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1. Beschreibung Druck-Stoß-Pumpe - Stand der Technik und Mängel der bekannten Ausführungen

1.1 Allgemein Pumpen

Bei einer Pumpe handelt es sich um ein technisches Gerät, das verbunden mit einer Eintritts- und Austritts-Leitung ein Fluid wie eine Flüssigkeit, Dampf oder Gas zum Eingang einer Eintritts-Leitung und danach zum Ausgang einer Austritts-Leitung durch äußere Energiezufuhr transportiert und gleichzeitig die weitere Förderung mittels Erhöhung der Energie des Fluids (Druckerhöhung, Beschleunigung) ermöglicht. Mit Ausnahme des hydraulischen Widders erfolgt die Energieversorgung des eigentlichen Pump-Mechanismus dabei mittels einer separaten Energie-Transport-Leitung in Form eines mechanischen Gestänges (Zufuhr mechanischer Energie), eines Kabels (Zufuhr elektrischer Energie) oder einer separaten Fluid-Leitung (Zufuhr von Druck-Energie).

Bei Wasser-Förderung aus Brunnen unterteilen sich Pump-Systeme in zwei Klassen: Bei der ersten Klasse befindet sich die Pumpe unterirdisch am Boden des Brunnens. Daher muss die Pumpe in der Lage sein mindestens einen Druck zu erzeugen, der dem sich aus der Tiefe des Brunnens ergebenden hydrostatischen Wasserdrucks entspricht. Es muss eine separate Energie-Transport-Leitung installiert werden, deren Länge mindestens der Brunnen-Tiefe entspricht. Bei der zweiten Klasse befindet sich oberirdisch über dem Brunnenschacht. Die Pumpe arbeitet dann mit einem Saug-Mechanismus. Damit ist die maximale Förder-Höhe (geodätische Saug-Höhe) begrenzt durch das erreichbare Vakuum, den örtlichen Luftdruck und die zu überwindenden Strömungswiderstände und liegt typischerweise bei weniger als 10 Metern.

2. Welches technische Problem wird wie gelöst

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Pumpe ohne limitierte Förder-Höhe und ohne separate Energie-Transport-Leitung zu realisieren, die angetrieben wird von Druck-Stössen eines Antriebs-Fluids in einer gemeinsamen Antriebs-Förder-Leitung (AFL) und dabei ein flüssiges, gas- oder Dampf-förmiges Förder-Fluid von einem Ausgangsort A durch die AFL zu einem Zielort B fördert. In einer speziellen Ausführungsform erfolgt der Antrieb mittels eines solar thermischen Wasserdampf-Erzeugers in einem offenen Rankine artigen thermodynamischen Prozess. Sowohl das Antriebs- als auch das Förder-Fluid ist in diesem Fall Wasser. Im Gegensatz zu bekannten solaren Dampf-Pumpen mit einem geschlossenen Rankine Prozess (z.B. DE 35 42 865 A1) entfallen apparativ aufwendige Komponenten wie Kondensator und Speisepumpe. Die Kompensation des im offenen System zwangsläufig auftretenden Wasser-Verlustes durch Verdampfung wird durch das geförderte Wasser aus der AFT direkt kompensiert. Damit kann eine konstruktiv einfache, solar thermische Pumpe zur Förderung von Wasser aus (Tief-)Brunnen realisiert werden.

2.1 Aufbau und Komponenten

 

fig1a_dsp_zyklus_a_s.png

Fig1a

fig1a_dsp_zyklus_b_s.png

Fig1b

Die im folgenden beschriebene erfindungsgemäße Maschine wird als Druck-Stoß-Pumpe (DSP) bezeichnet. Die DSP besteht aus der Pump-Kammer (7) mit gekoppeltem mechanischem Energie-Speicher (15), der Eintritts-Leitung (5), die den Ausgangsort A (1) mit der Pumpkammer verbindet, und einer AFL (6), die die Pumpkammer mit dem Zielort B (2) verbindet (Fig 1a). Am Zielort B (2) wird die AFL mittels eines Ventilmechanismus (18) abwechselnd mit dem Druck beaufschlagten Antriebs-Fluid (3) und der Umgebung zur Entnahme des geförderten Fluids (4) verbunden. Die Antrieb der Ventilsteuerung erfolgt dabei wahlweise mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch. Die Steuerung erfolgt durch eine Regel-Elektronik oder durch ein selbsttätig schwingenden Mechanismus. Die Pumpkammer besteht aus einem Antriebs-Raum (10) und einem Förder-Raum (13) mit Volumina VA und VF deren Größe sich periodisch zwischen einem Minimal- und Maximal-Wert verändert. Beide Räume werden durch zwei Kolben-Zylinder-Anordnung (8,9/10,11) gebildet. Die beiden Kolben sind dabei mechanisch mit einer Kolben-Stange (14) verbunden. Die Auslegung der beiden Kolben-Zylinder-Anordnungen erfolgt durch entsprechende Dimensionierung der Durchmesser derart, dass bei der Abwärtsbewegung der Kolben-Anordnung die Zunahme des Förder-Volumens die des Antriebs-Volumens übersteigt. Der Förder-Raum wird über jeweils ein Rückschlag-Ventil (16,17) mit der Eintritts-Leitung bzw. der zwischen geschalteten Vorkammer und dem Antriebs-Raum verbunden. Die Ventile können dabei sowohl ausserhalb der Pumpkammer angeordnet sein oder in den Antriebs- und Förder-Kolben integriert werden.

Die beiden verbundenen Kolben werden mit einer Druckfeder (15) gekoppelt, die im oberen Totpunkt eine Vorspannung und eine damit verbundene Kraft aufweist, die die auf den Förder-Kolben wirkende Kraft aufgrund des auf diesem lastenden hydrostatischen Drucks des Förder-Fluids auf der gesamten Höhe in der AFL übersteigt.

