WO1997017546A1 - Pneumo-hydraulischer wandler für energiespeicherung - Google Patents

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WO1997017546A1
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Ivan Cyphelly
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Cyphelly Ivan J
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Definitions

  • a pneumo-hydraulic converter with a reciprocating double piston which connects a compressed air reservoir with a hydraulic circuit with the best possible efficiency, such that
  • Energy in the storage f Hessen can (charging) or can be drawn from the storage (discharging).
  • the purpose of the invention is to achieve good efficiency while increasing the clock frequency.
  • This heat exchanger can either run with the reciprocating piston set or remain fixed.
  • the moving heat exchanger requires about a third fewer sliding seals and, in addition, the tubular bundle significantly increases the kink and buckling resistance of the piston set, the description will be limited to the representation of the converter with the moving heat exchanger: the desired increase in the clock frequency forces a radical Dead space-reducing workspace arrangement which causes high buckling forces, which leads to buckling strength extremely important constructive factor, which must also be taken into account in the arrangement of the valves.
  • the valve sets each side must - consisting j in each case from high-pressure valve, exchange valve and low-pressure valve forced to be controlled, said low pressure valve may be coupled in their movement under certain conditions, exchange and.
  • the design of these valves must also meet the topological requirements of the heat exchanger
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through the axis of the four cylindrical
  • FIG. 2 shows a section transverse to the axis of FIG. l through the high-pressure chamber and through the heat exchanger tube bundle, and finally
  • FIG. 3 illustrates the same section as FIG. 2, but with bridged bundle tubes.
  • the converter in its high-pressure version consists of three coaxial cylindrical tube sections of approximately the same length, the upstream pressure tube (1) surrounding the upstream pressure piston (2) having a much larger diameter than the two high-pressure chamber tubes (3a / 3b) arranged symmetrically with respect to the upstream pressure tube (1) ), which also contain the longitudinally symmetrical high pressure pistons Ua / 4b). Since the moving parts as well as the fixed parts are mirror-symmetrical with respect to their long center, the upstream pressure pipe (1) is connected via valve flanges (5a / 5b) to the two screwed-in high-pressure chamber pipes (3a / 3b), each of which is attached by means of screw caps ( 6a / 6b ) attached connection cover (7a / 7b) must be completed.
  • the outside world communicates with the pre-pressure spaces (lla / llb) via the low pressure valves (13a / 13b) and the air reservoir (K) can the air high pressure spaces (lOa / lOb) via the high pressure valves (15a / 15b) act on, which are supplied from the air reservoir (U) through the supply lines (I6a / l6b) via the connections (17a / 17b).
  • FIG. 1 A possible configuration of the pilot control by means of hydraulic loading is shown in FIG. 1 shown on the high pressure valves (15a / 15b), the pressure chambers (I8a / 18b) each from the one
  • Pressure source (19) connected electrical 2-way
  • Pilot valves (20a / 20b) are either released or pressurized, thereby moving the valve pistons (21a / 21b), which are connected to the high-pressure valves (15a / l5b) via the rods (22a / 22b) with nuts (23a / 23b) .
  • Similar devices can also be provided for the exchange valves (12a / 12b) and the low pressure valves (13a / 13b), only their actuating rods (24a / 24b) and (25a / 25b) being shown here.
  • a wiring option of the converter is shown, with supply lines (27a / 27b) to a -V-way valve (28), which is a variable hydrostatic unit (29) with a flywheel ( 30 ) and an electric motor / generator (31) acted upon.
  • the exchange circuit begins with the feed pump (32), which the exchange liquid through the external Insert exchanger (33) via the connection (34b) in the connection cover (7b) and via the feed pipe (35b) into the pipe rod (8). Since this pipe rod (8) is closed in the plane of the pre-pressure piston (2) by a conical stopper (36), the exchange liquid is pressed back through the annular space between the feed pipe (35b) and the pipe rod (8) to the high-pressure piston, in which
  • Radial bores (37b) are fed to the exchanger bundle tubes (38), thus also the high-pressure piston (4a) - via the radial bores (37a) the tube rod (8) is in turn reached; the circuit back to the feed pump (32) is closed via the feed pipe (35a) and the connection (34a).
