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Kaltgas-Kühlmaschine mit mindestens zwei Räumen, deren Volumen. sich
kontinuierlich mit nahezu konstantem Phasenunterschied ändert Die Erfindung bezieht
sich auf eine Kaltgas-Kühlmaschine mit mindestens zwei Räumen, deren Volumen sich
kontinuierlich mit nahezu konstantem Phasenunterschied ändert und von der eine eine
niedrigere, der andere eine höhere Temperatur hat, wobei diese Räume durch einen
Gefrierer, einen Regenerator und einen Kühler miteinander in Verbindung stehen,
und ein Gas unveränderlicher, chemischer Zusammensetzung darin einen geschlossenen,
thermodynamischen Kreislauf vollführt und sich stets in demselben Aggregatzustand
befindet. Diesen Kaltgas-Kühlma#schinen gehören auch die mach dem sogenannten umgekehrten
Heißgaskolbenmaschinenprinzip arbeitenden Kaltgas-Kühlmaschinen an.
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Bekanntlich nimmt das den Regenerator durchströmende Mittel während
seiner Strömung von der kältesten Seite des Regenerators nach der wärmsten Seite
der Regeneratormasse Wärme auf und tritt während der Strömung von der wärmsten nach
der kältesten Seite der Regeneratormasse wieder Wärme ab. Es hat sich ergeben, daß
das Mittel nicht fähig ist, eine solche Wärmemenge mit dem Regenerator auszutauschen,
daß der Temperaturunterschied zwischen der kältesten und der wärmsten Endfläche
des Regenerators vollständig überbrückt wird. Infolgedessen hat das Mittel beim
Verlassen des Regenerators auf der kältesten Seite eine höhere Temperatur als die
kälteste Endfläche und beim Verlassen des Regenerators auf der wärmsten Seite eine
niedrigere Temperatur als die wärmste Endfläche.
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Diese Erscheinung hat den sogenannten Regenerationsverlust zur Folge.
Sie läßt sich als eine fiktive kalte Strömung vorstellen, so daß das Arbeitsmittel
der Maschine von der kältesten Seite des Regenerators Kälte auf die wärmste Seite
überträgt. Insbesondere bei Kaltgas-Kühlmaschinen hat dieser Regenerationsverlust
einen beeinträchtigenden Einfluß, da dieser Verlust den Ertrag an Kälte bei der
Maschine verringert und er so groß sein kann, daß, besonders wenn die Kühlmaschine
bei niedrigen Temperaturen, z. B. niedriger als - 150° C, Kälte liefern soll, gar
keine Kälte erzeugt wird und daß sogar die verlangte Temperaturstufe durchaus nicht
erreicht wird.
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Bisher strebte man danach, den Regenerationsverlust weitestgehend
zu verringern, indem man den Regenerator in möglichst günstiger Weise ausbildete,
so daß vier Wirkungsgrad des Regenerators bei dieser Kühlmaschine z. B. 98fl/a betragen
kann. Dennoch führte auch in diesem Fall der Regenerationsverlust sehr hohe Kälteverluste
herbei.
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Gemäß der Erfindung enthält die Füllmasse des Regenerators Elemente,
durch die wenigstens ein Teil des diese Füllmasse durchströmenden Arbeitsmittels
mit einem von dem Kreislauf der Maschine unabhängigen Mittel thermisch in Berührung
ist.
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Das von den Elementen gebildete System wird nachstehend Zwischenwärmeaustauscher
genannt. In einem solchen Zwischenwärmeaustauscher kann dem sich dort befindlichen
Arbeitsmittel der Maschine Kälte zugeführt oder entzogen werden.
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Wird ein Hilfsmedium mit einer Temperatur, .die niedriger ist als
die des im Zwischenwärmeaustauscher befindlichen Arbeitsmittels, mit letzterem thermisch
in Berührung gebracht, so wird dem Arbeitsmittel Kälte zugeführt. Dies kann eine
Verringerung des Regenerationsverlustes -der Kaltgas-Kühlmaschine herbeiführen.
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Wird hingegen ein Hilfsmedium mit einer Temperatur, die höher ist
als die des im Zwischenwärmeaustauscher befindlichen Arbeitsmittels der Maschine,
mit letzterem thermisch in Berührung gebracht, so kann dem dortigen Arbeitsmittel
Kälte entzogen werden. Diese entzogene Kälte kann z. B. zum Kühlen des Hilfsmediums
benutzt werden.
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Bei eigner Ausführungsform der Erfindung sind die Element: des Zwischenwärmeaustauschers
als Stifte oder Rippen ausgebildet.
Bei .einer anderen Ausführungsform
der Erfindung liegen bei einer Kaltgas-Kühlmaschine, bei welcher der Regenerator
in Schichten geteilt ist, die Elemente des Zwischenwärmeaustauschers zwischen zwei
aufeinand,erfölgenden Schichten der Füllmasse des Regenerators.
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Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung haben die Elemente
des Zwischenwärmeaustauschers die Form mindestens eines in der Füllmasse des Regenerators
:enthaltenen Rohrs, das von dem von dem Kreislauf in der Maschine unabhängigen Medium
durchströmt wird.
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Bei einer weiteren., vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
das die Füllmasse des Regenerators durchströmende Arbeitsmittel durch die Elemente
des Zwischenwärmeaustauschers thermisch mit einem zweiten Medium in Berührung, das,
bevor es mittels der von dem Gefrierer einer Kaltgas-Kühlmaschine gelieferten Kälte
;gekühlt wird, infolge dieser thermischen Berührung vorgekühlt wird. Bei dieser
Ausführungsform wird zwar der bei der Kaltgas-Kühlmaschine auftretende Regenerationsverlust
nicht vermieden; er wird im Gegenteil etwas größer, aber die Kälte, die von dem
Gefrierraum dem gekühlten Raum zufließen würde, wird wenigstens teilweise durch
die Elemente des Zwischenwärmeaustauschers mach einem außerhalb der Kühlmaschine
befindlichen Medium abgeführt, so daß dieses Medium gekühlt wird. Wenn dann letzteres
Medium mittels der vom Gefrierer der Kaltgas-Kühlmaschine gelieferten Kälte gekühlt
werden soll, so braucht diesem bereits vorgekühlten Medium weniger kalorische Energie
entzogen zu werden, als wenn dieses Medium nicht von dem vorerwähnten Kältestrom
vorgekühlt wäre. Infolgedessen wird bei der Ausführungsform der Erfindung der Wirkungsgrad
des Regenerators zwar nicht verbessert, aber wohl der Wirkungsgrad der Kühlmaschine
an sich. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die vorstehend beschriebene
Vorkühlung .des von der Kaltgas-Kühlmaschine zu kühlenden Mittels benutzt werden,
um etwaige, im Mittel enthaltene, unerwünschte Bestandteile durch Gefrieren abzuscheiden.
Wird die Kaltgas-Kühlmaschine für die Kühlung von Luft verwendet, so kann auf diese
Weise der Wasserdampf aus der Luft entfernt werden und in bestimmten Fällen sogar
das Kohlendioxyd.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich
die Elemente mindestens eines Zwischenwärmeaustauschers maximal über drei Viertel
der Höhe der Füllmasse des Regenerators, vorzugsweise über maximal die Hälfte dieser
Höhe.
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Dabei soll unter der Höhe der Regeneratorfüllmasse der Abstand zwischen
der wärmsten und kältesten Endfläche des Regenerators, in der Hauptströmungsrichtung
des Gases, verstanden werden. Wird der Zwischenwärmeaustauscher für die Kühlung
eines von dem Kreislauf in der Maschine unabhängigen Mediums benutzt, so sollen
die Elemente dieses Zwischenwärmeaustauschers, von der wärmsten Endfläche des Regenerators
ab gerechnet, sich über maximal drei Viertel der Höhe der Füllmasse erstrecken.
Wird hingegen der Regenerationsverlust mittels eines kalten Mediums verringert,
so sollen die Elemente sich von der kältesten Endfläche des Regenerators ab über
maximal drei. Viertel der Höhe der Füllmasse erstrecken.
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An der Stelle des Zwischenwärmeaustauschers ist die Temperatur des
Arbeitsmittels der Maschine abhängig von der Lage dieses Zwischenwärmeaustauschers
gegenüber der wärmsten und der kältesten Endfläche des Regenerators. Die dem Arbeitsmittel
in diesem Zwischenwärmeaustauscher zugeführte oder entzogene Kältemenge ist also
von der Lage dieses Zwischenwärmeaustauschers abhängig.
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Die Kaltgas:-Kühlmaschine ist besonders bei Gasscheidungsanlagen zweckmäßig
verwendbar. Bei Gasscheidungsanlagen sind verschiedene Media mit niedriger Temperatur
vorhanden, die für die Zufuhr kalorischer Energie an den Zwischenwärmeaustauscher
der Kaltgas-Kühlmaschine bei niedriger Temperatur benutzt werden können.
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Ein Verfahren zur Scheidung von Gasgemischen, z. B. Luft, in verschiedene
Flüchtigkeitsstufen in einer Gasscheidungsanlage hat das Merkmal, daß die Gasscheidungsanlage
mit einer Kaltgas-Kühlmaschine vorerwähnter Art versehen ist und daß das zu scheidende
Gasgemisch unter atmosphärischem oder nahezu atmosphärischem Druck einer unter dem
gleichen Druck wirkenden Gasscheidungssäule der Gasscheidungsanlage an einer geeigneten
Stelle zwischen den Säulenenden zugeführt wird, wobei das Gasgemisch in dieser Säule
in Bestandteile geschieden wird, wobei der Säule auf der oberen Seite mittels der
von der Kaltgas-Kühlmaschine gelieferten Kälte kalorische Energie entzogen wird,
und das den Regenerator dieser Kaltgas-Kühlmaschine durchströmende Arbeitsmittel
in dem Zwischenwärmeaustauscher mit mindestens einem der Media der Gasscheidungsanlagen
thermisch in Berührung ist. Zu diesen Mitteln gehören das zu scheidende Gasgemisch
und die in der Säule erhaltenen Bestandteile.
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Bei einem weiteren Verfahren ist einer der in der Säule geschiedenen
Bestandteile an einer solchen Stelle zwischen der kältesten und der wärmsten Regeneratorendfläche
mit dem Arbeitsmittel der Kaltgas-Kühlmaschine thermisch in Berührung, daß dort
diesem Bestandteil Kälte entzogen wird.
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Bei einem anderen Verfahren ist der flüssige Bestandteil auf der warmen
Seite der Säule mit dem Arbeitsmittel der Kaltgas-Kühlmaschine thermisch in Berührung,
wobei dem Bestandteil Wärme zugeführt wird, so daß wenigstens ein Bestandteil dieser
Flüssigkeit verdampft. Bei der Durchführung vorerwähnter Verfahren kann die Gasscheidungssäule
als einfache Säule ausgebildet werden, der das zu scheidende Gasgemisch unter nahezu
atmosphärischem Druck zugeführt wird.
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Bei einem weiteren Verfahren ist ein Hilfsmittel vorhanden, das in
einem Kompressor komprimiert wird, wobei die höchste, im Kompressionsraum während
des normalen Betriebes auftretende Temperatur unterhalb 0° C liegt, worauf das komprimierte
Mittel im Verdampfer der Gasscheidungssäule kalorische Energie abtritt und im Druck
erniedrigt wird und im Kondensor der Gasscheidungssäule kalorische Energie aufnimmt,
worauf das Mittel wieder nach dem Kompressor zurückströmt, wobei weiter mindestens
eines der dem Gasscheidungssystem zugehörigen Mittel im Zwischenwärmeaustauscher
thermisch mit dem Arbeitsmittel einer Kaltgas-Kühlmaschine in Berührung ist.
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Enthält das zu scheidende Gasgemisch mindestens drei Bestandteile
und soll ein dritter Bestandteil gewonnen werden, so wird gemäß einem weiteren Verfahren
eine den dritten Bestandteil enthaltende Gasmenge an einer Stelle der Säule, wo
dieser dritte Bestandteil in größerer Dichtheit vorhanden ist, der Säule entzogen;
diese Gasmenge wird in einer zweiten Säule in Bestandteile geschieden, wobei der
dritte
Bestandteil auf der kalten Seite dieser Säule abgeführt und
dieser Säule kalorische Energie mittels Kälte entzogen wird, die von dem den Zwischenwärmeaustauscher
der Kaltgas-Kühlmaschine durchströmenden Arbeitsmittel geliefert wird.
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Die Figuren stellen schematisch einige Ausführungsformen einer Kaltgas-Kühlmaschine
nach der Erfindung und einiger Gasscheidungsanlagen dar, die mit einer solchen Kaltgas-Kühlmaschine
versehen sind.
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Fig. 1 zeigt eine Kaltgas-Kühlmaschine, bei der der Regenerator in
zwei Teile geteilt ist, zwischen denen ein Zwischenwärmeaustauscher angebracht ist.
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Fig:2 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Zwischenwärmeaustauscher
mit Stiften versehen ist. Bei der Ausführungsform nach den Fig.3 und 4 besteht der
Zwischenwärmeaustauscher aus einem in der Füllmasse des Regenerators liegenden Röhrensystem,
durch das ein außerhalb der Maschine befindliches Mittel strömen kann. Dabei zeigt
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3.
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Fig. 5 zeigt eine Gasscheidungsanlage, bei der ein Bestandteil des
auf der kalten Seite der Säule abgeführten Bestandteils längs des Zwischenwärmeaustauschers
einer Kaltgas-Kühlmaschine zugeführt wird.
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Bei der Gasscheidungs:anlage nach Fig. 6 ist der im Verdampfer der
Säule befindliche Bestandteil thermisch mit demZwischenwärmeaustawschereiner Kaltgas-Kühlmaschine
in Berührung.
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Fig. 7 zeigt eine Gasscheidungsanlage, bei der aus dem zu scheidenden
Gasgemisch ein dritter Bestandteil gewonnen werden kann.
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Fig. 8 zeigt eine tasscheidungsanlage, bei der ein Hilfsmittel benutzt
wird, das in einem gesonderten Kompressor komprimiert wird, und Fig. 9 und 10 zeigen
den Kompressor, der bei der Anlage nach Fig. 8 benutzt werden kann.
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Die Kühlmaschine nach Fig. 1 ist mit einem Zyldnder 1 versehen, in
dem sich ein Verdränger 2 und ein Kolben 3 mit konstantem Phasenunterschied auf-
und abwärts bewegen. Der Verdränger 2 ist durch einen Triebstangenmechanismus 4
mit einer Kurbel einer Kurbelwelle 5 gekuppelt, und der Kolben 3 ist durch Triebstangen
6 und 7 mit Kurbeln derselben Kurbelwelle gekuppelt. D,ie Kühlmaschine wird mittels
eines Elektromotors 8 betätigt; der Raum 9 oberhalb des Verdrängers 2 ist der Gefrierraum,
der durch einen Gefrierer 10, einen aus zwei Teilen 11 und 12 bestehenden Regenerator
und einen Kühler 13 mit dem Raum 14 zwischen dem Kolben und dem Verdränger in Verbindung
steht. Letzterer Raum ist der kalte Raum der Maschine. Zwischen den Teilen 11 und
12 des Regenerators befindet sich ein Zwischenwärmeaustauscher 15, durch den das
Arbeitsmittel der Kaltgas-Kühlmaschine thermisch mit einem von dem sich in der Maschine
vollziehenden Kreislauf unabhängigen Mittel in Berührung ist. In diesem Fall ist
letzteres Mittel die zu kondensierende Luft.
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Die Temperatur des Gefrierraums und des Gefrierers beträgt beim Betrieb
der Kaltgas-Kühlmaschine z. B. - 190° C, und die Temperatur des Kühlers und des
gekühlten Raums ist z. B. -f- 20° C. Die Temperaturen der Teile 16 und 17 des Regenerators,
die zwischen der wärmsten und der kältesten Endfläche des Regenerators liegen, haben
Temperaturen zwischen beiden vorerwähnten Werten. Der Zwischen.wärmeaustauscher
15 nimmt also eine Temperatur an, deren Wert zwischen den genannten Temperaturen
liegt. Das zu kondensierende Mittel, z. B. Luft, strömt längs Rippen 18 des Zwischenwärmeaustauschers
15, wobei es eine niedrigere Temperatur annimmt. Beim Kühlen. des Mittels können
unerwünschte Bestandteile, z. B. Wasserdampf, durch Frieren aus dem Mittel entfernt
werden. Der Zwischenwärmeaustauscher 15 liegt in einem Abstand gleich einem Fünftel
des Abstands zwischen der kältesten und der wärmsten Endfläche des Regenerators
16 und 17, von der wärmsten Endfläche ab gerechnet, und die Höhe des Zwischenwärmeaustauschers
ist auch ein Fünftel des Abstands zwischen der kältesten und der wärmsten Endfläche
des Regenerators.
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Das Mittel durchströmt dabei einen Kanal 19 innerhalb eines Mantels
20 und gelangt zu den Rippen 21 des Gefrierers 10, an denen die Luft kondensiert;
die flüssige Luft wird in einem Ringkanal 22 gesammelt und durch eine Leitung 23
abgeführt. In Abhängigkeit von der Lage des Zwischenwärmeaustauschers 15 liegt dessen
Temperatur zwischen den vorstehend angegebenen Stufen. Liegt der Zwischenwärmeaustauscher
15 verhältnismäßig nahe dem Kühler 13, so daß die Höhe des Regeneratorteiles 12
verhältnismäßig gering ist, so wird die Temperatur des Austauschers verhältnismäßig
hoch sein, so daß die Temperatur des an den Rippen 16 entlang strömenden Mittels
weniger verringert wird, als wenn der Zwischenwärmeaustauscher 15 weiter von der
wärmsten Endfläche des Regenerators entfernt liegt. Wie vorstehend bereits angegeben
ist, wird bei den Kaltgas-Kühlmaschinen eine Kälteströmung von der kältesten Seite
16 des Regenerators nach der wärmsten Seite 17 vorhanden sein; diese Strömung verursacht
den sogenannten Regenerationsverlust. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird
diese Kälteströmung durch den Zwischenwärmeaustauscher 15 zu einem großen Teil nach
außen abgeführt. Es können mehr als ein einziger Zwischenwärmeaustauscher vorhanden
sein.
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Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung eine Bauart des Regenerators,
wobei zwei Zwischenwärmeaustauscher vorhanden sind, die aus in der Regeneratorfüllmasse
befindlichen Stiften bestehen. Das Gehäuse des Regenerators, das von den Wänden
30 und 31 begrenzt wird, enthält eine Füllmasse 32. Diese Füllmasse enthält Elemente
33 und 34 der Zwischenwärmeaustauscher 35 bzw. 36. Diese Elemente sind als Stifte
oder Rippen gestaltet; auf der Außenseite des Zwischenwärmeaustauschers 35 sind
Rippen 37 und auf der Außenseite des Zwischenwärmeaustauschers 36 sind Rippen 38
vorgesehen. Der Raum zwischen diesen Rippen wird von einer Wand 39 begrenzt, so
daß ein Raum gebildet wird, der von einem Mittel durchflossen werden kann. Ähnlich,
wie dies bei Fig. 1 angegeben ist, kann bei dieser Ausführungsform, in Abhängigkeit
von dem Abstand der Rippen von den Endflächen des Regenerators Kälte abgeführt oder
zugeführt werden. Im ersteren Fall wird die Kälte von einem Mittel absorbiert, das
längs der Rippen 37 und 38 strömt, wobei angenommen wird, daß entsprechend der Bauart
nach Fig. 1 der Gefrierer sich auf der oberen Seite des Regenerator s befindet.
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Der Zwischenwärmeaus-tauscher nach den Fig.3 und 4 besteht aus einer
Anzahl parallel geschalteter Rohre, die in der Füllmasse des Regenerators vorgesehen
sind. Das Gehäuse des Regenerators, das von den Wänden 40 und 41 begrenzt wird,
enthält eine Füllmasse 42. Diese Füllmasse enthält eine Anzahl parallel geschalteter
Rohre 43. Das Mittel, das die
Kälte von dem Regenerator abführt,
durchströmt einen Ringkanal 44, an den sich alle parallel ge= schalteten Rohre 43
anschließen, durchströmt dann diese Rohre 43 und gelangt m einen Ringkanal 45, durch
den es abgeführt werden kann.
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Fig. 5 zeigt eine Gasscheid'ungsanlage, die eine Kaltgas-Kühlmaschine
nach der Erfindung wiedergibt. Diese Anlage enthält eine Säule 50, die einen Verdanripferraum
51 und einen Kondensor 52 besitzt. Das zu scheidende Gasgemisch, z. B. Luft, wird
durch eine Leitung 53 über eine Pumpe 54, einen Raum 55, eine Leitung 56; einen
Wärmeaustauscher 57 und eine Leitung 58 der Gasscheidungssäule zugeführt. In dieser
Säule wird das Gasgemisch in Bestandteile geschieden, wobei der flüssige Sauerstoff
im Verdampferraum 51 gesammelt wird -und der gas= förmige Stickstoff aufsteigt.
Im Kondensor 52 wird dem Stickstoff Kälte entzogen. Ein Teil des Stickstoffes verläßt
die Säule durch eine Leitung 59 und durchströmt eine Spirale 60 im Raum 55. Ein
anderer Teil durchströmt die Leitung 61 nach dem den Zwischenwärmeaustauscher des
Regenerators der Kühlmaschine umgebenden Raum, wie dies in den vorstehend beschriebenen
Fig. 1 bis 4 dargestellt ist. Der Stickstoff wird darauf der Spirale 60 zugeführt.
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Der Gasscheidungsanlage wird mittels einer Kaltgas-Kühlmaschine 62
Kälte entzogen. Diese Kaltgas-Kühlmaschine kann ausgebildet sein, wie dies in Fig.
1 dargestellt ist; in Fig.5 ist sie jedoch nur schematisch wiedergegeben. Die im
Gefrierer und im Gefrierraum der Kühlmaschine entwickelte Kälte wird durch ein Hilfsmittel,
z. B. Stickstoff, dem Kondensor 52 übertragen; der in der Kaltgas-Kühlmaschine kondensierte
Stickstoff wird durch eine Leitung 63 dem Kondensor 52 zugeführt, indem er verdampft
und der Säule Kälte entzieht. Der Stickstoff wird aus dem Kondensor 52 durch eine
Leitung 64 abgeführt und wieder zum Kondensieren der Kaltgas-Kühlmaschine 62 zugeführt.
