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Wärmespeicher, deren Flüssigkeitsfüllung eine gewisse Wärmemenge aufgenommen hat, die bei Bedarf abgegeben werden soll, werden gewöhnlich in der Weise entladen, dass die Speicherflüssigkeit unter Druckabsenkung Wärme in Form von Dampf abgibt.
Derartige Dampfspeicher arbeiten in der Regel auf folgende Weise : Angenommen, der Speicher sei zum grössten Teil mit Wasser gefüllt. Die Ladung des Speichers erfolgt dadurch, dass Dampf in dieses Wasser eingeführt wird, indem er sich verflüssigt, wodurch eine Erhöhung der Temperatur und damit auch des Druckes der Wassennasse hervorgerufen wird. Bei der Entladung wird der Dampf dem oberen Teil des Speichers entnommen. Dabei sinkt der Druck im Dampfraum etwas und ein Teil des Wassers im Speicher wird in Dampf verwandelt, weil die Wassermasse infolge der Druckabsenkung eine Temperatur besitzt, die höher ist, als die dem augenblicklich im Speicher herrschenden Druck entsprechende Temperatur des gesättigten Dampfes.
Der Druckunterschied zwischen dem höchsten und niedrigsten Speicherdruck ist jedoeh in den meisten Fällen so klein, dass nur ein geringer Teil der im Speicher gespeicherten Wärmemenge für diese Dampferzeugung nutzbar gemacht werden kann, wie das folgende Beispiel erkennen lässt :
Wird angenommen, dass ein Dampfspeicher zwischen 5 und 2 kgjcm2 absolut arbeitet, so betragen die entsprechenden Temperaturen etwa 1500 C bzw. 1200 C. Bei der Entladung kann infolgedessen nur die einem Temperaturgefälle von 300 Centsprechende Wännemenge ausgenutzt werden, während die den restlichen 1200 C entsrechende Wärmemenge unausgenutzt bleibt.
Es wird also nur ein geringer Teil der wirklich vorhandenen Speicherkapazität für dte Dampf- erzeugung ausgenutzt. Eine weitere Ausnutzung ist nur in seltenen Fällen möglich, weil der gewünschte niedrigste Druck des aus dem Speicher entnommenen Dampfes selten unter 1--2 Xg/cm2 absolut liegt und weil in solchen Fällen, wo Dampf von niedrigerem Druck als Atmosphärendruek in Frage kommt, der Speicher gewöhnlich selbst das Hindernis für die Entladung auf diesen niedrigeren Druck bildet, da er aus Festgkeitsgründen und mit Rücksicht auf die Kosten nicht so ausgeführt werden kann, dass er bis zu diesem niedrigeren Druck entladen werden kann.
Aus dem Gesagten geht hervor, dass ein derartiger Speicher immer bedeutenden Druckschwankungen ausgesetzt wird, die auf die Festigkeit des Speichers sehr ungünstig einwirken.
Vorliegende Erfindung bezweckt, diese Übelstände zu vermeiden und eine bessere Ausnutzung des Wärmeinhaltes von mit Flüssigkeitsfüllung arbeitenden Dampfspeichern zu ermöglichen. Der Erfindungsgedanke kennzeichnet sich im wesentlichen dadurch, dass dem Speicher Flüssigkeit entnommen und in einem anderen thermischen Zustand übergeführt wird, wobei die infolge dieser thermischen Zu- standsänderung freigewordene Energie in Arbeit umgesetzt wird und der sich bei der Zustandsänderung entwickelnde Dampf als Energieträger dient.
Bei Übergang der Flüssigkeit von dem einen in den andern Zustand kann Dampf in gleich grossen Mengen gebildet werden, wie bei einem gewöhnlichen Speicher, der zwischen denDruckzuständen, die dem
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Druck unverändert oder nahezu unverändert, auch wenn die dem Speicher entnommene Flüssigkeit auf einen besonders niedrigen Druck mit entsprechender Temperatur übergeführt wird.
