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Dampfstrahl-Kälte-Anlage. Es sind Kälteerzeugungsvorrichtungen bekannt,
bei denen das Kältemittel durch Wärmezuführung in einem Hochdruckbehälter verdampft,
worauf dieser. Hochdruckdampf den aus einem Niederdruckverdampfer austretenden Kaltdampf
unter Mischung mit diesem letzteren ansaugt und das hierbei entstandene Gemisch
nach vorheriger Kompression in einen Kondensator fördert, aus welchem der für die
Kälteleistung erforderliche Teil der Flüssigkeit in den Niederdruckverdampfer zurückfließt,
während der für den Arbeitsdampf benötigte
Teil der Flüssigkeit
in den Hochdruckbehälter zurückgepumpt wird.
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Derartige Vorrichtungen können als Sattdampf-Kältemaschinen bezeichnet
werden, da bei ihnen ausschließlich gesättigter Arbeitsdampf zur Anwendung kommt.
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Als Fortschritt gegenüber den bisherigen Systemen ist der Erfindungsgegenstand
eine Kälteerzeugungsvorrichtung, bei welcher überhitzter Arbeitsdampf Anwendung
findet.
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Die Vorrichtung besitzt ein eigens dazu eingebautes Röhrensystem,
in welchem die Überhitzung des Arbeitsdampfes durch die Heizgase vor sich geht.
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Durch diese Überhitzung wird erstens eine besaere Ausnutzung der Heizgase
erzielt; zweitens wird der thermodynamische Wirkungsgrad durch die höhere Anfangstemperatur
des Dampfes verbessert; drittens werden Störungen im strömenden Dampf während der
Expansion in der Düse, wie solche bei der Expansion von Sattdampf durch die Anwesenheit
von Wasserteilchen auftreten, vermieden, da der überhitzte Dampf während der Expansion
trocken bleibt. Es wird also von dem zur Verfügung stehenden Wärmegefälle mehr nutzbare
Arbeit erzielt.
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Die Beheizung kann sowohl durch direkte Verbrennung von Brennstoff
als auch durch Rauch- oder Auspuffgase erfolgen.
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Um bei Abwärmebetrieb auch mit den den jeweiligen Abwärmequellen entsprechenden
tieferen Temperaturen eine wirksame Überhitzung des Arbeitsdampfes zu erreichen,
ist es notwendig, daß die Heizgase in zum Arbeitsdampf entgegengesetzter Richtung
das Heizsystem durchstreichen, derart, daß sie mit unverminderter Anfangstemperatur
in den Überhitzer eintreten und erst nach teilweiser Wärmeabgabe an den Sattdampf
in die in der kälteren Zone liegenden Heizröhren des Niederdruckkessels gelangen.
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Diese Heizgasführung gewährleistet auch bei Abwärmehetrieb sowohl
eine wirksame Überhitzung des Arbeitsdampfes wie auch, trotz verminderter Heizgastemperatur,
eine hinreichende Wärmeabgabe an das zu verdampfende Wasser, da dieselbe jetzt im
Gegenstrom zur siedenden, sich aufwärts bewegenden Flüssigkeit erfolgt.
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Um bei Abwärmebetrieb die dargelegte Führung der Heizgase in umgekehrter
Richtung zu ermöglichen, besitzt die VorAchtung, außer der Anordnung für direkte
Beheizung, ' verschiedene Heizkanäle, welche durch Klappen geöffnet oder geschlossen
werden können. Durch diese Neuancrdnung wird die Vorrichtung befähigt, auch bei
verhältnismäßig niederen Heizgastemperaturen mit Heißdampf zu arbeiten.
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Die Vorrichtung kann mit jedem der übliehen Kältemittel, ausgenommen
Kohlensäure, betrieben werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. Kondensator und Niederdruckverdampfer sind als allgemein bekannte Teile
zur Vereinfachung der Zeichnung weggelassen.
