DE3110153A1

DE3110153A1 - Verfahren und vorrichtung zur speicherung von energie

Info

Publication number: DE3110153A1
Application number: DE19813110153
Authority: DE
Inventors: Berthold H. Dr. 5630 Remscheid Daimler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-03-28
Filing date: 1981-03-16
Publication date: 1982-05-13
Also published as: DE3110153C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung von Energie Die Erfindung betrifft die Speicherung von Energie, wobei Flüssigkeiten bzw. Gase in Druckbehälter eingefüllt und bei Bedarf daraus wieder entnommen werden.
Für Gase werden wegen ihrer Kompressibilität zur Druckspeicherung bekanntlich hochbeanspruchbare starre Behältnisse benutzt.
Für Flüssigkeiten werden bisher sogenannte Hydrospeicher verwendet, bei denen im gefüllten Zustand ein komprimiertes Gaspolster den Druck in dem ebenfalls starren Gefäß aufrecht erhält.Flüssigkeit und Gas müssen in vielen Fällen durch eine flexible Blase bzw. Membran oder einen Kolben getrennt werden. Zur Optimierung der Speicherenergie muß das Druckgas einen der Arbeitsweise des Speichers angepaßten Vordruck bei ungefülltem Speicher aufweisen. Es gibt auch Kavernenspeicher, die nach diesem Prinzip Flüssigkeit unter Druck speichern.
Bei den Schwerkraftspeichern wird Wasser aus einem Unterbecken in ein Oberbecken gefördert, von wo es unter Antreiben einer Turbine bei Energiebedarf wieder zurückfließt.
Die bekannten Ausführungen benutzen entweder den Höhenunterschied zwischen einer Berg- und einer Tal lage oder zwischen derErdoberfläche und einem unterirdischen Hohlraum.
Ein anderer bekannter Energiespeicher ist ein Zylinder mit einem gegen die Kraft einer Feder bewegten Kolben.
Die Druckspeicher gemäß der Erfindung arbeiten mit dehnbaren Druckgefäßen. Dies beruht auf dem Gedanken, die druckabhängige Volumenänderunq eines federelastisch verformbaren Hohlkörpers zur Energiespeicherung heranzuziehen.
Die Vtrformbarkeit der erfindungsgemäßen Dehnkörper wird dadurch erreicht, daß für ihre Wandung gelenkfrei dehnbare Werkstoffe bzw. Konstruktionen verwendet werden. Ein Druckgas wird nicht benötigt. Diese Dehnkörper eignen sich sowohl für Case als auch für Flüssigkeiten, Ein gefüllter Dehnkörper speichert bei Füllung mit Gas mehr Energie als ein gleichgroßer starrer Behälter.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Eigenschaften federelastischer Festkörper möglichst einfach und wirksam zur Speicherung von Energie auszunutzen. Es wird weiterhin das Ziel verfolgt, unter Druck aufzubewahrende fließfähige Medien unter Inanspruchnahme der federelastisch gespeicherten Energie einer Verwendung zuzuführen, bei der die Federenergie in kinetische Energie des Mediums umgewandelt wird. Die erfindungsgemäßen Druckbehälter arbeiten ohne gleitende Dichtung und benötigen andererseits kein Druckgas zum Aufbau einer Federkraft. Darüberhinaus wurde bei den vorgeschlagenen Ausführungsformen darauf geachtet, daß die eingesetzten federelastischen Stoffe möglich gleichmäßig belastet und damit günstig ausgenutzt werden. Daraus resultieren hohe Werte der auf das Volumen bezogenen Speicherkapazität für Energie. Letztere wird gemäß der Erfindung dadurch noch weiter erhöht, daß neben der Federenergie auch Energie der Lage, sowie pneumatische Energie bei gasförmigen Druckmedien ausgenutzt wird. Durch die Wahl der äußeren Gestalt der Druckkörper - wie Kugel, Kreiszylinder, Quader -kann darüberhinaus die Raumausnutzung günstig an vorgegebene Verhältnisse angepaßt werden.
Die erfindungsgemäßen Speicher rechnen zu den sogenannten Gleitdruckspeichern, weil der Fülldruck vom Füllungsgrad abhängig ist. Durch die Kombination der verschiedenen genannten Arten von Speicherenergie kann die dehnungsabhängige Druckcharakteristik variiert werden. Wichtig ist die überaus große Vielfalt von Gestaltungsmöglichkeiten, wobei bekannte und jederzeit verfügbare Werkstoffe der verschiedensten Art alternativ verwendet werden können. Umweltprobleme treten nicht auf. Speicherdruck und Speichervolumen können in weiten Bereichen gewählt werden. Derartige Druckspeicr können auch überall (erd-, wasser-, luftgebunden) errichtet bzw. verwendet werden. Insbesondere muß nicht - wie etwa bei Schwerkraftspeichern bzw. Kavernenspeichern - auf die geologische und geographische Situation am Standort Rücksicht genommen werden, wenn größere Energiemengen gespeichert werden sollen. Daher können Speicher gemäß der Erfindung in unmittelbarer Nähe der Erzeügungsstätte der Energie eingesetzt werden, wodurch ein evtl. Transport zu zentralen Energiespeichern über größere Entfernungen eingespart werden kann.
Ein besonderer Vorteil der federelastischen Druckspeicher gemäß der Erfindung liegt auch darin, daß sie sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase geeignet sind, ja sogar abwechselnd oder gleichzeitig benutzt werden können. Auch inkompressible körnige Güter (dispers in gasförmiger oder flüssiger Umgebungsphase) können, soweit sie fließfähig sind, in Speichern gemäß der Erfindung bevorratet werden. Dabei ist die bei Silos oftmals erwünschte Bewegung der Begrenzungswände gewährleistet.
Der von den erfindungsgemäßen Druckbehältern im ungedehnten Zustand eingenommene Raum ist zunächst als Totraum aufzufassen, weil sein Innenvolumen nicht vom Druckmedium entleert wird. Toträume können nach der Erfindung bei Bedarf konstruktiv vermieden bzw. vermindert, aber auch für den Speicherzweck oder zur Unterbringung anderer Anlagenteile vorteilhaft ausgenutzt werden.
Wegen der erwähnten Vielseitigkeit in Konstruktion, Werkstoff und Speicherinhalt bzw. Druckhöhe sind Anwendungen in vielen Bereichen der Technik in großer Zahl möglich. Die je Volumeneinheit des bauseitig benötigten Raumes erzielbare Speicherkapazität ist meistens gleich oder größer als bei bekannten und praktisch verwendeten Druckspeichern. Diese Relation kann durch die erwähnte Ausnutzung der Toträume nochmals verbessert werden.
Zur Umwandlung der mechanischen Speicherenergie in andere Energieformen und umgekehrt bieten Speicher gemäß der Erfindung zahlreiche Möglichkeiten. So können mechanisch wirksame Energien - Windkraft, Wellenkraft, beschleunigte Massen -über geeignete Wandler bzw. primär anfallende Druckmedien zum Füllen der Speicher herangezogen werden1 ebenso auch elektrisch oder anderweitig angetriebene Pumpen bzw. Kompressoren.
Das ausströmende Druckmedium andererseits kann jede Art hydraulisch oder pneumatisch betriebener Maschinen mit Energie versorgen, z.B. auch Turbogeneratoren zur Stromerzeugung.
Die Erfindung wird nachstehend unter Verwendung der Fig. 1-33 anhand von Beispielen beschrieben. Soweit nicht die Anwendung auf ein flüssiges Druckmedium beschränkt ist, kann prinzipiell ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein fließfähiges Schüttgut je nach dem Anwendungsfall benutzt werden.
Fig. 1 zeigt das Schnittbild eines kugelförmigen Dehnbehälters. Dieser wird gebildet von der Wandung 1, die aus einem isotrop verformbaren Elastomer besteht. Im drucklosen Zustand hat das Druckgefäß den Radius rO und die Wandstärke to, bei maximalem Innendruck erhöht sich der Radius auf rmax1 während die Dicke der Wand auf tmax abnimmt. Die Durchführung 2 ist als Rohr dargestellt, dessen Länge zwischen to und tmax so gewählt werden kann, daß möglichst geringe Scherspannungen im Elastomer in der Nachbarschaft der fest damit verbundenen Durchführung auftreten.
In Fig. 2 ist ein Druckgefäß 1 gemäß Fig. 1 in der Ansicht dargestellt. Es ist außen von einem Netzwerk 2 umspannt, welches federelastische Eigenschaften aufweist. Die Maschen 3 des elastischen Netzes sind als aneinandergekettete Schraubenfedern 4 ausgebildet. Diese Kombination von Elastomerelastizität und Federelastizität führt zu einem höheren Druck bzw. größerer Energiespeicherkapazität bei der maximal zulässigen Dehnung. Außerdem überlagern sich die Federkennlinien des u. U. mit Hysterese behafteten Elastomers mit der praktisch reinen Elastizität des Stahls in Fig. 3, a - d sind Beispiele für anisotrop verformbare Dehnkörper in Zylinderform dargestellt.
