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Druckluftspeicher zum Betrieb von Druckluftmotoren Die Erfindung betrifft
einen Druckluftspeicher zum Betriebe von Druckluftmotoren in der `reise, daß sowohl
der Betriebsdruck als auch der Rückdruck des Druckluftmotors über dem Atmosphärendruck
liegt und die Druckluft mittels eines Kompressors in einem geschlossenen Kreislauf
bewegt wird. Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung sowohl des Betriebes selbst
als auch des erforderlichen Druckluftspeichers und besteht in einer derartigen Ausbildung
des Druckluftspeichers, daß der Druckunterschied zwischen zwei in dem Speicher herrschenden
verschieden hohen Drücken annähernd unveränderlich gehalten wird, so daß der zur
Drucklufterzeugung dienende Kompressor ohne Überlastung stets mit der gleichen Volleistung
weiterarbeiten kann. Durch die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann
eine große Energiemenge aufgespeichert und nach Bedarf wieder frei gemacht werden.
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Es ist bekannt, in einem geschlossenen Luftkreislauf die Druckluft
in Behältern von unveränderlichem Inhalt aufzuspeichern. Der Druckunterschied zwischen
den beiden Luftbehältern (Niederdruck- und Hochdruckbehälter) nimmt jedoch mit fortschreitendem
Aufladen des Hochdruckbehälters zu. Wenn nun die Fördermenge des die Luft durch
Ansaugen niedergespannter Luft aus dem Rückdruckbehälter und Entleerung der hochgespannten
Luft in den Betriebsluftspeicher in geschlossenem Kreislauf umtreibenden Kompressors
dem Rauminhalt nach unveränderlich ist, so muß die Belastung des den Luftkompressor
antreibenden Primärtnotors mit dem wachsenden Druckunterschied zwischen Nieder-(Rück-)Druckluft
und Hochdruckluft auch ansteigen. Der Kompressorantriebsmotor muß also überlastbar
sein, damit er den mit voller Fördermenge arbeitenden Kompressor auch dann noch
treiben kann, wenn die Aufladung des Hochdruckspeichers fortschreitet und der Druckunterschied
über dem normalen. Druck liegt. Das ist ein Nachteil.
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Die Zunahme des Druckgefälles zwischen dem Betriebs-(Hoch-)Druck und
dem Rück-(Nieder-)Druck geht für die Kraftgewinnung verloren, wenn der von der Druckluft
angetriebene Motor (Sekundärmotor) mit gleichbleibender Füllung arbeitet, weil der
Hubraum der Druckluftmotoren für Vollast bei normalem Druckgefälle berechnet werden
und daher jeder Anstieg des Druckgefälles durch eine Drosselung ausgeglichen werden
muß,
das einzige Mittel, um bei gleichbleibender Füllung die Sekundärmotorleistung
zu regeln. Dadurch gestaltet sich die Druckluftspeicherung in Anlagen mit unveränderlichem
Speicherinhalt verlustreich.
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Bei einer anderen bekannten Vorrichtung dieser Art ist die Leistung
des Kompressors mit der durch den Kompressor aufgewendeten Kraft entsprechend der
Kraftleistung des Druckluftmotors veränderlich, und die Regelung der Kraftleistung
des Druckluftmotors, um eine vorübergehende Belastung zu überwinden, wird durch
die Ausgleichung des Druckunterschiedes auf solche Stufe erreicht, daß die Ausdehnung
der Luft in dem Zylinder des Druckluftmotors den Druck auf den in der Rückleitung
zum Kompressor vorhandenen herabsetzt. Auf diese Weise kann bei gleichbleibender
Füllung des Druckluftmotors zwar große Wirtschaftlichkeit erreicht werden, jedoch
ist dieser Kreislauf für solche Fälle bestimmt, wo ein Kompressor in Verbindung
mit einem Druckluftmotor arbeitet, er würde aber nicht zweckmäßig sein, wenn mehr
als ein Druckluftmotor angeschlossen wäre, weil er die Wiederherstellung des Druckunterschiedes
entsprechend der Belastung des Luftmotors erfordern würde.
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Im Gegensatz dazu wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine verlustlose
Druckluftspeicherung dadurch erreicht, daß zwei Luftmassen von verschiedenem Druck
und veränderlicher Größe in einem gemeinsamen Behälter gespeichert werden, der so.
unterteilt ist, daß die Abteile der beiden Mengen sowohl als auch der Gesamtinhalt
des Behälters verändert werden können. Diese Ausführung ist besonders dort geeignet,
wo mehrere Druckluftmotoren angeschlossen sind und gleichzeitig getrieben werden,
z. B. bei Ladekränen auf Schiffen. unter in weitestem Maße veränderlichen Betriebsbedingungen.