  • the exchanger seals (41a / 41b) and (42a / 42b) are loaded with a full pressure difference throughout the piston movement: this is the actual technological challenge of the concept, especially if the tube bundle design is designed to bypass the bundle tube (43) in order to increase the kink resistance and heat transfer (43). 3 provides. Only the sliding seal ( 44) of the upstream pressure piston (2) is spared from the high pressures, since it is only exposed to the upstream pressure. The remaining seals, not specified, are only subjected to static or short-stroke loads.
  • topological configuration shown is part of the invention and fits particularly well with the described, repetitive thermodynamic process, especially since the pressure chamber and exchanger arrangement selected enables the dead space-free shuttle valve design, with which the concept of conversion with the highest possible Efficiency stands and falls.
  • the 4-way changeover valve (28) must either be automatically synchronized (by the pressure peak at the stop) or by means of a proximity switch with the converter stroke; for simple compression tasks (e.g. for cooling circuits), the compressor can also be designed without a pre-pressure cylinder: the shell-and-tube heat exchanger can be either fixed or rotating, since there are no buckling forces.

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Abstract

Um hohe Wirkungsgrade nahe an der Isothermie trotz erhöhten Taktfrequenzen eines pneumo-hydraulischen Wandlers mit hin- und hergehenden Kolben beizubehalten, sind Gas-Arbeitsräume des Wandlers von Rohrbündel-Wärmetauscherrohren (38) durchsetzt, deren Tauschflüssigkeit durch den Wärmetauscher (33) annähernd auf Umgebungstemperatur gehalten wird. Hierzu müssen die Gas-Arbeitsräume axial nebeneinander angeordnet sein und zwecks Totraumverhinderung jeweils paarweise durch konische Austauschventile (12a/12b) beschaltet werden, die die ganze die Lufträume trennende Wanddicke des Ventilflansches (5a/5b) einnehmen.

Description

PNEUMO-HYDRAULISCHER WANDLER FÜR ENERGIESPEICHERUNG
Es ist ein pneumo-hydraulischer Wandler mit hin-und hergehendem Doppelkolben bekannt , der mit bestmöglichem Wirkungsgrad einen Druckluftspeicher mit einem Hydraulikkreislauf verbindet , derart dass
Energie in den Speicher f Hessen kann ( Laden) oder aus dem Speicher entnommen werden kann (Entladen) .
Die guten Wirkungsgrade der isothermen Vorgänge werden in dem genannten System dadurch angestrebt , dass die Arbeitsräume
( Kolbenräume) bei jedem Hub durch das arbeitsmedium Öl temperaturmässig stabilisiert werden ; dies bedingt relativ langsame Vorgänge , da die begrenzte Geschwindigkeit der Wärmeübertragung von der Zylinder-Mantelfläche auf die Luft während des Arbeitshubes die Temperaturschwankungen bei erhöhter Taktfrequenz nicht ausgleichen kann ; die Folge sind grosse Baueinheiten im Verhältnis zu der bewältigten Leistung .
Zweck der Erfindung ist es , einen guten Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Erhöhung der Taktfrequenz zu erreichen.
Erfindungsgemäss wird dies durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale erreicht , wonach rohrförmige Wärmetauscher einige der Arbeitsräume des Wandlers durchdringen , wobei ein äusserer Kreislauf die Tauschflüssigkeit annähernd auf Umgebungstemperatur hält.
Dieser Wärmetauscher kann entweder mit dem hin- und hergehenden Kolbensatz mitlaufen oder fest bleiben. Da jedoch der mitlaufende Wärmetauscher ungefähr ein Drittel weniger Gleitdichtungen erfordert und ausserdem das rohrförmige Bündel die Knick- und Beulfestigkeit des Kolbensatzes wesentlich erhöht , wird sich die Beschreibung auf die Darstellung des Wandlers mit mitlaufendem Wärmetauscher beschränken : die erwünschte Erhöhung der Taktfrequenz zwingt nämlich zu einer radikal totraumreduzierenden Arbeitsraumanordnung die hohe Knickkräfte verursacht , was die Knickfestigkeit zu einem ausserordenthch wichtigen konstruktiven Faktor macht , der auch in der Anordnung der Ventile mitberucksichtigt werden muss .
