-
Verfahren zur selbsttätigen Umwandlung eines Mittels in einen warmen
- - und einen kalten Teilstrom Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur selbsttätigen Umwandlung eines zusammendrückbaren, unter Druck stehenden oder
sich mit großer Geschwindigkeit bewegenden Mittels in zwei Ströme mit verschiedener
Temperatur ohne Zuhilfenahme irgendeines bewegten mechanischen Mittels durch das
einfache Aufeinandereinwirken der Moleküle des zusammendrückbaren Mittels.
-
Erfindungsgemäß wird die in dem zusammendrückbaren gasförmigen Mittel
in Form von Druck, d. h. als potentielle Energie, oder in Form von Geschwindigkeit,
d. h. als; kiuetische Energie, aufgespeicherte Energie ausgenutzt, um dem Mittel
durch bekannte Mittel in einem die Form eines zylindrischen, kegeligen oder sonstigen
Rotationskörpers aufweisenden Aufnahmeraum eine kreisende Bewegung zu erteilen,
die genügend kräftig ist, um erhebliche Druckunterschiede zwischen der axialen Zone
und der am Umfang gelegenen Zone der Kreiselbewegung und des Raumes von Rotationskörperform
entstehen zu lassen, aus welchem dann der Austritt des zusammendrückbaren Mittels
durch Öffnungen bewirkt wird, von denen die eine durch eine ringförmige, der Umfangszone
entsprechende Membran oder Abschlußwand bestimmt ist, während die andere oder die
anderen Öffnungen durch eine kreisförmige, der Axialzone entsprechende Membran oder
Abschlußwand gegeben sind. Der Versuch zeigt, daß bei Einhaltung dieser Bedingungen,
wenn die Abmessung der Membranen oder Abschlußwände so gewählt werden, .daß sich
die Menge des zuströmenden zusammendrückbaren Mittels auf beide Öffnungen verteilt,
durch die der Umfangszone entsprechende Öffnung ein erhitzter und durch die der
Axialzone entsprechende Öffnung ein abgekühlter Teilstrom von zusammendrückbarem
Mittel hindurchgeht. Die Temperaturen der so erhaltenen Teilströme hängen von den
zugehörigen Strömungsmengen ab. In erster Annäherung gilt, daß- ,die Temperatur
des warmen Teilstromes um so höher ist, je geringer seine Strömungsmenge ist, und
ebenso ist die Temperatur des kalten Teilstromes um so niedriger, je kleiner seine
Strömungsmenge, d. h. je größer die Strömungsmenge des warmen Teilstromes ist.
-
Der Versuch läßt weiterhin erkennen, daß
unter gleichen
Verhältnissen das beste Mittel zur Änderung des Mengenverhältnisses der beiden Teilströme
in einer Einwirkung auf die Strömungsmenge des warmen Teilstromes besteht, was man
entweder durch stärkere oder schwächere Drosselung der der Umfangszone entsprechenden
ringförmigen Austrittsöffnung oder durch Veränderung des Austrittsdruckes des warmen
Teilstromes mittels eines Hahnes, eines Regelbehälters oder eines Druckreglers erreichen
kann. Man kann zum gleichen Zweck auch die der Axialzone entsprechende kreisförmige
Austrittsöffnung des kalten Teilstromes zur Erzielung eines Spannungsabfalles drosseln,
aber dann ergibt sich im allgemeinen eine Verminderung des Wirkungsgrades der ganzen
Energiewandlung.
-
Unabhängig von diesen Regelungsmaßnahmen kann man in ausgedehntem
Bereich auch auf die Temperaturen und die Strömungsmengen des kalten und des warmen
Teilstromes durch Änderung der Strömungsmenge und der Geschwindigkeit des in den
Raum von Rotationskörperform eintretenden zusammendrückbaren gasförmigen Mittels
sowie der die Kreiselbewegung dieses Mittels bestimmenden Faktoren wie des inneren
und des äußeren Durchmessers' des kreisenden Stromes, des Gewindeganges, der Länge
und der Konizität des Raumes von Rotationskörperform, des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins
einer Umkehrung .der Axialgeschwindigkeit, der Durchmesser der der Axial- und der
Umfangszone entsprechenden Austrittsöffnungen einwirken.
-
Man kann auch, indem man den Mantel der heißen. Umfangszone des kreisenden
gasförmigen Mittels durch ein äußeres Mittel kühlt, eine zusätzliche Erniedrigung
der Temperatur .des kalten Teilstromes herbeiführen. Ferner hängt der Höchstunterschied
der Temperaturen zwischen dem warmen und dem kalten Teilstrom bei sonst gleichen
Verhältnissen von dem Feuchtigkeitsgrad des benutzten gasförmigen Mittels ab, und
dieser Temperaturunterschied ist um so geringer, je feuchter das gasförmige Mittel
ist.
-
Die Zeichnung erläutert in Abb. i bis q. in schematischer Darstellung
das Verfahren nach der Erfindung, wobei Abb. 2 ein Querschnitt nach der Geraden
2-2 der Abb. i, 3 und q. ist. Abb.5 zeigt im Achsschritt beispielsweise eine praktische
Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, und Abb. 6 ist eine schaubildliche
Darstellung des schraubenförmigen Leitorgans des Verteilers dieser Vorrichtung.
Abb.7 läßt im Achsschritt eine zweite Bauart der Vorrichtung nach der Erfindung
erkennen, bei welcher die verschiedenen Organe thermisch gegeneinander zur Verbesserung
des Wirkungsgrades der Energie,-umwandlung isoliert sind. Abb.8 gibt schaubildlich
.das spiralförmige Leitorgan des Verteilers der Vorrichtung der Abb.7 wieder. Abb.
9 zeigt eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, bei welcher
der Verteiler durch ein Leitschaufelsystem gebildet ist.
-
Gemäß Abb. i und :2 ist das Rohr A, das z. B. einen Innendurchmesser
von 28 mm und eine Gesamtlänge von 300 mm hat, am einen Ende i vollständig
offen und am anderen Ende teilweise durch eine Ringwand K von 2omm Innendurchmesser
abgeschlossen. Nahe dieser Ringwand tritt in das Rohr A tangential ein parallel
zur Achse des Rohres A abgeplattetes Röhrchen D ein, das beispielsweise einen Querschnitt
von 2,5 mm Höhe und 7 mm Breite aufweist und an ein breiteres Zuführungsrohr angeschlossen
ist.
-
Wenn man diesem Zuführungsrohr Druckluft z. B. unter 5 kg/cm2 zuleitet,
wird diese Luft mit großer Geschwindigkeit durch das T angentialröhrchen
D in .das Rohr A einströmen und dann aizs diesem vollständig am Ende
i unter Ausschluß der Öffnung am anderen Ende austreten. Durch die Öffnung der Ringwand
K wird anderseits eine starke, etwa einem Unterdruck von 3 m Wassersäule entsprechende
Ansaugung stattfinden.
-
Weün man jetzt, wie Abb.3 zeigt, das Ende i des Rohres A mittels eines
Pfropfens 3 abschließt, so daß die durch das Röhrchen D eingetretene Luft gezwungen
wird, durch die Öffnung der Ringwand K auszutreten, ergibt sich, daß die Temperatur
der Rohrwand A rasch ansteigt, um bei einem Wert von ungefähr 6o° C zu verbleiben,
falls die durch das Röhrchen D zugeführte Druckluft eine Temperatur von etwa 18°
C hat. Die Temperatur .der aus der Ringwand K austretenden Luft ist dann anfangs
etwa 5 ° C und geht nach und nach 'auf ungefähr 13° C. Wenn man die Wandung des
Rohres A durch ein äußeres Mittel z. B. durch Bespritzen mit Wasser von 2o° C kühlt,
sinkt die Temperatur der .durch die Ringwand K austretenden Luft um mehrere Grade
und nimmt einen Wert von etwa 8° C an, falls das Rohr A aus einem gut wärmeleitenden
Metall besteht.
-
Statt das Ende i des Rohres A vollkommen zu schließen, kann man es
auch, wie Abb. q. zeigt, unvollständig z. B. mittels einer Kugel q. absperren, die
zwischen sich und dem Rohrende i einen Ringspalt W frei, läßt, durch den ein Teil
der Druckluft entweichen kann, während .der andere Teil -der Luft .das Rohr A weiterhin
durch die Öffnung der Ringwand K verläßt. Die durch den Ringspalt W austretende
Luft ist heiß und die durch die Ringwand I( enriveichemde Luft kalt, und der Temperaturunterschied
zwischen
diesen beiden Luftströmen liegt zwischen q.o und 6o° C. Wenn der Ringspalt W genügend
eng ist, um nur wenig warme Luft .durchzulassen, ist die Temperatur dieser Heißluft
ungefähr 6o° C, während die Temperatur der -aus der Ringwand K entweichenden Luft
in der Größenordnung von 5° C ist. Durch Vergrößerung des Durchtrittsquerschnittesdes
Ringspaltes9l vermehrt man die durch diesen Spalt ausströmende Luftmenge, vermindertaber
gleichzeitig die Temperatur dieser Luft. Anderseits nimmt die durch die Ringwand
K gehende Luftmenge ab und deren Temperatur sinkt weiter. Wenn beispielsweise der
Ringspalt W so eingestellt ist, daß er warme Luft von + 35° C durchläßt, geht durch
die Öffnung der Ringwand K ein Luftstrom von etwa -8° C. Man erhält gleiche Ergebnisse
ohne Veränderung des Durchtrittsquerschnittes des Ringspaltes W, wenn man die durch
den Ringspalt tretende Warmluftmenge durch einen an diesem Spalt wirksamen Gegendruck
regelt.
-
Bei der Abb. 5, welche die bauliche Durchbildung einer auf den beschriebenen
physikalischen Erscheinungen beruhenden Vorrichtungen im einzelnen zeigt, wird die
Druckluft .durch ein Rohr 5 in eine Ringkammer 6 geleitet, welche den Verteiler
D umgibt. Der Verteiler D enthält ein schraubenförmiges Leitorgan 7, das an zwei
Hyperboloidflächen, deren eine Erzeugende eine Tangente zur schraubenförmigen Leitfläche
ist, zwischen den beiden zusammengeschraubten Hälften 8 und 9 .des Verteilergehäuses
festgeklemmt ist. Das Rechteck io (vgl. auch Abb.6) stellt den auf diese Weise sich
ergebenden Durchtrittsquerschnitt, durch -den die Luft aus der Ringkammer 6 ausströmt,
um eine Kreiselbewegung in der Arbeitskammer A 4uszuführen, .die durch ein Rohr
i i gebildet ist, das mit dem einen Ende an den Verteiler durch einen sich erweiternden
Zwischenteil 12 angeschlossen ist, dar. Am anderen Ende des Rohres i i ist der regelbare
Ringspalt W zwischen dem sich von diesem Rohrende aus erweiternden und :damit verbundenen
Hohlkegel 13 und einem von diesem umgebenen Kegel q. vorgesehen, dessen Lage zum
Hohlkegel 13 mittels am Auslaßrohr 15 angebrachten Schraubgewindes 14 verändert
werden kann. Die eine Hälfte 8 des Verteilergehäuses ist als Ringwand K mit kreisförmiger
Mittelöffnung ausgestaltet und geht über einen sich erweiternden Zwischenteil in
das Auslaßrohr 16 über.
-
Bei der in Abb. 7 dargestellten Vorrichtung sind die bei der Energiewandlung
auf verschiedene Temperatur- kommenden Teile voneinander thermisch isoliert, um
Verlustströmungen von Wärme zu verhindern. Diese thermisch _ isolierten Teile sind
in Abb. 7 mit Kreuzschraffur kenntlich gemacht, während die metallischen Teile Parallelschraffur
aufweisen. Die Druckluft wird durch das Rohr 5 in die Ringkammer 6 geleitet, welche
den Verteiler D umschließt, .der aus einem zwischen den entsprechend profilierten
Klemmteilen 8, 9 eingespannten Leitorgan 7 (vgl. auch Abb. 8) gebildet ist. Die
beiden Rechtecke io bestimmen den Durchtrittsquerschnitt, durch welchen die Luft
aus der Kammer 6 in die Arbeitskammer A übertritt, in der sie eine Kreiselbewegung
ausführt. Das die Arbeitskammer A darstellende Rohr 1i ist am einen Ende an den
Verteiler D über einen nach diesem zu sich verjüngenden Hohlkegel i a angeschlossen
und geht am anderen Ende in den Ringspalt W über, :der zwischen dem sich von der
Arbeitskammer aus erweiternden Hohlkegel 13 und dem von diesem umschlossenen Kegel
q. vorgesehen ist. Die durch den Spalt W strömende Warmluftmenge wird durch einen
Gegendruck geregelt, der in der an den Spalt W sich anschließenden Ringkammer 18
und dem Auslaßrohr 15 durch ein bekanntes Mittel aufrechterhalten wird. Der Kegel
q. ist mit einem mittleren Kanat versehen und bildet so gleichzeitig die Ringwand
K, durch welche die kalte Luft austritt. Der Kanal dieser Ringwand erweitert sich
nach dem Auslaßrohr 16 hin, die mit ihm über .die Kammer 17 in Verbindung steht.
