DE166122C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompression von Gasen und Dämpfen.

Bisher wurde die Kompression derart ausgeführt, daß in einem Kompressionszylinder die folgenden einzelnen Arbeitsvorgänge zeitlich aufeinander folgten:

ä) Ansaugen des zu verdichtenden Mittels unter gleichbleibender, niedriger Spannung während des Vorwärtsganges des Kolbens,

ίο b) Verdichtung des angesaugten Mittels auf die gewünschte höhere Spannung während des ersten Teile's des Kolbenrückganges und Hinausschaffen des verdichteten Mittels aus dem Konipressionszylinder bei gleichbleibender Hochspannung während "des zweiten Teiles des Kolbenrückganges.

Bei dieser Arbeitsweise kann ein Zylinder für den Kompressor verwendet werden, oder man ordnet zwei oder mehrere Zylinder hintereinander an, zwischen denen Zwischenbehälter von unveränderlichem Volumen eingeschaltet werden, in welche jedesmal der Kolben des Zylinders der niedrigeren Druckstufe hineindrückt, während der Kolben des Zylinders der höheren Druckstufe aus ihnen einsaugt; jeder Kolben arbeitet dabei derart, wie soeben unter a) und b) beschrieben wurde.

Gegenüber dieser bekannten Arbeitsweise wird das neue Kompressionsverfahren durch die folgenden, zeitlich aufeinander folgenden einzelnen Arbeitsvorgänge gekennzeichnet:

1. Ansaugen des zu verdichtenden Mittels unter gleichbleibender niedriger Spannung während des Vorwärtsganges des Kolbens in den Kompressionszylinder hinein.

2. Anschluß des mit angesaugtem Mittel gefüllten Zylinderraumes bei oder kurz nach erfolgtem Hubwechsel an einen Aufnehmer mit veränderlichem Volumen, dessen nutzbarer Inhalt bei diesem Hubwechsel am kleinsten ist.

3. Verdichtung des angesaugten Mittels in den unter 2. genannten Aufnehmer hinein während des Rückganges des Kompressionskolbens derart, daß hierbei das Volumen des Aufnehmers sich allmählich vergrößert und schließlich am größten wird, wenn der Kompressorkolben beim Rückgange am toten Punkte angelangt ist. Der Druck vor dem Kompressorkolben nimmt dabei bis zur Erreichung des toten Punktes fortwährend zu und erreicht seinen größten Wert beim Hubwechsel.

4. Abschluß des Aufnehmers mit veränderlichem . Volumen vom Kompressionszylinder, nachdem der Aufnehmer während des Vorganges 3 das während des Vorganges 1 im Kompressionszylinder angesaugte Mittel unter allmählich zunehmender Spannung und allmählich zunehmendem Volumen aufgenommen hat, sobald der Hubwechsel des Konipressionskolbens eintritt.

5. Neue Ansaugung im Kompressionszylinder wie unter 1. beschrieben, und gleichzeitig damit Hinausschaffen des im Aufnehmer befindlichen komprimierten und gegebenenfalls teilweise kondensierten Mittels in den Druckbehälter, wobei der Aufnehmer schließlich beim Hubwechsel des Kompressorkolbens sein kleinstes Volumen wieder erreicht und von neuem imstande ist, derart zu arbeiten, wie unter 2. und 3. beschrieben wurde.

Im Vergleich mit dem bisher bei der Kompression von Gasen und Dämpfen ausschließ-

Hch zugrunde gelegten Grundsatze weist somit das neue Verfahren den kennzeichnenden Unterschied auf, daß die Arbeit des Verdichtens des angesaugten Mittels und die Arbeit des Verdrängens des verdichteten Mittels nicht, wie bisher, in einem zusammenhängenden Vorgange durch denselben Kolben und in demselben Räume ausgeführt wird, sondern daß hierfür zwei verschiedene Räume und

ίο zwei verschiedene Kolben benutzt werden, deren Wirkungsweise die Arbeit des Verdichtens und die Arbeit des Verdrängens voneinander trennt. Diese Trennung ist dabei derart vollständig, daß im Verdichtungsraume schon eine neue Ansaugung unter niedrigem Druck stattfindet, wenn im zweiten Räume — dem Aufnehmer — die Verdrängung unter hohem Drucke vor sich geht.

