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Verfahren zur Kälteerzeugung Die bisher bekannt gewordenen Haushal.-tungskältemaschinen
können sich schwer einbürgern, weil deren Kosten infolge der großen Zahl der notwendigen
Apparaturen zu hoch sind.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Kälteerzeugung nach dem Kompressionsprinzip mit einer wesentlichen Vereinfachung
@und-dadurch Verbilligung der gesamten Apparatur.
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Es ist bereits bekannt geworden, mittels einer Pumpe in einem Gefäß
Unterdruck zu erzeugen und dadurch zwecks Kälteerzeugung Flüssigkeit zum Verdampfen
zu bringen. Bei diesen Maschinen wurde das abgesaugte Mittel in einem Kondensator
wieder verflüssigt und durch ein Regelventil im kontinuierlichen Kreislauf von neuem
in den Kühlbehälter gebracht. Es wurde auch bereits die Verwendung von Luft zum
Zerstäuben von Flüssigkeit bzw. als Träger des Verdunstungsprozesses vorgeschlagen.
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Es sind ferner auch Anlagen bekannt geworden, bei welchen das Dampfluftgemissch
gegen Atmosphärendruck gefördert wird, welche Anlagen jedoch keinen Kondensator
aufweisen.
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Endlich sind auch Maschinen bekannt geworden, bei denen eine Piunpe
den Dampf der Flüssigkeit absaugt, welche gleichzeitig durch die Luft zerstäubt
wird, die in die Flüssigkeit eintritt. Das Luftdampfgemisch wird von der Pumpe zu
einem Kondensator gefördert, von dem die Luft und der kondensierte Dampf zu einem
Abscheider gelangen, der die Luft wieder zum Luftbehälter rund die Flüssigkeit zum
Flüssigkeitsbehälter @entläßt, worauf der Kreislauf wieder beginnt.
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Alle diese bekannten Maschinen und Verfahren benötigen jedoch eine
mehr oder minder umfangreiche,und komplizierte Apparatur.
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Gemäß der Erfindung wird das Verfahren zur Kälteerzeugung runter Benutzung
einer Kühlvorrichtung, welche aus einem Verdampfer, einem Kompressor und einem Kondensator
besteht, durchgeführt, wobei die Verdampfung unter einem Druck stattfindet, der
kleiner ist als der Atmosphärendruck, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum
des Kondensators mit der Außenluft in Verbindung steht. Ferner wird gemäß der Erfindung
durch das Kältemittel Luft in Form von in demselben aufsteigenden einzelnen Blasen
geleitet, so daß ein Durchmischen und ein Temperaturausgleich des Verdampferinhaltes,
.eine Erleichterung der Verdampfung
durch Schaffung der Oberflächen
der expandierenden Luftblasen und endlich die Beheizung der Pumpe durch die Kompressionswärme
erzielt und dadurch das Kondensieren der Dämpfe in der Pumpe verhindert wird.
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Durch die Einleitung von Luft wird der Prozeß theoretisch verschlechtert,
da die Pumpe .anstatt Dämpfe, welche bei ihrer Bildung Kälte erzeugen, Luft fördert.
Durch diese Luft, welche daher nur in geringen; Mengen zugesetzt werden darf, sind
aber andere, so wesentliche Vorteile erreichbar, daß eine geringe Verschlechterung
der Leistung durch ihre Anwesenheit in Kauf genommen werden kann.
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Diese Vorteile sind: i. das Durchmischen ;und der damit erfolgende
Temperaturausgleich des flüssigen Verdampferinhaltes, 2. die Erleichterung der Verdampfung
durch Schaffung großer Oberflächen der stark expandierenden Luftblassen, 3. die
Beheizung der Pumpe durch die Kompressionswärme, welche das Kondensieren der Dämpfe
in der Pumpe verhindert.
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Durch die Einstellung des Kondensatordruckes gleich dem Atmosphärendruck
wird eine Vereinfachung durch Herabfallen der Druckdifferenz zwischen Kondensator
und äußerer Luft und eine außerordentliche Verkleinerung der notwendigen Kühlfläche
erreicht.
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Außer den oben geschilderten Unterschieden besteht also gegenüber
den bisher bekannten Verfahren zur Kälteerzeugung noch im allgemeinen ein grundsätzlicher
Unterschied in dem verwendeten Kompressionsdruck. Die Kompression wurde nach den
üblichen Verfahren stets so weit getrieben, bis der der Kühlwassertemperatur entsprechende
Verflüssigungsdruck erreicht war. Im Gegensatz hierzu wird im vorliegenden Falle
nur auf Atmosphärendruck komprimiert, gleichgültig, wieviel dieser Druck höher liegt,
als zur Ver-$üssigung des Kältemediums notwendigwäre, und gegebenenfalls auf die
Verflüssigung überhaupt verzichtet.
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Dadurch ist diese Variante der Erfindung an solche Medien gebunden,
welche bei Drükken. verdampfen (bei Temperaturen, welche für Kühlzwecke in Betracht
kommen), welche wesentlich unterhalb der Atmosphäre liegen, z. B. Äthylalkohol,
der bei - i o° unter einem Druck von 2,5 mm Quecksilbersäule verdampft, oder Methylalkohol,
welcher bei der gleichen Temperatur bei 15,5 - mm Quecksilbersäule verdampft;
oder Gasolin, das bei i 44 mm Quecksilbersäule rund gleicher Temperatur verdampft.
Selbst Wasser läßt sich für einen derartigen Prozeß verwenden. In der Zeichnung
ist in Abb. i die Gesamtanlage im Vertikalschnitt rein schematisch dargestellt.
Abb. z veranschaulicht den oberen Teil der Anlagen in Seitenansicht. In Abb. 3 ist
ein Schnitt nach Linie VIII-VIII der Abb. 2 dargestellt.
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In dem Falle, als der Betriebsstoff geeignet ist, auf Atmosphärendruck
komprimiert und kondensiert zu werden, braucht, wie in Abb. i dargestellt, weder
das Sammelgefäß i i noch der Kondensator gegen die Atmosphäre abgedichtet zu werden,
wodurch eben der Vorteil besonderer Billigkeit erreicht ist.
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Es kann in einzelnen Fällen, z. B. um unangenehme Geruchsbildung zu
vermeiden, zweckdienlich sein, die aus der Pumpe ausströmenden Dämpfe gegen den
freien Luftraum abzuschließen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der
Behälter i i ;gegen den freien Luftraum. durch eine Gasblase abgeschlossen wird.
Um die Ausführungsmöglichkeit zu erörtern, sei angeführt, daß z. B. die Dämpfe von
Äthylalkohol bei -- i o° C -und einem Druck von 2,5 mm Quecksilbersäule ein spezifisches
Volumen von 67 cbm pro Kilogramm besitzen. Es sind also bei einer Kältemaschine,
die 48o Kcal 'in 24 Stunden leisten soll, unter Berücksichtigung des Umstandes,
.daß die Verdampfungswärme von Äthylalkohol 24o Kcal pro Kilogramm beträgt, 2 kg
in 24 Stunden zu verdampfen oder i34cbm abzusaugen, das sind rund i oo 1 in der
Minute. Die Kompression eines so geringen Quantums auf i Atm. braucht nur einige
Zehntel. PS.
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Bevor das Verfahren in seiner Ausführungsform näher erläutert wird,
sei zunächst die zur Durchführung des Verfahrens dienende, in der Zeichnung (Abb.
i und 2) beispielsweise dargestellte Einrichtung-beschrieben, wobei das Verfahren
im Wesen darin besteht, - daß in die zu verdampfende Flüssigkeit ein Gas eingeleitet,
zusammen mit Flüssigkeitsdampf abgesaugt und auf den Druck der äußeren Luft gebracht
wird.
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Mit i ist das Gefäß zur Aufnahme der zu verdampfenden Flüssigkeit,,
mit 2 die zur Absaugung und Verdichtung des Luftdampfgemisches dienende Pumpe und
mit i i der Kondensatsammler bezeichnet. Das Verdampfergefäß i enthält das zu verdampfende
Mittel (flüchtige Stoffe, wie öle, Benzin, Äther, Methylalkohol u. dgl.). Von ihm
führt eine Leitung 4 zur Pumpe 2, von dieser eine Leitung 5 zum Kondensatsammler
i i.
