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Verfahren zur Herstellung fester Kohlensäure Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung fester Kohlensäure in dichten Blöcken so--wie auch
Gefrierzellen für diesen Zweck.
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Gemäß der Erfindung wird gasförmige Kohlensäure in eine Zelle bei
einen! Druck oberhalb des Tripelpunktdruckes eingeleitet,' während die innere Oberfläche
der Gefrierzelle durch äußere Kühlung auf einer Temperatur gehalten wird, die von
oben nach unten abnimmt, und zwar von einer Temperatur oberhalb der Gefriertemperatur
bis zu einer Temperatur, die unterhalb dieser liegt.
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Wenn Kohlensäure in den oberen Teil einer Gefrierzelle mit einer Temperatur
oberhalb des Verflüssig-ungspunktes und bei einem bruck oberhalb des Tripelpunktdruckes
eingeleitet wird und wenn die innere Oberfläche der Zellenwan-d auf einer Temperatur
unterhalb der Verflüssigungstemperatur, aber im oberen Teil oberhalb der Gefriertemperatur
gehalten wird, so kondensiert die Kohlensäure als Tau auf der Oberfläche der Zellenwand,
bildet Tropfen, fließt an der Wand herab und sammelt sich im unteren Teil. Wenn
nun überdies die Temperatur der Zellenwand im unteren Teil unterhalb der Gef ri-ertemperatur
liegt, so gefriert die sich samnielnde flüssige Kohlensäure zu einem dichten Eisblock,
also nicht etwa zu Schnee. Dadurch, daß man den Druckder Kohlensäure nur wenig oberhalb
des Tripelpunktdruckes hält, läßt sich der Unterschied zwischen der Verflüssigungstemperatur
und der Gefriertemperatur klein halten, im Maximum beispielsweise in der Größenordnung
von 5 bis 6'. Gegebenenfalls kann die Gefriertemperatur in solchem
Falle angenähert die Temperatur des Tripelpunktes sein.
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Das bekannte Verfahren zur Herstellung fester Kohlensäure, bei dem
hochkomprimierte Kephlens5,lire durch Expansion auf Gefriertemperatur abgekühlt
wird, liefert lediglich Kohl#ensäureschnee, aber kein zusammenhängendes Eis. Soweit
bereits vorgeschlagen wurde, flüssige Kohlensäure in Fermgefäßen zu sammeln und
bis zum Erstarren abzukühlen, führt auch dieses Verfahren nicht zu festen Eisblöcken.
Denn die starke Volumenabnahme der Kohlensäure beim Gefrieren läßt zahlreiche Poren,
Sprünge und größere Löcher im Eis entstehen. Kühlt man aber die gasförmige Kohlensäure
bei so niedrigem Druck auf Gefriertemperatur ab, daß sie aus dein gasförnrigen Aggregatzustand
unmittelbar in den festen Zustand-Übergeht, so entsteht ebenfalls nur Reif oder
Schnee, aber niemals ein fester Eisblock.
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Offensichtlich ist es bei der Erfindung zi
wesentlich,
daß die Gefrierzelle unten kälter ist als oben. Das ließe sich durch indirekte Kühlung
der Zelle mit Hilfe eines Alkoholbades erreichen, das seinerseits durch Kühlschlangen
gekühlt wird. Das würde jedoch, einen Temperaturabfall von 6 bis
8' C zwischen der Zelle und den Kühlschlangen erforderlich machen, uni eine
wirksame Wärmeableitung aus der Zelle zu gewährleisten. Bei den tiefen in Betracht
kommenden Temperaturen, beispielsweise - 570 C bis - 61'
C
ist einTemperaturabfall von 6 bis g' C offensichtlich unangebracht,
da man hierzu die Kühlschlangen auf einer extrem niedrigen Temperatur halten müßte,
was nicht nur zusätzliche Kosten verursacht, sondern auch schwer durchzuführen ist.