Wenn mit fortschreitender Druckluftspeicherung eine Vergrößerung des Hochdruckraumes
und gleichzeitig eine Verkleinerung des Niederdruckraumes verbunden ist, so ist
es klar, daß diese Rauminhaltsänderungen dein erwünschten Anwachsen des Druckgefälles
entgegenwirken und daß man das Druckgefälle während des ganzen Speichervorganges
annähernd gleich halten kann, wenn man die beiden Inhaltsänderungen in einem bestimmten
Verhältnis sich vollziehen läßt. Die Druckluftspeicherung kann dann praktisch verlustlos
durchgeführt werden.
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Gemäß vorliegender Erfindung wird die Luft in einem Behälter zu beiden
Seiten, eines Stufenkolbens aufgespeichert, der zwischen Luftmassen schwebt und
in dem zylindrischen Speicherraum axial beweglich ist. Die Behälterkammern zu beiden
Seiten des Kolbens sind mit der Betriebs- (Hoch-) Druckleitung bzw. der Rück- (Nieder-)
Druckleitung verbunden.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist etwa folgende: Während der Aufladung
des Hochdruckbehälters bewegt sich der Trennkolben gegen den Niederdruckraum, dessen
Inhalt abnimmt, während der Inhalt des Hochdruckraums gleichzeitig zunimmt. Der
Kreislauf enthält also einen zunehmenden Rauminhalt von Hochdruckluft und einen
abnehmenden Inhalt von Niederdruckluft, und der Gesamtrauminhalt von Hochdruckluft
und der Niederdruckluft zusammen hat abgenommen, weil der durchschnittliche Druck
zugenommen hat. Wenn Druckluft zur Kraftrückgewinnung aus dem Hochdruckspeicher
entnommen wird, bewegt sich der Kolben entgegengesetzt, und der Gesamtinhalt der
beiden Luftmassen nimmt wieder zu. Der Luftkörper dehnt sich aus. Daraus folgt,
daß, wenn der Kolben auf der Luft schwimmt und ein bestimmter Rauminhalt der Niederdruckluft
abgesaugt und hochkomprimiert wieder in den Luftspeicher, aber auf die andere Seite
des Kolbens, gedrückt wird, der Kolben sich um einen bestimmten Weg gegen den Niederdruckraum
bewegt, und daß der Hochdruck und der I\Tiederdruck und darum auch der Druckunterschied
zwischenbeiden unverändert bleibt. Der Kolbenteil mit dem größeren Durchmesser gleitet
luftdicht in der Bohrung eines Zylinders, der einen Teil des im übrigen im Zylindermantel
untergebrachten Niederdruckspeichers bildet, während die hochgespannte Luft nur
innerhalb des Zylinders selbst aufgespeichert wird, so daß die Zylinderwand nur
dem Druckunterschied zwischen Hochdruck und Niederdruck ausgesetzt ist. Die Kolbenstange
gleitet in einer Stopfbüchse, die ein Dichtungsmittel enthalten kann. Der Hochdruckbehälter
ist somit vorteilhaft innerhalb des äußeren Teiles des Niederdruckbehälters untergebracht,
so daß seine Wandungen zum größten Teil entlastet sind. Es wird dadurch eine erhebliche
Materialersparnis und Vereinfachung des Hochdruckbehälters erreicht.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.
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r ist ein Hochdruckbehälter, der zur Aufnahme hochgespannter Druckluft
von z. B. 24 kg/cml dient. Der Rauminhalt dieses Behälters ist unveränderlich, a
ist ein Behälter für die Aufspeicherung von niedergespannter Rückdruckluft von z.
B. 16 at. 3 ist ein Luftkompressor und 4 ein Motor, der mittels der aufgespeicherten
Druckluft betrieben wird. In dem Behälter :2 ist ein Zylinder 5 angeordnet, in dem
die Scheibe 6 eines Stufenkolbens
luftdicht gleitet. Die Kolbenscheibe
ist mit einer Kolbenstange 7 versehen, die unten durch eine den Zylinder 5 und den
Behälter 2 luftdicht abschließende Stopfbüchse 8 hindurchgeführt ist. Der Hochdruckbehälter
1 ist mit der Hochdruckseite des Kompressors 3 durch eine Leitung 9 und mit dem
anzutreibenden (Sekundär-) Motor q. durch eine Leitung i n verbunden. Der Druckluftmotor
4. entleert sich durch eine Leitung i i in den Niederdruckbehälter 2. Der Zwischenraum
15 zwischen dem Behälter :2 und dem von ihm umschlossenen Zylinder 5 ist durch eine
Leitung 12 mit der Einlaßseite des Kompressors 3 verbunden. Wenn jeder der beiden
Behälter i und 2 ein Volumen von io cbm hat und wenn in dein Kompressor die Kolbenverdrängung
1 2 cbm/min beträgt, so würde der Druck in dein Behälter i durch die Kompressorarbeit
nach etwa 21/@ Sekunden auf etwa 24,8 at gestiegen sein, der Druck in dem Behälter
2 dagegen auf etwa 15,2 at gefallen sein, wenn der Schwimmerkolben 6, 7 nicht vorhanden
wäre. Die Speicherwirkung kann durch den Zylinder 5, durch den Schwimmerkolben 6,
7 und durch eine Verbindung zwischen dem veränderlichen Raum 13, 5, 15 und dem unveränderlichen
Behälter i wesentlich gesteigert «-erden. Mit dieser Anordnung beträgt der Druck
in dem Zwischenraum 13 zwischen dem Zylinder 5 und der Kolbenstufe 7 etwa 24 at,
während der Druck in dem Zwischenraum 15 zwischen dem Behälter 2 und dem Zylinder
5 etwa 16 at beträgt. In diesem Beispiel haben die Behälter i und 2 einen Durchmesser
von je 1830 mm und eine Länge von 3800 mm, so daß ihr Inhalt je etwa
io cbm beträgt. Der Zylinder 5 hat einen inneren Durchmesser von 152q. mm, und der
Kolben 6 hat einen Hub von 365o mm. Die Kolbenscheibe 6 hat eine Fläche von etwa
1,8 qm, während die Kolbenstufe 7 einen Querschnitt von o.6 qm hat, so daß der Schwimmerkolben
6, 7 im Gleichgewicht ist, wenn der Niederdruck über der Kolbenscheibe 6 etwa 16
at (absolut) und der Hochdruck unter der Kolbenscheibe etwa a.4 at (absolut) beträgt,
wobei die Reibung, das Kolbengewicht und der auf die Kolbenstange 7 wirkende Atmosphärendruck
vernachlässigt ist. Der Behälter 2 enthält also nach der Kompression einer aus ihm
entnommenen Luftmenge noch den gleichen Druck von 16 at wie zuvor. Der Zylinder
5 muß aber nur für den gleichbleibenden Druckunterschied von 8 at zwischen dein
Hochdruck im Zylinder 5 und dem Niederdruck in dem ihn umgebenden Ringraum 15 des
Behälters 2 bemessen werden. Wenn der Kompressor 3, wie vorstehend angegeben, mit
einem Hubvolumen von 1 2 cbm/min arbeitet, so wird eine Luftmenge von 12 cbm/min
aus einem Ringraum 1 5 entnommen, während etwa zwei Drittel davon (also etwa 8 cbm/min)
durch den Kompressor in den Raum 13 gedrückt werden, weil die absoluten Drücke in
diesen Räumen 16 bzw. 24 at betragen. Der Kolben 6, 7 steigt also, während der Druckunterschied
zwischen den beiden Kolbenseiten gleichbleibt, wenn man die Reibung vernachlässigt.
Der Kolben hat seinen Weg von 3,6 m zurückgelegt, wenn etwa 7 cbm Niederdruckluft
aus dem Raum 15 entnommen wurden, was einer Arbeitszeit von etwa 35 Sekunden des
12 cbm /min fördernden Kompressors 3 entspricht.
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Der Speicher kann die Fördermenge des Kompressors 3 für eine (in dem
Zahlenbeispiel iqmal) längere Zeit aufnehmen, und zwar ohne irgendwelche Änderung
des Druckgefälles und daher ohne Mehrbelastung des den Kompressor 3 antreibenden
Primärinotors. Wenn man dagegen Behälter mit unveränderlichem Volumen verwenden
würde, so würde sich die Belastung des Kompressorantriebs entsprechend einer 2o°1oigen
Zunahme des Druckunterschieds ganz wesentlich erhöhen. Die gesamte Aufladung vollzieht
sich in dem Behälter 2, wobei zu bemerken ist, daß das Volumen des Behälters i keinen
Einfluß hat. Der Behälter i kann deshalb auch vollständig weggelassen werden, in
welchem Fall die Leitung 9 durch eine Leitung 16 unmittelbar mit dem (Sekundär-)
Motor q. und mit der Leitung 14 unmittelbar durch eine Leitung 17 verbunden wird,
wie dies in der Zeichnung strichpunktiert dargestellt ist.