DE508233C - Verfahren zur Erzeugung von Kaelte - Google Patents

Description

• Verfahren zur Erzeugung von Kälte Der Prozeß der Ausdehnung eines Gases unter Arbeitsleistung, der zur Kälteerzeugung bei tiefen Temperaturen theoretisch am geeignetsten erscheint, läßt sich im allgemeinen Falle nicht verwirklichen, weil eine Arbeitsleistung in der Turbine aus verschiedenen Gründen ausscheidet und eine solche im Zylinder an der Notwendigkeit eines für dieses Temperaturgebiet geeigneten Schmiermittels scheitert. Zur Verflüssigung der Luft hat C 1 a u d: e diese Schwierigkeit durch einige Kunstgriffe überwunden, die sich aber auf die Verflüssigung der noch tiefer siedenden Gase Wasserstoff und Helium nicht übertragen lassen. Dies ist besonders deswegen bedauerlich, weil man nun zur Verflüssigung dieser Gase auf die irreversible Entspannung ohne Arbeitsleistung angewiesen ist, und weil anderseits gerade hier ein Verfahren mit Arbeitsleistung gegenüber seiner Verwendung bei höheren Temperaturen einen besonderen Vorteil aufweisen würde. Bei tiefen Temperaturen konvergieren nämlich die Wärmekapazitäten aller Substanzen gegen Null, so daß der Verlust, der durch die beim Arbeitshub notwendige Mitabkühlung von Zylinder und Kolben auftritt und der sonst einen wesentlichen Nachteil dieses Verfahrens bildet, ebenfalls verschwindet. So hat z. B. Eisen bei einer für die Wasserstoffverflüssigung benötigten Temperatur eine fünfzigmal, bei einer für die Heliumverflüssigung benötigten Temperatur sogar eine 3ooomal kleinere Wärmekapazität als bei Zimmertemperatur.
• Der Erfindungsgedanke besteht nun im folgenden: Der Zylinder mit beweglichem Kolben wird durch einen Raum ersetzt, dessen Begrenzungen zum Teil aus einem elastischen Material bestehen. Durch äußere Kräfte kann man also sein Volumen verändern und nach Anbringung von Ventilen die ganze Anordnung zur dauernden Aufnahme bzw. Leistung äußerer Arbeit durch Kompression bzw. Entspannung des eingeschlossenen Gases benutzen. Als elastische Begrenzungen kommen z. B. die jetzt im Handel befindlichen Wellrohre in Betracht. Es werden solche Schläuche gebaut, die sich innerhalb der Elastizitätsgrenze bis auf das Doppelte ihrer kleinsten Länge dehnen lassen. @ Zur Vergrößerung des Übersetzungsverhältnisses, also zur Verkleinerung des schädlichen Rauines, kann man die festen Begrenzungen des Rohres in bekannter Weise in das Innere einspringen lassen, wie dies z. B. in der Figur gezeichnet ist. Fig. r zeigt die Anordnung im Zustande kleinsten, Fig. a im Zustande größten Volumens; die Ventile sind nicht gezeichnet.
• Durch hierfür unternommene Versuche ist nachgewiesen, daß die elastischen Eigenschaften des Wellrohres (Tombakschlauches) auch bei den tiefsten Temperaturen von denen - bei Zimmertemperatur nur ganz unwesentlich - verschieden sind. Als vorteilhaft kommt in Betracht, daß die Festigkeit aller Substanzen, wie bekannt, mit fallender Temperatur dauernd zunimmt. Ferner hat sich gezeigt, daß Ermüdungserscheinungen des Wellrohres durch die dauernde Beanspruchung nicht auftreten, wenn man nur mit der Deformation innerhalb der Elastizitätsgrenzen bleibt.
• Grundsätzlich neu an dieser Anordnung ist die Verwendung eines aus einem Wellrohr bestehenden Zylinders zur Entspannung eines Gases unter Arbeitsleistung zum Zwecke der Kälteerzeugung. Da bei dieser Vorrichtung kein Kolben zur Volumenänderung benutzt wird, kommt auch die schädliche Reibungswärme desselben an der Zylinderwandung sowie die schwierige Abdichtung in Fortfall. Dadurch wird es auch möglich, die ganze Entspannungsvorrichtung und nicht nur einen Teil derselben in ein ideal wärmeisolierendes Hochvakuum zu setzen. Das Fehlen jeglicher Schmiermittel erhält den Arbeitsraum von Dampfdrucken einer anderen Substanz als des Kältemittels vollkommen frei. Außerdem ermöglicht diese Entspannungsanordnung erst die Verflüssigung des Wasserstoffs und des Heliums nach dem Prinzip von C 1 a u d e, da unterhalb der Temperatur der flüssigen Luft alle Schmiermittel eingefroren sind. Die Ventildurchführungen werden ebenfalls gegen das Hochvakuum durch Wellrohre abgedichtet.
• Die Durchführung einer mit diesen Hilfsmitteln arbeitenden Gasverflüssigung sei hier in großen Zügen am Beispiel der Wasserstoffverflüssigung skizziert: Man geht von der Temperatur der flüssigen Luft aus. Die Kompressionsanordnung befindet sich in einem Bade dieser Temperatur, an das die Kompressionswärme abgegeben wird. Das komprimierte Gas wird zur Entspannungsanordnung geleitet, die in einem von flüssiger Luft umgebenen hochevakuierten Raume thermisch möglichst gut isoliert angebracht ist. Das entspannte Gas kehrt, in einem Gegenströmer seine Kälte an das zuströmende Gas abgebend, wieder zur Kompressionsanordnung zurück. Kompressions- wie auch Entspannungsvorrichtung arbeiten auf eine außen (bei Zimmertemperatur) befindliche Kurbelwelle, die durch einen Motor angetrieben wird. Sämtliche Durchführungen für die Ventile und die die mechanische Arbeit übertragenden Stangen sind durch elastische Rohre abgedichtet. Abb. 3 zeigt eine schematische Darstellung der hierzu nötigen Vorrichtung.
• Der Apparat besteht aus zwei Teilen L und H. L ist mit flüssiger Luft gefüllt, in H herrscht Hochvakuum. In einer Kompressionseinrichtung K, die auf die oben erwähnte Weise gebaut ist, wird Helium komprimiert und durch das Rohr i nach Passieren des Gegenströmers G in der Dilatationsvorrichtung D unter Arbeitsleistung entspannt. Die von I( und D nach außen führenden, der übertragung der Arbeitsleistung dienenden Teile sind nicht gezeichnet. Von D aus wird das Helium 'durch Rohr z nach Passieren des Austauschers A und des Gegenströmers G wieder der Kompressionsvorrichtung zugeführt. Durch das Rohr 3 wird Wasserstoff nach Passieren von G und A zu einem Gefäß S geführt.
• Der Apparat arbeitet folgendermaßen: Durch den Kreislauf des Heliums von I( über D nach K zurück wird in D dauernd Kälte erzeugt. Man kann die Dimensionen leicht so wählen, daß man bei einer Ausgangstemperatur von der der flüssigen Luft hinter D die kritische Temperatur des Wasserstoffs unterschreitet. Infolgedessen kann man den durch 3 zugeleiteten und in G vorgekühlten Wasserstoff durch Wärmekontakt mit dem kalten Helium in A durch Druck verflüssigen und in S sammeln.
• Da sich beim Claude-Verfahren gezeigt hat, daß die Verflüssigung des Gases im Zylinder direkt zu Unzuträglichkeiten führt (Flüssigkeitsschläge und schlechter Wirkungsgrad infolge der Abweichungen des Gases vom idealen Zustand in der Nähe des Verflüssigungspunktes), so kann man entweder wie C 1 a u d e bzw. H e y 1 a n d t die Entspannung bei einer etwas höheren Temperatur vor sich gehen lassen und einen anderen Teil des Gases bei dieser Temperatur durch Druck verflüssigen bzw. nun noch den Joule-Thomson-Effekt zu Hilfe nehmen, oder auf die folgende grundsätzlich neue Weise arbeiten, die durch die absolute Dichtheit des ganzen Systems ermöglicht wird: Man läßt nicht das zu verflüssigende Gas selbst den Prozeß ausführen, sondern ein tiefer siedendes, z. B. Helium zur Wasserstoffverflüssigung und Wasserstoff, Helium oder Neon zur Luftverflüssigung, und benutzt die so erzeugte tiefe Temperatur zur Verflüssigung des eigentlichen Gases. Die Verwendung der Edelgase hat außerdem noch den großen Vorteil der Ungefährlichkeit, der relativ hohe Preis fällt nicht ins Gewicht, da bei der absoluten Dichtheit nichts verlorengeht.
• Das Verfahren läßt sich noch auf andere Weise durchführen: In dem oben beschriebenen Beispiel der Wasserstoffverflüssigung läßt man die Kompression nicht bei der Temperatur der flüssigen Luft vor sich gehen, sondern z. B. bei Zimmertemperatur. Das komprimierte Gas läßt man vor Berührung mit dem flüssigen Luftbade seine Temperatur mit dem rückströmenden austauschen. Dadurch wird der Wirkungsgrad ein klein wenig verschlechtert, die Anlage gewinnt aber an Einfachheit.
• Es sei noch betont, daß das Verfahren nicht nur zur Erzeugung der hier erwähnten extrem tiefen Temperaturen benutzt werden kann, obwohl es gerade hierfür besondere Vorteile aufweist, sondern auch zur Kälteerzeugung bei beliebiger Temperatur.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Erzeugung von Kälte in dein Temperaturgebiet der flüssigen Phase schwer verflüssigbarer Gase mittels Entspannung eines Gases als Kältemittel unter äußerer Arbeitsleistung, dadurch gekennzeichnet, daß die arbeitsleistende Volumenänderung des Kältemittels in einem durch elastische Wände begrenzten Raume erfolgt. z. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch i zur Verflüssigung schwer kondensierbarer Gase. 3. Verfahren nach Patentanspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemittel ein schwer verflüssigbares Gas Verwendung findet. Verfahren nach Patentanspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompression des Kältemittels ebenfalls in einem durch elastische Wände begrenzten Raum erfolgt. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß der Raum veränderlichen Volumens aus einem elastischen Wellrohr besteht, das mit starren, evtl. ins Innere vorspringenden Seitenwänden verschlossen ist. 6. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch i bis dadurch gekennzeichnet, daß die notwendigen Durchführungen der Getriebeteile durch die Wände der Gesamtapparatur ebenfalls durch Wellrohre abgedichtet sind. 7. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch i bis q, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung für die arbeitsleistende Expansion von einem Hochvakuum umgeben ist. S. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch q., dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung für die Kompression von einem Bad mit flüssiger Luft umgeben ist. 9. Verfahren nach Patentanspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemittel ein tiefer siedendes als das zu verflüssigende Gas, insbesondere ein Edelgas, Verwendung findet.