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Druckgaserzeuger. Die Erfindung betrifft eine Maschine zur Erzeugung
von Druckgas, bei der die in die Luft eingeführte Wärme unmittelbar die Druckerhöhung
und das Hinausschieben des verdichteten Gases sowie das Einsaugen frischer Gase
bewirkt.
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In Abb. i der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines
solchen Erzeugers schematisch dargestellt. Gemäß diesem Beispiel besteht der Arbeitsraum
des Erzeugers aus einem Zylinder i, in dem ein Kolben z mittels der Stange 3 verschoben
werden kann, welche durch irgendwelche Antriebsmittel, z. B. mittels eines Elektromotors
5 und einer Kurbelwelle q., in hin und her gehende Bewegung versetzt wird. An dem
einen Ende des Zylinders i ist ein Wärmespeicher 6 angeordnet, und eine Leitung
7 verbindet die beiden Enden des Zylinders. In dem einen Zylinderkopf befinden sich
die Saug- und Druckventile 8 bzw. 9. io ist eine Düse zur Einführung des Brennstoffes.
Auf das Saugventil 8 lastet der atmosphärische Druck PO und auf das Druckventil
9 der Druck P der Druckleitung.
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Im Betriebe ist die der Brennstoffdüse io abgekehrte Seite 6a des
Wärmespeichers kalt (Temperatur Ta), während die Temperatur gegen das andere Ende
6b des Wärmespeichers allmählich bis Tb zunimmt.
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Die M'irkungsweise eines solchen Erzeugers ist die folgende: Es sei
angenommen, daß der Wärmespeicher sich bereits in dem Betriebszustande, also mit
den Temperaturgrenzen Ta-Tb angewärmt befindet und der ganze Raum des Zylinders
i sowie auch der Kanal 7 mit kalter Luft von atmosphärischem Druck PJ angefüllt
ist. Es sei zunächst angenommen, daß überhaupt keine Brennstoffzufuhr stattfindet,
sondern daß die ganze Wärme vom Wärmespeicher geliefert wird. Bewegt sich der Kolben
z in der Richtung des Pfeiles i i, so wird die vor demselben befindliche kalte Luft
von der Temperatur Ta über den Kanal 7 durch den Wärmespeicher 6 hindurchgetrieben
und gelangt auf die andere Seite des Kolbens, wobei sich die Luft wesentlich auf
die obere Temperatur Tb des Wärmespeichers erwärmt. Da während dieser Erwärmung
das Gesamtvolum der Luft keine Veränderung erfährt, steigt der Druck im Arbeitsraume
allmählich an.
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Nach Erreichung des auf das Druckventil9 lastenden Druckes wird Druckluft
in die Druckleitung 15 gefördert. Während des Rückganges des Kolbens z in der Richtung
des Pfeiles 12 wird die warme Luft durch den Wärmespeicher 6 und durch die Leitung
7 gedrückt, kühlt sich dabei auf die Temperatur Ta ab und erleidet eine Druckverminderung.
Sobald der Druck auf den atmosphärischen Druck gesunken ist, wird durch das Saugventil
8 Frischluft angesaugt.
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Um die Reibungswiderstände der strömenden Gase zu vermindern, muß
der Wärmespeicher in der Strömungsrichtung der Gase eine möglichst geringe Baulänge
erhalten, so daß diese Baulänge nur einen geringen Bruchteil der Baulänge des Zylinders
beträgt, wogegen der Rückführungskanal ? sich auf die ganze Zylinderlänge erstreckt.
Da dieser lange Rückführungskanal zwecks Verminderung der Reibungsverluste einen
möglichst großen Querschnitt erhalten muß, so verursacht der Rückführungskanal eine
den Wirkungsgrad des Erzeugers stark beeinträchtigende Vergrößerung des schädlichen
Raumes.
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Zur Beseitigung dieses Nachteiles werden gemäß der Erfindung die Saug-
und Druckventile
des Zylinders an dem zwischen dein Kolben und
der warmen Seite des Wärmespeichers liegenden Raume angeordnet, dessen Volum ein
solches Vielfaches des Volums des zwischen dem Kolben und der kalten Seite des '#.Värmespeichers
liegenden Raumes b,-trägt, daß die aus dem Wärmespeicher vordringende heiße Luftwelle
durch das Druckventil nicht hindurchtritt.
