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Verfahren zur Verdichtung von Gasen Es sind Vorrichtungen zur '-erdichtung
von Gasen niederen Druckes mit Hilfe der Ausdehnung von Gasen höheren Druckes bekannt,
welche darauf beruhen, daß Reihen von aufeinanderfolgenden, mit den zu verdichtenden
Gasen gefüllten Kanälen an Düsen vorbeibewegt werden. Eine von diesen Düsen - die
Zuführungsdüse - führt die Gase von höherem Drucke - das- Treibmittel-- den Kanälen
zu, während clie zweite - die Abführungsdüse -an den entgegengesetzten Enden der
Kanäle angeordnet ist und das verdichtete Mittel aus den Kanälen aufnimmt und ableitet.
Ferner ist bekannt, daß man die nach Ablauf dieses Verdichtungsvorganges in den
Kanälen noch vorhandenen Gase von höherem Drucke teilweise in weiteren Düsen auffangen
und solchen Kanälen wieder zuführen kann, welche sich noch vor der Zu- und Abführungsdüse
befinden, um auf diese Weise die Ausdehnungskräfte der gebrauchten Gase zur Verdichtung
frischer Gase heranzuziehen.
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Ein Nachteil war bei den bekannten Vorrichtungen darin zu erblicken,
daß die Veränderlichkeit des Verdichtungsgrades nicht geregelt «erden konnte und
daß sich die Verdichtungsvorgänge nicht schnell genug vollzogen, so daß Spaltverluste
zwischen dem Laufrade und den Düsengruppen auftraten. Der Zweck vorliegender Erfindung
besteht nun darin, diesen Nachteil durch veränderliche Anordnung der steuernden
Kanten in den Verbindungsleitungen und durch umkehrbare Anordnung der Bewegungsrichtungen
in den Uiliführungsleitungen zu beseitigen. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis,
daß sich Änderungen von Druck und Gv_chwindigkeit innerhalb einer Gassäule. wie
sie in einem solchen Kanal vorhanden ist, mit erheblicher Annäherung - sofern es
sich nicht um .ehr große Änderungen von Druck und Geschwindigkeit handelt - mit
Schallgeschwindigkeit fortpflanzen. Auf der Zeichnung sind in Abb. z bis 3 drei
verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung schematisch dargestellt. In Abb.
4. bis 6 sind die Zeit-Drtick-Diagramme _ dafür gezeigt.
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In den Abb. z und 2 sind Abwicklungen der längs des Umfanges eines
Rades befestigten Vorrichtungen dargestellt. Die auf dem Rade befestigten Kanäle
bewegen Sich in der Pfeilrichtung mit der Geschwindigkeit i- an den feststehendenDüsen
vorbei: c ist die Zuführungsdüse, d ist die Abführtingsdüse. Die Kanäle werden durch
die Leitvorrichtungen a, z. B. mit Hilfe eines Gebläses, mit dem zu verdichtenden
Gase (z. B. Luft) gefüllt, während in der Leitvorrichtung b die gebrauchten Treibgase
(z. B. die Auspuffgase eines Verbrennungsmotors o. dal.) aus den Kanälen ausströmen.
@Es :ei angenommen (Abb. z), daß bei diesem Füllen der Kanäle sowohl in denselben
als auch in den Leitvorrichtungen der gleiche Druck: Herrscht. Wenn nun der einzelne
Kanal vor die Kante z gelangt, wird durch dieselbe der Au=fuß der in den Kanal strömenden
(rase plötzlich aufgehalten. Mit dieser Sperrung der Bewegung ist eine Verzögerung
der Strömungsgeschwindigkeit und gleichzeitig eine Druckste igeruna verbunden
(Rufstau),
«-elche sich nach oben angeführtem Gesetz im wesentlichen mit Schallgeschwindigkeit
durch den Kanal fortpflanzt und in dem Augenblicke auf der Seite a ankommt, wo auch
die Kante 2 den betreffenden Kanal abschließt. Die steuernde Kante :2 muß gegenüber
der steuernden Kante i um so viel in der Bewegungsrichtung versetzt sein, als der
Fortbewegung dieses Verdichtun-sstoßes, d. h. der Schallgeschwindigkeit, entspricht.