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1 ist ein Hochdruckdampfkessel, dessen Heizfläche durch das Röhrenbündel
(2) gebildet wird. Der Kesselraum ist bis zum Flüssigkeitsspiegel 3 mit einer Kälteflüssigkeit
gefüllt- 4 ist ein Niederdruck-Siederöhrenkessel, der bis zum Flüssigkeitsspiegel
5 mit Was3er gefüllt ist. Dieser Niederdruckkessel ist mit dem Röhrenbündel 2 des
Oberkessels durch das Heizdampfrohr 6 in Verbindung. Durch das Rohr 7 fließt das
Kondensat in den Niederdruckkessel zurück. Zwischen Ober- und Unterkessel ist ein
Überhitzer 8 eingebaut, weicher durch Rohre g, jo mit dem Hochdruckkessel und durch
Rohre 11, 12 mit der Eintrittsdüse eines Dampfstrahlkompressors 13 in Verbindung
steht. Der Saugraum dieses Kompressors ist durch Rohr 14 an einen Niederdruckverdampfer
und seine Austrittsdüse ist durch Rohr 15 an einen Kondensator angeschlossen.
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Von diesem Kondensator führt eine Flüssigkeitsleitung 16 in den Saugraum
eines Mittcldruckinjektors 17. Die Eintrittsdüse dieses Injektors 17 ist durch Rohre
42, 18, 10 mit dem Hochdruckkessel verbunden, während seine Austrittsdüse in den
Flüssigkeitsrückkühler 1g mündet, in welchem der mittlere Druck zwischen Niederdruckverdampfer
und Hochdruckkessel herrscht. Der Oberraum dieses Rückkühlers besitzt einen mit
Preßluft gefüllten Windkessel 2o. Das Kühlwasser tritt bei 21 in den Behälter 22
ein und vcrläßt diesen bei 23. Der Rückkühler ist durch Rohr 24 mit dem Düsenraum
eines Hochdruckinjektors 25 verbunden. Die Eintrittsdüse dieses Injektors 25 ist
ebenfalls durch Rohre 42, 18, 1o mit dem Hochdruckkes-zel in Verbindung. Seine Austrittsdüse
mündet durch Rohr 26 in einen Speiseflüssigkeitsvorwärmer 27, welch-,r durch Rohr
28 mit dem Hochdruckkessel in Verbindung steht. Rohre 29, 30 und Ventile
34 32, 33, 34 dienen zum Umschalten des Flüssigkeitsstromes nach der entgegengesetzten
Richtung durch den Vorwärmer. Rohre 35 und 36 und Ventile 37, 38, 39, 4o dienen
zum Umschalten des Dampfstromes nach der entgegengesetzten Richtung durch den Überhitzer.
Rohr 41 mit Ventil 68 verbindet den Cberhitzer während des Anheizens mit der Flüssigkeit
im Hochdruckkessel. Mit letzterem ist der Behälter 43 durch Rohre 44 und 45 verbunden.
Im Innern dieses Behälters befindet sich ein Schwimmer 46, welcher bei wechselndem
Flüssigkeitsstande im Hochdruckkessel
seine Bewegungen auf den Zeiger
47 überträgt. Der Hebel des Schwimmers ist durch einen beweglichen Metallschlauch
48 nach außen abgedichtet. Das Sicherheitsventil 49 führt an die Atmosphäre. Rohrstutzen
51 dient- zum Anschluß an Auspuff- oder Rauchgas-Wärmequellen, während die direkte
Heizung unten durch die Feuertüre 52 erfolgt. Die Verbrennung wird automatisch durch
die Zugklappe 7o in Verbindung mit Membran 69 nach Bedarf reguliert. Das
Abzugsrohr 55 steht je nach Bedarf abwechselnd mit der Rauchkammer 62 durch Rohr
56 oder mit der Feuerbuchse 64 durch Rohr 57 in Verbindung. Die Klappen 73, 59,
6o, 61 dienen zum Umschalten des Heizgasstromes nach der jeweils erforderlichem
Richtung.
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Die Betriebs- und Wirkungsweise des Apparates, unter Ausnutzung von
Auspuff- oder Rauchgasen, ist folgende Die Heizgase treten bei -51 ein, durchströmen
die Rauchkammer 62 und die Siederöhren 63, gelangen nach Passieren der Feuerbuchse
64 durch das geöffnete Rohr 57 in den Vorwärmer 27, durchströmen letzteren nach
oben und ziehen durch das geöffnete Rohr 56 und das Abzugsrohr 55 ab. Auf diesem
Wege findet Wärmeabgabe statt, und zwar a) Wärmeabgabe an den im Gegenstrom durch
den Überhitzer 8 ziehenden Hochdruckdampf; .
