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Einrichtung zum Abkühlen eines verdichteten Gasstromes Es ist bereits
bekannt, einen verdichteten Gasstrom längs der Umfangsrichtung eines Umdrehungshohlkörpers
umlaufen zu lassen, dieses Gas dadurch zu entspannen und in einen aus der Umfangszone
des Hohlkörpers entweichenden erwärmten Teilstrom sowie in einen der Kernzone entsta.nimenden
abgekühlten Teilstrom zu zerlegen. Weiterhin ist es, bekannt, das verdichtete Gas
einer Vorkühlung zu unterwerfen und hierfür -den kalten Teilstrom auszunutzen. Der
Temperaturabfall, der in -dem für Kühlzwecke verwendbaren, aus der Kernzone des
Hohlkörpers zu entnehmenden Teilstrom auftritt, ist nach den vorliegenden Versuchsergebnissen
stark abhängig von dem Mengenverhältnis des kalten- Teilstromes zur Gesamtgasmenge.
Zahlreiche mit Druckluft und anderen verdichteten Gasen angestellten Untersuchungen
haben übereinstimmend ergeben, daß die größte Temperaturabsenkung auftritt, wenn
der Kernstrom etwa 25 bis 30% der Gesamtgasmenge beträgt.
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Die Erfindung liegt nun in der überraschenden Erkenntnis, daß bei
.der Vorkühlung des verdichteten Gases mittels des aus der Kernzone des Hohlkörpers
entweichenden abgekühlten Teilstromes besonders starke Kühlwirkungen erreicht werden,
wenn erfindungsgemäß der kalte Teilstrom wesentlich mehr al,s 25 bis 300/a,
und zwar mindestens 70"/o der Gesamtgasmenge beträgt. Beim Erfindungsgegenstand
entsteht in ,dem für Kühlzwecke verwertbaren Teilstrom zwar nur ein geringer Temperaturabfall.
Da dieser Teilstrom jedoch einen wesentlichem Anteil der verdichteten Gesamtgasmenge
bildet und daher diese verdichtete Gasmenge vor ihrem Eintritt in den Hohlkörper
wirksam
kühlen kann, so ergibt sich beim Betrieb der Einrichtung
@gemäß@ ,der Erfindung sehr schnell ei-nie bis zu einem sehr niedrigen Temperaturgrenzwert
fortschreitende Temperaturabsenkung im verdichteten Gas.
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D iesestarke Temperatur.absenkungkann beispielsweise in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung dazu ausgenutzt werden, um ohne Anwendung von ständig zu erneuernden
Absoirptionrsmitteln unter Druck stehende Gase oder Luft von :den mitgeführten verflüssigbaren
Bestandteilen, insbesondere vom Wasserdampf, in einem bisher unerreicht hohen Ausmaß
zu befreien. Durch :den Erfindungsgegenstand können bereits .bei Verdichtungsdrücken
von 6 bis io atü Trocknungsgrade erreicht werden, die mit den bekannten Gastrocknungsanlagen
unter Verwendung eines Verdichters und eines wassergekühlten Abscheiders erst,durch
wesentlich höhere Verdichtungsdrücke unter Aufwendung einer um ein Vielfaches größeren
Verdichtungsleistung verwirklicht werden könnten. Die Einrichtung gemäß der Erfindung
kann daher mit Vorteil in Anlagen zur Erzeugung und Ausnutzung von Ofenschutzgasen
angewendet werden, denn in derartigen Anlagen ist ein möglichst geringer Wasserdampfgehalt
sehr erwünscht.
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Dem Umdrehungshohlkörper kann ein für Kühlzwecke mit besonders günstigem
Wirkungsgrad ,ausnutzbarer Teilstrom entnommen werden, wenn in an .sieh bekannter
Weise die die Umlaufbewegung des Gases im Hohlkörper bewirkende Leitvorrichtung
z. B. als Lavaldüse ausgebildet wird, so da:ß das Gas mit Überschallgeschwindigkeit
umlaufen muß.
