DE1501065A1 - Reinigungsvorrichtung fuer ein Kuehlmittel einer Kaeltemaschine - Google Patents
Reinigungsvorrichtung fuer ein Kuehlmittel einer KaeltemaschineInfo
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Description
5489-66; Dr.v.B/Bru
Case No. HY 41
British patent application 33770/65
filed 6th August, 1965
Hymatic Engineering Company Limited, Glover Street, Redditeh, Worcester,
England
Reinigungsvorrichtung für ein Kühlmittel einer Kältemaschine
Die Erfindung betrifft eine beim kalten Ende einer Kältemaschine
anzuordnende Reinigungsvorrichtung für ein Kühlmittel, mit einem Metallgefäß, das ein absorbtionsfähiges Material
enthält.
Es ist bekannt, das Kühlmittel einer Kältemaschine in einer Absorbereinheit, die in einem völlig getrennten u-efäß
untergebracht ist, von Verunreinigungen zu befreien, bevor das Gas in die Kältemaschine eintritt. Es ist ferner bekannt,
bei mehrstufigen Kältemaschinen Absorbereinheiten in Bereichen niedriger Temperatur zwischen zwei Stufen vorzusehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Reinigungsvorricntung anzugeben, die sich ausserdem
durch besonders geringe Wärmeverluste auszeichnet.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Absorber verwendet,
aer innerhalb der zweiten Stufe einer Kältemaschine angeordnet
ist, einen Teil dieser"Stufe bildet und von einem gaslörmigen
Künunittel durchsetzt wird, nachdem dieses von der ersten Stufe gekühlt wurde· Der Begriff "absorptionsfähiges
Material" soll hier auch Materialien umfassen, bei denen die Verunreinigungen auch durch andere Effekte als Absorption
entfernt werden.
Eine beim kalten Ende einer Kältemaschine anzuordnende Reinigungsvorrichtung für ein Kühlmittel, mit einem Metallgefäß,
das ein absorptionsfähiges Material enthält, ist gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in dem Material
eine Reihe durchbrochener Trennelemente aus einem Material guter Leitfähigkeit angeordnet sind, die sich senkrecht zur
Richtung zum kalten Ende der Maschine erstrecken.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Reinigungsvorrichtung
innerhalb eines Aussenbehälters, jedoch im Abstand von diesem angeordnet und das Gefäß ist innerhalb
des Aussenbehälters von einem Wärmetauscher umgeoen, der eine wendelrörmige Röhre enthält} am kalten Ende des inneren
G-efässes zwischen diesem und dem äusseren Behäxter ist eine Expansionsdüse angeordnet, beim warmen Ende sind Gaseinlaß-
und -auslaßöffnungen vorgesehen, die im AbsorDergexäss münden,
und die Auslaßöffnung steht über einem Strömungsweg des Wärme-
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••3—
tauscherβ mit der Expaneionsdüse in Verbindung, während ein
anderer Strömungsweg des Wärmeaustauschers den Raum zwischen der Düse und dem Aussenbehälter mit einem Auslaßanschluß verbindet·
Sis Erfindung ist besonders dort von Bedeutung, wo es
auf i'latzersparnis ankommt und ein kaltes A&soroerbett ausreichender
Kapazität nicht ohne weiteres vorgesehen werden kann. Wenn die erste und die zweite Stufe parallel zueinander
in tfaskreislauf liegen, kann es unnötig sein, das die
erste Stufe durchströmende Gras so weitgehend zu reinigen, wie das durch die zweite Stufe strömende Gras. Die erste Stufe
kann beispielsweise aus einer Expansionsmaschine bestehen, die auf dem Prinzip des Claude-Zyklus arbeitet, während die
zweite Stufe eine Expansionsdüse enthalt und <3uf dem Prinzip
des Joule-Thomson-Effektes arbeitet, also durch isenthalpische Expansion unter der Inversionstemperatur, wobei es dann besonders
wichtig ist, alle Verunreinigungen aus dem durch die Expansionsdüse Strömenden Gas zu entfernen.
