DE2018940C3 - Entspannungsmaschine für Gase - Google Patents

Description

)ie Erfindung betrifft eine Entspannungsmaschine Gase bei tiefen Temperaturen mit einem kreisflä- ;en Hubraum am äußeren Ende eines Ai beitszylins, mit von einer Ringnut an dem Mantel des Kolbens a im oberen Totpunkt gesteuerten Einlaßöffnungen von derselben Ringnut bzw. von der Kolbenkante etwa im unteren Totpunkt gesteuerten Auslaßöffnun gen in der Wand des Arbeitszylinder und mit einen Überströmkanal im Kolben von der Ringnut zum Hub raum.

Derartige, bereits bekannte Entspannungsmaschinei arbeiten nach dem Prinzip der einstufigen Entspan nung. Da mit diesen die in zunehmendem Maße auftre tenden erhöhten Anforderungen, d. h. Verarbeitet eines großen Druckgefälles, nicht oder nicht ausrei

ίο chend bewältigt werden können, ist bereits vorgeschla gen worden, zwei solche Entspannungsmaschinen in Kreislauf einer Anlage neben- oder hintereinander ar beiten zu lassen.

Weiterhin ist aus der DT-OS 14 26 943 eine einstufig arbeitende Kolbenexpansionsmaschine zur Erzeugung tiefer Temperaturen bekannt mit genau definiertem ge genseitigem Abstand der Ringnuten und mit veränder licher Spaltweite. Auch bei dieser Ausführungsforrr muß die Zylinderwand die durch Gaskräfte und War

medehnungen entstehenden Spannungen aufnehmen Dies bedeutet aber, daß sich die Spaltweite, während die Kolbenexpansionsmaschine unter Last steht, in nachteiliger Weise verändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Entspannungimaschine für Gas zu schaffen, mit der auch große Druckdifferenzen verarbeitet werden können und die gleichzeitig einen guten thermischen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolben am inneren Ende des Arbeitszylinders auf einen Teil mit kleinerem Durchmesser abgestuft ist und zusammen mit dem Arbeitszylinder einen kreisringflächigen Hubraum bildet, welcher als Hochdruckstufe der mit dem kreisflächigen Hubraum als Niederdruckstufe zweistufig ausgebildeten Entspannungsmaschine dient, wobei am Mantel des Kolbens eine zweite Ringnut zum Steuern von in der Wand des Arbeitszylinders angeordneten hochdruckseitigen Einlaß- und Auslaßöffnungen vorgesehen ist, welche diese etwa im unteren bzw. oberen Totpunkt öffnet, ein zweiter Überströmkanal im Kolben von der zweiten Ringnut zum kreisringflächigen Hubraum führt, und der axiale Abstand zwischen den hochdruckseitigen Auslaß- und den niederdruckseitigen Einlaßöffnungen, zwisehen den beiden Ringnuten sowie zwischen der zweiten Ringnut und der Kolbenstufe am kreisringflächigen Hubraum jeweils größer als der Kolbenhub ist.

Dieser Vorschlag für eine zweistufige Entspannungsmaschine hat den Vorteil, daß der Druck des Arbeits- mittels von der Antriebsseite des Kolbens zum Ende des Arbeitszylinders stetig abnimmt, so daß auch die Temperaturen des Arbeitsmittels von der antriebsseitigen Hochdruckseite zum niederdruckseitigen Ende des Zylinders fortschreitend abnehmen, so daß sich ein stetiges Temperaturgefälle ergibt. Diese beiden Eigenschaften ermöglichen die Erzielung eines sehr günstigen Wirkungsgrades. Außerdem ergibt sich durch die einfach, aber in entgegengesetzter Richtung wirkenden Tandemzylinder ein guter Kräfte- und Massenausgleich auf das Triebwerk. Durch diese Anordnung wird weiterhin eine gute und sichere Führung des Arbeitskolbens auf einen zwischen ihm und dem Arbeitszylinder sich sowohl beim Hin- als auch beim Hergang des Kolbens einstellenden Gasfilm ermöglicht.

