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Dokumentenidentifikation DE3526289C2 09.11.1989
Titel Hydraulische Wärmekraftmaschine
Anmelder Zillner, Günter, 5223 Nümbrecht, DE
Erfinder Zillner, Günter, 5223 Nümbrecht, DE
Vertreter Schönwald, K., Dr.-Ing.; von Kreisler, A., Dipl.-Chem.; Fues, J., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Selting, G., Dipl.-Ing.; Werner, H., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Böckmann gen. Dallmeyer, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 5000 Köln
DE-Anmeldedatum 23.07.1985
DE-Aktenzeichen 3526289
Offenlegungstag 10.04.1986
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.11.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.11.1989
IPC-Hauptklasse F01K 25/02
Zusammenfassung Vorteilhaft ist ein druckfest ausgebildeter Wärmeaustauscher (1) vorhanden, bestehend aus einem ersten Flansch (29), an den ein Druckzylinder (3) mit Arbeitskolben (4) kommunizierend angebracht ist, einem Stahlzylinder (32), der von Zugankern (33) hochdruckdicht zwischen dem ersten Flansch (29) und einem zweiten Flansch (31) eingespannt ist, wobei der Zylinder (3) und der Wärmeaustauscher (1) gemeinsam ein Ausdehnungsmedium enthalten und der zweite Flansch (31) mit einem Einlaßteil (8) und einem Auslaßteil (9) für die abwechselnde Durchleitung von warmem und kaltem Wasser durch eine Vielzahl dünner Röhrchen (10) im Wärmeaustauscher (1) versehen ist und die Röhrchen (10) so angeordnet sind, daß sie sowohl einem hohen Druck standhalten als auch gleichzeitig einen optimalen Wärmeübergang auf das Medium (2) gewährleisten.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Wärmekraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der japanischen Patentschrift 56-1 21 880 ist eine sehr einfach gestaltete Kraftmaschine bekannt, bei der ein Zylinder mit einer Ausdehnungsflüssigkeit und einem Kolben in einem Behälter angeordnet ist, der abwechselnd von kaltem und warmem Wasser durchflossen wird. Durch die Kontraktion und Expansion der Ausdehnungsflüssigkeit wird auf den Kolben eine Kraft ausgeübt, die den Kolben bewegt und zur Arbeitsleistung herangezogen werden kann.

Es ist offensichtlich, daß der Wirkungsgrad einer derartigen Anordnung nur sehr gering sein kann. Der Wasserwechsel (warm-kalt) kann mit einem Ablaßhahn erfolgen, wobei bei jedem Wasserwechsel eine erhebliche Zeit vergeht, bis das Wasser ausgeflossen und neues eingefüllt ist. Anderenfalls werden warmes oder kaltes Wasser abwechselnd durch Zu- und Ableitungen geleitet, wobei sich zunächst jedesmal das warme mit dem kalten Wasser mischt bis dann langsam das warme oder kalte Wasser zur Wirkung am Zylinder mit der Ausdehnungsflüssigkeit kommt. Da warmes Wasser leichter ist als kaltes dürften weitere Schwierigkeiten durch Schichtbildungen beim Wasserwechsel auftreten. Es entsteht bei dieser Verfahrensweise ein erheblicher Anteil an lauwarmem Mischwasser. Eine wirtschaftliche Arbeitsweise ist daher mit dem Gerät nicht möglich.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 30 34 791 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei der versucht wird, die Nachteile des Gegenstandes der japanischen Anmeldung zu mindern, indem das Heiz- und Kühlwasser in getrennten Kanälen zugeführt wird, der Arbeitszylinder zum besseren Wärmetausch stark zerklüftet ist und nur dünne Kanäle für den Dehnkörper vorgesehen sind und das Gerät von einem Isolier- und Druckmantel umgeben ist. Als Dehnkörper ist Wachs, Stearin oder dergl. vorgesehen.

