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Druckluftspeicheranlage, bestehend aus hintereinander angeordnetem
und miteinander in Verbindung stehendem Verdichter, Druckluftspeicher und Heißluft-
oder Brennkraftmaschine Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Druckluftspeicheranlage,
die aus hintereinander angeordnetem und miteinänder in Verbindung stehendem Verdichter,
Druckluftspeicher und Heißluft- oder Brennkraftmaschine besteht.
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Speicherwerke haben die Aufgabe, in Zeiten geringen Stromverbrauches
überschüssige Energie aufzuspeichern und diese bei erhöhtem Bedarf wieder abzugeben.
Die bekannten Speicheranlagen liefern im allgemeinen nur einen Teil der Energie
zurück, da der Rest bei der wiederholten Umformung und Übertragung zur Deckung der
Verluste verbraucht wird. Dies gilt auch für die heute in großem Umfang angewandte
hydraulische Speicherung, bei welcher Wasser in hochliegende Becken und Behälter
gepumpt und mit dem der Förderhöhe entsprechenden Arbeitsvermögen aufgespeichert
wird. Nur in seltenen Fällen kann die aus den zugehörigen Wasserturbinen zurückgewonnene
Energiemenge größer sein als die gespeicherte, nämlich dann, wenn die örtlichen
Verhältnisse eine tiefere Aufstellung der Turbinen als der Pumpen ermöglichen und
dadurch das den Turbinen zur Ausnutzung zur Verfügung stehende Gefälle größer wird
als die Förderhöhe der zugehörigen Pumpen. Die Druckluftspeicherung tritt dagegen
zurück, weil der erforderliche Speicherraum als geschlossener Behälter teurer, der
Speicherrauminhalt begrenzt und der Wirkungsgrad der Drucklufterzeugung niedriger
ist. Der Rückführung der gespeicherten Druckluft in das Arbeitspiel einer Brennkraftmaschine
steht außerdem entgegen, daß der Speicherdruck je nach der Füllung des Speichers
veränderlich ist, wenn der Speicherbehälter nicht nach dem an sich bekannten Verdrängungsprinzip
arbeitet, bei welchem die Luft durch Druckmesser bei unveränderlichem Druck aus
dem Behälter herausgedrückt wird. Bei der Aufladung des Behälters verdrängt dann
die eintretende Luft die Wasserfüllung, so daß der Speicherdruck während des ganzen
Arbeitsspieles annähernd unverändert bleibt. In den bekannten Ausführungen werden
die Verdrängungsspeicher jedoch zu teuer infolge der Bemessung der Wandungen auf
den vollen Druck des Speichers, codier es müssen zum Teil hohe Drucduftverluste
in Kauf genommen werden, wenn nicht eine vollständig sicher wirkende Abdichtung
der Wandungen des Speichers vorgenommen wird.
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Diese Nachteile der Druckluftspeicherung sollen nach der vorliegenden
Erfindung dadurch vermieden werden, daß Speicherräume unter Ausnutzung der an sich
bekannten Verdrängerwirkung verwendet werden, welche so
tief in
einem Flüssigkeitsbehälter angeordnet sind, daß der äußere Wasserdruck gleich dem
Druck der Druckluft ist, wobei ferner eine ständige unmittelbare Verbindung zwische'rh,
dem Druckluftbehälter und dem Raum ,des Flüssigkeitsbehälters besteht.
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An Hand der Zeichnung soll die Wirkungs-@ weise einer Anlage gemäß
der Erfindung hinsichtlich der mit ihr erreichbaren Vorteile erläutert und ein Ausführungsbeispiel
für eine Anlage solcher Art beschrieben werden.
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Die Abb. i, 2 und 3 zeigen im Druckvolumendiagramm die' je m3 aufgespeicherte
Arbeit für einen Wasserhochbehälter (Abb. i), einen geschlossenen Druckluftbehäl
ter (Abb: 2 ) und einen Drucklufttauchbehälter (Abb.3) gemäß der Erfindung. Die
Abb. q. gibt die je m3 aufgespeicherte Arbeit in PS-Stunden bei verschiedenen Drücken
an, und zwar Kurve a für den Wasserhochbehälter, Kurve b für den geschlossenen Druckluftbehälter
und Kurve c für den Tauchbehälter. Abb.5 zeigt ;eine Anordnung gemäß der Erfindung.
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Bei einer Speicherung in einem offenen Wasserhochbehälter wird der
Vorgang durch das Arbeitsschaubild der Kolbenpumpe dargestellt. Der Druck auf den
Kolben ist auf dem ganzen Hub gleichbleibend. Die Arbeitsfläche, welche die Pumparbeit
und die gespeicherte Energie darstellt, ist ein Rechteck (Abb. i). Es wird nur Volldruckarbeit
gespeichert.
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Bei Speicherung in einem Druckluftbehälter wird der Höchstdruck entsprechend
Abb. 2 erst bei vollständiger Füllung erreicht. Die Luft ist nur-zu verdichten,
und es wird lediglich die Verdichtungsarbeit gespeichert.
