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Verfahren und Apparat zur Herstellung Ton Stickoxyd.
Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Stickoxyd durch Entzündung eines explosiven
Gasgemisches, welches Stickstoff und Sauerstoff unter geeigneten Bedingungen enthält, so dass die
Temperatursteigerung genügend ist, um einen Teil dieser beiden Gase zu Stickoxyd zu vereinigen.
Erfahrungsgemäss wurde gefunden, dass ein hoher Ertrag von Stickoxyd erlangt wird, wenn die folgenden Bedingungen so weit als möglich erfüllt werden, nämlich :
1. Die gasförmigen Bestandteile müssen abgemessen und richtig proportioniert sein und die gemischten, brennbaren Gase sollen vor der Entzündung so hoch als möglich vorerhitzt werden, vorzugweise so hoch, dass das Gemisch während der Kompression sich entzündet.
2. Die höchstmögliche Temperatur soll während des Verfahrens erlangt werden.
3. Nach Erhalt der höchsten Temperatur sollen die Gase so schnell als möglich sowohl durch die
Ausdehnung als auch durch Ausführung äusserer Arbeit abkühlen, so dass das gebildete Stickoxyd verhindert wird, sich zu zersetzen, während es die Temperaturgrade durchläuft, bei welchen eine Zersetzung einzutreten pflegt.
4. Das Verfahren soll unter solchen Bedingungen vor sich gehen, dass die brennbare Mischung durch inerte Gase, wie Kohlendioxyd und Wasserdampf, nicht verdünnt wird, sondern das Maximum im Heizwert per Volumseinheit besitzen kann.
Es wurde bisher vorgeschlagen, das Verfahren obgenannter Art in dem Zylinder einer gewöhnlichen
Gasmaschine durchzuführen mit der Absicht, gleichzeitig auch Antriebskraft zu erzeugen ; aber mit Rücksicht auf die Notwendigkeit der Erfüllung obiger Bedingungen ist eine Gasmaschine, wie sie gewöhnlich verwendet wird, in welcher der Kolben durch ein Schwungrad und eine Verbindungsstange kontrolliert wird, für diesen Zweck ungeeignet.
Den Gegenstand vorliegender Erfindung bildet ein neues Verfahren und ein Apparat zur Erzeugung von Stickoxyd und hat den Zweck, die besten Bedingungen nahezu vollkommen zu erreichen und den Ertrag erheblich zu steigern. Gemäss diesem Verfahren zur Erzeugung von Stickoxyd wird ein explosives,
Stickstoff und Sauerstoff in entsprechenden Teilmengen enthaltendes Gasgemenge in einem begrenzten Raum entzündet, welch letzterer durch ein frei bewegliches Organ begrenzt ist, das durch die auf die Entzündung folgende Ausdehnung der Gase frei und ungehindert in Bewegung gesetzt werden kann.
Die Erfindung betrifft auch einen Apparat zur Ausführung des obgenannten Verfahrens. Er umfasst einen Differentialzylinder mit Ansaug-und Austrittsöffnungen, einen entsprechenden frei beweglichen Differentialkolben, welcher geeignet ist, genannte Öffnungen zu kontrollieren.
Die Zeichnung veranschaulicht eine Ausführungsform des neuartigen Apparates im Längsschnitt.
Bei der praktischen Ausführung der Erfindung ist ein Differentialkolben, d. h. ein solcher mit verschiedenen Durchmessern vorgesehen, der so gebaut ist, dass er eine Reihe von gleichachsigen Teilen von entsprechenden Differentialdurchmessern bildet. Hiebei ist die Anordnung eine solche, dass die Bewegungen des Kolbens nur durch die geleistete Arbeit und aufgespeicherte Energie und auch durch die Verwendung von elastischen Puffern bedingt werden.
Wenn gewünscht wird, dass der Apparat in sich selbst abgeschlossen und geeignet sei, sein eigenes brennbares Gas und die Streich-oder Reinigungsluft zu bemessen, zusammenzudrücken und zu liefern, so können Kolben und Zylinder, wie dargestellt, mit drei verschiedenen Durchmessern versehen sein.
