DE162702C

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Publication number: DE162702C
Application number: DE1901162702D
Authority: DE
Filing date: 1901-01-23
Anticipated expiration: 1921-01-24

Description

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

KLASSEGREAT

Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet ein Verfahren, die Luft bei der verhältnismäßig hoch liegenden kritischen Temperatur in gewerblich verwertbarem Maßstabe in flüssige Form überzuführen. Der kritischen Temperatur der Luft entspricht ein Druck von 53 Atmosphären. Die Temperatur, bei welcher Luft beim Atmosphärendruck in flüssigem Zustande bestehen kann, beträgt etwa 50° weniger als die kritische Temperatur. Um daher bereits bei ihrer kritischen Temperatur von —145 ° verflüssigte Luft in \⁷ersandgefäße zu bringen oder sie für beliebige technische Zwecke aufzubewahren, muß man sie nicht allein von dem Druck von 52 Atmosphären entlasten, sondern sie noch im flüssigen Zustande um weitere 50° abkühlen. Da man nun außer flüssiger Luft selbst kein ökonomisches und praktisches Kältemedium besitzt, welches diese weitere Abkühlung bewirken könnte, und sich auch die Ausdehnungsarbeit beim Ausströmen in die Atmosphäre zur Abkühlung aus dem Grunde nicht verwenden läßt, weil bei der Druckentlastung eine so bedeutende latente Wärme frei wird, und eine fast vollständige Verdampfung der Flüssigkeit eintritt, daß der angestrebte Effekt ganz vereitelt wird, so hat man bisher von der Verflüssigung der Luft bei hoher Temperatur für gewerbliche Zwecke ganz abgesehen, und es blieben solche Versuche auf reine Laboratoriumsexperimente beschränkt. Vorliegende Erfindung löst nun diese Schwierigkeit dadurch, daß sie die durch fraktionierte Kühlung vermittels Flüssigkeiten abnehmenden Siedepunktes oder auf irgend einem anderen Wege möglichst quantitativ verflüssigte Luft bei der Druckentlastung sofort gegen die Flügel einer mit möglichst wenig Reibung gelagerten Turbine strömen läßt, welche durch die für ihre Drehung erforderliche Arbeit dem Flüssigkeitsstrahl soviel Wärme entzieht, daß nur ein verhältnismäßig geringer Bruchteil desselben bei der Ausströmung vergast, wobei die sich entwickelnden Dämpfe dazu benutzt werden, die bereits bei ihrer kritischen Temperatur verflüssigte Luft vor dem Ausströmen noch etwas vorzukühlen.The subject of the present invention is a process for converting the air into liquid form at the relatively high critical temperature on a commercially usable scale. The critical temperature of the air corresponds to a pressure of 53 atmospheres. The temperature at which air can exist in a liquid state at atmospheric pressure is about 50 ° less than the critical temperature. Therefore ersandgefäße already in its critical temperature of -145 ° liquefied air in \ ⁷ to bring or keep it for any purposes, one must not relieve solely by the pressure of 52 atmospheres, but still in the liquid state by a further 50 ° to cooling down. Since there is no economical and practical cooling medium apart from liquid air itself, which could bring about this further cooling, and the work of expansion when flowing out into the atmosphere cannot be used for cooling because the pressure relief releases such a significant latent heat and an almost complete evaporation of the liquid occurs, so that the desired effect is completely thwarted, then one has hitherto completely refrained from liquefying the air at high temperature for commercial purposes, and such experiments have been limited to pure laboratory experiments. The present invention solves this problem by allowing the boiling point with decreasing boiling point due to fractional cooling by means of liquids or any other way as quantitatively liquefied air as possible to flow immediately against the blades of a turbine mounted with as little friction as possible, which through the for their Rotation required work removes so much heat from the liquid jet that only a relatively small fraction of it is gasified as it flows out, whereby the vapors that develop are used to precool the air, which has already been liquefied at its critical temperature, before it flows out.

