DE403683C

DE403683C - Verfahren und Vorrichtung zum Aufspeichern und Ausnutzen von Energie

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Publication number: DE403683C
Application number: DEA38687D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1921-10-28
Filing date: 1922-10-26
Publication date: 1924-10-02

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ^l ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufsammeln. Aufspeichern und Ausnutzen von < Energie, besonders der des Windes. Das Verfahren zur Aufspeicherung wird dadurch gekennzeichnet, daß die Energie zur Herstellung einer Wärmelagerung niederer Temperatur als die des Wassers der freien Natur ausgenutzt wird, und daß Wärme entweder vom Wasser der freien Natur oder von einer anderen zur Verfügung stehenden Wärmequelle oder von aufgespeicherter Wärme niederer oder höherer Temperatur als die des Wassers der freien Natur zu der erwähnten Wärmelagerung niederer Temperatur übergehen und bei diesem Temperaturgefälle Arbeit leisten kann.

Es ist dabei oft auch zweckmäßig, die Energie, die ausgenutzt werden soll, zur Erzielung einer Wärmelagerung mit höherer oder niederer Temperatur als der des Wassers der freien Natur auszunutzen, z. B. zur Erwärmung von Wasser, woraus dann Wärme auf die Wärmelagerung niederer Temperatur herunterexpandieren kann. Es ist dies beispielsweise zweckmäßig, wenn mehr Energie zur Verfügung steht, als durch die Lagerung niederer Temperatur aufgenommen werden kann.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann in ihrer einfachsten Form aus einem mittels der aufzusammelnden Energie angetriebenen Kälteerzeuger und einem Expansionsmotor bestehen, in dem das Wärmegefälle in mechanische Energie umgesetzt wird.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung veranschaulicht.

ι bezeichnet den Verdichter eines Kälteerzeugers, etwa von an und für sich bekannter Art, 2 den Verdampfer des Kälteerzeugers, 4 den Kondensator des Kälteerzeugers, 7 einen Expansionsmotor, 8 den Verdampfer des Expansionsmotors, 9 den Kondensator des Expansionsmotors, 3 einen Behälter für den Verdampfer des Kälteerzeugers und den Kondensator des Expansionsmotors, 5 einen Behälter für den Kondensator des Kälteerzeugers und den Verdampfer des Expansionsmotors und 6 ein Regelventil zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer des Kälteerzeugers. Anstatt eines Regelventiles kann auch ein Expansionszylinder angewandt wer-

den, je nach dem im Kälteerzeuger verwendeten Mittel. io bezeichnet eine Pumpe, Ii einen Behälter zur Aufspeicherung der Wärme niederer Temperatur, 12 Gefrierzellen und 13 eine Umlaufpumpe.

Als Mittel im Kälteerzeuger wird einer der in der Kältetechnik gebräuchlichen, sogenannten Kaltdämpfe, z. B. Kohlensäure (CO₂), Ammoniak (NH₃), schweflige Säure (SO₂) usw. oder auch atmosphärische Luft verwendet. Bei gleichen Temperaturen hat, wie bekannt, CO₂ den höchsten Druck (Sättigungsdruck), danach folgen NH₃ und SO₂. Das im Expansionsmotor umlaufende Mittel kann entweder von gleicher oder auch anderer Art als das des Kälteerzeugers sein. Die Vorrichtung wirkt wie folgt: Der Verdichter 1, der z. B. durch Windkraft angetrieben wird, saugt das gasförmige Mittel vom Verdampfer 2 ab, verdichtet es und drückt es in den Kondensator 4. Der Kondensator 4 ist von Kühlwasser umgeben, das die Wärme des verdichteten Mittels aufnimmt, wobei sich das Mittel abkühlt und in flüssige Form übergeht. Das im Kondensator 4 verflüssigte Mittel, das einen Druck aufweist, der der Temperatur des den Kondensator umgebenden Kühlwassers annähernd entspricht, wird durch das Regelventil 6 dem Verdampfer 2 zugeführt, in dem es auf niedrigeren Druck übergeht und verdampft, wobei es seine Verdampfungswärme der den Verdampfer 2 umgebenden Flüssigkeit entnimmt, die hierdurch abgekühlt wird. Der Vorgang wird dann aufs neue wiederholt mit Verdichtung, Abkühlung, Druckverminderung und Verdampfung. Dies ist ein an und für sich bekannter Kälteprozeß. Das den Expansionsmotor 7 treibende Mittel' wird gasförmig dem Verdampfer 8 im oberen Teil des Gefäßes 5 entnommen. Nach der arbeitsleistenden Expansion im Motor 7 wird das Mittel in den Kondensator 9 im unteren Teil des Behälters 3 eingeführt, wo es seine Dampfwärme an die den Kondensator 9 umgebende und durch den Verdampfer 2 des Kälteerzeugers abgekühlte Flüssigkeit abgibt und in flüssige Form übergeht. Das im Kondensator 9 verflüssigte Mittel wird durch die Pumpe 10 wieder in den Verdampfer 8 gedrückt, wo es Wärme aus dem den Kondensator 4 umgebenden und durch diesen erhitzten Wasser aufnimmt und wieder in den gasförmigen Zustand übergeht. Die Drücke des Verdampfers 8 und des Kondensators 9 des Expansionsmotors 7 werden, wie beim Kälteerzeuger, von den Temperaturen des betreffenden Behälters bestimmt. Der Vorgang wird dann aufs neue wiederholt mit arbeitsleistender Expansion, Abkühlung, Kondensieren, Druckerhöhung, Erhitzung und Verdampfung.

