AT512344A9

AT512344A9 - System und verfahren für die autonome erzeugung von fluid und elektrizität

Info

Publication number: AT512344A9
Application number: ATA9046/2010A
Authority: AT
Inventors: Le Bemadjiel Djerassem
Original assignee: Le Bemadjiel Djerassem
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2013-07-15
Also published as: NO20111236A1; IL214499A0; KR20110135939A; SM201100042A; LU91747B1; BRPI1008099A2; PL396864A1; CO6501156A2; JP2012518117A; WO2010093267A3; FI20115894A7; FI20115894L; CA2751775A1; AP2011005880A0; LT5807B; LT2011074A; HRP20110594A2; CU24019B1; SG173657A1; ECSP11011321A

Abstract

Die vorliegenden Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Systeme zum Pumpen oder Übertragen von Fluid und Erzeugen von Energie auf kontinuierliche und autonome Weise. Es besteht aus geschlossenen thermodynamischen Systemen, die in Reihe angeordnet sind. Die Erfindung basiert auf der Entdeckung der Prinzipien der autonomen seriellen Druckminderung und Verdichtung. Es handelt sich um die Expansion eines Gases, das die Arbeit abgibt, die für das Pumpen oder Übertragen von Flüssigkeit von einem Abschnitt in einen anderen erforderlich ist.

Description

SYSTEM UND VERFAHREN FÜR DIE AUTONOME ERZEUGUNG VON FLUID UND

ELEKTRIZITÄT

'DIE PRINZIPIEN DER AUTONOMEN SERIELLEN DRUCKMINDERUNG UND VER DICHTUNG'

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die verschiedenen künstlichen Pumpverfahren, die heute existieren, weisen eine Gemeinsamkeit auf, und zwar, dass sie eine mechanische, elektrische, solare, äolische oder hydrodynamische Energiequelle benötigen, um in der Lage zu sein, hydraulische oder hydrodynamische Energie zu produzieren, die benötigt wird, um Flüssigkeit von einem Punkt zu einem anderen zu übertragen. Es gibt elektrische Pumpen (Tauchpumpen oder Axialpumpen mit Elektromotor an der Oberfläche) , die, wie der Name schon sagt, elektrische Energie benötigen, um in der Lage zu sein, eine Flüssigkeit von einem Punkt zum anderen zu pumpen. Es gibt auch mit menschlichem Krafteinsatz angetriebene Kolbenpumpen, die verwendet werden, um Wasser aus Wasserbohrungen zu pumpen. Für den Betrieb dieser Pumpen ist fortwährend menschlicher Krafteinsatz erforderlich. Es gibt auch Pumpen vom Glockemann-Typ, die ebenfalls kontinuierlich arbeiten, die aber ein Gefälle oder eine natürliche Quelle benötigen, um autonom arbeiten zu können.

Alle diese verschiedenen Pumpsysteme benötigen externe Energie; sie erfordern mechanische Bewegung, um die hydraulische Energie zu liefern, die für den Transport von Flüssigkeiten erforderlich ist. Außerdem werden ihre Komponenten mechanisch abgenutzt, das heißt, je mehr sie verwendet werden, umso kürzer wird ihre Lebensdauer. Die Handpumpen, mit denen fast alle Wasserbohrungen in Dörfern in der dritten Welt ausgestattet sind, halten nicht sehr lange, da sie sich relativ schnell abnutzen.

Die Beste dieser Pumpen erreicht kaum eine Tiefe von 100 m. Diese Art von Pumpen kann daher in bestimmten Grundgebirgsbereichen nicht angewendet werden, in denen der Grundwasserspiegel in einer Tiefe von mehr als 100 m liegt. Daher wird ein Tauchpumpensystem eingesetzt, bei dem Solarzellenplatten oder auch Stromaggregate verwendet werden. Die maximale Fördermenge, die mit diesen Handpumpen erreicht werden kann, nimmt mit zunehmender Tiefe stark ab. Die meisten dieser Pumpen haben eine durchschnittliche Fördermenge pro Stunde von 750 Litern, was den Zugang zu Trinkwasser in den Dörfern erschwert. Das führt zu langen Warteschlangen. Außerdem sind diese Pumpensysteme in den meisten Entwicklungsländern nicht leicht anzuwenden, insbesondere wenn es um die Bewässerung oder die effektive Verteilung von Trinkwasser geht.

Eines der entscheidenden Probleme unserer Zeit ist die Erzeugung von umweltfreundlicher Energie. Heute basieren die am meisten verwendeten Energieerzeugungssysteme auf fossilen Brennstoffen. Es gibt Wärmekraftwerke, die fossilen Brennstoff benötigen, um Elektrizität zu erzeugen. Das Verbrennen dieser Brennstoffe erzeugt Kohlendioxid und andere Treibhausgase, die für die Klimaerwärmung verantwortlich sind. Diese Wärmekraftwerke verwenden sogenannte Verbrennungsmotoren, die beim Starten eine Welle drehen, die den Generator antreibt, der seinerseits Elektrizität erzeugt.

Kernkraftwerke verwenden Spaltstoffe, um Wasser zu erhitzen, dessen Dampf mit hohem Druck auf Turbinen gelenkt wird und deren Drehung hervorruft. Die Drehung dieser Turbinen treibt dann einen Generator an, der beim Drehen elektrische Energie erzeugt. Kernkraftwerke erzeugen keine Treibhausgase, aber sie produzieren eine große Menge an radioaktivem Abfall, der sehr schwer zu handhaben ist. Kernkraftwerke stellen, unabhängig von ihrem Standort, bei einem Umfall nach dem Beispiel des Reaktors in Tschernobyl, eine globale Gefahr dar. Die dafür erforderlichen Investitionen und die Fähigkeiten, die erforderlich sind, um diese Kernkraftwerke zu kontrollieren, sind immens und daher sind viele Länder der Erde weit davon entfernt, eine solche Technologie zu nutzen.

