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Einrichtung zur Sättigung von Heissluft mittels Einspritzung von Wasser.
Es ist bereits bekannt, ein Gemisch von Druckluft und Wasserdampf als Mittel zur Energie- übertragung, insbesondere für den indirekten Antrieb von Diesellokomotiven, zu verwenden.
Ferner ist die Erzeugung eines bestimmten, sozusagen dampfförmigen Gemisches durch Einspritzen von fein zerstäubtem Wasser unter hohem Druck in einen Behälter bekannt, der als Sättiger bezeichnet wird und in dem sich das Gemisch durch Verdampfung des eingespritzten Wassers bildet.
Die für diese Verdampfung erforderliche Wärme, die in der zu sättigenden Luft enthalten ist, kann entweder, u. zw. insbesondere wenn die Sättigung beim Ansaugen des Kompressors erfolgt, durch vorhergehende Erhitzung der Luft geliefert werden oder aber, u. zw. insbesondere wenn die Sättigung nach einer Kompressionsperiode erfolgt, durch die Wärme der Kompression selbst. Im letzteren Falle löst die Sättigung durch Verdampfung auch das Problem der Zwischenabkühlung der Luft, die bei Kompressoren mit mehrstufiger Verdichtung unentbehrlich ist.
Die bei Lokomotiven vorliegende Beschränkung der zur Verfügung stehenden Räume sowie die hohen Leistungen und somit die beträchtlichen Volumina der zu behandelnden Luft erfordern Spezialkonstruktionen, damit die Sättigung durch Verdampfung während des kurzen Zeitraumes des Durchganges durch den Sättiger in vollkommener Weise erhalten werden, da sonst eingespritzte Wassermengen vorhanden wären, die nicht verdampft würden. Eine solche Anlage erfordert ferner eine besonders elastische Regelung des eingespritzten Wassers zwecks Aufrechterhaltung der Proportionalität zwischen der Liefermenge der Luft und des zu verdampfenden Wassers während der fortwährenden Schwankungen der Leistung und der Lieferung. Diese Schwankungen sind bestimmt durch die Schwankungen der Lokomotivleistung, d. h. auch durch die Schwankungen der von den Motorzylindern gelieferten Gemischmengen.
Die Erfindung hat einen Sättiger zum Gegenstand, der den vorstehend angeführten Forderungen entspricht und mit einer Regeleinrichtung versehen ist, die den Schwankungen der Liefermenge des Kompressors folgt und die Proportionalität zwischen dieser Luftliefermenge und der Menge des eingespritzten Wassers aufrechterhält.
Gemäss der Erfindung ist eine Unterteilung des Luftstromes im Innern des Sättigers vorgesehen sowie der Durchgang dieses Luftstromes durch ein Vielfachsystem von Luftdüsen, die eine innige und unterteilte Berührung der Luft mit den Wassertröpfchen gewährleisten. Der Sättiger ist ferner derart ausgebildet, dass er die freie Entwicklung von Teilströmen sowie die Bildung von Sättigungszonen entsprechend der Unterteilung des Hauptstromes gemäss der Anzahl der Wassereinspritzinjektoren bzw. Gruppen von solchen zulässt.
Das Regelsystem für die verschiedenen Zubehörteile des Sättigers umfasst im allgemeinen folgende Teile :
1. Eine Reihe von Einrichtungen, welche das Ausschalten jedes derArbeitsräume des Kompressors, insbesondere durch Festhalten der entsprechenden Saugventile, in der Offenstellung gestatten.
2. Eine Reihe von Einrichtungen, die das Absperren einer jeden Düse des Sättigers ermöglichen.
3. Eine Reihe von Einrichtungen, die das Stillsetzen einer jeden der Einspritzpumpe zurSpeisung der Düsen gestatten.
Es ist vorgesehen, dass jedem Arbeitsraum des Kompressors eine bestimmte Düse und eine bestimmte Einspritzpumpe zugeordnet ist, und das Regelsystem ist derart ausgebildet, dass mit
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dem Ausschalten eines dieser Arbeitsräume gleichzeitig die entsprechende Düse und Pumpe ausgeschaltet wird.
Es ist ferner im allgemeinen die Möglichkeit vorgesehen, die Liefermenge der Pumpe stetig zu regeln, was gegebenenfalls mittels eines Thermostaten erfolgen kann, der unter dem Einfluss der Temperatur der gesättigten Luft am Austritt des Sättigers stehen kann.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Fig. 1 zeigt schematisch die Gesamtanordnung, Fig. 2 zeigt im Detail eine Einspritzdüse, und Fig. 3 zeigt einen Teil der Regeleinrichtung.
Bei der beispielsweisen Ausführungsform nach Fig. 1 ist ein zweizylindriger doppeltwirkender Kompressor mit einstufiger Kompression und Sättigung nach der Kompression angenommen. Die zwei Kompressorzylinder 1 sind je mit zwei Sauggehäusen 2 versehen, die die Saugventile umgeben, sowie mit zwei Aussehubgehäusen 3 mit den Auslassventilen. Von den Zylindern führt die Druckluftleitung 4 weg. Die Kompressorwelle treibt die Einspritzwasserpumpen 5 an. Im dargestellten Beispiel ist eine Mehrzylinderpumpe verwendet mit so viel Pumpenelementen (vier), als Arbeitsräume in den Kompressionszylindern enthalten sind.
Die verdichtete Luft strömt durch das Rohr 4 zum Sättiger 10 ; der Eintritt ist jedoch so ausgebildet, dass die Luft zuerst in eine Sammelkammer 10bis gelangt, die mit dem eigentlichen Sättiger 10 durch spezielle, in das Innere desselben mündende Düsen 11 verbunden ist. Es sind so viele Düsen vorhanden, als Arbeitsräume in den Kompressorzylindern vorhanden sind (vier), und jede von der Sammelkammer ausgehende Abzweigdüse ist mit einem Organ (Klappe 12, Fig. 1) versehen, das das Abschliessen der betreffenden Abzweigung mittels Stangen od. dgl. 18 gestattet.
Die Betätigung dieser Stangen 13, die vorzugsweise ausserhalb des Sättigers liegen, kann auf mechanische Weise durch ein einfaches, aus Hebeln bestehendes Steuergestänge erfolgen oder mit Hilfe von Druckluft, die in Betätigungszylindern 14 zur Wirkung kommt.
Innerhalb der Luftdüsen 11 sind Einspritzinjektoren 15 für zerstäubtes Wasser vorgesehen, die über Wasserleitungen 16 von den Einspritzpumpen 5 gespeist werden. Es kann auch in jeder Düse 11 eine Gruppe von solchen Injektoren angeordnet sein.
Leitflächen 17 unterstützen die Bildung von Sättigungszonen, wobei je eine Zone einer Eintrittsdüse zugeordnet ist.
Die durch die Düsen 11 gebildeten Teilluftströme, die durch die Führungsflächen 17 geleitet und mit einem feinen Nebel von aus den Injektoren austretenden zerstäubtem Wasser gemischt werden, vereinigen sich gegen das andere Ende des Sättigers hin und strömen gegen den Auslass 27. Das aus diesem austretende gesättigte Gemisch kann verbraucht oder aber durch eine weitere Stufe des Kompressors neuerlich angesaugt werden.
Vor dem Auslass des Sättigers sind besondere Einrichtungen angeordnet, die zum Trocknen des Gemisches bzw. zur Erhöhung seiner Verdampfungsfähigkeit dienen, indem sie Wärme in den Sättiger selbst einführen.
Von der Leitung 4 zweigt eine Leitung 6 ab, welche einen Teil der zu behandelnden Heissluft zu einem Trockner leitet, der aus Sammlern 18, 19, 20 und einem Rohrbündel 23 besteht, das in Berührung mit dem Gemisch beim Austritt des Sättigers steht. Die durch das Rohrbündel 23 streichende Luft verdampft die Tröpfchen, die noch im Gemisch beim Austritt verblieben sind. Sodann wird diese Luft durch die Leitung 21 in die Sammelkammer 10bis des Sättigers 10 getrieben und wird, ebenso wie der unmittelbar durch die Leitung 4 eintretende Teil, einer Sättigung und Abkühlung durch Entziehung der Verdampfungswärme des Wassers unterworfen.
Ferner ist vor den aus den Düsen 11 austretenden Strahlen eine (nicht dargestellte) Doppelwand des Sättigers vorgesehen, entlang welcher die Heissluft vorbeistreicht. Die Strahlen prallen auf diese Doppelwand auf, und die noch verbliebenen Tröpfchen werden dadurch zur Gänze verdampft.
In den Leitungen 4 und 6 sind Klappen 7 und 8 vorgesehen, die zur Regelung des direkten und abgezweigten Stromes dienen. Die Betätigung dieser Klappen kann, wie Fig. 1 zeigt, derart kombiniert sein, dass ein einziges Steuergestänge 9 zur Betätigung beider Klappen dient.
