DE800766C

DE800766C - Verfahren und Vorrichtung zur annaehernd isothermen Verdichtung von Luft oder Gas

Info

Publication number: DE800766C
Application number: DEP18593D
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl-Ing Schiel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1948-10-19
Filing date: 1948-10-19
Publication date: 1950-12-04

Description

Verfahren und Vorrichtung zur annähernd isothermen Verdichtung von Luft oder Gas Verdichtung \ o»> Luft, von Gasen und auch von Dämpfen wird in der Industrie viel angewandt. Für diesen Zweck benutzt inan entweder drehende .Maschinen (Kapselgebläse. Ventilatoren, Wasserringpumpeti. Schraubenpumpen usw.) oder solche mit hin- und hergehenden Teilen (z. 13. Kolbenver(lichter, Membranpumpen) oder Verdichter mit Flüssigkeitsstrahlen durch Düsen (z. B. Wasserstrahlpumpe, Injektor usw.).

Jeder dieser Verdichtungsart haften gewisse Vorteile, aber auch erhebliche Nachteile an. Es sind z. B. die Gase wegen ihres geringen spezifischen Gc Wichtes und ihrer Zusaminendriickbarkeit für drehende Maschinen an sich recht ungeeignet. Bci den Kolbenkompressoren wirken die hin- und hergehenden 'lassen, die schädlichen Räume, die glei tenden reibenden Teile, die Notwendigkeit der Ventile störend. Fast alle \-errlicliter leiden aber auch

iiiiter (leni sehr empfindlichen Mangel, daß sie statt

isotherin, polytropisch verdichten, dadurch mehr

tinverweii<lhare Wärnie als notwendig aus Arbeit

erzeugen und deshalb schlechten «'irktingsgrad

haben.

Günstig liegen in dieser Beziehung allerdings

die nassen Kompressoren. Diese lassen sich aller

nicht allgemein einführen, weil sie entweder viel

Raum beanspruchen (z. B. Verdichtung durch fal-

lendes Wasser in senkrechter Richtung) oder Teile

besitzen, die mit großer Geschwindigkeit und Druck

aneinander gleiten (z. B. Voith-Stauber-Kompres-

sor), oderDiisen mit engenQuerschnitten benutzen,

was zu viel Reibung und damit zu schlechtem Wir-

kungsgrad führt. Die Wasserringverdichter sind

zwar einfache 'Maschinen, ihr Wirkungsgrad wird

aber bei höheren Drücken sehr schlecht.

Mit dein hier vorgeschlagenen Verfahren zur

Verdichtung von Luft oder Gas und der an`=egebc-

neti Vorrichtung wird beabsichtigt, diesbezüglich

eine \'erl)esseruiig zu schaffen. Denn sie verdichtet

is(@therrn, besitzt leine gleitenden Teile oder rlivtli-

inisch bewegten Ventile und erscheint für :Antrieb

durch 1J'lrktronioti@ren oder Turbinen lx#sondet-s

geeignet.

Dein Kreiselverdichter tnit Umlaufflüssigkeit,

der den (jegenstand dieser Erfindung bildet, liegreii

folgende Cberlegungen zugrunde:

1. Bei Verdichtung von Gasen oder Luft in (i(@-

gen%\art und in möglichst inniger Mischung mit

Wasser (oder einer anderen Flüssigkeit) verläuft

die Verdichtung fast genau isotherm. Da aber die

Hüssigkeiten nicht in unbegrenzter Menge und un-

ter dein jeweils notwendigen Druck zur Verfügung

s stelien. so muß mit ihnen ein Kreislauf duicligefiilirt

werden, bei dem nicht nur die Arbeit für Verdich-

tung zii leisten ist, sondern auch die unvermeid-

lichen Verluste durch Reibung laufend zu decken

sind und Wä rrne abzuführen ist.

