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Intermittierend wirkende Kältemaschine mit getrenntem Kocher und Absorber
Die Erfindung betrifft eine intermittierend wirkende Kältemaschine, bei der der
Kreislauf eines Dampfes dadurch aufrechterhalten wird, daß er absorbiert bzw. gelöst
und hernach durch Erwärmung wieder ausgetrieben wird. Bei dem zumeist verwendeten
Typus der Absorptionskältemaschine ist der auf diese Weise im Kreislauf gehaltene
Dampf der Dampf eines Kältemittels, der in einem Kondensator verflüssigt und in
einem Verdampfer verdampft wird.
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Die intermittierend arbeitenden Absorptionsmaschinen haben einen schlechten
Wirkungsgrad, weil bei ihnen- der (bei kontinuierlich arbeitenden Absorptionsmaschinen
gebräuchliche) Wärmeaustauscher notwendig in Fortfall kommen muß. Es wird nun erfindungsgemäß
ein guter Wirkungsgrad erzielt dadurch. daß die aus dem Absorber kommende reiche
Lösung intermittierend durch ein Gebilde in den Kocher überströmt, den wir der Kürze
halber als Regenerator bezeichnen wollen, in welchem sie in reversibler Weise bis
fast auf die Kochertemperatur erwärmt wird und aus dem Kocher über den Regenerator
als warme Lösung wieder in den Absorber zurückfließt, wobei sie sich im Regenerator
wieder reversibel abkühlt. Im Regenerator kommt die Flüssigkeit mit festen Körpern
(am besten Blechen) in Berührung, an die sie die Wärme sukzessive abgibt bzw. von
denen sie die Wärme wieder sukzessive aufnimmt. Die Temperaturschwankung eines Teilchens
bzw. Flächenstückes im Regenerator kann 5° C oder noch darunter betragen, während
die Erwärmung der Lösung im Regenerator an die ioo° C betragen kann. Man kann mit
ganz kurzen Perioden bis herunter zu '/-.Minute arbeiten und kommt dann mit ganz
kleinen Regener.atoren aus.
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Fig. i zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schema gezeichnet.
i ist der Absorberraum, dessen Volumen sich verändern läßt, indem man die Deckplatte
2 des Absorbers gegen seinen feststehenden Boden 3 bewegt, wobei sich dann das den
Absorber ringsum begrenzende, in der Längsrichtung federnde Rohr .l dehnt oder zusammenzieht.
Die Deckplatte 2 steht durch den Kühler 5 und den Regenerator 6 mit der Bodenplatte
7 des Kochers $ in fester Verbindung und bildet mit ihnen zusammen das bewegliche
System, während die Deckplatte io des Kochers ebenso wie die Bodenplatte 3 des Absorbers
unbeweglich feststeht. Der Kocher ist ringsum durch das in der Längsrichtung federnde
Rohr g abgeschlossen und verändert bei Verschiebung des beweglichen Systems zusammen
mit dem Absorber sein Volumen, und, ;zwar so, daß die Summe beider Volumina stets
dieselbe bleibt. Dies hat zur Folge, daß gegen den Druck im Innern (Absorber und
Kocherraum kommunizieren durch den Regenerator, der Druck ist daher stets in beiden
praktisch der gleiche, jedoch während der Kochperiode groß und während der Absorptionsperiode
kleiner) bei der Verschiebung des beweglichen Systems keine Arbeit
geleistet
werden muß; bei dem Modell nach Fig. i ist also .das bewegliche System vollkommen
entlastet.
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Wird nun das bewegliche System 2, 5, 6, 7 nach unten verschoben, so
wird praktisch die ganze Flüssigkeitsmenge aus dem Absorber i durch den Kühler 5
und den Regenerator 6 in den Kocher 8 gedrückt, hier erfolgt das Auskochen, und
die Dämpfe des Kältemittels strömen (evtl. unter Zwischenschaltung einer an sich
bekannten Vorrichtung zum Rektifizieren) über das Ventil 12 in -den luftgekühlten
Kondensator 13, von wo das verflüssigte Kältemittel über die Drossel 14 in .den
Verdampfer 15 hineinfließt. Wird nun nach beendigter Kochperiode das bewegliche
System 2, 5, 6, 7 nach oben verschoben, so fließt die Lösung aus dem Kocher über
den Regenerator 6 und den Kühler 5 in den Absorber r, und es strömt zier Dampf des
Kältemittels über das Ventil 16 aus dem Verdampfer 15 in den Absorber i,
wo die Dämpfe aufgelöst werden. (Die Ventile können auch als Schwimmerventile ausgebildet
sein.) Zwei verschiedene Ausführungsformen des Regenerators sind in Fig. ia und
rb im Schnitt A-B dargestellt. Nach Fig. ia besteht der Regenerator aus einer Reihe
von konzentrischen Blechzylindern, die im Rohre 6 untergebracht sind. In diesen
Zylindern stellt sich bald nach Inbetriebnahme der Maschine ein Temperaturgefälle
entlang der Erzeugenden von der beheizten Kocherseite nach der gekühlten Absorberseite
fallend ein. So geschieht es, daß die vom Kocher heiß kommende, durch den Regenerator
fließende Flüssigkeit sich beim Durchströmen sukzessive abkühlt, indem sie Wärme
an die Blechzylinder abgibt, und ebenso die hernach vom Absorber kalt kommende Flüssigkeit
sich wieder beim Durchströmen sukzessive erwärmt, indem sie von den Blechzylindern
die vorhin abgegebene Wärme wieder aufnimmt, so daß sie fast auf die Kocherhöchsttemperatur
erwärmt wird. Die Bleche können aus Aluminium oder aus Eisen gefertigt sein. Benutzt
man Eisen, so wird man ein legiertes Material von möglichst geringem Wärmeleitvermögen
wählen. Man kann auch statt Metallen Kunstmassen verwenden, die man in dünnen Schichten
als elektrische Isolation herstellt.
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Beim Regenerator nach Fig. ib sind im zylindrischen Rohre 6 zueinander
parallele Bleche 17, 18 usw. zu einem Blechpaket zusammengefaßt. Der Abstand zwischen
den Blechen, zwischen denen die Flüssigkeit hindurchfließt, ist durch Blechstreifen
i9, 2o usw. auf der einen Seite, 21, 22 usw. auf der anderen Seite fixiert. Das
verschraubte Blechpaket ist in das Rohr 6 hineingeschoben. Die Bewegung des beweglichen
Systems 2, 5, 6, 7 kann entweder zwangsweise von außen erfolgen, oder es kann diese
Bewegung durch .die Vorgänge im Innern .der Absorptionsmaschine, im besonderen durch
die Vorgänge im Kocher oder im Kondensator bzw. Verdampfer hervorgerufenoderauchnur
gesteuert werden. In Fig. i ist der Fall einer von außen erfolgenden Bewegung angedeutet.
Die elektrische Stromquelle 25 ist über einen intermittierend wirkenden Schalter
26, der den Strom periodisch schließt und unterbricht, an den Heizwiderstand 27
angeschlossen. Auf diese Weise wird dem Gefäß 28, in dem sich ein Tropfen einer
leichtflüssigen Flüssigkeit befindet und das durch Rippen gekühlt ist, periodisch
Wärme zugeführt, und es wird in ihm eine periodische Dampfdrucksteigerung hervorgerufen.
Ein in der Längsrichtung federnder Balg 30 steht über die Leitung 29 mit
:dem Gefäß 28 in Verbindung, und im Falle einer Dampfdruckerhöhung hebt der Balg
das bewegliche System 2, 5, 6, 7 an, so daß die Flüssigkeit aus dem Kocher über
den Regenerator in den Absorber hinunterfließt. Bei Abkühlung von dem Gefäß 28 sinkt
dann unter der Wirkung der eigenen Schwere das-bewegliche System 2, 5, 6, 7 wieder
nach unter- und verdrängt die Lösung aus dem Absorber in den Kocher.
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Mit je kürzeren Perioden man arbeitet, um so kleiner kann der Regenerator
gehalten werden. Das Flüssigkeitsvolumen im Regenerator ist zweckmäßig nur ein Bruchteil
des veränderlichen Absorbervolumens.
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Als Lösungsmittel kann Wasser in Verbindung mit Ammoniak als Kältemittel
verwendet werden. Es scheint aber bei der Maschine nach der Erfindung besonders
vorteilhaft zu sein, als Lösungsmittel ein schwerflüchtiges Petroleumdestillat (aliphatische
Kohlenwasserstoff e) oder Tetrahydronaphthalin in Verbindung mit Propan, Butan,
Pentan usw. oder deren Gemische als Kältemittel zu verwenden.
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Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Regenerator 31
ebenso wie die Grundplatte 32 des Absorbers 33 und die Deckplatte 34 des Kochers
35 zum feststehenden System gehört. Das bewegliche System besteht aus .dem nach
dem Kocher und nach dem >Absorber verschlossenen Rohr 36, welches durch die federndenRohremit
der Grundplatte 32 einerseits und der Deckplatte 34 andrerseits verbunden ist. Wird
das Rohr 36 nach unten bewegt, so wird aus dem Absorber die reiche Lösung durch
die Leitung 37 und durch den Regenerator 31 -n den Kocher 35 hinübergedrückt. Die
Leitung 37 ist durch den Kondensator 38 hindurchgeführt und wird durch das verdampfende
Kondensat
gekühlt. Der Absorber selber kann, aber muß nicht gekühlt
sein. Die Verschiebung des beweglichen Systems 36 wird durch die Vorgänge im Kocher
bewirkt und gesteuert. In dem mit dem Rohr 36 festgekoppelten kleinen Gefäß 39,
das sich in einer bestimmten Höhe über ersterem befindet, ist eine verdampfbare
Flüssigkeit. Das Gefäß 39 kommuniziert durch ein in der Längsrichtung federndes
Rohr 4o mit einem ebensolchen Rohr von größerem Querschnitt 41. Während das Gefäß
39 zum beweglichen System gehört, ist die Stoßstelle von 40 und 41 mit der Stützplatte
42 fest verbunden und unbeweglich. Die obere Deckplatte des Balges 41 ist dagegen
mit dem beweglichen System 36 durch zwei Bolzen 43 verbunden. Der Innenraum der
Bälge 4o und 41 kommuniziert in der Stützplatte 42 mit dem Rohre 45, das aus der
Deckplatte 34 herausragt und von der Außen-Luft gekühlt wird. Die Wirkungsweise
ist nun diefolgende: SolangedieFlüssigkeitin,demGefäß 39 nicht über eine gewisse
Temperatur hinaus erhitzt ist, wird durch das Gewicht von dem Rohr 36 die Lösung
aus dem Absorber verdrängt, so daß sich dieselbe im Kocher befindet. Der Flüssigkeitsspiegel
steht dann im Kocher so hoch, daß das Gefäß 39 unter den Spiegel zu liegen kommt.
Ist nun die Heizung des Kochers eingeschaltet, so wird das Gefäß 39 von der umgebenden
Lösung durch die Wärmeisolierung 46 hindurch erwärmt, und nach .erfolgter Austreibung
(Ende der Kochperiode) steigt die Temperatur so hoch, daß der Balg 41 durch den
angewachsenen inneren Druck sich streckt und das bewegliche System 36 nach oben
verschiebt. Auf diese Weise fließt die Lösung aus dem Kocher durch den Regenerator
31 in den Absorber 33, der Flüssigkeitsspiegel über dem Rohr 36 sinkt, und
damit hört die intensive Wärmezufuhr zu 39 auf. Der Dampfdruck im System 39, 40,
44 45 sinkt wieder allmählich, und zwar vornehmlich durch die Kühlung und Kondensation
.im Rohre 45; eine Zeitlang wird noch vermöge der Wärmekapazität der Wandung von
dem Gefäß 39 bzw. der Wärmeisolation von 46 Wärme nachgeliefert, dies hört jedoch
nach einer gewissen Zeit (die so eingestellt ist, daß zu derselben Zeit auch die
Absorptionsperiode beendet sein soll) auf, und das System 36 sinkt wieder nach unten,
wobei die Flüssigkeit aus dem Absorber nach dem Kocher zurückkehrt. Der Vorgang
wiederholt sich dann.
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Um den Balgquerschnitt von 40 und 41 zu kompensieren, kann der Absorberquerschnitt
vom Kocherquerschnitt verschieden gemacht werden und so wieder eine Entlastung des
beweglichen Systems herbeigeführt werden. ITm die gewünschten Längen der Perioden
einzustellen, wählt man den Balgquerschnitt von 44 die Wärmekapazität bzw. .die
Wärmeisolierung von dem Gefäß 39, den Siedepunkt der Flüssigkeit in diesem Gefäß
und die Kühlfläche von dem Rohr 45, ferner das Gewicht von dem Rohr 36 in geeigneter
Weise.
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Die Beheizung .des Kochers kann elektrisch und kontinuierlich erfolgen,
etwa durch einen Tauchsieder. Sie geschieht dann am besten mit automatischer Temperaturbegrenzung,
wie man es für andere Zwecke in der Elektrotechnik schon häufig verwendet. Es wird
bei steigender Temperatur des Heizkörpers der Heizstrom erniedrigt oder intermittierend
ausgeschaltet.
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Es können Kocher und Absorber nach Fig. :2 mit einem gemeinsamen Eisenmantel
48 umgeben sein, so daß die Wandungen der Bälge nicht an die Atmosphäre grenzen.
Der Druck im Raume zwischen den Ba b,'wandungen und dem Rohr 48 kann dann so gewählt
sein, daß die mechanische Beanspruchung der verhältnismäßig dünnen Wandungen der
Bälge möglichst klein sei (mittlerer Druck).
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Bewegung des
beweglichen Systems 53 durch einen Balg 54 erfolgt, der sich im Absorber befindet
und mit einer Leitung 56, die durch 53 hindurchgeführt ist. mit dem im Kocher befindlichen
Gefäß 55 kommuniziert. Das System 54, 55 ist mit einer verdampfbaren Flüssigkeit
gefüllt. Ist 53 in der unteren Lage, so daß die Lösung so hoch über 53 steht, daß
sie 55 umspült, so ist zugleich der Balg 54 zusammengedrückt, so d.aß über die Leitung
56 Flüssigkeit nach dem Gefäß 55 geraten mußte. Wird nun das Gefäß 5 5 heiß, so
wird durch die Erhöhung des Dampfdruckes der Balg 5.1. gedehnt und 53 nach oben
verschoben, so daß.die Lösung aus dem Kocher nach dem Absorber hinüberfließt. Es
fließt dann aber auch aus dem Gefäß 55 die Flüssigkeit allmählich in den nunmehr
ausgedehnten Balg 54 hinunter, der Druck in 54 sinkt, und :das Gewicht von 53 vermag
den Balg 54 wieder zusammenzudrücken usw.
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Man kann selbstverständlich auch zur Abwärtsbewegung von 53 einen
Balg benutzen, der entsprechend betätigt wird.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel im Schema gezeichnet, bei welchem
ein Kolben 49 die Flüssigkeit aus dem Absorber 50 in den Kocher .51 über
einen Regenerator 52 hineindrückt.