DE14864C - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen und Trocknen von Luft - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung bezweckt die Kühlung von Räumen oder Gegenständen durch kalte Luft, die durch ein neues und eigentümliches Verfahren erzeugt wird. Dieses neue Verfahren, welches den Gegenstand der Erfindung bildet, ist im wesentlichen folgendes:

Es wird comprimirte Luft, die eine niedrigere Temperatur hat als der zu kühlende Raum oder die zu kühlenden Gegenstände, dadurch erzeugt, dafs zunächst ein hoher Grad von Compression in mäfsig kalter Luft durch successive Aufeinanderfolge von Einzelcompressionen ohne Zwischenexpansionen aber mit gleichzeitigem Abkühlen erlangt wird und dann die Luft durch successive Aufeinanderfolge derEinzelexpansionen expandirt, wobei nach den. ersten Expansionen die noch immer comprimirte Luft auf eine solche Temperatur gebracht wird, dafs sie dem zu kühlenden Raum etc. Wärme entzieht, ehe sie noch weiter expandirt.

Eigenthümlich ist auch an diesem Verfahren die Art und Weise, die Expansionskraft der comprimirten Luft zu vermehren und dadurch ein Maximum von Arbeitskraft und Kälteeffect zu erzeugen.

Dies wird dadurch erreicht, dafs die noch comprimirte Luft, nachdem sie theilw eise expandirt hat, der Wand des zu kühlenden Raumes etc. Wärme entzieht, und dafs dann die weiterhin expandirende Luft Arbeit leistet.

Der zur Ausführung dieses Verfahrens benutzte Apparat, welcher gleichfalls Gegenstand der Erfindung ist, besteht in der Verbindung eines Kühlraumes mit einer Luftcompressionsmaschine oder mit mehreren Compressoren, und mit einem oder mehreren Kühlern zum Kühlen der comprimirten Luft, wobei eine erste mit comprimirter Luft, welche aus jenen Compressoren hervorgeht, getriebene Maschine dazu benutzt wird, die Luft zu expandiren und weitere durch comprimirte Luft getriebene Ma-'schinen die fernere Expansion der Luft bewirken; ferner dienen ein oder mehrere Apparate, vermittelst welcher durch Wärmeaufnahme von der Wandung des Kühlraumes die theilweise expandirte Luft während ihres Weges nach jenen weiteren, mit Luft getriebenen Maschinen erwärmt wird. Auf diesem Wege gewinnt die Luft an Expansivkraft, ehe sie noch weiter expandirt.

Zum Kühlen der comprimirten Luft kommt hier nur Wasser zur Anwendung und von allen Compressoren wird nur einer direct durch eine Dampfmaschine oder sonst einen Motor bewegt.

Die Construction des zur Anwendung kommenden Apparates ist aus der beiliegenden Zeichnung näher zu erkennen.

In der Zeichnung ist:

Fig. ι die Vorderansicht der Maschinen, welche oben angedeutetem Zwecke dienen;

Fig. 2 der Grundrifs;

Fig. 3 die Seitenansicht derselben;

Fig. 4 Endansicht des Kühlers;

Fig. 5 Seitenansicht;

Fig. 6 Horizontalschnitt durch denselben;

Fig. 7 Details der Verbindungsröhren;

Fig. 8 und 9 Grundrifs und Ansicht des ganzen Apparates, in schematischer Weise die Construction andeutend.

A, Fig. 8 und 9, ist der zu kühlende Raum,

B, Fig. ι, 2, 8 und 9, eine Dampfmaschine.

C¹ C² C³ Luftcompressoren.

E¹ E² E³ Expansionsmaschinen.

i?^ai?² j?³ Kühlreservoirs für comprimirte Luft.

i¹ c² c³ u. s. w. Hähne, mittelst welcher der Gang der Luft durch den Apparat regulirt wird.

p¹ p²j>^% u. s. vv. Röhren.

