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Thermodynamisches Verfahren zur Aufspeicherung von Energie mittels
Wärmepumpen Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft die an sich bereits
bekannte thermodynamischeEnergieaufspeicherung, bei der eine Wärmepumpenanlage aus
einem Unterspeicher Wärme in Form von Dämpfen ansaugt, die Dämpfe verdichtet, die
Wärme durch Niederschlagen von Dämpfen in einem Oberspeicher sammelt und die gespeicherte
Energie durch Entnahme der Dämpfe aus dem Oberspeicher und Entspannen derselben
in einer Kraftmaschine wiedergewonnen wird, wobei die Abwärme wiederum dem Unterspeicher
zugeführt' wird. Bei diesen Anlagen zwingen wirtschaftliche Erwägungen dazu, die
Terriperatirrdifferenz in den Speichern groß zu machen, um geringe Anlagekosten
zu erhalten. Dies hat zur Folge, daß das Wärmegefälle im Verlauf - der Ladung und
Entladung starken Veränderungen unterworfen ist, woraus wiederum folgt, daß zur
Erhaltung gleichbleibender Leistung stark schwankende Dampfmengen notwendig sind,
was für die Bemessung der Maschinen ungünstig ist. Noch ungünstiger als die Mengen
werden die Volumenverhältnisse des Dampfes, welche für die Maschinenabmessung maßgebend
sind, da ja mit der Temperatur der Speicher auch Druck und Volumen des Dampfes sich
ändern. Außerdem haben die als Wärmepumpe hauptsächlich in Frage kommenden Kreiselverdichter
bei großer Stufenzahl solch steile Charakteristiken, daß die gewöhnlichen Verfahren
der Leistungsregelung wenig wirksam oder gar unmöglich sind. Das Wesen der vorliegenden
Erfindung besteht nun darin, daß sowohl der entwurfs= mäßig festgelegte Verlauf
der Leistungsaufnahme und -abgabe und der den Maschinen zugeführten und abgeführten
Dampfvolumina durch Wahl und gegenseitige Abstimmung sowohl der Speicherbemessung
als der Speicherlade- - und -entladeverfahren - und -verläufe"un"ter gleichzeitiger
üblicher Regelung der Maschinen und der für den Dampfein- und -austritt dienende
Teil der Maschinen, erzielt wird; dieser Entwurfsverlauf kann dann durch entsprechende
Verwendung der Regeleinrichtungen beeinflußt werden, insbesondere, um die betriebsmäßigen
Bedürfnisse zu befriedigen.
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Für die praktische Ausführung des vorstehenden Erfindungsgedankens
gibt es verschiedene Wege, deren wichtigste im folgen= den beschrieben werden.
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Betreibt man nach Abb. i Ober- und Unterspeicher als Gleichdruckspeicher
nach dem Verdrängungsprinzip, wobei der Ober-Speicher OS, ebenso wie der Unterspeicher
US, durch Umwälzen über Verdampfer Vs, T14, Tli und T12 unter Zuhilfenahme
der Pumpen Po und Pu geladen bzw. entladen wird (in der Abbildung bedeuten im übrigen
MG die als Motor oder Generator laufende elektrische Maschine, C den Verdichter
und T die Turbine, die einfachen Pfeile die Richtung der Ladung, die Doppelpfeile
diejenige der Entladung), so bleiben Wärmegefälle--und Dampfvolumenverhältnisse
unverändert.- Bei diesem Verfahren kann man sowohl Ober
wie Unterspeicherinhalt
in einem einzigen Spiel umwälzen oder mehrere Male, jedoch gleichläufig, wobei die
eben genannten Vorteile erhalten bleiben. Mehrmaliges Umwälzen vermindert die bei
einer gegebenen Anzahl Stufen unvermeidlichen Gefällverluste im Verhältnis zur Anzahl
der Häufigkeit des Umwälzens. Notwendig ist bei einmaligem Umwälzen, daß die Maschinen
oben und unten eine der Verdampferzahl entsprechende Anzahl von Einlässen und Auslässen
enthalten, welche bei mehrfachem Umwälzen gegebenenfalls vermehrt werden müssen.
Neben diesem baulichen Nachteil haftet dieser Lösung bei großer Druckdifferenz im
Oberspeicher der Nachteil großer Arbeitsleistung der Pumpe Po an; ferner werden
die Dampfvolumina am oberen Ende von Kompressor und Dampfturbine klein, und die
Verdampfer und Ein- und Auslässe an den Maschinen verteuern und verwickeln die Anlage.
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Betreibt man den Oberspeicher als Gefällespeicher, so kann man erfindungsgemäß
den Unterspeicher mit Umwälzladung und -entladung als Verdrängungsspeicher mit zwei-oder
mehrmaligem Umwälzen des Speicherinhaltes während einer Lade- oder Entladeperiode
betreiben, wobei nach jeder Umwälzperiode eine entsprechende Stufenzahl bei der
Wärmepumpe oder der Turbine zu- oder abgeschaltet wird, wie es Abb. a zeigt. Durch
das mehrfache Umwälzen entsteht für den Verdichter ein stufenweises Herabsinken
des Ansaugedruckes, und da derselbe bei Ausführung als Turbokompressor ein gleichbleibendes
Ansaugevolümen zu fördern sucht, so nimmt das geförderte Dampfgewicht stufenweise
ab. Der Gefällezunahrne wird also eine Verminderung des Fördergewichtes entgegengeschaltet.
Während die Volumenverhältnisse am unteren Teil des Kompressors, entsprechend dem
zunehmenden Gefälle, zwangsläufig richtig bleiben, wird durch das stufenweise Zuschalten
von oberen Stufen dem schwankenden Oberspeicherdruck Rechnung getragen. Für die
Entladung erhält die Turbine gleichfalls entsprechend dem schwankenden Oberspeicherdruck
mehrere Einlässe, während der Unterspeicher nur einmal umgewälzt zu werden braucht.
Je nach dem vorauszusehenden Verlauf der Turbinenbelastung kann jedoch auch mehrfache
Umwälzung bei der Entladung in Aussicht genommen werden. Durch die mehrfache Umwälzung
kann, ohne Vermehrung des Gefälleverlustes, die Anzahl der hintereinandergeschalteten
Verdampfer T, und V2 entsprechend vermindert werden.
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Die Regelung der Kompressorleistung kann erfindungsgemäß aber auch
dadurch herbeigeführt werden, daß der Unterspeicherinhalt bei der Ladung nur einmal
umgewälzt wird, die Anschlüsse des Kompressors während des Ladeprozesses jedoch
am oberen und unteren Ende hinaufgeschoben werden, wob--i natürlich die Anzahl der
Auslässe am oberen Ende über die Anzahl, die durch die Druckveränderung des Oberspeichers
bedingt ist, hinaus zu vermehren sind. Durch diese Verschiebung wird beim Kompressor
gegenläufig zum zunehmenden Wärmegefälle das angesaugte Dampfgewicht vermindert.
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Ferner kann beispielsweise bei einmaligem Umwälzen des Unterspeichers
und bei Ladung und Entladung über einen oder mehrere hintereinandergeschaltete Verdampfer
eine Verschiebung der Grenztemperatur vorgenommen werden, so daß der Unterspeicherinhalt
sich beispielsweise bei Beginn der Ladung von 8o auf 55° und beim Ende der Ladung
von 75 auf 5o° abkühlt (wobei die Zahlenwerte unter Berücksichtigung der Schwankungen
im Oberspeicher und des gewünschten Leistungsverlaufes auszuwählen sind). Hierdurch
wird wiederum das angesaugte Gewicht gegenläufig zum zunehmenden Gefälle vermindert.
Der umgekehrte Vorgang findet bei der Entladung statt. Die Turbine erhält wiederum
mehrere Einlässe; die bei abnehmendem Oberspeicherdruck zunehmende Dampfmenge arbeitet
aber am Austrittsende mit ziemlich unveränderlichen Volumen- und Geschwindigkeitsverhältnissen.
Die erste Einstellung dieses Temperaturverlaufes geschieht durch Regelung des Speicherwasserzuflusses
zu dem Verdampfer. Dieser Temperaturverlauf bleibt dann bei thermostatischer Regelung
der Temperaturdifferenz beim Umwälzen unverändert erhalten.
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Beim Betrieb beider Speicher als Gefällespeicher können die Leistungsschwankungen.
während des Ladevorganges aber auch dadurch vermindert oder ausgeglichen werden,
daß man die Temperaturgefällverhältnisse beider Speicher so aufeinander abstimmt,
daß eine annähernd gleichbleibende Leistung des Kompressors erzielt wird, wobei
nur auf der Oberseite Stufen zugeschaltet werden.
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Ändert man zum Zwecke der Regelung, wie bereits vorher gesagt wurde,
die Umwälzwassermenge, so verändert man auf diese Weise das Ansaugegewicht des Kompressors
und fährt mit ungleicher Temperaturdifferenz im Unterspeicher. Vermindert man nämlich
die Umlaufwassermenge, so wird das Wasser weiter abgekühlt und die unteren Verdampferstufen
nehmen entsprechend geringere Gewichte auf. Das Verfahren führt zu innerhalb gewisser
Grenzen schwankenden Temperaturen des Unterspeicherinhaltes:
wird
beispielsweise der Unterspeicherinhalt von 8o° auf Temperaturen abgekühlt, die zwischen
5o und -6o° schwanken, so werden sich- diese verschieden erwärmten Wassermengen
untereinander mischen, da wärmere und kältere Schichten durcheinanderlaufen. Eine
Gefährdung des Verdrängungsprinzipes, nach welchem der Speicher arbeiten soll, tritt
dann nicht ein, wenn die Schwankung der unteren Speichertemperatur im Verhältnis
zur gesamten Temperaturdifferenz nicht zu groß wird. Der dazugehörige Ladevorgang
geschieht unter solcher Regelung des Wasserumlaufes aus dem Unterspeicher, daß die
vorgeschriebene Endtemperatur gemäß dem gegebenen Beispiel von 8o° wieder erreicht
wird.