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In der Zeichnung zeigt Fig. i ein Schema einer Einrichtung gemäß der
Erfindung, und Fig. 2 und 3 zeigen je ein en@ Quer- und längs, schnitt durch :die
Einrichtung zum Erzeuigen des Temperaturabfalles; Fig. ¢ veranschaulicht einen Querschnitt
durch eine besonderes zweckmäßige Ausführungsform einer derartigen Einrichtung und
Fig. 5 eine Kurventafel.
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In die Förderleitung 5 eines duzch einen nicht ,gezeichneten Verdichter
auf etwa 6 bis io atü verdichteten Gases isst ein Vorkühlet 6 eingeschaltet. Der
in diesem Kühler sich niederschlagende Teil der Gasfeuchtigkeit wird in einem nach
Art eines Kondenswasserableiters, gestalteten Sammelgefäß 8 abgeschieden und über
einen Auslaufstutzen 7 abgeleitet. Das bei der im Kühler 6 erreichten Endtemperatur
und beim Verdichtungsdruck gesättigte Gas gelangt über eine Leitung g in einen Gegenstromwärmeaustauscher
io, an dessen Stirnenden durch zwei Zwischenwände 12 und 13 je eine, Eir-und Auslaßkammer
abgeteilt ist. In die Zwischenwände sind. beiderseits offene Kühlrohre i i dicht
eingesetzt. Das aus diesen Rohren in die Auslaßkammer des Wärmeaustauschers io austretende
verdichtete Gas strömt über eine kurze Rohrleitung 1q. in eine Düse 16 (Fig. 2 und
3), die tangential in einen Umdrehungshohlkörper 15 einmündet. In diesem Hohlkörper,
der die Gestalt eines zylindrischen Rohres besiitzt, befindet sich eine Ringbdende
17 init einer Axi.albohrung 18. Ein .durch diese Öffnung ausströmender entspannter
abgekühlter Teilstrom kann über eine Leitung i9 in den vom Mantel des Wärmeau:stauschers
io gebildeten Hohlraum und von dort in eine Verbrauchsleitung 2i abfließen. Ein
anderer Tdbstrom dagegen, der dem längs der Innenwand des Hohlkörpers
15 mit großer Geschwindigkeit umlaufenden Gas entstammt und sich dabei erwärmt,
gelangt über einen Ringschlitz 2o in eine Zweigleitung 23, die in die Verbrauchsleitung
2i einmündet. Der durch den Ringschlitz gebildete Durchlaßquersehnitt an der S tiirnkante
,des Rohres 15 kann durch einen Ventilteliler 25 mittels eines Handgriffes 24 verändert
werden. ' Wird nun der Durchgangsquerschnitt in @diesem Ringschlitz 2o gegen d.ie
lichte Weite der Blenderöffnung 18 so abgestimmt, daß der in den Wärmeaustauseher
io eintretende kalte Teilstrom mindestens das o,7fache der durch die Düse 16 zugeführten
Gesamtgasmenge beträgt, so ist, wie aus Fing. 5 hervorgeht, die im Hohlkörper 15
.erzielte Abkühlung dt zwar wesentlich kleiner als der bei z = 0,25 bis
0,3 erreichbare Höchstwert von etwa 6o° C. Trotzdem wird, wie Kurve a zeigt,
das verdichtete Gas besondexs tief abgekühlt, wenn z größer als 0,7, zweckmäßigerweise
etwa gleich o,9 ist. Bemerkenswert ist, daß in diesem Bereiche sogar der Wirkungsgrad
q der Energieumsetzung bereits seinen. etwa :beim Werte z = o,6 zu verzeichnenden
Höchstwert längst überschritten. hat. Während die Kurve a den Verlauf des, bei Vermeidung
jeglicher Wärmezuführung von außen, also bei vollkommener Isolierung des Wärmeaustausdhers
sowie bei vollständigem Temperaturausgleich zwischen den wärmeaustauschenden Gasströmen
erzielbaren Temperaturabfalls im verdichteten Gas darstellt, gibt .die: Kurve b
den. Verlauf des Temperaturabfalls wieder, der noch in -einem verhältnismäßig unvollkommenen
Wärmeaus.tauscher erreicht werden kann.
