DE898755C

DE898755C - Kaltluftenergiespeicher

Info

Publication number: DE898755C
Application number: DESCH7845A
Authority: DE
Inventors: Josef Schneider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1951-10-27
Filing date: 1951-10-27
Publication date: 1953-12-03

Description

Kaltluftenergiespeicher Die Speicherung elektrischer bzw. mechanischer Energie in Form von Wärme ist bekanntlich sehr unwirtschaftlich. Die günstigste diesbezügliche Möglichkeit ist bis jetzt die thermodynamische Energiespeicherung nach M a r g u e r e. Doch ist auch dieses Verfahren noch keineswegs zufriedenstellend. Der Erfinder selbst stellt fest, daß die notwendigen Hochdruckspeichergefäße kostspielig sind, und nur kurze Betriebszeiten zulassen.
In der Folge wird nun ein neuartiges thermo-,dynamisches Speicherverfahren beschrieben, welches gegenüber dem obengenannten große Vorteile aufweist.
Das neue Verfahren beruht auf der Energiespeicherung, welche durch die Luftverflüssigung gegeben ist, jedoch nach einer bis jetzt unbekannten wirtschaftlichen Art.
Es ist bekannt, daß der Antrieb von Arbeitsmaschinen mittels flüssiger Luft (Preßluftmotoren) bis jetzt völlig unwirtschaftlich ist. Ob man nun die flüssige Luft nach verschiedenen Vorschlägen direkt im Arbeitsraum (Zylinder) der Maschine oder außerhalb der Maschine unter hohem Druck verdampft, ist gleichgültig. In jedem Fall ist das ganze Arbeitsgefälle von Umgebungstemperatur zu der tiefen Verdampfungstemperatur der flüssigen- Luft bzw. die ganze Verdampfungskälte der flüssigen Luft für die Arbeitsleistung verloren. An sich wäre es theoretisch möglich, das genannte Temperaturgefälle mittels einer Kaltdampfmaschine auszuwerten. Praktisch fehlen jedoch brauchbare Kältemittel für derartig tiefe Temperaturen, und andererseits würde auch eine Energiespeicherungsanlage im Zweistoffverfahren zu kompliziert.
Es scheint also unmöglich, die Arbeit, welche zur Verflüssigung der Luft aufgewendet wurde, einigermaßen rationell wieder zurückzugewinnen. Und wenn dies möglich wäre, so wäre für den Betrieb eines großen Energiespeichers außerdem noch notwendig, daß die Erzeugung der flüssigen Luft in der Zeit der Überschußenergie auf eine einfache Art möglich ist.
Alles dies wird durch die in der Folge beschriebene Erfindung dadurch erreicht, daß Luft unter Arbeitsaufwand verdichtet, gekühlt, unter Wärmeentzug ohne Expansion in einem Kältespeicher verflüssigt, bei der späteren Speicherentladung unter Wärmeaufnahme verdampft, erwärmt und rückläufig unter Arbeitsleistung entspannt wird, wobei die Verdampfungskälte der flüssigen Luft bei der Speicherentladung im Kältespeicher verbleibt und für die Luftverflüssigung bei der nachfolgenden Speicherladung nutzbar gemacht wird.
Der Kältespeicher besteht im wesentlichen aus einem Rohrsystem, welches in Trockenspeichermasse eingebettet ist, und aus einem Flüssigkeitsgefäß für die flüssige Luft.
Des weiteren ist zwischen Luftverdichter und Kältespeicher ein Überhitzungsspeicher zur Speicherung und Nutzbarmachung der Kompressionswärme für den rückläufigen Entspannungsprozeß eingeschaltet.
Die Zeichnung nach Abb. i und 2 zeigt schematisch zwei verschiedene Ausführungsformen des Energiespeichers, wobei das Flüssigkeitsgefäß bei Ausführungsform Abb. i mit dem Arbeitsdruck belastet ist, während Ausführungsform Abb. 2 mit druckfreiem Flüssigkeitsgefäß arbeitet.
