WO2006000199A1

WO2006000199A1 - Verfahren und vorrichtung zur nutzung der inneren energie von fluiden mittels eines strömungsprozesses und einer strömungsmaschine

Info

Publication number: WO2006000199A1
Application number: PCT/DE2005/001134
Authority: WO
Inventors: Martin Ziegler
Original assignee: Martin Ziegler
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2006-01-05
Also published as: DE102004030273A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nutzung der inneren Energie von Fluiden mittels eines Strömungsprozesses und einer Strömungsmaschine, sowie die Anwendungen des Verfahrens aus vier Schritten. Im ersten Schritt wird der Drehimpuls des Fluids durch eine Pumpe erhöht, im zweiten Schritt wird der Bahnimpuls des Fluids mittels einer Wirbelsenke erhöht, wobei die Temperatur des Fluids sinkt, im dritten Schritt wird der Drehimpuls des Fluids durch eine Turbine vermindert, und im vierten Schritt wird das Fluid erwärmt. Dabei ist die Nutzarbeit der Turbine grösser als die Antriebsarbeit der Pumpe. Die Differenz steht als externe Nutzarbeit zur Verfügung. In der Erfindung wird Schritt eins durch mehrere parallel arbeitende Pumpen (P1, P2, …, P10) ausgeführt, die den gesamten Volumenstrom auf mehrere. Teilströme aufteilen, wobei die Teilströme in Schritt zwei vor Eintritt in die Turbine (T) wieder zusammengeführt werden. Anwendungen der Vorrichtung ist der Antrieb für den Transport von Personen und Gütern, der Antrieb für den Transport von Flüssigkeiten oder Gasen, der Antrieb zur Änderung des Drucks von Fluiden, der Antrieb zur Erzeugung von elektrischem Strom, der Antrieb zur Entsalzung von Meerwasser, der Antrieb zur Erzeugung von Wasserstoff, das Kühlen von festen, flüssigen oder gasförmigen Medien, und die Erzeugung von Heizwärme, wobei eine Vorrichtung auch mehrere Anwendungen gleichzeitig oder nacheinander ausführen kann.

Description

VARFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR NÜTZUNG DER INNEREN ENERGIE VON FLUIDEN MITTELS EINES STRÖMUNGSPROZESSES UND EINER STRÖMUNGSMASCHINE

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Nutzung der inneren Energie von Fluiden mittels eines Strömungsprozesses und einer allgemeinen sowie einer speziellen Strömungsmaschine, dazu Anwendungen des Verfahrens. Die Strömungs- maschine realisiert das Verfahren. Sie wird von einem Fluid durchströmt und wandelt einen Teil der inneren Energie dieses Fluids in Nutzarbeit wodurch dessen Temperatur sinkt. Die Temperatur¬ abnahme des Fluids ist dabei ein Mass für die Menge der gewonnenen Nutzarbeit. Die Erfindung wird in sechs Abschnitten mit Bezug auf drei Figuren beschrieben. Die verwendeten Formelzeichen sind am Schluss aufgelistet. Das Wort „Fluid" wird im folgenden sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten als auch für Mehrphasenströmungen verwendet. Das Wort „Pumpe" steht im folgenden auch für gasförmige Fluide im Sinne von „Verdichter" oder „Kompressor".

Abschnitt 1: BEKANNTES VERFAHREN UND VORRICHTUNG

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nutzung der inneren Energie von Fluiden wurde in der Patentanmeldung DE 10 2004 026 602.6 vom 1. Juni 2004 beschrieben, die noch nicht veröffent¬ licht ist. Trotzdem soll sie im Rahmen dieser neuen Patentanmeldung als zum Stand der Technik gehörend angesehen werden. Das bekannte und das erfindungsgemässe verbesserte Verfahren basiert auf einer erweiterten Betrachtung der Eigenschaften von Fluiden von der makroskopischen zu der mikroskopischen Dimension. Danach wird die herkömmliche Theorie der Thermo- und Fluiddynamik von der nur makroskopisch gültigen Kontinuumhypothese erweitert und ergänzt um die mikroskopisch geltende Hypothese chaotischer granulärer Vielteilchensysteme.

Nach der makroskopischen Betrachtung und der Kontinuumhypothese füllt die Masse eines Fluids den Raum kontinuierlich aus, und die spezifische Dichte des Fluids ist lokal eine Konstante. Die Masse eines Fluidvolumens lässt sich folglich aus dem Volumenintegral bestimmen, das eine stetige Funktion über jedes infinitesimale Volumenelement liefert. Für strömende Fluide liefert die Kontinuumhypothese weiterhin stetige Funktionen des Ortes für Druck, Dichte, Temperatur und Geschwindigkeiten ohne lokale Unstetigkeiten (Anmerkung: Die in der Gasdynamik beschriebenen Stossvorgänge bei Überschallströmungen sind für kleine Volumina ebenfalls stetige Funktionen des Raumes).

