DE483333C

DE483333C - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung tiefer Temperaturen

Info

Publication number: DE483333C
Application number: DES75878D
Authority: DE
Original assignee: FRANZ SIMON DR
Current assignee: FRANZ SIMON DR
Priority date: 1926-08-26
Filing date: 1926-08-26
Publication date: 1929-09-30

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung tiefer Temperaturen Zur Erzeugung tiefer Temperaturen benutzt man im allgemeinen aus bekannten Gründen die Verflüssigung von Gasen. Das älteste Verfahren zur Erzeugung sehr tiefer Temperaturen besteht in folgendem: Man erniedrigt den Druck über einem bei gewöhnlicher Temperatur durch Druck kondensierten Gase, soweit es geht. Dann verflüssigt man durch Druck bei der so erreichten Minimaltemperatur ein anderes Gas, dessen kritische Temperatur oberhalb dieser Minimaltemperatur liegt. Nun wird der Druck über diesem zweiten Gase und damit auch dessen Temperatur erniedrigt, dann in diesem ein drittes Gas kondensiert usw. (Stufen- oder Kaskadenverfahren). Die Grenze der so erreichbaren Temperaturen liegt bei denen der flüssigen Luft. Den Druck über dieser kann man nämlich nicht so, weit erniedrigen, daß die kritische Temperatur des Wasserstoffs (33° abs. _ - 24o° C) unterschritten wird. Ebenso gelingt es nicht, von den mit flüssigem bzw. festem Wasserstoff zu erreichenden Temperaturen die kritische Temperatur des Heliums (5,2° abs. = -268°C) zu unterschreiten: Zur Verflüssigung dieser beiden Gase ist man genötigt, dieses reversibel arbeitende Verfahren zu verlassen und zu dem irreversibel arbeitenden Lindeverfahren überzugehen. Dadurch wird nicht nur der Wirkungsgrad herabgesetzt, sondern es müssen auch erhebliche Mittel aufgewendet werden, Kompressoren zur Aufrechterhaltung des Gaskreislaufes, relativ große Mengen des im Falle des Heliums sehr kostbaren: Gases (der Kubikmeter etwa 4000 Mark) u;nd insbesondere ein recht umfangreiches Bedienungsp@ersonal für die !komplizierte Apparatur., So kommt es, daß, -obwohl das Interesse der Wissenschaft an tiefsten Temperaturen. sehr groß ist, es auf der Erde nach nacht zehn Stellen gibt, an denen Wasserstoff verflüssigt werden kann, und gar nur drei (bis vor kurzem nur eine), an denen Helium verflüssigt wird.
Der Erfindungsgedanke besteht nun in folgendem: Es wird wieder auf das Stufenverfahren zurückgegriffen und eine Zwischensubstanz zur Überbrückung des Gebietes zwischen flüssiger Luft und flüssigem Wasserstoft bzw. flüssigem Wasserstdff und flüssigem Helium geschaffen. Diese besteht in einem Adsorptionsmittel (insbesondere Adsorptionskohle), an dem Wasserstoff im ersten Falle, Helium im zweiten Falle adsorbiert ist. Man sättigt also beispielsweise zur Verflüssigung des Wasserstoffs bei der Temperatur der bis zu möglichst kleinen Drucken abgepumpten flüssigen Luft eine gewisse Menge Kohle mit Wasserstoff von hohem Druck. Die adsorbierten Gasmengen sind sehr beträchtlich, schon bei einem Sättigungsdruck von I Atm. etwa das q.oofache Volumen der Kohle. Die Adsorptionswärme, die, wie die Versuche ergaben, sehr groß ist, wird von dem flüssigen Luftbade aufgenommen. Dann erniedrigt man den. Druck über der Kohle durch Abpumpen des @#@Tasserstoffs, und die nun aufzuwendende Adso@rptionswärme bewirkt die Abkühlung, die Temperatur der Kohle sinkt unter die kritische Temperatur des Wasserstoffs. In, einem in dem Kohlebehälter befindlichen weiteren Gefäß kann man nun durch Druck Wasserstoff verflüssigen. Es sei bemerkt, daß man, falls man nicht in einer Stufe zu diesem Ziele kommt, auch mit mehreren arbeiten kann. Man sättigt also wieder bei der durch das Abpumpen des Wasserstoffs über der Kohle erreichten Temperatur eine weitere Menge Kohle mit Wasserstoff, pumpt diese dann ab usw. Man kann dieses. tun; da man nicht wie bei einer verdampfenden Flüssigkeit mit einem Einstoff-, sondern mit einem Zweistofsystem arbeitet. Man 'hat also .eine unendliqhe Zahl von Zwischenstoffen in Händen. Die Versuche haben aber gezeigt, daß man schon durch Verwendung einer »Adsorptionsstufe« zurr Ziele gelangt.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Erscheinungen .der Gasadsorption an festen Körpern oder die der Gasabsorption in Flüssigkeiten: bei der Kälteerzeugung zu verwerten. Dies geschah jedoch ausschließlich in dem Sinne, daß jene Erscheinungen zur Vakuumerzeugung, also an Stelle von Luftpumpen, nutzbar gemacht wurden. Die bei der Ab- bzw. Adsoirption auftretenden Wärmeeffekte wurden dagegen nicht unmittelbar zur Kühlung herangezogen, wie es bei vorliegender Erfindung der Fall ist.
Zur näheren Veranschaulichung diene der in der Abbildung schematisch skizzierte Apparat zur Wasserstoffverflüssigung. D sei ein doppelwandiges evakuiertes Gefäß zur Aufnahme von: flüssiger Luft. In ihm schwebt ein BehälterB, in diesem, wiederum durch ein Vakuum getrennt, das Gefäß G; dessen Inneres durch das Rohr R mit dem Außenraum in Verbindung steht. Im Innern von Cr befinden sich eine Reihe von Rohren, die mit Adsorptionsko'hle gefüllt sind (,(r bis I(4). Sie sind alle miteinander verbunden und stehen durch das RohrN mit dem Außenraum in Verbindung. Vom unteren Teil von Cr führt ein HeberH nach außen, der außen durch einen Vakuummantel geschützt ist und am Ende durch das Ventil V verschlossen ist. Sämtliche Teile sind am besten aus Metall verfertigt, derart, daß überall dort, wo gute Wärmeleitfähigkeit verlangt wird, Kupfer verwendet wird, dort, wo schlechte erw=ünscht ist, Neusilber.
Die Wasserstoffverflüssigung geht nun so vor sich: Man füllt D mit fi.üssiger Luft, dann bringt man durch R oder H das primäre Kühlmittel (flüssige Luft oder besser flüssigen'Stickstoff) inzG hinein. Nun setzt man die Kohlegefäße I( durch N hindurch unter hohen Wasserstoffdruck (etwa 5o bis roo Atm.), während gleichzeitig durch Abpumpen durch R der Druck über dem Stickstoff in G möglichst erniedrigt wird, wobei man bis zu Temperaturen von q.o bis q.5° abs. gelangt. Die in I( auftretende Adsarptionswärme wird durch die Verdaxnpfungswärme des Stickstoffs aufgenommen. Die Menge des in Cr eingefüllten Stickstoffs hat man so bemessen, daß nur noch ein kleiner Rest davon in G vorhanden ist, wenn bei der tiefsten zu erreichenden Temperatur die Kohle mit Wasserstoff gesättigt ist. Nun erniedrigt man durch scharfes Abpumpen den Wasserstoffdruck über der Kohle und drückt durch R gasförmigen Wasserstoff nach G hinein, wo er sich an den Gefäßen I( außen kondensiert und nach unten fließt. Von dort !kann der verflüssigte Wasserstoff durch öffnen des Ventils V durch den Heber H hindurch entnommen werden. Es sei bemerkt, daß überall durch Gegenströmer dafür gesorgt werden muß, daß die in den Apparat einströmenden Gase durch die abgeförderten kalten Gase vorgekühlt werden; in der Abbildung sind aus Gründen der übersichtlichkeit diese Ge:genströmer nicht gezeichnet.
Eine nach diesem Prinzip arbeitende Apparatur wurde zur Verflüssigung von Wasserstoff und Helium mit Erfolg verwendet. So gelang es z. B., mit einer kleinen Versuchsapparatur, die nur 15 g Kohle faßte, von I3° abs., wo die Kohle bei einem Adsorptionsdruck von I,3 Atm. - höher konnte nicht gegangen werden, da noch nicht genügend Helium zur Verfügung stand - 9 1 Helium von Normalbedingungen adsorbierte, auf unter ¢° abs. zu gelangen und sich bei dieser Temperatur stundenlang zu halten.
Im vorstehenden ist das Verfahren an dem Beispiel eines adsorbierten Gases erläutert. Dieses ist zwar der praktisch hauptsächlich in Betracht kommende Fall, doch ist das Verfahren auch anwendbar auf die Adsorptian von Flüssigkeiten und Lösungen.
Das Verfahren und die beschriebene Vorrichtung ist nicht nur auf die Verflüssigung von schwer koadensierbaren Gasen beschränkt, sondern kann ganz allgemein zur Tiefkühlung eines beliebigen Körpers benutzt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCIIE: I. Verfahren zur Erzeugung tiefer Temperaturen, z. B. zwecks Verflüssigung schwer kondensierbarer Gase, gekennzeichnet durch die Entfernung eines an einem festen Körper adsorbierten Gases. a. Verfahren nach Anspruch I, .dadurch gelzennzeichnet, daß die während der Adsorptionsperiode entwickelte Adsorptionswärme an ein unter Minderdruck verdampfendes Kühlmittel abgeleitet wird, das in dem gleichen Behälter (G) untergebracht ist, in dem während der Kühlperiode das zu kühlende Gut sich befindet. 3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i und a, dadurch gekennzeichnet, daß Behälter (I(1, K2 usW.) für das Adsorptionsmittel und Behälter (G) für das die Adsorptionswärme aufnehmende Kühlmittel in einem evakuierten Raum aufgehängt sind, der seinerseits vorgekühlt ist.