Die Verflüssigung der von Anfang an unter dem kritischen Druck stehenden Außenluft bewirkt man vorteilhaft durch stufenweise Abkühlung und zweckmäßigerweise durch ineinander angeordnete ringförmige Behälter, von welchen der eine mit einer Mischung von flüssiger schwefliger Säure und Kohlensäure, die gewöhnlich »Flüssigkeit Pictet« bezeichnet wird, gefüllt sein und zum Vorkühlen der Luft auf etwa —60 bis 8o° und zur Kondensation der aus dem inneren mit Stickoxydul oder Äthylen gefüllten Behälter entweichenden Dämpfe dienen kann, welch letzterer die Temperatur der Luft bis auf —145⁰ erniedrigt und sie bei dieser Temperatur verflüssigt. Die Flüssigkeiten werden in beständiger Verdampfung erhalten und die verdampften Anteile wieder kondensiert, so daß eine Erwärmung durch die in den Apparat einströmende Luft nicht stattfinden kann. Man kann die auf diese Weise vollständig verflüssigte Luft, bevor sie zum Ausströmen gegen die Turbine gelangtThe liquefaction of the outside air, which is under critical pressure from the beginning, is advantageously effected by gradual cooling and expediently by means of annular containers arranged one inside the other, one of which is filled with a mixture of liquid sulphurous acid and carbonic acid, which is usually called "Liquid Pictet" and may be used to pre-cool the air to about -60 to 8o ° and for the condensation of air escaping from the inner container filled with nitrous oxide or ethylene vapors, the latter of which the temperature of the air and liquefied to -145 to ⁰ is lowered at this temperature. The liquids are kept in constant evaporation and the evaporated fractions are condensed again, so that heating by the air flowing into the apparatus cannot take place. The air, which is completely liquefied in this way, can be removed before it reaches the turbine to flow out

und nachdem das Verfahren einige Zeit im Gang· ist, noch dadurch vorkühlen, daß man die verdampften Anteile der ausströmenden Luft über die die verflüssigte Luft enthaltenden Rohrleitungen leitet. Zur Ausführung des vorliegenden Verfahrens kann man sich beispielsweise des in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Apparates bedierien. Dieser Apparat, der durch eine beliebige andere,and after the process has been in progress for some time, precooling by the vaporized fractions of the outflowing air over those containing the liquefied air Pipelines directs. To carry out the present method, one can refer to, for example, the one in the accompanying drawing Operate the apparatus shown. This apparatus, which is operated by any other

ίο gleichwertige Vorrichtung sich ersetzen läßt, besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, nämlich erstens dem Apparat zur Erzeugung von unter dem kritischen Druck stehender flüssiger Luft und zweitens dem Apparat, der dazu dient, den Druck auf Atmosphärendruck zu entlasten und dabei die Luft im flüssigen Zustande zu erhalten. Erstere Vorrichtung besteht aus zwei oben und unten geschlossenen/aufrecht stehenden ringförmigen und durch einen ringförmigen Zwischenraum getrennten Behältern a, b, von welchen der Behälter α die oben erwähnte »Flüssigkeit Pictet« und der Behälter b eine bedeutend niedriger siedende Flüssigkeit wieίο equivalent device can be replaced, consists essentially of two parts, namely firstly the apparatus for generating liquid air under the critical pressure and secondly the apparatus which serves to relieve the pressure to atmospheric pressure and thereby the air in the liquid state to obtain. The first device consists of two upper and lower closed / upright annular containers a, b separated by an annular gap, of which the container α the above-mentioned "liquid Pictet" and the container b a significantly lower-boiling liquid such as