Auch ist diese für das neue Verfahren eigentümliche Trennung des Verdichtens von dem Verdrängen derart bedeutungsvoll, daß die Verdichtung und die Verdrängung mit verschiedenen Kolbengeschwindigkeiten erfolgen können, was bei der bisher allein bekannten Arbeitsweise unmöglich ist.

Die einschneidende Neuerung, welche das neue Verfahren darbietet, besitzt nun für die Kompression erhebliche grundsätzliche Vorteile, welche bei dem bisher angewendeten Kompressionsverfahren überhaupt nicht erreicht werden können.

Der größte dieser Vorteile ist die Möglichkeit einer äußerst wirksamen Kühlung gerade an derjenigen Stelle, wo diese Kühlung am wichtigsten ist, nämlich in dem Räume, welcher das Verdrängungsvolumen darstellt. Der große Mehraufwand, welche die adiabatische Kompression gegenüber der isothermischen bedingt, wird bekanntlich zum weitaus größten Teile durch den Mehrbetrag der Verdrängungsarbeit bedingt und nur zum kleineren Teile durch den Mehrbetrag der Verdichtungarbeit. In dem Werke von Ihering: »Die Gebläse, 1. Auflage 1893, Seiten 462 und 463, ist nachgewiesen worden, daß bei der Kompression von Luft von I Atmosphäre auf 10 Atmosphären die beiden bezüglichen Arbeiten pro Kubikmeter angesaugte Luft sich belaufen auf: isothermische Kompression 14493 mkg Verdichtungsarbeit, 9299 mkg Verdrängungsarbeit; adia-. bausche Kompression 15615 mkg Verdichtungsarbeit, 18171 mkg Verdrängungsarbeit. Hiernach ergibt sich, daß der Mehrverbrauch an Arbeit für die adiabatische Kompression beträgt:

für die Verdichtungsarbeit 1122 mkg oder y,y Prozent der isothermischen Verdichtungsarbeit,

für die Verdrängungsarbeit 8872 mkg oder 94,3 Prozent der isothermischen Verdrängungsarbeit.

Die soeben genannten Prozentziffern beweisen sehr deutlich, wo der Schwerpunkt bei der Kompression liegt, und zeigen, daß die Kühlung während der Kompression nicht so sehr notwendig ist, um eine möglichst geringe Verdichtungsarbeit zu erzielen, als vielmehr deshalb, damit nach Beendigung der Verdichtung eine möglichst geringe Verdrängungsarbeit stattfinden kann; alle Wärmeabfuhr, die beim gewöhnlichen Kompressionsverfahren während des Hinausschiebens des verdichteten Mittels beim zweiten Teile des Kolbenhubes vor sich geht, hat auf die Verringerung des Arbeitsaufwandes nur wenig Einfluß, und die Erfahrung zeigt, daß bei verhältnismäßig niedrigen Ausströmungstemperaturen der verdichteten Luft die jetzt üblichen Kompressoren Diagramme ergeben, welche dem adiabatischen Diagramm erheblich mehr sich nähern, als es der Ausströmungstemperatur der Druckluft entspricht. Der Grund hierfür ist die ungenügende Abführung der Kompressionswärme während der Verdichtung und die Unwirksamkeit der Kühlung bei der Verdrängung.