Auch diese Ausführung einer Wärmekraftmaschine zeigt erhebliche Nachteile. Die Verwendung von Dehnkörpern aus Stearin, Wachs oder ähnlicher Materialien mit einer Schmelz- und Erstarrungsperiode hat den Nachteil, daß während des Fest- und Schmelzzustandes keine oder nur geringe Wärmekonvektion in den Schmelzkörpern stattfinden kann und daher der Wärmeübergang beim Schmelzvorgang und insbesondere im Bereich um die Kühlwasserkanäle nur langsam abläuft. Außerdem entstehen bei der Erstarrung, insbesondere im Bereich der Warmwasserkanäle Inseln aus noch flüssigen Dehnkörpern, die sich nur langsam verfestigen und dabei ausdehnen. Auch das Prinzip der getrennten Heiz- und Kühlwasserkanäle hat erhebliche Nachteile, die die Funktion der Maschine in starkem Maße beeinträchtigen. Insbesondere werden alle Kanäle und deren Umgebung jeweils mitgeheizt und mitgekühlt, so daß bereits durch die Vorrichtung das Heizwasser abgekühlt und das Kaltwasser aufgewärmt wird, wodurch der Wirkungsgrad erheblich verschlechtert wird. Die weiterhin vorgeschlagene zerklüftete Ausbildung des Kolbenzylinders zur Erhöhung des Wärmeübergangs dürfte auch nicht von Vorteil sein, da das Volumen des Dehnkörpers ja eine erhebliche Rolle für den Kolbenhub spielt und bei der vorgeschlagenen Ausführung das Volumen relativ klein ist.

Aus der FR-OS 24 53 289 ist eine hydraulische Wärmekraftmaschine bekannt. Diese Wärmekraftmaschine weist eine Druckkammer mit einem Arbeitsfluid auf, das von einem in der Druckkammer angeordneten Wärmetauscher abwechselnd erhitzt und abgekühlt wird, indem abwechselnd ein warmes bzw. ein kaltes Wärmeübertragungsmedium durch Wärmetauscher hindurchgeführt wird. Die Expansion bzw. Kontraktion des Arbeitsfluids führt abwechselnd zu einem Druckaufbau bzw. zu einer Druckverringerung, die dazu genutzt wird, über einen hin- und herbeweglichen Arbeitskolben Arbeitsleistung abzugeben. Bei dieser Wärmekraftmaschine besteht der Wärmetauscher lediglich aus einer einzigen Rohrwicklung, die ein- und auslaßseitig an geeigneter Stelle durch die Behälterwand hindurchgeführt ist.

Aus dem VDI-Wärmeatlas, 4. Auflage, 1984, Seite Ob 3, ist ein Rohrbündel-Wärmeübertrager mit Haarnadelrohren bekannt, der allerdings nicht abwechselnd mit einem warmen bzw. kalten Wärmeübertragungsmedium durchflossen ist. Das Rohrbündel mündet bei diesem Wärmetauscher in eine Rohrplatte, die auf ihrer gesamten Fläche von den Rohrelementen des Rohrbündels einzeln und mit gegenseitigem Abstand durchbrochen ist. Dadurch würde an der Rohrplatte, wenn abwechselnd warme und kalte Wärmeübertragungsmedien durch das Rohrbündel fließen würden, ein erheblicher Wärmeverlust entstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Wärmekraftmaschine zu verbessern, die bei einfachem Aufbau eine Steigerung der Arbeitshübe pro Zeiteinheit gegenüber dem Stand der Technik erreicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Hauptanspruchs.

Bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine wird jeweils das zuflußseitige bzw. das abflußseitige Ende des Rohrbündels eng gebündelt mit gegenseitiger Berührung der Rohrelemente durch den Rohrflansch geführt, wodurch Wärmeverluste auf Grund abwechselnder Erwärmung und Abkühlung des Flansches weitestgehend vermieden werden, da die Wärmeübergangsflächen erheblich reduziert werden. Der als Rohrbündel gestaltete Wärmetauscher weist ein günstiges Oberflächen-/Volumenverhältnis auf, hat einen geringen Strömungswiderstand, ermöglicht eine freie Dehnfähigkeit der einzelnen Rohrelemente und weist einen einfachen, herstellungstechnisch vorteilhaften Aufbau auf.

Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine erlaubt einen schnellen abwechselnden Durchfluß des warmen und kalten Wassers durch den Druckbehälter und gleichzeitig ein Optimieren des Wärmeübergangs an das Medium.

Durch die erfindungsgemäße und vorteilhafte Anwendung einer Vielzahl dünner Rohre, die einem hohen Druck widerstehen können, entsteht gleichzeitig in dem Wärmeaustauscher eine maximale Konvektionsoberfläche. Durch das abwechselnde Durchleiten oder Durchdrücken von erhitztem und kaltem Wasser wird das erhitzte Wasser durch die Röhrchen selbst nur wenig abgekühlt und gibt die Wärme optimal an das Medium ab. Gleichermaßen wird das kalte Wasser durch die Röhrchen selbst nur wenig erhitzt. Bei der Vielzahl dünner Durchflußröhrchen mit kleinen Querschnitten kann ein schneller Durchfluß mit Turbulenzen über den ganzen Querschnitt der Röhrchen stattfinden und somit eine schnelle und intensive Wärme- und Kälteübertragung erreicht werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zwei Wärmeaustauscher beiderseits des Kolbens abwechselnd mit kaltem und warmem Wasser beschickt werden, so daß sich das auf einer Seite des Kolbens befindliche Medium durch Erwärmen ausdehnt, während sich gleichzeitig das auf der anderen Seite des Kolbens befindliche Medium durch Abkühlen zusammenzieht und sich die Erwärmungs- und Abkühlungsvorgänge in schneller Folge in den Wärmeaustauschern abwechseln.