Die Anordnung der quer zur Achse der Kreiselbewegung durch eine kegelige Wand 17a
abgeschlossenen Kammer 17 mit seitlich, gegebenenfalls tangential sich anschließendem
Auslaßrohr 16 für die Entleerung der Warmluft ist insofern günstig, als sie die
thermisch schädlichen Nebenströmungen von Luft vermindert, die in der mittleren
unter Unterdruck stehenden Zone durch die axialen Gegenstromluftstöße hervorgerufen
werden.
-
Bei der Vorrichtung nach Abb. 9 wird das verdichtete Mittel, z. B.
Druckluft, durch ein in der Verlängerung der rohrförmigen Arbeitskammer A liegendes
Rohr 5 dem Raum 6 zugeleitet und hier durch einen ringförmigen Verteiler D, der
mit einem 7 versehen ist, in eine Kreiselbewegung versetzt. Die übrige Ausbildung
der Vorrichtung nach Abb. 9 ist die gleiche wie bei Abb. 7.
-
Die Erfindung kann natürlich im einzelnen auch in einer von den Beispielen
der Zeichnung abweichenden Form verwirklicht werden. Insbesondere kann man zur Erzielung
der Kreiselbewegung des zusammendrückbaren Mittels irgendeine hierfür geeignete
bekannte Vorrichtung verwenden. Die Austrittsöffnungen
an der Warm-
und an :der Kaltluftseite können beliebige Form erhalten, wenn nur der Mindestabstand
der Warmluftauslaßöffnung von der Achse :der Kreiselbewegung größer als der Höchstabstand
der Kaltluftaustrittsöffnung von der nämlichen Achse oder .gleich diesem Höchstabstand
ist oder bei ringförmigen, zur Strömung zentrischen Öffnungen der kleinere Durchmesser
der ringförmigen Warmluftaustrittsöffnung dem größeren Durchmesser .der ringförmigen
Kaltluftauslaßöffnung mindestens gleichkommt. Die Mittel und Anordnungen zur thermischen
Isolierung der verschiedenen Teile der Vorrichtung nach der Erfindung können beliebiger
Art und bekannter Ausführung sein.
-
Für die Arbeitskammer kann eine äußere Kühlungoder Erwärmung vorgesehen
sein oder auch fehlen und unter Verwendung verschiedener gebräuchlicher Kühl- oder
Heizvorrichtungen verwirklicht werden. Man kann auch das gasförmige Mittel einer
Vorwärmung oder Vorkühlung in passenden Wärmeaustauschvorrichtungen oder sonstwie
durch ein äußeres Mittel unterwerfen und hierfür auch einen Teil oder die Gesamtheit
der erfindungsgemäß erzeugten kalten oder warmen Teilströme ausnutzen. Wenn das
Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung zur Erzeugung von Wärme verwendet
werden soll, ist es vorteilhaft, die Anfangsenergie dem gasförmigen Mittel durch
einen mechanischen Mitnehmer bekannter Bauart, z. B. eine mit großer Geschwindgikeit
umlaufende Maschine mit radialen Schaufeln in Ein- oder Mehrzellenausführung, ohne
Zwischenkühlung des Mittels zuzuführen, wobei der Verteiler mit seinem Leitorgan
einen Bestandteil des mechanischen Systems bilden kann. Man kann auch mehrere Vorrichtungen
oder Teile davon mit .den Enden aneinanderfügen, indem man z. B. einen einzigen
Verteiler verwendet, um zwei gleichachsig nebeneinandergesetzte Arbeitskammern zu
speisen, von denen jede mit Warm-, und Kaltluftauslässen versehen ist.