DE2103552B2 - Hydropneumatischer energiespeicher hohen druckes - Google Patents

Description

Vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Energiespeichers z. B. in Verbindung mit einem elektrischen Schalter mit einem dielektrischen, verflüssigbaren Gas zur Isolierung des Schalters, wobei das verflüssigte Gas in dem einen und z. B. Helium in dem anderen Teilraum des Speichers enthalten sind und das Flüssiggas vom Druck des Heliums in seinem flüssigen Zustand gehalten wird. Versuche haben dann gezeigt, daß ein mit Helium betriebener Speicher mit einem gesamten Fassungsvermögen von 3,51 genügt, während ein die gleichen Arbeitsbedingungen erfüllender, mit Stickstoff arbeitender Energiespeicher bereits ein Fassungsvermögen von 11,21 haben müßte.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert.

Es zeigt

F ι g. 1 schematisch einen Energiespeicher in Verbindung mit einer hydraulischen Anlage,

F i g. 2 die Abhängigkeit des ölvolumens vom Druck im Energiespeicher für ein leichtes (Helium) und ein schwereres Gas (Stickstoff) bei einer Temperatur von 2O⁰C und

F i g. 3 den Einfluß der Außentemperatur von +50 und —35°C auf die Speichercharakteristik.

In der F i g. 1 ist ein hydropneumatischer Energiespeicher der Kolbenbauart dargestellt, der einen flüssigkeitsdichten Behälter als Zylinder 3 mit zwei Deckeln 5 und 7 enthält. Das Innenvolumen dieses Behälters wird durch einen im Zylinder frei verschiebliclien, abdichtenden Kolben 13 in zwei Teilräume als erster und zweiter Hohlraum 9 und 11 unterteilt. Der Teilraum 9 enthält das unter Druck stehende Gas, wie Helium. Wasserstoff oder Neon, das also spezifisch leichter ist als Stickstoff, während der Teilraum 11 mit Öl gefüllt ist.

In der F i g. 1 sind auch die wesentlichen Bestandteile einer hydraulischen Anlage in Verbindung mit einem solchen Energiespeicher dargestellt: Der von öl gefüllte Teilraum 11 ist durch eine Leitung 15 mit einem Hydrozylinder 17 verbunden, dessen Kolbenstange 19 irgendeinen zu steuernden Apparat, z. B. den beweglichen Kontakt eines elektrischen Schalters, betätigt. Ein in der Leitung 15 vorgesehener Dreiwegehahn 21 ermöglicht die wahlweise Verbindung des Zylinders 17 mit dem Teilraum 11 des Energiespeichers oder mit einem unter niederem Druck stehenden Behälter 23. Eine Pumpe 25 saugt öl aus dem Behälter 23 an und füllt den Teilraum 11 des Energiespeichers mit Drucköl nach.

Eine mit einem Absperrventil 29 ausgestattete Leitung 27 ermöglicht die Füllung des Teilraumes 9 des Energiespeichers mit Gas unter dsm Anfangsdruck der Aufladung und ferner die Nachfüllung des Energiespeichers im Fall eines Gasverlustes.

Die Arbeitsweise des Energiespeichers ist folgende: Zuerst wird der Teilraum 9 mit einem Gas, das spezifisch leichter ist als Stickstoff, druckmäßig entsprechend vorgeladen. Dabei ist der Teilraum 11 ganz oder fast ganz leer von öl, d. h., der Kolben liegt zu diesem Zeitpunkt am oder fast am unteren Deckel 7 des Zylinders 3 an. Nunmehr wird mittels der Pumpe 25 Öl in den Teilraum 11 eingefüllt, und dieses Öl drückt den Kolben 13 unter Kompression des Gaspolsters im Teilraum 9 zurück.