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Druck erhalten kann, als es bei einem gewöhnlichen Speicher der Fall ist.
Dies möge an folgendem Beispiel näher erläutert werden :
Arbeitet ein gewöhnlicher Speicher, also ein wassergefüllter Speicher, der von der Dampfseite aus entladen wird, zwischen den Druckgrenzen 5 und 1 lcglciig absolut, so wird pro Tonne Wasser eine Dampf- menge von zirka, 97 erzeugt, die oft, um hinter dem Speicher während der ganzen Entladezeit einen konstanten Druck zu haben, auf den niedrigsten Entladedruck, nämlich auf 1 kg/cm2 absolut, gedrosselt werden muss. Die gleiche Dampfmenge wird jedoch auch bei der Entladung des Speichers gemäss vorliegender Erfindung erzeugt, wenn das entnommene Wasser in einen Zustand, der 1 kg/cm2 absolut ent- spricht, übergeführt wird.
Geschieht diese Überführung so, dass die für Kraftzwecke freigemachte Wanne zur Zusammen- drückung des erzeugten-Dampfes angewendet wird, so kann diese Dampfmenge - nämlich 97 kg pro Tonne Wasser # von 1 kg/cm2 absolut bis auf 2'3 /cm2 absolut zusammengedmckt werden, welcher Druck während der ganzen Entladung erhältlich ist.-
Bei einem Speicher mit Entladung vom Dampfraum kann man jedoch nur eine Dampfmenge von 53 leg pro Tonne Wasser erhalten, wenn der Druck auf 2#3 7cgjcm2 absolut gehalten werden soll.
Hieraus geht hervor, dass die Speicherkapazität pro Tonne Wasser bedeutend vergrössert wird, wenn man den Speicher gemäss vorliegender Erfindung von der Wasserseite aus entlädt. Wie ersichtlich, erhält man während der Entladung sowohl konstanten oder nahezu konstanten Druck im eigentlichen Speicher
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Zustandsänderung am nächsten kommt.
Die Erfindung soll an Hand der beigefügten Fig. 1-6 näher veranschaulicht werden.
Fig. 1 zeigt ein Temperatur-Entropiediagramm, an dessen Hand zunächst das Prinzip der Erfindung klargelegt werden soll. Die Entropien werden durch die Abszissenwerte S und die Temperaturen durch die Ordinaten T dargestellt. In diesem T#S-Diagramm stellt die Linie L die untere Grenzkurve dar, d. h. die Kurve, die demjenigen Zustand entspricht, bei der die Dampfbildung beginnt. Es sei ange- nommen, dass der Flüssigkeitsinhalt des Speichers auf einen Zustand aufgeladen ist, der dem Punkt A auf der Grenzkurve L entspricht. Die zugehörige Temperatur sei 140 C. Bei diesem Zustand werde jetzt Flüssigkeit aus dem Speicher entnommen und bei Punkt A mit dieser Flüssigkeit eine Zustands- änderung vorgenommen, beispielsweise in einer Kolbendampfmaschine, so dass ein gewisser, dem Punkt B entsprechender Zustand erreicht werde.
Die Zustandsänderung kann fast vollkommen adiabatisch in einer Kolbendampfmaschine od. dgl. vor sich gehen, weshalb die Zustandslinie im T-S-Diagramm nach der lotrechten Linie A-B, also parallel zur T-Achse, verlaufen möge. Der Zustand in B entspreche dabei beispielsweise einer Flüssigkeitstemperatur von 50 C. Im Punkt B ist also ein Teil der Flüssigkeit in Dampf übergeführt worden, was daraus hervorgeht, dass dieser Punkt innerhalb des Dampfgebietes liegt.