Ähnliche Wirkungen können anderseits dadurch erzielt werden, dass äussere Wärmequellen verwendet werden, z. B. Auspuffgase eines Motors (insbesondere wenn der Kompressor 1 von einer Brennkraftmaschine angetrieben ist) oder durch Verbrennungsgase, die in einer Verbrennungskammer gesondert erzeugt werden. Diese Gase treten in den Sammler 22 eines Rohrbündels 25 ein und verlassen dasselbe durch den Sammler 24. Die Sammler können durch Doppelwände des Sättigers gebildet werden, so dass entweder die von den Gasen geheizten Doppelwände oder das Rohrbündel Wärme auf das Gemisch übertragen, sei es zur Trocknung desselben, sei es zur zusätzlichen Verdampfung entsprechend der ausgetauschten Wärmemenge.
Am Einlass des Sammlers 22 ist eine durch das Gestänge 59 betätigte Klappe 58 vorgesehen, die zur Regelung des Stromes des heissen Gases dient.
Die Abzweigung 6 der Heissluft, ebenso die Gasmenge, die durch das Rohrbündel 25 streichen soll, kann selbsttätig geregelt werden ; das Mass der Sättigung (Verdampfung des in das Gemisch eingespritzten Wassers) ist durch die Temperatur der Mischung regelbar. Es genügt daher, in dem austretenden Strom einen Thermostat 26 anzuordnen, dessen Tätigkeit durch 28 in bekannter Weise
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auf das Steuergestänge 9 der Klappen 7 und 8 und auf das Steuergestänge 59 der Klappe 58 übertragen wird.
Die grundsätzliche Ausbildung des Sättigers bleibt auch im Falle unverändert, wo sich der Sättiger auf der Saugseite des Kompressors befindet. In diesem Falle kommt das Rohr 4 von einem Erhitzer, in dem die angesaugte Luft mittels einer fremden Heizquelle auf die zur Verdampfung des eingespritzten Wassers notwendige Temperatur gebracht wird. Diese Temperatur kann mittels eines Thermostaten geregelt werden, oder der beim Auslass des Sättigers angebrachte Thermostat 26, der auf die Temperatur des Gemisches anspricht, kann dazu verwendet werden, um entweder die Heizwirkung des Erhitzers zu ändern oder um die Mischung der erhitzten Luft mit der direkt angesaugten Luft zu regeln, wodurch die für die Sättigung erforderliche Temperatur erhalten wird.
Ausser den vorstehend beschriebenen Einrichtungen ist gegebenenfalls im Stromweg der gesättigten Luft ein Abscheider beliebiger bekannter Art angeordnet, der zur Entfernung der restlichen Wassertröpfchen dient.
Fig. 2 zeigt im Detail eine spezielle Form der Luftdüse 11. Die Bezugszeichen 12, 13, 15, 16, 11 bezeichnen dieselben Teile wie in Fig. 1. Ferner ist eine innere Düse 29 ersichtlich. Durch dieselbe gelangt ein Teil der durch die Düse 11 strömenden Luft in Berührung mit dem Wasserstrahl ausserhalb seines Austrittes aus den Injektoren 15, während der Rest der Luft erst nach einem gewissen Strömungsverlauf des Strahles mit diesem in Berührung tritt, d. h. nachdem derselbe sich bereits einigermassen entwickelt hat. Wenn die Innendüse 29 durch eine (in Fig. 2 gestrichelt gezeichnete) Haube 30 verschlossen ist oder eine andere Düsenform hat, ist der Wasserstrahl vor jeglicher Berührung mit der Luft geschützt, bis er sich in gewünschtem Masse entwickelt hat.
Fig. 3 zeigt beispielsweise die gesamte Regelvorrichtung der Sättigungseinrichtung, welche Vorrichtung bezweckt, das Wasser stets proportional zur Liefermenge der Luft des Sättigers zu bemessen. Der Kompressor wird durch einen Motor mit veränderbarer Drehzahl angetrieben und wird überdies durch das allmähliche Anschalten der Arbeitsräume der Zylinder geregelt, wobei die Regelung auf diese beiden veränderlichen Grössen Rücksicht nehmen soll.
Die erste zur Drehzahl proportionale Regelung kann durch direkten Antrieb der Einspritzpumpen mittels der Kompressorwelle erfolgen. Im Falle eines unabhängigen Antriebes der Pumpen wird hingegen die Liefermenge derselben durch eine Regelvorrichtung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kompressorwelle geregelt, u. zw. entweder indem der Lauf der Pumpen proportional geändert wird oder indem Nebenwege (Rückleitungen) oder Rücklaufventile geöffnet werden.