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Der Erfindung gemäß wird in die zu verdampfende Flüssigkeit iein'gasförmiges
Mittel, vorzugsweise Luft, durch seine Drosselvorrichtung eingeleitet, welches zusammen
mit dem Dampf der Flüssigkeit abgesaugt und auf den Druck der Aiußenluft gebracht
wird.
An Stelle von Luft könnte auch z. B. Stickstoff oder Kohlensäure
zur Sicherung gegen Explosionsgefahr verwendet werden. Zu diesem Zweck ist eine
Leitung 2o für das einzuführende gasförmige Mittel vorgesehen. Diese Leitung führt
vom Kondensatsammler i i in das Verdampfergefäß und mündet nveckmäßig an einer tiefen
Stelle der Verdampferflüssigkeit. In die Verbindungsleitung 2o für die Zusatzluft
ist eine Drosselvorrichtung 23 mit einstellbarem Durchgangsquerschnitt eingebaut,
durch die der Druck der Zusatzluft vor Eintritt in die Verdampferflüssigkeitentsprechend
vermindert und die Menge der Luft geregelt wird.
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Die Drosselvorrichtung besitzt eine enge Bohrung, welche das Gasquantum
beschränkt, da es darauf ankommt, möglichst wenig Gas einzulassen, nur so viel,
rum i. die Flüssigkeit in Zirkulation zu erhalten, 2. die notwendige Verdampfungsoberfläche
durch die Luft bzw. Gasblasen zu schaffen, 3. die nicht von Flüssigkeit bespülte
innere Verdampferfläche zu bespritzen und dadurch so in Wirksamkeit zu versetzen,
wie wenn sie unter dem Flüssigkeitsspiegel läge, und r1. um die Pumpe durch die
Kompressionswärme so zu heizen, daß sie das geförderte Kältemittel nicht kondensiert,
was jede Wirkung der Pumpe aufheben würde. Ein Mehr an Gas oder Luft ist schädlich,
da diese Luft an sich an der Kälteerzeugung nicht Teil hat, sondern im Gegenteil
Pumpenleistung verzehrt, also auch theoretisch schädlich ist.
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In dem Verdampfergefäß i sind Mittel zur Verteilung der durch die
Verdampfung und eingeleitete Luft aufgeworfenen Flüssigkeit vorgesehen. Sie bestehen
z. B. aus Leitflächen und verfolgen den Zweck, den Verdampfungsprozeß zu beschleunigen
und die zu verdampfende Flüssigkeit in Zirkulation zu erhalten. Bei dem in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele werden die Leitflächen von der Umfläche eines
kegelförmigen oder pyramidenförmigen Körpers gebildet, der mit seiner Spitze in
die Verdampferflüssigkeit eintaucht. Die Zusatzluft wird unter dessen Spitze in
die Verdampferflüssigkeit eingeführt, d. h. die Leitung 2o mündet unterhalb der
Spitze des Kegels 25 aus. Der Kegel 25 ist hohl und oben offen. Um das Innere des
Kegels zu entleeren, ist an dessen Spitze ein Ablauf vorgesehen. An Stelle dieser
Verteilungsmittel können auch besondere Rührvorrichtungen im Verdampfergefäß vorgesehen
sein, welche die Verdampferflüssigkeit in Zirkulation versetzen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird in dem Verdampfer durch
das Aufwirbeln und den gegengestellten Leitkegel stets eine größere Oberfläche des
Verdampfergefäßes innen benetzt, als dem Flüssigkeitsstand entspricht. Auch wird
bei abnehmender Flüssigkeitsmenge die Kühlfläche nicht verkleinert, da jene Fläche
als Kühlfläche wirkt, welche innen benetzt ist. Die trockenen Dämpfe oberhalb der
Flüssigkeit würden rasch - eine höhere Temperatur annehmen als die der Flüssigkeit,
und damit die unbenetzte Kühlfläche ausschalten. Das Rohr 28, das in der Flüssigkeit
steht und in welches das Luftröhrchen 26 mündet, muß selbstverständlich vom Boden
etwas abstehen, um der Flüssigkeit Zutritt zu gestatten.
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Vom Kondensatsammler i i führt auch eine Leitung?, i in das
Verdampfergefäß i. Dieselbe ist von Hand oder selbsttätig durch ein Ventil i9 absperrbar
und dient zur periodischen Zurückleitung des Kondensats in den Verdampfer i. Der
Kondensatsammler steht unter Atmosphärendruck; zu diesem Zwecke ist eine Verbindung
27 mit der Außenluft vorgesehen.
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Die Pumpe 2 wird in bekannter Weise durch einen Motor 5o angetrieben.
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Als Pumpe wird zweckmäßig eine solche Pumpe verwendet, wie sie bei
Evakuierungsanlagen gebräuchlich ist, z. B. eine ölluftpumpe (nach dem Prinzip -
Gaede), bei der dem durchströmenden, zu evakuierenden Mittel noch Öl im zirkulierenden
Kreislauf zugesetzt wird.
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Dieses öl würde, solange die Pumpe eine niedere Temperatur hat, die
komprimierten Dämpfe kondensieren, so daß mit dem öl zugleich Verdampfungsflüssigkeit
in die Saugleitung der Pumpe eingeführt würde. Dies würde den Verdampfungsvorgang
verhindern und den Apparat wirkungslos machen. Um dies zu vermeiden, kann erfindungsgemäß
eine künstliche Beheizung der Pumpe erfolgen, wodurch die Kondensierung des Dampfes
in der Pumpe verhindert wird. Die Kondensierung erfolgt dann in dem Verbindungsrohr
5, welches deshalb ein Gefälle zum Gefäß hin aufweist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel wird die Beheizung der Pumpe durch die
eingeführte Zusatzluft erzielt. Die durch die Leitung 2o i an tiefer Stelle in die
Verdampferflüssigkeit eingeführte Zusatzluft durchzieht in Blasen die Verdampferflüssigkeit,
so daß sie als gesättigte Luft oben austritt. Die zusätzliche Luft dient i i. zum
mechanischen Bewegen der Flüssigkeit, d. h. zum Erzwingen eines vertikalen Temperaturausgleiches,
da die tiefen Flüssigkeitspartien unter höherem Druck stehen und ohne Zirkulation
auch einen höheren Siedepunkt i hätten, also höhere Temperatur annehmen würden,
z.
zur Beschleunigung des Verdampfungsprozesses, der ein Verdunstungsprozeß durch Schaffung
von genügender Oberfläche durch die aufsteigendem Luftblasen wird, 3. zur Benetzung
der sonst trockenen inneren Verdampferfläche und 4. schließlich, wie bereits erwähnt,
zur Beheizung der Pumpe, da die Luft bei der Verdichtung in der Pumpe erhitzt wird
und diese Wärme an die Pumpe abgibt. Auf diese Weise wird das Kondensieren der Dämpfe
in der Pumpe verhindert.
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Die von der Pumpe verdichtete Luft besitzt im Vergleich zu ihrem Zustand
im Verdampfer (vergrößertes Volumen infolge des dort herrschenden niedrigen Druckes)
nur geringe Aufnahmefähigkeit für Dampf, da ihr Volumen durch Verdichtung bei relativ
geringer Temperatur vermindert ist. Um die geringen, in der komprimierten Luft enthaltenen
Dämpfe und den damit verbundenen Substanzverlust zu verhindern, falls man diese
Luft entweichen ließe, und die gesamte Substanz wieder zu gewinnen, wird dasselbe
Luftquantum wieder als Zusatzluft im Kreislauf in den Verdampfer eingeführt.
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Es findet also neben dein periodischen Kreislauf der Kälteflüssigkeit
ein kontinuierlicher Kreislauf der Luft statt.
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Die dadurch hervorgerufene Verschlechterung der Leistung wird durch
den vollständigen Wiedergewinn der Verdampferflüssigkeit und die anderen angeführten
Vorteile aufgewogen.