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Um den Tümperaturabfall zu vermeiden, der bei Kühlung der Zelle mit
Hilfe dieses Bades entsteht, kann man sie unmittelbar mit der Rohrschlange umgeben,
die das verdampfende Kältemittel enthält. Um jedoch bei einer derartigen Anordnung
die Gefrierzelle unten kälter zu halten als oben, was notwendig ist, um oben lediglich
eine Kondensation der Kohlensäure und unten das Gefrieren der flüssigen Kohlensäure
zu erzielen, ist es erforderlich, die S.augleitung unten an der Kühlschlange anzuschließen,
um dort die Verdampfung bei der geringeren Temperatur stattfinden zu lassen. Dadurch
entstehen Unterbrechungen in der durch das Kühlmittel benetzteil Oberfläche der
kohrschlange und als Folge davon eine ernste Beeinträchtigung der Wärmeableitung
von der Zelle. Überdies ist bei parallel geschalteten Rohrschlangen eine gleichmäßige
Strömung durch alle Rohrschlangen fast unmöglich.
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Andererseits kann die Stetigkeit der benetzten Oberfläche und damit
der Wärmeableitung aufrechterhalten und gleichmäßige Kühlung einer großen Anzahl
parallel geschalteter Zellen erzielt werden, indem manein flüssigkeitsgefülltes
System anwendet, bei dem das flüssige Kältemittel der Kühlschlange unten zugeleitet
und durch Ab-
saugen des Dampfes vom oberen Teil verdampft wird. Diese Anordnung
jedoch würde die Gefrierzelle oder Gefrierzellen oben kälter werden lassen als unten,
was den Erfordernissen widerspricht.
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Die oben beschriebenen Nachteile und Schwierigkeiten werden vermieden
bzw. überwunden, indem man zur Erzeugung dichten, Kohlensäureeises aus Kohlensäure
bei einem Druck- oberhalb des Tripelpunktes eine Zelle anwendet, die dadurch gekühlt
wird, daß sie unmittelbar mit einem ein Kälteinittel enthaltenden Kühlmantel versehen
wird, der in senkrecht übereinanderliegende, von einander getrennte Abschnitte unterteilt
ist.. deren jeder unten eine Zuleitung für das Kälternittel besitzt und deren jeder
oben eine Druckerniedrigung aufweist, derart, daß die inittlere Temperatur jedes
Abschnittes seiner `Höhenlage auf der Gefrierzelle entspricht und von Abschnitt
zu Abschnitt geringer ist äls die Temperatur des Abschnittes unmittelbar darüber.
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Bequeinerweise wird zweckmäßig das Kältomittel in jedem Abschnitt
des Kühlmantels nicht unmittelbar oben aus dem Ab.-schnitt abgesaugt, sondern gelangt
durch einen Cberlauf in den unteren Teil des nächsten darunterhegenden Abschnittes,
bis es den untersten Abschnitt erreicht hat, voll
dessen oberem Teil es dann
unmittelbar abgesaugt wird.
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Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Unterteilung des Kühlmantels
in übereinanderliegende Abschnitte läßt sich der Vorteil guter Wärmeleitfähigkeit
eines flüssigke,itsgefüllten Kühlmantels ausnutzen, ohne daß die damit verbundene
Eigentümlichkeit, daß jeder Abschnitt oben kälter ist als unten, eine Hemmung für
die Wirksamkeit wird, ,venn nur die Hölle jedes Abschnittes so bemessen wird, daß
die Temperaturdifferenz zwischen oben und unten gering ist.
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Wenn, wie es fast regelmäßig in der Praxis der Fall ist, die Kühlmäntel
der Zellen mit dem flüssigen Kältemittel in Parallelschaltung beschickt werden,
wird die Gleichmäßigkeit der Flüssigkeitsströme dadurch gewährleistet, daß die unteren
Teile aller Kühlmantelabschnitte sämtlicher Zellen in einer Höh,enla,ge miteinander
verbunden werden.
