Hydrospeicher als Energiespeicher

Der Hydrospeicher ist ein Bauelement der Ölhydraulik zur Aufnahme oder Abgabe von Hydrauliköl unter Druck. Zur Energieaufnahme oder -abgabe im Hydrospeicher wird ein geeigneter Energieträger, zumeist eine vorge­spannte Gasfüllung, herangezogen. Das Hydrauliköl selbst ist infolge der sehr geringen Kompressibilität als Energieträger nicht geeignet. Im all­gemeinen sind der Energieträger und das Hydrauliköl durch ein Trennglied voneinander getrennt.

Eine wirtschaftlich und technisch optimal konzipierte Hydraulikanlage ist kaum denkbar ohne Einsatz von Hydrospeichern. Vom wirtschaftlichen Standpunkt bringt der Einsatz von Hydrospeichern i. a. niedrigere Anlagen- und Betriebskosten (Energieeinsparung) und die Möglichkeit raumminimaler Anlagen. Vom technischen Standpunkt kann die Verwendung eines Hydrospeichers in Hinsicht auf die Erfüllung bestimmter Funktionen, auf die Erhöhung der Zuverlässigkeit, auf die Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads, auf die Steigerung der Lebensdauer von Anlagenkomponenten und auf die Vermeidung von Nebenerscheinungen (Geräuschentstehung, Wär-meentwicklung) notwendig oder zweckmäßig sein.

Die Hydrospeicherbauarten lassen sich klassifizieren nach Art des Energieträgers, nach Art des Trennglieds und danäch, ob ein Hydrospeicher mit zusätzlichen Gasbehältern verwendet wird.

In Anlehnung an die CETOP-Empfehlung RP 62 H [77] werden im vorliegenden Kapitel die gebräuchlichsten Betriebskenngrößen von gasgefüllten Hydro- speichern definiert. Zur Veranschaulichung einiger Betriebskenngrößen sind im Bild 4.1 am Beispiel eines Kolbenspeichers unterschiedliche Be- triebszustände dargestellt.

Die Anforderungen der hydraulischen Anlage an den Hydrospeicher bestehen darin, daß ein bestimmter Bedarf gedeckt und zugleich bestimmte Nebenbedingungen erfüllt werden sollen. Diese Anforderungen gehen neben den im nächsten Kapitel behandelten Eigenschaften des Energieträgers in die Auslegung ein, die im Kapitel 7 bzw. 8 vorgenommen wird.

Die Gasfüllung im Hydrospeicher ist im thermodynamischen Sinne ein geschlossenes (masseisoliertes) System, das mit seiner Umgebung Arbeit und/oder Wärme austauschen kann. Wenn der Hydrospeicher Druckflüssigkeit aufnimmt oder abgibt, so erfolgt an der Gasfüllung Arbeitsaustausch. Wenn die Gastemperatur von der Umgebungstemperatur abweicht, so führt das zum Wärmeaustausch.

In diesem Kapitel wird die Auslegung der Spezifikationen eines Hydrospeichers auf klassische Weise vorgenommen. Demgegenüber wird im Kapitel 8 ein anderes Verfahren, die Auslegung durch ein Simulationsmodell, vorgestellt.

Bei der bisherigen Behandlung des Hydrospeichers wurde der Bedarf der hydraulischen Anlage als Ölvolumen oder Energie ohne Zeitbezug vorausgesetzt und das Verhalten des Energieträgers bezüglich der Art der Zu- standsänderungen unter Voraussetzung bestimmter Annahmen beschrieben. So wurde beim isochoren Wärmeaustausch vollständiger Temperaturausgleich mit der Umgebung vorausgesetzt, und beim Arbeitsaustausch wurde angenommen, daß die Zustandsänderung isotherm, polytrop oder adiabat sei. Es wurde jedoch auch darauf hingewiesen, daß es schwierig zu definieren ist, unter welchen Bedingungen welche Art der Zustandsänderung angenommen werden sollte. Diese Schwierigkeit geht vor allem auf den Wärmeaustauschvorgang zwischen der Gasfüllung und der Umgebung zurück. Welche Art der Zustandsänderung auftritt, hängt neben der Dauer des Austauschvorgangs auch von der Intensität des Wärmeübergangs sowie von der Bauart, der Größe (Volumen) und dem Druck des Hydrospeichers ab. Wird trotzdem über die Art der Zustandsänderung eine Annahme getroffen und eine Auslegung der Spezifikationen vorgenommen, so läuft man Gefahr, daß der Hydrospeicher im Betrieb die Anforderungen der hydraulischen Anlage nicht mehr erfüllt. Es liegt daher nahe, den Wärmeaustauschvorgang an der Gasfüllung näher zu berücksichtigen. Zu diesem Zweck wird in diesem Kapitel ein Hydrospeicher-Modell gebildet, das den Arbeits- und Wärmeaustauschvorgang an der Gasfüllung beschreibt.

Das vorliegende Kapitel befaßt sich mit der Fragestellung, ob man bei einem Hydrospeicher mit gegebenem Maximaldruck und Maximalvolumen (als Restriktionen zu verstehen) durch bestimmte Maßnahmen die Energiekapazität erhöhen kann. Es ist bereits im Abschnitt 6.1.2.3 ausgeführt worden, daß die Energiekapazität eines Hydrospeichers bei gegebenem Maxi-maldruck und -volumen auch vom minimalen Arbeitsdruck — also auch mittelbar von der Wahl des Vorfülldrucks — abhängt, und zwar so, daß die Energiekapazität in Abhängigkeit vom Arbeitsdruckverhältnis ein Maximum durchläuft. Dort ist auch darauf hingewiesen worden, daß die isotherme Zustandsänderung gegenüber dem adiabaten Fall eine höhere Energiespei- cherung ermöglicht.