Nach der mikroskopischen Betrachtung sind Fluide chaotische granuläre Vielteilchensysteme, in denen die Masse jeweils lokal auf das Volumen von Molekülen konzentriert ist. Zwischen den Molekülen ist der Raum leer. Folglich ist das Volumenintegral über sehr kleine Volumina nicht mehr stetig, und die spezifische Dichte ist keine lokale Konstante des Raumes. Danach wird der Raum nicht mehr kontinuierlich durch die Masse ausgefüllt, sondern mehr oder weniger kontinuierlich durch die chaotische BEWEGUNG von Massepunkten mit einer „fraktalen" Geometrie des zurückgelegten Weges. Mikroskopisch sind weder das Volumenintegral, noch die spezifische Dichte, noch der Weg eines Teilchens stetige Funktionen.

Folglich ist die herkömmliche Theorie der Thermo- und Fluiddynamik unvollständig im Hinblick auf die mikroskopische Dimension der chaotischen Teilchenbewegung. Die Erweiterung ihrer Theorie um die mikroskopische Betrachtungsweise kommt daher zwangsläufig zu folgenden Ergebnissen:

1. Die herkömmlichen Berechnungsverfahren der Thermodynamik und der Fluiddynamik basieren auf der Kontinuumhypothese und liefern für kleiner werdende Volumina Ergeb¬ nisse mit wachsendem Fehler. Die Gleichungen von Navier-Stokes gelten nicht mehr für sehr kleine Volumina.

2. Die Bernoulli'sche Gleichung gilt nur für eindimensionale Strömungen nach der Strom¬ fadentheorie und nicht mehr für zweidimensionale Strömungen, die einen Potenzialwirbel enthalten. Die Zunahme der Umfangsgeschwindigkeit einer rotierenden Strömung in einer Wirbelsenke kann aus der Stromfadentheorie alleine nicht erklärt werden.

3. Das Äquipartizionsprinzip thermischer Energie gilt nicht mehr in der beschleunigten Strömung. In einer beschleunigten Strömung verändert sich das chaotische Bewegungs¬ muster des granulären Vielteilchensystems zugunsten des beschleunigten Freiheitsgrades und es findet ein Transport innerer Energie zu kinetischer Energie von mikroskopischen zu makroskopischen Freiheitsgraden statt, mit einer Senkung der Temperatur des Fluids.

4. Druck, Temperatur und Dichte sind nur dann lokal stetige Funktionen des Ortes, wenn der Beobachtungszeitraum gross ist gegenüber der mittleren Zeit zwischen Teilchenstössen, wenn also die Beobachtungszeit wesentlich grösser ist als der Quotient aus der mittleren freien Weglänge und der mittleren Molekülgeschwindigkeit. Dieser Quotient ist zwar klein, aber nach wie vor gross gegenüber der infinitesimalen Betrachtungsweise der herkömmlichen Mathematik aus der Kontinuummechanik.

Diese Erkenntnisse vorausgesetzt besteht ein Verfahren zur Nutzung der inneren Energie von Fluiden nach der Anmeldung DE 10 2004 026 602.6 aus drei Impulsänderungen und einer Wärme- Übertragung, wobei die Wärmeübertragung zeitlich unabhängig von den Impulsänderungen erfolgen kann. Das Verfahren enthält danach vier Schritte: 1. Im ersten Schritt wird der Drehimpuls des Fluids unter Verbrauch von Antriebsarbeit durch eine Pumpe erhöht.

2. Im zweiten Schritt wird der Bahnimpuls des Fluids bei Erhaltung des Drehimpulses mittels einer Wirbelsenke in einem Leitapparat gesteigert. Mit sinkendem Radius verringert sich das Massenträgheitsmoment der Teilchen und die Rotationsenergie nimmt quadratisch zu. In der Energiebetrachtung wird dabei ein Teil der inneren Energie des Fluids in kinetische Energie der Strömung gewandelt, und die Temperatur des Fluids sinkt zwangsläufig.

3. Im dritten Schritt wird der Drehimpuls des Fluids durch eine Turbine unter Freisetzung von Nutzarbeit gesenkt.

4. Im vierten Schritt wird das Fluid erwärmt um die Abnahme der inneren Energie aus Schritt zwei auszugleichen. Dieser Schritt ist völlig unabhängig von den ersten drei Schritten und kann deshalb an beliebiger Stelle vor, während oder nach der Betriebsphase der Maschine erfolgen.