Daß dieser Verdichtungsstoß sich nur annähernd so schnell fortpflanzt wie die Schallgeschwindigkeit,
möge hierbei unberücksichtigt bleiben. Nachdem der einzelne Kanal also an den Kanten
i und 2 vorbeigegangen ist, ist er mit einer ruhenden und gleichzeitig verdichteten
Gassäule gefüllt, es ist also die Bewegungsenergie des Gases in Verdichtungsarbeit
umgesetzt worden. Das Maß dieser Verdichtung ist nicht unerheblich; bei atmosphärischer
Luft entspricht z. B. einer Verzögerung der Geschwindigkeit um etwa 8o misecz eine
Drucksteigerung auf etwa das i,4fache. Die sonst auftretenden Stoßverluste sind
auf diese «'eise gleichzeitig ausgeschaltet: außerdem ist das Gewicht des zu fördernden
Gases auf das i,4fache gesteigert und damit die Leistung der Vorrichtung um ebensoviel
erhöht-worden. An den Kanten 13 und 14 vollzieht sich der Vorgang in umgekel.':
ter Weise, indem der in den Kanälen noch vorhandene Überdruck des Gases wieder in
Geschwindigkeit umgesetzt wird, so daß eine Beschleunigung der Gassäule durch das
Gebläse bei a nicht mehr nötig ist.
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Ein solcher Vorgang vollzieht sich aber auch an der Kante 6, indem
das aus Düse c in die Kanäle eintretende Treibmittel von höherem Druck die in diesen
vorhandene Luft gleichzeitig verdichtet und beschleunigt, wobei dieser Vorgang sich
wiederum mit Schallgeschwindigkeit bis zur Kante 7 fortpflanzt. Die so verdichtete
Luft strömt dann zwischen den Kanten 7, 9 in die Düse d ein. Von Kante 8 zu Kante
9 findet dann entsprechend wieder eine Entspannung unter gleichzeitiger Verzögerung
der Gassäule statt. -Nimmt man dieselben Strömungsgeschwindigkeiten wie vorhin an,
so würde auch hier die Verdichtung entsprechend dem obigen Beispiele wieder das
1,4fache, die Gesamtverdichtung also das 1,4 X 1,4 =rund 2fache betragen. Das aus
c kommende Treibmittel findet also die zu verdichtende Luft in schon verdichtetem
Zustande vor, so daß Stoß-und Entspannungsverluste vermieden werden. Zwischen den
Düsen c und d vollzieht sich also nur noch Verschiebearbeit (Verdrängung des einen
Gases durch das andere von gleichem Druck), wenn das insgesamt erreichte Verdichtungsverhältnis
den Betrag, 1 : 1,4 x 1,4 = rund i : 2 entspricht. Ein dießen Vorgängen entsprechendes
Zeit-Diuck-Diagramm ist in Abb. 4 dargestellt. Ein noch wesentlich höheres Verdichtungsverhältnis
läßt sich aber mit Hilfe des Umführungskanals c erreichen, wenn die Kanten 3 und
5 sowie io und 12 so gegeneinander angeordnet sind, daß die Druckänderungen die
Wege 3, 4, 5 und io, 11, 12 beschreiben. Auf dem Wege von i- nach 4 findet dann
wiederum unter Beschleunigung der Gassäule die Verdichtung 1 zu 1,4 statt und gleichzeitig
durch Rückprall an der Wand bei 4 auf dem Wege von 4. zu 5 eine weitere Verdichtung
im Verhältnis i zu 1,4 unter Verzögerung der Gassäule. Die Gesamtverdichtung von
3 bis 5 ist also wiederum das 1,4 X 1,4= rund 2fache, wenn man dieselben Strömungsgeschwindigkeiten
wie vorhin annimmt. Umgekehrt findet bei n auf der Strecke io, ii, iz eine entsprechendeEntspannung
der Gase statt, wobei das bei n entspannte -Mittel über e zu in fließt und
in die vor den Düsen c, d liegenden Kanäle zurückströmt. Die Gesamt= verdichtung
der Anordnung ist dann schon 1,4 X 1,4 :< 1,4 :< 1,4, also etwa das 4fache.