A¹ und A² Reservoirs für theilweise expandirte Luft.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel der Anwendung der Erfindung werden die Dampfmaschine B, die Compressionsmaschine C³ und die Expansionsmaschine E¹ an die gemeinsame Welle s¹, Fig. 1, gekuppelt; ebenso die Compressionsmaschine C² und die Expansionsmaschine E² an die gemeinsame Welle s² und die Compressionsmaschine C¹ und die Expansionsmaschine E³ an die gemeinsame Welle s³.

Die Compression und das Ausströmen aus der Compressionsmaschine C¹ erfolgt durch Einströmen und Expansion in der Expansionsmaschine E³ unter Beihülfe der einströmenden atmosphärischen Luft in diese Compressionsmaschine.

Die Compression der Luft in C² und das Ausströmen aus derselben wird durch das Einströmen in E² und die Expansion in E² unter Beihülfe des Einströmens der Luft unter dem Maximaldruck aus dem ersteren Compressionsapparat C¹ bewirkt. Die Compression in C³' und das Ausströmen aus c³ erfolgt durch die gemeinsame Wirkung des Dampfes in dem Dampfcylinder B und das Einströmen der Luft in E' und die Expansion derselben in E¹ unter Beihülfe der in C³ aus c² mit dem Maximaldruck einströmenden Luft.

Die Reihenfolge der Compressionen und Expansionen, sowie die jeweiligen Druckhöhen und Temperaturen sind in vorliegendem Beispiel folgende:

Der Compressor C¹ entnimmt Luft von 1,1⁰C. und ι Atmosphäre Druck aus dem Kühlraum A, comprimirt sie auf 0,6385 ihres Volumens, wobei der Druck auf 1,8827 Atmosphären und die Temperatur auf 56,5⁰C. steigt; hierauf tritt die Luft in das Kühlreservoir Ji¹, worin ihre Temperatur auf 21,1⁰C. sinkt; das Volumen nimmt bei gleichbleibendem Druck jetzt 0,569s des ursprünglichen Volumens ein. Dieses Volumen mit 1,8827 Atmosphären Druck bei 21,1⁰C. tritt in den zweiten Compressor, wird dort auf 0,3732 des ursprünglichen Volumens comprimirt, der Druck steigt hierbei auf 3,4188 Atmosphären und die Temperatur auf 76,8⁰C. So tritt die Luft in das zweite Kühlreservoir JZ², wo sie abermals auf 21,1⁰C. abgekühlt wird und worin ihr Volumen auf 0,3137 des ursprünglichen Volumens zusammenschrumpft. Mit diesem Volumen unter 3,4188 Atmosphären Druck bei 21,1⁰C. tritt die Luft in die dritte Compressionsmaschine C³.

Hierin wird das Volumen auf 0,1335 des ursprünglichen Volumens comprimirt, der Druck steigt auf 11,4 Atmosphären und die Temperatur auf 144,1° C. So tritt die Luft in den dritten Kühler i?³, wo sie abermals auf 21,1° C. abgekühlt wird, während gleichzeitig das Volumen auf 0,0941 des ursprünglichen Volumens reducirt wird und der Druck derselbe bleibt. Alsdann tritt die Luft in die erste Expansionsmaschine E¹, wo der Druck von 11,4 Atmosphären auf 5 Atmosphären sinkt und das Volumen auf 0,168 806 des ursprünglichen Volumens erhöht wird, während gleichzeitig die Temperatur auf 41,6° C. sinkt.

In diesem Zustand tritt die Luft in die Röhren H¹ h¹, welche innerhalb des Kühlraumes liegen, entzieht den Rohrwandungen Wärme und nimmt diese Wärme in sich auf, so dafs die Temperatur der Luft von — 41,6° C. auf — 4,4⁰C. steigt, also immer noch 5,5° C. tiefer ist, als die Temperatur der Luft in dem Kühlraum, und letztere somit auch abgekühlt wird. Auf diesem Wege durch die Röhren H¹ h^x vergröfsert sich das Volumen von 0,168806 auf 0,19583 des ursprünglichen in C eingeführten Volumens. Aus dem Reservoir ZT? tritt das letztgenannte Volumen mit einer Temperatur von — 4,4° C. und 5 Atmosphären Druck in die zweite Expansionsmaschine, worin der Druck auf 2,25 Atmosphären sinkt und das Volumen auf 0,3449 des ursprünglich in i¹ gebrachten Volumens anwächst; hierbei sinkt die Temperatur wieder auf — 60,i° C. Hierauf tritt die Luft durch die zweite Serie von Röhren IPA³, wo die Temperatur der Luft abermals auf — 4,4° C. steigt und das Volumen auf 0,4352 des urprünglich in c¹ gebrachten Volumens anwächst. Dieses Volumen tritt schliefslich in die letzte Expansionsmaschine E³, wo der Druck auf den ursprünglichen Druck von ι Atmosphäre zurücksinkt, und das Volumen 0,776 des ursprünglichen Volumens wird, während die Temperatur wieder auf — 60,i° C. sinkt.

