DE19065C - Luftkältemaschine - Google Patents

Description

Die auf beiliegenden Zeichnungen dargestellte Luftkältemaschine besitzt die besondere Eigenthümlichkeit, dass die fortwährend circulirende Luftmenge nie unter einer Atmosphäre Spannung erhält, in getrocknetem und gereinigtem Zustande verwendet wird und durch ihre Expansion dazu dient, die Betriebskraft der Maschine zu vermindern. Zur Erfüllung dieses Zweckes ist die Maschine mit verschiedenen Einrichtungen versehen, die nachstehend näher erläutert sind.

Fig. 1 ist die Vorderansicht, Fig. 2 ein verticaler Querschnitt und Fig. 3 die Oberansicht der Maschine, Fig. 4 ist ein Verticalschnitt des Luftreinigers.

Auf dem gusseisernen Bett X sind der Dampfcylinder S von irgend einer Construction, der Luftcompressionscylinder C und der Luftexpansionscylinder E befestigt, der letztere hat variable Expansion. Als Luftspeisevorrichtung ist hier eine kleine Luftcompressionspumpe C[hoch]1 gewählt, welche an der Seite des Cylinders E befestigt ist. Die Kolbenstangen der Cylinder S C E und C[hoch]1 sind mit der Traverse T verbunden, welche in Geradführungen sich auf- und abbewegen kann; diese Traverse steht mit den Pleuelstangen G G, mit dem Krummzapfen der Schwungräder F F in Verbindung. Letztere sitzen auf der Hauptwelle B, welche in zwei Lagern ruht, die am Bett X angebracht sind. Wie aus der Zeichnung zu ersehen, müssen die vier Kolben der Cylinder S C E und C[hoch]1 sich gleichzeitig auf- und abbewegen, sobald die Hauptwelle B mit ihren Schwungrädern rotirt. Dampfcylinder S und Expansionscylinder E sind mit Grund- und Expansionsschiebern versehen, welche durch das eine auf der Welle B sitzende Excenter Z bewegt werden; letzteres setzt zunächst die Hülfswelle B[hoch]1 und B[hoch]2 in Oscillation, B[hoch]1 steht mit den Grundschiebern und B[hoch]2 mit den Expansionsschiebern in Verbindung. Die beiden Luftcompressionscylinder C und C[hoch]1 haben hohle Wandungen, in welchen Kühlwasser oder irgend ein anderes Kühlmedium circulirt, welches bei c und c[hoch]2 ein- und bei c[hoch]1 und c[hoch]3 austritt und den Zweck hat, einen Theil der Wärme abzuführen, welche in diesen Cylindern beim Comprimiren der Arbeits- und Speiseluft entwickelt wird. Ebenso hat der Expansionscylinder E hohle oder doppelte Wandungen, worin, bei e und bei e[hoch]1 austretend, irgend eine oder mehrere Substanzen circuliren, denen Wärme entzogen werden soll. Der Luftkühler K, ein Oberflächenkühler von irgend einer passenden Construction, ist mit den Ventilkästen V V des Compressors C und mit dem Expansionscylinder E durch die Röhren L und M verbunden; in diesem Kühler K wird die erhitzte Arbeitsluft, nachdem sie aus dem Compressor C kommt, durch Wasser, Luft oder irgend ein anderes Kühlmedium gekühlt, welches bei k ein- und bei k[hoch]1 austritt. Der Kälteübertrager R, welcher in vielen Fällen von derselben Construction wie K sein kann, steht mit dem Compressor C und dem kleinen Oberflächenkühler H mittelst der Röhren Q und O in Verbindung; in demselben circulirt, bei W ein- und bei r austretend, irgend eine Substanz, welcher Wärme entzogen werden soll. Der Luftreiniger A steht durch Röhre a mit dem kleinen Luftcompressor in Verbindung und der letztere durch Röhre U mit dem Luftreservoir Y.