Das entsprechende Zeit-Druck-Diagramm ist in Abb. 5 dargestellt. Es ist selbstverständlich
möglich, durch Änderung der Geschwindigkeiten auch die Verdichtungsverhältnisse
bei den einzelnen Vorgängen gegeneinander sowie das gesamte Verdichtungsverhältnis
zu ändern. Das Maß der Versetzung der steuernden Kanten entspricht bei der gleichen
Geschwindigkeit des Rades stets der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Verdichtungs-
bzw. der Verdünnungswelle; es muß daher bei der Bemessung die Veränderlichkeit der
Fortpflanzungsgeschwindigkeit j.e nach -der Beschaffenheit des -Mediums sowie dem
V erdichtungs- bzw. Verdünnungsgrade in Betracht gezogen werden. Diese Fortpflanzungsgeschwindigkeit
ist in den Zeichnungen zunächst als gleichartig angesehen worden, um die Darstellung
zu vereinfachen.
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Die einfache Anordnung, welche nur aus der Zuführungsdüse c und der
Abführungsdüse d ohne Anwendung des Umführungskanals e besteht, hat nun den Nachteil,
daß sie bei Anwendung der gleichen Geschwindigkeit v und der gleichen Strömungsverhältnisse
bei a, b und c, cd stets nur das gleiche Verdichtungsverhältnis ohne
Stoßverhiste liefern kann. Ein höheres Verdichtungsverhältnis führt zu Verlusten
durch unzureichende Verdichtungs- und Entspannungsarbeit der Gase. Aber auch ein
zu niedriges Verdichtungsverhältnis führt zu Verlusten: vermindert man den Gegendruck
bei d, so inuß gleichwohl bei c das Treibmittel mit dem bisherigen Drucke zugeführt
werden, um die gewünschte Strömung zu erreichen, da ja die Verdichtungsvorgänge
in jedem Falle auf Grund der Strömungs- und Stoßvorgänge auftreten, so daß das einströmende
Treibgas schon verdichtete Luft in den Kanälen vorfindet. Die in dem Treibgas enthaltene
Drtldcenorgie wird
in diesem Falle wirkungslos (furch Schwingungs-und
Stoßvorgänge aufgezehrt, die Massenkräfte der Gase kommen also nicht im Sinne des
gewollten Vorganges zur Geltung.
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(grundsätzlich anders verhält sich jedoch der Umführungskanal c. Die
:in den Kanten 3, 5 und ii, i2 auftretenden Vorgänge sind nicht an ein bestimmtes
Verdichtungsverhältnis gebunden. Mit zunehmendem Verdichtungsgrade stellt sich lediglich
eine größere Strömungsgeschwindigkeit in dem Umführungskanal e ein und umgekehrt.
Es kann sogar hierbei auch gar keine Verdichtung bzw. Entspannung stattfinden, wobei
lediglich in dem Kanal e keine Strömung mehr erfolgt. Der durch die Vorgänge an
den Düsen c und d festgelegte Überdruck in den Kanälen wird lediglich von _n nach
in übertragen, ohne Rücksicht auf das insgesamt angewendete Verdichtungsverhältnis.
Schädliche Schwingungs- und Stoßvorgänge der oben beschriebenen Art können daher
hier nicht auftreten. lach obigem Beispiele würde demnach das Verdichtungsverhältnis
von insgesamt 1 zu 1,4 X 1,4 bis auf i zu .4 und darüber hinaus beliebig geändert
werden können, ohne daß Verluste auftreten.
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Es ist aber auch möglich, mit dem Verdichtungsverhältnis noch weiter
herunterzugehen, sogar auf den Wert i und darunter. Hierzu dient die in Abb. z dargestellte
Anordnung. Der Umführungskanal e ist in zwei Umführungskanäle e' und f' zerlegt,
welche aber die gleichen Ausgangsöffnungen n: und n haben. Dadurch wird erreicht,
daß bei in und n die Strömungen wahlweise im Sinne der angedeuteten Pfeile erfolgen
können. Ist bei rt in derselben Weise wie bei Abb. i ein-Lberdruck nach n; zu übertragen,
so stellt sich eine Strömung von n durch Gien Umführungskanal e' nach na ein; ist
dagegen ein Überdruck von m nach n zu übertragen, so stellt sich eine Strömung von
in durch den Umführungskanal f' nach st ein. Es ist dann z. B. folgender
Strömungsvorgang möglich : Auf dem Wege 1, 2 erhöht sich der Druck auf das i,4fache
: auf dem Wege 3, 4, g vermindert sich aber der Druck auf den Wert 1/1,4. :1uf 6.