Die Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens wurde aus den bekannten Modellgesetzen für zwei einstufige und geometrisch ähnliche Strömungsmaschinen a und b abgeleitet, die einen unterschiedlichen Laufraddurchmesser D_a und D_b im Größenverhältnis k = DJD_b besitzen, sowie zwei unterschiedliche Drehzahlen n_a und n_b aufweisen. Bei konstanter Dichte und gleichem Wirkungsgrad gelten dann die bekannten Zusammenhänge für den Volumenstrom Q, für die spezifische Stufenarbeit Y, und für die Leistung P (Pfleiderer, Petermann: „Strömungsmaschinen", Springer Verlag 1991, 6. Auflage, Seite 271, oder Gülich: „Kreiselpumpen", Springer Verlag 1999, Seite 105, oder Sigloch: „Strömungsmaschinen", Hanser Verlag 1993, 2. Auflage, Seiten 84f£).

QJQ_b =(nJn_b) (DJD_b/ (1.1)

Y_cZY_b

(DJD_b)² (1.2)

P JP_b = (nJn_b)³ (DJD_b)⁵ (1.3)

Setzt man den Volumenstrom Q_a identisch mit Q_b und nimmt man für Maschine α eine Pumpe (Index P) und für Maschine b eine Turbine (Index T), und korrigiert man die Leistungen um den Wirkungsgrad beider Maschinen, dann erhält man für das Verhältnis zwischen den Drehzahlen und den mechanischen Leistungen beider Maschinen die Ausdrücke:

H₁ZrIp = Ic¹ (1.4)

Die Nutzleistung ist dann größer als die Antriebsleistung wenn P_N /P_A > 1. Weil der Wirkungsgrad immer kleiner als 100% ist, gilt mit y < 100% also:

Wenn k> (I / η_τ η_P)^m dann ist k > 1 und P_N > P_A (1.6)

Wenn die Nutzleistung größer ist als die Antriebsleistung, dann kann die erforderliche Pumpleistung aus der erzeugten Turbüienleistung erbracht werden, und die Differenz steht als externe Leistung P_x für einen beliebigen Verbraucher zur Verfügung:

P_N - P_A = Pχ > 0 (1.7)

Folglich ist es möglich mehr Nutzleistung aus der Turbine zu erhalten als die Pumpe verbraucht. Deshalb kann man die Antriebsarbeit der Pumpe immer dann aus der Turbinenarbeit gewinnen UND einen externen Verbraucher antreiben, wenn

• der Durchmesser des Pumpenlaufrades größer ist als der Durchmesser des Turbinenlauf¬ rades, und

• die Turbinendrehzahl größer ist als die der Pumpe, und

» die Strömung vom Laufradaustritt der Pumpe bis zum Laufradeintritt der Turbine ihren Drehimpuls behält.

Weil sowohl Energie als auch Impuls Erhaltungsgrößen sind, muss die Differenz zwischen Nutzarbeit und Antriebsarbeit aus der inneren Energie des Fluids stammen, das durch die Maschine fließt. Wenn die innere Energie sinkt, dann muss auch die Temperatur abnehmen. Die extern verfügbare spezifische Arbeit Yx ist die Differenz zwischen der spezifischen Nutzarbeit Y_N der Turbine und der spezifischen Antriebsarbeit YA der Pumpe. Aus der spezifischen Wärmekapazität des Fluids c_p ergibt sich dann die Differenz der Teinperatur T₁ im Zufluss der Pumpe und T ₂ im Abfluss der Turbine mit AT=T₁-T₂ zu:

Y_X = Y_N - YA = c_pΔT > 0 (1.8)

Die Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens nach DE 10 2004 026 602.6 kann also Nutzarbeit auch aus der inneren Energie von zunächst ruhenden Fluiden gewinnen. Die allgemeine Vorrichtung dazu besteht aus einer Pumpe, einer Leitvorrichtung, einer Turbine, einem Getriebe, eiαem Wärmetauscher, einer Startvorrichtung und einem Verbraucher von Nutzarbeit mit folgenden Merkmalen:

1. Die Pumpe hat einen grosseren Laufraddurchmesser als die Turbine.

2. Die Pumpe hat eine geringere Drehzahl als die Turbine.

3. Die Leitvorrichtung fuhrt den Volumenstrom vom Abfluss der Pumpe in den Zufluss der Turbine.

4. Vor dem Eintritt in das Turbinenlaufrad fliesst die Strömung auf konvergenten Spiral¬ bahnen um die Drehachse der Turbine.

