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Verfahren zur Erzeugung von Kälte. Bei den bekanntenVerfahren zurErzeugung
von Kälte ändert das- Kühlmittel infolge der Wärmeaufnahme aus dem Kälteträger seinen
Aggregatzustand, es wird dampfförmig. Deshalb ist die auf die Verdampfung folgende
Wiederverdichtung mit einem erheblichen Aufwand an äußerer Arbeit verbunden, die
im Verhältnis zur Kälteleistung um .so größer ist, je geringer die VerUmpfertemperatur
ist. Das Grundsätzliche dieses Verfahrens,, nämlich, d.aß die Verdampfungswärme
des Kühlmittels das Äquivalent für die Kälteleistung ist, macht eine wesentliche
Beschränkung der Verdichtungsarbeit und damit eine namhafte Verbesserung der Wirtschaftlichkeit
unmöglich.
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Das Bestreben, die Verdichtungsarbeit für das Kühlmittel erheblich
einzuschränken, ist hiernach nur ausführbar, wenn; das Kühlmittel auch nach der
Wärmeaufnahme flüssig bleibt. Es muß also vor der Wärmeaufnahme wesentlich unter
seine Siedetemperatur abgekühlt werden. Da Flüssigkeiten im Vergleich zu Gasen oder
Dämpfen nur in geringem Maße zu:sammendrüekbar sind, so ist auch der Arbeitsaufwand
wesentlich geringer; die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wird beträchtlich verbessert,
die Möglichkeit seiner Anwendung erweitert. Wegen der ,größeren Dichtigkeit des
flüssigen Kühlmittels gegenüber -dem dampfförmigen werden die Abmessungen .der Umlaufpumpe
beträchtlich geringer als die des Kompressors, bezogen auf gleiche Kälteleistungen.
Das. im folgenden
beschriebene und begründete Verfahren verwendet
als Kühlmittel solche Flüssigkeiten, deren spezifische Wärmen auf Linien gleicher
Temperatur mit dem Druck ansteigen.
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Als Beispiel kann Kohlendioxyd dienen. Nach Beobachtungen von L u
s a n n a (Nuovo Cimento 1896, 3, S. 92) ändert diese Flüssigkeit z. B. auf der
Isotherme i3,2° C ihre spezifische Wärme in Abhängigkeit vom Druck wie folgt:
Weiter beobachtete Lus.anna, daß c" auf den Linien gleichen Druckes mit fallender
Temperatur ansteigt.
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Diese Beobachtungen beweisen, daß auch die Molekularenergie des flüssigen
Kohlendioxyds, wie dieses u. a. von T h o m -s o n und J o u 1 e bei gasförmigetn
beobachtet worden ist, sich mit dem äußeren Druck ändert. Diese Änderung äußert
sich durch ein Ansteigen der Temperatur bei Druckerhöhungen, durch ein Abfallen
derselben bei Drucksenkungen.
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Durch Versuche konnte in erster Annäherung festgestellt werden, .daß
eine Druckänderung von
eine Temperatur änderung von rund i ° C ergibt. Auf diese Tatsache gründet sich
das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Verfahren..
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In der inneren Schlange eines. Gegenstromkühlers, die mit einem: Vorkühler
verbunden ist, befindet sich. Kohlendioxyd von hohem Druck, z. B. Zoo Atm., in der
äußeren Rohrschlange strömt Kohlendioxyd von wesentlich geringerem Druck, z. B.
5o Atm., der aber höher als der Siededruck sein muß. Die Gleichhaltung der Drücke
kann durch Druckregler bekannter Art erfolgen.
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Der Hochdruckraum des Gegenstromkühlers mit dem Vorkühler und der
Niederdruckraum des Gegenstromkühlers werden wechselweise mit dem Kalben einer Umlaufpumpe
verbunden, und zwar so, daß bei jeder Kolbenbewegung eine dem Kolbenvolumen entsprechende
Flüssigkeitsmenge aus dem Hochdruck- in den Niederdruckraum oder umgekehrt geschoben
wird.
