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.
Process and device for cooling and liquefying air and other difficult to liquefy gases by means of an expansion machine. In the previous method of cooling and liquefying air or other difficult to liquefy gases by means of an expansion machine, the cleaned and heated gas is heated to approximately 200 atm. compressed high-pressure air divided and fed to the liquefaction apparatus on two separate paths.
One part of the high pressure air is through the known countercurrent apparatus; which mediates the heat exchange of the cold draw off the expanded gases with the warm one flowing high pressure gases, led to a throttle valve located inside the liquefaction apparatus, relaxed in this valve and thereby partially liquefied ver.
The other part of the high-pressure air is not directed to the countercurrent device, but to an expansion machine and reaches the expansion cylinder through a high-pressure valve located outside the expansion machine, in which the high-pressure air is released through the expansion of 200 atm. to 1.2 to 1.5 atm. cools by about 165 C, for example from -f- 15 to - 150 C. This relaxed, cold, low-pressure air is then fed into the countercurrent apparatus, where it releases its cold to the first part of the high-pressure air that is passed through the throttle valve.
While this method has worked well in the air liquefaction industry for many years, it still contains two imperfections in the overall C structure. which lead to cold losses and the improvement of which is the purpose of the present invention.
The one disadvantage of the previous method is that the expanded exhaust gases emerging from the countercurrent exchanger are still 15 to 25 ° C colder than the high-pressure air entering the exchanger. The heat exchange in the countercurrent is not yet complete, and part of the cold produced corresponding to this temperature difference is lost for cooling the air.
The other disadvantage is the design of the valve for the high pressure air to enter the expansion machine. This valve is attached to the outer jacket of the expansion cylinder, is inevitably controlled by an eccentric and is very well sealed by a special stuffing box. Because of the high pressure of 200 atm. And because of the great cold that arises here, such a seal with a stuffing box is very difficult and easily leaks, so that high-pressure air can escape and this also results in losses of cold produced at this point.
The present invention relates to a method and an apparatus by means of which the disadvantages mentioned are avoided. The new process consists in transferring part of the cold that has not yet been used in the countercurrent exchanger to the high-pressure gas flowing into the expansion machine, while the other part of the cold that has not yet been used is used to cool the high-pressure gases flowing after the throttle valve.
The device used to carry out the new method has an extension of the countercurrent exchanger, which is expanded above. In addition, the high-pressure valve body causing the inlet of the precooled high-pressure gases into the expansion machine is completely relocated to the interior of a space that is closed off from the free atmosphere.
What effect can be achieved with a device working according to your prior method compared to the previous method can be seen from the following test results. So far, the high-pressure air fed into the expansion machine entered at -f- <B> 150 </B> C and was cooled by expansion of 200 atm. to 1.3 Atrn. down to about - 150.
According to the new method, it can enter the expansion cylinder at -5 and cool down to - <B> 165 '</B> during the same expansion. The expanded air flowing out of the cylinder can therefore enter the countercurrent exchanger at a temperature <B> 150 </B> lower and cool it down faster and deeper.
As a result, a larger amount of air can be liquefied; With an apparatus that previously delivered 20 liters of liquid air per hour, the new process can now produce 23 liters per hour. This means that 3 liters more liquid air per hour can be obtained, because the amount of cold from the countercurrent apparatus that has not been used up to now and is always lost is also used up.
This gain of 3 liters is offset by a very small loss insofar as the work performance of the compressed gas decreases by a small amount by lowering its inlet temperature. If you express this gain as a percentage of production and this loss as a percentage of the labor expended, you lose about 1% of the total labor expended on compression,
but you get 12 to 15% of your production from liquid air.
In the drawing, an execution example of an apparatus for performing the method is shown schematically. The high-pressure air coming from the compressor: 1 is divided into the two \ ege B and (_: One part I3 enters, as before, into the countercurrent apparatus D and reaches the throttle valve E, in which the high-pressure air is expanded and becomes partially liquefied The liquid air collects in the vessel F and can be drained through pipe G and tap H.
The previous size of the CTegensti, omausauschers is marked with D and the extension that was added according to the new process, which is also widened, is marked with I.
The other part C of the high pressure air is not, as before, passed directly to the expansion machine, but first into the upper part I of the countercurrent exchanger, where it is cooled to at least - <B> 10 '</B> and by the new high pressure -Inlet valve L enters the expansion cylinder K.
The cold exhaust gases withdrawn from your previous part D of the counterflow exchanger now meet in Part I with a new line of warm high-pressure air and can now exchange their previously unusable amounts of cold with this new high-pressure air. As a result, on the one hand, the exhaust gases heat up to approximately -f- 5 to + <B> 100 </B> and, on the other hand, the high-pressure air cools down to at least -5, so that it is already pre-cooled before it is released in the expansion cylinder.
After the expansion, the low-pressure air then has a much lower temperature than before when it exits. The movable inlet valve body 111 is located in an extension <I> N </I> of the high-pressure pipe. It is centered by a centering device of any type, for example by a weak spiral spring 0, and held in the closed position, and its front end protrudes centrally into the expansion cylinder.
After the valve is opened by the expansion piston P during its advance and stroke change. so that the high pressure air can enter the expansion cylinder, it closes by itself when the piston goes back due to the pressure of the high pressure air; the high-pressure air expands, the low-pressure valve Q opens inevitably and the cold-relaxed low-pressure air then enters the counterflow apparatus at R, where it transfers all of its cold to the first part B of the high-pressure air.
The correct setting of the valve can easily be achieved by a slight change in the piston stroke. In order to limit the harmful space between the front end of the piston and the cylinder wall to an i4line, the front end of the piston is given the shape of a truncated cone, to which the front cylinder wall also adapts.