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Kocher mit Gasblasenpumpe für kontinuierlich arbeitende Absorptionskältemaschinen
Ein wichtiger Teil der kontinuierlich mit Hilfsgas arbeitenden Absorptionskältemaschinen ist der Ko- cher, in dem die reiche Lösung zwecks Austreibung des Kältemittels, z. B. Ammoniak, erwärmt wird.
Einen weiteren wichtigen Teil solcher Maschinen stellt die Gasblasenpumpe dar, welche die im Kocher hergestellte arme Lösung in den höher angeordneten Absorber liefert. Die Gasblasenpumpe kann mit dem Kocher zusammengebaut oder auch neben ihm untergebracht werden ; die zu ihrem. Betrieb notwendige Wärmemenge erhält sie vorwiegend von einer mit dem Kocher gemeinsamen Wärmequelle. Aus der reichen Kältemittellösung scheidet sich infolge der Erwärmung das Kältemittel in Gestalt kleinerer oder grösserer Gasblasen aus. Die Gasblasen gelangen in den unteren Teil der Gasblasenpumpe und haben dort das Bestreben, die über ihnen befindliche Flüssigkeitssäule in dem mit kleinem Durchmesser ausgebildeten Förderrohr der Pumpe vor sich herschiebend anzuheben.
Zum Heben und Beschleunigen der Wassersäule sind Gasblasen von grosser Auftriebskraft erforderlich, die aber zu ihrer Entwicklung erhebliche Zeit' und Wärmemengen benötigen. Unter günstig gelagerten Umständen treibt jede Gasblase stossartig eine Kältemittelsäule im Förderrohr der Gasblasenpumpe hoch. Da auf jede Aktion eine Reaktion folgt, wirkt gleichzeitig mit dieser aufwärts treibenden Kraft auf die Kältemittelsäule unterhalb der Gasblase ein Druck ein, was in dem Rohr, welches die dem Kocher zuströmende reiche Lösung führt, schwingende Bewegungen des Kältemittels hervorruft. Die Wirkung der Reaktionskraft kann aus der vor-und rückwärtsschwingenden Bewegung eines in einem Glasrohreinsatz angebrachten dünnen Glasfadens leicht erkannt und bewiesen werden.
Die nachteilige Wirkung dieser Erscheinung auf die Leistung ist bekannt und zu ihrer zumindest teilweisen Beseitigung sind schon zahlreiche Vorschläge gemacht worden. So hat man versucht, die nachteilige Schwingbewegung mit Hilfe von Rückschlagventilen, gewindeartig gebogenen Rohren, im Kocher selbst angebrachten Spiraleinsätzen oder durch Verlängerung des Wärmeaustauschers, d. h. im allgemeinen durch Ausnützung des Rohrreibungswiderstandes, zu verringern.
Die erläuterte Erscheinung ist auch die Ursache davon, dass in der Nähe des ausgeprägten Höchstwertes der Förderkennlinie der Gasblasenpumpe gegebenenfalls wesentlich geringere Förderleistungen durch den eingeführten Wärmeenergieüberschuss erzielt werden, als dies zu erwarten wäre. Es gibt jedoch auch noch eine andere Ursache, welche den Wirkungsgrad des Kochers und gleichzeitig auch den der Gasblasenpumpe wesentlich verschlechtert. Die reiche Lösung muss auf eine gewisse optimale Temperatur erwärmt werden, damit das Kältemittel ausgetrieben werden kann. Diese Temperatur ist jedoch aus konstruktiven Gründen höher als es an sich für die Austreibung des Kältemittels beim Ablauf der chemischen Reaktion notwendig wäre.
