DE102010021015A1

DE102010021015A1 - Wärmepumpe mit gewendelten Kolben gleichen Profilquerschnitts für die Erzeugung von Kälte und Wärme

Info

Publication number: DE102010021015A1
Application number: DE102010021015A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Dieter Bürger
Original assignee: O3 INNOVATION URSULA BUERGER E KFR; O3-Innovation Ursula Buerger Ekfr
Current assignee: O3-INNOVATION URSULA BUERGER E. KFR., DE
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2011-11-24

Abstract

Bis heute halten es manche Fachleute für nicht möglich, „Wasser als Kältemittel” in Kompressions-Kälteanlagen mit anderen Maschinentypen als großen Turbokompressoren anzuwenden, Materialfragen und Konstruktionsaspekte werden als Gründe genannt. Tatsächlich wären die ab Anfang der 1960er Jahre in die Vakuumtechnik eingeführten Wälzkolben-Vakuumpumpen in hermetischer Ausführung mit Kälteleistungen bis ca. 4 kW Wasser als Kältemittel zu verwenden gewesen. Größere Maschinen sind realisiert worden, Kühleinrichtungen für solche auch Roots-Vakuumpumpen genannten Aggregate wurden erst in den 1970er Jahren entwickelt. Die vorliegende Erfindung beschreibt neuartige Verfahren und Pumpen mit zu 160° gewendelten Kolben gleichen (Roots-)Profilquerschnitts in hermetischer Bauweise mit sehr kurz bauenden Axialfluss-Antrieben, welche, besser noch als die bisherigen Roots-Maschinen, als preiswerte, korrosionsfreie Wasserdampfverdichter im Kälteleistungsbereich von 1–20 kW (höhere Leistungen bei Wärmepumpenbetrieb) mit und ohne Wasserinjektion arbeiten und Kompressionsverhältnisse ≥ 10 sowie COP von ≥ 10 erreichen können.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren, mittels einer hermetisch dichten Wendelkolbenpumpe mit spiralförmig gegeneinander um 60 bis 270° gewendelten Kolben mit typischen Wälzkolben-Profilen mit 2–5 Kolbenköpfen, vorzugsweise um 160–270° gewendelten Kolben, unter Vermeidung von innerer Verdichtung durch Kompression von Gasen oder Dämpfen, vorzugsweise von ungiftigen und nichtbrennbaren Gasen und Dämpfen, am meisten vorzugsweise von Wasserdampf, Kälte und Wärme zu erzeugen.
Die Erzeugung der ersten, sog. „Künstlichen Kälte” gelang bereits 1748 dem schottischen Arzt und Chemiker Sir Willian Cullen [Anlage 1]. Er verdampfte Wasser und Lösungsmittel im Vakuum und stellte fest, dass durch Verdampfung von Flüssigkeiten „Kälte erzeugt wird”. In der physikalischen Realität wird Wärme entzogen, und die absolute Temperatur sinkt. Wasser war bis zum Jahre 1850 (Edmund Carré) [Anlage 2] das bevorzugte Mittel zur Kälte-Erzeugung in technisch einwandfrei arbeitenden Absorptions-Kälteverfahren. Ab Ende der 1980er Jahre ist „Wasser als Kältemittel” ein Schlagwort geworden, das nach einigen technischen und kommerziellen Misserfolgen heute wieder zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die US 7 555 891 B2 vom 7. Juli 2009 verweist auf Fortschritte in der Turbinen- und Kondensationstechnologie für das Kältemittel R718, Wasser. J. Paul, Flensburg, teilte dem Erfinder der vorliegenden Erfindung persönlich mit, dass er mit neuen Axial-Turboverdichtern im Kälte-Leistungsbereich bis zu einigen 1000 kW erfolgreiche Demonstrationsversuche mit europäischen Unternehmen durchführt [siehe auch Anlage 5]. Eine Entwicklung des Instituts für Luft- und Kältetechnik, ILK, Dresden [Anlage 3], in Form einer zweistufigen Radialturbine wird seit Mitte 2008 in Zusammenarbeit mit der Fa. AXIMA, einer Tochtergesellschaft des französischen Energieriesen GDF Suez S. A. in einem Projekt des Bundesministeriums für Wirtschaft in Richtung einer 3. Generation von R718 (Wasser)-Turbokaltwassersätzen entwickelt.
In einer Informationsschrift über „Wasser als Kältemittel” [Anlage 4] heißt es im Jahr 2003: „Eines dieser natürlichen Kältemittel ist Wasser. Aber erst die heute verfügbaren Werkstoffe ermöglichen Konstruktion und Bau geeigneter Wasserdampf-Kompressoren.” [Anlage 4, Seite 1] Weiter heißt es „Die geringe volumenbezogene Kälteleistung und dadurch bedingte große Fördervolumenströme, hohe Druckverhältnisse für erforderliche Temperaturhübe und die Arbeit des Prozesses praktisch unter Vakuum standen bislang einer Verwendung von Wasser in der Kompressions-Kältetechnik entgegen.” [Anlage 4, Seite 2 Mitte]
Die Entwickler von Turbokompressoren für das Kältemittel Wasser, R 718, gehen fast alle davon aus, dass es wirtschaftlich uninteressant sei, Verdichtereinheiten mit Leistungen unter 100 kW bei 4°C zu betreiben, weil sie glauben, einzig die Turbokompressoren könnten geeignet sein, das Kältemittel Wasser mit seinen besonderen Eigenschaften in der Form von Wasserdampf bei niedrigen Drücken – der Dampfdruck von Wasserdampf bei 0°C beträgt 6,1 mbar – anzusaugen und um den Faktor 10 auf 61 mbar (entsprechend 36°C) verdichten zu können. Die Autoren von [4] glauben offenbar, dass vor dem Jahr 2003 keine technische Möglichkeit existiert hat, mit dem Kältemittel Wasser die in [3] benannten Parameter zu erreichen.
Gegenwärtig werden jedoch auch kleinere Turbomaschinen für Kälteleistungen von ca. 30–60 kW entwickelt, sie scheinen in wenigen Jahren vor der Serienreife zu stehen.
Tatsächlich wurden von J. Paul in den 1980er Jahren bereits Versuche mit speziellen Vakuum-Rootsmaschinen, in der Terminologie der Vakuumphysik Wälzkolben-Vakuumpumpen genannt (siehe 3), zur Kompression von Wasserdampf erfolgreich eingesetzt. Die einstufigen Roots-Maschinen können, je nach Umfangsgeschwindigkeit der Kolben, im Vakuum Kompressionsverhältnisse von 50 bis zu über 100 erreichen (1). Das sog. K₀ ist dabei ein Maß für die Güte einer Wälzkolben-Vakuumpumpe und gibt das maximal erreichbare Kompressionsverhältnis an (Verdichtungsdruck p₂ dividiert durch den Ansaugdruck p₁ beim Saugvermögen null, K₀ = p₂/p₁). Leider konnten die meisten Wälzkolben-Vakuumpumpen, welche seit Anfang der der 1960er Jahre und heute noch in der Vakuumtechnik breite Anwendung finden, in einem wesentlichen Punkt die Ansprüche für Wasser als Kältemittel nicht erfüllen: die Pumpenkörper aus Grauguss GG 20 und die Rotoren aus Normalstahl rosteten nach relativ kurzem Einsatz. Andererseits wurden in den 1970er Jahren Wälzkolbenvakuumpumpen aus Aluminium von der frz. Firma SOGEV, Societé Générale du Vide, Valence, mit vakuumdichten Spaltrohmotoren hergestellt.
Eine andere, wenig bekannte Anwendung des „Kältemittels Wasser” ist die sog. VakuumEnthalpieKühlung. Bei dieser Art der Kühlung in offenem Kreislauf wird den zu kühlenden Produkten, z. B. Backwaren, die von z. B. 95°C Kerntemperatur möglichst schnell auf eine Kerntemperatur von 0–10°C gebracht werden sollen, Wasserdampf entzogen, worauf sie durch Entzug der Verdampfungswärme extrem schnell abgekühlt werden. Solche Anlagen benutzen klassische, korrosionsgeschützte Wälzkolben-Vakuumpumpen (39) mit einer Kälteleistung von ca. 30 kW bei 10°C (p = 12,3 mbar). Die Werner&Pfleiderer-Lebensmitteltechnik-Anlage vom Typ VACUSPEED (2) wird seit 1999 hergestellt und arbeitet in allen Fällen der Backwarenkühlung einwandfrei. Die niedrigsten, erzielten Temperaturen liegen bei –19°C. Meistens werden Backwaren in sehr viel kürzerer Zeit als mit den sog. Schockfrostern und mit deutlich geringerem Energieverbrauch auf 10–20°C abgekühlt. Der Beweis der Funktionsfähigkeit von Wälzkolbenpumpen für „Wasser als Kältemittel” wurde somit spätestens 1999 erbracht.
In 1 sind verschiedene K₀-Kurven dargestellt. Die Kurve (39) stellt den Verlauf des K₀ einer Wälzkolben-Vakuumpumpe der Aerzener Maschinenfabrik, Herzen, dar, welche ein theor. Saugvermögen von 500 m³/h bei einer Drehzahl von 3000/min besitzt. Bei p₂ = ca. 65 mbar fällt die K₀-Kurve steil ab. Sie folgt dann zu höheren Drücken hin der Linie der maximalen, thermischen Obergrenze für diesen Typ von Wälzkolben-Vakuumpumpen. Für größere Maschinen bzw. beim gleichen Maschinentyp mit höherer Drehzahl, verschiebt sich diese Obergrenze nach links. Die helleren Kurven (41) zeigen den weiteren Verlauf des K₀, ohne die Berücksichtigung der thermischen Obergrenze bzw., wenn die Maschine mit einer sog. Voreinlasskühlung oder „inneren Kühlung” (Chr. Hubrich, DE 1628347 , 1971) ausgerüstet ist. Rostfreie Versionen der Wälzkolben-Vakuumpumpen, ausgerüstet mit einer Voreinlasskühlung (3), waren folglich spätestens seit Anfang der 1970er Jahre reif gewesen für die Verwendung als Verdichter für das Kältemittel Wasser. Das gilt besonders für solche Wärmepumpen mit Leistungen von 1 bis ca. 30 kW bei 4°C. Wälzkolben-Vakuumpumpen mit hermetischen Antrieben standen damals bereits zur Verfügung. Objektiv muss jedoch gesagt werden, dass solche Spezial-Wälzkolben-Kältepumpen ein Vielfaches herkömmlicher Kältekompressoren gekostet hätten und dass die Motivation, alternative Kältemittel einzusetzen, damals wesentlich geringer war, als seit Beginn des 2. Jt..