5. Die Antriebsleistung der Pumpe stammt aus der Nutzleistung der Turbine und wird über ein Getriebe von der Turbine an die Pumpe geleitet.

6. Die Eingangsdrehzahl des Getriebes ist die Turbinendrehzahl, seine Ausgangsdrehzahl ist die Pumpendrehzahl.

7. Im Wärmetauscher wird das Fluid erwärmt, er kann bei offenen Systemen entfallen, die das Fluid direkt mit der Umgebung austauschen.

8. Für den Startvorgang wird die Pumpe unter Verbrauch von externer Startenergie so lange angetrieben, bis die Turbine mehr Leistung liefert als die Pumpe verbraucht.

Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens und der bekannten Vorrichtung liegt nun darin, dass der Durchmesser der Pumpe stets grösser sein muss als der Durchmesser der Turbine, und dass die Drehzahl der Turbine immer grösser sein muss als die Drehzahl der Pumpe.

Weil der Durchmesser der Turbine kleiner sein muss als der Durchmesser der Pumpe ist der Strömungsquerschnitt der Turbine immer kleiner als der Strömungsquerschnitt der Pumpe und die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Turbine ist immer grösser als die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Pumpe. Der Strömungswiderstand steigt aber quadratisch mit der Strömungsgeschwin¬ digkeit und steigt quadratisch mit abnehmendem Strömungsquerschnitt.

Für eine möglichst große Leistungsausbeute muss eine Vorrichtung nach dem bekannten Verfahren gemäss DE 10 2004 026 602.6 nun ein möglichst großes Durchmesserverhältnis k > 1 zwischen Pumpe und Turbine haben. Dadurch steigt der Strömungswiderstand der Turbine im Verhältnis zur Pumpe und der Arbeitspunkt der Pumpe wandert zu höheren dynamischen Drücken mit einem schlechteren Wirkungsgrad, was die Leistungsausbeute reduziert. Weiterhin haben hohe Dreh- zahlen und hohe Strömungsgeschwindigkeiten in der Turbine zur Folge, dass bei Flüssigkeiten die Kavitationsgefahr steigt und bei Gasen die Schallgrenze und damit die Scnluckfähigkeit des Systems erreicht wird.

Aufgabe der Erfindung ist daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zu finden, bei dem der Durchmesser der Turbine auch grösser sein kann als der Durchmesser der Pumpe, und die Drehzahl der Turbine auch kleiner sein kann als die Drehzahl der Pumpe, so dass der Strömungsquerschnitt der Turbine wächst und im Betriebspunkt der Maschine der Strömungswiderstand der Turbine kleiner wird als bisher, und damit in Folge die spezifische Nutzleistung der Maschine steigt, und bei Flüssigkeiten die Kavitationsgefahr sinkt, und bei Gasen die Schallgrenze später erreicht wird.

Abschnitt 2: ERFINDUNG

Die Erfindung wird zunächst wieder aus den bekannten Modellgesetzen für geometrisch ähnliche Strömungsmaschinen und inkompressible Fluide abgeleitet und kann anschliessend verall¬ gemeinert werden auf beliebige Geometrien und kompressible Fluide.

Für Strömungsmaschinen ist allgemein bekannt, dass der Volumenstrom mit der Drehzahl linear ansteigt, ihre Leistung mit der Drehzahl aber kubisch. Wenn man in der bekannten Vorrichtung den Volumenstrom der Pumpe gedanklich zunächst auf ZWEI parallel arbeitende Pumpen verteilt, dann muss jede dieser beiden Pumpen nur den halben Volumenstrom fördern und benötigt dafür auch nur die halbe Drehzahl. Wenn man die Drehzahl einer Pumpe halbiert, dann sinkt ihre erforderliche Leistung aber auf ein Achtel. Da nun aber ZWEI Pumpen den gleichen Volumenstrom wie zuvor fördern, benötigen beide Pumpen zusammen ZWEI MAL EIN ACHTEL also nur EIN VIERTEL der Leistung, die zuvor eine Pumpe benötigte. Folglich ist es nach dieser Überlegung möglich, durch parallel arbeitende Pumpen den Pumpleistungsbedarf zu senken, der erforderlich ist, um einen bestimmten Volumenstrom durch die Turbine zu fördern.

