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Luftkompressor mit über- oder hintereinanderliegenden, miteinander
verbundenen Kolben und um die Hochdruckstufe angeordnetem Kühler Bei Luftkompressoren
ist, da die Kornpression adiabatisoh ,geschieht, der Kraftbedarf eine Funktion der
Widerstände in der Maschine. Letztere resultieren aus den Luftgeschwindigkeiten,
dem Aufbau, der Anordnung und Funktionsweise der Steuerorgane und aus den Widerständen
im Zwischenbehälter oder Kühler. Daß man, um einen möglichst günstigen Kraftbedarf
zu erreichen, .der Steuerung ausreichende Querschnitte gibt, genügt noch nicht,
um die gewünschte Wirkung zu erzielen, sondern es ist außerdem auch noch notwendig,
Richtungswechsel beim Durchgang der Luft durch die ganze Maschine auf das äußerste
zu beschränken, und insbesondere ist von Wichtigkeit, die Anordnung, den Aufbau
und die Wirkungsweise des Kühlers entsprechend so einzurichten, daß sich die Kompressionsarbeit
unter Bedingungen vollzieht, die unter gleichzeitiger Ableitung der Kompressionswärme
im Kühler und bei günstiger und gleichmäßiger Durchströmun.g des Kühlers mäglichst
wenig Widerstände schaffen. Diesen Bedingungen entsprechend ist gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Luftkompressor mit über- oder hintereinanderliegenden Zylindern derart
gebaut, daß die Luftführung nicht nur in den Kompressorstufen, sondern ganz besonders
auch durch den eigenartig ausgebildeten Kühler möglichst unmittelbar und frei von
Widerständen und besonderen Leitungen in einer solchen Weise erfolgt, (daß ihre
durchgreifende Kühlung in zuverlässiger Weise .gewährleistet ist, wobei die einzelnen
Luftfäden fast gleich lange Luftwege erhalten und ferner keine überlasteten Luftwege
und keine toten Ecken usw. auftreten können. Erreicht wird dies dadurch, daß die
durch den Kolben der ersten Stufe eintretende Saugluft aus dem N iederdruckzylinder
unmittelbar ringförmig in den als Ringkühler um die Hochdruckstufe ausgebildeten
Kühler hinübergedrückt wird, um von diesem unter Vermeidung toter Räume und jeglicher
besonderer Leitungen nach einmaliger, im oberen Kühlerraum unmittelbar stattfindender
Richtungsumkehr verlustfrei in .den Hochdruckkolben und durch diesen in gleicher
Weise i.n den, Hochdruckzylinder einzuströmen. Allerdings ist es bekannt, die Preßluft
aus der Niederdruckstufe durch eine besondere Leitung in eine Rohrschlange überzuführen,
welche im Kühlraum der Hochdruckstufe um den Hochdruckzylinder konzentrisch gelagert
ist, doch entspricht diese Anordnung in keiner Weise den eingangs erwähnten Bed
ingung en.
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Auf der beiliegenden Zeichnung ist in Abb. i im Längenschnitt ein
Ausführungsbeispiel dargestellt. Als Beispiel ist hier ein zweistufiger Kompressor
stehender Bauart gewählt, der seinen Antrieb durch die Kurbelwelle a erhält und
dessen beide Kolben b und c durch die Kolbenstange d miteinander verbunden sind.
Der Zylinder e der ersten Stufe
wird durch einen Kühlmantel f gekühlt.
Der Zylinder g der zweiten Stufe, welche die Hochdruckstufe bildet, ist, von entsprechend
geringerem. Durchmesser, und der um- denselben frei werdende kaum h .ist zur Unterbringung,des
Kühlers, der als Ringkühler ausgebildet ist, verwendet. Durch diese Anordnung wird
erreicht, daß Richtungswechsel möglichst und tote Räume, die von der Strömung nicht
getroffen werden, ganz vermieden sind. Die Saugventile i und k sitzen
in den Kolben b bzw. c und sind voll:-kommen federlos, und die Druckventile l bzw.
m werden als Ringventile ausgebildet, durch die eine richtige Einleitung der Luft
in den Kühler bewirkt wird.
