DE192594C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verflüssigung von Gasen, bei welchem die Expansion eines komprimierten und abgekühlten Gases unter Leistung äußerer Arbeit in einer neuen Art verwendet wird. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zur Verflüssigung von atmosphärischer Luft.

Es wurde bereits früher vorgeschlagen, hoch komprimierte Luft dadurch zu verflüssigen, daß man sie in einem Motor bis zur atmosphärischen Spannung expandieren läßt. Dabei sinkt die Temperatur der Luft auf — 190°, d. h. bis zur Temperatur der Luftverflüssigung bei atmosphärischem Druck, wodurch ein Teil der expandierten Luft sich verflüssigt, während der größte Teil dieser Luft, der nicht verflüssigt ist, dazu dient, die komprimierte Luft vor ihrer Expansion bis auf ungefähr — 140° abzukühlen.

Die Erfahrung zeigt jedoch, daß bei der tiefen Temperatur von ungefähr — 190⁰ die Kompression der Luft sich nicht mehr nach dem Mariotte sehen Gesetz, . sondern erheblich schneller vollzieht. Unter diesen Umständen ist es, um eine bestimmte Kältemenge zu erzeugen, erforderlich, in dem Motor eine Luftmenge expandieren zu lassen, die viel größer ist als jene, welche sich nach dem M a r i ο 11 e sehen Gesetz ergibt. Andererseits vermindert sich, da bei. diesen niedrigen Temperaturen die Elastizität der Luft eine geringere wird, die Expansionsarbeit und somit die damit verbundene Kältewirkung.
Vom Standpunkt der Mechanik aus weist aber das oben erwähnte Verfahren ebenfalls Übelstände auf, denn wenn beispielsweise die 40

Expansion in einem Zylinder stattfindet, so entstehen in diesem Stöße, die durch die in dem Zylinder gebildete Flüssigkeit verursacht werden.

Demgegenüber besteht das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren darin, daß die Verflüssigung eines komprimierten und abgekühlten Gases durch die Kälte bewirkt wird, die auf Grund der unter Leistung äußerer Arbeit erfolgenden Expansion eines komprimierten und abgekühlten Gases entsteht.

Da man hier nicht mehr ein expandierendes oder bereits expandiertes Gas, sondern ein komprimiertes Gas verflüssigt, findet die Verflüssigung bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur statt, so daß es nicht mehr nötig ist, die Temperatur des expandierten Gases bis zu der tiefsten Grenze herabzusetzen. Hieraus ergibt sich eine Erhöhung der Temperatur bei Beginn der Expansion, deren Kälte- und mechanischer Nutzeffekt infolgedessen¹ größer wird als derjenige, den man unter Benutzung des erstbeschriebenen Verfahrens zu erzielen imstande ist.

Schließlich sind die oben erwähnten schädlichen Flüssigkeitsstöße jetzt nicht mehr zu befürchten, da die Verflüssigung außerhalb des Motors stattfindet.

Diese Gesichtspunkte werden bei der in Fig. ι schematisch dargestellten Einrichtung praktisch verwertet.

Das komprimierte und trockene Gas, das expandiert werden soll, gelangt bei 21 in einen Temperaturausgleicher, der durch die zwei von einem Mantel 37 umgebenen Rohre 32, 33

schematisch dargestellt ist. In diesem Temperaturausgleicher durchströmt das komprimierte und trockene Gas das Rohr 32, in welchem' es sich abkühlt, und wird dann durch das Rohr 38 dem ersten Expansionsorgan einer Maschine zugeführt, die als Maschine mit zweifacher Expansion angenommen wird.

Die Maschinen, die sich zur Erzielung einer solchen Expansionsarbeit eignen, können eine große Ähnlichkeit mit den Verbanddampfmaschinen (Kolbenmaschinen oder Turbinen) besitzen, und es bestehen die hier veranschaulichten aufeinander folgenden Expansionsorgane aus Zylindern mit sich der Reihe nach vergrößernden Abmessungen.