Es kann festgehalten werden, dass mit herkömmlichen Wälzkolben-Vakuumpumpen seit etwa 1965 die meisten Anforderungen, die heute an moderne Turbo-Maschinen für das Kältemittel R718, Wasser, gestellt werden, hätten erfüllt werden können (vgl. Kurve 39 in 1). Die größten Wälzkolben-Vakuumpumpen, die in den 1970er Jahren gebaut wurden, besaßen Saugvermögen von ca. 120000 m³/h, dies entspricht einer Kälteleistung bei 4°C von ca. 530 kW.
Für Kälte- und Wärme-Erzeugung worden sich typische, mit Öl oder Wasser abgedichtete aber auch im Schöpfraum trocken laufende Schraubenverdichter und -vakuumpumpen, besonders der Lysholm-Bauart mit unterschiedlichen Rotordrehzahlen, eignen. Dabei wäre eine gewisse innere Verdichtung akzeptabel, wenn die Maschinen stets mit den gleichen Kompressionsverhältnissen arbeiten.
Öl im Verdichter-Schöpfraum ist einem Kreislauf mit Wasserdampf nicht zuträglich. Probleme der Entölung sind schon bei reiner Gasförderung nicht einfach zu lösen. Bei Wasserdampfbetrieb wird die Entölung nahezu unmöglich, weil Wasser und Öle gleichzeitig verdampfen und ein völlig in Lösung befindliches Dampfgemisch bilden, deren Bestandteile einen Anteil einnehmen, welcher dem Partialdruckverhältnis bei der Verdampfungstemperatur entspricht. Nur aufwändige Adsorption der Öldämpfe mit umständlicher Regeneration könnte diesem Problem abhelfen. Typische Schraubenvakuumpumpen mit Lysholm-Kolben haben eine innere Verdichtung, können bei wechselnden Kompressionsverhältnissen deshalb nicht mit optimalem Energieeinsatz betrieben werden.
Die bisher für „Wasser als Kältemittel” eingesetzten Maschinen und Verfahren sind wegen kleiner Stückzahlen durchweg sehr teuer, und sie müssen, da bei Absolutdrücken bis zu ≤ 6,1 mbar (≤ 610 Pa) Dampf angesaugt wird, extrem dicht ausgeführt werden. Es hat sich bei großen Kraftwerksturbinen bereits in der 1920er Jahren herausgestellt, dass das Vorhandensein von Permanentgasen im Wasserdampf-Kreislauf zu großen Wirkungsgrad-Verlusten bei Transport und Kondensation von Dampf führen kann. Die notwendige Ausrüstung an Hilfs-Vakuumaggregaten kann sich in erheblichen Zusatzkosten bei Investitionen und Betrieb niederschlagen.
Es werden bisher für Wasserdampf, R 718, nahezu keine hermetischen Antriebe verwendet, sondern der Antriebsmotor bringt seine Antriebskraft über eine stark Energie verzehrende und Verschleiß unterworfene Drehdurchführung in den Vakuumkreis ein. Oft wird noch mit zusätzlichen Vorgelege-Getrieben gearbeitet, welche ebenfalls Energie in Reibungswärme wandeln und somit z. T. hohe, mechanische Verluste verursachen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Verwertung theoretischer Überlegungen und eigener Erfahrungen eine neuartige, kostengünstige, hermetisch dichte und leise laufende Wendelkolben-Wärmepumpe zur Erzeugung von Kälte bis –20°C und Wärme bis 125°C zu verwenden, die korrosionsfrei in reiner Wasserdampf-Athmosphäre arbeiten kann, im Vakuum unterhalb von p2 ≤ 100 mbar in einer Stufe Verdichtungsverhältnisse bis 1:100 und darüber und bei p₂ = 1013 mbar ein solches ≥ 1:12 erzielt, mit einem hermetischen, voll vergossenen, elektrischen Antrieb oder Magnetkupplung ausgerüstet ist, und welche es erlaubt, Maschinen- und Anlagen-Herstellungskosten, welche deutlich unter jenen von Schraubenverdichtern der Lysholm-Bauart und von Turbomaschinen liegen, zu erzielen. Die spezifischen Antriebsleistungen sollen so liegen, dass Leistungsziffern, COP, von ≥ 10 bei Drehzahl- und Leistungsregelung erreicht werden.
Die dabei angewendeten Verfahren der Direktverdampfung, Direktkondensation und ggf. ein Umlaut des Kältemittels Wasser im Vakuum und die Nutzung der Antriebsabwärme erhöhen den Wirkungsgrad des Kälte- und Wärme-Verfahrens, ebenso, wie eine aktive Direkt-Kühlung des verdichteten Wasserdampfs mittels Wasserinjektion.
Die Wirkungsweise der Abdichtung von Wälzkolben-Verdrängermaschinen im Vakuum, und um ähnliche Maschinen handelt es sich bei Wendelkolben-Wärmepumpen, ist bisher im deutschen Sprachraum nicht publiziert worden. Es wird immer noch kaum verstanden, warum Verdichter, welche normalerweise nur mit einem normalen, max. Kompressionsverhältnis von 1:1,8 belastet werden dürfen, im Vakuum Verdichtungsverhältnisse von bis zu 1:100 und darüber erzielen (1). Neben den geringen Massenströmen an Gas im Vakuum, deren Verdichtungswärme leichter über die Maschinenoberfläche abgeleitet werden kann, ist die signifikante Erhöhung des K₀ dem Wechsel der Strömungsverhältnisse in den Dichtzonen der Vakuumpumpen zu verdanken (11 u. 12, Tabellen 1 u. 2). So stellen sich zunächst Laminarströmung, Knudsen- und Molekularsträmung mit fallendem, mittleren Druck in den Maschinen ein. Da im Molekularströmungsbereich der Strömungsleitwert bis zu 5·10² mal geringer sein kann, als im Bereich von Laminarströmung, dichten die Spalte in trocken arbeitenden Maschinen im Vakuum wesentlich besser ab (11 u. 12, Tabellen 1 u. 2).
Zum Zwecke der Herstellung von korrosionsfesten, leise laufenden Wasserdampf-Verdichtern im Vakuum werden Großserien-Maschinenblöcke (4, 6. 7 aus der Kfz-Motoren-Laderproduktion demontiert, modifiziert und mit neuartigen, extrem flachen, hermetisch vergossenen und erheblich an Baulänge sparenden Axialfluss-Antrieben (7) ausgerüstet. Die Modifizierungen betreffen auch die Differenzdruckverhältnisse an den bei den Synchronrädern (19) im Lagerdeckel (10) liegenden Wellendurchführungen mittels Molekularpump-Nutstrukturen (13 u. 14) an Zahnrädern und Axialfluss-Rotoren. Auch die Lager im Lagerdeckel (10) müssen wegen geänderter Schubverhältnisse durch den Axialfluss-Antrieb geändert werden.
Die Vorteile der sich aus international verfügbaren Grosserien-Grundkörpern mit wendelförmig gegeneinander um 60–160° verdrehten HELIX-Kolben mit Roots-Querschnitt mit hermetisch dichten Gehäusen und Antrieben ergeben, machen eine gegenüber dem bisherigen Stand der Technik hohe Zahl an Verbesserungen möglich, sodass eine neue Generation von Wärmepumpen für Kälte- und Wärmeverfahren entsteht, welche Wasser als Kältemittel und Wärmefluid bei Leistungen zwischen ca. 1 und 30 kW (bei Wärmepumpenbetrieb mehr) endlich ökologisch wie ökonomisch interessant machen. Gegenüber anderen Vakuumpumpen- oder Verdichter-Bauarten weisen die Maschinen hohe volumetrische Förderleistungen (Saugvermögen) bei Drehzahlen bis zu ca. 20000/min auf.
Probleme, die normalerweise bei Gastransport im Vakuum nicht auftreten, können sich mit reinem Wasserdampf sehr wohl ergeben. Wenn z. B. Wasserdampf bei 4°C (entsprechend 8,13 mbar) angesaugt und z. B. auf 45°C (entsprechend 96 mbar) verdichtet wird (Verdichtungsverhältnis 1:11,8), kann es in einer kühlen Umgebung sehr wohl zu Kondensation von Wasserdampf an kühleren Stellen des Helix-Wasserdampfverdichter-Gehäuses kommen, z. B., im schlimmsten Fall, in dem Raum der Synchronräder aus Stahl und der Motorläufer. Auch Eisablagerungen können bei Außenbetrieb im Winter erfolgen. Deshalb müssen Mittel vorgesehen werden, mit welchen eine Kondensation von Wasser in solchen Toträumen verhindert werden.
Ein solches Mittel sind sog. Molekularpumpen, wie sie von Wolfgang Gaede in Deutschland während des 1. Weltkriegs und von Fernand Holweck 1921 entwickelt wurden ( FR 536 278 ). Wird eine zylinder- oder scheibenförmige Holweck-Pumpe so zwischen Förderraum und Getrieberaum angebracht, dass sie den Getriebe- und Antriebsraum beständig abpumpt, kann Wasserdampf nicht in diesen eindringen. Eine weitere Folge dieser Vorrichtung ist die ständige Reduzierung des Totaldrucks in dem Raum zwischen (10) und (47). Dadurch wird die bei Wälzkolbenpumpen bekannte Erhöhung der Antriebsleistung bei höheren Totaldrücken vermieden. Holweck-Pumpen wurden von Louis Maurice 1974 ( US 3.832.084 ) so weiterentwickelt, dass sie auch in hohen Druckbereichen, z. B. gegen Athmosphärendruck von 1013 mbar, ein Druckverhältnis von ca. 1:10⁶ bei kleiner Fördermenge erreichen. Solche auch „joint dynamique” genannten Molekularpumpen besitzen geätzte Holweck-Spiralnuten mir einer Breite von 0,2–0,7 mm und eine Nuttiefe von 0,05–0,4 mm. Sie können z. B. so auf der Rückseite der Synchronräder durch Ätzstrukturierung angebracht werden, dass sie bei einem Abstand von 0,05–0,1 mm zwischen Deckel (10) und Zahnrädern (19) als effektive Molekularpumpen arbeiten können. Eine weitere Holweck-Struktur, z. B. auf dem Läufer des Antriebs, kann als Vakuumpumpe für die langsame Evakuierung der Anlagen bei Inbetriebnahme und in Servicefällen dienen.
Literaturangaben:

Anlage 1: H.-D. Bürger, „William Cullen, 1710–1790 und das erste, durch Verdampfung hergestellte Vakuum-Eis", Kälte-, Luft-, Klimatechnik, März 2010, Hüthig, Verlag, Heidelberg
Anlage 2: H.-D. Bürger, „Geschichte der Vakuumkühlung", Vakuum in Forschung und Praxis, Nr. 2, 2004, Wiley-Verlag, Heidelberg
Anlage 3: P. Albring, Kältetechnik mit Wasser als Kältemittel", Vortrag des ILK, Dresden, auf dem Markt der Möglichkeiten, Hamburg, 29.09.2009
Anlage 4: „Wasser als Kältemittel", J. Maaß, P. Feddek, in: Projektinfo 08/2003 BINE, Gesellschaft für wissenschaftlich-technische Information mbH, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Anlage 5: J. Paul, „Water as Refrigerant", Vortrag auf der International Conference an Refriegeration, ICR 07, Beijing, Febr. 2007

Beschreibung der Abbildungen Fig. 1–Fig. 14:
1: Typische K₀-Kurven aus der Anwendung von Wälzkolbenvakuumpumpen in der Vakuumtechnik zur Erläuterung des Verlaufs der max. Verdichtungsverhältnisse beim Saugvermögen Null bezogen auf den Verdichtungsdruck p₂. (39) stellt den Verlauf der K₀-Kurve einer serienmäßigen Wälzkolben-Vakuumpumpe der Fa. Aerzener Maschinenfabrik dar, die ein Nennsaugvermögen von 500 m³/h bei einer Drehzahl von 3000/min besitzt. Die Kurvenabschnitte 41 geben den Verlauf der K₀-Kurve mit sog. Voreinlasskühlung wieder, wenn die Maschinen entspr. Kurven (39) und (40) so ausgerüstet sind (vgl. 3). Der steile Abfall der Kurven (39) und (40) oberhalb von 66 bzw. 80 mbar stellt die max. thermische Belastungsgrenze der Verdrängermaschinen bis hin zum Atmosphärendruck dar. (40) ist die K₀-Kurve einer Wendelkolbenwärmepumpe mit 160°-Wendelung bei gleichem Saugvermögen wie (39). (6.1) zeigt die Verbesserung des Kompressionsvermögens und die Vergrößerung des Einsatzbereichs bis auf p₂ = 1013 mbar durch Injektion von Wasser.
2 zeigt eine Chargen-Anlage zur VakuumEnthalpieKühlung von Backwaren der Werner & Pfleiderer Lebensmitteltechnik GmbH, Dinkelsbühl, eine Konzeption offenen Kältekreislaufs aus 2001, mit einer Wälzkolben-Vakuumpumpe der Aerzener Maschinenfabrik (39) mit einem Saugvermögen von ca. 4000 m³/h und einer Kälteleistung von ca. 20 kW bei 4°C und 58 kW bei 20°C. Die Anlage stellt den Beweis dafür dar, dass mit dem Kältemittel Wasser Kühlung und Kälteerzeugung bis zu –19°C unkompliziert möglich ist. Die VACUSPEED-Anlagen befinden sich in Europa und Übersee seit 2001 im Einsatz.
3 stellt den Schnitt durch eine Wälzkolben-Vakuumpumpe mit Voreinlasskühlung (Pfeiffer-Vacuum, Oerlikon-Leybold und Aerzener und andere) bzw. Innerer Kühlung (Chr. Hubrich, Polysius) dar. Bei reiner Permanentgas-Förderung fördert die Pumpe von oben nach unten. Wird ein hoher Anteil von Dämpfen gefördert, gem. 3, empfiehlt es sich, den Gaskühler bzw. Kondensator (37) über dem Förderraum anzuordnen, damit Kondensat nach unten ablaufen und so die Kolben abzudichten und zu kühlen hilft. Bei reinem Wasserdampf in einem geschlossenen Kühlkreislauf empfiehlt sich diese Betriebsweise lediglich für Ansaugtemperaturen (Wasserdampf) bis max. 10°C (12 mbar).
Die 4 zeigt einen Wendelkolben-Luftverdichter mit um 160° gewendelten Kolben (Kolbenprofil gem. 9). Der Verdichter mit konventionellem Riementrieb saugt an (51) axial an und stößt bei (52) radial aus. Die Wendelkolben-Bauart sorgt für eine Anhebung des max. Verdichtungsverhältnisses von 1:1,8 (Rootsmaschinen) auf über 1:3,2 mit um 160° gewendelten Kolben. Der bei 1013 mbar erhebliche Verdichterlärm von ca. 130 dBA wird durch die Kolben-Wendelung auf unter 90 dBA gesenkt. Im Vakuum, mit Wassergekühltem Antrieb, wird der Geräuschpegel auf ca. 50 dBA gesenkt.
In 5 ist edas Kolbenpaar eines Wendelkolbenverdichters dargestellt, bei dem einer der Kolben mit einer verlängerten Welle ausgerüstet ist, auf welche der Rotor eines Spaltrohr-Motors oder völlig vergossenen, fluidgekühlten Motors freifliegend montiert wird (siehe auch 6). Statt freifliegender Radialfluss-Rotoren werden allerdings besser, zur Vermeidung von magnetisch induzierten Rüttelkräften, direkt auf den Synchronrädern befestigte Axialfluss-Rotoren verwendet. So wird eine spezielle Verlängerung einer der Kolbenwellen vermieden, ebenso zusätzliche Lagerkräfte und eine übermäßige Baulänge der Maschinen.
6 zeigt die Explosionsdarstellung einer kompletten Wendelkolbenwärmepumpe mit, Zwischendeckel (10), Rotoren (11), Lagern, (15) Synchronrädern (19), Pumpengehäuse(45), Dichtungen (46), und Spaltrohr- oder Vollverguss-Antrieb (48).
7 stellt die 6 mit einem alternativen Antrieb mit Axialfluss-Rotoren (63) und -Stator (64) dar. Man erkennt die kürzere Bauweise und den weniger aufwändigen Umbau im Vergleich mit einer Wellenverlängerung an einem der beiden Wendelkolben-Rotoren (11).
8 ist die schematische Darstellung einer Produktion von Fließ-Eis bei Temperaturen von ≤ 0°C. Frischwasser wird über (56), O₃/O₂-Gemisch über (57) zur Entkeimung eingelassen. In Behälter (2) befindet sich eine Rührvorrichtung (48) für Fließ-Eis (61). Ein Fliess-Eis-Kältekreis kann an (59) angeschlossen werden, die Fließ-Eis-Entnahme geschieht über (49). Die Wendelkolben-Wärmepumpe (31) verdichtet den an (2) angesaugten Wasserdampf direkt in den Kondensator (50), aus welchem Warmwasser von 30–65°C an (58) entnommen und/oder ein Vakuum-Heizkreislauf an (60) angeschlossen werden kann. Eine kleine, zweistufige Membranvakuumpumpe (55) oder eine in den Wasserdampf-Wendelkolbenverdichter eingebaute Molekularpumpe saugt etwa eingedrungene Permanentgase ab und verhindert Kondensation von Wasser im Raum zwischen (10) und (47).
9 zeigt einen Querschnitt durch die Kolbenprofile eines Wendelkolben-Verdichters. Man erkennt ein typische Profile von Roots-Verichtern. (66) ist eine Leitung für Wasser-Injektion, (52) den Wassernebel.
10 stellt die typischen, im Vakuum vorkommenden Strömungsverhältnisse und ihre Grenzen dar.
11 erklärt die Wirkungsweise der im Vakuum besseren Abdichtung von Wälzkolbenpumpen zusammen mit den Tabellen 1 und 2 dar. Bei dem Gegenstand der Erfindung herrscht Laminarströmung oberhalb von 188,5 mbar vor. Darunter bildet sich mit sinkendem, mittleren Druck Knudsen- oder Übergangs-Strömung mit weiter sinkendem Leitwert aus, bis unterhalb von 5,7 mbar (in der Nähe des Tipelpunktes von Wasser, 0°C entsprechend 6,1 mbar) reine Molekularströmung vorliegt.
12 zeigt den Schnitt durch eine zweiflutige Walzen-Molekularpumpe von Fernand Holweck aus dem FR 536 278 (1 u. 2), angemeldet am 01. Juni 1921. Vom Saugstutzen laufen zwei Stränge von spiralförmigen, sich stetig verjüngende Nuten bis zu den seitlichen Lagerflanschen, von denen sie zu einem gemeinsamen Auslass geleitet werden. Die durch den Einlass, in dieser 1 (9), in die Pumpe gelangenden Moleküle werden durch Stoßimpulse der Rotoroberfläche, in dieser 1 (14), auf diese Moleküle im Vakuum in die Richtung höherer Drücke transportiert.
In der 13 ist eine scheibenförmige, einflutige Holweck-Molekularpumpe dargestellt. Auf den 1 und 2 eines Zusatzpatents zu FR 536 278 , angemeldet am 15. Nov. 1921, erkennt man die sich verjüngenden Spiralnuten. Bei [12] wird Gas bzw. Dampf angesaugt und zu [13] verdichtet. Die erzielbaren Druckverhältnisse für Luft waren 1921 bereits mit 1:2·10⁷ sehr hoch (10^–6 auf 20 mbar).

14 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Dampfdruck von Wasser und dem jeweiligen Saugvermögen bei verschiedenen Ansaugdrücken. Beispiel: Bei einer Temperatur über einem Verdampfer für Wasser von 4°C (Ansaugdruck 8,13 mbar) ist das Saugvermögen, welches zu Erzielung einer Kälteleistung von 1 kW benötigt wird, 226 m³/h für Wasserdampf. Für eine solche von 100 kW müsste das S_eff 22600 m³/h betragen Bezugszeichenliste:

1	Wärmequelle	33	Wicklung
2	Verdampfer	34	Gerade Kolben
3	Expander-Generator	35	Schöpfraum
3.1	Wärmepumpe/Kältepumpe	36	Wärmetauscher
4	Dampfeintritt	37	Rippenrohr-Gaskühler
5	Elektr. Generator	38	Kaltgas
5.1	Elektr. Motor	39	Wälzkolben-Vakuumpumpe
6	Kondensator/Absorber	40	Wendelkolbenpumpe
6.1	Wasser-Einspritzung	41	Voreinlasskühlung
7	Kesselspeisepumpe	42	Drehschieber-Vorpumpe
8	Vakuumröhren-Kollektor	43	Belüftungsventile
9	Phasentrenner	44	Vakuum-Kühlkammer
10, 10.1	Lagerdeckel	45	Gehäuse
11	Wendelkolben-Rotor	46	Riemenscheibe
12	Flach-Molpumpe	47	Front-Deckel
13	Verbindungskanal	48	Hermet. Antrieb/Dynamo
14	Neben-Dampfausgang	49	Fließ-Eis-Entnahme
15	Lager	50	Direkt-Kondensation
16	Zyl. Molpumpe	51	Ansaugung
17	Deckel	52	Ausstoß
18	Gasballast	53	4 Kolbenköpfe. gewendelt
19	Zahnrad	54	Drosselklappe + by pass
20	Vergoss. Stator	55	Vakuumpumpe
21	Läufer	56	Wasserzulauf, geregelt
22	Fluid-Kühlung	57	O₃/O₂-Gemisch-Einlass
23	Zum Kondensator/Absorber	58	Warmwasser-Entnahme
24	Verlängerte Rotorwelle	59	Fliess-Eis-Kältekreis
25	Getriebe- bzw. Lagerraum	60	Heizkreis
26	Gehäuse	61	Fliess-Eis
27	Kolbenkopf	62	Wärmetausch-Fläche
28	Spaltrohr	63	Flach-Axialflussrotoren
29	Luftspalt	64	Hermetik-Axialflussstator
30	Vakuum	65	Wälzkolben(Roots)-Profil
31	Zahnrad	66	Einspritzleitung
32	Blechpaket	67	Wassernebel