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Bei einem Speichervorgang gemäß der Erfindung steht der Speicherbehälter
dauernd unter dem Druck der Wassersäule, die Luft wird auf diesen Druck verdichtet
und außerdem das Wasser aus dem Behälterinnern verdrängt, also Volldruck- und Verdichtungsarbeit
gespeichert. Gemäß Abb. 5 ist ein Druckluftbehälter a in einem Wasserbehälter g
angeordnet. Das Wasser hat freien Zutritt zu dem Druckluftraum durch das Rohr b,
wodurch der Druck annähernd gleichbleibt und sich nur entsprechend etwaigen Wä.sserspiegelschwankungen
im Behälter c und an der Oberfläche d verändert. Die Wandungen des Behälters werden
also durch den Speicherdruck nicht belastet. Die Druckluft wird durch die Rohrleitung
e bei f zugeführt und entnommen. Während bei bisher gebräuchlichen Druckluftspeichern
meist nur die Verdichtungsarbeit der Luft bzw. des Gases aufgespeichert werden konnte,
kommen bei der neuen Speicheranordnung die Verdichtungs-und die Volldruckarbeiten
entsprechend der Wasserverdrängung zur Aufspeicherung. Bei einem Druck von 8 at
ist beispielsweise die isothermische Verdichtungsarbeit etwa gleich der Volldruckarbeit,
so daß die je ms aufgep eic * herte Energie im neuen Speicherraum :'°lj@ppelt so
groß ist als im geschlossenen .rbruckluftbehälter ohne Verdrängerwirkung. Auch gegenüber
der Druckwasserspeicherung wird bei diesem Druck bereits die doppelte Arbeit je
m3 gespeichert, weil bei der Druckwasserförderung lediglich die Volldruckarbeit
zu leisten ist.
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Die im Unterwasserspeicher aufgespeicherte Energie ist gleich der
Summe der Energien im Hochbehälter und im geschlossenen Druckluftbehälter. Dabei
ist noch nicht berücksichtigt, daß bei dem geschlossenen Druckluftspeicher mit Rücksicht
auf den mit fortschreitender Entladung abfallenden Druck nur ein Teil der im Speicher
enthaltenen Energien ausgenutzt werden kann.
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An Stelle von Luft können auf diese Weise auch alle anderen im Wasser
nicht löslichen Gase gespeichert werden.- Außerdem können Luft und Gase für jeden
beliebigen Zweck in gleicher Weise gespeichert werden.
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Als weiterer wesentlicher Vorteil der neuen Speicheranlage sind noch
die geringen Abmessungen der Rohrleitungen zu nennen, welche nur für kleinere Mengen
als bei den bisherigen Druckluftspeichern zu bemessen sind und nur einen Bruchteil
der Querschnitte in Druckwasseranlagen bei gleichem Druckverlust bekommen.
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Ihre besondere Bedeutung haben die neuen Speicheranlagen im flachen
Lande, wo vielfach Seen mit größerer Wassertiefe vorhanden sind, aber die Bodenerhebungen
zur Anlage von Druckwasserspeichern fehlen und unregelmäßig arbeitende Kraftquellen,
wie Wind- und Meeres- sowie Gezeitenströmungen, in erhöhtem Maße vorhanden sind.
Es können dann z. B. außer Dienst gestellte Schiffskörper, welche versenkt und beschwert
werden, als Speicherräume nutzbringende Verwendung finden, oder da die Wandungen
vom Druck entlastet sind, betonierte oder ähnliche Behälter.
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Da, wie eingangs. erwähnt wurde, der Wirkungsgrad der Verdichter im
allgemeinen geringer ist als der Wirkungsgrad von Speicherpumpen und bei der Entspannung
weitere höhere Verluste entstehen, würde die Wirtschaftlichkeit bei Kraftspeicheranlagen
in Frage gestellt, wenn die Druckluftspeicher nicht wie entsprechend der Erfindung
mit Wärmekraftmaschinen zusammenarbeiteten. Die kalte Druckluft soll hiernach je
nach Bedarf zur Speisung -von Heißluftmaschinen oder Brennkraftmaschinen Verwendung
finden, wobei es an sich einerlei ist, ob die Erwärmung
durch äußere
Beheizung oder durch innere Verbrennung oder durch beides nacheinander erfolgt.
Die rasche Betriebsbereitschaft dieser Maschinen im Gegensatz beispielsweise zu
Dampfkraftanlagen macht sie als Spitzenkraftmaschinen wertvoll. Die heißen Abgase
können dabei zur Vorwärmung der kalten Druckluft verwendet werden, bevor dieser
die Verbrennungswärme zugeführt wird, sofern man nicht zwischen Speicher und Kraftmaschine
noch eine stärkere Verdichtung einschaltet, durch welche die Druckluft bereits höher
erhitzt wird. Diese Nachverdichtung kann dort wirtschaftlich sein, wo der Speicherdruck
allein nicht hoch genug ist, um eine günstige Wärmeausnutzung zu erreichen. Je nach
dem Verdichtungsverhältnis und den Betriebsverhältnissen kann es vorteilhaft sein,
den Verdichter für die Nachverdichtung gekühlt oder ungekühlt zu verwenden.