegebenen Restwert unterschreitet (z. B. 40 mm Ws), öffnet S 3 das Auslaßventil A, wodurch die vorher aus E über H in das Gehäuse von S 2 gelangte Flüssigkeit über L 3 abfließt, in das Gehäuse von S 1 hinein und von dort - durch die Drosselrückschlagklappe D verzögert - nach E.

S 2 senkt sich im Zuge dessen auf seine Ausgangsposition und die Lamellenblende wird geöffnet. Auf W treffen zu diesem Zeitpunkt erneut Sonnenstrahlen auf und der beschriebene Prozeß beginnt nach einer gewissen - wiederum durch die Wärmekapazität des Kesselmaterials bedingten - Phasenver­ schiebung von vorn und führt zum nächsten Arbeitshub der Kolbenpumpe.

Auf diese Weise können eine Flüssigkeitsförderung aus tiefer gelegener Quelle oder ein Flüssigkeitskreislauf durch Sonnen­ strahlen selbsttätig in Gang gesetzt und solange aufrecht erhalten werden, wie am Standort Sonnenschein herrscht.

Dies gilt auch für eine gemäß Anspruch 7 modifizierte Anlagenausführung (Bild 2).

Claims (14)

1. Verfahren und Anlage zum Fördern von Flüssigkeiten, da­ durch gekennzeichnet, daß die zum Betreiben notwendige Energie insgesamt aus Sonnenstrahlen gewonnen wird.

2. Verfahren und Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß ein Lufttank (Windkessel W) über eine Luftleitung L 1 mit einem Verdrängungsraum E verbunden ist, in dem sich vor Beginn der Sonneneinstrahlung Flüssigkeit auf dem­ selben Niveau befindet wie in dem Gehäuse des Schwimmers S 1, das über eine Drosselrückschlagklappe D mit E verbunden ist und
daß Sonnenstrahlen die in W eingeschlossene Luft aufheizen und die so erzeugte Zustandsänderung zur Verdrängung von Flüssigkeit aus E zunächst in das Gehäuse von S 1 und sodann in das Gehäuse eines weiteren über Rohrbogen H mit E verbundenen Schwimmer S 2 hinein genutzt wird, so daß erst S 1 gehoben und von der mit ihm durch Ge­ stänge und Hebel verbundenen Kolbenpumpe P Flüssigkeit aus einer tiefer gelegenen Quelle nach oben gepumpt und danach von S 2 eine W überspannende Lamellenblende ge­ schlossen wird (Bild 1).

3. Verfahren und Anlage nach den gestellten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anlage automatisch ein kontinuierlicher Wechsel zwischen Überdruck und mit dem äußeren Luftdruck ausgeglichenem Druck herbei­ geführt wird, indem durch die von S 2 bewirkte Schließung der über W befindlichen Lamellenblende die Sonnenein­ strahlung in W unterbrochen wird und
daß diese Unterbrechung beibehalten wird, bis die Temperatur im abgeblendeten W soweit gefallen ist,
daß der innere Druck nur noch vorzugsweise ca. 40 mm Ws über dem äußeren Luftdruck liegt und S 1 mit der Kol­ benpumpe auf das entsprechende Niveau abgesunken ist.

Bei Erreichen dieses Zustandes bewirkt erfindungsgemäß automatisch ein anderer Schwimmer S 3, mit dem das Auslaßventil A z. B. über Kipphebel und Gestänge ver­ bunden ist, das Abfließen der im Gehäuse von S 2 befind­ lichen Flüssigkeit über Rohrleitung L 3 in das Gehäuse von S 1 hinein und infolgedessen das Absinken von S 2 sowie das Öffnen der Lamellenblende, so daß wieder Energieeinstrahlung in W einsetzt und der Druckanstieg im System verbunden mit dem Arbeitshub der Kolbenpumpe erneut beginnt.

Durch diesen erfindungsgemäß herbeigeführten Wechsel zwischen Überdruck- und Ausgleichszuständen kann auto­ matisch solange Flüssigkeit gefördert werden, wie am Anlagenstandort Sonnenschein herrscht (Bild 1).

