DE29125C - Heifsluftdampfmaschine - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT

α ist der Kalt- und zugleich Warmcylinder; seine beiden Kolben b b' sind so weit von einander entfernt, dafs die kalte Luft nicht die Wandungen des Warm cylinders α' und die heifse Luft nicht die Wandungen des Kaltcylinders a" berühren kann. Die vordere Cylinderseite an den Stopfbüchsen bildet den KaItcylinder oder die Compressionspumpe«", während die hintere Cylinderseite den Wärme- oder Arbeitscylinder a' bildet. Für beide Cylinder ist eine Schiebersteuerung s s' angewendet, und es erfolgt die Steuerung des Arbeitscylinders genau wie bei einer einfachwirkenden Dampfmaschine, welche mit ⁸/₄ Füllung arbeitet, indem das betreffende Excenter der Kurbel um 120⁰ vorauseilt.

Da der Inhalt beider Cylinder durch den Kolbenhub gleich grofs ist, so ist die Schiebersteuerung des Compressionscylinders a" so an-. geordnet, dafs beim Schlufs der Saugperiode (also todter Punkt der Kolbenstellung) der Kolben beim Rückgange, bei dem er die Luft eigentlich comprimiren soll, die angesaugte Luft zu Y₃ oder '/₄ wieder in den Saugraum e, der mit Schlange g in Verbindung ist, zurückdrückt und nach diesem Zurückdrücken erst den übrigen Theil der Luft comprimirt, welch letztere zum Schlufs des Kolbenhubes in den Druckraum d¹ gelangt.

Während der Compressionsperiode schliefst Schieber s' (derselbe besitzt Ueberdeckung und das Excenter c' eilt der Kurbel k um 220 ° voraus) den Cylinder β" vom Druckraum d' ab.

Durch Rohr d" gelangt die aus der Kühlschlange g angesaugte, im Kaltcylinder a" comprimirte und nach d' übergeführte kalte Luft in den glockenartigen Luftbefeuchtungsapparat h, umströmt in der Pfeilrichtung des Flüssigkeitsgefäfses e" und sättigt sich dabei mit Flüssigkeit (Wasser, OeI etc).

Die kalte Luft strömt dann weiter durch Rohr d"¹ in das Heizgefäfs q, welches aus einer schmiedeisernen (oder anderem Metall) Spirale z, die umgössen ist von dem Körper q, besteht, durchläuft die Spirale ζ und wird in derselben erhitzt, bis sie, beim tiefsten Punkt der Spirale 0 austretend, durch Rohr d* in den Schieberraum d gelangend, zum Treiben des Arbeitskolbens b benutzt wird und im Raum a' wirkt.

Dies ist der Weg der im Raum a" beim Hingang der Kolben b b' aus der Kühlschlange g angesaugten und beim Rückgang comprimirten Luft; es mufs noch bemerkt werden, dafs im todten Punkt der Kolbenstellung rechts der Raum a" bei Beginn der Kolbenbewegung nach links vollständig durch Schieberdeckung abgeschlossen ist, so dafs sich die darin enthaltene comprimirte Luft bis auf 1 Atmosphäre ausdehnt und bei etwaiger fehlender Luft in der Maschine auch noch Luft aus der Atmosphäre durch Ventil ν ansaugt; das Gleichgewicht der Maschine an Luftinhalt wird dadurch aufrecht erhalten. Hiernach tritt bei weiter nach links gehendem Kolben der Raum a" mit g in Verbindung und strömt aus letzterem kalte Luft nach, die beim Rückgange, wie oben beschrieben, comprimirt wird. Durch dieses Saugventil werden die durch Undichtheiten verloren gegangenen Lufttheile ersetzt.

Auf den anderen Kolben b hat inzwischen folgende Einwirkung der Luft stattgefunden.

Die heifse Luft vom Schieberraum d wirkt auf Kolben b und treibt denselben nach rechts; ist diese Bewegung des Kolbens nach rechts beendet (der Abschlufs zwischen a' und d durch den Schieber ί erfolgt schon etwa bei ^e/₁₀ Füllung), so tritt a' mit Raum i in Verbindung und die expandirte Luft tritt beim Rückgang (nach links) des Kolbens aus a' nach i und von dort durch Rohr r' in die Spirale z', welche die eigentliche Heizspirale ζ umchliefst. Diese noch heifse Luft giebt demgemäfs an die Rohrspirale ζ von aufsen noch Wärme ab, da sie auf die Theile der Spirale trifft, in denen noch nicht völlig heifse Luft sich befindet, steigt in Spiralwindungen, die Heizschlange ζ umschliefsend, in die Höhe, wobei sie, sich stets mehr abkühlend, auf stets kältere Spiralgänge ζ trifft (Gegenstromvorwärmer) und oben bei Rohr m austritt. Rohr m führt direct zur Kühlschlange g, in der die Luft völlig abgekühlt wird, um aufs Neue ihren Kreislauf zu beginnen.

Dies ist die allgemeine Wirkung der Maschine.

Es sind noch einige Details und Nebenmechanismen zu beschreiben.

Der Anfeuchter der Luft besteht aus dem Gefäfs e", dessen oberer Rand nach innen umgebogen ist, und das am Boden seitliche Löcher besitzt. Die Flüssigkeit befindet sich also stets im Kreislauf, sie fliefst aus dem Boden aus und wird vom Luftstrom stets wieder oben in das Gefäfs gebracht. Das Gefäfs ist mit Flüssigkeit von hoher Siedetemperatur gefüllt.

Die Inbetriebsetzung sowie Arretirung der Maschine erfolgt durch Verlängerung bezw. Verkürzung der Schieberstange e³. Es ist e^s mit £⁴ durch Excenterbolzen e^h verbunden, der mit einer Feder und Handgriff e^e versehen, gedreht und umgestellt werden kann. Bei Verlängerung der Schieberstange öffnet der Schieber nicht mehr den Kanal zwischen d und a', so dafs also die Maschine abgestellt ist.

Um eine Ueberhitzung der Heizspirale ζ zu vermeiden und im Arbeitscylinder die Maximaltemperatur der Arbeitsluft nicht zu überschreiten, ist der gufseiserne Körper q von einem ringförmigen geschlossenen Gefäfsf umgeben, das mit einer Flüssigkeit von einem bestimmten Siedepunkt (z. B. OeI von der Siedetemperatur, welche der gewünschten Temperatur der Arbeitsluft entspricht) gefüllt ist. Vom Boden dieses Gefäfses / führt ein Rohr / nach einem Gefäfs /', in dem ein Schwimmer h" sich befindet, der durch Gestänge £■' mit einer Drosselklappe d ⁵ in Verbindung steht, welch letztere in dem Luftzuführrohr /" für die Feuerung angebracht ist. Steigt nun die Hitze in der Heizschlange, also auch des Gufskörpers, über die Siedetemperatur der Flüssigkeit im Gefäfs/, so entwickeln sich in demselben Dämpfe, drücken die Flüssigkeit aus Gefäfs f heraus in das Gefäfs /', der Schwimmer /i³ hebt sich und vermindert bezw. schliefst die Luftzufuhr zur Feuerung, so dafs die Verbrennung auf letzterer nachläfst bezw. aufhört;

Um die Maschine nach Bedarf mit gröfserem oder geringerem Druck arbeiten lassen zu können, also um gröfsere oder kleinere Kräfte zu erzielen, ist eine Vorrichtung am Kreuzkopf angebracht, welche eine Vergröfserung und Verkleinerung des schädlichen Raumes zwischen Cylinderdeckel und Kolben />' ermöglicht. Dieser Apparat zur Veränderung dieses schädlichen Raumes, besteht in einem excentrisch gelagerten Pleuel· kopfbolzen (oder Kolbenstangenbolzen) /,der durch einen Hebel /' gedreht und am Sector ein- und festgestellt werden kann, nach vArt eines Coulissenhandhebels. Bei dieser Drehung des Bolzens wird der Kolben im Cylinder verschoben, und dadurch yariirt dieser oben erwähnte schädliche Raum. ;c

Um klarzulegen, dafs durch diese Kolbenverstellung eine veränderliche Luftspannung;% der Maschine bezw. der Kraftleistung hervorgerufen wird, bedarf es folgender Betrachtung.