Um die Leistungsausbeute der bekannten Vorrichtung zu steigern, verteilt man daher den gesamten Volumenstrom Q der durch die Maschine fiiesst auf mehrere parallel arbeitende Pumpen. Die Anzahl der parallel arbeitenden Pumpen sei nun Np, wobei jede einzelne Pumpe den Np-ten Anteil Q_P = Q/Np des gesamten Volumenstroms Q durch die Maschine fördert. Für den Volumenstrom gilt aus den Modellgesetzen:

Qj/Q_τ = (np/nr) (Dj/D_τ)³ (2.1) Der Volumenstrom der einzigen Turbine einer Stufe stammt nun aus Np parallel arbeitenden Pumpen und ist identisch mit dem gesamten Volumenstrom Q, und es gilt:

Die Summe aller Teilströme der Np parallel arbeitenden Pumpen fliesst dann durch die einzige Turbine, folglich gilt ein erweitertes Modellgesetz:

NP Qp/Q_τ

(n_P/n_τ) (Dp/D_τ)³ = 1 (2.3)

Daraus folgt für das Drehzahlverhältnis mit k = Dp/D_τ :

Die spezifische Stufenarbeit 7 ist aber unabhängig vom Volumenstrom, und für geometrisch ähnliche Laufräder gilt das Modellgesetz unverändert:

Y₁ZYP = (nj/np)² (D₁ZDp)² (2.5)

Das Drehzahlverhältnis H₁ZrIp eingesetzt ergibt:

Y₁ZYp = (Np Ii)²Zk² = N_P ²k⁴ (2.6)

Für das Verhältnis zwischen der Nutzleistung P_N der Turbine und der gesamten Antriebs- leistung P_A aller parallel arbeitenden Pumpen gilt nach Kürzen des identischen Massenstromes aller Pumpen und der einzigen Turbine sowie nach Korrektur durch die Wirkungsgrade von Pumpen und Turbine:

PN/PA = VT VP YTZ YP = VT VpNp'k⁴ (2.7)

Danach steigt das Verhältnis zwischen Nutzarbeit und Antriebsarbeit quadratisch mit der Anzahl Np der parallel arbeitenden Pumpen und in der vierten Potenz mit dem Durchmesserverhältnis k der geometrisch ähnlichen Laufräder von Pumpe und Turbine. Wenn dieses Verhältnis grösser wird als 1, dann lässt sich die Antriebsarbeit aller Pumpen aus der Turbinenarbeit gewinnen und die Differenz steht als Νutzarbeit Px für einen externen Verbraucher zur Verfügung. Folglich gilt:

Wenn P_N /P _A = Vr VP ^NP ² ^ > ^{] dann} PX = PN~ PA > 0 und (2.8)

p_χ = p_N. p_A = _PA (η_{τ Vp Np} V- 1) > 0 (2.9) Es ist also möglich, den Turbinendurchmesser grösser zu wählen als den Durchmesser der Pumpe, und die Drehzahl der Turbine kleiner zu wählen als die Drehzahl der Pumpe, wenn die Anzahl N_P der parallel arbeitenden Pumpen gesteigert wird. Ein Zahlenbeispiel soll dieses verdeutlichen. Für das Rechenbeispiel sei der Turbinendurchmesser doppelt so gross wie der Pumpendurchmesser, also k = 1/2, und die Anzahl der Pumpen sei Np = 6. Dann ergeben sich mit η_τ = 7]_P = 80% folgende Zahlenwerte für das Drehzahlverhältnis nj/n_P und die externe Nutzleistung Px :

nj/np = Np k³ = 6 x (1/2/ = 6/8 = 0.75 (2.10)

P_X = P_A (??τ V_P N_P ² k⁴ - 1) = PA (0.8 x 0.8 x 36/16- 1) = 0.44 P_A (2.11)

Nach diesem Zahlenbeispiel beträgt die Drehzahl der Turbine nur noch 75% der Drehzahl jeder einzelnen Pumpe, aber die frei verfügbare externe Nutzleistung beträgt 44% der Antriebsleistung aller Pumpen zusammengenommen, die Nutzleistung der Turbine beträgt also das 1.44-fache der benötigten Antriebsleistung aller Np Pumpen. Da der Durchmesser der Turbine nun grösser ist als vorher, steigt der verfügbare Strömungsquerschnitt und der Strömungswiderstand sinkt mit dem Ergebnis einer verbesserten Leistungsausbeute gegenüber dem bekannten Verfahren und der bekannten Vorrichtung.