Fig. 3a zeigt den Mantel 1 eines Kreiszylinders, der aus Elastomer besteht. Wie bei 2 angedeutet ist in Umfangsrichtung eine Armierung eingebettet. Als Bestandteil eines Dehnbehälters kann dieses Gebilde nur entsprechend der Pfeilrichtung achsial verformt werden.
Bei Fig. 3b ist eine Halbschale 1 eines radial bzw. in Umfangsrichtung dehnbaren Zylindermantels abgebildet. Die Armierung 2 verläuft in achsialer Richtung.
Auch der Zylinderabschnitt 1 gemäß Fig. 3c ist nur radial elastisch dehnbar. Er weist im Innern ZwischenwAnde 2 aus, die radial gedehnt werden, sobald der Mantel 3 in Umfangsrichtung verformt wird.
Der Zylinderabschnitt 1 von Fig. 3d weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Er ist in Pfeilrichtung achsial dehnbar.
Damit die Querschnittsform erhalten bleibt, sind Zwischenwände 2 vorgesehen, die ebenso wie die Außenwände 3 nur in Pfeilrichtung verformbar sind. Schließt man den Elastomerkörper von Fig. 3d oben und unten mit einem Deckel ab, der überall den Elastomerquerschnitt 4 bedeckt und mit diesem fest verbunden ist, so entstehen Kammern 5. Füllt man diese Kammern mit einem Medium, so dehnt sich der Körper 1 in Pfeilrichtung entsprechend dem Innendruck unter Speicherung elastischer Energie. Die Außenwände 3 können sich dabei nur wenig ausbeulen, so daß die ursprügliche Rechteckform praktisch erhalten bleibt. Linien 6 kennzeichnen radiale Armierung.
Der Querschnitt kann den Bedürfnissen weitgehend angepaßt werden. Dies bezieht sich sowohl auf die Außenanmessungen als auch auf die Gestaltung der gesamten Querschnittsfläche.
Fig. 4 zeigt im Schnittbild verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten eines achsialelastischen, zylindrischen Druckbehälters 1 mit kreisförmigem Querschnitt. Die Wandung 2 besteht aus Elastomer, welches durch spiralige Einlagen von dehnungsarmen Fasern bzw. Fäden 3 oder Seilen 4 gegen eine Verformung in Umfangsrichtung armiert sind. Oben in Fig. 4 ist der Druckbehälter 1 durch einen Boden 5 abgeschlossen. Dieser ist mit einem Ring 6 verbunden, z.B. verschraubt. Der Ring 6 ist mit dem Elastomermantel 2 verklebt oder durch Vulkanisation fest verbunden. Unten in Fig. 4 ist eine andere Möglichkeit zum Zusammenbau des Druckbehälters 1 gezeigt. Ein mit einem Druchbruch 7 versehener Boden 8 weist eine Rille 9 am äußeren Umfang auf. Durch Spannringe 10 wird der untere Abschnitt 11 des Mantels 2 in diese Rille gepreßt. Die Pressung des Mantels 11 im Bereich der Rille 9 muß ausreichend stark sein, um bei der Dehnung des Zylindermantels 2 in achsialer Richtung und der dabei abnehmenden Wandstärke desselben einen feste Halt zu garantieren.
In Fig. 5 ist ein Druckbehälter 1 dargestellt, der ebenfalls aus einem Elastomermantel 2 mit Böden 3 und 4 besteht. Zur Erhöhung der Rückstellkraft ist im Innern eine Schrauben-Zug-Feder 5 angeordnet, die in der Mitte 6 mit den Böden verbunden ist. Die Dehnungsanisotropie des Elastomermantels wird durch Armierungsdrähte 7 bewirkt.
Diese sind als außen dicht anliegende Schraubenfeder ausgebildet, die durch Haltevorrichtungen 8 mit den Böden 3,4 verbunden ist. Mit Hilfe der Durchbrüche bzw. Anschlüsse 9 ist der Innenraum des Druckgefäßes an ein Leitungssystem anzuschließen.
Der Druckbehälter 1 dieser Fig. 5 ist im gespannten Zustand dargestellt. Das erkennt man daran, daß sich die Elastomer wand 2 in einem gewissen Abstand vom Boden verjüngt (10), und ferner daran, daß zwischen den Armierungswindungen der Außenfeder 7 Ausbauchungen 11 des Zylindermantels 2 vorhanden sind. Dank der Innenfeder 5 brauchen die Böden 3,4 nur eine geringere Belastung durch den Innendruck aushalten als in Fig. 4.
Druckbehälter der zuletzt beschriebenen Art (Fig. 5) können auch mit einer riastomerwand ausgestattet werden, die aus Teilstücken gemäß Fig. 6 zusammengesetzt sind.
In dieser Abbildung besteht der Zylindermantel 1 aus vier Streifen 2 - 5. Jeder dieser Streifen füllt ein Viertel des Mantels 1 aus. Sie überlappen sich gegenseitig (6), ggf. unter Bildung einer Verzahnung (7) oder in anderer Weise. Dabei muß sichergestellt werden, daß zwischen den Armierungsringen - hier gekennzeichnet durch zu deren Lagefixierung vorgesehene Rillen 8 in der 4außenwand von Teilstück 5 keine zu große Ausbauchung und im Gefolge Veränderung der gegenseitigen Lage benachbarter Streifen bei wechselnder Druckbelastung vorkommt. Die Streifen 2 - 5 sind am oberen und unteren Ende mit entsprechend geformten Teilabschnitten 9 eines Verbindungsflansches verbunden. Dte Flanschabschnitte sind zur Verschraubung mit Böden vorgesehen.
Konstruktionen, wie sie in Fig. 6 beispielsweise beschrieben wurden, bringen eine Reihe von Vorteilen mit sich. So ist es möglich, die Behälter in Teilstücken zum Verwendungsort zu transportieren und sie dort zu montieren. Vor allem ist die Fertigung der beschriebenen Streifen einfacher als die Herstellung ganzer Zylindermäntel, insbesondere wenn größere Abmessungen und Wandstärken in Betracht kommen. Durch achsiales Aneinanderfügen kann erreicht werden, daß die Höhe des Druckbehälters ein Vielfaches der Fertigungslänge solcher Streifen beträgt. Ebenso kann durch konzentrisches Aneinanderfügen eine Wandstärke insgesamt erreicht werden, die ein Mehrfaches der bei der Elastomerverarbeitung maximal zulässigen Materialdicke erreicht. Um sicherzustellen, daß bei niedrigen Innendrücken, bevor sich die Nahtstellen 6,7 selber durch Anpressung an die hier nicht dargestellten Armierungsringe abdichten, eine Undichtigkeit auftritt, kann der zusammengesetzte Zylinder von Fig. 6 in bekannter Weise mit einem Elastomer-Innenschlauch abgedichtet werden.
Wird die Wand des Zylinders aus mehreren konzentrischen Schichten in der beschriebenen Weise zusammengestellt, so kann auch von der Kombination unterschiedlicher Elastomere, die nur gleich große Dehnung zulassen müssen, Gebrauch gemacht werden. Dabei kann man auch dem Schutz gegen Einwirkung von Alterungseinflüssen Rechnung tragen. Entsprechende Möglichkeiten ergeben sich übrigens auch, wenn man Kugelbehälter gemäß Fig. 1 und 2 oder Elastomerzylinder gemäß Fig. 4 und 5 aus konzentrischen Schalen mehrschichtig aufbaut.
Das die Energiespeicherung bzw. den Füllungszustand der Druck behälter gemäß der Erfindung kennzeichnende Dehnungsmaß ist # . Für die isotrop verformbare Kugel und den radialelastischen, anisotrop verformbaren Zylinder gilt rmax - ro , (s.Fig.1) #max ro bei einem achsialelastischen, anisotrop verformbare Zylinder hmax - ho . ist #max = ho Hierin ist h die in Achsialrichtung gemessene Höhe des Zylinders.
Besonders günstig für die Energiespeicherung sind Werte von #, die bei ca. 1 liegen. Das bedeutet eine Dehnung um 100 %. Auch Dehnwerte darunter sind für eine Anwendung von Interesse, während an sich erstrebenswerte, höher liegengende Werte (z.B.E = 2) an die verfügbaren Werkstoffe im Dauerbetrieb sehr hohe Anforderungen stellen.
Die bei zylindrischen Druckgefäßen nach der Erfindung vorgesehene Dehnungsanisotropie drückt sich darin aus, daß die jeweils in Querrichtung auftretende Verformung #o wesentlich geringer ist als diejenige in Dehnrichtung #D.
