DE822871C - Verfahren und Vorrichtung zur annaehernd isothermen Verdichtung von Luft oder Gas sowie zur annaehernd isothermen Entspannung derselben - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur annähernd isothermen Verdichtung von Luft oder Gas sowie zur annähernd isothermen Entspannung derselben Die Verdichtung und Entspannung von Gasen spielt auf vielen Gebieten der heutigen Technik eine überragend wichtige Rolle. Wesentlich ist sie nicht nur für die Kompressoren und Preßluftmotoren, sondern vor allem auch für die Wärmekraftmaschinen, für die Kühleinrichtungen; für die Wärmepumpe usw. Alle an diesen Einrichtungen auftretenden thermodynamischen Kreisprozesse ergeben nur dann größtmöglichste Leistung und Wirkungsgrad, wenn die Verdichtung und Entspannung hierbei bei gleichbleibender Temperatur, also isotherm vorgenommen wird. Gerade diese isothermen Zustandsänderungen werden heute aber kaum angetroffen, weil es an einer einfachen Einrichtung fehlt, sie ohne nennenswerte anderweitige Verluste durchzuführen. Der Zweck des hier beschriebenen Verfahrens t:nd der Vorrichtung ist es, aufzuzeigen, wie man durch eine verhältnismäßig billige Einrichtung, die keine hin und her gehenden Massen und keine gleitenden Teile, außer Lagern und Stopfbüchsen, besitzt, doch die Isotherme mit sehr großer Annäherung erreichen kann.
• Kennzeichnend hierfür ist folgendes: Die Druckveränderungen werden nicht am Gas oder an der Luft selbst, sondern an Flüssigkeiten vorgenommen, und zwar nachdem das Gas oder die Luft diesen zugemischt und in ihnen sehr fein verteilt worden ist. Da die spezifische Wärme für Flüssigkeiten im Verhältnis zu der der Gase sehr groß ist und der Wärmeübergang wegen der innigen Vermischung leicht vonstatten geht, sind die dabei auftretenden Temperaturänderungen unerheblich. Sie werden durch fortlaufende Kühlung oder Erwärmung der dabei eingesetzten Flüssigkeiten wieder laufend ausgeglichen. Diese Kühlung oder Erhitzung ist auch technisch günstig, weil ja die Wärmeübergangszahlen bei Flüssigkeiten viel größer sind als bei Gasen. Die Verdichtung und Entspannung wird einerseits durch Querschnittsänderungen in Leitungen, durch die die Flüssigkeiten strömen, erzielt, andererseits werden diese der Zentrifugalkraft ausgesetzt. Die Vorrichtung besteht also aus Zusammenarbeit von Pumpen, Turbinen, Strahlapparaten und Zentrifugen, die durch einen gemeinsamen Motor getrieben werden bzw. gemeinsam an einen Generator Leistung abgeben. Bei der Verdichtung fällt dem Strahlapparat, der ja an sich bei hohen Druckunterschieden nur mäßigen Wirkungsgrad hat, nur die Aufgabe der Vermischung und der Vorverdichtung zu, die eigentliche Kompression findet dann in der Zentrifuge statt.
• Zur Veranschaulichung des vorgeschlagenenVerfahrens und einer beispielsweisen Vorrichtung, die zu dessen Verwirklichung dienen kann, dient die Abbildung. Hierin bedeuten: i Strahlapparat, kann auch mit der Pumpe 2 zusammengebaut sein, 2 Pumpe, im Falle der Entspannung Turbine, 3 Welle, in Lagern 5 senkrecht gelagert, die unten den Motor 4, in der Mitte die Pumpe 2 und oben die Zentrifuge 7 bis 12 trägt, 4 Motor, vorzugsweise Elektromotor, 5 Lager, 6 Gestell, 7 Außenwand der Zentrifuge, 9 Innenwand der Zentrifuge, 8 ebene Schaufeln, z. B. aus Blech, die unten und oben sternförmig radial gerichtet sind, seitlich aber axial. Diese Schaufeln reichen unten fast bis zur Mitte, haben also die Höhe H, oben reichen sie aber nicht so weit nach innen und haben nur die Höhe h, io druckdichte Rohre, kreuzförmig angeordnet und mit der Innenwand 9 und den Rohren i i und 12 fest und dicht verbunden, i i senkrechtes Rohr für Druckluftaustritt, mit den drehenden Teilen der Zentrifuge fest verbunden, es dreht also mit, 12 senkrechtes Rohr für Wassereintritt, es dreht auch mit, 13 fest stehendes Rohr für Gemischzulauf, 14 fest stehendes Rohr für Druckluftablauf, i 5 fest stehender Deckel, an dem die Rohre 13, 14 und die Stopfbüchsen befestigt sind, 16 Rippenrohre, durch deren große Flächen die Verdichtungswärme ab oder die Entspannungswärme zugeführt wird. Bei großen Anlagen treten an dessen Stelle Wärmeaustauscher, Heizvorrichtungen usw., 17 Verbindungsleitung zwischen Pumpe 2 und Strahlapparat 1, 18 Regulierventil.