Heutzutage richten sich viele Anstrengungen auf erneuerbare Energien, wie etwa Sonnenenergie, Windenergie, geothermische Energie usw.

Sonnenenergie nutzt die Sonnenstrahlen, um Photovoltaikplat-ten anzuregen, die dann elektrische Energie liefern. Es handelt sich um eine umweltfreundliche und kostenlose Energie, wenngleich die Kosten für die Ausrüstung zur Sonnenenergienutzung noch immer exorbitant sind und außerdem jahreszeitlich bedingte oder klimatische Veränderungen die Leistung der Photovoltaiksys-teme beeinflussen. Aus diesem Grund sind sie für den in Ballungsräumen anfallenden Wasserverbrauch wenig attraktiv und kaum anwendbar. Windenergie wird in vielen entwickelten Ländern in großem Umfang genutzt, aber man braucht natürlich Wind, um diese Energie zu erzeugen. Der Mensch kann Windkraftsysteme nicht steuern. Sie zenergie zur nen. hängen vom Windzyklus Unterstützung anderer ►· »t· ab. Sie können nur als Zusat-Energieerzeugungssysteme die-

Bei der Windenergie ist es der Wind, der eine Turbine antreibt, die ihrerseits den Generator antreibt, der Strom erzeugt .

Alle oben genannten Systeme wandeln die erhaltene Energie in eine Drehbewegung um, die einen Generator antreibt und so die Erzeugung von Strom ermöglicht. Der Idealfall· sind Wasserkraftwerke, die ein kontinuierliches Wassergefälle nutzen, um eine relativ große Menge an Energie zu erzeugen. Staudämme für Wasserkraftwerke sind die besten Systeme, da sie die Umwelt nicht verschmutzen, da sie keine Brennstoffzufuhr benötigen und da sie keine Treibhausgase erzeugen. Diese Staudämme für Wasserkraftwerke können jedoch nur dort gebaut werden, wo es ein natürliches Gefälle mit einer relativ großen Fallhöhe gibt, um deren Betrieb zu ermöglichen. Dies begrenzt ihren Einsatz geographisch, da man Wasserkraftwerke nicht erschaffen kann. Wasserkraftwerke können an Standorten gebaut werden, an denen technische Untersuchungen zeigen, dass es ein Potential für sie gibt. Viele Leute haben darüber nachgedacht, ein Wasserkraftwerk mit geschlossenem Kreislauf zu bauen. Das heißt, ein Kraftwerk, das aus einem oberen Becken und einem weiteren unteren Becken besteht. Die Idee war, das Wasser aus dem oberen Becken abfließen zu lassen, wobei dieses Gefälle eine Turbine zum Drehen bringen wird, um Elektrizität zu erzeugen. Es würde eine Pumpe in dem unteren Sammelbecken installiert, um das Wasser in das oben errichtete Becken zurückzupumpen. Es ist jedoch nicht möglich, ein solches System zu realisieren, da die Turbine bereits einen Teil der potentiellen Energie des fallenden Wassers aufgrund von Reibung dissipiert und, zweitens die gesamte von der Pumpe absorbierte Energie nicht zu 100 % in Wasserkraft umgewandelt wird, um das Wasser in das Ausgangsbecken zurückzutransportieren. Ein geschlossenes hydroelektrisches System ist nicht möglich. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, ein natürliches Gefälle für den Abfluss zu finden.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wird nun das Problem der externen Energiezufuhr zur Umwandlung in Wasserkraft lösen, die erforderlich ist, um ein Fluid von einem Punkt zu einem anderen zu pum- - 4

pen oder zu transportieren. Die Erfindung besteht'aus*einem Verfahren, das auf den Prinzipien der autonomen seriellen Druckminderung oder Expansion und Verdichtung beruht und einem System, das es ermöglicht, jede Flüssigkeit, die mit dem System in Kontakt ist, autonom und kontinuierlich zu pumpen. Das System umfasst weder eine Tauchpumpe noch einen mechanischen Kolben, noch ist eine externe Energiequelle notwendig, damit es kontinuierlich arbeiten kann. Mit diesen vorgenannten Merkmalen hat das System eines der größten Probleme gelöst: die Notwendigkeit, externe Energie zu verwenden.

Autonome serielle Druckminderung

Das Prinzip der seriellen Druckminderung basiert auf der Tatsache, dass ein Gas, das in einem nicht isolierten, geschlossenen System enthalten ist, Arbeit von der Umgebung aufnehmen oder Arbeit an die Umgebung abgeben kann. Ein nicht isoliertes, geschlossenes thermodynamisches System ist ein System, das keinen Stoff mit der Umgebung austauscht, das aber alle Arten von Energie mit der Umgebung austauschen kann (zum Beispiel Wärme, mechanische Kraft, Verdrängung usw.).

Die vorliegende Erfindung nutzt daher den Zustand, bei dem das geschlossene System Arbeit an die Umwelt abgibt. Es handelt sich hierbei im Wesentlichen um komprimierbare Fluide.

Betrachten wir den Fall eines komprimierbaren Fluids, zum Beispiel Luft, die in einem Rohr enthalten ist, das von der Umwelt durch eine Stopfen von vernachlässigbarem Gewicht isoliert ist, der ohne Reibung die Rohrwand entlang gleiten kann. Wenn der Druck in der Umgebung auf einen Druck abgesenkt wird, der im Innern des Systems herrscht, wird sich der Stopfen unter der Wirkung der Expansion des komprimierbaren Fluids, das sich in dem System befindet, bewegen. Man sagt, dass das System Arbeit abgibt.