Andererseits tritt das zur Verflüssigung

bestimmte Gas bei 22 in den Tempcraturaus-

. gleicher ein und fließt durch das Rohr 33, in welchem es sich allmählich abkühlt, wonach es durch das Rohr 43 in die inneren Abteile 26 und 27 der beiden Verflüssiger einströmt, die mit den Hähnen 30, 31 zum Abzapfen des verflüssigten Gases ausgerüstet sind. Das zur Expansion bestimmte komprimierte Gas, das durch das Rohr 38 dem ersten Expansionszylinder 35 zugeführt wird, expandiert dort auf niederen Druck unter gleichzeitiger Ab-' kühlung und wird dann durch das Rohr 39 in den ersten Verflüssiger 24 geführt. Hier erwärmt sich das Gas etwas, wobei es die Verflüssigung eines Teiles des komprimierten Gases bewirkt, das durch das Rohr 26 zugeführt wird; alsdann wird das Gas durch das Rohr 40 in den zweiten Expaiisionszylinder 36 geleitet, in welchem es bis zur atmosphärischen Spannung expandiert, das durch diese zweite Expansion abgekühlte expandierte Gas durch das Rohr 41 in den zweiten Verflüssiger 25 geführt, in welchem es eine Erwärmung erfährt und dabei die Verflüssigung- eines Teiles durch das Rohr 27 zug'eführten komprimierten Gases verursacht. Schließlich wird das Gas durch die Leitung 42 in den äußeren Abteil 34 des Temperaturausgleichers geführt, indem es sowohl das zur Expansion bestimmte komprimierte Gas wie auch das zur Verflüssigung bestimmte komprimierte Gas im Gegenstrom abkühlt.

Bei der oben beschriebenen Einrichtung war die Rede von zwei verschiedenen Rohrleitungen 32, 33 zur Abkühlung des zu expandierenden komprimierten Gases und des zu verflüssigenden komprimierten Gases, und es ist nötig, zu dieser doppelten Anordnung Zuflucht zu nehmen, sobald das zur Expansion und das zur Verflüssigung bestimmte Gas unter verschiedenem Druck stehen.

Besitzen aber das zur Kompression und das zur Expansion bestimmte Gas gleichen Druck, so kann an Stelle der Rohre 32, 33 ein einziges angeordnet werden.

Man könnte naturgemäß auch die Mehrfachexpansion unter teilweiser Zwischenerwärmung des Gases nach der ersten teilweisen Expansion durch eine einzige Expansion ersetzen. In diesem Falle würden die beiden Expansionszylinder 35, 36 und die beiden Verflüssiger 24, 25 durch einen einzigen Expansionszylinder und einen einzigen Verflüssiger zu ersetzen sein. Diese abgeänderte Ausführungsform des Verfahrens weist den Vorteil auf, daß sie zu einer einfacheren Einrichtung führt, sie erzielt aber eine geringere Ausbeute als die obenbeschriebene Mehrfachexpansion.

Im letzteren Falle nämlich ermöglicht die Erwärmung des Gases, nach seiner ersten Expansion die Anfangstemperatur der zweiten Expansion zu erhöhen, deren Kältewirkung bzw. Ausbeute hierdurch verbessert wird. Folglich ist die Gesamtwirkung der beiden aufeinander folgenden Expansionen günstiger, als wenn eine einzige Expansion mit ein- und demselben Anfangs- und Enddruck erfolgt.

Es sei noch erwähnt, daß für die Expansion die günstigsten Verhältnisse dann vorliegen, wenn die Verflüssigung des unter Druck stehenden Gases entsprechend der Expansion dieses Gases stattfindet; auf diese Weise kann man theoretisch eine isothermische Expansion erzielen, die als aus einer großen Anzahl Teilexpansionen bestehend angesehen werden kann, nach denen je eine sehr kleine Teilerwärmung vor sich geht. Um diesen günstigsten Fall zu erreichen, müssen die Berührungsflächen zwischen dem zur Expansion und dem zur Verflüssigung' bestimmten Gase möglichst vergrößert werden, was mit Hilfe von Vorrichtungen nach der Art der in Fig. 2 dargestellten geschehen kann. Diese Vorrichtung besteht aus einem horizontalen Expansionszylinder 10 mit Doppelwandungen 11, 12, die eine Kammer 13 umschließen, in die bei 14 das unter Druck befindliche Gas eintritt, nachdem es vorerst in dem Wärmeausgleicher abgekühlt worden ist. Die Berührungsfläche zwischen dem expandierenden Gas und dem komprimierten und kalten Gas kann beispielsweise dadurch yergrößert werden, daß der Fläche 16 des Kolbens 18, vor welcher die Ausdehnung stattfindet, die Gestalt eines Hohlkegels gegeben wird, während für die entsprechende Fläche 17 der Expansionskammer die Gestalt eines vollen Kegels mit denselben Abmessungen gewählt wird, so daß die Kegelfläche 16 über die Kegelfläche 17 paßt. Das verflüssigte Gas wird bei 15 abgezapft.