Der aus dem Verdampfer 51 tretende Sauerstoff wird durch eine Leitung 65 und eine
Kühlspirale 66 im Raum 55 abgeführt.
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Die Wirkungsweise der Anlage ist folgende: Die zu scheidende Luft
wird von der Pumpe 54 in der Leitung 53 zugeführt und im Raum 55 von den bereits
ausgeschiedenen, die Kühlspiralen 60 und 66 durchströmenden Bestandteilen gekühlt.
Darauf wird die Luft im Wärmeaustauscher 57 im Verdampfer 51 der Säule weiter gekühlt,
wobei der flüssige Sauerstoff im Verdämpferraum infolge der Wärmezufuhr verdampft;
darauf wird die Luft der Säule zugeführt und in dieser in Bestandteile geschieden.
Ein Teil des dabei erzeugten Stickstoffes durchströmt die Leitung 61 nach dem Zwischenwärmeaustauscher
67 der Kaltgas-Kühlmaschine, der von dem den Regenerator durchströmenden Arbeitsmittel
durchflossen wird. Darauf strömt der Stickstoff durch die Leitung 68 nach der Kühlspirale
60. Bei dieser Ausführungsform liegt dieser Zwischenwärmeaustauscher maimal auf
drei Viertei der Höhe .des Regenerators von der kältesten Endfläche ab und z. B.
auf etwa ein Achtel dieser Höhe von genannter Endfläche ab. Infolge der thermischen
Berührung des Stickstoffes und des Arbeitsmittels der Kühlmaschine wird bei niedriger
Temperatur kalorische Energie dem Arbeitsmittel der Kühlmaschine entzogen, wodurch
der Regenerationsverlust verringert oder sogar völlig vermieden werden kann. Die
Gasscheidungssäule ist als einfache Säule gestaltet und arbeitet unter atmosphärischem
oder nahezu atmosphärischem Druck. Ein Vorteil der vorerwähnten Anlage ist der,
da& die Gasscheidungssäule sehr einfach und klein sein kann, im Gegensatz zu
der üblichen Gasscheidungsanlage, bei der die sogenannten Doppelsäulen verwendet
werden müssen.
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Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der auch
eine Kaltgas-Kühlmaschine vorerwähnter Art verwendbar ist. Die Anlage besitzt eine
Säule 70 mit einem Verdampferraum 71. Dem Verdampferraum 71 wird Kälte durch .ein
Hilfsmittel zugeführt. Dazu ist ein Kreislauf vorgesehen, der aus der Leitung 73
mit einem Wärmeaustauscher 74 im Verdampferraum 71 und einer Pumpe 75 besteht und
der zu einem Raum 76 um den Zwischenwürmeaustauscher des Regenerators der Kaltgas-Kühlmaschine
führt. Dieser Kreis wird von einem Hilfsmittel, z. B. Stickstoff, durchflossen,
das dem Verdampferraum Wärme zuführt, wodurch der im Verdampferrautri enthaltene
Sauerstoff wenigstens teilweise verdampft und das darauf im Raum 76 des Zwischenwärmeaustauschers
der Kaltgas-Kühlmaschine Kälte abtritt, wodurch der Regenerationsverlust dieser
Maschine verringert wird. Der Zwischenwärmeaustauscher im Raum 76 ist ausgebildet,
wie dies in einer -der Fig. 1 bis 4 dargestellt ist, und liegt z. B. auf der halben
Höhe der Füllmasse des Regenerators. Das zu scheidende Gasgemisch strömt durch eine
Leitung 77 mit .einer Pumpe 78 nach einem zweiten Zwischenwärmeaustauscher 79, der
z. B. auf ein Viertel der Höhe des Regenerators von. der wärmsten Endfläche ab liegt;
die Temperatur wird dabei erniedrigt, darauf strömt es durch eine Leitung 80 mit
einem Wärmeaustau.scher 81 nach der Gasscheidungssäule 70. In dieser Säule wird
das Gasgemisch in Bestandteile geschieden, wobei der Bestandteil mit dem höchsten
Siedepunkt in flüssigem Zustand im Verdampferraum 71 gesammelt wird; ein Teil dieses
Bestandteiles verdampft wieder, und ein anderer Teil wird durch eine Leitung 82
abgeführt. Der Bestandteil mit dem niedrigsten Siedepunkt steigt auf und wird durch
eine Leitung 83 dem Gefrierer der Kaltgas-Kühlmaschine zugeführt, wo er kondensiert.