Ein Ende a des Kolbens wird hiebei durch die explosiven Gase innerhalb des Zylinders b beeinflusst,
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während das andere Ende c dazu dient, in der Kammer d ein elastisches Mittel zusammenzudrücken, das seinerseits äussere Nutzarbeit leistet, wobei die dazwischenliegenden Ringräume e, t durch die Bewegungen des Mittelkolbens g innerhalb der Differentialzylinder h, i gebildet werden.
Der Ringraum e kann dazu dienen, die brennbaren Bestandteile vorteilhaft in solchen Teilmengen aufzunehmen und dem Verbrennungszylinder b zuzuführen, dass das Gemisch sich erst entzündet, bis es im Verbrennungsraum mit einem die Verbrennung unterstützenden Mittel, wie von dem zweiten Ringraum t gelieferte Luft, gemischt ist.
Die, Ein-und Auslässe in den verschiedenen Teilen des Zylinders können in geeigneter Folge durch den Kolben während seiner Bewegungen im Zylinder verdeckt oder freigelegt werden, wodurch die Verwendung von einfachen federbetätigten, selbsttätigen Abschlussorganen (Ventilen) in den zu diesen Ein-und Auslässen führenden Leitungen ermöglicht ist.
Wenn der Apparat im Zweitakt-Zyklus arbeitet, so wird der auf einen Kraft-oder Arbeitshub folgende Rückhub durch die in einem oder mehreren elastischen Puffern aufgespeicherte Energie erzielt, welche Puffer zu Kontrollzwecke vorteilhaft veränderlichen Fassungsraum besitzen.
Einer oder mehrere der brennbaren Bestandteile sind vorteilhaft so hoch als möglich vorerhitzt ; dies kann in der Weise bewirkt werden, dass man dieselben durch einen geeigneten Hitzewechsel oder Wiedererhitzer k, i ! leitet. Dadurch können sie nämlich einen Teil der Hitze von den Verbrennungprodukten, die vom Zylinder b durch eine weite Auspufföffnung m gehen, abnehmen und ein Teil dieser Hitze kann auch zur Erhitzung der komprimierten Luft oder eines anderen Gases, welches von der
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Die Luftwege des Apparates müssen so gut als möglich rein gehalten sein, um zu verhindern, dass das brennbare Gemisch durch inerte Gase sowie CO2 und H20 beeinträchtigt wird, und die Streichluft und bzw.
oder einer oder mehrere der brennbaren Bestandteile können während eines Hubes zusammengedrückt oder unter Druck aufgespeichert werden, um während des folgenden Hubes verwendet zu werden.
Der Kolben kann hohl sein und durch geeignete Mittel, indem beispielsweise die Streichluft durch denselben geleitet wird, gekühlt werden, so dass dieselbe so ihre erste Vorerhitzung erhält, bevor sie zum Hitzewechsler kommt, wo sie hierauf weiter erhitzt wird. Die Wirkungsweise des Apparates ist folgende :
Es sei angenommen, dass der Kolben a am Ende seines linksseitigen Hubes ist und dass hinter dem Kolben eine komprimierte Ladung des explosiven Gemisches sich befindet. Die Ladung wird sodann durch einen elektrischen Funken in nachstehend angegebener Weise entzündet, und da das Ventil il geschlossen ist wird der Kolben unter hohem Druck nach rechts getrieben. Die Gase dehnen sich aus, bis das linke Ende des Kolbens die Auspufföffnung m erreicht.
Da diese Öffnung weit ist, so fällt der Druck rasch und die Auspuffgase gehen abwärts durch den rohrförmigen Wiedererhitzer k, i ! und zum Absorptionsapparat, wo das Stickoxyd wiedergewonnen wird. Sobald der Druck genügend gefallen ist, öffnet die im Rohrsystem o, p zwischen den Ventilen n und q aufgespeicherte Streichluft das Ventil n, worauf der Kolben seine Bewegung nach rechts vollendet.
Wenn der Kolben nach links zurückkehrt, wird die Luft in der Kammer t zusammengedrückt und durch das Ventil q zur oberen Hälfte 7c des röhrenförmigen Wiedererhitzers in die Kammer b geführt,
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worauf die Entzündung desselben einen frischen Kreislauf einleitet.