2.2 Funktion

Die DSP durchläuft zwei Prozess-Schritte:

Im ersten Prozess-Schritt (Fig 1a, Zyklus A) wird die AFL über das 3/2 Wege-Ventil (18) mit dem Druck beaufschlagtem Antriebs-Fluid (3) verbunden. Das Antriebs-Fluid strömt in die AFL bis zur Pumpkammer. Der damit am Antriebs-Kolben (8) anliegende Druck führt zu einer Kraft auf diesen und bewegt diesen damit in Richtung der unteren End-Position. Dabei verhindert das Rückschlag-Ventil (16) das Eintreten des Antriebs-Fluids in den Förder-Raum (13). Durch die gekoppelte Bewegung des Förder-Kolbens vergrößert sich das Volumen des Förder-Raumes und erzeugt damit einen Unterdruck, der das Förder-Fluid durch die Eintritts-Leitung (5) und das Rückschlag-Ventil (17) in die Vorkammer und dann in den Förder-Raum saugt. Gleichzeitig wird die mit den beiden Kolben gekoppelte Feder (15) gespannt.

Im zweiten Prozess-Schritt (Fig 1b, Zyklus B) wird die AFT durch Umsteuern des 3/2 Wege-Ventil (18) von dem Druck-beaufschlagten Antriebs-Fluid abgetrennt und mit der Umgebung verbunden. Damit entweicht ein Teil des Antriebs-Fluids in die Umgebung und der Druck am oberen Ende der AFT fällt auf den Druck der Umgebung ab. Aus der Feder-Spannung ergibt sich eine nach oben gerichtete Kraft auf den Förderkolben. Dieser drückt bei seiner Aufwärtsbewegung das Förder-Fluid durch das Rückschlag-Ventil (16) in den Antriebs-Raum und danach in die AFT. Ein Rückfluss in die Eintritts-Leitung bzw. Vorkammer wird durch das Rückschlag-Ventil (17) verhindert. Nach Erreichen der oberen End-Position ist der Zyklus abgeschlossen und beginnt von vorne.

Pro Zyklus wird effektiv ein Volumen an Förder-Fluid in die AFT und damit nach oben transportiert, das der Änderung des Volumens VFmax-VFmin des Förder-Raumes entspricht. Nach einigen Zyklen füllt das Förder-Fluid die AFT und erreicht schließlich den Zielort B. Pro Zyklus wird dabei das Volumen VAmax - VAmin Antriebs-Fluid mit Druck PA verbraucht.

3. Ausführung als Solar thermische Dampf DSP

Eine wichtige Ausführung der DSP besteht in einem solar thermischen Wasser-Pump-System. Das Antriebs-Fluid, in diesem Fall Wasser, wird in einem Solar-Kollektor (ggf. mit konzentrierender Optik und/oder Nachführung) nach dessen anfänglichen Wasser-Füllung verdampft und der Dampf über das Regel-Ventil der AFT zugeführt. Der Anschluss der AFT an das Regel-Ventil erfolgt oberhalb der Austritts-Leitung des Solar-Kollektors. Nach der Füllung der AFT (ggf. mehrere Pump-Zyklen) erfolgt dann eine Kompensation des verdampften Wasser allein durch den hydrostatischen Druck in der AFT, der das Wasser durch das Rückschlagventil (31) von unten in den Solar-Kollektor drückt. Der Füllstand des Kollektors wird damit automatisch geregelt und hängt nur von der Position des oberen Endpunktes der AFT und möglichen Druckabfällen im Rückschlagventil ab.

 

fig8_dsp_solar_s.png

Fig2

4. Nomenklatur

1

Ausgangsort

2

Zielort

3

Reservoir Antriebs-Fluid

4

Förder-Fluid

5

Eintritts-Leitung

6

Antriebs-Förder-Leitung

7

Pumpkammer

8

Antriebs-Kolben

9

Antriebs-Zylinder

10

Antriebs-Raum

11

Förder-Kolben

12

Förder-Zylinder

13

Förder-Raum

14

Kolben-Stange

15

Feder

16

Rückschlag-Ventil 1

17

Rückschlag-Ventil 2

18

3/2 Wege-Ventil

19

2/2 Wege-Ventil

20

2/2 Wege-Ventil

21

Druck-Speicher

22

Drossel-Rückschlag-Ventil

23

Drossel-Rückschlag-Ventil

24

3/2 Wegeventil, Druck betätigt

25

5/2 Wegeventil, Druck betätigt mit Feder-Rückstellung

24

Antriebs-Balgzylinder

25

Förder-Balgzylinder

26

Antriebs-Förder-Zylinder

27

Kraft-Transformator

28

Druck-Ausgleichs-Öffnung

29

Zugfeder

28

Druck-Behälter

29

Gegengewicht

30

Hebel

31

Solar-Strahlung

32

Dampferzeuger

33

Absperr-Ventil

34

Rückschlag-Ventil

 

5. Entwicklung eines Prototypen

5.1 - Kolben/Zylinder-Ausführung

 

hydra1_1_s.jpg

 

hydra1_3_s.jpg

 

hydra1_2b_s.jpg

 

5.2 Membran-Ausführung

 

hydra2_6_s.jpg

 

hydra2_7_s.jpg

 

hydra2_4_s.jpg

 

hydra2_5_s.jpg

 

hydra2_3_s.jpg

 

hydra2_1_s.jpg

 

6. Patent

Anmelder

Schmidt, Thomas, Dipl.Phys., 79104 Freiburg

Offenlegungsschrift

DE102007022658A1


 

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