Der Überschuss an Nutzleistung gegenüber der Antriebsleistung stammt wieder aus der inneren Energie des durch die Maschine fliessenden Fluides wodurch seine Temperatur sinken muss, und für die spezifische extern verfügbare Nutzarbeit Yχ gilt wiederum der bekannte Zusammenhang:

Fχ = Y_N - YA = C_P ΔT > 0 (2.12)

Durch die Teilung des Volumenstroms der Turbine auf Np Teilströme ergibt sich damit als Verbesserung ein weiterer Konstruktionsfreiheitsgrad gegenüber dem bekannten Verfahren und der bekannten Vorrichtung. Je nach Anwendungsfall kann man entscheiden, ob man eine möglichst hohe Turbinendrehzahl oder eine mögüchst hohe Pumpendrehzahl wählen möchte, oder ein ausgeglichenes Drehzahlverhältnis. Die Maschine kann so auf die jeweiligen Anwendungen besser angepasst werden als zuvor.

Abschnitt 3: VERBESSERTES VERFAHREN

Das verbesserte Verfahren enthält die gleichen Schritte wie zuvor mit dem Unterschied, dass der Volumenstrom der durch die Turbine fliesst in Np Teilströme aufgeteilt wird, die von Np parallel arbeitenden Pumpen gefördert werden, und die Leitvorrichtung diese i=l..N_P Teilströme dann vor dem Eintritt in die Turbine wieder zu einem einzigen Volumenstrom zusammenfuhrt. Die Schritte lauten daher nun:

1. Im ersten Schritt wird der Drehimpuls von Np Teilströmen des Fluids für jeden Teilstrom durch jeweils eine von Np parallel arbeitenden Pumpen unter Verbrauch von Antriebsarbeit erhöht.

2. Im zweiten Schritt wird der Bahnimpuls des Fluids für jeden Teilstrom in einem Leitapparat gesteigert, und alle Np Teilströme werden zu einem einzigen Volumenstrom zusammengeführt und bei Erhaltung des Drehimpulses mittels einer Wirbelsenke weiter beschleunigt. Mit sinkendem Radius verringert sich das Massenträgheitsmoment der Fluidteilchen und die Rotationsenergie nimmt quadratisch zu. In der Energiebetrachtung wird dabei ein Teil der inneren Energie des Fluids in kinetische Energie der Strömung gewandelt, und die Temperatur des Fluids sinkt zwangsläufig.

3. Im dritten Schritt wird der Drehimpuls des Fluids durch eine Turbine unter Freisetzung von Νutzarbeit gesenkt.

Die ersten drei Schritte können mehrfach seriell hintereinander in Nr aufeinander folgenden Stufen durchgeführt werden, wobei jede der N_τ Stufen genau eine Turbine und mehrere Np parallel arbeitende Pumpen besitzt. Der vierte Schritt kann an beliebiger Stelle platziert werden.

Abschnitt 4: ALLGEMEINE VERBESSERTE VORRICHTUNG

Die allgemeine verbesserte Vorrichtung besteht also aus einer oder mehreren seriell hinterein- ander geschalteten Stufen (j = 7..N₇- mit Nτ≥ I)- Jede Stufe enthält eine Turbine und zwei oder mehr parallel arbeitende Pumpen (/ = 7..Np mit Np ≥ 2), welche von der Turbine direkt über ein Getriebe oder indirekt über eine Energieübertragungskette angetrieben werden, sowie einen Leitapparat, der die Teilströme aller Np Pumpen vor dem Eintritt in die Turbine zu einem einzigen Volumenstrom zusammenfuhrt und den Bahnimpuls dieses Volumenstroms mittels einer Wirbelsenke steigert, wodurch dessen Temperatur sinkt. Nach dem Ausgang aus der Turbine einer Stufe j wird der Volumenstrom dann wieder zerlegt in Np Teilströme der Folgestufe j+1. Die Differenz aus der Nutzarbeit aller N_T Turbinen und der Antriebsarbeit aller (N_f x Np) Pumpen ist frei verfügbar und wird an einen externen Verbraucher gegeben. Nach dem Durchlaufen aller N_τ Stufen ist das Fluid kälter als zuvor. Es wird vor, während oder nach dem Betrieb mit Hilfe eines Wärmetauschers wieder erwärmt. Der Wärmetauscher kann entfallen, wenn das Fluid offen mit der Umgebung ausgetauscht wird. Die verbesserte Vorrichtung benötigt ebenfalls eine Startvorrichtung, mit der ein Volumenstrom durch die Maschine gepumpt wird, bis die Turbinenleistung grösser geworden ist als die benötigte Pump¬ leistung. Danach läuft die Maschine eigenstabil und liefert Nutzarbeit an einen Verbraucher.