# -# Nach Fig.7 ist #D = D,max D,o #D,o D,o #Q = #Q,max - #Q,o #Q,o wobei z.B. #Q bei radialer Verformung sich auf die Höhe 0 des Zylinders, und bei achsialer Verformung auf den Durchmesser des Zylinders bezieht. Umgekehrtes gilt für oD . t)le crEindungsgcnlißcn DruckbehAlter behalten bei der beträchtlichen Volumenvergrößerung bis 100 % und darüber ihre Gestalt bei; d.h. zum Beispiel bei den Zylinderformen, daß der Zylindermantel sich allenfalls in den Zwischenräumen zwischen Armierungselementen ausbaucht. Die umschreibende Außenkontur bleibt dabei aber die eines Zylinders.
Hierdurch wird erreicht, daß der für das Speichergefäß benötigte Raum optimal genutzt wird und daß bei Verwendung von Elastomerwandungen das elastische Material an allen Stellen weitgehend gleichartig beansprucht und somit seine Speicherfähigkeit am günstigsten ausgenutzt wird. Es hat sich gezeigt, daß diese Bedingungen eingehalten werden, z.B. ca. 25 % von ç D erreicht. Bei vielen Ausführungen bzw. bei der Verwendung geeigneter Armierungelementen ist e Q viel niedriger. Benutzt man hingegen einen Elastomermantel, der nur in Abständen durch Armierungselemente gehalten wird, wie z,B. Fig. 5, 6, 8, 10 - 12, 14 -16, 25,26,28, so ist eine Wölbung bis zu den genannten Beträgen von £ Q, bezogen auf £ Dt zu beobachten und ohne weiteres zulässig. Sie stellt sich bei einem Elastomer z.B. bei 10 bar Innendruck je nach Elastizitätsmodul ein, wenn im unbelasteten Zustand die armierungsfreien Abschnitte in Dehnrichtung ca. 1 - 3 mal so groß sind wie die Wandstärke. Hierbei wirkt der auf die Wand ausgeübte Zug der ebenfalls vom Innendruck verursachten Ausbauchung vorteilhaft entgegen.
In Fig. 8 wird das Prinzip des achsialelastischen Dehnzylinders in seiner Anwendung auf einen torusförmigen Hohlkörper gezeigt. Rechts ist in der Ansicht ein Abschnitt 1 eines gekrümmten Elastomerschlauches dargestellt, der mit Ringen 2 armiert ist.
Die Flansche 3 und 4 lassen erkennen, wie ein derartiger Torus auch aus einzelnen Teilabschnitten zusammengesetzt werden kann. Wird der Innenraum dieses Behälters unter Druck gesetzt, so findet eine Ausdehnung in der Weise statt, daß der große Radius Ro z.B. den Wert Rmax annimmt, während der kleine Radius r sich nicht ändert. Lediglich zwischen den Armierungsringen 2 findet eine Wölbung (5) statt. Diese Ausführungsformen eines Druckgefäßes benötigt keine Böden, weil der Zylinder endlos ist.
Eine rohrförmige Form eines Druckzylinders zeigt die Fig. 9.
Der Druckbehälter 1 besteht aus einem Elastomerrohr bzw.
-schlauch 2 mit einer die Dehnung in Achsenrichtung begrenzenden Armierung 3. Am linken Rohrende befindet sich ein Boden 4, der mit dem Elastomer in der dargestellten Weise verbunden ist. Bei innerem Uberdruck nimmt der Zylindermantel die Position 5 ein. Dabei bildet sich eine Vbergangszone 6 mit progressiv zunehmendem Durchmesser heraus. Die Gestalt der Übergangszone kann dadurch beeinflußt werden, daß die Armierung 3 in einem geeigneten Abstand von Boden 4 endet. Am rechten Ende dieses radialelastischen Elastomer-Druckbehälters ist ein Flansch7 angebracht.Dieser kann z.B. zur Verbindung mit einem Boden oder einem zweiten Speicherbehälter dienen. Zur Herabsetzung der Verformungsunterschiede im Bereich der Übergangszone 8 erweitert sich der Querschnitt des Rohres 2 zur Befestigungsstelle 9 mit dem Flansch 7 hin.
Bei der vollen radialen Dehnung bis in Position 5 werden die in der Ubergangszone 8 liegenden Teile der Wandung 2 weniger stark belastet als im Bild links (6).
Ein radialelastischer Zylinder wird bei gleichem Innendruck wesentlich stärker und mit einer anderen Charakteristik verformt als ein sonst gleich dimensionierter achsialverformbarer Zylinder. Bei gleichem Mengenaufwand von federelastischen Materialien benötigt man daher niedrigere Drücke um gleiche Werte für das Dehnungsmaß £ D zu erreichen.
In Fig. 9 war die Armierung in achsialer Richtung lediglich angedeutet. Mögliche Ausführungen dafür zeigt Fig.10. Im Querschnitt ist ein Elastomerzylinder 1 in Abschnitten a - d dargestellt.Beim Abschnitt a sind auf die Außenwand 2 Seile, Stäbe oderdergl.3aufgelegt und in geeigneter Weise mit dieser verbunden. Der Abschnitt b weist im Innern des Zylindermantels Verstärkungsfäden oder -drähte 4 auf. Im Abschnitt c sind auf der Innenseite der Wandung 5 Armierungsstäbe 6 eingebettet. Der Abschnitt d ist aus Segmenten 7 gebildet, die durch Armierungsstreifen 8 bzw. 9 fest untereinander verbunden sind. Die Ausführung von Abschnitt d führt zu einer Behinderung der Querkontraktion bei Dehnung Dies Zylindermantels in Umfangsrichtung und somit zu einer Erhöhung der Verformungskräfte. Außerdem kann eine Versteifung des zylindrischen Rohres zur Erhaltung der achsengeraden Gestalt erreicht werden.
Möglichkeiten zur Erhöhung der Federkraft bei radialer Verformung zeigt die Fig. 11. Ein Abschnitt eines radialelastischen Elastomerzylinders 1 - die Längsarmierung ist nicht dargestellt - ist links im Querschnitt (2), rechts in Ansicht (3) dargestellt. Er ist teilweise mit einem Elastomerband 4, und an anderer Stelle mit Elastomerfäden 5 in diagonaler Wicklung, umgeben. Beide Arten von in Umfangsrichtung wirksamen Zusatzfedern können auch mit Vorspannung aufgezogen werden. Dadurch läßt sich die Beziehung zwischen dem Innendruck und der Verformung,welche für die volumenspezifische Speicherkapazität verantwortlich ist, vorteilhaft beeinflussen.
Fig. 12 stellt Ausführungsformen von radialelastischen Speicherzylindern dar, die an ihrem Ende einen verformbaren Boden aufweisen. Bei dem Mantel 1 des Zylinders handelt es sich um ein Wellen- bzw. Faltrohr, wie es in Fig. 19 bzw. 20 näher beschrieben werden wird. Oberhalb der Mittelachse 3 hat die Zylinderwand 1 ihren Ausgangsradius, unterhalb ist die Wand (2) auf größeren Radius gedehnt dargestellt.
Der flexible Boden 4 nimmt unter dem Einfluß der radialen Dehnung sowie der achsial gerichteten Druckbelastung etwa die Form 5 an. Um die Verformung zu erleichtern, kann der Boden 4,5 an seiner Peripherie 6 sowie in der Zone 7, in welcher die Einbettung des Zylindermantels 1,2 in die Elastomerkappe 4 erfolgt, ähnlich wie der Zylindermantel gewellt ausgebildet sein. Elastomer-Ringe, bei 8 in gedehntem Zustand dargestellt, können außen aufgezogen sein.
Es können auch dehnbare Bänder 9 als Zusatz federn verwendet werden, die mit ihrem Innen-Querschnitt an die Wellenform angepaßt sind und somit, wie bei 10 dargestellt, in die Vertiefungen der Wandung eingreifen. Auf diese Weise ist es möglich, die Federfunktion nach Belieben von dem Mantel 1,2 des Zylinders auf die federnden Ringe 9 zu verlagern.
In Fig. 13 wird, wie in Fig. 9, ein radialelastischer Elastomer-Druckbehälter durch einen starren Flansch 2 abgeschlossen.
Zur Erzielung einer geregelten Querschnittszunahme im Ubergangsbereich sind oben Elastomer-Ringe 3 abnehmender Dicke, unten ähnlich wirkende konzentrische Schlauchabschnitte 4 abnehmender Länge angebracht. Im oberen Teil ist eine dehnungsarme, flexible Armierung 5 vorgesehen, welche bis nahe (6) an den Flansch heranreicht. Unten ist eine biegesteife Armierung 7 verwendet, welche bei 8 endet.
In den Fig. 14 - 18 sind noch einmal verschiedene Ausführungsformen achsialelastischer Dehnzylinder dargestellt.
In Fig. 14 sind 2 gleichartige Dehnzylinder 1 wiedergegeben.
Sie bestehen aus Flanschen 2,3, welche durch einen Zylindermantel 4 miteinander druckdicht verbunden sind. Der Flansch 2 ist durch einen Deckel 5 verschlossen, während Flansch 3 mit dem entsprechenden Gegenstück 6 druckdicht verbunden ist.
