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Verfahren und Vorrichtung zum Entspannen von Flüssigkeiten In der
chemischen Technik müssen häufig Flüssigkeiten, die, z. B. zum Auswaschen eines
Bestandteiles aus einem Gasgemisch, unter hohem Druck verwendet worden sind, wieder
auf einen geringeren Druck entspannt werden. Zur Wiedergewinnung der dabei frei
werdenden Energie, die zum Fördern einer Flüssigkeit gegen hohen Druck, z. B. der
für ein Waschverfahren notwendigen Waschflüssigkeit, verwendet werden kann, dienen
rotierende Maschinen, wie Pelton-Turbinen, oder Kolbenmaschinen, z. B. Wassersäulenmaschinen.
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Bei den bekannten Kolbenmaschinen wird der Druck der zu entspannenden
Flüssigkeit durch einen Kolben unmittelbar auf die unter Druck zu setzende Flüssigkeit
übertragen. Der Kolben, der als Trennwand zwischen der zu entspannenden und der
zu fördernden Flüssigkeit dient, trägt eine Kolbenstange, die durch den Zylinderdeckel
geführt ist. Sie bewirkt eine Verkleinerung der oberen wirksamen Kolbenfläche und
dient damit zur Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen der auf Druck zu bringenden
und der zu entspannenden Flüssigkeit, die zur Überwindung von Druckverlusten der
meist im Kreislauf geführten Flüssigkeit notwendig ist. Die Kolbenstange betätigt
außerdem durch ihre Bewegung die Steuerung für die Hauptabsperrventile,
d.
h. die Ventile für den Zulauf und den Ablauf der zu entspannenden Flüssigkeit. Diese
Ventile werden meistens hydraulisch betätigt, wobei die dazu erforderliche Druckflüssigkeit
durch eine Hauptsteuervorrichtung, die ihrerseits durch eine mit der Kolbenstange
mechanisch gekuppelte Vorsteuerung betätigt wird, gesteuert wird.
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Die Kolbenstange muß durch den Deckel des Zylinders, z. B. unter Verwendung
einer Stopfbüchse, herausgeführt werden. Die Verbindung zwischen der Kolbenstange
und der Vorsteuerung besteht aus einem Gestänge öder Ketten mit Nocken, Mitnehmern,
einem Getriebe od. dgl. Solche Übertragungsvorrichtungen machen selbst bei sorgfältiger
Wartung häufig Reparaturen notwendig. Dasselbe gilt für die Stopfbüchsen, die außerdem
oft zu die Umgebung belästigenden und gefährdenden Undichtigkeiten führen.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Kolbenmaschinen zur Wiedergewinnung
von Entspannungsenergie besteht in folgendem: Die notwendige Massenbeschleunigung
der frischen Flüssigkeit, der Reibungswiderstand des Kolbens in dem Zylinder sowie
der Kolbenstange in der Stopfbüchse und die Bewegung des Kolbens zum Ausschub der
entspannten Flüssigkeit aus dem Zylinder erfordern, daß die frische Flüssigkeit,
die auf die andere Zylinderseite geführt wird, zuvor auf höherenDruck gebracht wird.
Dazu ist es notwendig, daß die frische Flüssigkeit entweder aus einem hochgelegenen
Behälter der Kolbenmaschine zufließt oder durch eine besondere Pumpe auf den erforderlichen
Überdruck gebracht wird.
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Es wurde nun gefunden, daß sich alle diese Nachteile vermeiden lassen,
wenn der Kolben zum Ausschub der entspannten und zum Ansaugen der neu zu fördernden
Flüssigkeit durch einen mittels einer Flüssigkeit auf die Kolbenstange ausgeübten
Druck bewegt wird. Da die Kolbenstange einen verhältnismäßig kleinen Querschnitt
besitzt, ist es j notwendig, eine unter hohem Druck stehende j Flüssigkeit zu verwenden.
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Zweckmäßig wird dazu die zu entspannende oder eine unter Ausnutzung
der Entspannungsenergie auf hohen Druck gebrachte Flüssigkeit benutzt.
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Der Querschnitt der Kolbenstange wird so bemessen, daß die darauf
ausgeübte .Kraft zur "Bewegung des Kolbens ausreicht.