Bei der Annahme eines schädlichen Raumes = ι sei die Druckspannung der Luft in der Maschine — 5 Atmosphären; es dehnt sich diese im schädlichen Raum befindliche und durch den Schieber s' abgeschlossene Luft bis zur Communication mit dem Saugeraum e und Rohr;g aus, wobei sie die etwa noch fehlende Luft aus der Atmosphäre durch das Saugeventil ν entnimmt. Ist nun durch Verstellung des Hebels p¹ der schädliche Raum vergröfsert, so gelangt ein gröfseres Luftquantum im schädlichen Raum zur Ausdehnung, und da der Abschlufs gegen den Saugeraum eine constante Gröfse behält, also genau so grofs bleibt wie vorhin bei ι Volumen schädlichen Raumes, so mufs die Ausdehnung, welche vorhin eine fünffache war, eine kleinere werden, je nach der Vergröfserung des schädlichen Raumes; sie kann nicht bis auf ι Atmosphäre herabsinken, also keine Luft aus der Atmosphäre durch Ventil ν ansaugen', so dafs also die entstehenden Luftverluste- in der Maschine nicht ersetzt werden, die Luft- · spannung also sinkt und die Maschine mit geringerem Druck arbeitet.

Um die Kraftentwickelung durch den Regulator χ zu beeinflussen und zu regeln, wird am Cylinderdeckel, Fig. 1 o, ein zweites Saugeventil v'-, welches mit dem Saugeraum g durch Rohr r³ verbunden ist, angebracht. Dieses Saugeroltr besitzt ein Abschlufsorgan a^z, welches vom Regulator χ aus geschlossen oder geöffnet wird. ;^Ti

So lange die Maschine ihre Normalgeschwindigkeit nicht erreicht oder überschritten hat, ist die Abschlufsvorrichtung a^% geschlossen und durch Ventil ν wird stets Luft angesaugt, also die Spannung der Maschine vergröfsert. Wird die Normalgeschwindigkeit überschritten, so öffnet der Regulator das Abschlufsorgan a³, und es

strömt aus dem Saugeraum g durch Klappe»' Luft in den Cylinder, bevor das atmosphärische Saugeventil υ in Thätigkeit gekommen ist. Es ■wird also in diesem Falle keine neue Luft zugeführt, die Maschine behält ihre Geschwindigkeit, bis durch Entweichen der Luft ein Sinken der. Spannung der Maschine und damit ein Sinken der Tourenzahl eintritt, bis endlich der Regulator das Abschlufsorgan wieder schliefst. Dieser die Geschwindigkeit der Maschine beeincflussende Regulator χ wirkt naturgemäfs nur all- -mälig; es kann aber der Fall eintreten, dafs •plötzlich die Maschine von der angehängten Arbeitsmaschine frei wird, so dafs plötzlich eine augenblicklich grofse Tourenzahl resultiren würde; «diesem ist dadurch vorgebeugt, dafs man den Regulator auch noch mit einer Drosselklappe kf im Druckrohr d^a in Verbindung bringt. Dadurch wird in Verbindung mit der Anordnung eines Ventils v³ zwischen Raum d und d' Folgendes erreicht.

■ rr Geht die Maschine zu schnell, so wird durch Verengung des Druckrohres d^h (Drosselklappe) lein Widerstand geschaffen, der eine Vergrößerung des Druckes hinter derselben, also auch in d' herbeiführt. Es öffnet sich dann das nur in geringem Mafse durch Spiralfeder i' belastete Ventil #³ nach dem Raum d, und es tritt also aufsei der heifsen Luft aus der Heizschlange ζ noch kalte Luft aus Raum d' nach d und in den Arbeitscylinder a' über, dessen Wirkung dadurch sofort in hohem Mafse beeinflufst wird. :; Die oben sowie die späterhin beschriebenen geschlossenen Heifsluftmaschinen lassen sich auch als offene Heifsluftdampfmaschinen verwenden, indem man unter Fortfall der Kühlschlange g in das in die atmosphärische Luft !mündende Saugerohr g g' ein Wasserrohr w einführt, wie Fig. 5 zeigt. Der Zuflufs des Wassers wird vom Regulator χ beeinflufst, sjo dafs bei zu schnellem Gange weniger Wasser der Maschine zugeführt und verdampft wird.

