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Gasblasenpumpe für einen kontinuierlich arbeitenden Kälteapparat Die
Erfindung betrifft eine Gasblasenpumpe für einen kontinuierlich arbeitenden Absorptionskälteapparat,
der auch für Kühlschränke mit etwa über 150 Liter Inhalt geeignet ist, und dessen
Eigenschaften in bezug auf Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit günstiger sind
als die derbekannten ähnlichen Apparate.
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Bekanntlich verfügen die mit Hilfsgas kontinuierlich arbeitenden Absorptionskälteapparate
über einen Kocherteil, der geeignet ist, z. B. ein ammoniakreiches Wasser auf eine
gewünschte Temperatur zu erwärmen, wodurch der bekannte Vorgang zustandekommen kann
und das Ammoniak aus dem Wasser ausgetrieben wird. Eine der Arbeitsbedingungen der
Kältemaschinen der erwähnten Art besteht bekanntlich darin, daß die im Kocher ammoniakarm
gewordene wässerige Lösung in der Regel auf ein Niveau gehoben werden muß, das gemäß
den gegebenen Konstruktionsverhältnissen höher liegt als das Niveau des Kochens,
wobei diese Hebung mittels einer sogenannten Gasblasenpumpe verrichtet wird. Die
Gasblasenpumpe kann mit dem Kocher zusammengebaut oder neben diesem angeordnet sein,
wobei die zu ihrem Betrieb erforderliche Wärmemenge meistens einer mit dem Kocher
gemeinsamen Wärmequelle entnommen wird. Das Kühlmittel scheidet aus der an Kühlmittel
reichen Lösung auf Wärmewirkung in der Form von kleineren oder größeren Gasblasen
aus. Diese vereinigen sich zu größeren Blasen, wobei sie in den oberen Teil der
Gasblasenpumpe aufsteigen und die über ihnen vorhandene Wassersäule im Förderrohr
von geringem Durchmesser der Pumpe vor sich schiebend anzuheben trachten. Zum Heben
und Beschleunigen der Wassersäule sind Gasblasen von hoher Auftriebskraft und zu
ihrer Bildung Zeit und Wärme erforderlich. Wenn sämtliche Umstände vorteilhaft aufeinander
abgestimmt sind, wird die Wassersäule durch die Gasblase stoßartig aufwärts getrieben.
Da jedoch eine jede Aktion auch eine Reaktion auslöst, wird gleichzeitig mit der
aufwärtsstoßenden Kraft auch die Flüssigkeitssäule unterhalb der Gasblase vom Gasblasendruck
getroffen, was im die dem Kocher zuströmende reiche Lösung zuführenden Rohr schwingende
Flüssigkeitsbewegungen hervorruft. Die Wirkung der Reaktionskraft kann aus der vorwärts-
und rückwärtsschwingenden Bewegung des mit einer Glasrohreinlage versehenen und
im Glasrohr angebrachten dünnen Glasfadens leicht festgestellt und bewiesen werden.
Die nachteilige Wirkung dieser Erscheinung für die Leistung ist derart bekannt,
daß eine mindestens teilweise Verhinderung derselben in zahlreichen patentierten
Vorschlägen angeregt worden ist. Diese Vorschläge trachten die nachteilige Schwingbewegung
mittels z. B. Rückschlagventile, gewindeartig gebogener Rohre, im Kocher selbst
angebrachter Spiraleinsätze oder durch Verlängerung des Wärmeaustauschers, d. h.
im allgemeinen durch Ausnützung des Rohrreibungswiderstandes, zu verringern. Diese
Schwingerscheinung verursacht auch, daß in der Nähe des scharfen Höchstwertes der
Förderkennlinie der Gasblasenpumpen eventuell wesentlich geringere Förderleistungen
bei einer bestimmten Wärmezufuhr erhalten werden, als erwartet werden hätte können.
Eine Folge ist auch, daß die Förderung grobperiodisch ist, da zwischen den aufeinanderfolgenden
Gasblasenstößen 8 bis 10 Sekunden oder eine noch längere Zeit verläuft.
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Es gibt aber noch eine Erscheinung, wodurch die Arbeitsweise des Kochers
und zugleich auch der Gasblasenpumpe wesentlich beeinflußt wird. Die reiche Lösung
muß auf eine gewisse optimale Temperatur erwärmt werden, damit das Kühlmittel ausgetrieben
werden kann. Einerseits, damit die an Kühlmittel bereits arme Lösung in der Gasblasenpumpe
nicht derart abkühlt, daß das Kühlmittel durch sie wieder absorbiert wird, bevor
das Kühlmittel vom Absorbiermittel nicht endgültig getrennt werden kann, und anderseits,
damit auch die Gasblase so lange nicht abkühlt, bis sie den Kondensator erreicht,
so daß das Niederschlagen nicht eher als notwendig beginnt. Die Abkühlung der Gasblase
ist besonders deshalb gefährlich, weil bei Abkühlung ihr Volumen merkbar abnimmt,
wodurch aber auch ihre Hubkraft geringer wird. Dann tritt im Förderrohr der aus
einem Glasrohr
hergestellten Gasblasenpumpe jene gut beobachtbare
Erscheinung auf, daß - insbesondere im oberen Abschnitt des Rohres - die einzelnen
kleinen Wassersäulen infolge der Abnahme des Gasblasenvolumens und sogar seines
vollständigen Verschwindens vereinigt werden, so daß für den folgenden Förderhub
bereits eine lange Wassersäule von großer Menge durch die Gasblase von großem Volumen
und hoher Hubkraft gehoben wird, wodurch gleichzeitig auch die Stärke des Rückstoßes
beträchtlich erhöht wird.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es bekannt, das Kochen bis zu
einem gewissen Grad zu übertreiben, was jedoch nachteilig ist, weil einerseits die
zugeführte Wärmemenge unnötigerweise zunimmt, und weil anderseits das ausgetriebene
Kühlmittel im Verhältnis zu der im i-;-Diagramm für Ammoniak-Wassergemische bestimmten
Menge wesentlich mehr Wasserdampf enthält als dies in Betracht gezogen war, und
weil dessen Wirkung bezüglich der Arbeitsweise sehr unvorteilhaft ist. Diese Erscheinungen
verschlechtern die Leistung und haben zur Folge, daß der Wirkungsgrad von mit Hilfsgas
kontinuierlich arbeitenden Absorptionskältemaschinen bisher zwischen 26 bis 33 °/o
liegt.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Gasblasenpumpe für Absorptionskältemaschinen,
mittels welcher die beschriebenen und für die Leistung bzw. den Wirkungsgrad nachteiligen
Umstände im Verhältnis zu den bekannten Gasblasenpumpen wesentlich verringert werden
können, das Auskochen zusammen mit der Flüssigkeitsbeförderung wirksam verbessert
bzw. erhöht und hierdurch eine beträchtliche Zunahme an Wärmeenergieerspamis und
an Wirkungsgradverbesserung erreicht werden können.
