DE124376C

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Publication number: DE124376C
Application number: DE1896124376D
Authority: DE
Filing date: 1896-04-10
Anticipated expiration: 1916-04-11

Description

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οΡαtentm π fcs.

KAISERLICHES

PATENTAMT.

KLASSE

CONRAD MIX in BERLIN.
Gasverdichtungsverfahren.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung stellt eine Verbesserung des .Kühl- und Gasverflüssigungsverfahrens mittelst einer Kaltluftmaschine unter gleichzeitiger Benutzung des bekannten Gegenstromprincips dar. Das Verfahren ;vertneidet die Nachtheile des alten Siemens'schen und des Linde'schen Kühlverfahrens, während es die Vorzüge beider in einfacher Weise in sich vereinigt.

Das Li η de'sehe Verfahren beruht auf der Benutzung der allein aus der inneren Arbeit des verarbeiteten Gases hervorgehenden Temperaturerniedrigung zur weiteren Abkühlung desselben und hat insbesondere die Joule-Thomson'sche Formel:

d =

Pz-Pi

zur Grundlage.

Wohl aus diesem Grunde haben bis jetzt die Fachleute auf diesem Gebiete mit Bezugnahme auf obige Formel die Ansicht vertreten, dafs eine Kaltluftmaschine ohne Expansionscylinder technisch vollkommen werthlos sei.

Auf der Erkenntnifs, dafs diese Schlufsfolgerung theoretisch und experimentell unhaltbar ist, gründet sich nun das vorliegende Verfahren. Vor allen Dingen soll die a'ufsere Arbeit, welche durch Ueberwindung des Gegendruckes gegen die Atmosphäre bezw. gegen die Saugfläche eines das Gas absaugenden Kolbens geleistet wird^ und die also mechanisch nicht nutzbar zu machen ist, zum Abkühlen des sich ausdehnenden entspannten Gases benutzt werden.

Das Verfahren vermag, entgegen dem mit hohen Spannungen arbeitenden Linde'schen Verfahren, unter Drucken", welche noch nicht einmal so grofs zu sein brauchen, wie beim Siemens'schen Verfahren, erfolgreich zu arbeiten, ohne dessen technische Schwierigkeiten, wie das Verstopfen des Arbeitcylinders durch Eis und Schnee, zu besitzen.

Die experimentelle Grundlage dieses Kühlverfahrens bilden die Versuche von De Saint-Venant und Want ζ el (Memoire et experiences sur l'ecoulement de l'air, determine par des differences de pressions considerables; Journal de l'Ecole polytechnique t. XVI. 1839) und von Weisbach (Lehrbuch der Ingenieur- und Maschinentechnik, 3. Aufl., 1855, Bd. I, S. 820 u. ff.). Auch die Versuche, welche in den Lehrbüchern über Kälte und Eisbereitung von Behrend und von Schwartz beschrieben sind, nach welchen die Luft, nachdem man sie auf einen Druck von etwa 3 bis 4 Atmosphären zusammengedrückt, abgekühlt und durch eine Drosselklappe nach aufsen geblasen hatte, nach ihrem Durchgang durch die Drosselklappe einen Temperatursturz von ungefähr 60 bis 70° zeigte, sind für die vorliegende Erfindung hinreichend beweiskräftig; dabei ist es gleichgültig, nach welcher Richtung man die ausgeblasene Luft ableitet. In diesem Falle wird dieselbe im Gegenstromverfahren der nachgedrängten Luft entgegengeführt, damit sie auf diese ihre Kälte überträgt, die sie wegen der geringen Entspannung, vornehmlich infolge der Leistung äufserer Arbeit, erhalten hat; letztere besteht in der durch die Aus-

dehnung bewirkten Ueberwindung des sie umgebenden Gasdruckes.

Während aber durch diese oben erwähnten Versuche nur dargethan wird, dafs die Einleitung des Kühlverfahrens sogar unter Anwendung eines geringen Ueberdruckes möglich ist, und zwar selbst dann, wenn es sich um die Verarbeitung eines Gases handelt, dessen Temperatur von seinem gewöhnlichen Siedepunkt so weit entfernt ist, dafs man es, wie beispielsweise die Luft von gewöhnlicher Temperatur, als ein vollkommenes Gas bezeichnen kann, soll im Folgenden gezeigt werden, dafs nicht nur ein kleiner Druckunterschied zur Einleitung des Kühlverfahrens ge-' nügt, sondern dafs, sowie das verarbeitete Gas an der Drosselung sich schon fast oder vollständig bis auf seinen Siedepunkt abgekühlt hat, auch ein kleines Druckverhältnifs zur erfolgreichen Fortsetzung des Verfahrens genügt, und in diesem Falle sogar auch das Erspriefslichste ist.