Figur 1 stellt zwei Kammern dar, die durch einen undurchlässigen Stopfen mit vernachlässigbarem Gewicht getrennt sind. Der Stopfen ist durch zwei Stifte [100] gesichert, um den Stopfen gegen Differenzdrücke in Position zu halten. Wenn VI und PI jeweils das Volumen und der Druck in Abschnitt B sind, und Pex der Druck in Abschnitt A ist, dann gilt Pex << PI. Wenn die beiden Stifte [100] entfernt werden, wird der Stopfen [101] aufgrund der Expansion des Gases nach oben gedrückt, wie in Figur 2 gezeigt. Dies ist das Ergebnis der Arbeit des Gases, das in der

Kammer [B] enthalten ist.

Die von dem System ausgeführte Arbeit führt zu einer Erhöhung des Volumens [103], was der folgenden Gleichung entspricht:

W = -PJV (Gleichung 1)

Worin Pex der Druck ist, der in der Umgebung herrscht, und dV die Variation des Volumens [103] ist.

Wiederholen wir den gleichen Versuch, aber anstatt eines Stopfens, der ohne Reibung unter der Wirkung der Expansion oder Entspannung des Gases gleiten kann, ersetzen wir ihn mit einem Stopfen [104], der durch Schweißen oder Kleben vollständig an der Wand des Rohrs fixiert ist. Dieser Stopfen kann sich also bei der Expansion des Gases nicht bewegen. Füllen wir nun den Abschnitt B mit einer nicht komprimierbaren Flüssigkeit [107]. Durchbohren wir den Stopfen [104] zwischen Abschnitt A und B mit einem Rohr [106]. Dieses Rohr [106] dringt mit einer bestimmten Tiefe ein, um jeden Gasaustausch zwischen Abschnitt B und Abschnitt A zu verhindern. Dieses System ist daher ein geschlossenes, nicht isoliertes, thermodynamisches System, bei dem der gleitende Stopfen durch eine nicht komprimierbare Flüssigkeit ersetzt wird. Das Rohr [106], das die beiden Abschnitte durchquert, ist durch ein Ventil [105] isoliert. Wenn das Ventil [105] geschlossen ist, wie in Figur 3 gezeigt, sind die beiden Abschnitte A und B thermodynamisch geschlossen und isoliert. Halten wir den Druck Pex des Gases in Abschnitt Δ niedriger als den Druck PI des Gases [110], das sich oberhalb der Flüssigkeit befindet, die sich in Abschnitt B befindet. Wenn das Ventil [105] geschlossen gehalten wird, sind die beiden Abschnitte daher voneinander isoliert, wie in Figur 3 gezeigt. Unter diesen Bedingungen geschieht in Abschnitt B nichts. Wenn das Ventil [105] [langsam] geöffnet wird, da der Druck Pex in Abschnitt A niedriger ist als der Druck des Gases [110] in Abschnitt B, wird das Gas mit einer isothermen Expansion beginnen, die daher die Flüssigkeit [107] aus Abschnitt B drücken wird, um in dem Rohr [106] nach oben zu steigen, wie es in Figur 4 gezeigt wird. Dieser Flüssigkeitsanstieg wird von einer Erhöhung des Gasvolumens [110] in dem Abschnitt begleitet. Diese Volumenerhöhung [108] ist das Ergebnis der Arbeit, die von dem Gas [110] aus Abschnitt B geleistet wird. Die Volumenerhöhung ohne Stoffaustausch in Ab- - 6 ·· ·· ·· · schnitt B ist daher von einem Abfall des Drucks PI des Gases [110] begleitet.

Die gesamte Arbeit, die von dem Gas [110] während seiner Entspannung geleistet wird, lässt sich daher durch die folgende Relation ausdriicken:

w = -Pdv - mgh - -P€XdV (Gleichung 2)

Worin P der Druck des Gases in Abschnitt B ist, dv die Variation des Volumens [108] des Gases [110] in Figur 4 ist, m die Masse der Flüssigkeit ist, g die Schwerkraft ist, und h die Höhe [111] der nicht komprimierbaren Flüssigkeit [107] in dem Rohr [106] ist. Pex ist der Druck außerhalb von Abschnitt B, der in Abschnitt A herrscht, dV ist die Variation des Volumens [103] in Figur 2.

Die Bedingung, für die die Flüssigkeit [107] das Rohr [106] vollständig ausfüllt, besteht darin, dass die durch die Expansion oder Entspannung des Gases [110] abgegebene Arbeit ausreichend ist, um die erforderliche Arbeit abzugeben. Und dies ist direkt mit der Größe des Drucks Pex in Abschnitt A verbunden. In der Versuchsanordnung in Figur 3 und Figur 4 wird die Arbeit, die abgegeben werden muss, damit die Flüssigkeit [107] die Länge des Rohrs [106] vollständig ausfüllt, durch die nachfolgende Formel beschrieben, die unter Berücksichtigung der Versuchsanordnungen aufgestellt wurde: w = PV 1ΙΊ pgV} sin a RTVan (V, + K) isp (Gleichung 3) PI und VI sind jeweils der Druck und das Volumen des Gases [110] im Ausgangszustand, das heißt, vor der Öffnung des Ventils [105]; p ist die Dichte der Flüssigkeit [107]; g ist die Schwerkraft, R ist Gas konstante; T ist die Gastemperatur; Vt ist das Gesamtvolumen des Rohrs [106]; Vtsp ist das spezifische Volumen des Rohrs [106]; a ist der Winkel zwischen dem System und der Horizontalebene.

