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Verfahren zur Nutzbarmachung der durch die adiabatische Kompression
erzeugten Wärme höherer Temperatur bei Kompressionskältemaschinen. Die Kompression
von Dämpfen aller Art in Kompressionskältemaschinen erfolgt praktisch in der Regel
annähernd adiabatisch. Die zahlreichen Versuche, die theoretisch völlkommenere isothermische
Kompression zu verwirklichen und dadurch den Arbeitsaufwand zu verringern, führten
zu keinem nachhaltigen Erfolg oder zeitigten andere Nachteile. Man nahm daher die
hohe Überhitzungstemperatur der komprimierten Dämpfe als gegeben an und suchte lediglich
diese unerwünschte Wärme so schnell wie möglich und mit einem Minimum von Fläche
abzuführen, z. B. durch große Temperaturdifferenzen in den Wärmeaustauschapparaten
oder durch direkte Berührung zwischen überhitztem Dampf und der bereits kondensierten
Flüssigkeit. Diese Lösung bleibt jedoch gerade wegen der auftretenden großen Temperaturdifferenzen
thermodynamisch unvollkommen.
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Im Gegensatz hierzu verfolgt die Erfindung das Ziel, die durch die
adiabatische Kompression bei Kompressionskältemaschinen entstehende Wärme hoher
Temperatur in thermodynamisch vollkommenerer Weise auszunutzen. Diese Wärme hoher
Temperatur wird nicht möglichst schnell an wärmeaufnehmende Körper wesentlich niedrigerer
Temperatur abgeführt, sondern vielmehr dadurch nutzbar gemacht, und zwar zur Herstellung
von heißer Luft, warmem Wasser u. dgl., daß diese Wärme auf Körper übertragen wird,
deren Endtemperatur sich der Anfangstemperatur der überhitzten Dämpfe möglichst
nähert.
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Dieses Ziel wird nun dadurch erreicht, daß das Überhitzungsgebiet
des Kondensators gesondert vermittels Oberflächenübertragung durch eine geringere
Kühlwassermenge gekühlt wird, als für das Kondensationsgebiet erforderlich ist,
zum Zwecke, diesen Teil des Kühlmittels höher zu erwärmen. Es wird also nicht wie
bisher das ganze Kühlwasser, das durch den kondensierenden Teil des Kondensators
hindurchgegangen ist, durch das Überhitzungsgebiet geschickt, sondern ein kleiner
Teil davon abgezweigt, und dieser allein geht durch das Überhitzungsgebiet.
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Beispielsweise sei i kg Ammoniak auf 8,8 Atm. Druck, also 2o° Kondensationstemperatur,
komprimiert worden, mit einer Überhitzung von ioo°. Es sind demnach an Überhitzungswärme
von ioo°bis2o° i (ioo-2o) 0,52, also 41,6 Kal., abzuführen. Die Verdampfungswärme
bei 20° ist 2,84,7 Kal., die Unterkühlungswärme bei einer Abkühlung bis i o° 11,6
Kal. Fließt das Kühlwasser mit 8° zu und läßt man es mit 18° abfließen, so sind
für die Unterkühlung und Kondensation pro i kg NH3 (284,7 + 11,6) : (18-8) -2g,61
Wasser erforderlich. Würde man dasselbe Wasser durch das L%erhitzungsgebiet weiterlaufen
lassen, so würde es sich um 41,6 : 29,6 - 1,4°, auf 19,q.° erwärmen und mit dieser-
Temperatur ablaufen.
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Nach dem neuen Verfahren wird jedoch
ein Teil dieses
Wassers, beispielsweise, um eine besonders hohe Ablauftemperatur zu erhalten, nur
o,61 abgezweigt, wodurch eine Erwärmung dieses Wassers von 41,6 : o,6 -69,3'
erzielt wird.. Es entsteht also eine Ablauftemperatur von 87,3°, wenn die Fläche
ausreichend bemessen ist.
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Will man eine Ablauftemperatur von 5o° erzielen, so ist die abgezweigte
Wassermenge auf 41,6 : (5o-18) = 1,3 1 zu bemessen usw. Man kann die gewünschte
Ablauftemperatur des Wassers ohne weiteres durch entsprechende Bemessung der Menge,
also durch Einstellung des Abzweigventils, erhalten. Werden größere -Warmwassermengen
gebraucht, so kann man sich auch mit einer geringeren Ablauftemperatur begnügen
und die erforderliche Temperatur durch Nachheizung herstellen. Bei den meisten Anlagen,
in denen solche Kältemaschinen gebraucht werden, ist auch Warmwasser höherer Temperatur
erwünscht und muß in Ermangelung der beschriebenen Anordnung durch besondere Maßnahmen
erzeugt werden, sei es für das Auftaugefäß zur Lösung des Eises aus den Eiszellen,
für Waschzwecke, Heizung, Destillatbereitung, Kesselspeisung usw. Auch bei der bekannten
Verwendung der Kompressionskältemaschine zu Heizzwecken ist es häufig erwünscht,
einen Teil des erzeugten Warmwassers bei wesentlich höherer Temperatur zur Verfügung
zu haben, als den Hauptteil', dessen Temperatur durch den Kondensationsdruck bestimmt
ist.
