Unter dem Flüssigkeitsspiegel wirkt dauernd gespeicherte potenzielle Energie der Flüssigkeitssäule, die latent ist, so lange die Potentialdifferenz ruht. Die Erfindung ist eine kombinierte Kraft- und Arbeitsmaschine, die mittels Druckmittelwandler und Druckübersetzer die unter dem Flüssigkeitsspiegel gespeicherte potentielle Energie in Nutzenergie umsetzt.

Stand der Technik Die zurzeit bekannten erneuerbaren Energiearten (Wind, Solar, Biogas usw.) sind nicht ständig verfügbar und sind meistens von der Jahreszeit und Witterung abhängig, die Umsetzung ist manchmal kompliziert und teuer. Auch wenn die verfügbare Energie kostenlos ist, sind die Entstehungskosten der Anlage zu hoch und der Wirkungsgrad oft zu niedrig. Manche Anlagen brauchen grosse Räumlichkeiten oder eine grosse Betriebs¬ fläche. Die Erfindung ist eine Maschine, die nach den Gesetzen der Physik arbeitet, die unter dem Flüssigkeits¬ spiegel dauernd wirkende potentielle Energie der Flüssigkeitssäule in Nutzenergie umsetzt. Die Entstehungs¬ kosten für die Anlage sind niedrig, da die Anlage bei niedrigen Temperaturen und niedrigen Materialbelastungen arbeitet.

Beschreibung und Berechnung einiger Ausführungsbeispiele Zu den nachfolgenden Beschreibungen der Erfindung sind Zeichnungen vorgelegt: Fig. 1: Positionen der Kolben in Zylinderkolonnen mit Wasser-Luft Druckübersetzer

Fig. 2: Positionen der Kolben in Zylinderkolonnen mit Wasser-Flüssigkeit Druckübersetzer

Fig. 3: Maschine mit Wasser-Luft Druckübersetzer Fig. 4: Maschine mit Wasser-Flüssigkeit Druckübersetzer Fig. 5: In Behälter getauchte Maschine mit Wasser- Flüssigkeit Druckübersetzer Fig. 6: In Behälter getauchte Maschine mit Druckmittelwandler Fig. 7: Maschine mit Druckübersetzer, mit zwei Kolben, die voneinander unabhängig beweglich sind.

In Fig. 1 und 3 ist die Zusammensetzung und Funktion einer Maschine mit Wasser-Luft Druckübersetzer schematisch dargestellt. Der Druckübersetzer besteht aus einem Zylinder- Kolben System 24 (Fig. 3) . Die Kolben 4 und 5 mit unterschiedlichen Durchmessern D1, D2 teilen den Zylinder in drei Räume 1, 2, 3. Die Kolben sind miteinander mit der Kolbenstange 6 verbunden. Im Zylinderraum 1 wirkt der Druck der WS auf Kolben 4, der proportional ihrer Höhe ist. Raum 2 ist wechselweise mit reduziertem Luftdruck oder mit atmosphärischer Luft verbunden. Raum 3 wird alternierend gefüllt und entleert. Die Maschine ist auf einem Ständer 7 (Fig. 3) aufgebracht. Die Zylinder sind auf einem Band 8 befestigt, der über Bandscheiben 10 mit dem Getriebemotor 9 vertikal nach oben „L" und nach unten „R" bewegt wird. Mit der periodisch alternierenden vertikalen Bewegung der Zylinder-Kolben Systeme zwischen den oberen B und unteren C Steuervorgängen entsteht eine Potentialdifferenz, die der effektiven Höhe der Wassersäule he proportional ist. Fig. 1 zeigt die Verschiebung der Kolben in Zylindern, in Abhängigkeit von der Höhe der Wassersäule he, mit gasförmigem Fluidum im Zylinderraum 3. Zum Vergleich zeigt Fig. 2 die Po¬ sitionen der Kolben mit flüssigem Fluidum im Zylinderraum 3.

Ein Arbeitszyklus eines Zylinder-Kolben Systems fängt bei oberem Steuervorgang A „Lu (Fig. 1, 3) an. Die Steuerventile 11 und 12 sind offen. Die Luft mit reduziertem Druck wird aus dem Speicher 20, über Reduzierventil 21, Dreheinführung 15, Verte'ilertrommel 16, Leitungen 23 und Steuerventil 12 in den Zylinderraum 2 geleitet, die Kolben werden nach rechts in die Ausgangslage verstellt. Raum 3 wird mit Luft gefüllt, Wasser aus dem Raum 1 verdrängt. Bei weiterem Steuervorgang in Pos. B „R" wird das Steuerventil 11 geschlossen, das Ventil 12 zur atmosphärischen Luft umgeschaltet. Beim Erreichen des höchsten Drucks der WS he, bei Pos. C „R", öffnet das Steuerventil 11 den Raum 3, die Füllung wird unter erhöhtem Druck über Leitung 13, Sammeltrommel 14, Dreheinführung in den Druckluftspeicher 25 geleitet. Bei Zylinderposition D „L" werden die Steuerventile 11 geschlossen, Raum 1 bleibt mit Wasser gefüllt, im Raum 2 wirkt die red. Druckluft, die Kolben bleiben bis zum Steuervorgang A „L" auf der linken Seite. Bei weiterer Bewegung der Kolonne fängt ein neuer Zyklus an.

