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Verfahren und Vorrichtung zur Verdichtung von Gasen und Dämpfen Zur
Erzeugung von Druckluft und zur Verdichtung von Dämpfen werden Kolben- und Kreiselverdichter
verwendet. Jede der beiden Bauarten hat ihre günstigen und ungünstigen Eigenschaften,
die ihre Anwendungsgebiete bestimmen. Die wichtigsten Eigenschaften des Kolbenverdichters
bestehen in der Möglichkeit, den Druck in einer Druckstufe um einige Atmosphären
erhöhen zu können, aber auch in der stoßweisen Förderung, Abnutzung seiner bewegten
und abdichtenden Teile, die Reparaturen erforderlich machen, in dem Auftreten von
Massenkräften, die durch schwere Fundamente unschädlich gemacht werden müssen, und
in der Beschränkung der Ausführungsgröße mit Rücksicht auf die Wirtschaftlichkeit.
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Der Kreiselverdichter fördert hingegen stoßfrei, hat keine abdichtenden
Teile, außer Stopfbüchsen, und bedarf deshalb keiner Reparaturen, es treten keine
freien Massenkräfte auf und genügen daher leichte Fundamente für seine Aufstellung;
wenn aber einige Atmosphären Verdichtungsdruck gefordert werden, muß er aus mehreren
Druckstufen bestehen, und da wegen der notwendigen großen Umfangsgeschwindigkeiten
die Laufräder relativ große Durchmesser haben müssen, ist er nur für große Luftmengen
bzw. Leistungen ausführbar. Für kleinere und mittlere Druckluftleistungen kann daher
nur der Kolbenverdichter verwendet werden.
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Die Erfindung soll durch ein neues Verdichtungsverfahren einen Verdichter
schaffen, der die wichtigsten günstigen Eigenschaften der beiden vorgenannten Verdichter
in sich vereinigt, indem er bei guter Energieausnutzung wie der Kreiselverdichter
stetig und ohne Stoß fördert, keine der Abnutzurig
unterworfene
Teille besitzt, außer Stopfbüchsen, gleichzeitig aber wie der Kolbenverdichter in
einer Stufe den Druck um einige Atmosphären erhöht und für kleine, mittlere und
große Leistungen ausgeführt werden kann und außerdem noch andere Vorteile bietet,
welche an anderer Stelle angeführt sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt,
und zwar zeigt Abb. i die schematisch gezeichnete Ausführung eines Strahlverdichters
mit Kreiselpumpe zum Antrieb der Strahlflüssigkeit, Abb. 2 die Ausführungsform des
Diffusors eines Strahlverdichters für ein überkritisches Verdichtungsverhältnis,
Abb. 3 ein Düsenrad zum Antrieb der Strahlflüssigkeit eines Strahlverdichters durch
Beschleunigung ohne Druckerhöhung, Abb. 3 a einen Schnitt durch die Ldüfschaufeln
eines Düsenrades mit Ein- und Austrittsdreieck, Abb.3b einen Schnitt durch die Leitschaufeln
eines Düsenrades, Abb. q. eine Vorrichtung zur stetigen Regelung der Fördermenge
und Leistung eines Strahlverdichters mit Kreiselpumpe, Abb. 5 den gegabelten Druckstutzen
einer Kreiselpumpe zum Antrieb eines Strahlverdichters mit abgestufter Regelung
der Fördermenge und Leistung.
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Das neue Verfahren benutzt zur Verdichtung von Gasen und Dämpfen die
Energie eines Flüssigkeitsstrahles. Dieses Prinzip wird auch in der bekannten Wasserstrahlluftpumpe
angewendet. Die Durchführung der Verdichtung erfolgt aber in ihr in sehr ungünstiger
Weise. Es ist bekannt, daß diese Pumpe mit großen Verlusten arbeitet und die Antriebsenergie
des Strahles nur mit sehr geringem Wirkungsgrad ausnutzt. Sie wird aber trotzdem
zum Absaugen, von Luft aus Oberflächenkondensatoren von Dampfturbinen angewendet,
die sie nach ihrer Verdichtung in die freie Luft ausstößt. Der Grund für diese Verwendung
liegt darin, daß die Energieverschwendung in diesem Falle von geringer Bedeutung
ist, weil der Energiegewinn in der Dampfturbine durch die Kondensation ihres Abdampfes
ein vielemdl größerer ist als der Energieverbrauch der Pumpe und weil die Wasserstrahlluftpumpe
außer der einen ungünstigen Eigenschaft auch mehrere günstige zu verzeichnen hat.
Sie ist einfach, billig, hat keine bewegten Teile, fördert in stetigem Strom ohne
Stoß, verbraucht kein Schmieröl, ist immer betriebsbereit und zuverlässig im Betrieb,
erleidet auch in mehrjähriger Verwendung keine Abnutzung, bedarf daher keiner Reparatur
und wenig Wartung und nimmt überdies wenig Raum ein. Zur Erzeugung von Druckluft
von über i Atmosphäre ist sie wegen ihrer schlechten Energieausnutzung nicht geeignet.
