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Verfahren und Vorrichtung zum Verwandeln flüssigen Kohlenstoffdioxyds
in eine feste masse. Die Erfindung betrifft die Überführung von flüssigem Kohlenstoffdioxyd
oder anderem flüssigen inaktiven Gas in feste Form für Kühlzwecke, sowie eine Vorrichtung
zur Ausführung dieses Verfahrens. Bisher war es bei der Herstellung von festem Kohlenstoffdioxyd
üblich, getrennte Kammern vorzusehen, um den Druck des flüssigen Kohlendioxyds zu
reduzieren und das letztere in eine schneeartige Masse zu verwandeln. Schließlich
wurde, falls erforderlich, die Masse zu dichten, zusammenhängenden Blöcken zusammengepreßt.
Dadurch wurde die Fabrikation wesentlich verteuert; dieser Nachteil kann erfindungsgemäß
dadurch vermieden werden, daß man für sämtliche dieser Arbeitsstufen eine einzige
Kammer einrichtet. Dies wird dadurch ermöglicht, daß das flüssige Kohlenstoffdioxyd
unter Druck in bekannter Weise in eine Kammer geleitet wird, die eine vorzugsweise
in Form eines Kolbens ausgestaltete bewegliche Wandung aufweist, so daß durch die
Bewegung des Kolbens in der Richtung nach außen der Druck in der Kammer vermindert
werden kann, jedoch erfindungsgemäß
bis ztz solchem Grade, daß
ein Teil der Flüssigkeit in dieser Kammer schneeartig wird, wonach, wenn erforderlich,
der Kohlendioxydschnee beim Rückwärts- oder Innenhub des Kolbens zu einer dichten
zusammenhängenden 3v-lasse gepreßt werden kann. Die Vorrichtung zur Ausführung dieses
Verfahrens besteht demgemäß im wesentlichen aus einer entsprechend ausgebildeten
Kammer von veränderlichem Volumen in Form eines Zvlinders mit Kolben und entsprechender
Armatur.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise dargestellt.
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Abb. i ist die Seitenansicht der Vorrichtung. Abb. 2 ist die Endansicht.
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Abb.3 ist in größerem Maßstabe ein lotre,#hter Schnitt des unteren
Teiles der Kammer.
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Abb. 4 ist ein Schnitt nach der Linie 4-4 der Abb. 3.
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Abb.5 bis 8 zeigen in lotrechten Schnitten die Arbeitsteile der Kammer
in verschiedenen Arbeitslagen.
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i ist ein Ständer und 2 die Grundplatte. Der lotrechte Ständer i trägt
Lager für die Arbeitsteile der Vorrichtung und die Kammer 5. Der wagerechte Arm
3 des Ständers besitzt einen Streifen ,4, der um den unteren Teil der Kammer 5 herumgeführt
ist, während das obere Ende der Kammer 5 an einer Schwelle 6 befestigt ist, die
einen Teil des dreieckigen Rahmens 7 bildet, der mit dem Ständer i aus einem Stück
besteht. Die Kammer 5 ist beiderseitig offen und unten mit einem abgeschrägten Flansch
56 (Abb. 3) versehen, wodurch ein Sitz 55 für den Verschluß r2 entsteht. Letzterer
ist an dem schwenkbaren Arm 8 angebracht, indem der Verschlußkörper mittels eines
Stieles 16 durch eine Öffnung 17 des Armes 8 hindurchgeführt und lose durch Vernieten
gehalten wird. Die obere Fläche des Armes 8 ist scheibenförmig und mit einer Ausnehmung
ir versehen, in die ein Teil des abgestuften Verschlußkörpers 12 eintritt, dessen
breiterer Teil 13 abgeschrägt ist und an dem Sitz 55 des Flansches 56 anliegt. Es
ist ferner ein nachgiebiger Preßring 14 unterhalb des Flansches 13 vorgesehen, der
beim :Anpressen des Verschlusses 12 durch den Arm oder Hebel 8 einen dichten Verschluß
der Kammer bewirkt. Der Arm 8 ist mit Ösen g versehen, durch die er an dem Teil
io des Armes 8 mittels des Zapfens 53 schwingbar gelagert ist. Unten besitzt der
Arm 8 ebenfalls Ösen 15, die den Hebel 42 mittels des Zapfens 4i aufnehmen.
