Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, die aus einem Grund-Energiepotenzialsystem,
bestehend aus einer Energieträgerart, z.B. Flüssigkeit, und einem Ergänzungs-
Energiepotenzialsystem, bestehend aus einer anderen Energieträgerart, z.B.
Gas, gebildet wird. Beide Energiepotenzialsysteme bestehen jeweils aus einem Energiepotenzial
mit höherer und einem Energiepotenzial mit niedrigerer Potenzialenergie. Daraus
können zwei energieträgerspezifische Differenz- Energiepotenziale gebildet
und deren Wirkungen so harmonisiert werden, dass oberhalb des höheren Energiepotenzials
des Grund-Energiepotenzialsystems ein gleichartiges energieträgerspezifisches
Energiepotenzial wirksam wird, welches teilweise oder ganz in kinetische Energie
umgewandelt werden kann.
Eine praktische Ausführungsform wird folgend am Beispiel eines
hydrostatischen Energiepotenzials als Grund- Energiepotenzialsystem mit dem Energieträger
Wasser und einer statisch wirkenden Pneumatik als Ergänzungs- Energiepotenzialsystem
mit dem Energieträger Luft beschrieben. Die maximale Höhe des hydraulischen
Energiepotenzials kann das Maß des Luftdruck- Flüssigkeits- Aquivalents
– mit Wasser z.B. in der Größenordnung von 10 m – erreichen.
In der Technik wird der Höhenunterschied von natürlichen
Gewässern und/oder künstlich angelegten Wasserreservoiren mit freien Wasseroberflächen
verschiedenartig genutzt. Die Wasserversorgung mit Nutz- und Trinkwasser kann über
Hochbehälter oder hoch gelegene Wasserbehälter erfolgen.
Springbrunnen können durch höher gelegene künstliche
oder natürliche Wasservorräte betrieben werden. Außerdem sind sogenannte
artesische Brunnen bekannt. In all diesen Fällen findet jegliche Energieumwandlung
von hydrostatischer in hydrokinetische Energie nach dem Prinzip der kommunizierenden
Gefäße unterhalb der zu Oberst gelegenen freien Wasseroberfläche
statt. Mit dem bekannten hydraulischen Widder wird allerdings aus tiefer gelegener
Lage Wasser auf höher gelegene Lage gehoben. Hierbei wird aber im umgekehrten
Energieumwandlungsprozess, als dies erfindungsgemäß geschieht, kinetische
Energie in Lageenergie umgewandelt. Beim Heronsbrunnen sprudelt eine Fontäne
senkrecht nach oben. Als besonderes Merkmal und wesentlicher Unterschied zum Erfindungsgegenstand
ist die Tatsache, dass sowohl die oberste Flüssigkeitsoberfläche des Heronsbrunnens
als auch die Fontäne vom Luftdruck beaufschlagt sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es beispielsweise im Gravitationsfeld
der Erde wirkende Energiepotenziale so zusammenzuführen, dass eine Energieumwandlung
von potenzieller in kinetische Energie oberhalb der am höchsten gelegenen Lageenergie
möglich wird.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass die potenzielle Energie
eines hydrostatisch wirkenden Systems, bestehend aus einem höher und einem
niedriger angeordneten Flüssigkeitsbehälter mit freien Flüssigkeitsoberflächen,
mit der potenziellen Energie eines statisch wirkenden pneumatischen Systems kombiniert
wird. Das statisch wirkende pneumatische System besteht aus dem Luftdruck und einem
Unterdruck der in einem Druckbehälter eingeschlossen wird. Die Kopplung des
hydrostatischen mit dem pneumatischen System erfolgt mittels Steig- und Fallrohren,
die aus dem Unterdruckbehälter herausführen und unter die Flüssigkeitsoberflächen
der Flüssigkeitsbehälterfüllungen mit freien Flüssigkeitsoberflächen
eintauchen. Die Funktion einer solchen Einrichtung ist gewährleistet, wenn
das gesamte System einem Umgebungsdruck mit natürlichem Luftdruck ausgesetzt
ist, aber auch, wenn der Umgebungsdruck in einem geschlossenen System größer
oder kleiner als der natürliche Luftdruck ist.
Einrichtung zur Erzeugung zumindest eines hydrostatischen Potenzials
in erhöhter Lage unter Verwendung von zwei unterschiedlichen hydrostatischen
Potenzialen und zwei unterschiedlichen pneumatischen Potenzialen, wobei das zumindest
eine hydrostatische Potenzial in erhöhter Lage ein höheres Niveau aufweist
als das höhere der beiden unterschiedlichen hydrostatischen Potenziale. Somit
ist es möglich oberhalb des oberen hydrostatischen Potenzials einen Flüssigkeitsüberlauf
zu haben.
Es ist möglich, dass das eine hydrostatische Potenzial in erhöhter
Lage zumindest teilweise in kinetische Energie umwandelbar ist, mit dem zusätzlichen
Vorteil der Nutzung von kinetischer Energie an höher gelegener Stelle.
Als vorteilhaft erweist es sich, dass das eine pneumatische Potenzial,
der Luftdruck der Umgebung ist, weil er allgegenwärtig und unaufhörlich
wirkt.
Besonders günstig ist es, dass das andere pneumatische Potenzial
niedriger als der Umgebungs- bzw. Luftdruck ist, weil die Kombination aus Luftdruck
und Unterdruck einfach zu handhaben ist.
Aus dem günstigen Umstand, dass die hydrostatischen Potenziale
von 2 Flüssigkeitsvorräten gebildet sind, deren Oberflächen mit dem
Luftdruck in Verbindung stehen und deren Oberflächen eine Höhendifferenz
aufweisen, resultiert die Möglichkeit die beiden hydrostatischen Potenziale
leicht durch 2 unterschiedlich hoch angeordnete Flüssigkeitsbehälter zu
errichten.
Dadurch, dass sich der Unterdruckraum mit dem eingeschlossenen Unterdruck
oberhalb der oberen Flüssigkeitsoberfläche befindet, kann der visuelle
Eindruck verstärkt werden. Eine zweite vorteilhafte Wirkung, welche diese Erfindung
gleichzeitig vom Heronsbrunnen unterscheidet, besteht darin, dass die Fontäne
als interne Systemeinheit, in einem vom Luftdruck hermetisch abgeschlossenen Raum,
solange oberhalb der obersten Flüssigkeitsoberfläche kontinuierlich sprudelt,
als Flüssigkeitsvorrat im oberen Behälter vorhanden ist.
Aus einer integrierten Bauweise resultiert ein vorteilhafter Aufbau,
der darin besteht, dass eine Verbindung, die zwischen dem Unterdruckraum und dem
unteren Flüssigkeitsbehälter als Fallrohr dient, dessen oberes Ende den
Unterdruckraum bildet und mit dem unteren Ende in die Flüssigkeit des unteren
Flüssigkeitsbehälters eintaucht, und aus einer zweiten Verbindung die
als Steigrohr dient, dessen oberes offenes Ende sich im Unterdruckraum befindet
und dessen unteres Ende in die Flüssigkeit im oberen Flüssigkeitsbehälter
eintaucht, so dass sich durch den auf beide Flüssigkeitsoberflächen gemeinsam
wirkenden Luftdruck, ein geschlossenes Funktionssystem mit einem wirkfähigen
Energiepotenzial oberhalb der freien oberen Flüssigkeitsoberfläche ergibt.
Daraus ergibt sich ein symmetrischer und kompakter Aufbau.
Durch eine aufgelöste Bauart wird es möglich, dass zwischen
einem gemeinsamen Druckbehälter in dem sich ein Unterdruck befindet und dem
unteren Flüssigkeitsbehälter, eine Verbindung zu legen, die als Fallrohr
dient, dessen oberes Ende mit dem Druckbehälter hermetisch verbunden zum Unterdruckraum
führt und mit dem unteren Ende in die Flüssigkeit des unteren Flüssigkeitsbehälters
eintaucht, und aus einer zweiten Verbindung die als Steigrohr dient, dessen oberes
offenes Ende in den Unterdruckraum hineinragt und dessen unteres Ende in die Flüssigkeit
im oberen Flüssigkeitsbehälter eintaucht, so dass sich durch den auf beide
Flüssigkeitsoberflächen gemeinsam wirkenden Luftdruck ein geschlossenes
Funktionssystem mit einem wirkfähigen Energiepotenzial oberhalb der oberen
freien Flüssigkeitsoberfläche ergibt, womit ein aufgeschlossener Aufbau
erzielt werden kann.
Es wirkt sich optisch vorteilhaft aus, dass die kinetische Energie
beispielsweise in Form einer Fontäne umwandelbar ist und zwar oberhalb der
oberen freien Flüssigkeitsoberfläche.
Die Umwandlung von potenzieller in kinetische Energie oberhalb der
oberen freien Flüssigkeitsoberfläche kann als vorteilhafte Wirkung in
der Weise gezeigt werden, dass mit der Energie des Fontänenstrahls Wasserbzw.
Turbinenräder in Bewegung gesetzt werden. Die kinetische Energie kann auf diese
Weise sichtbar gemacht und wirkungsvoll eingesetzt werden.
In vorteilhafter Weise sind Formgestaltungen der Einrichtung derart
möglich, dass die Flüssigkeitsoberflächen in konstanter oder annähernd
konstanter Höhe, mit einer sich daraus ergebenden Höhendifferenz gehalten
werden kann, so dass ein Dauerbetrieb eines wassergetriebenen Systems möglich
wird.
Die Wahl der Auslegung für die Einrichtung kann so erfolgen,
dass die Flüssigkeitsoberflächen nicht in konstanter Höhe gehalten
werden, so dass die Fontäne gleich einer erlöschenden Kerzenflamme beim
Leerlaufen des oberen Flüssigkeitsbehälters versiegt, womit ein Zeitablaufeffekt
erzielbar ist.
Es wird vorgeschlagen, dass der visuelle Effekt durch äußere
und/oder innere Lichtquellen ergänzt bzw. überlagert wird, wodurch zusätzliche
optische Effekte erzielt werden können.
In vorteilhafter Weise kann die Gestaltung in der Form erfolgen, dass
die den Unterdruckraum umgebende Wandung durchsichtig, durchscheinend, oder teils
durchsichtig und teils durchscheinend, teils durchscheinend und teils undurchsichtig,
oder teils durchsichtig und teils undurchsichtig ist, was optische Effekte ergibt,
die durch unterschiedlich abgestufte Lichtdurchlässigkeiten und Einfärbungen
erweitert und/oder verstärkt werden können.
Eine vorteilhafte Wirkung zur Luftbefeuchtung resultiert daraus, dass
sich die Flüssigkeitsvorräte ständig in volumetrisch veränderlicher
Bewegung befinden, wodurch die Grenzschicht zwischen Luft- und Wasser für die
Luftbefeuchtung verstärkt durchlässig wird. Somit ergeben sich günstige
Voraussetzungen für einen Duftlampeneffekt, wenn dem Wasser Duftöl beigemischt
wird.
Bildbeschreibung
1 zeigt ein gegenständliches Gebilde des Erfindungsgegenstandes,
welches eine Wasserstrahlkerze darstellt.
Zur Vermeidung einer Vielzahl von Figuren sind in 1
die Oberflächen (O0/O1 und OFR/OSR)
für den Anfangszustand, vor dem Evakuierungsvorgang dargestellt. Die Fontäne
(F) gibt es in diesem Anfangszustand noch nicht. Diese erreicht erst dann die dargestellte
maximale Höhe hFmax, wenn der Endzustand der schon genannten Evakuierung
erreicht ist. Dann befindet sich die Flüssigkeitsoberfläche (OSR)
im Steigrohr (SR) an der Kante (OR), der Düse (DV) und die Flüssigkeitsoberfläche
(OFR) im Fallrohr (FR) an der Marke (HES). Außerdem ist in
1 ein Hilfssystem, bestehend aus Pumpe (P), Ansaugschlauch (S0)
und Druckschlauch (S1), gestrichelt eingezeichnet, mit welchem ein ständiger
Wasserkreislauf zwischen Basisbehälter (B0) und Hochbehälter
(B1) aufrecht erhalten werden kann.
2 veranschaulicht eine weitere mögliche Bauform
der Erfindung. Bei dieser Bauform ist der obere Teil des Fallrohres (FR) zu einem
Druckbehälter (DB) erweitert in den das Steigrohr (SR) hineinragt. Ansonsten
ist einschließlich der Funktion alles identisch mit den Details der Wasserstrahlkerze
in 1. Daher werden in 2
nur die Hauptgruppen mit Bezugszeichen beschriftet, alle anderen Bezugszeichen können
sinngemäß übertragen werden.
3 zeigt eine mögliche abgewandelte Form der Wasserstrahlkerze,
wie sie beispielsweise an einem Flussstauwehr mit angenähert konstanter Höhendifferenz
(hE) der Wasseroberflächen des Ober- und Unterlaufs, realisiert
werden können. Dabei entspricht der Wasservorrat des Unterlaufs dem Wasservorrat
(FV0) des Basisbehälters (B0) und der des Wasseroberlaufs
dem Wasservorrat (FV1) des Hochbehälters (B1).
