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Verfahren zur Wiedergewinnung der bei der Förderung einer Flüssigkeit
gegen hohen Druck auf diese übertragenen Energie In der chemischen Industrie kommt
es häufig vor, daß Gase zwecks Reinigung in Rieseltürinen mit Wasser oder anderen
Waschflüssigkeiten unter einem Druck berieselt werden müssen, der mitunter, z. B.
bei der NH3-Synthese, mehrere ioo at beträgt. Die Flüssigkeit muß hierfür durch
Pumpen auf den erforderlichen Druck gebracht und gefördert werden. Die verhrauchte
Flüssigkeit wird in den meisten l@ ä llen, z. B. durch Ventile oder andere geeignete
Drosselorgane, wiederentspannt, ohne daß die in den Pumpen aufgewendete Energie,
die bis zu mehreren iooo PS betragen kann, wiedergewonnen wird.
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Es sind schon Vorrichtungen zur- Wiedergewinnung dieser Energie vorgeschlagen
und auch ausgeführt worden. Diese bestehen aus einem von der Druckflüssigkeit angetriebenen
Wassermotor, z. B. einem Peltonrad und einer mit diesem gekuppelten Pumpe, welche
ihrerseits wieder frische Flüssigkeit auf den erforderlichen Druck bringt, Derartige
Aggregate sind für verhältnismäßig kleine Drucke bis etwa 25 bis 5o at durchführbar,
versagen jedoch bei Drucken von ioo oder gar mehreren ioo at. Zudem ist der Wirkungsgrad
solcher Aggregate sehr schlecht und erreicht im günstigsten Fall nur 5o°jo. Es wurde
nun gefunden, daß man die bei der Förderung einer Flüssigkeit gegen hohen Druck
auf diese übertragene Energie in einfacher und wirtschaftlicher Weise wiedergewinnen
kann, wenn man den Druck dieser Flüssigkeit durch einen oder mehrere Kolben, deren
Kolbenfläche auf der Pumpenseite zweckmäßig um den Betrag des Kolbenstangenquerschnittes
kleiner ist als auf der Gegenseite, oder unter Zwischenschaltung einer Membran .auf
eine zweite Flüssigkeit überträgt und diese dadurch gegen hoben Druck fördert.
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Eine mögliche Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zeigt z. B.
Fig. i. Sie besteht im wesentlichen aus einem beiderseits verschlossenen Zylinder
Z_, in dem sich ein dichtschließender Kolben K bewegt. Die eine Seite diesesZylinders
dient als hydraulischerMotor, die andere als Pumpe wie eine gewöhnliche Kolbenpumpe
mit Saugventil S und Druckventil D. Die Wirkungsweise ist folgende: Das unter hohem
Druck stehende Reaktionsgefäß A steht durch das Steuerorgan H, in
der Figur als Dreiweghahn gezeichnet, mit dem Zylinder Z auf der einen Seite des
Kolbens in Verbindung. Auf der anderen Seite des Kolbens kann z. B. aus einem hochgelegenen
Behälter oder vermittels einer
Pumpe P auf geringen Druck gebrachte
frische Flüssigkeit. durch das Saugventil S dein Zylinder zufließen. Das Steuerorgan
H wird von der Kolbenstange in den Totpunkten jeweils in bekannter Weise utnges'teuert,
derart, daß der Zylinder einmal mit dem Druckgefäß A, das andere Mal mit der Atmosphäre
bzw. einem Sammelbehälter in Verbindung steht. In der dargestellten Stellung des
Dreiweghahnes fließt aus A Flüssigkeit in den Zylinder Z_, schiebt den Kolben vor
sich her und drückt dabei gleichzeitig die auf der anderen Seite des Kolbens befindliche
frische Flüssigkeit durch das Druckventil D wieder in das Druckgefäß A hinein. Diese
Bewegung wird ermöglicht dadurch, daß die Kolbenfläche und damit der Kolbendruck
auf der Pumpenseite um den Betrag des Kolbenstangenquerschnittes kleiner ist als
auf der anderen Seite. Am Ende des Hubes wird nun das Steuerorgan H durch die Kolbenstange
umgesteuert, und der Kolben bewegt sich nunmehr unter dem Druck der frischen Flüssigkeit
wieder nach der anderen Seite, während die dort befindliche gebrauchte Flüssigkeit
durch die Leitung L entspannt abfließen kann. Dieses Spiel wiederholt sich dauernd
in gleicher Weise.
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Eine solche Maschine würde nur einen diskontinuierlichen Flüssigkeitsstrom
erzeugen. Um diesen kontinuierlich zu gestalten, ist es nötig, zwei oder mehrere
solcher Zylinder zu verwenden, deren jlrnsteuerorgane so gekuppelt sind, daß stets
eine gegenläufige Bewegung der Kolben erreicht wird.
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Der bzw. die Kolben dienen dabei nur als Trennwand zwischen der zu
entspannenden und der zu fördernden Flüssigkeit, übertragen aber keine Kräfte nach
außen, sondern betätigen durch ihre Bewegung lediglich die Steuerung für die Zu-
und Ablaufventile.
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Für hohe Drucke sind Schieber oder Hähne als Steuerorgane nicht geeignet.
Man verwendet hierfür -zweckmäßig Ventile, und zwar eines für den Zulauf und eines
für den Ablauf der Flüssigkeit. Dabei muß die Bewegung dieser Ventile, die mechanisch
oder livdraulisch erfolgen kann, derart sein, daß stets das geöffnete Ventil geschlossen
wird, bevor das geschlossene beginnt, sich zu öffnen bzw. daß niemals beide Ventile
gleichzeitig geöffnet sind, da sonst die in dem Gefäß A befindliche Druckflüssigkeit
sich unter Umgehung des Zylinders direkt entspannen würde und in unmittelbarem Anschluß
daran auch das in dem System befindliche liochgespannteGas, was unterUmständen mit
großen Gefahren verbunden wäre. Wie dies erreicht wird, zeigt Fig. a, in der eine
Anordnung hydraulisch bewegter Ventile dargestellt ist. l', und V, sind die Ventile,
Z, und Z., die zugehörigen hydraulischen Zylinder, F der beiden gemeinsame Steuerschieber
für das Druckmedium, welches die Ventile betätigt, wozu auch ein Teil der auszunutzenden
Druckflüssigkeit selbst benutzt werden kann. Dieser Steuerschieber wird von der
Kolbenstange in den Totpunkten durch einen Übertragungsmechanismus jeweils umgesteuert.
In der Zeichnung bewegt sich der Kolben gerade von rechts nach links, d. 1i. die
in deni Raum B des Arbeitszylinders befindliche Flüssigkeit ist entspannt und kann
durch Ventil V.. ins Freie entweichen, während der Raum C -sich mit frischer Flüssigkeit
füllt. Sobald in der linken Totlage der Steuerschieber F umgesteuert ist, tritt
das von diesem gesteuerte Druckmedium durch Leitung E, gleichzeitig in die Zylinderräume
R, und R,, während die Räume R;, und R4 sich durch Leitung E.= entspannen können.
Daraus nun, daß der Ventilkegel >i', vollkommen entlastet ist und seinerBewegung
keinen Widerstand entgegensetzt, der Ventilkegel V, dagegen von der einen Seite
durch den Druck der Waschflfssigkeit belastet ist und infolgedessen einen erheblichen
Druck zum Öffnen erfordert, folgt, daß das Ventil V-, sich zuerst vollkommen schließen
muß, -bevor der Druck des Druckmediums eine solche Höhe erreichen kann, wie zum
Öffnen von I', nötig ist. Entsprechendes gilt für den unigekehrten Fall.
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Eine weitere Sicherung gegen gleichzeitiges Öffnen der Ventile ist
durch eine Anordnung derselben gegeben, wie sie in Fig.3 dargestellt ist. Dort sind
die Ventile mit den zugehörigen hydraulischen Zylindern Z_, und Z., mit durchgehenden
Kolbenstangen K, und K.,
in einer Achse angeordnet, derart, daß diese Kolbenstangen
mit ihrem Ende sich nahezu berühren, wenn das eine Ventil geöffnet, das andere geschlossen
ist. Außerdem tragen die Ventilkegel als Kolbenschieber dienende Verdränger G, und
G.=, die gut passend in den Ventilsitz hineinragen und etwas länger sind als der
halbe Ventillieb. Hierdurch'ist es bei einem eventuellen Versagen der Steuerung
rein mechanisch unmöglich gemacht, daß beide Ventile gleichzeitig auch nur teilweise
geöffnet sind.
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Diese neue Vorrichtung bietet gegenüber anderen bekannten Anordnungen
den großen Vorteil, daß sie sehr wenig bewegte Teile enthält, die einem Verschleiß
unterliegen und den Gesamtwirkungsgrad sehr beeinträchtigen. Die mit Hilfe dieser
Vorrichtung geförderte Flüssigkeitsmenge ist jeweils um den Betrag des Kolbenstangenvolumens
kleiner als die entspannte Menge der Flüssigkeit. Einer Verarmung des Systems an
Absorptionsflüssigkeit wird dadurch begegnet,
rlaß man diesen Verlust,
der etwa 5°1" der Gesamtmenge gleichkommt, durch eine normale Kolbenpumpe ausgleicht.
Die Verluste infolge des Reibungswiderstandes des Kolbens und der Druckverlust in
den Leitungen und Ventilen sind außerordentlich gering, so daß der Wirkungsgrad
einer solchen Maschine 9o bis 95",l" beträgt. Bei Verwendung einer solchen Entspannungsmaschine
sind also nur noch 5 bis zo"i" der ohne diese benötigten Pumpenleistung erforderlich,
um die Flüssigkeit auf den gewünschten Betriebsdruck zu bringen.
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Die Möglichkeit der Verwendung einer Membran an Stelle eines Kolbens
ist in f-' ig. 4. veranschaulicht. Die Steuerung der Ventile h', und L':, erfolgt
hier nicht mechanisch, sondern elektrisch vermittels zweier Kontakte P, und Pü,
welche durch die Irin und her bewegte Membran hl geschlossen bzw. geöffnet «-erden.
Der Druckverlust in den Druckleitungen, welcher bei der Kolbenniaschine durch die
einseitige Verkleinerung der Kolbenflüche durch die Kolbenstange ausgeglichen wird,
wird hier ersetzt durch eine in der Druckleitung vor oder hinter der Entspannttngsmaschine
eingebaute Zentrifugalpumpe, welche den Druck der Flüssigkeit entsprechend dein
Druckverlust um einige Atmosphären erhöht.