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Verfahren zur Kälteerzeugung nach dem Kompressionsprinzip Es sind
bereits Kühlverfahren bekannt, bei denen die Kälte durch Verdampfen eines flüssigen
Kältemittels erzeugt wird, das dann wieder komprimiert und in den flüssigen Zustand
kondensiert wird. Auch ist schon vorgeschlagen worden, dem Dampf der Flüssigkeit
ein indifferentes Gas, beispielsweise Luft, beizumischen. Hierbei macht sich der
Nachteil bemerkbar, daß die Flüssigkeit infolge von Siedeverzug nicht gleichmäßig,
sondern stoßweise verdampft. Zur Beseitigung dieses Nachteils wird nach der Erfindung
so verfahren, daß das vom Kompressor komprimierte Gemisch, das aus verflüssigtem
Dampf und indifferentem Gas besteht, durch eine Expansionsdüse in im Verdampfer
enthaltenes flüssiges Kältemittel hineinexpandiert. Durch den Eintritt des expandierenden
Dampfes und der Gasblasen erfolgt eine gleichmäßige Verdampfung des Kältemittels.
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Die Zeichnung stellt schematisch eine Ausführungsform eines Apparats
dar, mittels dessen in einer lediglich zur Erläuterung dienenden Weise die vier
für die Erfindung wesentlichen Arbeitsschritte ausgeführt werden, können. Es sei
jedoch ausdrücklich bemerkt, daß die Ausführung des verbesserten Wärrneumwandlungsverfahrens
in keiner Weise an die Verwendung der hier beschriebenen oder einer anders ausgestalteten
Vorrichtung gebunden ist. Auch ist die Erfindung nicht auf den im nachstehenden
beschriebenen Gebrauch einer derartigen Vorrichtung beschränkt.
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Die thermodynamischen Prozesse, zu denen die Erfindung gehört, bedingen
alle einen oder mehrere der Arbeitsschritte, die als Kompression, Kondensation .oder
Verflüssigung, Verdampfen oder Kochen und Expansion bekannt sind. In allen Fällen
wirken dabei bestimmte Vorrichtungen, wie Pumpen, Kammern, Maschinen, Düsen u. dgl.,
auf Flüssigkeiten ein, die man als Kältemittel bezeichnet.
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Welche von den genannten Arbeitsschritten für einen bestimmten Kreisläufprozeß
in Betracht kommen, hängt offenbar in erster Linie von den thermodynamischen Eigenschaften
des dabei verwendeten Kältemittels ab. So ist zum Beispiel bei dem allgemein bekannten,
umkehrbaren Jouleschen Kreislauf, dem Kaltluftverfahren, das Kältemittel Luft, woraus
folgt, daß für diesen Kreislauf nur zwei der obengenannten Arbeitsschritte in Betracht
kommen, nämlich Kompression und Expansion, -da die Luft dabei weder verflüssigt
noch verdampft wird, sondern stets in gasförmigem Zustand verbleibt. Die fühlbare
Wärme wird dabei lediglich durch kinetische Expansion in kinetische Energie umgewandelt
und dadurch
die Kälteerzeugung hervorgebracht. Das Kaltluftverfahren
hat daher den Nachteil, daß zu einer Hervorbringung der Kälteerzeugung bei mäßig
niedrigen Temperaturen, beispielsweise von -i8° bis -i° C, das Volumen der ins Spiel
kommenden Luft sehr groß oder auch der Druck höher sein muß als zur Hervorbringung
der niedrigen' Temperaturen erforderlich sein würde, wodurch erhebliche thermische
und mechanische Verluste entstehen.
