Verfahren und Vorrichtung zur Aufspeicherung und Ausnutzung von Energie. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auf speicherung und Ausnutzung von Energie, besonders derjenigen des -RTindes, und ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zur Herstellung einer Wärmelagerung niedrigerer Temperatur als diejenige des Wassers der freien Natur ausgenutzt wird, und dass Wärme von einer andern zur Ver fügung stehenden Wärmequelle mit höherer Temperatur als diejenige der erwähntenWärme- lagerung zu dieser letzteren übergeht, und dabei Arbeit leistet.
Es ist dabei oft zweckmässig, die auszu nutzende Energie zur Erzielung der oben er wähnten zweiten Wärmelagerung mit höherer Temperatur als diejenige der ersten zu ver wenden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann in ihrer einfachsten Form aus einem mittelst der aufzuspeichernden Energie angetriebenen Kälteerzeuger und einem Expansionsmotor bestehen, in welchem das Temperaturgefälle zwischen der Wärme duelle und der erwähnten ersten Wärmelage- rung zur Leistung mechanischer Arbeit aus genutzt wird.
Ein Ausführungsbeispiel einerVorrichtung zur Ausführung des vorliegenden Verfahrens ist schematisch in beigefügter Zeichnung ver anschaulicht.
1 bezeichnet einen Verdichter eines Kälte erzeugers, 2 den Verdampfer des Kälteerzeu gers, 4 den Kondensator des Kälteerzeugers, 7 einen Expansionsmotor; 8 den Verdampfer des Expansionsmotors, 9 den Kondensator des Expansionsmotors, 3 einen Behälter für den Verdampfer des Kälteerzeugers und den Kon densator des Expansionsmotors, 5 einen Be hälter für den Kondensator des Kälteerzeugers und den Verdampfer des Expansionsmotors und 6 ein Regulierventil zwischen dem Kon densator und dem Verdampfer des Kälte erzeugers.
Anstatt eines Regulierventils wird etwaigenfalls ein Expansionszylinder ange wandt, je nach dem im Kälteerzeuger ver wendeten Medium. 10 bezeichnet eine Pumpe, 11 einen Behälter zur Aufspeicherung der Wärme niedriger Temperatur, 12 Gefrier zellen und 13 eine Umlaufpumpe. Als Medium im Kälteerzeuger kann einer der in der Kältetechnik gebräuchlichen, so genannten Kaltdämpfe, z.B.Kohlensäure (C02), Ammoniak (113N), Schwefeldioxyd (SO2) usw., etwaigenfalls atmosphärische Luft verwendet werden.
Bei gleichen Temperaturen hat wie bekannt C02 den höchsten Druck (Sättigungs druck) und danach folgen HsN und S0_. Das im Expansionsmotor arbeitende Medium kann entweder von gleicher oder von anderer Art als dasjenige des Kälteerzeugers sein. Die Vorrichtung wirkt auf folgende Weise: Der Verdichter 1, der durch die aufzu speichernde Energie, z. B. durch Windkraft, angetrieben wird, saugt das gasförmige Me dium vom Verdampfer 2 ab, verdichtet und drückt es in den Kondensator 4. Der Kon densator 4 ist von Kühlwasser umgeben, das die Wärme des verdichteten Mediums auf nimmt, wobei sich das Medium dann abkühlt und in flüssige Form übergeht.
Das nun mehr flüssige Medium im Kondensator 4, das einen Druck aufweist, welcher der Tempe ratur des den Kondensator umgebenden Kühlwassers annähernd entspricht, wird durch das Regulierventil 6 dem Verdampfer 2 zu geführt, in welchem es unter niedrigerem Druck stellt und verdampft, wobei es seine Verdampfungswärme der den Verdampfer um gebenden Flüssigkeit entnimmt, die hierdurch abgekühlt wird. Der Prozess wird dann aufs neue wiederholt mit Verdichtung, Abkühlung, Verflüssigung, Druckverminderung und Ver dampfung. Dies ist ein an und für sieh be kannter Kälteprozess.