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Man kann die Kolbenstange z. B. selbst als Kolben, der sich in einem
Zylinder bewegt, ausbilden. Durch eine Steuerung wird eine Druckflüssigkeit wechselweise
in diesen Zylinder eingeführt und aus ihm entspannt. Dabei kann die Kolbenstange
selbst als Steuerschieber ausgebildet öder unmittelbar oder mit Hilfe eines Mitnehmers
mit einem selbständigen Steuerschieber, kurz Vorsteuerschieber genannt, verbunden
werden. Durch ihre Bewegung wird nach Erreichung bestimmter Stellungen eine Steuerflüssigkeit
umgesteuert, durch die sowohl die Hauptsteuervorrichtung der Kolbenmaschine wie
auch eine Hilfssteuervorrichtung für die auf die Kolbenstange wirkende Druckflüssigkeit
hydraulisch gesteuert wird. Bei zwei oder mehr Zylindern kann durch entsprechende
Schaltung der Steuerflüssigkeit erreicht werden, daß der Hauptsteuervorgang erst
stattfindet, wenn die Kolben eine bestimmte Stellung erreicht haben, wodurch stets
eine gegenläufige Bewegung der Kolben erzielt wird.
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Beide Steuervorrichtungen können entweder Schiel ber oder hydraulisch
betätigte Ventile besitzen. An Stelle eines Vorsteuerschiebers lassen sich auch
mechanisch betätigte Ventile benutzen.
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Das Wesen der Erfindung soll an Hand der schematischen Abbildungen
für den beispielsweisen Fall einer Zweizylindermaschine näher erläutert werden.
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Die Ab!b. i und 2 zeigen .die Arbeitsweisse einer Zweizylindermmchine
bei verschiedener Stellung der Kolben.
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In den Hauptzylindern Z, und Z2 bewegen sich die Arbeitskolben K1
und K2, die je eine Kolbenstange L, und L2 tragen. Die auf Druck zu bringende
Flüssigkeit wird durch die Leitungen ai, a2 über die Rückschlagventile Ri, R2 durch
die Leitungen bi, b. oberhalb der Kolben in die Zylinder eingeführt. Die auf Druck
gebrachte Flüssigkeit wird durch die Leitungen bi, b2, über die Rückschlagventile
R3, Rd, durch die Leitungen ci, c2 zur Verwendungsstelle gefördert. Die zu entspannende
Flüssigkeit wird durch die Leitungen d" d2 in die Zylinder unterhalb der Kolben
eingeführt und die entspannte Flüssigkeit durch die gleichen Leitungen wieder ausgestoßen.
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Die Kolbenstangen L" L2 sind an ihrem oberen Ende als Kolben ausgebildet
und bewegen' sich in den Zylindern Z3, Z4, die mit den Zylindern Z,, Z2 gleichachsig
verbunden sind. Sie sind als Hohlstangen ausgebildet und über die Mitnehmer M1,
Ml! mit den ebenfalls in den Zylindern Z3, Z4 sich auf und ab bewegenden Vorsteuerschiebern
V1, h2 verbunden. Die Zylinderräume oberhalb und unterhalb der Vorsteuerschieber
V,, TT2 stehen durch die hohle Achse dieser Schieber in einem Flüssigkeitsausgleich.
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Der als Zweiwegeschieber - ausgebildete Hauptsteuerschieber H verbindet
wechselweise die Zuflußleitung der zu entspannenden Flüssigkeit e mit den Leitungen
dl, d2 und bewirkt so das Füllen der Hauptzylinder Zi, Z? mit der zu entspannenden
Flüssigkeit. Gleichzeitig verbindet der Hauptsteuerschieber H entweder die Leitung
d1 mit der Entspannungsleitung f1 oder die Leitung d2 mit der Entspannungsleitung
f2. In den beiden Endstellungen des Hauptsteuerschiebers wird also jeweils einer
der-beiden Hauptzylinder Z1, Z2 durch die Fülleitung e mit zu entspannender Flüssigkeit
gefüllt, 'während aus dem anderen Zylinder die entspannte Flüssigkeit durch die
Leitungen -fi, f2 ausgestoßen wird.
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Durch den in gleicherWeise als Zweiwegeschieber ausgebildeten Hilfssteuerschieber
T wird wechselweise durch die Druckflüssigkeitsleitung g und die Leitungen hl, h2
der eine der beiden Druckflüssigkeitszylinder Z3, Z4 über der Kolbenstange mit Druckflüssigkeit
gefüllt, während der Zylinderraum
über der anderen Kolbenstange
durch die andere der beiden Leitungen hl; h2 in die Leitungen iv i2 entspannt wird.