7;. In Fig. 6 ist eine doppeltwirkende Maschine dieses in Fig. 1, 2 und 3 beschriebenen Systems dargestellt. Es sind hier Compressions- und Arbeitscylinder von verschiedenem Durchmesser angenommen und kann dadurch die in Fig. 1 dargestellte theilweise Zurückdrängung der angesaugten Luft in den Saugeraum e in Wegfall kommen. Fig. 4 zeigt, dafs man aber auch diese Durchmesserverschiedenheit fortlassen und eine genaue doppeltwirkende Anordnung, wie in Fig. i, treffen kann.

..liDie bisher beschriebenen Maschinensysteme mit einfachen Schiebern lassen nur eine beschränkte Compression bezw. Expansion im Compressions- und Arbeitscylinder zu. Um eine gröfsere Compression bezw. Expansion zu erzielen, müssen Doppelschieber angewendet werden, welche mit Vortheil durch nachfolgend beschriebene Anordnung ersetzt werden, Fig. 11, 12 und 13. Die Steuerung zum Compressionscylinder «² besteht aus dem gewöhnlichen Grundschieber g ³, welcher der Maschine um.90⁰ nacheilt, Fig. 11 a, Steuerung durch besonderen Excenter e¹ und Seitenkanäle c' c" besitzt, die durch Ventile c³ c* abgeschlossen werden. Die Wirkungsweise dieses Schiebers ist nun folgende: Der Kolben η steht auf dem todten Punkt rechts und ist im Begriff, nach links, der Schieber^³ dagegen nach rechts zu gehen; dadurch wird nun vermöge der stark, inneren Ueberdeckung des Schiebers ein gleicher anfänglicher Abschlufs des Cylinders α¹ vom Saugeraum e wie in dem früher einfachwirkenden System erzielt; es kann also dieselbe Regelung der Luftzufuhr durch Ventil ν und der Geschwindigkeit durch Regulator, Fig. 10, wie früher beschrieben, stattfinden. Während also auf der rechten Seite die Saugeperiode mit einem anfänglichen Abschlufs des Cylinders vom Saugeraum e eingeleitet wird (bei weiterem Vorgang des Kolbens findet die bekannte Oeffnung statt, so dafs aus dem Saugeraum Luft eingesaugt wird), findet auf der anderen Seite des Compressionscylinders die Compression statt. Der Seitenkanal c' und das Ventil c³ läfst die comprimirte Luft^v erst nach Erlangung ihres vollen Druckes in den Schieberkasten d' durch Hebung des Ventils c³ einströmen.

Beim Arbeitscylinder α ist die durch Excenter^·⁸ stattfindende Steuerung so eingerichtet, dafs sie mit Vortheil als Ersatz eines Doppelschiebers dient und bei allen Arten Maschinen (Heifsluft-, Dampf-, Gaskraftmaschinen etc.) anwendbar ist. Die Steuerung besteht zunächst aus einem gewöhnlichen Grundschieberg^l (Meyer'sche Construction) ; er besitzt links und rechts verlängerte Lappen g⁶g⁷. Auf diesem Schieber ruht ein zweiter mit Aussparung ο ο', deren Zweck später beschrieben wird, welcher abwechselnd mit dem unteren Schieber gekuppelt und entkuppelt wird, und zwar geschieht dies Kuppeln selbsttätig durch den Druck im Schieberkasten, sowie einer der Kanäle P i³ des Grundschiebers g^l vom oberen Schieber g^s geschlossen worde» (der untere Schieber ist also nicht mit einer Excenterstange verbunden), der obere Schieber wird dann infolge der Aussparung ο ο' mit einem Druck gleich den Flächen des Kanals P und Aussparung ο an den unteren Schieber angedrückt, also an denselben angebremst, d. h. gekuppelt, und in seiner Bewegung mitgenommen.

Die Wirkung ist folgende:

In der gezeichneten Stellung, Fig. 11 (Kolben im todten Punkt rechts), hat der Schieber seine Mittelstellung (das Excenter e^s eilt der Kurbel um 40 bis 60° je nach gewünschter Füllung vor). Bei der Kolbenbewegung nach links wird, da der linke Kanal z² vom oberen Schieber gedeckt ist, also der obere Schieber mit Druck

an dem unteren Schieber angebremst ist, der untere Schieber vom oberen mit nach links genommen (beide Schieber sind in diesem Moment so gut wie gekuppelt), und zwar so lange, bis bei der Linksbewegung Kanal P von unten mit dem Schieberkastenraum in Verbindung tritt, Fig. 12. In diesem Moment hört der Druck auf, es findet Ausgleich statt und die Dimensionen sind so gewählt, dafs im Augenblick dieser Entkuppelung auf der anderen Seite der Kanal z'³ vollständig geöffnet ist.