Die vorgeschlagene Entspannungsmaschine ist mit besonderem Vorteil einsetzbar zur Kälteerzeugung für die Verflüssigung von tiefsiedenden Gasen wie Wasserstoff oder Helium, da zur Erzielung einer gewissen Kai-

teleistung bei Entspannung aus einem Hochdruckgebiet -vegen der größeren Enthalpiedifferenz eine geringere Gasmenge und damit ein kleinerer Kompressor erforderlich sind. Außerdem kann die Kälteleistung der Hochdruckstufe zur Deckung der Austauschverluste des obersten Gegenströmers verwendet werden, wodurch eine Vorkühlung mittels flüssigem Stickstoff entfallen kann, wodurch der Verfahrensaufwsnd und die Betriebskosten einer solchen Anlage vereinfacht bzw verringert werden können. Es ist ohne weiteres möglieh, die vorgeschlagene Expansionsmaschine in Anlagen zu verwenden, die zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckstufe mit oder ohne Gegenströmer betrieben werden.

Da das in den jeweiligen Ein- und Auslaßöffnungen strömende Arbeitsmittel große gegenseitige Temperaturunterschiede aufweist, die möglichst nicht durch einen Wärmeübergang in den Bauteilen verändert werden sollen, ist bei einer zweckmäßigen Ausgestaltungsform vorgesehen, daß der Arbeitszylinder von vier, je einer der Einlaß- und Auslaßöffnungen zugeordneten, axial nachgiebig mit Abstand angeordneten Ringkammergehäusen umgeben ist, an welche die Leitungen für das Arbeitsmittel angeschlossen sind.

Den gleichen Zwecken dient eine weitere Ausgestaltungsform, nach der der Arbeitszylinder zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen von je einem mit der Außenwand desselben einen abgedichteten ringzylindrischen Innenraum bildenden Ringzylindermantel umgeben ist, an dessen Außenfläche die Ringkammergehäuse angebracht sind.

Mit dieser Ausführungsform wird ein Höchstmaß an Unabhängigkeit der Laufeigenschaften des Kolbens im Arbeitszylinder bei dem vorliegenden sehr engen Laufspiel von wenigen Tausendstel Millimeter (z. B. von nur 2 μ) von Formveränderungen an den den Arbeitszylinder umgebenden Maschinenteilen erreicht.

In einfacher Weise ist eine vom Arbeitsmitteldruck in den Ringkammern verursachte Einschnürung des Arbeitszylinders dadurch vermeidbar, daß die ringzylindrischen Innenräume mit einem Niederdruckraum in Veroindung stehen.

Um das Gewicht des Kolbens und damit die Füh rungsverhältnisse in seinem Arbeitszylinder wesentlich zu verbessern, ist darüber hinaus erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Kolben aus einem Mantel aus Metall und einem Kern aus Kunststoff besteht.

Ein derartiger Kolben hat auch in axialer Richtung eine geringe Wärmeleitung, so daß der Wärnieübergang stärker gehemmt ist. Durch sein leichteres Gewicht wird die Führung und Lagerung des Kolbens auf dem Gasfilm im Arbeitszylinder wesentlich erleichtert.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Entspannungsmaschine dargestellt.

Fig. I, 2 und 3 veranschaulichen in schematischer Darstellung für den unteren Totpunkt, eine Mittelstellung und den oberen Totpunkt die gegenseitigen Lagen der Steuereinrichtungen und deren Arbeitsweise,

F i g. 4 zeigt den Längsschnitt durch die Zylinderbaugruppe der Entspannungsmaschine; ftn

F i g. 5 und 6 zeigen einen Längs- und einen Querschnitt durch die Kolbenbaugruppe.