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Die Umsteuerung der beiden Steuerschieber H und J erfolgt gleichzeitig
oder nacheinander durch wechselweise Förderung von Druckflüssigkeit durch die Leitungen
hl, 1i bzw. k2, 12 und -k1, m1 bzw. 4 in., auf die Stirnfläche
der Steuerkolben. Der Raum an der entgegengesetzten Stirnfläche ist während dieser
Zeit durch entsprechende Leitungen entspannt. Die Umsteuergeschwindigkeit der Kolben
kann durch Drosselorgane in den Leitungen 1" 12 b:zw. aaai. nr., eingestellt werden.
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Je nach der Stellung der Vorsteuerschieber T71, V2 wird entweder durch
die Leitung n1, n2 Druckflüssigkeit in die Leitungen k1, k2 geleitet, oder die Steuerflüssigkeit
wird durch Verbindung der Leitungen kl, k2 mit den Entspannungsleitungen o1, o2
entleert.
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Abb.. i zeigt die Maschine etwa in der Mitte des Hubes der beiden
Hauptkolben. Der nach links geschobene Hauptsteuerschieber H läßt von der Zulaufleitung
e durch die Leitung d1 zu entspannende Flüssigkeit in den -Hauptzylinder Z1 eintreten.
Infolgedessen bewegt sich der Kolben K1 aufwärts und drückt die über dem Kolben
stehende Flüssigkeit durch die Leitung bi, das Rückschlagventil R3 und -die Leitung
cl an die Verbrauchsstelle. Gleichzeitig wird von dem sich abwärts bewegendem Hauptkolben
K2 die unter dem Kolben im Zylinder Z2 befindliche entspannte Flüssigkeit durch
die Leitungen d2 und f2 ausgestoßen.
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Durch den ebenfalls nach links geschobenen Hilfssteuerschieber J fließt
die Druckflüssigkeit aus der Leitung g über die Leitung h. in den Zylinder Z4 und
bewirkt durch den auf die Kolbenstange L2 ausgeübten Druck den Abwärtsgang des Hauptkolbens
K" wodurch einerseits durch die Leitung d2 die entspannte Flüssigkeit ausgeschoben
und anderseits durch die Saugleitung a2, das Rückschlagventil R, und die Leitung
b2 frische auf Druck zu bringende Flüssigkeit in den oberen Zylinderraum gesaugt
wird. Die Flüssigkeit im Zylinder Z3 wird über die Leitungen hl, i1 ausgeschoben.
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Die geschilderte Stellung des Hauptsteuerschiebers H und des Hilfssteuerschiebers
J wird dadurch aufrechterhalten, daß die rechten Stirnflächen der Steuerschieber
über die Leitungen L2, k2 bzw. m2, k2 und den in seiner oberen Stellung befindlichen
Vorsteuerschieber V2 durch die Druckleitung zag unter Druck gehalten werden. Gleichzeitig
stehen die Räume vor den linken Stirnflächen über die Leitungen I1, k1 bzw. ml,
ki und den in seiner unteren Stellung befindlichen Vorsteuerschieber V1 mit der
Entspannungsleitung ol in Verbindung und sind infolgedessen drucklos.
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Abb.2 zeigt die Vorrichtung nach vollzogener Umsteuerung. Der Hauptkolben
K1 hat seine höchste Stellung erreicht. Durch die sich aufwärts bewegende Kolbenstange
ist der Vorsteuerschieber V1 in seine obere Stellung gebracht. Die Leitung k1 ist
dadurch mit der Druckleitung n1 verbunden, und auf die linke Stirnfläche der beiden
Steuerschieber ist Druckflüssigkeit getreten. Der Hauptkolben K2 hat seine tiefste
Stellung erreicht und durch den Mitnehmer 3i, den Vorsteuerschieber L'2 in seine
untere Stellung gezogen. Dadurch ist die Leitung h2 mit der Entspannungsleitung
o., verbunden, und die rechten Steuerräume der beiden Steuerschieber sind entspannt.