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Die Verluste, welche in der bekannten Wasserstrahlluftpumpe auftreten,
sind von zweierlei Art. Die eine Art bilden solche Verluste, die in den Kreiselpumpen
und Wasserturbinen nicht auftreten und nur allein in dieser Pumpe zur Wirkung kommen.
Sie sind beträchtlich und machen stets wesentlich mehr als die Hälfte der Antriebsenergie
des Wasserstrahles zunichte. Die zweite Art bilden die Verluste durch Reibung, Stoß
und Wirbel, die auch in den genannten Maschinen auftreten. Während sie dort aber
auf ein geringes Maß beschränkt werden können, machen diese Verluste in der Wasserstrahlluftpumpe
wenigstens die Hälfte der restlichen Energie aus; die der Strahl nach Abzug der
Verluste erster Art behält, so daß die gesamte Energieausnutzung auf wenige Prozent
herabgedrückt wird. Diese Tatsachen verleiten zu dem ` Schluß, daß die Verdichtung
von Luft mit Hilfe eines Flüssigkeitsstrahles kein geeignetes Verfahren für diese
Energieumsetzung sei und überhaupt keine günstigere Energieausnutzung erwarten ließe,
weil trotz der Einfachheit dieser Pumpe so große Verluste in ihr auftreten.
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Diese Schlußfölgerung ist nicht richtig, denn es trifft gerade das
Gegenteil zu. Man kann mit Hilfe eines Flüssigkeitsstrahles Gase und Dämpfe mit
ebenso gutem Energiewirkungsgrad verdichten wie in einem Kolben-, zumindest aber
wie in einem Kreiselverdichter. Der Grund, weshalb das in der bekannten Wasserstrahlluftpumpe
nicht erzielt werden kann, liegt allein darin, daß ihre Konstruktion der besonderen
Art dieser Kraftübertragung in keiner Weise angepaßt ist.
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Diese Erkenntnis bildet den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung.
Es ist nämlich die Möglichkeit gegeben, auf Grund der Erkenntnis der Ursachen der
unten.geriannten fünf Verluste, welche in den bekannten Wasserstrahlluftpumpen auftreten
und ihre Energieausnutzung sehr ungünstig beeinflussen, Maßnahmen theoretischer
und konstruktiver Art abzuleiten, welche geeignet sind, die entsprechenden Verlustquellen
auszuschalten und diese Maßnahmen zur Grundlage der Konstruktion von Vorrichtungen
zu, machen, mittels deren das-Verfahren durchgeführt wird, so daß das neue Verfahren
mit einer Energieausnutzung arbeitet, die in den bekannten Kreiselmaschinen erzielt
wird und dadurch und durch die anderen günstigen Eigenschaften, welche mit diesem
Verfahren verbunden sind, gegenüber der Verdichtung im Kolben- und Kreiselverdichter
bedeutende Vorteile bietet. Ausgeschaltet werden folgende- Verluste: i. durch ungünstigen
Vorgang bei der Mischung von Flüssigkeit und Luft, 2. durch ungeeignete Form des
Diffusors, 3. durch Volumenverdrängung durch die Strahlflüssigkeit, q.. durch Austrittsgeschwindigkeit
der Strahlflüssigkeit, 5. durch Löslichkeit der Luft in der Strahlflüssigkeit.
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Der neue Strahlverdichter benutzt zur Energieübertragung auf den Flüssigkeitsstrahl
eine von einem Motor angetriebene Kreiselpumpe oder ein Düsenrad oder eine Zahnradpumpe.
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Die Ausführung mit Kreiselpumpe ist in Abb. i schematisch dargestellt.
Es bezeichnet i die von einem Motor durch die Welle i. angetriebene Kreiselpumpe,
welche durch den Saugstutzen :2 Wasser oder eine andere Betriebsflüssigkeit ansaugt
und
durch den Druckstutzen 3, der mit einem Absperrschieber 3a versehen
ist, und durch ein gekrümmtes Rohrstück 3b in eine Düse q. drückt. Aus ihrem Austrittsquerschnitt
f1 tritt das Wasser mit entsprechend großer Geschwindigkeit cl und mit dem Druck
von ungefähr i ata in einen Mischraum 5, der sich in der Strömungsrichtung, vom
Düsenquerschnitt f1 ausgehend, stetig auf den Querschnitt f2 derart erweitert, daß
sich der Strahl von der Wand nicht ablöst. Der Erweiterungswinkel darf deshalb höchstens
so groß sein, wie jener eines freien Strahles, der aus einer Druckleitung austritt
und bekanntlich die Form eines Kegels annimmt, weil Luft von der Seite in ihn eindringt.