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Bei dieser Anordnung kann die Wirkung des schädlichen Raumes des Rückführungskanals
wesentlich herabgesetzt werden, und es kann der Rückführungskanal auch gänzlich
fortfallen. Zu diesem Zwecke sind zwischen dem Kolben und dem Wärmespeicher in Reihe
mit dem Hauptarbeitsraum und dem Hauptwärmespeicher ein kleinerer Wärmespeicher
und ein kleinerer Hilfsarbeitsraum oder deren mehrere hintereinandergeschaltet,
deren Abmessungen in der der Richtung der Temperatursteigerung der Wärnicspeicher
e_rt:prechenden Reihenfolge stufenweise zunehmen, wobei das Volum eines jeden Arbeitsraumes
ein solches Vielfaches des Volums des vorhergehenden Arbeitsraums beträgt, daß die
in den Arbeitsräumen vordringenden Heißluftwellen die kalten Enden der Wärmespeicher
nicht erreichen.
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Abb. 2 zeigt ein Gebläse dieser Art in schematischem Längsschnitt.
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Ja ist der Hauptarbeitsraum, mit dem die Hilfsarbeitsräume
ib und ic unter Zwischenschaltung der Wärmespeicher Ra und Rb in Reihe geschaltet
sind. Die kalten Seiten der Wärmespeicher sind mit vollen Linien und die warmen
Seiten mit gebrochenen Linien angedeutet, so daß ersichtlich ist, daß das Volum
der einzelnen Arbeitsräume in der Richtung der Temperaturzunahme der Wärme'-peicher
stufenwese zunimmt. An der warmen Seite der Wärmespeicher sind die Düsen io zur
Einführung des Brennstoffes und an der kalten Seite die Kühler 17 zur Abführung
der aus dem thermodynamischen Kreislauf endgültig abzuführenden Wärmemengen angeordnet.
Bei Anordnung von Auspuffventilen können diese Kühler fortfallen. So ist z. B. am
Hauptwärmespeicher Ra kein Kühler gezeichnet. Die aus dem Kreislauf des Arbeitsraumpaares
ja und il) endgültig zu entführenden Wärmemengen ziehen mit der in die Drutkleitung
15 geförderten Druckluft ab. Im kleinsten Arbeit :-aum 1e befindet sich der Kolben
z. Die Saug- und Druckventile 8 und 9 sind gemäß der Erfindung an dem zwischen dem
Kolben z und der warmen Seite des Wärmespeichers Ra liegenden Raum ja angeordnet.
Der Rückführungskanal 7 verbindet das äußerste Ende dieses Raumes in mit dem hinter
dem Kolben z liegenden Raum 16. Die Wirkungsweise ist die folgende: In der gezeichneten
Stellung des Kolbens a sind sämtliche Arbeitsräume mit kalter Luft angefüllt. Die
mit vollen Linien gezeichneten kalten Enden der Wärmespeicher besitzen die Temperatur
Ta. und die mit gebrochenen Linien gezeichneten warmen Enden der Wärmespeicher besitzen
die Temperatur Tb. Wird der Kolben in der Richtung des Pfeiles i i bewegt, so drückt
derselbe kalte Luft aus dem Raum 1e durch den Wärmespeicher Rb in den Raum 1b, wobei
sich diese Luft von der Temperatur Ta auf die Temperatur Tb erhitzt und eine Volumzunahme
erfährt. Diese aus dem Raum Je in den Raum lb übergetretene warme Luft verdrängt
aus dein Raum ib kalte Luft, deren Volum ein Mehrfaches derjenigen kalten Luft beträgt,
die durch den Kolben 2 aus dem Raum ic in den Raum ib gedrängt worden ist. Die aus
dem Raum il, verdrängte kalte Luft tritt durch den Wärmespeicher Ra in den Raum
i", erhitzt sich dabei auf die Temperatur Tb und erleidet wieder eine V olumzunahme.
Infolgedessen wird aus dem Raum ja eine entsprechende Menge kalter Luft durch das
Druckventil 9 in die Druckleitung 15 verdrängt.