Ausserdem lassen sich Verunreinigungen am wirkungsvoxlsten durch Absorption bei einer ".Temperatur in der Nähe ihres
Verrlüssigungspunktes entfernen, so daß es also wünschenswert ist, das aosorptionsfähige Material auf einer Temperatur zu
halten, die so nahe wie mögixch bei der tiefsten Temperatur
der Anlage liegt, z.ü. bei dem noch zu beschreibenden Auslührungsbeispiel
oei 28°K.
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Wenn die AbsorDtionsvorrichtung zwischen dem Gas, das sich auf der zwischen den Stuten herrschenden Temperatur Derindet,
und dem G-as oder der Flüssigkeit, die, auf die Endtemperatur
abgekühlt sind, befindet, ist es wichtig, zu verhindern, daß das Gas in uer üeinigung'svorrichtung Wärme vom wärmeren
zum kälteren Ende transportiert. Ein solcher Wärmetransport
wird bei der Reinigungsvorrichtung gemäss der Erfindung dadurch verhindert, daß durchbrochene Trennelemente aus einem
Material guter Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer, vorgesehen sind, die sich quer über die Reinigungsvorrichtung erstrecken.
Wenn also warmes Gas an einer Seite des Absorbers nach unten strömen sollte, wird es durch die durchbrochenen Trennelemente
progressiv abgekühlt und in entsprechender Weise nimmt an der anderen Seite hochströmendes Gas Wärme von diesen Trennelementen
auf und kühlt sie ab.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines speziellen
Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kältemaschine, die eine Reinigungsvorrichtung oder einen Absorber gemäss
der vorliegenden Erfindung sowie einen an anderer Stelle beanspruchten Wärmetauscher enthält;
Fig. 2 eine in Richtung des Pfeiles 2 der Fig.1 gesehene
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vergrösserte Ansicht eines Teiles einer jalousieartig geschlitzten
Scheibe des Wärmetauschers und
Pig. 3 eine in Sichtung eines Pfeiles 3 der Mg.2 dargestellte Ansicht einer Scheibe des Wärmetauschers.
Die Zeichnung ist nicht in allen Teilen maßstabsgerecht, sondern wichtige Elemente sind der Deutlichkeit halber übertrieben
groß dargestellt.
Die Kältemaschine, die als Anwendungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, arbeitet mit .Neon als Arbeitsmedium
und enthält zwei Stufen. Die erste Stufe ist eine Expansionsmaschine, die auf dem Prinzip des Claude-Zyklus arbeitet und
ein mit einer Einlaßtemperatur von etwa 750C zugeführtes Gas
auf eine Auslaßtemperatur von etwa 5O0K abkühlt. Die zweite
Stufe arbeitet auf dem Prinzip des Joule-Thomson-Effektes, also mit isenthalpischer Expansion eines unter seine Inversionstemperatur
abgekühlten Gases durch eine Expansionsdüse. In dieser zweiten Stufe wird das Neon auf seine Verflüssigungstemperatur, nämlich 280K, abgekühlt.
Die Maschine hat eine längliche form und es soll bei der folgenden Erläuterung angenommen werden, daß sie senkrecht
und mit dem kalten Ende unten angeordnet ist.
Die Maschine enthält einen Wärmetauscher, der den Zylinder 10 der ersten Stufe umgibt, welcher einen länglichen KoI-
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. —toenthält, der aus einem Rohr 11 mit Stöpseln 12,13 an seinen
Enden besteht und sich über den grössten Teil der Höhe der Einheit erstreckt. Am unteren Ende des- Zylinders befinden
sich ein Einlaßventil 15 und ein Auslaßventil 16, die durch
Dräute 17 betätigt werden, welche durch den ringförmigen Raum
zwischen dem Zylinder und dem Wärmetauscher nach oben führen. Der Kolben ist am oberen Ende mit einer Kolbenstange 18 versehen
und wird synchron mit den Ventilen betätigt.
Der Wärmetauscher enthält drei koaxiale Röhren 21,22,23, von denen die innere Röhre 21 und die mittlere Röhre 22 aus
dünnem Metall, z.B. rostfreiem Stahl, bestehen, während die
aussere Röhre 23 aus Kunststoff ist. Der Raum zwischen der inneren und der mittleren Röhre bixdet einen Kanal 24, durch
den unter hohem Druck stehendes Gas nach unten strömt, während der Raum zwischen der mittleren und der äußeren Röhre einen
Kanal 25 bildet, durch den entspanntes Gas nach oben strömt.
in beiden Kanälen befindet sich eine grosse Anzahl von
jalousieartig geschlitzten KupferscheiDen 26,27 die Rippen
Dilden. Die jalousieartigen Schlitze können durch Ausstanzen radialer Schlitze 2ö, die vom Innenrand der scheibe Dis kurz
vor dem düissenrand reichen, und Verschränken der so gebildeten
Zungen 29 um radiale Achsen gebildet werden, so daß' die Zungen einen Winkel von beispielsweise 18 oder 20 mit
der Ebene der Scheibe bilden, wie aus Fig.3 ersichtlich ist. Der Wärmetauscher besteht am zweckmässigsten aus zwei Tei-
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len, die jeweils einen !Peil seiner Länge bilden und die beiden
Teile der inneren und mittleren Bohre werden durch einen Verbindungering 30 verbunden.
Bei der Fertigung des Wärmetauschers wird die innere Röhre 21 mit Silber plattiert und die Scheiben 26 für den
inneren Kanal 24 werden mit entfernbaren Abstandshaltern aus Glimmer auf die Röhre aufgeschoben und mit dieser im Vakuum
hart verlötet· Die Grlimmerabstandshalter werden dann entfernt
und die ebenfalls mit Silber plattierte mittlere Röhre wird über die Ringe geschoben. Die Ringe 27 für den äußeren Kanal
25 werden dann zusammen mit Grlimmerabstandshaltern auf die
mittlere Röhre 22 aufgeschoben und mit Endrlanschen 31 oder und dem Verbindungsring 30 in einer Vorrichtung montiert. Die
so zusammengesetzte Anordnung wird dann im Vakuum hart verlötet und aie Abstandshalter werden entiernt. Schließlich wird
die äussere Kunststoffröhre 23 auf aie äußeren Scheiben aufgeschrumpft»
so daß sie an den äußeren Rändern der Scheiben dicht anxiegt. «Jeder Abschnitt der äußeren kunststoff röhre hat
am oberen Ende eine ringförmige Rippe 33 bzw. 34, die eine
Diohtung mit einer Innenwand 35 eines Dewar-Grefässes 36 bildet,
das die Maschine aufnimmt.
Das untere Ende der Maschine enthalt ein Ventilgehäuse 40 mit doppelten Wänden 41,42 und am unteren Ende des Ventilgehausee
eine Expansionseinheit 50, die zur zweiten Stufe gehört.
Diese Einheit hat ein Aussengehause 51, das aus dem un-
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teren Teil der innenwand 35 des umgebenden Dewar- oder
Vakuumgefässes ist und ein zylindrisches Absorbergefäß 52 im Abstand umschiiesst.
Das Absorbergefäß weist am oberen Ende eine Einlaßöffnung 53 und eine Auslassöffnung d4 mit Stopfen und Filtern
auf. Das Absorbergefäß wird im wesentlichen mit einem körnigen Absorbens 55 gerüllt, z.±$. "linde Molecular Sieve 13X"» das
im wesentlichen aus &alziumaluminiumsillkat bestehen kann und zur Eeinigung des Kühlmittels von etwaigen Verunreinigungen,
wie iiuft, aient, bevor es schliesslich durch die Expatfsionsaüse
strömt. TJm eine Zirkulation von Gas im Absorbergefäss zu verhindern, durch die Wärme vom heißen Ende zum Kalten
transportiert würde, ist eine Anzahx von Kupfergazescheiben ij6 in das Material eingebettet, die in norizontalen
Ebenen liegen und einen seitlichen Wärmetausch zwischen dem zu- und abströmenden Gas, nicht jedoch eine axiale Wärmeleitung
fördern.