Der kleine Oberflächenkühler H, an welchem unten das Gefäß H[hoch]1 und oben das Druckreducirventil J angebracht sind, hat Verbindung mit Reservoir Y durch Röhre U[hoch]2, der Expansionscylinder E durch Röhre N, und Kälteübertrager R durch Röhre O, wie aus der Zeichnung zu ersehen. Kühler H hat den Zweck, die comprimirte Speiseluft bis fast auf die niedrigste Temperatur, welche an der Maschine überhaupt existirt, abzukühlen. Die Pumpe P, welche dazu dient, die nicht gefrierbare Flüssigkeit, Wasser oder sonst eine zu kühlende Substanz in Circulation zu setzen, steht durch Röhre e mit den hohlen Wandungen des Cylinders E und durch Rohr p mit dem Eisapparat oder demjenigen Raum oder Apparat in Verbindung, in welchem die von der Maschine producirte Kälte benutzt werden soll (in der Zeichnung fortgelassen). Der Expansionscylinder E, der Kälteübertrager R, der kleine Kühler H, die Pumpe P und die Röhren N O Q r W und p sind alle mit schlechten Wärmeleitern umwickelt.

Die gereinigte, comprimirte und völlig trockene Arbeitsluft allein oder vermischt mit einer Schmier- oder nicht gefrierbaren Flüssigkeit ist eingeschlossen in N H O R Q C L K M E; sie wird während ihres Kreislaufes vom Compressor C zur Maximalspannung comprimirt und vom Expansionscylinder E zur Minimalspannung expandirt. Genannte Arbeitsluft wird mittelst der kleinen Luftpumpe C[hoch]1 (Luftspeisevorrichtung) geliefert, welche die Speiseluft von der Atmosphäre entnimmt und durch z A a U Y U[hoch]2 H x leitet; auf diesem Wege wird die Speiseluft, ehe sie bei x x in den Kreislauf der Arbeitsluft eintritt, gereinigt, comprimirt und vollständig getrocknet. Unter dem Ausdruck "die Arbeitsluft ist vollständig trocken" wird in dieser Beschreibung eine solche Arbeitsluft verstanden, welche von ihrem Wassergehalt fast ganz befreit ist, nichtsdestoweniger kann sie gleichzeitig mehr oder weniger mit irgend einer Schmier- oder nicht gefrierbaren Flüssigkeit vermischt sein. Der Speiseluftreiniger A, Fig. 4, besteht aus einer schmalen Kammer, in welcher mittelst der horizontalen Abtheilungen d d ein Kanal gebildet ist, der zickzackförmig hin- und hergeht; diese Kammer hat an ihrem unteren Ende bei z eine Oeffnung, durch welche atmosphärische Luft (die Speiseluft) eintritt und durch den Kanal nach oben geht, gleichzeitig tritt bei b Wasser ein, welches, durch den Kanal nach unten fließend und bei z ablaufend, die Speiseluft von Staub und sonstigen Unreinigkeiten befreit und zugleich mit Wasser imprägnirt. Diese gereinigte und zugleich mit Wasser imprägnirte Speiseluft geht durch die Röhre a nach dem kleinen Luftcompressor C[hoch]1, in welchem sie bis zur Minimalspannung der Arbeitsluft oder auf eine höhere Spannung comprimirt wird. Die bei der Comprimirung der Speiseluft entwickelte Wärme wird theilweise (wie bereits erwähnt) durch das im Cylindermantel von C[hoch]1 circulirende Kühlwasser abgeführt, ein anderer Theil von dieser Wärme wird durch Verdampfung des mechanisch aus A mitgerissenen Wassers absorbirt. Dieses Wasser, mit welchem die Speiseluft imprägnirt ist, füllt die schädlichen Räume von C[hoch]1 aus und macht eine besondere Schmierung des Kolbens von C[hoch]1 unnöthig, während die inneren Theile der Cylinder C und E, in welchen die trockene Arbeitsluft circulirt, geschmiert werden müssen. Von C[hoch]1 geht die nunmehr comprimirte feuchte und etwas warme Speiseluft in das Luftreservoir Y. An der großen Oberfläche dieses Reservoirs wird sich die Speiseluft nahezu bis auf die Temperatur der umgebenden Atmosphäre abkühlen und daher muß sich ein Theil der in der Speiseluft enthaltenen Feuchtigkeit niederschlagen; dieser Niederschlag geht mit der Speiseluft durch Rohr U[hoch]2 in den Behälter H[hoch]2. Sollte beim Eintritt der Speiseluft in H[hoch]2 erstere nicht kühl genug sein, so kann diese Kühlung leicht vervollständigt werden, indem man Kühlwasser um Röhre U[hoch]2 strömen lässt. Die verticale Röhre H[hoch]1 ist von der Arbeitsluft umgeben, welche, direct aus dem Expansionscylinder E kommend, sich auf ihrem niedrigsten Temperaturgrade befindet; sie tritt oben durch Rohr N ein und entweicht unten bei O. Aus H[hoch]2 steigt die nun theilweise trockene Arbeitsluft innerhalb H[hoch]1 aufwärts, wobei sie von der kalten Arbeitsluft, welche zwischen den Röhren H H[hoch]1 abwärts geht, abgekühlt wird, und zwar bis nahezu auf diejenige Temperatur, welche diese Arbeitsluft innerhalb H selbst besitzt, d. i. bis zur niedrigsten Temperatur, welche in der Maschine überhaupt existirt. Da nun die Speiseluft bereits die Minimalspannung der Arbeitsluft (oder eine höhere Spannung) besitzt, so muß sich infolge der eben beschriebenen Abkühlung innerhalb der Röhre H[hoch]1 fast aller Wasserdampf, welcher noch in dieser Speiseluft enthalten ist, niederschlagen in der Form von Wasser und Schnee, welche in Behälter H[hoch]2 niederfallen. Das sich in letzterem fortwährend ansammelnde Wasser kann leicht entfernt werden, z.B. durch einen Hahn oder durch ein selbstthätiges Schwimmventil, wie in der Zeichnung angegeben, oder es kann auch bei genügender Größe von H[hoch]2 während einer längeren Zeit in diesem Behälter H[hoch]2 bleiben und dann in irgend einer Weise entfernt werden. Nachdem die Speiseluft in der Röhre H[hoch]1 oben angelangt ist, ist sie vollständig trocken, sie tritt nun durch die Oeffnungen x x in den Kreislauf der concentrirten Arbeitsluft ein.

