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Verfahren zur Gewinnung flüssiger Luft.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um bei der verhältnismässig hoch liegenden kritischen Temperatur. der Luft diese in gewerblich verwertbarem Massstabe in flüssige Form überzuführen. Der kritischen Temperatur der Luft entspricht ein Druck von 53 Atmosphären. Die Temperatur, bei der Luft beim Atmosphärendruck in flüssigem Zustande existieren kann, beträgt etwa 500 weniger als die kritische Temperatur. Um daher bei
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oder aufzubewahren, muss man sie nicht allein von dem Druck von 52 Atmosphären entlasten, sondern sie noch im flüssigen Zustande um weitere 500 abkühlen.
Da man nun ausser flüssiger Luft selbst kein ökonomisches und praktisches Kältemittel besitzt, das diese weitere Abkühlung bewirken könnte und sich auch die Ausdehnungsarbeit beim Ausströmen in die Atmosphäre zur Abkühlung deshalb nicht verwenden lässt, weil bei der Druckt'ntlastung eine zu bedeutende latente Wärme frei wird und eine fast vollständige Ver-
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hoher Temperatur für gewerbliche Zwecke ganz abgesehen und es blieben solche Versuche auf reine Laboratoriumsexperimente beschränkt.
Vorliegende Erfindung löst nun diese Schwierigkeit dadurch, dass sie die durch fraktionierte Kühlung vermittelst Flüssigkeiten abnehmenden Siedepunktes oder auf irgendeinem anderen Wege verflüssigte Luft bei der Druckentlastung sofort gegen die Flügel einer Turbine strömen lässt, die durch die für ihre Drehung erforderliche Arbeit dem Flüssigkeitsstrahl so viel Wärme entzieht, dass nur ein verhältnismässig geringer Bruchteil desselben bei der Ausströmung vergast ; die sich dabei entwickelnden Dämpfe werden dazu benutzt, um die bereits bei ihrer kritischen Temperatur verflüssigte Luft vor dem Ausströmen noch etwas vorzukühlen.
Die Verflüssigung der von Anfang an unter dem kritischen Druck stehenden Aussenluft bewirkt man vorteilhaft durch stufenweise Abkühlung mittelst ineinander angeordneter ringförmiger Behälter, von denen der eine mit einer Mischung von flüssiger, schwefliger Säure und Kohlensäure ("Flüssigkeit Pictet") gefüllt sein und zum Vorkühlen der Luft auf etwa - 60 bis - 800 und zur Kondensation der aus dem Inneren, mit Stickoxydul oder Äthylen gefüllten Behälter entweichenden Dämpfe dienen kann. In diesem Behälter wird die Temperatur der Luft bis auf-145L'eriiiedrigt und sie bei dieser Temperatur verflüssigt.
Die Flüssigkeiten werden in beständiger Verdampfung erhalten und die verdampften Anteile wieder kondensiert, so dass eine Erwärmung durch die in den Apparat einströmende Luft nicht stattfinden kann. Man kann die auf diese Weise vollständig verflüssigte Luft, nachdem das Verfahren einige Zeit im Gang ist, bevor sie gegen die Turbine ausströmt, noch dadurch vorkühlen, dass man die verdampften Anteile der ausströmenden Luft über die die verflüssigte Luft enthaltenden Rohrleitungen leitet.
Zur Ausführung dieses Verfahrens kann man sich beispielsweise des in der Zeichnung dargestellten Apparates bedienen. Er besteht im wesentlichen aus zwei Vorrichtungen, von denen die eine zur Erzeugung von unter dem kritischen Druck stehender fltlssiger Luft und die andere dazu dient, den Druck auf Atmosphärondruck zu entlasten und dabei die Luft u massigen Zustand zu erhalten.