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Im Gegensatz hierzu ist bei dem bekannten umgekehrten Kreislauf nach
Clausius-Rankine, der mittels Kompression und Verdampfung arbeitet, das Kältemittel
ein Gas, das leicht verflüssigbar ist, zum Beispiel Ammoniak oder schwefelige Säure,
das bei einer bestimmten niedrigen Temperatur und bestimmtem Druck abgesaugt und
dann bei einer konstanten höheren Temperatur und höherem Druck komprimiert und verflüssigt
wird. Es ergibt sich hieraus, daß bei diesem Verfahren drei Arbeitsschritte, Kompression,
. Verflüssigung und Verdampfung, vorkommen, da die Flüssigkeit warm und ohne irgendeine
Expansion von dem Arbeitsschritt bei höherem Druck zu dem bei niedrigerem Druck
,übergeht. Eine Benachteiligung der Wirkung besteht bei diesem Verfahren darin,
daß ,die Flüssigkeit bei diesem Übergang ihr Volumen nicht ändert, da eine Flüssigkeit
nicht wie ein Dampf oder ein Gas expandieren kann, und dieser Schritt ist daher
sowohl in der Theorie wie auch in der Praxis in keiner Weise umkehrbar. Ein vielleicht
noch - _größerer Nachteil= dieses Verfahrens beruht jedoch auf bestimmten unvermeidlichen
Eigenschaften der Flüssigkeit selbst. Obwohl manche geeignete Flüssigkeit, wie Wasser
oder Alkohol, bei den Kühltemperaturen nur einen sehr kleinen Dampfdruck haben,
der nur wenige Millimeter Quecksilbersäule beträgt, so sind dieselben doch noch
nicht in einem praktisch in Betracht kommenden Umfange hierzu verwendet worden,
da, soviel sich ermitteln ließ, noch kein praktisches Verfahren zum Absaugen des
Dampfes bei diesen besonders niedrigen Temperaturen vorgeschlagen worden ist. Es
wurden infolgedessen stets Flüssigkeiten mit! einem praktisch brauchbaren Dampfdruck
bei der Kälteerzeug-ungstemperatur verwendet, wie Ammoniak, schwefelige Säure u.
dgl., trotz des Nachteils, daß der Dampfdruck bei gewöhnlicher Temperatur ein sehr
hoher ist. -'Eid. anderes eigentümliches Verhalten der Flüssigkeiten, nämlich der
Siedeverzug beim Verdampfen, der bei bestimmten Flüssigkeiten sehr stark auf: tritt,
ist ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens.
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Als Siedepunkt einer Flüssigkeit wird die Temperatur bezeichnet, bei
der ihr Dampfdruck gleich ist dem Totaldruck, unter dem die Flüssigkeit steht. Im
allgemeinen ist dies der Atmosphärendruck. Eine Flüssigkeit beginnt zu sieden, das
heißt Dampfblasen aufzuwerfen, wenn ihre Temperatur- so weit gestiegen ist, daß,
ihr Dampfdruck gleich ist dem auf ihrer Oberfläche lastenden Totaldruck. Die Dampfblasen
entwickeln sich dabei stets an bestimmten Stellen, an denen kleine Ggsbl;äschen,
die sich entweder aus der Flüssigkeit selbst entwickelt haben oder infolge des Anhaftens
von Luft an dem Gefäß bestehen, vorhanden sind. Bei längerem Kochen nimmt die Anzahl
dieser Stellen ab, da das Gas durch ,das Kochen ausgetrieben wird, und; nach einer
bestimmten Zeit verschwinden sie vollständig. Die Temperatur steigt alsdann mehrere
Grade .über den Siedepunkt, ohne daß Blasen entwickelt werden, worauf dann plötzlich
eine explosionsartige Dampfentwicklung erfolgt, gewöhnlich in der Weise, daß sich
eine einzige große Dampfblase am Boden des Gefäßes bildet. Die Temperatur sinkt
dabei wieder auf den Siedepunkt, worauf sich der Vorgang wiederholt. Nach den Angaben
von A i t k e n (187 ¢) geht das Kochen nur dann in normaler Weise vor sich,
wenn Blasen oder Hohlräume vorhanden sind und somit gleichzeitig der Dampf der Flüssigkeit
zugegen ist. Dieses Ergebnis gilt ganz allgemein; ein Übergang von einem Zustand
zum ;a.nderen erfolgt nur dann in normaler Weise, wenn beide Zustände vorhanden
sind. Ist nur ein Zustand vorhanden, so ist der Übergang in .den anderen Zustand
gegen ,den Wechsel der Temperatur oder des Druckes verzögert und erfolgt dann plötzlich
und heftig.
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Bei dem ü=blichen Kühlverfahren wird ein gleichmäßiges Kochen fast
vollständig durch die Entfernung aller nicht kondensierbaren Gase aus dem System
verhindert. Die Entfernung der Gase erfolgte so vollständig als möglich, da man
schon seit langem unter dem Eindruck stand, daß die Anwesenheit derartiger Gase
nur nachteilig wirken könne.