Abschnitt 5: SPEZIELLE VERBESSERTE VORRICHTUNG

Die spezielle verbesserte Vorrichtung wird anhand von 3 Figuren beschrieben, welche das Prinzip der Anordnung der Pumpen in Bezug auf die Turbine für jeweils eine Stufe zeigen. Die wesentlichen Merkmale der speziellen verbesserten Vorrichtung sind im einzelnen:

1. Die Vorrichtung besitzt Nr Stufen mit Np radialen Pumpen und einer radialen Turbine pro Stufe, wobei alle Nr Turbinen auf einer gemeinsamen zentralen Welle montiert sind, und alle korrespondierenden Pumpen i jeder Stufe j ebenfalls jeweils auf einer gemeinsamen Welle / montiert sind. Die Anzahl der unabhängigen Wellen beträgt also Np + 1, und auf jeder Welle sind Nr radiale Laufräder montiert.

2. Die Wellen der Maschine sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Turbinenwelle befindet sich zentral in der Mitte aller Pumpenwellen, deren Mittelpunkte gleichmässig verteilt auf einem Kreis rings um die Turbinenwelle angeordnet sind.

3. Die Antriebsarbeit der Pumpen wird über ein Getriebe von der Turbinenwelle an die Pumpenwellen übertragen, vorzugsweise über ein Planetengetriebe.

Figur 1 zeigt das Prinzip der Stufe einer Maschine mit zwei Pumpen Pl, P2 und einer Turbine T, deren Laufraddurchmesser kleiner ist als das der Pumpen. Diese Anordnung eignet sich für Anwendungen mit kleinen Volumenströmen, bei denen eine hohe Drehzahl gewünscht ist.

Figur 2 zeigt das Prinzip der Stufe einer Maschine mit sechs Pumpen P1..P6 und einer Turbine T, wobei hier alle Laufräder den gleichen Durchmesser besitzen. Diese Anordnung eignet sich für mittlere Volumenströme und liefert eine sehr kompakte Maschine.

Figur 3 zeigt schliesslich das Prinzip der Stufe einer Maschine mit zehn Pumpen Pl..PlO und einer Turbine T, wobei die Leitvorrichtungen der Pumpen die jeweiligen Teilströme fast tangential in den Strömungsraum der Turbine einschiessen. Diese Anordnung eignet sich für grosse Volumenströme und grosse Leistungen.

Abschnitt 6: ANWENDUNGEN

Die Anwendungen der Vorrichtung sind wiederum vielfaltig:

(1) Antrieb für den Transport von Personen und/oder Gütern,

(2) Antrieb für den Transport von Gasen und/oder Flüssigkeiten,

(3) Antrieb für die Änderung des Drucks von Fluiden,

(4) Antrieb zur Erzeugung von elektrischem Strom,

(5) Antrieb zur Entsalzung von Meerwasser,

(6) Antrieb zur Erzeugung von Wasserstoff,

(7) Erzeugung von Kälte zur Kühlung von Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern,

(8) Erzeugung von Wärme zur Erwärmung von Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern.

Formelzeichen:

c_p Spezifische Wärmekapazität / Zahlindex der parallel arbeitenden Pumpen in einer Stufe j, / = /..Np j Zählindex der seriell geschalteten Stufen mit je einer Turbine, 7 = L. NT k Durchmesser- oder Radienverhältnis: k = D/Dt = rjr_b n Drehzahl eines Laufrades n_P Drehzahl der Pumpe n_τ Drehzahl der Turbine D Durchmesser der Druckkante eines Laufrades Np Anzahl der parallel arbeitenden Pumpen in einer Stufe/ Np ≥ 2 NT Anzahl der seriell geschalteten Stufen mit je einer Turbine, N_τ≥ 1 P Leistung Q Volumenstrom: Q= dV/dt T Temperatur V Volumen Y spezifische Stufenarbeit η Wirkungsgrad

Indizes:

a erstes Laufrad oder erste Maschine b zweites Laufrad oder zweite Maschine i Zählindex 1, 2 oder Index der i-ten Pumpe einer Stufe j j Index der j-ten Turbinenstufe A Antriebsarbeit, Antriebsleistung N Nutzarbeit, Nutzleistung P Pumpe T Turbine X Extern 1 Saugseite oder Zustand 1 2 Druckseite oder Zustand 2

Operatoren und sonstige Zeichen:

__. Gleichheitszeichen / Division X Multiplikation > größer als < kleiner als > größer oder gleich x" x hoch Exponent n Δx Differenz der Größe x zwischen zwei Zuständen 1 und 2: Ax=X₁ — x₂