Die Wand des Mischraumes ist mit gleichmäßig verteilten Bohrlöchern 5" versehen,
deren Achsen mit der Strömungsrichtung einen spitzen Winkel einschließen. Ein Teil
der Bohrlöcher ist durch einen Ring 5b von der Breite x abgedeckt. Es können aber
auch die Bohrlöcher erst im Abstand x beginnen. Wie auf einen freien Strahl wirkt
auch auf den im Mischraum strömenden Strahl die umgebende Luft durch Turbulenz und
dringt in ihn ein. Dabei wird die Größe der im Strahl entstehenden Luftbläschen
vom Durchmesser der Bohrungen 5" und die beigemischte Luftmenge durch die QuerschnittserweiterUng
f211 bestimmt. Sind die Bohrungen in der Wand gleichmäßig verteilt, so muß
auch die Verteilung der Bläschen im Strahl gleichmäßig erfolgen. Es ist selbstverständlich
auch möglich, die Luft mit Hilfe eines Ventilators durch die Bohrungen 5" in den
Strahl zu drücken. Während der Mischung ist der Druck im Mischraum zwischen den
Querschnitten f1 und f2 überall gleich groß, P1 = p2 = i ata, und unterscheidet
sich vom äußeren Luftdruck nur um wenige mm WS, um welche er im Mischraum kleiner
ist, je nachdem Luft angesaugt oder in ihn gedrückt wird. Auf diese Weise wird die
erste notwendige Grundlage für eine günstige Energieumsetzung im Strahlverdichter
geschaffen, nämlich die gleichmäßige Mischung des Strahlwassers mit Luftbläschen,
welche bei der bekannten Wasserstrahlluftpumpe nicht erzielt werden kann, weil dort
die Mischung unter Stoßwirkung in einer sich verengenden Mischdüse erfolgt.
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Während der Strömung im Mischraum nimmt die Strahlgeschwindigkeit
wegen der Wandreibung etwas ab und erreicht im Querschnitt f2 beim Eintritt in den
Diffusor 6 den Wert c2, der groß genug sein muß, damit der Strahl die nun erfolgende
Verdichtung der beigemischten Luft und seines eigenen Volumens auf den vorgeschriebenen
Druck durchführen und in den Raum, in welchem dieser Verdichtungsdruck p3 herrscht,
mit einer Restgeschwindigkeit c3 eindringen kann.
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Der Diffusor unterscheidet sich von jenem der bekannten Wasserstrahlluftpumpe
dadurch, daß er nicht einfach konisch, sondern bei einem überkritischen Verdichtungsverhältnis
ähnlich einer Lavalschen Düse geformt ist, indem seine Querschnitte zunächst eine
stetige Verjüngung von seinem Eintrittsquerschnitt f2 bis auf einen kleinsten Querschnitt
f.in aufweisen und erst anschließend eine stetige Erweiterung von f"1" auf den Austrittsquerschnitt
f3. Nur eine solche Form entspricht bei überkritischem Verdichtungsverhältnis der
unerläßlichen Forderung, daß die Geschwindigkeitsenergie des Strahles stetig und
ohne Stoß in Druckenergie umgewandelt wird. Nur in einem so geformten Diffusor gehört
zu jedem Querschnitt eine bestimmte Strahlgeschwindigkeit und ein bestimmter Druck,
deren Werte sich rechnungsmäßig bestimmen lassen. Auch das kritische Druckverhältnis,
welchem der kleinste Querschnitt entspricht, kann durch Rechnung bestimmt werden.
Die stetige Umwandlung der Geschwindigkeitsenergie in Druck bietet die einzige Möglichkeit,
die Strahlenenergie im Diffusor mit gutem Wirkungsgrad auszunutzen. Der neue Verdichter
entspricht dieser Bedingung.
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Im Diffusor der bekannten Wasserstrahlluftpumpe, der nur aus einem
Hohlkegel besteht, kann bei überkritischem Verdichtungsverhältnis keine stetige
Druckzunahme erzielt werden, weil sich die Zwischendrücke, welche den Querschnitten
entsprechen, die kleiner sein sollen als der Eintrittsquerschnitt f2 des Diffusors,
gar nicht entwickeln können, weshalb der Strahl fast bis gegen das Ende des Diffusors
den Anfangsdruck der Verdichtung (i ata) und seine Anfangsgeschwindigkeit c2 beibehält,
die Querschnitte auf dieser Strecke gar nicht ausfüllt und erst vor dem Ende des
Diffusors auf eine geschlossene Masse trifft, die sich dort unter dem Einfluß des
Gegendruckes zusammenballt. Auf diese Masse trifft der Strahl mit großer Geschwindigkeit
auf und gibt dabei seine Energie durch Stoß ab. In einem solchen Diffusor kann die
Verdichtung daher nur mit schlechtem Wirkungsgrad durchgeführt werden, der noch
dadurch weiter verschlechtert wird, daß das Luft-Wasser-Gemisch ungleichmäßig ist
und dadurch Anlaß zu Wirbelbildung gibt. In Abb. 2 ist der Längsschnitt durch einen
Diffusor herausgezeichnet. Er besteht aus zwei Kreisbögen mit den Halbmessern R1
und R2 oder zwei Parabelbögen und einer an den letzteren anschließenden Tangente,
welche den Winkel 992 mit der Achse einschließt. Diese Form ermöglicht nicht
nur eine stetige Umwandlung von Geschwindigkeit in Druck, sondern bietet auch den
Vorteil, daß der Druck im Diffusor, soweit die Bögen seinen Umriß bilden, fast bzw.