Im Behälter 11 sind eine Anzahl Gefrierzellen 12 beliebiger Form und aus beliebigem Baustoff vorgesehen, die Wasser enthalten, dem ein geeigneter Stoff, z. B. Kochsalz usw., zur Herabsetzung des Gefrierpunktes beigemischt ist. Die im Behälter 11 zwischen den Gefrierzellen vorhandenen Zwischenräume entj halten Wasser, dessen Gefrierpunkt infolge j Beimischung einer größeren Menge des Stoffes oder allenfalls eines Stoffes anderer Art, aber niedriger als der des Zellenwassers ist. Die Flüssigkeit soll in den Zellen gefrieren, nicht aber die Umlaufflüssigkeit (der sogenannte Kälteträger) zwischen den Zellen. Der Gefrierpunkt für gesättigte Kochsalzlösung liegt, wie bekannt, bei etwa — i8° C. Wünscht man den Gefrierpunkt der Umlaufflüssigkeit unter —■ 18° herabzusetzen, so kann etwa Chlorkalzium zugesetzt werden. Der Gefrierpunkt gesättigter Chlorkalziumlösung liegt, wie bekannt, bei — 40⁰ C. Die Salzlösung im Behälter 11 wird mittels der Umlaufpumpe 13 vom Öehälter 3 dem Behälter 11 zugeführt; sie strömt durch den Kanal 14 nach dem Behalter 3 zurück.

Im oberen Teil des Behälters 3 entnimmt der Kälteerzeuger der Umlaufflüssigkeit Wärme, wodurch sie abgekühlt wird. Im unteren Teil des Gefäßes 3 nimmt die Um- go laufflüssigkeit dagegen eine Wärmemenge vom Kondensator 9 des Expansionsmotors wieder auf, falls letzterer im Betrieb ist. Wenn der Verdampfer 2 des Kälteerzeugers 1 mehr Wärme aufnimmt, als der Kondensator 9 des Expansionsmotors 7 abgibt, wird die Temperatur der Umlaufflüssigkeit herabgesetzt. Sobald die Temperatur der Umlaufflüssigkeit unter den Gefrierpunkt der Flüssigkeit in den Gefrierzellen 12 gefallen ist, geht deren Inhalt in Eis über. Das flüssige Mittel vom Kon-' densator 9 des Expansionsmotors 7 kann, ehe es durch die Pumpe ι ο in den Verdampfer 8 gedrückt wird, auch durch einen Behälter geführt und durch umlaufendes Wasser von der freien Natur erwärmt werden. Diese letzterwähnte Vorwärmung des Mittels des Expansionsmotors hat nur Bedeutung, wenn die Kondensationswärme des Kälteerzeugers aufgespeichert wird, nicht aber, wenn der no Arbeitsprozeß zwischen der Temperatur des Wassers im Freien und derjenigen der Kältelagerung erfolgt.

Der Kondensator 9 und der Verdampfer 2 können auch'in je einem besonderen Behälter untergebracht werden, durch die die Umlaufflüssigkeit vom Behälter 11 geführt wird. Der Umlauf kann durch jeden der Behälter für sich oder durch beide Behälter mit ein und demselben Flüssigkeitsstrom zuerst durch den Flüssigkeitsbehälter des Kondensators 9 und dann durch den des Verdampfers 2

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erfolgen. Das durch den Kondensator 4 des Kälteerzeugers 1 erwärmte Wasser wird in einem oder mehreren Behältern (in der Zeichnung nicht dargestellt) aufgespeichert, die dem bzw. den Behältern gleichen, in denen die Gefrierzellen angeordnet werden und die Umlaufflüssigkeit aufgespeichert wird. Diese Speicherungsbehälter können von beliebiger Form und aus beliebigem Material hergestellt sein und werden wie gewöhnliche Kühlhäuser isoliert.

