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Kältesatz zur Kühlung von isolierten Räumen, insbesondere Behältern
von Transportfahrzeugen Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kältesatz
zur Kühlung von isolierten Räumen, insbesondere Behältern von Transportfahrzeugen,
mit Trockeneis, bei welchen die Luft mittels eines Flächenkühlers indirekt gekühlt
wird und der Kältesatz aus einem geschlossenen Kreislauf besteht, in welchem ein
Kältemittel im Kühler verdampft und in den mit Kanälen versehenen Wandungen des
Trockeneisvorratsbehälters kondensiert.
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Trockeneis wird etwa seit dem Jahr 1925 zur Kühlung von Waren und
isolierten Behältern, insbesondere bei tiefen Temperaturen, verwendet. Die einfachste
Anwendung ist das Bestreuen der isoliertverpackten Ware mit Trockeneisstücken. Um
in den isolierten Behältern die für die gleichmäßige Temperaturverteilung erforderliche
Luftumwälzung hervorzurufen, wird das Trockeneis oft in Blechgefäßen oder Säcken
unter die Decke der Behälter gehängt. Bei diesen sehr einfachen Kühlverfahren verdunstet
eine dem Wärmeeinfall und der Trockeneisoberfläche proportionale Menge C02. Die
Kälteerzeugung ist also durch die Wahl der Stückform beeinflußbar. Kleine Stücke
geben bei gleicher Gesamtmenge wesentlich mehr Kälteleistung ab als kompakte Blöcke,
sind aber entsprechend schneller verdunstet. Es ist ohne weiteres klar, daß bei
einem solchen Verfahren die abgegebene Kälteleistung mit fortschreitender Verdunstung
der Stücke immer kleiner werden muß. Ein weiterer Nachteil ist die bei Kühlung in
feuchter Atmosphäre - und dies ist praktisch immer der Fall - auftretende Bereifung
der Trockeneisblöcke. Die Luftfeuchtigkeit schlägt sich als Reif oder Wassereis
nieder und bildet im Lauf der Zeit starke, relativ gut isolierende Schichten, die
zudem noch die Luftzirkulation durch die Trockeneisstücke verhindern. Auch durch
diese Erscheinung wird die Kälteleistung bei fortschreitender Kühldauer herabgesetzt.
Der Benutzer der Trockeneiskühlung ist also gezwungen, verhältnismäßig mehr Trockeneis
der Ware oder dem Behälter beizupacken, als sich dies rechnerisch zur Abdeckung
der erforderlichen Kälteleistung über eine bestimmte Zeit aus dem Wärmeinhalt des
Trockeneises ergibt. Am Ende der Kühlperiode, insbesondere bei Kühltransporten über
bestimmte Strecken, wenn das Kühlfahrzeug entladen wird, ist also noch eine überschußmenge
Trockeneis vorhanden, die meistens als Verlust betrachtet werden muß. Auch während
der Kühlperiode selbst entstehen unnötig hohe Trockeneisverluste,. weil wegen des
Fehlens jeder Temperaturregelmöglichkeit, besonders am Anfang der Kühlperiode auf
sehr tiefe Temperaturen, die gar nicht erforderlich wären, gekühlt wird.
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Es hat nicht an Versuchen gefehlt, diese Mängel zu beseitigen. Eine
relativ einfache Lösung sind die sogenannten Trockeneisgebläse, bei welchen entweder
über die Trockeneisblöcke selbst (bei der einfacheren Konstruktion) oder über Kästen
aus Blech, in denen das Trockeneis gestapelt wird, durch einen Ventilator Luft geblasen
wird, die sich dabei abkühlt. Ist die gewünschte Lufttemperatur erreicht, wird durch
einen Temperaturwächter der Ventilator abgeschaltet. Bei den einfacheren Konstruktionen
tritt ebenfalls eine Verkleinerung der Wärmeaustauschfläche und Bereifung auf. Bei
beiden Konstruktionen entsteht - auch bei stehendem Ventilator -eine erhebliche
Konvektionsströmung. Eine Temperatursteuerung ist daher nur in relativ weiten Toleranzgrenzen
und nur bis zu einem gewissen Mindestbestand an Trockeneis möglich. Eine Verbesserung
ist möglich durch regelbare Klappen in der Lufteintrittsöffnung, welche die natürliche
Luftkonvektion während der Standzeit des Ventilators unterbinden.
