DE4015879A1

DE4015879A1 - Temperatur-differenz-pumpe

Info

Publication number: DE4015879A1
Application number: DE19904015879
Authority: DE
Inventors: Hans Weiss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-05-17
Filing date: 1990-05-17
Publication date: 1991-11-21
Also published as: DE4015879C2

Description

Jede bekannte Energiegewinnung ist mit Wärmeentwicklung verbunden, dabei wird die gewonnene Wärme Maschinen zugeführt, die nur aus Wärme Arbeit und Leistung entwickeln, ob dies nun über Wasserver dampfung, oder durch heiße Gasentwicklungen bewerkstelligt wird. In all diesen Fällen entstehen große Anteile von Wärmeabfällen, die zum Teil sogar vernichtet werden, oder zu anderen Zwecken, wie zum Beispiel in Fernheizungen, Verwendung finden.

Alle diese Wärmeabfälle können über eine Temperatur-Differenz- Pumpe (TDP) in andere Energiearten umgesetzt werden. Dadurch entsteht ökologisch und ökonomisch ein großer Nutzen, der vorerst in seinem ganzen Umfange noch garnicht voll erfaßt werden kann, zumal Temperaturdifferenzen bis hinunter zu 30 Grad Celsius in Energien umgesetzt werden können.

Bau- und Wirkungsweise der Temperatur-Differenz-Pumpe

Der Pumpenantrieb besteht aus dem Stößel (1), auf dem die Doppel konen (2) und (3) angebracht sind. Auf den Doppelkonen (2) und (3) sind Isolatoren (4) und (5) aus einem Isolierstoff hoher Festig keit angebracht. Sie wirken dem Wärmeaustausch auf benachbarte Bauteile entgegen. Auf dem Isolator (4) ist das Pumpeninnengehäuse (6) und auf dem Isolator (5) das Pumpenaußengehäuse (7) ange bracht. Die Pumpeninnenkolben (8) und die Pumpenaußenkolben (9) bestehen aus Ringen mit L-Profil und bilden untereinander zugleich die Pumpenkammern (26). Die Pumpeninnen- (8) und -außenkolben (9) sind mit Dichtungsrillen versehen in denen die Innendichtringe (10) und die Außendichtringe (11) untergebracht sind.

Die Fixierung der Pumpeninnenkolben (8) und der Pumpenaußenkolben (9) werden durch durch die geteilten Innenfixierscheiben (12) und die Außenfixierscheiben (13) vorgenommen. Zwischen dem Stößel (1) und dem Pumpeninnengehäuse (6) ist eine Wärmedämmung (14) unterge bracht.

Auf dem Pumpeninnengehäuse (6) ist der Trägerflansch (15) ange bracht, der die Wärmepumpe (17) betätigt. Auf dem Pumpenaußenge häuse (7) ist der Trägerflansch (16) angebracht, der die Kältema schine (18) antreibt.

An den Stirnseiten des Stößels (1) befindet sich je ein Wärme tauscher (19) und (20). Die beiden Wärmetauscher sind in verschie dene Kammern (27...) aufgeteilt. Jede Kammer enthält ein Medium, das mit einem vorbestimmten Wärmeinhalt beaufschlagt ist. Alle Kammern der beiden Wärmetauscher sind allseitig mit der Isolation (23) isoliert. Das Medium (27) wird über die Schieber (24) und (25) dem Stößel (1) zugeführt und vom Ventilkolben (21) gesteuert.

Wirkungsweise

Läßt man das Medium (27) aus den Kammern der Wärmetauschern (19) und (20) taktweise und folgerichtig durch den Stößel (1) fließen, so erfährt er eine Aufwärmung und eine Abkühlung pro Arbeitstakt. Der Stößel (1) dehnt sich nach der Formel:

Delta Länge = Alpha × Länge × max. Temperatur.

aus und geht nach seiner Abkühlung auf seine ursprüngliche Länge zurück. Der Stößel (1) verrichtet sowohl durch seine Ausdehnung als auch durch seine Schrumpfung eine Arbeit von Delta Länge× Druck pro qmm × Stößelquerschnitt in mmkp. Die verschiedenen Temperaturniveaus der Kammern in den Wärmetauscher (19) und (20) wurden deshalb gewählt, weil dies ein wesentlicher Punkt der Erfindung ausmacht, indem diese Anordnung den Wirkungsgrad der TDP nachhaltig anhebt. Geht man von einer einfachen Erwärmung und Abkühlung von Null bis 100 Grad-Celsius pro Halbtakt aus, ohne die Wärmetauscher durchzulaufen, so beträgt der theoretische Wirkungs grad nur 1,75%, was unwirtschaftliche wäre. Leitet man den Wärme austausch über die Wärmetauscher (19) und (20), so erhält man einen theoretischen Wirkungsgrad von 50 bis 95% , je nach Wahl des Stößelwerkstoffes.