Das den Expansionsmotor 7 antreibende Medium wird in gasförmigem Zustand dem Verdampfer 8 im obersten Teil des Gefässes 5 entnommen. Nach der arbeitsleistenden Ex pansion im Motor 7 wird das Medium in den Kondensator 9 im untersten Teil des Be hälters 3 hineingeführt, wo es seine Dampf wärme an die den Kondensator umgebende und durch den Verdampfer 2 des Kälte erzeugers abgekühlte Flüssigkeit abgibt und in flüssige Form übergeht. Das flüssige Me dium vom Kondensator 9 wird durch die Pumpe 10 wieder in den Verdampfer 8 ge- drückt, wo es Wärme aus dem den Konden sator 4 umgebenden und durch ihn erhitzten Wasser aufnimmt und wieder in gasförmigen Zustand übergeht.
Die Drücke des Ver dampfers und Kondensators des Expansions motors werden, wie beim Kälteerzeuger, von den Temperaturen des betreffenden Behälters bestimmt. Der Prozess wird dann aufs neue wiederholt mit arbeitsleistender Expansion, Abkühlung, Kondensieren, Druckerhöhung, Erbitzung und Verdampfung.
Im Behälter 11 ist eine Anzahl soge- nannter Gefrierzellen 12 beliebiger Form und aus beliebigem Material vorgesehen, die f6'asser enthalten, in dem ein geeigneter Körper, z.B. Kochsalz usw., zur Herabsetzung des Ge frierpunktes gelöst ist. Die im Behälter 11 zwischen den ()'refrierzellen vorhandenen Zwischenräume sind mit Wasser ausgefüllt, dessen Gefrierpunkt infolge Lösung einer grösseren Menge des genannten Körpers oder eventuell eines Körpers anderer Art niedriger als derjenige des Zellenwassers liegt.
Die Flüssigkeit soll in den Zellen gefrieren, nicht aber die Umlaufflüssigkeit (der sogenannte Kälteträger) zwischen denselben. Der Ge frierpunkt für gesättigte Kochsalzlösung liegt wie bekannt bei etwa -18 C. Wünscht man den Gefrierpunkt der Umlaufflüssigkeit unter -18 C herabzusetzen, kann Chlor- ealcium anstatt Kochsalz zugesetzt werden. Der Gefrierpunkt gesättigter Chlorcalcium- lösung liegt wie bekannt bei -40 C. Die Salzlösung im Behälter 11 wird mit Hilfe der Umlaufpumpe 13 durch den Behälter 3 und den Kanal 14 in Zirkulation versetzt.
Im Behälter 3 entnimmt das Kältemedium der Umlaufflüssigkeit Wärme, wodurch sie abgekühlt wird. Im untern Teil des Be hälters 3 nimmt die Umlaufflüssigkeit da gegen eine Wärmemenge vom Kondensator 9 des Expansionsmotors wieder auf, falls letz terer im Betrieb ist. Wenn der Verdampfer des Kälteerzeugers mehr- Wärme aufnimmt als der Kondensator des Expansionsmotors abgibt, wird die Temperatur der Umlauf flüssigkeit herabgesetzt. Sobald die Tempe ratur der Umlaufflüssigkeit unter den Gefrier- Punkt der Flüssigkeit in den Gefrierzellen gefallen ist, geht diese letztere in Eis über.
Das im Kondensator 9 verflüssigte Medium des Expansionsmotors kann etwaigenfalls, ehe es durch die Pumpe 10 in den Verdampfer 8 hineingedrückt wird, durch einen Behälter geführt und durch umlaufendes Wasser, et waigenfalls von der freien Natur, erwärmt werden.
Diese letzterwähnte Vorwärmung des Mediums des Expansionsmotors hat nur Be deutung, wenn die Kondensationswärme des Kältemediums aufgespeichert wird; nicht aber, wenn der Arbeitsprozess zwischen der Tem peratur des Wassers im Freien und derjenigen der Umlaufflüssigkeit im Behälter 11 erfolgt: Der Kondensator 9 und der Verdampfer 2 können auch in je einem besondern Behälter untergebracht werden, durch welche die Um laufflüssigkeit vom Behälter 11 geführt wird. Der Umlauf kann durch jeden der Behälter für sich oder durch beide Behälter in ein und demselben Flüssigkeitsstrom zuerst durch den Flüssigkeitsbehälter des Kondensators .und dann durch denjenigen des Verdampfers er folgen.