Stickoxydul oder Äthylen enthält. Durch beide Behälter ist in mehrfachen Schlangenwindungen die Rohrleitung c gelegt, welcher durch die Kompressionspumpe k Außenluft unter dem kritischen Druck von 53 Atmo-Sphären zugeführt wird, die noch durch eins der bekannten Verfahren von Verunreinigungen, Feuchtigkeit und Kohlensäure befreit sein kann. Der Behälter α enthält außerdem noch eine zweite Rohrleitung f, die mit der Pumpe i in Verbindung steht, welche durch ein breites, oberhalb des Spiegels der Flüssigkeit im Behälter b ausmündendes Rohr mit dem letzteren verbunden ist. Durch die Pumpe i werden die Dämpfe der im Behälter b befindlichen Flüssigkeit ständig abgesaugt und unter einem Druck von 5 bis 15 (gewöhnlich nur 6 bis 8) Atmosphären in die'Rohrleitung eingepreßt, um sich innerhalb des Behälters α zu verflüssigen. Die Rohrleitung f tritt dann an der Unterseite des Behälters α aus demselben heraus und läßt die kondensierte Flüssigkeit in die Unterseite des Behälters b eintreten. In derselben Weise bewirkt die Pumpe g ein Absaugen der Dämpfe der im Behälter α befindlichen Flüssigkeit und ein Nachfüllen der im Kondensator w durch Wasserkühlung oder auf andere Weise wieder in den flüssigen Zustand übergeführten Dämpfe. Es wird auf diese Weise der Stand und die Temperatur der Kühlflüssigkeiten in den Behältern α und b während der Dauer des Verfahrens' möglichst gleichmäßig erhalten.Contains nitric oxide or ethylene. The pipe c is laid through both containers in multiple coiled windings, which is supplied by the compression pump k with outside air under the critical pressure of 53 atmospheres, which can still be freed from impurities, moisture and carbon dioxide by one of the known methods. The container α also contains a second pipe f, which is in communication with the pump i , which is connected to the latter by a wide pipe opening out above the level of the liquid in the container b. The vapors of the liquid in the container b are constantly sucked off by the pump i and pressed into the pipeline under a pressure of 5 to 15 (usually only 6 to 8) atmospheres in order to liquefy within the container α. The pipeline f then emerges from the underside of the container α and allows the condensed liquid to enter the underside of the container b . In the same way, the pump g draws off the vapors of the liquid in the container α and refills the vapors which have been converted back into the liquid state in the condenser w by water cooling or in some other way. In this way, the level and the temperature of the cooling liquids in the containers α and b are maintained as uniformly as possible for the duration of the process.

Die im Behälter b vollkommen verflüssigte Luft tritt dann in den zur Durchführung des Druckentlastungsverfahrens für die gespannte flüssige Luft dienenden zweiten Apparat und in die Ausströmungsdüsen n, aus welchen sie unmittelbar gegen die Flügel der im Schacht χ angeordneten Turbine strömt. Bei vorliegender Aus füh rungs form wendet man zwei solcher Ausströmungsdüsen η an, die symmetrisch zu dem Durchmesser der Turbine angeordnet sind, so daß sie sich in der Wirkung auf die Turbine unterstützen und Reibung möglichst verringern. Die Drehung der Turbine kann in bekannter Weise durch Anbringung von Zahnradgetrieben r auf ihrer Welle t oder in anderer Weise zur Hervorbringung mechanischer Arbeit benutzt werden. Man ist dadurch noch imstande, einen Teil der Kompressionsarbeit wieder nutzbar zu machen.The air completely liquefied in the container b then enters the second apparatus, which is used to carry out the pressure relief process for the tensioned liquid air, and into the outflow nozzles n, from which it flows directly against the blades of the turbine arranged in the shaft χ. In the present embodiment, two such outflow nozzles η are used , which are arranged symmetrically to the diameter of the turbine, so that they support each other in their effect on the turbine and reduce friction as much as possible. The rotation of the turbine can be used in a known manner by attaching gear drives r on its shaft t or in some other way to produce mechanical work. You are still able to make part of the compression work usable again.

Zweckmäßig ist es, eine Turbine mit gekrümmten Flügeln zu verwenden, da bej dieser die Reibung geringer und der Nutzeffekt ein sehr hoher ist. Beim Ausströmen der mit einer Geschwindigkeit von etwa 320 bis 360 m in der Sekunde gegen die Flügel der Turbine geschleuderten Flüssigkeit ist ein Teil derselben verdampft worden. Der mindestens die Hälfte betragende flüssig verbleibende Anteil hat die Temperatur von etwa —194,5° angenommen und kann durch einen untergestellten Trichter zur Verwendungssteile abgeleitet werden. Um die verdampften Anteile nutzbar zu machen, werden dieselben zweckmäßigerweise zur Vorkühlung der im Behälter b verflüssigten Luft benutzt. Man läßt, um diese Vorkühlung möglichst intensiv zu gestalten, die flüssige Luft dann nicht direkt durch die Düsen η ausströmen, sondern bringt noch einen dritten, innerhalb des Behälters b und in geringem Abstand von demselben angeordneten ringförmigen Behälter d an. Dieser ist durch eine Scheidewand s derart abgeteilt, daß ein schraubenförmig um den Schacht χ verlaufender Hohlraum entsteht, welcher mehrere zweckmäßigerweise ebenfalls schraubenförmig angeordnete Bündel von engen Röhrchen ρ enthält, die die flüssige Luft zu durchströmen hat, bevor sie in die Düsen η gelangt. Die Röhren-, bündel stehen durch die Leitung 0 mit der die flüssige Luft enthaltenden Rohrleitung c in Verbindung. Der ringförmige Behälter d ist oben'offen und innerhalb des durch einen Deckel e überdeckten Behälters b derart angebracht, daß noch ein freier Raum unterhalb des Deckels e verbleibt. Die an der Turbine vergasten Anteile flüssiger Luft, die ebenfalls die Temperatur von —194,5° angenommen haben, steigen in dem schraubenförmigen Hohlraum des Behälters d nach oben, wobei sie die Röhren ρ umspülen und deren Vorkühlung bewirken. Sie gehen dann, wie die Pfeile in der Figur andeuten, zwischen denIt is expedient to use a turbine with curved blades, since in this case the friction is lower and the efficiency is very high. When the liquid, which is thrown against the blades of the turbine at a speed of around 320 to 360 m per second, flows out, part of it has evaporated. At least half of the remaining liquid portion has assumed a temperature of about -194.5 ° and can be diverted to the parts of use through a funnel placed underneath. In order to make the evaporated fractions usable, they are expediently used to precool the air that has been liquefied in the container b. In order to make this pre-cooling as intensive as possible, the liquid air is then not allowed to flow out directly through the nozzles η , but a third annular container d is attached inside the container b and at a short distance from it. This is partitioned off by a partition s in such a way that a hollow space is created which runs helically around the shaft χ and which contains several advantageously also helically arranged bundles of narrow tubes ρ through which the liquid air has to flow before it reaches the nozzles η. The tube bundles are connected through the line 0 to the pipeline c containing the liquid air. The ring-shaped container d is open at the top and is attached inside the container b covered by a lid e in such a way that a free space still remains below the lid e. The proportions of liquid air gasified at the turbine, which have also assumed a temperature of -194.5 °, rise upwards in the helical cavity of the container d , washing around the tubes ρ and causing them to be precooled. They then go, as the arrows in the figure indicate, between the

Wandungen der Behälter d, b nach unten und steigen zwischen den Behältern b, α wieder nach oben und entweichen erst dann in die Atmosphäre. , >Walls of the container d, b down and rise again between the containers b, α and only then escape into the atmosphere. ,>

Je weiter das Verfahren vorschreitet, desto vollkommener wird die Vorkühlung der in den Rohrleitungen ρ enthaltenen Flüssigkeit, und um so größer wird demgemäß die Menge der den flüssigen Zustand beim AusströmenThe further the process advances, the more perfect the pre-cooling of the liquid contained in the pipelines ρ becomes, and accordingly the greater the amount of the liquid state when it flows out

ίο beibehaltenden flüssigen Luft.ίο retaining liquid air.

Das Verfahren läßt sich natürlich auch zur gewerblichen Herstellung anderer flüssiger Gase bei verhältnismäßig hoch liegender Temperatur verwenden.The process can of course also be used for the commercial production of other liquids Use gases at a relatively high temperature.

Das eigentliche Wesen des vorliegenden Verfahrens und die Vorzüge desselben gegenüber den bisher bekannt gewordenen ähnlichen Kühlverfahren mit Wiedergewinnung eines Teiles der Expansionsarbeit als nutzbare Arbeitsleistung sind folgende:The real essence of the present process and its advantages over it the previously known similar cooling method with recovery of part of the expansion work as usable Work performance is as follows:

Bei allen bisher bekannt gewordenen ähnlichen Verfahren wird die äußere Arbeit von einem ausströmenden Gase bezw. noch nicht verflüssigter Luft geleistet, wie z. B. bei dem bekannten Linde-Mix'schen Verfahren und bei dem von Hard in in »Nature« 58/1898 erwähnten Arbeitsverfahren. Es wird von letzterem nur vorgeschlagen, in den Weg der gegen den niederen Druck, also beispielsweise in eins der unterhalb der Schlangen befindlichen geschlosseneh Gefäße des Liη de'sehen Patentes,, ausströmenden Gasmassen eine Turbine zu stellen, um auf diese Weise die durch innere Arbeit hervorgebrachte Temperaturerniedrigung noch durch die Leistung äußerer Arbeit ähnlich dem Vorschlage von Siemens zu unterstützen.In all similar processes known so far, the external work of an outflowing gases respectively. not yet liquefied air made such. B. at the known Linde-Mix's method and that of Hard in "Nature" 58/1898 mentioned working procedures. It is only suggested by the latter, in the way of the against the lower pressure, for example in one of the ones below the snakes closed vessels of the Liη de 'see patent, outflowing gas masses a turbine in order to avoid the temperature decrease brought about by internal work still to be supported by the performance of external work similar to the proposal by Siemens.

Bei dem vorliegenden \^erfahren handelt es sich dagegen nicht allein um eine Arbeitsleistung nach dem Ausströmen des Betriebsmittels, sondern auch um Arbeitsleistung während des Durchströmens desselben durch die Ausströmungsdüsen n. In the case of the present experience, on the other hand, it is not just a matter of work after the operating medium has flowed out, but also of work while it is flowing through the outflow nozzles .

Die erstere Arbeitsleistung erfolgt nicht lediglich durch den Stoß strömender Gasmassen , sondern vielmehr durch den Stoß eines Flüssigkeits- und Dampf gemisches, so daß die Masse des strömenden Betriebsmittels für die Raumeinheit eine wesentlich größere als bei den älteren Arbeitsverfahren ist, da ja das spezifische Gewicht eines Flüssigkeitsdampfgemisches wesentlich größer ist als das spezifische Gewicht reinen Dampfes, oder Gases. Infolgedessen muß natürlich die lebendige Kraft entsprechend der größeren Masse, welche auf die Flächeneinheit der die lebendige Kraft aufnehmenden Turbine auftritt, größer sein für gleiche Geschwindigkeiten. The former work is not done only by the impact of flowing gas masses , but rather by the impact of a liquid and vapor mixture, so that the mass of the flowing operating medium for the room unit is a much larger than with the older working methods, there yes, the specific weight of a liquid vapor mixture is significantly greater than the specific gravity of pure steam or gas. As a result, of course, the living force corresponding to the greater mass which is applied to the unit area of the living force-absorbing turbine occurs, be larger for equal speeds.

Der Umstand, daß das vorliegende Verfahren mit einem erheblich massenreicheren Betriebsmittel arbeitet, gewährt die Möglichkeit, mit den Ausströmungsgeschwindigkeiten bei Erzielung gleicher mechanischer Nutzarbeit entsprechend herabzugehen, bedingt also abgesehen von den geringeren Dimensionen der Turbine den Vorteil größeren wirtschaftlichen Wirkungsgrades trotz geringerer Stoßgeschwindigkeit, wie leicht aus den bekannten Gesetzen des unelastischen Stoßes sich ableiten läßt.The fact that the present process with a considerably more massive Operating fluid works, grants the possibility of using the outflow velocities to decrease accordingly when achieving the same useful mechanical work, conditional so apart from the smaller dimensions of the turbine the advantage of greater economic Efficiency despite lower impact speed, as is easy to see from the known Laws of inelastic shock can be derived.

Besonders kennzeichnend für das vorliegende Verfahren ist aber der Umstand, daß bereits vor dem Ausströmen in der Zuleitung und in der Ausströmungsdüse selbst eine beträchtliche, wenn auch nicht mechanisch direkt nutzbar werdende Arbeit dadurch geleistet wird, daß die langsame Geschwindigkeit der in den Apparat einströmenden verflüssigten Luft bei der Herabminderung des kritischen Druckes auf Atmosphärendruck auf die Ausströmungsgeschwindigkeit erhöht und somit eine nicht unbeträchtliche Arbeit zur Beschleunigung der bewegten Masse geleistet werden muß. Durch diese Arbeitsleistung wird der zum Teil verdampfenden Flüssigkeit eine beträchtliche Wärmemenge entzogen und damit trotz Spannungsabnahme ein Verdampfen größerer Flüssigkeitsmengen verhindert, zumal da die durch Reibung der strömenden Flüssigkeit und des damit gemischten Bruchteiles an Dampf erzeugte Wärme durch die Abkühlung der in Dampfform ausgeströmten und die Zuleitung umspülenden abgekühlten Luft mehr als aufgehoben wird. Drittens kommt als äußere Arbeitsleistung, die allerdings ebenfalls nicht mechanisch nutzbar wird, aber im Verhältnis zu ihrer Größe gleichfalls zur Wärmebindung beiträgt, in Frage diejenige Arbeitsleistung, welche durch Zurückschieben des Atmosphärendrucks von dem ausströmenden Dampfflüssigkeitsgemisch geleistet wird. Diese Arbeit besitzt, da der größte Teil des ausströmenden Mediums aus Flüssigkeit besteht, allerdings einen geringeren Wert pro Gewichtseinheit als bei den älteren Verfahren, nach denen nur Flüssigkeitsdampf bezw. Luftgas ausströmt.Particularly characteristic of the present process is the fact that already before the outflow in the supply line and in the outflow nozzle itself a considerable, even if work that cannot be directly used mechanically is done by the fact that the slow speed of the Liquefied air flowing into the apparatus when reducing the critical Pressure increased to atmospheric pressure on the outflow velocity and thus a not inconsiderable work done to accelerate the moving mass must become. Through this work performance, the liquid partially evaporates a considerable amount of heat is withdrawn and thus evaporation despite the decrease in voltage larger amounts of liquid are prevented, especially since the friction of the flowing Liquid and the fraction of vapor mixed with it, heat generated by the Cooling of the cooled ones that have flowed out in vapor form and wash around the supply line Air more than is lifted. Thirdly, there is an external work performance, which, however is also not mechanically usable, but also in relation to their size contributes to the thermal binding, in question the work performed by pushing back the atmospheric pressure of the outflowing vapor-liquid mixture will. Since most of the outflowing medium consists of liquid, however, this work is less Value per unit weight than the older method that used only liquid vapor respectively Air gas flows out.

Da nach den Gesetzen des unelastischen Stoßes die Verlustarbeit, welche beim Umsetzen strömender Massen mittels Turbinen in mechanische Arbeitsleistung infolge von Reibung und Stoß in Wärme umgewandelt wird, der Differenz der Quadrate der Austritts- und Eintrittsgeschwindigkeiten direkt proportional ist, so ist ersichtlich, daß, da in vorliegendem Falle bei Eintrittsgeschwindigkeiten von wenigen Metern höchstens Ausströmungsgeschwindigkeiten von 300 bis 330 m, bei den älteren mit ausströmenden Gasen arbeitenden Verfahren aber solche von 1000 bis 1500 m erzielt werden, in letzterenSince, according to the laws of inelastic collision, the work lost, which when moving Flowing masses are converted into mechanical work output by means of turbines as a result of friction and shock into heat is, the difference between the squares of the exit and entry velocities directly is proportional, it can be seen that, since in the present case at entry velocities of a few meters maximum outflow velocities of 300 to 330 m, with the older with outflowing Gas working processes but those from 1000 to 1500 m can be achieved in the latter

Fällen die Verlustarbeit, also die schädliche Wärmeerzeugung, erheblich größer werden muß. Denn die Zunahme der Differenz der Geschwindigkeitsquadrate ist quadratisch, während die Massen pro Volumeneinheit nur im einfachen Verhältnis wachsen, so daß also die beim vorliegenden Verfahren größere Masse eine nicht so beträchtliche Verlustarbeit bedingen kann, als wie dies infolge der sehr bedeutenden Geschwindigkeiten bei den älteren Verfahren bedingt wird.Cases the loss of work, i.e. the harmful generation of heat, can be considerably greater got to. Because the increase in the difference in the speed squares is quadratic, while the masses per unit volume only grow in a simple proportion, so that the greater mass in the present process does not result in significant loss of work as this is caused by the very significant speeds in the older methods.

Claims

Patent claim:

Process for obtaining liquid air, characterized in that the at their At a critical temperature, liquefied air flows out against the blades of a turbine.

1 sheet of drawings.