Während bei der Tätigkeit im Zylinder h der Kolben nach rechts wandert, saugt er ein reiches Gasgemisch durch das Einlassventil t an und wirkt dann bei seinem Rücklauf nach links wie eine Pumpe, indem er dieses Gemisch durch die Öffnung r und das Ventil s in die Kammer b pumpt. Der genaue Druck, bei welchem das Ventil geöffnet wird, kann durch eine auf das Ventil wirkende Feder eingestellt werden.
Wenn die Öffnung m durch den Kolben a geschlossen wird, so steigt, da die Länge des übrigbleibenden Raumes im Zylinder grösser ist als der rückbleibende Raum in der Kammer b, der Druck in b höher an als in e und das Ventil t schliesst sich.
Die Kammer f mit ihrem Kolben c bildet eine gewöhnliche Luftpumpe, und während der Kolben nach rechts geht, wird die Luft in den ringförmigen Raum f gesaugt, u. zw. über das Rückschlagventil u, und wenn der Kolben nach links geht, wird die Luft über das Ventil q durch den Wiedererhitzer 7c in die Kammer b geführt, so lange die Öffnung n offen bleibt. Wenn diese Öffnung geschlossen wird, so
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so dass sich das Ventil q sofort schliesst und die einzige Wirkung des weiter nach links gehenden Kolbens darin besteht, dass Luft unter einigem Druck in dem Rohrsystem zwischen den Ventilen q und n aufgespeichert wird.
Es sei nun die Wirkungsweise in der Kammer d in Betracht gezogen. Wenn der Kolben nach rechts bewegt wird, so wird die Luft zusammengepresst und durch das Rückschlagventil v zu dem (nicht dargestellten) Druckluftbehälter gedrückt. Diese Einströmung wird unterbrochen, wenn der Kolben
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die Öffnung w schliesst und von diesem Zeitpunkt an wird die Luft weiter zusammengedrückt bzw. in den geschlossenen Raum am Ende von d so lange gedrückt, bis die kinetische Energie des sich bewegenden
Kolbens aufgebraucht ist, während der Druck der eingeschlossenen Luft steigt und so den Kolben zur
Ruhe bringt.
Die Energie dieser zusammengedrückten Luft setzt den Kolben wieder nach links in Bewegung und erteilt demselben lebendige Kraft, bis die Luft in der Kammer d sich bis zum atmosphä-
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frische Luft durch das Einlassventil x während des restlichen Hubes angesaugt.
In der Zeichnung ist angenommen, dass die komprimierte Luft durch Hitzeregenerator I geht, aber dies soll bloss angeben, dass ein Teil der Wärme des Auspuffgases benutzt wird, um das Volumen der für Arbeitszwecke verwendeten komprimierten Luft zu vergrössern. Diese Luft muss jedoch nach der Aufspeicherung und auf ihrem Wege zu den Druckluftmotoren erhitzt werden.
Es wird noch bemerkt, dass elastische Puffer in allen Zylindern vorhanden sind, hauptsächlich jedoch im linken Ende der Kammer b und rechts in der Kammer d. Hiedurch wird erzielt, dass der Kolben : sicher zur Ruhe kommt.
Der Apparat wird dadurch in Bewegung gesetzt, dass man den Kolben in eine solche Stellung bringt, dass er ungefähr in der Mitte seines Hubes ist, und dass man sodann in die Kammer b von Hand aus ein explosives Gemisch pumpt, welches von Hand aus (elektrisch) entzündet wird, so dass man dem Kolben eine Anfangsbewegung nach rechts erteilt, um den elastischen Puffer am Ende der Kammer d zusammenzudrücken. Der kleine oder enge Einlass und Auslass, die hiefür notwendig sind, sind in der Zeichnung nicht gezeigt. Es ist notwendig, dass Einlassventil x während des ersten Hubes nach rechts offen zu halten. Die weitere Tätigkeit des Apparates erfolgt sodann selbsttätig.
Die Geschwindigkeit des Vorganges wird hauptsächlich durch das Gewicht des Kolbens (pro Flächeneinheit) kontrolliert und das Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Indikator-Diagrammen wird erhalten durch geeignete Bemessung der Zylinder und der freien Räume in den Zylindern b und d.
