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Ealtluftmaschine.
Die bisherigen Kaltluftmaschinen setzen sich im wesentlichen aus zwei gekuppelten Maschinen zusammen, einem Luitverdichter und einer Expansionsmaschine, die beide als Kolbenmaschinen ausgeführt sind. In die Expansionsmaschine tritt die verdichtete Luft mit einem Druck P und einer absoluten Temperatur T, ein und dehnt sich in ihr bis auf einen Druck P2 unter Abkühlung auf die Temperatur aus ;
sodann gelangt diese Luft in die Wärmeaustauschvorrichtung oder den Soolekühler, der dadurch abgekühlt wird, wobei die Luft sich bei konstantem Druck auf die Temperatur T 3 erwärmt, Der Verdichter saugt aus der Wärmeaustauschvorrichtung die auf den Druck P2 und die Temperatur T3 gebrachte Luft und verdichtet sie auf den Anfangsdruck PI, wobei sie auf die Temperatur T4 erwärmt wird und drückt sie in einen Zwischenkühler, wo ihre Temperatur auf den Anfangswert Ti sinkt und aus dem sie in die Expansionsmaschine und den vorstehend angegebenen Kreislauf wieder eintritt.
Trotzdem diese Maschinen Luft als Betriebsmittel benutzen, mussten sie in der Praxis ihrer grossen
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nutzbare Arbeit ist der Unterschied zwischen der vom Verdichter für die Verdichtung aufgewendeten und der von der Expansionsmaschine geleisteten Arbeit und ist im Vergleich zu beiden klein ; die unvermeidlichen Arbeitsverluste in dem Verdichter und der Expansionsmaschine sind von derselben Grössenordnung wie die für die Kälteerzeugung nutzbare Arbeit und der Wirkungsgrad somit gering.
Verdichter und Expansionsmaschine müssen für grosse Leistungen gebaut werden, weil der Kolben beider, abgesehen von der Verdichtung und Expansion, die beide adiabatisch erfolgen, auch noch die Förderung der Luft von dem Arbeitszylinder in die Wärmeaustauschvorrichtung zu besorgen hat, bei der auf die beiden Kolbenseiten verschiedene konstante Drucke und P2) ausgeübt werden,
Die Erfindung bezweckt eine Kaltluftmaschine zu schaffen, bei der die Übelstände des grossen Raumbedarfes und des schlechten Wirkungsgrades beseitigt sind ;
sie besteht im wesentlichen darin, dass die in einem Kolbenverdichter auf den Druck Pi gebrachte Luft am Ende des Verdichtungshubes durch aus dem Zwischenkühler kommende, also kältere Luft vom gleichen Druck ? i ersetzt wird, ein Vorgang, der dem bei Zweitaktmaschinen mit innerer Verbrennung benutzten Fegen gleicht und durch eine wenig Kraft verbrauchende gesonderte Pumpe oder einen Ventilator besorgt werden kann. Diese Luft vom Druck PI, aber von niedrigerer Temperatur, dehnt sich im selben Zylinder ad, iabatisch bis zum Druck P2 aus, wodurch sie stark abgekühlt wird.
Am Ende des Expansionshubes wird die kalte Luft abermals durch eine Fegpumpe oder einen Ventilator durch solche vom selben Druck P2 ersetzt, die aus der Wärmeaustauschvorrichtung oder dem Soolekühler kommt, um beim nächsten Hub wieder bis auf den Druck ? i verdichtet zu werden, worauf ein neues Spiel beginnt. Die Förderung der Luft zwischen Arbeitszylinder, Zwischenkühler und Soolekühler erfolgt also einfach durch Fegen ohne beträchtliche Druckdifferenzen in den Fegvorrichtungen oder Pumpen.
Der Verdichter kann mit der Expansionsmaschine zu einer doppeltwirkenden Kolbenmaschine (Kreislaufpumpe) vereinigt werden, wobei jedesmal auf einer Kolbenseite Verdichtung, auf der andern Expansion stattfindet. Die Expansion liefert unmittelbar einen Teil der zur Verdichtung nötigen Arbeit.
Jede Zylinderseite wirkt sonach abwechselnd als Verdichtungs-und als Ausdehnungsraum, während bei den bisherigen Maschinen Verdichtung und Expansion in gesonderten Maschinen erfolgen.
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In den Zeichnungen ist Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Kaltluftmaschine gemäss der Erfindung, Mg ; 2-4 zeigen Diagramme hiezu, Fig. 5 ist ein Querschnitt der Kreislaufpumpe, Fig. 6 veranschaulicht deren Steuerung, Fig. 7 und 8 sind ein lotrechter bzw. wagrechter Schnitt hievon, Fig. 9 bis 13 zeigen darauf bezügliche Einzelheiten.
Die jeweiligen Zustände der Luft werden durch den Druck P, das Volumen V und die absolute Temperatur T mit den jeweiligen Indizes bezeichnet.
