CH100287A - Verfahren und Vorrichtung zum Aufspeichern von Energie. - Google Patents

Description

      Verfahren    und Vorrichtung zum Aufspeichern von Energie.    Die Erfindung betrifft ein Verfahren  zum Aufspeichern von Energie. Nach der  Erfindung     wird    mittelst des Energieüber  schusses ein     Verdichter    angetrieben und mit  dessen Hilfe in einem Behälter befindliche  Flüssigkeit, z. B. Wasser, verdampft, der  Dampf verdichtet und in einen Dampfspeicher  gedrückt. Zur Nutzbarmachung der Energie  wird der dem Dampfspeicher entnommene  Dampf einer     Kraftmasehine    zugeführt und  darnach ganz oder teilweise in den Flüssig  keitsbehälter     zurüükgeführt.     



  Um zeitweise einen     tberschuss        elektrischer     Energie aufzuspeichern, benutzt man bei  spielsweise eine als Motor und Generator ver  wendbare     Maschine,    mit welcher Verdichter  und Kraftmaschine gekuppelt sind. Verdich  ter und Kraftmaschine können gegebenen  falls auch aus derselben Maschine bestehen.  Der Wirkungsgrad dieses     Aufspeicherungs-          verfahrens    ist wenigstens so gut wie der bei  Aufspeicherung von     Drehstromenergie    mit  Benutzung elektrischer Akkumulatoren er  zielte; die Anlagekosten sind dabei viel ge  ringer.    Bei der Ausführung des vorliegenden  Verfahrens kann man vorteilhaft von der von  Honigmann .für den Betrieb feuerloser.

   Loko  motiven vorgeschlagenen Ausnutzung der  Verdünnungswärme - von Natronlauge und  ähnlich wirkenden Stoffen Gebrauch machen.  In diesem Falle -können zwei Behälter be  nutzt werden, die, wie für den     Lokomotiv-          betrieb    bekannt, so zusammengebaut sind,  dass die Wärmeübertragung von einem     zum     andern möglich ist.  



  Man kann gegebenenfalls auch bei Aus  führung des Verfahrens nur einen Teil der       aufgespeicherten.    Energie in Form von mecha  nischer Arbeit nutzbar machen und den Rest  als Wärme verwerten.  



  Für     einen    Teil der     zugeführten    Energie  wird man stets die Abfuhr in Form von  Wärme vornehmen müssen, so<B>w</B>eit dieses  nicht von selbst durch die Strahlung des  Flüssigkeitsbehälters und des Dampfspeichers  erfolgt; denn, da die für das Verfahren ver  wendete     Maschine        bezw.    Maschinen einen  Wirkungsgrad von weniger als 100      /a.    haben,  müssen Verluste entstehen, die     mir    in Form      von Wärme erscheinen können. Würde man  diese Wärme nicht abführen, so würde die  Temperatur des Flüssigkeitsbehälters und des  Dampfspeichers nicht nur zyklisch zu- und  abnehmen, sondern im Mittel dauernd steigen  und ein Gleichgewicht nicht möglich sein.

    Zur Regulierung des Druckverlaufes im Flüs  sigkeitsbehälter und Dampfspeicher ist neben  der Verwendung ausserhalb des Prozesses  auch teilweise Wiederverwendung im Prozess  möglich, indem die Wärme zur Zeit der höch  sten Verdichtung bei hoher Temperatur abge  führt, aufgespeichert und zur Zeit der gröss  ten Expansion wieder zugeführt wird.  



  Wenn die Wärme also nicht ausgenutzt  werden kann, könnte man sie     beispielsweise          mittelst    einer     Abdampfturbine    oder einer Ma  schine, die durch Dampf niedrig     siedender     Flüssigkeit angetrieben wird, verwerten. Man  kann .aber auch derartige Maschinen sparen.  wenn man so viel Dampf aus dem     Da,mpf-          speieher    durch die vorhandene Kraftmaschine  schickt,     da.ss    die erforderliche Wärmeabfuhr  aus dem Speicher erreicht ist. Die     tler    abzu  führenden Wärme entsprechende Dampf  menge kann dabei von der Turbine in einen  Kondensator geleitet werden.