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Wesentlich bessere Ergebnisse kann man mit Flüssigkeitskühlern erzielen.
Hierbei wird das Trokkeneis in einem Behälter mit einer Flüssigkeit, die einen Schmelzpunkt
unter -80° C hat, z. B. Äthylalkohol, Trichloräthylen, Isopropylalkohol, zusammengebracht.
Das Trockeneis gibt die Kälte sehr rasch an die Flüssigkeit ab, welche nun entweder
mittels einer Pumpe oder durch einfache Schwerkraftwirkung in einem Luftkühler zirkuliert.
Der Behälter wird gut isoliert, so daß keine unnötigen Kälteverluste entstehen,
die Zirkulation der Flüssigkeit
(des Kälteträgers) kann jederzeit
durch ein Magnetventil oder Stillsetzen der Pumpe gesteuert werden. Es ist gelungen,
mit solchen Systemen sehr gleichmäßige Temperaturen zu erzielen und erhebliche Mengen
an Trockeneis gegenüber den üblichen Verfahren einzusparen, da nunmehr die Kälteleistung
über die ganze Kühlperiode bis zum völligen Verbrauch des Trockeneisvorrats konstant
bleibt. Nachteilig bei dem Verfahren sind folgende Punkte: Die meist lamellenberippten,
vom Kälteträger durchflossenenen Luftkühler, bereifen und müssen von Zeit zu Zeit
abgetaut werden. Das ist jedoch nur möglich, wenn entweder die Flüssigkeit aus dem
Kühler abgelassen wird oder gewartet wird, bis der Trockeneisvorrat verbraucht ist
und die ganze Flüssigkeitsmenge aufgeheizt werden kann. Die Aufheizung erfordert
relativ große Energiemengen, welche z. B. bei einem Transportfahrzeug aus der elektrischen
Energieversorgung nicht entnommen werden können. Weiterhin ist entweder - bei Schwerkraftzirkulation
- erforderlich, daß der Trockeneisbehälter an der höchsten Stelle angeordnet ist,
was einen zeitraubenden und umständlichen Beschikkungsvorgang zur Folge hat, oder
es muß eine Zirkulationspumpe eingebaut sein, welche relativ erhebliche Mengen des
Kälteträgers umpumpen muß und daher einen beachtlichen Energiebedarf aufweist. Schließlich
ist das gesamte Kühlsystem mit einer - meist relativ schweren - Flüssigkeit gefüllt,
so daß z. B. bei Transportkühlanlagen neben dem Gewicht des Trockeneisvorrates noch
weiteres, erhebliches Totgewicht mitgeschleppt werden muß.
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Als wesentlich günstiger haben sich Vorrichtungen erwiesen, die geschlossene
Kreisläufe aufweisen, in denen Kältemittel, z. B. Ammoniak (CH,.), durch Verdampfer
durchlaufen, die in dem zu kühlenden Raum angeordnet sind. Der zugehörige Kondensator
ist dann im Trockeneisbehälter angebracht. Eine Vorrichtung dieser Art ist in der
USA.-Patentschrift 2559095 beschrieben. Bei dieser bekannten Vorrichtung
ist der Kältemittelkondensator im Trockeneisbehälter angebracht. Das kondensierte
Kältemittel fließt infolge der Schwerkraft in den Verdampfer im Kühlraum. Der Rücktransport
des verdampften Kältemittels und der Durchlauf des Kondensats werden durch Ventile
und Ausgleichsbehälter in gewissen Grenzen gesteuert.
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Als Nachteile dieser Ausführung sind das Fehlen einer Luftumwälzung
im Kühlraum und der Möglichkeit, den Verdampfer aufzuheizen. Der Verdampfer kann
somit abgetaut werden.