2. Die Gleichung von Bernoulli besagt, daß in

einem geschlossenen (horizontalen) System die

Summe von statischem Druck und Staudruck kon-

stant bleibt. Das gilt nicht mir für Düsen und Lei-

tungen. sondern ganz allgemein, also auch für Vor-

gänge innerhalb der Pumpen; mir wird in diesen,

i, ef;cii der Energiezufuhr, die Summe von Gü-

iwindigkeitshöhe und statischem Druck ent-

scl

sprecliend vergri*ßert, und an den gekrümmten Flä-

clien ist außerdem noch die jeweilige Fliehkraft-

wirkung mit in Betracht zu -ziehen.

3. Will man demnach Gas oder Luft durch ein

umlaufendesFlüssigkeitssystem verclicliten. soscillte

die Zufuhr möglichst an einem Ort großer, die Ab-

fuhr aber an einem Ort kleiner Geschwindigkeit

stattfinden. Außerdem muß der Zufuhrweg so ge-

staltet werden, (laß an der Übergangsstelle die Be-

wegungen von Flüssigkeit und Gas (oder Luft)

deichsinnig sind.

.@. Will man also die Verwendung von Düsen

oder ähnlichen Otierschnittsveränderungen auf (las

notwendige Mindestmaß beschränken, so scheint der

gegebene Ort für Gaszufuhr die Stelle der Purnpe

zu sein, wo möglichst die höchste Geschwindigkeit

licrrscht, für Gasabfuhr aber am einfachsten der

1 )oin eines Beruhigungsgefäßes, in dein die Ge-

schwiii(ligkeit praktisch null ist.

Als Pumpe eignet sich für die vorliegende

.'\ttf"-tl)c besonders die Kreiselpumpe, und zwar

siiwolil in der Abart der Zentrifugal- als auch der

Zentripetalpumpe, wenn sie so entworfen wird, dah

darin an leicht zugänglichen Stellen große Ge

:cli«-iii(ligi:eiten auftreten.

l,.in Beispiel einer Vorrichtung, die nach fliesein

Verfahren Gas oder Luft verdichtet, ist im folgen-

den dargestellt, wobei zur Erläuterung die Abb. t

bis ,I herangezogen werden.

alil>. i stellt einen einfachen, einstufigen Kreisel-

verdichter tnit Umlaufflüssigkeit bei Verwundung

einer Zentrifugalpumpe dar.

Abb. 2 zeigt die schematische Außenansicht eines

dreistufigen Verdichters.

_\1)b.3 schildert schematisch den Vorteil stark

Mach vorne gekrümmter Schaufeln für diesen Zweck,

zeit deren Hilfe inan die Geschwindigkeitshöhe

gegenüber (fier statischen 1)i-uckliölie groß halten

kann.

Abb.:4 stellt eine Ausführungsmöglichkeit der

Kreiselpumpe für diesen Z-,veck dar, `nenn man die

Zentripetrilpunipe verwendet, also eine Pumpe, die

mittels Scli<ilifscli2iufelti das Wasser entgegen der

Fliehkraft nach innen zwingt.

hierin bedeuten:

i das Gehäuse einer Kreiselpumpe, a deren

s;:lilanl; (etwa 8°) erweitertes Auslaufrohr, 3 das

lleruhigungsgefä ß, .4 die Rücklaufleitung zur

Pumpe, die großen Querschnitt liat, 5 das Luft-

einlaßrolii-, j den spiralförmigen Auslauf der

Pumpe. Er ist im Gegensatz zu den meist gebräuch-

lichen nur so weit erweitert, daß die Geschwindig-

keit der in ihm strömenden Flüssigkeit möglichst

groß 1>l(@ibt. 6 sind Ventile, mit denen die Luft-

zufuhr geregelt werden kann, 8 ist ein Schwimmer,

finit einem Ventil verbunden. Bei Senkung des Flüs-

sigkeitsspiegels wird die Austrittsöffnung für

Druckluft zum Rohr g freigegeben, bei Hebung des

Spiegels geschlossen. io ist die mit dem 'Motor i i

gekupl)elte :lritriebswelle. i<) ist eine wasserdurch-

flossene Kühlschlange. 12 ist eine Schaufel, bei der

in scliematisclier @\'eise ersichtlich wird, daß sie an

beiden Enden nach vorne gekrümmt ist und (1aß

dadurch aus der kleinen Geschwindigkeit c1 die

große Austrittsgescli-,vindigkeit c., entsteht. In der

Abb. d stellt 13 das (nicht konische) Zulaufrohr

dar, 1.1 das Puinpgehäuse, 15 die außen nach vorne,

innen aber nach rückwärts gekrümmten Schöpf-

schaufeln, 16 den spiralförmigen Zulaufkanal, der

so gestaltet ist, daß in ihre möglichst gleichblei-

liende Geschwindigkeit herrscht. i; und 18 stellen

den Auslauf dar. In diesem Falle erfolgt die Zri-

fuhr der zu verdichtenden Luft nicht außen, son-

dern hei der Öffnung 22 durch den Kanal des sich

nicht drehenden Kegels, an dem die feststehenden

Leitschaufeln 26 befestigt sind. 20 ist ein Wind-

kessel (11>li. 1). 21 die mit dein -Motor verbundene,

sich drehende Welle, an der die Schölifscliaufeln i 5

befestigt sind, die eben in diesem Falle die Lauf-

schaufeln darstellen. Mit der Stopfbüchse 23 wird

(las drehende Rohr ihnen und außen abgedichtet. Es

ist also außen und innen je ein Ring, der, durch

Scliraul)en atigezo<ren, die Packung nach innen

preßt. Bei der praktischen Ausführung ist diese

Stopfbüchse möglichst nahe an die Nabe zti setzen.

Mit c sind die absoluten, mit «w die relativen und

mit tr die Umfangsgeschwindigkeiten bezeichnet.

\Vill man Gien Ansaugdruck sehr niedrig halten, so#

muß auch noch die in .11i1>. i an der Peripherie der

Pumpe vorhandene statische Druckhöhe in Ge-

schwindigkeitshiihe umgewandelt werden. Das kann

:=esclichen (furch düsenartige Verengungen ryt.

Die Anlage arbeitet wie folgt:

Die 1Jlenietitc 1, 11, 111 sind mit Flüssigkeit ge-

füllt, aber noch drucklos. Der Motor i i wird an-

#,c

lassen. Nun stellen sich infolge der kreisenden

ilew(#@@un@l der Schauielräder die Druckunterschiede

ein. Von 2 iil)er 3 nach 1 findet praktisch, wegen

der großen()tt('rsclinittc, 1)rtickatisgleich statt. War

der Pruck vorher r ata. so kann er auch nach dein

:\illassell der Pumpe im @teruliigungsgefäß (der

Pilllll>e) 3 sticht steigest, (la ja jeder Raum mit Was-

ser gefüllt bleibt und nichts dazukommt. Die Ge-

scltwin(Li@'heiten sind überall, außer in der Pumpe

und ain htil.ie des Auslaufrohres 2, verli;iltni.sn)äßi,#,

klein, die Drücke bleiben also etwa i ata. Ins Lauf-

rad selbst nehmen sie stach außen hin wegen Ge-

sc@w-ituligkeitszttwac@s all, durch Fliellkraftwir-

kung aber zu. Wird die Flichkraftkomponente durch

entsprechende @cllallf('lallSl)ild@lng klein gehalten.

und wird auch der restliche. verbleibende Druck

durch die cliiseil:ii-tige \-erengung toi noch ill (JU-

so herrscht atn Ftiße

des Auslaufrohres 2 der kleinste Druck und nimmt

dann nach rechts fortschreitend wieder zu, bis er

für Donie des 1;erultigungsgc@äfles 3 wieder i ata

erreicht. I)ie gesamte Flüaigkeit beginnt im Uhr-

zeigersirin zu strüinen, erst beschleunigt, dann stellt

sich durch die Reibung eine gleichbleibende Strö-

mung ein. Die Kreiscll)utnl)e läuft also jetzt leer.

Da der Staudruck. von der Flielikraftwirkung ab-

gesehen. dein Quadrat der (;eschwindigkeit ver-

liiiltiiisgleicli ist, wird also schon im Spiralrolir ein

@ew-i:cer, in >letz 1)L@@eli aber ein starker Unterdruck

herrschen. -Null w erdest die Ventile 6 allmählich

gciitiriet (in den meisten Fiilletl genügt (las oberste

Ventil kurz vor dem Fulie des Auslaufrohres). Iss

strömt Luft ein; und da nun außer Wasser auch

noch Luft in der _\nlage untergebracht ist, wird

sich der Druck I)esonclers im Berilhigung=sgeiiß 3

allmählich erhöhen. lleiin Strömen durch das Aus-

laufrohr 2 w-ii-(1 die Luft mit (lein Wasser sehr innig

gemengt, praktisch isothernt verdichtet, steigt ins

Dons hoch und tritt durch (las Ventil in das Rolir 9

aus, sobald der Schwimmer öffnet. Der Schwimmer

iittitet das Ventil, wenn der Wasserspiegel sich

durch Druckabstieg gesenkt hat, weil dadurch Was-

ser in den Windkessel 2o gepreßt worden ist, der

:einerseits nach dein erwünschten Betriebsdruck

einregilliert ist. In der beschriebenen Art saugt

als() z. 1-l. das Element 1 Luft von i ata all und

drückt diese auf z. B. (i ata. Element II erhält Luft

von 6 ata und 1)reßt diese auf höheren Druck. Die

letzte Steigerung erfolgt durch Element 111, von

wo der Druck dann abgeleitet wird. Zur Regelung

sind die Drehzahl des Motors ii, die Ventile 6 und

der \\-indkessel(iruck einstellbar.

Soll die 7cntripetall)uinl)e (_11>l).1) verwendet

werden, so dient dazu die gleiche Anlage, jedoch

sinligem@i!.', alr@e:ilt>1ert. Das Wasser strömt elann

als() unter llcr \\ irktiiig der Schöpfschaufeln i3 \->,it

außen nach innen. Die Luftzufuhr erfolgt darin bei

jeder Pumpe für 7entrum (am Fuße des Kegel-

stumpfes des Rostres i3. Eintritt bei 22).

Will imm bei \-erw-cltdung der Zentripetalpumpe

(teil ganzen Druckanstieg innerhalb der Schöpf-

schaufeln vor sich gelicii lassen. so kann man die

Schautclform und (letz ( )verschnitt des Raumes

zwischen ihnen auch so gestalten, daß die Wasser-

gescil\ ill(ligl;Cit gleich bleibt. cl also gleich c_

In diesem Falle liluß dann aber zwecks Erzeugung

voll Unterdruck eilte Düse in das Zulaufrohr 13

eingeschaltet «-erden. in dein hohe Gescliw-itidig-

lceit. also gerin;@er Druck herrscht, und wo dann

auch die Luftzufuhr zti erfolgen hat. Eine solche

Konstruktion wäre a1)er eigentlich schon ein L'ber-

gang zur bekannten Stralilluftpumpe finit ihren Vor-

i»td Nachteilen.

l?s soll für das vorliegende Verfahren und die

\ m-richtung ohne Belang bleiben:

a) w-elclie Flüssigkeiten verwendet werden, ob

Wass(@i-. 01, Woodnietall, Quecksilber (hoher Druck

in einer Stufe und sehr guter

oder andere,

1)) wie der .-\litrieb erfolgt,

c) wie überhaupt die Einzelheiten der Konstruk-

tion durchgeführt «-erden, also wie die Abniessun-

gUli der Leitungen und der Pumpe gewählt werden,

genaue Schaufelform usw.,

(1) ob eine oder mehrere Pumpen oder Beruhi-

gungsgefäfie für den Kreislauf verwendet werden.

