-
| Verfahren und Vorrichtung zur Kälteerzeugung |
| Es ist bekannt, bei der arbeitsleistenden Ent- |
| spannung von Gasen zum Zwecke der Kä lteerzeu- |
| gung Expansionsturbinen zu ver,#venden. Dieses |
| `"erfahren bietet jedoch zahlreiche technische |
| Schwierigkeiten, wenn die Temperaturen der zu |
| verarbeitenden Gase so tief sind, wie diese bei- |
| spielsweise für die Verflüssigung und Zerlegung |
| von Gasen benötigt werden. Bei diesen Tempera- |
| turen sind die Festigkeitseigenschaften der meisten |
| Konstruktionsmaterialien so ungünstig, dafl aus |
| ihnen nicht mehr die hochbeanspruchten Teile der |
| Turbine hergestellt werden können. Eine weitere |
| Schwierigkeit ist die Schmierung der Lager, da |
| keine Schmiermittel bekannt sind, die bei diesen |
| tiefen Temperaturen einigermaßen befriedigende |
| Eigenschaften aufweisen. Werden die Lager jedoch |
| in Gebiete hoher Temperatur verlegt, so ist dazu |
| eine sehr lange und schlanke Achse erforderlich, |
| wodurch die mechanischen Eigenschaften der |
| Turbine sehr ungünstig beeinflußt werden. Ver- |
| sucht man mit kurzer und dicker Achse auszu- |
| kommen und die Lager auf irgendeine Weise zii |
| erwärmen, so wird durch die Wärmeleitung vom |
| warmen Lager zum kalten Läufer der Wirkungs- |
| grad der Turbine verringert. Auch falls es gelingen |
| würde, aller dieser technischen Schwierigkeiten |
| Herr zu werden, so wäre doch der \Virkungsgrad |
| wegen der starken Abweichungen, die alle Gase bei |
| tiefen Temperaturen vom idealen `'erhalten zeigen, |
| immer verhältnismäßig ungünstig. Ein besonders |
| starkes Absinken des Wirkungsgrades sowie auch |
| ein Grund für (las Eintreten ernstlicher technischer |
| Störungen wiirde auftreten, sobald sich das Gas in |
| der Turbine zu einem wesentlichen Teil verflüssigt. |
Diese Schwierigkeiten werden durch das nachfolgend beschriebene
Verfahren weitgehend beseitigt. Es besteht darin, daß gleichzeitig mit der Entspannungsturbine
auch von der Wirbelentspannung Gebrauch gemacht wird. Bei einer derartigen Wirhelentspannung
wird das Gas durch eine entsprechende Düse tangential in ein Rohr eingeblasen. Es
bildet sich dann ein Luftkern mit niedriger Temperatur aus, während längs der Wandung
des Rohres ein noch unter erhöhtem Druck stehender wärmerer Luftmantel rotiert.
Durch geeignet angeordnete Blenden ist es möglich, auf der einen Seite des Rohres
einen Kaltgasstrom zu entnehmen, der, den entsprechenden Teilen der Apparatur zugeleitet,
zur Aufrechterhaltung der für den Zerlegungsvorgang nötigen tiefen Temperatur dient.
-
Der eigentliche Gegenstand der Erfindung besteht nun darin, den Warmgasstrom,
der ja noch unter wesentlich erhöhtem Druck steht und dem ein merklicher Drehimpuls
innewohnt, zum Antrieb einer Turbine zu verwenden, deren Läufer in möglichster Nähe
der Düse angebracht, vom Warmgasstrom beaufschlagt wird. Hierdurch wird erreicht,
daß nunmehr in den beweglichen Teilen der Appaatur keine unzulässig tiefen Temperaturen
mehr auftreten, also die eingangs erwähnten Schwierigkeiten wegfallen. Wenn hierbei
von Warmgasstrom gesprochen wird, so bedeutet das nur, daß die Temperatur dieses
Gasstromes vor der arbeitsleistenden Entspannung in der Turbine oberhalb der des
Kaltgasstromes liegt, während sie sehr wohl unter Raumtemperatur liegen kann.
-
Eine für die Durchführung des Verfahrens, speziell für die Verflüssigung
und nachfolgende Zerlegung von Luft, geeignete Anordnung ist in der Abb. i wiedergegeben.