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Nach Ansicht des Erfinders ist das alte Verfahren-insbesondere ungeeignet,
ein gleichmäßiges Kochen von Flüssigkeiten mit höherem Siedepunkt aufrechtzuerhalten,
woraus sich ergibt, daß der volumetrische Wirkungsgrad der Pumpe oder des Kompressors
unzweckmäßig klein wird. Gerade bei den Flüssigkeiten der gewöhnlich verwend=eten
Art erfolgt bei dem üblichen Kühlverfahren das Kochen nur stoßweise, und die Dichte
des in den Kompressor eingesaugten Dampfes ist häufig bedeutend niedriger als der
wirklichen Temperatur des Kühlraumes entspricht. Ferner muß, da es-nicht möglich
ist,
ein Gefäß, das nur Flüssigkeit und Dampf enthält, ungleich
zu erw4.rmen, wenn, wie dies gewöhnlich der Fall ist, verschiedene Kühltemperaturen
verlangt werden, alle Wärme bei der niedrigsten Temperatur und Dampfdichte aufgenommen
werden, wodurch sich ein schlechter Wirkungsgrad ergab, oder es mußte ein besonderes
System vorgesehen werden, das mit einem verschiedenen Kompressionsdruck arbeitete.
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Der thermodynamische Kreislauf nach der Erfindung unterscheidet sich
wesentlich und grundsätzlich von dem vorher beschriebenen Verfahren.
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Man kann das Verfahren nach der Erfindung dahin zusammenfassen, daß
ein geeignetes Kältemittel durch einen geschlossenen Kreislauf geführt wird, in
dem nacheinander die Verdampfung, die Kompression, die Verflüssigung und die Expansion
des Kältemittels erfolgt.
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Diese vier Vorgänge des Verfahrens sind der Deutlichkeit halber in
der Beschreibung voneinander getrennt gehalten, jedoch ist zu bemerken, daß sie
in der Praxis sich nicht getrennt voneinander abspielen, sondern daß sie in Wirklichkeit
ineinander übergreifen können.
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In der Zeichnung ist mit i der Verdampfer bezeichnet, der in der dargestellten
leicht verdampfbaren Flüssigkeit Kältemittel enthält und gewöhnlich indem Kühlraum
untergebracht ist. Er ist durch ein Rohr a mit einem Kompressor 3 verbunden. Mit
q. ist eine Kondensationskammer und mit 5 eine Expansionsvorrichtung bezeichnet.
Alle diese Teile sind, wie die Zeichnung zeigt, durch Rohre so verbunden, daß sie
einen geschlossenen Weg für das Kältemittel bilden. Den Raum, der nicht von der
Flüssigkeit eingenommen wird, muß man sich mit dem Dampf der Flüssigkeit und einem
geeigneten, nichtkondensierbaren. Gas gefüllt vorstellen.
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Das Verfahren nach der Erfindung geht in folgender Weise vor sich:
Nach dem Angehen des Kompressors, der in irgendeiner geeigneten Weise angetrieben
wird, erfolgen die vier Verfahrensschritte ununterbrochen, indem das Kältemittel
durch das System hindurchgetrieben wird und in. dem Teile i Wärme aufnimmt, die
er in dem Teil q. bei höherer Temperatur wieder abgibt, indem die Flüssigkeit in
dem ersteren Teil gekocht und ihr Dampf indem letzteren Teil kondensiert wird. Das
aus dem Teil i kommende Gemisch von Dampf und Gas wird in dem Teil 3 auf einen höheren
Totaldruck gebracht. Nach seinem Durchgang durch den Teil q. expandiert das Dampf-Gas-Gemisch
in thermischem Kontakt mit dem darin gebildeten Kondensat in der Expansionsvorrichtung
5 von dem höheren zu dem niedrigeren Totaldruck und gelangt von dort in den Verdampfer
i zurück.
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Es soll beispielsweise zur Erläuterung die Annahme gemacht werden,
daß der Kondensator die Wärme bei einer Endtemperatur von a5° C abgibt und daß eine
Kälteerzeugung mit einer Anfangstemperatur von -5° C und einer Endtemperatur von
-+-5° C beabsichtigt wird und daß Tetrachlorkohlenstoff verwendet wird, dessen Dampfdruck
bei -5° C weniger als 25 mm Quecksilbersäule und bei z5° C ungefähr 125 mm beträgt.
Es soll ferner angenommen werden, daß der Partialdruck des nichtkondensierbaren
Gases, beispielsweise Luft, in dem Kondensator etwa 635 mm beträgt, so daß. also
der Totaldruck in demselben ungefähr eine Atmosphäre beträgt. Die verschiedenen
Arbeitsschritte des Verfahrens sollen nunmehr, beginnend mit der Expansion, erläutert
werden.