Ein Teil der so .erzeugten Flüssigkeit wird durch eine Leitung 84 nach der Säule
70 zurückgeführt; ein anderer Teil wird jedoch durch eine Leitung 85 mit dem Wärmeaustauscher
81 abgeführt. Im Gegensatz zu den üblichen Anlagen kann auch diese Säule als einfache
Säule ausgebildet und unter atmosphärischem oder nahezu atmosphärischem Druck betrieben
werden.
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Außerdem hat die Anlage einen vorteilhaften Wirkungsgrad.
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Auch in der Anlage nach Fig. 7 wird Luft in Bestandteile zersetzt
mit der Möglichkeit, einen dritten Bestandteil, z. B. Argon, zu gewinnen. Die Säule
90 hat einen Verdampferraum 91 und einen Wärmeaustauscher oder Kondensor 92. Der
auf der kalten Seite der Säule abgeführte Bestandteil, z. B. Stickstoff, wird durch
eine Leitung 93 mit einem Hahn 94 und einem Wärmeaustauscher 95 abgeführt. Auf entsprechende
Weise wird der aus dem Verdampferraum 91 abgeführte Bestandteil mit dem höchsten
Siedepunkt, z. B. Sauerstoff; durch eine Leitung 96 und einen Wärmeaustauscher 97
abgeführt. Die zu zersetzende Luft wird. durch eine Leitung 98 mit einer Pumpe 99,
durch einen Raum 100, wo er von den aus der Säule tretenden Bestandteilen gekühlt
wird, durch eine Leitung 101, einen Wärmeaustauscher 102 und eine Leitung 103 nach
der Säule 90 geführt. In dieser Säule wird das Gemisch in Bestandteile geschieden.
Die
Säule kann bei dieser Ausführungsform wieder als einfache Säule ausgebildet sein,
und das zu zersetzende Mittel wird unter atmosphärischem oder nahezu atmosphärischem
Druck der Säule zugeführt.
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Die Anlage ist mit einerKaltgas-Kühl-maschine 104
versehen,
die durch Leitungen 105 und 106 mit dem Wärmeaustauscher 92 in Verbindung steht,
durch welche ein Hilfsmittel, z. B. Stickstoff, einen Kreislauf von dem Wärmeaustauscher
92 nach der Kaltgas-Kühlmaschine und zurück vollführen kann und der Säule
Kälte entzogen wird.
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Ein Teil des Stickstoffes, der aus der Säule abgeführt wird, wird
durch eine Leitung 107 mit einem Hahn 108 nach einem den Zwischenwärmeaustauscher
des Regenerators umgebenden Raum 109 geführt, wodurch bei niedriger Temperatur
dem Arbeitsmittel der Kaltgas-Kühlmaschine Kälte zugeführt und der Regenerationsverlust
der Kaltgas-Kühlmaschine verringert wird. Darauf wird der Stickstoff durch die Leitung
110 nach dem Wärmeaustauscher 95 geführt.
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An einem Punkt der Säule 90, wo der dritte Bestandteil in ausreichendem
Maße vorhanden ist, wird das dort befindliche, z. B. aus Stickstoff und Argon bestehende
Gasgemisch durch eine Leitung 111 abgeführt und einer zweiten Gasscheidungssäule
112 zugeführt, in der das Gasgemisch in seine Bestandteile zerlegt wird. Das Argon
wird auf der oberen Seite der Säule durch eine Leitung 113 abgeführt, während der
Stickstoff auf der unteren Seite durch eine Leitung 114 mittels einer Pumpe 115
der Säule 90 zurückgeführt wird.
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Die Säule 112 ist auf der oberen Seite mit einem Wärmeaustauscher
116 versehen, der über eine Leitung 117 mit einem Hahn 118 mit der Leitung 106 und
über eine Leitung 119 mit der Leitung 105 verbunden ist, so daß auch dieser zweiten
Säule mittels eines von der Kaltgas-Kühlmaschine gekühlten Hilfsmittels kalorische
Energie entzogen werden kann. Auch bei dieser Anlage kann ein günstiger Wirkungsgrad
erreicht werden.