• Diese Abbildung schildert die Vorrichtung nur in vereinfachter, schematischer Art. Sie kann noch durch andere Teile ergänzt werden, z. B. durch Luftfilter.
• Die Rohre i i und 12 können auch anderweitig verbunden werden, so daß z. B. die Flüssigkeit durch das Rohr i i eintritt und durch das Rohr 12 die Druckluft entweicht. Es könnte auch die Welle 3 durchbohrt sein und die Flüssigkeit durch ein Rohr in dieser Bohrung zugeführt werden. Dann käme der Strahlapparat i direkt vor die Schaufeln 8 zu liegen, was günstig ist, um vorzeitige Entmischung von Flüssigkeit und Gas zu verhüten.
• Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt: Durch die Pumpe 2 wird ein flüssiger Stoff, z. B. Wasser, 0l, Woodmetall. Quecksilber, flüssiges Blei oder ein anderer Stoff durch die Leitung 17 zum Strahlapparat i über das Regulierventil 18 gepreßt. Hier wird Luft angesaugt, sehr innig mit der Flüssigkeit vermischt und in der Fangdüse vorverdichtet. Nun gelangt das Gemisch über das Rohr 12 zu den Schaufeln 8 der schnell drehenden Zentrifuge und durch sie nach außen. Hierbei steigt derDruck in der Flüssigkeit ganz erheblich, je nach Durchmesser und Drehzahl der Zentrifuge, z. B. auf 5o ata. Die in der Flüssigkeit fein verteilten Gasblasen «-erden allseitig zusammengepreßt; ihr Druck steigt also auch. Wegen des direkten Kontaktes mit der Flüssigkeit und der sehr großen Oberfläche der Blasen geht die Wärme aber sofort auf die Flüssigkeit über, die sich infolge ihrer großen spezifischen Wärme aber nur unwesentlich erwärmt. Damit ist die annähernd isotherme Verdichtung erreicht. Dort, wo die Innenwand 9 nach innen zurücktritt, sind die Schaufeln 8 innenseitig freigelegt, so daß hier das Gas, das sich unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft entmischt hat, schnell und restlos in das Rohr io gedrückt wird und über das senkrechte Rohr i i und die Leitung id entnommen werden kann. Während das Gas von außen nach innen strömt, wird es durch die Zentrifugalkraft von jeder Spur der etwa noch anhaftenden Flüssigkeit restlos befreit. Es ist also nach der Verdichtung nicht nur kalt, sondern auch ganz trocken, was sehr oft in der Technik von großer Wichtigkeit ist. Wird zuviel Gas entnommen, fällt also dessen Druck auf z. B. 3o ata, statt auf 50 gehalten zu werden, so dringt Flüssigkeit in das Rohr io ein bis der Flüssigkeitsspiegel mit dem Gas wieder ein Gleichgewicht erreicht hat; es wird aber dennoch keine Flüssigkeit nach außen gelangen. Die Flüssigkeit gelangt, nunmehr gasfrei, zwischen den Schaufeln 8 nach oben, läuft um die Strecke h nach innen und tritt dann in den fest stehenden Deckel 15 aus. Da sie noch mit einer gewissen Energie behaftet ist, so erhält der fest stehende Deckel 15 zweckmäßig noch entsprechend geformte Leitschaufeln, in denen die Geschwindigkeitsenergie in Druck umgewandelt wird. Nun läuft die Flüssigkeit schon wieder unter einem gewissen Druck durch die Rippenrohre 16, gilt die durch die Gasverdichtung aufgenommene Wärme an ein Kühlmittel ab und gelangt zur Pumpe 2 zurück, worauf sich der Vorgang wiederholt. Da die Schaufeln 8 unten weiter nach innen reichen als oben, wirkt die Zentrifuge durch den Unterschied zwischen H und h auch als Pumpe. Man hat es also durch entsprechende Wahl von H-h in der Hand, je nach Bedürfnis die Arbeit auf die Zentrifuge und die Pumpe verschieden zu verteilen. Da man alle Querschnitte groß wählen kann. die Pumpe nur einen kleinen Teil der Leistung aufzubringen hat und im Strahlapparat nur wenig vorverdichtet wird, so ist der gesamte Wirkungsgrad sehr gut. Das Rohr 12 und der Schaufelzwischenraum müssen so eng sein, daß sich Gas und Flüssigkeit nicht entmischen können. Zweckmäßig erhält deswegen das Gemisch beim Eintritt in das senkrechte Rohr 12 durch entsprechende Leitschaufeln etwas Gegendrall. Geregelt wird der Druck durch die Drehzahl, die Flüssigkeitsmenge durch das Regulierventil i8. und die Gasmenge bzw. Luftmenge durch Wahl der Düsen oder gegebenenfalls durch regelbare Eintrittsklappen.