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Infolge der beim Erfindungsgegenstand im Wärmeaustauscher io erreich-baren
niedrigen Temperaturen fallen die mit dem verdichteten Gas zugeführnten, :durch
Kühlung niederzuschl wenden Bestandteile fast vollständig aus. Wenn diese Bestandteile
flüssig bleiben, können sie in einem zweiten, dem Flüssigkeitssammler 8 ähnlichen
Abscheider 28 selbsttätig abgeleitet werden. Falls die niederzuschlagenden Stoffe,
wie beispielsweise die Gasfeuchtigkeit bei -den tiefen Temperaturen, feste Niederschläge
an den Wärmeawstauschflächen b31-den, kann. der Betrieb durchgeführt werden mit
zwei gleichartig gebauten und abwechselnd in: die Gaswege einzuschaltenden Wärmeaustauschern,
von denen jeweils der eine zum Abtauen der Niederschläge abgeschaltet ist.
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Die Entstehung von Reifansätzen kann jedoch auch vermieden und ein
steter Betrieb mit nur einem Wärmeanistaus@cher aufrechterhalten werden, wenn der
vor der Zwischenwand 12 befindlichen
Kammer des Wärmeausstauschers
io gemäß Fi;g. i durch eine Leitung 27 ein das Einfrieren verhinderndes Lösungsmittel
zugeführt wird, das z. B. in einen porösen Stoff 29 verteilt und von -dem durch
diesen Stoff hindurchtretenden verdichteten Gas aufgenommen wird. Dieses Lösungsmittel
benetzt die Innenwandungen der Rohre i i und bewirkt dadurch, .daß .die -durch den
Kühlvorgang ausfallenden Bestandteile, insbesondere die Gasfeuchtigkeit in flüssigem
Zustand. durch den Abscheider 28 stetig abgeführt werden können.
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Wenn die Mündung der Leitung i9 im Hohlkörper 15 eine der Blendenöffnung
18 entsprechende lichte Weibe besitzt, kann. die Blende 17 erspart werden. Aus der
in Fig. 2 dargestellten Düse 16 tritt das verdichtete Gas mit Schallgeschwindigkeit
aus. Durch die in Fisg.4 dargestellte Formgebung der tangential in den Hohlkörper
einmündenden Vorrichtung zur Zuführung des gasförmigen: Arbeitsmittels können jedoch
auch Überschall;geschwin, digkeiten erzielt werden, die eine beträchtliche Steigerung
der Umlaufgeschwindigkeit im Hohlkörper 15 und @damit eine erheblich größere Kühlwirkung
bedingen. Bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel wird dies erreicht durch eine
schwach konisch gestaltete sobgenannte Lavaldüse 30, deren engster Querschnitt der
Zuführungsleitung 14 zugekehrt ist.
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Eine besonders, vorteilhafte Anwendung für die Einrichtung gemäß der
Erfindung ergibt sch bei Anlagen zur Schutzgaserzeugung und -verwendung, bei denen
in an sich bekannter Weise ein hrennbares Gas und Luft in solchem Mischungsverhältnis
verbrannt werden, daß der Luftsauerstoff restlos aufgebraucht wird, und bei denen
die unter Druck stehenden Verbrennungsgase zwecks Entfernung des Feuchtigkeitsgehaltes
abgekühlt werden. Der Erfindungsgegenstand bietet die Möglichkeit, einen Teil der
aufgewendeten Verdichtungsarbeit in Form einer für diesen Zweck besonders wirksamen
Kälte-Leistung auszunutzen und dabei Trocknungsgrade zu erreichen, die beiden bekannten
Einrichtungen nur bei Anwendung wirtschaftlich nicht zu rechtfertigender Verdichtungsdrücke
hätten verwirklicht werden können.