Wenn man nun die unter Druck verflüssigte Luft abzapft und somit ins Freie bringt, findet eine lebhafte Verdunstung der Flüssigkeit statt. Nun kann man diesen Übelstand dadurch mildern, daß man das verflüssigte Gas vor seinem Abzapfen abkühlt, so daß also eine

Vorkühlung stattfindet. Dieses Resultat kann beispielsweise dadurch erzielt werden, daß man die Verflüssiger verlängert. Da nämlich auf diese Weise die in dem vorderen Teil der Verflüssiger gebildete Flüssigkeit auf einer gewisseni Strecke mit dem Gas, sofort nach seiner Expansion, in Berührung steht, wird die Flüssigkeit, d. h. das verflüssigte Gas, abgekühlt.

ίο Man kann auch das verflüssigte Gas mittels der Auspuffgase einer besonderen Expansionsmaschine vorkühlen, die von einem Teil des kalten, komprimierten Gases gespeist wird, der zur Expansion bestimmt ist, wobei aber, da in dieser Maschine die Expansion in einer Stufe bis zur Endspannung durchgeführt wird, anstatt nur eine teilweise zu sein, eine größere Temperaturerniedrigung sich ergibt.

Nachdem man auf diese Weise die Flüssigkeit so weit abgekühlt hat, daß man sie ohne ■ starke Verdampfung bzw. Verdunstung abzapfen kann, werden die von der Hilfsmaschine herrührenden Auspuffgase mit dem von der Hauptmaschine kommenden Gas zusammengebracht.

Die Fig. 3 zeigt beispielsweise die Anwendung dieses Verfahrens zum Abkühlen verflüssigter Luft, die in den Verflüssigern 51 und 52 erzeugt worden ist. Die verflüssigte Luft fließt durch das Rohr 54 insgesamt nach dem Hilfstemperaturausgleicher 53, der von der im Gegenstrom bewegten Ausströmungsluft der Maschine 55 durchstrichen wird. Diese Luft, nachdem sie ihre kühlende Wirkung auf die Flüssigkeit ausgeübt hat, vereinigt sich im Verflüssiger 52 mit der Ausströmungsluft der letzten Stufe der oben angegebenen mehrfachen Expansion, trägt zur Verflüssigung in diesem Verflüssiger 52 mit bei und fließt von da nach dem Hauptverflüssiger 56. Die Maschine 55 wird durch eine Ableitung 57, 58 von der komprimierten kalten Luft gespeist, die zur Expansion bestimmt

- ist; diese Luft expandiert aber hier vollständig, nicht nur teilweise. Die sehr kalte flüssige Luft wird bei 59 abgezapft.

Claims (7)

Patent-Ansprüche:

1. \^er fahren zur Verflüssigung von Gasen durch Leistung äußerer Arbeit des komprimierten Gases in der Expansionsmaschine und unter Anwendung des Gegenstromprinzips, gekennzeichnet durch eine solche Führung des expandierten Gases, daß es zunächst einen Teil seiner Kälte zur Verflüssigung eines nicht zur Expansion bestimmten, bereits abgekühlten Teiles des komprimierten Gases, der sich im Zustand der Ruhe befindet, verwendet und dann erst der Gegenstromvorrichtung zugeführt wird, damit in dieser der andere zur Expansion bestimmte Teil des Gases nicht so tief abgekühlt wird, daß während der Expansion sein Wärmegrad wesentlich tiefer als die kritische Temperatur zu liegen kommt oder er sich in der Maschine verflüssigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die . Expansion des Gases mehrstufig erfolgt, so daß nach jeder einzelnen Expansion ein Teil der vom expandierten Gas erzeugten Kälte zur Verflüssigung eines nicht zur Expansion bestimmten Teiles des komprimierten Gases verwendet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwendung der Expansionskälte zur Verflüssigung eines Teiles des komprimierten Gases während der Expansion selbst vorgenommen wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem zu verflüssigenden Gase mehr Kälte zugeführt wird, als zur Verflüssigung allein erforderlieh ist, damit die bei der Entnahme des flüssigen Gases auftretende Verdampfung eingeschränkt wird.

Ergänzungsblatt zur Patentschrift 192594.
KLASSE \7g. GRUPPE 1.

Das Patent ist durch teilweise rechtskräftige Entscheidung des Kaiserlichen Patentamts vom 23. November 1911 und durch Entscheidung des Reichsgerichts vom

7. Dezember 1912 dadurch teilweise für nichtig erklärt worden, daß die Ansprüche 3 und 4 gestrichen worden sind.