Der Druck des Gases [110] in Abschnitt B, wird, wenn die ge- Μ »< » * I · * ♦ β ·| « I 4 7 - Μ φ· * · · « ·· :··: .* ,- ********* · β * leistete Arbeit groß genug ist, damit die Flüssigkeit [107] bis zur Höhe des Rohrs [106] ansteigt, durch die Gleichung ausgedrückt, die von Gleichung 4 beschrieben wird. Dieser Druck wird als kritischer Druck, Pc, bezeichnet, oberhalb dem die Flüssigkeit [107] aus dem Rohr überlaufen und sich in Abschnitt A ergießen wird. Er wird durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt:

Pc = V\ + V, l

pgV, sin a RTV isp (Gleichung 4)

Die gesamte Arbeit, die durch die isotherme Expansion des Gases [110] abgegeben wird, wird daher durch die nachfolgende Relation ausgedrückt, welche die Lösung von Gleichung 3 darstellt: w = - £ R7V<»

Sina (Gleichung 5)

Die Verringerung des Drucks des Gases [110] in Abschnitt B aufgrund dessen Expansion kann als externer Druck von einem anderen, nicht isolierten, geschlossenen System genutzt werden, das dem System in Figur 3 und 4 gleicht. Dies läuft darauf hinaus, diese einfachen Vorrichtungen des in Figur 3 und 4 untersuchten Modells in Reihe anzuordnen, indem sie übereinander gestapelt werden, wie in Figur 5 gezeigt. Diese Vorrichtung wird daher aus einer Reihe von thermodynamischen Systemen ausgeführt, die im Hinblick auf das oberhalb der Flüssigkeit jedes Systems gelagerte Gas geschlossen und isoliert sind. Die Molanzahl dieser Gase bleibt konstant, da es keinen Stoffaustausch mit den anderen Systemen gibt. Aus thermodynamischer Sicht verhält sich die nicht komprimierbare Flüssigkeit jedoch wie in einem offenen System, da es die Möglichkeit gibt, dass Flüssigkeit von einem System in ein anderes übertragen wird. Es ist daher diese Systemkombination zwischen der Flüssigkeit und dem Gas, die nun für den Betrieb des gesamten Systems, wie es in Figur 5 dargelegt wird, entscheidend ist. Die Expansion des Gases, das sich in einem geschlossenen und isolierten System befindet, wird die Arbeit abgeben, die zum Transport der Flüssigkeit, die sich in - 8 - - 8 - ,·· ·· ·. · :: . ..:. :: :*·: •· *♦ «ι ·· ·· • * ♦ " · ««·····. einem offenen System befindet, von einem System zum anderen er forderlich ist.

In der Vorrichtung aus Figur 5, wenn auf das Gas in dem ers ten System [112] ein geringerer Druck angewendet wird, wird dies die Expansion des Systems [114], das unter ihm liegt, hervorru-fen und diese "Reihe oder serielle Expansion oder Druckminderung" wird sich bis zum letzten System [115] fortsetzen, abhängig von dem Druck, der am ersten System [112] erzeugt wurde. Das letzte System [115] ist über ein Rohr [117] direkt mit der Umgebung verbunden (externes System [116], das Flüssigkeit enthält, oberhalb der ein Druck P vorhanden ist, der in den meisten Fällen der Atmosphärendruck sein kann, oder ein anderer Druck, wenn dieses externe System seinerseits ebenfalls gegen die Atmosphäre abgeschlossen ist. Dieser Druck P ist mehr oder weniger gleich den Ausgangsdrücken der Gase jedes Systems der Vorrichtung aus Figur 5. Wenn der Druck, der auf das erste System [112] ausgeübt wird, ausreichend ist, um das Gas, das in dem letzten System [115] enthalten ist, zu expandieren. Diese Expansion wird ihrerseits eine Verringerung des Drucks in dem System [115] hervorrufen. Das wird einen Differentialdruck zwischen dem Umgebungsdruck des externen Systems [115] erzeugen, was den Anstieg der in dem System [115] enthaltenen Flüssigkeit in dem Rohr [117] zur Folge hat. Die Ankunft der Flüssigkeit in dem System [112] wird den Druck des Gases in diesem System erhöhen und dies wird ein weiteres Ansteigen der Flüssigkeit des Systems [112] zum darüberliegenden System hervorrufen. Dieser Anstieg wird sich seriell entwickeln, man spricht von "seriellem Fluss", bis diese Flüssigkeit das erste System erreicht und sich dort absetzt [113]. Wenn der Druck in dem ersten System konstant gehalten wird, wird diese serielle Druckminderung, gefolgt von dem seriellen Fluss nie enden.

Wenn die Druckminderung, die in dem ersten System [112] erzeugt wird, groß genug ist, damit der Druck in dem letzten System [115] gleich dem kritischen Druck ist, kann der Druck Pi des Gases, das in jedem System i enthalten ist, durch die folgende Gleichung beschrieben oder ermittelt werden: 9 ·· ·· • · • • • • · * * 4» • • • * · • • • ·* ·* * · « • 9 ^pgVf· sinor (Gleichung 6)

Worin i der Rang des Systems in absteigenden Reihenfolge und Pex der absolute Druck ist, der auf das erste System angewendet wird. Für eine Druckminderung Pex, die in dem ersten System [112] erzeugt wird, wird die maximale Anzahl n an thermodynamischen Systemen, die in Reihe angeordnet werden können, so dass der Druck des Gases in dem letzten System gleich dem kritischen Druck Pc ist, durch die folgende Gleichung berechnet : n RTVt tsp (pgV,2 sina) (Gleichung 7)

Nach Gleichung 7 strebt die Anzahl an Systemen, die in Reihe angeordnet werden, gegen eine Konstante, wenn der Winkel a gegen 90 Grad strebt, das heißt, in einer vertikalen Position. Die Größe von n wird durch das Quadrat des Rohrvolumens begrenzt, oder, anders ausgedrückt, die Masse m der Flüssigkeit hat Arbeit (- mgh) hervorgerufen, die abgegeben werden muss, um das Wasser in dem Rohr ansteigen zu lassen.