Die Verbindungsflansche 3,6 weisen öffnungeni7 auf,, so daß beide Kammern 1 gleichen Innendruck aufweisen. Der verringerte Querschnitt (8) im Vergleich zum Ausgangsquerschnitt (9) sowie die Ausbauchung (10) sollen anzeigen, daß sich im Innenraum der Behälter 1 Überdruck befindet. Ist der Abstand zwischen den Flanschen 2 und 3 gering genug in Bezug auf die Wandstärke, dann überwiegt die achsiale Dehnung. Ist das nicht der Fall, so können, wie in Fiq. 15 dargestellt, Armierungsringe 5 zur Hilfe genommen werden. In Fig. 15 sind die Elastomerzylinder-Abschnitte 2 direkt mit einem Zwischenring 3 und den Böden 4 verbunden. Der ganze Druckbehälter ist, abgesehen von der Armierung 5, somit ein festlzusammenhängendesGebilde. (Anschlüsse an das Leitungssystem sind hier wie in anderen Abbildungen der Einfachheit halber fortgelassen). Der Druckbehälter von Fig. 15 befindet sich im achsial gedehnten Zustand, wie die Querschnittsform des Elastomermantels 2 ausweist.
Fig. 16 zeigteinenElastomerzylinder l mit einer äußeren Abmessung von rechteckiger Form, der in seiner Querschnittsfläche 2 Hohlräume 3 aufweist, welche an das Drucksystem angeschlossen zu denken sind. Dieser Zylinder ist beiderseits mit starren Scheiben4 fest verbunden. Das beschriebene Gebilde entspricht in seiner Funktion den Dehnzylindern 1 in Fig. 14. Bei entsprechendem Zusammenbau werden Behälter, die aus Abschnitten igemän Fig.l6 bestehen, sich achsial unter Speicherung sehr großer Federenergie dehnen, während die in den Querrichtungen wirkenden Kräfte dank der als Armierung wirksamen Scheiben 4 nur eine begrenzte Verformung zur Folge haben.
Die Erfindung sieht auch achsialelastische Druckbehälter vor, bei denen, wie in Fig. 17, der Zylindermantel als zylindrisches Wellenrohr 1 mit Kreisquerschnitt ausgebildet ist. Das Wellenrohr (bzw. Wellenzylinder) 1 ist mit Flanschringen 2 bzw.3, und diese mit Böden 4 bzw. 5 verbunden. Da Wellenzylinder die sich aus ihrer radialen Druckbelastbarkeit ergebenden achsialen Druckkräfte nicht ohne bleibende Deformation aufnehmen können, können sie als Speicherbehälter im Sinne der Erfindung nur in Zusammenwirkung mit ergänzenden Federelementen verwendet werden.
Im Fall der Fig. 17 dient zu diesem Zweck eine aus Elastomerzylindern 6 und Scheiben 7 zusammengesetzte, zentral angeordnete und mit den Böden 4,5 verbundene elastomere Zugfeder. Sie ist, ebenso wie der Wellenzylinder 1, im maximal gedehnten Zustand dargestellt.
Der achsialelastische Druckzylinder 1 in Fig. 18 funktioniert ähnlich wie der in Fig. 17 beschriebene Behälter.
Er weist Böden 2, 3 auf, zwischen denen im Innenraum 4 Zugfedern 5 eingehängt sind. Die einachsig dehnbare Wandung ist ein Faltzylinder 6. Er besteht aus Kreis-Ringscheiben 7, die aus einem geeigneten nichtmetallischen Werkstoff bestehen. Infrage kommen hierfür Elastomerbahnen, die evtl. mit Textileinlagen verstärkt sind, oder mit Thermoplasten bzw. Elastomeren beschichtete hochfeste Gewebe.
Die Ringscheiben 7 sind abwechselnd am inneren Umfang 8 bzw. äußeren Umfang 9 aneinander befestigt. An den Befestigungsstellen können Verstärkungsringe 10, 11, 12 angebracht werden. Die Zugfedern 5 aus Stahl sind bis etwa e = 1 gedehnt; der Faltzylinder 6 ist so ausgelegt, daß er ebenfalls 100 % Dehnung erlaubt. Faltzylinder gemäß Fig. 18 gestatten jedoch auch noch darüberhinausgehende Dehnwerte.
In Fiq. 19 sind radialelastische Wellenrohre dargestellt.
Eine Wellenbildung, wie sie bei Achsialkampensatoren aus Metallblechen üblich ist, zeigt der Abschnitt 1, er nimmt im gedehnten Zustand die Form 2 an. Eine andere Wellenform zeigt der Abschnitt 3, der nach Dehnung in Umfangsrichtung die Form 4 annimmt. Das Innere 5 des abschnittsweise dargestellten Dehnzylinders 6 kann einen Kern bzw. Innenkörper 7 beliebiger Funktion aufweisen, auf den das Wellenrohr (1, 3) aufgezogen ist. Dadurch kann der im entspannten Zustand verbleibende Totraum 8, 9 auf ein Minnimum begrenzt werden. Die Wellenrohre 1, 3 werden aus Federstahl hergestellt und können entsprechend ihrer Wandstärke bei gegebenem Durchmesser sehr hohe elastische Kräfte-aufnehmen. Da die Verformung innerhalb des Blechmantels weniger kompliziert ist als bei achsialverformbaren Wellenzylindern, sind größere Dehnwege bzw. längere Lebensdauer bei häufigem Dehnungswechsel zu erzielen.
Auch Fig. 20 stellt im Schnitt Abschnitte eines radialelastischen Wellen- bzw. Faltrohres 1 dar. Die Abschnitte a zeigen ein Wellenrohr 2 im ungedehnten bzw. 3 im gedehnten Zustand.
Es ist außen umhüllt mit einem Elastomer 4, welches als über die Zylinderlänge geschlossenes Rohr oder als eine Folge von Ringen gleichen Querschnittes ausgebildet ist.
Bei Ausdehnung nimmt es unter Speicherung elastischer Energie die Gestalt 5 an. In den Abschnitten b ist zusätzlich eine Innenauskleidung 6 dargestellt, die als durchgehendes Rohr dem Wellenzylinder 7 innen anliegt, ebenfalls als Energiespeicher wirkt und außerdem z.B. als Korrosions, schutz gegenüber dem Druckmedium dienen kann. Speziell in dem in Abschnitten b dargestellten Fall kann die Wand 7 sowohl als federelastisches Wellenrohr aus Stahl oder anderen geeigneten Werkstoffen bestehen, aber auch aus eine bahnenartigen Stoff, der mit den Elastomerschichten 8, 9 in geeigneter Weise verbunden ist, und der in Richtung d Zylinderachse dehnungsarm ist; um die erforderliche Deh- t nungsanisotropie herbeizuführen.
Fig. 21 stellt ein Beispiel einer Speicherbatterie dar.
Diese Batterie 1 weist drei achsialelastische DruckbehälA auf, welche auf einer Unterlage 3 nebeneinander stehen. 5 tragen gemeinsam ein Gefäß 4, welches mit Ballast 5, z .B., Wasser gefüllt ist. Die Druckbehälter 2 haben z.B. einen Durchmesser von 5 m, das Gefäß 4 eine Länge von 28 m. Zwt dem Boden des Gefäßes 4 und der Unterlage 3 sind 4 Zug je befestigt. Wird durch die Zulcitung 7 ein Druckmedium, Wasser oder Luft, in die Druckbehälter 2 eingefüllt, so nen diese sich aus gegen ihre eigene Rückstellkraft, gegen die Kraft der Federn 6 und gegen die auf das Gefäß 4 mitl Ballast 5 wirkende Schwerkraft. Falls das Druckmedium ei; ist, so bildet sich durch dessen Kompression ein weiterer Energiespeicher innerhalb der Druckbehälter 2. Die gesamt gespeicherte Energie steht bei Entnahme aus der Zuleitun im Bedarfsfall als Strömungsenergie wieder zur Verfügung Der Totraum von Dehngefäßen kann erfindungsgemäß dadurch weitgehend verringert bzw. eliminiert werden, daß ähnl gebaute Dehngefäße angepaßter Größe darin aufgestellt >' u.U. ein Satz von Gefäßen abnehmender Größe in koaxial Anordnung.
In Fig. 22 ist ein - der Einfachheit halber ohne Armierung dargestellter - achsialelastischer Elastomer-Druckbehälter wiedergegeben , dessen Totraum mit Ballast ausgefüllt ist.
Der obere Boden ist als Behälter 1 ausgebildet, welcher im ungedehnten Zustand (a) den Innenraum 2 weitgehend ausfüllt.