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Eine weitere ähnliche Vorrichtung dieser Art wird in der USA.-Patentschrift
2 005 611 beschrieben, bei der ebenfalls ein geschlossener Kältemittelkreislauf
vorhanden ist. Der Kondensator ist im Trockeneisbehälter und der Verdampfer im Kühlraum
angeordnet. Dieser Verdampfer besteht aus mehreren vertikalen Stufen, die reihenweise
übereinanderliegen. Infolge Schwerkraft fließt das kondensierte Kältemittel in die
unterste Verdampferstufe, verdampft dort teilweise, wobei der Dampf nach oben in
dis nächste Stufe steigt. In der nächsten Stufe kann er teilweise wieder kondensieren,
so daß sich im Betrieb in jeder Verdampferstufe etwas flüssiges Kältemittel hält.
Hierdurch soll wenigstens .eine angenäherte gleichmäßige Temperaturverteilung in
der Höhe des Kühlraumes erreicht werden. Wie sich jedoch in der Praxis bezeigt hat,
ist eine gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Kühlraum nur durch Luftumwälzung
mit einem Gebläse zu erreichen. Außerdem ist auch bei dieser bekannten Vorrichtung
keine Möglichkeit vorgesehen, um den Verdampfer abzutauen bzw. ihn aufzuheizen,
um eventuell bei etwas höheren Temperaturen (beispielsweise einige Grad Celsius
über Null) zu temperieren.
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Es ist außerdem noch eine Vorrichtung bekannt, die in der USA.-Patentschrift
2175 267 beschrieben ist und die aus zwei geschlossenen Kreisläufen besteht. In
dem einen Kreislauf verdampft das Kohlendioxid des Trockeneisbehälters und treibt
hierdurch eine Kraftmaschine an, die mechanisch mit einer Arbeitsmaschine gekoppelt
ist, die ihrerseits als Pumpe einen zweiten Kreislauf betreibt, in dem ein Kältemittel
umläuft. Diese bekannte Vorrichtung ist in erster Linie für den Fall bestimmt, bei
dem aus dem Vorratsbehälter für das Trockeneis eine Kraftmaschine gespeist werden
soll. Diese Kraftmaschine kann dann ihre Leistung entweder an einen Ventilator oder
an eine Kältemittelpumpe abgeben. Wenn nur gekühlt werden soll, ist der Wirkungsgrad
infolge der Energieübertragung besonders groß. Auch bei dieser bekannten Vorrichtung
ist der Nachteil vorhanden, daß keine Möglichkeit zur Aufheizung der beiden Verdampfer
bzw. zum Abtauen vorhanden ist.
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An diesen Stand der Technik knüpft die vorliegende Erfindung an, indem
sie sich die Aufgabe stellt, unter Vermeidung der erwähnten Nachteile des Standes
der Technik, einen Kältesatz vorzuschlagen zur Kühlung von isolierten Räumen, insbesondere
Behältern von Transportfahrzeugen mit Trockeneis, bei welchen die Luft mittels eines
Flächenkühlers indirekt gekühlt wird -und der Kältesatz aus einem geschlossenen
Kreislauf besteht, in welchem ein Kältemittel im Kühler verdampft und in den mit
Kanälen versehenen Wandungen des Trockeneisbehälters kondensiert.
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Diese Aufgabe, einen solchen Kältesatz unter Vermeidung der Nachteile
des Standes der Technik vorzuschlagen, wird dadurch gelöst, daß das flüssige Kältemittel
mittels einer Förderpumpe in den Kühler zurückgeführt wird und in den Verbindungsleitungen
zwischen dem Kühler und dem Kondensator Dreiwege-Umschaltventile eingebaut sind,
durch die an Stelle des Kondensators im Trockeneisvorratsbehälter ein mit einer
Wärmequelle verbundener Wärmetauscher :einschaltbar ist.
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Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen erläutert.
