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Kühlverfahren und Vorrichtung zu seiner Durchführung Die Erfindung
betrifft ein Kühlverfahren, insbesondere für die Lagerung und die Verschickung von
verderblichen Gütern, z. B. Lebensmitteln, in Behältern, bei dem tiefsiedendes Kältemittel,
z. B. Stickstoff, im Kreisprozeß komprimiert, kondensiert und verdampft wird und
der Kompressor bei unterbrochenem Kä,ltemittelkreislauf kurzgeschlossen; wird.
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Bekanntlich wechselt bei Kühlanlagen der Bedarf an Kältemittel in
Abhängigkeit von der Außentemperatur, welche die auch bei sorgfältigster Isolierung
entstehenden Kälteverluste bestimmt. Darüber hinaus treten unregelmäßige Kälteverluste
jeweils dann) ein, wenn der Kühlraum geöffnet und eingelagertes Gut herausgenommen
oder der Kühlraum innerhalb aufgefüllt wird. Der das Kältemittel liefernde Kompressor
muß daher bei allen Kälteanlagen so bemessen sein, daß er auch unter ungünstigen
Verhältnissen eine ausreichende Kühlung gewährleistende Kältemittelmenge liefert.
Die Kompressorleistung wird jedoch beim normalen Betrieb nur zum Teil ausgenutzt,
da im allgemeinen nur die Kühlung des eingelagerten Guts auf eine bestimmte Temperatur
verlangt wird, die nicht unterschritten werden soll. Bei kleineren Kühlanlagen,
z. B. Kühlschränken, wird daher der den Kompressor antreibende Motor durch einen
Thermostat abgeschaltet, wenn im Kühlraum die erforderliche niedrige Temperatur
hergestellt ist, bzw. wird der Motor und damit der Kompressor wieder eingeschaltet,
wenn die Temperatur über ein bestimmtes Maß hinaus angestiegen ist.
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Das völlige Abschalten des Kompressors ist jedoch bei größeren Anlagen
aus wirtschaftlichen. Gründen nicht zweckmäßig, so daß die erforderliche Regelung
dadurch hergestellt wird, daß der Kompressor bei Erreichen der erforderlichen Kühltemperatur
im Lagerraum kurzgeschlossen wird und unbelastet weiterläuft.
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Es sind Kühlanlagen dieser Art bekanntgeworden, bei denen der Kompressor
durch einen Thermostat gesteuert kurzgeschlossen wird, wenn im Kühlraum kein Kältemittelbedarf
vorliegt. Zu diesem Zweck wird eine den Kompressorausgang mit seinem Eingang verbindende
Leitung geöffnet, durch die dann das Kältemittel umgewälzt wird. Diese bekannte
Anlage berücksichtigt jedoch nicht die Tatsache, daß bei vom Kühlraum abgeschaltetem
Kältemittelkreislauf nicht nur die Temperatur im Kühlraum wieder ansteigt, sondern
daß sich auch der ebenfalls in das System eingeschaltete Kältemittelvorratsbehälter,
in welchem sich das verflüssigte Kältemittel sammelt, bei Abschaltung des normalen.
Kältemittelkreislaufs erwärmt. Hierbei kann es vorkommen, daß im Falle geringen
Kältemittelbedarfs im Kühlraum selbst der Kompressor für längere Zeit kurzgeschlossen
bleibt, während der Gasdruck des im Vorratsbehälter verdampften Kältemittels so
weit zunimmt, daß entweder ein Bruch im Leitungssystem auftritt oder gasförmiges
Kältemittel zum Kompressor zurückströmt und diesen belastet, während das vom Thermostaten
im Kühlraum abhängige Ventil nach wie vor geschlossen bleibt. Erst wenn möglicherweise
verdampftes und damit erwärmtes Kältemittel entgegen der normalen Strömungsrichtung
in den im Kühlraum befindlichen Verdampfer gelangt und dort die Temperatur erhöht,
setzt der Normalbetrieb der Anlage wieder ein.
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Es sind ferner Kälteanlagen bekanntgeworden, bei denen mindestens
ein Teil des Druckgefälles zwischen Kondensator und Verdampfer dazu verwendet wird,
das aus dem Verdampfer austretende flüssige Kältemittel dem Verdampfer wieder zuzuführen.
Die Rückführung nicht verdampften Kältemittels in den Verdampfer unter Vermeidung
des Verdichters und. Kondensators betrifft jedoch ein Problem, welches nicht Hauptgegenstand
der vorliegenden Erfindung ist.
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Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches bei
Kälteanlagen angewendet werden kann, die mit einer häufig und in weiten Grenzen
wechselnden Anzahl von Kühlbehältern, wie z. B. Kühlwagen od. dgl., zusammenarbeiten.
Derartige Verhältnisse liegen insbesondere dann vor, wenn ein aus Kühlwagen bestehender
Zug an einem Lagerhaus mit tiefgekühlten Nahrungsmitteln od. dgl. Gut beladen wird
und der jeweils neu beladene Waggon bis zur Abfertigung des gesamten Zugs an die
Kälteanlage
des Lagerhauses mit angeschlossen wird. Es ist jedoch
auch denkbar, daß die nach dem vorgeschlagenen Verfahren arbeitende Kälteanlage
in einem Schiff eingebaut ist und je nach der augenblicklichen Ausnutzung der Gesamtzahl
der Kühlbehälter eine mehr oder weniger große Anzahl der Behälter kühlt. Durch die
Erfindung soll also die Aufgabe gelöst werden, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, welches innerhalb weiter Grenzen
sich ändernde Kältemittelmengen zu liefern vermag. Hierbei ist insbesondere zu;
berücksichtigen, daß bei großen Kühlanlagen auch entsprechend große Mengen an verflüssigtem
Kältemittel im Vorratsbehälter vorhanden sind, die sich ebenfalls erwärmen und Gas
bilden. Unter diesen Verhältnissen reicht daher die übliche Maßnahme, bei Nichtbedarf
von Kältemittel im Kühlraum den Kompressor vorübergehend kurzzuschließen, nicht
aus. Zwar wird auch bei der vorliegenden Erfindung von diesem bekannten Prinzip
Gebrauch gemacht, jedoch wird als neue und wichtige Maßnahme, die erst zu der erstrebten
Anpassungsfähigkeit des Verfahrens führt, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die
Umschaltung des Kompressors in Abhängigkeit von dem Druck des verdampften Kältemittels,
der in der sowohl mit den Kühlbehältern wie auch mit dem Vorratsbehälter für das
flüssige Kältemittel verbundenen Ansaugleitung herrscht, gesteuert wird.
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Nach der Erfindung wird also der Kompressor nicht nur dann kurzgeschlossen,
wenn der Kältemittelkreislauf unterbrochen wird, weil kein Kühlbehälter mehr an
das System angeschlossen ist, bzw. die angeschlossenen Kühlbehälter gegenwärtig
kein Kältemittel benötigen, sondern der Kompressor wird auch dann -..- ieder eingeschaltet,
wenn trotz des Fehlens von angeschlossenen Kühlbehältern im Vorratsbehälter für
das flüssige Kältemittel auf Grund des unvermeidlichen Eindringens von Außenwärme
in diesem Behälter so viel Kältemittel verdampft, daß der Druck einen bestimmten
Wert überschreitet. In diesem Fall beginnt der Kompressor ebenfalls erneut das anfallende
Gas zu verdichten, welches nachfolgend' auf bekannte Weise kondensiert wird, bis
der Druck im System entsprechend gesenkt ist.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.
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Mit 1 sind Kühlbehälter bezeichnet, die an die Kühlanlage angeschlossen
und davon getrennt werden können. 2 sind Flüssigkeitszuleitungen, die durch ein
Ventil 3 gesteuert werden und durch die den Kühlbehältern 1 das Kältemittel, z.
B. flüssiger Stickstoff, zugeführt wird. Die Leitung 2 ist ein Zweig der Zuleitung
4, die flüssigen Stickstoff durch die Leitung 5 aus einem Flüssigkeitsbehälter 6
erhält. Von jedem Kühlbehälter führt eine Gasrückleitung 7 zu einer Sammelleitung
B. 9 sind elektrische Schalter, die jeweils durch eine Membran betätigt werden.
Jeder Schalter 9 ist elektrisch leitend mit einem zugeordneten Flüssigkeitsregelventil
3 verbunden, welches die Flüssigkeitszufuhr absperrt, wenn der Druck des in dem
Kühlbehälter 1 eingeschlossenen Gases einen bestimmten Wert übersteigt. Die Ventile
10 und 11 in den Leitungen 2 und 7 ermöglichen es, jeden beliebigen Kühlbehälter
von der Anlage abzutrennen, ohne die Kühlung der anderen Kühlbehälter zu beeinträchtigen.
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12 bezeichnet eine von der Sammelleitung 8 zu einer Kühlschlange 13
führende Leitung. Diese Kühlschlange befindet sich in, der Flüssigkeit 14 des Vorratsbehälters
6 und dient zur Vorkühlung des verdampften Gases. Die Leitung 17 führt von der Kühlschlange
13 zu der Rohrschlange 18 eines Wärmeaustauschers 19. 20 ist eine von der Rohrschlange
18 zur Rohrschlange 21 eines weiteren Wärmeaustauschers 22 führende Leitung und
23 ist eine von der Rohrschlange 21 zu der Ansaugleitung des Kompressorsystems führende
Leitung.
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Der Einfachheit halber ist der Kompressor schematisch durch fünf gleiche
Zylinder mit Kolben dargestellt, wobei die Ausgangsleitung eines jeden Zylinders
zur Ansaugleitung der nächsten Kompressorstufe führt.
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Jedem Zylinder sind untereinander gleiche Ventile 28 nachgeschaltet,
die das aus dem Zylinder ausströmende verdichtete Gas in die Ansaugleitung desselben
Zylinders zurückleiten, also die betreffende Stufe kurzschließen. Alle Ventile 28
werden gleichzeitig und auf gleiche Art betätigt, so daß das Gas entweder alle Kompressionsstufen
durchströmt oder aber alle Stufen kurzgeschlossen sind.
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Bei allen Stufen sind die gleichen Bezugszeichen verwendet worden.
24 ist der Kompressorzylinder mit Kolben, 25 eine vom Zylinder 24 kommende Ausgangsleitung,
26 ein Nachkühler zur Ableitung der Kompressionswärme, 27 die Ansaugleitung der
einzelnen Zylinder und 28 ein Ventil, das in seiner einen Stellung das Gas aus der
Ausgangsleitung 25 durch den Nachkühler 26 zur nächsten Stufe leitet und in seiner
anderen Stellung die Ausgangsleitung 25 mit der Ansaugleitung 27 derselben Stufe
über die Verbindungsleitung 29 verbindet.
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Ein Motor 30 betätigt über ein Schaltgestänge 31 gleichzeitig alle
Ventile. Ein auf den Druck in der Leitung 23 reagierender Membranschalter 32 steuert
den Motor 30. Die Steuerung erfolgt in der Weise, daß verdampftes Kältemittel die
hintereinandergeschalteten Kompressorstufen durchströmt, wenn die Leitung 23 unter
Druck steht. Die Kompressorstufen werden in sich kurzgeschlossen, wenn die Leitung
23 drucklos ist.
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Wird z. B. nur ein einziger Kühlbehälter mit flüssigem Stickstoff
versorgt, so werden die Ventile 10 und 11 von Hand so eingestellt, daß die gesamte
Kältemittelflüssigkeit in den Kühlbehälter fließt und alles Gas zur Wiederverflüssigung
zurückgeleitet wird. Wenn mehr als ein Kühlbehälter gleichzeitig gekühlt wird, so
können diel Ventile 10 und 11 so eingestellt werden, daß der durch das Rohr 5 fließende
Flüssigkeitsstrom auf die zu kühlenden Behälter verteilt wird. In jedem Fall entspricht
die zur Verflüssigung zurückgeleitete Gasmenge der aus dem System und dem Vorratsbehälter
in den oder die Kühlbehälter fließenden Flüssigkeitsmenge.
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33 ist eine Gasleitung, die von der letzten Kompressorstufe durch
einen Ölabscheider zu dem Wärmeaustauscher 22 führt. Die Leitung 34 geht von dem
Wärmeaustauscher 22 zu dem weiteren Wärmeaustauscher 35, während die Leitung 36
vom Wärmeaustauscher 35 zum Wärmeaustauscher 19 und als Leitung 37 von hier
über ein joule-Thompson-Expansionsventil 38 in den Flüssigkeitsbehälter 6 führt,
so daß ein Teil des hochkomprimierten kalten Gases kondensiert und fortgesetzt die
durch das Rohr 5 abfließende Flüssigkeit ersetzt.
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In den, Wärmeaustauschern 19 und 22 wird das komprimierte Gas durch
Wärmeaustausch mit dem von dem oder den Kühlbehältern zu den Kompressoren strömenden
Gas gekühlt. In dem Wärmeaustauscher 35 wird das Gas durch ein geeignetes durch
die Leitung 39 gepumptes Kältemittel gekühlt, das durch die
Rohrschlange
40 und die Leitung 41 zurückströmt. Die Einzelheiten dieser Kühlanlage sind nicht
in der Zeichnung dargestellt.
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Die Entspannung durch das Joule-Thompson-Ventil 38 führt nicht zur
Verflüssigung des gesamten Gases. Das nicht kondensierte Kältemittel, z. B. Stickstoff,
sammelt sich in dem Gasdom 42 über der Flüssigkeit 14 und wird durch die Leitung43
mit einem Druckminderventi144 zur Vermischung mit dem in der Leitung 17 vom Kühlbehälter
zur Kompression strömenden Gas abgeleitet. Ein Teil des Gases in der Leitung 36
wird nach Verlassen des Wärmeaustauschers 35 durch die Gasleitung 45 zu der Expansionsmaschine
46 geleitet, wo es Arbeit leistet und Wärme abgibt. Von dort wird es über den ölabscheider
47 und die Leitung48 mit Rückschlagventi149 mit dem in der Rohrschlange 18 zum Kompressor
strömenden Gas vereinigt.
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Die Rückschlagventile44 und 49 dienen dazu, ein Zurückströmen des
Gases zu verhüten. Sie öffnen sich jedoch, um den Gasstrom zum Kompressor durchzulassen.
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Wenn der Flüssigkeitszufluß aus dem Flüssigkeitsbehälter zu dem oder
zu den Kühlbehältern 1 unterbrochen wird und sich daher kein weiteres Gas bildet,
steht auch kein Gas für den Kompressor zur Verfügung. Unter normalen Verhältnissen
ergibt das einen sofortigen Kurzschluß oder Leerlauf aller Kompressorstufen, während
die Maschine weiterläuft. Da jedoch mit einem sehr kalten Material gearbeitet wird
und keine Isolierung vollkommen ist, kann es geschehen, daß eindringende Wärme so
viel Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter 6 verdampft, daß der Druck in der Leitung
23 so weit ansteigt, daß die Ventile 28 die Kompressorstufen von Leerlauf wieder
auf Kompression schalten. Der Kompressor arbeitet nunmehr so lange, bis der Druck
wieder wegen Gasmangels sinkt.
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Die Kühlanlage ist für eine maximale Stundenleistung ausgelegt und
erzeugt im Betrieb eine berechnete Menge flüssigen Kältemittels. Solange diese Menge
Gas verdampft wird, arbeitet die Anlage weiter. Ist jedoch die Leistung der Anlage
größer als der Verbrauch an Kältemittel, weil z. B. nur eine Einheit in Betrieb
ist, so muß entweder die Maschine -stillstehen, ihre Leistung geändert werden oder
die gesamte Kühlleistung muß auf diese eine Einheit konzentriert werden.
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Die Erfahrung hat gelehrt, daß von diesen drei Möglichkeiten die letzte
vorzuziehen ist. Deshalb, werden, wenn nur ein einziger Kühlbehälter angeschlossen
ist, die Ventile 10 und 11 so eingestellt, daß der gesamte Flüssigkeitsstrom in
den einen Kühlbehälter fließt, die gesamte Gasmenge darin erzeugt und der Betrieb
des Kompressors und die Gasverflüssigung nicht unterbrochen wird.
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Wenn alle Kühlbehälter - vier wind dargestellt, obgleich es dreißig
oder mehr sein können - gleichzeitig gefüllt werden sollen, so brauchen die Ventile
10 und 11 nur so eingestellt zu werden, daß der Flüssigkeitsgasstrom auf die zu
kühlenden Behälter aufgeteilt wird. Vorzugsweise wird der Zustrom gleichmäßig verteilt
werden. Dies ist aber nicht wesentlich, sondern es kommt darauf an, daß entweder
die gesamte Flüssigkeitsmenge oder gar keine Flüssigkeit benutzt wird, weil im letzteren
Falle die Kompressorstufen kurzgeschlossen werden können.
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Die Erfindung wurde mit einem Joule-Thompson Expansionsventil, Stickstoff,
einem mehrstufigen Kolbenverdichter und anderen meist schematisch dargestellten
mechanischen Einzelteilen erläutert. Es können aber auch andere tiefsiedende Flüssigkeiten
als Kältemittel verwendet werden. Luft, Sauerstoff, Helium oder andere Gase, die
gefahrlos verwendet und behandelt und ohne schädliche Wirkung mit Lebensmitteln
in Berührung gebracht werden können, lassen sich an Stelle von Stickstoff verwenden.
Stickstoff ist jedoch als tiefsiedende Flüssigkeit für die Erfindung vorzuziehen,
ebenso die Kühlung bei etwa atmosphärischem Druck. Wenn in den Kühlbehältern oder
Fahrzeugaufbauten beispielsweise Unterdruck herrschen würde, so bestünde Gefahr,
daß warme, feuchte atmosphärische Luft in das System eindringt und auf diese Weise
große Kälteverluste und vorzeitige Verunreinigung des Kältemittels verursacht. Wenn
andererseits in den Kühlbehältern mit beträchtlichem Überdruck gearbeitet würde,
so würden sie mit Rücksicht auf die hohen, Drücke hinsichtlich der Herstellung,
der Unterhaltung und der Verschiffung wesentlich teurer werden.
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Deshalb werden die Behälter vorzugsweise für Normaldruck konstruiert.
Tatsächlich ist der Druck in den Kühlbehältern zumindest etwas höher als der atmosphärische
Druck, so daß ein Eindringen warmer Luft aus der Umgebung verhindert wird.
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Es können auch andere Vorrichtungen als das Joule-Thompson-Ventil
zur Verflüssigung eines Teiles oder des gesamten komprimierten Gases verwendet werden.
In jedem Fall ist es wichtig, daß die verschiedlenen Kompressionsstufen, die den
Druck so weit steigern sollen, daß eine zufriedenstellendd Verflüssigung eintritt,
dann, wenn keine Flüssigkeit zur Kühlung entnommen wird, und daher kein Gas für
die Kompression vorhanden ist, weiterarbeiten und sofort verdichtetes Gas liefern,
wenn Gas von den Kühlbehältern einströmt. Wenn daher die Kurzschlußschaltung aufgehoben
wird, so liefert jede Stufe sofort Gas mit dem oder mit annähernd dem in dieser
Stufe gewünschten Druck, und der Strom des komprimierten Gases setzt unmittelbar
ein.