Die Weite der Durchgangsöffnungen x x in H[hoch]1 wird von dem Druckreducirventil J, das am oberen Theil der Röhre H[hoch]1 angebracht und von Rohr H umgeben ist, regulirt. Die Arbeitsluft drückt gegen das Diaphragma oder den Kolben dieses Reducirventiles; diesem Druck

(Minimaldruck der Arbeitsluft) wird durch das auf dem Hebel J[hoch]1 verschiebbare Gewicht J[hoch]2 das Gleichgewicht gehalten. Sobald die Spannung sinkt, erhält J[hoch]2 das Uebergewicht, das Diaphragma sammt dem daran befestigten Ventilring x[hoch]1 x[hoch]1 wird nach oben gedrückt und dadurch die Durchgänge x x geöffnet; die in H aufsteigende trockene Speiseluft kann jetzt durch die Oeffnungen x x hindurchgehen und sich mit der Arbeitsluft vereinigen. Infolge dessen steigt wieder die Minimalspannung der Arbeitsluft. Das Diaphragma und Ventilring x[hoch]1 x[hoch]1 gehen in die Höhe und schließen die Oeffnungen x x. Durch Verschiebung des Gewichtes J[hoch]2 auf dem Hebel J[hoch]1 ändert sich entsprechend die genannte Minimalspannung. Das Verhältnis der Maximal- zur Minimalspannung der Arbeitsluft ist abhängig vom Verhältnis des Volumens des Compressors C zu dem des Expansionscylinders E und vom Expansionsgrade des letzteren; falls dieser Expansionsgrad sich ändern lässt, so lässt sich auch das Verhältnis der Maximal- zur Minimalspannung der Arbeitsluft ändern. Je größer das letztere Verhältnis ist, um so niedriger wird die von der Maschine erlangte Temperatur sein.

