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Hochdruckkaltluftmaschine. Bekannt sind- die sogenannten »offenen«
Kaltluftmaschinen, die in früheren Zeiten zur Kühlung von Fleischräumen, hauptsächlich
auf Schiffen, verwendet wurden. Hierbei wird die Raumluft unter atmosphärischem
Druck von dem Verdichter der Maschine angesaugt und auf einen Druck von ungefähr
5 Atm. gebracht. Nachdem die Verdichtungswärme soweit wie möglich mittels Kühlwasser
abgeleitet ist, wird die Luft in einem Entspannungszylinder unter Verrichtung mechanischer
Arbeit auf atmospärischen Druck entspannt, wonach sie mit sehr tiefer Temperatur,
in der Regel - 5o bis - 6o, in den Kühlraum zurückströmt.
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»Geschlossene« Kaltluftmaschinen, worin die als Kältemittel dienende
Luft einen geschlossenen Kreislauf zwischen Verdichter, Kühlei, Entspannungszylinder
und einem zweiten Rohrapparat, nämlich einem Luft- oder Flüssigkeitskühler, vollführt,
sind zwar in Lehrbüchern der Thermodynamik erörtert, aber Ausführungen für den praktischen
Betrieb sind nicht bekanntgeworden, weil ihnen, mehr noch als den offenen Kaltluftmaschinen,
folgende Nachteile anhaften a) Infolge der geringen spezifischen Wärme und des geringen
spezifischen Gewichtes der Luft bei den in Frage kommenden Drücken müssen für eine
gegebene Kälteleistung sehr erhebliche Mengen Luft in Umlauf 'gebracht werden. Die
dazu nötigen Maschinen weisen also schon für kleine Leistungen erhebliche Abmessungen
auf.
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b) Infolge der geringen Übertragungsfähigkeit von Wärme a .n. Metallwände
ergeben sich zu umfangreiche und teuere Apparate für die Aufnahme und Abgabe der
Wärme.
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c) Infolge der tiefen Entspannungstemperatur, die weit unter der im
Kühlraum benötigten liegt, gestaltet sich der Kreisprozeß naturgemäß sehr ungünstig.
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In der- Tat konnten diese Maschinen wegen ihrer Unwirtschaftlichkeit
keine Verbreitung erlangen.
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Durch die im folgenden beschriebene Erfindung der Hochdruckkaltluftmaschine
wird nun eine derartige Verbesserung der Wirtschaftlichkeit -und Ausführung erzielt,
daB diese Maschine in vielen Fällen mit den sonst üblichen, mit CO, NI-1,
oder anderen verflüssigten Gasen als Kältemittel arbeitenden neuzeitlichen Kältemaschinen
erfolgreich in Wettbewerb treten kann. - Die Hochdruckkaltluftmaschine wird vorzugsweise
dort zur Geltung kommen, wo sich bei den letztgenannten Maschinen durch Ausströmen
von Gasen oder hinsichtlich der Beschaffungsdes Kältemittels Unzuträglichkeiten
ergeben, z. B. bei bestimmten chemischen Verfahren,' in geschlossenen Räumen, in
Bergwerken und auf Schiffen, insbesondere bei der Unterwasserfahrt.
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Nach der vorliegenden Erfindung besteht die Hochdruckkaltluftmaschine
zwar in bekannter Weise aus Verdichter a, Entspannungszylinder b, Kühler c und einem®oder
mehreren Kälteapparaten d, die als Luftkühler oder als Flüssigkeitskühler ausgebildet
sind, doch findet die Entspannung nicht auf atmosphärischen Druck und die Verdichtung
nicht auf ungefähr 5 Atm. statt, sondern der Kreislauf vollzieht
sich
mittels sehr stark verdichteter Luft zwischen ungefähr 250 und =5o Atm.
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In den Kühler c wird also Luft von ungefähr Zoo bis 25o Atm. gepreßt
und im Apparat d wird die Luft nur so weit entspannt, z. B. auf =7o bis =5o Atm.,
daß ihre Temperatur nur wenige Grade, z. B. 5 bis io°, unter derjenigen liegt, die
in der zu kühlenden Flüssigkeit oder Raumluft verlangt wird.
