DE39891C - Apparat zum Kühlen von Luft und anderen Gasen - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Apparat zum Kühlen von Luft oder anderen Gasen, in welchem die Luft bezw. das Gas comprimirt und in comprimirtem Zustande abgekühlt wird, dann sich ausdehnt, so dafs sie in abgekühltem Zustande abgelassen und zu irgend welchen Zwecken, wie zur Eisbereitung, Conservirung von Fleisch oder anderen leicht verderbenden Nahrungsmitteln etc., verwendet werden kann. Besonders wird durch die vorliegende Erfindung eine Vereinfachung solcher Kühlapparate und auch eine gröfsere Sicherheit in der Wirkung derselben erzielt.

Der Apparat kann je nach den obwaltenden Umständen und dem beabsichtigten Zwecke von verschiedenen Dimensionen sein, ohne dafs hierdurch das Princip der Erfindung irgendwie geändert würde, und sind, um dies zu erläutern, nachstehend, zwei verschiedene Typen von Apparaten dargestellt und beschrieben, an denen die Erfindung zur Anwendung gekommen ist. . Die eine Art von Apparat ist durch die Fig. ι bis 9 veranschaulicht. Die Fig. 1,2, 3 und 4 stellen schematisch die Bewegung des Triebwerkes des Apparates dar; A ist der Cylinder, B der Kolben, C die Kurbel, D die Kurbelstange, E die Kolbenstange, F eine schwingende Stange und G der Zapfen, um welchen die Stange F als Mittelpunkt sich dreht.

Fig. 5 ist eine Vorderansicht eines vollständigen Apparates, welcher mittelst eines Riemens von irgend einer Maschine aus in Thätigkeit gesetzt wird.

Fig. 6 ist ein Grundrifs des Apparates,

Fig. 7 ein Längsschnitt.

Fig. 8 veranschaulicht eine Kühlröhre in vergröfsertem Mafsstabe.

Fig. 9 ist ein zu einem solchen Apparat gehöriges Indicatordiagramm.

Der Cylinder A ist mit einem einfach wirkenden Kolben B versehen, welcher bei vollem Hube nach innen zwischen seiner Endfläche und der Röhrenplatte H, Fig. 6 und 7, möglichst geringen freien Raum läfst; der Cylinder A steht mit einem selbstthätig wirkenden Saugventile J und einem Auslafsventil K in Verbindung, welch letzteres rechtzeitig durch einen an der Kurbelwelle C sitzenden Daumen oder ein Excenter in Thätigkeit gesetzt wird. In der Röhrenplatte H ist eine sehr grofse Anzahl von sehr dünnen Röhren L mittelst Schrauben befestigt, die an ihren nach der Innenseite des Cylinders yi zu gelegenen Enden offen und an ihren äufseren Enden geschlossen sind und in ein Kühlgefäfs M hineinreichen, durch welches Wasser hindurchfliefst.

Die Wirkungsweise des Apparates ist wie folgt: .

Bei der in Fig. 1 dargestellten Lage bilden die Stangen F und E eine gerade Linie; der Kolben B ist am Ende seines Hubes nach vorwärts angekommen. Die in dem Zwischenraum zwischen Kolben und Platte H und in den Röhren L befindliche Luft befindet sich unter oder ungefähr unter Atmosphärendruck. Dreht sich nun die Kurbel C in der Richtung des Pfeiles, so wird der Kolben B seinen Hub nach rückwärts machen und durch das selbsttätige Ventil J Luft in den Cylinder saugen, bis die Kurbel C in der in Fig. 2 an-