ganz geradlinig mit dem Weg ansteigt, während im konischen Ende nur ein ganz geringer
weiterer Druckanstieg erfolgt. Die Diagrammlinie p zeigt den Druckanstieg, welcher
mit dieser Diffusorfo4m erzielt wird, während die Linie c den entsprechenden Verlauf
der Strahlgeschwindigkeit angibt. Die Form des Diffusors weicht also von der Form
der Lavalschen Düse dadurch ab, daß diese knapp hinter dem kleinsten Querschnitt
in einen Hohlkegel übergeht. Würde man den Diffusor aus zwei Hohlkegeln zusammensetzen,
die durch eine kleine Abrundung ineinander übergehen, so würde der Druckanstieg
über den Diffusor ungleichmäßig verteilt sein. Die Strömung im Diffusor muß auch
der Forderung genügen, daß sich
der Strahl nicht von der Wand ablöst,
und müssen deshalb die Winkel 99, und 992 in bestimmten Grenzen gehalten
werden. Das Verhältnis des Druckes, welcher im kleinsten Querschnitt auftritt, zum
Anfangsdruck der Verdichtung (das kritische Druckverhältnis) hat keinen konstanten
Wert wie bei Gasen und Dämpfen, sondern einen veränderlichen, der vom Mischungsverhältnis
Luft- zu Wasservolumen im Eintrittsquerschnitt f2 des Diffusors, vom spezifischen
Gewicht der Strahlflüssigkeit und vom Quadrat der Strahlgeschwindigkeit e2 in diesem
Querschnitt abhängt.
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Während der Strömung im Diffusor werden die Luftbläschen im Strahl
entsprechend der Druckzunahme stetig kleiner. Im Austrittsquerschnitt f3 erreicht
der Druck seinen Höchstwert p3 und die Strahlgeschwindigkeit ihren kleinsten Wert,
den Wert der Restgeschwindigkeit e3' Mit diesem Druck und dieser Geschwindigkeit
tritt das Gemisch in den Trennungsbogen 7; hier wirkt auf das strömende Gemisch
eine Fliehkraft, welche das Strahlwasser nach außen und die leichte verdichtete
Luft nach innen drückt und auf diese Weise beide Gemischteile voneinander trennt.
Nach Umlenkung um 9o° ist die Trennung vollzogen und die Trennungslinie zwischen
Wasser und Druckluft eine Gerade senkrecht zur Krümmungsebene. Ein dünnes ebenes
Blech 9 trennt nun beide Gemischteile auch räumlich.
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Die verdichtete Luft strömt nun durch den Kanal 8, den Gehäuseteil
8, und das Absperrventil 8, in den Druckluftbehälter i i, der auch durch ein Sicherheitsventil
8e mit dem Gehäuse 8" verbunden ist. Er trägt den Entnahmestutzen 12 mit Entnahmeventil.
Das Strahlwasser strömt aus dem Trennungsbogen 7 in eine Leitung io, die es mit
entsprechender Querschnittserweiterung einem Kühler 13 zuführt, aus welchem es in
den Saugstutzen 2 der Kreiselpumpe i zurückgelangt. Das Ventil öd dient zum Ablassen
der Druckluft aus dem Gehäuse 8a. Das Strahlwasser beschreibt also einen Kreislauf
und hat beim Eintritt in die Kreiselpumpe den Druck p3, der im Verdichtergehäuse
8" herrscht, und beim Austritt aus ihr einen entsprechend höheren Druck. Dieser
muß so groß sein, daß er dem Strahlwasser beim Austritt aus der Düse 4 die zur Verdichtung
erforderliche Geschwindigkeit cl erteilt. Durch den Kreislauf des Strahles wird
die Energie zurückgewonnen bzw. aufgespeichert, welche dem Strahlwasser erteilt
werden mußte, damit sein eigenes Volumen auf den Druck p3 im Gehäuse 8" verdichtet
wird und damit es nach der Verdichtung die 4Restgeschwindigkeit c3 behalten kann.
Durch den Kreislauf wird der Volumenverdrängungsverlust und der Austrittsverlust
durch das Strahlwasser, welcher in der bekannten Wasserstrahlluftpumpe auftritt
und ihren Wirkungsgrad bedeutend verringert, ausgeschaltet und dadurch ein weiterer
Beitrag zu einer guten Energieausnutzung im neuen Verdichter geleistet.
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Der Gehäuseteil 8, hat eine sackförmige Vertiefung 8b, in welcher
sich mechanisch von der Druckluft mitgerissene Wasserteilchen absetzen können. Leitung
1q., welche die Vertiefung 8b mit dem Saugstutzen :2 der Kreiselpumpe verbindet,
hat den Zweck, das abgesetzte Strahlwasser wieder in den Kreislauf zurückzuführen.
Der geringe Druckunterschied an den Enden des Rohres 14 macht das möglich, wobei
das einstellbare Ventil 14a gestattet, die abfließende Menge dem Zufluß anzupassen.