Anlage 1: Manuskript der bei KI, Hüthig-Verlag, Heidelberg im März 2010 erschienenen Veröffentlichung.
William Cullen, 1710–1790, und das erste, durch Verdampfung hergestellte Vakuum-Eis Zum 300sten Geburtstag am 15. April 1710
Wasser ist der älteste Stoff, welcher seit der Antike zur erfolgreichen Kühlung (z. B. zur adiabaten Kühlung) überhaupt eingesetzt wurde (1). Die erste Vakuum-Verdampfungskühlung („künstliche Kühlung”) wurde von William Cullen 1748, gem. vieler Sekundarquellen, in der Universität Glasgow demonstriert. Das sagt jedoch nicht, dass W. Cullen der Erste gewesen Ware, der Wasser und andere Fluide im Vakuum beobachtet hätte.
Mehrere Forscher (die Experimente mit Wasserbarometern sind unberücksichtigt), wie z. B. Robert Boyle (1672), Wilhelm (Guillaume) Homberg (1675), Christian Huygens und Denys Papin (1675), D. G. Fahrenheit (1727), Mitglieder der Academia Cimento in Florenz (zw. 1680 und 1730, nicht datierbar), der Schwede Nikolaus (Nils) Wallerius (nicht zu verwechseln mit seinem Bruder Johann Gottschalk W.), (2) hatten mit Wasser im Vakuum experumentiert. Zu einem Paradigmenwechsel in der Überzeugung darüber, wie ein Fluid abkühlt, nämlich durch Verdampfung, kam es jedoch erst durch William Cullen.
Am 1. Mai 1755, (im Spätherbst des selben Jahres wechselte W. Cullen von Glasgow zur Universität in Edinburgh) hielt er einen Vorstellungs-Vortrag vor der Edinburgh Philosophical Society mit dem Titel „Essay of the Cold produced by evaporating Fluids and of other Means of producing Cold”. Da er selbst sehr wenig über seine „chemischen” Erkenntnisse publiziert hatte, können wir annehmen, dass z. B. Prof. John Thomson in „Life of William Cullen”, 2 Bde., Edinburgh, 1832, der aus W. Cullen's Manuskripten und Vorlesungs-Notizen zitiert, die genauesten Beschreibungen seiner „chemischen” Arbeiten liefert (3).
Abb. 1: Prof. Dr. Sir William Cullen, 1710–1790, National Library of Scotland, Accession Nr. PG 1749
J. Thomson berichtet, ausführlicher, als W. Cullen selbst, dass Versuche zum Verdampfen von Flüssigkeiten im Vakuum von der Beobachtung angeregt wurden, dass ein Thermometer, welches in Ethylalkohol getaucht wurde, nach dem Herausnehmen um 2–3°F abkühlte. Daraufhin wurden mit verschiedenen Flüssigkeiten (Tabelle 1) Versuche gemacht, um die Temperaturabsenkungen durch Verdampfen an der Thermometerkugel beobachten zu können. Dabei wurde z. B. festgestellt, dass konzentrierte Schwefelsäure nicht abkühlte, sondern sich durch Aufnahme von Luftfeuchtigkeit erwärmte. Stark verdünnte H₂SO₄ kühlte aber eben doch ab. Dies widersprach den damals gängigen Theorien über die Entstehung von Wärme und Kalte. Es galt bis dahin, dass durch Mischen mit Luft die Abkühlung erfolgt. Im Vakuum ist jedoch keine Luft mehr vorhanden.
Abb. 2: links: Francis Hauksbee's Air Pump, ab 1708, rechts: die äußerlich ähnliche, verbesserte Luftpumpe von John Smeaton, 1748
Mit einem Quecksilber-Thermometer hat W. Cullen – vor Durchführung seiner Versuche mit dem Rezipienten einer Vakuumpumpe (vgl. ) – zunächst die Flüchtigkeit” einer Reihe von Substanzen untersucht und darüber eine Flüchtigkeits-Rangliste aufgestellt. Diese lohnt die Mühe der näheren Untersuchung (vgl. Tabelle 1).
Tabelle 1: die 13 „flüchtigsten”, von W. Cullen untersuchten Substanzen
Über die von W. Cullen in seinen Versuchen verwendete Vakuumpumpe (air pump) wunden bisher keine Angaben gefunden. Wenn es der gleiche Typ ist, welcher von R. Hooke für Robert Boyle angefertigt wurde oder die von F. Hauksbee entwickelte Zweizylinder-Pumpe mit Kurbelantrieb, kann es nicht gelungen sein, Wasser direkt in Vakuum-Eis umzuwandeln, weil der Endtotaldruck der englischen Luftpumpen-Kunstwerke (vgl. ) etwa zwischen 25 und 50 mbar lag. Überhaupt sind Zweifel darüber angebracht, ob man bei beobachtetem Beginn einer „Kältemittelverdampfung” fleißig weitergepumpt hat, sondern es ist dann wohl meistens beobachtet worden, was geschieht, ohne weiter zu pumpen.
Erst die „Luftpumpe” von J. Smeaton, die er ab 1745 bis etwa 1750 in London entwickelte, erreichte Endtotaldrücke von ca. 1–2 mbar. Sie arbeitete mit einer Zwangsanhebung der Lederlappen-Ventile, wie auch die Pumpe von Nairne-Blunt (p_θ ≈ 0,4 mbar). Beide Typen hätten 6,11 mbar, entsprechend 0°C, erreichen können, allerdings mit für das Gefrieren eines (für Wärmestrahlung bis λ = 2,5 μm) transparenten Gefäßes mit ca. 0,5 bis 1 Liter Wasser (Gefrierenthalpie 330 kJ/kg) bei weitem nicht ausreichenden Saugvermögen.
Wenn man Gelegenheit hat, den Text von W. Cullen aus der Veröffentlichung von 1756 sorgfältig zu lesen (4), fallen einige Punkte auf, welche bisher durchweg (außer bei J. Thomson) unscharf bis unzutreffend berichtet worden sind. Neben den genaueren Titeln der Veröffentlichung W. Cullens betrifft dies insbesondere die Beobachtung der Temperaturen beim Evakuieren und beim Belüften der Vakuumkammer, sowie die Art des Kältemittels zur Erzeugung von Eis.
W. Cullen hatte bei den ersten Versuchen zur Evakuierung des „receivers” (Vakuum-Rezipient) festgestellt, dass ein in diesen platziertes Thermometer unmittelbar nach dem Evakuieren eine um 2–3° niedrigere Temperatur anzeigte. Andererseits zeigte das Thermometer eine 2–3° höhere Temperatur nach Lufteinlass in den Rezipienten an. Er hatte so entdeckt, dass sich Gase bei Ausdehnung abkühlen und bei Kompression erwärmen.
In der Darstellung des schottischen Chemikers und Nobelpreisträgers William Ramsay, 1852–1916, „The Life and Letters of Joseph Black" (5), 1913, (des berühmten Schülers W. Cullens und Entdeckers latenter Wärme) heißt es z. B. auf S. 38 u. 39:
Es handelte sich leider nicht um „ordinary ether” (aether of Frobenius) sondern ganz offenbar um „nitrous ether”, nach heutiger Nomenklatur Ethylnitrit, C₂H₅NO₂, das für die Eiserzeugung verwendet worden war.
W. Cullen schreibt selbst (4):
Abb. 3: W. Cullen's „Vakuum-Eismaschine”, schematisch, in einer Glas-Vakuumglocke (bell jar)
Durch den für die Zeit um 1750 geradezu genialen Trick, in eine mit Wasser gefüllte Schale eine solche mit leicht flüchtigem und leicht explodierendem „nitrous ether”, ethyl nitrite, frz. ether nitreux, dt. auch Salpetrigsäureethylester, hineinzustellen, konnte er zum ersten Mal mit einer Kolben-Kompressions-Maschine („air pump” genannt) Vakuum-Eis erzeugen. Ethylnitrit, hellgrün in , wurde in ausreichender Menge verdampft, um einen Teil des Wassers an der Wand des Verdampfers zu Eis erstarren zu lassen.
Abb. 4: Dampfdrücke von Fluiden mit Ethylnitrit, Diethylether und Ammoniakwasser
Es hat sich gelohnt, den Blick 300 Jahre nach der Geburt des ersten Spezialisten zur Erzeugung „künstlicher Kälte”, Prof. Dr. Sir William Cullen aus Schottland, noch einmal näher auf die damalige Zeit und zuverlässige Quellen zu richten. Wir können deshalb unser Wissen erweitern über diesen genialen Physiker, Experimental-Chemiker und berühmten Mediziner:

• Er hat als erster die Verdampfung von Flüssigkeiten, bei Normaldruck und im Vakuum, als Ursache des Abkühlens experimentell entdeckt, nachgewiesen und beschrieben.
• Ähnlich verhält es sich mit der Entdeckung und Beschreibung der Expansion im Vakuum als Grund der Abkühlung von Gasen, sowie der Kompression zu deren Erwärmung bei der Belüftung, das Gesetz von Guillaume Amontons (1663–1705) konnte damit qualitativ bestätigt wenden.
• Als erster hat er experimentiert und berichtet über Ammoniak(-wasser) als Kältemittel, sowie über Wasser, Ethylalkohol, Diethylether und Ethylnitrit für denselben Zweck.
• Er benutzte dazu, wiederum als Erster, eine Kompressions-Kältemaschine.
• Er hat als erster Vakuum-Eis hergestellt mit Hilfe des exotischen und damals nur unter akuter Lebensgefahr (hohes Explosionsrisiko) herstellbaren, nahezu ungiftigen Kältemittels und heute noch erfolgreich angewendeten Medikaments, Ethylnitrit.

