DE4033390A1

DE4033390A1 - Electromagnetic energy prodn. from heat content of gas - has assistance of cyclically controlled gas pressure across distance between two capacitor plates and is altered cyclically to produce energy

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Publication number: DE4033390A1
Application number: DE19904033390
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: TRALAU GUENTER DIPL PHYS
Current assignee: TRALAU GUENTER DIPL PHYS
Priority date: 1990-10-20
Filing date: 1990-10-20
Publication date: 1992-04-30
Also published as: DE4033390C2

Abstract

The controlled gas pressure is led from a chamber across the valve and a diaphragm at which is connected one plate (P) of the two capacitor plates. The capacitor (C) is charged with the smallest distance lying between the two capacitor plates, the plates then experience an enlargement of the distance between them, against the attractive force of the charges, so as to increase their electrostatic potential. This energy with suitable means is supplied to a utilisation circuit as electromagnetic energy. The moving plate (P) of the capacitor is coupled with a close lying pressure transmitting diaphragm, which simultaneously takes over the function of an outlet valve, with the opening of an access to the gas outlet slits at the periphery of the diaphragm, during its lift and return phase. USE/ADVANTAGE - System for producing electromagnetic energy from heat content of gas. Simple principle and gives higher efficiency compared to conventional piston engines. No temps. occur which require special cooling leading to high losses of heat energy.

Description

Das System benutzt zur Erzeugung elektromagnetischer Energie aus dem Wärmeinhalt eines Gases einen an sich bekannten physikalischen Effekt, der mit einer Reihe besonderer Maßnahmen technisch brauch bare Werte für den Wirkungsgrad, das spezifische Leistungsvolumen und Leistungsgewicht liefern kann.The system uses to generate electromagnetic energy the heat content of a gas is a physical known per se Effect that is technically necessary with a series of special measures bare values for the efficiency, the specific power volume and can deliver power to weight.

Ein Plattenkondensator (Fig. 1) wird bei einem untersten Platten abstand d1 (gefüllt mit einer isolierenden Schicht mit der Di elektrizitätskonstante ε) mit der Spannung U1 aufgeladen. Er be kommt damit einen gewissen kleinsten Energieinhalt E1. Wird der Abstand der Kondensatorflächen jetzt von d1 auf d1+d2 vergrößert (Fig. 1b), und ist ε der Wert der Dielektrizitätskonstante der Schicht S (Fig. 1) mit der Dicke d1, so steigt der Energieinhalt auf E2 und steht mit E1 in folgendem Verhältnis:A plate capacitor ( Fig. 1) is charged at a lowermost plate distance d 1 (filled with an insulating layer with the dielectric constant ε) with the voltage U 1 . It thus has a certain minimum energy content E 1 . If the distance between the capacitor areas is now increased from d 1 to d 1 + d 2 ( FIG. 1b) and ε is the value of the dielectric constant of layer S ( FIG. 1) with thickness d 1 , the energy content increases to E 2 and has the following relationship with E 1 :

E2/E1 = 1 + ε · (d2/d1).E 2 / E 1 = 1 + ε · (d 2 / d 1 ).

Ist z. B. ε =100, d2=200 µm (=0,2 mm) , d1=50 µm, steigt der Ener gieinhalt um das 400fache auf 401.E1.Is z. B. ε = 100, d 2 = 200 µm (= 0.2 mm), d 1 = 50 µm, the energy content increases 400 times to 401.E 1 .

Die Abstandsvergrößerung ist nur mit Hilfe einer Kraft möglich. Sie führt zur Bereitstellung einer damit erzeugten elektrosta tischen Energie, die mit geeigneten Mitteln aus dem Kondensator herausgeholt und in Form elektromagnetischer Energie verbraucht werden kann.The distance can only be increased with the help of a force. It leads to the provision of an electrostatic generated with it table energy with suitable means from the capacitor brought out and consumed in the form of electromagnetic energy can be.

Bei dem hier beschriebenen System geschieht dieser Vorgang peri odisch mit einer Frequenz v (z. B. 1000 Hz), wobei der Kondensator bei kleinstem Abstand d1 (z. B. 50 µm) mit U1 aufgeladen, dann mit Hilfe einer Kraftquelle (Gasdruck) der Abstand der Kondensator platten auf d1+d2 vergrößert wird , so daß die Leistung (Energie/ Zeiteinheit)In the system described here, this process takes place periodically at a frequency v (e.g. 1000 Hz), the capacitor being charged with U 1 at the smallest distance d 1 (e.g. 50 µm), then using a power source ( Gas pressure) the distance between the capacitor plates is increased to d 1 + d 2 , so that the power (energy / time unit)

v · E2 = v · (1 + ε·(d2/d1))v · E 2 = v · (1 + ε · (d 2 / d 1 ))

erzeugt wird wenn bei Erreichen des größten Abstandes der Konden satorplatten die gesamte Ladung des Kondensators auf irgendeine Wei se einem Stromverbraucherkreis zugeführt werden kann. is generated when the largest distance between the condensers is reached the entire charge of the capacitor in some way se can be supplied to an electricity consumer group.