Nach der Einfüllung eines bestimmten Ölvolumens erreicht der Druck im Energiespeicher eine vorbestimmte Höhe, z. B. 600 bar, und die Pumpe steht still. Jetzt ist im Energiespeicher dauernd eine Eneigiereserve vorhanden, die einem bestimmten ölvolumen unter einem Druck z. B. zwischen 600 und 400 bar entspricht. Wohl muß man in der Praxis stets mit Änderungen der Umgebungstemperatur rechnen, wodurch die Drücke verändert werden, aber zwecks Vereinfachung beruhen die folgenden Ausführungen auf der Annahme einer konstanten Außentemperatur.

In der F i g. 2 ist in Kurvenform die Arbeitsweise des oben beschriebenen Energiespeichers dargestellt. Auf

ίο der Abszisse ist das im Energiespeicher eingefüllte oder in ihm befindliche öl in cm³ aufgetragen, auf der Ordinate die entsprechenden Drücke in bar.

Die Kurve A bezieht sich auf einen mit Stickstoff aufgeladenen Energiespeicher, die Kurve B auf einen mit Helium aufgeladenen Energiespeicher, und die Kurve C ist eine theoretische Kurve der Arbeitsweise eines Energiespeichers, der mit einem Gas aufgeladen ist, das bei den in Betracht kommenden hohen Drücken genau der Zustandsgieichung Pv = ÄFgehorcht. Diese drei Kurven beziehen sich alle auf die gleiche Außentemperatur von 20⁰C und einen Energiespeicher mit einetü totalen inneren Fassungsvermögen von 1000 cm³, der imstande ist, öl mit einem Druck zwischen 400 und 600 bar zu liefern.

»5 Als erstes sei die Kurve A betrachtet. Dem Wert 0 der Abszisse ist ein Aufladedruck für Stickstoff von 400 bar zugeordnet. Anschließend wird Drucköl in den Teilraum 11 eingefüllt. Der Punkt33 der Kurvet zeigt, daß nach dem Einfüllen von 123,5 cm³ Öl der Druck im Energiespeicher auf 500 bar angestiegen ist, und der Punkt 35 dieser Kurve zeigt, daß der Druck

nach dem Einfüllen von 206 cm³ Öl den Wert von 600 bar erreicht hat.

Mit einem solchen, dem Stand der Technik entsprechenden Energiespeicher kann man hiernach über

eine Energiereserve von 206 cm³ öl mit einem Druck zwischen 600 und 400 bar bei einer Temperatur von 20⁰C verfügen.

Im Falle der Kurve B, die für den mit Helium aufgeladenen Speicher gilt, fällt der Anfangspunkt mit dem der Kurve A zusammen, da beide zum Vergleich stehenden Energiespeicher auf den gleichen Anfangsdruck 400 bar aufgeladen wurden.
Der Punkt 37 der Kurve B zeigt, daß 180,5 cm³

(an Stelle von 123,5 cm³ gemäß Kurve A) öl eingefüllt werden müssen, um einen Druck von 500 bar zu erreichen. Der Enddruck von 600 bar (Punkt 38) wird nach dem Einfüllen von 303 cm³ öl erreicht. Somit kann mit einem mit Helium betriebenen Speicher über eine

Energiereserve von 303 cm³ öl mit einem zwischen 400 und 600 bar liegenden Druck verfügt werden, an Stelle von nur 206 cm³ unter den gleichen Drücken bei einem mit Stickstoff betriebenen Energiespeicher. Der so erhaltene Gewinn beträgt nahezu 50°/₀, und er beruht auf der besseren Kompressibilität des Heliums bei den in Frage kommenden hohen Drücken, verglichen mit Stickstoff.

Die theoretische Kurve C soll den durch den Stickstoff bewirkten Verlust an Kompressibilität verdeutliehen. Sie soll ebenfalls verdeutlichen, wie dieser Verlust bei Verwendung von Helium oder einem anderen leichten Gas, wie z. B. Wasserstoff, wesentlich kleiner wird. Der Punkt 39 der Kurve C entspricht einem Druck von 600 bar und einem ölvolumen von 333 cm³.