Die Arbeitsweise der Maschine ist folgende:

Die erforderliche Betriebskraft der Maschine liefert der Dampfcylinder S oder irgend ein anderer Motor. Beim Ingangsetzten der Maschine ist die Luftspannung innerhalb der Maschine selbstverständlich eine Atmosphäre. Von den Absperrventilen U[hoch]1 U[hoch]2 wird das erstere geöffnet und das letztere geschlossen. Der kleine Luftcompressor C[hoch]1 (die Luftspeisevorrichtung) füllt zunächst das Reservoir Y mit gereinigter und comprimirter atmosphärischer Luft, bis die Spannung in Y um einen bestimmten Betrag höher ist, als die gewünschte Minimalspannung der Arbeitsluft; alsdann wird das Absperrventil U[hoch]2 allmälig geöffnet, die Speiseluft steigt jetzt langsam in Rohr H[hoch]1 in die Höhe, währenddessen die Feuchtigkeit der ersteren sich niederschlägt und in H[hoch]2 ansammelt. Die trockene Speiseluft tritt bei x x in den Kreislauf der Arbeitsluft ein. Nachdem auf diese Weise die Maschine mit gereinigter und trockener Arbeitsluft gefüllt und die Minimalspannung der letzteren erreicht ist, werden Maximal- und Minimalspannung der Arbeitsluft constant bleiben, da sie selbstthätig (automatisch) regulirt werden durch Luftspeiser C[hoch]1, Reservoir Y und Druckreducirventil J, wie oben bereits beschrieben wurde.

Wird die Arbeit der Maschine auf mehrere Stunden (oder für längere Zeit) unterbrochen, so ist es zweckmäßig, die Absperrventile U[hoch]1 und U[hoch]2 zu schließen, um die im Reservoir Y enthaltene comprimirte Speiseluft aufzubewahren; beim nächsten Arbeiten der Maschine kann alsdann die letztere sofort mit concentrirter Arbeitsluft gefüllt werden. Diese letztere macht folgenden Kreislauf: Aus dem Kälteübertrager R geht die jetzt Minimalspannung habende Arbeitsluft durch Rohr Q nach dem Compressor C, worin sie auf ihre Maximalspannung comprimirt und infolge dessen erhitzt wird. Von hier wird sie durch Rohr L in den Oberflächenkühler K geleitet, in welchem sie mit Hülfe eines Kühlmittels (gewöhnlich Wasser) gekühlt wird; alsdann geht sie durch Rohr M in den Expansionscylinder E, in welchem sie von ihrer Maximal- auf ihre Minimalspannung expandirt und dabei Kälte und Arbeit producirt. Die letztere wird zur Comprimirung der Arbeitsluft in C verwendet, so dass also der Dampfcylinder S von dieser Comprimirungsarbeit nur einen Theil zu leisten hat. Sobald die Arbeitsluft aus dem Expansionscylinder E durch Rohr N in den oberen Theil des Raumes zwischen H und H[hoch]1 geht, hat sie ihre Minimalspannung und zugleich ihre niedrigste Temperatur erreicht, sie geht jetzt zwischen H und H[hoch]1 niederwärts und kühlt dabei die innerhalb der Röhre H[hoch]1 aufsteigende Speiseluft auf ihre eigene Temperatur ab, wie oben bereits beschrieben wurde. Aus H kommend, gelangt die kalte Arbeitsluft durch Rohr O in den Kälteübertrager R, in welchem sie einer oder mehreren Substanzen, welche sich innerhalb R befinden (circulirend oder ruhend), Wärme entzieht; währenddessen steigt natürlich die Temperatur der Arbeitsluft. Letztere geht nun durch Q wiederum in den Compressor C, worin sie abermals von ihrer Minimal- auf ihre Maximalspannung comprimirt und der eben beschriebene Kreislauf wiederholt wird. Diese Arbeitsweise ist eine continuirliche.

Um stets eine vollkommene Expansion im Expansionscylinder E bei verschiedenen Cylinderfüllungen zu erlangen, ist es zweckmäßig, dass die Leistungsfähigkeit des Compressors C variabel ist. Im vorliegenden Fall wird dies auf einfache Weise dadurch erreicht, dass die Größe der schädlichen Räume von C sich ändern lassen. Zu dem Ende sind an den Cylinderenden des Compressors C zwei kleine Cylinder D D angebracht, von welchen jeder mit einem beweglichen, luftdicht schließenden Kolben f und einer zugehörigen Stellschraube versehen ist. Schraubt man die zwei kleinen Kolben f f nach außen, so werden die schädlichen Räume des Compressors C größer, die Leistungsfähigkeit des letzteren ist geringer geworden. Dieser Fall muß correspondiren mit einem vergrößerten Füllungsgrade im Expansionscylinder E, und umgekehrt. Dieselbe Wirkung mag auf andere Weise erreicht werden.

Die Kraft zum Betrieb der Maschine wird ebenfalls reducirt, indem man in den Hohlräumen des Cylindermantels und der Cylinderdeckel von E die nicht gefrierbare Flüssigkeit oder das zu gefrierende Wasser oder irgend eine andere Substanz, der Wärme entzogen werden soll, circuliren lässt. Soll die Maschine Eis produciren, so lässt man das zu gefrierende Wasser im Mantel von E circuliren; nachdem es hier bis nahe zum Gefrierpunkt abgekühlt ist, gelangt es in den Eisapparat, worin es zum Gefrieren gebracht wird mit Hülfe der nicht gefrierbaren Flüssigkeit, die abwechselnd in R und in diesem Eisapparat mittelst Pumpe P circulirt. Bei der Eisproduction kann die nicht gefrierbare Flüssigkeit auch ganz fortgelassen werden, falls R in passender Weise als Eisapparat construirt ist, in welcher das aus dem Cylindermantel von E kommende Wasser eintritt und durch die directe Wirkung der kalten Arbeitsluft zum Gefrieren gebracht wird. Wenn kein Eis producirt wird, so circulirt statt des Wasser die nicht gefrierbare Flüssigkeit im Cylindermantel von E, welchen sie, um einen gewissen Grad abgekühlt, durch Rohr W verlässt, um in R einzutreten, worin sie weiter abgekühlt wird; alsdann geht sie durch Rohr r nach demjenigen Apparat oder Raum, in welchem die von der Maschine producirte Kälte benutzt werden soll, von da geht genannte, nicht gefrierbare Flüssigkeit zur Pumpe P zurück, um den beschriebenen Kreislauf zu wiederholen. Soll die Maschine kaltes Wasser für irgend einen Zweck liefern, so macht statt der nicht gefrierbaren Flüssigkeit gewöhnliches Wasser den vorhin beschriebenen Weg. Dieser Weg kann nun ein geschlossener Rundlauf sein oder nicht, im letzteren Falle tritt stets frisches Wasser zuerst in den Mantel von E und dann in R ein. Diesen letzteren Weg macht auch irgend eine andere Substanz (Flüssigkeit oder Gas), welche von der Maschine gekühlt werden soll; sie tritt bei e ein und durch Rohr r im abgekühlten Zustande aus. Die vortheilhafte Wirkung der hohlen Wandungen des Cylinders E wird vergrößert, wenn die in demselben circulirende Substanz auch im Kolben von E circulirt, und kann in gleicher Weise Cylinder C angeordnet werden.

Die zum Betriebe der Maschine erforderliche Betriebskraft wird noch mehr reducirt, wenn man die trockene, concentrirte Arbeitsluft mit einem Schmiermaterial vermischt. Das letztere kann irgend eine Schmierflüssigkeit sein, welche bei der niedrigsten Temperatur der Arbeitsluft nicht gefriert, oder es kann eine nicht gefrierbare Flüssigkeit von irgend einer Natur oder Zusammensetzung sein, welche als Schmiermaterial dienen kann, z.B. Glycerin. Die auf irgend welche Art bewirkte Einführung solch einer flüssigen Substanz in den Kreislauf der Arbeitsluft kann während des Arbeitens oder vor Ingangsetzung der Maschine geschehen. Die flüssige Substanz kommt während des Arbeitens der Maschine mit der concentrirten Arbeitsluft in Contact, welche stark von besagter Flüssigkeit imprägnirt wird; ein Theil der letzteren ist daher gezwungen, denselben Kreislauf wie die Arbeitsluft zu machen. Diese Flüssigkeit schmiert die Kolben, Stopfbüchsen, Schieber und Ventile der Cylinder E und C, füllt die schädlichen Räume der letzteren aus, absorbirt einen Theil der im Compressor C entwickelten Wärme und giebt an die im Expansionscylinder E expandirende Arbeitsluft Wärme ab.