Benutzte Literatur:

1. H. D. Bürger, „Geschichte der Gefriertrocknung bis 1910, Vakuum in Forschung und Praxis, 14.08.2006, WILEY VCH, Weinheim
2. J. D. Reuss, „Repertorium Commentationum a Societatibus Litterariis Editarum", Tom. IV, 1805, H. Dieterich, Göttingen
3. John Thomson, M. D., „Life of William Cullen M. D.", Vol 1, 1832, Edinburgh
4. Sir William Cullen, "Of the Cold produced by evaporating fluids, and of some other Means of producing Cold", Essays and Observation, Physical and Literary. Read before a Society at Edinburgh, and published by them, Vol II, 1756, printed for John Balfour, Edinburgh
5. Sir William Ramsay, "The Life and Letters of Joseph Black M. D." 1918, Constable and Company Ltd., London

Autor:

Heinz-Dieter Bürger, 99326 Ilmtal-Niederwillingen

Anlage 2: Manuskript der Veröffentlichung von H.-D. Bürger, „Geschichte der Vakuumkühlung", Vakuum in Forschung und Praxis, Nr. 2, 2004, Wiley-Verlag, Heidelberg.
Abbildungen auf den Seiten 8, 9 und 10 aktualisiert.
Geschichte der Vakuumkühlung
Schon die alten Ägypter (und wohl auch die Inder) haben das Prinzip der Verdunstungskühlung gekannt. Sie haben Töpfe aus Terrakotta nachts auf ihre Dächer gestellt. Durch die Wandungen der Töpfe drang Wasser in geringen Mengen nach außen, wo es von kühlem Nachtwind verdunstet wurde. Das enthaltene Wasser wurde dadurch gekühlt. Man nennt diese Verdunstungskühlung auch adiabatische Kühlung.
Mit der Abkühlung von zirkulierender Luft durch Verdunstung von Wassertröpfchen wurden und werden orientalische Innenhöfe auf erfrischende Temperaturen gebracht, auch wenn es außen sehr heiß sein sollte.
Nach der Erfindung der mechanischen Vakuumpumpe ca. 1650 durch Otto von Guericke (1602–1686) wurden viele Versuche damit angestellt, besonders in England. Und so war es nur eine Frage der Zeit, wann jemand bemerken würde, daß durch Verdunsten, wir nennen es nun Verdampfen, von Flüssigkeiten diese durch Energieentzug abkühlen. Immerhin dauerte dies fast genau 100 Jahre. 1748
demonstrierte der schottische Medizinprofessor William Cullen (1710–1790) an der Universität von Glasgow die erste künstliche Kühlung, indem er Wasser, Alkohole, Ammoniak und Ethylnitrit im Vakuum verdampfte. 1756 veröffentlichte er schließlich die Herstellung von künstlichem Eis im Vakuum, bei den Leistungen der damaligen Vakuumpumpen gewiß Schwerstarbeit für die Laborhelfer.
Gegen Ende des 18. Jh. nahm man vielfach noch an, daß es neben einer ”Wärmematerie” auch eine ”Kältematerie” gäbe. Der in Göttingen lehrende und forschende Physikprofessor Georg Christoph Lichtenberg (1742–1799) lehnte diese Theorien mit der Begründung ab, ”man könne alle Umstände bey der Kalte aus einer bloßen Abwesenheit der Wärme erklären” (Klaus Priesner).
Der Hesse G. C. Lichtenberg, heute mehr durch seine literarischen Leistungen („Sudelbuch”) bekannt, war einer der hervorragendsten Physiker seiner Zeit. Ziemlich unbekannt geblieben sind seine vielfachen Entdeckungen und Versuchsbeschreibungen über die Vakuumtechnik und deren spezielle Phänomene im Zusammenhang mit der Elektrizität. Eine seiner Vakuumpumpen, die er gewissermassen neu erfinden musste, war die Wasserdampf-Vakuumpumpe nach Worchester. In dieser wird die Luft durch im Gerät aufsteigenden Wasserdampf verdrängt. Nach Abkühlung der reinen Wasserdampfatmosphäre der Apparatur entsteht ein Vakuum, dessen Totaldruck vom Dampfdruck des Wasserdampfes bestimmt wird. Das Prinzip des Weckglases war nun deutlich gemacht.
Das Prinzip der Lichtenberg-Worchester-Pumpe wird heute bei modernen Vakuum-Enthalpie-Kühlanlagen eingesetzt, um besonders schnelle Abkühlzeiten zu erreichen.
Einer der Pioniere der Vakuumkühlung ist zweifellos der englische Wissenschaftler William Hyde Wollaston, Arzt, Physiker und Chemiker, seit 1793 Mitglied der Royal Society, 1766–1832. Sein Cryophorus genanntes Gerät war bis vor einigen Jahrzehnten im Fundus der meisten naturwissenschaftlichen Gymnasien und Hochschulen vorhanden.
Der Cryophor war ähnlich einem „Liebesthermometer” aufgebaut, also mit zwei Glaskugeln, die über ein Rohr miteinander verbunden sind. Dabei ist eine der Glaskugeln so nach unten gebogen, dass Wasser in ihr ohne auszulaufen stehen kann, wenn die untere Kugel in ein Gefäß getaucht wird. Dabei wird das Wasser so verteilt, dass die obere Kugel noch etwa bis zu einem Drittel gefüllt ist.
In das Gefäß wird eine Mischung aus Kochsalz und Eis gegeben und die untere Kugel wird dort eingetaucht. Weil der Cryophor evakuiert ist, kann nun Wasserdampf aus der oberen, wärmeren Kugel zu den gekühlten Flächen (bis zu –20,5°C) der unteren Kugel strömen und dort kondensieren. Dem Wasser der oberen Kugel wird sehr viel Wärme entzogen, wenn Wasser verdampft, und es kühlt ab. Nach einiger Zeit erstarrt es sogar zu Eis.
Die Schwerstarbeit mit handbetriebenen Vakuumpumpen schaffte der ebenfalls schottische Physik- und Mathematikprofessor Sir John Leslie (1766–1832) im Jahre 1810 ab, als er das verdampfende Wasser an Schwefelsäure absorbierte. Nun mußte die Vakuumpumpe nicht mehr den Wasserdampf absaugen, sondern ”nur” noch die Luft entfernen.
Nach dem Prinzip von John Leslie entwickelte Edmond Carré eine Maschine zur Herstellung von ”künstlichem Eis”, die sich in Paris ziemlich großer Beliebtheit erfreute. Sie produzierte Vakuumeis, heute auch als Binäreis bezeichnet, das mit Fruchtsäften gemischt, am Bois de Boulogne angeboten wurde. Die Erfindung von Edmond Carré wurde 1850 gemacht, die Maschine auf der Weltausstellung 1862 in London zuerst gezeigt. Sein Bruder Ferdinand meldete 1859 ein Patent (1860 Anmeldung in den USA) für eine Ammoniak-Kältemaschine an, diese wurde weitaus berühmter als die Vakuum-Eis-Maschine von Edmond.
Im Prinzip hätte Edmond Carré bzw. sein Bäcker in Paris schon seit Mitte des 19. Jh. ”Halbgebackenes” schnell kühlen können. Wir müssen uns deshalb fragen, warum diese Methode, Binäreis zu erzeugen, nicht konsequent weiterverfolgt worden ist.
Jedoch, im Ernst: kleinste Fehler im System können vernünftige Technologien nachhaltig blockieren, und beim Nachdenken darüber, was die ”machine de production de glace sous vide” an Fehlern besaß, die eine Ausbreitung der Technologie verhindert hatten, sind ein paar durchaus wichtige Probleme aufgefallen:

• Ein auch heute noch völlig unterschätzter Haupt-Mangel war die Verwendung einer sehr einfachen Vakuumpumpe der Guericke-Bauart. Man weiß heute, 2003, dass der Rest-Luftdruck (Luft-Partialdruck) kleiner als 2 mbar sein sollte. Wäre Edmond Carré literaturmäßig auf der Höhe der Zeit gewesen, hätte er entweder die Lichtenberg-Worchester-Vakuumpumpe (Endpartialdruck für Permanentgase < 0,5 mbar) oder die des Thüringers Heinrich Geissler gekannt (< 0,1 mbar) oder die Nairn-Blunt'sche aus London (G. C. Lichtenberg, 1742–1799, ist als einziger Anwender bis heute bekannt, sie erzielte nach unseren Abschätzungen < 0,4 mbar, und das schon 1782), hätte es vielleicht einen wesentlich besseren Durchbruch des Kältemittels R 718, nämlich Wasser, gegeben. So hatte und hat es die Vakuumkühlung unter manchem Vorurteil schwer, sich durchzusetzen.
• Die Verbindungsleitung und vor allem der Absperrhahn sind zu klein. Das ergibt sich auch aus der groben Wirkungsgradabschätzung, die in der Beschreibung des amerikanischen Lizenznehmers von 1874 angegeben wird: der Hersteller teilt mit, dass das Verhältnis zwischen Verdampfungsenthalpie und Schmelzenthalpie (modernisierte Übersetzung) 6 zu 1 wäre und aufgrund von ”thermischer Absorption” praktisch ein Verhältnis von 4 zu 1 herauskommt. Er konnte noch nicht wissen, daß das Verhältnis tatsächlich 7,7 zu 1 ist.
• Zu guter Letzt hat er auch noch Schwefelsäure als Sorptionsmittel verwendet. Der Autor verfügt über persönliche, peinliche Erfahrungen mit dem ätzenden Charakter der Schwefelsäure und ihrer Dämpfe, ist aber hernach zeugungsfähig geblieben... Andererseits hat der amerikanische Lizenznehmer schon 1874 eine Alternative zur Höllenflüssigkeit H₂SO₄ angegeben: Calciumchlorid, CaCl₂.
• Calciumchlorid ist zwar lange nicht so aggressiv wie Schwefelsäure, aber ohne Inhibitoren eben auch für Edelstahl-Schweissnähte gefährlich. Leider zerfließt es nach Wasseraufnahme zu honigartigem Brei, der dann Wasserdampf nur noch langsam aufnimmt. Auch damit wären Probleme aufgetaucht, die Wasser als Kältemittel noch eine gewisse Zeit lang verhindert hätten.

Wir empfinden heute trotzdem riesigen Respekt vor den Arbeiten von Edmond Carré. Er hatte seine außergewöhnliche Idee der Vakuum-Absorptions-Kühlung, bevor die Möglichkeiten der notwendigen Begleittechnologien ihm voll bewußt werden konnten. Bei seiner Maschine hat es an allen Stellen geklemmt und, trotz erfinderischer Großtat, haben kleine aber viele Problemchen einen Durchbruch verhindert.
Die Entwicklung der Vakuumkühlung nach 1900 blieb zunächst auf Anwendungen in der chemischen und der Lebensmittel-Industrie beschränkt, wie etwa bei der Vakuum-Kristallisation und verschiedenen Vakuum-Kühlprozessen mit Dampfstrahl-Vakuumpumpen oder Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen. Dabei wurden durchaus wirtschaftlich und technisch interessante Ergebnisse erzielt. Bereits in "The Baker's Digest", Okt. 1949, werden Vakuumkühlverfahren beschrieben, die sich jedoch nicht durchsetzen konnten. In den 50er und 60er Jahren des 20. Jh. setzte eine rege erfinderische Tätigkeit ein, die sich auf die industrielle Backtechnik bezog. Wie bei allen Kälte-Technologien, ist immer eine Verbesserung der Hygiene ein Antrieb für Veränderungen und Innovationen. Dazu kamen aber auch wirtschaftliche Erwägungen, was die Ausbildung von Abkühlstrecken anbetrifft. Ein Brotlaib, der mit einer Oberflächentemperatur von 150°C und einer Kerntemperatur von 96°C aus
dem Backofen kommt, muß erst auf unter 35°C abkühlen, um überhaupt vernünftig verpackt werden zu können. Eine größere Halle nur für das Abkühlen der Backwaren kann wesentlich teurer sein als eine nur für diesen Verpackungszweck gebaute Vakuum-Kühlanlage. Aus dem gleichen Hauptmotiv heraus, die platzfressende und langdauernde Kühlphase bis zur Verpackungstemperatur abzukürzen, hat eine WP-L-Schwesterfirma, die Fr. Winkler KG in Villingen-Schwenningen, 1979 ein Patent für eine Vakuumkühlung eingereicht, das Ende 1982 erteilt wurde. Die allermeisten Anwendungen der Vakuumkühlung blieben damals bei End-Temperaturen zwischen ca. 20 und 35°C stehen. Eine aus Hygienegründen notwendige Absenkung der Kühl-End-Temperatur auf z. B. 2°C erschien als zu teuer und zu aufwendig. Dies traf erst recht auf eine Erzeugung von Eis oder gar noch niedrigere Temperaturen, –20°C für Tiefkühlware etwa, zu.
Eine Alternative tauchte mit der Untersuchung der Eignung von Adsorptionsmitteln wie Zeolithen, Silikagelen, bestimmten Bentoniten und speziellen Aktivkohlen auf. Seit etwa 1985 galten dehydratisierte Feststoff-Sorptionsmittel als besonders vielversprechend für die Vakuumkühlung von Backwaren (Dr. Maier-Laxhuber, Zeo-Tech). Die Grundidee Edmond Carré's von 1850, die Absorptionskühlung, wird nun bei der „Ceovac-Kühlung” mit festen Sorptionsmitteln anstelle von Schwefelsäure, von der Firma König Maschinenbau GesmbH, Graz, umgesetzt.
Die Schutzrechte an DE 29 02 270 wurden von der Fa. Winkler in Beendigung von Patentstreitigkeiten mit Tweedy of Burnley (gegründed 1865) in den 80er Jahren verkauft. Tweedy hatte eine Reihe von Kammern und auch Durchlaufanlagen zur Vakuumkühlung hergestellt. Den Anlagen wurde allgemein eine gute Kühlleistung attestiert. Andererseits wurde eine zu starke Austrocknung der Kruste von Backwaren bemängelt. APV (Baker Perkins), seit 1989 Besitzer von Tweedy, hatte zwar eine Düsentechnik für die Durchlaufanlagen beschrieben, die das Problem offenbar nicht nachhaltig hat lösen kennen.
Erst ein Umlauf-Kühlsystem, welches bei einem bestimmten Totaldruck in der Kammer zusätzlich den Dampfkondensator als Hochleistungs-Gaskühler verwendet, konnte den bei der Vakuumkühlung typischen Wasserverlust der Backwaren, 10–11%, auf die Hälfte absenken.
In den 80er Jahren gab es aber auch Berechnungen und Versuche, die eine Anwendung der Brüderverdichtung von Wasserdampf für sehr hohe Kälteleistungen zum Ziel hatten. Diese Technologie mit Turboverdichtern wurde sowohl in Israel als auch in der ehemaligen DDR, in Dresden, am Institut für Kältetechnik (Prof. Heinrich) und auch in den „alten” Bundesländern in Flensburg bei der Fa. INTEGRAL (Prof. Paul) untersucht. Mehr als ein Dutzend Maschinen befinden sich erfolgreich im industriellen Einsatz der Klimakühlung und Eiserzeugung.
Die Werner & Pfleiderer Lebensmitteltechnik GmbH in Dinkelsbühl hat mit ihren Kooperationspartnern Überlegungen umgesetzt, wie man mit geschickter, erzwungener Kondensation des Kältemittels Wasser ein ökonomisches, maschinentechnisch ausgereiftes Verfahren mit bisher nicht für denkbar gehaltenen Ergebnissen präsentieren kann. Es wird „VakuumEnthalpieKühlung” genannt und in den VAKUSPEED-Anlagen eingesetzt, mitsamt der Produktwasser sparenden Umlaufkühlung.
Ein Stickenwagen voller Backwaren mit 96°C kann in ca. 3 min auf Kerntemperaturen von 2°C und, für Tiefkühlung, in weiteren 4–5 min auf –20°C gekühlt werden. Der Energieverbrauch ist dabei erheblich geringer, als würde die gleiche Menge etwa mit Schockfrostern oder mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Dabei ist die Energieeinsparung so signifikant, dass bereits ernsthaft darüber nachgedacht werden muss, ob die Vakuumkühlung mit Wasser als Kältemittel nicht doch ein geeigneter Weg wäre zur allgemeinen Ablösung umweltgefährdender, explosiver oder giftiger Stoffe und zur Energie-Einsparung.
Das um 1850 in der französischen Familie Carré scheinbar zugunsten der Kompressionskühlung entschiedene Rennen um die beste Art des Kühlens könnte wieder eröffnet werden. In Flensburg und Dresden, in Israel und bei grösseren Konzernen in Japan, sowie in Thüringen und in Bayern hockt man bereits in den Startlöchern.
Etwa 250 Jahre nach William Cullen in Glasgow, ca. 200 Jahre nach William Hyde Wollaston und etwa 150 Jahre nach Edmond Carré wurde 2002 die VakuumEnthalpieKühlung VAKUSPEED von Werner und Pfleiderer Lebensmitteltechnik, Dinkelsbühl, in ersten Voraus-Exemplaren auf dem Markt eingeführt.
Anlage 3: P. Albring, Kältetechnik mit Wasser als Kältemittel", Vortrag des ILK, Dresden, auf dem Markt der Möglichkeiten, Hamburg, 29.09.2009
Anlage 5: J. Paul, „Water as Refrigerant", Vortrag auf der International Conference an Refriegeration, ICR 07, Beijing, Febr. 2007
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7555891 B2 [0002]
DE 1628347 [0008]
FR 536278 [0020, 0033, 0034]
US 3832084 [0020]
DE 2902270 [0070]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H.-D. Bürger, „William Cullen, 1710–1790 und das erste, durch Verdampfung hergestellte Vakuum-Eis”, Kälte-, Luft-, Klimatechnik, März 2010, Hüthig, Verlag, Heidelberg [0021]
H.-D. Bürger, „Geschichte der Vakuumkühlung”, Vakuum in Forschung und Praxis, Nr. 2, 2004, Wiley-Verlag, Heidelberg [0021]
P. Albring, Kältetechnik mit Wasser als Kältemittel”, Vortrag des ILK, Dresden, auf dem Markt der Möglichkeiten, Hamburg, 29.09.2009 [0021]
„Wasser als Kältemittel”, J. Maaß, P. Feddek, in: Projektinfo 08/2003 BINE, Gesellschaft für wissenschaftlich-technische Information mbH, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen [0021]
J. Paul, „Water as Refrigerant”, Vortrag auf der International Conference an Refriegeration, ICR 07, Beijing, Febr. 2007 [0021]
Manuskript der bei KI, Hüthig-Verlag, Heidelberg im März 2010 erschienenen Veröffentlichung [0036]
Darstellung des schottischen Chemikers und Nobelpreisträgers William Ramsay, 1852–1916, „The Life and Letters of Joseph Black” (5), 1913, (des berühmten Schülers W. Cullens und Entdeckers latenter Wärme) heißt es z. B. auf S. 38 u. 39 [0046]
H. D. Bürger, „Geschichte der Gefriertrocknung bis 1910, Vakuum in Forschung und Praxis, 14.08.2006, WILEY VCH, Weinheim [0051]
J. D. Reuss, „Repertorium Commentationum a Societatibus Litterariis Editarum”, Tom. IV, 1805, H. Dieterich, Göttingen [0051]
John Thomson, M. D., „Life of William Cullen M. D.”, Vol 1, 1832, Edinburgh [0051]
Sir William Cullen, ”Of the Cold produced by evaporating fluids, and of some other Means of producing Cold”, Essays and Observation, Physical and Literary. Read before a Society at Edinburgh, and published by them, Vol II, 1756, printed for John Balfour, Edinburgh [0051]
Sir William Ramsay, ”The Life and Letters of Joseph Black M. D.” 1918, Constable and Company Ltd., London [0051]
Manuskript der Veröffentlichung von H.-D. Bürger, „Geschichte der Vakuumkühlung”, Vakuum in Forschung und Praxis, Nr. 2, 2004, Wiley-Verlag, Heidelberg [0052]
”The Baker's Digest”, Okt. 1949, [0068]
P. Albring, Kältetechnik mit Wasser als Kältemittel”, Vortrag des ILK, Dresden, auf dem Markt der Möglichkeiten, Hamburg, 29.09.2009 [0077]
J. Paul, „Water as Refrigerant”, Vortrag auf der International Conference an Refriegeration, ICR 07, Beijing, Febr. 2007 [0078]