Der untere entkuppelte Schieber bleibt jetzt stehen, der obere dagegen geht noch weiter nach links und schliefst in seinem weiteren Gang den Kanal i³ vom Schieberkastenraum und dem Dampfzutritt ab, Fig. 13. Die Expansion kann beginnen und dieselbe pflanzt sich auch auf die rechte Aussparung fort, so dafs eine Druckdifferenz zwischen Unterfläche und Oberfläche vom oberen Schieber eintritt. Diese Druckdifferenz wird durch die weitere Expansion des Dampfes im Cylinder gröfser, so dafs sie vom todten Punkt des Excenters ab, bei der also die Rechtsbewegung desselben eintritt, grofs genug ist, um eine Wiederkuppelung, eine Wiedermitzurücknahme des unteren Schiebers von oben zu bewerkstelligen, so dafs also der untere Schieber wieder bis zur Mittelstellung mit zurückgenommen wird. In diesem Augenblick wird (in der Mittelstellung) die Aussparung o' rechts nebst Kanal i³ vom Cylinder a' abgeschlossen, so dafs selbst nach beendigter Expansion im Cylinder noch der geringe Druck im Aussparungsraum bleibt und eine weitere erforderliche Mitnahme stattfinden kann. Von da ab ist natürlich der Vorgang auf der linken Seite genau derselbe wie vorhin. Kleine Anschläge t sowie Schleppfeder o² sind zur Sicherung und zum Leergange der Maschine für den unteren Schieber erforderlich.

Die gröfsere oder kleinere Voreilung dieses Schiebers beeinflufst die Füllungen, mit der die Maschine arbeitet. Auch können die Füllungen nach Art der Meyer'schen Steuerung veränderlich gemacht werden, indem der obere Schieber zweitheilig angeordnet und mit der Schieberstange durch links- und rechtsgängiges Gewinde gekuppelt wird. Und weiter können die Füllungen auch nach Art der Rider'schen Steuerung veränderlich gemacht werden, indem der obere Schieber, nach einer cylindrischen Fläche geformt, auf den unteren Schieber gleitet und die Kanäle des unteren, sowie der Ausschnitt des oberen Schiebers trapezförmig angeordnet werden. Um die Füllungen vom Regulator abhängig zu machen, hat man nur diese beschriebenen Organe mit demselben in bekannter Weise zu verbinden.

Um grofse Heizflächen zu erzielen, können mehrere Heizspiralen, wie gezeichnet,. angeordnet werden, wie dies Fig. 8 zeigt.

: Fig. 14 bis 18 stellen die ausgeführte Anordnung einer Heifsluftdampfmaschine, sowie den dazu gehörigen Heizkörper dar.

Es : sind bei der Heifsluftdampfmaschine folgende zwei Neuerungen getroffen, die bei allen Heifsluftmaschinen Anwendung finden können.

Die erste Neuerung bezweckt die Wärmeregulirung der im Arbeitscylinder zur Verwendung kommenden Gase. Diese Wärmeregulirung, welche verhindert, dafs zu heifse Gase in den Arbeitscylinder kommen, wird erreicht durch die Anbringung eines durch Wärme sich ausdehnenden Mechanismus in der Rohrleitung, die zum Arbeitscylinderschieberkasten führt, oder in letzterem selbst. Bei der ersten Anordnung,. Fig. 14 und 15, ist zwischen dem kalten Lufi> rohr d" und dem Heifsluftrohr d³ dⁱ ein Verbindungsrohr ο eingeschaltet, welches also nicht den Heizapparat q berührt. Hinter der Verbindung von Rohr d³ und Rohr 0 befindet sich ein durch Wärme sich ausdehnender Mechanismus, z. B. ein Gefäfs mit Flüssigkeit von bestimmter Siedetemperatur z^s und mit Kolben i³, der durch Zugstange g³ auf ein Abschlufsorgan o² im Rohr ο einwirkt. Steigt die Temperatur im Rohr d³ d^l zu hoch, so öffnet der Kolben i³ infolge des Dampf entwickelnden Flüssigkeitsgefäfses z^b das Abschlufsorgan o"*, und kalte Luft strömt durch Röhrt? nach Rohr rf⁴ "über, so dafs die Temperatur der Arbeitsgase sinkt. Diese Regulirung kann auch im Schieberkasten selbst stattfinden, Fig. 16; es ist im Arbeitscylinderschieberkasten d ein Zinkstab z⁶ etc. angebracht, der auf ein Ventil z>⁴ wirkt.