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Die Expansionsvorrichtung 5, die beliebig ausgestaltet sein kann und
vorzugsweise kinetischer Art, beispielsweise eine Düse einer Turbine ist, ist so
angeordnet, daß sie das Dampf-Gas-Gemisch, das sie aus dem Teil 4 mit @@efähr einer
Atmosphäre Totaldruck aufnimmt, auf etwa i 5o mm Quecksilbersäule, also mit einem
Druckabfall von etwa 61o mm, herunterexpandieren läßt. Hierbei entzieht sie der
aus dem Kondensator kommenden Flüssigkeit, mit der sie in thermischer Berührung
steht, Wärme und verwandelt diese in kinetische Energie, die für die Arbeit nutzbar
gemacht wird. Der Strom des Gemisches aus Flüssigkeit und Gas tritt darauf in den
Teil i mit dem angenommenen Totaldruck von- i 5o mm. Der Partialdruck des Dampfes
ist nur ein Bruchteil dieses Betrages, ebenso wie dies auch beim Austritt aus dem
Kondensator ¢ der Fall war.
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Der nächste Arbeitsschritt, das Verdampfen der Flüssigkeit, findet
in dem Verdampfer i statt. Die ständige Einführung des Gemisches des Gases mit der
Flüssigkeit verhindert den Siedeverzug, der sonst bei dem üblichen Verfahren infolge
der dauernden Entfernung des Gases entsteht, da hier durch das nichtkondensierbare
Gas ständig neue Hohlräume in der Flüssigkeit erzeugt werden und somit die Bedingungen
für ein ruhiges Sieden. dauernd aufrechterhalten werden.
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Infolge der grundsätzlichen Eigentümlichkeiten der Erfindung erfolgt
die größte Aufnahme 'von Wärme an der als Expansionsvorrichtung dienenden Düse 5
oder doch dicht bei dieser. Die Wärmeaufnahme setzt sich dann in geringerem Maße
fort, je weiter das Dampf-Gas-Gemisch nach oben hin durch das im Verdampfer i vorhandene
Kältemittel
expandiert, jedoch mit ständig zunehmender Temperatur,
da die wärmere Flüssigkeit das Bestreben hat, nach oben zu steigen und sich an die
Oberfläche zu: begeben. Dieses Bestreben der Flüssigkeit, in dem Verdampfer eine
nach oben hin ansteigende Temperatur anzunehmen, wird im vorliegenden Falle wenigstens
teilweise durch das von der Expansionsvorrichtung 5 ständig zuströmende und expandierende
Gas-Dampf-Gemisch unterdrückt, da dieses die Flüssigkeit durchrührt und in ständigem
Umlauf hält und so einen Ausgleich der Temperaturen herbeiführt. Der Totaldruck
innerhalb des Verdampfers wird durch die Kompressionsvorrichtung 3 offenbar angenähert
konstant erhalten, jedoch wird, wenn die Flüssigkeit im oberen Teil des Verdampfers
beispielsweise auf 5° C erwärmt wird, der Dampfdruck ansteigen, ohne aber den Totaldruck
zu beeinflussen und ebenso ohne eine Beeinflussung des Partialdruckes an der Einlaßöffnung.
Dieser bildet nach wie vor -den gleichen Bruchteil des Totaldruckes, beispielsweise
1/s von i5o mm gleich 25 mm, entsprechend -5'C. Der der höheren Temperatur entsprechende
Dampf von größerer Dichte wird alsdann durch die Pumpe 3 aus .dem Verdampfen abgesaugt,
da er nicht zu dem kälteren Teil zurückfließen und dort kondensieren kann. Das :Ergebnis
ist, daß der Dampfdruck steigt, während die Luft gleichzeitig auf einen geringeren
Partialdruck expandiert und der Totaldruck des Gemisches im wesentlichen konstant
bleibt.
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Der nächste Arbeitsschritt vollzieht sich unter dem Einfluß des Kompressors
3, der das Luft-Dampf-Gemisch durch das Rohr 2 ansaugt und es in den Teil q. drückt.
Da- der Totaldruck des angesaugten Gemisches erheblich größer ist als der Partialdruck
des Dampfes auch bei der höheren Kühltemperatur, kann dieser Arbeitsschritt ohne
Benachteiligung der Wirkung mittels Verdichtungsvorrichtungen ausgeführt werden,
die für den alten Dampfprozeß ungeeignet sein würden. In dem. gegebenen Beispiel
würde das bekannte Verfahren die Aufrechterhaltung eines Vakuums von etwa 737 mm
erforderlich machen, was wirtschaftlich nicht angängig ist. Ferner bedingt auch
bei einer sehr gut wirkenden Pumpe ein Siedeverzug der Flüssigkeit, der sich bei
dem früheren Verfahren nicht verhindern läßt, da.ß der tatsächlich in der Pumpe
vorhandene Dampfdruck wesentlich geringer ist, als dies bei einem ruhigen Sieden,
wie es bei dem Verfahren nach der Erfindung stattfindet, erforderlich ist. Infolge
ider grundsätzlichen Eigentümlichkeiten der Erfindung ist somit für einen bestimmten
Betrag der Kälteerzeugung keine größere Pumpe erforderlich, viehmehr erzeugt nach
diesem Verfahren die gleiche Pumpe eine größere Kälteerzeugung aus dem einfachen
Grunde, weil die Luft, während sie keinen zusätzlichen Raum in der Pumpe beansprucht,
sowohl eine normale Dampfdichte bewirkt wie auch den Totaldruck steigert.
