DE620639C - Verfahren und Vorrichtung zur Kompression und zur Entspannung von Gasen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Kompression und zur Entspannung von Gasen

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DE620639C DEL83588D DEL0083588D DE620639C DE 620639 C DE620639 C DE 620639C DE L83588 D DEL83588 D DE L83588D DE L0083588 D DEL0083588 D DE L0083588D DE 620639 C DE620639 C DE 620639C
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    • F04F13/00Pressure exchangers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der zur Durchführung des Verfahrens dienenden Maschine dargestellt.
  • Fig. r ist eine schematische Ansicht der ganzen Vorrichtung.
  • Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die Rolle erläutert, die dem Druckaustauschstrom zufällt.
  • 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.
  • Fig. 5 zeigt einen diametralen Schnitt durch eine Abänderungsform.
  • Fig.6 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine diametrale Ebene, die durch die Linie VI-VI in Fig. 4 angedeutet ist.
  • Die Fig. 7, 8 und 9 sind erläuternde Teilschnitte.
  • Fig. io zeigt einen Schnitt nach der Linie X-X in Fig. i i.
  • 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.
  • Fig.12 zeigt die Abwicklung der Umfläche des Mantels der Vorrichtung nach Fig. io und der Verbindungskanäle.
  • 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.
  • Fig.14 ist ein Schnitt nach der Linie XIV-XIV in Fig. 13.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Kompression und zur Entspannung von Gasen, die zumindest einen Temperaturwechsel bei konstantem Druck durchmachen, durch Druckübertragung zwischen den im Entspannungsabschnitt und im Kompressionsabschnitt eines Rotors befindlichen Gasen, insbesondere zum Betriebe von Luftkältemaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckaustauschstrom erzeugt wird, der in den einzelnen Kammern des Rotors ein Gaskissen bildet, durch das die eben komprimierten und die aus dem Temperaturwechsler tretenden Gase voneinander getrennt sind. z. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Druckaustauschstromes abgeleitet und zwischen die im Kompressionsabschnitt und im Entspannungsabschnitt aufeinanderfolgenden Kammern des Rotors so eingeführt wird, däß er den Gasausströmungen entgegenwirkt, die durch die Druckunterschiede zwischen den aufeinanderfolgenden Kammern an der Längsseite der Ränder ihrer Zwischenwände auftreten können. 3. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Temperaturwechsel bedingten Volumenschwankungen des Gases durch einen Gasstrom ausgeglichen werden, der beim Eintritt in jede Kammer parallel zum Druckaustauschs.trom geführt wird, um dessen Stetigkeit zu erhöhen. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Ausgleichstromes so zwischen die Kammern des Rotors geführt wird, daß er sich mit dem als Gegenwirkung für die Gasausströmung längs des Umfangs des Rotors dienenden: Teil des Gasstiömes vereinigt und ihn unterstützt. 5. Vorrichtung. zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, bei der der Rotor in einem Gehäuse umläuft, welches im Kompressionsabschnitt und im Entspannungsabschnitt die Kammern des Rotors abschließt, die durch Verbindungskanäle so miteinander in Verbindung stehen, daß eine unmittelbare Einwirkung der im Entspannungsabschnitt befindlichen Gase auf die im Kompressionsabschnitt befindlichen Gase möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (8) und ihre Öffnungen (8i ... 88) so bemessen sind und eine solche Richtung haben, daß der Druckaustäüschstrom (z) parallel zu den Hauptströmen (x-y) verläuft-und die Stetigkeit seines Flusses gewährleistet ist, wobei die Breite der Öffnungen die der Wände (3) nicht übersteigt, durch welche die Kammern (2) voneinander getrennt sind, und wobei die Öffnungen so zueinander versetzt sind, daß, sobald das eine Ende eines, Kanals durch eine-Wand verschlossen ist, das entgegengesetzte Ende sich in der Achse einer Kammer befindet. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände (3) hohl ausgebildet und mit den Verbindungskanälen (8) durch Öffnungen (8i'. .. 88') verbunden sind, die so zu den Öffnungen (8z bis 88) für die unmittelbare Verbindung der Kanäle versetzt sind, daß von dem Druckaustaüschstrom Abzweigungen austreten. und im Innern der Trennwände Drücke aufrechterhalten können, die einerseits ständig höher als die Drücke sind, welche in den benachbarten Kammern im Kompressionsabschnitt herrschen, und die anderseits ständig niedriger sind als die Drücke, welche in den benachbarten Kammern im Entspannungsabschnitt herrschen. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßleitungen (5, 5') und die Auslaßleitungen (6, 6'), durch welche die Hauptströme während des Vorschubes bei konstantem Druck hindurchtreten, eine Richtung aufweisen, die zur Bewegungsrichtung der ein- bzw. austretenden Ströme tangential ist und die einen Durchgangsquerschnitt haben, der sich nach einem im wesentlichen parabolischen Gesetz ändert. B. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußränder der Ein- und Auslaßleitungen (5, 5' bzw. 6, 6') so zueinander versetzt sind, daß die Geschwindigkeit des gasförmigen Stromes beim Austritt aus dem Rotor verringert wird, und daß sie so ausgebildet sind, beispielsweise nach Art eines Schnabels (io), daß der Gasstrom so umgelenkt wird, bis er tangential zur Wand des Gehäuses liegt. '-9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Ströme in den Kammern (2) parallel zur Achse (O) des Kranzes (2) fließen, und der Ein- und Auslaß entweder durch tangential zum Umfang der Kammern verlaufende Leitungen hindurch erfolgt (Fig. 4, 6 und i i) oder durch Leitungen, die in der Verlängerung der Kammern liegen'(Fig. 5), wobei diese außerdem an ihren Enden mit löffelartigen Organen (i i) versehen sind, durch die der aus dem Verbindungskanal kommende Druckaustauschstrom geführt wird. io. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6; dadurch gekennzeichnet, daß den Kammern (a) des Kranzes Kammern {i5) mit veränderlichem Volumen zugeordnet sind, die mit ihnen so verbunden sind, daß in die Kammern (2) von konstantem Volumen einAusgleichstrom geleitet wird, der parallel zum Druckausgleichstrom fließt. ii. Vorrichtung nach Anspruch io, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (i5) mit veränderlichem Volumen mit den. Kammern (2) von konstantem Volumen durch Öffnungen in Verbindung gesetzt sind, von denen die Öffnungen (i6) unmittelbar in das Innere der Kammern (2) und die Öffnungen (i6') in das Innere der hohlen Trennwände (3) münden. i2. Vorrichtung nach Anspruch io, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern -(i5) mit veränderlichem Volumen durch einen exzentrischen Körper erzeugt werden, der sich gegenüber dem mit den Kammern (2) versehenen Kranz be-,vegt, beispielsweise durch den Rotor (i3) eines Flügelkompressors, der im Innern des Kranzes angeordnet ist, welcher für den Rotor das Gehäuse bildet. 13. Vorrichtung nach Anspruch r2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Exzenterkörpers oder Kompressorrotors (i3) durch Drehung seiner Achse (O') um die Achse (O) des Kammernkranzes (i) zwecks Regelung des Einflusses des Kompensationsstromes veränderlich ist, wobei die Steuerung beispielsweise mittels eines Schneckenrades (ig) und einer Schnecke (20) erfolgt. 14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenterkörper oder Kompressorrotor (z3) in der gleichen Richtung und mit einer etwas größeren Geschwindigkeit umläuft als der Kammernkranz (2), so daß die Flügel (i4) stets dem Kammernkranz voreilen, wobei der Kranz zu diesem Zweck beispielsweise mit einer Innenverzähnung (i7) versehen ist, die mit einem auf der Welle des Kompressorrotors (i3) befestigten Ritzel (1S) in Eingriff steht.
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