Das durch Wärmeausdehnung und Kontraktion eine Druckkraft ausübende Medium kann aus einem Stoff mit hoher Wärmeausdehnung und guten Gleit- bzw. Schmiereigenschaften, z. B. aus einem Öl, bestehen.

Die vorerwähnten Medien, die zur Kraftausübung, aber auch zur Erhitzung oder zur Kühlung herangezogen werden, können aus verschiedenen Flüssigkeiten bestehen. Bei dem flüssigen Medium, dessen Ausdehnung bzw. anschließende Kontraktion in Kraft umgesetzt wird, handelt es sich um solche Stoffe, die einen hohen Wärmeausdehnungs- Koeffizienten haben und zugleich Schmiereigenschaften haben. Ein solcher Stoff ist beispielsweise Öl. Unter den verschiedenen Ölen werden dann jene gewählt, die mit hohem Wärmeausdehnungs-Koeffizienten und guter Schmiereigenschaft vorhanden sind. Da die erfindungsgemäße Wärme-Kraftmaschine bei Temperaturen unter 100° arbeitet, werden an die Schmierung ohnehin nur geringe Anforderungen gestellt. In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß das erwärmende oder erhitzende flüssige Medium aus Wasser des einen Kreislaufes und das abkühlende flüssige Medium aus Wasser eines anderen Kreislaufes besteht. Danach wird das Medium, insbesondere Öl in einem geschlossenen Behälter über einen Wärmetauscher erhitzt und wieder abgekühlt, wobei die dabei zufolge der Temperaturdifferenz auftretende Wärmeausdehnung und anschließende Kontraktion erfolgt.

Besonders vorteilhaft ist dabei, die Arbeitskraftmaschine an eine Wärmepumpe und/oder einen Sonnenkollektor zur Erwärmung bzw. Erhitzung des dem Wärmetauscher zuzuführenden erwärmten oder erhitzten Wassers anzuschließen.

Die in der Natur vorhandenen Temperaturunterschiede des Wassers zu nutzen, ist besonders vorteilhaft in Ländern der Dritten Welt, weil eine solche Anlage einfach in der Ausbildung ist und einen äußerst geringen Wartungsaufwand erfordert. Gerade in solchen Ländern, bei denen durch Sonneneinstrahlung hohe Temperaturen vorhanden sind, ist die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine sehr vorteilhaft als Bestandteil einer Pumpe zu verwenden, weil das kühle, aus einem tiefen Brunnen stammende Wasser eine ausreichende Temperaturdifferenz zu einem obererdigen Wasser hat. Dabei kann das obererdige Wasser vor der Zufuhrung in den Wärmeaustauscher durch Sonnenenergie, möglicherweise auch durch Anwendung einer von der Arbeitskraft-Maschine angetriebenen Wärmepumpe, weiterhin erwärmt werden. Vorteilhaft ist die Verwendung von erwärmtem bzw. erhitztem Wasser mit einer Temperatur von 40° bis 90°C, insbesondere 60° bis 80°C. Es steht dann in einem ausreichend starken Temperaturgefälle zu dem Brunnenwasser mit gegebenenfalls einer Temperatur von 5° bis 10°C. Es ist verständlich, daß das dem Wärmetauscher zuzuführende erhitzte Wasser auch durch einfache Feuerungen, beispielsweise Holz- oder Kohlefeuer, zusätzlich erwärmt werden kann. Dabei kann auch der bei einer Erhitzung auftretende Wasserdampf benutzt werden. Es handelt sich aber vorteilhaft um sehr einfache Feuerungen, so daß kein wie bei Dampfkesseln erforderlicher Druckkessel notwendig ist.

Der Arbeitskolben der Wärmekraftmaschine kann kraftschlüssig mit dem Kolben einer Pumpe, insbesondere als Wasserpumpe, verbunden sein. Dabei kann der Arbeitskolben der Wärmekraftmaschine koaxial zum Kolben der Pumpe angeordnet ist. Dabei können in besonderen Fällen der Kolben und der Zylinder der Wärmekraftmaschine mit dem Kolben und Zylinder der Wasserpumpe eine Einheit bilden bzw. einstückig sein.