Zum besseren Verständnifs soll das Verfahren an Hand der in Fig. ι dargestellten Skizze näher erläutert werden. In dem inneren Cylinder möge die Luft von b auf α Luftdruck verdichtet werden. Der Kolben einer Druckpumpe gehe von A rechts bis B. Der Cylinder endige in der Drosselklappe D, die sich öffnet, sowie die Spannung rechts von D gleich <2 Luftdruck geworden, d. h. bis der Kolben von A bis B gelangt ist. Voraussetzung ist hierbei, dafs die Verdichtungswärme so vollkommen abgeleitet wird, dafs keine Temperaturerhöhung eintritt. Unter dieser Voraussetzung wird die Verdichtungsarbeit des Kolbens, die gleich L sein möge, zur Temperaturerniedrigung hinter der Drosselklappe beitragen. Die Reibungsarbeit R aber, die der Kolben bei seiner Bewegung von B bis D leistet, und die sich infolge der Reibung der Luft an D hinter D in Wärme umsetzen mufs — gemäfs dem Gesetz von der Erhaltung der Kraft —, wird zur Erwärmung beitragen. Dieses Gesetz läfst es als erforderlich erscheinen, dafs die Luft nach der Drosselung dieselbe Temperatur annehmen mufs, wie wenn man ihr unter b Luftdruck auf irgend eine andere Weise, etwa durch Berührung mit kälteren bezw. wärmeren Körpern, einmal eine der Verdichtungsarbeit entsprechende Wärmemenge entzogen und dann eine der Reibungsarbeit entsprechende Wärmemenge zugefügt hätte. Ist nun die Verdichtungsarbeit L gröfser als 'die Reibungsarbeit R, dann wird eine Abkühlung eintreten, hauptsächlich infolge der Leistung der Luft an äufserer Arbeit, die natürlich nur in der Ueberwindung des umgebenden Gasdruckes bestehen kann. Sollte aber R = L sein, dann, und zwar nur dann, mUfste der Fall eintreten, den Linde und seine Anhänger als in jedem Falle unausbleiblich . ansehen; es müfste nämlich eine Abkühlung eintreten allein infolge der Leistung der Luft an innerer Arbeit. Wenn aber R gröfser wäre als L, dann würde sogar eine Erwärmung und keine Abkühlung stattfinden.

In Wirklichkeit kann aber R niemals gleich L oder gröfser sein; infolge dessen mufs bei kleinem Druckunterschiede immer eine Temperaturerniedrigung hauptsächlich infolge äufserer Arbeitleistung der'Luft eintreten. Wenn aber gar die Verflüssigung der Luft schon begonnen.hat, dann ist die Reibungsarbeit nahezu gleich Null und beeinträchtigt also den Erfolg der Verdichtungsarbeit L fast gar nicht mehr.

Beweis: Zunächst sei angenommen, die Luft habe noch die gewöhnliche Temperatur. Dann folgt sie, da die Zahlen b und α nur klein sein sollen, (fast) genau dem Mariotte-Gay-Lussac'sehen Gesetz, nach welchem Druck und Raum sich im umgekehrten Verhältnifs zu einander ändern. Ist die Länge A D des

A D ι

Cylinders gleich ι m, so ist = =

Jd JD Jd JJ

—j-, mithin BD=- —, daher ist die Reibungsb a

arbeit, wenn der Querschnitt des Cylinders gleich ι qcm ist, R = B D (a — b) kg m =

— (a — b) kg in. a

Die Verdichtungsarbeit L setzt sich zusammen aus L₁ und L₂, wobei L₁ die Arbeit der Pumpe und L₀ die Arbeit der auf den Kolben von rechts her drückenden Luft ist. L₂ aber = AB-bkgm, AB = AD-BD,

AD = i, folglich AB =■ ; demnach

R = Lr,-

Die Druckarbeit L aber ist gleich L₁ -j- L₂, mithin ist R (die Reibungsarbeit) immer kleiner als L (die Verdichtungsarbeit), von welch letzterer anfänglich nur L₁, die Arbeit der Pumpe von A bis B, die Abkühlung bewirkt.