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jeder Kühlmantelabschnitt wird von dem Nachbarabschnitt vorzugsweise
durch einen kleinen vertikalen Zwischenraum getrennt, derart, daß zwar die Temperaturen
infolge Wärmeleitung längs der dazwischenliegenden Zellenwandung sich angleichen,
trotzdem aber nur ein geringer unmittelbarer Temperaturaustausch zwischen den Abschnitten
stattfindet. *
Die Höhe des obersten Kühlmantelabschnittes kann die der darunterliegendenAbschnitte
übersteigen, da eine gewisse Mindesegesamthöhe notwendig ist, um zu Anfang ein gleichmäßiges
Fließen flüssigen Kältetilittels und eine gleichmäßige Kühlwirkung des Flüssigkeitsniantels
in einer Mehrzahl von parallel geschalteten Zellen zu gewährleisten.
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In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel eine Gruppe von Zellen
dargestellt, die gemäß obiger Beschreibung mit Kühlmänteln versehen sind und von
denen nur die beiden vordersten sichtbar sind, während die übrigen durch sie verdeckt
sind.
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-Mit a sind die Zellen bezeichnet, in die gasförrnige Kohlensäure
bei einem nur wenig
Über dem Tripelpunkt liegenden Druck oben durch
ein Rohr b eingeleitet wird, von dein Abzwei,-u gen zu den verschiedenen
Zellen führen. Die n Abzweigungen sind einzeln mit Absperrhähnen c versehen. Statt
dessen kann auch ein einziger Absperrhalin für eine Gruppe von Zellen vorgesehen
werden.
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Die Zellen a sind unten durch abnehmbare Deckel d verschlossen.
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Die Wandung jeder Zelle ist durch drei übereinanderliegende, von einander
gWennte Kühlmäntel el, e*-, e3 umgeben.
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Flüssiges Kältemittel, wie z. B. flüssiges Ammoniak, wird durch ein
Rohrf über ein Regulierventil g zu den Abzweigrohren It ge-
leitet,
die mit dem unteren Teile eines jeden der oberen Kühlmäntel el verbunden sind.
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Rohre i verbinden den oberen Teil eines jeden der oberen Kühlmäntel
el mit dem unteren Teil des entsprechen-den mittleren Kühlmantels e. Die mittleren
Kühlmäntel sind unten außerdem durch Rohrej miteinander verbunden. In ähnlicher
Weise verbinden Rohre k den oberen Teil eines jeden der mittleren Kühlmäntel
el mit demunteren Teil der entsprechenden unteren Kühlmäntel el, die hier gleichfalls
untereinander verbunden sind, und z-war durch Rohrel.
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Die oberen Teile der unteren Kühlmäntel e' sind untereinander durch
Rohre m verbunden, und alle sind durch ein Rohr n an einen Raum besonders tiefen
Unterdruckes angeschlossen, wie solcher durch einen geeigneten Absorber einer Absorptionskältemaschine
gebildet Wild, die das flüssige Kältemittel durch das obenerwähnte Rohr
f zurückliefert.
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Zu Beginn des Befriebes oder zum Zwecke von Versuchen kann die gasf6rmige
Kohlensäure durch Rohre o, die mit Absperrhähnen p
versehen sind, abgeblasen
werden.
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Das flüssige Kältemittel überflutet die verschiedenen Kühlmäntel
e, e2, e3 und verdampft auch darin. Da jedoch bei der Verdampfung in den
oberen Kühlmänteln el und in den mittleren Kühlmänteln e2 der Druck der Flüssigkeitssäulen
des Kältetnittels in dem unteren Kühlmantel bzw. Kühlmänteln e` und e3 überwunden
werden Muß, muß in den Kühlmänteln el der Dampfdruck und damit auch die mittlere
Temperatur höher sein als in den Kühlmänteln e2 und ebenso, auch in den Kühlmänteln
e2 höher als in el. Die Temperatur in den Zellen a nimmt daher von oben nach unten
ab.