Weiterhin wird vorgeschlagen, die Arbeits-Kraftmaschine zugleich mit einer Pumpe zu versehen und die von der Pumpe geförderte Flüssigkeit, die insbesondere aus Brunnenwasser besteht, als kühle Flüssigkeit dem Wärmetauscher zuzuführen. In Verbindung mit dem weiteren Vorschlag, daß die dem Wärmetauscher zugeführte warme oder erhitzte Flüssigkeit vor der Zuführung in den Wärmetauscher durch Sonneneinwirkung und/oder durch eine Wärmepumpe erwärmt oder erhitzt wird, wird die Temperaturdifferenz von Wasser, das in der natürlichen Umwelt vorhanden ist und vorteilhaft durch natürliche in der Natur vorhandene Einwirkungen, wie einerseits Brunnenwasser oder andererseits durch Sonnenstrahlung, erhitzt, zum Betrieb der Wärmekraftmaschine genutzt.

Eine besonders schnelle und leistungsstarke Wärmekraftmaschine zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß in einem Zylindergehäuse ein doppelseitig wirkender Kolben beweglich angeordnet ist, das Zylindergehäuse an jeder Kolbenseite über Durchlässe oder Rohrleitungen mit einem ein Medium enthaltenden Wärmeaustauscher verbunden ist, wobei jeder Wärmetauscher mit einem Rohrbündel versehen ist, durch welches erhitztes oder kaltes Wasser leitbar ist.

In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß der Wärmeaustauscher druckfest ausgebildet ist und aus einem ersten Flansch besteht, an dem ein Druckzylinder mit Arbeitskolben kommunizierend angebracht ist, ein Stahlzylinder vorgesehen ist, der von Zugankern hochdruckdicht zwischen dem ersten Flansch und einem zweiten Flansch eingespannt ist, wobei der Zylinder und der Wärmeaustauscher gemeinsam ein Ausdehnungsmedium enthalten und der zweite Flansch mit einem Einlaßteil und einem Auslaßteil für die abwechselnde Durchleitung von warmem und kaltem Wasser durch eine Vielzahl dünner Röhrchen im Wärmeaustauscher versehen ist.

Durch diese vorteilhafte erfindungsgemäße Anordnung und Ausgestaltung des Zylinders und Druckbehälters wird eine Wärmekraftmaschine erhalten, die hohen Innendrücken von 100 bar und mehr ohne wesentliche eigene Verformung standhält, so da die gesamte Volumenänderung bei der Erwärmung des Mediums auf den Kolben wirkt und diesen antreibt. Die Verwendung eines Wärmeaustauschers mit einer Vielzahl von dünnen Röhrchen, durch die das warme und kalte Wasser geleitet wird, zeigt eine Reihe von unerwarteten Vorteilen. Die dünnen Röhrchen haben relativ zu ihrem Innendurchmesser eine erhebliche Wandstärke (beispielsweise bei einem Röhrchen von 4 mm Durchmesser und einem Innendurchmesser von 2 mm eine Wandstärke von 1 mm). Derartige Röhrchen können sehr hohen Drücken widerstehen ohne sich zu verformen, wenn deren runder Querschnitt bei der Verarbeitung beibehalten wird. Gleichzeitig hat die Vielzahl dünner Röhrchen eine erheblich größere Oberfläche als ein einzelnes Rohr mit dem gleichen Querschnitt, so daß eine wesentlich größere Wärmeübergangsfläche zur Verfügung steht, als bei einem Einzelrohr. Eine zehnfache Oberfläche ist hierbei leicht zu erreichen. Die dünnen Röhrchen haben weiterhin den wesentlichen Vorteil, daß die Strömung innerhalb der Röhrchen schon bei geringer Strömungsgeschwindigkeiten turbulent erfolgt und hierbei ein optimaler Wärmeübergang an das Medium erfolgt.

Gemäß einer Weiterbildung der Anordnung der Röhrchen im Druckbehälter wurde gefunden, daß es besonders vorteilhaft ist, wenn die im Einlaßteil und Auslaßteil eingelöteten gebündelter Röhrchen im Wärmeaustauscher so geformt und gebogen werden, daß sie in der Mitte des Wärmetauschers (entlang des Schnittes VIII-VIII, Fig. 6) alle einen etwa gleich großen Abstand voneinander haben, im oberen Bereich des Wärmeaustauschers einen Bogen beschreiben und durch die Mitte mit gleichem Abstand zueinander zum Auslaßteil zurückgeführt werden.

