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Arbeitsverfahren zum Komprimieren von Gasen durch einen Freiflugkolbenkompressor.
Alle mit Expansion arbeitende, durch Dampf oder Treibgase bewegte Kolbenkompressoren
zeigen Diagramme, wie sie in Abb. i Bund, 2 in einfachsten Linien dargestellt sind.
In Abb. i soll die Fläche 1, 2, 3, 4, 5 das Diagramm des Arbeitszylinders
und die Fläche 6, 7, 8, 9 das Diagramm des Kompressorzylinders darstellen,
In Abb. 2 sind diese beiden Flächen übereinandergezeichnet, und diese Abbildung
zeigt, daß die von 3 nach 4 expandierende Zylinderfüllung von Punkt io an
nicht mehr imstande ist, die Kompressionsarbeit 10-7 und die Schiebearbeit
7-8 des Kompressorzylinders zu leisten. Deshalb haben alle Kolbenkompressoren,
die mit Expansion im Arbeitszylinder arbeiten, ein Schwungrad oder eine Flüssigkeitssäule,
die unter Abgabe der aufgespeicherten Kraft die Arbeit der Diagrammfläche r0,
7,
8, -1, io schaffen müssen.
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Schwungradlase Kolbenkompressoren, zu denen die Freiflugkolbenmaschinen
gehören, müssen diese vom Schwungrad abgegebene Arbeit ersetzen zvlinder. durch
Dies ist eine in volle Abb. Füllung 3 und 4 im durch Arbeits- Diagramme dargestellt,
in denen wieder die Fläche 1, 2, 11, 5 die volle Füllung des Arbeitszylinders
und die Fläche 6, 7, 8, 9 die Kompressionsarbeit wiedergeben.
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Derartige schwungradlose Freiflugkolbenmaschinen, die mit voller Zylinderfüllung
und Dampf mit voller Kesselspannung arbeiten, sind bekannt z. B. als Kesselspeisepumpen
und als Luftverdichter auf Lokomotiven zur Erzeugung der Preßluft für die Luftbremsen.
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Bei diesen Maschinen läßt die Steuerung nach Vollendung eines jeden
Kolbenhubes den Dampf der vollen Zylinderfüllung ins Freie abströmen, wodurch diese
Maschinen sehr unökonomisch arbeiten. Der Antrieb solcher Freiflugkolbenmaschinen
durch Treibgase - mögen dieselben nun nach dem Explosions- oder nach dem
Gleichdruckverfahren hergestellt sein - gestal- 1
tet sich, wie aus
Abb. 5 ersichtlich, noch weit unwirtschaftlicher. Die hier um das Stück 2,
12, 18 bzw. 2, 13, 14, 18 vergrößerte Diagramrnfläche muß ebenfalls erst erzeugt
werden, damit am Ende des Kölbenhubes mit den expandierenden Treibgasen noch die
Schiebearbeit 7, s
des Kompressorzylinders geleistet werden kann. Wegen
der übergroßen Auspuffverhiste haben derartige Maschinen in der Praxis noch keinen
Eingang gefunden.
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Im Nachfolgenden soll nun untersucht werden, ob es i. möglich ist,
im Kompressionszylinder eines schwungradlosen Freiflugkolbenkor#pressors die Hochdruckstufe
10-7 und die Schiebearbeit 7-8 (Abb. 2) zu leisten, wenn der Arbeitszylinder
statt mit voller Füllung 1, 2, 11, 5 (Abb. 3)
nur mit teilweiser Füllung
2-. und anschließender Expansion ',-4 (Abb. 2) arbeitet, und ob es 2. möglich ist,
sowohl Dampf als auch Treibgase beliebiger Erzeugung vorteilhaft züm Antriebr einer
solchen 'Maschine zu verwenden.
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Gelingt die angestrebte Lösung, so ist erreicht eine größere Wirtschaftlichkeit
des Antriebs unter der Ersatzmöglichkeit des komplizierten Schwungradkompressors
mit Kurbel- und Pleuelstangenmechanismus durch die einfache und betriebssichere
Freiflugkolbenmaschine.
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In Abb. (-) sind die beiden Diagramme der Abb. 2 auf der Grundlinie
so weit übereinandergeschoben, daß Punkt 8 auf 3 zu liegen kommt,
so daß also die Schiebearbeit aufhört in dem Augenblick, in dem die Expansion des
Treibmittels im Arbeitszylinder beginnt.
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Wie ersichtlich, liegt nun nicht allein die ganze Schiebearbeit, sondern
auch noch ein großer Teil der Endkompressionsarbeit in der Füllungsperiode des Arbeitszylinderdiagrammes,
daß, wie angestrebt, der schwungradlose Freiflugkolbenkompressor jetzt tatsächlich
diejenige Arbeit, die er vorher nicht überwältigen konnte, glatt leistet, nämlich
den größten und schwersten Teil der Kompressionsarbeit.