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In A b b. 1 ist das Prinzip dargestellt. 1 ist die schematische Darstellung
eines gekühlten, isolierten Behälters, z. B. eines Transportkühlfahrzeuges. In dem
Behälter befindet sich an geeigneter Stelle, meistens an der Decke, ein Luftkühler
2, z. B. aus lamellenberippten Rohren, durch welche mittels des Ventilators 3 Luft
geblasen wird. Dieser Ventilator kann und soll, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung
zu erzielen, dauernd laufen und z. B. durch einen Elektromotor oder einen Flettner-Rotor
angetrieben werden. An einer beliebigen anderen, zweckmäßigen Stelle, z. B. in bequemer
Beschikkungshöhe für das Trockeneis unterhalb des Behälters, befindet sich ein isolierter
Behälter 4, dessen innere Wandung aus einem Rohrsystem 5 besteht. Diese Wandung
kann entweder ein geschlossener Blechkasten sein, auf welchem das Rohrsystem befestigt
ist,
und zwar wärmeleitend, oder sie kann aus mit Kanälen versehenen doppelwandigen Blechen
bestehen. In dem Behälter wird der Trockeneisvorrat 6 gestapelt, wobei der gute
Wärmekontakt der Trockeneisblöcke zur Behälterwandung erforderlichenfalls durch
eine schwersiedende Flüssigkeit 7 mit einem Schmelzpunkt unter -80° C verbessert
werden kann. Es eignen sich hierfür z. B. höherwertige Alkohole, Methylenchlorid
und verschiedene andere halogenierte Kohlenwasserstofe.
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Der obere Teil des Luftkühlers ist mit dem oberen Teil des Rohrsystems
5, welches zweckmäßig als eine Sammelleitung ausgebildet ist, durch die Leitung
8 verbunden. Die Leitung kann beliebig geführt werden und muß nicht notwendigerweise
Gefälle haben.
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Der untere Teil des Luftkühlers ist mit einem unteren Sammeltopf 9
des Rohrsystems 5 durch die Leitung 10 verbunden. Diese Leitung muß mit stetigem
Gefälle verlegt sein. Im Verlauf von 9 nach 10
ist eine Förderpumpe
11 eingebaut, welche zweckmäßig als Membranpumpe oder als Magnet-Kolben-Pumpe ausgebildet
ist und hermetisch dicht nach außen abgeschlossen ist. Ihre Förderleistung muß nicht
größer als etwa 101 pro 1000 kcal Kälteleistung sein, ihr Leistungsbedarf richtet
sich nach dem Höhenunterschied, der in der Rohrleitung 10 zu überwinden ist,
beträgt aber nicht mehr als einige Watt. In dem Rohrsystem befindet sich ,ein sogenanntes
Kältemittel, das ist eine Flüssigkeit, die in dem Kühler 2 verdampft, deren Dampf
über 8 nach unten strömt, in 5 kondensiert und bei 9 gesammelt wird und welches
mittels der Pumpe 11 wieder in den unteren Teil des Kühlers 2 hochgefördert wird,
um erneut zu verdampfen. Als Kältemittel wird zweckmäßigerweise ein unbrennbares,
ungiftiges Sicherheitskältemittel aus der Familie der halogenierten Kohlenwasserstoffe,
wie z. B. R 12 (CF2C12), R 11 (CM,) od. ä. genommen. Es soll die üblichen Baustoffe,
insbesondere auch der Pumpen, nicht angreifen, während des Betriebs keinen zu kleinen,
der Stillstandszeiten keinen zu hohen Dampfdruck haben.