Ganz anders ist es bei dem neuen Verfahren. Hier findet während des ganzen Kompressionshubes im Kompressionszylinder Verdichtung statt, und die sich verdichtende Luft sammelt sich außerhalb des Kompressionszylinders an. Die in letzterem zu verrichtende Arbeit kann beispielsweise für Luft bei einem Verdichtungsverhältnis von ι: 10 nur um J,j Prozent schwanken, je nachdem im Zylinder eine absolut vollkommene oder gar keine Kühlwirkung eintritt, und diese Schwankung ist derart unbedeutend, daß man bei dem Bau des Kompressors auf die Kühlung des Hauptzylinders kaum Rücksicht zu nehmen braucht. Der für die Kühlung ausschlaggebende Gesichtspunkt ist bei dem neuen Verfahren vielmehr lediglich die Anordnung des Aufnehmers. Der Nutzinhalt des letzteren nimmt zu, je mehr sich der Kompressorkolben dem Totpunkte nähert, und somit nimmt auch selbstverständlich die Kühlwirkung des Aufnehmers zu, da dieselbe — einerlei wie man sie baulich anordnet — stets von der Größe des Aufnehmerinlialtes abhängig sein muß. Außerdem kann man leicht den no Aufnehmer in solcher Weise ausbilden, wie es für eine wirksame Kühlwirkung nötig ist, da derselbe vom Hauptzylinder getrennt ist und nur die zeitliche Begrenzung des Kolbenhubes mit letzterem gemeinschaftlich hat, während die Kolbengeschwindigkeit eine ganz verschiedene sein kann, und fernerhin für den Aufnehmer ein Wasserkolben sich anordnen läßt, auch wenn der Hauptzylinder einen gewöhnlichen Kolben erhält.

Die besondere Kühlung des Aufnehmers und die Möglichkeit, während des ganzen Verdich-

tungshubes des Hauptkolbens Wärme in dem Aufnehmer in der richtigen Art und Weise abführen zu können, derart, daß beim Beginn der Verdrängung die verdichtete Luft, soweit sie überhaupt möglich, bereits abgekühlt ist, stellt den wichtigsten und bisher unerreichbaren Vorteil des neuen Verfahrens dar. Dieser Vorteil kommt nicht nur bei permanenten Gasen in Betracht, sondern auch bei Dämpfen,

ίο bei denen man eine Kondensation des Dampfes während der Kompression zu erzielen wünscht. So läßt sich beispielsweise bei Benutzung des neuen Kompressionsverfahrens leicht die mehrfach vorgeschlagene Arbeitsweise einer durch gespannten Wasserdampf betriebenen Dampfmaschine durchführen, bei welcher der im Kraftzylinder expandierte Dampf beim Rückgang des Kolbens wieder verdichtet wird, und zwar derart, daß beim Ende des Auspuffs der größte Teil des Auspuffdampfes in ein Kondensat verwandelt ist, welches annähernd den Druck und die Temperatur des im Dampfkessel siedenden Wassers besitzt und in den Kessel zurückgeführt wird. Ebenso ist das neue Kompressionsverfahren bei der Verflüssigung von Kaltdämpfen besonders gut geeignet, indem schon im Aufnehmer eine lebhafte Kondensation bewirkt werden kann, so daß die Verdrängungsarbeit wesentlich geringer ausfällt als bei dem jetzigen Verfahren, bei dem Verdichtung und Verdrängung in einem Zylinder vor sich geht und eine Kondensation im Zylinder nicht stattfindet. Abgesehen von dem soeben beschriebenen grundsätzlichen Hauptvorteil des neuen Verfahrens besitzt dasselbe aber gegenüber dem bisherigen Kompressionsverfahren auch noch einige weitere erhebliche Vorteile, welche sich auf die Bauart der Maschinen beziehen. In erster Linie kann man, während die Kolbengeschwindigkeit im Aufnehmer eine geringe ist, gleichzeitig für den Hauptzylinder eine große Kolbengeschwindigkeit anwenden, weil — wie oben nachgewiesen wurde — die Wärmeabfuhr in diesem Zylinder kaum nötig ist und zum weitaus größten Teil im Aufnehmer stattfinden muß. Es kann deshalb von einem langsamen Betriebe des Hauptzylinders, wie derselbe in Hinsicht auf möglichst große Wärmeabfuhr während der Kompression beim bisherigen Kompressionsverfahren oft angewendet worden ist, gänzlich Abstand genommen werden. Sodann treten die größten Drücke im Getriebe der Maschine erst kurz vor dem Hubwechsel auf, wo der Hauptkolben bereits verhältnismäßig langsam sich bewegt, und es ist deshalb die Beanspruchung des Getriebes entsprechend geringer als beim alten Verfahren. Die beiden erwähnten Vorteile sind durchaus nicht zu unterschätzen und tragen dazu bei, es völlig klar zu machen, daß das neue Verfahren sich in sehr wesentlichen Punkten von dem alten Verfahren unterscheidet.