Es muss nun verhindert werden, dass im Förderrohr der Gasblasenpumpe, wo die Kältemittelgasblase und das bereits arme Absorptionsmittel zusammen fortschreiten, das Absorptionsmittel derart abkühlt, dass es das Kältemittel wieder absorbiert, bevor diese Medien endgültig voneinander getrennt sind. Ausserdem muss verhindert werden, dass das Kältemittel sich zu kondensieren beginnt, bevor es in den Kondensator gelangt. Die Abkühlung der Gasblase ist besonders deshalb nachteilig, weil dabei ihr Volumen merkbar abnimmt, wodurch auch ihre Hebkraft geringer wird. Diese Erscheinung kann in einem aus Glas hergestellten Förderrohr der Gasblasenpumpe sehr gut beobachtet werden.
Insbesondere im oberen Abschnitt des Rohres vereinigen sich die einzelnen kleinen Wassersäulen infolge der Abnahme des Gasblasenvolumens bzw. sogar seines vollständigen Verschwindens, so dass für den folgenden Förderhub bereits eine lange
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Wassersäule von grosser Menge durch die Gasblase von ebenfalls bereits grossem Volumen und hoher Hub- kraft gehoben werden muss. Dadurch. wird selbstverständlich auch die Stärke des Rückstosses beträchtlich grösser.
Zwecks Vermeidung dieses Nachteils ist es üblich, das Kochen bis zu einem gewissen Grad zu weit zu treiben, was aus zwei Gründen nachteilig ist, weil unnötig viel Wärmeenergie zugeführt werden muss und weil hiebei das ausgetriebene Kältemittel im Verhältnis zur im i-g Diagramm bestimmten Menge wesentlich mehr Wasserdampf enthält, als in Betracht gezogen worden ist. Der erhöhte Wasserdampfge- halt wirkt sich sehr ungünstig hinsichtlich der Arbeit der Kältemaschine aus. Alle diese Erscheinungen verschlechtern die Leistung und haben zur Folge, dass der Wirkungsgrad der mit Hilfsgas kontinuierlich ar- beitenden Absorptionskältemaschinen höchstens 33% erreicht.
Die Erfindung befasst sich nun mit der Aufgabe, die angeführten Nachteile der bekannten Kocher mit
Gasblasenpumpe zu vermeiden. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, einen Kocher mit Gasblasen- pumpe für kontinuierlich arbeitende Absorptionskältemaschinen, dessen Heizorgan in einem vom Kocher- raum umgebenen Heizrohr untergebracht ist, so auszubilden, dass die Leistung des mit der Gasblasen- pumpe zusammengebauten Kochers erhöht, der Rückstoss gedämpft und das Austreiben des Kältemittels verbessert wird und dass ein kontinuierlicher Betrieb der Gasblasenpumpe bei grösserer Fördermenge und
Förderhöhe der Gasblasenpumpe als bisher erzielt werden kann.
Die angegebenen Ziele werden gemäss der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, dass bei einem
Kocher mit Gasblasenpumpe der erläuterten Art der Kocherraum der Gasblasenpumpe quer zur Hauptrich- tung der Strömung der Flüssigkeit in mindestens zwei getrennte Abschnitte unterteilt ist, wobei die ge- trennten Abschnitte durch enge Öffnungen miteinander verbunden sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kochers mit Gasblasen- pumpe eingehend erläutert ist.
Beim erfindungsgemässen Kocher mit Gasblasenpumpe wird die dem Kocherraum 8 des mit der Gas- blasenpumpe zusammengebauten Kochers, d. h. dem Raum zwischen der Innenfläche eines Kocherraum- gehäuses 2 und der Aussenfläche eines koaxialen Heizrohres 1, zugeführte kältemittelreiche Lösung zwecks wirksamer Austreibung des Kältemittels entlang eines labyrinthartigen Weges geführt, der durch Trennele- mente 10, die quer zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit im Kocherraum 8 angeordnet sind und durch in diesen Trennelementen vorgesehene, enge Durchlassöffnungen gebildet ist.