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Die Funktion des Kompressors wird am besten an Hand eines bestimmten
Beispieles klar. In ,dem in Abb.2 dargestellten Diagramm ist .das Niederdruckdiagramm
durch die Linien i, 2, 3, 4 gegeben, das Hochdruckdiagramm durch die Linien 5, 6,
7, 8, 9. Infolge des bei dem neuen Kompressor vorgenommenen Einbaues .des Kühlers
h als Ringkühler in den Hochdruckteil der Maschine ist ein relativ sehr kleines
Zwischenkühlervölumen erzielt, in welchem der Druck bei gegebenen Verhältnissen
zwischen 3,45 und 3,95 Atm. absolut schwankt, d. h. die Druckventile des Niederdruckzylinders
e öffnen im Punkt 2 des Diagramms bei 3,:15 Atm. absolut, mithin wesentlich früher
als bei normalen zweistufigen Maschinen mit :gleichen Volumenverhältnissen :der
beiden Zylinder, jedoch anderer Kühlerkonstruktion und -anordnung. Nach öffnen des
Niederdruckventils i wird die Luft im Kühler la und im Zylinder e während des Weges
2-3 .des Diagramms von 3,45 auf 3,95 absolut gepreßt, so daß während dieses Teiles
der Kompressionsarbeit die Wärme im Kühler h direkt abgeführt wird. Da für die Verhältnisse
dieser Versuchsmaschine .der Hochdruckzylinder etwa 41 pro Umdrehung ansaugt, das
Kühlervolumen aber 161 beträgt, so bleibt die mit großer Geschwindigkeit ringförmig
von unten her in den Kühler eintretende Luft während etwa vier Umdrehungen der Kurbel
im Kühler, ehe sie in den Hochdruckzylinder eingesaugt und weiter komprimiert wird.
Im Kühler h .geht .die Luft zunächst aufwärts infolge der Zwischenringwand ia, um
alsdann oben durch die inneren Rohrpartien wieder abwärts nach dem Hochdruckkolben
hin zu strömen. Hierdurch wird nicht nur eine kräftige Durchwirbelurng des ganzen
Kühlers unter Vermeidung toter oder brachliegender Räume in demselben erzielt, sondern
auch der relativ große Wirkungsgrad des Kühlers und der Kühleffekt noch vergrößert.
Die Wirkungsweise ist in diesem Falle einseitigen Ansaugens in beiden Kompressionsstufen
edne wesentlich günstigere als tei normalen Tandemmaschinen.
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Der Linienzug 8-9-5 des Hochdruckdiagramms ergibt sich daraus, daß
während des ersten Teiles des Aufwärtshubes der Kolben bei geschlossenem Niederdruckventill
das Kühlvolumen unten etwas vergrößert wird, wodurch die Spannung der Luft von der
im Punkt 8 vorhandenen Höhe auf die im Punkt 9 noch vorhandene Spannung herunterb
:zogen wird. Im Punkt 9, welcher dem Punkt :2 des Niederdruckdiagram:ms entspricht,
öffnet aber das Niederdruckventill, es tritt von unten Luft in den Kühler und, .da
der Niederdruckkolben nun ein größeres Volumen in den Kühler preßt, als der Vergrößerung
des Hochdruckvolumens entspricht, steigt die Spannung von Punkt 9 bis zu Punkt 5
entsprechend der Spannungssteigerung von Punkt 2 zu Punkt 3 an. Die Kompression
im Hochdruckzylinder beginnt mit der Spannung im Punkt 5, welche der maximalen,
im Kühler überhaupt auftretenden Spannung entspricht. Es ist aber bekannt, daß die
Kompression immer um so günstiger ist, mit je höherer Anfangsspannung sie beginnt.
Tatsächlich .haben Versuche bei genauer Düsenmessung des durchgehenden Luftquantums
und Feststellung des Kraftbedarfs der Maschine den hohen Kompressionswirkungsgrad
ebenso wie den hohen .mechanischen Wirkungsgrad der Maschine erwiesen, und zwar
liegen die Kraftibedarfsziffern etwa 15°1o unter den für die gleichen Leistungen
und Drucke von 7 bis 9 Atm-. absolut garantierten anderen Konstruktionen.
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Bei der beschriebenen Maschine erfolgt sowohl die Saug- wie die Druckperiode
gleichzeitig im Hoch- und im Niederdruckzyldnder. Die Kompression der Niederdruckstufe
geschieht im Aufwärtsgang in den Kühler h.. Dabei folgt,der bereits vorhandene Luftinhalt
des Kühlers in entsprechender Menge dem Hochdruckkolben, ohne daß dieser ansaugt.
Das Ansaugen geschieht erst bei seinem Abwärts:gang, aber auch hierbei ist es mehr
ein Durchströmen des Kolbenventils unter -dem im Kühler und unterhalb des Kolbens
herrschenden Druck. Die Ventilsitze sind natürlich gekühlt. Die Ausbildung der Saugentile
ist in größerem Maße in Abb.3. veranschaulicht.
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Wie gesagt, sind die Saugventile federlos, denn es hat sich -auf Grund
eingehender Rechnungen und Versuche herausgestellt, daß die in die Kolben eingebauten
Saugventile ohne jede Federbelastung durch ihre eigene Beschleunigungskraft geöffnet
und geschlossen werden und dabei ein ruhiges, ordnungsmäßiges Spiel zeigen.
Bei
einstufiger Bauart ist an Stelle des Hochdruckzylinders oben eine ähnliche Haube
über dem Hauptzylinder angeordnet, wie sie jetzt auf dem Hochdruckzylinder sitzt.
In allen Fällen tritt die Luft unten bei A ein und oben bei B komprimiert und' gekühlt
wieder aus.