DE18353C

DE18353C - Hochdruck-Kaltluftmaschine

Info

Publication number: DE18353C
Application number: DENDAT18353D
Authority: DE
Original assignee: F. WINDHAUSEN in Berlin und HAURIE in London

Description

$[ψ4'^

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Hochdruck-Kaltluftmaschine.

Die Wirkungsweise dieser Kaltluftmaschine beruht auf dem Princip der Kälteerzeugung durch Compression und nachheriger Expansion von Luft.

Diese Maschine unterscheidet sich von den bisherigen Kaltluftmaschinen besonders dadurch, dafs sie vorzugsweise zur Erzeugung sehr grofser Kälte bestimmt ist, daher ihr Name »Hochdruck-Kaltluftmaschine«. Diesem Zweck entsprechend hat die Maschine wesentlich neue Formen und Organe.

Die Maschine besteht im wesentlichen aus vier Haupttheilen:

1. dem Compressionscylinder A, in welchem atmosphärische Luft angesaugt, bis auf hohen Druck comprimirt und in den Kühlapparat B B₁ ausgeworfen wird;

2. dem Kühlapparat BB₁, in welchem die comprimirte und dadurch bedeutend erwärmte Luft gekühlt wird;

3. dem Expansionscylinder C, in welchem die abgekühlte, comprimirte Luft bis zur Atmosphärenspannung unter gleichzeitiger "Verrichtung mechanischer Arbeit expandirt, dadurch stark abgekühlt und ausgeworfen wird, und

4. dem Bewegungsmechanismus der Kolben und den nöthigen Verbindungstheilen der einzelnen Organe mit einander.

Der Compressionscylinder besteht aus zwei durch Boden und Deckel geschlossenen, ungleich grofsen und central mit einander verbundenen Cylinderräumen, die durch das Zwischenstück Έ von einander getrennt sind.
. In diesen Cylindern befinden sich die Kolben b und c, die durch die Kolbenstange d mit einander und durch die Lenkerstange f_x mit der T-förmigen Pleuelstange f und der Kurbel verbunden sind.

Die Cylinderräume, ober- und unterhalb beider Kolben, stehen durch Luftkanäle mit der hohlcylindrischen Vertheilungskammer h in Verbindung, welche ihrerseits wieder durch Kanäle mit dem Saugrohr i und dem Druckrohr k in Verbindung steht.

Auf diese Weise münden sechs Kanäle 1, 2, 3, 4, 5 und 6 in die Vertheilungskammer, und zwar so, dafs zwischen je zwei Kanälen eine Zwischenwand entsteht, die etwas breiter als der Kanal ist.

In der Vertheilungskammer h befindet sich der dicht schliefsende Vertheilungsdrehschieber 7. Derselbe hat drei concave Aussparungen, um damit, je nach Stellung dieses Schiebers, je zwei benachbarte Luftkanäle mit einander in volle Communication zu setzen, und zwar so, dafs, wenn der Drehschieber in der Stellung I (s. Fig. 2) ist, die Kanäle 1 und 2, 3 und 4, 5 und 6, und in der Stellung II die Kanäle 2 und 3, 4 und 5, 6 und 1 mit einander communiciren.

Die Bewegung des Drehschiebers / in die beiden äufsersten Stellungen I und II geschieht entsprechend den Kolbenstellungen mittelst eines Excenters und einer Stange U₁ von der Schwungradwelle aus. In der Stellung I sind die Kolben b und c in aufgehender Bewegung; es wird atmosphärische Luft durch die Kanäle 1 und 2 unter den gröfseren Kolben c angesaugt, gleichzeitig die über denselben Kolben befindliche Luft comprimirt und durch die Kanäle 6 und 5 in den kleinen Cylinderraum unter den Kolben gedrückt, während gleichzeitig . die über dem