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b) Wärmeabgabe an das im Niederdruckkessel 4 befindliche Wasser, welches
beim Sieden mittels der aufsteigenden Dampfbläschen sich im Gegenstrom zu den Heizgasen
bewegt; c) Wärmeabgabe an die im Gegenstrom durch den Vorwärmer 27 zirkulierende
Speiseflüssigkeit.
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Der im Niederdruckkessel 4 erzeugte Wasserdampf gelangt durch das
Rohr 6 in das Röhrenbündel 2 des Hochdruckkessels 1 und durchströmt es unter Wärmeabgabe
an die im Kesselraum befindliche Kälteflüssigkeit; wodurch letztere bei einer Temperatur
von ungefähr go° C unter hohem Druck verdampft. Auch diese Wärmeabgabe des kondensierenden
Wasserdampfes an die Kälteflüssigkeit findet im Gegenstrom statt. Das Kondensat
fließt durch Rohr 7 in den Niederdruckkessel 4 zurück. Der auf diese Weise erzeugte
Hochdruck-Sattdampf strömt zum kleineren Teil durch die Rohre xo, I' S, 42 zu den
beiden Injektoren 25, 17, während der Hauptteil durch Rohre xo, 9 und durch das
Ventil 38, unter weiterer Wärmeaufnahme vom Überhitzer 8, durch das Rohr ix und
Ventil 40 sowie durch Rohr 12 in den Dampfstrahlkompressor 13 strömt und dort in
überhitztem Zustande aus einem Niederdruckverdampfer durch Rohr 14 kommenden Kaltdampf
ansaugt, worauf das entstandene Gemisch, unter dem Sättigungsdruck der jeweiligen
Kühlwassertemperatur, aus dem Kompressor durch das Übergangsrohr 15 in einen Kondensator
gefördert wird, in welchem es sich, unter Wärmeabgabe an das Kühlwasser, verflüssigt.
Die Flüssigkeit verläßt den Kondensator in zwei Teilen Der eine Teil, dessen Verdampfung
für die Kälteleistung erforderlich ist, gelangt durch ein Drosselventil in die Rohrschlangen
eines Niederdruckverdampfers, in welchem die Flüssigkeit, unter Wärmeentzug von
ihrer Umgebung, bei tieferer Temperatur verdampft. Die der Umgebung entzogene Wärme
stellt die Kälteleistung der Vorrichtung dar. Der ent-2 wickelte Kaltdampf wird
vom Dampfstrahlkompressor ig wieder angesaugt, und der Kreislauf beginnt von neuem.
Der andere Teil der Flüssigkeit, welcher den Arbeitsdampf liefert, fließt durch
Rohr 16 zum Mitteldruckinjektor 17, dessen Eintrittsdüse durch Rohre 42, 18, ro
mit dem Dampfraum des Hochdruckkessels 1 in Verbindung steht. Der von ersterem dem
Injektor 17 zuströmende Dampf mischt sich in demselben mit der zufließenden Flüssigkeit
und kondensiert, unter Erwärmung der letzteren, während der Kompression im Diffusor.
Die so erwärmte Flüssigkeit wird durch das Röhrenbündel xg das Rückkühlers 22 gefördert,
in welchem der mittlere Druck zwischen Niederdruckverdampfer und Hochdruckkessel
herrscht. Durch Zufluß von Kühlwasser bei 21 und Abfluß bei 23 im Gegenstrom zur
Speiseflüssigkeit wird letztere auf ihre ursprüngliche Temperatur gebracht, bei
welcher sie den Rückkühler verläßt, um durch Rohr 24 dem Hochdruckinjektor 25 zuzufließen.
Beim Eintritt in den letzteren expandiert die Flüssigkeit auf ihren ursprünglichen
Druck und mischt sich mit dem durch Rohr 42 denn Injektor zuströmenden Hochdruckdampf,
wobei letzterer während der Kompression kondensiert. Die eigene ursprüngliche kinetische
Energie der Flüssigkeit, vermehrt um die kinetische Energie des hinzutretenden Dampfstrahles,
treibt das Gemisch- durch Rohr 29 und durch das offene Ventil 33 in das Röhrenbündel
27 des Vorwärmers 66. Nach Durchfließen des letzteren gelangt alsdann die Flüssigkeit
durch das offene Ventil 31 und durch Rohre 30, 67 in den Hochdruckkessel 1 zurück.