Da der Wandler sowohl als Kompressor wie auch als Entspanner arbeiten soll , müssen die Ventilsätze jeder Seite — bestehend jeweils aus Hochdruckventil , Austauschventil und Niederdruckventil zwangs- gesteuert werden , wobei unter gewissen Bedingungen Austausch- und Niederdruckventil in ihrer Bewegung gepaart werden können . Die Ausgestaltung dieser Ventile muss ebenso die topologischen Anforderungen des Wärmetauschers wie auch das
Imperativ minimalster Toträume erfüllen ; die Losung dieser Aufgaben und die Funktionsweise der Erfindung werden mit Hilfe von Zeichnungen erklart , wobei
FIG .1 einen Längsschnitt durch die Achse der vier zylindrischen
Arbeitsraume zeigt ,
FIG .2 einen Schnitt quer zur Achse der Fig . l durch den Hochdruckraum und durch das Wärmetauscher-Rohrbündel darstellt , und schliesslich
FIG .3 den gleichen Schnitt wie die Fig .2 veranschaulicht , jedoch mit überbrückten Bündelrohren.
Der Wandler in seiner Hochdruckausführung besteht aus drei ungefähr gleich langen koaxialen Zylmderrohrstücken , wobei das Vordruckrohr ( 1) , das den Vordruckkolben (2) umschliesst, einen wesentlich grösseren Durchmesser aufweist als die zwei gegenüber dem Vordruckrohr ( 1 ) symmetrisch angeordneten Hochdruckkammerrohre ( 3a/3b) , die die ebenfalls längssymmetrischen Hochdruckkolben Ua/4b) beinhalten . Da ebenso die bewegten Teile wie auch die feststehenden Teile spiegelsymmetrisch in Bezug auf deren Langsmitte sind , ist das Vordruckrohr ( 1 ) sinngemass über Ventilflansche ( 5a/5b) mit den zwei eingeschraubten Hochdruckkammerrohre ( 3a/3b ) verbunden , die jeweils durch mittels Schraubkappen (6a/6b ) befestigten Anschlussdeckel (7a/7b) abgeschlossen werden. Axial in den Zylinderrohrstücken gleitend befindet sich ein Satz von drei Kolben , die durch die Fohrstange (8) mechanisch fest verbunden sind und somit 2 x 3 Arbeitsräume definieren, und zwar: zwischen den Anschlussdeckeln (7a/7b) und den Hochdruckkolben UaMb) die Ölräume (9a/9b) , zwischen den Hochdruckkolben (Λa/4b) und den Ventilflanschen (5a/5b) die Luft-Hochdruckräume ( lOa/lOb) und zwischen den Ventilflanschen (5a/5b) und dem Vordruckkolben (2) die Luft- Vordruckräume ( lla/llb) . Die Luft-Hochdruckräume ( lOa/lOb) sind mit den Luft-Vordruckräumen ( lla/llb) über die Austauschventile
( 12a/12b) verbunden, die Aussenwelt kommuniziert mit den Vordruckräumen ( lla/llb) über die Niederdruckventile ( 13a/13b) und der Luftspeicher ( K) kann die Luft-Hochdruckräume ( lOa/lOb) über die Hochdruckventile ( 15a/15b) beaufschlagen, die vom Luftspeicher ( U) durch die Zuleitungen ( I6a/l6b) über die Anschlüsse ( 17a/17b) versorgt werden.
Eine Ausgestaltungsmöglichkeit der Vorsteuerung mittels hydraulischer Beaufschlagung ist in der Fig . 1 an den Hochdruckventilen ( 15a/15b) dargestellt, wobei die Druckräume ( I8a/l8b) jeweils von den an eine
Druckquelle (19) angeschlossenen elektrischen 2-Wege-
Vorsteuerventilen (20a/20b) entweder gelüftet oder beaufschlagt werden, wodurch die Ventilkolben (21a/21b) bewegt werden, die über die Stangen (22a/22b) mit Muttern (23a/23b) mit den Hochdruck ventilen (15a/l5b) verbunden sind. Ähnliche Vorrichtungen können auch für die Austauschventile ( 12a/12b) und die Niederdruckventile (13a/13b) vorgesehen werden, wobei hier lediglich deren Betätigungsstangen (24a/24b) und (25a/25b) dargestellt sind.
