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Verfahren zur thermodynamischen Energiespeicherung Die Erfindung betrifft
die thermodynamische Energiespeicherung. Bei dieser wird zu Zeiten geringen Energiebedarfes
mittels einer Wärmepumpe einem Unterspeicher Wärme in Form von Dampf niedriger Temperatur
entzogen und unter Aufwendung mechanischer Energie durch Kompression des Dampfes
und Niederschlagen desselben in einem Oberspeicher auf ein höheres Temperaturniveau
gebracht und dort gespeichert. Zu Zeiten erhöhten Energiebedarfes kann die so gespeicherte
Energie zur Energierückgabe verwendet werden, indem dem Oberspeicher Dampf entzogen
und nach Arbeitsleistung in einer Dampfkraftmaschine wieder dem Unterspeicher zugeführt
und dort niedergeschlagen wird. Hierbei arbeitet der Unterspeicher vorteilhafterweise
als Verdrängungsspeicher mit einem über Kondensatoren oder Vorwärmer führenden Vorwärmekreislauf
und einem über Verdampfer führenden Dampfabgabekreislauf. Eine derartige Anlage
zeigt die Abb. i, in der US den Unterspeicher, OS den Oberspeicher, Tl die Verdampfer,
K die Kondensatoren bedeuten. Der mit K ompr. bezeichnete Kompressor und
die mit Turb. bezeichnete Kraftmaschine (Turbine) arbeiten auf das MotorfGeneratoraggregat
bzw. werden von diesem angetrieben. Bei Energieüberschuß wird der Oberspeicher dadurch
geladen, daß in den Verdampferstufen V unter gleichzeitiger Entladung des Unterspeichers
US Dampf stufenweise geringer werdenden Druckes erzeugt und im Kompressor auf den
Druck des Oberspeichers verdichtet wird. Bei Energiebedarf wird der Oberspeicher
dadurch. entladen, daß die Turbine aus ihm Dampf erhält und mit dem Abdampf in mehreren
Kondensationsstufen K das abgekühlte Wasser des Unterspeichers US auf höhere Temperatur
bringt.
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Bei dieser Arbeitsweise wird die Größe des Unterspeichers von dem
Temperaturunterschied zwischen dem unten gesammelten Kaltwasser und dem oben gesammelten
Warmwasser bestimmt. Der Unterspeicher braucht nicht unter Überdruck zu stehen,
so lange die Warmwassertemperatur unter ioo° bleibt. Der Wirkungsgrad der gesamten
Speicherung wird bei großer Zahl der Verdampfer- und Kondensationsstufen und geringer
Temperaturspanne im Unterspeicher günstiger, weil das der Temperaturspanne entsprechende
Gefälle ein Mehr an Ladearbeit gegenüber der Entladearbeit erfordert und also selbst
bei theoretisch verlustloser Arbeitsweise dieses Energiequantum bei jedem Wärmeumsatz
verlorengehen muß. Demgegenüber spielt, wie eine Wirtschaftlichkeitsberechnung zeigt,
auch die Tatsache, daß größere Temperaturdifferenzen im Unterspeicher die Anordnung
mit geringeren Speicherdimensionen gestatten, nur eine untergeordnete Rolle, da
der Unterspeicher als nicht unter Überdruck stehender Behälter billig herzustellen
ist und die Kosten des teureren unter Überdruck stehenden Oberspeichers um so geringer
werden können, je besser der Wirkungsgrad der Gesamtanlage ist. Die solchermaßen
aus Wirtschaftlichkeitsgründen anzustrebende geringe
Temperaturspanne
im Unterspeicher von nur i5° und' weniger hat jedoch besondere Folgen für die Bemessung
des Kompressors. Dieser nimmt aus jeder Verdampferstufe einen Teilstrom an Dampf
zur zugeordneten Kompressorstufe auf, so daß in der Stufe höchsten Druckes das geringste,
in der Stufe geringsten Druckes das größte Fördergewicht zu verarbeiten ist. Andererseits
bewirkt die Kompression des Dampfes zwischen den aufnehmenden Stufen eine Volumenverringerung,
die an sich in keinem bestimmten Verhältnis zu den Gewichtsunterschieden steht.