Berechnungs-Beispiel der Leistungsabgabe und Verluste einer Maschine mit Wasser-Luft Druckübersetzer nach Fig. 1 und 3.

Bei Berechnung der Leistung einer Maschine mit Wasser-Luft Druckübersetzer soll man erwägen, dass die Leistungsabgabe auf der pneumatischen Seite unterschiedlich zur Leistung auf der hydraulischen Seite ist, da der Kolbenhub Si=S2 fest ausgelegt und die Luft stark kompressibel ist. Die Übersetzungszahl soll so bestimmt werden, dass diese Zahl für den Druck wie auch für das Volumen gleich ist. Für das Berechnungsbeispiel wurde für Luft die Formel verwendet.

Gegeben:

Für Wasser: 0 D1=O7Om, A1=O,282m2 ,S1=O7Bm, V1=O, 14m3, P!=28mWS=2,8.10ΞPa

Für Luft:0 D2=O,25m, A2=O, 049m2, S2=O, 5m, V2=O, 024m3 p2=16.105Pa Bandgeschwindigkeit: 3,2m/s, Zylinderteilung T=O, 8m, aktive Zylinder n=4/s, Übersetzung i=5,71. Nach dieser Berechnung werden die Zahlen für Arbeit und Leistung bei unterschiedli¬ chen Volumen und Druck in den Zylindern ausgeglichen.

Druckluft für die Rückstellung der Kolben p3=0,15bar, n=he:T he=28m:0, 8m=35 ZyI./he

Aufgabe:

1. Berechnung der Leistung einer Maschine

2. Berechnung der Verluste 2a. Leistungsbedarf für die Bewegung der Zylinderkolonnen 2b. Leistungsbedarf für die Rückstellung der Kolben 2c. Wirkungsgrad Lösung:

1. P1=A1. P1.102. Si. n P1=O , 282.2 , 77. IQ2.0 , 5.4 = 156kW (39kW/Zyl.)

W[kNm] ,P1EkW] ,A1Cm2] ,P1[Pa] , [105/l03] ,S1Em] ,n[Z/s]

2a. Die Luft im Zylinderraum 3 wird auf 16 bar komprimiert, proportional zum Kolbenhub wird der Raum 2 verkleinert, Rauml vergrössert. Nach Berechnung werden die Räume 2 in der Zylinderkolonne „R" auf cca 400 1 (400 kg) verkleinert.

P2a=m.g.v.l0"3 Paa=400.9, 81.3, 2.10"3=12, 5 kW

P2a[kW] ,m[kg] ,g[9,81] ,v[m/s] , 10'3 2b. P2b=A1.p3.s1.n.l0'3 P2b=0,282.0 , 15. IQ5.0 , 5.4.10"3 = 8 , 46 kW 2c. η2a =0,92 , η2b=0,94 , ηmech~0,85 (Schätzung) , η = 0,73