Hierdurch wird der Totraum des Druckbehälters zum Verschwinden gebracht. Der in dem Behälter 1 geschaffenen Raum wird zugleich vorteilhaft genutzt, indem er zur Bildung eines Schwerkraftspeichers dient, in welchem Ballast 4, beispielsweise Erdaushub, Sand oder Gestein, eingefüllt wird. Der gefüllte Speicher ist bei b dargestellt. Durch Einfüllen eines Druckmediums entsteht bei Ausdehnung der Innenraum 3; er steht unter der kombinierten Wirkung der federelastischen Energie, die in der Wand 5 gespeichert ist, und der Lageenergie, die durch das Anheben des oberen Bodens mit Gefäß L, gefüllt mit Ballast 4, gespeichert wurde.
Die Fig. 23 zeigt ein Beispiel für die Arbeitsweise einer Speicherbatterie, die aus achsialelastischen Druckbehältern nicht näher gekennzeichneter Bauweise besteht. Druckbehälter 1 sind in einer Reihe angeordnet, so daß sich die Ausdehnung resp. Zusammenziehung aller Behälter addiert. Die Behälterbatterie ist an einem steilen Berghang 2 angelehnt und kann sich auf Rollen 3 in Längsrichtung frei bewegen, während der unterste Behälter auf einem Sockel 4 ruht. Bei Füllung der Batterie mit Maximaldruck vergrößern sich die einzelnen Druckbehälter und fahren nach oben, wie am Beispiel des obersten Behälters 5 zu erkennen ist. Die Behälter 1 bzw. 5 können mit Luft auf gleichen Innendruck gefüllt werden, wobei sie untereinander durch Leitungen verbunden sind. Das Gewicht der angehobenen Behälter liefert einen Beitrag zur Energiespeicherung, besonders wenn auch Ballast, z.B. nach Art der Fig. 22, befördert wird.
Dient Wasser als Druckmedium, so kommt noch dessen Gewicht hinzu, das einen hydrostatischen Druck liefert. Der Druck im untersten Druckbehälter ist jeweils am höchsten. -Eine derartige Speicherbatterie kann auch waagerecht verlegt werden; dann kommen Beiträge von Lageenergie allerdings in Fortfall. Im Vergleich zu bekannten Pumpspeichern benötigen Speicher gemäß der Erfindung nur einen kleinen Bruchteil an Platz bzw. Bauvolumen, um die gleiche Speicherkapazität unterzubringen. Geländeerhebungen können ausgenutzt werden, sind aber nicht erforderlich.
In Fig. 24 sind 6 achsialelastische Druckbehälter 1 durch Rohrkrümmer 2 zu einem polyedrischen, torusartigen Ringgebilde druckdicht zusammengefügt. Bei Erhöhung des Innendruckes nehmen die Dehnzylinder 1 die vergrößerte Form 3 an dadurch nimmt der Radius des Ringgebildes von r1 auf r2 zu.
Das Speichervermögen eines Dehnbehälters hängt von der bei der Füllung mit dem Druckmedium erzielten Volumenvergrößerung ab und von der dabei gegen Federkräfte geleisteten Arbeit. Bei der restlosen Entleerung eines gefüllten Druckgefäßes nach der Erfindung, fällt der Innendruck entsprechend der vollständigen Entspannung der Federn bis auf Null ab.
In vielen Anwendungsfällen wird man jedoch den Speicher nicht vollkommen entleeren, sondern z.B. zwischen 100 % und 40 % Füllungsgrad arbeiten. In solchen Fällen erhöht sich das nicht entleerbare Totvolumen um den Wert von 40 % der maximalen Ausdehnung. Um das zu vermeiden, kann man vorteilhaft das bekannte Prinzip der vorgespannten Feder anwenden. Dies zeigt an einem Beispiel die Fig. 25. Der Druckbehälter 1 besteht wie z.B. in Fig. 5 aus einem außen armierten zylindrischen Elastomermantel 2. Dieser ist mit dem als Topf 3 mit einem Flansch 4 ausgebildeten oberen Boden 5 verbunden.
Am unteren Rand ist der Elastomermantel 2 mit einem als Ringscheibe ausgebildeten Flansch 6 verbunden, welcher Spannschrauben 7 aufweist. Diese werden in entsprechende Bohrungen 8 des unteren Bodens 9 gesteckt. Mit Hilfe der Muttern 10 kann der Mantel 2 vorgespannt werden bis zu der Position 11 mit dichter Verbindung 12 am Boden 9. Hierbei wird die Gegenkraft durch den Auflagepunkt 13 zwischen Boden 9 und Topf 3 auf den oberen Boden 5 übertragen. Danach können die Spannschrauben 7 gekürzt werden.
Die Erfindung sieht auch die kombinierte Anwendung von Dehnelementen verschiedener Bauart und aus unterschiedlichen Werkstoffen vor. Um jedes Kombinationselement optimal auszunutzen, kann es erforderlich werden, für unterschiedliche ralative Dehnwerte bzw. Dehnwege zu sorgen. Zur Verdeutlichung sind Beispiele in Fig. 26 - 28 dargestellt.
Fiq. 26 zeigt einen Dehnzylinder 1 zur achsialen Verformung mit Elastomermantel 2, der eine Außenarmierung 3 besitzt.
Die Böden 4 sind stark nach außen gewölbt, so daß die innen an ihnen bei 5, 6 befestigte Zugfeder 7 eine Ausgangslänge hF erhält, die größer ist als die Ausgangslänge hE des Elistomers.
Diese Anordnung ist zweckmäßig, wenn die zulässige relative Dehnbelastung für das Elastomer größer ist als für die Feder.
In Fig. 27 ist durch die nach innen gerichtete Wölbung der Böden 1, 2 erreicht, daß die an den Böden befestigten Elastomerfedern 3 eine kürzere Ausgangs länge aufweisen als der Wellenzylinder 4, der den Außenmantel des kreiszylindrischen Dehngefäßes 5 bildet. Bei der Ausdehnung des Gefäßes 5 ist die relative Dehnung des Wellenzylinders wesentlich geringer als diejenige des Elastomers.
Eine Möglichkeit, bei der Verwendung von Schraubenfedern einen über die maximale Dehnbarkeit der einzelnen Feder hinausführenden Gesamt-Federzug zu erreichen, zeigt die Fig. 28. Ein Dehnzylinder der in Fig. 5 beschriebenen Bauart ist im ungedehnten Zustand 1 rechts und im gedehnten Zustand 2 links abgebildet. Böden 3, 4 sind in der vorbeschriebenen Weise mit dem Elastomermantel 5 resp. 6 zu einem achsial dehnbaren Druckgefäß zusammengebaut. Im Innern des Gefäßes befinden sich eine Zugfeder 7 und eine Druckfeder 8.
Die Zugfeder 7 ist bei 9 am Boden 4, bei 10 an einer Ringscheibe 11 befestigt.Die Druckfeder 8 stützt sich unten an der Scheibe 11, oben an einer Haltevorrichtung 12 ab, welche mit dem unteren Boden 3 verbunden ist. Im gedehnten Zustand 2 wird der Mantel 6 um den Betrag gedehnt, der sich aus der unterschiedlichen Länge der Bildhälften 1 und 2 ergibt.
Auch die Feder 7 wird gedehnt, aber um den Betrag weniger, der dem Abstand der Scheibe 11 vom Boden 3 in der linken Bildhälfte 2 entspricht. Dieser letztgenannte Differenzweg entspricht der Stauchung der Druckfeder 8 auf der linken Seite 2 gegenüber der rechten Seite 1. Die Zugfeder 7 kann mehrgängig ausgeführt sein, um die Befestigungsmöglichkeiten am Boden 4 resp. Ring 11 zu verbessern.
Den Druckbehältern gemäß der Erfindung ist in geschlossenen Systemen, wie sie bei Energiespeicherung mit flüssigen Medien vorkommen, im allgemeinen ein weiterer Behälter zugeordnet, der jeweils die Menge des Druckmediums aufnehmen muß, die aus dem Speiche:gefäß entnommen wird. Beide Gefäße müssen daher im Prinzip gleiches Aufnahmevermögen haben. Um Platz zu sparen, kann, wie in Fig. 29 dargestellt, ein Dehngefäß beliebiger Bauart im Innenraum 1 eines Aufnahmebehälters 2 angebracht werden. Der Dehnbehälter kann z.B. als achsialelastischer Zylinder 3, im teilweise gedehnten Zustand 4, oder als radialelastischer Zylinder 5, teilweise gedehnt 6, vorgesehen werden. In jedem Fall ist durch das äußere Leitungssystem 7, 8 mit Pumpe P und Antriebsmaschine A sichergestellt, daß der Druck im Innenraum 1 des Aufnahmebehälters a unabhängig ist von dem je nach Speicherzustand unterschiedlichen Druck bzw. Volumen des Dehngefäßes 3 - 6, da beide Volumina eine konstante Summe bilden. Der Druck im Gefäß 1 kann vorteilhaft 10 - 50 % des Maximaldruckes betragen, für den der Druckbehälter 3 resp. 5 vorgesehen ist, aber auch andere Werte annehmen. Die Teile des Druckfldssigkeits-Systems, namentlich Pumpe P, Antriebsmaschine A sowie Leitungen 7, 8 können in geeigneten Fällen auch im Totvolumen des Druckbehälters 3 resp. 5 untergebracht werden. Hierdurch entsteht eine ganz besonders kompakte, handliche bzw. leicht tranportable Station zur Speicherung bzw.
Umwandlung von Energie. Wird die Pumpe P elektrisch betrieben und treibt die Antriebsmaschine A ein Arbeitsgerät bzw. einen elektrischen Generator, so stellt das in Fig. 29 beschriebene und schematisch dargestellte Gerät einen Energiespeicher dar, der am Stromnetz kurzzeitig aufgeladen werden und an netzfernem Ort Arbeit leisten oder Strom erzeugen kann.
Die Erfindung sieht vor, das Totvolumen eines Dehnbehälters zur Unterbringung von zusätzlichen Einrichtungen auszunutzen.
Insbesondere ist dabei auch an Wärmetauscher gedacht. Diese können z.B. der Temperierung des Druckmediums oder eines anderen Mediums dienen, z.B. in der Funktion eines Wärmespeichers. Fig. 30 a - c zeigt dafür Ausführungsbeispiele. In jedem der 3 Fälle a - c ist ein aus Wellenzylinder 1, außen konzentrisch angeordneter Elastomerfeder 2 und Böden 3, 4 - 6 gebildeter Druckbehälter im gedehnten Zustand dargestellt.
Der untere Boden 4 in Fig. 3O,a weist Durchführungen 7, 8 für ein Wärmetauscherrohr 9 auf. Dieses steht im Kot takt mit der Flüssigkeitsfüllung 11, die vorzugsweise so zu bemessen ist, daß sie das Volumen des Behälters der Fig. 3O,a im Zustand minimaler Dehnung etwa ausfüllt. Die Füllung 11 kann mit den Durchbrüchen 12 an ein Leitungssystem angeschlossen werden. Der so gebildete Wärmespeicher mit Wärmeaustauscher kann z.B. als Komponente einer Wärmepumpe dienen.
Fallen die Durchführungen 8 und 12 fort, und öffnet man das Wärmetauscherrohr 9 in Richtung 10, so kann die Leitung 7, 10 zum Füllen bzw. Entleeren des Gefäßes benutzt werden, und zwar sowohl mit Gas als auch mit Flüssigkeit, wobei die Wärmekapazität der Flüssigkeit 11 zur Temperierung des Druckmediums dient.
Fig. 30,b unterscheidet sich von Fig. 3O,a dadurch, daß der untere Boden 5 einen angeschlossenen starren Behälter 13 aufweist. Druckbehälter, wie in Fig. 30,b dargestellt, können u.a. in der gleichen Weise wie bei Fig. 30,a beschrieben, betrieben werden. Der abgeschlossene. Raum 14 des Behälters 13 gestattet es jedoch z.B., den Arbeitsraum 15 des Dehnbehälters mit einem Druckmedium zu füllen, welches mit der Füllung des Innenraumes 14 nicht in Berührung kommen soll.
Wieder ein anderes Beispiel zeigt Fig. 30,c. Der untere Boden 6 bildet ein nach außen offenes Gefäß 16, in welchem sich ein aus Rohrsystemen 17, 18 gebildeter Wärmetauscher befindet. Er kann zur Temperierung des Druckmediums dienen, wenn dieses auf dem Weg 19, 20 ein- und ausströmt. Betrachtet man stattdessen die Leitungsführung 19, 21, so ist ein von dem Speicherbetrieb unabhängiger Wärmetauscher dargestellt. In diesem Fall wird zum Betrieb des Druckspeichers eine hier nicht dargestellte Zuleitung benötigt.
Fig. 30,a -*c gibt lediglich beispielsweise die Möglichkeiten der raumsparenden Kombination von Druck- und Wärmespeicherung wieder. Im Falle der Verwendung eines gasförmigen Druckmediums kann es wünschenswert sein, dem einströmenden Gas seine Kompression.swärme bet hoher Tcw£j<'raLtlr ubzufullrt wie es z.B. Festkörperwärmespeicher ermöglichen. Die hohen Temperaturen dieser Speicher, die bei Unterbringung im Speichertotraum gemäß Fig. 30 auch gut gegen Verluste geschützt sind, ermöglichen bei der Gasentnahme aus dem Druckspeicher eine wirksame Kompensation der adiabatisch bedingten Abkühlung.
Die Speicher gemäß der Erfindung sind auch geeignet, um innerhalb von Leitungen zum Transport von Stoffen bzw.
Energieträgern als Puffer zu dienen, die die Aufgabe der druckabhängigen Speicherung bzw. des Druckausgleiches bei Förderunregelmäßigkeiten übernehmen, Hierfür eignet sich u.a. ein radialelastischer Elastomerschlauch 1, wie er in Fig. 31 dargestellt ist. Er ist am Ende 2 flanschartig erweitert und, ausgenommen in dem flanschnahen Ubergangsbereich 3, in Längsrichtung armiert (4). Dehnkörper 1 werden in ein passendes Außenrohr 5 mit Wandung 6 und Flanschen 7 eingeschoben. Ferner werden im Umfang geteilte Zwischenringe 8 auf die Rohrenden aufgesetzt. Die Flanschen 7, die Ringe 8 und die Elastomerflansche 2 werden durch Schrauben dichtend verbunden. Wird der Schlauch 1 durch Überdruck im Innenraum 9 im Umfang gedehnt (10), so legt er sich im Übergangsbereich an die Schultern 11 der Zwischenringe 8 an, in seiner gesamten übrigen Längeweiteter sich unter Beibehaltung der Zylinderform aus. Das dabei sich verkleinernde Volumen 12 zwischen Schlauch 1 und Rohrwand 6 kann als Gaspolster einen Beitrag zum Druckaufbau leisten. Ist das nicht erwünscht, so sorgen Öffnungen 13 für Druckausgleich. Der in Fig. 31 beschriebene Gedanke kann auch noch auf andere Weise konstruktiv realisiert werden. So kann das Außenrohr 6 selber geteilt sein, so daß die Zwischenringe 8 mit demselben integriert werden können. Das Außenrohr kann andererseits durch einzelne Stäbe ersetzt werden. Es kann auch ganz entfallen, wenn die geringen Achsialkräfte, die ein längsarmierter Dehnschlauch der beschriebenen Art ausübt, nicht stören.
Die gleichen Funktionen, die ein radialelastischer Dehnkörper als Abschnitt einer Transportleitung, wie in Fig. 31 beschrieben, übernimmt, können auch achsialelastischen Dehnkörpern gemäß der Erfindung übertragen werden. Zu diesem Zweck schließt man ein paar solcher Druckbehälter je an einem Ende an einen rechtwinkligen Rohrkrümmer an, am anderen Ende beide an einen U-förmigen Rohrbogen. Das ganze Gebilde stellt einen in eine Leitung einzufügenden,vom Medium durchflossenen Strömungsspeicher dar. Die druckabhängig mehr oder weniger große Dehnung des beschriebenen Speicher-Doppelzylinders erfolgt senkrecht zur Richtung der Transportleitung, so daß diese keine Achsialkräfte aufzunehmen hat.
Ein Anwendungsbeispiel für Dehnungsspeicher gemäß der Erfindung, die zur Federung eingesetzt werden, zeigt Fig. 32.
Eine Achse 1, z.B. von einem Fahrzeug,ist am unteren Boden 2 eines an sich bekannten gewebearmierten Gummibalges 3 befestigt, dessen oberer Boden 4 einen Träger 5 stützt. Dieser sei über einen weiteren Träger 6 mit dem Gewicht des Fahrzeuges, einer wechselden Kraft oder dergl. belastet.
Über eineLeitung7steht der Gummibalg 3 mit einem Dehnzylinder nach der Erfindung in Verbindung. Es handelt sich bei diesem Beispiel um einen achsialelastischen Druckbehälter 8, dessen Rückstellkraft durch einen Elastomermantel 9 sowie durch eine bzw. mehrere zugleich als Armierung gegen radiale Verformung dienende Schraubenfedern 10 bereitgestellt wird. Der Druckbehälter 8 kann beispielsweise, wie dargestellt, an dem Träger 6 befestigt werden.
Füllt man die Hohlräume der Behälter 3 und 8 sowie die Leitung 7 mit Hydrauliköl, so erhält man ein Federungssystem. Da der Gummibalg 3 sich ohne wesentliche eigene Rückstellkräfte achsial verformen läßt, wird belastungsabhängig mehr oder weniger Öl in den als Feder wirkenden Dehnzylinder 8 gedrückt. Seine durch das Verhältnis der Federkräfte von Mantel 9 und Feder 10 zu der achsial mit Druck beaufschlagten Innenfläche des Druckbehälters 8 auf die gewünschte Höhe eingestellten Rückstellkräfte tragen somit das Gewicht bzw. nehmen federnd Belastungsschwankungen auf.
Es handelt sich um ein als hydroelastische Feder zu bezeichnendes System, welches ohne pneumatische Komponente funktioniert.
Schließlich sieht die Erfindung noch die Kombination des hydroelastischen mit dem an sich bekannten hydropneumatischen Speicher- bzw. Federungsprinzip vor. In Fig. 33 ist ein solcher hydro-elasto-pnuulnat;lecher Syaicharl,ehllltar 1 dargestellt. Er besteht aus einem äußeren starren Druckbehälter 2. Ein innerer, achsialelastischer Druckbehälter 3 besitzt gemeinsam mit dem Außenbehälter 2 einen unteren Boden 4 mit Durchführung 5 für die Druckflüssigkeit. Der Dehnbehälter 3 ist mit einem Mantel 6 aus Wellenrohr und einem oberen Boden 7 versehen. Seine Rückstellkraft erhält er von einer Zugfeder 8. Der Hohlraum des Außenbehälters 2, der zwischen dem Dehnzylinder 3 bzw. seinen Wandungen 6, 7 und der Behälterwandung 9 verbleibt, ist über die Anschlußstelle 10 in der bekannten Weise mit einem Druckgas gefüllt. Die ganze Anordnung unterscheidet sich von einem bekannten hydropneumatischen Speicher dadurch, daß zu der pneumatischen Feder eine elastische Federfunktion hinzugefügt ist. Hierdurch kann die Speichercharakteristik und u.U. auch die volumenspezifische Speicherkapazität günstig beeinflußt werden.
Die achsialdehnbaren Ausführungsformen nach der Erfindung können im Prinzip anstatt mit Zugfedern auch mit Druckfedern zusammenwirken. Dazu müssen in bekannter Weise Gegenlager zur Verfügung gestellt werden. Den bekannten Vorzügen von Druckfedern steht als Einschränkung gegenüber, daß für ihre Anwendung im Rahmen der Erfindung i.a. mehr Bauraum benötigt wird, um den gleichen achsialen Dehnweg wie mit Zugfedern zu erreichen.
Ein Vorteil von dehnbaren Druckbehältern gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Außenabmessung zur Anzeige des Füllungsgrades dient.
Dienen Druckgefäße nach der Erfindung als Speicher bei der Energieversorgung, so kann beim Füllen bzw. Entleeren mit mittleren bis sehr langsamen Dehngeschwindigkeiten gerechnet werden. Als Beispiel sei die Speicherfüllung mit Windkraft während 4 Stunden, Speicherung für 12 Stunden, Entnahme während 2 Stunden genannt. Höhere Dehngeschwindigkeiten können bei der Anwendung in der Hydraulik, zur Druckregelung in Leitungen oder z.B. bei der Verwendung als hydroelastisches Federelement für Fahrzeuge vorkommen.
Bei flüssigen Druckmedien entfällt die mit der Füllungsgeschwindigkeitbei Gasen gekoppelte Erwärmung. Soweit z.B. wegen der prinzipiell höheren Energiedichte mit gasgefüllten Dehnbehältern gearbeitet wird, ist auf die Dauertemperaturbelastbarkeit der Behälterwandung Rücksicht zu nehmen bzw. für Kühlung zu sorgen. Bei mehrschichtigem Aufbau der dehnbaren Behälterwand führt das evtl. zu speziell auszuwählender Konstruktion bzw. Werkstoffzusammensetzung der innersten Lage.
Die Anwendungsmöglichkeiten der Energiespeicher gemäß der Erfindung sind zahlreich und können im einzelnen nicht vollständig aufgeführt werden.
Ist das Druckmedium gasförmig, so kommen die Gastechnik, Drucklufttechnik, Fernleitungstechnik und die damit zusammenhängenden Verwendungsgebiete in Betracht.
Die Speichertechnik kann aber auch als selbständiges Arbeitsgebiet betrachtet werden, welches vor allem in der Energiewirtschaft von größter Bedeutung ist. Hierbei kann als Druckmedium Luft oder Wasser dienen, und es können Speicher aller Größe bis zu viele Tausend m3 großen Anlagen erstellt werden. Vor allem ist an eine Zwischenlagerung von Energie zu denken, die in elektrische Energie umgewandelt bzw. zurückgewandelt werden oder an deren Stelle zur Arbeitsleistung herangezogen werden kann. Dabei ist auch zu berücksichtigen, daß mitunter sogenannte regenerative Energiequellen wie Windkraft, Laufwasser und fotovoltaischer Strom, auf einfache Weise zum Antrieb von Kompressoren für Luft oder Wasser herangezogen werden können. Das ist besonders dann attraktiv, wenn am Erzeugungsort Speicher gemäß der Erfindung aufgestellt werden.
Bei flüssigem Druckmedium kommen die neuen Speicher für die Anwendung in der Ölhydraulik in Frage. Auch die Speicherung von Treibstoffen bzw. Kraftstoffen kann von Interesse sein.
Von Interesse ist auch die Füllung von Druckbehältern der beschriebenen Art mit Trinkwasser, welches mit z.B. billigem Nachtstrom eingefüllt wird und bei Bedarf an das Verbrauchsnetz abgegeben wird.
Körnige Güter - Nahrungsmittel, Rohstoffe und dergl. - als Schüttung oder Suspension können unter Druck gelagert werden, wobei insbesondere die Entbunkerung mittels des vom Speicher selber ausgehenden Innendruckes von Interesse ist.
Anwendungen ergeben sich im Hobby- und Freizeitbereich ebenso wie ganz allgemein die Verwendung der umweltfreundlichen pneumatischen und hydraulischen Motoren von der Erfindung profitieren kann.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung von Stoffen und Energie, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckbehälter, dessen Wandung mindestens teilweise aus gelenkfrei federelastisch verformbaren Werkstoffen besteht und dessen Volumen sich druckabhängig unter Beibehaltung der Umrißgestalt reversibel verändert, mit einem strömungsfähigen Druckmedium unterschiedlich gefüllt wird, wobei Federenergie gespeichert bzw. freigegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Flüssigkeit als Druckmedium.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Gases als Druckmedium.
4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Schüttgutes bzw. Pulvers als Druckmedium.
5. Druckbehälter gemäß Ansprüchen 1 - 4, gekennzeichnet durch die Ausbildung als durchweg konvex gekrümmter Rotationskörper, vorzugsweise Kugel, wobei die Wandung aus isotrop dehnbarem Elastomer besteht und ggf. mit einem federnden Netzwerk umhüllt ist.
6. Druckbehälter nach Ansprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper als anisotrop dehnbarer Zylinder mit vorzugsweise kreis- oder reckteckförmigem äußeren Querschnitt ausgebildet ist, der entweder in Richtung der Zylinderachse oder in radialer bzw. Umfangsrichtung federelastisch dehnbar, in der jeweils anderen Richtung dehnungsarm ist.
7. Druckbehälter nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnungsmaß der dehnbaren Teile der Behälterwand mindestens £D = 0.1, vorzugsweise mindestens £D = 0.3 in Dehnrichtung beträgt.
8. Druckbehälter nach Anspruch 6 bzw. 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Zylinders im verformbaren Bereich aus einem Elastomerwerkstoff besteht, wobei die Dehnungsanisotropie insbesondere durch lagefixiert mitbewegte, vorzugsweise gleichmäßig oder äquidistant angeordnete, dehnungsarme Armierung bzw. Umwicklung in Form von Fasern, Fäden, Geweben, Seilen, Stäben, Ringen oder dergl. bewirkt wird.
9. Druckbehälter nach Anspruch 5 bzw. 8, gekennzeichnet durch die Verwendung von Naturkautschuk, Systhesekautschuk und/oder Polyurethan-Elastomeren, ggf. in Mischung oder in Kombination verschiedener Elastomersorten.
10. Druckbehälter nach Anspruch 8 bzw. 9, dadurch gekennzeicbnet, dag zur Armierung Festigkeitsträger aus Stahl, Polyester-, Glas-, Aramidfasern oder Kohlenstoffasern bzw. Siliziumcarbidfasern herangezogen werden.
11. Druckbehälter nach Ansprüchen 6 bis 10, dadurch gekennzeichne L, daß bei maximalem Innendruck das Dehnungsmaß EQ in 0 Querrichtung höchstens 25 %, vorzugsweise nicht mehr als 15 % von #D , dem Dehnungsmaß in Dehnrichtung, beträgt.
12. Druckbehälter nach Ansprüchen 8 - 11, gekennzeichnet durch einen achsialdehnbaren Zylindermantel, der an den Enden mit Flanschen oder druckfesten Böden verbunden ist.
13. Druckbehälter nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch die zusätzliche Verwendung von in Dehnrichtung des Elastomermantels wirksamen Federn, deren Kräfte auf die Flanschen bzw. Böden des zylindrischen Gefäßes übertragen werden, wobei die Anordnung dieser Federelemente im Innern des Druckbehälters, innerhalb der Elastomerwand bzw. außerhalb des Behälters vorgenommen werden kann.
14. Druckbehälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er kreisförmigen Querschnitt aufweist und daß die Armierung des Elastomermantels gegen radiale Verformung durch außen anliegende, ein- oder mehrgängige Schraubenfedern aus Stahl oder dergl. bewirkt wird.
15. Druckbehälter nach Ansprüchen 12 - 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung aus Streifen zusammengefügt ist, die sich an ihren in Achsenrichtung verlaufenden Trennflächen überlappen bzw. formschlüssig ineinandergreifen, ferner gekennzeichnet durch evtl. Verwendung eines luftdichten Innenschlauches.
16. Druckbehälter nach Ansprüchen 8 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß er die Gestalt eines Torus aufweist, dessen Wand aus anisotrop dehnbarem Elastomermaterial besteht, mit einer Dehnrichtung in Richtung des großen Umfanges, wobei die Dehnungsbegrenzung in Richtung des kleinen Umfanges durch mitbewegte, lagefixierte Armierung in Form von Umwicklung, Umreifung, Fasereinlage oder dergl. bewirkt wird.
17. Druckbehälter nach Ansprüchen 8 - 11, gekennzeichnet durch einen radialelastischen Mantel, mit in Umfangsrichtung liegender Verformbarkeit und durch an seinen Enden angebrachte radial dehnbare, druckfeste Böden oder starre Böden bzw. Flansche, die ein radial progressiv verformbares Übergangsstück zur Verbindung mit dem Dehnzylinder aufweisen.
18. Druckbehälter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß er kreisförmigen Querschnitt aufweist und von federelastischen Ringen bzw. Spiralen umhüllt ist.
19. Druckbehälter nach Ansprüchen 12 - 18, dadurch gekennzeichnet, daß er die Form eines Schlauches bzw. einer Kapillare aufweist, wobei das Verhältnis der Länge ho zum Radius rO im Ausgangszustand wenigstens 6, bevorzugt 10 oder mehr beträgt.
20. Druckbehälter nach Ansprüchen 12 - 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung aus Elastomerschichten bzw. -Segmenten zusammengesetzt ist, die in Dehnrichtung beiderseits mit Armierungsschichten festverbunden sind, welche senkrecht zur Dehnrichtung mindestens dehnungsgleichen Querschnitt aufweisen und ggf. aus 2 miteinander dicht verbundenen Lagen bestehen.
21. Druckbehälter nach Ansprüchen 6 bzw.7u./od.11,dadurchgekennzeich net, daß er einen als Wellen- oder Faltzylinder mit Kreisquerschnitt ausgebildeten Mantel aufweist, dessen Rückstellkraft ggf. durch Federelemente und/oder Ballastgewichte verstärkt wird und dessen bei Maximaldehnung aus der gesamten Rückstellkraft resultierender Innendruck an die maximal zulässige Druckbelastbarkeit quer zur Dehnrichtung weitgehend angeglichen ist.
22. Druckbehälter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem an den Enden mit Flanschen oder Dru-kböden verbundenen, achsial verformbarentggf. in Umfangsrittung zusätzlich armiersen Wellen- oder Faltzylinder aus biegsamem Material besteht,in Verbindung mit in Achsialrichtung belastbaren, auf die Flanschen bzw. Böden wirkenden Federelementen.
23. Druckbehälter nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylindermantel ein Wellenzylinder ist, der in an sich bekannter Weise aus biegeelastischem Material, vorzugsweise auf Stahl besteht.
24. Druckbehälter nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylindermantel als Faltzylinder aus biegeweichem, ggf. faser- oder textilarmiertem, ringscheibenförmigem Membranwerkstoff ausgebildet ist, wobei die Verbindungsstellen der benachbarten Ringscheiben ggf. zur Aufnahme der Umfangskräfte zusätzliche Verstärkungen aufweisen und der maximale Innendruck mindestens 1 bar, vorzugsweise mindestens 2 bar beträgt.
25. Druckbehälter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem in Umfangsrichtung dehnbaren radialelastischen Wellen- bzw. Faltzylinder besteht, dessen Enden mit radial dehnbaren Böden oder starren Böden bzw. Flanschen versehen sind, wobei letzteren ein progressiv radial verformbares Ubergangsstück zur Verbindung mit dem Dehnzylinder zugeordnet ist.
26. Druckbehälter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß er als Dehnzylinder mit wellen- bzw. sternförmigem Querschnitt aus einem Werkstoff mit hohem E-Modul, vorzugsweise Stahl, ausgebildet ist und ggf. eine innen und/oder außen anliegende, schlauch- bzw. ringförmige elastomere Auflage aufweist, die Korrosionsschutz - und/oder zusätzliche Energiespeicherung bewirkt.
27. Druckbehälter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daB als Man' el ein Faltzylinder aus einer biegeweichen Membran benutzt wird, welche wenigstens in achsialer Richtung dehnungsarm ist und 1011t die Federkraft liefernden Elastomer-Zylindern oder gleichmäßig verteilten - Ringen verbunden ist, die innen und/oder außen der Membran aufliegen.
28. Druckbehälter gemäß Ansprüchen 12 -16 bzw. 22 - 24, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zylinder in Achsenrichtung hintereinander gerade oder mehrere Zylinder bzw. Torusabschnitte unter Bildung eines toroiden Polyeders aneinandergeschlossen werden, so daß sich die Dehnwege der Einzelbehälter addieren.
29. Verfahren und Vorrichtung nach Ansprüchen 12 - 15, 22 - 24 bzw. 28, dadurch gekennzeichnet, daß ein bzw. mehrere neben-oder übereinander angeordnete Druckbehälter bei ihrer Ausdehnung Gewichte anheben, die innerhalb oder außerhalb der Toträume der Druckbehälter angeordnet sind, wobei zusätzlich Energie der Lage gespeichert wird.
30. Druckbehälter nach Ansprüchen 8 - 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylindermantel und/oder die Zugfedern im Ausgangszustand des minimalen Behältervolumens in an sich bekannter Weise vorgespannt sind.
31. Druckbehälter nach Ansprüchen 12 - 15 bzw. 22 -27, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedenartige Federn wie Elastomerelemente, Wellenrohre, Schraubenzug- oder -druckfedern so zusammenwirken, daß sich unterschiedliche absolute und/oder relative Federwege ergeben.
32. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 31, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastischer Druckbehälter in einem geschlossenen, starren Gefäß für niedrigen Druck eingeschlossen ist, daß beide Speichergefäße mit Flüssigkeit gefüllt sin , daß sie über Leitungen miteinander in der Weise kommunizieren, da3 eine Pumpe oder dergl. den Dehnbehälter mit Flüssigkeit unter Druck füllen kann, von dort ein Druckmotor oder der angetrieben, die entspannte Druckflüssigkeit in das äuße-e Gefäß fließen kann, von wo es bei Bedarf wieder der Pumpe zugeführt wird.
33. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 31, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination mit bekannter pneumatischer Energie3-icherung in der Weise vorgenommen wird, daß entweder der elastische Druckbehälter neben einer Druckflüssigkeit auch eine Gasfüllung aufweist oder daß er von einem mit Druckgas gefüllten, starren Druckbehälter umschlossen ist.
34. Verfahren und Vorrichtung nach Ansprüchen 1 - 33, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Wärmeaustauschers im Totvolumen des Dehnzylinders, wobei derselbe innerha1t s Druckraumes angebracht ist und mit dem Druckmedium bzw.

Wärmeträgermedium in Kontakt steht oder sich in einem separaten, offenen oder geschlossenen Gefäß befindet und vom Druckmedium und/oder einem Wärmeträgermedium durchströmt wird.
35. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 33, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Totraum eines dehnelastischen Druckbehälters ein entsprechend kleinerer, vorzugsweise ähnlich konstruierter weiterer Druckbehälter angeordnet ist.
36. Verfahren und Vorrichtung nach AnsprUchen 1 - 35, gekcnnzeichnet durch die Verwendung zur Speicherung von hydraulischer bzw. pneumatischer Energie ggf. in Verbindung mit Wandlern für elektrische Energie, Solar-Energiearten oder Oberschußenergie.
37. Verfahren und Vorrichtung nach Ansprüchen 1 - 35, gekennzeichnet durch die Verwendung für Druckkonstanthaltung, Druckschwankungsausgleich und bzw. oder Vorratshaltung in unter Druck stehenden Versorgungsnetzen bzw. -leitungen.
38. Verfahren und Vorrichtung nach Ansprüchen 1 - 35, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Federung und/oder Schwingungsdämpfung.
39. Verfahren und Vorrichtung nach Ansprüchen 1 - 35, gekennzeichnet durch die Verwendung als stationärer oder mobiler Vorratsbehälter oder Transportbehälter.
40. Verfahren und Vorrichtung nach Ansprüchen 12 - 15 bzw. 22 - 24, gekennzeichnet durch die Verwendung als Gerät zur Positionierung von Stellgliedern bzw. zur Druckanzeige.