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Für die umschichtige Verbindung beider Kolbenseiten mit den beiden
Räumen des Kühlers sorgen geeignete Steuerorgane, etwa gesteuerte o-ler selbsttätig
wirkende Ventile.
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Wenn die im Zylinder befindliche Niederdruckflüssigkeit durch die
Steuerorgane mit dem Hochdruckraum des Kühlers verbunden wird, erfährt sie infolge
der Druckerhöhung eine Temperatursteigerung, die ihr aber, während sie den V orkühler
durchströmt, wieder entzogen wird. Wird darauf bei der entgegengesetzten die Hoch-,
druckflüssigkeit mit dem druckraum verbunden, so erfährt die vorher schon im Vorkühler
gekühlte Flüssigkeit eine der Drucksenkung entsprechende weitere Temperaturverminderung.
Die kältere entspannte Flüssigkeit tritt im Gegenstromkühler in Wärmeaustausch mit
der wärmeren hochgespannten, wobei diese entsprechend gekühlt, jene dagegen erwärmt
wird, sie den da Zylinder der Umlaufpumpe mit einer Temperatur erreicht, die fast
derjenigen gleich ist, mit der .die hochgespannte Flüssigkeit in den Hochdruckraum
des Gegenstromkühlers eintritt.
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Bei Fortdauer des vorbes.chriebenen Kreislaufes wird der kreisenden
Flüssigkeit im Torkühler dauernd Wärme entzogen. Die Temperaturen der den Hochdruckraum
verlassenden und in den Zylinder der Umlaufpumpe eintretenden und der .den Zylinder
verlassenden, in den Niederdruckraum des Kühlers eintretenden Flüssigkeit immer
geringer.
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Wenn diese Temperaturen, nachdem sie einen bestimmten, vom jeweiligen
Zweckhängigen Wert erreicht haben, weiterhin gleichbleibend verlaufen sollen, kann
die entspannte, den Zylinder der Umlaufpumpe verlassende Flüssigkeit, ehe in den
Niederdruckraum des Gegenstromkühlers tritt, so viel Wärme aufnehmen, als der hachgespannten
Flüssig eit im orlcühler entzogen ist. Es kann beispielsweise die mit Hilfe des
vorstehend gekennzeichneten Verfahrens gekühlte Flüssigkeit als Kühlmittel für die
einer Kälteanlage, oder als Kühlmittel für den Kondensator einer mit Kaltdämpfen,
z. B. Kohlendioxyd, arbeitenden Kraftmaschine dienen.
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In .der Zeichnung ist eine zur Ausführung des vorstehend gekennzeichneten
Verfahrens dienende Anlage beispielsweise dargestellt.
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Oben auf dem. Gestell eines Motors a ist ein Zylinder b gelagert,
in welchem ein Kolben c arbeitet. Die Räume d und k oberhalb und unterhalb
.des Kolbens c werden beim Kolbenaufgang durch geeignete Steuerorgane, z. B. Rückschlagventil
für die obere und ein gesteuertes Organ L für die untere Kolbenseite mit den. Bahren
e und ve verbunden. Beim Abwärtsgan:g wird die Verbindung der Räume d und k mit
den Rohren und m hergestellt, wobei für den Raum d wieder ein Rückschl.agventil,
für den Raum k aber das gesteuerte Organ l als Steuerorgan dienen kann.
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Die Bahre e und n stehen durch die Rohrschlange f des Vorkühlers g
und die inneren
Rohre h des Gegenstromkühlers i miteinander in Verbindung,
wohingegen die Rohre und' m durch. den äußeren Ringraum. des Gegenstromkühlers verbunden
sind. Die Rohre f und h sind mit hochgespanntem, flüssigem Kohlendioxyd, der Ringraum
des Gegenstromkühlers i mit niedriggespanntem, ebenfalls flüssigem Kohlendioxyd
gefüllt.
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An das Gehäuse des Steuerorgans. L schließen die Rohre m und n an,
von denen das erstere an ein zwei Umschaltorgane umschließendes Gehäuse o, das Rohr
n hingegen unten an die Rohrschlange lt des Kühlers i anschließt.
