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Verfahren zur Kälteerzeugung Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine,
bei der eine Flüssigkeit; z. B. Ammoniak, Methylalkohol, Tetrachlorkohlenstoff oder
irgendeine andere Kälteflüssigkeit,- in einem Behälter (dem Verdampfer) verdampft
wird und dabei der Umgebung Wärme entzieht. Der Dampf wird in einem zweiten Behälter
(dem Kondensator) bei höherem Partialdruck wieder kondensiert. Dem Dampfe- der-
Flüssigkeit ist ein zweites Gas, z. B. Wasserstoff; zugemischt. Es erfolgt nun erfindungsgemäß
eine Anreicherung des Dampfes der Kälteflüssigkeit bis zur Sättigung, welche der
Kondensatortemperatur entspricht, dadurch, daß eine finit Löchern versehene oder
poröse Wandung verwendet wird, durch welche das Gas und der Dampf infolge der verschiedenen
Diffusionsgeschwindigkeit verschieden rasch hindurch diffundieren. Es sind daher
in einer solchen Kältemaschine immer zwei Räume vorhanden, die über die poröse Wandung
miteinander in Verbindung stehen. Außerdein kommunizieren die beiden Räume noch
auf eine andere Weise miteinander, etwa durch ein Verbindungsrohr, welches dafür
sorgt, daß die Totaldrucke in den beiden Räumen stets nahezu die gleichen sind.
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Wir haben nun zwei Typen zu unterscheiden, je naohdem, ob die Diffusionsgeschwindigkeit
des Dampfes der Kälteflüssigkeit kleiner ist als die der Zusatzgase oder größer.
Ist ersteres der Fall, dann ist die Wirkungsweise die, daß der Raum A auf der einen
Seite der porösen Wandung. durch Diffusion durch die -poröse Wandung von einem Gasdampfgemisch
verlassen wird, welches verhältnismäßig erheblich mehr Zusatzgase enthält, als es
dem Mengenverhältnis im Raume A entsprechen würde. Aus dein Raume B auf der anderen
Seite der porösen Wandung wird das vom Dampf der Kälteflüssigkeit -fast vollkommen
befreite Zusatzgas in den Verdampfer geleitet, wo es sich wieder mit dem Dampf der
Kälteflüssigkeit sättigt und alsdann. wieder in den Raum A hineinströmt. Ist der
Unterschied in. der Diffusionsgeschwindigkeit groß genug, so wird auf diese Weise
dem Raume A stets mehr Dampf in Gasform zugeführt, als durch Diffusion über die
poröse Wandung abgeführt wird, und es reichert sich der Dampf hier zunächst an,
bis eine Kondensation erfolgt. Damit dies bei einem möglichst geringen Partialdruck
bereits eintritt, wird ein Teil des Raumes A als Kondensator ausgebildet und zweckgemäß
gekühlt. Der Überschuß an eintretendem Dampf wird dann niedergeschlagen und in flüssigem
Zustande aus dem Raume A dem Verdampfer wieder zugeführt. Dadurch, daß- sich das
aus dein Raume 13 kommende, vom Dämpf der Kälteflüssigkeit befreite Gas im Verdampfer
stets wieder mit Dampf sättigt, erfolgt eine dauernde Aufrechterhaltung des Verdampfungsvorganges
im Verdampfer, und die dabei der Umgebung entzogene Verdampfungswärme bewirkt in
bekannter Wise die Kälteleistung.
Wenn nun umgekehrt die Diffusionsgeschwindigkeit
des Dampfes größer ist als die des Zusatzgases, dann haben wir es mit der zweiten
Type zu tun, und dann ist die Wirkungsweise die folgende: Zwei Räume, C und D, kommunizieren
miteinmder über eine poröse Wandung. Diese beiden Räume stehet außerdem direkt miteinander
in Verbzn.clung :so, daß der Totaldruck in beiden: stets annähernd der gleiche ist.
Es tritt nun durch Diffusion in den Raum C über die poröse Wandung ein Gemisch ein,
das prozentual mehr Dampf enthält, als es dem Mengenverhältnis entspricht, welches
sich aus dem in den Räumen C und D vorhandenen Totaldruck unter der Voraussetzung
ergibt, daß der Partialdruck des Dampfes gleich dem Sättigungsdruck bei der Kondensatortemperatur
ist. Ein Teil des Raumes C ist als Kondensator ausgebildet, und es wird aus dem
Raume C dem Raume D ein Gasdampfgemisch zugeführt, das den Dampf nur in jenem Mengenverhältnis
enthält, wie es dem Sättigungsdruck bei der Kondensatortemperatur (bei dem vorgegebenen
Totaldruck) entspricht. Auf diese Weise wird der durch Diffusion in den Raum C eintretende
Dampfüberschuß dort an den gekühlten Wandungen des Kondensators verflüssigt und
die Flüssigkeit dem Verdampfer zugeführt. Im Raume D verarmt das Gemisch an Dampf
der Kälteflüssigkeit, und das von dem Dampf befreite Gas wird in den Verdampfer
geleitet, wo es sich mit dem Dampf sättigt und dann in den Raum D zurückströmt.
Damit im Raume D die Verarmung an Dampf so weit getrieben wird, daß der Partialdruck
des Dampfes dort unter den Sättigungsdruck des Dampfes im Verdampfer sinkt, muß
ein hinreichend großer Unterschied in der Diffusionsgeschwindigkeit vorhanden sein.
Es wird dann aus dem Verdampfer andauernd Dampf durch den Gas= Strom weggeführt,
und die so dauernd aufrechterhaltene Verdampfung bewirkt in bekannter Weise die
Kälteleistung.-Fig. i stellt, im Schema gezeichnet, ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dar, bei welchem die Diffusionsgeschwindigkeit des zugesetzten permanenten
Gases größer ist als die des Dampfes der Kälteflüssigkeit. Der Raum A, der zugleich
der Kondensationsraum ist, wird durch das zylindrische Eisenrohr i einerseits und
das zylindrische Gefäß 2, das aus porösem Material, etwa Ton, besteht, andererseits
gebildet. Zwischen diesen beiden Zylindern, im Kondensationsbehälter, befindet sich
ein Gemisch aus Wasserstoff und dem Dampfe der Kälteflüssigkeit. In dem Kessel
13 wird' Quecksilber verdampft, und der Quecksilbgrdampf strömt entlang der
Innenseite des porösen Zylinders 2, um dann im Rohre 3 an der Kühlnase q. zu kondensieren.
Letztere ist zu diesem Zwecke mit Kühlrippen versehen. Aus dem Kondensationsraume
diffundiert nun der Wasserstoff und wohl auch etwas aus dein Dampfe der Kälteflüssigkeit
durch die Löcher im porösen Zylinder in den im Innern des Zylinders (dem Raume 13)
strömenden Quecksilberdampf. Da die Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffes
größer ist, so tritt verhältnismäßig mehr Wasserstoff ein als Dampf der Kälteflüssigkeit,
und man kann erreichen, daß praktisch nur der Wasserstoff hereindiffundiert. Der
hereindiffundierte Wasserstoff strömt dann im Rohre 3 an der Kühlnase g. entlang
und tritt in abgekühltem Zustande durch das Rohr 5 in die Kältellüssigkeit 6 ein,
durch welche er durchperlt. Dabei sättigt er sich mit dein Dampfe dieser Flüssigkeit
und bringt so die Flüssigkeit zum Verdampfen. Das Gemisch strömt dann durch das
Rohr i in den Raum außerhalb ,des porösen Zylinders, wo sich der Dampf anreichert
und an der gekühlten Wandung- i kondensiert. Es gelangt so das Kondensat, welches
entlang der Wandung i herunterfließt, in. den Behälter, der durch diese Wandung
und das Rohr 7 gebildet wird. In den gleichen Behälter gelängt auch das an der Kühlnase
4. kondensierte Quecksilber, welches sich zunächst bei io ansammelt, um dann über
das Rohr i i in diesen Behälter abzufließen. Hier schwimmt das leichtere Kondensat
auf dem schwereigen Quecksilber, und beide fließen über das Rohr g automatisch in
den Verdampfungsraum: Das Quecksilber wiederum fließt über das Rohr 12 in den Kessel
13.
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Will man erreichen; daß praktisch nur Wasserstoff aus dem Kondensationsraum
abgesaugt wird, so braucht man bloß als Kälteflüssigkeit eine Substanz zu wählen,
die ein hohes Molukulargewicht und entsprechend einen kleinen Diffusionskoeffizienten
hat. Man kann aber auch dasselbe erreichen, indem man statt eines porösen Tonzylinders
ein mit vielen kleinen Löchern versehenes Blech oder ein aus dünnem Metalldraht
bestehendes Geflecht verwendet, wobei die Löcher groß gegen die freie Weglänge der
Moleküle sein können, doch muß das Geflecht einer Gasströmung gegenüber immerhin
einen hohen Reibungswiderstand entgegenstellen. i: s wird dann entsprechend der
Tatsache, dar der Totaldruck im Kondensationsraum auf der Außenseite des porösen
Zylinders etwas geringer ist als im Inneren des Zylinders, eine Gasströmung durch
das Geflecht hindurch von innen nach außen zustande kommen. Gegen diesen Dampfstrom,
dessen Geschwindigkeit von dem Druckunterschied
und dem Reibungswiderstand
des Geflechtes abhängt, müssen die Gase im Kondensationsraum diffundieren. Wählt
man nun den Druck im Innern so, daß die Geschwindigkeit des Gasstroms kleiner ist
als die Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs, aber größer als die Diffusionsgeschwindigkeit
des Dampfes der Kälteflüssigkeit, so kann man auch schon für Ammoniak erreichen,
daß viel Wasserstoff und fast gar kein Ammoniak gegen "den Gasstrom hereindiffundiert.
Da der Unterschied im Totaldruck auf beiden Seiten nur gering zu sein braucht, so
ist es möglich, mit einem kleinen Reibungswiderstand im durchlöcherten Zylinder
auszukommen, d. h. die Löcher dürfen recht groß sein, was vom praktischen Standpunkt
aus angenehm ist, denn dann ist es technisch möglich, die gesamte auf das Quadratzentimeter
entfallende Lochfläche groß und damit die Dimensionen des ganzen Zylinders klein
zu halten. Steigt der Quecksilberdampf im Kessel 13 zu hoch, so wird automatisch
O_uecksilber aus dem Kessel verdrängt, so daß im Kessel kein beträchtlicher Überdruck
entstehen kann.
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Fig.2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem
ebenfalls die Diffusionsgeschwindigkeit des permanenten Gases die größere ist. Der
Kondensationsraum befindet sich hier zwischen der wassergekühlten Wandung 23 und
dem porösen Zylinder 14. Es wird dafür gesorgt, daß die äußere Wandung des porösen
Zylinders durch die Wandung 23 wirksam gekühlt wird. Zu diesem Zweck kann zwischen
dieser Wandung und dem Zylinder eine metallische Verbindung eingefügt sein (in Fig.2
nicht gezeichnet). Ähnlich wird mit Hilfe des Rohres 15 die Innenseite des
Zylinders dauernd warm gehalten. Das Rohr 15 wird durch einen von außen eingesenkten
elektrischen Ofen geheizt. Bei gleichem Totaldruck auf der Außen- und Innenseite
des porösen Zylinders ist dann die Dichte im Innern geringer, und es diffundieren
die Gase auf der Außenseite des porösen Zylinders in das Innere hinein. Wegen des
Unterschiedes im Diffusionskoeffizienten für den Wasserstoff und für den Dampf gelangt
mehr Wasserstoff oder auch praktisch nur "'asserstoff in das Innere. (Der Wasserstoff
diffundiert hier in Richtung des Gefälles seiner Partialdichte, aber entgegengesetzt
dem Gefälle seines Partialdruckes). Der hereindiffundierte Wasserstoff strömt dann
über das Rohr 16 in das Rohr 17, wo er an dem gekühlten und mit Kühlrippen versehenen
Rohre 18 entlang strömt und in abgekühltem Zustande dann durch das Rohr i 9 `unter
die durchlöcherte Platte 2o geleitet wird. Über dieser Platte befindet sich die
Kälteflüssigkeit. Der Wasserstoff perlt durch diese hindurch, sättigt sich mit ihrem
Dampfe, und das so entstehende Gemisch wird durch das Rohr 22 wieder dem Kondensationsraum
zugeführt, von wo der Wasserstoff wegdiffundiert, während sich der Dampf anreichert
und an der gekühlten Wand 23 kondensiert. Unter dem Einfluß der Schwere fließt das
Kondensat durch das Rohr 26 wieder in den Verdampfungsraum zurück.
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Fig. 3 stellt ein drittes Ausführungsbeispiel, im Schema gezeichnet,
dar. Bei ihr ist wiederum die Diffusionsgeschwindigkeit "des permanenten Gases die
größere. Sie unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i im wesentlichen
nur dadurch, daß bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 auf kleinem Raume eine
große Oberfläche der porösen Wandung zusammengedrängt ist und daß im Gemisch, in
welchem der Dampf der Kälteflüssigkeit angereichert ist, ein ausgesprochener Kreislauf
zwischen dem eigentlichen Kondensator und dem Raumteil, der an die poröse Wandung
unmittelbar angrenzt, aufrechterhalten wird. Die poröse Wandung besteht aus vielen,
nebeneinandergeschalteten Tonplatten, die das eiserne Rohr 32 in viele flache Kammern
teilen. Die im Schnitt sichtbaren Tonplatten sind mit den Zahlen 27, 28, 29, 30,
31 bezeichnet. Das eiserne Rohr 32 ist konzentrisch in dem Eisenrohr 33 angeordnet.
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Der Zwischenraum zwischen diesen beiden Eisenrohren ist durch die
im Schnitt E-F sichtbaren Wände 34, 35, 36, 37 in vier Kammern 38, 39, 40, 4i geteilt,
die miteinander nicht unmittelbar kommunizieren. Die Kammern 38 und 4o kommuzieren
miteinander über die flachen Kammern, die zwischen den Tonplatten 27 und 28, bzw.
29 und 30 usw. liegen. Ebenso kommunizieren die Kammern 39 und 41 miteinander über
die diesen benachbarten übrigen flachen Kammern (zwischen den Tonplatten). Aus dem
Kessel 42 strömt Quecksilberdampf über das Rohr 43 in die Kammer 38, streicht da
in den flachen Kammern an den Tonplatten entlang und strömt so in die Kammer 40,
die durch die Öffnung 44 mit dem Raume 45 kommuniziert. Der Quecksilberdampf strömt
dann im Rohre 46 an der Kühlbase 47 entlang, kondensiert und sammelt sich bei 48
am Boden des Verdampfers 49. Über die Tonplatten diffundiert nun hauptsächlich Wasserstoff
in den Quecksilber dampf, welcher in den flachen Kammern (im eisernen Rohr 32) an
den Tonplatten entlang strömt, und der hereindiffundierte Wasserstoff wird von dem
Quecksilberdampf mitgeführt. Der Wasserstoff tritt unten aus dem Rohre .I6 und perlt
durch .die Kälteflüssigkeit im Verdampfer,
sättigt sich dabei mit
dem Dampf der Kälteflüssigkeit und strömt aus dem Verdampfer über die Düse 5o in
das Eisenrohr 5r. Er expandiert dabei etwas auf den Druck im Rohre 51 und gewinnt
so eine gewisse Geschwindigkeit. Obwohl nun der Unterschied im Totaldruck nur sein
sehr geringer ist, so genügt dies doch, um eine Saugwirkung auszuüben, und es wird
ein Gasdampfgemisch aus dem Kondensationsraume 52 mitgerissen. Das Gemisch strömt
dann durch die Öffnung 53 in die Kammer 39 und' von da zwischen den Tonplatten durch
die flachen Kammern (die zwischen der Eisenwand 54 und der Tonplatte 27, desgleichen
zwischen der Tonplatte 28 und 29, bzw. 30 und 31 usw.) liegen, in die Kammer
41. Zwischen den Tonplatten diffundiert dabei der Wasserstoff aus dem Gemisch heraus,
und der Partialdruck des Dampfes der Kälteflüssigkeit wird (bei konstantem Totaldruck)
erheblich größer als der Sättigungsdruck des Dampfes bei der Kondensatortemperatur.
Das Gemisch strömt dann durch den Spalt 55 in den Kondensator 5.2, an dessen gekühlter
Wandung 56 der Überschuß an Dampf herauskondensiert wird und nach 57 herunterfließt.
Der zur Kühlung der Wandung 56 dienende Kühlmantel ist in der Fig.3 nichteingezeichnet.
Das Gasdampfgemisch strömt dann aus dem Kondensator unter der Saugwirkung der Düse
5o wieder in das Rohr 5 r und von da in die Kammer 39. Die kondensierte Kälteflüssigkeit
fließt von 57 über das Rohr 58 nach dem Boden des Verdampfers. Dort schwimmt sie
über dem spezifisch schwereren Quecksilber, welch letzteres über das Rohr 59 nach
dem Kessel zurückfließt. Das Rohr 59 ist, wie in der Figur angedeutet, so ausgebildet,
daß in ihm die Quecksilbersäule an einer Stelle abreißt, so daß vom Kessel keine
Wärme durch Konvektion im Quecksilber übertragen wird. Die hier auftretende, bei
dem Modell nach Fig. 3 durch die Düse 50 erzwungene Zirkulation des Gasdampfgemisches
zwischen der gekühlten Wand des Kondensators und den Kammern zwischen den Tonplatten
ist notwendig, weil im Gegensatz zu Fig. r hier die gekühlte Wandung des Kondensators
von den Tonplatten aus durch Diffusion allein nur sehr schwer zu erreichen ist.
Das Kühlwasser wird durch das Röhrchen 6o in die Kühlnase 47 hinein- und aus ihr
herausgeleitet. Der zwischen der Wandung der Kühlnase 47 und dem Rohre 6o vorhandene
Luftspalt dient zur Verhütung der Wärmeübertragung von dem Kühlwasser auf die Flüssigkeit
im Verdampfer.
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Fig. q. stellt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung-dar:
Bei ihr wird.als Zu-Satzgas wiederum Wasserstoff - verwendet, dessen Diffusionsgeschwindigkeit
größer ist als die ' Diffusionsgeschwindigkeit des Dampfes. So wie das Ausführungsbeispiel
nach Fig.3 mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. z verwandt war, so ist diese' Ausführungsbeispiel
mit dem nach Fig.2 verwandt. Von den beiden Eisten des Rohres 61 mündet der Ast
62 in der Kammer 63, welche über den flachen Kammern zwischen den Tonplatten (im
Eisenrohr 6q.) mit ,der Kammer 65 kommuniziert. Von der letzteren geht der rechte
Ast 66 aus. In der Rohrleitung 61 befindet sich nun fast reiner ;Wasserstoff und
nur wenig Dampf der _Kälteflüssigkeit. Dadurch, daß der Ast 62 von außen erhitzt
wird und der heiße Wasserstoff aufsteigt, wird in der Rohrleitung über die dazwischengeschalteten
betreffenden flachen Kammern zwischen den Tonwänden eire dauernde Zirkulation aufrechterhalten,
so daß sich in den betreffenden Kammern zwischen den Tonwänden dauernd heißes Gas
befindet. In dieses heiße Gas diffundiert nun von den benachbarten flachen Kammern
zwischen den Tonwänden her dauernd ein Gasgemisch herein, das in der Hauptsache
nur Wasserstoff enthält (vgl. die Wirkungsweise des Modells nach Fig.2.) Im stationären
Zustand tritt die der hereindiffundierten Menge gleiche Gasmenge über die Öffnung
67 in den Raum 68- und strömt von da im Rohre 69 entlang der gekühlten Nase 70 nach
unten, wo das Gas durch die Kälteflüssigkeit 71 im Verdampfer 72 durchperlt und
über die Düse 73 über das Rohr 74 strömt. Von da gelangt es durch den Schlitz 75
in die Kammer 76. Es wird dabei, ähnlich wie bei dem Modell nach Fig. 3, das Gemisch
aus dem Kondensator 77 mitgerissen, und das Gemisch strömt aus der Kammer 76 über
die entsprechenden flachen Kammern zwischen den Tonplatten in die Kammer 78, wobei
dann der Wasserstoff zum großen Teil in die benachbarten Kammern hinüberdiffundiert,
so daß sich der Dampf der Kälteflüssigkeit anreichert. Aus der Kammer 78 strömt
das Gemisch über den Schlitz 79 wieder in den Kondensator 77.
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Fig. 5 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei welchem im Gegensatz
zu den bisher angeführten Ausführungsbeispielen die Diffusionsgeschwindigkeit des
Dampfes der Kälteflüssigkeit die größere ist. Als Kälteflüssigkeit denke man, um
die Gedanken zu fixieren, etwa an Ammoniak, während als zugemischtes permanentes
Gas Kohlensäure verwendet sein mag. Im Kessel 8o wird Quecksilberdampf erzeugt,
welcher an dem porösen Tonzylinder 81 entlang strömt -und da an der gekühlten Wandung
82 kondensiert. In den
Quecksilberdampfstrom diffundiert ein Gemisch
von Ammoniak und Kohlensäure, und zwar ist das Mengenverhältnis im hereindiffundierenden
Gemisch zugunsten des Ammoniaks verschoben, verglichen mit dein Mengenverhältnis
im Inneren 83 des Tonzylinders. Die Totaldrucke sind auf beiden Seiten des Tonzylinders
fast nahezu die gleichen und infolgedessen der Partialdruck des Ammoniak im äußeren
Raum 8q. größer als im inneren Raum 83. Der überschüssige Ammoniakdampf kondensiert
zusammen mit dem- Quecksilberdampf an der gekühlten Wandung 82 und sammelt sich
in dem Behälter 85. Von da tröpfelt die Flüssigkeit über das Rohr 86 nach dem Boden
des Verdampfers allmählich herunter, wobei sie wieder verdampft. Da im Raume 84
immerhin ein etwas größerer Totaldruck vorhanden ist als im Raume 83, so strömt
durch die Düse 87 das Gemisch in den Raum 83 hinein und reißt ein Gasdampfgemisch
aus dem Verdampfer mit. Auf diese Weise entsteht eine Zirkulation, die sich über
das Innere des Tonzylinders 81, das Rohr 88, den Verdampfer 89 und die Düse go schließt.
Dabei verarmt das zirkulierende Gemisch im Innern des Tonzylinders (im Raume 83)
an Ammoniak und sättigt sich wieder im Verdampfer mit dem Dampf. Auf diese Weise
wird dauernd der Verdampfungsprozeß aufrechterhalten. und Kälte erzeugt.
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Das in das Innere des Tonzylinders hereindiffundierte Quecksilber
wird an der Kühlnase gi kondensiert und fließt nach dein Boden des Verdampfers ab,
um dann über das Rohr 92 nach dem Kessel zurückzugelangen. 93 ist ein Schutzblech,
welches verhüten soll, daß der Ouecksilberdampf an der Wandung bei 94 vorzeitig
kondensiert, da die Wandung bei 9:j. durch Wärmeableitung nach der gekühlten Stelle
82 stets nur mäßigtemperiert ist.
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Im Gegensatz zu dem Modell nach Fig. 5 haben die früher angegebenen
Modelle, bei denen die Diffusionsgeschwindigkeit des zugesetzten permanenten Gases
die größere war, gewisse Vorteile. So ist bei letzteren der Totaldruck in dem an
Dampf der Kälteflüssigkeit verarmten Gemisch genügend groß, um das Gas im Verdampfer
durch die Kälteflüssigkeit durchperlen zu lassen. Ferner kann für das permanente
Zusatzgas, welches gepumpt wird, das Verhältnis der Partialdrucke dieses Gases viel
kleiner sein als das Verhältnis der Sättigungsdrucke des Dampfes der Kälteflüssigkeit
bei der Verdampfer- und Kondensatortemperatur. Dagegen muß bei dem Modell nach Fig.
5 das Verhältnis des Partialdruckes des gepumpten Ammoniaks auf beiden Seiten der
porösen Wandung unbedingt größer sein als das Verhältnis der Sättigungsdrucke.