Er enthält zwei oben und unten geschlossene, auf- rechtstehende, ringförmige und durch einen ringförmigen Zwischenraum getrennte Be- hälter a, b, von welchen der eine a die oben erwähnte #Flüssigkeit Pictet" und der
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andere b eine bedentend niedriger siedende Flüssigkeit, wie Stickoxydul oder Äthylen onthält. Durch beide Behälter ist die Rohrleitung c in mehrfachen Schlangenwindungen gelegt, der durch die Kompressionspumpe k gereinigte, getrocknete und von Kohlensäure befreite Ausscnluft unter dem kritischen Druck von 53 Atm. zugeführt wird.
Der Behälter a enthält ausserdem noch eine zweite Rohrleitung f, die mit der Pumpe i in Verbindung steht, die andererseits durch ein breites, oberhalb des Flüssigkoitsspiegels im Behälter b ausmündendes Rohr mit dem letzteren verbunden ist. Durch die Pumpe i werden die
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Druck von 5-15 (gewöhnlich nur 6-8) Atm. in die Rohrleitung f eingepresst, um sich innerhalb des Behälters a zu verflüssigen. Die Rohrleitung. f tritt dann an der Unterseite des Behälters a aus diesem aus und lässt die Flüssigkeit in den unteren Teil des Beh. ilters b eintreten.
In derselben Weise bewirkt die Pumpe 9 das Absaugeu der Dämpfe der im Behälter a befindlichen Flüssigkeit und ein Nachfüllen der im Kondensator w durch Wasserkühlung oder auf andere Weise wieder in den flüssigen Zustand übergeführte Dämpfe. Es wird auf diese Weise der Stand und die Temperatur der Kühlfüssigkeiten in den Behältern a und b während der Dauer des Verfahrens möglichst gleichmässig erhalten.
Die im Behälter b vollkommen verflüssigte Luft tritt dann in den zur Durchführung des Druckentlastungsverfahrens für die gespannte, flüssige Luft dienenden Teil und in die Ausströmungsdüsen n, aus denen sie unmittelbar gegen die Flüge) der im Schacht x angeordneten Turbine strömt. Bei vorliegender Ausführungsform wendet man zwei solche Ausströmungsdüsen an, die symmetrisch zur Turbine angeordnet sind, um sich in ihren Wirkungen zu unterstützen und die Reibung möglichst zu vermeiden. Die Drehung der Turbine kann in bekannter Weise durch Anbringung von Zahnradgetrieben oder in anderer Weise ausgenützt werden. Man ist dadurch noch imstande, einen Teil der Kompressionsarbeit wieder nutzbar zu machen.
Zweckmässig ist es, eine Turbine mit gekrümmten Flügeln zu verwenden, da bei dieser die Reibung geringer und der Nutzeffekt ein sehr hoher ist. Beim Ausströmen der mit einer Geschwindigkeit von etwa 320-360 mjSek. gegen die Finger der Turbine geschleuderten Flüssigkeit ist ein Teil derselben verdampft worden. Der mindestens die Hälfte betragende, flüssig verbleibende anteil hat die Temperatur von etwa - 194'1} 0 angenommen und kann durch einen untergestellten Trichter abgeleitet werden. Um die ver-
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und innerhalb des durch einen Deckel e überdeckten Behälters b derart angebracht, dass noch ein freier Raum unterhalb dieses Decke's verbleibt.
Die an der Turbine vergasten Antcilo lüssiger Luft, die ebenfalls die Temperatur von - 194#5 angenommen haben. steigen in dem schraubenförmigen Ilohlraum des Behälters d nach oben, wobei sie die Röhren umspülen und deren Vorkühlung bewirken. Sie geben dann, wie die Pfeile andeuten, zwischen den Wandungen der Behälter d und b nach unten, steigen zwischen den Behältern bund a wieder aufwärts und entweichen erst dann in die Atmosphäre.
Je weiter das Verfahren fortschreitet, desto vollkommener wird die Vorkühlung der in den Rohrleitungen p enthaltenen Flüssigkeit und um so grösser wird demgemäss der den flüssigen Zustand beim Ausströmen beibehaltenden flüssigen Luft.
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Gase bei verhältnismässig hoch liegender Temperatur verwenden.