gedeuteten Lage angekommen ist; fährt die Kurbel C nun fort, sich zu drehen, so wird dieselbe in die in Fig. 3 dargestellte Lage rücken und der Inhalt des Cylinders A zum weitgröfsten Theil in die Röhren L gedrückt und hier stark comprimirt. Diese Comprimirung wird um so stärker, je niedriger die Temperatur ist, auf die man die Luft bringen will, d. h. wenn die Temperatur der Luft nur um wenige Grade verringert werden soll, so wird schon ein Ueberdruck von 2 bis 3 Atmosphären genügen; ein solcher Apparat würde eine sehr grofse Menge Luft von mäfsig erniedrigter Temperatur geben und nur eine geringe Triebkraft erfordern; soll jedoch eine bedeutende Temperaturerniedrigung stattfinden, so mufs der Ueberdruck bis auf 10 Atmosphären und mehr gebracht werden. Durch weitere Drehung der Kurbel C wird der Kolben B in die in Fig. 4 dargestellte Lage gebracht; die comprimirte Luft ist, während sie unter Druck sich befindet, schnell gekühlt worden und nimmt nun einen geringeren Raum ein, so dafs sie sich wieder bis auf Atmosphärendruck ausgedehnt hat, bevor der Kolben so weit gerückt ist, als nöthig sein wird, um ungekühlte Luft einsaugen zu können. Die kalte Luft läfst man nun durch das Auslafsventil K ausströmen, welch letzteres während der Zeit, dafs die Kurbel C von der in Fig. 4 dargestellten Lage in die in Fig. 1 angegebene Stellung rückt, offen ist. Der Kreislauf ist nun beendet für eine Umdrehung der Kurbelwelle C; eine Quantität Luft ist somit eingesaugt, comprimirt und gekühlt worden, dehnt sich wieder aus und wird abgelassen. Fig. 9 ist ein Diagramm, welches die Wirkungsweise eines Apparates angiebt, welcher Luft von niedriger Temperatur liefert. Die Linie von 1 zu 2 ist der Hub, während dessen Dauer Luft eingesaugt, von 2 nach 3 der Hub, während dessen Dauer.die Luft comprimirt wird; die Linie von 3 bis 4 ist der Hub, während dessen Dauer die Expansion der Luft stattfindet, und die Linie von 4 bis 1 der Hub, während dessen Dauer die Luft ausströmt.

Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dafs eine sehr geringe Kraft erforderlich ist, um eine solche Maschine zu treiben, indem ein sehr grofser Theil der für die Compression erforderlichen Kraft während der Expansion zurückerstattet wird.

Die Hublängen beim Einsaugen und Ausstofsen der Luft oder des Gases müssen sich zu einander verhalten wie die Temperatur der eingesaugten Luft zu derjenigen der expandirten Luft. Diese Längen werden durch eine passende Länge der Kurbelstange D in das richtige Verhältnifs zu einander gebracht. Aus den Fig. 1,2, 3 und 4 ist ersichtlich, dafs der für die Compression und den ersten Theil der Expansion erforderliche Zeitraum im Verhältnifs zu dem für den übrigen Theil der Expansion und das Ablassen der Luft bezw. des Gases gebrauchten Zeitraum sehr beträchtlich ist, so dafs der comprimirten Luft ein längerer Zeitraum geboten wird, die Wärme abzugeben und die Zeit, während welcher die gekühlte Luft von dem Cylinder und den Ventilen Wärme aufnehmen kann, verkürzt wird.

Soll Luft von niedriger Temperatur, erzielt werden, so empfiehlt es sich, den Cylinder A mit einem Wassermantel zu umgeben oder denselben durch andere geeignete Mittel, wie z. B. durch die in der Kühlkammer schon gebrauchte kalte Luft, zu kühlen.

Es ist also kein Theil des Apparates jemals einer sehr niedrigen Temperatur unterworfen, und wird man also die durch die Schneeoder Eisbildung in irgend einem Theile des Apparates hervorgerufenen Uebelstände nicht zu befürchten haben, ebenso geschieht das Schmieren des Kolbens in der gewöhnlichen Weise.

Der Apparat kann dadurch modificirt werden, dafs man die Stangen (durch Verkürzung der Stange D) in ein solches Verhältnifs zu einander bringt, dafs für einen Kreislauf zwei Umdrehungen erforderlich sind; in diesem Falle wird der Hub rückwärts des Kolbens B behufs Auffangens und Expandirens der Luft durch die Aufwärtsbewegung von F erzielt, wobei letztere Stange niemals oder jedenfalls nur sehr wenig sich abwärts bewegt, um mit der Kolbenstange nicht noch eine gerade Linie bilden zu können. Eine auf diese Weise construirte Maschine würde den Vortheil bieten, die Luft sehr lange unter Druck halten zu können, dagegen den Nachtheil haben, dafs der Kolben B während der Expansion zu weit nach rückwärts geht und die abgekühlte Luft bis unter Atmosphärendruck expandirt werden würde, wenn nicht etwas von der schon früher gekühlten Luft dadurch in den Cylinder eingelassen würde, dafs man das Auslafsventil früher öffnet, als sonst erforderlich wäre.

Aus Fig. 9 ist ersichtlich, dafs das Auslafsventil K bei dem . Punkte 4 sich öffnet und bei dem Punkte 1 sich schliefst, d. h. während der Zeit, in welcher der Kolben seine Bewegungsrichtung ändert; es ist somit für das Oeffnen und Schliefsen des Ventils hinreichend Zeit vorhanden und sind besonders complicirte Vorrichtungen hierfür nicht erforderlich.

