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Tieftemperatur-Kältebehandlungsanlage Die Erfindung beinhaltet eine
Kältebehandlungsanlage, insbesondere für tiefe Temperaturen im Bereich von etwa
-100 bis -200° C.
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Es ist allgemein bekannt, an Materialien, Geräten, usw. thermische
Behandlungen, verschiedene Prozesse, Prüfungen und Untersuchungen bei hohen Temperaturen
in Wärmebehandlungsanlagen vorzunehmen. In den letzten Jahren hat es sich nun vielfach
als nützlich und notwendig erwiesen, thermische Behandlungen auch bei tiefen Temperaturen
durchzuführen. Im Zuge der raschen Entwicklung der Technik entstand in zunehmendem
Maße das Bedürfnis, derartige Kältebehandlungsanlagen für immer tiefere Temperaturen
auszulegen.
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Bis etwa -80° C wurden allgemein Kaltdampfmaschinen für die Kälteerzeugung
angewendet. Im Bereich bis etwa -120° C wurden wegen des für diese tiefen Temperaturen
außerordentlich hohen apparativen und maschinellen Aufwandes Kaltdampfmaschinen
nur vereinzelt gebaut. Solche Anlagen müssen vielstufig ausgeführt werden und arbeiten
mit mehreren verschiedenen Kältemitteln in Kaskadenschaltung. Die Erzeugung noch
tieferer Temperaturen ist der Kaltgasmaschine vorbehalten, deren Anwendung jedoch
schon ab etwa -80° C wirtschaftlich zu werden beginnt. Für Tieftemperatur-Kältebehandlungsanlagen
wurden bereits Gasexpansions-Kältemaschinen angegeben, die mit hohen Drücken arbeiten.
Das Arbeitsmedium wird dabei vor seiner Entspannung mittels mehrstufiger Kaltdampfmaschinen
vorgekühlt, und die Erzeugung der Nutzkälte erfolgt durch eine Drosselentspannung
des Gases. Der wesentliche Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß bei großem
apparativem und maschinellem Aufwand infolge der hohen Drücke und der zusätzlich
erforderlichen Kaltdampfmaschine nur ein verhältnismäßig niedriger energetischer
Wirkungsgrad erzielt wird. Im Hinblick auf die bei tiefen Temperaturen stark veränderten
Materialeigenschaften und die Sicherheit der Anlage sind außerdem die hohen Drücke
unerwünscht. Weiter steht der Erreichung noch tieferer Temperaturen bei dem die
Nutzkälte erzeugenden Kaltgasprozeß der Umstand entgegen, daß die Siedetemperatur
des Arbeitsmediums nicht unterschritten werden kann.
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Es ist ferner eine Kaltgasmaschine bekannt, die nach dem umgekehrten
Heißgaskolbenmotorprinzip arbeitet. In dieser Maschine durchläuft das Arbeitsmedium
einen Isothermen-Isochoren-Prozeß. Die Nutzkälte wird am Kopf des Arbeitszylinders
geleistet. Soll die Kälteleistung aber an einer bestimmten Stelle einer Kältebehandlungsanlage
zur Verfügung stehen, so ist die Anwendung eines Sekundärkreislaufes zum Wärmetransport
von der bestimmten Kühlstelle zum Zylinderkopf der Kaltgasmaschine notwendig. Um
das Sekundärarbeitsmedium zwangläufig in Umlauf zu setzen, ist eine spezielle Fördereinrichtung
erforderlich.
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Weiterhin ist ein Verfahren zur Erzielung einer Temperaturerniedrigung
bekanntgeworden, bei dem mehrere Entspanner hinsichtlich der Druckverhältnisse parallel
geschaltet und lyezüglich des Temperaturgebietes einander nachgeordnet sind. Die
mit diesem Verfahren erreichbaren tiefsten Temperaturen bleiben jedoch stets beschränkt
auf das Temperaturgebiet oberhalb der Kondensationslinie des im Kreislauf verwendeten
Arbeitsmediums.
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Diese Nachteile der bekannten Tieftemperatur-Kältebehandlungsanlagen
werden bei Anlagen, bei denen das aus der arbeitabgebenden Entspannungsmaschine
eines Kaltgaskreislaufes austretende entspannte Medium im Wärmeaustausch mit dem
Medium eines nachgeschalteten Kältekreislaufes steht, erfindungsgemäß dadurch vermieden,
daß der die thermodynamische Berührung der beiden Medien bewirkende Wärmetauscher
als Kondensator für den nachgeschalteten Kaltdampfkreislauf ausgebildet ist. Ferner
soll die gesamte Kälteleistung des Kaltgaskreislaufes zur Kondensation der Dämpfe
des Kaltdampfkreislaufes herangezogen und die Nutzkälte am Verdampfer des Kaltdampfkreislaufes
geleistet werden.