Um mit Hilfe dieses an sich einfachen Prinzips ein (im oben ge nannten Sinne) technisch brauchbares System zu schaffen, sind eine Reihe von Ergänzungen im Zusammenhang mit der Ankopplung einer Gasdruckquelle und der Auskopplung der erzeugten elektrosta tischen Energie erforderlich.In order to use this simple principle (in the ge referred to) technically usable system a number of additions related to the coupling a gas pressure source and the decoupling of the generated electrosta table energy required.

Als Kraftquelle ist Gasdruck (z. B. der des Wasserdampfes) vorgese hen, der periodisch auf eine druckaufnehmende Membran M (Fig. 2) wirkt, an die eine (P) der beiden Kondensatorplatten gekoppelt ist. Die Membran ist die bewegliche Wand einer Kammer K, die über das mit der Frequenz v schwingende Ventil T mit dem Ventilantrieb VA periodisch mit Gas aus B gefüllt wird. Die Gasdruckkammer K besteht im wesentlichen aus dem kleinen Volumen V und dem Volu men VM, das sich ausbildet,wenn die sehr eng anliegende Membran unter der Wirkung des Gasdruckes ausgelenkt wird.As a power source, gas pressure (e.g. that of water vapor) is provided, which periodically acts on a pressure-absorbing membrane M ( FIG. 2), to which one (P) of the two capacitor plates is coupled. The membrane is the movable wall of a chamber K, which is periodically filled with gas from B via the valve T, which oscillates at the frequency v, with the valve drive VA. The gas pressure chamber K consists essentially of the small volume V and the volume VM, which forms when the very close-fitting membrane is deflected under the effect of the gas pressure.

An der Peripherie der Membran befinden sich Gasaustrittsschlitze GS, die durch Zungen, die an der Peripherie der Membran angebracht sind, wechselweise durch die Bewegung der Membran geschlossen und freigegeben werden, wenn das Gas expandiert ist und Arbeit durch Entspannung an dem Kondensator geleistet hat.Gas outlet slots GS are located on the periphery of the membrane, by tongues attached to the periphery of the membrane are alternately closed by the movement of the membrane and be released when the gas expands and work by relaxing the capacitor.

Ventilbewegung, Membranausschlag, Expansion des Gases aus dem Volumen V heraus, sowie die Dimensionierung der Gasaustrittsschlitze an der Peripherie der Membran müssen aufeinander abgestimmt wer den, wenn man einen möglichst hohen Wirkungsgrad erzielen will. Membran und Kondensatorplatte P sind an ein mechanisches Schwing system SS angeschlossen, das die Rückführung der ausgelenkten Membran M unterstützt.Valve movement, diaphragm deflection, expansion of the gas from the Volume V out, as well as the dimensioning of the gas outlet slots at the periphery of the membrane must be coordinated if you want to achieve the highest possible efficiency. Membrane and capacitor plate P are mechanically vibrating SS system connected, which is the return of the deflected Membrane M supports.

Ein Merkmal dieses Verfahrens ist das Auftreten hoher Spannungen bei der Energieerzeugung durch die Abstandsvergrößerung. Die er zeugten Spannungen sind in ihrer ursprünglichen Höhe in der Re gel nicht verwendbar. Andererseits ist das Auftreten hoher Span nungen unvermeidbar verknüpft mit der gewünschten Energieausbeute. Um diese hohen Spannungen bequem transformieren zu können, wird der Stromkreis des Kondensators (C, Fig. 3) mit der schwingenden Platte P durch Hinzufügung einer Induktivität L zu einem Schwing kreis erweitert, so daß eine hochfrequente Schwingung (200 kHz bis 5 MHz) anstelle einer Gleichspannung am Kondensator liegt. Für die Spannungsamplitude dieser Schwingung gelten ebenfalls die oben gemachten Ausführungen und Gleichungen, wenn die Frequenz wesentlich höher ist als die Frequenz, mit der die Platte P schwingt. A feature of this method is the occurrence of high voltages during energy generation due to the increase in distance. The he generated tensions are usually not usable in their original level. On the other hand, the occurrence of high voltages is inevitably linked to the desired energy yield. In order to be able to conveniently transform these high voltages, the circuit of the capacitor (C, FIG. 3) with the oscillating plate P is expanded by adding an inductance L to an oscillating circuit, so that a high-frequency oscillation (200 kHz to 5 MHz) takes place a DC voltage across the capacitor. The statements and equations given above also apply to the voltage amplitude of this oscillation if the frequency is significantly higher than the frequency with which the plate P oscillates.

Mit der Einführung der Wechselspannung in das System anstelle der Gleichspannung gewinnt man die Möglichkeit hoher Spannungen bequem auf die vom Verbraucher gewünschten Spannungen mit Hilfe des Transformators Tr2 (Fig. 3) herunter zu transformieren und z. B. mit der Diode Di und der Kapazität Kap gleichzurichten. Der Schwingkreis C, L (Fig. 3) wird über den Transistor Tra und den Transformator Tr1 im Kollektorkreis von Tra über die Kopplung Tr3 im Basiskreis von Tra angeregt. Die hierbei übertragene Leistung liefert auch gleichzeitig die Ladung für C bei kleinstem Abstand zwischen den Kondensatorplatten, die für die eigentliche Energie erzeugung durch Abstandsvergrößerung, wie oben beschrieben, Vor aussetzung ist.With the introduction of the AC voltage in the system instead of the DC voltage, the possibility of high voltages is conveniently transformed down to the voltages desired by the consumer using the transformer Tr 2 ( FIG. 3) and z. B. rectify with the diode Di and the capacitance Kap. The resonant circuit C, L ( FIG. 3) is excited via the transistor Tra and the transformer Tr 1 in the collector circuit of Tra via the coupling Tr 3 in the base circuit of Tra. The power transmitted here also simultaneously provides the charge for C with the smallest distance between the capacitor plates, which is essential for the actual energy generation by increasing the distance, as described above.

RK stellt einen Begrenzer dar, der den Mitkopplungskreis gegen eine Übersteuerung schützen soll.RK represents a limiter that counteracts the positive feedback circuit to protect an overload.

Es ist vorgesehen, daß während der Gasexpansion und der damit verbun denen Anhebung der Druckmembran ein in V (Fig. 2) durch die Ven tilbewegung weitgehend von B isoliertes Gasvolumen einen wohlde finierten (überwiegend adiabaten) Druckabfall erleidet und dabei gegen die Anziehungskraft zwischen den Kondensatorplatten Arbeit leistet. Diese Kraft ist abhängig von den Ladungen auf den Platten, die daher dem Druckverlauf in der Gasphase an der Membran M ange paßt werden müssen. Der Druckverlauf hat einen großen Einfluß auf den Wirkungsgrad, mit dem das System arbeitet.It is envisaged that during gas expansion and the associated increase in the pressure membrane a gas volume largely isolated from B by the valve movement in V ( FIG. 2) suffers a well-defined (predominantly adiabatic) pressure drop and thereby against the attractive force between the capacitor plates Does work. This force is dependent on the charges on the plates, which must therefore be adapted to the pressure curve in the gas phase on the membrane M. The pressure curve has a great influence on the efficiency with which the system works.

Der Druckverlauf in V und VM (Fig. 2) entspricht etwa dem eines Clausius-Rankine-Prozesses.The pressure curve in V and VM ( Fig. 2) corresponds approximately to that of a Clausius-Rankine process.

Bei richtiger Dimensionierung der über Tra und Tr1 auf P gegebe nen Ladungen stellt sich durch die Belastung durch den Verbraucher A (Fig. 3) über die Amplitude der Schwingung zwischen L und C automatisch eine Ladung auf P ein, die eine Kraft erzeugt, die dem Dampfdruckverlauf genau entspricht.With the correct dimensioning of the charges given via Tra and Tr 1 to P, the load on the consumer A ( FIG. 3) automatically creates a charge on P via the amplitude of the oscillation between L and C, which generates a force which corresponds exactly to the steam pressure curve.

Das System liefert für ε=100, v=1000 Hz, einer Dampftemperatur von ca. 200°C und einem maximalen Dampfdruck von 15 kp/cm² etwa 50 bis 100 Watt an A, wenn P eine Fläche von 1 cm² hat. Der Wirkungsgrad liegt bei 26%, bezogen auf die elektrische Leistung am Verbrau cher A.For ε = 100, v = 1000 Hz, a steam temperature of approx. 200 ° C and a maximum steam pressure of 15 kp / cm ^{2, the} system delivers approximately 50 to 100 watts of A if P has an area of 1 cm ² . The efficiency is 26%, based on the electrical power at consumer A.