Die in den meisten Fällen im vorgeschalteten Wärmeaustauscher getrocknete und weitgehend
gekühlte Luft tritt durch das Rohr i und die Düse 2 in die Wirbelkammer 3 ein. In
bekannter Weise bildet sich hier ein Wirbel aus mit einem warmen, unter erhöhtem
Druck stehenden Luftmantel und einem kalten Luftkern. Während die kalte Luft in
bekannter Weise durch Rohr .I entnommen und in folgenden nicht gezeI*chiieten Wärmeaustauschern
in bekannter Weise en@-weder noch weiter gekühlt wird oder zur Kühlung anderer Gasströme
dient, werd gemäß dem Gegen= stand der Erfindung der warme Teilstrom der Luft in
unmittelbarem Anschluß an die Wirbelkammer zur Arbeitsleistung in einer Turbine
herangezogen, wobei ihr sowohl die Druckenergie wie die Energie, die ihr auf Grund
ihres Drehimpulses innewohnt, möglichst weitgehend entzogen wird. Sie tritt sodann
infolge der Arbeitsleistung gekühlt durch Rohr 5 wieder aus der Turbine aus und
kann dann je nach ihrer Temperatur an geeigneter Stelle wieder in den Zerlegungsprozeß
eingeführt werden. im vorliegenden Beispiel ist der Läufer 6 der Turbine unmittelbar
mit dem Läufer 7 eines Turbogebläses verbunden, das zur Verdichtung irgendeines
Gasstromes, z. B. für die Verdichtung der für die Anlage benötigten Luft, verwandt
wird. Es kann dadurch der Leistungsbedarf des Kompressors, der die für den Betrieb
der gesamten Zerlegungsapparatur nötige komprimierte Luft liefert, etwas verringert
werden. Einerseits, um das Verhältnis von Warmluft zti Kaltluft den gerade bestehenden
Betriehsverhältnissen anzupassen, andererseits auch, um die Anordnung dem Druck
und der Menge der von der gesamten Zerlegungsanlage zu verarbeitenden Luft anzugleichen,
kann in günstiger Weise auch eine Regelung der durch die Turbine gehenden Luftmenge
vorgesehen werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die gesamte Wirbelkammer in axialer
Richtung auf den Läufer 6 der Turbine zu oder von ihm weg bewegt werden kann. Wie
Abb. 2 des näheren zeigt, in der wieder 6 der Turbinenläufer, 8 das Ende des Gehäuses
der Wirbelkammer bedeutet, kann dadurch der für den Luftdurchtritt verbleibende
ringförmige Schlitz 9 in der gewünschten Weise verengt oder erweitert werden. Da
es sich hierbei nur um Bewegungen von wenigen Millimetern handelt, ist es technisch
leicht möglich, die beiden Rohre für die Zufuhr der Druckluft zur Wirbelkammer und
die Abführung der Kaltluft von der Wjrbelkammer einer solchen geringfügigen Verschiebung
folgen zu lassen. Ferner kann zur Regelung der Menge der Gesamtluft auch noch im
Rohr i eine variable Drosselstelle angebracht oder der freie Querschnitt der Düse
2 durch eine eingeschobene Nadel verändert werden.
-
Da die in der Wirbelkammer entspannte Luft bereits einen hohen Drehimpuls
besitzt, würde ein besonderer, vor dem Läufer der Turbine angebrachter Leitschaufelkranz
meist nur Verlust bringen, jedoch kann in speziellen Fällen zur Beruhigung des Gasstromes
auch ein solcher angebracht werden. Es erwies sich ferner als zweckmäßig, die Schaufeln
nicht in axialer Richtung, sondern, wie auch aus den Abbildungen zu ersehen, in
einer gegen die Achse leicht geneigten Richtung anzubringen.
-
Wenn auch im allgemeinen die Verbindung der Wirbelentspannung mit
einer zu dem Luftwirbel im gleichen Drehsinn laufenden Turbine die geeignetste Kombination
darstellt, um die eingangs erwähnten Schwierigkeiten zu überwinden, so können doch
Fälle eintreten, insbesondere, wenn die zu verarbeitende Gasmenge sehr klein ist,
wo der Kolben-Expansionsmaschine oder einer sonstigen, nicht auf demTurbinenprinzip
beruhendenVorrichtung zur Entspannung unter äußerer Arbeitsleistung der Vorzug zu
geben ist. Um auch in diesem Falle nicht nur den erhöhten Druck, sondern auch den
Drehimpuls des wärmeren Anteils des Gases auszunutzen, werden erfindungsgemäß im
Gehäuse der Wirbelkammer Schlitze in einer solchen Richtung angebracht, daß das
wirbelnde Gas möglichst ohne Richtungsänderung in sie eintreten kann. In ihnen bzw.
den anschließenden Leitungsteilen vollzieht sich dann die Umwandlung der Geschwindigkeitsenergie
in Druckenergie. Eine solche Vorrichtung ist in Abb. 3, senkrecht zur Achse der
Wirbelkammer geschnitten, dargestellt. Wie bisher tritt die Luft durch das Rohr
i und die Düse 2 in der Wirbelraum 3 ein, in dem sich ein im Uhrzeigersinn
umlaufender
LnftN%-Irbel ausbildet. Ein Teil dieser Luft gelangt in die Schlitze io, von hier
in den ringförmigen Sammelkanal i i und wird durch das Rohr 12 der Kolben-Expansionsmaschine
oder sonstigen Entspannungsvorrichtungen unter Zwischenschaltung eines Wärmeaustauschers
zugeleitet.