In F i g. 1. 2 und 3 sind schematisch ein Arbeitszylinder 1 und in diesem ein von einer Kurbel 2 über eine Pleuelstange 3, eine Kreuzkopffühning 4 und eine KoI- f\s benslange 5 angetriebener Hubkolben 6 dargestellt. Arbeitszylinder 1 und Hubkolben 6 bilden einen kreisflächigen Hubraum 7 am äußeren Ende des Arbeitszylinders 1 und einen kreisringflächigen Hubraum 8 am inneren Ende des Arbeitszylinders 1. Am Kolbenmantel befindet sich eine Ringnut 9 zum Steuern von Einlaßöffnungen 10 in der Wand des Arbeitszylinders 1. Zum Steuern von Auslaßöffnungen 11 in der Wand des Arbeitszylinders 1 dient die Kolbenkante 12. Zur Strömungsverbindung zwischen der Ringnut 9 und dem Hubraum 7 ist ein Überströmkanal 13 vorgesehen. Am Kolbenmantel ist eine zweite Ringnut 14 angeordnet, durch die Einlaßöffnungen 15 in der Wand des Arbeitszylinders 1 gesteuert sind. Von der Ringnut 14 führt ein Überströmkanal 17 zum kreisringförmigen Hubraum 8. Für die Arbeitsweise ist Bedingung, daß der axiale Abstand zwischen den Auslaßöffnungen 16 und den Einlaßöffnungen 10, zwischen den beiden Ringnuten 9 und 14, sowie zwischen der zweiten Ringnut 14 und der Kolbenstufe 18 jeweils größer als der Kolbenhub ist. Der kreisringflächige Hubraum 8 ist gegen die Kurbelseite mittels einer möglichst gasdichten Führung des auf einen kleineren Durchmesser abgestuften Teils 19 des Kolbens 6 in einem zum Arbeitszylinder 1 gehörenden Führungsteil 20 abgeschlossen. Die Anordnung dient zur zweistufigen Entspannung eines Arbeitsmittels, wobei folgende Arbeitsweise eingehalten werden kann:

Etwa in der unteren Totpunktlage (F i g. 1) steht die zweite Ringnut 14 den Einlaßöffnungen 15 für das Hochdruckmittel gegenüber, so daß dieses durch den Überströmkanal 17 in den kreisringflächigen Hubraum 8 einströmt und den Kolben gegen die obere Totpunktlage hin bewegt (F i g. 2). Dabei werden die Einlaßöffnungen 15 durch den Kolbenmantel abgedeckt, so daß kein weiteres Hochdruckmittel mehr in den kreisringflächigen Hubraum 8 nachströmen kann. Demzufolge entspannt sich das im Hubraum befindliche Arbeitsmittel, bis die zweite Ringnut 14 die Auslaßöffr.ungcn 16 etwa in der oberen Totpunktlage erreicht (F i g. 3). Aus dem Hubraum 8 kann dabei durch den Überströmkanal 17, die Ringnut 14 und die Auslaßöffnungen 16 so viel Arbeitsmittel entweichen, bis sich der in einer den Auslaßöffnungen 16 folgenden Mitteldruckkammer herrschende Druck im Hubraum 8 eingestellt hat. Das Arbeitsmittel aus dieser (nicht gezeichneten) Mitteldruckkammer kann nun durch die Einlaßöffnungen 10 in die Ringnut 9 und durch den Überströmkanal 13 in den kreisflächigen Hubraum 7 gelangen, wo es den Kolben in entgegengesetzter Richtung antreibt, also zu einer Bewegung zum unteren Totpunkt.

Bei dieser Bewegung werden die Einlaßöffnungen 10 vom Kolbenmantel abgedeckt, so daß das in den Hubraum 7 einströmende Mitteldruckarbeitsmittel entspannt wird, bis etwa in dem unteren Totpunkt die Kolbenkante 12 die Auslaßöffnungen 11 freigibt, wodurch das entspannte Arbeitsmittel durch diese an die Niederdruckseite gelangen kann.