Bei dieser Zustandsänderung wird eine Arbeit frei entsprechend dem Unterschied der Wänne- inhalte beiZustand-Aund bei Zustand B, welche im Diagramm durch die Fläche E#D#A#B#C#F#E dargestellt ist, wobei die Linie E- D- Ader Dmcklinie für den Anfangszustand A und die Linie F-C-B der Drucklinie für den Endzustand B entspricht. Der thermische Wirkungsgrad dieses Prozesses ist also durch das Verhältnis der Fläche E-D-A-B-C-F-E und der Fläche E#D#A#G#0#E gegeben.
Das in Fig. 1 dargestellte Diagramm zeigt, dass die ganze der Fläche 0#E#A#G#0 entsprechende
Wärmemenge der Flüssigkeit zugeführt werden muss, um den Zustand A zu erhalten. Der oben erwähnte
Teil dieser Wärmemenge wird in Arbeit umgesetzt. Der Wirkungsgrad der Gesamtanlage kann durch Rückführung der ausgenutzten Flüssigkeit in den Speicher noch weiter verbessert werden, wobei gleich- zeitig eine Verbesserung des Wirkungsgrades des obigen Prozesses erreicht werden kann. Man kann näm- lich die Wärme aus dem dem Punkt B entsprechenden Dampfwassergemisch abführen, so dass der Dampf dieses Gemisches kondensiert, wobei man den Punkt 0 der Grenzkurve erreicht.
Von diesem Zustand aus kann die Flüssigkeitsmenge beispielsweise bei konstanter Temperatur wiederum in den Speicher zurückgedrückt werden, wodurch man den Zustand D erhält. Hiedurch gewinnt man für Kraftzwecke die Fläche A#B#C#D#A, während die der Fläche A-G-H-D-A entsprechende Wärmemenge der Flüssigkeit aufs neue in dem Speicher zugeführtwerden muss, um den Speicher auf den ursprünglichen
Zustand aufzuladen.
Der thermische Wirkungsgrad des durch die Zustandsänderung von A auf B gekenn- zeichneten Prozesses ist jetzt gegeben durch das Verhältnis der Fläche A#B#C#D#A zur Fläche A#G#H#D#A. Die Kühlung im Punkt B ist erforderlich, wenn dieser Punkt im T-S-Diagramm sehr tief liegt, d. h. wenn mit sehr weitgehender Expansion gearbeitet wird. Die Wärmeabführung zwischen
Bund 0 kann so erfolgen, dass man die freigewordene Wärmemenge in Wärmeverbrauchern ausnutzt,
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auch nach andern Gesetzen vor sich gehen kann, als dies in Fig. 1 gezeigt ist. Beispielsweise kann die senkrechte Linie weiter nach rechts verlaufen, wenn Wärme während der Zustandsänderung zugeführt wird.
Man erreicht das gleiche bei einer direkten Drosselung, d. h. wenn die Zustandsänderung so geschieht, dass der Wärmeinhalt konstant bleibt. Hiezu ist zu bemerken, dass jede Verschiebung des Punktes B nach rechts bedeutet, dass man grössere Dampfmengen erhält. Man kann dies beispielsweise dadurch
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ein niedrigerer Druck herrscht, worauf derFlüssigkeit auf die eine oder andere Art Dampf entnommen wird.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass der Verlauf zwischen B-C-D auch einer Kurve folgen kann, die nicht einer gleichbleibenden Temperatur entspricht.
Fig. 2 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgedankens, wobei das Wärmegefälle in einer Kolbenmaschine ausgenutzt und die Flüssigkeit nach ihrem Durchgang durch die Maschine beispielsweise einem Wärmeverbraucher zugeführt wird. ft ist der Speicher, b eine Kolbenmaschine, in deren Zylinder c sich der Kolben cl bewegt, der auf die Maschinenwelle e arbeitet. t ist die Verbindungs-
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vom Zylinder.