Aus alledem folgt, daß der mit Stickstoff betriebene

Speicher eine Speicherung von nur ₃y₃ ^ 62% der maximalen theoretisch aufspeicherbaren Energie er-

möglicht, während mit dem mit Helium betriebenen chers 1000 cm³, wie dies bereits früher angegeben

303 wurde i

Speicher iirv-— 91 % der theoretisch möglichen, maxi- ta'ljt » ·· j -jjt-, ι

^v 333 ~ ^/0 s > Durch die Temperaturanderungen wird der Druck

malen Energie gespeichert werden können. der Aufladung (Anfangsdruck) bei z. B. 20⁰C, wenn

Ein Gas, das spezifisch leichter als Stickstoff ist und 5 der Speicher kein oder fast kein Öl enthält, verändert, das gleichfalls in einem Energiespeicher verwendet desgleichen die verfügbare ölmenge. j

werden kann, ist Wasserstoff, dessen nicht dargestellte Im Fall des Arbeitens bei +5O⁰C (Kurven E und G)

Kurve zwischen denen für Stickstoff und Helium liegt. enthält der mit Stickstoff betriebene Speicher bei einem Der in die F i g. 2 eingetragene Punkt 40 für einen Druck von 600 bar nur 135 cm³ öl, weil die thermische Druck von 600 bar entspricht einem verfügbaren öl- io Ausdehnung des Gases 206 — 135 = 71 cm³ öl hervolumen von 255 cm³ in einem mit Wasserstoff aufge- ausgedrückt hat. Wird dagegen der Speicher mit ladenen Energiespeicher. Verglichen mit dem mit Helium aufgeladen, enthält er unter den gleichen UmStickstoff betriebenen Speicher bedeutet dies eine ständen 230 cm³ öl.

Erhöhung der verfügbaren Energie um 24%. Aus alledem folgt, daß ein Energiespeicher mit einem

Obwohl der Preis des Heliums 15mal so hoch ist wie 15 totalen Innenraum von 1000 cm⁸, der bei 20⁰C auf der des Stickstoffs, kann ein mit Helium aufgeladener 400 bar aufgeladen wurde und der dann bei einer hydropneumatischer Energiespeicher doch billiger her- Umgebungstemperatur von +50⁰C verwendet wird, gestellt werden als ein mit Stickstoff aufgeladener nur eine Ölmenge von 135 bzw. 230 cm³ abzugeben Speicher. In der Tat muß bei gleich großer Reserve- vermag, je nachdem, ob er mit Stickstoff oder Helium energie der totale Innenraum eines mit Stickstoff be- ao aufgeladen ist. Mit letzterem wird somit ein Gewinn triebenen Speichers fast um 50% größer sein als bei an verfügbarer ölmenge von 70% erzielt,
einem mit Helium aufgeladenen Speicher. Da die abgegebenen Ölmengen hiernach auf 135

In der F i g. 3 zeigen die Kurven D und E die bzw. 230 cm³ beschränkt sind, sollen nunmehr, ausArbeitsweise eines mit Helium aufgeladenen Speichers gehend von einem maximalen Druck von 600 bar, die bei —35 und+50⁰C Außentemperatur. Diese Kurven 25 Druckabfälle in bar ermittelt werden, die eintreten, dienten als Grundlage für die Kurve B der F i g. 2. wenn die Arbeitstemperatur bei -35⁰C liegt. Aus den Die Kurven F und G sind die Kurven für —35 und Kurven D und F erkennt man, daß ein bei einer Tem- +50⁰C Außentemperatur für einen mit Stickstoff peratur von —35°C aufgeladener Energiespeicher betriebenen Speicher von gleicher Leistung, und diese nicht nur den Vorteil aufweist, daß das verfügbare Öl-Kurven dienten als Grundlage für die Kurve A der 3s> volumen 70% des bei+50⁰C verfügbaren ölvolumens F i g. 2. beträgt, sondern daß die bei einem mit Stickstoff bein beiden Fällen wurde der Speicher zu Beginn mit triebenen Speicher zwischen 600 und 408 bar liegenden einem Druck von 400 bar bei einer Temperatur von Drücke beim mit Helium arbeitenden Speicher (bei 20⁰C, wie im Fall der F i g. 2, aufgeladen, und in den stets größerem verfügbarem ölvolumen) zwischen 600 beiden Fällen beträgt der totale Innenraum des Spei- 35 und 422 bar hegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 die höher liegen als 300 bar, z. B. Drücke von 600 oder Patentansprüche: 700 bis zu 1000 bar. Die über 300 bar gelegenen Drücke werden im folgenden als Hochdruck bezeichnet.