Die Speiseflüssigkeit wird beim Durchfließen des Vorwärmers von den im Gegenstrom
durch den Vorwärmer ziehenden Abzugsgasen auf die Temperatur der im Hochdruckkessel
siedenden Flüssigkeit erwärmt, worauf sie im ersteren wieder verdampft und den Kreislauf
von neuem beginnt. . Die Ventile 37, 39, 68, 32, 34 bleiben bei dieser Betriebsweise
geschlossen.
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Die direkte Heizung der Vorrichtung erfolgt von unten durch die Heiztüre
52. Die Rohrklappen
73, 60, 59 sind jetzt geschlossen, und die
Klappen 58, 61 sind geöffnet. Die Feuergase durchströmen jetzt das Heizsystem in
entgegengesetzter Richtung, indem sie'von der Feuerbuchse 64 aus durch die Siederöhren
zur Rauchkammer gelangen und von dort durch Rohr 56 in den Vorwärmer 66 oben eintreten,
diesen unten auf dem Weg zum Rohr 57 verlassen und durch Rohr 55 abziehen. Da der
Heizstrom jetzt in umgekehrter Richtung zieht, so muß auch der durch den Überhitzer
8 strömende Arbeitsdampf umgeschaltet werden, um das Gegenstromprinzip zwischen
Heizgas und Arbeitsdampf aufrecht zu halten. Ferner muß zu diesem Zweck auch die
Speiseflüssigkeit den Vorwärmer 66 in umgekehrter Richtung durchfließen. Der Arbeitsdampfstrom
durch den Überhitzer 8 wird umgeschaltet durch Öffnen der Ventile 37, 39; Ventile
38, 40 werden geschlossen. Die Speiseflüssigkeit durch den Vorwärmer wird umgeschaltet
durch Schließen der Ventile 33, 31; Ventile 34, 32 werden geöffnet.
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Der Niederdruckkessel 63 erzeugt nur atmosphärischen Wasserdampf,
damit der Maximaldruck im Hochdruckkessel nicht überschritten werden kann. Die Regulierung
der Verbrennung nach Kraftbedarf erfolgt durch die Membran 69, welche beim Überschreiten
des Atmosphärendrucks im Niederdruckkessel sich nach außen ausbiegt und durch diese
Bewegung die Zugklappe 7o mehr oder weniger schließt.,
Bei Rückgang des Dampfdruckes
geht auch die Membran 69 wieder zurück und öffnet die Zugklappe 7o nach Bedarf.
Bei etwaigem Überdruck öffnet sich das Sicherheitsventil 49.
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Der Behälter 43, in welchem sich der Schwimmer 46 befindet, ist durch
die engen Röhren 44, 45 mit dem Hochdruckkessel verbunden. Diese Anordnung verhindert
die Übertragung der Bewegungen der wallenden Flüssigkeit im Kessel auf die Flüssigkeitsoberfläche,
auf welcher der Schwimmer ruht. Der Schwimmer überträgt seine Bewegungen bei wechselndem
Flüssigkeitsstand auf den außen befindlichen Zeiger 47.
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Um beim Anheizen der Vorrichtung ein Ausglühen der Überhitzerschlangen
zu verhindern, wodurch bei Verwendung von NH3 als Kälteflüssigkeit infolge Zersetzung
der letzteren und Freiwerden des explosiven Wasserstoffes Explosionsgefahr eintreten
könnte, wird der Überhitzer während dieser Periode durch Öffnen des Ventiles 68
mit Flüssigkeit gespeist, welche in den Rohrschlangen verdampft. Der so entstandene
Dampf strömt durch das offene Ventil 37 in den Kessel zurück. Ventil 34 steht
ebenfalls während dieser Zeit offen, um der sich erwärmenden Flüssigkeit im Vorwärmer
die nötige Ausdehnung zu gestatten. Alle anderen Ventile bleiben geschlossen, bis
der Betriebsdruck erreicht ist.