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Nach Abb. 3 bis 8 ist ein Kolben 18 an dem Ende der Kolbenstange i9
vorgesehen, deren oberes Eide an dem Schwinghebel 2o angelenkt ist. Der letztere
ist in dem Lager 21 an dem oberen Ende des Ständers i gelagert. Letzterer besitzt
ferner ein Lager 22, in dem eine Welle 23 gelagert ist, an der eine Kurbel 24 verkeilt
ist, deren äußeres Ende an der Pleuelstange 26 angelenkt ist, und zwar mittels des
Kurbelzapfens 25. Die Pleuelstange ist an ihrem Außenende gegabelt und durch den
Zapfen 27 mit dem Schwinghebel 2o in der Nähe der Verbindung der Teile 2o und ig
gelenkig verbunden (Abb. i).
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In der Nähe des oberen Endes der Kammer 5 und etwas unterhalb des
Kolbenbodens 18, wenn dieser sich an dem obersten Hubende befindet (Abb. 7), ist
eine Reihe von Auslaßöffnungen 28 vorgesehen. Letztere münden in die Ringkammer
29, die um die Kammer 5 (Abb. i) herumgeführt ist und zu der Leitung 30 führt,
die mit einer Quelle des C02 oder einer Kohlensäureflasche in Verbindung steht.
Es ist ferner ein Rohr 31 von geringerem Durch-; messer als die Leitung 3o
und innerhalb dieser letzteren angeordnet. Das Rohr 31 verläuft außen längs Kammer
.5 und ist dieses durch P änder 32 befestigt. Das Rohr 31 steht mit dem Drosselventil
33 an dem unteren Ende der Kammer q in Verbindung. Diese Führung hat den
Vorteil, daß die Wärme von dem durch das Rohr 31 strömenden Gase aufgenommen wird,
so daß es vor dem Eintritt in die Kammer 5 abgekühlt wird. Die Einlaßöffnung 34,
die am Podenteil der Kammer 5 genau unterhalb der Kolbenehene angeordnet ist, wenn
sich der Kolben am untersten Hubende befindet, wird durch das Ventil 33 gesteuert,
das in regelmäßigen Zeitabschnitten mittels des Hebels 35 verschwenkt wird, der
mit der Lenkstange 36 verbunden ist, die ihrerseits durch einen N ocken-Nebel 37
betätigt wird. Dieser (Abb. i) ist an dem Ständer i gelagert und wird durch die
Hubrolle 39 betätigt, die an der Rückseite der Kurbel 24 angeordnet ist.
Die Hubrolle 39 ist in zwei verschiedenen Lagen dargestellt, wobei die obere
gestrichelte Lage der gestrichelten ' Lage anderer Arbeitsteile entspricht. Das
Ven-1 til 33 wird normal durch die Feder 38 geschlossen gehalten, die einerseits
an dem N ockere-: Nebel 37 und anderseits an dem Ständer i befestigt ist. Es sind
ferner Steckzapfen und Öffnungen 40 vorgesehen, um den N ockenbebe137 einzustellen
und die erforderlichen Zeitabschnitte bei der Betätigung des Ventils 33 zu regeln.
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Ferner ist eine Kniehebelanordnung vorgesehen, deren unterer Teil
4a durch den Zapfen 41 mit den Vorsprüngen 15 des Armes 8 gelenkig verbunden ist,
während der obere Teil 43 durch den Drehzapfen 4.4 an dem Ständer i drehbar gelagert
ist. Die Kniehebelteile 42, 43 werden unter einer vorbestimmten, einstellbaren Spannung
durch die Feder 45 gehalten, wodurch der Druck von innerhalb der Kammer i gegen
den Verschluß 12 und den Arm 8; der zur Öffnung des Verschlusses 12 erforderlich
ist,
geregelt werden kann. Die Einstellung wird durch eine Stellschraube
4.6 gesteuert, die durch ein Lager 47 an dem Ständer i hindurchgeht. Es - ist ferner
ein vorzugsweise nachgiebiger Arm .48 vorgesehen, der an dem oberen Kniehebel 4.3
befestigt ist und sich gegen den Drehzapfen 44 anlegt; der Arm 4.8 erstreckt sich
nach aufwärts in die Bahn der Kurbel 2.1 und wird bei Betätigung durch die Kurbel
die Kniehebelteile in. die Lage nach Abb. i zurückbringen.