Das eigentliche Wesen dieses Verfahrens und seine Vorzüge gegenüber den bisher bekannt gewordenen ähnlichen Kühlverfahren mit Wiedergewinnung eines Teiles der Expansionsarbeit als nutzbare Arbeitsleistung sind folgende :
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Die erstere Arbeitsleistung erfolgt nicht lediglich durch den Stoss strömender Gasmassen. sondern vielmehr durch den Stoss eines Flüssigkeits- und Dampfgemisches, so dass die Masse des strömendon Betriobsmitte ! a für die Raumeinheit eine wesentlich grössere als bei den älteren Arbeitsverfahren ist, da ja das spezifische Gewicht eines Fitissigkeits- dampfgemisches wesentlich grösser ist, als das spezifische Gewicht reinen Dampfes oder Gases.'Infolgedessen muss die lebendige Kraft entsprechend der grösseren Masse, welche auf die Flächeneinheit der Turbine auftrifft, grösser sein für gleiche Geschwindigkeiten.
Der Umstand, dass das vorliegende Verfahren mit einem massenreicheren Betriebsmittel arbeitet,
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mechanischer Nutzbarkeit entsprechend herabzugehen, bedingt also abgesehen von den geringeren Dimensionen der Turbine den Vorteil grösseren wirtschaftlichen Wirkungsgrades trotz geringerer Stossgeschwindigkeit.
Besonders kennzeichnend für dieses Verfahren ist aber der Umstand, dass bereits vor dem Ausströmen in der Zuleitung und in der Ausströmungsdüse selbst eine beträchtliche, wenn auch nicht mechanisch direkt nutzbar werdende Arbeit dadurch geleistet wird, dass die langsame Geschwindigkeit der in den Apparat einströmenden verflüssigten Luft bei der lIerabminderung des kritischen Druckes auf Atmosphärendruck bis zur Ausströmungsgeschwindigkeit erhöht und somit eine nicht unbeträchtliche. Arbeit in Form vergrösserter lebendiger Kraft der bewegten Masse geleistet werden muss.
Durch diese Arbeitsleistung wird der zum Teil verdampfenden Flüssigkeit eine beträchtliche Wärmemenge entzogen und damit trotz Spannungsabnahme ein Verdampfen grösserer Flüssigkeitsmengen verhindert, zumal da die durch Reibung der strömenden Flüssigkeit und des damit gemischten Bruchteiles an Dampf erzeugte Wärme durch die Abkühlung der in Dampfform ausgeströmten und die Zuleitung umspülenden abgekühlten Luft mehr als aufgehoben wird. Drittens kommt als äussere Arbeitsleistung, die allerdings ebenfalls nicht mechanisch nutzbar wird, aber im Verhältnis zu ihrer Grösse gleichfalls zur Wärmebindung beiträgt, noch jene Arbeitsleistung hinzu, die durch Zurückschieben des Atmosphärendruckes von dem ausströmenden Dampfflüssigkeitsgemisch geleistet wird.
Diese Arbeit besitzt, da der grösste Teil des ausströmenden Mediums aus Flüssigkeit besteht, allerdings einen geringeren Wert p"r Gewichtseinheit als bei den älteren Verfahren, nach denen nur Flüssigkeitsdampf bezw.
Luft ausströmt.
Da nach den Gesetzen des unelastischen Stosses die Verlustarbeit, die beim Umsetzen strömender Massen mittelst Turbinen in mechanische Arbeitsleistung infolge von Reibung und Stoss in Wärme umgewandelt wird, der Differenz der Austritts-und Eintritts-
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arbeitenden Verfahren aber solche von 1000-1500 m erzielt werden, in letzteren Fällen die Verlustarbeit, also die schädliche Wärmeerzeugung, erheblich grösser werden muss. Denn die Zunahme der Differenz der Geschwindigkeitsquadrate ist quadratisch, während die Massen per Volumeneinheit nur im einfachen Verhältnis wachsen, so dass also die beim vorliegenden Verfahren grössere Masse eine nicht so beträchtliche Verlustarbeit bedingen
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der Fall ist.