Durch die Passage und die Rückführung der Medien (27) mit den ver schiedenen Temperaturniveaus und verschiedenen Mengeneinheiten durch den Stößel (1) entstehen an den beiden Endpunkten der beiden Wärmetauschern (19) und (20) eine Temperaturdifferenz von ca 1 Grad-Celsius. Die Erreichung dieser kleinen Temperaturdifferenz ist ein weiterer wichtiger Punkt dieser Erfindung. Nach Carnot ist bekanntlich die Leistungsziffer einer Wärmepumpe
Eta = T2/(T2-T1)
und bei der Kältemaschine ist es:
Eta = T1/(T2-T1).

Obiges bedeutet, daß theoretisch nur die Wärmemengen zu ersetzen sind, die jeweils durch ein Grad-Celsius Temperaturdifferenz auszugleichen sind. Um der Theorie so nah wie möglich zu kommen, sind alle Wärmetauscherkammern der Wärmetauschern (19) und (20) allseitig sehr gut isoliert, sodaß davon ausgegangen werden kann, daß die Wärmeverluste durch Leitung und Strahlung vernachlässigbar klein sind. Die Trennung und die Isolierung der Wärmeaustauch kammern unter sich ist der dritte markante Punkt der Erfindung.

Ein weiterer Punkt der Erfindung ist die Wärmerückgewinnung und die Kälteerzeugung unter Zuhilfenahme von Carnot, indem im Neben schluß der TDP mittels der Wärmepumpe (17) und der Kältemaschine (18) die oberen und die unteren Temperaturdifferenzen von jeweils einem Grad-Celsius ausgeglichen werden.

Ein weiterer Punkt der Erfindung ist die Tatsache, daß die TDP auch Temperaturdifferenzen verarbeiten kann, die unterhalb des Gefrierpunktes liegen können, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 273 und 173 Grad-Kelvin.

Die Teile (1) bis (9) stellen eigentlich die Bauteile dar, die die Pumpenleistungen erbringen. Durch die Tätigkeit des Stößels (1) werden die übrigen Teile von (2) bis (9) betätigt, d. h. die zwi schen den Pumpeninnenkolben (8) und den Pumpenaußenkolben (9) bestehenden Kammern (26) verengen und verbreitern sich im Takte der Stößelbewegung. Die Pumpeninnen- und -außenkolben (8) und (9) saugen und pressen das Fördergut über die Ventile (28) weiter.

Eines der tragendsten Pfeiler der Erfindung ist diese Bauart, daß die enormen Drücke, die im System auftreten, in demselben aufge fangen werden.

Will man die Leistung einer Temperatur-Differenz-Pumpe erhöhen, so geht man klassisch vor und erhöht zuerst einmal die Anzahl der Stößel (1), wie beispielsweise beim Ottomotor die Anzahl der Zylinder. Desweiteren kann man den Querschnitt des Stößels (1) erhöhen, oder aber auch die Länge desselben erhöhen. Bei der Erweiterung der Temperaturdifferenz ist ebenfalls eine Leistungs erhöhung gegeben. Die größte Leistungserhöhung bringen natürlich die Faserverbundstoffe, die bereits gefertigt werden und Stand der Technik geworden sind.