Dehnt sich derselbe infolge zu heifser Gase aus, so öffnet er Ventil vⁱ und kalte Luft strömt aus dem Compressionscylinderschieberkasten d' nach d über.

Die zweite Neuerung an der Heifsluftdampfmaschine betrifft die Regulirung der Dampfspannung; letztere kann, wie in der Hanptbeschreibung, vom Regulator abhängig gemacht werden, der den Zuflufs des Wassers regulirt. Es kann aber auch, wie in Fig. 17, der Zuflufs von der Dampfspannung abhängig gemacht werden, y ist ein Kolben, der im Cylindery' sich bewegt. Letzterer steht mit der Rohrleitung der Maschine in Verbindung, also unter Druck; der Kolben ist durch Feder oder Gewicht belastet; steigt der Druck in der Maschine zu hoch, so hebt sich Kolben y und durch die Löcher / strömt Dampf bezw. Luft aus, so dafs die Dampfspannung sinkt. Die Kolbenstange je⁸ von y stellt mit dem Wasserzuflufs in Verbindung und schliefst den letzteren, so dafs der Dampfinhalt auch in der Maschine sinkt und dieselbe mehr als Heifsluftmaschine wirkt.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Eine Heifsluftmaschine, welche gekennzeichnet ist durch:

   Die Anwendung eines Heizapparates q ζ, bestehend aus in Gufseisen eingegossenen schmiedeisernen Rohren z, zum Zweck, dem dem Dampfdruck widerstehenden Rohr durch den Metallmantel ein Wärmereservoir und Schutz gegen Verbrennung zu geben.
   Die Anwendung einer durch Excenter/ verlängerbaren Pleuelstange, zum Zweck, die Gröfse des schädlichen Raumes a" und damit der Maschinenspannung zu variiren. Die Steuerung der doppeltwirkenden Luftcompressionspumpe b' a" durch einen gewöhnlichen Grundschieber g^s , der um 90⁰ der Kurbel nacheilt und mit Seitenkanälen c¹ c* und darauf liegenden Druckventilen c³ c^l versehen ist, Fig. 11.

   Die Anordnung eines zweiten Saugeorgans v' im Compressionscylinder in Verbindung mit einem durch den Regulator beeinflufsten Abschlufsorgan a³, welche beide durch ein zum Saugerohr führendes Rohr r³ verbunden sind, behufs zeitweiliger Abstellung des atmosphärischen Saugeventils im Compressionscylinder, Fig. 10.

   DieAnordnungemes zwischen beiden Schieberkasten angeordneten Ventils v^z mit regulirbarer Belastung in Verbindung mit einer vom Regulator beeinflufsten Drosselklappe k' in der Rohrleitung, zum Zweck, kalte Luft direct in den Arbeitscylinder zu schaffen und dadurch den Maschineneffect zu reguliren.

   Die Einschaltung eines durch die Temperatur der Arbeitsgase im Rohr d^ oder Schieberkasten d beeinflufsten Apparates, der die Temperatur dieser Arbeitsgase durch Zuführung kalter Gase entweder aus dem Zweigrohr 0 oder aus dem Kaltcylinderschieberkasten d' regulirt, Fig. 14 und 15.

   Die Anbringung eines mit dem Druckraum communicirenden belasteten Kolbens y oder einer Druckmembran, durch deren Bewegung der Wasserzufiufs im Saugerohre g' regulirt wird, Fig. 17.

   Die Verbindung des Regulators mit einem Abschlufsorgan des Wasserzuführrohres g", so dafs der erstere den Zuflufs des Wassers im Saugerohr^' selbsttätig regulirt, Fig. 14.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.