Claims

Vorrichtung und Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer mit hermetisch dichtem Antriebsmotor ausgerüsteten, vakuumdichten Wendelkolbenpumpe mit hermetischem Vakuumantrieb und spiralförmig gegeneinander um 60 bis 270° gewendelten Kolben mit typischem Rootsverdichter-Querschnitt, welcher keine Innere Verdichtung erzwingt, durch Kompression von Gasen oder Dämpfen, vorzugsweise von ungiftigen und nicht brennbaren Gasen und Dämpfen, am meisten bevorzugt von Wasserdampf, Kälte und Wärme erzeugt werden kann.
Vorrichtung und Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hermetisch dichten Wendelkolben-Kälte- und Wärmepumpen reinen Wasserdampf mit Temperaturen von –30-100°C, vorzugsweise von –25–90°C, am meisten vorzugsweise von –20–80°C ansaugen und auf Temperaturen von 6 bis 135°C, vorzugsweise von 10–120°C, durch Verdichtung anheben.
Vorrichtung und Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelkolben-Wärmepumpen reinen Wasserdampf durch Verdichtung auf höhere Temperaturen anheben und dabei durch Injektion von Wasser oder Absorptionslösung an beliebige Stellen im Pumpengehäuse diese partiell kühlt, durch Kondensation von Wasser die Druckdifferenz senkt und die Leistungsziffer erhöht.
Vorrichtung und Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelkolben-Kälte- und Wärmepumpen mit Radial- oder Axialflussantrieben ausgestattet sind, deren Statoren hermetisch vergossen sind und deren Rotoren im Vakuum laufen.
Vorrichtung und Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelkolben-Kälte- und Wärmepumpen mit Radial- oder Axialflussantrieben ausgestattet sind, welche über eine Magnetkupplung ihr Drehmoment an die Maschine abgeben.
Vorrichtung und Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelkolben-Wärmepumpe reinen Wasserdampf mit Temperaturen von –30 bis 0°C aus einem Verdampfer mit Rührvorrichtung ansaugen und durch Verdichten in einer Stufe auf 30–50°C verdichten und dabei im Verdampfer Fließ-Eis in geschlossenem oder halb offenen Kältekreis erzeugen kann.
Vorrichtung und Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelkolben-Kältepumpe reinen Wasserdampf mit Temperaturen von –30 bis 0°C aus einem Verdampfer mit Rohrvorrichtung ansaugen und durch Verdichten in einer Stufe auf höhere Temperaturen Fließ-Eis erzeugen und dieses kontinuierlich mit einer Vorrichtung konzentrieren und austragen kann.
Vorrichtung und Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelkolben-Kältepumpe reinen Wasserdampf mit Temperaturen von –30 bis 0°C aus einem Verdampfer mit Rohrvorrichtung ansaugen und durch Verdichten in einer Stufe auf höhere Temperaturen Fließ-Eis erzeugen und dieses durch Einleiten von Ozon mit Konzentrationen von 0,01 bis 20% O₃ in O₂ entkeimen und von organischen Bestandteilen säubern kann.
Vorrichtung und Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelkolben-Kältepumpe reinen Wasserdampf mit Temperaturen von –30 bis 0°C aus einem Verdampfer mit Rohrvorrichtung ansaugen und durch Verdichten in einer Stufe auf höhere Temperaturen Fließ-Eis erzeugen und dieses durch Einleiten von Wasserstoffperoxid und einer Karbonsäure entkeimen kann.