Der Kocherraum 8 ist relativ eng, wobei die erwärmte Flüssigkeitsschicht um das Heizrohr 1 vorzugsweise höchstens 2, 5 mm dick sein soll. Dadurch wird erreicht, dass die Durchwärmung der Flüssigkeit vollständiger und schneller erfolgt und dass ferner die Flüssigkeit durch Kapillarwirkung an den Wänden des Kocherraumes 8 haftet. Die beim Beginn des Kochens entstehenden kleinen Gasblasen vereinigen sich in den schmalen Durchlassöffnungen der Trennelemente 10 zu immer grösseren Blasen, die elastisch zusammendrückbar sind und die von der darauf lastenden Flüssigkeit ausgeübte Reaktionskraft aufnehmen können, weil sie wie Federelemente wirksame Gaskissen bilden.
Die Trennelemente 10 haben eine zur Richtung der Reaktionskraft senkrechte Oberfläche und die schmalen Durchlassöffnungen ermöglichen den Durchgang des Flüssigkeits- und Gasblasengemisches. Dieses Flüssigkeits- und Gasblasengemisch wird im oberen Abschnitt des Kocherraumes 8 in solcher Weise an die Oberfläche eines in einen Übergangsabschnitt 3 des Kocherraumgehäuses 2 hineinragenden Nachwärmeransatzes 9 weitergeleitet, dass der Energieinhalt des Flüssigkeits- und Gasblasengemisches durch Wärmeaufnahme erhöht wird, wodurch das Heben der Flüssigkeitssäulchen in einem Förderrohr wirksam gefördert und beschleunigt wird.
Die Austreibung des Kältemittels (das Kochen) und das Heben der Flüssigkeit sind bei der erfindungsgemässen Konstruktion mit einer derart grossen Leistungszunahme verbunden, dass es nicht notwendig. ist, zwecks Neutralisierung der schädlichen Reaktionskraft alle für diese Vorgänge förderlichen Eigenschaften der Konstruktion auszunützen. In einzelnen Fällen genügt es zur Erzielung einer bestimmten Leistung z. B. schon, wenn die kapillare Adhäsion der Flüssigkeit durch Annäherung der den Kocherraum begrenzenden Wände stärker zur Wirkung gebracht wird und der Nachwärmeransatz verwendet wird.
In andern Fällen genügt wieder nur die Vorsehung des labyrinthartigen Flüssigkeitsströmungsweges und der zur Begünstigung der Gasblasenverdich- tung notwendigen Bauelemente. Für eine Gasblasenpumpe mit höherer Leistung erweist sich die Anwendung der kapillaren Adhäsion, des labyrinthartigen Flüssigkeitsströmungsweges, der Gasblasenverdichtung und der. für die Nachwärmung erforderlichen Bauelemente als notwendig.
In der Ruhelage wird die Ausgangslage im Förderrohr 4 der Gasblasenpumpe durch das Grundniveau H bestimmt. Eine im Heizrohr 1 angebrachte, in der Zeichnung schematisch dargestellte Wärmequelle 12 bewirkt einen sehr schnellen Wärmeübergang mit gutem Wirkungsgrad, weil die Dicke der Flüssigkeitsschicht im Kocherraum 8 zwischen der äusseren Fläche des Heizrohres 1 und dem Kocherraumgehäuse 2
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sehr klein ist. Die Wärmeübertragung an die Flüssigkeit wird durch die Trennelemente 10 wirksam geför- dert.
Die an Kältemittel reiche Flüssigkeit strömt infolge der Verringerung ihres spezifischen Gewichtes nach oben und muss hiebei durch die aufeinanderfolgenden, abwechselnd einander gegenüberliegenden schmalen Spalte der die Heizfläche vergrössernden Trennelemente 10 hindurchströmen, wodurch die sich hiebei erwärmende Flüssigkeit labyrinthartig geleitet wird und bei ständiger Umwälzung auf einer langen Strecke mit der Oberfläche des Heizrohres 1 in Berührung gelangt. Bei dieser Art der Erwärmung wird die zum Austreiben des Kühlmittels, z. B. Ammoniak, erforderliche Temperatur schnell erreicht, und da die Flüssigkeitsschicht dünn ist, kommt über den gesamten Querschnitt eine gleichmässige Durchwärmung zustande. Die Austreibung des Kältemittels erfolgt bei dieser Verfahrensweise wesentlich schärfer als beim Kochen einer dicken Flüssigkeitsschicht.
