DE599302C - Verfahren zur Kaelteerzeugung mit Hilfe eines schaumfoermig umlaufenden Kaeltemittels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mit schaumförmig umlaufendem Kältemittel (Gasvolumen) arbeitendes Kälteerzeugungsverfahren, in dessen Betriebskreislauf zur Behebung der thermischen Nachteile des Schaumzustandes eine Rückkühlvorrichtung eingeschaltet ist.
Auf der beiliegenden Zeichnung zeigt
Abb. ι den bisher für Schaum-Kompressionskältemaschinen vorgeschlagenen Kältemittelkreislauf, während¹

Abb. 2 das der Erfindung zugrunde liegende neue Arbeitsschema wiedergibt.

Es ist bei Kältemaschinen vorgeschlagen worden, das umlaufende Kältemittel schaumförmig zur Anwendung zu bringen. Das Schaumerzeugungsmittel (d. h. die inkompressible, flüssige Phase) und das kälteerzeugende Mittel (d. h. die im Rahmen des ausgeführten Kreisprozesses kompressible, gasförmige Phase) können beliebig gewählt werden. Aus betriebstechnischen Gründen wird man eine möglichst haltbare, leicht bewegliche und gut schmierfähige Schaumemulsion verwenden. Chloräthyl gibt mit chloräthylgesättigtem Mineralöl bei Zusatz bewährter Schaummittel (wie z. B. Saponin, Eiweiß, Seife usw.) einen hervorragend beständigen und ausgezeichnet gleitfähigen Schaum. Er ist der nachstehenden Beschreibung beispielsweise zugrunde gelegt. An seine Stelle können fast alle aus Gasen und Flüssigkeiten schaumförmig möglichen Kombinationen treten, wobei durch Auswahl von SpezialÖlen bzw. durch Zusatz von leichten Kohlenwasserstoffen auch bei tiefer Temperatur eine ausreichende Schaumbeweglichkeit erreicht werden kann.

Das für Schaum-Kompressionskältemaschinen bisher in Aussicht genommene Arbeitsschema ist aus Abb. 1 ersichtlich. Durch eine Gasverdichtungsvorrichtung α, z.B. eine Zahnradpumpe, wird das schaumförmige Kältemittel verdichtet, in der Rohrschlange b abgekühlt und verflüssigt und darauf durch das Drosselventil c entspannt. Die hierbei auftretende negative Wärmetönung wird in einem geeignet geformten Apparateteil d als Kältewirkung ausgenutzt.

Dieser Arbeitsweise haften erhebliche Mängel an.

Schaumförmig aufgeteilt besitzt das umlaufende Kältemittel nämlich wesentlich andere thermische Eigenschaften als in reiner Gasgestalt, und zwar vornehmlich deshalb, weil der Unterschied zwischen Expansions- und Kompressionstemperatur wesentlich geringer ausfällt als bei Verwendung reiner Gase. Hierauf muß Rücksicht genommen werden, wenn die Schaumkompression mit Erfolg zur Kälteerzeugung ausgenutzt werden soll.

Eine kurze, mit annähernden Zahlenwerten belegte Gegenüberstellung läßt die bei einem schaumförmig umlaufenden Kältemittel eintretenden, wesentlich anders gearteten Druck- und Temperaturverhäknisse deutlich, erkenrten.

Für Chloräthyl beträgt die Verdampfungswärtne bei -—5° C beispielsweise etwa 93 kgcal pro 1 kg Gas. Saugt man r kg rein

2 /590

gasförmiges Chloräthyl bei — 5° C ab,, sj» läßt sich durch rein adiabatische Verdichtung theoretisch eine Höchsttemperatur von etwa 200° C bei einem Enddruck von etwa 6o kg/qcm erreichen. Auf Grund einer derart hohen Kompressionstemperatur-Steigerungsmöglichkeit bereitet die Abführung der Kompressionswärme keine Schwierigkeit. Sie kann durch geringe Kühlwassermengen erfol-

to gen. Bei Kleinaggregaten kann die umgebende Zimmerluft als Kühlmittel verwendet werden, mit deren Hilfe man auch im heißen Sommer Rohrschlangen und sonstige wärmeabgebende Flächen bis auf mindestens 50° C abkühlen kann.