Der Kondensator 4 des Kälteerzeuger^ 1 und der Verdampfer 8 des Motors können gleichfalls, wie vorhin erwähnt, entweder in einem und demselben Behälter, wie die Zeichnung zeigt, oder in je einem besonderen Behälter untergebracht werden, durch die das Wasser der Warmwasserlagerung umläuft. Im letzten Falle kann der Umlauf durch jeden ao Behälter für sich erfolgen, oder derselbe Wasserstrom kann durch beide Behälter, und zwar zuerst durch den Flüssigkeitsbehälter des Verdampfers 8 und dann durch den des Kondensators 4, geschickt werden. Die Gefrierzellen 12 des Behälters 11 können auch wegfallen, so daß die Wärme niederer Temperatur nur in der Salzlösung gespeichert wird; dann wird jedoch eine größere Flüssigkeitsmenge erforderlich. Denn bei Verwendung gesättigter Kochsalzlösung bindet 1 kg dieser Lösung» bei Erwärmung von —18 C ', bis auf 0° C etwa 16 Wärmeeinheiten, wäh- ^; rend 1 kg Eis beim Schmelzen 80 Wärme- ' einheiten bindet. Außerdem bindet Eis be- i kanntlich eine weitere gewisse Wärmemenge, j wenn es einige Grade abgekühlt worden ist. ' Wenn Chlorkalziumlösung verwendet wird, ^! kann die Temperatur niedriger gehalten wer- j den, und die Lösung vermag eine größere ' Wärmemenge bei Erwärmung bis auf er C ; zu binden.

Der Temperaturunterschied kann — um .' mechanische Energie zu gewinnen — auch durch ein Kaskadenverfahren ausgenutzt werden. Hat z. B. das Warmwasser des Kondensators des Kälteerzeugers eine Temperatur von + 28° C, so, kann das Temperaturgefälle _: zwischen diesem Wasser und Eis von o° C in einem Intervall ausgenutzt werden, und dann das Temperaturgefälle zwischen der . Temperatur des Wassers im Freien von -j- 10 bis +15⁰C und der der Umlauf flüssigkeit von — 18⁰C in einem Intervall.

Sollte Windstille eintreten und der Kälteerzeuger demzufolge während einer längeren Zeit außer Betrieb kommen, und sollte die Temperatur des aufgespeicherten Kondensatorwassers (falls dieser Wasservorrat nicht hinreichend war, die gesamte, vom Kondensator abgegebene Wärme aufzunehmen) bis auf dasselbe Niveau wie das Wasser im Freien sinken, so kann der Arbeitsprozeß zwischen dieser letzten Temperatur und der des Eises oder der Umlaufflüssigkeit vor sich gehen. Wasser von irgendeiner Wasseraniammlung im Freien wird im letzterwähnten Falle beständig durch das Rohr 15 dem Behälter 5 zugeführt, indem es zuerst dem Kon-( densator 4 des Kälteerzeugers Wärme entnimmt, falls dieser im Betrieb ist, und dann , dem Verdampfer 8 des Expansionsmotors Wärme zuführt, wonach es durch das Rohr 16 abgeleitet wird. Sind sowohl der Kälteerzeuger als auch der Expansionsmotor in Betrieb, so kann dasselbe Wasser im Behälter 5 umlaufen.

: Wird die Kondensatorwärme des Kälteerzeugers aufgespeichert, so wird die Tem- : peratur des im Kondensatorbehälter umlaufenden Wassers steigen, vorausgesetzt, daß der Kondensator mehr Wärme abgibt, als der Verdampfer des Expansionsmotors aufnimmt. In j diesem Falle ist es aber fast von keiner Be- \ deutung", daß der Temperaturunterschied zwischen Kondensator und Verdampfer größer ' wird, was zur Folge hat, daß das Vermögen [ des Kälteerzeugers, Wärme aufzunehmen, herabgesetzt wird. Denn je größer der Tem- ; peraturunterschied ist, um so größer" ist das Temperaturgefälle und um so größer die vorrätige Menge der aufgespeicherten Energie. ' Das Kühlmittel kann auch, ehe es in den Verdampfer eingeleitet wird, durch einen ' sogenannten Nachkühler geführt werden, in : dem es unter die Temperatur des Kondenj sators abgekühlt wird und den Wirkungsgrad des Kälteerzeugers erhöht, welches Verfahren bei neueren Kälteanlagen an und für sich bekannt ist. Als Kühlwasser für den erwähnten Nachkühler kann auch dasselbe - Wasser dienen, das früher bei der Erwärmung des flüssigen Mittels vom Kondensator 9 des Expansionsmotors hinter der Pumpe 10 verwendet wurde.