Aus der sich erwärmenden Flüssigkeit scheiden sich beim Strömen nach dem oberen Teil des Kocherraumes 8 in zunehmender Menge winzige Käliemittelgasblasen aus, die nach oben steigen. Um das Wachsen der Gasblasen zu fördern bzw. nicht zu behindern, wird die Flüssigkeit lediglich im unteren Teil des Kocherraumes 8 zwischen Trennelementen i0 geführt. Im oberen Teil des Kocherraumes 8 nimmt das Volumen der Gasblasen durch Vereinigung von immer mehr Einzelblasen rasch zu und die grossen Gasblasen heben die über ihnen befindliche Flüssigkeit.
Die aufsteigenden Gasblasen werden durch den Übergangsabschnitt 3 des Gehäuses 2 des Kocherraumes 8 zum Nachwärmeransatz 9 des Heizrohres 1, vorzugsweise zu einem kegeligen Teil desselben, hingelenkt, da andernfalls die Gasblasen wegen der auftretenden Kavitation der Oberfläche des Ansatzes bzw. des Kegels ausweichen würden. Die Gasblasen nehmen hiebei vom Ansatz 9 zusätzliche Wärme auf, welche den Energieinhalt der Gasblase erhöht und diese befähigt, die über ihr befindliche Flüssigkeitssäule ausreichend stark zu beschleunigen bzw. auf eine Höhe H2 zu heben. Die Masse des Nachwärmeransatzes 9 ist verhältnismässig gross. Dadurch behält er nämlich eine annähernd konstante Temperatur, wodurch die Gleichmässigkeit der Arbeitsweise der Gasblasenpumpe zuverlässig gewährleistet ist.
Wie schon erwähnt worden ist, kann die beim Wirksamwerden der Beschleunigungs- und Hubkraft entstehende, entgegengesetzt gerichtete, gleich grosse Reaktionskraft nicht nur im Kocher, sondern auch in einem Flüssigkeitszufuhrrohr 6 sehr unangenehme und schwer dämpfbareSchwingungsbewegungen der Flüssigkeit hervorrufen, wodurch die Leistung der Gasblasenpumpe offensichtlich beträchtlich verringert wird, da ein wesentlicher
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tisch restlosen Beseitigung der nachteiligen Wirkung der Reaktionskraft angewendet werden, wobei die im übrigen in üblicher Weise ausgenutzte Rohrreibung vollständig vernachlässigt werden kann.
Die erste Methode zur Verringerung der Reaktionskraft ist auf die Erscheinung gegründet, dass im oberen Teil des Kocherraumes 8 bereits verhältnismässig grosse Gasblasen vorhanden sind. Da Gase kompressionsfähig sind, verringern die Gasblasen unter der Einwirkung des Rückstosses ihr Volumen, wodurch sie aber eben als federnd wirksamer Gaspolster den grössten Teil der augenblicklichen und stossartig auftretenden Reaktionskraft aufzehren, weil die Gasblasen an einer zur Rückströmrichtung senkrechten, nur durch einen schmalen Spalt unterbrochenen Fläche abgestützt sind.
Die zweite Methode zur Verringerung der Reaktionskraft gründet sich auf die Tatsache, dass im Kocherraum 8 die Schichtdicke der Flüssigkeit gering ist und z. B. nur 2, 5 mm oder noch weniger beträgt, so dass die Flüssigkeit durch kapillare Adhäsion an der Wand des Heizrohres 1 und des Gehäuses 2 des Ko- cherraumes 8 haftet, wodurch eine gewisse Bremswirkung entsteht.