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Die erfindungsgemäße Gasblasenpumpe erreicht die Leistungserhöhung
beim Kochen der reichen Lösung und bei der Beförderung der Flüssigkeit insbesondere
dadurch, daß die Reaktionskraft wirkungslos gemacht wird, wozu die dem mit der Gasblasenpumpe
zusammengebauten Kocher zugeführte Flüssigkeit zwecks wirksamer Austreibung des
Kühlmittels zwischen die Heizfläche vergrößernden Elementen auf einer labyrinthartigen
Bahn geleitet wird, wobei die Wand des Heizrohres und das Kocherraumgehäuse der
Gasblasenpumpe derart aneinander angenähert werden, daß zwischen ihnen eine Flüssigkeitsschicht
von der Dicke von höchstens 2,5 mm entsteht, so daß einerseits die Flüssigkeit kapillar
an den Wänden haftet, andererseits eine vollständigere Durchwärmung und ein schnelleres
Auskochen erreicht wird. Zwecks Ausnützung der elastischen Kompressibilität der
beim Kochen entstehenden Gasblasen werden sie zum Aufschlagen an einer senkrecht
zur Richtung der Reaktionskraft angeordneten und lediglich durch enge Öffnungen
unterbrochenen Stützfläche gebracht, wozu zweckmäßig die eine Fläche der die Heizfläche
vergrößernden Elemente benützt wird. Die Bahn der Flüssigkeit und der Gasblase wird
durch entsprechende Ausbildung des Übergangsteiles des Kocherraumgehäuses - zugleich
bei Verhinderung der Kavitation - derart bestimmt, daß von einem in den Übergangsteil
reichenden und eine Ergänzung des Heizrohres bildenden nachwärmenden Fortsatz ein
Energieüberschuß erhalten wird, wodurch die Hebung der Flüssigkeitssäulchen im Förderrohr
der Gasblasenpumpe wirksam gefördert wird. Die Austreibung des Kühlmittels (das
Kochen) und die Hebung der Flüssigkeit ergeben bei Anwendung der Gasblasenpumpe
gemäß der Erfindung eine derart große Zunahme der Leistung, daß zum Wirkungslosmachen
der nachteiligen Reaktionskraft die gemeinsame Benützung sämtlicher leistungserhöhenden
Vorgänge der Einrichtung nicht unbedingt erforderlich ist. In manchen Fällen genügt
es z. B. die kapillare Adhäsion zu bewirken und die Gasblasen nachzuwärmen oder
eine labyrinthartige Flüssigkeitsbahn und eine kapillare Adhäsion anzuwenden. Eine
andere Möglichkeit besteht in einer Gasblasenkompression und Nachwärmung. Es ist
auch möglich, z. B. kapillare Adhäsion und eine labyrinthartige Flüssigkeitsbahn
zu erwirken, wobei auch eine Gasblasenkompression angewandt wird. usw.
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Es handelt sich gemäß dem oben Beschriebenen um eine Gasblasenpumpe
für einen kontinuierlich arbeitenden Absorptionskälteapparat, deren erwärmter Abschnitt
einen ringförmigen Qeerschnitt hat und einen besonderen Pumpenkessel bildet, der
im Flüssigkeitsraum des Kochers angeordnet ist und von einer mit dem Kocher gemeinsamen
Wärmequelle geheizt wird, die im Innenrohr des Ringraumes angeordnet ist, und bei
der in bekannter Weise die Gasblasen zusammen mit der sie umgebenden Lösung vor
ihrer Strömung in das Förderrohr der Pumpe einer Nachheizung ausgesetzt sein können,
deren Ringraum erfindungsgemäß labyrinthartige Bahnen bildende Elemente aufweist,
und/oder daß derRingquerschnitt, in radialer Richtung gemessen, geringer ist als
2,5 mm.
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In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Gasblasenpumpe dargestellt. Sie arbeitet wie folgt: In der Ruhelage wird die Ausgangslage
im Förderrohr 4 einer Gasblasenpumpe durch das Grundniveau H1 bestimmt. Eine in
einem Heizrohr 1 angebrachte Wärmequelle 12 bewirkt eine sehr schnelle Wärmeübergabe
bei gutem Wirkungsgrad, da die Flüssigkeitsschicht im Kocherraum 8 zwischen der
äußeren Wand des Heizrohres 1 und dem Gehäuse des Kochers 2 sehr gering ist. Die
Wärmeübergabe wird durch die Heizfläche vergrößernde Elemente 10
wirksam gefördert.