Durch diese Verteilung der Röhrchen im Druckbehälter wird das zwischen den Röhrchen befindliche Medium fast überall gleichmäßig und schnell aufgeheizt bzw. abgekühlt.

In vorteilhafter Weise wird das Einlaß- und Auslaßteil aus zylindrischen Rohren gefertigt, in die einerseits das Bündel dünner Röhrchen und andererseits Spannteile mit Gewinde eingelötet, geschweißt oder geklebt sind, so daß die Einlaß- und Auslaßteile in einfacher Weise und hochdrucksicher mit Spannmuttern gegen Konen und/oder andere Dichtungen in dem Flansch einsetzbar sind. Zusätzlich können die zylindrischen Rohre in Ringnuten im Flansch eingreifen und auf zusätzliche Dichtungen in den Nuten gepreßt werden. Von Vorteil ist es, wenn die Röhrchen im Druckbehälter keine Berührung miteinander haben und der Abstand voneinander so groß gewählt wird, daß auch bei deren Ausdehnung bei Erwärmung keine gegenseitige oder keine Berührung mit den Teilen des Druckbehälters stattfindet. Günstig ist die Ausbildung des oberen Flansches mit einer Auswölbung, in die die Röhrchen hineinragen.

Bevorzugt werden Röhrchen verwendet, die aus einem gut wärmeleitenden und gleichzeitig festem Material hergestellt sind, wie beispielsweise Kupferrohre oder Röhrchen aus Edelstahl. Von Vorteil sind beispielsweise Kupferröhrchen mit einem Außendurchmesser von 4 mm, einem Innendurchmesser von 2 mm und somit mit einer Wandstärke von 1 mm. Bei der Verarbeitung der Röhrchen ist insbesondere darauf zu achten, daß der runde Durchmesser nicht verformt wird und daß beim Biegen der Röhrchen keine Knicke entstehen, insbesondere wenn sehr hohe Drücke vorgesehen sind.

Besonders vorteilhaft werden die Röhrchen an ihren beiden Enden vor dem Bündeln und Löten in der Länge des Bereiches der zylindrischen Rohre zu Sechskantrohren verformt, so daß sie mit einem bienenwabenförmigen Querschnitt anordbar und einlötbar sind.

Der sechskantige Rohrquerschnitt erlaubt, durch das dichte Aneinanderfügen der Röhrchen eine größere Zahl von Röhrchen bei gleichem Querschnitt unterzubringen und beim Einlöten und Verlöten der Rohre untereinander Lötmittel zu sparen. Es ist auch eine Verformung zu einem drei- oder viereckigen Querschnitt der Rohre möglich, jedoch ist hierbei die Verformung an den Kanten so groß, daß die Drucksicherheit nicht gewährleistet ist und der Rohrquerschnitt stark verkleinert wird.

Die beschriebene erfindungsgemäße Kraftmaschine erlaubt durch ihre Ausbildung die Erzeugung sehr hoher Kräfte bei kurzfristig aufeinanderfolgenden Hüben, so daß selbst mit geringen Wassermengen und/oder geringen Temperaturunterschieden bereits nutzbare Arbeitsleistungen entnommen werden können.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Wärmekraftmaschine in schematischer Darstellung und vertikalem Schnitt mit einem Druckbehälter mit Wärmeaustauscher und einer Kolben-Zylinder-Anordnung,

Fig. 2 die dicht angeordneten Rohre des Wärmeaustauschers in perspektivischer Darstellung,

Fig. 3 die Anordnung nach Fig. 2 mit Stirnansicht des Befestigungsflansches,

Fig. 4 eine Anordnung mit doppelseitig wirkendem Kolben und zwei Druckbehältern,

Fig. 5 eine Arbeitskraftmaschine mit angeschlossener Pumpe im vertikalen Schnitt,

Fig. 6 die Wärmekraftmaschine, bestehend aus einem Wärmeaustauscher in einem Druckbehälter und einem Arbeitszylinder in Aufsicht,

Fig. 7 den Druckbehälter mit Arbeitszyinder nach Fig. 6 im Schnitt,

Fig. 8 einen Schnitt durch den Druckbehälter längs der Linie VIII-VIII nach Fig. 6,

Fig. 9 ein Ein- bzw. Auslaßteil und

Fig. 10 eine Aufsicht auf das Röhrchenbündel in einem Schnitt nach X-X nach Fig. 9.

Fig. 1 zeigt eine Wärmekraftmaschine in schematischer Darstellung und vertikalem Schnitt. In einem druckfesten Behälter 1 befindet sich ein Medium 2, welches einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, beispielsweise Öl. Auf der einen Seite des Behälters 1 ist ein Zylindergehäuse 3 über einer Verbindungsöffnung 14 angeflanscht, in welchem ein Kolben 4 mit einer Kolbenstange 5 beweglich angeordnet ist. Auf der Gegenseite des Behälters 1 ist ein Flansch 6 angeschraubt, in welchem ein Heiz- oder Kühlmittelauslaßteil 9 eingesetzt ist. Das Einlaßteil 8 ist mit dem Auslaßteil 9 durch eine Vielzahl dünner Rohre 10 verbunden, die in dem Behälter 1 als Wärmeaustauscheinrichtung dienen.

Wird durch das Einlaßteil 8 heißes Wasser eingeleitet (siehe Pfeil) so dehnt sich das Medium 2 in dem Zylinder 1 aus und wirkt auf den Kolben 4 im Druck, so daß dieser unter Leistung von Arbeit nach rechts bewegt wird. Wird anschließend durch das Einlaßteil 8 kaltes Wasser eingeleitet, so zieht sich das Medium 2 zusammen und der Kolben 4 wird einerseits durch Luftdruck und andererseits durch Vakuum nach links bewegt. Dieses Zurückziehen unter Vakuum kann dadurch verstärkt werden, daß der auf der anderen Seite des Kolbens 4 vorhandene Raum 11 im Zylinder 3 als Druckraum ausgebildet ist, wobei durch die Bewegung nach rechts der Kolben 4 unter Luftdruck steht und der Luftdruck bei der Zusammenziehung des Öls die Zurückbewegung des Kolbens 4 begünstigt.

Fig. 2 zeigt die dicht angeordneten Rohre 10 des Wärmeaustauschers in perspektivischer Darstellung, wobei die Rohre 10 mit dem Einlaßteil 8 und dem Auslaßteil 9 fest mit dem Flansch 6 verbunden sind. Abweichend von der Darstellung in Fig. 1 zeigt Fig. 2, daß die den Wärmeaustauscher bildenden Rohre 10 in sehr dichter Anordnung um einander angeordnet sind, um einen wirkungsvollen und schnellen Temperaturwechsel des Öls zu erreichen.

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf die Außenseite des Flansches 6, wobei das Einlaßteil 8 und das Auslaßteil 9 mit der Vielzahl von Rohren 10 und die vier Befestigungsbohrungen 12 im Flansch 6 zu sehen sind.

Nach Fig. 4 ist in dem Zylinder-Gehäuse 3 ein doppelseitig wirkender Kolben 4 vorhanden, wobei dem Zylinder 3 an jeder Kolbenseite über zugeordnete Durchlässe oder Rohrleitungen 14a, 14b ein geschlossener, mit Öl 2 oder dergleichen gefüllter Druckbehälter zugeordnet ist, in denen jeweils ein Wärmeaustauscher 10 vorhanden und mit je einem Einlaßteil 8 und Auslaßteil 9 versehen ist, durch die abwechselnd erhitztes oder gekühltes Wasser geleitet wird, damit die Ausdehnung des Öls 2 in dem einen Druckbehälter 1 bzw. an der einen Kolbenseite und die Kontraktion des Öls 2 in dem anderen Behälter bzw. der anderen Kolbenseite gleichzeitig wirken. Dadurch wird eine erhöhte Leistung in verkürzter Zeit geschaffen.

Fig. 5 zeigt, daß in dem Behälter 1 ein Wärmeaustauscher-Rohrbündel 10 angeordnet ist, das ein große Konvektionsfläche hat. Der Zylinder 3 mit dem Arbeitskolben 4 erstreckt sich lotrecht zu dem Behälter 1 und ist mit diesem durch eine Öffnung 14 verbunden. Die Kolbenstange 15 ist über einen Querbolzen 16 an einer Stange 17 angelenkt, die an dem einen Ende über einen Querbolzen 18 mit einem vom Zylinder 1 ausgehenden Gestell 19 schwenkbeweglich gelagert ist und an dem anderen Ende über einen Bolzen 20 mit der Kolbenstange 21 mit einer Pumpe verbunden ist, die in Gestalt eines Kolbens 22 in dem Zylinder 23 dargestellt ist. Es sei bemerkt, daß die Pumpe auch eine bekannte andere Ausbildung haben kann. An dem Einlaß 24 des Pumpengehäuses 23 ist ein Schlauch 25 angebracht. Die Arbeits-Kraftmaschine und die Pumpe sind über Halterungen 26, 27 an einer gemeinsamen Grundplatte 28 angeordnet.

