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Absorptionskälteapparat mit indifferentem Gas -Die Erfindung betrifft
ein Kühlverfahren, welches sich wesentlich von dein Verfahren unterscheidet, auf
welchem die sog. Absorptionskühlapparate beruhen, die zur Zeit allgemein benutzt
werden.
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In den Absorptionsapparaten wird. das Kältemittel, Ammoniak gewöhnlich,
im gasigen Zustand durch Wasser absorbiert, während. nach dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung das gas- oder dampfförmige Kältemittel unmittelbar mit einem leichter
verflüssigbaren zweiten Fluidum vermischt wird. Die Mischung wird bei niederem Druck
kondensiert. .
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist wesentlich dadurch gekennzeichnet,
daß man von einer Mischung zweier flüssigbarer Gase oder zweier flüchtiger Flüssigkeiten
ausgeht, deren kritische Temperaturen wesentlich voneinander verschieden sind (z.
B. Schwefelsäureanhydrid und Kohlensäureanhydrid oder Wasser und Ammoniak oder Äthylalkohol
und Methylchlorid). Beide Fluiden werden dann voneinander getrennt; das weniger
verflüssigbare wird kondensiert, dann zur Erzeugung der Kälte verdampft, und zum
Schluß wird das weniger verflüssigbare in gasförmigem Zustand mit dem leichter verflüssigbaren
in Gas- oder Dampfzustand vermischt. Die Mischung beider Fluiden, in Gas- oder Dampfzustand,
wird in einen zweiten Kondensator geschickt, wo sie kondensiert wird, bevor sie
in den Arbeitskreis wieder zurückgeführt wird (Trennung der Fluiden der Mischung,
Kondensation ,des weniger -verflüssigbaren Fluidums usw.).
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Man erhält auf diese Weise die Kondensation der Mischung beider Fluiden
im Gas-oder Dampfzustand unter dem in dem Verdampfer herrschenden Druck und bei
der in der Rektifikationssäule herrschenden Temperatur. In der Rektifik-ationssäule
erfolgt hierauf die Trennung der beiden Fluiden vor der Kondensation des schwerer
verflüssigbaren Fluidums.
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Um beim Eintritt in den Verdampfungsapparat des schwerer verflüssigbaren
Fluidums den Druck in bezug auf den Kondensator herabzusetzen, in welchem die Kondensation
desselben stattgefunden hat, kann man entweder ein inertes Gas benutzen, welches
am Eintritt in den Verdampfer in den Kreislauf eingeleitet wird, oder es wird in
bekannter Weise am Eintritt des schwerer verflüss.igbaren Fluidums in den Verdampfer
ein Regelungsmittel angebracht und Mittel zum Zurückleiten der Mischung beider kondensierten
Fluiden -in die Rektifikationssäule vorgesehen, z. B. durch eine Pumpe, durch Höhenstandsunterschiede
u. dgl.
Zur Ausführung des Verfahrens sind eine große Anzahl von
Apparaten verwendbar.
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Sie beruhen. sämtlich auf der gemeinschaftlichen Anwendung einer Rektifikationssäule;
eines Kondensators für das erste Rektifikationsprodukt, eines Kühlverdampfers zur
Erzeugung der Kälte und eines zweiten Kondensators, in welchem die Mischung .der
ersten und letzten Rektifikationsprodukte kondensiert wird, worauf beide in die
Säule zurückgeleitet werden und aus dieser in den Kreislauf zurückkehren (Kondensation
des. Vorproduktes, Verdampfung desselben usw.).
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Es werden nachstehend zwei Ausführungsformen von Apparaten beschrieben,
die auf den beiliegenden Zeichnungen zur.Darstellung gelangt sind.