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Selbstverständlich läßt sich das letztgenannte Prinzip auch mit einer
veränderlichen Temperaturhöhe zwischen Anfang und Ende der Ladung vereinigen.
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Da bei dem Aufspeicherungsverfahren die Verlustwärme innerhalb des
Prozesses bleibt, muß eine gewisse Wärmeabfuhr nach außen hin stattfinden. Dies
kann in der Weise erfolgen, daß man einen Teil des Dampfes bis unterhalb der Temperaturgrenze
des Unterspeichers in einem besonderen Turbinenteil auf die Temperatur der Umgebung
expandieren und beispielsweise in einem Kondensator niederschlagen läßt, wie Abb.3
zeigt. ca ist der angehängte Turbinenteil mit dem Kondensator K und dem Kühlturm
KT.
Diese Anordnung läßt sich gleichfalls dadurch zur Regelung der Entladeleistung
und damit auch der Dampfverhältnisse heranziehen, daß man den zugehörigen Turbinenteil
nur zur Zeit geringeren Wärmegefälles mit einschaltet, wodurch die Turbine in bezug
auf Dampfmengen entlastet wird. Dieses Zuschalten kann auch dazu dienen, die Spitzenleistung
zu vergrößern, wodurch die übrige Turbine entsprechend verkleinert wird. Die Abschaltung
kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß die Kühlwasserzufuhr zu dem besonderen
Kondensator für die Verlustwärme abgesperrt wird.
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Man kann den Wirkungsgrad der Energiespeicherung und die Größe der
Speicher dadurch verbessern, daß man Überhitzungsspeicherung verwendet, wobei die
Überhitzung entweder aus fremder Quelle oder aus dem Kompressionsverlauf her entnommen
werden kann.
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Die Speicherung der Überhitzung erfolgt zweckmäßig dadurch, daß in
eine hochsiedende Flüssigkeit dampfdurchströmte Schlangen, die beim Laden und Entladen
im entgegengesetzten. Sinne durchlaufen werden, eingehängt. werden, oder dadurch,
daß die hochsiedende Flüssigkeit um ein entsprechendes Dampfschlangensystem bei
Ladung und Entladung -im entgegengesetzten Sinne herumgepumpt wird, wie Abb. 3 ,zeigt,»
bei welcher der Inhalt des Wieder als Verdrängungsspeicher ausgebildeten Überhitzungsspeichers
US durch eine Pumpe Pii außen um das Schlangensystem des Überhitzers Ü herumgepumpt
wird.
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Würde bei dieser Anordnung bei der Entladung der Oberspeichers gleichmäßig
überhitzt werden, so würde der Dampf entsprechend den bei der Entladung des Oberspeichers
fallenden Drücken mit verschieden hohen Temperaturen aus der Turbine austreten,
evtl. noch überhitzt. Aus diesem Grunde soll der Inhalt des Überhitzungsspeichers
erfindungsgemäß auch einmal während einer Arbeitsperiode umgewälzt werden und am
Anfang und Ende verschiedene Temperaturen erhalten. Um dies zu erreichen, wird der
Kompressor während der Ladeperiode mit wechselnder Kühlung (durch Einspritzen oder
Oberflächenwirkung) betrieben, so daß mit zunehmendem Druck im Oberspeicher die
Temperaturen immer höher werden.
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Neben der Aufladung durch die Kompressionsüberhitzung kann der Überhitzungsspeicher
auch unmittelbar durch elektrische Heizwiderstände aufgeladen werden, wobei diese
Heizungswiderstände zitr Regelung der gesamten aufgenommenen Leistung dienen.
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Ein weiteres bekanntes Mittel zur Regelung der Kompressorleistung
ist die Saugdrosselung, welche im Zusammenhang mit sämtlichen obengenanntenRegelungsverfahren
Anwendung finden kann. Die Saugdrosselung hat jedoch bei einem sehr vielstufigen
Kompressor insofern gewisse Schwierigkeiten, als die O-H-Linie der vielstufigen
Verdichter sehr steil verläuft und infolgedessen die Saugdrosselung nur verhältnismäßig
wenig auf die Leistungsaufnahme einwirkt. Die Wirkung der Saugdrosselung kann jedoch
erhöht werden, indem ein vielstufiger Verdichter dadurch eine flachere Charakteristik
erhält, daß zwischen den einzelnen Zylindern ein verhältnismäßig kleiner Wasserspeicher
eingeschaltet wird, in dem sich Dampf niederschlagen oder entwickeln kann, wodurch
die strenge Mengenabhängigkeit der hintereinandergeschalteten Zylinder vermindert
und der Charakteristik derjenigen von Kompressoren mit weniger Stufen genähert wird.
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