Die Expansionsdüse, die xn bekannter Weise aufgebaut
sein kann, ist am unteren Ende des Absorbtxonsgefäsees 52 angeordnet.
Dem oberen &nde des inneren Hocharuckkanals ^4· des Wärmetauschers
wird unter hohem DrucK stehendes Gas zugefünrt, das längs wendeiförmigen wegen durch die jalousieartig ausgebildeten
scheiben 26 in diesem Kanal nach unten strömt. Am
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unteren Ende des Kanals ceilt sich aer Gasstrom auf, der grössere
Teil des Gases strömt daoei zum Einlaßventil 1i>
der E.x.~ pansionssuufe. Der kleinere Teil strömt seitlich nach aussen
und nach unten durch eine grippte wendeiförmige Röhre 65,
aie sich in aem ringförmigen Zwischenraum zwischen den Wänden 4"i,42 des νentixgehäusea befindet-, zum Einlaß 53 des Ibsorbers.
Vom Auslaß 54 des Absorbers strömt das Gas durch eine weitere gerippte wendeiförmige Röhre 66 in den ringförmigen Zwischenraum
zwischen dem Absorbergefäß 52 und dem Aussengehäuse 51 zur Expansionsdüse 60. Von der Expansionsdüse strömt das nun
entspannte Gas nach oben an den Rippen der Röhre 66 im Zwischenraum zwischen dem Absorbergefäß und dem Aussengehäuse 51»
und an den Rippen der Röhre 65 zwischen den beiden Wänden des ventilgehäuses und vereinigt sich mit dem aus dem Auslaßventil
der Expansionsstufe austretenden Gas, das nach oben durch die geschlitzten Scheiben 27 im äusseren Mederdruckkanal 25
des Wärmetauschers zu dessen oberen Ende strömt, anschliessend
wird es erneut komprimiert.
Der Aufbau des Wärmetauschers aus zwei Teilen erleichtert einerseits die Herstellung der Röhren mit der erforderlichen
Genauigkeit und andererseits wird ein Gasbaffle gebildet, das verhindert, daß Gas, welches durch die Kolbendichtung
leckt, das warme Ende des Raumes zwischen dem Zylinder und dem Wärmetauscher erreicht.
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Bei einer nicht aargestellten Abwandlung des Wärmetauschers
besteht zumindest die innere Röhre aus einem Stück und der Yerbindungsring entfällt.
Die beschriebene Anordnung stellt eine sehr Kompakte Kältemaschine dar, bei der der Wärmetauscher der ersten Stufe
um den Kolben und Zylinder der ersten Stufe gepasst ist und der Absorber zwischen der ersten und zweiten Stufe liegt und
mit dem Wärmetauscher der zweiten Stufe verschachtelt ist.
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Claims (2)
1. Beim kaitön Ende einer Kältemaschine anzuordnende Reinigungsvorrichtung
für ein Kühlmittel, mit einem Metallgefäß, das ein absorotionsfähigee Material enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem absorbtionsfähigen Material (55) eine Reihe durchbrochener Trennelemente (56) aus einem
Material guter Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist, welche sich senkrecht zur Richtung zum kalten Ende der Maschine erstrecken.
2. vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallgefäß (52) von einem
Aussenbehälter (51) im Abstand umgeben wird, daß in dem Zwischenraum
zwischen dem Metallgefäß und dem Aussenbehälter ein Wärmetauscher angeordnet ist, der eine wendeiförmige Röhre (66)
enthält, daß am Kalten Ende des Ketallgefässes eine Expansionsdüse (60) angeordnet ist und daß beim warmen inde des Lietallgefässes
Gaseinlai- und Auslaßöffnun^en (53,54) vorgesehen
sind, von denen die Auslaisöffnung über einen Strömungsweg des Wärmeaustauschers mit der Sxpansionsdüse in Verbindung steht,
während der andere Strömungsweg des Wärmetauschers den Raum zwischen der Düse und dem Aussenbehälter (51) mit einem Gasauslaß
verbindet·
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