Die in Fig. 1 veranschaulichte Anordnung umfasst den Zwisehenkühler A3, den Soolekühler oder die Wärmeaustauschvorrichtung B3, den gebräuchlichen Verdichter G3 und eine Kreislaufpumpe. Die letztere ist als doppeltwirkende Pumpe ausgeführt, deren Kolben P das Volumen der beiden Räume
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Jeder dieser Räume ist mit vier Absperrorganen (Schiebern, Ventilen oder Hähnen) versehen.
Im folgenden werden diese Absperrorgane der Einfachheit halber stets als #Ventile" bezeichnet. a1, a2,
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mit dem Kühlereintritt und die Ventile a2, al mit seinem Austritt in Verbindung. Die Ventile b1, b'1 sind mit dem Soolekühlereintritt und die Ventile b2, b2'mit seinem Austritt verbunden.
Es wird angenommen, dass alle Ventile geschlossen sind und der Kolben sich im linken Totpunkte befindet. Der linke Raum E ist dann mit Luft aus dem Verdichter C3 gefüllt, die sich im Zustand-Pi,
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Drucke Fz und der Temperatur T2 gelangt durch das Ventil bl in den Soolekühler B3 und wird in dem Raume E1 durch Luft vom Drucke P2, aber von der Temperatur T3 ersetzt, die durch das Ventil & /vom Soolekühler B3 kommt.
Da man im ersten Falle ein Luftvolumen von der Temperatur T, durch ein Volumen von der Temperatur T1 ersetzt, wird das spezifische Volumen der in dem linken Raume enthaltenen Luft sich im T4 Verhältnis-ändern. Desgleichen ändert sich das spezifische Volumen der Luft im rechten Raume E1, T1 T3 T4 T3
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Die Kreislaufpumpe entnimmt also dem Kühler A3 beim Ausfegen mehr Luft als er zurückgeben kann, und der Mehrbedarf an Luft wird aus dem Soolekühler B3 durch den Verdichter 0"geliefert.
Nach beendigter Ausspülung schliessen sich die offenen Ventile plötzlich und der Kolben wird von dem Motor der Kreislaufpumpe in die andere Totlage geschoben, wo er stehen bleibt. Darauf öffnen sich auch die Ventile b1, b2, a'1, a'2, und der sich nun abspielende Vorgang ist der gleiche wie der beim Öffnen der Ventile bill, b'2, al, a2-
Das sich während eines Arbeitsspieles ergebende Diagramm einer Kolbenseite der Kreislaufpumpe reduziert sich'auf eine einfache adiabatische Linie (P1, V1-P2, V2, Fig. 2).
Das Diagramm einer Kolbenseite des Verdichters C3 würde die in Fig. 3 dargestellte Form annehmen. Seine Fläche würde die ganze für die Kälteerzeugung während eines Spieles aufgewendete theoretische Arbeit darstellen.
Weil die Kreislaufpumpe doppelt wirkend ist, wird die auf den Kolben in jedem Augenblicke wirkende Druckdifferenz in der Mitte seines Hubes gleich Null sein (Fig. 4). In der ersten Hälfte seines Hubes wird er Arbeit aufspeichern, welche durch die schraffierte Fläche der Fig. 4 dargestellt ist, und die er während der zweiten Hälfte seines Hubes an die Luft wieder abgibt.
Die Kreislaufpumpe kann vorteilhaft folgendermassen gebaut sein : Um das Ausfegen oder die Ausspülung leichter zu gestalten, erhalten die Räume E und E1 rechteckigen Querschnitt. Einer dieser Räume ist im Schnitt durch eine auf die Achse des Kolbens senkrechte Ebene in Fig. 5 dargestellt.
Die Absperrorgane a1, a2, b1, b2 werden als Klappen ausgebildet. Die Klappen a1, a2 liegen einander gegenüber und nehmen den ganzen zur Verfügung stehenden Platz an den beiden Stirnflächen ein, die ihre Sitze tragen ; das gleiche gilt für die Ventile bl, b2, die auf den beiden andern Flächen untergebracht sind.
Der Druck in den Räumen E, EI ist immer niedriger als im Soolekühler ; die Klappen a1, a2 sind daher wie Druckklappen angeordnet. Da der Druck in den Räumen E, Ei immer höher ist als in dem Kühler, sind die Klappen bl, b2, die ihn mit diesem verbinden, wie Saugklappen angeordnet.
Die Klappen bestehen aus Metallblechen und ihre Sitze sind auf eine weiche Unterlage, z. B.
Kautschuk montiert (h-h, Fig. 5). Die Klappen werden durch Federn auf ihre Sitze gedrückt und durch Hebelarme geöffnet, die durch eine in Fig. 6 dargestellte Steuerungsvorrichtung bedient werden.
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langer Zeit ganz geöffnet.