In diesem Zustand tritt die Luft aus der Auslafsröhre H³ in den zu kühlenden Raum A. In dieser Röhre steigt die Lufttemperatur auf die oben angeführte Höhe, so dafs keine Nebel beim Austritt entstehen können.

Diese Röhre IP kann übrigens auch mit einem Reservoir, wie die anderen Röhren H¹ H^ verbunden werden; aus diesem Reservoir entnimmt dann der Compressor C¹ die nöthige Luft, so dafs ein geschlossener Luftstrom durch den ganzen Apparat circulirt.

Den oben angeführten Compressions- und Expansionsverhältnissen u. s. w. entsprechen die Dimensionen, welche die Zeichnung angiebt. Es versteht sich von selbst, dafs alle Zahlen blos Beispiele sind, um die Erfindung zu erklären. Sowohl die Dimensionen der verschiedenen Cylinder u. s. w. als auch ihre Anzahl

können je nach Gröfse des zu kühlenden Raumes und der erlangten Temperatur geändert werden.

Ueber die Construction der Compressions- und Expansionsmaschinen wird ebenfalls keine Voraussetzung gemacht.

In der Zeichnung sind für die Compressoren sogenannte Clayton-Luftcompressoren, und für die Expansionsmaschinen sogenannte Bucheyes, automatische Maschinen, angenommen. Nach Belieben kann aber auch irgend eine andere Art von Compressions- und Expansionsmaschinen gewählt werden; wesentlich sind die Verhältnisse ihrer Gröfse zu einander und die Verbindung derselben mit den Kühlapparaten, wodurch ihre eigenthümliche Wirkung hervorgerufen wird.

Die Expansionsmaschinen sind, wie aus Fig. 8 und 9 hervorgeht, innerhalb des Kühlraumes angeordnet, während die Compressoren, die Kühlapparate und der Motor B sich aufserhalb desselben befinden.

Der Raum A. hat eine vorspringende, überhängende Kammer, welche die Expansionsmaschinen aufnimmt. Auf diese Weise wird Kälteverlust durch Strahlung in die freie Luft vermieden, und alle erzeugte Kälte zur Kühlung der Luft in A angewendet.

Die Kühlapparate sind, wie schon bemerkt, von besonderer Construction, wie aus Fig. 4 bis 7 hervorgeht.

Ein Gehäuse nimmt die Luft, welche gekühlt werden soll, auf; innerhalb des Gehäuses sind zwei Schaaren von horizontalen Röhren 2 und 3 angebracht, welche sich rechtwinklig kreuzen. Sie münden sämmtlich in die Wandungen von 1 und sind auf eine unten näher zu beschreibende Weise mit einander in Verbindung gesetzt.

Kaltes Wasser tritt nun unten durch die sich gabelnde Röhre 4 in beide Schaaren von Röhren ein und durchströmt dieselben infolge der Anordnung der Verbindungsstücke 5^x im Zickzack von unten nach oben, und verläfst die Röhren durch die für beide Schaaren gemeinsame Ausflufsröhre 6.

Die Röhren 2 und 3 sind ähnlich wie die Feuerrohren in Locomotivkesseln in der Wandung von ι befestigt; ihre Mündungen sind konisch ausgebohrt. In die Mündungen von je zwei benachbarten Röhren passen die kegelförmig gestalteten Enden von U - förmig gebogenen Röhren 5 *, welche am Scheitel einen Ansatz 8 tragen, auf welchen die Schraube 11 drückt.