Claims

PATENT-l.',Si'1;('l:lii::

i. \-erfahren zur annähernd isotherinischen Verdichtung von Luft oder Gas durch Ver- wendung einer umlaufenden Flüssigkeit in Ver- bindung mit einer L'inw-älzpunipe, dadurch ge- ketniz.-ichnet, (saß die Flüssigkeit vorn Druck- rohr der Pumpe über ein druckfestes Bertilii- gu@grsget:il' ni<;gliclist reibungsfrei (lern Sang- rohr der gleichen Pumpe wieder zugeführt wird, wobei gleichzeitig in dem Teil der Pumpe, in dein (sie Flüssigkeit große Geschwiltcligkeit hat, Luft oder Gas etwas größeren Druckes, als an der betreffenden Stelle herrscht, eingeleitet wird, und daß aus dein oberen Teil des Bertiliigungs- gef:il.ies. in dein die Flüssigkeit ihre kleinste Geschwindigkeit hat, diese Luft oder dieses Gas unter holieni Druck abgeführt wird, während uriunterbrochener Kühlung des Flüssigkeits- strotlies. 2. Verfahren zur annähernd isothermischeli Verdichtung voll Luft oller Gas, dadurch ge- kennzeichnet, daß in einer Kreiselpumpe nlit stark nach vorne geneigten Schaufelenden an der Peripherie an einer Stelle. die so ausgebil- det ist, daß nahezu der gesamte statische Druck (ler Flüssigkeit in Gesch-,vindigkeit unigewan- dclt \\or(len ist (ioi Alb. i), Luft oder Gas züi- geführt wird, daß-darauf diese Luft oder dieses (las mit Wasser innig gemischt in einem kegelig schlalik erweiterten Rohr (2) infolge der Ver- zögerung der Flüssigkeit verdichtet wird, wor- auf sich das Gas oder die Luft im Donie eines Beruhigungsgefäßes ansammelt und von dort unter Druck entnommen wird, während (las Wasser Tiber einen Gegelistromkühler (ig) unter tuiliichster Vermeidung von Druckverlust zur gleichen Pumpe zurückfließt. 3. \ orrichtung zur Ausübung des Verfahren; nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die selbstt:itige Regelung des Luftaustritt=

durch Schließen einer Öffnung mittels eines von einem Schwimmer betätigten Ventils erfolgt, wobei der Flüssigkeitsspiegel seinerseits durch den Druck eines Windkessels einstellbar geregelt wird. ,4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verdichter an einer gemeinsamen Welle liegen (Abb. 2) und bezüglich des Gases oder der Luft derartig in Serie geschaltet sind, daß eine mehrstufige Verdichtung erfolgt, die die Form einer geometrischen oder auch arithmetischen Reihe haben kann. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis :4, dadurch gekennzeichnet, daß für niedere Drücke, aber große Mengen statt einer Zentrifugalpumpe eine Zentripetalpumpe (Abb. .4) verwendet wird, bei der das Schaufelrad gegensinnig zu der Flüssigkeit des Zulaufrohres dreht, deren Schaufeln (t5) außen stark nach vorne geneigt, innen aber rückwärts geneigt sind, wobei dann die Zufuhr der zu verdichtenden Luft oder des zu N 'erdichtenden Gases in den kegeligen, zentralen :@blaufstutzeli (18) an (lern Ende, an dem er an der Pumpe befestigt ist, erfolgt. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verdichtende Luft mit der umlaufenden Flüssigkeit auf dem Wege von der Pumpe zum Beruhigungsgefäß (3) innig gemischt bleibt, sei es durch Wahl einer entsprechend hohen Strömungsgeschwindigkeit, sei es durch Siebe, Drallbleche oder Verteilungsplatten im kegeligen Auslaufrohr (2 oder i8). . Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das kegelige Ablaufrohr (2 oder 18) eine solch große Länge (sei es nun gerade oder spiralförmig gekrümmt) erhält, daß die Luft mit dem Wasser genügende Zeit in inniger l;erührung bleibt, um die Verdichtungswärme weitgehend an dieses abzugehen.