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Um eine scharfe Trennung der Gemischteile beim Austritt aus dem Trennungsbogen
7 in die Abflüsse 8 und io durchführen zu können, hat das Trennungsblech 9 oben
eine scharfe Schneide, die aus ihrer Mittellage nach rechts und links durch Biegen
des Bleches verstellt werden kann. Die dazu erforderliche Verstellvorrichtung ist
nicht gezeichnet.
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Außer den bereits genannten Verlusten kann in einem Wasserstrahlluftverdichter
auch ein Energieverlust durch die Löslichkeit der Luft im Strahlwasser auftreten,
weil diese mit dem Druck ungefähr wächst, vorausgesetzt, daß sich die Temperatur
nicht ändert. Im neuen Verdichter gelangt das verdichtete Strahlwasser in die Düse
4, entspannt sich in ihr und scheidet dabei Luft ab, weil es bei geringerem Druck
nur weniger lösen kann. Wenn das Strahlwasser keine gelöste Luft enthält, so erreicht
es bei seiner Entspannung im Austrittsquerschnitt f1 der Düse den Druck p1 = i ata
bzw. den Druck im Mischraum. Wenn es aber Druckluft gelöst enthält, dann erreicht
der Strahl den Druck von i ata erst hinter dem Querschnitt f1 im Mischraum 5, und
zwar in einem Abstand x vom Querschnitt f l. Es ist deshalb notwendig, die
Bohrlöcher 5, auf dieser Strecke x abzudecken oder erst in diesem Abstand
die Bohrungen beginnen zu lassen, damit die gelöste Druckluft nicht seitlich auspuffen
kann und dadurch ein Teil ihrer Ausdehnungsenergie verlorengeht. Durch die Abdeckung
wird erzielt, daß die Ausdehnungsenergie der Luft bis zur Erreichung des Druckes
im Mischraum auf das Strahlwasser übertragen wird, indem diese zu seiner Beschleunigung
auf die Geschwindigkeit cl beiträgt. Dazu ist zu bemerken, daß während der Verdichtung
die Temperatur der Luft nicht konstant bleibt, sondern zunimmt und daß die Verdichtung
in sehr kurzer Zeit vor sich geht. Durch Temperaturerhöhung verringert sich die
Löslichkeit der Luft im Strahlwasser. Die Abdeckungslänge x muß deshalb praktisch
bestimmt werden.
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Der neue Verdichter erfüllt somit alle Bedingungen, die zu einer günstigen
Energieumsetzung erforderlich sind: i. Er führt ein gleichmäßiges Gemisch von Luftbläschen
und Strahlwasser von bestimmtem Mischungsverhältnis in den Diffusor ein und 2. dieser
verdichtet es bei stetiger Umwandlung.der Geschwindigkeitsenergie des Strahles in
Druckenergie; 3. er gewinnt jene Energie zurück, die der Strahlflüssigkeit erteilt
werden mußte, um ihr eigenes Volumen auf den Druck p3 im Trennungsbogen zu verdichten,
und 4. jene, welche der Restgeschwindigkeit c3 entspricht; 5. er macht es
auch
möglich einen Energieverlust durch die Löslichkeit der Luft im Strahlwasser auszuschalten.
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Die Ausführung mit Düsenrad unterscheidet sich von jener mit Kreiselpumpe
nur dadurch, daß an die Stelle der Kreiselpumpe ein Düsenrad tritt. Dieses ist in
Abb. 3 dargestellt. Es wird von einem Motor mit Hilfe der Welle i" angetrieben und
erteilt dem Strahlwasser die erforderliche Energie direkt als Geschwindigkeitsenergie,
indem es dieses auf die notwendige Geschwindigkeit c1 , die etwas größer sein muß
als c1, im Querschnitt f1 ohne Druckerhöhung beschleunigt, während in der Kreiselpumpe
dem Strahlwasser ein zusätzlicher Druck erteilt wird und die Umwandlung in Geschwindigkeit
erst in der Düse 4 erfolgt.
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Das Düsenrad besteht aus zwei Radkränzen 4, von denen der innere in
die Radnabe übergeht und zwischen welchen Schaufeln 4" die Verbindung herstellen.
Das Düsenrad ist in ein Gehäuse i mit Zulaufstutzen a eingebaut; sein Deckel trägt
feststehende Leitschaufeln 4b und in der verlängerten Radachse die zentrale Düse
4" welche insofern der Düse 4 der Abb. i entspricht, als aus ihr der Strahl mit
der Geschwindigkeitcl durch den Querschnitt f, in den Mischraum 5 eintritt.