Fig. 5 zeigt den Zustand, daß durch Erhitzung des im Behälter 1 befindlichen Öls 2 durch die Ausdehnung der Kolben 4 angehoben ist. Dieser hat zugleich über das vorerwähnte und dargestellte Gestänge den Kolben 22 der Pumpe angehoben, so daß diese über den Schlauch 25 Wasser ansaugen kann. Dieses Wasser, das als Brunnenwasser sehr kühl ist, kann dem Wärmetauscher 10 als kühlende Flüssigkeit zugeführt werden. Dies führt dazu, daß der Kolben 4 und somit der Kolben 22 der Pumpe wieder abgesenkt werden.

Statt der Anordnung des Zylindergehäuses 3 und des Kolbens 4 neben dem Zylinder 23 und dem Kolben 22 können diese auch übereinander mit einer Kolbenstange 15, 21 angeordnet werden. Auch ist durch die Kolbenstange eine Steuerung der Warm- und Kaltwasserzufuhr zu dem Wärmeaustauscher möglich.

Der Kolbenhub kann auch in bekannter Weise über ein Pleuel ein Rad antreiben. Ebenso kann eine Vielzahl der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zusammengestaltet werden, um beispielsweise eine Kurbelwelle anzutreiben.

Fig. 6 zeigt die Ansicht einer weiteren beispielsweisen Ausführung der Kraftmaschine, bestehend aus einem Druckbehälter 1 und einem Arbeitszylinder 3. Der Zylinder 3 ist mit dem oberen Flansch 29 des Wärmeaustauschers 1 mittels Vier- oder Sechskant 30 druckfest verschraubt. Zwischen den Flanschen 29 und 31 ist ein Mantelrohr 32, beispielsweise aus Stahl oder Edelstahl, durch Zuganker 33 und Muttern 34 eingespannt. Der untere Flansch 31 besitzt ein Einlaßteil 8 und ein Auslaßteil 9 für warmes und kaltes Wasser, die mit Muttern 35 dichtend im Flansch 31 befestigt sind.

Fig. 7 zeigt eine Schnittdarstellung der Wärmekraftmaschine nach Fig. 6. In dem Arbeitszylinder ist ein Kolben 4 mit Dichtungen beweglich gelagert und mit einer Kolbenstange 5 verbunden. Der Hub des Kolbens 4 (Doppelpfeil) kann in üblicher Weise zur Verrichtung mechanischer Arbeit eingesetzt werden, beispielsweise für eine Hin- und Herbewegung oder zur Erzeugung einer Rotationsbewegung mit einer Pleuelstange. Der Hub kann auch direkt oder über eine Hebelübersetzung zum Antrieb einer oder mehrerer Pumpen eingesetzt werden.

Der Zylinder 3 ist kommunizierend mit dem Druckbehälter 1 verbunden und in beiden Gefäßen 1, 3 befindet sich ein Medium 2, welches bei Temperaturänderungen eine große Volumenänderung aufweist und gleichzeitig gute Schmiereigenschaften für den Kolben besitzt. Geeignet sind Öle oder ähnliche Flüssigkeiten. Vom Einlaßteil 8 erstreckt sich eine Vielzahl von dünnen Rohren 10, 10a, 10b usw. durch den gesamten Innenraum des Druckbehälters 1. Die Rohre 36 sind am Einlaßteil 8 zu einem Bündel 36 zusammengelötet und kurz oberhalb eines zylindrischen Rohres 37 so auseinandergebogen, daß sie etwa in der Mitte des Druckbehälters, in der Ebene des Schnittes VIII-VIII voneinander den gleichen Abstand besitzen wie in Fig. 8 dargestellt. Oberhalb dieser Ebene sind die Rohre U-förmig gebogen und durch die Ebene mit gleichem Abstand der Rohre 10 untereinander zu dem Auslaßteil 9 geführt und wieder gebündelt in einem zylindrischen Rohr 37a zusammengeführt. Optimale Wärmeübergänge bei hohen Drücken werden erreicht, wenn die Röhrchen 10, 10a, 10b usw. gebogen sind, daß sie sich nach Verlassen des Bündels nicht berühren, keinen Kontakt mit dem Druckbehältermantel 32 haben und sich nach allen Seiten frei ausdehnen können, wenn sie erwärmt werden. Der obere Flansch 29 ist für eine möglichst raumfüllende Unterbringung der Röhrchen mit einer Auswölbung 38 versehen.