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Die Kühlflächen müssen zur Erzielung der gewünschten höheren Temperatur
des ablaufenden Kühlmittels reichlicher bemessen oder wirksamer - etwa durch einen
Verdrängungskörper - ausgestaltet sein, als wenn die Überhitzungswärme lediglich
mit einem Minimum von Fläche abgeführt werden soll. Für diese Vergrößerung oder
wirksamere Ausgestaltung der Kühlfläche ist aber die höhere Temperatur des erhaltenen
Kühlmittels ohne den geringsten Mehraufwand von Arbeit oder Wärme erzeugt, und gewährt
infolgedessen eine entsprechende Brennstoffersparnis, da es nicht mehr notwendig
ist, diese Temperatur durch weitere Wärmezufuhr herzustellen. Besonders bei rein
elektrisch betriebenen Kompressionskältemaschinen wird diese Warmwasserbereitung
willkommen sein, da man dadurch in vielen Fällen eine besondere Apparatur zur Warrnwassererzeugung
und den zugehörigen Aufwand an Brennstoffen vollständig vermeiden kann.
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Die Kühlfläche wird je nach der gewünschten-Temperatur des Abwassers
zu bemessen sein. Aber auch wenn diese Abmessung nicht ganz erreicht ist, wenn etwa
bereits Kondensation in dem zu reichlich berechneten Überhitzungskühler erfolgt,
oder wenn umgekehrt die Abkühlung der überhitzten Gase in dem hierzu vorgesehenen
Teil, ,veil er zu knapp bemessen wurde, noch nicht vollendet ist, wird doch der
angestrebte Zweck der gewünschten Abwassertemperatur durch die Abzweigung eines
Teiles des Kühlwassers stets erreicht, nur mit einer etwas anderen Wassermenge als
bei richtig bemessener Fläche.
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Es ist auch im Fall der Kompressionskältemaschine nicht notwendig,
einen Teil des Kühlwassers des eigentlichen Kondensators abzuzweigen, um- die entsprechende
geringe Wassermenge durch den Überhitzerteil zu senden. Die für die Abführung der
Überhitzungswärme bestimmte Wassermenge kann vielmehr ebensogut ganz unabhängig
von dem übrigen Kühlwasser geführt werden, oder sie kann auch zunächst die Unterkühlungswärme
aufnehmen, so daß nur der Kondensator im engeren Sinne von der Hauptwassermenge
durchlaufen wird.
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Ob man-einen besonderen Apparat aufstellt, um die Überhitzungswärme
in dieser Weise abzuführen, oder ob man - etwa bei einem Doppelrohrkondensator -
nur die Wasserführung entsprechend anordnet, wobei jedoch das' Überhitzungsgebiet
zweckmäßigerweise vor Wärmeverlusten zu schützen ist, ist natürlich für das Wesen
der Sache ohne Belang. Auch können an einem Kondensator bzw. Kühler mehrere Ventile
"und Entnahmestellen für das Kühlmittel vorgesehen werden. Man ist dann in der Lage,
die Abzweigung früher oder später und an verschiedenen Stellen gleichzeitig vorzunehmen,
oder den Überhitzungsteil beliebig zu vergrößern oder zu verkleinern, um mehr oder
weniger Wasser von höherer oder weniger hoher Temperatur zu erhalten, oder das Kühlmittel
bei verschiedenen Temperaturen gleichzeitig zu entnehmen. Es ist dann möglich, jahreszeitlichen
Schwankungen u..dgl. in ausgiebiger Weise folgen oder sich dem schwankenden Bedarf
anpassen zu können.
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In der Figur ist ein Doppelrohrkondensator als Beispiel für eine Vorrichtung
zur Ausführung des Verfahrens dargestellt. a ist die Rohrleitung für das Kühlwasser,
das in Richtung von unten nach oben fließt, b der Ringraum für die zu kondensierenden
bzw. abzukühlenden Dämpfe, .deren Durchgang entgegengesetzt von oben nach unten
stattfindet. Es wird infolgedessen der obere Teil c der Anlage das Überhitzungsgebiet
sein, während im unteren Teil d die Kondensation stattfindet. Bei e strömt
das Wasser ein, bei f strömt der größte Teil des Wassers aus, bei g verläßt
der abgezweigte Teil des Kühlwassers das Überhitzungsgebiet als heißes Wasser.
Durch
Regelorgane L läßt sich das Verhältnis zwischen den bei f bzw. g ausfließenden Wassermengen
genau regeln und damit die Temperatur des heißen Wassers bestimmen. Es kann aber
auch die gesamte bei e einströmende Wassermenge bei f abgeleitet und, wie gestrichelt
beim angedeutet, dem Überhitzungsgebiet c gesondert Kühlwasser oder ein anderes
Kühlmittel in entsprechend der gewünschten Endtemperatur geregelten Mengen zugeführt
werden.
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In der Rohrleitung des Kühlwassers im Überhitzungsgebiet können auch
mehrere Abzapfstel'len, beispielsweise h. und i, vorgesehen sein, um Wasser
verschieden hoher Temperatur zu gewinnen. Auch an diesen Stellen wird durch Regelorgane
l die Menge des abgezapften und des weiterfließenden Wassers geregelt, ebenso-wie
es gegebenenfalls angebracht erscheinen kann, an den einzelnen Zapfstellen stets
die gesamte Wassermenge zu entnehmen und dem darüberliegenden Teile des Apparates
Frischwasser oder ein arideres Kühlmittel zuzuführen.
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In :den Rohrleitungen für das Wasser können, wie bei k angedeutet,
Verdränger vorgesehen sein, um den Wärmeübergang auf das Wasser zu begünstigen;
ebenso ist es auch angebracht, den Apparat im Gegensatz zu den bekannten Kondensatoren
nach außen hin durch isolierendes Material, wie bei n angedeutet, gegen Wärmeverluste
zu schützen.