1. Hydropneumatischer Energiespeicher hohen Es hat sich gezeigt, daß die bekannten, mit Stick-Druckes, mit einem Zylinder, der durch einen be- 5 stoff aufgeladenen Energiespeicher bei hohen Drücken weglichen, abdichtenden Kolben in einen ersten, ein und sogar schon von 300 bar ab gewisse Nachteile auf-Druckgas einschließenden Hohlraum und in einen weisen und wesentlich größer bemessen werden müssen zweiten, eine Flüssigkeit, z. B. öl oder ein ver- und somit aufwendiger sind als die ein gleiches Ölflüssigtes Gas enthaltenden Hohlraum unterteilt ist, volumen unter einem mittleren Druck enthaltenden dadurch gekennzeichnet, daß das im io Energiespeicher. Andererseits wirkten sich die erhöhten ersten Hohlraum (9, 82,109) eingeschlossene Gas Temperaturen (z. B. Temperaturen von 50⁰C an den spezifisch leichter als Stickstoff ist. der Sonne ausgesetzten Einzelteilen) sehr ungünstig

2. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadijrch auf Energiespeicher mit Hochdruckstickstoff aus und gekennzeichnet, daß das im ersten Hohlraum verursachten einen Energieverlust, der wesentlich (9, 82,109) eingeschlossene Gas Helium, Wasser- 15 höher lag als beim Vorliegen von mittleren Drücken, stoff oder Neon ist. Es liegt die Aufgabe vor, diese Nachteile zu beseiti-

3. Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, da- gen und in diesem Zusammenhang den Bau von hydrodurch gekennzeichnet, daß das in dem ersten pneumatischen Energiespeichern hohen Druckes zu Hohlraum (9, 82,109) eingeschlossene Gas unter ermöglichen, die imstande sind, mehr Energie zu speieinem Druck zwischen 300 und 1000 bar steht. 20 ehern und abzugeben (z. B. 50% mehr Energie) als ein

bisher gebräuchlicher, mit Stickstoff beschickter und mit dem gleichen hohen Druck arbeitender Energie-

speicher mit den gleichen Abmessungen.

Vereinfachend kann man sagen, daß die bei hohen 25 Drücken bei den gebräuchlichen Stickstoff-Energiespeichern auftretenden Schwierigkeiten von dem

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydro- Verlust der Kompressibilität des Stickstoffs entsprepneumatischen Energiespeicher hohen Druckes, mit chend den wachsenden Drücken herkommt. Daraus einem Zylinder, der durch einen beweglichen, abdich- ergibt sich, daß der Stickstoff bei steigenden Drücken tenden Kolben in einen ersten, ein Druckgas einschlie- 30 seine Rolle als elastisches Polster immer weniger gut ßenden Hohlraum und in einen zweiten, eine Flüssig- spielt und immer mehr dazu neigt, sich wie eine Flüssigkeit, z. B. Öl oder ein verflüssigtes Gas enthaltenden keit zu verhalten. Schon zwischen 200 und 300 bar liegt Hohlraum unterteilt ist. der Verlust des Stickstoffs an Kompressibilität in der

Bekanntlich bestehen hydropneumatische Kolben- Größenordnung von 20%.