   Bei Durchfüh  rung des Verfahrens unter Verwendung von  Laugen ist eine     Regulierungsmöglichkeit    er  wünscht. Da die Verdünnungswärme, die  durch das Einführen des Abdampfes der  Kraftmaschine indem     Laugenkessel    entsteht,  durchaus nicht immer genau dem Wärme  bedarf für die Verdampfung des Wassers im  Wasserbehälter entspricht, entstehen Tempe  ratur- und Druckschwankungen. Diese kön  nen zum Beispiel dadurch vermieden werden,       da,ss    nicht der ganze Abdampf der Kraftma  schine in den     Laugenbehälter,    sondern ein  Teil in einen besondern Wasserbehälter oder  in einen normalen Kondensator geführt wird,  wodurch eine Kombination des Verfahrens  mit Wasser und Lauge entsteht.

   Bei der Ver  dichtung kann dann in diesem Fall zunächst  die durch den     Laugenkessel    zu liefernde  Dampfmenge durch den Verdichter aus dem       Laugenkessel    angesaugt und, soweit notwen  dig, dann auch noch aus dem Wasserbehälter    weiterer Dampf entnommen werden. Die Um  schaltung vom     Natronkessel    auf den Wasser  behälter und umgekehrt kann selbsttätig mit  Hilfe von     Dreiweghähnen,        Umlegklappen     oder dergleichen erfolgen, indem deren Stel  lung in an sieh bekannter Weise durch     iln-          triebsvorrichtungen,    z. B. Druckkolben, be  stimmt wird, die von der Temperatur oder  dem Druck in den Kesseln abhängig sind.  



  In der Zeichnung sind Ausführungsbei  spiele von Vorrichtungen zur Ausführung des  Verfahrens dargestellt. Es zeigen:       Fig.    1 eine     Vorriehtung,    bei welcher der  Flüssigkeitsbehälter und der Dampfspeicher  voneinander örtlich getrennt sind,       Fig.    2 eine Vorrichtung, bei welcher der  Flüssigkeitsbehälter und der Dampfspeicher  zusammengebaut sind,       Fig.    3 einen Flüssigkeitskessel, in wel  chem ein     Dampfspeicherkessel        flammrohr-          artig    eingebaut ist,       Fig.    4 bis 9 Kessel, welche die Zirkulation  der Flüssigkeiten befördern,       Fig.    10 räumlich getrennte,

   aber durch  eine     Wärmeaustauschvorrichtung        miteinau-          der    verbundene Kessel.  



  Bei der Vorrichtung nach     Fig.    1 steht der  Flüssigkeitskessel     a    mit dem Dampfkessel b  durch zwei Rohrleitungen<I>c, d</I> und e, f in  Verbindung. Die Rohre<I>d</I> und<I>f</I> führen durch  die     T-förmigen        Anschlussstücke    der Rohre c       bezw.        c    hindurch. In die Rohrleitungen sind  der Verdichter g     bezw.    die Dampfturbine     la     eingeschaltet, die beide mit der als Motor und  Generator verwendbaren elektrischen Ma  schine     i.    gekuppelt sind.

   Die Rohre<I>d</I> und f  enden in den Kesseln in Streudüsen     7c        bezw.   <I>1.</I>  Mit<I>na,</I>     n.,   <I>o, p</I> sind Absperrhähne bezeichnet.  



  Während des     Aufspeicherns    sind die  Hähne     7n,        ia    geöffnet und die Hähne<I>o, p ge-</I>  schlossen. Die Maschine i, arbeitet als Motor  und treibt den Verdichter     g    an, der im Kessel  a eine Druckverminderung bis unter den Sät  tigungsdruck erzeugt, so dass eine Verdamp  fung des Wassers unter Temperaturerniedri  gung einsetzt. Der Dampf wird durch den  Verdichter auf     ahöheren    Druck und damit      höhere Temperatur gebracht und in den Kes  sel b gedrückt, wo er unter Wärmeabgabe       niedergeschlagen    wird.

   Nach dem Aufspei  chern werden die Hähne<I>m, n</I> geschlossen und  zur Nutzbarmachung .der Energie die Hähne  o, p geöffnet, so     -d.ass    aus dem Kessel b Dampf  zur Turbine h und von dieser zurück zum  Kessel a strömen kann. Hier     wird    der Ab  dampf niedergeschlagen und dabei die Tem  peratur des Wassers wieder erhöht. Die Ma  schine i, die dabei von der Dampfturbine au  getrieben wird, arbeitet; nun als Generator.  In den Behältern ergibt sich, da infolge der  Verluste in den Maschinen dem System mehr  Energie zugeführt wird, als aus ihm zurück  gewonnen wird, eine Temperatursteigerung,  die indessen oft noch nutzbar gemacht werden  kann, da die Temperatur der Behälter höher  ist, als die ihrer Umgebung.  