Das durch den Kondensator des Kälte erzeugers erwärmte Wasser kann in einem oder mehreren Behältern (in der Zeichnung nicht dargestellt) aufgespeichert werden, die zum Beispiel dem beziehungsweise den Be hältern, in welchen die Gefrierzellen ange ordnet sind und die Umlaufflüssigkeit aufge speichert wird, gleichen. Diese Speicherungs behälter für warme und kalte Flüssigkeit können von beliebiger Form und Material sein und werden zweckmässig wie gewöhnliche Kühlräume isoliert.
Der Kondensator 4 des Kälteerzeugers und der Verdampfer 8 des Motors. können gleichfalls entweder in einem und demselben, wie die Zeichnung zeigt, oder in je einem besonderen Behälter vorgesehen werden, in welchen Behältern bei Vorrichtungen mit Warmwasserspeicher das Wasser aus diesem Speicher umläuft. In letzterem Falle kann der Umlauf durch jeden Behälter für sich erfolgen, oder derselbe Wasserstrom kann durch beide Behälter, und zwar zuerst durch den Flüssigkeitsbehälter des Verdampfers und dann durch denjenigen des Kondensators, ge schickt werden.
Die Gefrierzellen im Behälter 11 können auch wegfallen und die Wärme niedrigerer Temperatur als die des Wassers der freien Natur nur in Sälzlösung gespeichert werden; in solchem Fall wird jedoch eine grössere Flüssigkeitsmenge erforderlich; denn bei Ver wendung gesättigter Kochsalzlösung bindet. 1 kg dieser Lösung bei Erwärmung von -18 C bis auf 0 C etwa 16 Kal., während 1 kg Eis beim Schmelzen 80 Kal. bindet. Ausserdem bindet das Eis eine weitere Wärmemenge, wenn es einige Grade abgekühlt worden ist.
Wenn Chlorcalciumlösung verwendet wird; kann die Temperatur niedriger gehalten wer den, und die Lösung vermag eine grössere Wärmemenge bei Erwärmung bis auf 0 C zu binden.
Der Temperaturunterschied kann; um me chanische Energie zu gewinnen, bei einer Vorrichtung mit Speicher für das warme Kon- densatorwasser auch durch ein Kaskadenver- fahren ausgenutzt werden. Hat zum Beispiel das Warmwasser vom Kondensator des Kälte erzeugers eine Temperatur von -f- 28 C, so kann das Temperaturgefälle zwischen diesem Wasser und Eis von 0 C in einem Intervall ausgenutzt werden, und dann das Temperatur gefälle zwischen der Temperatur des Wassers im Freien von 1-- 10 bis -f- <B>150</B> C und der jenigen der Umlaufflüssigkeit von - 18 C in einem Intervall.
Sollte Windstille .eintreten und der Kälte erzeuger demzufolge während einer längeren Zeit ausser Betrieb gesetzt sein und sollte die Temperatur des aufgespeicherten warmen Kondensatorwassers (falls dieserWasservorrat nicht hinreichend war, die gesamte vom Kon densator abgegebene Wärme aufzunehmen) bis auf dasselbe Niveau wie diejenige des Wassers im Freien sinken, so kann der Arbeitsprozess zwischen dieser letzten Tem peratur und derjenigen des Eises beziehungs weise der Umlaufflüssigkeit vor sich geben.
Wasser von irgend einer Wasseransammlung im Freien kann dann im letzterwähnten Falle kontinuierlich durch das Rohr 15 dem Be.- hälter 5 zugeführt werden, in welchem es dem Verdampfer 8 des Expansionsmotors Wärme zuführt, wonach es durch das Rohr 16 weggeleitet wird. Sind sowohl der Kälte erzeuger als auch der Expansionsmotor in Betrieb, kann dasselbe Wasser im Behälter 5 umlaufen.