Wesentlich anders jedoch liegen die Verhältnisse bei der Kompression eines Gasschaumes.

Bei 0,5 kg/qcm (— 5⁰ C Verdampfungstemperatur) nimmt gasförmiges Chloräthyl pro ι kg Gewicht einen Raum ,von etwa 7001 ein. Um diese Gasmenge in einen Schaum von brauchbarer und für Kälteerzeugungszwecke genügend betriebssicherer Konsistenz zu verwandeln (etwa 100 000 Schaumblasen pro ecm), sind bei 0,001mm ölschaumlamellendicke beispielsweise 10 1 = 9 kg Mineralöl erforderlich. Im Rahmen einer derartigen Schaumemulsion besitzt I kg Chloräthyl ein Betriebsgewicht von 9 + 1 = 10 kg. Da Chloräthyl in dem zu betrachtenden Intervall eine spezifische Wärme von durchschnittlich 0,35 besitzt (konstanter Druck) und Mineralöl eine solche von etwa 0,5 aufweist, nimmt der aus 1 kg Chloräthyl mit 9 kg Mineralöl erzeugte Schaum insgesamt: 9 X 0,5 + 0,35 = 4,85 kgcal pro i° Temperaturerhöhung auf.
Rechnet man die hier beispielsweise an-

^o genommene Schaumkonsistenz von 1 kg Chloräthyl/9 kg Mineralöl auf die Gewichtseinheit um, so besteht jedes Kilogramm des schaumförmig aufgeteilten Kältemittels aus 900 g Mineralöl und 100 g Chloräthyl. Hieraus er-

+5 gibt sich eine spezifische Wärme von 0,485 kgcal/kg Kälteschaum, welche zu 92,8 °/₀ durch die nichtkompressible flüssige Phase (Mineralöl) und nur zu 7,2 °/₀ durch das kälteerzeugende Gas (Chloräthyl) bedingt ist.

Das Volumen eines umlaufenden Kälteschaumes ändert sich im wesentlichen nur mit dem Dampfdruck der gasförmigen Phase. Bei einem Druck von 0,5 ata nimmt die aus 900 g Mineralöl und 100 g Chloräthyl zusammengesetzte Schaumemulsion ein Volumen von ι -f- 70 = 711 ein. Hieraus errechnet sich ein Raumgewicht von 14,9 kg/cbm Kälteschaum (0,5 ata) und eine spezifische Wärme von 14,9 X 0,485 = 7,23 kgcal/cbm Schaumemulsion bei 0,5 ata Dampfdruck der gasförmigen Schaumphase.

302 »

Diese ungewöhnlich hohe spezifische Wärme des Kältemittel bringt es mit sich, daß bis zur Gasverflüssigung bei der oben beispielsweise angenommenen Schaumart nur eine Temperatursteigerung um höchstens 93:0,485 = etwa 19° C erzielbar ist. In gleicher Weise ergibt sich bei der Schaumexpansion eine Temperaturerniedrigung von ebenfalls nur etwa 19⁰C. ,

Beginnt die Verdichtung des-Gasschaumes beispielsweise bei —5° C und 0,5 ata, so ist sein Gasinhalt bei 1,2 ata und 14⁰ C bereits völlig verflüssigt. Mag der außerordentlich geringe Verflüssigungsdruck von nur 1,2 kg/qcm hinsichtlich des Kraftverbrauches auch von Vorteil sein, die ■vv.enig hohe bzw. wenig tiefe Kompressions- bzw. Expansionstemperatur schaffen betriebstechnisch bedeutende Schwierigkeiten. Eine Kompressionstemperatur von nur 14⁰ C erschwert in außerordentlicher Weise die Abführung der Kompressions- und Gaskondensationswärme. Denn auf einem Temperaturniveau von 14⁰ C können unerwünschte Wärmemengen nur mit Hilfe von Kühlwasser abgeführt werden, das in reichlicher Menge und von sehr geringer Zulauftemperatur zur Anwendung gebracht werden muß. Die umgebende Zimmerluft kann in keiner Weise als Kühlmittel Verwendung finden.