Zum besseren Verständnis ist , beginnend an den Olanschlüssen
(26a/26b) , eine Beschaltungsmöglichkeit des Wandlers dargestellt, mit Zuleitungen (27a/27b) zu einem -V-Wege-Ventil (28) , das eine variable hydrostatische Einheit (29) mit Schwungrad (30) und Elektro- Motor/Generator (31 ) beaufschlagt . Der Tauscherkreislauf beginnt mit der Speisepumpe (32) , die die Tauschflüssigkeit durch den externen Tauscher (33) über den Anschluss (34b) im Anschlussdeckel (7b) und über das Speiserohr (35b) in die Rohrstange (8) einführt. Da diese Rohrstange (8) in der Ebene des Vordruckkolbens (2) durch einen konischen Stopfen (36) verschlossen ist, wird die Tauschflüssigkeit durch den Ringraum zwischen Speiserohr (35b) und Rohrstange (8) zum Hochdruckkolben zurückgedrückt, in welchem über
Radialbohrungen (37b) die Tauscher-Bündelrohre (38) gespeist werden, also auch der Hochdruckkolben (4a) — über dessen Radialbohrungen (37a) wiederum die Rohrstange (8) erreicht wird ; der Kreislauf zurück zur Speisepumpe (32) wird über das Speiserohr (35a) und den Anschluss (34a) geschlossen.
Wie die Hochdruckkolben-Gleitdichtungen (39a/39b) und die Aus¬ tauschventil-Gleitdichtungen (40a/40b) werden auch die Tauscher- dichtungen (41a/41b) und (42a/42b) durch die ganze Kolbenbewegung hindurch mit voller Druckdifferenz belastet: dies ist die eigentliche technologische Herausforderung des Konzeptes, insbesondere wenn die Rohrbündelausgestaltung zwecks Eröhung der Knickfestigkeit und der Wärmeübertragung eine Bündelrohrüberbrückung (43) wie in Fig . 3 vorsieht . Lediglich die Gleitdichtung (44) des Vordruckkolbens (2) wird von den hohen Drücken verschont, da sie nur dem Vordruck ausgesetzt wird . Die restlichen nicht näher bezeichneten Dichtungen werden nur statisch oder kurzhubig beansprucht.
Die Funktionsweise des Wandlers soll nun in einem Zyklus der
Entspannung (Entladung) erläutert werden, dem die dargestellte Stellung der Ventile entspricht, wobei sich der Kolbensatz gegen rechts bewegt: in dem zeichnerisch festgehaltenen Augenblick wird durch das offene Luft-Hochdruckventil (15b) der Luft-Hochdruckraum ( 10b) mit dem Luftspeicher ( 14) direkt verbunden: die Druckkraft wird sinngemass im Ölraum (9b) aufgenommen und durch die Ölsäule in der Leitung (27b) über das 4-Wege-Ventil (28) auf die Druckseite motorisch wirkenden hydrostatischen Einheit (29) übertragen , die folglich das Schwungrad (30) und den Generator (31 ) antreibt . Durch besagte Bewegung nach rechts wird ausserdem mittels Vordruckkolben (2 ) entspannte Luft im Raum ( Ilb) über das offene Niederdruckventil ( 13b) in die Umwelt verdrangt und gleichzeitig die aus der vorhergehenden Bewegung im Luft-Hochdruckraum ( 10a) unter Vordruck verbliebene Luft über das offene Austauschventil ( 12a) durch den sich erweiternden Vordruckraum ( Ila) auf Auslassdruck gebracht . Durch dieselbe Bewegung wird das aus der hydrostatischen Einheit austretende Öl in den Ölraum (9a) gesaugt . Die durch das Polster im Ölraum (9b) aufgenommene Kraft entsteht also nicht nur durch die Hochdruckbeaufschlagung im Luft-Hochdruckraum ( 10b) , es addiert sich hierzu auch der durch den Vordruck an der grossen
Flache des Vordruckkolbens (2) entstehende Schub, der über die Rohrstange (8) und die Rohre (38) des Tauscherbundeis übertragen wird : hier lauert die Knickgefahr 1 An einer mittels Rechner zu ermittelnder Stelle dieses Rechtshubes muss nun das Hochdruckventil ( 15b) geschlossen werden , damit die Entspannung dieses hierdurch definierten Volumens am Ende des Hubes genau den Vordruck ergibt , der nach der Hubumkehr durch das Verschieben des Inhaltes des Lufthochdruckraumes ( 10b) in den Vordruckraum ( Ilb) durch Expansion den Auslassdruck erreicht . Im Augenblick des Hubumkehrs müssen also zusammen mit der Umschaltung von (28) auch ( 15a) , ( 13a)
& ( 12b) geöffnet und ( 12a) & ( 13b) geschlossen werden ( wobei ( 13b) ja schon durch den auflaufenden Vordruckkolben (2) in die Schhesstellung gedruckt wird) . Diese Umschaltung kann durch einen Naherungsschalter ausgelöst werden .
