DE2103552C - Hydropneumatischer Energiespeicher hohen Druckes - Google Patents

Description

Bekanntlich bestehen hydropneumatische Kolben- Größenordnung von 20%.

Energiespeicher im wesentlichen aus einitn 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 Verfugung steht. Umgebungstemperaturen zwischen —40 und 4- 50^G C

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- So 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 komrnenen 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- 60 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 öl pneumatischen 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 Ener- 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.

Vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungs- reserve vorhanden, die einem bestimmten ölvolumen

gemäßen Energiespeicners z.B. in Verbindung mit * unter einem Druck z. B. zwischen 600 und 400 bar ent-

einem elektrischen Schalter mit einem dielektrischen, spricht Wohl muß man in der Praxis stets mit Ande-

verflüssigbaren Gas zur Isolierung des Schalters, wobei rungea der Umgebungstemperatur rechnen, wodurch

das verflüssigte Gas in dem einen und z. B. Helium in 5 die Drücke verändert werden, aber zwecks Verein-

dem anderen Teilraum des Speichers enthalten sind fachung beruhen die folgenden Ausführungen auf der

und das Flüssiggas vom Druck des Heliums in seinem Annahme einer konstanten Außentemperatur,

flüssigen Zustand gehalten wird. Versuche haben dann In der F i g. 2 ist in Kurveisform die Arbeitsweise des

gezeigt, daß ein mit Helium betriebener Speicher mit oben beschriebenen Energiespeichers dargestellt Auf

einem gesamten Fassungsvermögen von 3,51 genügt, io der Abszisse ist das im Energiespeicher eingefüUte oder

während ein die gleichen Arbeitsbedingungen erfüllen- in ihm befindliche öl in cm³ aufgetragen, auf der

der, mit Stickstoff arbeitender Energiespeicher bereite Ordinate die entsprechenden Drücke in bar.

ein Fassungsvermögen von 11,21 haben müßte. Die Kurvet bezieht sich auf einen mit Stickstoff

Ein Ausführangsbeispiel der Erfindung ist im fol- aufgeladenen Energiespeicher, die Kurve B auf einen

«enden an Hand der Zeichnungen erläutert. 15 mit Helium aufgeladenen Energiespeicher, und die

Es zeigt Kurve C ist eine theoretische Kurve der Arbeitsweise

F i g. 1 schematisch einen Energiespeicher in Verbin- eines Energiespeichers, der mit einem Gas aufgeladen

dung mit einer hydraulischen Anlage, ist, das bei den in Betracht kommenden hohen Drucken

Fig. 2 die Abhängigkeit des ölvolumens vom genau der Zustandsgieichung Pv = Abgehorcht Diese

Druck im Energiespeicher für ein leichtes (Helium) ao drei Kurven beziehen sich alle auf die gleiche Außen-

und ein schwereres Gas (Stickstoff) bei einer Tempera- temperatur von 20⁰C und einen Energiespeicher mit

tür von 20" C und einem totalen inneren Fassungsvermögen von 1000cm ,

F i g. 3 den Einfluß der Außentemperatur von +50 der imstande ist, öl mit einem Druck zwischen 400 und

und -35 ⁰C auf die Speichercharakteristik. 600 bar zu liefern.

In der F i g. 1 ist ein hydropneumatischer Energie- »5 " Als erstes sei die Kurve A betrachtet. Dem Wert 0

speicher der Kolbenbauart dargestellt, der einen der Abszisse ist ein Aufladedruck fur Stickstoff von

flüssigkeitsdichten Behälter als Zylinder 3 mit zwei 400 bar zugeordnet Anschließend wird Druckol in den

Deckeln 5 und 7 enthält Das Innenvolumen dieses Teilraum 11 eingefüllt. Der Punkt 33 der K-urve-4

Behälters wird durch einen im Zylinder frei verschieb- zeigt, daß nach dem Einfüllen von 123,5 cm Ol der

liehen, abdichtenden Kolben 13 in zwei Teilräume als 30 Druck im Energiespeicher auf 500 bar angestiegen ist,

erster und zweiter Hohlraum 9 und 11 unterteilt. Der und der Punkt 35 dieser Kurve zeigt, daß der Druck

Teilraum 9 enthält das unter Druck stehende Gas, · nach dem Einfüllen von 206 cm³ Ol den Wert von

wie Helium, Wasserstoff oder Neon, das also spezifisch 600 bar erreicht hat

leichter ist als Stickstoff, während der Teilraum 11 mit Mit einem solchen, dem Stand der Technik entöl gefüllt ist. 35 sprechenden Energiespeicher kann man hiernach über

In der F i g. 1 sind auch die wesentlichen Bestand- eine Energiereserve von 206 cm³ öl mit einem Druck

teile einer hydraulischen Anlage in Verbindung mit zwischen 600 und 400 bar bei einer Temperatur von

einem solchen Energiespeicher dargestellt: Der von öl 20°C verfügen.