Infolge des Flüssigkeitsdruckes auf die linken Stirnflächen haben sich die beiden
Steuerkolben der Schieber H und- J-nach rechts bewegt. Dadurch hat der Hauptsteuerschieber
H den Ablauf der zu entspannenden Flüssigkeit im Zylinder Z1 über die Leitungen
dl, f1 freigegeben. Gleichzeitig strömt durch die Leitung e und die Leitung
d2 dem unteren Teil des Zylinders Z2 die zu entspannende Flüssigkeit zu und bewegt
den Kolben nach oben. Dadurch wird die darüber befindliche Flüssigkeit auf Druck
gebracht und durch die Leitung b2, das Rückschlagventil R4 und die Leitung c2 nach
der Verbrauchsstelle gefördert. Durch die erwähnte Bewegung des Hilfssteuerschiebers
J wird die über der Kolbenstange L, befindliche Flüssigkeit über die Leitung h2
mit der Entspannungsleitung i2 verbunden. Gleichzeitig tritt durch die Leitungen
g und h1 neue Druckflüssigkeit in den Zylinder Z3 und drückt den Kolben K1 abwärts,
wodurch einerseits die entspannte Flüssigkeit durch die Leitungen dl, fl ausgestoßen,
anderseits frische, auf Druck zu bringende Flüssigkeit durch die Leitung al über
das Rückschlagventil R1 und durch die Leitung bi in den Raum oberhalb des Kolbens
K1 angesaugt wird.
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Damit hat die Maschine einen neuen Arbeitstakt begonnen, der entsprechend
dem in Abb. i dargestellten verläuft.
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Als Druckflüssigkeit für die Zylinder Z3 und Z4, die die Hauptkolben
abwärts bewegen soll, kann man auch die zu entspannende Flüssigkeit verwenden. In
diesem Fall ist der Hilfssteuerschieber J entbehrlich, die Druckflüssigkeit kann
durch den Hauptsteuerschieber H mit umgesteuert werden.
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Diese Ausführungsform soll an Hand der Abb. 3 erläutert werden. Die
Leitungen p, und p2 verbinden die Leitungen d2 und d1 mit den Zylindern Z3 und Za_.
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Die Arbeitsweise ist gleich der in den Abb. i und 2 geschilderten,
mit der Ausnahme, daß jetzt die zu entspannende Flüssigkeit durch die Zulaufleitung
e sowohl in den unteren Teil des Zylinders Z2 als durch die Leitung pl in den Zylinder
Z3 geführt wird. In gleicher Weise wird die entspannte Flüssigkeit aus dem Zylinder
Z1 durch die Leitung d1 und aus dem Zylinder Z4 durch die Leitung p2 in die gemeinsame
Leitung f1 geführt.
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Man kann als Druckflüssigkeit für die Zylinder Z3 und Z4 auch die
durch die Leitungen n1 und n2 zugeführte Druckflüssigkeit, vorteilhaft die mit Hilfe
der Vorrichtung auf Druck gebrachte Flüssigkeit benutzen. In diesem Fall läßt man
die Druckflüssigkeit zweckmäßig unmittelbar durch die Vorsteuerschieber Vl, Tl2
steuern.
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Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt die Abb. d.. Die Leitungen ki,
k2 sind durch Leitungen g1, q2 mit den Zylindern Z3, Z4 in Höhe des oberen Endes
der.
Kolbenstange verbunden. Die Druckflüssigkeit für die .Zylinder Z3 und Z4 wird diesen
unmittelbar durch die Leitungen ml, k1, qi bzw. n2, k2, q2 zu-
geführt. Die
Wirkungsweise ist die gleiche wie in den vorher beschriebenen Fällen, Man kann schließlich
auch bei einer Mehrzylindermaschine von einem Vorsteuerschieber allein beliebig
viele Zylinder umsteuern lassen.
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Gegenüber den bekannten Kolbenentspannungsmaschinen hat die Vorrichtung
nach der Erfindung den Vorteil, daß die Erzeugung eines Überdrucks in der. der Vorrichtung
zulaufenden,. auf Druck. zu bringenden Flüssigkeit gegenüber der entspannten Flüssigkeit,
z. B. durch erhöhte Aufstellung des Zulaufgefäßes oder durch Verwendung von Zubringerpumpen,
unnötig ist. Die Vorrichtung saugt die Flüssigkeit selbst an und stößt die entspannte
Flüssigkeit selbst aus. Außerdem erfolgt die Umsteuerung hydraulisch, ohne außerhalb
der Zylinder angebrachte mechanische Steuervorrichtungen, die auch bei sorgfältiger
Wartung .oft Ursache von lästigen Störungen sind. Ein weiterer großer Vorteil .besteht
darin, daß keine Stopfbüchsen oder Abdichtungen -sich bewegender Teile nach außen
erforderlich sind.