Claims

1. Eine Temperatur-Differenz-Pumpe, dergestalt, daß sie mehrere gut isolierte Kammern in den Wärmetauschern (19) und (20) auf weist, die für sich je ein verschieden temperiertes Medium (27) enthalten, wobei dieselben taktmäßig und zugeordnet in richtiger Reihenfolge einen Stößel (1) durchfließen, wobei derselbe Arbeit auf alle Pumpenteile (2 bis 9), auf die Wärmepumpe (17) und die Kältemaschine (18) überträgt, indem sich der Stößel (1) durch Wärmeeinwirkung taktmäßig ausdehnt und sich durch Kälteeinwirkung zusammenzieht und sich durch diese Anordnung ein äußerst verlust armer Wärmeaustausch im den Wärmetauschern (19) und (20) ein stellt, sodaß der anfallende Anteil von Delta t warm und Delta t kalt derselben durch die Wärmepumpe (17) und die Kältemaschine (18) nahezu wettgemacht und den Wärmetauschern (19) und (20) analog und programmgemäß zugeführt werden, was der Temperatur- Differenz-Pumpe einen sehr hohen Wirkungsgrad verleiht, wobei für alle möglichen Ausführungsarten des Stößels (1) alle Werkstoffe verwendet werden können, die Stand der Technik sind.

2. Anspruch nach 1, dergestalt, daß sämtliche Kammern der Wärme tauscher (19) und (20) und sonstige Bauteile, die durch hohe Wärmeleitwerte dem Wärmeverlust arg unterworfen sind, sorgfältig nach allen erforderlichen Seiten und auch gegeneinander äußerst gut isoliert sind, sodaß nur ein sehr geringer Wärmestreuwert Delta Q entstehen kann.

3. Anspruch nach 1, dergestalt, daß die Medien (27) in den Wärmetauschern (19) und (20) aus allen flüssigen und gasförmigen Mitteln bestehen können, die in der Wärme- und Kälteübertragung Stand der Technik sind.

4. Anspruch nach 1, dergestalt, daß die Bauteile der Pumpe (2) bis (9) gegenüber dem Stößel (1) eine möglichst geringe Längenver änderung durch Druck- und Zugkräfte aufweisen, zumal der Quer schnitt des Stößels (1) zu den Querschnitten der einzelnen Bauteilen der Pumpe (2) bis (9) sich maximal wie a : b verhalten, wobei der Quotient aus a : b höchstens 0,5 oder kleiner sein darf.

5. Anspruch nach 1, dergestalt, daß sämtliche Kammern der Wärme tauscher (19) und (20) und die Beaufschlagungen der darin befind lichen Medien (27) so verschieden sind, sodaß eine schnelle und verlustarme Aufwärmung und Abkühlung des Stößels (1) erreicht wird, wobei die Anzahl der Kammern in (19) und (20) und die Wärme inhalte Q der Medien (27) variabel gehalten werden können und der gesamte Ablauf programmiert ist.

6. Anspruch nach 1, dergestalt, daß der Ventilkolben (21), der den Austausch der Medien aus den Kammern der Wärmetauschern (19) und (20) bewerkstelligt, nicht nur pneumatisch oder hydraulisch betätigt werden kann, sondern auch elektromagnetisch oder elektromechanisch.

7. Anspruch nach 1, dergestalt, daß zum Auffangen der sehr hohen Kräfte, die im Stößel (1) auftreten, keinerlei Stützkräfte außerhalb der Temperatur-Differenz-Pumpe aufgenommen werden müssen, da sie in ihr selbst aufgenommen werden.

8. Anspruch nach 1, dergestalt, daß für die Speisung der Temperatur- Differenz-Pumpe nicht nur Wärmeabfälle verwendet werden, sondern auch Temperaturschwankungen der Natur Anwendungen finden, die beispielsweise in den Tropen und den Eismeeren in unerschöpflichem Maße vorhanden sind.

9. Anspruch nach 1, dergestalt, daß die Temperatur-Differenz- Pumpe so beschaffen ist, daß sie mit einem Bruchteil des Öl- oder Gasverbrauchs einer herkömmlichen Haushaltsheizung die volle Heizleistung im Vergleich zur Heizungsanlage erbringt, indem die Wärmepumpe (17) und die Kältemaschine (18) der TDP so ausgelegt werden, daß sie ihrer neuen Aufgabe gerecht werden kann.

10. Anspruch nach 1, dergestalt, daß die Förderleistung der Temperatur-Differenz-Pumpe über einen Hydraulikmotor geleitet werden kann, sodaß eine Leistungsabgabe über den sich drehenden Wellenstumpf des Hydraulikmotors erfolgen kann, indem auch ein hydraulisches, oder auch ein mechanisches Getriebe dazwischen geschaltet werden kann.