4. Verfahren und Anlage nach den gestellten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß E und S 2 durch einen senkrechten Rohrbogen H ver­ bunden sind, mit dessen Höhe das für die gewünschte Hubhöhe von S 2 notwendige Überdruckniveau eingestellt wird,
daß die über W befindliche Lamellenblende an S 2 z. B. durch Gestänge und Kipphebel gekoppelt ist und
daß S 3 über eine Luftleitung L 2 ebenfalls mit W in Verbindung steht (Bild 1).

5. Verfahren und Anlage nach den gestellten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß S 1 die Kolbenpumpe in der Phase des Druckausgleiches von ihrem Eigengewicht gesenkt werden.

6. Verfahren und Anlage nach den gestellten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorhanden sind, die eine selbsttätige Anpassung des Prozesses der Anlage an die durch meteorotrope Einflüsse und durch Tag- und Nachtschwankungen bedingten Zustands­ änderungen der äußeren Atmosphäre bewirken.

Die Anpassung an steigende Außentemperaturen und/oder fallende Außendrücke wird erfindungsgemäß erreicht, indem am Ende der Aufheiz- und Überdruckphase - nachdem die Lamellenblende von S 2 geschlossen worden ist - ein in E befindlicher Schwimmer S 4 über ein innen durch L 1 führendes Gestänge und einen in W befind­ lichen Kipphebel ein Ventil M öffnet, bevor das gesamte der Zustandsänderung entsprechende Volumen Flüssigkeit aus E verdrängt wird.

Über M tritt dadurch eine bestimmte Menge Luft aus W ins Freie aus, worauf der Verdrängungsvorgang zum Stillstand kommt, S 4 mit dem Flüssigkeitsspiegel in E geringfügig hochsteigt und M freigibt, das daraufhin von dem in W immer noch herrschenden Überdruck wieder geschlossen wird. Auf diese Weise werden erfindungs­ gemäß die zur Entwicklung der nachfolgenden Ausgleichs- und Überdruckphasen in W erforderlichen Temperaturen schrittweise erhöht, bis infolge der höher gewordenen Temperaturdifferenz zwischen W und Außenatmosphäre die Abkühlung im abgeblendeten Zustand so schnell verläuft, daß die den Flüssigkeitsspiegel in E absenkende Expan­ sion bereits zum Stillstand kommt, bevor M durch S 4 betätigt werden kann.

Die außerdem notwendige Anpassung an sinkende Außen­ temperaturen und/oder steigende Außendrücke tritt er­ findungsgemäß durch das in W befindliche Ventil M ein, das selbsttätig öffnet, falls der Innendruck - z. B. nachts oder während der Ausgleichsphase - unter den Außendruck sinkt und das selbsttätig wieder schließt, wenn der Druckausgleich mit außen hergestellt ist (Bild 1).

7. Verfahren und Anlage nach den gestellten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Steuerung der erfindungsgemäßen Prozeßschritte - anstatt in der in den Ansprüchen 2 bis 4 beschriebenen Weise - mit Permanentmagneten PM durchgeführt wird, indem der Schwimmer S 1, an dessen Stange neben der Kolbenpumpe nunmehr auch die über W befindliche Lamellenblende angeschlossen ist, in der Überdruckphase von einem unteren PM solange in seinem unteren Totpunkt gehalten wird, bis der obere Sollwert des Überdruckes erreicht ist und S 1 - infolge des analog zum Überdruck in der Schwimmerkammer gewachsenen Auftriebes - vom unteren PM abreißt und den vorgesehenen Hub unter Betätigung der Kolbenpumpe und Schließung der Lamellenblende ausführt, um sodann von einem oberen PM - während der durch den Hub erfindungsgemäß eingeleiteten Ausgleichsphase - festge­ halten zu werden, bis der Überdruck in W-E auf den unteren Sollwert gefallen ist.

Zu diesem Zeitpunkt reißt S 1 durch sein und der Kolben­ pumpe Eigengewicht vom oberen PM ab, sinkt mit der Pumpe auf den unteren Totpunkt zurück und öffnet die Lamellen­ blende wieder, wodurch die bereits beschriebene Folge der Prozeßschritte erneut ausgelöst wird.

Auf diese Weise können, falls z. B. die wirtschaftlich- technischen Gegebenheiten es ermöglichen, die Anlagenteile S 2, H, L 2, S 3 (mit Gestänge und Kipphebel), A, L 3 und D (Bild 1) durch die Permanentmagnete ersetzt werden (Bild 2).