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Das Düsenrad muß beim Anlassen mit Wasser gefüllt sein, was dadurch
erzielt werden kann, daß man es mit lotrechter Welle und nach aufwärts gekehrten
Düsen aufstellt. Der Eintritt des Wassers in das Düsenrad erfolgt durch große Querschnitte
f in axialer Richtung. Die Schaufeln 4, des Rades sind vorgekrümmt, um bei geringer
Umfangsgeschwindigkeit 2s dem Strahlwasser eine möglichst große absolute Austrittsgeschwindigkeit
c1' erteilen zu können, die etwas größer sein muß als c1 in der zentralen Düse 4"
weil auf dem Wege dahin ein Geschwindigkeitsverlust entsteht. Die Durchströmquerschnitte
des Rades verengen sich in der Strömungsrichtung bis auf den Austrittsquerschnitt
fl wie bei Düsen. Da der Druck p3 im Trennungsbogen 7 größer ist als der Druck pl
im Mischraum 5, so muß bei stillstehendem Rad das Strahlwasser aus seinen Düsen
mit einer relativen Geschwindigkeit w1' austreten, welche dem Druckunterschied
p. -p, entspricht. Durch die Drehung des Rades erhält das Strahlwasser beim
Austritt durch den Querschnitt f i' zu der relativen Geschwindigkeit wi noch
die Umfangsgeschwindigkeit u, welche sich mit w; zu der absoluten Austrittsgeschwindigkeit
cl zusammensetzt. Abb. 3 a stellt einen Schnitt durch die Laufschaufeln des Düsenrades
mit Ein- und Austrittsdreieck dar. Im Austrittsdreieck ist u stets die kleinste
Seite, weil der Energieaufwand zur Unterdrucksetzung des Strahlwassers, welchem
die relative Geschwindigkeit w,' entspricht, stets größer ist als jener zur Verdichtung
der Luft. Es ist daher die notwendige Beschleunigung des Strahlwassers von w; auf
cl' immer durchführbar.
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Nach dem Austritt aus dem Düsenrad gelangt das Strahlwasser in die
feststehenden Leitzellen 4b, welche in einem Kegelschnitt in Abb. 3b dargestellt
sind. Ihr Zweck ist einesteils, den dünnen ringförmigen Strahl, der aus dem Düsenrad
austritt, in mehrere Strahlen von möglichst geringem Reibungswiderstand zu zerlegen
und diese aus der Austrittsrichtung unter dem Winkel a1 gegen den Umfang in die
meridionale Richtung umzulenken. Gegen die Mitte zu vereinigen sich die Strahlen
wieder in der Düse 4,. Wenn das Strahlwasser im Düsenrad keine gelöste Druckluft
enthält, so erreicht es im Austrittsquerschnitt fl die größte Geschwindigkeit w1'
bzw. c,.' und strömt mit der letzteren der zentralen Düse 4, zu. Wenn aber das dem
Düsenrad zulaufende Druckwasser Luft gelöst enthält, so erreicht es im Querschnitt
f,' noch nicht den Druck im Mischraum, wenn das Verdichtungsverhältnis ein überkritisches
ist, und man kann die weitere Ausdehnung entweder in die Leitzellen verlegen, indem
man ihre Querschnitte in der Strömungsrichtung entsprechend erweitert, oder erst
in den Mischraum, wo dann eine Strecke x der Bohrlöcher wie bei der Ausführung mit
Kreiselpumpe abgedeckt werden muß. Im letzteren Fall bleiben die Querschnitte der
Leitzellen 4b gleich bzw. nehmen nur in dem Maße zu, wie sich die Geschwindigkeit
durch Reibung verringert. Das Düsenrad hat eine einfachere Wasserführung als die
Kreiselpumpe. Es erteilt dem Strahlwasser die notwendige Geschwindigkeit cl' zum
Unterschied von der Kreiselpumpe ohne Druckerhöhung, nur durch Beschleunigung. Es
ist daher möglich, daß es mit günstigerem Wirkungsgrad arbeitet.
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Die weitere Ausbildung des Verdichters ist dieselbe wie jene des Verdichters
mit Kreiselpumpe. Der Austrittsquerschnitt der zentralen Düse 4, ist auch der Eintrittsquerschnitt
f 1 des Mischraumes 5 wie in Abb. i. Die Rückleitung des Strahlwassers in das Düsenrad
erfolgt aus dem Kühler 13 in den Einlaufstutzen z.
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Die Ausführung mit Zahnradpumpe kann für die Verdichtung kleiner Luft-
oder Dampfmengen verwendet werden, z. B. in Laboratorien oder für kleine Kältemaschinen.
Sie kann in den kleinsten Abmessungen ausgeführt und mit hohen Drehzahlen betrieben
werden und ist geeignet, hohe Drücke zu erzeugen. Bei ihrer Verwendung muß aber
der Nachteil in Kauf genommen werden, daß sie der Abnutzung unterworfene Teile besitzt.
Dieser Verdichter unterscheidet sich von der Ausführung mit Kreiselpumpe nur dadurch,
daß an die Stelle der Kreiselpumpe die Zahnradpumpe tritt.
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Während des Betriebes wirkt im Trennungsbogen 7 der Druck p3 auf das
Strahlwasser. Mit diesem Druck gelangt es in den Saugstutzen :2 der Kreiselpumpe,
und seine Druckenergie wirkt in der Düse 4 zusammen mit der vom Motor an die Pumpe
abgegebenen Energie beschleunigend auf seine eigene Masse, die sich in der Düse
auf den Druck von i ata, der im Mischraum 5 herrscht, entspannt.