Es mögen nunmehr einige Beispiele gegeben werden, wie das neue Verfahren ausgeübt werden kann.

In dem in Fig. 1 und 2 der beiliegenden Zeichnung gegebenen Ausführungsbeispiel einer passenden Vorrichtung zur Ausführung des neuen Verfahrens ist der Aufnehmer mit veränderlichem Volumen als besonderer Zylinder ausgebildet, dessen nutzbarer Inhalt durch die Bewegung eines Kolbens von Null bis auf seinen größten Wert und von diesem bis auf Null verändert wird. Der Kornpressionszylinder ist mit α bezeichnet und der Aufnehmer oder Behälter mit b. Der Kolben c des Kompressionszylinders saugt das zu komprimierende Mittel (Luft, Kaltdampf oder dergl.) durch die Saugeventile e bezw. / an, und wird das angesaugte Volumen durch den Rückgang des Kolbens c verdichtet. Gleichzeitig strömt jedoch das sich verdichtende Mittel fortwährend aus dem Zylinder a in den Behälter b über, und zwar durch die Steuerungsvorrichtungen g bezw. h. Wenn der Kompressionshub beendigt ist, befindet sich das gesamte komprimierte Gas in dem Behälter fc, dessen Kolben d alsdann am toten Punkte angelangt ist. Beim Hubwechsel schafft der Kolben d des Behälters das in letzterem befindliche komprimierte Mittel durch die Steuerungsvorrichtungen i bezw. k und die Druckleitung I in einen geeigneten Druckbehälter, welcher an die Kompressionsanlage angeschlossen ist. Es ist ersichtlich, daß die Kühlwirkung im Behälter wesentlich wirksamer sein wird, als es im Kompressionszylinder möglich ist, sowohl insoweit Einspritzung in Frage kommt, als auch in bezug auf Mantelkühlung; auch eine gekühlte Kolbenstange nebst gekühltem Kolben kann zur Anwendung gelangen.

W^enn die in Fig. 1 und 2 dargestellte Kompressionsvorrichtung arbeitet, so geschieht dieses in folgender W^reise:

Die Kolben c und d der Zylinder α und b können gleichläufig sein, d. h. sie bewegen sich stets in derselben Richtung und sind auch stets in der gleichen Stellung (siehe Fig. 1). Bei der Bewegung der Kolben von links nach rechts sind die Steuerungsvorrichtungen e, h und i offen, während die Steuerungsvorrichtungen f, g und k geschlossen sind. In der Bewegung von rechts nach links sind f,g und k offen, während e, h und i geschlossen sind. Selbstverständlich wird hierbei das in dem toten Raum zwischen dem Kolben des Zylinders α und den Steuerungsorganen g und h befindliche komprimierte Mittel beim Hubwechsel wieder in den Zylinder α zurückströmen. Man richtet deshalb die Steuerungs-

vorrichtungen e und / zweckmäßig derart ein, daß sie als Rückschlagventil wirken und erst dann sich öffnen, wenn das im toten Räume zurückgebliebene komprimierte Mittel auf die Anfangsspannung expandiert ist.

Die Kolben der Zylinder ο und b können aber auch gegenläufig sein; diese Ausführungsform ist in Fig. 2 dargestellt. Zur Kühlung des Behälters b ist ein äußerer Kühlmantel m und eine gekühlte Kolbenstange η mit gekühltem Kolben vorgesehen. Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist genau so wie vorstehend mit Bezug auf Fig', ι beschrieben. Im Vergleich mit dem bisher üblichen Kompressionsverfahren hat das neue Verfahren die aus den Diagrammen Fig. 3, 4, S, 6 und 7 erkennbaren Eigenschaften.

Fig. 3 stellt das Kompressionsdiagramm dar, welches der Kompressionsraum α ohne Hinzufügung des Behälters b aufweisen würde. Die Line 1-4 entspricht hierbei dem Volumen des Kompressionsraumes, und die Kurve 1-2 stellt die bei der Verdichtung stattfindende Drucksteigerung dar. Die Linie 2-3 stellt dasjenige Volumen dar, zu welchem das angesaugte Mittel im Kompressionsraume zusammengedrückt wird und welches durch den die Kompression bewirkenden Körper aus dem Kompressionsraume bei gleichbleibendem Höchstdruck herausgeschafft werden muß. Fig. 4 stellt das Kompressionsdiagramm dar, welches der Kompressionsraum a in Verbindung mit dem Behälter b aufweist, wobei der Druck vor dem im Kompressionsraume a die Verdichtung bewirkenden Körper beim Hubwechsel genau der Druckbehälterspannung· entspricht. Die Linie 1-4 entspricht wiederum dem Volumen des Kompressionsraumes, und die Verdichtung findet in Gemäßheit der Kurve 1-3 statt, während gleichzeitig der Druck im Behälter in entsprechendem Maße allmählich steigt; die im Kompressionsraum zu leistende Arbeit entspricht lediglich der Fläche 1-3-4 anstatt der Fläche 1-2-3-4 in Fig. 3.

In Fig. 4 ist in gleichem Maßstabe, wie die Linie 1-4 das Volumen des Kompressionsraumes α darstellt, in Form der Linie 3-5 das Volumen des Behälters b aufgetragen.

Das Verhältnis des Behältervolumens beim Ende des Kompressionshubes zum Ansaugevolumen des Kompressionsraumes, d. h. das Verhältnis von Volumen des angesaugten Mittels zu dem Volumen des komprimierten Mittels wird somit durch das Verhältnis der Linie 3-5 zur Linie 1-4 zum unmittelbaren Ausdruck gebracht; bei dem bisher üblichen Kompressionsverfahren wird dieses Verhältnis durch das Verhältnis der Linie 2-3 zur Linie 1-4 (Diagramm Fig. 3) gekeimzeichnet. Dementsprechend ist die Verdrängungsarbeit beim bisherigen Verfahren durch das Rechteck 2-3-4-6 dargestellt, während diese Arbeit beim neuen Verfahren 'durch das Rechteck 3-5-7-4 dargestellt wird. Die im Behälter zu leistende Verdrängungsarbeit wird beim neuen Verfahren jedoch noch unterstützt durch den allmählich zunehmenden Druck an der Rückseite des diese Verdrängung bewirkenden Körpers, indem der im Kompressionsraume die Verdichtung bewirkende Körper nach erfolgtem Hubwechsel das frisch angesaugte Mittel in denjenigen Behälterraum hineindrückt, welcher sich hinter dem im Behälter die Verdrängung bewirkenden Körper bildet, wenn vor demselben das beim vorhergegangenen Hube verdichtete Mittel nach dem für dasselbe angeordneten Vorratsraume hin verdrängt wird. Dieser Nutzdruck an der Rückseite des die Verdrängung bewirkenden Körpers entspricht selbstverständlich genau der Drucklinie 1-2 des Kompressionsraumes und wird in der Übertragung auf das Rechteck 3-5-7-4 durch die Kurve 5-4 dargestellt. Die von dem im Behälter wirkenden Verdrängungskörper beim Verdrängen des komprimierten Mittels aufzuwendende Arbeit ist somit die Fläche 3-5-4. Legt man die beiden in gleichem volumetrischen Maßstabe gezeichneten Diagramme (Fig. 3 und 4) aufeinander, was in Fig. 5 geschehen ist, so wird durch den go Unterschied zwischen den Flächen 2-3-1 und 3-5-4 der Arbeitsgewinn dargestellt, welchen das neue Verfahren gegenüber dem bisher üblichen Kompressionsverfahren ergibt. Die Diagramme 3, 4 und 5 sind für die Luft maßgebend, welche von 1 Atm. auf 10 Atm. verdichtet wird. Die Kompression in Fig. 3 ist polytropisch angenommen mit einer für das Diagramm maßgebenden Endtemperatur von 2oo° C. im Punkte 2 — die adiabatische Endtemperatur würde 300⁰ C. betragen bei 2O° C. als Ansaugetemperatur —, und die Durchschnittstemperatur im Aufnehmer ist beim Ende des Kompressionshubes, d. h. für den Punkt 5 mit 50⁰ C. vorausgesetzt. Die Linie 2-3 verhält sich dann zur Linie 3-5 wie die absolute Temperatur im Punkte 3 zu derjenigen des Punktes 5, el. h. wie 473 : 293 oder 1,61: i, und ist, wenn man von der günstigen Wirkung des durch die Kurve 5-4 in Fig. 4 dargestellten Gegendruckes hinter dem Aufnehmerkolben ganz absieht, dieses Verhältnis maßgebend für den Arbeitsgewinn, welchen das neue Verfahren in bezug auf die Veränderungsarbeit bei einstufig arbeitenden Kompressoren für 10 Atm. Enddruck liefern wird.