Was oben bezüglich der Aufspeicherung der Kondensatorwärme gesagt ist, bekommt auch eine andere Bedeutung, wenn die betreffende Windkraftanlage in der heißen Zone liegt. Die Windmotoren sollen so stark gebaut sein, daß sie mit voller Windfläche ohne n₀ Reffung oder mechanische Regelung mittels Klappen sehr kräftigen Winden widerstehen und deren Energie ausnutzen können. Das Flügelsystem der Windmotoren soll mit der Motorwelle fest verbunden sein und keine Klappen und¹ Schrägstellungsvorrichtungen, die sie empfindlich und kostspielig machen, besitzen.

Da, wie bekannt, die Kraft des Windes mit der dritten Potenz seiner Geschwindigkeit zunimmt, ist es ersichtlich, daß während einiger Stunden Sturmwind eine gleich große Energie-

menge aufgespeichert werden kann, wie während mehrerer Tage mit Wind von mittlerer Geschwindigkeit. Weil die Sturmwinde, die die Spitzen der Windkraft darstellen, aufgespeichert und ausgenutzt werden können, so ist eine ziemlich kleine Anzahl Windmotoren erforderlich, um eine gewisse Energiemenge zu erzeugen. Die Windmotoren können Tag und Nacht arbeiten und jeden nützlichen!Wind ίο aufspeichern.

In größeren Windkraftanlagen können auch eine Anzahl Windmotoren gruppenweise zusammenarbeiten und eine Dynamomaschine geeigneter Bauart antreiben. Von den Dynamoig maschinen dieser Gruppen wird die Elektrizität der Zentrale zugeführt, wo sie einen oder mehrere Elektromotoren antreibt. In der Zentrale treiben die Elektromotoren eine Anzahl Kälteerzeuger, die unabhängig voneinander ein- und ausschaltbar sein müssen.

Man erhält demnach ein Mittel, die, Schwankungen der Windkraft vollständig zu beherrschen. Die Verdichtung von Gasen ist ein ideales Mittel, die Windstöße auszu-2g gleichen.

Selbstverständlich können auch andere Energien als die des Windes in der beschriebenen Weise ausgenutzt werden, beispielsweise Nachtenergien in elektrischen Zentralen.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Verfahren zur Auf Sammlung, Aufspeicherung und Ausnutzung von Energie (besonders der des Windes), dadurch ge-3g kennzeichnet, daß die aufzuspeichernde Energie zur Herstellung einer Wärmelage-. rung niederer Temperatur als die des Wassers der freien Natur ausgenutzt wird, und daß Wärme entweder vom Wasser der freien Natur oder von einer anderen zur Verfügung stehenden Wärmequelle oder von aufgespeicherter Wärme niederer oder höherer Temperatur als die des Wassers der freien Natur zu der erwähnten Wärmelagerung niederer Temperatur übergehen kann und bei diesem Temperaturgefälle Arbeit leistet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgespeicherte

go Wärme höherer oder niederer Temperatur als die des Wassers der freien Natur auch mittels der Energie erzeugt wird, die ausgenutzt werden soll.
3. Vorrichtung zur Durchführung eines gg Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufzusammelnde, aufzuspeichernde und auszunutzende Energie dazu verwendet wird,

einen Kälteerzeuger anzutreiben, und daß das Wärmegefälle in einem Expansionsmotor in mechanische Energie umgesetzt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kälteerzeuger Wärme von einer Salzlösung 6g (Kälteträger) aufnimmt, welcher Kälteträger dann dazu gebracht wird, Wärme von einem umlaufenden Mittel (Kaltdampf) aufzunehmen, das dadurch in flüssige Form übergeführt wird, und nach Druckerhöhung und durch Wärmezufuhr wieder in gasförmigen Zustand übergeht und im Expansionsmotor zum Expandieren gebracht wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Kondensator des Kälteerzeugers aufgenommene Wärme aufgespeichert und ausgenutzt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme niederer Temperatur entweder in einer Salzlösung oder in zwei solchen Lösungen aufgespeichert ist, die im letzten Falle verschiedene Gefrierpunkte aufweisen, der- 8g art, daß die eine vor der anderen zum Gefrieren gebracht werden kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Expansionsmotor umlaufende Mittel nach dessen Kondensierung dazu gebracht wird, Wärme aus dem Wasser der freien Natur aufzunehmen und dann in den Verdampfer (8) des Expansionsmotors gedrückt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Erwärmung des Treibmittels des Expansionsmotors verwendete Wasser, das dadurch abgekühlt worden ist, dazu gebracht wird, Wärme vom Mittel des Kälteerzeugers aufzunehmen, ehe dieses Mittel dem Verdampfer (2) des Kälteerzeugers zugeführt wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator des Kälteerzeugers und der Verdampfer des Expansionsmotors in ein und demselben oder in je einem besonderen Behälter angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der An-Sprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer des Kälteerzeugers und der Kondensator des Expansionsmotors in ein und demselben oder in je einem besonderen Behälter angeordnet ng sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.