Abb. i zeigt schematisch a den Verdichter, welcher zugleich als Entspannungsmaschine gedacht ist, b den Überhitzungsspeicher zur Nutzung der Kompressionswärme, c den Kältespeicher, ein Rohrschlangensystem in Speichermasse eingebettet, d das Flüssigkeitsgefäß, e, f und g die Regelorgane zur Regelung des Flüssigkeitsein- und austrittes zum und vom Flüssigkeitsgefäß, e ein federbelastetes Rückschlagventil auf Ladedruck eingestellt, f ein federbelastetes Überdruckventil für das Flüssigkeitsgefäß, g ein Speichereinlaßventil durch Entladedruck gesteuert (öffnet bei fallendem und schließt bei steigendem Entladedruck).
Vor der ersten Inbetriebnahme muß der Kältespeicher mit Flüssigkeitsgefäß einmalig tiefgekühlt werden. Bei jeder nachfolgenden Speicherladung bzw. Entladung wird automatisch so viel Kälte erzeugt, daß die tiefe Speichertemperatur erhalten bleibt (s. darüber nachfolgend). Die erstmalige Tiefkühlung der Speicheranlage kann durch Einbringen flüssiger Luft in das Flüssigkeitsgefäß erfolgen. Die langsam verdampfende Luft läßt man durch das Rohrschlangensystem nach oben abziehen, wodurch der Speicher von unten nach oben fortschreitend langsam tiefgekühlt wird. Die flüssige Luft kann an Ort und Stelle durch ein kleines Luftverflüssigungsaggregat bekannter Bauart erzeugt werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, durch ein zweiteiliges Rohrsystem im Speicher die erste Tiefkühlung durch den Verdichter a nach dem Linde-Fränkel-Verfahren vorzunehmen. Ist der Kältespeicher durch Verdampfen flüssiger Luft erstmalig tiefgekühlt, so kann die Speicherladung beginnen. Der Verdichter a drückt die Luft über den Überhitzungsspeicher b mit annähernd Umgebungstemperatur in den Kältespeicher c oben ein. Nach Abkühlung der Luft im oberen Speicherteil (Gegenströmer) erfolgt deren Verflüssigung nach dem gegebenen Druck- und Temperaturverhältnis im Speicher abwärts. Die flüssige Luft sammelt sich im Flüssigkeitsgefäß d.
Bei der Speicherentladung wird (Schema Abb. i) rückläufig die flüssige Luft durch den äußeren Druckabfall des Entladedruckes vom Flüssigkeitsgefäß in den Kältespeicher c hochgedrückt, verdampft, auf annähernd Umgebungstemperatur erwärmt, im Überhitzungsspeicher b weiter erwärmt und unter Arbeitsleistung über a entspannt.
Es wird also, mittels Verdichter (Wärmepumpe) unter Arbeitsaufwand ein Arbeitskörper verdichtet und verflüssigt. Der Wärmeinhalt und die kondensierte Flüssigkeit werden gespeichert. Bei der späteren Speicherentladung wird die Flüssigkeit verdampft und die gespeicherte Wärme wieder der Arbeitsleistung zugeführt.
Dieses Verfahren arbeitet also im Prinzip ähnlich wie das obengenannte Speicherverfahren nach M a r g u e r e , ohne jedoch dessen Mängel zu besitzen. Der große Unterspeicher (bei M a rg u e r e) samt Verdampfer- und Kondensatorenanlagen kommen ganz in Wegfall. Weiter erfolgt das Ansaugen des Arbeitskörpers nicht bei tiefem Vakuum, sondern bei Atmosphärendruck, wodurch sich kleinere Abmessungen für die Verdichter ergeben. Großräumige Hochdruckspeichergefäße kommen bei Ausführungsform Abb. i (Kleinanlagen) nur in sehr kleinem Umfang zur Anwendung, während bei Ausführungsform Abb.2 (Großanlagen) keine druckfesten Speichergefäße zur Anwendung kommen.