Eine andere Art Apparat, der sich besonders zur Erzeugung grofser Mengen gekühlter Luft oder Gase eignet, ist in Fig. 10 bis 12 in Verbindung mit einer den Apparat treibenden Dampfmaschine dargestellt. Fig. ίο ist ein Grundrifs des. Apparates, Fig. i'i eine äufsere Ansicht desselben und Fig. 12 ein Schnitt, ^;in

welchem in vergrößertem Maisstabe ein Theil des Cylinders, der. Kolben eines der Saugventile, die Auslafsventile und die Kühlröhren ersichtlich sind.

Die Kolben c und d der Cylinder α bezw. b sind mit den Kolben einer Compound-Maschine und mittelst Verbindungsstangen mit einer Kurbelwelle verbunden, deren Zapfen e mit dem Kolben c und deren Zapfen f mit dem Kolben d verbunden ist. Der Kurbelzapfen e eilt dem Kurbelzapfen f um 90⁰ (oder, mehr oder weniger) voraus; der Apparat ist in einer Stellung gezeichnet, bei welcher die Ausströmung von kalter Luft eben beginnt und die Umdrehung in der von dem Pfeile angegebenen Richtung erfolgt.

Die Enden der Cylinder α und b sind durch eine Röhrenplatte g verschlossen, in welcher eine Anzahl Kühlröhren angebracht sind, die in eine Wasserkammer i hineinreichen und hier vofi Kühlwässer umgeben sind. Zwischen dem Kolben c und der Röhrenplatte g ist eine Ventilplatte j angebracht, welche mit einer Anzahl concentrischer Rinnen k versehen ist, die durch leichte, dünne, concentrische Ringe oder Ventile / geschlossen werden. Diese letzteren werden durch eine Anzähl strahlenförmig angeordneter Rippen in ihrer Lage erhalten. Die Ventile I können sich nur sehr wenig heben, und ist zwischen der Platte j und der Röhrenplatte g nur ein sehr geringer Raum gelassen.

Der Kolben C ist mit einer Anzahl passender Saugventile m versehen. Die Ventile / und m arbeiten selbstthätig, und sind weitere Ventile für den Apparat nicht nothwendig; das Ausströmen der kalten Luft findet durch eine Anzahl Löcher oder Schlitze statt, die in dem Cylinder C angebracht sind und in den Kanal η münden.

Die Wirkungsweise des Apparates ist folgende:

Nachdem der Kolben c während des Hubes rückwärts durch die selbstthätigen Saugventile m hindurch Luft in den Cylinder gesaugt hat, führt er dieselbe durch seinen Hub vorwärts durch die Ventile / und die Kühlröhren h in den Expansionscylinder b. Wenn der Kolben c fast seinen Hub vorwärts beendet hat, ist der Hub vorwärts des Kolbens d so weit vorgerückt, dafs die in den Kanal η mündenden Auslafsöffnungen bedeckt und geschlossen werden; die beiden Kolben beginnen dann, die zwischen ihnen eingeschlossene Luft in den Kühlröhren h zu comprimiren; der Kolben c vollendet nun bald seinen Hub vorwärts und beginnt seinen Hub rückwärts, die eingeschlossene Luft wird aber durch die selbstthätigen Ventile / verhindert, in den Cylinder a zurückzukehren; der Kolben d fährt aber fort, die eingeschlossene Luft in dem so klein wie möglich genommenen Zwischenräume sowie in ■ den zahlreichen engen Kühlröhren h, in denen sie schnell Wärme an das die Röhren umgebende Kühlwasser abgiebt, bis auf einen hohen Grad zu comprimiren, beim Rückgange des Kolbens d dehnt sich die Luft aus. und kühlt sich dadurch bis auf einen niedrigen Grad ab, während sie sich fast bis auf Atmosphärendruck ausdehnt. Der Kolben d erreicht nun die in den Auslafskanal η mündenden Oeffnungen und legt dieselben frei; die kalte Luft wird dann durch die von dem Kolben c zunächst eingeführte Luft durch den Kanal η gedrängt. Die Gröfse der Cylinder und die Stellungen der Kurbeln sind so angeordnet, dafs durch die Expansion die kalte Luft zu geeigneter Zeit Ungefähr auf Atmosphärendruck gebracht wird, d. h. der Raum in dem Expansionscylinder b mufs, wenn das Ausströmen der kalten Luft beginnt (der in den Fig. 10 und 11 dargestellte Apparat befindet sich in dieser Lage), gröfs genug sein, um ungefähr einen Cylinder voll Luft unter Atmosphä'rendruckj wenn das Volumen der Luft durch die niedrigere Temperatur verringert ist, enthalten zu können. Dieser Kreislauf wird so bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle wiederholt; während dieser Zeit wird ein Cylinder voll Luft eingesaugt, zwischen den Kolben in den Kühlröhren comprimirt, gekühlt, die Luft dehnt sich dann wieder aus und giebt fast ebensoviel Arbeit an den Apparat zurück, als für die Compritnirung erforderlich war, und wird schliefslich durch die hierauf eingeführte Luft ausgetrieben.

