DE2448985A1

DE2448985A1 - Vorrichtung zur rueckgewinnung von energie aus einer hochgespannten fluessigkeit

Info

Publication number: DE2448985A1
Application number: DE19742448985
Authority: DE
Inventors: Ditmar Nolte
Original assignee: KERNENERGIEVERWERT GES fur
Current assignee: KERNENERGIEVERWERT GES fur
Priority date: 1974-10-15
Filing date: 1974-10-15
Publication date: 1976-04-22

Description

Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus einer hochgespannten Flüssigkeit Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus einer hochgespannten Flüssigkeit an der Ausgangsseite eines Hochdruck systems mittels eines mit der Flüssigkeit betriebenen Wassermotors mit einer Kolb en-Zylindereinheit.
Mit der Vorrichtung nach der Erfindung soll die einen Hochdruckprozeß verlassende FlUssigkeit energetisch nutzbar gemacht werden. Die als Abweiser den eigentlichen Arbeitsprozeß verlassenden hochgespannten Flüssigkeiten falenn z.B. in der chemischen Industrie und bei der Wasserentsalzung durch umgekehrte Osmose an. Das Druckniveau erreicht dabei teilweise einige hundert bar. Die Fördermengen können mehrere zehntausend Kubikmeter pro Tag betragen. Die im Falle der Nichtnutzung verlorengegangene p . V-Arbeit ist also erheblich. Um energiesparend zu produzieren, ist eine Energierückgewinnung vermittels eines Wassermotors erforderlich. Der Wassermotor dient dann zum Antrieb einer Pumpe oder eines Generators.
Es ist Uber Versuche mit Prototypen berichtet worden, bei daunen eine niergiertickgewinnung bei Hochdruckprozessen erfolgen soll. Die technisch praktikablen wöglichkeiten zur Umwandlung von p . V.-Arbeit in Rotationsenergie sind Turbinen und Kolbenmaschinen. Auswahlkriterium für diese beiden Systeme ist die anfallende Abwassermenge. Eine Studie der amerikanischen Behörde W Office of Sahne Water" befaßt sich mit dem Einsatz von Turbinen für große Abwassermengen. FUr geringere Kapazitäten hat die Behörde ein anderes System entwickelt, bei dem die hochgespannte Flüssigkeit in einem Austauschzylinder die Energie direkt an eine andere Flüssigkeit abgibt. Die beiden Flüssigkeiten sind durch einen frei beweglichen Kolben voneinander getrennt. Kolbenbewegung und Wasserfluß werden Uber Durchflußmesser und Ventile gesteuert. Eventuell erforderliche Druckerhöhung sowie das Auffüllen der Austauschzylinder mit Arbeitsflüssigkeit erfolgt durch zusätzliche Pumpen.
Dieses System hat jedoch den Nachteil, daß es aus vielen Bauelementen zusammengesetzt ist. Es ist daher in der Herstellung zu teuer und wegen des Steuer- und Regelsystems für einen robusten Dauerbetrieb nicht geeignet.
Der Einsatz von Turbinen eignet sich andererseits nur für Anlagen mit großen Kapazitäten.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus einer hochgespannten Flüssigkeit an der Ausgangsseite eines Hochdrucksystems vorzuschlagen, die sich durch einen einfachen Aufbau bei geringer StBranfälligkeit auszeichnet.
Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieses Aufgabe die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß an der Ausgangsseite des Hochdrucksystems wenigstens eine Kolben-Zylindereinheit vorgesehen ist, deren Kolbenstange mit der Kolbenstange einer weiteren Kolben-Zylindereinheit verbunden ist, die von der eingangsseitig dem Hochdrucksystem zugeleiteten Flüssigkeit beaufschlagt ist, wobei mit der gemeinsemen Kolbenstange ein Antrieb verbunden ist und die Kolbenfläche der ausgangsseitigen Einheit kleiner oder gleich der Kolbenfläche der eingangsseitigen Einheit ist.
Durch diese Maßnahmen wird die an der Ausgangsseite des Hochdrucksystems auf die Kolbenfläche ausgeübte Kraft über die gemeinsame Kolbenstange auf den Kolben der eingangsseitigen Einheit übertragen. Zum Ausgleich der Systemverluste und Reibungsverluste ist der Antrieb vorgesehen, der die notwendige Zusatzkraft liefert, um die gemeinsame Kolbenstange von der ausgangsseitigen Einheit zur eingangsseitigen Einheit zu bewegen. Hierdurch können am Hochdrucksystem eingangsseitig auStretende Druckverluste mittels der Antriebskraft und der ausgangsseitig wiedergewonnenen Energie kmp en siert werden.
tfln den Förderstrom annähernd konstant zu halten, wird bevorzugt, wenn mehrere zueinander phasenverschobene Kolben-Zylindereinheiten eingangsseitig und ausgangsseitig vorgesehen sind, deren paarweise gemeinsame Kolbenstangen mit dem Antrieb verbunden sind.
Es ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau der Vorrichtung, wenn die Kolben-Zylindereinheiten über eine Pleuelstange mit dem Antrieb verbunden sind.
Un die ausgangsseitig anfallende hochgespannte Flüssigkeit auf einfache Weise in der richtigen Phasenlage den Einheiten zuzuführen, wird es bevorzugt, wenn am Eingang der ausgangsseitigen Kolben-Zylindereinheiten ein Drehschieber vorgesehen ist, über den die ausgangsseitige Flüssigkeit in der Jeweils richtigen Phasenlage den Kolben-Zylindereinheiten zugeleitet wird.