In Ausführungsform Abb. 2 ist zwischen Kältespeicher und Flüssigkeitsgefäß ein Flüssigkeitsablaßventil, das Ladeventil e, und die Speisepumpe lt eingebaut. Das federbelastete, auf den Ladedruck eingestellte Ladeventil e läßt die flüssige Luft bei der Speicherladung laufend in das Flüssigkeitsgefäß ab, während die Speisepumpe la bei der Speicherentladung die flüssige Luft in den Kältespeicher c einspeist (Großanlagen).
Bei der Entspannung der flüssigen Luft durch das Ladeventil e (Schema Abb. 2) vom Verflüssigungsdruck auf Atmosphärendruck ergibt sich naturgemäß ein Verlust durch Nachverdampfung. Diese Nachverdampfung wird jedoch dadurch sehr klein gehalten, daß die flüssige Luft vor Austritt aus dem Rohrsystem des Kältespeichers stark unterkühlt wird. Die Unterkühlung ergibt sich dadurch, daß das Ladeventil e, wie bereits erwähnt, federbelastet auf Ladedruck eingestellt ist. Bei Ladebeginn wird sich deshalb der tiefgekühlte untere Teil des Rohrsystems mit Flüssigkeit füllen, bis der Ladedruck so weit ansteigt, daß das Ladeventil sich öffnet und einen Teil der jetzt stark unterkühlten flüssigen Luft in das Flüssigkeitsgefäß entweichen läßt, wodurch dann auch der Druck wieder etwas abfällt und das Ladeventil e wieder schließt. Öffnen und Schließen wiederholt sich fortlaufend, bis gegen Ende der Speicherladung die Flüssigkeit aus dem unteren Teil des Speichers bzw. des Rohrsystems nach und nach verdrängt wird, womit dann auch die Speicherladung beendet ist.
Wie der untere Speicherteil beim Ladevorgang als Unterkühlungsspeicher fungiert, so fungiert derselbe Speicherteil beim Entladevorgang als Vorwärmespeicher, indem die sehr kalte flüssige Luft beim Eintritt in den Speicher auf Verdampfungstemperatur vorgewärmt wird.
Die bei der genannten Flüssigkeitsentspannung sich noch ergebende Kaltluft wird mittels einer besonderen Rohrschlange kleiner Abmessung vom Flüssigkeitsgefäß durch den Speicher zum Verdichter abgeleitet (Strichpunktlinie). Die hierbei an den Speicher abgegebene Kälte deckt einen Teil der Kälteverluste. Der weitere Kälteverlust wird durch die Enthalpiedifferenz zwischen Ladeluft und Entladeluft gedeckt.
Der Entladeluft kann ein kleiner Teil des erhitzten Speicherwassers zugemischt werden (eingespritzt), wodurch sich eine Leistungssteigerung ergibt.

Claims

PATE NTANSPRCCHE: i. Kaltluftenergiespeicher, dadurch gekennzeichnet, daß Luft unter Arbeitsaufwand verdichtet, gekühlt, in einem Kältespeicher durch Wärmeäbgabe verflüssigt, bei der nachfolgenden Speicherentladung durch Wärmeaufnahme wieder verdampft, erwärmt und unter Arbeitsleistung entspannt wird. z. Kaltluftenergiespeicher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verdichter bzw. Entspannungsmaschine einerseits und Kältespeicher andererseits ein überhitzungsspeicher zur Nutzbarmachung der Kompressionswärme für die nachfolgende Arbeitsleistung eingeschaltet ist. 3. Kaltluftenergiespeicher nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Speicherladung im Kältespeicher verflüssigte Luft durch ein Flüssigkeitsablaßventil (Drosselventil) laufend in ein druckfreies Speichergefäß entspannt wird und von dort bei der Speicherentladung mittels Pumpe entnommen und in den Kältespeicher eingedrückt wird.