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Dafür kommt aber links das Diagrammstück 6, 15, 1 außerhalb
des nunmehr auf die Länge i, o verkürzten Kolbenweges zu liegen. Diese kleinere
Arbeit für den Kompressionsanfang muß extra geleistet werden, und es steht hierfür
auf der rechten Seite die ganze Expansionsarbeit
9, j, 4,
5 des Arbeitsdiagrammes zur Verfügung. Diese Expansionsarbeit soll benutzt
werden zum Antrieb einer kleinen Turbine, die auf irgendeine Weise ein Ttirbogebläse
antreibt, das groß genug ist, die kleine Kompressionsarbeit 0,11j5, r
zu leisten.
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So wird durch das soeben beschriebene Arbeitsverfahren zur stufenweisen
Kompression von Gasen, das gekennzeichnet ist i:. durch die Kombination von rotierendem
Gebläse mit Freiflugkolbenkompressor, --. durch die Verwendung des Treibmittelauspuffes
eines Freiflugkolbenkompressors zum Antrieb einer Turbine für den rotierenden Vorverdichter,
3. durch die besondere Stellung der Diagranimfläche des Arbeitszylinders
zu derjenigen des I#reiflugkolbenkompressors, 4. durch die Abhängigkeit des FreiflugkolbenliLibes
vom Grade der Vorverdichtung und umgekehrt, die zur Verwendung gelangende Betriebskraft
-durch reichliche Expansion so vorteilhaft als möglich ausgenutzt unter gleichzeitiger
Verwendung einer schwungradlosen Maschine mit nur geradliniger Bewegung, der denkbar
einfachsten Form eines Kolbenkompressors für Hochdruck, und somit die gestellte
Aufgabe voll und ganz gelöst.
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In Abb. 7 ist nun eine derartige kombinierte Maschinenanlage,
z. B. für die Kompression von Luft unter Verwendung von Dampf als Treibmittel, schematisch
aufgezeichnet. Die Anlage arbeitet wie folgt: Beim Stutzen a tritt die zu komprimierende
Luft in den rotierenden Kompressor b ein, verläßt denselben dann unter einem
gewünschten Druck, gekühlt oder ungekühlt, durch den Stutzen c und fließt -durch
die Rohrleitung d
nach dem Zwisdhendruckbehälter e, von wo aus sie dann ihre'n
Weg nimmt abwechselnd durch eine der beiden Rohrleitungen f mit den Rüol,-schlagventilen
- nach dem Freiflugkolbenkompressor 23, lt, :24, in dem sich der Freiflugkolben
25, i, 26 hin und her bewegt. In dem Vcrdichterzylinder h komprimiert
der Kolben 1
die eingeströmte Luft weiter auf höheren Druck und schafft sie
dann abwechselnd durch die [Zohrc k, mit den Rückschlagventilen
1, gekühlt oder ungekühlt, nach dein Hochdruckpreßluftbehälter nt, von wo
aus sie dann durch das lZolir ii, zur Verwendungsstelle weitergeleitet wird.
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Der zum Antrieb benutzte Dampf tritt durch die Rohrleitung 21 ein
und strömt dann durch die von der Steuerung betätigten Einlaßventile 22 abwechselnd
in die.#rl)eits7,#-Iiiider 2, , und 24 des Freiflugkolbenkompressors, dabei
den Freiflugk-olben,->5, i, 26 hin und her treibend und die im Zylinder
A befindliche vorkomprimierte Luftmenge weiter verdichtend. Nach #dieser
Schiebearbeit expandiert dann diese Dampffüllung der kurzhubig gebauten Zylinder
2-) und 24 abwechselnd durch die gesteuerten Austrittsventile'-97 Lind durch die
Rohrleitungen 28
nach der Turbine 29, woselbst der Dampf das Schaufelrad derselben
in Drehung versetzt und so den Antrieb schafft für den auf gleicher M7elle sitzenden
Kreiselverdichter b. Ans Stutzen 3o tritt dann der Abdampf aus der Turbine
aus.
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An Stelle von Dampf kann jederzeit auch ein anderes expandierendes
Treibmittel, z. B. Preßluft, erhitzte Preßluft, Explosions- oder Verbrennungsgase,
die alle auf irgendwelche Weise erzeugt sind, benutzt werden, und die Anlage kann
selbstverständlich auch dienen zur adiabatischen oder isothermischen Kompression
jedes anderen Gasgemisches oder reinen Gases an Stelle der Luft.
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Unter entsprechender Veränderung der Rohrleitungen kann. die Anlage,
von Abb. 7 abweichend, auch so ausgeführt werden, daß das Treibmittel statt
in die Zylinder 0-3 und 24 in den Zylinder li, eintritt und dort den Kolben
i in Bewegung setzt, und daß dann die Zylinder 23 und 24 mit den Kolben
25 und 26 zur Kompression benutzt werden.
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Für diese Umkehrung und vorerwähnten Spezialfälle soll die Erfindung
ebenso Geltung haben wie für-den Fall, daß statt des gemeinsamen Kolbens
25, i, 26 mit den Zylindern 2#" 14, 24 zwei doppeltwirkende Zylinder
benutzt werden, deren Kolben auf einer gemeinsamen Kolbenstange sitzen und auf diese
M.Teise wieder ein Freiflugkolbensystera bilden. Das gleiche gilt für Stufenkompression
mit Freiflugkolben.