Verfahren und Vorrichtung zur Abkühlung und Verflüssigung von Luft und andern schwer verflüssigbaren Gasen mittelst einer Expansionsmaschine. Bei dem bisherigen Verfahren, Luft oder andere schwer verflüssigbare Gase mittelst einer Expansionsmaschine abzukühlen und zu verflüssigen, wird die gereinigte und auf un gefähr 200 Atm. komprimierte Hochdruckluft geteilt und auf zwei getrennten Wegen zum Verflüssigungsapparat geführt.
Der eine Teil der Hochdruckluft wird durch den bekannten Gegenstromapparat; der den Wärmeaustausch der kalt abziehen den expandierten Gase mit den warm ein strömenden Hochdruckgasen vermittelt, zu einem im Innern des Verflüssigungsapparates liegenden Drosselventil geführt, in diesem Ventil entspannt und dadurch teilweise ver flüssigt.
Der andere Teil der Hochdruckluft wird nicht zu dem Gegenstromapparat, sondern zu einer Expansionsmaschine geleitet und ge langt durch ein ausserhalb der Expansions maschine liegendes Hochdruckventil in den Expansionszylinder, in welchem die Hoch- druckluft sich durch die Entspannung von 200 Atm. auf 1,2 bis 1,5 Atm. um ungefähr 165 C, also zum Beispiel von -f- 15 auf - 150 C abkühlt. Diese entspannte kalte Niederdruckluft wird dann in den Gegen stromapparat geführt, wo sie ihre Kälte an den ersten nach dem Drosselventil geführten Teil der Hochdruckluft abgibt.
Dieses Verfahren hat sich zwar viele Jahre in der Luftverflüssigungs-Industrie gut bewährt, aber es enthält in der CTesamt- anordnung noch immer zwei Unvollkommen- heiten. die zu Kälteverlusten führen und deren Verbesserung der Zweck vorliegender Erfindung ist.
Der eine Nachteil des bisherigen Verfah rens besteht darin, dass die aus dem Gegen- stromaustauscher austretenden expandierten Abgase immer noch um 15 bis<B>25'</B> C kälter sind als die in den Austauscher eintretende Hochdruckluft. Der Wärmeaustausch in dem Gegenstrom ist also noch nicht vollständig, und ein dieser Temperaturdifferenz entspre chender Teil der produzierten Kälte geht für die Abkühlung der Luft verloren.
Der andere Nachteil liegt in der Kon- struktion des Ventils für den Eintritt der Hochdruckluft in die Expansionsmaschine. Dieses Ventil ist an dem Aussenmantel des Expansionszylinders befestigt, wird durch einen Exzenter zwangsläufig gesteuert und min?, durch eine besondere Stopfbüchse sehr gut abgedichtet werden. Wegen des hohen Druckes von 200 Atm. und wegen der hier entstehenden grossen Kälte ist eine solche Abdichtung mit einer Stopfbüchse sehr schwie rig und wird leicht undicht, so dass Hoch druckluft entweichen kann und dadurch auch an dieser Stelle Verluste an produzierter Kälte entstehen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, durch welche die erwähnten Nachteile vermieden werden. Das neue Verfahren besteht darin, dass ein Teil der im Gegenstromaustauscher noch nicht ausgenutzten Kälte auf die in die Expan sionsmaschine striimenden Hochdruckgas übertragen wird, während der andere Teil der noch nicht ausgenutzten Kälte zur Küh lung der nach dem Drosselventil strömenden Hochdruckgase dient.
Die zur Ausübung des neuen Verfahrens dienende Vorrichtung weist eine Verlänge rung des Gegenstromaustauschers auf, der oben erweitert ist. Ausserdem ist der den Einlass der vorgekühlten Hochdruckgase in die Expansionsmaschine bewirkende Hoch- druckventilkörper vollständig in das Innere eines von der freien Atmosphäre abgeschlos senen Raumes verlegt.
Welche Wirkung mit einer nach dein vor liegenden Verfahren arbeitenden Vorrichtung gegenüber dem bisherigen Verfahren erzielt werden kann, ist aus folgenden Versuchs resultaten erkennbar. Bisher trat die in die Expansionsmaschine geführte Hochdruckluft mit -f- <B>150</B> C ein und kühlte sich durch Expansion von 200 Atm. auf 1,3 Atrn. bis auf ungefähr - 150 ab.
Nach dem neuen Verfahren kann sie mit - 5 in den Expan sionszylinder eintreten und sich bei derselben Expansion bis auf -<B>165'</B> abkühlen. Die expandierte, aus dem Zylinder ausströmende Luft kann also mit einer um<B>150</B> tieferen Temperatur in den Gegenstromaustauscher gelangen und diesen um so schneller und tiefer abkühlen.
Infolgedessen kann auch eine grössere Menge Luft verflüssigt werden; mit einem Apparat, der bisher 20 Liter flüs sige Luft pro Stunde lieferte, können jetzt durch das neue Verfahren 23 Liter pro Stunde hergestellt werden. Dran kann also 3 Liter flüssige Luft pro Stunde mehr erhalten, weil die bisher nicht aasgenutzten und immer verloren gehenden Kältemengen des Gegen stromapparates auch noch ver%v ertet werden.
Diesem Gewinn von 3 Litern steht ein ganz geringer Verlust insofern gegenüber, als die Arbeitsleistung des komprimierten Gases durch Erniedrigung ihrer Eintrittstemperatur um einen geringen Betrag abnimmt. Wenn man diesen Gewinn in Prozenten der Produktion und diesen Verlust in Prozenten der aufge wendeten Arbeitsleistung ausdrückt, so ver- liert man ungefähr 1% der zur Kompression aufgewendeten Gesamtarbeit,
aber man ge- winnt 12 bis 15% der Produktion an flüs- siger Luft.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens schematisch angegeben. Die vom Kompressor kommende Hochdruckluft :1 teilt sich in die beiden \ege B und (_: Der eine Teil I3 tritt, wie bisher, in den Gegen stromapparat D ein und gelangt zu dem Drosselventil E, in welchem die Hochdruck luft entspannt wird und sich teilweise ver flüssigt. Die flüssige Luft sammelt sich in dem Gefässe F und kann durch Rohr G und Hahn H abgelassen werden.
Die bisherige Grösse des CTegensti,omaustauschers ist mit D und die nach dem neuen Verfahren zuge setzte Verlängerung, die gleichzeitig verbrei tert ist, mit I bezeichnet.
Der andere Teil C der Hochdruckluft wird nicht, wie bisher, direkt zur Expansions- niaschine, sondern erst in den obern Teil I des Gegenstromaustauschers geleitet, wo er auf mindestens -<B>10'</B> abgekühlt wird und durch das neue Hochdruck-Einlassventil L in den Expansionszylinder K gelangt.
Die aus dein bisherigen Teil D des Gegenstromaus- tauschers abziehenden kalten Abgase treffen also jetzt im Teil I mit einer neuen Leitung warmer Hochdruckluft zusammen und können nun ihre bisher nicht verwertbaren Kälte mengen mit dieser neuen Hochdruckluft aus tauschen. Dadurch erwärmen sich einerseits die Abgase auf ungefähr -f- 5 bis + <B>100</B> und anderseits kühlt sich die Hochdruckluft auf mindestens - 5 herunter, so dass sie schon vorgekühlt ist, ehe sie im Expansions zylinder zur Entspannung kommt.
Nach der Entspannung hat dann die Niederdruckluft bei ihrem Austritt eine viel tiefere Tempe ratur als bisher. Der bewegliche Einlass- ventilkörper 111 liegt in einer Erweiterung<I>N</I> des Hochdrucluohres. Er wird durch eine Zentriervorrichtung beliebiger Art, zum Bei spiel durch eine schwache Spiralfeder 0 zen triert und in Verschlussstellung gehalten und ragt mit seinem vordern Ende zentral in den Expansionszylinder hinein.
Nachdem das Ventil durch den Expansionskolben P bei seinem Vorschub und Hubwechsel geöffnet ist. so dass die Hochdruckluft in den Expan sionszylinder eintreten kann, schliesst es sich beim Zurückgehen des Kolbens durch den Druck der Hochdruckluft von selbst; die Hochdruckluft expandiert, das Niederdruck ventil Q öffnet sich zwangsläufig und die kaltentspannte Niederdruckluft tritt dann bei R in den Gegenstromapparat ein, wo sie ihre gesamte Kälte auf den ersten Teil B der Hochdruckluft überträgt.
Die richtige Einstellung des Ventils kann durch eine geringe Veränderung des Kolben hubes leicht bewirkt werden. Um den schäd lichen Raum zwischen dem vordern Kolben ende und der Zylinderwandung auf ein i4lini- mum zu beschränken, erhält das vordere Kolbenende die Form eines abgestumpften Kegels, dem sich auch die vordere Zylinder wand anpasst.