Wenn der Kolben rasch von dem einen zu dem andern Totpunkte bewegt wird und darauf in der
Ruhelage bleibt, muss er intermittierend belastet werden. Es ist daher zweckmässig, ein Schwungrad anzuordnen, welches die in einem bestimmten Augenblicke nicht verbrauchte Arbeit aufspeichert und sie darauffolgend wieder abgeben kann. Dieser Vorgang kann nicht ohne Verluste vor sich gehen, die abhängig von der vom Kolben verbrauchten Arbeit sind. Diese ist klein, da nur Kompressions-und Expansionsarbeit, aber keine Förderungsarbeit vom Kolben zu leisten ist. Die unvermeidlichen Reibungs- verluste sind also auch klein.
Das ist einer der Hauptvorteile der Anordnung einer Kreislaufpumpe neben dem gewöhnlichen
Verdichter.
Man kann jedoch in bestimmten Fällen auch nur einen Verdichter verwenden und man lässt dann den Kolben sich sehr langsam bewegen, wenn nach der Verdichtung die Luft sich wieder ausdehnen soll.
Die Grösse des Kolbenhubes wird durch eine Kurvenscheibe L (Fig. 10) bestimmt, auf welcher zwei Rollen ! i und l2 laufen, die einander diametral gegenüber liegen. Die Kurven auf dieser unrunden
Scheibe werden, wenn A der volle Kolbenhub sein soll, erhalten, indem man um denselben Mittelpunkt
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und gleich 2 R + A o ist. Diese Rollen sind in einem Rahmen MM (Fig. 7 und 8) angeordnet, der an der
Kolbenstange befestigt und mit den Stangen N N fest verbunden ist, die in den festen Hülsen PP geführt werden. Die Kolbenreibung wie auch seine Undichtigkeit sind dem Durchmesser des Kolbens direkt proportional, während das Volumen, welches durch ihn erzeugt wird, proportional dem Quadrat des
Durchmessers ist.
Tritt der Kolben aus seinem, Totpunkte, so wird der auf ihn wirkende Druckunterschied ihm während der ersten Hubhälfte eine lebendige Kraft mitteilen, die ausreicht, ihn in der zweiten Hälfte des Hubes unter Überwindung des Gegendruckes zum andern Totpunkt zu bringen, wenn keine Reibungswiderstände zu überwinden wären. k
Auf der Kolbenstange ist eine Muffe Q (Fig. 7,8, 12 und 13) befestigt, die 2 Zähne be-
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Wenn die Klappen geschlossen sind und der Kolben sich in Bewegung setzt, stehen die Zähne der Muffe Q den Zahnlücken der Muffe gegenüber, so dass der Kolben aus einer Endstellung in die andere übergehen kann.
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nicht mehr bewegen kann. Auf diese Weise ist der Kolben auf eine andere Art zum Stillstand gekommen als durch die Rollen auf der Kurvenscheibe L. Man kann daher die Daumenscheibe von t bis u ausschneiden (Fig. 7), um die Reibung zwischen Rolle und Scheibe zu vermeiden. Die Daumenseheibe hält den Kolben
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in den Haltestellungen nur während der Zeit fest, die zur Betätigung der Klappen durch Drehung der Scheibe I erforderlich ist. Nach dem Öffnen wird eine der beiden Rollen wieder an der Kurvenscheibe anliegen.
Die Steuerung der Scheibe I erfolgt mittels zweier unrunder Scheiben W (Fig. 14), die gegeneinander um 1800 versetzt lmd die auf der gleichen Welle wie Scheibe L angeordnet sind. Die Rollen v1 und v2, die an in y1 bzw. y2 drehbar gelagerten Hebeln angebracht sind, liegen am Umfang der Scheiben W1 bzw. W2 an. Die andern Enden dieser Hebel sind mit Stangen z verbunden, die an der Scheibe I befestigt sind. Durch Drehen der unrunden Scheiben W1 bzw. W2 wird die Scheibe I in Schwingbewegungen versetzt, so dass zur passenden Zeit ein Öffnen und Schliessen der Klappen bewirkt wird.
Man kann die Kreislaufpumpe auch ohne Soolekühler oder Wärmeaustauschvorrichtung benutzen, indem man den Kreisprozess durch die Atmosphäre schliesst, was häufig vorteilhaft sein kann. Diese Anordnung wird besonders bei der Erzeugung von kalter Luft über 0 zweckmässig sein, wobei man die Sehneebildung im Innern der Maschine und besondere Anordnungen vermeidet, um die Maschine davon zu befreien.
Im allgemeinen wird man den Kreislauf der Luft jedoch durch einen Soolekühler oder eine Wärmeaustauschvorrichtung schliessen und stets dieselbe Luftmenge verwenden, da man dann der Luft einen hohen Druck geben kann.
Unter sonst gleichen Voraussetzungen ist die Leistungsfähigkeit der Maschine dem Drucke Pi proportional. Ebenso wächst die Leistung der Wärmeaustauscher mit dem Drucke P1. Man erhält also auf diese Weise im Verhältnis zu ihrer Leistung sehr leichte und wenig Raum einnehmende Maschinen.
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