  Bei der Vorrichtung nach     Fig.    2 sind die  beiden     BehältEr    zusammengebaut. Der Kessel  a ist durch den     Natronkessel    r und der Kessel  b durch einen in den     Natronkessel    eingebau  ten Dampfkessel ersetzt, der aus einem Un  terkessel s, einem Oberkessel t und einem  beide verbindenden Röhrenbündel     2t    besteht.  



  Der Verdichter g erzeugt im     Natronkessel     die Verdampfung und drückt den Dampf  unter     Temperaturerhöhung    in den Unterkessel  s. Im     Natromkessel    ergibt sich dabei eine  Konzentration der Lauge. Durch die Rohre     ic     wird dabei Wärme ,an die Lauge abgegeben.  Ist die Aufspeicherung beendet     bezw.    die  höchste Konzentration der Lauge erreicht, so  werden die Hähne umgeschaltet. Der dem  Kessel t entnommene     Dampf    treibt die Tur  bine h und wird dann im     Natronkessel    nieder  geschlagen, wobei die sich ergebende Ver  dünnungswärme auf die Röhren     24    des Dampf  kessels in bekannter Weise übertragen wird.  



  Bei Kraftanlagen mit unbeständigen Was  serkräften muss für die Zeit, während der die  Wasserkraft gering ist, neben einer Speicher  anlage oft noch eine andere Kraftquelle, und  zwar meist ein Dampfwerk bereitgestellt wer  den. Ein besonderes Dampfwerk lässt sich  indes bei Anwendung des vorliegenden Auf  speicherungsverfahrens vermeiden, indem    man den     Dampfspeicherkessel,    d. h. den unter  höherem Druck stehenden Kessel unmittelbar  oder mittelbar heizt und ihm auf diese Weise  die zeitweise fehlende Energie zuführt.

   Es  kann dann der durch Wärme erzeugte Dampf  aus dem Kessel mit höherem Druck in den  Kessel mit niedrigerem Druck geleitet wer  den, genau so wie der Dampf der eigentlichen       Energieaufspeicherung.    Ebenso kann auch  zum Beispiel     unmittelbar    aus Kesseln stam  mender Dampf gleichzeitig der Kraftmaschine  zugeführt werden.  



  Der Unterschied der Ausführungsart des  Verfahrens mit zusätzlicher Heizung gegen  über der     vorbeschriebenen    Ausführungsart  ohne solche zusätzliche Heizung ist der, dass  es sich bei der erstgenannten Ausführungs  art nicht um einen periodisch umkehrbaren  Prozess handelt, da die Wärme, die durch  Heizung dem unter höherem Druck stehenden  Kessel zugeführt wird, nicht durch die  Wärmepumpe aus     dein        Energieüberschuss    er  zeugt wird. Daraus ergibt sich,     da.ss    die  Wärme des Abdampfes, die von dieser Hei  zung herrührt, in dem unter niedrigerem  Druck stehenden Kessel nicht     .aufgespeichert     werden kann, da sie ja durch die Wärme  pumpe nicht wieder herausgeholt wird.

   Führt  man den     Abdampf    in den unter niedrigerem  Druck stehenden Kessel, so     wird    man diesen  dann noch kühlen müssen.  



  Es ist jedoch     nicht    notwendig,     .dass    der  Dampf, der unmittelbar durch Wärme er  zeugt wird, nach seiner Ausnutzung in der  Kraftmaschine in den unter niedrigerem  Druck stehenden Kessel oder die Lauge geht.  Man kann ihn vorteilhafter in einen Konden  sator leiten, wenn keine Möglichkeit für die  Ausnutzung der Abwärme besteht. Der Kon  densator wird dann während eines entspre  chenden Teils des Prozesses an Stelle oder  neben den sonst zur     Aufnahme    des Ab  dampfes dienenden Kessel mit niedrigerem  Druck geschaltet.  



  Die Wärmezufuhr durch     Heizung    braucht  dabei nicht auf die Ladezeit beschränkt zu  werden, sondern man kann sie ständig vor-      nehmen und daher die Feuerung mit: hohem       )\'irkungsgrad    betreiben.  



       Fig.    3 zeigt eine Ausführungsform der  Kessel, -die einem     Fla.mmrohrkessel    ähnlich  sind. Das Flammrohr 2 ist dabei beiderseitig  abgeschlossen und dient als Dampfspeicher  kessel, während der umgebende Kessel 3 den       Laugenkessel    bildet.  



  In den     Fig.    4 bis 9 sind Kesselausführun  gen dargestellt, bei deren     Betrieb    der Wärme  austausch zwischen den Kesseln durch eine  gute Zirkulation der Flüssigkeiten befördert  wird.  