Bei dem oben beschriebenen Verfahren, die Speiseluft zu trocknen, wurde die Abkühlung der letzteren auf die niedrigste Temperatur direct durch die kalte Arbeitsluft bewirkt. Diese Abkühlung kann auch indirect bewirkt werden, indem eine Hülfsflüssigkeit (eine nicht gefrorene Flüssigkeit oder sonstige Substanz) den niedrigsten Temperaturgrad der Arbeitsluft auf die Speiseluft in H[hoch]1 überträgt. Zu dem Ende geht die vom Expansionscylinder E kommende kalte Arbeitsluft zunächst in einen kleinen Oberflächenkühler und kühlt daselbst die erwähnte Hülfsflüssigkeit bis nahe auf ihre eigene niedrigste Temperatur ab und dann geht sie direct in den Kälteübertrager R (und nicht in H) hinein, während die abgekühlte Hülfsflüssigkeit aus dem kleinen Kühler in den Zwischenraum zwischen H und H[hoch]1 geht und der Speiseluft innerhalb H[hoch]1 fast ihre niedrigste Temperatur mittheilt; von hier geht diese Hülfsflüssigkeit, deren Temperatur nun etwas gestiegen ist, wieder zu dem kleinen Oberflächenkühler zurück, um von der kalten Arbeitsluft abermals abgekühlt zu werden und den eben beschriebenen Kreislauf zu wiederholen. Im Fall diese Modification angewendet wird, muß der obere Theil des Zwischenraumes der Röhren H und H[hoch]1 von dem unteren durch eine luftdichte Wand (etwas unterhalb der Oeffnungen x x) getrennt sein, und eine Röhre leitet die aus x x austretende trockenen Speiseluft in die Röhre N oder irgend einen Raum hinein, worin die Arbeitsluft circulirt. Falls diese Speiseluft an einer solchen Stelle in die Arbeitsluft eintritt, woselbst die letztere ihre Maximalspannung besitzt, so muß in solchem Falle der Compressor C[hoch]1 die Speiseluft bis zu jener Maximalspannung (oder höher) comprimiren und alsdann wird die Maximalspannung der Arbeitsluft direct und automatisch regulirt. Anstatt eine Hülfsflüssigkeit zu verwenden, um die niedrigste Temperatur der Arbeitsluft auf die Speiseluft in H[hoch]1 zu übertragen, kann man auch hierzu die in R circulirende nicht gefrierbare Flüssigkeit benutzen. Die letztere geht zu dem Ende, aus R kommend, zunächst in den Zwischenraum der Röhren H und H[hoch]1 und dann nach dem Eisapparat oder sonstigen Raum, oder aber die ganze Röhre H[hoch]1 ist im Innern des Eisapparates angebracht, und zwar da, wo die von R kommende nicht gefrierbare Flüssigkeit eintritt. Alle diese Modificationen sind äquivalent mit dem kleinen Kühler H.

Die Reinigung der Speiseluft kann durch trockene Filtrirung mittelst Baumwolle oder eines sonstigen Materials bewirkt werden.

Claims (4)

Eine Luftkältemaschine, deren Eigenthümlichkeiten in folgendem bestehen:

1. Der Luftreiniger A, in welchem die Speiseluft gereinigt und mit Wasser imprägnirt wird, in Zusammenhang mit der Speisevorrichtung C[hoch]1 und in Combination mit dem kleinen Oberflächenkühler H, dem Behälter H[hoch]2 und das hierdurch bedingte Verfahren zum Reinigen und Trocknen der Speiseluft.

2. Die Anordnung der Regulirungscylinder D D an dem Compressor C.

3. Die Luftspeisevorrichtung C[hoch]1 in Combination mit dem Speiseluftreservoir Y und dem Druckreducirventil J.

4. Die Combination der Luftspeisevorrichtung in Zusammenhang mit dem Luftreiniger A, Kühler H, Behälter H[hoch]2, Druckreducirventil J, Compressor C, Kühler K, Expansionscylinder E und Kälteübertrager R, wobei die Arbeitsluft, vermischt mit einem nicht gefrierbaren Schmiermaterial, zur Verwendung gelangt.