• Soll die Anlage zur isothermen Entspannung dienen, so wird auf die Welle 3 noch eine kleine Pumpe gesetzt. Aus der Pumpe 2 wird dann eine Turbine, die noch eine Leitung für Gasablaß erhält. Dann findet die Strömung im umgekehrten Sinne statt. Die Flüssigkeit läuft, durch die neu vorgesehene Pumpe veranlaßt, durch die Rippenrohre 16 nach oben, wird hierbei erwärmt, läuft durch die Zentrifuge nach unten, nimmt, während sie höchsten Druck besitzt, aus dem Rohr io Gas von ebenso hohem Druck auf (hierzu werden zweckmäßig dann an dieser Stelle brausenariige Düsen eingebaut), gelangt unten in der Zentrifuge nach innen, entspannt hierbei zusammen mit dem Gas, kühlt sich dabei etwas ab und fließt schließlich durch das senkrechte Rohr 12 und die Leitung 17 zur Turbine 2. Der Strahlapparat i fällt in diesem Falle fort. Aus der Turbine gelangt die Flüssigkeit zur neuhinzugefügten Pumpe und der Kreislauf wiederholt sich. Das Gas entspannt sich dann unten in der Schaufel 8 annähernd isotherm, die Leistung wirkt sich durch Beschleunigung des Flüssigkeitsstromes aus, und durch diesen beschleunigten Flüssigkeitsstrom kann eben die Turbine dann die entsprechende Mehrleistung abgeben. Es handelt sich in diesem Fall also um eine Flüssigkeitsturbine, denn das Gewicht des mitgeschleppten Gases ist im Verhältnis zu dem der Flüssigkeit bedeutungslos. Im letzteren Falle ist es natürlich zweckmäßig, die Turbine möglichst dicht an den Schaufelaustritt zu bringen.
• Auf die geschilderte Art kann also annähernd isotherme Verdichtung und Entspannung bei gutem Wirkungsgrad durch eine einfache Maschine, die schnellaufend ist und darum klein gehalten werden kann, erreicht werden.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur annähernd isothermen Zustandsänderung von Luft oder Gas durch Versendung von drehenden Maschinen, die mit Antriebsmotor bzw. mit dem Generator auf gleicher Welle sitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft oder das Gas einer Flüssigkeit, die annähernd gleichen Druck und annähernd gleiche Temperatur besitzt wie diese Flüssigkeit, zugesetzt und in dieser innig verteilt wird, daß dann an diesem Gemisch, durch Hintereinanderschaltung von Düsen und Zentrifugen, Druckänderungen vorgenommen werden und dann das Gas dem Gemisch unter anderem als dem Eintrittsdruck wieder entnommen wird, wobei die umlaufende Flüssigkeit um den Betrag der durch die Zustandsänderungen verursachten Temperaturdifferenz dauernd abgekühlt bzw. dauernd erwärmt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i zur annähernd isothermen Verdichtung von Luft oder Gas, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft oder das Gas einer Flüssigkeit durch Strahldüsen innig beigemengt wird, worauf das Gemisch in das Innere einer Zentrifuge unter so großer Geschwindigkeit, daß eine Trennung der Luft-oder Gasblasen von der Flüssigkeit ausgeschlossen erscheint, eingeführt wird, wobei sich die Gasbläschen infolge der Druckzunahme annähernd isotherm verdichten, worauf die Luft oder das Gas an einer Stelle der Zentrifuge, wo großer Druck, aber kleine Geschwindigkeit herrscht, aus der Flüssigkeit wieder abgeschieden wird, um zur Verwendung zu gelangen, während die Flüssigkeit nachAbkühlung durch eine Pumpe der Strahldüse wieder zugeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i zur annähernd isothermen Entspannung von Luft oder Gas, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft oder das Gas unter Druck einer Zentrifuge an der Stelle, an der in dieser großer Druck, aber kleine Geschwindigkeit herrscht, eventuell unter Zuhilfenahme von Düsen, zugesetzt wird, worauf sie in der Zentrifuge, in innigem Kontakt mit der Flüssigkeit, gemeinsam mit dieser entspannt wird, wobei sie durch die Beschleunigung der Flüssigkeit Arbeit leistet, worauf sie nach dem Verlassen der Zentrifuge von der Flüssigkeit abgeschieden wird, während die Flüssigkeit nach Erwärmung, vorzugsweise durch die Außenluft, wieder der gleichen Zentrifuge zugeführt wird. Vorrichtung zur Ausnutzung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine mit einer Zentrifuge (7 bis 12) auf gleicher Welle (3) liegenden Pumpe (2) Flüssigkeit, z. B. Wasser, 01, Woodmetall, Quecksilber usw., einem Strahlapparat (i) zugeführt wird, in dem sie Luft oder Gas ansaugt und mit diesem innig gemengt wird, dann durch ein senkrechtes Rohr (12) mit hoher Geschwindigkeit zwischen die Schaufeln (8) einer Zentrifuge gelangt, hier verdichtet wird, worauf sich das Gas oder die Luft durch eine Öffnung in der Innenwand (9) der Zentrifuge von der Flüssigkeit abscheidet und unter Druck durch mit der Zentrifuge mitdrehende Rohre (io und i i) entnommen wird, während die Flüssigkeit aus der Zentrifuge durch mit Rippen versehene Kühlrohre (16) der Pumpe (2) wieder zuläuft. 5. Vorrichtung zur Ausnutzung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Flüssigkeit veranlaßt wird, durch eine Zentrifuge (7 bis 9) im ständigen Kreislauf zu fließen, entgegengesetzt den in der Abbildung eingezeichneten Pfeilen, wobei sie vor Eintritt in die Zentrifuge (7 bis 9) in einem Rippenrohr durch die Außenluft ständig erwärmt wird, während ihr in der Zentrifuge durch mitdrehende Rohre (io unrl i i) gegebenenfalls durch Verwendung von Mischdüsen Hochdruckluft oder Hochdruckgas zugesetzt wird, das im Zustand feinster Verteilung in der Zentrifuge zwischen deren Schaufeln (8) die Flüssigkeit beschleunigend und hierdurch Arbeit leitend expandiert, um durch (12, 13, 17), jedoch unter Ausschaltung des Strahlapparates (i), zu einer Turbine (2) zu gelangen, um von hier ins Freie zu entweichen. 6. Vorrichtung nach Anspruch ,4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel ( i @) der Zentrifuge mit Leitschaufeln versehen ist. j. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (9) der Zentrifuge nach innen so ausgebaucht ist, daß sich ein ringförmiger Sammelkanal für die Luft oder das Gas bildet. B. Vorrichtung nach Anspruch .4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (io, i i, 12), die Zentrifugenwände (7, 9) und die Schaufeln (8) (licht und fest miteinander verbunden sind. 9. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Enden der Schaufeln (8) auf der dem Antrieb entgegengesetzten Seite um eine geringere Länge (1c) nach innen reichen als auf der Antriebsseite. io. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Flüssigkeit durch ein Ventil (18) vorgenommen wird. i i. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kanäle zwischen den Schaufeln (8) so klein gehalten ist, daß die Geschwindigkeit des von innen nach außen strömenden Gemisches größer ist als die durch die @entrifugalk#-a;t 11,<",-\-()rgerufene Steiggeschwindigkeit der Luft- oder Gasblasen von außen nach innen. 12. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei größeren Verdichtereinheiten der Strahlapparat (i ) ini iiiiieri@ der Zentrifuge unmittelbar vor den Eintrittskanten der Schaufeln (8) angebracht ist, wobei je eine Düse für je einen Scliaufelzwisclienraum vorgesehen ist, diese Düsen mit der Zentrifuge mitdrehen und die l.iiftzufiihrai- @->(aei- (lie Zuführung der Flüssigkeit durch eine Bohrung der Welle (2) erfolgt. 13. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die \'orspannung des Gemisches durch den Strahlapparat (i) derartig hoch, z. B. 5 ata, ist, daß die Gefahr einer Entmischung bei der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeit von z. B. io m/sec nicht mehr auftritt. 14. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zu den Zulauf- und Ablaufrohren (13 und i4) so nachgiebig ist, z. B. durch Verwendung von Schläuchen, daß die übliche nachgiebige Bauart der Zentrifugen Verwendung finden kann. 15. Kombination der Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Maschine zur Verdichtung mit einer anderen zur Entspannung in Serie geschaltet ist, so daß außer den beiden Flüssigkeitskreisläufen auch ein Gas- oder Luftkreislauf stattfindet, der einen Kreisprozeß ergibt, der zwischen zwei angenäherten Isothermen und zwei angenäherten Isobaren liegt und je nach Wahl der Temperaturen bei der Wärmezufuhr oder der Wärmeabfuhr entweder eine Wärmekraftmaschine oder eine Kältemaschine bzw. eine Wärmepumpe ergibt.