Bei dieser Anordnung sind keine Ventile der kalten Luft ausgesetzt, und alle Ventile arbeiten selbstthätig.

In einigen Fällen kann es vortheilhaft erscheinen, statt der Kurbel e, wie bei dem oben beschriebenen Apparate, die Expansionskurbeiy voreilen zu lassen. Die Compression würde dann hauptsächlich durch den Kolben c und nur theilweise durch den Kolben d erfolgen; der Austritt der kalten Luft müfste dann durch ein dem Ventil k der Fig. 5 und 6 ähnliches Ventil und in gleicher Weise wie hier stattfinden.

Wie aus den Fig. 10 und 11 ersichtlich ist, sind die Verbindungsstangen so beschaffen, dafs die Luft möglichst lange comprimirt und abgekühlt wird, während die Zeit, während welcher die kalte Luft ausströmt, möglichst abgekürzt ist.

Die nach dieser Erfindung construirten Apparate besitzen wenig Fugen, die einem hohen Drucke ausgesetzt sind, mit Ausnahme der Fugen der Kuhlröhren, die leicht vollkommen dicht gemacht werden können. Die Ventile sind alle sehr einfach und werden, wenn sie nicht selbstthätig functioniren, dann geöffnet und geschlossen, wenn sie nur unter geringem

oder gar keinem Drucke stehen. Ein viel stärkerer Druck kann ohne Schwierigkeit ebenfalls für die Compression verwendet und dadurch mithin auch eine stärkere Wirkung hervorgebracht werden. Eine viel geringere Menge Kühlwasser ist erforderlich, und selbst wenn letzteres eine hohe Temperatur besitzt, wie dies gewöhnlich in den Tropen der Fall ist, so kann doch noch ein gutes Resultat erzielt werden.

Die Anordnung der Cylinder und die Construction des Triebwerkes kann je nach den Umständen modificirt, auch können andere Arten Ventile oder Schieber angewendet werden , die erforderlichenfalls durch Excenter, Daumen oder andere Mechanismen in Thätigkeit gesetzt werden können.

Ammoniak-, Aether- oder sonstige Dämpfe, die unter Druck ganz oder theilweise flüssig werden oder nicht, sind anwendbar.

Die Kühlröhren können glatt oder an einzelnen Stellen oder zum gröfsten Theil ihrer Länge gerieft sein, um im Verhältnifs zu ihrem Inhalt die Oberfläche bedeutend zu vermehren; sie können ferner in bestimmten Zwischenräumen gezackt sein, um frische Luftmengen beständig in dichte Berührung mit den Kühlflächen zu bringen.

Bei den durch die Fig. ι bis 9 dargestellten Apparaten können die Röhren L ganz fortfallen; sie werden dann dadurch ersetzt, dafs die Röhrenplatte H tief eingezackt und mit engen Vertiefungen versehen wird, um eine schleunige Uebertragung der Wärme zu ermöglichen.

Claims (3)

1. Patent-Ansprüche:

   ι . An einem Apparate zum Kühlen von Luft oder anderen Gasen die Anwendung von Kühlflächen, die in directer Verbindung mit einem Cylinder stehen, dessen Kolben ganz oder theilweise die Luft oder andere Gase comprimirt und in enge Berührung mit den Kühlflächen bringt und der Luft oder den anderen Gasen gestattet, sich in abgekühltem Zustande in demselben Cylinder wieder auszudehnen, aus welchem sie hierauf in gekühltem Zustande behufs weiterer Verwendung ausgetrieben wird.
2. 2. Der oben beschriebene und in den Fig. 1 bis 9 dargestellte Apparat, in welchem während jeder Umdrehung der Kurbelwelle C ein Kolben B vier Hübe machen kann, so dafs in Verbindung mit den Kühlröhren L eine Luftmenge in den Cylinder A gesaugt, darin comprimirt und gekühlt wird, dann sich wieder unter Leistung von Arbeit ausdehnt und in gekühltem Zustande ausgetrieben wird.
3. 3. Der oben beschriebene und in den Fig. 10, 11 und 12 dargestellte Apparat, in welchem bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle der Kolben c eine Quantität Luft einsaugt, die alsdann zwischen den Kolben c und d unter enger Berührung mit den Kühlflächen comprimirt und dadurch gleichzeitig abgekühlt wird, dann unter Leistung von Arbeit sich wieder ausdehnt und in gekühltem Zustande behufs weiterer Verwendung ausgetrieben wird.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.