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Es ergibt sich infolgedessen, daß immer eine Stufe, die bei den gegebenen
Dampfmengen und spezifischen Volumina gerade voll beaufschlagt sind; die Schluckfähigkeit
des ganzen Kompressors begrenzt, auch wenn die anderen Stufen des Kompressors noch
nicht voll vom Dampf beaufschlagt sind. Je nach der'Dampftemperatur und der Temperaturspanne
im Unterspeicher lassen sich für bestimmte Stufenzahlen jene Stufen ermitteln, die
voll beaufschlagt sind und daher die Leistungsgrenze des Kompressors bedingen. Zeichnet
man sich unter Berücksichtigung der jeweils voll beaufschlagten Stufe die Gesamtfördergewichte
des Kompressors in der Stufe höchsten Druckes auf, so ergeben sich Kurvenscharen,
die sämtlich ein klar erkennbares Maximum aufweisen, bei dem die Leistungsfähigkeit
des Kompressors am günstigsten wird.
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Erfindungsgemäß soll diese Tatsache für die Festlegung der Temperatur-
und Druckverhältnisse der Speicheranlage in der Weise ausgenutzt werden, daß die
mittlere Temperatur des angesaugten Dampfes und die Temperaturspanne, mit der der
Unterspeicher arbeitet, je nach der Stufenzahl so gewählt sind, daß annähernd die
für die geringste Kompressorgröße sich ergebenden günstigsten Werte eingehalten
sind, das sind z. B. bei zweistufiger Dampfentwicklung Temperaturspannen von etwa
2o bis 40°, bei vierstufiger Dampfentwicklung Spannen von etwa 2o bis 5o°. Hierdurch
wird auch erreicht, daß der Kompressor bei verhältnismäßig kleiner Diinensionierung
möglichst große Dampfmengen bei günstigem Vollastwirkungsgrad verarbeiten kann,
was für die Wirtschaftlichkeit der Speicheranlage wesentlicher ist als die eingangs
erläuterten Grundsätze der bisherigen Überlegungen, die eigentlich zu Temperaturspannen
im Unterspeicher von i S ° und weniger führen würden.
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Eine gleichmäßig günstige Ausnutzung der Kompressorstufen ergibt sich
dann, wenn alle Stufen ungefähr gleiche Dampfvolumina zu fördern haben, wozu es
in der Regel erforderlich ist, die Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen
Stufen der Dampfentwicklung in bestimmter Weise ungleich zu verteilen. Die Differenzen
sind so zu bemessen, daß in jeder Stufe das Produkt aus der zu verarbeitenden Dampfmenge
und dem spezifischen Dampfvolumen gleich ist, so daß also die Volumenabnahme bei
der Kompression in jeder einzelnen Kompressorstufe der Mengenzunahme durch die nächsthöhere
Dampfentwicklungsstufe die Waage hält.
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Die Kurvenscharen der Abb.2a und 2b zeigen die `oben geschilderten
Verhältnisse, und zwar geben sie als Ordinate das gesamte Ansauggewicht eines Kompressors
bei voller Beaufschlagung einer Stufe für verschiedene mittlere Temperaturen des
angesaugten Dampfes an, wozu als Abszisse die Temperaturspanne im Unterspeicher
aufgetragen ist. Es zeigen Abb. Z a die Kurvenscharen für zweistufige Dampfentwicklung,
Abb. 2 b für vierstufige Dampfentwicklung. Den gerechneten Zahlen liegen folgende
Annahme- und Einheitswerte zugrunde: i. Das maximale Fördervolumen eines Rades betrage
i cbm je Zeiteinheit.
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2. Die gesamte Temperaturdifferenz des Unterspeichers wirddurch die
einzelnenDampfentwicklungsstufen gleichmäßig unterteilt.
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Die gleichmäßige Unterteilung der gesamten Temperaturdifferenz ergibt
gleiche Radzahlen je Ansaugestufe des Kompressors und ist zudem mit Rücksicht auf
den Gesamtwirkungsgrad des Prozesses erwünscht. Aber auch, wenn man von dieser Voraussetzung
abweicht, bleibt der Charakter der Kurven erhalten. Das insgesamt mögliche Fördervolumen
ergibt sich dann daraus, daß in einer der Stufen das Maximalfördervolumen erreicht
ist, diese Stufe also als engster Querschnitt wirkt.
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Die Steigerung der Kennlinien im Bereich der geringen Temperaturdifferenzen
ergibt sich dadurch, daß die geringe Temperaturdifferenz geringe Volumenunterschiede
zur Folge hat, also das Höchstvolumen in der obersten Stufe des Kompressors zu fördern
ist, die sämtliche Teilströme gemeinsam erfaßt. Andererseits ergibt sich der abnehmende
Verlauf der Kennlinie nach Überschreitung des Maximums in den Bereichen der größeren
Temperaturdifferenzen daraus, daß große Temperaturspanne im Speicher auch große
Spannen in den Einzelstufen zur Folge hat und daß dabei die Volumenverringerung
infolge der Kompression größer wird als die Gewichtszunahme infolge der stufenweisen
Aufnahme der Teilströme. Die Schluckfähigkeit wird daher bei großen Temperaturspannen
im wesentlichen von den unteren Kompressorstufen
bestimmt, die
den Dampf niedrigsten Druckes und damit größten spezifischen Volumens zu fördern
haben. Die Maxima sind in jenem Bereich gelegen, bei welchem die Volumenabnahme
der Gewichtszunahme durch Hinzukommen der Teilströme ungefähr gleich ist.
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Die gezeichneten Diagramme sind nach einer Rechnung ermittelt, die
im folgender. für den in Fig. 2b mit A bezeichneten Punkt wiederholt sei. Es beträgt
dort die - Gesamttemperaturdifferenz des Unterspeichers 40°. Das Wasser kühlt sich
in den vier Verdampfern über die Zwischenwerte 70, 6o und 5o° auf die Temperatur
von 40° ab. Die von vier Kompressorstufen angesaugten Dampfströme haben gleichfalls
die Temperatur 40, 5o, 6o und 70°, demnach die mittlere Temperatur 55°. Wir nehmen
dabei an, daß der Dampf während der Kompression in jederllStufe, stets so gekühlt
werde, daß die Kompression: in der Grenzkurve verläuft, eine Voraussetzung, die
praktisch genügend genau durch Einspritzung erreicht wird. Man erhält nun für jedes
Rad das zugehörige Fördergewicht, indem man das zugrunde gelegte Fördervolumen durch
das spezifische Volumen des Dampfes für die betreffende Ansaugetemperatur teilt.
Die Zahlenwerte sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt:
| Tem- Spez. Volu- Ansauge- Förder- Förder- |
| men des an- |
| pera- gewicht gewicht volumen |
| tur gesaugten @@ @e Stufe je Stufe je Stufe |
| Dampfes V |
| OC m1/kg kg kg m3 |
| Obere Temperatur des Unter- |
| speichers .............. 80 |
| Dampftemperatur der Ent- |
| wicklungsstufe |
| I ............... 70 5,05 0,0416 o,=664 0,83 |
| II ............... 6o 7,69 0,0416 0,1248 o,96 |
| III ............... 50 12,05 0,0416 to,o832
1,0o |
| IV ............... 40 19,55 0,0416 0,0416 0,81 |
Für die beim Beispiel zugrunde gelegten Verhältnisse ergibt sich also, daß die Stufe
III diejenige ist, die bei voller Beaufschliagung der Fördermenge begrenzt, und
.daß eine Gesamtförderung von o,1664 kg möglich ist. Der Punkt A liegt dicht neben,
jedoch noch nicht auf dem Maxitraum. Für die. mittlere Dampftemperatur von
55' erweist sich eine Temperaturdifferenz des Unterspeichers von etwa
37' als am günstigsten.
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Im übrigen zeigen die Kurven bei zweistufiger Ansaugung ein ausgesprochenes
Maximum in der Nähe von 30°, für vierstufige Ansaugung eiki solches in der Nähe
von 4o°. Für eine fünfstufige Ansaugung des Kompressors würde man auf noch höhere
Maximalwerte kommen.
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An Hand der gegebenen Diagramme und sonstigen Rechnungsunterlagen
kann man für jeden sonst noch denkbaren Fall die Maximalwerte im Sinne der vorstehenden
Erfindung errechnen und die Auswahl der Temperaturspanne danach bestimmen.