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Wesentlich ist hierfür der Wärmeaustauscher e, worin die zum Entspannungszylinder
strömende Luft durch die aus dem Kühler d kommende Luft unter die Kühlwassertemperatur
vorgekühlt wird. Hierdurch ergibt sich ein weitaus günstigerer thermischer Wirkungsgrad
als bei der offenen Kaltluftmaschine. Da bei den hohen Drücken das spezifische Gewicht
der Luft und auch ihre spezifische Wärme sehr viel ' größer als bei -niedrigen Drücken
ist, sind für eine verlangte Kälteleistung geringere Gewichts- und insbesondere
sehr viel geringere Raummengen Luft in Umlauf zu bringen, und der Wirkungsgrad wird
weiter verbessert. Infolge des höheren Gewichtes und der größeren spezifischen Wärme
der hochverdichteten Luft wird der Wärmeübergang an Metallwände fast. bis zu demjenigen
einer Flüssigkeit gesteigert; es ergeben sich also sehr wirtschaftliche Abmessungen
für die Apparate c, d und e.
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Die Ausführung solcher Maschinen ist erst durch die hochwertigen Baustoffe
und die in der Verarbeitung hochverdichteter Gase gewonnenen Erfahrungen der letzten
Jahre ermöglicht worden, und gemäß der vorliegenden Erfindung werden noch folgende
Maßnahmen zur zweckentsprechenden und wirtschaftlichen Ausführung der Hochdruckkaltluftmaschine
benutzt.
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Infolge der sehr hohen Kolbendrücke ist es nicht willkürlich, sondern
unbedingt nötig, daß der einfach- oder doppeltwirkende Entspannungszylinder b mit
dem ebenfalls einfach- oder doppeltwirkenden Verdichter a an einer Kolbenstange
angreift, damit nur der Arbeitsunterschied beider Zylinder durch die Kurbelwelle
geleitet wird. Zur Vermeidung von Temperaturverlusten werden im Entspannungszylinder
b Eintritt und Austritt an verschiedenen Seiten getrennt angeordnet. Um an Steuerungsteilen
zu sparen, ist die Einlaßsteuerung des Verdichters mit der Auslaßsteuerung des Entspannungszylinders
vereinigt. Das Raumverhältnis der Zylinder a und b
wird durch entsprechende
Bemessung der Kolbenstange und der schädlichen Räume eingestellt; die weitere Regelung
der Drücke und Temperaturen geschieht durch Veränderung der Füllung des Entspannungszylinders.
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Soll gleichzeitig Kälte bei verschiedenen Temperaturen erzeugt werden,
so wird gemäß der Erfindung ein zweiter Verdichter f mit Entspannungszylinder g
angewendet. Ein Teil der in b entspannten Luft erfährt in g unter Arbeitsleistung
eine nochmalige Entspannung, und von dem der niedrigeren Temperatur entsprechenden
niedrigeren Druck wird dieser Teil Luft mittels des zweiten Verdichters f dem Verdichter
a zugeführt. Beispielsweise kann im Kühlapparat d Raumluft auf =o oder 2o° gekühlt
werden, während gleichzeitig mittels Apparat h Salzlösung zur Eisbereitung oder
Luft für einen Gefrierraum auf - =o° gekühlt wird. Die Zusatzzylinder
f und g
können nach Bedarf von derselben Kurbelwelle wie
a und b betrieben oder unmittelbar an letztgenannte Zylinder angebaut
werden.
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Der Antrieb der Steuerungsorgane beider Zylinder kann in zweckdienlicher
Weise vereinigt und vereinfacht, und durch entsprechende Anordnung der Rohrleitungen
kann die Möglichkeit geschaffen werden, daß im Bedarfsfalle beide Zylinder auf die
gleiche Temperatur arbeiten, also die eine Maschine die andere unterstützt oder
als Ersatz für sie dient. _ Gemäß der Erfindung ist ferner ein Behälter i mit hochgespannter
Luft oder eine von der Maschine mitbetriebene mehrstufige Speisepumpe k mit Trockenzylinder
l an der Stelle des niedrigsten -Druckes im Kreislauf angeschlossen, um die Maschine
mit Luft zu füllen und auch die durch die Stopfbüchsen oder beim Ablassen von
01 aus den Abschei-, dern m, n, o -verlorene Luft zu ersetzen.