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Nach Abb. 2 ist ein Stirnrad 49 auf der Welle 23 befestigt, und zwar
entgegengesetzt zur Kurbel 24.. Es ist ferner an dem Ständer i eine kurze Welle
5i gelagert, die das Stirnrad go trägt, das mit dem Rad 4.9 kämmt. Es sitzt ferner
ein Schwungrad 52 auf der Welle 51.
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Die Arbeits- und Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist aus
Abb. 5 bis 8 ersichtlich. In Abb. 5 ist der Kolben 18 an der untersten Hubgrenze
gezeigt. Der Verschluß i2 ist durch den Druck des Kolbens auf den komprimierten
Block des festen CO, geöffnet worden, der seinerseits auf den Verschluß 12
preßt, bis der Arm 8 nach abwärts verschwenkt wird und der Kniehebel .I2, .43 bzw.
die Verbindung 5.1 entgegen der Spannung der Feder .45 nach abwärts bewegt wird.
Die Spannung der Feder .I5 ist entsprechend geregelt, um das Offnen des Verschlusses
zu verhindern, bevor der Block des festen C02 bis zum erforderlichen Crade der Dichtigkeit
zusammengepreßt wurde. Die Abb. 5 zeigt, wenn der zusammenger- reßte F lock des
CO, herausfällt, worauf die Kurbel 24 den Arm oder den Hebel .I8 aufschlägt
und die Hebel ,42, .I3 nach aufwärts bewegt, so daß der Arm 8 und der Verschluß
i2 in die Lage nach Abb. i gebracht werden.
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In dem Augenblick, da der Verschluß in diese Lage zurückkehrt, betätigt
die N ockenrolle 39 den Nockenhebel 37 und die Lenkstange 36, so daß das Ventil
3,1, geöffnet wird und das flüssige C02 frei in die Kammer 5 einfließen kann,
wodurch der Kolben 18 durch den Flüssigkeitsdruck nach aufwärts gepreßt wird, z.
B. in die Lage nach Abb. 6, worauf das Ventil 33 geschlossen wird, nachdem die Nockenrolle
39 über den Hebel 37 vorbeigegangen ist. Der Kolben i8 hat bereits eine lebendige
Kraft erreicht und setzt seine Aufwärtsbewegung fort, wobei der Druck des flüssigen
Kohlendioxyds, welches darauf unmittelbar zum Sieden kommt, verkleinert wird und
die Flüssigkeit beim Verdampfen zurücktritt, während ras entwickelt wird, das sich
ausdehnt und dem Kolben r8 bis zu seinem Hubende folgt. Der Druck auf den Kolben
wird rasch infolge des hervorgehenden Festwerdens und Abkühlens vermindert. Die
Abkühlung und das Festwerden wird erhalten sowohl von der latenten Wärme bei der
Verdampfung des flüssigen C02, wie auch von der Ausdehnung des C02 Gases bei dem
Aufwärtshub des Kolbens. Diese Arbeitsstufe setzt sich fort, bis der Kolben 18 über
die Öffnungen 28 hindurchgegangen ist. Zu dieser Zeit wird der zurückgebliebene
Druck des verdampften C02 rasch durch das Entweichen des Gases in. die Ringkammer
29 und die Wärmeaustauschleitung 30 vermindert. Rohr 30 führt das
Gas zurück zu der Kohlensäure;luelle, wo es wiederum in flüssigen Zustand zurückgeführt
wird. Bei dem beschriebenen Abkühlen wird ein wesentlicher Teil des flüssigen C02
in eine Masse von leichtem, porösem C OZ Schnee, wie in Abb.7 gezeigt, verwandelt,
während der zurückbleibende Teil etwa ein Drittel in gasförmigen Zustand übergeht
und durch die Öffnung 28 entweicht.