Die Vorrichtung arbeitet auf folgende Weise : Wenn der Kolben sich in seiner untersten Lage befindet, wie in der Figur gestrichelt angedeutet ist, so wird warme Flüssigkeit # von angenommen 1400 C - vom Speicher a dem Zylinder c unter dem Kolben zugeführt. Ein Teil dieser Flüssigkeit verdampft, der erzeugte Dampf expandiert und treibt den Kolben ri nach oben.
Beim nächsten Kolbenhub jedoch wird der expandierte Dampf nebst der restlichen Flüssigkeit durch die Leitung g aus dem Zylinder c ausgestossen, wobei die restliche Wärme des Dampfes bzw. der Flüssigkeit, welche nun eine Temperatur von beispielsweise 500 C habe, in Wärmeverbrauchern verwendet werden oder-wie später beschrieben werden soll-dem Speicher wieder zugeführt werden kann. Das der Temperaturdifferenz 140 -50 C entsprechende Wärmegefälle ist also in der Maschine b in Arbeit umgesetzt worden.
Bei dieser Vorrichtung bleibt der Speicherdruck gleich oder nahezu gleich, bis der Speicher ganz entladen ist, weil der Speicher sich je nach der Entladung mit Dampf aus der Flüssigkeitsmenge füllt ; hiefür bedarf es sichtlich einer ganz unbedeutenden Dampfmenge, die von der Flüssigkeitsmenge bei ganz unbedeutendem Druckabfall erzeugt wird.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird die in dem Zylinder c ausgenutzte Flüssigkeits-bzw.
Dampfmenge dem Speicher wieder zugeführt. Diese Rückführung erfolgte mittels des Kühlers h und der Pumpe j, die das Wasser und den in dem Kühler h kondensierten Dampf in den unteren Teil des Speichers zuniekdiückt.
Bei dieser Ausführungsform müssen Massnahmen getroffen werden, dass die beiden Flüssigkeitsmengen, die verschiedene Temperatur haben, sich nicht mischen können.
Der Druck im eigentlichen Speicher bleibt auch hier während der ganzen Entladeperiode konstant.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 treibt die Maschine beinen Kolbenverdichter 0, in dem der erzeugte Dampf auf einen Druck zusammengedrückt wird, der zwischen dem Speicherdruck und dem niedrigsten Druck in der Maschine liegt. Dampf und Wasser von der) laschine b werden dabei zweckmässig in einem Behälter n gesammelt, von dem der Dampf durch Leitung n zum Kompressor o gelangt und, nachdem er auf höheren Druck gebracht ist, durch die Leitung p Dampfverbrauchernfür unveränderlichen Druck zugeleitet wird.
Die in m angesammelte Flüssigkeitsmenge kann wie vorher beschrieben wieder in den Speicher zurück gebracht oder aber in Wärmeverbrauchern ausgenutzt werden.
Natürlich braucht nicht die ganze gewonnene Kraft zur Verdichtung von Dampf verwendet werden.
Beispielsweise kann man diesen auf minder hohen Druck verdichten und einen Teil der Kraft zu andern Zwecken verwenden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 wird das Wännegefälle in Form von Bewegungsenergie in einer Turbine ausgenutzt. Von dem Speicher a wird die Flüssigkeit bei einem der Ladung des Speichers entsprechenden Druck und Temperatur durch die Leitung i einem Raum o zugeführt, in dem eine Einrichtung l'eingebaut ist, mittels der die der Düse s zugeführte Flüssigkeit in Rotation versetzt werden kann. Hiedurch wird die Flüssigkeit gegen die Düsenwände gesehleudert werden, wie dies in der Figur gestrichelt angedeutet ist. Die Flüssigkeit gibt beim Durchströmen der Düse je nach der Druckabsenkung Dampf ab, der sich infolge der Rotation der Flüssigkeit von dem bei der Expansion entstandenen Dampfund Wassergemisch abscheidet.
Dieser Dampf, der als trocken gesättigt angesehen werden kann, tritt durch die Leitschaufeln t und gibt seine Energie an das Laufrad 11 der Turbine ab. Für den Fall, dass die Turbine mit einem Kondensator versehen ist, kann dabei der Dampf auf sehr niedrigen Druck herunter gedehnt werden.