Die dritte Methode zur Verringerung der Reaktionskraft beruht darauf, dass die Druckenergie der unter derWirkung der Reaktionskraft abwärts strömenden Flüssigkeitzunehmend in Geschwindigkeitsenergie umgesetzt und hiedurch ein wesentlicher Teil desEnergieverlustei, durch Aufzehrung der Reaktionskraft kompensiert wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird zwecks Erzielung dieser Umsetzung der Energie der rückströmenden Flüssigkeit durch die Trennelemente 10 e'n labyrinthartiger Strömungsweg aufgezwungen.
Da die durch die Reaktionskraft nach unten gedrückte Flüssigkeit beim Rückströmen an den Trennelementen Durchlassöffnungen durchströmen muss, deren Querschnittsfläche nur etwa 6.. 1CJ'/o der zur Rückströmung senkrechten Oberfläche der Trennelemente beträgt, wobei überdies die zweite Durchströmöff- nung unterhalb der ersten sich auf der entgegengesetzten Seite befindet, während die dritte wieder auf der der vorhergehenden Öffnung entgegengesetzten Seite vorgesehen ist, und da ferner die Flüssigkeit nach jedem Durchströmen einer engen Durchlassöffnung in einen erweiterten Raum gelangt, wodurch ihre Geschwindigkeit zum Teil abnimmt, die aber in der nächsten Öffnung wieder erhöht wird usw., so wird die der Flüssigkeit durch die Reaktionskraft erteilte Energie immer mehr verzehrt.
Proportional zu diesem stufenMeisen Energieverlust sind die Trennelemente mit von oben nach unten abnehmenden Abständen angeord-
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Die Trennelemente üben somit insgesamt drei Funktionen aus. Durch die Ausbildung eines labyrinth- artigenStrömungsweges für die kältemittelreiche Flüssigkeitvergrössern sie die Heizfläche, wodurch eine sehr wirksamewärmeübertragung und eine energische Austreibung des Kältemittels erreicht wird, sie bil- den ferner eineStützfläche für die Gasblasen, so dass diese beim Rückstoss der Flüssigkeit elastisch komprimiert werden können,
und schliesslich verringern ihre schmalen Durchströmungsöffnungen die Wirkung der Reaktionskraft durch stufenweise Umsetzung der durch die Reaktionskraft erzeugten Druckenergie in Strömungsenergie.
Das Kocherraumgehäuse 2 ist aussen von einem Mantel 5 umgeben. Die an Kältemittel bereits arme Lösung strömt in dem zwischen den Wänden 2 und 5 gebildeten Raum 11 für die arme Lösung nach unten, wobei sie das Kocherraumgehäuse 2 umfliesst, und wird über ein Abfuhrrohr 7 abgezogen.
Der gemäss der Erfindung ausgebildete Kocher mit Gasblasenpumpe hat bei Versuchen ein Mehrfaches der durch die bekannten Vorrichtungen ähnlicher Art gelieferten Menge geliefert. Bei gleicher Liefermenge beansprucht der erfindungsgemässe Kocher mit Gasblasenpumpe lediglich einen Bruchteil der für die bekannten Vorrichtungen erforderlichen Heizenergie. Die beim Ausführungsbeispiel angewendete Verfahrensweise zum Erhöhen der Leistung kann bei allen Gasblasenpumpen und Kochern angewendet werden, bei deren Betriebs- oder Arbeitsverhälmissen die Anwendung vorteilhaft ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kocher mit Gasblasenpumpe für kontinuierlich arbeitende Absorptionskältemaschinen, dessen Heizorgan in einem vom Kocherraum umgebenen Heizrohr untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kocherraum (8) der Gasblasenpumpe quer zur Hauptrichtung der Strömung der Flüssigkeit in mindestens zwei getrennte Abschnitte unterteilt ist, wobei die getrennten Abschnitte durch enge Öffnungen miteinander verbunden sind.