7 erhöht sich dann der Druck wieder auf I,4 X 1/i,4, also auf i. Bei 8, 9 vermindert
sich wieder der Druck auf r/1,4, um bei io, 11, 12 wieder auf das i,4fache des ursprünglichen
zu steigen. Bei 1.", 14 findet dann wie sonst der Auspuff nach G statt. Die Wirkung
dieser mehrfachen Schwingung ist die, daß auch bei Verdichtungsgraden zwischen i
bis 1,4 X 1,4 die gewollte Strömung von c nach d aufrechterhalten werden kann, ohne
(laß Stoß- und Schwingungsverluste auftreten. Das entsprechendc Zeit-Druck-Diagramm
ist in Abb. 6 dargestellt. Hier findet also gar keine Verdichtung mehr statt, sondern
der bei c und d erreichte Druck h@trüt le(ü@lidi i at. abs. Statt der in Abb. i
gezeichneten Strömung von zt über e nach na müßte hierbei jedoch die
umgekehrte Strömung stattfinden, um den in dem Gebiet 8, 9, io, ii auftretenden
Unterdruck nach dem Gebiet 4, 3, 7, 6 zu übertragen. Hierzu ist jedoch die Anordnung
Abb. i ungeeignet, da die Düsenwinkel verkehrt gestellt sind; die bei in aus den
Kanälen austretende Luft würde bei 3 an die Wandung der Umführungsleitung e' prallen,
und ebenso würde die bei n aus der Umführungsleitung c' in die Kanäle eintretende
Luft gegen die Wände derselben stoßen, so daß eine glatte Strömung nicht möglich
wäre. Dieser Schwierigkeit begegnet die in Abb. 2 dargestellte Anordnung; bei der
Zurückleitung von Überdruck findet eine Strömung von it über e' nach in, bei der
Zurückleitung von Unterdruck eine Strömung von nt über f' nach sa statt.
In beiden Richtungen ist hierbei eine glatte Strömung möglich.
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Die Vorrichtung ist z. B. zur Aufladung von Höhenflugmotoren verwendbar;
c wird mit der Auspuffleitung, d mit der Ansaugleitung des Motors verbunden. Da
der Rauminhalt der Auspuffgase erheblich größer ist als die erforderliche Frischluftmenge,
etwa das 2- bis 21/2fache, stellt sich sehr schnell die Aufladung von selbst ein;
durch Ableitung eines veränderlichen Teiles der Auspuffgase des Motors ist es möglich,
die Aufladung beliebig von i at. abs. bis 4 at. abs. und mehr zu verändern, ohne
daß besondere Verluste in dem Stoßverdichter auftreten. Der Vorteil besteht darin,
daß nur einer oder ganz wenige Umführungskanäle nötig sind gegenüber statischen
Kompressionsvorgängen, welche eine größere Anzahl von Verdichtungs- und Verdünnungsstufen
haben müssen, um genügend verlustfrei zu arbeiten. Ferner vollziehen sich aus diesem
Grunde die Vorgänge schneller, so daß die Spaltverluste zwischen dem Laufrande und
den Düsengruppen geringer werden und die Abdichtung erleichtert wird.
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Eine ähnliche Wirkung ist aber auch zu erzielen, wenn man die in Abb.
i eingezeichneten Abschlußorgane (Klappen) ; und h schließt. Dann ist an der steuernden
Kante 23 die in den Kanälen strömende Luft gezwungen, an Stelle der Druckerhöhung,
auf das i,4fache auf dem Wege 2#1, i eine Druckverminderung 1, 1,4 zu erzeugen.
Es besteht dann z. B. in dem Gebiete :-', 6, ;, 1 ein Druck von 1/1,4 at. abs.,
:o daß wiederum die Gesamtverdichtung 1,4 X 1 1,4-i at. abs. betragen kann, ohne
daß Verluste entstehen. In dem Gebiet 8, 14, 13-T, 9 besteht dann wiederum ein Druck
1/z,4 at., welcher sich auf dem Wege 14, 13V wieder in Geschwindigkeit umsetzt.