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Die Temperatur der Zellen wird dort, wo sie durch die oberen Kühlmäntel
el umgeben sind, etwas niedriger gemacht als die Verflüssigungstemperatur der Kohlensäure
bci einem etwas über dem Tripelpunkt liegenden Druck ist, so daß die Kohlensäure
sich dort als Tau an den Wänden der Zellen niederschlägt und schließlich in Tropfen
abwärts fließt. Die Temperaturen werden in den Zellen da, wo sie durch Kühlmäntel
e" und e3 umgeben sind, etwas niedriger gemacht als die Gefriertemperatur der Kohlensäure'
wodurch die Tropfen flüssiger Kohlensäure, die sich in diesem Teile sammeln, zu
einem Eisblock q gefrieren.
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Die Zwischenräume r zw1-schen den benachbarten Kühlmänteln el und
e', dgl. e-" und e3 reichen aus, um einen unmittelbaren Temperaturaustausch zwischen
den Kühlmänteln zu verhindern, während sie doch ausreichend kurz sind, um zu verhindern,
daß die Zellen in diesen Zwischenräumen zu warm werden.
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Bei einer Ausführungsform, die für Betrieb und Konstruktion als typisch
gelten kann, wird Kohlensäuregas oben in eine jede Zelle a. mit einem Druck von
6 atm. abs. eingeleitet. Eine Temperatur von - 56' C wird am Boden
eines jeden oberen Kühlmantels el eingehalten und, indem seine Höhe auf
750 mm bemessen wird, eine Temperatur von - 580 C oben, so
daß die mittlere Temperatur -57' C beträgt. In diesem oberen Teil der Zelle
ist der Wärmeübergang von der an den Wänden kondensierenden und herabfließenden
Kohlensäure wesentlich größer als in dem unteren - el Teil, und aus diesem
Grunde tritt eine lieftigere Gasentwicklurig in dem flüssigen Kältemittel ein, inf&Ige
deren der Temperaturabfall im Vergleich zu der Höhe geringer ist als in den tieferliegenden
Kühlmänteln. jeder mittlere Kühlmantel e2 hat bei einer Höhe von 450 mm eine Temperatur
von - 58' C unten und von - 6o1 C oben, somit eine mittlere
Temperatur von - 59' C. jeder untere Kühlmantel e3, ebenfalls 450 mm hoch,
hat eine Temperatur von - 6o" C unten und von - 62' C Oben,
somit eine mittlere Temperatur von - 6 1 ' C.
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Die obenerwähnten Temperaturen werden erreicht mit Kühlmänteln der
angegebenen Höhe, wenn die Kühlmäntel mit flüssigem Ammoniak mit dem spezifischen
Gewicht o,6 gefüllt werden, was die erforderlichen Flüssigkeitsdrucke ergibt, und
wenn ein Saugdruck von 2000 MM Wassersäule an dem Austrittsro#hr n angewendet wird.
Dieser Druck ergibt eine Temperatur von - 621 C
ob--n in den Kühlmänteln
e3. Die Zunahme des Druckes auf 2300 mm Wassersäule unten in den Kühlmänteln
e3 ergibt eine Temperatur von - 6o' C. Unten in den Kühlmänteln e'-'
stellt sich ein Druck von 26oo mm Wassersäule und eine Temperatur von
- 58' C ein, und unten in den Kühlmänteln el beträgt der Druck
3000 mm Wassersäule und die Temperatur - 56' C.
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Der Temperaturunterschied oben und unten in jedein 1,7,ülil,inantel
verringert sieh, wenn
die Men-c des verdampfenden Kält"#inittels
'2
irn Verhältnis zum Rauminhalt eines je(IL,1 Kühlmantels wächst.
Dies ist z. L'. bei Kühlmantein mit engern Querschnitt der Fall, weil dann die Schaumbilling
in den KÜhlmänteln größer wird und dadurch den Druck der Flüssigkeitssäule und die
Behinderung der Verdanipfung herabsetzt.