Fig. 6 stellt das Diagramm dar, welches sich ergibt, wenn der Druck vor dem Kolben des Zylinders α beim Hubwechsel etwas geringer ist als die Spannung im Druckbehälter, während Fig. 7 den Fall darstellt, daß der Druck

des Druckbehälters erreicht wird, noch ehe der Aufnehmer ganz gefüllt ist. In beiden Fällen stellt die Fläche 1-2-3-4 die Arbeit der Kompression und des Verdrängens nach dem alten Verfahren und die Fläche 1-8-9-5-10-4 bezw. 1-11-3-5-4 die Arbeit der Kompression und des Verdrängens nach dem neuen Verfahren dar, wobei den Flächen 1-8-4 ^und 1-11-3-4 entsprechende Arbeit vom Verdichtungskörper im Kompressionsraume α und die den Flächen 8-9-5-10-4 sowie 3-5-4 entsprechende Arbeit vom Verdrängungskörper im Behälter b zu leisten sind. Die Diagramme Fig. 3, 4, 5, 6 und 7 beziehen sich auf die Kompression permanenter Gase; findet im Aufnehmer eine Kondensation beim Komprimieren statt, wenn Dämpfe komprimiert werden, so ist die Verdrängungsarbeit wesentlich kleiner.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch :

   Verfahren zur Kompression von Gasen und Dämpfen, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verdichtende Mittel unter gleichbleibender, niedriger Spannung in den Kompressionsraum hineingesaugt wird, worauf dieser Raum bei oder kurz nach erfolgtem Hubwechsel an einen Behälter mit veränderlichem Volumen angeschlossen wird, so daß der im Ansaugeraume die Kompression bewirkende Körper das angesaugte Mittel in den Behälter hinüberdrückt und verdichtet, derart, daß das Volumen des Behälters sich allmählich von Null auf seinen größten Wert vergrößert, zu welcher Zeit der Druck im Ansaugeraum ebenfalls seinen größten Wert erreicht hat, worauf bei eintretendem Hubwechsel der Kompressionsraum vom Behalter abgeschlossen wird, worauf das komprimierte und gegebenenfalls teilweise kondensierte Mittel in einen unter Druck stehenden Raum auf der einen Seite hinausgeschafft wird, während auf der anderen Seite das obige Spiel von neuem vor sich geht, unter gleichzeitiger wirksamer Kühlung des Behälters.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen,