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Verfahren und Vorrichtung zur Kompression und zur Entspannung von
Gasen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die zur Durchführung dienende Vorrichtung
zur Erzeugung von Wärme und Kälte, indem Gase in einem Kreisprozefi geführt werden,
der eine Kompression, eine Entspannung und mindestens einen Temperaturwechsel bei
konstantem Druck enthält.
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Derartige Kreisprozesse hat man schon bei sogenannten Wärmepumpen
benutzt. Bei diesen Maschinen war man bemüht, die in den zu entspannenden Gasen
aufgespeicherte Energie möglichst vollständig zu gewinnen, um sie für die Kompression
ausnutzen zu können. Der Wirkungsgrad dieser Maschine war aber wenig zufriedenstellend,
da bei den Kompressions- und Entspannungsvorgängen erhebliche Energieverluste eintreten.
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Bei einer ersten Gruppe von Verfahren wurden getrennte mechanische
Vorrichtungen verwendet, mit denen die Kompression und die Entspannung getrennt
voneinander durchgeführt wurde. Die komprimierten Gase und die entspannten Gase
wurden durch bewegliche Glieder, insbesondere Kolben, die in Zylindern verschiebbar
sind, voneinander getrennt gehalten. Diese Kolben bedingen insbesondere durch Reibung
sehr erhebliche Energieverluste, weil sich die einzelnen Verluste bei den Kompressions-
und Entspannungsarbeiten summieren.
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Es wurde dann- eine zweite Gruppe von Verfahren vorgeschlagen, bei
der die in den zu entspannenden Gasen enthaltene Energie für die Kompression durch
unmittelbare Einwirkung ausgenutzt wird, also ohne Zwischenschaltung irgendeines
Gliedes oder einer Wand zwischen dein im Entspannungsabschnitt und im Kompressionsabschnitt
befindlichen Gas. Man hat zu diesem Zweck die Kompression und die Entspannung des
Gases in einem drehbaren Kranz von Kammern durchgeführt, der einen mit Kanälen versehenen
Verteiler enthält. Durch diese Kanäle werden die Kammern, welche das zu entspannende
Gas enthalten, mit anderen Räumen, welche das zu komprimierende Gas enthalten und
in denen ein etwas kleinerer Druck herrscht, unmittelbar in Verbindung gesetzt.
Durch aufeinanderfolgende Entnahmen wird dabei ein Teil des im Entspannungsabschnitt
befindlichen Gases dem im Kompressionsabschnitt befindlichen Gas so zugeführt, da8
allmählich die Kompression erfolgt. Dieses Verfahren, durch eelches zwar die Reibungsverluste
vermieden sind, die durch die Verwendung beweglicher Wände bedingt sind, hat zu
keinem praktischen Ergebnis geführt, da andere Verluste in Kauf genommen werden
müssen, die dadurch entstehen, daB es unmöglich ist, eine Vermischung von Gasen
verschiedener Temperatur und Verluste durch Undichtigkeiten zu vermeiden, die insbesondere
beim Entlangströmen des Gases an den Wänden der Kammern entstehen.
Die
Nachteile der beiden Verfahrensgruppen werden- unter Wahrung der -Vorteile, die
durch die Trennung der Gasströme von verschiedenen Temperaturen und durch die unmittelbare
Einwirkung des einen Gas-Stromes auf den anderen erzielt werden, gemäß der Erfindung
vermieden. Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird auch die unmittelbare Druckübertragung
von dem im Entspannungsabschnitt befindlichen Gas auf das im Kompressionsabschnitt
befindliche Gas . benutzt; es wird jedoch ein besonderer Druckaustauschstrom erzeugt,
welcher zwischen diesen beiden Gasströmen ein Gaskissen bildet, durch das eine Vermischung
des verhältnismäßig heißen komprimierten Gases, welches in den Temperaturwechsler
fließt, mit dem verhältnismäßig kalten Gas, welches den Temperaturwechsel durchgemacht
hat und nun entspannt werden soll, vermieden ist.
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Die Kompressions- und Entspannungsvorgänge werden vorteilhaft in einem
Rotor durchgeführt, der einen Kranz von Kammern hat, in denen der Druckaustauschstrom
so geführt wird, daß er in jeder Kammer ein Gaskissen bildet, das sich in der Kammer
verschiebt, ohne an dem Wärmeaustausch teilzunehmen. Die Verbindungskanäle sind
zu diesem Zweck gegenüber dem Kranz des Rotors so angeofdnet, daß der Druckaustauschstrom
möglichst stetig übertreten kann, während die Gestalt und die Lage der Ein-und Auslaßöffnungen
zwischen dem Temperaturwechsler und.dem Rotor so gewählt ist, daß die an dem Temperaturwechsel
teilnehmenden Gasströme eine stetige Geschwindigkeit haben. Beim Vorbeigang einer
Kammer, die ein soeben durch die Wirkung des Druckaustauschstromes komprimiertes
heißes Gas enthält, vor einer dieser Öffnungen wird . durch den Druckaustauschstrom
das heiße Gas vorgeschoben und in den Temperaturwechsler eingeführt, während sich
der Raum, der sich in der Kammer hinter dem durch den Druckaustauschstrom gebildeten
Gaskissen befindet, mit kaltem Gas anfüllt, welches aus dem Temperaturwechsler,
kommt. Diese Gasverschiebung oder Gasausspülung ist durch ein Gebläse erzielt, wobei
das aus dem Druckaustauschstrom gebildete Gaskissen dazwischengeschoben ist, dessen
Temperatur zwischen den Temperaturen des heißen und des kalten Gases liegt und durch
das eine Mischung zwischen diesen beiden Gasen verhindert ist.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird dem Druckaustauschstrom
noch eine zusätzliche Äufgabe erteilt. Ein Teil des Druckaustauschstromes wird zwischen
den aufeinanderfolgenden Kammern im Kompressionsabschnitt und im Entspannungsabschnitt
so abgezweigt, daß Verluste durch Undichtigkeiten verhindert werden, die infolge
der Druckunterschiede zwischen den aufeinanderfolgenden Kammern längs ihren Trennwänden
entstehen. Zu diesem Zweck sind diese Trennwände hohl ausgeführt und innen mit den
Verbindungskanälen so verbünden, daß in dem Innenraum der Wände, welche die Kammern
im Kompressionsabschnitt voneinander trennen, immer ein etwas höherer Druck herrscht
als in den benachbarten Kammern, während der Innenraum der Wände, welche die sich
im Entspannungsabschnitt befindlichen Kammern voneinander trennen, immer einen etwas
niedrigeren Druck aufweist als der Druck, der in den benachbarten Kammern herrscht.
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Um die Volumenschwankungen der Gase auszugleichen, die dadurch entstehen,
daß die Gase in den Temperaturwechslern außerhalb des Rotors Temperaturschwankungen
unterliegen, also zwischen dem Augenblick, in dem ein Gasstrom aus dem Rotor austritt,
und dem Augenblick, wo er nach durchgemachtem Temperaturwechsel wieder in den Rotor
eintritt, wird ein Ausgleichstrom erzeugt, der erfindungsgemäß parallel zum Druckaustauschstrom
geführt wird, um dessen Stetigkeit zu begünstigen. Der Ausgleichstrom wird zweckmäßig
durch einen exzentrisch angeordneten Rotor geschaffen, der innerhalb des Kammerkranzes.
liegt und durch dessen Drehung zu diesen Kammern noch Räume mit einem veränderlichen
Volumen hinzugesetzt werden. Ein Teil des Ausgleichstromes wird vorteilhaft für
die hohlen Z rennwände abgezweigt, um sich mit dem Teil des Druckaustauschstromes
zu vereinigen, der zur Verhütung von Undichtigkeitsverlusten dienen soll, und um
diesen Gasstrom zu unterstützen.
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Auf diese Weise erhält die zur Durchführung des Verfahrens dienende
Vorrichtung nach der Erfindung einen Wirkungsgrad, der wesentlich höher liegt als
der der üblichen Luftkältemaschine. Es können Temperaturunterschiede von mehreren
Dutzenden von Graden, beispielsweise zwischen den Temperaturwechslern von hohem
und niedrigem Druck aufrechterhalten werden, und zwar bei einem kleinen Kraftbedarf
und einem kleinen Druckunterschied.
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Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der zur Durchführung
des Verfahrens dienenden Maschine dargestellt.
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Fig. r ist eine schematische Ansicht der ganzen Vorrichtung.
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Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die Rolle erläutert, die dem Druckaustauschstrom
zufällt.
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Die Fig. 3 und q. sind schematische Schnittzeichnungen einer drehbaren
Ausführungsform
der Erfindung in senkrecht zur Drehachse stehenden
Ebenen. Die Fig. 3 ist ein Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 6, während die
Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 6 darstellt.
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Fig. 5 zeigt einen diametralen Schnitt durch eine Abänderungsform.
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Fig.6 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine diametrale Ebene,
die durch die Linie VI-VI in Fig. 4 angedeutet ist.
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Die Fig. 7, 8 und 9 sind erläuternde Teilschnitte.
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Fig. io zeigt einen Schnitt nach der Linie X-X in Fig. i i.
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Fig. i i ist ein Schnitt nach der Linie XI-XI in Fig. io. Diese Figur
zeigt die Beaufschlagung der hohlen Schaufeln durch eine Abzweigung des Druckausgleichstromes.