In Fig. 9 ist eine besonders geeignete Ausführung des Einlaß- bzw. Auslaßteiles dargestellt. In einem zylindrischen Rohr 37 ist einerseits das Bündel 36 der Röhrchen 10, 10a usw. durch Löten, Kleben oder Schweißen befestigt, andererseits ist in dem Rohr 37 ein Spannteil 39 befestigt, welches mit einem Gewinde und einer Spannmutter 35 in dem Flansch 31 so verschraubbar ist, daß sich die Konen 40 des Spannteiles 39 und des Flansches 31 fest und gut dichtend aufeinander setzen. Als zusätzliche Sicherung kann das Rohr 37 mit einem über das Spannteil 39 hinausragenden Rand in eine Nut 41 im Flansch 31 eingreifen und sich auf eine weiche Dichtung 42 aufsetzen.

Eine spezielle Ausbildung der Röhrchen 10 beim Einbringen in das Rohrstück 37 zeigt Fig. 10. Vor dem Einbringen werden die Röhrchen zu einem Sechskantprofil 43 verformt, wodurch sich die einzelnen Röhrchen 1 an ihren Enden dicht an dicht anordnen lassen und sowohl mehr Röhrchen 10 im Rohr 37 untergebracht und gleichzeitig Silberlot oder dergl. Befestigungsmittel gespart werden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Hydraulische Wärmekraftmaschine mit einem in einem Druckbehälter befindlichen Arbeitsfluid mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten und mit einem in dem Drukbehälter angeordneten Wärmetauscher, durch den zur Energiegewinnung abwechselnd ein warmes und kaltes Wärmeübertragungsmedium hindurchführbar ist, wobei die abwechselnde Druckerhöhung und Druckverringerung im Druckbehälter eine Arbeitskraft auf einen hin- und herbewegten Arbeitskolben überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher aus einem Bündel von Röhrchen (10) besteht, dessen beiden Enden jeweils durch einen Flansch (6) an einem Einlaßteil (8) und einem Auslaßteil (9) ohne gegenseitigen Abstand hindurchgeführt sind, daß das Bündel von Röhrchen (10) vom Einlaßteil (8) ausgehend so geformt ist, daß zumindest im Bereich der Mitte des Druckbehälters (1) alle Röhrchen (10) etwa gleichen Abstand voneinander haben und einen U-förmigen Bogen beschreiben.
  2. 2. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (1) einen Flansch (29) aufweist, an dem ein druckfester Zylinder (3) für den Arbeitskolben (4) mit dem Druckbehälter (1) kommunizierend angebracht ist.
  3. 3. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (1) aus einem Stahlzylinder (32) besteht, der von Zugankern (33, 33a usw.) hochdruckdicht zwischen dem Flansch (29) und dem Behälterflansch (6, 31) eingespannt ist.
  4. 4. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßteil (8) und das Auslaßteil (9) jeweils aus einem zylindrischen Rohrabschnitt (37, 37a) bestehen, in denen jeweils auf einer Seite die Röhrchen (10) des Rohrbündels und auf der anderen Seite Spannteile (39) im Gewinde befestigt sind, welche von Spannmuttern (35) gegen Konen (40) in dem Flansch (31) abdichtend preßbar sind.
  5. 5. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Rohrabschnitte (37, 37a) in Ringnuten (41) im Flansch (31) eingreifen und zur zusätzlichen Dichtung auf Dichtungsringe (42) gepreßt sind.
  6. 6. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (10) im Druckbehälter (1) so angeordnet und geformt sind, daß sie sich bei Temperaturänderungen nicht berühren und sich frei nach allen Seiten ausdehnen können.
  7. 7. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (29) zur Rohrbündelseite hin mit einer Auswölbung (38) versehen ist.
  8. 8. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (10) einen Außendurchmesser von 4 mm und einen Innendurchmesser von 2 mm besitzen.
  9. 9. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die runden Röhrchen (10) vor dem Bündeln und dem Befestigen im Rohrabschnitt (37) an ihren Enden in der Länge des Bereiches der Befestigung im zylindrischen Rohrabschnitt (37) zu Sechskantrohren (43) verformt, zu einem wabenförmigen Querschnitt angeordnet und miteinander und dem Rohrabschnitt (37) verlötet oder verschweißt sind.
  10. 10. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Druckbehälter abgewandte Seite der Arbeitskolben-Zylinder-Einheit (3, 4) druckdicht abgedichtet ist und einen Luftkompressionsraum (11) bildet.
  11. 11. Hydraulische Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Druckbehälter (1) auf den in dem Zylinder (3) beidseitig druckbeaufschlagten Arbeitskolben (4) abwechselnd einwirken.






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