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In den Leitungen 8 und 10 sind an gut zugänglicher Stelle die Dreiwege-Umschaltventile
12 und 13 eingebaut, welche gestatten, den Kondensator 5 und die Pumpe 11 abzuschalten
und an deren Stelle den Wärmeaustauscher 14 einzuschalten, der z. B. als lamellenberippter
Luftkühler mit der Außenluft in Verbindung steht. Er kann aber auch mit einer Wärmequelle,
z. B. dem Auspufftopf eines Fahrzeub motors, verbunden werden. Ist nun der Luftkühler
2 bereift und muß abgetaut werden, werden die beiden Ventile 12 und 13 so umgeschaltet,
daß die sich gerade im Luftkühler befindliche Kältemittelmenge in den Wärmetauscher
14 abläuft. Dort verdampft sie bei einer Temperatur nahe der Außenlufttemperatur
oder der Wärmequelle, strömt über 8 nach 2, kondensiert dort und gibt die Wärme
an den Luftkühler ab, der somit abtaut. Während des Abtauvorganges werden der Ventilator
und die Pumpe stillgesetzt.
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Diese Schaltung gestattet auch, im Winter einen Kühlbehälter, der
auf Temperaturen über 0° C gehalten werden muß, notfalls zu heizen und die Temperatur
automatisch zu steuern. In diesem Fall ist der Wärmetauscher 14 mit einer Energiequelle,
z. B. dem Auspufftopf oder dem Motorkühlwasser, verbunden, die Zirkulation des Kältemittels
erfolgt ohne Pumpe, da nunmehr der obenliegende Kühler als Kondensator wirkt und
die gebildete Flüssigkeit frei ablaufen kann. Die Steuerung erfolgt über ein Magnetventil,
welches in der Leitung 10 eingebaut ist.
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In dem Beispiel wurde der Trockeneisbehälter gut isoliert und außerhalb
des zu kühlenden Behälters angebracht. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der
eigentliche Ladungsraum nicht durch eine eingebaute Kühleinrichtung geschmälert
wird und daß die Beschickung mit Trockeneis sehr schnell und ohne erheblichen Aufwand
erfolgen kann. Nachteilig ist, daß durch die in den gesondert angeordneten Behälter
4 einströmende Wärmemenge ,ein zusätzlicher Bedarf an Trockeneis entsteht, der relativ
größer ist als der Trockeneismehrbedarf in dem um den Platzbedarf des Kühlsystems
größeren Behälter 1. Der Mehrbedarf ist jedoch relativ zum Gesamtbedarf klein und
beträgt etwa 3 bis 5 %. Andererseits wird jedoch im Ladungsbehälter 1 etwa 2 bis
5 11/o mehr Ladungsfläche gewonnen.
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Das Verfahren ist aber genausogut anwendbar, wenn der Behälter 4,
nunmehr mit einer entsprechenden schwächeren Isolierung, im Inneren des gekühlten,
isolierten Behälters eingebaut ist.
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Weitere zweckmäßige Ergänzungen der Anlage bestehen in der besseren
Ausnutzung des entweichenden, gasförmigen C02 Gases. Wird in den T rokkeneisvorratsbehälter
4 ein geringfügiger Überdruck des CO-Gases von etwa 0,3 atü zugelassen, erhöht sich
die Sublimationstemperatur des Trockeneises in gewünschter Weise auf etwa -75° C.
Das entweichende Gas ist in der Lage, die für die Förderung des flüssigen Kältemittels
notwendige Pumparbeit zu leisten, z. B. in einer Membranpumpe, auf deren einen Seite
sich das. Kältemittel, auf deren anderen Seite sich das gasförmige CO, als Arbeitsmedium
befindet.
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Das gasförmige, immer noch kalte CO., kann sodann in die Isolierung
des Behälters l eingeleitet werden, um damit den Isolierwert durch Austausch gegen
Luft zu verbessern (C02 ist schwerer als Luft und hat deshalb einen geringeren Wärmeleitwert),
in der Isolierung einen geringen Überdruck zu schaffen und damit das Eindringen
von feuchter Luft und Wasserdampf von außen zu vermeiden.
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Auch läßt sich die gesamte Anlage so erstellen, daß die Temperaturregelung,
das Abtauen, das Umschalten von Kühlen auf Heizen, vollautomatisch erfolgt. Dazu
sind lediglich magnetgesteuerte Dreiwegeventile und geeignete Temperaturwächter
erforderlich.