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Wenn die durch die Temperaturerhöhung der Luft von Ta auf Tb bewirkte
Volumzunahme ein »nx-faches des ursprünglichen Volums beträgt und wenn das während
des Hubs i i des Kolbens z aus dem Raum ic verdrängte Luftvoluin mit »V« bezeichnet
wird, so wird aus dem Raum l b das Volum n . V und aus dem Raum ja das Volum W'
. V verdrängt. Während also das Gebläse ein Luftvolum von etwa it-'
. V fördert, muß durch die Rückführungsleitung 7 nur ein Luftvolum V hinter
den Kolben z in den Raum 16 zurückgeführt werden, so daß die Rückführungsleitung
7 nur einen geringen Querschnitt erhalten muß, wobei der durch diese Rückführungsleitung
und durch den Raum 16 gebildete schädliche Raum äußerst gering ausfällt. Das Volum
des Arbeitsraumes ja ist so groß bemessen, daß die während des Hubes i vom Wärmespeicher
Ra vordringende heiße Luftwelle am Ende des Hubes nicht bis zu den Ventilen 8 und
9 vordringt oder doch mindestens keine heiße Luft durch das Druckventil 9 hindurchtritt.
Auch der Arbeitsraum ib ist in dem Verhältnis zum Arbeitsraum ic so groß bemessen,
daß die während des Hubes i i des Kolbens :2 aus dem Wärmespeicher Rb vordringende
heiße Luftwelle nicht bis an das kalte Ende des Wärmespeichers Ra vordringt. Wenn
die durch die Erhitzung bewirkte Volumzunahme der Luft, wie bereits erwähnt, ein
n-faches beträgt, so muß auch das Volum des Raumes ib das n-fache des Volums des
Raumes
ic und das Volum des Raumes ia ein n-faches des Volums des Raumes 1b betragen. Es
können statt zwei oder drei Stufen auch mehrere Stufen hintereinandergeschaltet
werden. Hierbei wird der Querschnitt des Kolbens z im Verhältnis zur Leistung des
Gebläses so gering, daß die Rückführung 7 gänzlich fortfallen und die Seite 16 des
Kolbenzylinders mit der freien Luft in Verbindung stehen kann.
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Beim Rückgang des Kolbens z strömt die heiße Luft aus dem Raum ia
durch den Wärmespeicher Ra in den Raum 1b und aus diesem durch den Wärmespeicher
Rb in den Raum Ir zurück, wobei sie sich auf Ta abkühlt und eine Volumverminderung
erfährt, wodurch in den Raum -ia ein Frischluftvolum n= . V durch das Ventil 8 eingesaugt
wird.
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In Abb. z sind die Hilfsarbeitsräume zwischen den Kolben und die kalte
Seite des Wärmespeichers Ra geschaltet. Abb.3 zeigt dagegen eine Anordnung, bei
der der Hilfsarbeitsraum Ib mit dem Hilfswärmespeicher Rb zwischen dem Kolben z
und der warmen Seite des Wärmespeichers Ra in der Rückführungsleitung 7 angeordnet
ist. Durch diese Anordnung wird der Einfluß des schädlichen Raumes der Rückführungsleitung
7 und der vom Wärmespeicher Ra abgekehrten Seite 16 des Kolbenzylinders gleichfalls
beseitigt. Beim Niedergange des Kolbens a wird beinahe die ganze aus dem Arbeitsraum
in verdrängte kalte Luft in die Druckleitung 15 gefördert und nur ein verschwindender
Bruchteil »v,< dieser Luft gelangt durch den Hilfswärmespeicher Rb in den Hilfsarbeitsraum
1b, wobei diese Luft von der Temperatur Ta auf die Temperatur Tb erhitzt wird. Durch
die hierbei erlittene Volumzunahme wird aus dem Hilfsarbeitsraum i b ein Luftvolum
»ta # v:< verdrängt, das den Raum 16 ausfüllt. Wenn das volle Volum des Zylinders
16 mit »V« bezeichnet wird, so braucht das vom Raum ia durch den Wärmespeicher Rb
in den Raum ib Verdrängte kalte Luftvolum »v« bloß yV betragen. In beiden
Fällen (Abb. a und 3) wird also die volumetrische Wirkung des Gebläses wesentlich
über die volumetrische Wirkung des in Abb. i dargestellten Gebläses erhöht.
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Im obigen wurde stets von einem Kolben als Mittel zum Treiben der
Luft durch den Wärmespeicher oder durch die Wärmespeicher gesprochen, doch kann
statt eines Kolbens irgendeine andere Treibvorrichtung, z. B. ein Ventilator, benutzt
werden.