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Durch. das Steuerorgan l und die in. die Rohre e und, p eingesetzten
Rückschlagventile werden die Räume d und k des Zylinders b
gleichzeitig
und abwechselnd einmal mit der hochgespannten und darauf mit der niedrig gespannten
Kühlflüssigkeit verbunden, und zwar so, daß beim Kolbenaufgang die hochgespannte
Flüssigkeit über und unter den Kolben, beim Kolbenniedergang die niedriggespannte
Flüssigkeit über und unter den Kolben gelangt. Beim Kolbenaufgang wird die hochgespannte,
beim Niedergang desselben die niedriggespannte Kühlflüssigkeit verschoben.
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Die Arbeitsweise nach dem Verfahren ist folgende: iWenn .der Kolben
c seinen Aufwärtshub beginnt, wird die in den Räumen d und k befindliche niedriggespannte
Kühlflüssigkeit durch die Steuerorgane mit dem Hochdruckraum verbunden. - Die in
d befindliche Flüssigkeit erfährt durch die Druckerhöhung eine Temperatursteigerung.
Der Kolben schiebt diese Flüssigkeit aus dem Zylinder in den Vorkühler, wo sie,
bei gleichbleibendem. Druck, eine Abkühlung durch Kühlwasser oder ein sonstwie geeignetes
Kühlmittel erfährt. Die vom Kolben c verschobene Flüssigkeitsmenge bewegt sich durch
die Rohre la des Gegenstromkühlers i, ferner durch Rohr n und Steuerorgan l und
füllt den Raum k unter dem Kolben.
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Diese hochgespannte Flüssigkeit wird, wenn der Kolben seinen Abwärtshub
beginnt, durch Umsteuerung des. Organs l mit -dem Niederdruckraum .des, Kühlers
i iri Verbindung gesetzt; sie erfährt infolge der Drucksenkung auch eine Temperatursenkung.
Die von dem Kolben c verschobene - gekühlte -Flüssigkeit bewegt sich. durch die
Rohre m und s, ferner durch den Ringraum des Gegenstromkühlers, wo sie mit der in
h fließenden hochgespannten und wärmeren Kühlflüssigkeit in Wärmeaustausch tritt
und schließlich durch Rohr p und das in diesem eingebaute Rückschlaggventil in den
Raum d gelangt, diesen ausfüllend.
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Durch den Wärmeaustausch im Gegenstromkühler i wird die Niederdruckflüssig
keit Abis fast auf die Temperatur erwärmt, mit der die .hochgespannte wärmere Flüssigkeit
in die Rohrschlange h eintritt, während diese eine entsprechende Abkühlung erfährt.
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Bei fortgesetzter Kolbenbewegung wird die durch das Rohr s in den
Ringraum des Kühlers eintretende Kühlflüssigkeit immer kälter, weil im. Vorkühler
g dauernd- Wärme abgeführt wird.
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Hat die Abkühlung das. erforderliche Maß erreicht, so werden die Umschaltorgane
im Gehäuse o @so umgestellt, daß die kalte, durch Rohr m strömende Flüssigkeit in
den Wärmeaustauscher r gelangt, der, in einem Behälter r' liegend, vom Kälteträger
umströmt wird. Hierbei nimmt die Kühlflüssigkeit so viel Wärme aus dem Kälteträger
auf, als im Vorkühler g dauernd abgeführt wird. Die entsprechend erwärmte Kühlflüssigkeit
gelangt wie bisher durch s in den Ringraum des Gegenstromkühlers. " Infolge der
Wärmeaufnahme sinkt ihre Temperatur aber nicht mehr, sondern; verläuft fernerhin
stationär.
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Liegt die Temperatur, auf die der Kälteträger in r gekühlt werden
soll, nur wenig unter der Kühlwassertemperatur des Vorkühlers, g, so ist die schrittweise
Abkühlung im Gegenstromkühler i entbehrlich. Dann werden die Rohre f und
n und r und. p unmittelbar miteinander verbunden, so daß i ausgeschaltet
ist.