Wird die Kondensatorwärme des Kälte erzeugers aufgespeichert, so wird die Tem peratur des im Kondensatorbehälter 5 um laufenden Wassers steigen, vorausgesetzt dass der Kondensator mehr Wärme abgibt als der Verdampfer des Expansionsmotors aufnimmt. In diesem Falle ist es aber von beinahe keiner Bedeutung, dass der Temperaturunter schied zwischen Kondensator und Verdampfer grösser wird, was zur Folge hat, dass das Ver mögen des Kälteerzeugers, Wärme aufzuneh men, herabgesetzt wird; denn je grösser der Temperaturunterschied ist, um so grösser ist das Temperaturgefälle und um so grösser die vorrätige Menge der aufgespeicherten Energie.
Das Kühlmedium kann auch, ehe es in den Verdampfer hineingeleitet wird; durch einen sogenannten "Nachkühler" geführt wer den, in welchem es unter die Temperatur des Kondensators abgekühlt wird, wodurch sich der Effekt des Kälteerzeugers erhöht, welches Verfahren bei Kälteanlagen an und für sich bekannt ist. Als Kühlwasser für den oben erwähnten Nachkühler kann etwaigenfalls dasselbe Wasser gebraucht werden, das vor her bei der Erwärmung des flüssigen, aus dem Kondensator 9 kommenden Mediums des Expansionsmotors hinter der Pumpe 10 ver wendet wurde.
Der Vorteil, auch die Kon densationswärme des Kälteerzeugers aufzu speichern und auszunutzen, besteht darin, dass erheblich grössere Energiemengen init der glei chen Windmotorkraft aufgespeichert und somit mehrere Windmotore gespart werden können.
Was oben bezüglich der Aufspeicherung der Kondensatorwärme gesagt ist, bekommt etwaigenfalls eine andere Bedeutung, wenn die betreffende Windkraftanlage in der heissen Zone liegt.
Die Windmotoren sollten zweckmässig so solid gebaut sein, dass sie mit voller Wind- fläche, ohne Reffung oder mechanische Rege lung mittelst Klappen, sehr kräftigen Winden widerstehen und deren Energie ausnutzen können. Es ist auch vorteilhaft, wenn das Flügelsystem der Windmotoren mit der 11Io- torwelle fest verbunden ist und keine Klappen und Schrägstellungsvorrichtungen, die es emp findlich und kostspielig machen, besitzt.
Da wie bekannt die Kraft des Windes mit der dritten Potenz seiner Geschwindig keit zunimmt, ist es ersichtlich, dass während einiger Stunden Sturmwind eina gleich grosse Energiemenge aufgespeichert werden kann, wie während mehrerer Tage mit Wind von mittlerer Geschwindigkeit. Wenn die Sturm winde, welche die sogenannten Spitzen der Windkraft sind, aufgespeichert und ausgenutzt werden können, so ist eine ziemlich kleine Anzahl Windmotoren erforderlich, um eine verhältnismässig grosse Energiemenge aufzu speichern. Die Windmotoren können Tag und Nacht arbeiten und jeden nützlichen Wind aufspeichern.
In grösseren Windkraftanlagen können auch eine Anzahl Windmotoren gruppenweise zusammenarbeiten und je eine Dynamo maschine antreiben. Von den Dynamoma schinen dieser Gruppen kann dann die Elek trizität einer Zentrale zugeführt werden, wo sie einen oder mehrere Elektromotoren an treibt, die zum Antrieb einer Anzahl unab hängig voneinander ein- und ausschaltbarer Verdichter von Kälteerzeugern dienen.
Man besitzt demnach in der Verdichtung von Gasen ein Mittel, die Schwankungen der Windkraft vollständig zu beherrschen und die Windstösse auszugleichen.
Selbstverständlich können auch andere Energien als diejenige des Windes in der be schriebenen Weise ausgenutzt werden, bei spielsweise Nachtenergien in elektrischen Zentralen und dergleichen.