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Fig.12 zeigt die Abwicklung der Umfläche des Mantels der Vorrichtung
nach Fig. io und der Verbindungskanäle.
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Fig. 13 ist ein der Fig. 4 ähnlicher Schnitt, der die Anordnung eines
zur Erzeugung eines Kompensationsstromes dienenden Kompressors zeigt. Dabei handelt
es sich um einen Kompensationsstrom, der mit dem Druckausgleichstrom zusammenwirkt.
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Fig.14 ist ein Schnitt nach der Linie XIV-XIV in Fig. 13.
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Auf den Zeichnungen ist mit i der Rotor bezeichnet, der aus einem
Kranz von Kammern 2 besteht, die durch Wände oder Schaufeln 3 voneinander getrennt
sind und in einem Mantel 4 umlaufen. Der Mantel 4 ist mit Einströmleitungen 5, 5'
und Auslaßleitungen 6, 6' versehen. Die Leitungen sind mit Wärmeaustauschern 7,
7' für hohen und niedrigen Druck verbunden.
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Es sei angenommen, daß der Rotor im Sinne des Pfeiles (Fig. i) umläuft
und die Kompression zwischen A und B, der Ausschub bei hohem Druck zwischen B und
C stattfindet und das komprimierte und erwärmte Gas unter konstantem Druck in dem
Austauscher 7 abgekühlt wird, um zwischen B und C in den Rotor zurückgeführt zu
werden, wo es sich zwischen C und D entspannt. Nachdem es seinen ursprünglichen
Druckzustand wieder angenommen hat, wird das abgekühlte Gas zwischen D und A in
den Austauscher 7' geleitet, in dem es sich unter konstantem Druck erwärmt. Das
Gas wird sodann wieder von dem Rotor aufgenommen, um von neuem zwischen
A und B komprimiert zu werden und den Kreisprozeß wieder zu beginnen.
In einer eine vollständige Umdrehung ausführenden Kammer finden also die folgenden
Arbeitsvorgänge nacheinander statt: Kompression (A bis B), Ausschub (B bis
C), Entspannung (C bis D) und Ausschub (D bis A).
Die die Entspannungsabschnitte
C bis D und die Kompressionsabschnitte A bis B verbindenden Kanäle sind mit 8 bezeichnet.
Diese Kanäle sind so angeordnet, daß jeder von ihnen zeitweilig eine Entspannungskammer
mit einer Kompressionskammer bei niedrigerem Druck in Verbindung bringt. Durch die
Verbindungskanäle hindurch findet also eine Förderung des Gases von den im Entspannungsabschnitt
befindlichen Kammern zu den im Kompressionsabschnitt befindlichen Kammern statt.
Die Kanäle werden mit diesen Kammern nacheinander in Verbindung gebracht. Beim Durchlaufen
des Bogens A-B erhält eine Kammer, die zu komprimierendes Gas enthält, aus jedem
Verbindungskanal einen geringen Gaszuschuß. Diese Kammei ist daher einer Reihe von
Teilkompressionen ausgesetzt, durch die das in der Kammer enthaltene Gas auf den
gewünschten Enddruck gebracht wird. Ebenso wird von dem sich im Abschnitt C-D entspannenden
Gas je ein Teil in jeden Kanal 8 abgeleitet, so lange, bis der Anfangsdruck wieder
erreicht ist.
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Da die Gase in den Abschnitten A-B und C-D unterschiedliche Temperaturen
aufweisen, muß vermieden werden, daß sie sich weder in den Kammern 2 noch in der
Aisschubzone B-C vermischen, wo gleichzeitig der Einlaß und der Auslaß bei konstantem
Druck stattfindet. Dieses Ziel wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß in
den Kanälen 8 und den Kammern 2 ein stetiger Strom aufrechterhalten wird, der die
beiden Hauptströme voneinander trennt. Dieser Strom begleitet die Hauptströme in
den Abschnitten A-B, B-C und C-D und dient als eine zwischen den beiden Hauptströmen
vorgesehene gasförmige Wand, ohne in den Wärmeaustauscher 7 einzudringen.
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Zur Erläuterung der Rolle, die der gasförmigen Wand zukommt, wird
auf die Fig. i und 2 verwiesen, wo die waagerechten Schraffurlinien den von dem
zu komprimierenden Gas x verfolgten Weg und die senkrechten Schraffurlinien den
von dem zu entspannenden Gas y verfolgten Weg bezeichnen. Die schrägliegenden Schraffurlinien
bezeichnen den Druckaustauschstrom z. Wie am deutlichsten aus Fig. 2 hervorgeht,
die ein Diagramm darstellt, in dem die Abwicklung der Bogen A-B, B-C, C-D als Abszisse
und die .Breite des Kammernkranzes als Ordinaten aufgezeichnet sind, geht man dabei
so vor, daß der Strom z in den Kanälen 8 zirkuliert, das zu komprimierende Gas in
die in dem Abschnitt A-B befindlichen Kammern drückt, sodann in dem Abschnitt B-C
das austretende komprimierte und warme Gas von dem eintretenden abgekühlten, jedoch
unter demselben Druck stehenden Gas trennt und
schließlich unter
dem Druck des in dem Abschnitt C-D zu entspannenden Gases in die Kanäle 8 zurückkehrt.
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In dem Kammernkranz kann der Ausschub der gasförmigen Ströme vom Mittelpunkt
zur Peripherie oder umgekehrt von der Peripherie zum Mittelpunkt oder auch parallel
zur Drehachse stattfinden. Diese letztere Anordming, von der die Fig. 5 und 6 zwei
Ausführungsbeispiele zeigen, hat gewisse Vorteile wegen- der Einfachheit der Konstruktion.
Die Anwendung der- Erfindung ist jedoch keineswegs auf diese Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 5 und 6 erfolgt die Bewegung
des gasförmigen Stromes in den Wärmeaustauschern sowie den Ein- und Auslaßleitungen
und auch in der drehbaren Vorrichtung mittels Gebläse 9, .9 , die an entsprechenden
Stellen angeordnet sind. Die Öffnungen der Einlaßleitungen 5, 5' und der Auslaßleitungen
6, 6' verteilen sich auf die ganze Länge der Bogenabschnitte B-C und D-A. In der
Fig. 5 sind diese Leitungen in der Verlängerung der Abschnitte B-C, D-A des Kammernkranzes
angeordnet, während gemäß Fig.4 und 6 die Leitungen die beiden Umflächeiiränder
des Kranzes umschließen und, wie Fig.4 zeigt, die Form einer Schnecke aufweisen.
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Die Verbindungskanäle 8 liegen außerhalb des Rotors. Sie münden gleichfalls
in den Mantel 4 und sind auf der einen oder auf beiden Seiten des Mantels angeordnet.
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Die Kammern sind an ihren Enden mit Steuerorganen versehen, die beispielsweise
die Form`vori Löffeln i i, i i' besitzen und die beim Vorbeistreichen an den Öffnungen
der Kanäle 8 die an einem Ende der Kanäle vorgesehenen Öffnungen 81, 82, 83, 84
mit den in dem Abschnitt A-B vorhandenen Kammern in Verbindung setzen, während die
an dem anderen Ende der Kanäle vorgesehenen Öffnungen 8i', 82', 83', 84' mit den
im Abschnitt C-D befindlichen Kammern in Verbindung kommen.
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Um eine regelmäßige Bewegung der gasförmigen Ströme zu erreichen,
erhalten die Öffnungen 81, 82, 83, 84, 8i', 82', 83', 84 der Kanäle 8 eine Breite,
welche der Dicke der Schaufeln oder Wände 4 (Fig. 3) entspricht, so daß Kurzschlüsse
zwischen benachbarten Kammern vermieden werden. Derartige. Kurzschlüsse würden unvermeidlich'
auftreten, wenn die Kanäle eine größere Breite hätten. Der beim Vorbeistreichen
der Schaufeln hervorgerufene Abschluß ist nur ein vorübergehender. Die Wirkung des
Abschlusses ist vermindert, wenn man dafür sorgt, daß in dem Augenblick, in dem
ein Ende eines Kanals 8 durch eine Schaufel verschlossen ist, das andere Ende des
Kanals sich in der Mitte einer Kammer befindet. Auf diese Weise ist es unmöglich
gemacht, daß die Kanäle an beiden Enden gleichzeitig verschlossen werden. Dadurch
wird die Stetigkeit des Arbeitsprozesses aufrechterhalten und die Fortschrittlichkeit
verdoppelt. Während der Zeit, in der eine im Entspannungsabschnitt (Bogen C-M befindliche
Kammer mit eine m. Kanal in Verbindung steht, mündet das andere Ende des Kanals
nacheinander in zwei Kammern, die sich in dem Bogenabschnitt A-B befinden, so daß
während der auf dem entsprechenden Bogen stattfindenden Druckverringerung zwei Teilkompressionen
stattfinden. Ebenso werden bei dieser Anordnung zwei im Entspannungsabschnitt befindliche
Kammern nacheinander mit dem gleichen Kanal in Verbindung gebracht, während eine
im Kompressionsabschnitt befindliche Kammer mit ihm in Verbindung steht. Daraus
ergeben sich eine Anzahl Teilentspannungen und eine Anzahl'Teilkompressionen, die
doppelt so groß ist als die der benutzten Kanäle. Sie beträgt bei dem auf der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiel acht. Das bedeutet eine Verringerung des Energieverlustes
und der Zirkulationsgeschwindigkeit.
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Wie auf der Zeichnung dargestellt, nehmen die Öffnungen der Kanäle
8 nur den Teil der Bogenabschnitte A-B und C-D ein, der dicht von dem Mantel 4 umschlossen
ist, um zu vermeiden, daß sie mit den vom Mantel noch nicht verschlossenen Kammern
in Verbindung treten, und um' außerdem eine Verzögerung beim Einläß und beim Auslaß
zu erreichen.
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Damit sich der Übergang der Gasströme von dem einen Arbeitsabschnitt
zum nächstfolgenden allmählich und ohne Stöße vollzieht, ist dafür gesorgt, daß
einerseits die Geschwindigkeit des Gases beim Eintritt in die Kammer 2 und anderseits
die Geschwindigkeit der aus diesen Kammern austretenden Gase auf der ganzen Länge
der Bogenabschnitte B-C und D-A den gleichen Wert und die gleiche Richtung haben
wie die Geschwindigkeit, welche das Gas im Innern der Kammern unter der vereinigten
Wirkung seiner Weiterbewegung in den Kammern und deren Drehbewegung erhält. Zu diesem
Zweck sind die Einlaßleitungen 5, 5' und die Auslaßleitungen 6, 6' tangential zum
Kammernkranz angeordnet. Der Querschnitt dieser Leitungen ändert sich nach einem
parabolischen Gesetz.
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Am Ende des Ausschubabschnittes B-C oder D-A erhält das in eine Kammer
eingeführte Gas eine bestimmte Geschwindigkeit. Nun muß der Mantel diese Kammer
verschließen, damit sie in den nächsten Arbeitsabschnitt
(Entspannung
oder Kompression) übertreten kann. Um einen Stoß zu vermeiden, erhält der innere
Rand des Auslaßkanals die Form eines Schnabels io (Fig. 4), dessen Spitze einen
geringen Abstand von dem Kammernkranz erhält und der im Sinne der Komponente aus
den Geschwindigkeiten des ausströmenden Gases gerichtet ist. Die Innenfläche des
Schnabels schmiegt sich mit einem allmählichen Bogen in einer Tangente an den Kranz
der Kammern an.
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Anstatt dieses schnabelförmige Gebilde io zu verwenden, könnte die
Geschwindigkeit des Gases vor dem Abschluß verringert werden. Das könnte mittels
einer aus parallelen Lamellen bestehenden Vorrichtung geschehen, die einen Druckverlust
hervorrufen.
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Um ferner die Geschwindigkeit am Ende des Ausschubabschnittes zu verringern,
ist es angebracht, daß sich die Einlaßleitung 5 schließt, bevor die Auslaßleitung
6 geschlossen wird. Diese in Fig. 4 durch den Winkel a dargestellte Phasenverschiebung
hat ungefähr die gleiche Größenanordnung wie der den Schnabel io einschließende
Winkel.
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Die Kammern selbst haben eine solche Form, daß ihr in der senkrechten
Ebene zur Strömungsrichtung des Gases gemessener Querschnitt a ungefähr gleich der
Einlaßfläche b und der Auslaßfläche c der Kammern ist (Fig.6). Nach dieser Figur
findet der Einlaß und der Auslaß durch die Umfläche des Kammernkranzes statt. Der
Einlaß und der Auslas könnte durch die Seiten oder durch das Innere des Kranzes
stattfinden.
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Beim Betrieb bildet sich infolge der Stetigkeit des Kreislaufes der
gasförmigen Ströme und infolge der für die Führung der Ströme getroffenen Maßnahmen
neben den Hauptströmen und auf einem Teil ihres Weges parallel zu den Hauptströmen
der obenerwähnte Druckaustauschstrom. Betrachtet man (Fig. 7) eine Kammer 2 in dem
Augenblick, wo der Kompressionsabschnitt soeben beendet ist, so bezeichnet die waagerechte
schraffierte Zone das komprimierte und er_ wärmte Gas, das durch die Leitung 6 hindurch
zu entweichen beginnt. Die senkrechte schraffierte Zone bezeichnet das aus der Leitung
5 herangeführte, ebenfalls komprimierte, jedoch abgekühlte Gas, während die schräg
schraffierte Zone den Druckausgleichstrom z darstellt, der während des Kompressionsabschnittes
A-B durch die Kanäle 8 hindurch in die Kammer eingeführt wurde und dort das in der
Kammer befindliche Gas komprimiert hatte. Während des Ausschubabschnittes B-C durchfließt
der Strom z die Kammer, wobei er zwischen dem austretenden warmen Strom und
dem eintretenden kalten Strom eingeschaltet bleibt. Die Geschwindigkeit wird so
geregelt, daß, sobald der Strom z das entgegengesetzte Ende der Kammer (Fig. 8)
erreicht, die Leitung 6 geschlossen ist, worauf die Öffnungen 8i', 82', 83', 84
die Kanäle 8 nacheinander dem löffelartigen Steuerorgan i i' gegenüberliegen und
je einen Teil -des Stromes z hindurchlassen. Das andere Ende der Kanäle 8 mündet
in Kammern mit geringeren Drücken. Der Strom z wird infolge der Entspannung des
Gases auf dem Abschnitt C-D durch die Kanäle 8 hindurch bis in die in dem Abschnitt
A-B gelegenen Kammern gedrückt. Die Fig. 9 zeigt eine Kammer dieses Abschnittes,
in den die löffelartigen Steuerorgane i i den Strom z leiten, der allmählich das
Gas so lange komprimiert, bis es entweicht (Fig. 7) und bis die Ausschubphase von
neuem beginnt.
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In den Fig. 7 bis 9 sind die beiden Enden der Kanäle 8 zu beiden Seiten
des Rotors angeordnet, damit der Druckaustauschstrom in seine Anfangslage zurückgeführt
wird. In der Praxis könnten die Kanäle auf nur einer Seite des Rotors belassen werden,
wobei nur ein Satz Steuerorgane i i (Fig. 6) benötigt wird. Der Strom z fließt dann
in der Kammer zunächst in der einen und dann in der umgekehrten Richtung.
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Um die von dem Austauschstrom zwischen Sem entspannten Gas und dem
komprimierten Gas gebildete gasförmige Wand so auszudehnen, daß sie die Trennwand
zwischen den benachbarten Kammern vervollständigt und ein Ausströmen von Gas aus
der einen in die andere Kammer längs. der inneren Umfläche des Mantels verhindert,
leitet man durch die hohl ausgebildeten Schaufeln oder Wände 3 hindurch einen Teil
des durch die Kanäle 8 hindurchtretenden Druckaustauschstromes ab. Zu diesem Zweck
sind, wie beispielsweise die Fig. io bis i2 zeigen, die hohlen Wände zwischen den
Steuerorganen i i bei 3o bzw. zwischen den Organen ii' bei 30' verlängert
und mit nach vorn gekrümmten Steuerorganen i2, 12' versehen, während die Kanäle
8 Abzweigungen aufweisen, deren Öffnungen 85, 86, 87, 88 und 85', 86', 87', 88'
hinter den Öffnungen 81, 82, 83, 84 und 8i', 82', 83', 84' dieser Kanäle um je einen
einer Kammer entsprechenden Winkel versetzt sind.
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Unter diesen Umständen wird während des Entspannungsabschnittes, wenn
die Steuerorgane i2' mit den nacheinander angeordneten Abzweigungen 85', 86', 87',
88' in Verbindung kommen, der im Innern einer Schaufel herrschende Druck etwas niedriger
sein als der in dem gleichen Augenblick in den beiden durch diese Schaufel getrennten
Kammern herrschende Druck. Es bildet sich also von jeder im Entspannungszustand
befindlichen Kammer eine nach der Schaufel hin
gerichtete Abzweigung
des Stromes, welche die Schaufel. und den Kanal, vor dem die Schaufel vorbeistreicht,
durchströmt und sich dann wieder im Kanal 8 mit dem Strom vereinigt.
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Ebenso kommen im Kompressionsabschnitt die Steuerorgane i2 mit Abzweigungen
85 bis 88 der Kanäle 8 in Verbindung, welche gegeciüber den Öffnungen 8.1 bis 84
derselben Kanäle 8 um den einer Kammer entsprechenden Winkel nach hinten versetzt
sind, so daß der im Innern einer Schaufel herrschende Druck etwas höher ist als
der Druck der beiden benachbarten Kammern. Von jedem Kanal 8 geht also gleichfalls
eine Abzweigung des Stromes z aus, der durch die Löffel 12 der aufeinanderfolgenden
Schaufeln gesammelt wird und der durch die Schaufeln hindurchströmt, um längs der
Innenumfläche des Mantels in die im. Kompressionsabschnitt befindlichen Kammern
zu gelangen.
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Diese durch die bei der Entspannung und bei der Kompression geschaffenen
Abzweigungen geleiteten Gasmengen müssen stets ausreichend sein, um ein Ausströmen
zwischen den Kammern zu verhindern.
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Bei der in den Fig. i o, i i und 12 dargestellten Lage des Rotors
befinden sich die Öffnungen der Leitungen 8 der Kompressionsseite auf der Achse
der Kammern, mit denen sie zusammenwirken, während auf der Entspannungsseite die
Öffnungen gegenüber den Wänden 3 gelegen sind, was einer oben wiedergegebenen. Bedingung
entspricht. Demgemäß ist es erforderlich, daß in diesem Augenblick die zuletzt genanten
Öffnungen durch die Wände geschlossen sind. Jede hohle Wand 3 ist zu diesem Zweck
außen auf dem der Breite der löffelartigen Steuerorgane i i, i i' entsprechenden
Teil ihrer Länge durch am Umfang vorgesehene Wände 31, 3i' verschlossen.
Diese am Umfang vorgesehenen Wände trennen die aufeinanderfolgenden löffelartigen
Steuerorgane voneinander ab und verhindern jede unmittelbare Verbindung zwischen
den Öffnungen 81 bis 84 und 81' bis 84' mit dem Innern der Wände 3. In der gleichen
Weise trennen Wände 32, 32', die aufeinanderfolgenden löffelartigen Steuerorgane
i2, 12' voneinander ab. Um die Klarheit der Zeichnung nicht zu stören, sind die
Wände 31, 3i', 32, 32' in der Fig. 12 nur in der Entspannungszone C-D dargestellt.
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Bei der bis hierher beschriebenen Vorrichtung haben die Kammern ein
konstantes Volumen. Nun erfährt das Gas beim Eintritt in den Wärmeaustauscher 7
bzw. 7' infolge der Temperaturschwankung eine Volumenveränderung, die durch einen
dieser Veränderung entsprechenden Gaszuschuß oder Gasabstrich ausgeglichen werden
muß. Es müssen auch die durch Ausströmen von Gas etwa entstandenen Verluste ausgeglichen
werden. Die für diesen Ausgleich erforderliche Arbeit, welche den bedeutendsten
Energieaufwand des Kreisprozesses bildet, wird beim betrachteten Ausführungsbeispiel
vermittels eines mit Flügeln versehenen Kompressorrotors geleistet, welcher mit
dem schon beschriebenen Kranz konstanter Kammern 2 zusammenwirkt, ohne daß die Stetigkeit
des Druckaustauschstromes beeinträchtigt wird.
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Wie aus Fig. 13 hervorgeht, ist der Rotor dieses Kompressors exzentrisch
zum Innern des Rotors i angeordnet. Er besitzt eine Anzahl radial verschiebbarer
Flügel 14. Die Zahl dieser Flügel ist etwas größer. als die Zahl der Schaufeln 3
des Rotors i. Diese Flügel begrenzen veränderliche Kammern 15, die durch Öffnungen
16 mit den Kammern 2 -in Verbindung stehen.
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Wenn die Rotoren i und 13 mit der gleichen Geschwindigkeit umlaufen,
dann beschränkt sich die relative Verschiebung der Flügel 14 gegenüber der Innenwand
des Rotors i auf eine abwechselnde Bewegung mit geringem Ausschlag. Jede Kammer
2, .die bei 16 ständig mit. einer Kammer 15 in Verbindung steht, bildet mit
dieser letzteren eine Kammer, deren Rauminhalt im Laufe einer Umdrehung zwischen
einem Maximum und einem Minimum schwankt. Das eine entspricht dem Volumen, welches
das Gas bei der Temperatur vor dem Eintritt in den Austauscher 7 einnimmt, während
das andere dem Volumen entspricht, welches das Gas nach dem Durchgang durch diesen
Austauscher einnimmt.
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Eine solche Anordnung würde indessen praktisch den Nachteil zur Folge
haben, daß die Bewegungsrichtung eines jeden Flügels gegenüber der Wand i periodisch
umgekehrt wird. Dieser -Nachteil wird dadurch vermieden, daß die Geschwindigkeit
des Rotors 13 etwas größer als die des Rotors i ist, so daß die eine Sinusfunktion
darstellende Relativgeschwindigkeit der Flügel gegenüber der Wand i stets positiv
ist, das heißt daß die Flügel stets der Wand gegenüber mehr oder weniger voreilen.
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Die an der Innenwand des Rotors i vorgesehenen Öffnungen 16 sind,
wie Fig. 14 zeigt, in der Weise angeordnet, daß der Ausgleichluftstrom in denjenigen
Teil einer jeden Kammer eingeführt wird, der Gas mit der gleichen Temperatur enthält.
Im Falle der Fig. 14 befindet sich die Öffnung 16 nahe dem dem Steuerorgan i i entgegengesetzten
Ende der Kammer 2, so daß das durch diese Öffnung eintretende Gas mit dem komprimierten
warmen Gas und nicht mit dem Gas in Berührung kommt, das aus den _Verbindungskanälen
herangeführt
wird. Die Öffnung befindet sich auch gegenüber der Auslaßleitung 6, so daß der durch
die Öffnung hindurchtretende Gasstrom entweichen kann, ohne die Bewegung der Hauptströme
in dem Abschnitt B-C zu hemmen.
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Diese Anordnung hat also zur Folge, daß dem bei konstantem Druck ausgeschobenen
Luftstrom der von dem Flügelkompressor erzeugte Strom beigefügt wird oder der bei
konstantem Druck verlagerte Luftstrom auf sich selbst beschränkt bleibt. Gerade
während der Ausschubphasen bei konstantem Druck B-C und D-A soll der Flügelkompressor
die Volumenveränderung hervorrufen, zu welchem Zweck der Aufkeilwinkel des Kompressors
entsprechend bestimmt wird. Während der Entspannungs- und Kompressionsabschnitte
wird diese Änderung durch die Verbindungskanäle 8 gewährleistet.
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Mittels der beschriebenen Vorrichtung kann der Kompensationsstrom
auch dazu benutzt werden, um in Zusammenwirkung mit dem Druckaustauschstrom Ausströmverluste
zwischen den zueinander beweglichen Flächen zu verhindern. Zu diesem Zweck genügt
es, in der Innenwand des Rotors i Öffnungen 16' an solchen Stellen vorzusehen, daß
ein Teil des Kompensationsstromes durch die hohlen Schaufeln oder Wände 3 abgezweigt
wird.
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Da die von dem Kompressorrotor erzeugte Volumenänderung praktisch
auf zwei diametral gegenüberliegenden Bogenabschnitten beschränkt ist, ist es leicht
verständlich, daß bei einer Änderung der Winkellage dieser Bogenabschnitte gegenüber
den Bogenabschnitten B-C und D-A die während der Ausschubphasen bei konstantem Druck
stattfindende Volumenschwankung eine Änderung erfährt. Durch Regelung der Winkelversetzung
des Kompressors, d. h. durch Drehung der Mittelachse 0' des Rotors 13 um die Mittelachse
des Rotors i innerhalb eines bestimmten Winkels, kann also nach Belieben die Leistung
des Kompressorrotors geändert -werden. Auf diese Weise hat man ein Mittel, um auf
den Kompensationsstrom und durch diesen auf die anderen Gasströme unabhängig von
der Regelung der Drehgeschwindigkeit der Vorrichtung einzuwirken.
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Die Fig. 1q. stellt eine Vorrichtung dar, mittels der dieses Ziel
auf leichte und bequeme Weise erreicht werden kann. Der mit einem innenverzahnten
Kranz 17 verbundene Rotor i ist um eine feststehende Welle 0 drehbar. Diese Welle
ist bei O' gekröpft. Auf dieser gekröpften Welle 0' dreht sich der Rotor 13, der
mit einem Ritzel 18 verbunden ist. Das Ritzel 18 kämmt mit dem Zahnkranz
17. Der von einem entsprechenden Motor betriebene Rotor i treibt den Rotor
13
mit einer durch das Übersetzungsverhältnis der Verzahnung 17, 18
bestimmten Geschwindigkeit an. Auf der Welle 0 ist ein Rad ig mit schraubenförmigen
Zähnen befestigt, das mit einer Schnecke 2o in Eingriff steht. Mittels dieser Schnecke
kann die Winkellage des abgekröpften Wellenstückes 0', d. h. der Versatzwinkel des
Kompressors, beliebig geändert werden. Diese Regelung kann während des Betriebes
der Vorrichtung durchgeführt werden, wobei die Verzahnung 17, 18 stets im
Eingriff bleibt.
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An den beschriebenen Ausführungsbeispielen können in vieler Hinsicht
Änderungen vorgenommen werden, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen
würde. So könnte beispielsweise, wie schon erwähnt, die Strömungsrichtung in den
Kammern vom Mittelpunkt des Rotors nach der Umfläche oder umgekehrt verlaufen. In
dem einen oder dem anderen Fall könnte die Zirkulation der Gasströme durch eine
selbst als Gebläse wirkende Vorrichtung aufrechterhalten werden. Dadurch würden
besondere Gebläse entbehrlich werden. Auf die zwischen den Kammern vorgesehenen
Wände würde dann der oben zur Unterscheidung gegenüber anderen Wänden gebrauchte
Ausdruck Schaufel genau zutreffen. Anderseits können der Kammernkranz, die Verbindungsleitungen
und die Steuerorgane sowie auch der Kompensator jede geeignete Form erhalten. Unter
drehbare Vorrichtung soll hier jede Vorrichtung verstanden sein, bei der ein Teil
sämtlicher Kammern oder die Steuerung gegenüber einem andern Teil beweglich ist,
ohne daß dabei die Form und die Anordnung dieser Teile ausschlaggebend wäre.