Sämmtliche Schrauben 11 befinden sich in Stangen q, welche das Gehäuse 1 gitterartig umgeben;

Diese so construirten Kühler R¹ R¹ R^z werden am zweckmäfsigsten unter den Expansionsmaschinen in den Trägern der letzteren angeordnet, wie Fig. 3 zeigt.

Die Apparate, durch welche die in den Expansionsmaschinen erzeugte Kälte auf die Luft des Kühlraumes A übertragen wird, sind einfache Röhren ZT¹ W¹, mit denen die ebenfalls röhrenförmigen Reservoirs h^l A³ verbunden sind. Sie müssen eine derartige lichte Weite haben, dafs die ausgestofsene, theilweise expandirte Luft sie mit der nöthigen Geschwindigkeit durchströmen kann. Die Länge der Röhren ist so grofs zu machen, dafs eine genügend gröfse, kalte Oberfläche entsteht, damit die Luft auf die gewünschte Temperatur erwärmt wird oder, mit anderen Worten, genügend Kälte an die Rohrwandungen abgegeben werde.

Die Röhren H¹ und H³ werden in der Nähe der Decke des Raumes A angebracht und laufen parallel mit den Seiten desselben.

Ueber das Ingangsetzen des Ganzen und die Handhabung der verschiedenen Hähne bleibt noch Einiges zu bemerken.

Um den Apparat in Gang zu setzen, ist es nöthig, die Kühl- und sonstigen Reservoirs mit Luft von dem erforderlichen Druck zu füllen. Man bedient sich dabei gewöhnlicher Manometer.

Die Hähne c^%, c⁶ und c¹ werden so gestellt, dafs Luft an dem Raum A durch die Röhre p'⁵ nach der Compressionsmaschine C³, und die comprimirte Luft aus letzterer in das Kühlreservoir R³ treten kann, und alsdann wird die Dampfmaschine in Gang gesetzt. Dadurch beginnt auch die Compressionsmaschine C^s zu arbeiten, comprimirt die aus A entnommene Luft und stöfst sie in das Reservoir R^%.

Durch diese Luft in R^s wird die Expansionsmaschine E¹ getrieben; sie entnimmt die Luft vermittelst der Röhre ρ und stöfst sie in die Kühlröhren H¹ h, in welchen der Druck allmälig aufgespeichert wird. Hierauf werden die Hähne f² und i⁵ so gestellt, dafs Luft durch die Röhre /^u in die Compressionsmaschine C treten kann, und dafs die aus C² abgehende Luft nach R² strömt. Die Expansionsmaschine E² treibt, wenn Hahn £⁹ geöffnet wird, die Compressionsmaschine C², die aus .Zs² abgehende Luft tritt in die Kühlröhren IP A² ein und aus diesen entnimmt E^s die zum Betriebe nöthige Luft.

Die Compressionsmaschine C^s, welche bis dahin die Luft aus A durch die Röhren /¹⁵ entnommen hat, wird jetzt durch Umstellen der Hähne £⁸ und c^z gezwungen, die Luft aus R² zu entnehmen, so dafs, da nun aus R² Luft von höherem Druck zuströmt, in ü?² auch ein höherer Druck entsteht.

Infolge dessen wird auch ein gröfseres Gewicht von Luft in E¹ eingeführt; diese Maschine übt dadurch eine gröfsere Kraft aus und stöfst die Luft unter höherem Druck in Ή¹ h^l, steigert also den Druck in /z¹ und entwickelt damit gröfsere Kraft in E², welche Maschine wieder ihrerseits die Luft unter höherem Druck aus-

stöfst und in ft? einen höheren Druck erzeugt. Dieser Druck in P ist jetzt grofs genug, um E^s zu treiben, es wird daher der Hahn c² in der Röhre p¹¹, welcher bis jetzt den Zulafs der Luft durch/¹⁴ nach i² vermittelt hatte, geschlossen und c² nimmt Luft aus JR¹ vermöge der Stellung des Hahnes c*. Zu gleicher Zeit wird die Expansionsmaschine E^z durch Oeffnen des Hahnes c^le in Gang gesetzt und die von ihr geleistete Arbeit dient dazu, die Compressionsmaschine C¹ zu treiben, welche die Luft durch die Röhre p^l direct aus dem Innern des Kühlraumes A empfängt.