In Fig. 2 und 4 ist eine Maschine mit Wasser-Flüssigkeit Druckübersetzer dargestellt. Der Druckübersetzer 30 besteht aus einem Zylinder-Kolben System mit zwei Kolben 4 und 5 mit unterschiedlichen Durchmessern D1, D2, die mit der Kolben¬ stange 6 miteinander verbunden sind. Der Zylinder ist von den Kolben in drei Räume 1, 2, 3 geteilt. Im Raum 1 wirkt der Druck der WS auf den Kolben 4, Raum 2 ist abwechselnd mit Druckluft oder mit atmosphärischer Luft gefüllt, Raum 3 ist alternierend gefüllt und entleert. Der Wasserspiegel ist im Behälter 15 gehalten, das Wasser wird über Leitungen 19, mehrkanal- drehbare Verbindung 16, Verteilertrommel 18, direkt in den Zylinderraum 1 geleitet. Die Flüssigkeit, z. B. das Hydrauliköl, wird vom Behälter 17 über Leitungen 20, drehbare Verbindung, Verteilertrommel 21 über das Steuerventil 11 in den Raum 3 geleitet. Die Luft wird mit reduziertem Druck für die Rückstellung der Kolben aus dem Speicher 24 entnommen, über Reduzierventil 25, Leitungen 27, drehbare Verbindung, Verteilertrommel 26 und Steuerventil 31 in den Raum 2 geleitet. Auf der Trägersäule 32 ist ein Getriebemotor 14 aufgebaut, der mittels zwei Bandscheiben 13 das Zylinderband 12, an dem die Druckübersetzer geordnet sind, vertikal nach oben und nach unten bewegt. Mit einem Steuervorgang fängt ein Arbeitszyklus eines Druckübersetzers bei Pos. A „L" (Fig. 2) an. Steuerventile 11 und 31 werden geöffnet. Der Druckluft verschiebt die Kolben in die Ausgangslage nach rechts. Bei dieser Bewegung der Kolben wird der Raum 3 mit Flüssigkeit gefüllt, aus dem Raum 1 das Wasser verdrängt. Beim Steuervorgang in Zylinderposition B „R" schliesst das Ventil 11, Ventil 31 wird zur Entlüftung verstellt. Die Kolben sind von der im Raum 3 eingeschlossenen Flüssigkeit blockiert. Bei Bewegung der Zylinder nach unten, bei Pos. C „R", wird das höchste Potential erreicht, Steuerventil 11 öffnet den Raum 3, die Flüssigkeit mit erhöhtem Druck über Leitungen 22, Sammeltrommel 23, drehbare Verbindung, Rückschlagventil in den Hydrospeicher 29 geleitet. Der Zylinderraum 3 ist entleert, Raum 1 mit Wasser gefüllt. Bei Bewegung der Zylinderkolonne nach oben, bei Pos. D „L", werden die Steuerventile geschlossen, bei erreichen der Pos. A „L" fängt ein neuer Zyklus an.

Fig.5 zeigt schematisch eine Maschine mit Wasser-Flüssigkeit Druckübersetzer, die unter dem Wasserspiegel in einem Behälter 10 getaucht, arbeitet. Auf dem Ständer 21 ist ein Getriebemotor 23 aufgebaut, der mit den Bandscheiben 22 die auf dem Band 20 befestigten Zylinder nach oben und nach unten bewegt. Der Druckübersetzer besteht aus einem Zylinder 9, zwei Kolben 4 und 5 mit unterschiedlichen Durchmessern. Die Kolben sind miteinander mit einer Kolbenstange 6 verbunden und teilen den Zylinder in drei Räume. Die Ausgangsposition eines Druckübersetzers ist beim Steuervorgang A „L" (Fig.2) . Bei dieser Pos. des Zylinders ist das Steuerventil 8 offen, die Kolben sind von der Rückstellfeder 7 nach rechts verschoben, unterwegs Raum 3 mit Flüssigkeit gefüllt, aus dem Raum 1 wird das Wasser verdrängt. Raum 2 wird über Leitungen 11, Trommel 12, Dreheinführung 13 direkt mit der atmosphärischen Luft verbunden. Im Behälter 17 ist der Flüssigkeitsspiegel gehalten, die Flüssigkeit, z.B. Hydrauliköl, wird über Leitungen 18, Dreheinführung, Verteilertrommel 19 und über das Steuerventil in den Zylinderraum 3 geleitet. Beim Steuervorgang B „R", bei Bewegung der Zylinderkolonne nach unten, wird das Steuerventil 8 geschlossen, die Kolben sind bis zum weiteren Steuervorgang in Pos. C „R" hydraulisch blockiert. Da wird das Steuerventil 8 geöffnet, die Flüssigkeit mit erhöhtem Druck über Leitungen 14, Sammeltrommel 15, Dreheinführung über ein Rückschlagventil in den Druckspeicher 16 geleitet. Beim Steuerungsvorgang bei Pos. D „L", bei Bewegung der Zylinderkolonnen nach oben, wird das Steuerventil geschlossen, die Kolben werden nach links verschoben, die Rückstellfeder wird vorgespannt, Raum 1 mit Wasser gefüllt. Bei Steuervorgang in Pos. A „L" fängt ein neuer Zyklus an.