Die - an Kühlmittel reiche -Flüssigkeit strömt wegen der Wichteänderung aufwärts
und ist gezwungen, über die nacheinander abwechselnd einander gegenüberliegenden
schmalen Spalte der die Heizfläche vergrößernden Elemente 10
hindurchzuströmen,
wodurch die sich erwärmende Flüssigkeit labyrinthartig geleitet wird und auf einer
langen Strecke mit der Oberfläche des Heizrohres 1
in Berührung gelangt, wobei
sie bei ständiger Rührung zum Vorwärtszuströmen gebracht wird. Bei dieser Art der
Erwärmung wird die zum Austreiben des Kühlmittels (z. B. Ammoniak) erforderliche
Temperatur schnell erreicht, und da die Flüssigkeitsschicht dünn ist, wird über
den gesamten Querschnitt eine gleichmäßige Durchwärmung erreicht. Die Austreibung
des Kühlmittels ist bei diesem Verfahren wesentlich schärfer, als es beim Kochen
einer dicken Flüssigkeitsschicht der Fall wäre. Aus der sich erwärmenden Flüssigkeit
scheidet beim Strömen nach dem oberen Teil des Kocherraumes 8 eine zunehmende Menge
an winzigen Kühlmittelgasblasen aus, die aufwärts streben. Um das Wachsen der Gasblasen
zu fördern, wird die Flüssigkeit lediglich im unteren Teil des Kocherraumes zwischen
den die Heizfläche vergrößernden Elementen geleitet. Im oberen Teil des
Kocherraumes
8 wachsen die Gasblasen durch Vereinigung in immer größeren Anzahlen und heben die
über ihnen befindliche Flüssigkeit. Die aufsteigenden Gasblasen werden durch einen
übergangsteil3 des Gehäuses 2 des Kocherraumes 8 zu einem nachwärmenden Fortsatz
9 des Heizrohres 1, z. B. zu einem kegeligen Teil desselben gelenkt, da sonst die
Gasblasen wegen der unbedingt auftretenden Kavitation der Oberfläche des Ansatzes
bzw. des Kegels ausweichen würden. Die Gasblasen erhalten auf diese Weise vom Ansatz
einen Wärmezuschuß, der im vorliegenden Fall eine Expansionsenergiezunahme bewirkt
und geeignet ist, je eine großgewordene Gasblase zu veranlassen, die über ihr befindliche
Flüssigkeitssäule gehörig beschleunigen bzw. auf eine Höhe H, heben zu können. Die
Masse des nachwärmenden Förtsatzes 9 wird verhältnismäßig groß gewählt. Dann hat
er nämlich eine annähernd konstante Temperatur, wodurch die Gleichmäßigkeit der
Arbeitsweise der Gasblasenpumpe vorzüglich gewährleistet ist. Wie jede Kraft, hat
auch die Beschleunigungs- und Hubkraft eine Reaktionskraft, die den vorherigen entgegengesetzt
gerichtet, jedoch ihnen gleich groß ist. Diese Reaktionskraft kann nicht nur im
Kocher, sondern auch in einem Flüssigkeitszufuhrrohr 6 sehr unangenehme und schwer
dämpfbare Schwingungsbewegungen der Flüssigkeit hervorrufen, wodurch die Leistung
der Gasblasenpumpe offensichtlich beträchtlich verringert wird, da ein wesentlicher
Teil der Beschleunigungs- und Hubkraft in der Herbeiführung der Schwingungsbewegung
verzehrt wird. Auf Grund der in der Zeichnung dargestellten Ausführung der zum Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten zusammengebauten Kombination von Kocher
und Gasblasenpumpe können drei voneinander unabhängige, jedoch im Ausführungsbeispiel
gemeinsam verwendete Methoden zur sozusagen restlosen Beseitigung der nachteiligen
Wirkung der Reaktionskraft erhalten werden, wobei die übrigens in üblicher Weise
ausgenutzte Rohrreibung vollständig vernachlässigt wird.