       Bei    den Kesseln der     Fig.    4 und 5 ist 4 der       Laugenkessel,    vor dessen Stirnwänden die  Wasserkammern 5 und 6     angeordnet    sind.       Dicse    sind durch     tlas    geneigt angeordnete  Röhrenbündel 7 und durch das ausserhalb des  Kessels liegende     Rückflussrohr    8     verbunden.     Die im Kessel 4 angeordneten     Abdampfrohre     9 lassen den Abdampf nach oben gerichtet  ausströmen. Sie sind durch Leitbleche 10 von  den Rohren 7 getrennt.

   Dem Dampfspeicher  kessel strömt der Dampf durch das Rohr 11  zu,     vrelches    in das     Rückflussrohr    8 eingebaut  und den Dampf     achsial        einströmen    lässt. In  dem     Da.mpfspeicherkessel    entsteht durch die  Erwärmung     bezw.    durch die Abkühlung des  Wassers im geneigt angeordneten     Robrbün-          del    7, dessen Neigung bis<B>90'</B> betragen kann,  eine Strömung, so dass das Wasser in Umlauf  versetzt wird. Die bei der     Abkühlung    im  Röhrenbündel     entstehende    Strömung wird  durch den aus dem Rohr 11 ausströmenden  Dampf unterstützt.  



  Bei der Ausführung nach     Fig.    6 tritt der  Dampf durch die Düsen 12 unmittelbar in  die Rohre 7 ein. Der     Kessel    nach     Fig.    7 be  sitzt ausser dem Röhrenbündel 7 noch ein  zweites, die Kammern 5 und 6 verbindendes       Röhrenbündel    13, das     enlgegengesetzte    Nei  gung hat; in beiden zusammen entsteht durch  Temperaturunterschiede ein Wasserumlauf.  Es     erübrigt    sich hier somit das äussere Um  laufrohr.

   Bei der Ausführungsform nach     den          Fig.    8 und 9 sind im Kessel 4     flammrohr-          a.rtig    die Kessel 14, 15 in verschiedener Hö-         henlage    angeordnet, die innerhalb des Kes  sels 4 durch die Rohre 16 und ausserhalb des  Kessels durch das     Rückflussrohr    17 verbunden  sind.  



  Anstatt ineinander gebaute Kessel zu ver  wenden, kann man den     Laugenkessel    vom       Dampfspeicherkessel    auch räumlich trennen  und den erforderlichen     -NG'ärmeaustauscll    da  durch herbeiführen, dass man in den einen  Kessel eine     Wärmeaustauschvorrichtung,     z. B. eine Rohrschlange, einbaut, durch wel  che die Flüssigkeit des andern Kessels im  Kreislauf hindurchgetrieben wird. Diese  Kesselanlage bietet erhebliche Vorteile, da  man den Flüssigkeitsumlauf mit Hilfe einer  Pumpe beliebig steigern kann, und ausserdem  normale Fesselausführungen verwendet wer  den können.

   Es können dabei auch     erheblich     grössere Kessel Verwendung finden, als bei  der Benutzung     zusammengebauter    Kessel.  



  In der     Fig.    10 ist eine derartige Kessel  anlage dargestellt. Der     Laugenkessel    18 ent  hält eine Rohrschlange 19, welche durch Lei  tungen 20 und     \?l,    wovon 21 eine Pumpe 23  enthält, an den     Dampfspeicherkessel    22 an  geschlossen ist. Es kann auch natürlich um  gekehrt der     N@'ä.rmeaustauschkörper    19 in dem       Dampfspeicherkessel    angeordnet sein.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I: Verfahren zum Aufspeichern von Ener gie, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auf speicherung mittelst eines mit Hilfe des Energieüberschusses angetriebenen Verdich ters Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbehälter durch Druckverminderung verdampft: und der Dampf verdichtet und in einen Dampfspei cher gedrückt wird, und bei der Nutzbar machung der dem Dampfspeicher entnommene Dampf nach seiner Ausnutzung zum Antrieb einer Kraftmaschine wieder ganz oder teil weise in den Flüssigkeitsbehälter zurückge führt wird. UNTERANSPRtrCHE 1.

   Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass zur Regulie rung des Drucklaufes die infoge der Ver- lugte im Verdichter und in der Kraftma schine zugeführte Überschussenergie als Wärme während des Verfahrens ganz oder teilweise abgeführt wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass ein Teil des Abdampfes aus der Kraftmaschine einem Kondensator zuge führt wird. 3. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass der Abdampf der Kraftmaschine in einen mit Natron lauge gefüllten Behälter geleitet und von diesem bei der Kondensierung Wärme auf den Dampfspeicher übertragen wird. 4.

   Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 3, dadurch gekennzeich- net,.dass jeweils nur ein Teil des Dampfes in den Laugenbehästex und der übrige Teil in einen besondern Wasserkessel oder in einen normalen Kondensator geleitet wird. 5. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass die im Ver fahren sich ergebende überschüssige Wärme auf besonderem Wege als Energie zurückgewonnen wird. 6.

   Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich starker Leistungsschwankungen des den Energieüberschuss liefernden Kraftwer kes dem S-Peicher durch direkte oder in direkte Beheizung Energie zugeführt wird. 7.

   Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeich net, dass der Kraftmaschine auch nicht aus dem Speicher stammender Dampf zu geführt wird. PATENTANSPRUCH II Vorrichtung zur Ausführung .des Verfah rens nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, dass der Flüssigkeitsbehälter und der Dampfspeicher durch eine oder zwei als Verdichter und Kraftmaschine dienende Ma schinen miteinander in Verbindung stehen. <B>UNTERANSPRÜCHE:</B> B. Vorrichtung nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass mit dem Ver dichter und der Kraftmaschine eine als Motor und Generator verwendbare elek trische Maschine gekuppelt ist. 9.

   Vorrichtung nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass ein und die selbe Maschine als Verdichter und als Kraftmaschine dient. 10. Vorrichtung nach Patentanspruch II, mit Laugenkessel und Dampfspeicherkessel, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf speicherkessel aus einem Oberkessel und einem Unterkessel besteht, die durch ein durch den Laugenkessel führendes Röh renbündel in Verbindung stehen. 11.

   Vorrichtung nach Patentanspruch II, mit Laugenkessel und Dampfspeicherkessel, dadurch gekennzeichnet, dass die zu dem Laugenkessel bezw. zu dem Dampfspei- cherkessel führenden Leitungen mit einer Umstellvorrichtung versehen sind, deren Verstellung durch die Temperatur oder einen Druck in den Kesseln beeinflusst wird. 12.

   Vorrichtung nach Patentanspruch II, mit Laugenkessel und Speicherkessel, da durch gekennzeichnet, dass die beiden Kessel nach Art eines Flammrohrkessels zusammengebaut sind und dabei das Flammrohr als geschlossener Kessel aus gebildet ist. 13.

   Vorrichtung nach Patentanspruch II, mit Laugenkessel und Dampfspeieherkessel, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnflächen des einen Kessels Kammern angeordnet sind, die durch ein geneigt ,angeordnetes, der Einwirkung des an dern Kessels ausgesetztes Röhrenbündel und eine der ,Einwirkung dieses Kessel entzogene Rückleitung verbunden sind. 14.

   Vorrichtung naüb. Patentanspruch II, mit. Laugenkessel und Dampfspeicherkessel, dadurch gekennzeichnet, dass an deu Stirnendendes einen Kessels zwei Kam mern angeordnet sind, die durch zwei entgegengesetzt geneigte, den andern Kessel durehdrinbende Röhrenbündel ver bunden sind.

   <B>15.</B> Vorrichtung nach Patentanspruch I und Unteranspruch 13, dadurch gelrennzeich- net, -dass in die Rückleitung eine Dampf zuführung einbebaut ist, die in der Rich tung der Rückleitung verläuft.

   16. Vorrichtung nach Patentanspruch II und L:njeranspruch 13, dadurch gekennzeieh- net, dass vor den Röhren des die Kammern verbindenden Röhrenbündels Dampfdüsen angeordnet sind.

   <B>17.</B> Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 13, dadurch gAennzeich- net, dass Dampfzuleitungen mit nach oben gerichteten Düsen angeordnet und von den Röhren des Röhrenbündels durch Leitwände getrennt sind.

   <B>18</B> . Vorrichtung nach Patentanspruch 1I, mit Laubenkessel und D.ampfspeieherkessel, dadurch bel;erinzcichiiet, dass der eine Kessel . zwei ihn flammrohrartig durch dringende Teile des andern Kessels in ver schiedener Höhenlage enthält, die inner halb des ersten Kessels durch Röhren und ausserhalb des Kessels durch eine R.üel@- flussleitung verbunden sind.

   19. Vorrichtung nach Patentanspruch II, mit Laubenkessel und Dampfspeicherl@essel, dadurch belkennzeichiiet, dass die beiden Kessel in räumlicher Trennung angeord net und in einem der Kessel Heizkörper untergebracht sind, durch welclie die Flüssigkeit des andern Kessels hindurch strömt.