Abschhessend soll unterstrichen werden, dass die dargestellte topologische Ausgestaltung Teil der Erfindung ist und besonders gut zu dem beschriebenen, sich immer wiederholenden thermodynamischen Vorgang passt , zumal durch die gewählte Druckraum- und Tauscheranordnung die totraumfreie Wechselventilbauart möglich wird , mit der das Konzept einer Wandlung mit höchsten Wirkungsgraden steht und fällt .
Es soll schliesslich darauf hingewiesen werden , dass innerhalb eines Hubes der aus diesem Wandler austretende Öldruck pro Hub in einem Verhältnis von ungefähr 1 :30 schwankt ( bei 200 bar im Luftspeicher ( 14) ) , was dessen direkte Anwendung in vielen Fällen problematisch macht, da die hydrostatischen Einheiten über einen Verdrangervolumen-Regelbereich von höchstens 1 : 10 verfugen. Soll also der Wandler eine konstante Leistung bewältigen, empfiehlt sich der Weg über ein Schwungrad , das einen weiten Taktfrequenzbereich überbrücken kann , wobei die hydrostatische Einheit lediglich den effektiven Lastanderungen zu folgen hat.
Arbeitet der Wandler ausschliesslich als Kompressor entfällt die
Zwangssteuerung der Ventile, es muss ledighch das 4-Wege- Umschaltventil (28) entweder selbsttätig ( durch die Druckspitze beim Anschlag ) oder mittels Näherungsschalter mit dem Wandlerhub synchronisiert werden ; auch kann bei einfachen Verdichtungsaufgaben (z . B . für Kühlkreisläufe) der Kompressor ohne Vordruckzylinder ausgeführt werden : der Rohrbündel-Wärmetauscher kann hierbei wahlweise feststehend oder mitlaufend sein, da keine Knickkräfte entstehen.

Claims

Patentansprüche
1 . Pneumo-hydraulischer Wandler mit hin- und hergehendem Kolben , dadurch gekennzeichnet , dass ein integrierter Rohrbündel-Wärmetauscher Gas-Arbeitsräume des
Wandlers durchdringt , wobei ein äusserer Kreislauf für die Tauschflüssigkeit vorgesehen ist , der den Rohrbündel-Wärmetauscher annähernd auf Umgebungstemperatur hält .
2. Pneumo-hydraulischer Wandler nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeicnnet , dass der integrierte Rohrbündel-Wärmetauscher Gas-Arbeitsräume und Öl-Arbeitsräume durchdringt .
3. Pneumo-hydraulischer Wandler nach eineim der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (38) mit Brücken (43) verbunden sind , zwecks Erhöhung der Wärmeübertragung und der Knickfestigkeit .
4. Pneumo-hydraulischer Wandler nach den Patentansprüchen 1 und 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die Tauscherrohre (38) vom Kolbensatz ( 2/4a/4b) mitgenommen werden.
5. Pneumo-hydraulischer Wandler nach den Patentansprüchen 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Vordruckräume ( lla/llb) und die Gas-Hochdruckräume ( lOa/lOb) axial nebeneinander liegen , und dass die Ölräume (9a/9b) an den Enden angeordnet sind .
6. Pneumo-hydraulischer Wandler nach den Patentansprüchen 1 oder 2 und 5, dadurch gekennzeichnet , dass zwecks Verhinderung von Toträumen jeweils ein Gas- Hochdruckraum mit dem entsprechenden Vordruckraum über konische Sitzventile verbunden ist , die auf der Rohrstange (8) oder den Tauscherrohren (38) gleitdichtend geführt sind und die ganze die Lufträume trennende Wanddicke des Ventilflansches (5a/5b) einnehmen.
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