Die zweite der Änderung der Anzahl der Arbeitsräume des Kompressors entsprechende Regelung wird durch Verwendung derselben Einrichtung erzielt, die die Arbeitsräume des Kompressors unwirksam macht, u. zw. durch Ausschaltung des entsprechenden Pumpenelements und durch Schliessen der entsprechenden Düse des Sättigers.
Die Bezugszeichen 2, 12, 13, 14, 16 bezeichnen dieselben Teile wie in Fig. 1. Die Einrichtung besitzt eine pneumatische Steuerung.
Auf der Reglerwelle 33, die beispielsweise vom Führer betätigt wird, sitzt ein Nocken 34, der auf ein kleines Ventil 35 entgegen der Wirkung einer Feder 36 wirkt und den Durchlass für die Druckluft öffnet, die zur Regelung dient und bei 37 in die Leitung 38 eintritt. Von dieser Leitung tritt die Druckluft ein :
1. durch die Zweigleitung 39 in das Saugventilgehäuse 2 des Kompressors, wo die Druckluft auf einen kleinen Kolben wirkt und die Verriegelungsstössel 40 gegen die Wirkung der Feder 43 aufstösst, und durch die Öffnungen des Sitzes des Ventils 41 gegen das Saugventil 42 selbst. Dieses bleibt in der Offenstellung verriegelt, und der betreffende Arbeitsraum des Kompressors ist somit ausgeschaltet.
2. Durch die Abzweigung 57 gelangt die Steuerdruckluft in den kleinen Zylinder 14, und indem sie auf den Kolben 81 entgegen der Wirkung der Feder 82 wirkt, verstellt sie die Stange 13 und bewirkt dadurch den Abschluss der Klappe 12, d. h. der Abschluss der entsprechenden Luftdüse 11 des Sättigers.
3. Durch die Abzweigleitung 44 gelangt die Steuerdruekluft in den Verriegelungszylinder 45 der Einspritzpumpe 5, und durch die Wirkung auf den Kolben 46 gegen die Wirkung der Feder 47 stösst sie den Stössel 48 gegen den Hebel 49 derselben Pumpe, wodurch dieser angehoben wird. Die auf dem Hebel 49 befestigte Rolle 50 gelangt ausser Berührung mit dem Nocken oder Exzenter 52, das zum Antrieb des Pumpenkolbens 55 dient. Dieser wird daher in seiner oberen Stellung verriegelt bleiben, so dass diese Pumpe kein Wasser mehr liefert. 56 ist die Feder der Pumpe, die die Berührung zwischen dem Pumpenkolben 55 und dem Hebel 49 sichert. 51 ist die Antriebswelle der Pumpe, 60 das Saugventil, 61 das Auslassventil, 62 der Eintritt des Einspritzwassers von den Vorratsbehältern und Wasserfiltern, 16 der Abfluss zu den Injektoren 15.
Der Hebel 49 dreht sich z. B. um eine Reglerwelle 53, die in exzentrischen Lagern ruht (in Fig. 3 gestrichelt gezeichnet). Diese Welle 53 braucht bloss verdreht zu werden, um den Berührungspunkt zwischen der Rolle 50 und dem Nocken 52 zu verschieben, d. h. den Lauf und die Liefermenge der Pumpe zu verändern. Der Hebel 54 dient zur Ausführung der Regelbewegung der Welle 53. Diese Bewegung kann auch selbsttätig erhalten werden, z. B. durch die Wirkung des Thermostaten 26 (Fig. l). Diesfalls erhält man somit eine selbsttätige Regelung der durch die Pumpe eingespritzten Wassermenge,
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so dass die Einspritzung stets entsprechend der Aufrechterhaltung einer am Auslass des Sättigers voreingestellten Temperatur erhalten wird.
Es wird bemerkt, dass die beschriebenen Einrichtungen bloss beispielsweise sind und die Erfindung in keiner Weise beschränken sollen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Sättigung und Abkühlung von mittels eines Kompressors angesaugter und in eine Kammer, den sogenannten Sättiger, geförderter Heissluft mittels Einspritzung von fein zerstäubtem Wasser, das in der Luft vermöge der Wärme verdampft, die diese Luft während einer Erhitzungs-oder vorhergehenden Kompressionsperiode aufgenommen hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung und Verdampfung unterteilt erfolgen, wobei eine jede Einspritzinjektorgruppe eine eigene Abzweigung für die zu sättigende Luft und eine eigene Einspritzpumpe besitzt und die unterteilten Ströme der gesättigten Luft sich beim Auslass des Sättigers wieder vereinigen.