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Der Apparat nach Abb. i besteht aus der Rektifikationssäule i, an
deren unteres Ende sich ein Kessel 2 anschließt, der in beliebiger Weise erhitzt
wird. Der untere Teil :der Rektifikations.säule trägt Rührplatten-3, während in
dem oberen Teil flache Platten q. eingesetzt sind. In die Säule i wird behufs Trennung
eine Mischung aus zwei flüchtigen Flüssigkeiten oder aus verflüssigbaren Gasen verschiedener
kritischer Temperatur aufgegeben. Am oberen Ende der Rektifikationssäule tritt das
Vorprodukt (das schwerer verflüssigbare Fluidum) in das Rohr 5, wo ein Teil desselben,
behufs Rückkehr in die Rektifika.tionssäule, kondensiert wird, während der Rest
in den Kondensator 6 geht, verflüssigt wird und durch den Krümmer 7 in die Kühlschlange
8 fließt. In dieser verdampft derselbe in Gegenwart eines passenden inerten Gases.
Beim Austritt aus dem Schlangenrohr 8 Trifft die Mischung ,des schwerer vei-flüssigbaren
Fluidums (im Gaszustand) und des inerten Gases auf einen Strahl des aus dem Rohr
9 austretenden leicht verflüssigbaren Fluidums der Rektifikationssäule. Das Zusammentreffen
dieses gas- oder dampfförmigen Fluidums mit der Mischung des gasförmigen Vorproduktes-und
des inerten Gases setzt die Mischung in Zirkulation und erhöht den Druck der -Mischung
beider kondensierbarer Fluiden, indem der Druck des inerten Gases entsprechend herabgesetzt
wird.
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Die Mischung der drei Gase tritt in den Kondensator io, in welchem
sie sich bei sehr hoher Temperatur kondensiert. Die durch die Kondensation. der
kondensierbaren Fluiden dieserdreifächenMischung abgegebeneWärme wird zur Verdampfung
und Trennung der beiden Fluiden in der Rektifikationssäule benutzt, in welcher der
Kondensator io angebracht ist.
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Am oberen Ende des Kondensators io tritt die Mischung durch das Rohr
ii innen Kondensator 12 und wird darin endgültig kondensiert, während das inerte
Gas darin gekühlt wird. Mit diesem ist ein Teil des Kühlfluidums vermischt, welches
sich nicht kondensiert hat, und das inerte Gas kehrt unmittelbar in das Schlangenrohr
8 zurück, in welchem die Verdampfung der Kühlflüssigkeit, die durch den Krümmer
7 eintritt, erfolgt. Das sich am Boden des Kondensators 12 ansammelnde Kondensat
fließt durch den Krümmer 13 in den oberen Teil der RektiiiIationssäul:e i. Das im
unteren Teil des Kondensators io sich bildende Kondensat fließt durch den Krümmer
14 über die Rührplatten 3 der Rektifikationssäule i. Die Kondensatoren 6 und 12
für das Vorprodukt werden durch das von unten nach oben fließende Zirkulations-'
Wasser innerhalb des Mantels i5 gekühlt. Das Wasser tritt bei 16-ein und bei 17
aus.
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Wenn nötig kann man einen Temperaturaustauscher verwenden und das
leicht Verflüs"sigbare vor Eintritt in das Schlangenrohr 8 kühlen, um die hierbei
frei werdende Wärme zur Erhitzung der Gasmischung, die aus dem Kühler austritt,
vor ihrem Eintritt in den Kondensator io zu erwärmen. In dem Wärmeaustauscher bildet
sich ein überschuß an -Kondensat, den man unmittelbar durch einen Krümmer in, die
Rektifikationssäule zurückleitet.
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Der Kondensator io kann mit Einsatzplatten versehen werden, um das
Kondensat zurückzuhalten und es langsam mit den Gasen oder Dämpfen in Berührung
zu bringen, weiche in den Kondensator eintreten, um eine möglichst gute Wärmeübertragung
zu erzielen.
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In Abb.2 ist eine Ausführungsform des Apparates beschrieben, der in
derselben Weise arbeitet, sich von dem ersten Apparat aber dadurch unterscheidet,
daß er ausschließlich aus Schlangenrohren besteht, und daß die Kühlung der Kondensatoren
für das Vorprodukt durch Luft erfolgt.