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Bei der Anlage nach Fig. 8 ist ein Kompressor vorhanden, mittels dessen
ein Hilfsmittel im Kreislauf geführt wird. Die Anlage besteht aus einer Säule 120,
auf deren unterer Seite ein Verdampferraum 121 und auf deren oberer Seite ein Wärmeaustauscher
122 vorgesehen ist. Die Anlage enthält weiter einen Kompressor 123, der an Hand
der Fig. 9 und 10 näher erläutert wird. Mittels dieses Kompressors wird ein Hilfsmittel,
z. B. Stickstoff oder Sauerstoff, komprimiert. Dieses Mittel strömt durch eine Leitung
124, einen Wärmeaustauscher 125 im Verdampferraum 121 der Säule, einen Wärmeaustauscher
126, ein Reduzierventil 127, den Kondensor 122 und eine Leitung 128 nach dem Kompressor
zurück. Im Verdampfer tritt das komprimierte Mittel Wärme ab, wodurch der dort befindliche
Bestandteil verdampft. Darauf wird der Druck des Mittels erniedrigt, und dem Kondensor
122 wird Kälte entzogen.
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Das zu scheidende Gasgemisch wird durch eine Leitung 129 mit einer
Pumpe 130 dem Wärmeaustauscher 126 zugeführt, wo die Temperatur erniedrigt wird;
dann strömt das Gas durch eine Leitung 131 nach der Säule 120, wo das Gemisch in
Bestandteile zerlegt wird.
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Da es erforderlich ist, nicht nur die kalorische Energie, die von
dem Hilfsmittel der Säule entzogen wird, sondern noch mehr kalorische Energie zu
entziehen, ist eine Kaltgas-Kühlmaschine 132 vorgesehen, durch welche der der Säule
entnommene Bestandteil mit dem niedrigsten Siedepunkt kondensiert wird. Dieser Bestandteil
wird durch eine Leitung 133 der Kaltgas-Kühlmaschine 132 zugeführt, und das Kondensat
wird durch eine Leitung 134 teilweise nach der Säule zurückgeführt und ein anderer
Teil durch eine Leitung 135 abgeführt. Aus dem Verdampferraum 121 wird der Bestandteil
mit dem höchsten Siedepunkt in gasförmigem Zustand durch eine Leitung 136 nach einem
Raum 137 des Zwischenwärmeaustauschers des Regenerators geführt, wo dieser Bestandteil
bei niedriger Temperatur dem Regenerator Kälte zuführt, wodurch der Regenerationsverlust
der Kaltgas-Kühlmaschine verringert wird. Darauf strömt der Bestandteil, z. B. Sauerstoff,
durch die Leitung 138 nach dem Wärmeaustauscher 126, wo der Bestandteil das zugeführte,
zu scheidende Gasgemisch kühlt.
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Bei der vorstehend beschriebenen Gasscheidungsanlage wird im allgemeinen
Luft als das zu scheidende Gasgemisch verwendet. Es wird einleuchten, daß auch andere
Gasgemische, z. B. Koksofengas, durch die vorstehend geschilderten Verfahren und
Anlagen in Bestandteile zerlegt werden können..
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Die Fig. 9 und 10 zeigen, eine Ausführungsform des bei dem vorerwähnten
Verfahren angewendeten Kompressors. Dieser Kompressor ist mit einem Zylinder mit
einem den Kompressionsraum 141 des Kompressors bildenden Teil 140 und einem Teil
142 versehen, in dem ein Kolben 143 hin und her beweglich ist. Der Kolben 143 ist
mit einer Kappe 144 versehen. Die Höhe h dieser Kappe ist mindestens 0,8mal den
Hub S der Maschine, z. B. 1,5maJ diesen Hub. Wie aus Fig. 10 ersichtlich, ist der
Zylinderteil 140, der den Kompressionsraum begrenzt, mit zwei Klappen, d. h. einer
Zufuhrklappe 145 und einer Abfuhrklappe 146, versehen. Diese Klappen. können auf
bekannte Weise mittels eines Winkelhebels 147 bzw. 148 und Nockens 149 bzw. 150
geöffnet und geschlossen werden. Die Bewegung dieser Nocken ist auch auf bekannte
Weise von der Bewegung einer Kurbelwelle 151 abgeleitet. Die Kurbelwelle ist mit
einem Kurbel 152 versehen, der mittels einer Triebstange 153 mit dem Kolben der
Maschine verbunden ist. Der Kompressionsraum 141 ist durch eine Isolationsschicht
154 isoliert. Zwischen dem Zylinderteil 140 und dem Zylinderteil 142 ist ein Zylinderteil
155 vorgesehen, der einen Wärmeleitungskoeffizienten von weniger als 0,1 cal/cm
Sek. ° C hat und z. B. aus Chromn.ickelstahl hergestellt ist. Der Zylinderteil 142
wird durch einen Wassermantel 156 geheizt. Der Kompressor kann mittels eines
nicht dargestellten Motors betrieben. werden.