Wenn der Winkel ex jedoch gegen null strebt, strebt die Gesamtanzahl an Systemen n gegen plus unendlich, was bedeuten würde, dass, wenn man dieses System auf horizontaler Ebene, das heißt, auf der Bodenoberfläche liegend, installieren würde, würde die Länge des Systems gegen plus unendlich streben. Wodurch dieses System die ideale Pipeline zum Transport von Flüssigkeit von einem Punkt zum anderen ist. Außerdem sind die Druckverluste aufgrund von Reibung vernachlässigbar und können als null angesehen werden, insbesondere da sich diese Verluste allein auf Verluste entlang des Rohrs [106] jedes Systems beschränken, diese Druckverluste summieren sich nicht auf. Dies ermöglicht daher eine enorme Länge der Vorrichtung, wie in Figur 5 gezeigt. Die Anordnung der Rohre hat keinen Einfluss auf das System. Die Rohre können verschiedene Formen aufweisen, wie zum Beispiel in Figur 6.

Wenn die Gesamtanzahl der in Reihe geschalteten Systeme bekannt ist, kann die Druckminderung PexR berechnet werden, die am - 10 * » • · ersten System [112] erzeugt werden muss, damit der kritische Druck Pc am letzten System erreicht werden kann, indem die folgende Gleichung angewendet wird:

P\v\ ev, + v. pgV2 (n_+1)sin « RTV ISj) (Gleichung 8)

Die Bedingung, damit sich der serielle Fluss bis zum Becken fortsetzt, hängt von dem Differentialdruck zwischen dem Druck oberhalb der Flüssigkeit [116] und dem Druck des Gases im Innern des letzten Systems [115] ab. Dieses Differential muss groß genug sein, um die Flüssigkeit [125] im Rohr [117] ganz nach oben steigen zu lassen und sich in das letzte System [115] zu ergießen .

Damit dieses System kontinuierlich arbeitet, ist es wichtig, darauf zu achten, dass der Druck des Gases [HO] oberhalb des Siededrucks liegt. Unterhalb dieses Drucks werden die gelösten Gase gasförmig und werden die Druckdifferenz in dem System aus-gleichen, das benachbart zum ersten System liegt. Gase, die aus der flüssigen Phase stammen, werden daher den Druck des Gases oberhalb der Flüssigkeit erhöhen, und dies wird die Aktivierung der autonomen seriellen Druckminderung verhindern. Der kritische Druck Pc und der Druck des ersten Systems Pex müssen unbedingt oberhalb des Siededrucks liegen. Für Wasser ist der Siededruck sogar bei 50 Grad Celsius ausreichend niedrig (0,123 bar) und kann für alle Temperaturen im Bereich zwischen 5 und 140 Grad Celsius durch die folgende Gleichung ermittelt werden: 5120 lnp,* - 13,7- -ψ- (Gleichung 9)

Worin T die Temperatur auf der Rankine-Skala und Psat der Sättigungsdruck in Atmosphären ist.

Die Vorrichtung aus Figur 5 ist daher zu einer autonomen seriellen Druckminderung, gefolgt von einem autonomen seriellen Fluss fähig. Dieser Vorgang wird unaufhörlich sein, vorausgesetzt, dass dem äußeren System die Flüssigkeit nicht ausgeht und vorausgesetzt, dass die Druckminderung, die in dem ersten System [112] erzeugt wird, konstant gehalten wird. Praktisch kann dies i

erreicht werden, indem eine Vakuumpumpe verwendet wird, die mit dem System [112] verbunden ist; der Fluss wird kontinuierlich sein. Die Verwendung einer Vakuumpumpe würde die Verwendung von Energie aus einer externen (elektrischen oder mechanischen) Quelle bedeuten.

Es wird daher eine der allgemein bekannten Eigenschaften der Fluidmechanik verwendet, um die Druckminderung zu erzeugen, die in dem System [112] benötigt wird, um den kontinuierlichen Betrieb des Systems oder den fortwährenden Betrieb des Systems zu gewährleisten. Betrachten wir eine Vorrichtung wie sie in Figur 7 beschrieben wird. Sie besteht aus einer Leitung, die bis zu einer Höhe [119] mit Flüssigkeit gefüllt ist. Oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit herrscht ein normaler Druck, der gleich dem Umgebungsdruck des externen Gasmediums sein kann. Die Leitung hat eine Abflussöffnung [122], die durch ein Ventil [121] geschlossen wird. Wenn das Ventil [121] offen ist, fließt das Wasser unter der Wirkung seines Gewichts aus der Öffnung. Dieser Fluss führt zu einer Erhöhung des Volumens des Gases [123] , die einer Expansion gleicht, aber einer Expansion, die durch den Wasserfluss erzwungen wird. Die Folge davon ist die Verringerung des Drucks des Gases [123]. Wenn die Verlängerung [124] aus Figur 7 mit dem ersten System [112] aus Figur 5 verbunden wird, wie in Figur 8 gezeigt, wird die Druckminderung des Gases [123] eine Verringerung des Drucks erzeugen, die am ersten System [112] erforderlich ist, um die autonome serielle Depression zu aktivieren. Und wenn dieser Druck Pex am System [112] gleich dem Druck ist, der durch Gleichung 8 beschrieben wird, folgt auf die autonome serielle Druckminderung ein autonomer serieller Fluss.