Zur Behebung dieser Schwierigkeiten wird mit Schaumrückkühlung gearbeitet. Die Wirkungsweise einer derartigen Schaumrückkühlung, insbesondere Schaumgeigenstromrückkühlung, ist aus Abb. 2 der beiliegenden Zeichnung zu ersehen.

Die kälteerzeugende Schaummischung wird durch die Zahnradpumpe e in Richtung der eingezeichneten Pfeile umgetrieben. In der Rohrschlange f findet eine Kühlung mit Luft statt. Die beiden Rohrstücke g und h versinnbilden eineji Wärmeaustauscher;, der den Wärmeinhalt des komprimierten und verflüssigten Schaumgases auf die expandierte Schaummischung überträgt. Mit Hilfe eines Drosselventils ι erfolgt die Druckentspannung. Die bei der Expansion entstehende negative Wärmetönung wird im Apparateteil k ausgenutzt, worauf das Kältemittel in den Kreis- nc lauf zurückkehrt.

Mit Hilfe der vorgesehenen Luftkühlung wird in der Rohrschlange / das komprimierte Schaumgas beispielsweise bis auf etwa + 50⁰C abgekühlt. Durch Wärmeausgleich mit dem ablaufenden expandierten Schaum erniedrigt es seine Temperatur weiter bis auf + 2° C, während der entspannte Schaum sich am Ende der Gegenstromkühlung auf +46° C erwärmt hat. Bei der Gasverdichtung und -verflüssigung steigert er seine Temperatur auf etwa 65 ° C. Für die Abführung der Korn-

pressions- und Kondensationswärme steht also oberhalb von 50° C eine Temperaturdifferenz von 15⁰C zur Verfugung. Es läßc sich daher ohne Schwierigkeit mit gewöhnlicher Zimmerluft eine ausreichende Kühlung der Kompressionsschlange bewirken, was ohne Rückkühlung (vgl. Abb. 1) nicht möglich ist.

Die soeben erläuterte Schaumrückkühlung ist auch für wassergekühlte Kältemaschinen von Vorteil, denn es ist wirtschaftlich ein erheblicher Unterschied, ob eine bestimmte Wärmemenge auf hohem (65 bis 50° C) oder tiefem Temperaturniveau« (+ 14⁰ C) fortgenommen werden soll.

Die aus Abb. 2 ersichtlichen Temperatur-'zahlen sind nur Durchschnittswerte. Während des Betriebes stellt sich selbsttätig und fortlaufend ein thermodynamisches Gleichgewicht ein, wobei je nach Belastung und Außentemperatur die Abführung der überschüssigen Wärmemengen oberhalb oder unterhalb von +50⁰C erfolgen kann. In jedem Fall aber lassen sich mit Hilfe einer ausreichend dimensionierten Rückkühlvorrichtung die thermischen Nachteile der Schaumform überwinden, und zwar so gut, daß das zwischen flüssiger und gasförmiger Schaumphase nötige Mengenverhältnis technisch brauchbaren Zahlenwerten angepaßt werden kann.

Verwendet man zur Abführung der Kompressions- und Kondensationswärme Zimmerluft oder ähnlich temperierte Kühlmedien, so ist es von Bedeutung, daß die Schaumrückkühlung gemäß Abb. 2 im Gegenstrom erfolgt, da, wie bereits erwähnt, der kälteerzeugende Gasschaum infolge seiner ungewöhnlich hohen spezifischen Wärme bei der Druckentspannung eine nur geringe Temperaturerniedrigung erfährt.

Hat nach Maßgabe des gewählten Beispiels das schaumförmig umlaufende Kältemittel eine spezifische Wärme von 0,485 kgcal/kg Kälteschaum (= 0,1 kg Chloräthyl) und beginnt die Druckentspannung bei + 2° C, so sinkt bei einer nutzbaren Verdampfungswärme von 93 kgcal/kg Chloräthyl die Entspannungstemperatur bei Fortfall aller Verluste auf — 17⁰C. Je nach dem Lösungsvermögen und der Lösungs- bzw. Mischungswärme, welche die inkompressible, flüssige Schaumphase für die kompressible, aus dem Gaszustand verflüssigte Schaumphase aufbringt, kann sich diese Temperatur noch um weitere 2 bis 3 ° C, d. h. bis auf etwa — 20° C, erniedrigen.