Vergleicht man diese Kraftquelle mit den herkömmlichen Kolbenmo toren, findet man eine Reihe von Unterschieden, die großen Ein fluß auf den jeweiligen Wirkungsgrad haben. Im Gegensatz zu den Kolbenmotoren treten keine Temperaturen auf, die eine besondere Kühlung verlangen und damit hohe Verluste an Wärmeenergie durch eine einfache Wärmeableitung bewirken würden.If you compare this power source with the conventional piston engine there are a number of differences, the big ones flow on the respective efficiency. In contrast to the Piston engines do not experience temperatures that are special Require cooling and thus high losses of thermal energy would cause simple heat dissipation.

Daher entspricht der Wirkungsgrad am Verbrauchereingang ungefähr dem, den man auch mit Kolbenmotoren als Kraftquelle erreicht, obwohl deren thermodynamischer Prozeß etwas günstiger abläuft. Durch Erhöhung der Dampftemperatur und des Dampfdrucks läßt sich der Wirkungsgrad über die angegebenen 26% hinaus noch verbessern. Generatoren nach diesem Prinzip erhält man für unterschiedliche Leistungen durch die Zusammenschaltung einer entsprechend großen Anzahl von solchen oder ähnlichen Kondensatorsystemen nach Fig. 2. Es gibt die Möglichkeit, sie in Serie oder parallel zu betreiben. Die Energieerzeugung bringt durch die Einführung eines Dielektri kums (S, Fig. 2) mit hohem ε schon bei kleiner Schwingungsampli tude (etwa 0,1 mm) große Energiebeträge. Eine kleine Amplitude erlaubt aber auch entsprechende Vergrößerungen der Frequenz v (1000 bis 4000 Hz), durch die wiederum sich die Leistungsausbeu te je Volumen- und Gewichtseinheit erheblich steigern läßt. Wird das System mit einem geschlossenen Wasser-Wasserdampf- Kreislauf betrieben, liegt bei einer Systemleistung von 100 kW die installierte Wassermenge, bedingt durch die sehr geringe Dampfmenge je Prozeßzyklus (Dauer gleich 1/v), bei nur 60 bis 100 Gramm Wasser.Therefore, the efficiency at the consumer input corresponds approximately to that which can also be achieved with piston engines as the power source, although their thermodynamic process is somewhat cheaper. By increasing the steam temperature and pressure, the efficiency can be improved beyond the specified 26%. Generators according to this principle are obtained for different outputs by interconnecting a correspondingly large number of such or similar capacitor systems according to FIG. 2. There is the possibility of operating them in series or in parallel. Energy generation brings large amounts of energy through the introduction of a dielectric (S, FIG. 2) with a high ε even with a small vibration amplitude (about 0.1 mm). A small amplitude also allows corresponding increases in frequency v (1000 to 4000 Hz), which in turn can significantly increase the power output per unit volume and weight. If the system is operated with a closed water-steam cycle, the installed water volume for a system output of 100 kW is only 60 to 100 grams of water due to the very small amount of steam per process cycle (duration equal to 1 / v).

Claims

1. System for generating electromagnetic energy from the heat content of a gas, characterized in that with the help of the periodically controlled gas pressure from B ( Fig. 2) via the valve T from two capacitor plates P and PM was periodically changed such that at the smallest distance of the plates the capacitor is loaded, the plates then experience an increase in their distance against the attraction of the charges and thus an increase in their electrostatic potential, the energy of which is supplied to a user group as electromagnetic energy with suitable means.

2. System according to claim 1, characterized in that the movable plate P ( Fig. 2) of the condenser is fixedly coupled to a tight-fitting, pressure-transmitting membrane M, which at the same time the function of an outlet valve with the opening of an access to the gas outlet slots GS takes over on the periphery of the membrane during its lifting and return phase.

3. System according to claim 1 and 2, characterized in that by introducing an inductance L ( Fig. 3) of the capacitor circuit to a resonant circuit with a natural frequency which is substantially higher than the frequency of the oscillation of the movable capacitor plate P, he expands is, the charging of the capacitor at the smallest deflection of P via the feedback circuit Tr 3 , transistor Tra and transformer Tr 1 in the collector circuit of the transistor Tra and the pressure generated by the gas at the capacitor C by increasing the distance of P (in the form of a Increase in amplitude of the high-frequency vibration) via the transformer Tr 2 with the desired voltage and the consumer A ( Fig. 3) is supplied.

4. System according to claim 1 to 3, characterized in that in order to increase the energy yield per stroke cycle and / or reduce the required for a certain energy yield th amplitude of the deflection of the capacitor plate P ( Fig. 2) one of the two capacitor plates with a layer of dielectric material suitable thickness and as large a dielectric constant as possible.