Ein ähnliches Problem dieser Art wurde ausgeführt in Verbindung mit der Humphrey-Pumpe und Pumpen dieser Art werden je nach Grösse mit einem freien, schweren Kolben bei Geschwindigkeiten von 60-250 Zyklen pro Minute betrieben.
Es ; ist klar, dass die Beschleunigung des Kolbens, wenn er sich zuerst nach rechts bewegt und während die Hochdruckgas auf ihn wirken, sehr gross ist. Die Expansion erfolgt daher schneller als
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übereinzustimmen hat. Der langsamste Teil der Bewegung ist gegen Ende des Kolbenhubes nach rechts und gibt den durchstreichenden Gasen Zeit, bei einem verhältnismässig niedrigen Druck durchzuströmen. Die elektrische Zündung wird durch eine Kontaktvorrichtung bewirkt, welche vorzugsweise in dem kalten Zylinder f angebracht ist. Der regulierbare feste Kontakt ist an der Wand des Zylinders f befestigt und der Kolben c trägt den beweglichen Kontakt. Der Funken wird in dem Zylinder b etwas vor Ende des Hubes erzeugt und gibt so die höchstmögliche Explosionstemperatur.
Wenn die Gase vor der Kompression vorerhitzt werden, so tritt die Entzündung (und Vorzündung) sofort ein.
Ist eine veränderliche Pufferkapazität vorgesehen, dann kann eine solche Kapazität aus einem oder mehreren Gefässen bestehen, die geeignet sind, den erforderlichen Druck zu unterhalten und mit einem solchen Zylinder oder Teil des Hauptapparates in Verbindung stehen, bei dem der Kolben auf den Puffer wirkt.
Da der Druck, auf welchen der elastische Stoff bei einer gegebenen Bewegung des Kolbens ansteigt, von der ganzen Pufferkapazität abhängt, so wird die Kontrolle der Kolbenbewegungen teilweise von dieser Kapazität abhängen, die automatisch durch Ein-oder Auspumpen von Flüssigkeit, die hiedurch
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mit dem Kolben verbunden ibt und durch eine Stopfbüchse am Ende der Kammer d durchgeht, so kann eine solche Stange mit drehbaren Gewichten verbunden werden, welche um ihren Drehungspunkt ein-
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von angelenkten Gewichten in ihren Einzelheiten zu beschreiben, weil sie durch die englischen Patentschriften Nr. 11818 und Nr. 28827 aus dem Jahre 1911 bekannt geworden sind.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass ein höherer Ertrag von Stickoxyd erhalten wird, sobald die Konzentration von Stickstoff und Sauerstoff in den Auspuffprodukten sich einem Maximum nähert und so anzeigt, dass die Anwendung von Sauerstoff, der einen Teil oder die ganze Luft ersetzt, einen grösseren Ertrag von Stickoxyd ergibt. Ein reiches Gas ist viel wirksamer als ein armes Gas und ganz ausser Verhältnis zu ihren Heizwerte. Das beschriebene Verfahren und der Apparat sind besonders nützlich bei einem Sauerstoffgewinnungsverfahren, da ein Nebenprodukt für die Ausnutzung einer Sauerstoffzufuhr den grössten Ertrag an Stickoxyd durch das angegebene Verfahren ergeben würde.
Es ist klar, dass die vorangeführten Konstruktionseinzelheiten nur als Beispiele angeführt sind, da der Apparat auch so ausgebildet werden kann, dass nur die Umwandlung in Stickoxyd darin vor sich
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gehen kann, während die Messung und Kompression der Bestandteile durch äussere Mittel bewirkt werden kann. Ebenso kann die Gestalt und Form des Zylinders und Kolbens sowie die Vorrichtung zur Kontrolle der Zu-und Ableitung der Gase entsprechend den jeweiligen praktischen Erfordernissen geändert werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Stickoxyd durch Entzündung eines explosiblen, Stickstoff und Sauerstoff in entsprechendem Verhältnis enthaltenden Gemenges in einem abgegrenzten Raum, dadurch gekennzeichnet, dass die Entzündung in einem durch ein frei bewegliches Organ (Kolben od. dgl.) abgeschlossenen Raum durchgeführt wird, so dass durch die der Entzündung folgende Expansion der
Gase das Abschlussorgan frei und ungehindert in Bewegung gesetzt werden kann.