Anstelle des Drehschiebers ist auch eine Ventilsteuerung möglich.
Falls der Drehschieber bzw. die Ventilsteuerung vom Antrieb gesteuert ist, wird auf einfache Weise die Jeweils notwendige Phasenlage selbsttätig eingehalten.
Sofern die rückgewonnene Energie zur Druck erhöhung an der Eingangsseite des Hochdrucksystems benutzt werden soll, können an der Eingangsseite der eingangsseitigen Kolben-Zylindereinheiten Ventile vorgesehen sein, die die Flüssigkeit dem Hochdrucksystem von einem Reservoir Uber die eingangsseitigen Kolben-Zylindereinheiten zuleiten.
Die Vorrichtung wird weiterhin konstruktiv vereinfacht, wenn die Abwässer durch den Drehschieber geleitet werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Die Figur zeigt schematisch die im wesentlichen Bauelemente einer Vorrichtung nach der Erfindung.
Von einem nicht gezeigten Reservoir wird Speisewasser in Pfeilrichtung 1 über eine Leitung 2 einer eingangsseitigen Kolben-Zylindereinheit 3 zugeleitet. Die Einheit 3 besteht beim gezeigten Ausführungsbeispiel aus drei Zylindern, deren Kolben zueinander phasenverschoben sind.
Jeder Zylinder 4,5 und 6 hat eine von der Leitung 2 abzeigende Eingangsleitung 7 und eine mit einer gemeinsamen Leitung 8 verbundene Ausgangsleitung 9. In den Leitungen 7 und 9 sind jeweils Ventile 10 vorgesehen, die sicherstellen, daß das Speisewasser nur in Pfeilrichtung 1 in die Zylinder einströmt und die Zylinder in Pfeilrichtung 11 verläßt, Das Speisewasser gelangt anschließend über die Leitung 8 in ein nicht näher beschriebenes Hochdrucksystem 12, und zwar mit einem - beispielsweise fest vorgegebenen -Druck p2. Die, in diesem Hochdrucksystem anfallenden Energieverluste sind durch den Pfeil 13 angedeutet.
Vom Hochdrucksystem gelangen die ausgangsseitigen AS wässer in Pfeilrichtung 14 über eine Ausgangsleitung 15 unter einem Druck pl zu einem Drehschieber 16 und von dort nach Einwirken auf ausgangsseitige Kolben-Zylindereinheiten 17 als entspannte Flüssigkeit zu einer Abflußleitung 18. Von der Leitung 15 zweigt eine Leitung 19 mit einem Uberdruckventil 20 ab.
Die ausgangsseitige Kolben-Zylindereinheit 17 besteht aus der gleichen Anzahl ton Kolben- und Zylindern wie die Einheit 3. Die Kolben sind jeweils paarweise über gemeinsame Kolbenstangen 21 miteinander verbunden. Der Drehschieber 16 leitet über Leitungen 22 den Druck p1 phasengetreu zu den Zylindern der Einheiten 17. Die Flächen der Kolben der Binheiten 17 sind mit F1 bezeichnet, während die Flächen der Kolben der Einheiten 3 mit F2 bezeichnet sind. F1 ist kleiner als F2.
Die drei Kolbenstangen 21 sind mit einer gemeinsamen Pleuelstange 23 verbunden, die von einem Antrieb 24 gedreht wird. Wie bei Pos. 25 angedeutet, wird der Drehschieber 16 von der Pleuelstange 23 synchron verschoben.
Das Pumpensystem der beschriebenen Vorrichtung ist durch den Kasten 26 angedeutet und das Arbeitstauschsystem durch den Kasten 27.
Die auf die Kolbenfläche F1 ausgeübte Kraft p1 . F1 wird über die Kolbenstangen 21 auf die Kolbenflächen F2 der Einheit 3 übertragen. Unter der Voraussetzung, daß immer F1 kleiner als F2 ist (Systemserluste) und p1 kleiner als p2 (Reibungsverluste), ergibt sich auf der Kolbenseite mit der Fläche F2 eine größere Kraft, nämlich p2 . F2, als sie von der Einheit 17 abgegeben wird. Um die Kolbenstange 21 in Richtung der Einheit 3 zu bewegen, ist eine Zusatzkraft erforderlich, die über den Antrieb 24 und die Pleuelstange 25 geliefert wird. Die an der Kolbenstange 21 angreifende Kraft ergibt sich aus (p2 . F2) -(p1 . F1) + (Reibungsverluste im Zylindersystem).
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel treibt die rAckgewonnene Energie das Pumpensystem 26 an. Es ist aber auch eine andere Verwertung der rückgewonnenen Energie möglich.
In diesem Fall kann die Energie von der Pleuelstange 23 abgenommen werden.
Die für das Hochdrucksystem 12 erforderlich Pumpe und die Energierückgewinnungseinheit sind, wie gezeigt, in einer kompakten Maschine vereint, im Gegensatz zu anderen Systemen.
Der Abwasserfluß wird über den Drehschieber geleitet.
Durch Kolben unterschiodlichen Durchnessers, die im Gegensatz zu anderen Systemen über die Kolbenstange direkt mechanisch gekoppelt sind, und die huber einen einzigen Antrieb bewegt werden, lassen sich Systemverluste (Permeatabfluß bei der Wasserentsalzung) kompensieren.
Hierdurch wird eine Pumpeneinheit gespart.
Die bei einem freischwingenden Kolben erforderlichen Pumpen zur Druckerhöhung und Speisewasserzufuhr sind bei der hier vorgeschlagenen mechanisch unterstützten Kolbenbewegung nicht erforderlich.

Claims

Patentansprt che

1. Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus einer hochgespannten Flüssigkeit an der Ausgangsseite eines Hochdrucksystems mittels eines mit der Flüssigkeit betriebenen Wassermotors mit einer Kolben-Zylindereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ausgangsseite des Hochdrucksystems (12) wenigstens eine tolben-Zylindereinheit (17) vorgesehen ist, deren Kolbenstange (21) mit der Kolbenstange (21) einer weiteren Kolben-Zylindereinheit (3) verbunden ist, die von der eingangaseitig dem Hochdrucksystem (12) zugeleiteten Flüssigkeit beaufschlagt ist, wobei mit der gemeinsamen Kolbenstange (21) ein Antrieb (24) verbunden ist und die Kolbenfläche (F1) der ausgangsseitigen Einheit (17) kleiner oder gleich der Kolbenfläche der eingangsseitigen Einheit (3) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zueinander phasenverschobene Kolben-Zylindereinheiten (3,17) eingangsseitig und ausgangsseitig vorgesehen sind, deren paarweise gemeinsame Kolbenstangen (21) mit dem Antrieb (24) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylindereinheiten (3,17) über eine Pleuelstange (23) mit dem Antrieb (24) verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang der ausgangsseitigen Kolben-Zylindereinheiten (17) ein Drehschieber (16) vorgesehen ist, über den die ausgangsseitige Flüssigkeit in der jeweils richtigen Phasenlage den Kolben-Zylindereinheiten (17) zugeleitet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (16) vom Antrieb (24) gesteuert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Eingangsseite der eingangsseitigen Kolben-Zylindereinheiten (3) Ventile (10) vorgesehen sind, die die Flüssigkeit dem Hochdrucksystem (12) von einem Reservoir über die eingangsseitigen Kolben-Zylindereinheiten (3) zuleiten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bls 6, dadurch gekenazeichnet, daß die Abwässer durch den Drehschieber (16) geleitet sind.