Die Betätigung der Abschlußorgane ermöglicht also ebenfalls, Verdichtungsgrade von
i bis 1,4 X 1,.4 ohne Verluste zu erzeugen.
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Es ist auch möglich lind bekannt, claß außor
einem
einzigen Umführungskanal e, f deren mehrere angeordnet werden können, und daß andererseits
in solche Umführungskanäle Anordnungen der gleichen Art' eingeschaltet werden können,
um eine Verbundwirkung zu erreichen. Maßgebend ist hierbei stets, daß die steuernden
Kanten so gegeneinander-versetzt werden, daß in mehr oder weniger vollkommener Weise
die auftretenden Geschwindigkeits-und Druckveränderungen im Sinne des gewollten
Vorganges Anwendung finden.
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Es ist im allgemeinen zweckmäßig, das Laufrad der Vorrichtung. unmittelbar
von dem Verbrennungsmotor aus anzutreiben, welcher mit Aufladung versehen werden
soll. Bei Motoren mit stark veränderlicher Drehzahl wird es daher nötig, die Anordnung
derart auszubilden, daß sie auch bei veränderlicher Drehzahl. richtig arbeitet.
(Die bisher beschriebenenAnordnungen sind im wesentlichen an eine bestimmte Drehzahl
gebunden, bei welcher die gewünschte »Resonanz(t eintritt.) Die Anordnung nach Abb.
3 ist für zwei verschiedenartige Drehzahlen anwendbar. Dieselbe hat selbsttätig
wirkendeRückschlagorgane (Rückschlagklappen) g', lt', ferner ist der Umführungskanal
e in zwei Kanäle 2" und f" geteilt; endlich sind die Kanten der Düse d mit
Hilfe der Plätte i zwischen 7, 9 und 7', g' verschiebbar angeordnet. Bei
bestimmter größerer Drehzahl stellen sich längs der Linien i, 2 sowie 3, .4, 5 und
6, 7, ferner 8, 9 und io, i i, 12, endlich 13,14 Schwingungen ein, «ze sie schon
an der Abb. i (ohne Anwendung der Abschlußorgane g' und 1a') beschrieben worden
sind. Die Rückschlagklappe g ist hierbei geöffnet, die Klappe h geschlossen,
die Platte i hat die bezeichnete. Stellung. Ist die Umlaufzahl des Laufrades
nur etwa halb so groß, so stellen sich längs der Zonen i, 2' sowie 13, 15, 16 sowie
16, 17, 5 sowie 6, 7' sowie 8, g' sowie io, 18, ig sowie ig, 2o, 12 und endlich
13, 14' Schwingungen ein, welche wiederum einen geschlossenen Vorgang darstellen.
Hierbei schließt sich Klappe g selbsttätig, Klappe lt öffnet sich, die Platte
i
wird in die Stellung 7', g' gebracht, während sich an den Umführungskanälen
2" und f" zwei Schwingungen ausbilden, welche jedoch entsprechend geringere Drucksteigerungen
bzw. Druckminderungen zeigen: (An Stelle der Platte können z.13. auch zwei entsprechende
Rückschlagklappen angebracht werden.) Da nun die den Schwingungen entsprechenden
Resonanzerscheinungen nicht nur bei ganz bestimmten Zuständen auftreten, sondern,
wie dies auch sonst die Regel ist, sich auch in der Nähe derselben mehr oder weniger
stark auswirken, so treten die gewünschten Vorgänge nicht bloß bei den »kritischen«
Drehzahlen des Laufrades, sondern auch in der Nähe dieser Drehzahlen auf. Praktisch
sind daher die gewollten Vorgänge bei dieser Ausführungsform in einem weiten Drehzahlbereich
hinreichend wirksam. Die angegebene Unterteilung kann natürlich noch weiter ausgebildet
werden, wodurch die Wirkung noch vollkommener wird, und zwar muß die Anzahl der
Kanäle eine möglichst oft teilbare Zahl (2, .4, 6, 8 und 12) darstellen.