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Der letzte Arbeitsschritt des Verfahrens besteht in dem Abkühlen des
Stromes des Luft-Dampf-Gemisches. Dieses erfolgt gewöhnlich allmählich und schrittweise
in den Teil q.. Der Totaldruck des von dem Teil 3 ausgestoßenen Gemisches wurde
mit einer Atmosphäre angenommen. Bei der Kompression ist seine Temperatur notwendigerweise
gestiegen, beispielsweise auf 35° C, so daß zu Beginn der Kondensation der Partialdruck
des Dampfes einem Betrag von 178 mm Quecksilbersäule entspricht. Der Partialdruck
der Luft beträgt alsdann 585 mm, also zusammen eine Atmosphäre. Beim-Durchgang durch
den Teil ¢ wird der Strom des Gemisches abgekühlt, vorzugsweise durch thermischen
Kontakt mit einem Gegenstrom von Wasser oder Luft, ,so daß der Partialdruck des
Dampfes - allmählich abnimmt, während der Totaldruck konstant gleich einer Atmosplqäre
bleibt.- Bei-- Beendigung dieses Arbeitsschrittes ist der - Partialdruck des Dampfes
gleichmäßig mit dem Abnehmen der Temperatur auf ungefrähr 125 mm gefallen,
während der Partialdruck der Luft im Sinne der Erfindung von 585 mm auf 635
mm gestiegen ist. Der Dampf hat sich dabei verflüssigt und Wärme abgegeben. Die
Flüssigkeit urnd das Dampf-Luft-Gemisch treten nunmehr wieder in die Expansionsvorrichtung
ein, womit der Kreislauf beendet ist.
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Aus diesen Erörterungen ergibt sich, daß bei den Kühlverfahren nach
der Erfindung die Kühltemperaturen durch den Totaldruck im Kondensator geregelt
werden und nicht, wie bei dem Dampfkompressionsverfahren, durch Regelung des Kompressionsdruckes,
und idaß. daher die Kühltemperaturen erniedrigt werden können, indem man den Partialdrück
der Luft in dem Teil q. steigert und gleichzeitig deren Temperatur konstant hält.
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Ist beispielsweise die Temperatur des Kondensators, ebenso wie vorher
angenommen, gleich 25°C und wird der- Totaldruck in ihm über eine Atmosphäre, beispielsweise
auf 85o mm, gesteigert, so würde dadurch nur der Partialdruck der Luft auf 725 mm
gesteigert werden, während ;der Partialdruck des Dampfes gleich 125 mm bleibt.
In dem aus dem Kondensator kommenden Gemisch verhalten sich also die Partialdrucke
voll. Luft und D.gupf wie 850:125=5,8.I, während:
sie vorher im
Verhältnis 63 5 : i a 5 = 5 : t zueinander standen. Expandiert dann das aus dem
Kondensator kommende Gemisch, so bleibt dabei das Verhältnis von i : 5,8 zwischen
dem Partialdruck des Dampfes und dem der Luft bestehen. Da aber der Totaldruck von
ungefähr i 5o mm derselbe bleibt, ist nun der Partialdrnck des Dampfes niedriger
als vorher, wodurch sich auch die Temperatur erniedrigt. Bei dem bekannten umgekehrten
Kreisprozeß von Rankine-Clausius fällt die Temperatur des Verdampfers nur, wenn
der Totaldruck in diesen fällt, ohne Rücksicht auf die Temperatur und den Druck
im Kondensator.
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Es ergibt sich, daß bei dem Verfahren nach der Erfindung mit Flüssigkeiten
von verhältnismäßig niedriger Dampfspannung ein praktisch brauchbares Kühlverfahren
ausgeübt werden kann und daß durch Verhinderung des Siedeverzuges der vierdampfenden
Flüssigkeit durch Iden expandierenden Teil des Kältemittels und . durch Aufnahme
von Wärme bei der höchstmöglichen Temperatur der thermodynamische Kreislauf mit
größerer Annäherung an die theoretische Umkehrbarkeit ausgeübt werden kann, als
der Clausiius@, Rankinesche oder joulesche Kreisprozeß.