F i g. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Zylinderbaugruppe der Entspannungsmaschine. Die Anordnung des Arbeitszylinders 1 mit dem Kolben 6, seinem abgestuften Teil 19, dessen Führungsteil 20 sowie den Einlaßöffnungen 10 und 15, den Auslaßöffnungen 11 und 16, den beiden Ringnuten 9 und 14 und den Überströmkanälen 13 und 17 entspricht ganz der in F i g. 1 bis 3 gezeigten Anordnung. Der Arbeitszylinder 1 ist zwischen den Steueröffnungen M und 10, 10 und 16 sowie 16 und 15 von je einem Ringzylindermantel 31 bzw. 32 bzw. 33 umgeben, die mit der Außenwand des Arbeitszylinders einen abgedichteten ringzylindrischen Innenraum 34 bzw. 35 bzw. 36 bilden. Auf diesen Ringzy-

lindermänteln sind Ringkammergehäuse 37, 38, 39 und 40 axial nachgiebig verschiebbar angebracht und mittels Dichtringen 41, 42 und 43 auf ihrem Sitz gegeneinander und gegen die Umgebung abgedichtet.

In den Dichtringen 41, 42 und 43 und in den Ringzylindermänteln 31, 32 und 33 sind korrespondierende Bohrungen 44, 45 und 46 angebracht, durch die die ringzylindrischen Innenräume 34, 35 und 36 mit dem umgebenden Raum in Verbindung stehen.

Das zweiteilige ausgeführte Ringkammergehäuse 37. 37a ist mit einem Flansch 37b an einem tragenden Apparateteil Xa angebracht und trägt seinerseits den Arbeitszylinder 1 und die übrigen Teile der Zylinderbaugruppe. Das Ringkammergehäuse 37 weist eine Anschlußstelle 37c zum Anbringen einer nicht gezeichneten Eintrittsleitung für das Hochdruckarbeitsmittc! auf. das in eine Ringkammer 37c/ eintreten und durch ein Filter 37e in eine Ringkammer 37/als eigentlichen Pufferraum gelangen kann, von wo eine Verbindung zu den Einlaßöffnungen 15 besteht. Die Kammer 38a des Ringkammergehäuses 38 steht einerseits mit den Auslaßöffnungen 16 und andererseits mit einer Anschlußstelle 386 für das Anbringen einer nicht gezeichneten Austrittsleitung für das Mitteldruckmedium in Verbindung. Das Ringkammergehäuse 39 hat eine Anschlußstelle 396 für eine nicht gezeichnete Anschlußleitung für Mitteldruckmedium zu einer Ringkammer 39c. von wo das Mitteldruckmedium durch ein Filter 39c/ in die Ringkammer 39a gelangen kann. Die Kammer 39a steht mit den Einlaßöffnungen 10 direkt in Verbindung.

Die Niederdruckauslaßöffnungen 11 münden in eine Kammer 40a und können an der Anschlußstelle AOb durch eine nicht gezeichnete Niederdruckanschlußleitung abgeführt werden. Die Ringkammergehäuse 37, 38 39 und 40 sind mittels Schraubverbindungen 48 bzw. 49 bzw. 50 aneinandergeflanscht, wobei den Gesichtspunkten eines wärmespannungsfreien und wärmeisolierten Zusammenbaus unter Vermeidung von Wärmebrücken bestmöglich entsprochen ist. In einem Raum 51 kann das durch den Spalt zwischen dem Kolbenteil 19 und seinem Führungsteil 20 durchtretende Leckgas zur Weiterverwendung aufgefangen werden. Zwischen

ίο dem Arbeitszylinder 1 und seinem Zylinderdeckel 52 ist eine Dichtung 53 eingelegt, durch deren Dimensionicrung das Verhältnis Totraum zu Hubraum 7 fallweise veränderbar ist. An der Kolbenstufe 18 ist ein anschraubbarcr Ring 54 angebracht, durch dessen Bauhöhe das Verhältnis Totraum zu kreisringflächigcm Hubraum 8 nach Bedarf veränderbar ist.