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Ein wesentlicher Vorteil des vorliegenden Verfahrens ist, daß der
erste Teil des Verdampfens und der Ausdehnung von Gasen in einer vollständig geschlossenen
Kammer vor sich geht, so daß kein Teil des gefrorenen flüssigen CO, aus der
Kammer 5 entweichen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die ganze Kraftleistung,
die durch die auf den Kolben 18 ausgeübte und durch die Verbindungsstangen sowie
die Zahnräder zwischen dem Kolben 18 und dem Schwungrad 52 übertragen wurde, genau
so viel Wärmeeinheiten darstellt, wie aus der Kammer 5 entnommen wurden. Ein Teil
des CO, ist in den festen Schnee verwandelt worden, und die Temperatur des
entweichenden CO2 G ases, das in die Wärmeaustauschleitung 30 geht, ist ebenfalls
herabgemindert worden, so dal? in dem Rohr 3o seinerseits die Temperatur des durch
das Rohr 31: fließenden flüssigen CO, vermindert wird. Auf diese Weise
ist es möglich, die Vorrichtung mit geringerem Flüssigkeitsdruck des CO,
zu betreiben, ohne daß es in den Leitungen zu der Vorrichtung verdampft und somit
Eisbildung in diesen Rohren bewirkt. Hierdurch wird ermöglicht, eine größere Menge
von Schnee aus einer gegebenen Menge flüssigen C02 zugewinnen als bei anderen bekannten
Verfahren.
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Der Kolben 18 ist in der Lage nach Abb. 7 fertig zum Abwärtshub und
bewirkt ihn durch die im Schwungrad 52 autgespeicherte Energie bis zur Lage nach
Abb. B. In dieser Arbeitsstufe ist der Druck des zusammengepreßten Blockes des festen
CO, auf den Verschluß 12 und den Arm 8 genügend, um die Kniehebelverbindung
54. der Hebel 4.2, .I3 aus dem Gleichgewicht zu bringen, wodurch der Verschluß geöffnet
und der Block nach Abb. 5 ausgestoßen wird. Die beschriebenen Arbeitsstufen beginnen
alsdann von neuem.
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Die Betätigung des Nockenhebels 37 zwecks Steuerung des Einlaßventils
33 kann auch derart verändert werden, daß, nachdem der Kolben 18 einen beträchtlichen
Abstand auf seinem
Aufwärtshub in der Kammer 5 verstellt worden
ist, flüssiges CO, in das teilweise Vakuum eingelassen wird, das infolge
des Kolbenhubs gebildet wird. Die in das Vakuum eingelassene Flüssigkeit wird in
größerem Teil ihres Volumens in Schnee verwandelt werden, weil sie nicht den Atmosphärendruck
zu verdrängen hat. Die zum Verdrängen des Atmosphärendruckes verbrauchte Wärme wird
auf diese Weise gespart. Der Ausdruck Schnee oder C 0, -
Schnee bezieht sich
auf das leichte, poröse Produkt, das durch das Abkühlen erzeugt wird, bevor es in
eine dichte blasse zusammengepreßt wird. Die Bezeichnung »Verminderung des Druckes
in der Kammer« ist im allgemeinen so zu verstehen, daß irgendwelche ;Mittel zur
Aufhebung oder Verminderung des Druckes auf das flüssige CO2 in der Kammer benutzt
werden, entweder durch Benutzung der Ausdehnungsenergie des Gases aus der Flüssigkeit
in der Kammer zum Antrieb oder zur Fortsetzung des Antriebes eines beweglichen Teiles,
wie Kolben, und somit Vergrößerung des Volumeninhalts dieser Kammer oder durch nicht
dargestellte Mittel zur Freigabe oder Verminderung des Druckes in der Kammer, wie
z. B. ein ventilgesteuerter Kanal, welcher geöffnet wird, um einen Teil des flüssigen
CO, rasch aus der Kammer entweichen zu lassen und den übrigen Teil zum Schnee
abzukühlen.