Eine praktische Realisierung wird in folgendem Beispiel beschrieben:
Die Wasserstrahlkerze besteht gemäß 1 aus
dem Basisbehälter B0, der bis zur Flüssigkeitsoberfläche
O0 mit Flüssigkeit, vorwiegend mit Wasser gefüllt wird. In
das im Basisbehälter B0 befindliche Wasser ragt das Fallrohr FR
in die Tiefe, so dass zwischen der Fallrohrunterkante FRU und dem Boden BB0
des Basisbehälters B0 ein freier Durchflussquerschnitt Q0
erhalten bleibt. Am Fallrohr FR ist oberhalb der Wasseroberfläche O0
beispielsweise ein Hochbehälter B1 angeordnet, der bis zu seiner
Wasseroberfläche O1 mit Wasser gefüllt wird. Somit ergibt sich
eine potenzielle Energie mit der Höhe hE = h1 –
h0. Im Inneren des Fallrohres FR kann sich, z.B. in der Mitte, das
Steigrohr SR befinden, welches im unteren Bereich SRU, beispielsweise rechtwinklig
abgebogen die Wandung des Fallrohres FR durchdringt und somit mit dem Innenraum
des Hochbehälters B1 verbunden ist. Bei dem in 1
dargestellten Falle befindet sich zweckmäßigerweise die Unterkante USR
des Steigrohres SR möglichst in gleicher Höhe mit der Bodeninnenkante
BI1 des Hochbehälters 81. Das obere Ende des Steigrohres SR kann
als düsenförmige Verengung DV den Austrittsquerschnitt des Steigrohres
bilden. Der Innenraum des Fallrohres FR, der im unteren Bereich durch die Wasseroberfläche
OFR abgeschlossen wird, bildet den Unterdruckraum UR. Dieser wird im
unteren Bereich des Steigrohres SR durch die Wasseroberfläche OSR
abgeschlossen. Der Flüssigkeitsstand mit der Oberfläche OFR
im Fallrohr FR kann bezüglich des Standes der Oberfläche O0
im Basisbehälter B0 verschiedene Höhen einnehmen. Zur Evakuierung
des Unterdruckraumes UR kann beispielsweise ein nicht eingezeichnetes Evakuierungsventil
verwendet werden, welches zweckmäßigerweise am oberen Ende des Fallrohres
FR angebracht sein kann, oder ein nicht eingezeichneter Evakuierungsschlauch, der
durch den Durchflussquerschnitt Q0 in den Unterdruckraum UR eingeführt
wird. Eine lösbare oder feste Fixierung des Fallrohres FR, an dem sich der
Hochbehälter B1 befinden kann, kann zum Basisbehälter B0
hin auf verschiedene Arten erfolgen. Z.B. mittels nicht eingezeichneten Haltestegen
oder mittels eines nicht eingezeichneten Sockelfußes, der mit dem Fallrohr
FR, unter Berücksichtigung der Notwendigkeit eines freien Durchflussquerschnittes
Q0 verbunden ist, oder in sonst geeigneter Weise.
Eine Zusatzeinrichtung zur Aufrechterhaltung der Oberflächenhöhen
h0 und h1 kann mittels einer Fremdenergie gespeisten Pumpe
P erfolgen indem Flüssigkeit durch einen Schlauch S0 aus dem Basisbehälter
B0 entnommen und mittels eines Schlauches S1 in den Hochbehälter
B1 gepumpt wird. Die Konstanz von h1 und h0 kann
dadurch erreicht werden, dass der Hochbehälter B1 mit einem den
Basisbehälter B0 speisenden, nicht eingezeichneten Überlauf
versehen ist. Außerdem könnte beispielsweise eine Konstanthaltung der
Differenzhöhe hE = h1 – h0 dadurch
erreicht werden, dass mittels nicht eingezeichneter Schwimmerschalter eine von den
Flüssigkeitsoberflächen O0 oder O1 vom Basis-bzw.
Hochbehälter B0/B1 konstant gehalten wird.
Beschreibung der Funktion in einzelnen Schritten
Schritt 1: Basis- und Hochbehälter, B0 und B1, mit Flüssigkeit,
vorwiegend mit Wasser befüllen.
Schritt 2: Mit beginnender Evakuierung des Unterdruckraumes UR steigen
im Steigrohr SR und im Fallrohr FR Wassersäulen an, deren Oberflächen
OSR und OFR zu jeder Evakuierungsphase um den Differenzbetrag
hE verschieden hoch sind.
Schritt 3: Wird die Evakuierung dann unterbrochen, wenn die Wassersäule
im Steigrohr SR den oberen Rand OR der Düsenverengung DV erreicht hat, dann
befindet sich die Oberfläche OFR der Wassersäule im Fallrohr
FR an der Marke HDS, weil hDS = hD ist.
Schritt 4: Wird nun die dosierte Evakuierung fortgesetzt, dann steigt
die Wassersäule mit der Oberfläche OFR im Fallrohr FR weiter
an. Im Steigrohr SR ist ein weiteres Ansteigen nicht möglich, weil das Steigrohr
SR am oberen Rand OR der Düse DV zu Ende ist. Folglich wird das Wasser mit
zunehmender Evakuierung aus dem Steigrohr SR als zunehmend größer werdende
Fontäne F, mit zunehmender Fontänenhöhe hF austreten,
die ihren Maximalwert hFmax <= hE dann erreicht hat, wenn
sich die Wassersäule mit der Oberfläche OFR
im Fallrohr FR an der Marke HES befindet, weil hES = hE ist.
Mit dem Erreichen der Marke HES in der Höhe h0 + hDS
+ hES wird die maximal mögliche hydrostatische Potenzialenergie
hE in die höchst mögliche hydrokinetische Energie hFmax
umgewandelt.
Schritt 5: Das als Fontäne ausströmende Wasser fällt
im Fallrohr FR auf die Oberfläche OFR zurück und fließt
durch das Fallrohr FR in den Basisbehälter B0, in dem die Wasseroberfläche
O0 steigt und somit die Höhe h0 zunimmt. Gleichzeitig
wird das Wasser im Hochbehälter B1 weniger, wodurch die Wasseroberfläche
O1 fällt und die Höhe h1 abnimmt. Somit wird hE
und als abhängige Variable auch hFmax der Wasserfontäne F,
gleich einer erlöschenden Kerzenflamme stetig kleiner, und versiegt schließlich
ganz, wenn die Wasseroberfläche O1 im Hochbehälter B1
einen Mindeststand erreicht hat oder, wenn der Hochbehälter B1 leer
gelaufen ist.
- hFmax
- Maximale Fontänenhöhe
- hD
- Höhe der Flüssigkeitssäule im Steigrohr bezüglich
- der Flüssigkeitsoberfläche (O1) im Hochbehälter (B1).
- h1
- Potenzialhöhe der Flüssigkeitsoberfläche (O1).
- h0
- Potenzialhöhe der Flüssigkeitsoberfläche (O0).
- DV
- Düse an der Oberseite des Steigrohres (SR).
- FR
- Fallrohr.
- SR
- Steigrohr.
- O1
- Flüssigkeitsoberfläche im Hochbehälter (B1).
- Bl1
- Bodeninnenkante des Hochbehälters (B1).
- O0
- Flüssigkeitsoberfläche im Basisbehälter (B0).
- BB0
- Bodeninnenkante des Basisbehälters (B0).
- UD
- Unterdruck im Unterdruckraum (UR).
- OR
- Oberer Rand der Düsenverengung (DV).
- OSR
- Oberfläche der Flüssigkeitssäule im Steigrohres (SR).
- SRU
- (Bogen) im unteren Bereich des Steigrohres (SR).
- USR
- Unterkante des Bogens am Steigrohr (SR).
- OFR
- Oberfläche der Flüssigkeitssäule im Fallrohr (FR).
- LD
- Umgebungs- bzw. Luftdruck.
- UR
- Unterdruckraum.
- F
- Fontäne.
- HES
- Marke am Fallrohr (FR) in der Höhe (h0 + hDS + hES)
- hES
- Äquivalente Höhe zu hE, welche das systembezogene
- maximale hydrostatische Potenzial repräsentiert.
- HDS
- Marke am Fallrohr (FR) in der Höhe (h0 + hDS).
- hDS
- Äquivalente Höhe zu hD (s. dort).
- FV1
- Flüssigkeitsvorrat im Hochbehälter (B1).
- Q0
- Durchflussquerschnitt zwischen der Fallrohrunterkante
- (FRU) und dem Boden des Basisbehälters (B0).
- S1
- Schlauch an der Fremdenergie gespeisten Pumpe (P).
- P
- Fremdenergie gespeiste Pumpe.
- B1
- Hochbehälter.
- S0
- Schlauch an der Fremdenergie gespeiste Pumpe (P).
- FVO
- Flüssigkeitsvorrat im Basisbehälter (B0).
- FRU
- Fallrohrunterkante.
- B0
- Basisbehälter (B0).
- hE
- Systembezogenes maximales hydrostatisches Potenzial
- (hE = h1 – h0).
- DB
- Druckbehälter
- hF
- Variable Fontänenhöhe.