F i g. 5 zeigt einen Längsschnitt durch einen Stufenkolben, der aus einem Mantel 61 aus Metall, z. B. austenitischem Stahl und einem Kern 62 aus Kunststoff besteht. Am Kolbenmantel 61 sind die Ringnuten 63, 64 vorhanden, von denen Bohrungen 65, 66 durch die Mantelwand zu im Kern 62 ausgearbeiteten Ringnuten 67 und 68 führen, von denen sich die Strömungswege durch Bohrungen 69 und 70 bzw. durch Längsnuten 71 und Bohrungen 72 einerseits zu dem kreisflächigen Hubraum 73 und andererseits zu dem kreisringflächigen Hubraum 74 fortsetzen.

F i g. 6 zeigt den Querschnitt durch einen zusammengesetzten Kolben gemäß Fig. 5 in Höhe der Ringnut

64. Der Kunststoffkern 62 ist mittels einer Schraube 75 im zylindrischen Hohlraum des Kolbenmantels 61 festgehalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Entspannungsmaschine für Gase bei tiefen Temperaturen mit einem kreisflächigen Hubraum am äußeren Ende eines Arbeitszylinders, mit von einer Ringnut an dem Mantel des Kolbens etwa im oberen Totpunkt gesteuerten Einlaßöffnungen und von derselben Ringnut bzw. von der Kolbenkante etwa im unteren Totpunkt gesteuerten Ausiaßöffnungen in der Wand des Arbeitszylinders und mit einem Überströmkanal im Kolben von der Ringnut zum Hubraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben 6 am inneren Ende des Arbeitszylinders (1) auf einen Teil (19) mit kleinerem Durchmesser abgestuft ist und zusammen mit dem Arbeitszylinder (1) einen kreisringflächigen Hubraum (8) bildet, welcher als Hochdruckstufe der mit dem kreisflächigen Hubraum (7) als Niederdruckstufe zweistufig ausgebildeten Entspannungsmaschine dient, wobei am Mantel des Kolbens (6) eine zweite Ringnut (14) zum Steuern von in der Wand des Arbeitszylinders (1) angeordneten hochdruckseitigen Einlaß- und Auslaßöffnungen (16) vorgesehen ist, welche diese etwa im unteren bzw. oberen Totpunkt öffnet, ein zweiter Überströmkanal (17) im Kolben (6) von der zweiten Ringnut (14) zum kreisringflächigen Hubraum (8) führt, und der axiale Abstand zwischen den hochdruckseitigen Auslaß- (16) und den niederdruckseitigen Einlaßöffnungen (10), zwischen den beiden Ringnuten (9, 14) sowie zwischen der zweiten Ringnut (14) und der Kolberistufe (18) am kreisringflächigen Hubraum (8) jeweils größer als der Kolbenhub ist.

2. Entspannungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder (1) von vier, je einer der Einlaß- (10, 15) und Auslaßöffnungen (11, 16) zugeordneten, axial nachgiebig mit Abstand angeordneten Ringkammergehäusen (37, 38,39, 40) umgeben ist, an welche die Leitungen für das Arbeitsmittel angeschlossen sind.

3. Entspanrungsmaschine nach Anspruch I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder (1) zwischen den Einlaß (10, 15) und Auslaßöffnungen (11, 16) von je einem mit der Außenwand desselben einen abgedichteten ringzylindrischen Innenraum (34, 35, 36) bildenden Ringzylindermantel (31, 32, 33) umgeben ist, an dessen Außenfläche die Ringkammergehäuse (37, 38, 39, 40) angebracht sind.

4. Entspannungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringzylindrischen Innenräume (34, 35, 36) mit einem Niederdruckraum in Verbindung stehen.

5. Entspannungsmaschine nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (6) aus einem Mantel (61) aus Metall und einem Kern (62) aus Kunststoff in besteht.