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Wenn der Verdichter abgestellt werden soll, so wird zunächst das Entnahmeventil
am Stutzen 1a und das Absperrventil 8" das das Gehäuse 8" mit dem Behälter i i verbindet,
geschlossen und das Entleerungsventil 8d geöffnet. Dadurch sinkt der
Druck
im Trennungsbogen 7 und Gehäuse 8" auf wenig über i ata und wird die Geschwindigkeit
cl, mit welcher das Strahlwasser aus der Düse 4 in den Mischraum 5 übertritt, wesentlich
_geringer, weil das Strahlwasser nunmehr nur noch durch die auf die Pumpe übertragene
Energie des Motors angetrieben wird, aber nicht mehr durch-den Überdruck P311 zwischen
Trennungsbogen 7 und Mischraum 5. Jetzt muß der Motor ausgeschaltet und der Schieber
3" der Kreiselpumpe bzw: der Schieber zum Absperren der Umlaufleitung 'geschlossen
werden, damit das Gehäuse der Kreiselpumpe mit Wasser gefüllt bleibt. Es tritt nun
ein Teil des Strahlwassers durch die Wandlöcher des Mischraumes 5 in das Auffanggefäß
15 und kann von hier durch das Rohr 16 und das zu öffnende Ventil 16" in
das Gehäuse 8" abfließen.
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Wenn der Verdichter bei mit Druckluft gefülltem Behälter i i angelassen
werden soll, so muß zunächst das Entleerungsventil 8d und das Ventil 16" geschlossen
und das Ventil 17" des Rohres 17, welches das Gehäuse 8, mit der Umlaufleitung
verbindet, geöffnet werden. Danach wird der Motor der Kreiselpumpe eingeschaltet
und der Schieber 3,
am Druckstutzen derselben geöffnet. Beim Anlauf setzt
die Pumpe den Strahl in Umlauf, wobei das im Gehäuse 8, angesammelte Strahlwasser
wieder in Umlauf kommt, und der Strahl beginnt, Luft in den Mischraum anzusaugen
und im Diffusor auf einen geringen Druck zu verdichten. Wenn auf diese Weise der
Druck im Gehäuse 8a um ein geringes Maß gestiegen ist, so wächst die Geschwindigkeit
cl, mit welcher das Strahlwasser aus der Düse 4 in den Mischraum 5 übertritt, da
es nicht mehr allein durch die Motorenergie in der Düse 4 beschleunigt wird, sondern
auch schon durch die Energie des Überdruckes im Gehäuse 8a. Auf diese Weise wächst
der Druck im Gehäuse 8" bis er schließlich den Wert p3 des vorgeschriebenen
Verdichtungsdruckes erreicht, und es beginnt durch das Sicherheitsventil
8, die Förderung in den Druckluftbehälter i i. Darauf werden das Absperrventil
8, und das Entnahmeventil am Stutzen 1a geöffnet, und die Druckluftentnahme beginnt.
Ist der Druckluftbehälter vor dem Anlassen nicht mit Druckluft gefüllt, so ist der
Vorgang derselbe, erfordert aber mehr Zeit.
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Der neue Verdichter gestattet in allen drei Ausführungen eine stetige
Regelung der Fördermenge und Leistung, in der Ausführung mit Kreiselpumpe auch eine
stufenweise. Die in Abb.4 dargestellte Vorrichtung dient zur stetigen Regelung.
Sie besteht aus dem zylindrischen Rohrstück 18, Welches durch den Stutzen 18" und
ein Leitungsrohr mit dem Druckluftbehälter i i in Verbindung steht und in den verlängerten,
gekrümmten Druckstutzen 3b der Kreiselpumpe eingesetzt ist. Am rechten Ende geht
das Rohrstück 18 in eine Düse 18b über, die zentrisch in die Düse 4 mündet. In das
Rohrstück 18 ist zentrisch und durch eine Stopfbüchse abgedichtet die Düsennadel
i9 -eingesetzt, die in ihrer Längsrichtung verstellt werden kann und dadurch gestattet,
die Düse i8b abzusperren oder ihren Mündungsquerschnitt verschieden groß einzustellen.
Diese Vorrichtung gestattet, Druckluft aus dem Behälter ii durch die Düse igb in
regelbarer Menge in das Strahlwasser der Düse 4 an jener Stelle einzuleiten, an
welcher der Druck etwas geringer ist als jener der Druckluft. Diese mischt sich
dem Strahlwasser bei und dehnt sich während der weiteren Druckverminderung in der
Düse 4 aus. Die Beimischung der Druckluft zum Strahlwasser bewirkt aber, daß der
Druck des Mischraumes nicht schon im Querschnitt f1 erreicht wird, sondern erst
in einem Abstand x von f l im Mischraum, der um so größer ist, je mehr Druckluft
dem Strahlwasser beigemischt wird, vorausgesetzt, daß die Bohrlöcher 5" auf der
Länge x abgedeckt sind. Der Schieber 5b muß daher so ausgeführt werden, daß er verschieden
große Längen x abzudecken gestattet. Durch die Abdeckung x wird erzielt, daß die
gelöste Druckluft ihre gesamte Ausdehnungsenergie an das Strahlwasser abgibt, indem
sie zu seiner Beschleunigung beiträgt. Das Ansaugen von frischer Luft erfolgt erst
hinter der Abdeckung x. Je mehr Druckluft durch die Düse i8b In, den Strahl eingeleitet
wird, desto weniger Frischluft wird angesaugt und in den Druckluftbehälter i i gefördert.