Findet nun die Schaumrückkühlung nicht

im Gegen-, sondern im Gleichstrom statt, so würde in dem oben angenommenen Beispiel bei einem Rückkühlintervall von — 2 bis auf -f 50° C (vgl. Abb. 2) die Druckentspannung

ä^att' bei +2⁰C schon bei etwa + 24⁰ C beginnen müssen. Auch unter Berücksichtigung zusätzlicher Absorptionskälte kann man bei einem derart hohen Expansionsniveau nur eine tiefste Kältemitteltemperatur von etwa + 2⁰C erreichen, so daß von einer eigentlichen Kälteerzeugung nicht die Rede ist.

Wird der mit einem schaumförmig aufgeteilten Kältemittel arbeitende thermodynamische Kreisprozeß genauer verfolgt, so erkennt man, daß der Kälteschaum verschiedene Zustandsformen durchläuft. Direkt hinter dem Entspannungsventil ist er großblasig, teilweise werden die Schaumblasen bei der Gasentspannung sogar zerstört. Während der Kompression verkleinern sich die Schaumblasen immer mehr. ^: Schließlich kommt das kälteerzeugende Gas zur Verflüssigung. Hierbei geht die Schaumform in eine Emulsion über, bei der die einzelnen Schaumblasen als Flüssigkeitströpfchen im flüssigen Schaummittel suspendiert sind. Wenn infolge der zwischen Expansion und Kompression bestehenden Druckdifferenz die inkompressible, nichtkälteerzeugende, flüssige Schaumphase bei der Gasverdichtung ihr Lösungsvermögen für das verdichtete Kältegas erhöht, tritt die aus dem gasförmigen Schaumzustand hervorgehende Emulsion ganz oder teilweise in molekulardisperser Form, d. h. als echte Lösung, in Erscheinung. Eine derartige Zustandänderung vermag bei der Druckentspannung durch die Ausnutzung einer positiven Lösungs- oder Mischungswärme (Adsorptionswärme) zusätzliche Kältemengen zu liefern.

Der auf der Kompressionsseite des Kältemittelkreislaufes durch Druckerhöhung entstehende flüssig-flüssige Schaum (Emulsion) geht bei der Entspannung in einen gasförmig-flüssigen Schaum (echter Schaum) über und umgekehrt. Die bei der Verdichtung aus dem schaumförmig expandierten Kältegas entstehenden kolloid- oder molekulardispersen Emulsionen sind im Sinne der Erfindung dem schaumförmigem Zustand gleichzuachten. Auch bei ihnen muß zum Zweck einer nutzbaren Kältewirkung der Wärmeinhalt der beigemischten, in ihrem Volumen nicht veränderlichen und keine Kälte erzeugenden flüssigen Phase fortlaufend durch Rückkühlung, insbesondere Gegenstromrückkühlung, vom verdichteten auf das zu verdichtende Kältemittel übertragen werden.

Bei Gasverflüssigungsanlagen und auch bei mit reinen Gasen arbeitenden Kältemaschinen ist die Verwendung von Rückkühlern bekanntgeworden. Diese Rückkühl- bzw. Wärmeaustauschvorriehtungen haben jedoch eine ganz andere Aufgabe und Wirkung, welche darin besteht, für Spezialzwecke be-

sonders tiefe Kühltemperaturen zu erreichen. Bei normalen Kältemaschinen bringen sie keinen Vorteil.

Würde man z. B. in dem aus Abb. 2 ersichtliehen Beispiel, wo die Kompressions- und Kondensationswärme durch reine Luftkühlung abgeführt werden soll, mit reinem, nicht schaumförmig aufgeteiltem Kältegas arbeiten, so würde sich infolge der Rückkühlung durch ίο die geringe spezifische Wärme des ,Kältemittels eine unerwünscht hohe Kompressionstemperatur ergeben. Während auf der Saugseite aus dem gleichen Grunde die Expansionstemperatur so tief sinkt, daß zur schnellen und restlosen Verdampfung des Kältemittels ein allzu hohes Vakuum nötig ist.