Da nun alle Maschinen sich im Gange befinden, so wird der Druck in den Reservoiren steigen bis zu einer Höhe, bei welcher die aus- und einströmenden Luftmengen von constantem Gewicht sind; denn da jede Maschine nur ein bestimmtes Quantum, welches von der Bewegung des Einlafsschiebers oder Ventiles abhängt, aufnimmt, so wird sie weniger aus jedem Reservoir Ji³ H¹ h^l IP /z² entnehmen, als in diese Reservoirs eintritt, und zwar zu jener Zeit, wo die Summe der Volumina der ausgetretenen und eingetretenen Luft einander gleich werden.

Durch Nebenröhren J)¹⁰J)¹¹ (jede mit einem Hahn versehen) ermöglicht man den Uebergang der Luft von einer Compressionsmaschine zur anderen, ohne dabei den Kühler zu passiren. Dadurch wird eine höhere Temperatur erzielt. Es ist dies nöthig, wenn das Kühlwasser eine hohe Temperatur hat, was zuweilen in Gruben vorkommt. Nebenröhren /¹²/¹³, je mit Halmen versehen, sind vorgesehen, um die Luft von einer Maschine zur anderen zu leiten, wenn eine sehr tiefe Temperatur gefordert wird.

Wenn diese Nebenröhren geöffnet werden, so mufs die Dampfmaschine B etwas mehr Arbeit leisten als sonst, also etwa mit vollem Dampf arbeiten. Die Temperatur des Kühlwassers wird zu 15,6⁰C. angenommen.

Zum Entfernen des Condensationswassers aus dem Kühler R hat jeder derselben, wie Fig. 4 und 5 zeigen, am Boden einen Ablafshahn, und zwar wird das Condensationswasser abgezogen nach der ersten Compression und ehe die allerletzte Compression vollendet ist.

Zum Schlufs mögen die Hauptmerkmale und Vorzüge der ganzen Einrichtung gegenüber den bisher gebräuchlichen Maschinen erwähnt werden.

Man erlangt einen hohen Druck und demgemäfs eine starke Expansion und eine daraus folgende grofse Abkühlung ohne übermäfsige Anstrengung der arbeitenden Theile. Der Arbeitsaufwand zum Erzielen der Compression bei hohem Druck ist dabei verhältnifsmäfsig gering. Auch erhält man Gewinn an Kraft aus der Expansion und infolge einer starken Abkühlung.

Die Verluste durch die Undichtheit der Kolben, welche man bei hohem Druck bisher dadurch zu vermindern glaubte, dafs man etwas Wasser in den Compressionscylinder einströmen liefs, sind hier ganz vermieden, indem nur ganz trockene Luft in die Maschine tritt. Dafs die Expansion und ebenso die Compression in selbstthätigen Maschinen stattfindet, ist ein Hauptvortheil.

Bei diesem System der dynamischen Abkühlung ist die Methode der integralen Expansion in getrennten Cylindern verlassen und fractionelle, d. h. stufenweise Expansion dafür substituirt.

Claims (3)

P ATENT-Ansprüche:

1. Das Verfahren und der Apparat zum Abkühlen und Trocknen von Luft. Das Verfahren, bestehend in der Erzeugung eines Maximums von Compression in einer bestimmten Luftmenge durch successive Aufeinanderfolge von Einzelcompressionen bei gleichzeitiger Abkühlung und der hierauf folgenden Expansion der Luft bis zum ursprünglichen Druck durch successive auf einander folgende Einzelexpansionen, wobei die Luft den Wänden der Leitungen und Reservoire oder den zu kühlenden Gegenständen, Räumen etc. Wärme entzieht. Der Apparat, bestehend in einer Reihe von Compressoren mit zwischengeschalteten Kühlapparaten, in welche letztere die Luft bei ihrem Wege von einem Compressor zum anderen abgekühlt wird; einer Reihe von mit comprimirter Luft getriebenen Maschinen (Expansionsmaschinen) nebst zwischengeschalteten Apparaten zur Wärmeabgabe, welche im Innern des zu kühlenden Raumes gelegen sind, und in welchen sich die Luft auf ihrem Wege von einer dieser Expansionsmaschinen zur anderen wieder erwärmt, einer Dampfmaschine oder sonst einem Motor, welcher an einem der Compressoren gekuppelt ist und die nöthige Kraft zur Vervollständigung der Leistungen der oben genannten, mit comprimirter Luft getriebenen Expansionsmaschinen liefert.

2. Bei dem in Patent-Anspruch 1. angegebenen Verfahren die Methode, die schädlichen Wasserdämpfe aus der Luft zu entfernen, indem das sich aus der abgekühlten comprimirten Luft ausscheidende Condensationswasser nach der ersten Compression und nachdem der Maximaldruck erreicht ist, abgezogen wird.

3. Bei dem in Patent-Anspruch 1. angegebenen Verfahren: die Verbindung eines Kühlraumes mit Luftcompressoren, welche aufserhalb der innerhalb jenes Kühlraumes gelegenen Expansionsmaschinen angeordnet sind, woher letztere ihre Arbeit nach aufserhalb des Kühlraumes abgeben und sämmtliche erzeugte Kälte zum Abkühlen besagten Raumes angewendet wird.

Bei dem in Patent-Anspruch i. angegebenen Verfahren: die Verbindung der Luftcompressoren und Kühler mit Nebenleitungen, durch welche die Luft von einer zur anderen Compressionsmaschine geleitet werden kann, ohne dabei abgekühlt zu werden, wodurch man erreicht, dafs die comprimirte Luft eine so hohe Temperatur erlangt, dafs selbst verhätnifsmäfsig warmes Wasser als kühlendes Medium dienen kann.
Bei dem in Patent-Anspruch ι. angegebenen Verfahren: in Verbindung mit den Luftcompressoren Apparate, welche dem Kühlraum Wärme entziehen und sie an die von einer Maschine zur anderen ziehenden Luft abgeben und Nebenleitungen, durch welche die Luft nach Belieben, auch ohne jene Apparate zu passiren, von einer zur anderen Maschine gehen kann, wodurch (wenn nöthig) eine sehr tiefe Temperatur der expandirten Luft hervorgebracht werden kann.
Bei dem in Patent-Anspruch i. angegebenen Verfahren: die Erwärmung der expandirten Luft vor ihrem Austritt in die Luft des ■Kühlraumes durch einen aus Röhren bestehenden Apparat, welcher im Innern des Kühlraumes angeordnet und wodurch die Bildung von Nebel bei Austritt der Luft verhindert wird, weil die letztere auf eine Temperatur erwärmt wird, bei welcher kalte Luft, wenn sie sich mit warmer, feuchter Luft mischt, keine Nebel erzeugt.

Bei dem in Patent-Anspruch ι. angegebenen Verfahren: die Verbindung von zwei oder mehreren Expansionsmaschinen, welche durch theilweise expandirte, von jeder vorhergehenden Expansionsmaschine abgehende Luft bewegt werden. Zwischenreservoirs zum Aufspeichern von theilweise expandirter Luft, in welchen sich der Druck der Luft ausgleicht, ehe die letztere zum Betriebe weiterer Expansionsmaschinen benutzt wird.

Die Kühler, bestehend aus einem Behälter zur Aufnahme von Luft, in welchem zwei Schaaren horizontaler, über und neben einander liegender, sich rechtwinklig kreuzender Röhren angebracht sind, durch welche Röhren kaltes Wasser geleitet wird.

Die Verbindungsweise zweier benachbarten Röhren dieser Kühler durch eine U-förmige Verbindungsröhre, welche durch eine Schraube in die Mündungen der zu verbindenden Röhren gedrückt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.