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zu Nutzung der inneren Energie von Fluiden bestehend aus drei Impulsänderungen und einer Wärmeübertragung, bei dem im ersten Schritt der Drehimpuls des Fluids durch eine Pumpe erhöht wird, wobei die Pumpe Antriebsarbeit verbraucht, und im zweiten Schritt der Bahnimpuls des Fluids durch eine Wirbelsenke in einer Leitvorrichtung erhöht wird, wobei die Temperatur des Fluids sinkt, und im dritten Schritt der Drehimpuls des Fluids durch eine Turbine vermindert wird, wobei die Turbine Nutzarbeit liefert, und im vierten Schritt das Fluid erwärmt wird, und die Nutzarbeit der Turbine größer ist als die Antriebsarbeit der Pumpe, und die Antriebsarbeit der Pumpe direkt oder indirekt aus der Nutzarbeit der Turbine gewonnen wird, und die Differenz aus Turbinenarbeit und Pumpenarbeit als Nutzarbeit an einen oder mehrere externe Verbraucher gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt des Verfahrens durch zwei oder mehr parallel arbeitende Pumpen ausgeführt wird, und die Teilströme aller Pumpen im zweiten Schritt zu einem einzigen Volumenstrom zusammengeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in Schritt vier zur Kühlung von festen, flüssigen oder gasförmigen Medien verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeüber¬ tragung des vierten Schrittes entweder vor Beginn der Betriebsphase erfolgt ist, oder während der Betriebsphase vor dem ersten, oder vor dem zweiten, oder vor dem dritten, oder nach dem dritten Schritt erfolgt, oder aber nach Abschluss der Betriebsphase, oder nach einem wechselnden Betriebsmuster.

4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid gasförmig oder flüssig ist oder aus beiden Phasen besteht.

5. Vorrichtung zu Nutzung der inneren Energie von Fluiden zur Umsetzung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass sie eine oder mehrere seriell geschaltete Stufen mit je einer Turbine und zwei oder mehr parallel arbeitenden Pumpen enthält, wobei jede Pumpe einen Teilstrom fördert, und alle Teilströme vor dem Eintritt in die Turbine über eine Leitvorrichtung zu einem gesamten Volumenstrom vereinigt werden, der bis zum Eintritt in die Turbine mittels einer Wirbelsenke weiter beschleunigt wird, und der gesamte Volumenstrom nach der Turbine und bei Eintritt in die nächste Stufe wieder auf mehrere Teilströme verteilt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem gemeinsamen oder in mehreren getrennten Gehäusen realisiert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Fluides über einen Wärmetauscher erfolgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid direkt offen mit der Umgebung ausgetauscht wird oder in einem geschlossenen System zirkuliert oder beide Betriebsarten abwechseln.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher entfallt und das Fluid offen mit der Umgebung ausgetauscht wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung unbeschaufelt ist, oder feste oder verstellbare Leitschaufeln besitzt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzarbeit für alle Pumpen von der Turbinenarbeit abgezweigt und über ein Getriebe mit einem festen oder einem veränderlichen Übersetzungsverhältnis transportiert wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als mechanisches Getriebe oder als Strömungsgetriebe oder als elektrisches Getriebe oder eine sonstige Energieübertragungskette ausgeführt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Getriebe über ein Stromnetz realisiert wird, indem die Antriebsenergie der Pumpen aus dem Stromnetz entnommen wird, und die Turbinen einen Generator antreiben, der mehr Leistung an das Stromnetz liefert, als die Pumpen verbrauchen.

14i Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass alle Turbinen auf einer gemeinsamen Welle montiert sind, und die korrespondierenden Pumpen jeder Stufe ebenfalls auf eine gemeinsame Welle montiert sind, und alle Wellen parallel ausgerichtet sind, wobei sich die Mittelpunkte der Pumpenwellen gleichmässig verteilt auf einem Kreis um die zentrale Turbinenwelle befinden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie stationär oder mobil verwendet wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Antrieb zum Transport von Personen oder Gütern verwendet wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Antrieb zum Transport von Flüssigkeiten und/oder Gasen verwendet wird.

18. Vorrichtung nach Ansprach 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Antrieb zur Änderung des Drucks von Flüssigkeiten und/oder Gasen verwendet wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Antrieb zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet wird.

20. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Antrieb zur Entsalzung von Meerwasser verwendet wird.

21. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Antrieb zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet wird.

22. Vorrichtung nach Ansprach 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Kühlung von festen, flüssigen oder gasförmigen Medien verwendet wird.

23. Vorrichtung nach Ansprach 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Nutzarbeit zur Erzeugung von Heizwärme verwendet wird.

24. Vorrichtung nach Ansprach 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine einzige oder mehrere Anwendungen gleichzeitig oder nacheinander ausfuhrt.