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In dem Schlangenrohr i erfolgt die Rektifikation durch einfaches Herunterfließen
der Flüssigkeit, die Dämpfen und Gasen, welche nach oben steigen, begegnet. Das
Schlangenrohr ist so eingerichtet, daß eine Wirbelbewegung der Gase und Dämpfe und
damit eine möglichst innige Vermischung der flüssigen und gasigen Elemente stattfindet.
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Das Schlangenrohr endet in eine Glocke 18, die ihrerseits in den Kessel
2 eintaucht. Man erhält auf diese Weise den nötigen schwachen 'Überdruck, um den
Dampf des Nachproduktes bei 9 einzuspritzen, der entsprechend Abb. i durch die Rührplatten
3 der Rektifikationssäule erzeugt wurde.
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Der Kondensator 6 der Abb. 2 besteht aus i einem Schlangenrohr 6,
aus dem das Vorprodukt als Gas durch den Krümmer 7 in .die
Kühlschlange
8 übertritt. Beim Austritt aus dieser geht die Mischung der Fluriden durch die Kondensationsschlange
io, und das Kondensort tritt durch das Rohr i i in die Schlange 12, wo die Kondensation
endgültig erfolgt. Aus der Schlange i i kehrt das inerte Gas in das Schlangenrohr
8, während das Kondensat des Schlangenrohres 12 durch den Krümmer 13 in die Rektifikationsschlange
i -zurückkehrt. Die Kondensationsschlangen 6 und 12 werden unmittelbar durch Luft
gekühlt. Es können auch auf die Rohrschlangen Kühlrippen aufgesetzt werden, behufs
intensiverer Luftkühlung.
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Die Wiedergewinnung der Wärme. zwischen der Rektifikationsschlange
i und der Kondensationsschlange io kann durch Anbringung von Kontaktlötstellen i9
zwischen den Rohren beider Schlangen erfolgen.
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Selbstverständlich sind die oben beschriebenen Apparate nur beispielsweise
angeführt, da man eine große Anzahl von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens
verwenden kann. Im besonderen kann man alle bekannten Destillations- und Rektifikationssäulen
benutzen, ebenso Verdampfer, Kondensatoren usw.
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An Stelle des inerten Gases zum Ausgleich des Druckunterschiedes zwischen
dem Kondensator 6 und dem Schlangenrohr 5 kann man auf den Krümmer 7 ein passendes
Regelungsorgan aufsetzen und den Druck mittels einer Pumpe oder in anderer Weise
zur Rückleitung des flüssigen Kondensates in den Rektifikationsapparat erzeugen.
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Wird in dem Apparat ein inertes Gas nicht benutzt, so bleibt der Druck
der Mischung der Vor- und Nachprodukte der Rektifikation in dem Verdampfer derselbe,
und in diesem Falle entsteht keine Zirkulation zwischen dem zweiten Kondensator
io und dem Verdampfer (Schlangenrohr 8). Der zweite Kondensator ist in diesem Falle
oben geschlossen. Man kann das inerte Gas unter einem Druck zusetzen, welcher zwar
nicht genau den Gesamtdruckunterschied zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator
des Kühlfluidums ausgleicht, jedoch genügt, um die Unterschiede der Teildrücke zu
schaffen, die nötig sind, um dem zweiten Kondensator io die Mischung der Fluiden
bei hohen Temperaturen, die nach oben allmählich abnehmen, zu kondensieren, die
den erforderlichen Temperaturen zur Rektifikation und zur Trennung der Flüssigkeiten
entsprechen. Das Kondensat tritt in den Rektifikationsapparat wesentlich an Stellen
gleicher Temperatur.