In der Fig. 6 ist die Funktion und die Zusammensetzung einer Maschine mit Wasser-Luft Druckmittelwandler schematisch dargestellt. Die Maschine in einem Behälter 29, die unter dem Wasserspiegel getaucht, arbeitet. Auf einer Trägersäule 28 ist ein Getriebemotor 26 aufgebaut, der über die Bandscheiben 27 auf dem Band 25 geordnete Zylinder 21 vertikal nach oben und nach unten bewegt. Ein Arbeitszyklus eines Druckmittelwandlers fängt nach einem Steuervorgang bei Pos. A „L" (Fig.l) an. Bei dieser Position wird aus den Behältern 2-15 (Fig. 6) eine kleine Menge Luft abgezweigt, mit Reduzierventil 216 wird der Druck vermindert, aus dem Speicher 217 über Dreheinführung 213, Verteilertrommel 218, Leitungen 219 über elektrisch betätigtem fein einstellbaren Druck- und Dosierventil 221 wird der Kolben 22 in die Ausgangsposition nach rechts rückgestellt. Der Zylinderraum 24 wird mit Luft gefüllt, aus dem Raum 23 das Wasser verdrängt. Beim Erreichen der Zylinderposition B „R" schliesst das Steuerventil 210 den Raum 24. Bei weiterer Bewegung der Zylinder nach unten, mit wachsendem Druck der Wassersäule he auf den Kolben 22 wird die Luft komprimiert und das Volumen im Raum 24 verkleinert. Bei Pos. C „R", nach Steuervorgang, die komprimierte Luft über Leitungen 211, Sammeltrommel 212, Dreheinführung, Rückschlagventil 214 in den Druckluftspeicher 215 geleitet. Beim Erreichen der Zylinderposition D „L" ist der Zylinderraum 24 entleert, Raum 23 mit Wasser gefüllt, Steuerventile schliessen bis zum Erreichen der Pos. A „L", nachher folgt ein neuer Zyklus.

In Fig. 7 ist eine Maschine, die zur Energieumsetzung mit einem rotierenden Rad, an dem die Zylinder-Kolben Systeme befestigt sind, schematisch dargestellt. Die Zylinder-Kolben Systeme, als Druckübersetzer, sind eine Sonderkonstruktion, die für flüssige und auch für gasförmige Fluide geeignet ist und die die Erhöhung des Wirkungsgrades einer Maschine ermöglicht. Die Besonderheit dieser Konstruktion ist, dass der Kolben 8 zum Zylinder und zur Kolbenstange 33 abgedichtet beweglich ist. Die Kolbenstange 33 ist mit dem Kolben 9 fest verbunden. Proportional der Druckänderung auf Kolben 8 werden die Räume 5 und 6 im Kehrwert variieren. Die Wellenlager 3 sind im Lagerbock 4 eingebaut. Am Kranz des Rades 1 sind die Zylinder befestigt. Das Rad ist vom Motorantrieb 31 und von der Übersetzung 32 angetrieben. Die Zylinder sind mit den Kolben 8 und 9 in Räume 5 für Wasser, 6 für Luft und 7 für das Druck erhöhende Fluidum geteilt. Der Wasserspiegel ist im Behälter 10 gehalten und das Wasser wird über Leitungen 11, Dreheinführung 12, Verteilertrommel 13 und über das am Radkranz befestigte Füllrohr 14 direkt in den Zylinderraum geleitet. Die Druckluft für die Rückstellung der Kolben wird aus dem Luftspeicher 15 über das Reduzierventil 16 entnommen, über Dreheinführung, Verteilertrommel 17, Leitungen 18 ins Füllrohr 19, Steuerelement 20 in den Zylinderraum 6 geleitet. Das Fluidum für die Druckerhöhung wird aus dem Behälter 21 über Leitungen 22, Dreheinführung 23, Verteilertrommel 24, Füllrohr 25, Steuerelement 26 in den Zylinderraum 7 geleitet. Bei Bewegung des Rades nach rechts, bei Erreichen der Zylinderposition A „L", nach Steuervorgang, strömt die Druckluft aus dem Füllrohr 19 über das Steuerelement 20, im Raum 6 verschiebt die Kolben nach rechts, in die Ausgangsposition. Gleichzeitig wird über das Steuerelement 26 der Raum 7 mit Fluidum gefüllt, aus dem Raum 5 wird das Wasser verdrängt. Bei Pos. B „R" wird der Raum 6 mit der atmosphärischen Luft verbunden, das Steuerelement 26 schliesst den Raum 7. Damit ist die Bewegung des Kolbens 9 blockiert. Bei weiterer Bewegung der Zylinder nach unten, mit anwachsendem Druck der Wassersäule auf Kolben 8, wird dieser nach links verschoben. Die auf Kolben ausgeübte Kraft wird von der Druckfeder 27 aufgenommen, die Luft aus dem Raum 6 verdrängt, in den Raum 5 dringt mehr Wasser ein. Beim Erreichen des maximalen Drucks bei he Pos. C „R", öffnet das Steuerelement 27 den Raum 7, die vorgespannte Federkraft auf Kolben 9 entleert den Raum und drückt das Fluidum über Leitung 28, Sammeltrommel 29, Dreheinführung und das Rückschlagventil in den Speicher 30. Bei Pos. D „L" schliesst das Steuerelement 26 und bleibt bis Pos. A „L" geschlossen, danach fängt ein neuer Zyklus an. Die Beweglichkeit des Kolbens 8 ermöglicht die volumetrische- und Gewichtsvariation der Zylinderräume 5 und 6, bei stabil bleibendem Raum 7.