Es mufs also bei kleinem Druckunterschied immer ein Temperatursturz hauptsächlich infolge der Leistung der Luft an äufserer Arbeit stattfinden.-

Alles das ergiebt sich unter Berücksichtigung des Gesetzes von der Erhaltung der Kraft, wobei es gleichgültig ist, wie man sich den Vorgang im Einzelnen sonst noch vorstellen mag.

Sinkt die Temperatur der Luft vor der Drosselklappe, dann wird BD kleiner, die Reibungsarbeit R sinkt somit unter den Werfh

— (a — b) kg m. Beginnt sich die Luft vor

D zu verflüssigen, dann ist £ D und damit R ,nahezu gleich Null. Wenn die verflüssigte

Luft nur den m^ten Theil ihres gewöhnlichen Raumes einnimmt, dann ist B D = — und

Ra =

kg m. Die Reibungsarbeit R

beeinträchtigt also, da m sehr grofs ist, den Erfolg der Verdichtungsarbeil L fast gar nicht mehr, welch letztere noch dazu gröfser wird in dem Mafse, wie die Reibungsarbeit abnimmt, und man mufs nach Beginn der Verflüssigung nicht nur die ganze Arbeit der Pumpe, sondern auch noch einen Theil der auf den Kolben

drückenden Luft, nämlich kern als

am

nutzbringend in Rechnung ziehen.

Das Verfahren arbeitet also weit erspriefslicher, nachdem die Verflüssigung schön begonnen, als anfänglich, und zwar desto mehr, je kleiner das Druckverhältnifs ist*,,

Auch ergiebt sich aus dem Vorstehenden, dafs die Anwendung eines Expansionscylinders oder einer Turbine an Stelle der Drosselung am Ende der Druckröhre gar keinen Zweck mehr hat, wenn die Abkühlung bis zur Verflüssigung vorgeschritten ist.

Soll aber das Kühlverfahren erst eingeleitet werden, dann darf das Druckverhältnifs nicht klein sein, damit L₁ (die anfänglich allein wirksame Verdichtungsarbeit der Pumpe) grofs genug bleibt, um die nöthige Wärmemenge mit der erforderlichen Geschwindigkeit aus dem Apparat herauszuholen.

Bemerkenswerth ist noch folgendes: Die Verdichtung kann man sich, mag b gleich ι sein oder nicht, und mag ein Kühler angewendet werden oder nicht, immer so vorstellen, wie wenn ein Gas, also beispielsweise Luft, von gewöhnlicher Temperatur unter gewöhnlichem Luftdruck verarbeitet wird. Wenn b nicht gleich ι ist, dann braucht man den gewöhnlichen Luftdruck nur um das b- fache vergröfsert anzunehmen.

Wird kein besonderer Kühler angewendet, was freilich nur selten zweckmäfsig sein dürfte, dann hat man nur anzunehmen, die gewöhnliche Temperatur sei so hoch, wie sie das nicht abgekühlte verdichtete Gas annimmt, und es werde ein Kühler gebraucht, der selber gleichfalls diese hohe Temperatur habe. Man kann eben nach dem vorliegenden Verfahren jedes Gas verflüssigen, auch wenn die anfängliche Temperatur desselben noch so hoch ist. Allerdings, der Weg, auf welchem ein ergiebiger Temperaturaustausch stattfinden kann, mufs desto langer sein, je höher die. anfängliche Temperatur des verarbeiteten Gases ist.

In dem Verfahren nach Linde aber ist der Kühler unbedingt nothwendig, und zwar nicht nur deshalb, weil sonst die praktischen Schwierigkeiten, wie die Ueberhitzung des Gasverdichters, zu grofs werden würden, sondern auch deshalb, weil ohne den Kühler der Temperatursturz, gemäfs der Joule-Thomson' sehen Formel, zu gering sein würde, um das Kühlverfahren einzuleiten; man müfste daher den Ueberdruck noch weiter steigern, wodurch aber wiederum die Temperatur weiter erhöht und somit die nöthige Abkühlung doch nicht erreicht werden würde.

Nach dem vorliegenden Verfahren kann man übrigens jedes Gas, dessen Verdampfungsgrenze unter seinem Verflüssigungspunkt liegt, unter denselben und',, wenn die Verdampfungsgrenze unter dem Gefrierpunkt liegt, auch unter diesen abkühlen. Es ist dazu nur nöthig, dafs das zu. verarbeitende Gas nach seiner Drosselung auf seinem Rückwege durch, genügend heftige Absaugung unter hinreichend niedrigem Druck gehalten wird. Wird an der Rückleitung ein Gassauger angebracht, dann ist ein Gasdrücker nicht mehr unbedingt nothwendig, vielmehr kann man dann das Gas ohne Weiteres in die Zuleitung einfliefsen lassen.

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens dargestellt. Die Luft oder irgend ein anderes zu verarbeitendes Gas wird durch die Pumpe P mit einem Ueberdruck von höchstens gewöhnlichem Maschinendruck, d. h. von nicht mehr als etwa 8 Atmosphären, in das Druckrohr 5 gedrängt, in welchem ihr mittelst eines besonderen Kühlers, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist, die Verdichtungswä'rme entzogen werden kann. Alsdann gelangt sie bei A in den Apparat und fliefst in mehrfachen Windungen von oben nach unten, wo die Druckröhre in der Drosselung K endet, die von ganz beliebiger Beschaffenheit sein, also etwa in. einer unveränderlichen, verhältnifsmäfsig engen Oeffnung oder in einer Klappe bestehen kann, welche entweder sich selbstthätig öffnet und schliefst oder von aufsen her regulirt wird. Die Luft wird nun durch K hindurchgequetscht und gelangt in das Sammelgefäfs G, wo sie sich, infolge des dort herrschenden geringeren Druckes, abkühlt, und zwar hauptsächlich wegen der äufseren Arbeit, die sie dort leistet, indem sie den umgebenden Druck überwindet. Aus dem Gefäfs G fliefst sie in der Rückleitungsröhre i?, welche die Druckröhre S umhüllt, dem zuströmenden Gase entgegen, und überträgt dabei ihre Kälte auf das letztere, das sich dann nach der Drosselung um so mehr abkühlt, bis schliefslich die Verflüssigung oder Erstarrung beginnt, wonach keine Temperaturerniedrigung mehr, sondern nur noch eine Vermehrung des verflüssigten oder erstarrten Gases stattfindet.

Das zurückkehrende Gas wird, nachdem es beim Austritt aus dem Apparat wieder dieselbe Temperatur, die es beim Eintritt hatte, an-

genommen hat, ins Freie geleitet, oder in einen besonderen Gassauger, oder, wie es in der Zeichnung angedeutet ist, in die Pumpe zurückgeführt.

Claims

Patent-An Sprüche:

i. Die Verflüssigung oder Erstarrung von Gasen derart, dafs man das zu verarbeitende Gas auf geringeren Druck entspannt und dann im Wege des Gegenstromverfahrens die Kälte, die sich während der Entspannung vornehmlich infolge der Leistung des Gases an mechanisch nicht nutzbar zu machender äufserer Arbeit entwickelt, auf das neu zufliefsende Gas überträgt, das sich dann seinerseits nach der Entspannung um so mehr abkühlt, so dafs eine stetige Temperaturerniedrigung an der Entspannungsstelle stattfindet, bis die Verflüssigung oder Erstarrung eintritt, worauf dann nur noch eine Vermehrung des verflüssigten oder erstarrten Gases stattfindet. :
2. Zur Ausführung des obigen Verfahrens eine Maschine, bestehend aus zwei hinten in einander geschobenen Röhren, von denen die äufsere, soweit sie die innere umhüllt, durch einen schlechten Wärmeleiter gegen die Aufnahme von Wärme von aufsen her geschützt ist, einer Drosselung am Ende der inneren Röhre, einem Sammelgefäfs am Ende der äufseren Röhre, das ebenfalls durch einen schlechten Wärmeleiter gegen Temperaturaustausch von aufsen her geschützt ist, und einem Gasbeweger vorn an der einen oder an jeder der beiden Röhren, der dafür zu sorgen hat, dafs sich das zu verarbeitende Gas durch die innere Röhre und die Drosselung in das Sammelgefäfs und von da durch die äufsere Röhre zurückbewegt.

Hierzu ι Blatt Zeichnunyen.