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Beinahe sämtliche Erscheinungen, welche im Laufe der Durchführung
des Verfahrens auftreten, sind umkehrbar. Nicht umkehrbar sind die Diffusionserscheinungen
im Verdampfer und im zweiten Kondensator sowie die Erhitzung des in:erten Gases;
aber dessen Wärme kann mit Hilfe eines Temperaturaustauschers, der auf dem Gaskreis
aufgesetzt ist, wiedergewonnen werden. Die auf diese nicht umkehrbaren Erscheinungen
gegründeten Verluste sind vernachlässigbar im Vergleiche zu den Wärmemengen in ihrer
Gesamtheit.
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Das Verfahren gestattet eine theoretisch beinahe vollständige Umkehrbarkeit
in den Grenzen, die zur Übertragung der Wärme unter praktischen Bedingungen unbedingt
notwendig sind. Mit dem Verfahren erhält man annähernd den theoretischen Wert
Q0 bezeichnet die Wärmemenge, welche beim Verdampfen (kaltes Produkt) abgegeben
wird; Q, die Wärmemenge, die durch den Kessel geliefert wird; T2 die Kondensationstemperatur.
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Als numerisches Beispiel des vorliegenden Verfahrens, bei Anwendung
von Ammoniak und Wasser, kondensiert man das Ammoniak bei einer Temperatur von +
20' in .dem Kondensator 6 der- Abb. i und bei einem absoluten Druck entsprechend
8 kg pro cm2. Das Ammoniak geht in die Kühlschlange 8, trifft auf die Mischung des
inerten Gases und des Ammoniaks, welche mit einem Gesamtdruck von 8,6 kg pro cm2
eintritt, wovon 6,6 kg/cm2 auf das inerte Gas und 2 kg/em2 auf das Ammoniak kommen.
Das Ammoniak: beginnt mit einem Drück von 2 kg pro cm2, d. h. bei -2o°, zu verdampfen.
Seine Verdampfung ist bei -5' am Ende des Schlangenrohres 8 beendet, so daß
die Teildrücke der Mischung bei ihrem Austritt aus dem Schlangenrohr folgende sind:
3,6 kg pro cm2 für das Ammoniak und 5 kg pro em2 für das inerte Gas.
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Diese Mischung begegnet dem Wasserdampfstrahl, der bei 9 eingespritzt
wird. Ihre Zusammensetzung ändert sich entsprechend der Dampfmenge, die ' man -
einspritzt, und wird beispielsweise: 6 kg pro cm= (für Ammoniak 1,57 + Wasserdampf
4,13) und 2,6 kg pro cm2- (für das inerte Gas). Unter dieser Bedingung beginnt die
Verflüssigung des aus Ammoniak und Wasserdampf bestehenden Dampfgemisches in io
bei einer Temperatur von -f- 70 ° ungefähr und wird bei -:2o' in dem Kondensator
iz beendet. Das Kondensat besteht aus 45% Ammoniak und 55% Wasser mit einem Teildruck
von 2 kg pro cm' Dampf von i 0j0 Wasserdampf und 99010 Ammoniak.
Wenn
die Gasmischung durch einen Temperaturaustauscher hindurchgeht, wird sie auf Null
abgekühlt, bevor sie .in den Verdampfer 8 eintritt. Der Wasserdampf wird beinahe
vollständig kondensiert und reißt ungefähr q. Gewichtsteile Ammoniak mit.
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Zur Erleichterung der Kondensation des Ammoniaks kann man Wasserdampf
an mehreren Stellen des Kondensators statt an nur einer Stelle einspritzen. Man
erhält hierdurch die stärkste Kondensation und die höchste Wärmeabgabe. Man kann
auch beispielsweise einen Hilfseinlaß für das leichter verflüssigbare Fluidum in
Dampfform in dem Rohre ii anbringen statt nur einen Einlaß g (Abb. i).
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Verwendet man andere Substanzen als Wasser und Ammoniak, so erhält
man noch günstigere Resultate.
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Im Laufe der Rektifikation kann es notwendig werden, das Vorprodukt
vollkommen auszuscheiden, aber in demselben einen Teil des Nachproduktes zu belassen,
um die kritische Temperatur zu erhöhen und die Verflüssigung zu ermöglichen.