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Bei der bisher beschriebenen Kühleinrichtung ist für den Antrieb des
Ventilators eine Fremdenergiequelle vorgesehen gewesen, die je nach Größe der Anlage
eine Antriebsleistung von einigen hundert Watt abgeben muß. Bei Transportfahrzeugen
würde diese Energie zweckmäßig der Fahrzeugbatterie entnommen werden, was unter
Umständen eine Vergrößerung der Batteriekapazität und des Ladeaggregates erforderlich
macht. In all den Fällen, wo keine Energiequelle zur Verfügung steht, z. B. bei
Groß-Containern, ist eine Zwangszirkulation der Kühlluft ohne erheblichen, zusätzlichen
Aufwand nicht möglich.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann nun die im abströmenden
C0.2 Gas enthaltene Energie in an sich bekannter Weise auch zum Antrieb des Ventilators
benutzt werden. Zu diesem Zweck wird der isolierte Behälter 4 (vgl. A b b. 2) druckfest
ausgeführt, so daß er einem Innendruck zwischen 1 bis 4 atü standhalten kann. Die
Beschickungsöffnung
muß ebenfalls so ausgebildet sein, daß sie gasdicht
und diesem Druck standhält. Um zu vermeiden, daß der Druck höher als auf das gewünschte
Maß ansteigt, wird an dem Behälter ein überdruckventil 16 angebracht. Das bei 17
abziehende kalte C02 Gas, welches je nach dem Druck eine Temperatur von etwa -70
bis -50°C hat, wird nun in einem Wärmetauscher 18, der beispielsweise mit der Außenluft
oder einer geeigneten Wärmequelle in Verbindung steht, auf eine wesentlich höhere
Temperatur, z. B. -5 bis -f-20° C aufgeheizt. Es durchströmt dann eine Expansionsmaschine
19, z. B. einen Preßluftmotor bekannter Bauart, in welchem es unter Arbeitsleistung
entspannt wird. Je nach den Drücken und Endtemperaturen und dem Wärmetauscher kann
dabei der Expansionsmaschine eine erhebliche Leistung entnommen werden, die z. B.
ausreicht, um einen Ventilator 3 zur Luftumwälzung im Inneren des Kühlbehälters
zu betreiben. Das durch den Expansionsvorgang stark abgekühlte C02 Gas kann zur
weiteren Ausnutzung entweder in den Kühlbehälter oder - wie schon beschrieben -
in dessen Isolierung eingeblasen werden.
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Wird beispielsweise ein solches Kühlgerät für eine Kälteleistung von
1000 kcal/h ausgelegt, verdunsten in dem isolierten Behälter 4 etwa 8 kg Trockeneis
pro Stunde. In dem Trockeneisbehälter soll ein Druck von 4 atü herrschen. Das Trockeneis
verdunstet etwa bei -58° C, so daß der Kondensations-Verdampfungskreislauf etwa
bei einer Temperatur von -45 bis -50° C arbeitet. Diese gegenüber dem drucklosen
Prozeß von rund -70 auf rund -50° C erhöhte Arbeitstemperatur ist erwünscht, da
im allgemeinen Temperaturen im Kühlbehälter von 0 bis -18° C einreguliert werden
und eine niedere Oberflächentemperatur des Luftkühlers eine starke Austrocknung
der gelagerten Ware und eine starke Bereifung des Kühlers verursacht. In dem nachgeschalteten
Wärmetauscher 18 wird das C02 Gas auf rund -f-20° C erwärmt und dann unter Arbeitsleistung
entspannt. Es kühlt sich dann wieder auf eine Temperatur von etwa -70° C ab. Die
bei der adiabaten Entspannung abgegebene Leistung beträgt (ohne Berücksichtigung
der Wirkungsgrade) etwa 1/4 PS, die völlig ausreicht, um die für diese Kälteleistung
erforderliche Luftmenge von 600 bis 800 m3/h gegen einen Staudruck von etwa 2 bis
3 mm WS umzuwälzen.