Energiespeicher im wesentlichen aus einem Zylinder, 35 Bekanntlich kann die Zustandsgieichung Pv = RT der durch einen Kolben dicht in zwei im umgekehrten (Gesetz von B ο y 1 e und M a r i ο 11 e) exakt nur auf Sinn veränderliche Räume unterteilt ist, von denen der den vollkommen gasförmigen Zustand angewendet eine ein aus einem Druckgas bestehendes, elastisches werden, dem sich die bekannten, wirklichen Gase um Polster enthält und der andere eine Flüssigkeit, ins- so mehr nähern, je mehr sie von ihrem kritischen Punkt besondere öl einschließt, die auf diese Weise stets unter 40 entfernt sind. Bei Hochdruck-Energiespeichern, die bei dem Druck des Druckgaspolsters zur Verfügung steht. Umgebungstemperaturen zwischen —40 und +5O⁰C

Solche Energiespeicher werden in großer Zahl in verwendet werden, liegen die physikalischen Eigenhydraulischen Steuerungsanlagen (z. B. in hydrauli- schäften des Stickstoffs beträchtlich von den Eigenschen Steuerungsanlagen für elektrische Schalter) ver- schäften eines vollkommenen Gases entfernt, und wendet, in denen sie ständig ein bestimmtes Minimal- 45 daraus ergibt sich eine bedeutende Verschlechterung volumen von Öl zur Verfügung stellen, das unter einem der elastischen Eigenschaft des Gases, bestimmten Minimaldruck steht. In diesen Anlagen Erfindungsgemäß wird zur Lösung der gestellten

werden die Energiespeicher im allgemeinen periodisch Aufgabe vorgeschlagen, daß das im ersten Hohlraum durch eine Pumpe aufgeladen bzw. nachgefüllt. eingeschlossene Gas spezifisch leichter als Stickstoff

Ursprünglich wurde in den klassischen Energie- 5° ist.

speichern als Druckgas Luft verwendet, aber die oxy- Solche leichten Gase haben bei den angestrebten

dierende Wirkung des in der Luft enthaltenen Sauer- hohen Drücken einen Verlust an Kompressibilität, der Stoffs erwies sich manchmal bei hohen Drücken als wesentlich niedriger ist als der des Stickstoffs in den schädlich, so daß seit mehreren Jahren fast allgemein gebräuchlichen Energiespeichern, weil sich diese Gase Stickstoff verwendet wird, der chemisch träge ist. Der 55 bei den beabsichtigten Umständen mehr einem vollgroße Anteil des in der Luft enthaltenen Stickstoffes kommenen Gas nähern als Stickstoff, ermöglicht die Angleichung der charakteristischen In Ausgestaltung der Erfindung kann das im ersten

Eigenschaften der mit Stickstoff aufgeladenen Energie- Hohlraum eingeschlossene Gas Wasserstoff, Helium speicher an die der mit Luft aufgeladenen Energie- oder Neon sein. Vorzugsweise wird Helium gewählt, speicher, und zwar so weit, daß ihre Handhabung un- 6° das unverbrennbar und chemisch neutral und dessen abhängig von dem einen oder anderen Gas ist. Beschaffung leicht ist. Außerdem kostet ein mit

Bisher lagen die in hydraulischen Schaltanlagen mit Helium gefüllter Energiespeicher — trotz des höheren einem ölpneumatischen Energiesammler üblicherweise Heliumpreises — weniger als ein mit Stickstoff gefüllter verwendeten Drücke in der Größenordnung von 100 Speicher gleicher Leistung, da letzterer wesentlich bis 300 bar, und die mit Stickstoff aufgeladenen Euer- 65 größer gebaut werden muß.

giespeicher arbeiteten bei diesen Drücken zufrieden- Ebenfalls in Ausgestaltung der Erfindung soll das im

stellend. ersten Hohlraum eingeschlossene Gas unter einem

Indessen verlangen bestimmte Anwendungen Drücke, Druck zwischen 300 und 1000 bar stehen.