Dadurch verringert sich auch die vom Motor abgegebene Leistung.
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Die Ausführung des Verdichters mit Kreiselpumpe gestattet auch eine
abgestufte Regelung. Die Liefermenge einer Kreiselpumpe kann bekanntlich durch einen
Schieber am Druckstutzen in weiten Grenzen geregelt werden. Es ist daher auch möglich,
den Druckstutzen in zwei oder mehrere nebeneinander angeordnete Stutzen zu gabeln,
jeden mit einem Schieber 3, zu versehen und an jeden eine Verdichtungsbahn
mit Düse 4, Mischraum 5, Diffusor 6, Trennungsbogen 7 anzuschließen, die hinter
den Trennungsbögen alle in einen Sammelstutzen "münden und durch einen gemeinsamen
Kühler 13 zum Saugstutzen z der Kreiselpumpe zurückführen. Abb. 5 stellt
den verlängerten Druckstutzen 3b einer Kreiselpumpe in .Auf- und Grundriß dar, der
sich in zwei Stutzen gabelt und die Art der Ausführung erkennen läßt. Durch diese
Ausführung ist es möglich, einen Teil der Zweigleitungen durch die Schieber
3, in den einzelnen Druckstutzen zu schließen und so die gelieferte Druckluftmenge
und Leistung zu regeln. Der Schieber 3a genügt aber nicht, um eine Zweigleitung
abzusperren. Es muß auch ein Schieber vor ihrer Einmündung in den Sammelstutzen
zum Kühler angeordnet werden, der gleichzeitig mit dem Schieber 3a geschlossen oder
geöffnet wird, weil durch Ausschaltung einer Zweigleitung der Druck in ihr auf i
ata, absinkt, während der Druck im gemeinsamen Kühler 13 gleich ist dem Verdichtungsdruck
p3. Jede Zweigleitung inuß auch ihren eigenen Druckluftbehälter i i erhalten.
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Wie der Kreiselverdichter fördert der neue Verdichter Druckluft in
stetigem und stoßfreiem Strom und entwickelt keine Trägheitskräfte, die nach außen
zur Wirkung kommen; er arbeitet daher erschütterungsfrei, und es genügen leichte
Fundamente
zu seiner Aufstellung. Die Ausführungen mit Düsenrad und mit Kreiselpumpe haben
außer Stopfbüchsen keine der Abnutzung unterworfene Teile und erfordern daher wenig
Wartung und keine Reparaturen. Er liefert ölfreie Druckluft und kann mit hohen Drehzahlen
laufen und somit direkt vom Elektromotor angetrieben werden. Zum Unterschied vom
Kreiselverdichter kann er hohe Drücke in einer Druckstufe erzeugen, nimmt weniger
Raum ein als ein mehrstufiger Kreiselverdichter für denselben Druck und dieselbe
Druckluftmenge und ist einfacher als dieser.
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Er kann für alle Leistungen, in der Ausführung mit Zahnradpumpe sogar
für kleinste Leistungen ausgeführt werden. Im Kreiselverdichter für hohe Drücke
(Gasturbine) muß die Luft während der Verdichtung aus Betriebssicherheitsgründen
stark gekühlt werden, im Strahlverdichter erfährt die Luft nur eine minimale Kühlung,
weil die Verdichtung mit großer Strahlgeschwindigkeit auf kurzem Weg, also in sehr
kurzer Zeit erfolgt. Weil der neue Verdichter für alle Leistungen ausgeführt werden
kann, macht er es auch möglich, Gasturbinen für alle Leistungen zu bauen, was bisher
nicht möglich war, da Kreiselverdichter nur für größere Leistungen ausführbar sind.
Durch Verwendung des neuen Verdichters an Stelle des Kreiselverdichters bei Gasturbinen
wird der Wärmewirkungsgrad derselben verbessert, weil die Verdichtung wärmewirtschaftlich
günstiger durchgeführt wird.
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Er gestattet in der Ausführung mit Kreiselpumpe eine stufenweise und
eine stetige Regelung und in den Ausführungen mit Düsenrad und mit Zahnradpumpe
eine stetige Regelung der Fördermenge und Leistung. Im neuen Verdichter sind alle
Verluste vermieden, welche in der bekannten Wasserstrahlluftpumpe auftreten und
ihren Energiewirkungsgrad sehr ungünstig beeinflussen; daher arbeitet er mit einer
Energieausnutzung, wie sie in Wasserturbinen und Kreiselpumpen erzielt wird.
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Weil die Zeitdauer der gegenseitigen Einwirkung von Gas und Strahlflüssigkeit
während der Verdichtung sehr kurz ist, ist es auch möglich, Gase und Dämpfe im Strahl
zu verdichten, die eine wesentlich höhere oder tiefere Temperatur haben als die
Strahlflüssigkeit, ohne daß dadurch eine wesentliche Wärmeübertragung nach der einen
oder anderen Richtung zustande kommt.