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Auf den Betrieb der erfindungsgemäßen Anlage ist es ohne Einfluß,
ob die beiden genannten Kälteprozesse mit verschiedenen Arbeitsmedien oder mit ein
und demselben Arbeitsmedium durchgeführt werden. Bei einer vereinfachten konstruktiven
Gestaltung der Anlage muß jedoch ein und dasselbe Arbeitsmedium für die beiden genannten
Kälteprozesse verwendet werden. In diesem Falle durchströmt das an den beiden Kälteprozessen
teilnehmende Arbeitsmedium
gemeinsam sowohl den Verdichter als
auch den Gegenströmer. Nach Austritt aus dem kalten Ende des Gegenströmers bis zum
Wiedereintritt in dasselbe teilt sich der Strom des Arbeitsmediums und durchläuft
getrennte, durch den jeweiligen Kälteprozeß bedingte Wege.
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Zur Erreichung besonders tiefer Temperaturen ist es zweckmäßig, als
Arbeitsmedium ein schwer kondensierbares Gas oder eine schwer kondensierbare Gasmischung
zu verwenden. Zur Erzielung niedrigster Kondensationstemperaturen beim Kaltdampfprozeß
ist es vorteilhaft, die Arbeitsmedien im Kondensator im Gegenstrom zueinander zu
führen.
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Die Erfindung wird an Hand zweier in den beiden Abbildungen dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es bedeutet hierbei 1 einen Verdichter,
2 einen Vorkühler, 3 einen Gegenströmer, 4 eine Entspannungsmaschine, 5 einen Kondensator,
6 einen Verdichter, 7 eine Entspannungseinrichtung, 8 einen Verdampfer, 9 einen
isolierten Nutzraum, 10 einen Verdichter, 11 einen Vorkühler, 12 einen Gegenströmer,
13 eine Entspannungsmaschine, 14 einen Kondensator, 15 eine Entspannungseinrichtung,
16 einen Verdampfer, 17 einen isolierten Nutzraum.
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Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispieles nach Abb. 1 ist folgende:
Das im Verdichter 1 komprimierte Arbeitsmedium des Kaltgasprozesses wird im Vorkühler
2 von der Kompressionswärme befreit und gelangt anschließend in den Gegenströmer
3. Hier wird es durch das entspannte, zum Verdichter 1 zurückströmende Gas auf die
für den Eintritt in die Entspannungsmaschine 4 gewünschte Temperatur vorgekühlt.
So gelangt es in die Entspannungsmaschine 4, wo der zur weiteren Temperatursenkung
notwendige Entzug innerer Energie in Form äußerster Arbeit stattfindet. Das entspannte
kalte Medium durchströmt nunmehr den Kondensator 5 der Kaltdampfmaschine und bringt
dort das Arbeitsmedium des Kaltdampfprozesses zur Kondensation. Im weiteren Verlauf
strömt das Gas, wie oben bereits erwähnt, über den Gegenströmer 3 unter Wärmeaufnahme
zurück zum Verdichter 1, um den Kreislauf erneut zu beginnen. Gleichzeitig wird
das Medium des Kaltdampfprozesses nach Kompression im Verdichter 6 dem Kondensator
5 zugeleitet, wo die bereits erwähnte Kondensation durch Wärmeentzug mittels des
Kaltgasprozesses stattfindet. Anschließend wird das verflüssigte Arbeitsmedium über
die Entspannungseinrichtung 7 in den Verdampfer 8 entspannt. Hieraus wird es vom
Verdichter 6 abgesaugt, um den Kaltdampfkreisprozeß erneut zu durchlaufen. Am Verdampfer
8 erfolgt die zur beabsichtigten Kältebehandlung im Nutzraum 9 erforderliche Wärmeaufnahme.
Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispieles nach Abb. 2 ist folgende: Das im Verdichter
10 komprimierte Arbeitsmedium des Kaltgas- und des Kaltdampfprozesses wird im Vorkühler
11 von der Kompressionswärme befreit und gelangt anschließend in den Gegenströmer
12. Hier wird es durch das entspannte, zum Verdichter 10 zurückströmende
Arbeitsmedium auf die für die Entspannungsmaschine 13 und den Kondensator 14 gewünschte
Eintrittstemperatur vorgekühlt. Nach dem Austritt aus dem Gegenströmer teilt sich
der Strom des Arbeitsmediums. Der größere Teil wird in der Entspannungsmaschine
13 entspannt, wobei die bereits beschriebene Temperatursenkung eintritt. Das kalte,
entspannte Medium durchströmt nunmehr den Kondensator 14 des Kaltdampfprozesses
und bringt dort den kleineren Teilstrom des Arbeitsmediums zur Kondensation. Im
weiteren Verlauf strömt der größere Teilstrom nach Wiedervereinigung mit dem kleineren
Teilstrom über den Gegenströmer 12 unter Wärmeaufnahme zurück zum Verdichter 10,
um den Kreislauf erneut zu beginnen. Der nach dem Austritt aus dem Gegenströmer
abgezweigte kleinere Teilstrom wird dem Kondensator 14 zugeführt und darin verflüssigt.
Anschließend wird das flüssige Arbeitsmedium über die Entspannungseinrichtung 15
dergestalt in dem Verdampfer 16 entspannt, daß es bei der anschließenden Wiedervereinigung
mit dem größeren Teilstrom den gleichen Druck wie dieser besitzt. Am Verdampfer
16 erfolgt die zur beabsichtigten Kältebehandlung im Nutzraum 17 erforderliche Wärmeaufnahme.
In den Abbildungen ist die Strömungsrichtung des Mediums durch Pfeile angegeben.