Um den Eintritt von Flüssigkeit in die Turbine zu verhindern, ist am Ende der Düse s vor den Leitschaufeln t eine Rinne v angeordnet, in der die restliche Flüssigkeit aufgefangen und durch die Leitung x fortgeleitet wird.
Anstatt dieses Wasser durch die Leitung a ; fortzuleiten, kann man es auf eine Wasserturbine einwirken lassen, die beispielsweise zwischen der Düse s und den Leitschaufeln t, zweckmässig in der Rinne v
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Die Vorrichtung r kamt stillstehend nach Art von Leitschaufeln oder auch zur Erzielung einer starken Rotation der Flüssigkeit als eine Art Propeller ausgebildet sein, der von aussen angetrieben wird.
Weiter ist auch der Fall denkbar, dass die ganze Düse rotiert.
Die in Fig. G veranschaulichte Ausführungsform der Erfindung entspricht im wesentlichen der Ausführungsform nach Fig. 4, nur ist die Dampfmaschine durch eine Expansionsdüse s und der Kolben- verdichter durch eine Verdichtungsdüse y ersetzt. Von dieser Düse aus wird der Dampf durch die Leitung s zur Turbine 7 geleitet, die einen Stromerzeuger 2 treibt, dem Kraft entnommen wird. Die Turbine ist mit einem Kondensator 3 versehen. Gegebenenfalls können auch andere Verbraucher, beispielsweise Kraftmaschinen, Wärmeverbraucher od. dgl. angeschlossen sein.
Die zwischen der Expansionsdüse s und der Kompressionsdüse y in der Rinne v aufgefangene Flüssigkeitsmenge wird in diesem Fall durch die Leitung a dem Kondensator 3 zugeführt. Das Kondensat wird mittels der Kondensatpumpe 4 auf Atmosphärendruck gebracht, wonach es durch die Leitung 5 dem Wasserbehälter 6 zugeführt wird. Von diesem Behälter wird das Wasser mittels der Pumpe 7 durch die Leitung 8 in den Speicher a : zurüekgedrückt.
An Stelle der in den Ausführungsformen nach Fig. 2, 3 und 4 gezeigten einfachwirkenden Kolbenmasehinen können natürlich beliebige andere Dampfmaschinen Verwendung finden, beispielsweise doppeltwirkende Maschinen, kombinierte Kompressoren und Dampfmaschinen, wobei gegebenenfalls die Dehnung und Verdichtung in ein und demselben Zylinder geschieht, beispielsweise so, dass die eine Seite als Dampfmaschine, die andere als Verdiehter arbeitet usw. Ebenso ist es denkbar, die zu Fig. 5 beschriebenen Turbinen zu kombinieren.
Die Speicherflüssigkeit braucht natürlich nicht einen über Atmosphärendruck liegenden Druck zu besitzen. Die Erfindung ist natürlich auch anwendbar, wenn die Temperatur der Flüssigkeit unter 1000- C liegt. Der Speicher kann also ein offener Behälter sein, in dem das warme Ablaufwasser od. dgl. gesammelt wird. Ebenso ist es ersichtlich, dass, wenn die Entladung entsprechend vorliegender Erfindung ausgeführt wird und die-Flüssigkeit dem Behälter unter gleichbleibendem Druck entnommen wird, Dampf von konstanter Temperatur uni1 konstantem Druck erhältlich ist.
Gegebenenfalls kann die Einrichtung nach der Erfindung auch mit der bekannten Einrichtung,
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wird, dadurch gekennzeichnet, dass dieZustandsänderung eine thermische ist, dieunterDampfentwicklung vor sich geht, und dass die infolge der Zustandsänderung freigewordene Energie unter Verwendung des sich bei der Zustandsänderung entwickelnden Dampfes als Energieträger in Arbeit umgesetzt wird.