Kolben b befindliche Luft weiter comprimirt und durch die Kanäle 3 und 4 in die Kühler verdrängt wird. Damit nun aber beim OefFnen des Kanales 4 nicht comprimirte Luft in den Cylinderraum zurückströmt, befindet sich in der Druckrohrleitung k ein Druckventil η, was sich erst öffnet, wenn die Spannung der comprimirten Luft im Cylinder gleich der im Kühler ist, und sofort durch Federdruck wieder schliefst, wenn der Hubwechsel eintritt. Die Anordnung dieses Ventiles, sowie die des Vertheilungsschiebers ist in Fig. 3 in partiellem Durchschnitt, nach der Linie β in Fig. 1, dargestellt. Da sich die Luft während des Compressionsactes bedeutend erhitzt, so ist der Cylinder von Kühlwasser umgeben, was sich innerhalb eines den Cylinder umschliefsenden Blechmantels befindet. Aufserdem findet aber noch eine innere directe Abkühlung der comprimirten Luft dadurch statt, dafs in jedem der Cylinderräume während der Compression der Luft Wasser eingespritzt wird. Dies geschieht vermittelst zweier Injectionspumpen o, deren Kolbenbewegung durch Hebel p und q von Seiten der Lenkerstangen in ersichtlicher Weise erfolgt. Die Druckrohre dieser Pumpen münden an den oberen und unteren Enden in die Cylinderräume und sind an ihren Mündungen mit Siebköpfen versehen, um das Wasser in vielen feinen Strahlen ausspritzen zu lassen. Das Einspritzwasser wird mit der comprimirten Luft zusammen in die Kühlapparate ausgeworfen.

Der Kühlapparat besteht aus einem oben und unten weiteren, in dem Mitteltheil mit Kühlröhren durchzogenen cylindrischen Behälter. In dem unteren, weiteren Theil mündet das Druckrohr k, durch welches die comprimirte Luft, gemischt mit Einspritzwasser, tangential einströmt. Infolge dessen wird das in der Luft befindliche Wasser durch Centrifugalkraft an die Mittelwand geworfen und sammelt sich auf dem Boden des Kühlers, aus welchem es durch das Rohr und Hahn k_x continuirlich abgeleitet wird. Damit nun die comprimirte Luft möglichst entwässert in die Kühlröhren gelangt, ist unter den Mündungen derselben ein Blechring Ci₁ angebracht, durch dessen centrale Oeffnung die Luft nur in die Kühlröhren gelangen kann. Zur weiteren Verhinderung des Mitreifsens von Wasser ist unter dieser Oeffnung ein nach oben convexes Schutzblech b_x über dem darunter stehenden Wasser befestigt.

Durch die Kühlröhren strömt die comprimirte Luft in den oberen Raum des Kühlers, und zwar zunächst unter ein in geringer Entfernung über den Mündungen der Kühlröhren befestigtes rundes Blech C₁. Hierdurch wird die Luft gezwungen, radial nach der Peripherie abzuströmen und das in ihr noch vorhandene Wasser in einen an der Innenwand angebrachten concentrischen, von Badeschwämmen gebildeten Ring αχ abzuschleudern. Die Schwämme werden in ihrer Lage durch eine von Drahtsieb gebildete Ringwand gehalten. Das sich aus den Schwämmen absetzende Wasser wird continuirlich durch das Rohr C₁ abgeleitet. .."

Die Kühlröhren sind in ersichtlicher Weise mit Kühlwasser umgeben, was durch das Rohr M₁ zu- und durch das Rohr m_t in den Wasserraum um den Compressionscylinder abfliefst. '

Durch das Verbindungsrohr Λ, gelangt die comprimirte Luft in den Luftkühler B₁ , welcher zur weiteren Abkühlung und Entwässerung der Luft angeordnet ist. Es ist dieser Kühler ein cylindrisches, in ersichtlicher Weise mit Kühlröhren durchzogenes Gefäfs. Die Kühlröhren münden oben und unten in geschlossene Räume, in welchen sich die zu- und abströmende comprimirte Luft sammelt, die Kühlröhren durchströmt und das in ihr noch befindliche Wasser an eine zwischen zwei Siebböden befindliche Schwammlage abgiebt. Das aus diesen Schwämmen abtropfende Wasser sammelt sich in dem .Raum i_u aus welchem es durch Hahn und Rohr k₂ continuirlich abgeführt wird.
. Zur Abkühlung der Luft sind die Kühiröhren von Kühlwasser umgeben, welches bei m iri den Kühler fiiefst und, entgegengesetzt der Luftströmung , die Kühlröhren umspülend , nach oben und von hier durch das Communicationsrohr Ot₁ in den vorhin beschriebenen Kühler abfliefst.

Die in den Kühlapparaten" entwässerte und bis auf Kühlwassertemperatur abgekühlte comprimirte Luft gelangt durch das Rohr W₁ nach dem Expansionscylinder C. Derselbe^ ist nahezu von gleicher Construction und Form wie der beschriebene Compressionscylinder, und nur in Hinsicht der Steuerung verschieden. Die comprimirte Luft wirkt in diesem Cylinder wie in einer Woolf'schen Expansionsdampfmaschine, so dafs dieser Cylinder mit Steuerung und Bewegimgsmechanismus ebenso gut als vollkommene Dampfmaschine mit neuer Präcisionssteuerimg arbeiten kann wie als Theil einer Kaltluftmaschine.

Die Präcisionssteuerung besteht aus Vertheilungsdrehschieber r, dem Expansionsschieber s und den Bewegungstheilen, dem Excenter mit Stange u, dem dreiarmigen Hebel v, der Lenkstange w, der Expansionsstange x, dem Regulirungshebel y und den beiden Blattfedern, z.

Gleichwie bei dem beschriebenen .Compressionscylinder hat der Vertheilungsschieber r die Bestimmung, abwechselnd während des ganzen Kolbenhubes die entsprechenden Kanäle nach dem Cylinderraum unter einander, sowie nach den Zu- und Abflufsröhren offen zu halten. Dementsprechend ist das Excenter u auf der¹ Schwungradwelle . befestigt. Der Expansions-

Schieber s hat die Bestimmung, bei Beginn des Hubwechsels den Zuströmekanal 4 zu öffnen und je nach der erforderlichen Füllung ■ des kleinen Cylinders wieder. plötzlich zu schliefsen. Dies geschieht mittelst des an dem Drehzapfen des Expansionsschiebers befestigten Hebels s, durch die Stange χ (Expansionsstange). Diese Stange ist unten mit dem Hebel ν, oben mittelst Gelenkstange y_x mit dem Regulirungshebel_v in ersichtlicher Weise verbunden. Durch diese Verbindung wird die Stange χ auf- und abbewegt, so dafs, wenn sie in der mittleren Stellung ist, die Kolben sich in der oberen oder unteren Endstellung befinden. In dieser Stellung stöfst die Stange χ mittelst des daraufsitzenden Knaggens an den horizontal hervorragenden Hebel des Expansionsschiebers, wodurch der Kanal 4 geöffnet wird und die comprimirte Luft so lange zuströmt, bis der Knaggen von dem Hebel ^₁ abgleitet und der Expansionsschieber s durch die Blattfedern ζ wieder in die Ruhestellung gedreht und damit der Kanal 4 geschlossen wird. Das mehr oder minder frühe Abgleiten bezw. Schliefsen des Kanales 4 wird durch die Stellung des Hebels y bewirkt, kann selbstverständlich aber auch durch einen Regulator, der mit dem Hebel χ mittelst Zugstange auf bekannte Weise verbunden ist, automatisch nach Mafsgabe der Geschwindigkeit des Ganges der Maschine erfolgen.

Der Bewegungsmechanismus für die Kolben besteht aus der T-förmigen Pleuelstange f, -welche mit der Kurbel und den Kolben in ersichtlicher Weise verbunden ist. Durch zwei starke Lenkerstangen /,, die einerseits mit der Pleuelstange /, andererseits mit der starken Stütze D durch Zapfengelenke verbunden sind, ist die exacte obere Führung der Pleuelstange gesichert. Die starre Verbindung des Cylinders mit der Stütze D und dem Kurbelwellenlager ist aus der Zeichnung ohne weitere Beschreibung ersichtlich.

Aufser dem hier dargestellten Bewegungsmechanismus der Kolben mittelst T-förmiger Pleuelstange und Kurbel, bei verticaler Aufstellung der Cylinder, kann ohne wesentliche Aenderung der Function der Maschine und Construction der Cylinder die Bewegung der Kolben auch auf jede andere bekannte Art erfolgen, und zwar durch Balancier, der central, ober- oder unterhalb der Cylinder,. gelagert ist und mit welchem die Kolben durch Zugstangen verbunden sind, während andererseits der Balancier durch Pleuelstangen mit dem Kurbelmechanismus in bekannter Weise verbunden ist.

Ebenso können, ohne wesentliche Aenderung der Function der Maschine und Construction der Cylinder, die letzteren auch horizontal, neben oder hinter einander gelagert und die Kolben direct durch Pleuelstangen mit Kurbel und Schwungradwelle verbunden werden.

Endlich können die Kolben der Cylinder, ohne Aenderung der Function der Maschine, einfachwirkend sein., indem die Deckel der Cylinder abgenommen und die äufseren Luftkanäle verschlossen oder überhaupt nicht mit angebracht werden.

Die Wirkungsweise ist wie folgt:

Durch Dampf, comprimirte Luft oder andere motorische Kraft wird die Kurbelwelle gedreht, und die Kolben in dem Compressions- und Expansionscylinder kommen in auf- und abgehende Bewegung; dadurch wird in beschriebener Weise im Compressionscylinder atmosphärische Luft angesaugt, comprimirt, während des Compressionsactes gekühlt durch Einspritzwasser und mit dem Wasser in den Kühlapparat verdrängt, woselbst die comprimirte Luft, ohne Aenderung ihrer Spannung, bis auf Kühlwassertemperatur abgekühlt wird.

Diese abgekühlte, comprimirte Luft strömt dann in den Expansionscylinder, expandirt daselbst bis Atmosphärenspannung, wird dementsprechend abgekühlt und ausgeworfen. Die Temperatur der abgekühlten Luft ist bekanntlich abhängig vom Compressions- und Expansionsgrade, und beträgt, unter der Annahme, dafs die comprimirte Luft in den Kühlern auf ι ο ° Ci und bezw. o° abgekühlt wird, bei einer Spannung von

2 Atmosph. ca.
3

43° \

2 _o I Temperatur der
O₀I comprimirten Luft

97°) =+^>
137°
146⁰

— i53^c

Temperatur der

comprimirten Luft

Diese theoretisch mögliche Abkühlung wird in Wirklichkeit durch Zuflufs von Wärme während des Expansionsactes, durch Reibung der Kolben, Wärmezuleitung durch die Cylinderwände und durch den in der Luft noch enthaltenen Wassergehalt in Dampfform nicht erreicht, und beträgt die wirklich erreichte Temperatur nach den bisherigen vielfachen Erfahrungen ca. 70 bis 80 pCt. von der theoretisch möglichen Temperaturerniedrigung.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Die dargestellte und beschriebene Maschine in ihrer ganzen Zusammensetzung, um in zwei zu je zwei mit einander central verbundenen, ungleich grofsen Cylindern atmosphärische Luft in zwei Stadien zu comprimiren und diese comprimirte und zuvor abgekühlte Luft wieder in zwei Stadien bis zur Atmosphärenspannung zu expandiren und dadurch entsprechend abzukühlen.
2. An dieser Maschine:

a) die dargestellte und beschriebene Präcisionssteuerung am Expansionscylinder C, bestehend in der Combination von zwei Rundschiebern, die durch ein Excenter und Stange u, die Hebel und Stangen ν w χ s und r, sowie die beiden Blattfedern ζ zweckentsprechend bewegt werden;

b) die Combination des durch Excenter lind Stange U₁ bewegten Rundschiebers und Rücksclilagventiles η am Compressionscylinder;

c) die Anordnung zur Entwässerung der comprimirten Luft vermittelst in den Luftkühlern entsprechend gelagerter Badeschwämme.
3. Die Anwendung dieser Maschine als Luft-

compressionsmaschine, indem zum Betriebe des Expansionscylinders statt comprimirter Luft Dampf verwendet wird und die Luftkühler aufser Verbindung mit dem Expansionscylinder gesetzt werden.
Die Anwendung dieser Maschine als Dampfmaschine Woolf'schen Systemes mit Präcisionssteuerung, indem der Compressionscylinder aufser Verbindung mit der Kurbelwelle gesetzt oder durch einen Cylinder, gleich dem Expansionscylinder, ersetzt wird, die Bewegung des Steuerhebels je, statt von Hand des Wärters, selbstthätig durch einen Centrifugalregulator erfolgt, der durch Zugstange auf bekannte Weise mit dem Hebel y verbunden wird, endlich der Luftkühler aufser Verbindung mit den Cylindern gesetzt und der Betrieb der Maschine durch gespannten Dampf bewirkt wird.

Hierzu I Blatt Zeichnungen.

BERLIN. GEDRUCKT IN DER REICHSDRUCKEREi.