Der Fluss an der Öffnung [122] wird bei einer Mindesthöhe anhalten, die durch die folgende Gleichung beschrieben wird:

Pcum ~ Pex mm

PS (Gleichung 10)

Worin Patm der externe Druck ist, der dem Atmosphärendruck in einem zur Atmosphäre offenen System entspricht. Wenn die Verbindung der Verlängerung [124] auf der Basis [125] des Systems [112] durchgeführt wird, wird der serielle Fluss den Spiegel der

J I I

* * • * ♦ 12 w "·«» *··*

Flüssigkeit erhöhen, die daher durch die Verlängerung [124] der Antriebssäule aus Figur 7 ablaufen wird.

Die Höhe dieser Antriebssäule muss relativ hoch sein, so dass, wenn der Flüssigkeitsspiegel die Mindesthöhe Hmin erreicht, an der der Fluss am Hahn [122] stoppt, der Druck Pex gle ich dem Druck PexR ist, der erforderlich ist, um die autonome serielle Druckminderung und den autonomen seriellen Fluss zu aktivieren .

Autonome serielle Verdichtung

Das gleiche System wie oben beschrieben, bei dem das Prinzip der autonomen seriellen Druckminderung verwendet wird, kann auch zum Erzeugen einer autonomen seriellen Verdichtung verwendet werden. Um dies zu realisieren, reicht es aus, die Pumpe in eine Tiefe einzutauchen, die ausreicht, um die Verdichtung des Gases hervorzurufen, das oberhalb der Flüssigkeit enthalten ist. Das Hauptziel besteht darin, eine Verdichtung derart zu erzeugen, dass ein Differential bezogen auf den externen Druck oder den Umgebungsdruck entsteht. Zur gleichen Zeit, in der die Kompression stattfindet, und aufgrund der Tatsache, dass die Flüssigkeit gegenüber dem darüberliegenden System mit einem niedrigeren Druck offen ist, wird das komprimierte Gas eine Arbeit abgeben, die die Flüssigkeit des Systems in den oberen Abschnitt steigen lässt. Die Verdichtung des Gases erfolgt durch den Eintritt der Flüssigkeit über ihrem getauchten Teil. Der Eintritt von Flüssigkeit in das System reduziert daher das Luftvolumen, wodurch sich sein Druck erhöht. Der Kompressionsdruck ist gleich dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeit, in die die Pumpe getaucht ist. Figur 13 zeigt die Pumpe, wenn sie im autonomen seriellen Kompressionsmodus arbeitet. Die gesamte Arbeit, die erhalten und von dem Gas erzeugt wird, wird durch die folgende Relation beschrieben. n-1 /i-l n w = Phdvh - Σ ptdv + Σ p,dv - £ mgh, - p„dv = 0 /=1 /=1 ;-l (Gleichung 11)

Worin Ph der hydrostatische Druck beim Eintauchen in die Flüssigkeit ist, dvh das Volumen des komprimierten Gases ist, P der Druck des Gases nach seiner Ausdehnung ist, dv das Volumen - 13 ist, das von dem Gas bei seiner Entspannung erreicht wird, und dV die Gesamtvariation in dem Gasvolumen ist, wenn es in einem isolierten System enthalten ist, auf das Ph angewendet wird.

Die Lösung der Gleichung 11 ergibt den folgenden Ausdruck, der den Druck des Gases während der Aktivierung der autonomen seriellen Verdichtung in jedem System in Abhängigkeit vom hydrostatischen Druck Ph beschreibt. Sie stellt den Druck dar, der erforderlich ist, um den Anstieg der Flüssigkeit bis zur Höhe ht des Rohrs hervorzurufen: ßgVfsmct^

Pt = Ph( rtv;

Isp

Gleichung 12

In dem System zur autonomen seriellen Verdichtung wird keine Antriebssäule benötigt. Der Differentialdruck zwischen dem System und der Umgebung ist daher ausreichend, um den seriellen Strom zu ermöglichen, wenn die Eintauchtiefe ausreichend ist, um die serielle Verdichtung zu aktivieren. Gleichung 12 gilt, wenn der Verdichtungsdruck kleiner oder gleich 1 bar ist. Oberhalb dieses Werts gilt die Annahme, bei der die Verdichtung dem idealen Gasgesetz folgt, nicht mehr. Die Wirkungen von realen Gasen, die andere Parameter aufweisen, müssen berücksichtigt werden.

ANWENDUNGSGEBIET

Wasserbohrungen und -brunnen

Diese Erfindung kann auf das Gebiet der Wasserversorgung angewendet werden. Sie kann alle Extraktionssysteme ersetzen, die heute für die Wassererzeugung verwendet werden. Die Tiefe, die mit dem System erreicht werden kann, liegt jenseits von mehreren hundert Metern. Eine Vereinfachung dieser Anwendung wird in Figur 9 dargestellt. Die Antriebssäule entspricht dem Brunnenkopf. Die Höhe dieser Antriebssäule muss so konzipiert sein, dass sie der Bedingung entspricht, die für das Auslösen der Druckminderung und den seriellen Fluss erforderlich ist, wenn der Hahn [128] offen ist. Wenn die Kapazität des Grundwasserleiters [129] , Wasser zu erzeugen, groß genug ist, kann die Kopfhöhe des Brunnenkopfs [127] erhöht werden, um eine ausreichende Druckhöhe zu haben. Der Hahn [128] kann durch eine Reihe von Trinkbrunnen ersetzt werden, so dass sich eine große Anzahl an Personen gleichzeitig bedienen kann. Die Konzeption dieser Pumpe muss die - 14 - 14

·· • · • • · « • * »· • • · • • • · ·· • • * ·· Μ • · · • · • « * · ·*· *♦·♦ maximale Fördermenge, die der Grundwasserleiter [129] liefern kann, berücksichtigen, um zu verhindern, dass das die Wasserbohrung oder der Brunnen austrocknen. Die Fördermenge der Pumpe muss daher unterhalb der maximalen Wassermenge liegen, die in den Brunnen oder die Wasserbohrung fließt. Mit dieser Pumpe kann ein Wasserturm, der sich in einer Höhe H vom Boden befindet, direkt gefüllt werden. Es reicht, die Pumpe in einer Höhe aus dem Brunnen zu ziehen, die es dem Hahn [128] ermöglicht, sein Wasser direkt in den Turm zu ergießen. Abgesehen von dem Wunsch, eine Wasserreserve zu bilden, kann diese Pumpe ohne einen Turm arbeiten. Sie kann Wasserverteilungsnetze für ein Dorf oder eine Stadt direkt versorgen. Der begrenzende Faktor wäre die Zuflussmenge des Grundwasserleiters.

Autonome Stromerzeugung

Diese Pumpe hat das unlösbare Problem eines geschlossenen Wasserkraftwerks, wie oben im Absatz zum Allgemeinen Stand der Technik beschrieben, gelöst. Da die Pumpe keine externe Energie benötigt, um das Wasser auf eine beliebige Höhe über dem Boden zu pumpen, ermöglicht sie es, ein System zur Erzeugung von hydroelektrischer Energie in Form einer Schleife zu realisieren, wie es Figur 10 zeigt. Diese Vorrichtung besteht aus einem Becken [138], das Wasser [139] enthält. Die autonome serielle Druckminderungspumpe [131] ist darin installiert und in Höhe ihres Apex mit einer Antriebssäule [132] bedeckt, die Wasser enthält. Die Antriebssäule ist über eine Sammelleitung [133] mit dem Becken verbunden. Am Ende dieses Sammlers wird eine Turbine [134] angeschlossen, die ihrerseits mit einem Stromgenerator verbunden ist. Elektrische Kabel [136] sind an dem Generator angeschlossen. Wenn das Ventil [140] geöffnet wird, fließt das Wasser der Antriebssäule [132] in die Sammelleitung [133] und dreht die Turbine, die dann den Generator antreibt, um Strom zu erzeugen. Die Verringerung der Wassermenge in der Antriebssäule führt eine Ausdehnung des Gases [141] herbei, das sich oberhalb des Wassers befindet. Diese Expansion erzeugt daher eine Druckminderung, die die Phänomene der Druckminderung und den seriellen Fluss durch die Pumpe [131] aktiviert. Diese saugt Wasser aus dem Becken [138] und ergießt sich in die Antriebssäule. Man erhält dann einen fortwährenden Fluss, der die Turbine [134] unaufhörlich antreibt.

Die Konzeption des Systems muss den Bedingungen entsprechen, 15

die erforderlich sind, damit dieses geschlossene Wasserkraftwerk funktioniert. Die elektrische Leistung, die von einem solchen System erzeugt wird, wird durch die folgende Relation beschrieben :

Pkw = pQhg (Gleichung 13) h - H -

Patin — Pex

PS (Gleichung 14)

Worin Q die Flussmenge ist, h die effektive Fallhöhe und H die Höhe [142] des Wassers in der Antriebssäule ist, bezogen auf die Welle der Turbine [134] . Diese Art von Kraftwerk kann von einem kleinen Maßstab, (Versorgung eines Hauses) bis zu einem großen Maßstab (Versorgung einer Stadt mit Energie) gebaut werden. Nach Gleichung 13 hängt die elektrische Leistung von der Fallhöhe h und der Flussmenge Q ab. Diese beiden Parameter liegen in der Hand des Planers, so dass es möglich ist, ein System zu konstruieren, das mögliche Strommengen erzeugen kann, indem die Flussmenge und die Höhe angepasst werden. Um die Flussmenge Q zu erhöhen, kann eine Konzeption in Erwägung gezogen werden, die mehrere autonome serielle Depressionspumpen parallel nutzt, wie in Figur 11 gezeigt. In diesem Fall wird Gleichung 13:

(Gleichung 15)

Worin k die Anzahl der parallel angeordneten seriellen Pumpen ist, und Qj die Flussmenge jeder Pumpe ist.

Pipeline zum Transport von Flüssigkeiten

In der Gleichung, die die Depression in jedem System beschreibt (Gleichung 6), wird auf die Bedeutung des Einflusses hingewiesen, den die Neigung auf die Pumpenleistung hat. Wenn der Winkel er gegen null tendiert, das heißt, gegen die horizontale Ebene, ist die Druckminderung in allen thermodynamischen Systemen, aus denen die Pumpe besteht, die gleiche. Das bedeutet, dass diese autonome serielle Druckminderung verwendet werden kann, um Flüssigkeit ohne externe Energiezufuhr über enorme Distanzen zu transportieren. Aufgrund dieser Eigenschaft kann die Erfindung bei der Bewässerung großer Flächen angewendet • « 16 ·# ·· ·* · · · werden. Der Verteilung von Trinkwasser in Ballungs’r^öfrLen und auch anderer Flüssigkeiten, die keine Verbindung zu Wasser aufweisen. Das Wasserressourcenmanagement wird dadurch vereinfacht. Figur 12 zeigt die Konfiguration, die er ermöglichen kann, von der vertikalen auf die horizontale Ebene überzugehen.

Ausführung von Kunstwerken

Diese Prinzipien können verwendet werden, um autonome öffentliche Brunnen oder Kunstwerke diverser Art auszuführen. BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Tafel 1/10:

Diese Tafel enthält Figur 1 und 2. Figur 1 ist ein thermodynamisches System mit zwei Abschnitten A und B, in denen Gase mit verschiedenen Drücken vorhanden sind. Die beiden Abschnitte sind durch einen fixierten Stopfen [101] mit vernachlässigbarem Gewicht getrennt, der mithilfe eines Stifts [100] in Position gehalten wird. Figur 2 ist das gleiche System, bei dem die Stifte entfernt wurden. Das Gas in Abschnitt 2 entspannt sich unter Abgabe von Arbeit, die in der Lage ist, den Stopfen zu bewegen. Im Gleichgewicht herrscht in den beiden Abschnitten der gleiche Druck.

Tafel 2/10:

Figur 3 und 4: stellen ein System dar, wie in Figur 1 und 2 beschrieben, abgesehen davon, dass die beiden Abschnitte über ein Rohr [106] kommunizieren, das mit einem Ventil ausgestattet ist, über das sie isoliert oder in Kommunikation gebracht werden können. Hier ist der Stopfen durch eine Flüssigkeit ersetzt, die in dem Rohr [106] nach oben steigen kann, je nachdem, ob sich das Gas in Abschnitt B ausdehnt oder nicht.

Tafel 3/10:

Figur 5 stellt die serielle Depressions- oder Kompressionspumpe dar, die aus einem Stapel in Reihe geschalteter Vorrichtungen besteht, wie in Tafel 2/10 beschrieben.

Figur 6 zeigt eine andere Art, die Rohre anzuordnen, damit die thermodynamischen Abschnitte miteinander kommunizieren können .

Tafel 4/10:

Figur 7: zeigt die Antriebssäule, die erforderlich ist, um die Depression zu erzeugen, die die serielle Depression aktiviert .

Tafel 5/10: • · 17

Figur 8: zeigt die Antriebssäule und die seriell'^* tfdpressi-onspumpe in zusaimnengebautem Zustand.

Tafel 6/10:

Figur 9 zeigt die Konfiguration, die es ermöglicht, ein beliebiges Fluid in einem Brunnen zu erzeugen.

Tafel 7/10:

Figur 10 beschreibt ein System, dass die autonome Erzeugung von elektrischer Energie ermöglicht. Es umfasst ein Becken, die autonome Pumpe, eine Turbine, einen Generator und eine Sammelleitung .

Tafel 8/10:

Figur 12 zeigt eine horizontale Konfiguration für den Oberflächetransport von Flüssigkeit.

Tafel 9/10:

Figur 11 beschreibt eine autonome Anlage zur Stromerzeugung mit einer Kombination aus mehreren autonomen Pumpen, die parallel angeordnet sind.

Tafel 10/10:

Figur 13 zeigt die Pumpe bei der Verwendung der autonomen seriellen Verdichtung.

Claims

···· ·#·» GEÄNDERTE ANSPRÜCHE beim Internationalen Büro am 29. Oktober 2010 (29.10.10) einqeqangen 1. Pumpe, die mit einem System (112, 114, 115) versehen ist, das ein eingeschlossenes Gas umfasst, das mit einer internen Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird, wobei das eingeschlossene Gas einer Druckminderung oder einem Überdruck ausgesetzt werden kann, bezogen auf den Druck eines Mediums, das das System umgibt, durch Variationen des Spiegels der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass: die Pumpe eine Vielzahl anderer Systeme (112, 114, 115) umfasst, deren jeweilige flüssigen Medien derart kontinuierlich verbunden sind, dass die Verdichtung oder die Druckminderung des in einem System (112, 114, 115) eingeschlossenen Gases, aufeinander folgende Variationen der Flüssigkeitsspiegel in den anderen Systemen (112, 114, 115) verursacht, infolge des Aussetzens an einen Überdruck oder der aufeinander folgenden Druckminderungen der Gase, die in jedem dieser Systeme (112, 114, 115) enthalten sind, um ein Pumpen einer externen Flüssigkeit zu ermöglichen, die sich mit der internen Flüssigkeit eines der Systeme (112, 114, 115) in Kontakt befindet.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie darin besteht, die Systeme (112, 114, 115) sequenziell anzuordnen, indem diese Systeme (112, 114, 115) vertikal übereinander gestapelt werden.
3. Pumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckminderung in mindestens einem der Module durch Verwendung einer Vakuumpumpe oder einer Wasserantriebssäule aufrechterhalten wird.
4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckminderung durch eine Vorrichtung erzeugt wird, die eine Säule umfasst, die Wasser enthält und durch ein Ventil geschlossen wird, das, sobald es offen ist, die Druckminderung verursacht .
5. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie teilweise in die äußere Flüssigkeit getaucht wird, um den Druck zu liefern, der für die Aktivierung des autonomen seriellen Flusses erforderlich ist.
6. Vorrichtung zur Stromerzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Pumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und eine « * 19 : : :: :·*:· .· ** ·* ·· ·» i · · Turbine umfasst, die dazu bestimmt ist, von der F±üssl£|1hSit, die von der Pumpe gepumpt wird, in Bewegung gebracht zu werden.
7. Vorrichtung zur Erzeugung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie die folgenden Ausrüstungen umfasst: ein Becken, das Wasser enthält, eine oder mehrere Pumpen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, eine Antriebssäule und eine Sammelleitung und eine Turbine.
8. Verwendung einer Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für mindestens eine der folgenden Anwendungen: Transportieren von Fluiden über große Distanzen, Versorgen einer Bevölkerung mit Trinkwasser aus einer Bohrung oder einem Brunnen oder über den Oberflächentransport, Konstruieren und Schaffen von Kunstwerken oder Dekorationsobjekten, Erzeugen der Energie, die für den Transport von Maschinen auf dem Land, zu Wasser oder in der Luft verwendet wird.