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Die erste Methode zurVerringerung derReaktionskraft ist auf die Erscheinung
gegründet, daß im oberen Teil des Kocherraumes 8 bereits verhältnismäßig große Gasblasen
zugegen sind. Da, wie bekannt, die Gase kompressionsfähig sind, verringern die Gasblasen
ihr Volumen auf Einwirkung des Rückstoßes, wodurch sie aber -eben als eine Feder
mit »Gaspolster« den größten Teil der augenblicklichen und stoßartig auftretenden
Reaktionskraft aufzehren, weil sie durch eine zur Rückströmrichtung senkrechte und
lediglich durch einen schmalen Spalt unterbrochene Fläche unterstützt werden.
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Die zweite Methode zur Verringerung der Reaktionskraft folgt aus der
Tatsache, daß im Kocherraum 8 die Schichtdicke der Flüssigkeit gering ist bzw. 2,5
mm beträgt oder noch dünner ist, so daß die Flüssigkeit durch kapillare Adhäsion
an der Wand des Heizrohres 1 und des Gehäuses 2 des Kocherraumes 8 haftet.
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Die dritte Methode der Reaktionskraftverringerung besteht darin, daß
die Druckenergie der unter der Wirkung der Reaktionskraft abwärts strömenden Flüssigkeit
immer mehr in Geschwindigkeitsenergie umgesetzt und hierdurch ein wesentlicher Teil
des Energieverlustes durcFi Aufzehrung der Reaktionskraft gedeckt wird. Bei der
beispielsweisen Ausführungsform gemäß der Zeichnung werden zur Umsetzung der Energie
in vorteilhafter Weise die Elemente 10 zur Vergrößerung der Heizfläche verwendet,
die eine labyrinthartige Flüssigkeitsbahn bestimmen. Da die auf Einwirkung der Reaktionskraft
abwärts strömende Flüssigkeit insgesamt höchstens 6 % der zur Rückströmung senkrechten
Oberfläche der die Heizfläche vergrößernden Elemente durchströmen kann, wobei aber
die zweite Durchströmungsöffnung unterhalb der ersten sich auf der entgegengesetzten
Seite befindet, während die dritte wieder auf der vorherigen entgegengesetzten Seite
vorhanden ist, ferner weil die Flüssigkeit nach Durchströmung über die Spalte in
einen erweiterten Raum gelangt und ihre Geschwindigkeit zum Teil einbüßt, sodann
in der nächsten Öffnung ihre Geschwindigkeit wieder zu erhöhen gezwungen ist usw.,
wird die aus der Reaktionskraft herrührende Energie derselben immer mehr verzehrt.
Proportional zum Energieverlust sind die die Heizfläche vergrößernden Elemente von
oben nach unten zueinander immer näher angeordnet. Den die Heizfläche vergrößernden
Elementen fallen demnach außer ihrer wörtlichen Aufgabe noch zwei wichtige Aufgaben
zu, so daß sie insgesamt drei Funktionen zu verrichten haben.
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Erstens vergrößern sie die Heizfläche, um eine wirksamere Wärmeübergabe
und eine energische Austreibung des Kühlmittels zu erreichen; dann bilden sie eine
Stützfläche zur Herbeiführung der Gasblasenkompression; schließlich verringern sie
mittels schmaler Durchströmungsöffnung bzw. durch Umwandlung von Energie unmittelbar
die Reaktionskraft.
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Das Siederaumgehäuse 2 ist außen von einem Mantel s umgeben. Die an
Kühlmittel bereits arme Lösung strömt im Raum 11 für die arme Lösung abwärts, nimmt
das Siederaumgehäuse 2 um und entweicht über ein Abführrohr 7.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Gasblasenpumpe ist bei ihrem in
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Versuchsergebnissen ein Mehrfaches
der durch die bekannten Vorrichtungen ähnlicher Art gelieferten Menge. Bei gleicher
Liefermenge beansprucht die erfindungsgemäße Gasblasenpumpe lediglich einen Bruchteil
der bei den bekannten Vorrichtungen erforderlichen Heizenergie.