gefüllte Teilraum 11 ist durch eine Leitung 15 mit Im Falle der Kurve B. die für den mit Helium aufeinem Hydrozylinder 17 verbunden, dessen Kolben- 40 geladenen Speicher gilt, fällt der Anfangspunkt mit stange 19 irgendeinen zu steuernden Apparat z. B. den dem der Kurve A zusammen, da beide zum Vergleicn beweglichen Kontakt eines elektrischen Schalters, stehenden Energiespeicher auf den gleichen Anfangsbetätigt. Ein in der Leitung 15 vorgesehener Dreiwege- druck 400 bar aufgeladen wurden, hahn 21 ermöglicht die wahlweise Verbindung des Der Punkt 37 der Kurve B zeigt, daß 180,5 cm Zylinders 17 mit dem Teilraum 11 des Energiespeichers 45 (an Stelle von 123,5 cm³ gemäß Kurve A) Ol eingefüllt oder mit einem unter niederem Druck stehenden Be- werden müssen, um einen Druck von 50C1 bar zuerreihälter 23. Eine Pumpe 25 saugt öl aus dem Behälter 23 chen. Der Enddruck von 600 bar (Punkt 38) wird nach an und füllt den Teilraum 11 des Energiespeichers mit dem Einfüllen von 303 cm³ Öl erreicht Somit kann mit Druckol nach. einem mit Helium betriebenen Speicher über eine

Eine mit einem Absperrventil 29 ausgestattete 50 Energiereserve von 303 cm³ Öl mit einem zwischen 40U

Leitung 27 ermöglicht die Füllung des Teilraumes 9 des und 600 bar liegenden Druck verfügt werden an Stelle

Energiespeichers mit Gas unter dc:n Anfangsdruck von nur 206 cm" unter den gleichen Drucken bei einem

der Aufladung und ferner die Nachfüllung des Ener- mit Stickstoff betriebenen Energiespeicher. Der so er-

giespeichers im Fall eines Gasverlustes. haltene Gewinn beträgt nahezu 50·/» und er beruht

Die Arbeitsweise des Energiespeichers ist folgende: 55 auf der besseren Kompressibilität des Heliums bei den Zuerst wird der Teilraum 9 mit einem Gas, das spezi- in Frage kommenden hohen Drücken, verglichen mit fisch leichter ist als Stickstoff, druckmäßig entspre- Stickstoff. , _ . . chend vorgeladen. Dabei ist der Teilraum 11 ganz oder Die theoretische Kurve C soll den durch den Stickfast ganz leer von öl, d. h., der Kolben hegt zu diesem stoff bewirkten Verlust an Kompressibilität verdeut-Zeitpunkt am oder fast am unteren Deckel? des 60 liehen. Sie soll ebenfalls verdeutlichen, wie dieser VerZylinders 3 an. Nunmehr wird mittels der Pumpe 25 lust bei Verwendung von Helium oder einem anderen öl in den Teilraum 11 eingefüllt, und dieses öl drückt leichten Gas, wie ζ B Wasserstoff, wese"^ "einer den Kolben 13 unter Kompression des Gaspolsters im wird. Der Punkt 39 der Kurve C entspricht einem Teilraum 9 zurück Druck von 600 bar und einem Ölvolumen von 333 cm».

Nach der EinfuUung eines bestimmten ölvolumens 65 Aus alledem folgt, daß der mit Stickstoff betriebene

erreicht der Druck im Energiespeicher eine vorbe- Speicher eine Speicherung von nur -^- ^ 62% der

stimmte Höhe, z. B. 600 bar, und die Pumpe steht still. ....... _t ^ u„tJ£n Enereie er-

JeUt ist im Energiespeicher dauernd eine Energie- maximalen theoretisch aufspeicherbaren Energie er

möglicht, während mit dem mit Helium betriebenen chers 1000 cm^a, wie dies bereits früher angegeben

Speicher -Ig- - 91«/, der theoretisch möglichen, maxi- "«gj^ _{dic Temperaturänderungcn wird der Druck}

malen Energie gespeichert werden können. der Aufladung (Anfangsdruck) bei z. B. 20° C, 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.
werden kann, ist Wasserstoff, dessen nicht dargestellte Im Fall des Arbeitens bei +50°C (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 cm* öl, weil die thermische Druck von 600 bar entspricht einem verfügbaren öl- io Ausdehnung des Gases 206 — 135*= 71 cm^a öl hervolumen von 255 cm⁸ 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 cm* 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 20°C 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 +50°C verwendet wird, gestellt werden als ein mit Stickstoff aufgeladener nur eine ölmenge von 135 bzw. 230 cm* 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 cm* 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 »5 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 Kurvet der 30 volumen 70% des bei+50⁰C verfügbaren öl volumens F i g. 2. beträgt, sondern daß die bei einem mit Stickstoff bein beiden Fällen wurde der Speicher zu Beginn mit triebenen Speicher zwischen 60Ö 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 liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

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

1. Hydropoeumatischer Energiespeicher hohen Es hat sich gezeigi, daß die bekannten, mit Stick-Druckes, mit einem Zylinder, der durch einen be- 5 stoff aufgeladenen Energiespeicher bei hohen Drücken weglichen, abdichtenden Kolben incinen 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, dadurch 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 Energiespeicheni 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. ao 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 »5 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- 3° 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 kest zu verhalten. Schon zwischen 200 und 300 bar liegt Hohlraum unterteilt ist. der Verlust des Stickstoffs an Kompressibilität in der