Derartige Bedenken entfallen bei einer Rückkühlung, welche für schaumförmige Kältemittel zur Anwendung kommt. Hier, ao bleiben sowohl Kompressions- als auch Expansionstemperatur in einer insbesondere für Kleinkältemaschinen günstigen Grenze. Aus den beispielsweise mitgeteilten Zahlenwerten erkennt man des weiteren, daß überhaupt erst mit Hilfe der erfindungsgemäß beschriebenen Schaumrückkühlung die anderwärts bereits vorgeschlagene Kompression von Gasschäumen praktisch zur Kälteerzeugung ausgenutzt werden kann.

Für eine derartige Schaumrückkühlung ist der im eigentlichen Kältemittel, d.h. in der kompressiblen, gasförmigen Schaumphase, stattfindende Wärmeausgleich von ganz untergeordneter Bedeutung. Nur die nichtkälteerzeugende flüssige Phase, welche den überwiegenden Anteil, wie weiter oben nachgewiesen beispielsweise 92,8 °/₀, der umlaufenden thermischen Energie enthält, bedarf einer . Rückkühlung. Der darin vorhandene, störend hohe, dauernd umzuwälzende Wärmeballast muß aus dem eigentlichen thermodynamischen Kreisprozeß herausgenommen werden, wenn die bei der Druckentspannung der gasförmigen Schaumphase entstehende negative Wärmetönung auf tiefem Temperaturniveau als nutzbare Kältewirkung in Erscheinung treten soll.

Zur Erreichung dieses Zieles ist bisher vorgeschlagen worden, die Schaumemulsion vor der Druckentspannung in ihre Komponenten zu trennen, damit die Gasphase für sich allein kälteerzeugend entspannt werden kann. Einer . derartigen Arbeitsweise haften erhebliche Mängel an, denn die schnelle Zerstörung und einwandfreie Trennung eines Gasschaumes in seine beiden Komponenten bereitet große Schwierigkeiten. Sie gelingt nur durch hohe Zentrifugalkräfte, Sprühregen oder bedeutende Wärmezufuhr, was umfangreiche Nebeneinrichtungen erfordert oder den thermodynamischen Kreislauf empfindlich stört. Mechanisch völlig unmöglich wird eine derartige Schaumscheidung, wenn die beiden Schaumphasen sich bei der Verflüssigung ineinander lösen.

Die hier beschriebene Schaumrückkühlung, insbesondere Schaumgegenstromrückkühlung, überwindet diese Nachteile. Sie läßt die Schaumform bzw. die daraus hervorgehenden dispersen Zustände und ihre bedeutende, rein mechanische Energie (Oberflächenkräfte) unangetastet und überträgt nur ihren störend hohen Wärmeinhalt fortlaufend vom verdichteten auf das zu verdichtende Kältemittel. Zur Lösung dieser technisch bedeutsamen Aufgabe ist die als Allgemeingut der Technik bekannte Rückkühl- insbesondere Gegenstromrückkühlmethode bisher nicht verwendet oder irgendwie als naheliegend erkennbar beschrieben worden. Nur mit ihrer Hilfe steigt bei einem schaumförmigen Kältemittel die Kompressionstemperatur auf eine betriebstechnisch brauchbare Höhe, so daß in überraschender Weise die in der bisher bekannten Form völlig unbrauchbare Schaumkompressions-Kälteerzeugungsmethode nunmehr wirtschaftlich zur Kältelieferung ausgenutzt werden kann. Hiermit ergibt sich ein bemerkenswerter technischer Fortschritt, da nur mit Hilfe schaumförmig aufgeteilter Gase mechanisch einfache Kompressionsvorrichtungen, wie z. B. Zahnradpumpen, zur Kälteerzeugung verwendet werden können.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kälteerzeugung mit Hilfe eines schaumförmig umlaufenden Kältemittels, dadurch gekennzeichnet, daß der expandierte Gasschaum mit dem komprimierten, gegebenenfalls als Emulsion oder echte Lösung verflüssigten Gasschaum in Wärmeausgleich gesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausgleich zwischen expandiertem und komprimiertem Gasschaum im Gegenstrom erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen