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Eiserne Verdampferschlange für Kältemaschinen Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Einrichtung zur Tiefkühlung durch einen aus einer eisernen
Verdampferschlange bestehenden Verdampfer, bei dem die Kälteentziehung aus der Schlange
durch eine metallische Bekleidung erfolgt, deren Wärmeleitfähigkeit größer als die
des Eisens ist und bei dem die Bekleidung der Verdampferschlange zum Tragen von
Eiskästchen o. dgl. benutzt wird.
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Es ist bereits bekannt, in Kälteapparaten einen besonderen Tiefkühler
vorzusehen, der als ein weiterer Ausbau des eigentlichen Raumkühlers angeordnet
war. Um eine möglichst schnelle Tiefkühlung zu erreichen, hat man dabei den Tiefkühler
ganz oder teilweise isoliert, z. B. durch einen äußeren Mantel, der durch eine Luftschicht
von der Schlange getrennt war. Durch passende Bemessungen dieser Isolation konnte
bewirkt werden, daß die Kühlraumtemperatur nicht unerwünscht tief wurde, auch wenn
die Temperatur im Tiefkühler möglichst niedrig gehalten wurde. Für die Raumkühlung
war dabei meistens ein besonderer Raumkühler vorgesehen, der den Hauptteil der eigentlichen
Raumkühlung lieferte. Es sind aber, auch Apparate mit Ver dampferschlangen bekannt,
bei denen der Tiefkühler nicht isoliert ist, sondern einen bedeutenden Teil bzw.
den Gesamtbetrag der Raumkälte liefert. Besonders bei derartigen Tiefkühlern, bei
denen die Verdampferschlange zwecks einer verbesserten Kälteabgabe in einem Aluminiumkörper
eingegossen war, ließ sich aber eine passende Temperatur im Kühlraum nicht erreichen,
wenn man im Tiefkühler gleichzeitig eine sehr niedrige Temperatur halten wollte.
Man hat ferner vorgeschlagen, die Übertragung der Kälte auf die Eiskästchen durch
die Tragplatten selbst, die die Kästchen tragen sollen, zu bewirken, indem man die
Tragplatten aus Kupfer oder aus einem anderen Material herstellte., dessen Wärmeleitfähigkeit
größer ist als die des Eisens, wobei die Tragplatten durch Schweißen, Löten oder
Heißgalvanisierung an die Verdampferschlange befestigt wurden. Dieses Herstellungsverfahren
läßt sich.aber bei einer fabrikmäßigen Herstellung von Tiefkühlern nur mit großer
Schwierigkeit benutzen, indem eine erhebliche Genauigkeit in der Arbeit erforderlich
ist, um einen gleichmäßigen und einwandfreien Wärmeübergang zwischen der Verdampferschlange
und der Bekleidung zu erreichen.
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Gemäß der Erfindung läßt sich die Herstellung von Tiefkühlern erheblich
verbilligen, und zwar im wesentlichen dadurch, daß die eiserne Verdampferschlange
von einer gut wärmeleitenden (zweckmäßig kupfernen) Bekleidung umfaßt wird, die
auf der Schlange durch- beim Zusammenbau des Tiefkühlers hervorgerufene elastische
Kräfte im Bekleidungsmaterial gespannt gehalten wird.
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Die Erfindung soll unter Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen
näher beschrieben werden, wobei sich weitere kennzeichnende Merkmale ergeben werden.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel eines Tiefkühlers eines
mit Hilfsgas
arbeitenden Kälteapparates gezeigt, und zwar in Abb.
i von vorn und in Abb.2 von der Seite gesehen. Die Äbb. 3 zeigt verschiedene Einzelheiten
der Abb. i. Gleiche Teile jc ;s verschiedenen Abbildungen tragen die' chen Bezugszeichen.
. ..
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In den Abb. i und 2 ist mit 2 der als er'i&@' Schlange ausgebildete
Verdampfer bezeichnet, und zwar wird das flüssige Kältemittel oben durch das Rohr
3 (Abb. 2) eingeleitet und fließt unter allmählicher Verdampfung nach unten. Das
arme Gas tritt bei 4. ein und das reiche bei 5 aus. Das arme und reiche Gas werden
in einem Gastemperatur= Wechsler 6 in Wärmeaustausch miteinander gebracht. Die Verdampferschlange
ist derart geführt, daß die Vorderseite frei bleibt, wohingegen die Rückwand von
den Verbindungen zwischen den Rohrgliedern der beiden Seiten gekreuzt ist. Die genannten
Verbindungen sind gegen die Horizontalebene geneigt, um ein gleichmäßiges Fließen
bzw. Verteilung des flüssigen Kältemittels sicherzustellen. Die Schlange des Verdampfers
bildet also zwei gegenseitig verschobene Reihen von je vier Rohrgliedern 7 bzw.
8, die in jeder Reihe senkrecht übereinander angeordnet sind. Die Rohrglieder 7
sind durch je zwei zu Tragplatten g zusammengepreßten und durch Nieten 32 verbundenen
Einzelplatten io und ii mit je einem der Glieder 8 verbunden. Dadurch entstehen
also vier Fächer2o, von denen das unterste größer als die übrigen ist.
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Um unter anderem die Sauberhaltung des Kühlers zu erleichtern, ist
die Verdampferschlange Iraktisch vollständig in Doppelwandungen eingebaut, und zwar
ist sie durch eine aus herstellungstechnischen Gründen aus zwei Teilen 30, 31 zusammengebaute
Kappe nach außen abgeschirmt. Diese Kappe kann zweckmäßig als äußere Seiten-, Rück-
und Oberwand ausgebildet sein. Die Innenwände der Fächer bestehen je aus einer gebogenen
Platte, deren mittlerer Teil als Rückwand 12 und deren Endteile als Seitenwände
13 ausgebildet sind. Zwecks ihrer Befestigung sind sie mit Ansätzen versehen, die
zweckmäßig durch Biegung ihrer unteren und oberen Kanten hergestellt werden, wie
in den Abbildungen angedeutet ist. Die Ansätze können an die Platte g gelötet oder
genietet werden.
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Diese Einzelheiten sowie auch die Umbiegung der Platten io, ii sind
einschließlich der Befestigung der äußeren beiden Kappenteile 30, 31 durch sogenannte
Nürnberger Nieten 33 in Abb. 3 näher gezeigt. Die Kanten der beiden Platten io und
ii sind von oben bzw. von unten um die Rohrglieder 7 und .8 gebogen, so daß die
beiden Rohrglieder von den Plattenkanten praktisch vollständig umgriffen sind. Die
Nürnberger Nieten sind zweckmäßig derart ausgebildet und ange-Jracht, daß der Anlegedruck
der umgreifenrdI,l Teile dadurch vergrößert wird, d. h. so 4iäß ein einwandfreier
Wärmeübergang zwir"schen der Verdampferschlange und den Tragplatten durch die Spannungen
der Nieten 33 und 32 genügend zustande kommt. Wenn nötig, kann auch eine Nagelung
der Nürnberger Nieten an dem entsprechenden Rohrglied vorgesehen werden.
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Im Zusammenhang mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sei noch
folgendes bemerkt: Wie aus der Abb. i hervorseht, ist jede Tragplatte an zwei Seiten
um ein Rohrglied gebogen, so daß Kälte von zwei Seiten in Richtung nach der Mitte
der Tragplatte geleitet wird, wodurch der Kältestrom entsprechend verstärkt wird.
Das Verhältnis der Fläche einer Tragplatte zu der Gesamtfläche ihrer umgreifenden
Teile kann daher besonders klein gemacht werden, und zwar wesentlich kleiner als
bei den bereits bekannten mehrfachigen Tiefkühlern mit einem einzigen, einen rohrförmigen
Verdampfer umgreifenden Gußkörper. Es ist bereits vorgeschlagen, schlangenförmige
Verdampfer in Aluminium einzugießen und dadurch die Berührungsfläche zwischen Verdampfer
und Gußkörper zu verbessern. Auch wenn von den besonderen Herstellungsschwierigkeiten
abgesehen wird, bleibt noch die Schwierigkeit oder sogar Unmöglichkeit bestehen,
eine beschleunigte Tiefkühlung in einem Teil des Tiefkühlers zu erreichen, ohne
zu tiefe Temperaturen für den Kühlraum hervorzurufen. Gemäß der Erfindung ist es
dagegen möglich, einen Tiefkühler herzustellen ohne Verwendung von derartigen Gußkörpern,
und zwar ist es möglich, z. B. die Frierzeit, d. h. die Zeit, die erforderlich ist,
um wenigstens in einem Teil des Tiefkühlers Eis zu erzeugen, gleich niedrig zu halten
wie bei den Tiefkühlern mit eingegossenen Verdampferschlangen, und zwar in manchen
Fällen noch kleiner zu halten, ohne die Temperatur im Kühlraum unstatthaft niedrig
zu machen. Dieser Fortschritt läßt sich unter anderem daraus erklären, daß die Tragplatten
aus einem im Vergleich zu Eisen wesentlich besser wärmeleitenden Metall her.#-estellt
sind, sowie auch durch die Tatsache, daß der Anlegedruck und die Anlegeflächen trotz
der Verwendung von Blech oder blechartigen preß- und stanzbaren Plätten genügend
groß gemacht werden kann. Für den Anlegedruck hat die Nageleng 32, 33 eine grundlegende
Bedeutung. Erstens ist sie leicht durchführbar im Vergleich zu dem' Löten und Gießen,
zweitens ist ein in vielen Fällen verbesserter
Gesamtkälteübergang
durch diese einfachen Mittel erreichbar, während der Bau von Tiefkühlern für ein
in mäßiger Zeit durchführbares fabrikmäßiges Lötungsverfahren zu kompliziert ist.
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Obwohl die Verwendung von zwei Einzelplatten für den Aufbau der Tragplatte
nebst ihren umgreifenden Teilen u. a. aus Herstellungsgründen besonders günstig
ist, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Tragplatten'können nämlich auch
aus einer Einzelplatte 'bestehen, deren Dicke dann entsprechend groß zu wählen ist.
Die Platte kann um die Rohrglieder gebogen werden, wobei es sich empfiehlt, die
Umbiegung vollständig zu machen, so daß die Kante durch eine den Nieten
32 (Abb. 3) entsprechende N agelung befestigt werden kann, und zwar unter
Erzeugung eines genügend großen Anlegedrucks. Für die Befestigung der beiden Kappenteile
30, 3 i können in diesem Falle aus der Platte Zungen ausgestanzt werden,. die für
die Nagelung nach Nürnberger Art verwendet werden können. Diese Zungen dienen wie
auch die Zungen der im Zusammenhang mit der Beschreibung der Abb. i bis 3 erwähnten
Nürnberger Nieten auch der Kälteübertragung nach dem zu kühlenden Raum. Dies soll
später weiter erörtert werden.
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Mit Rücksicht darauf, daß der Tiefkühler meistens zur Eisherstellung
dient und daher dein Einfluß von Wasser ausgesetzt ist, droht die Gefahr von Korrosion,
und zwar besonders bei der Verwendung von Kupfer, das in Kontakt mit Eisen oder
Stahl gebracht ist. Gemäß der Erfindung kann diese Gefahr dadurch beseitigt werden,
daß die gefährdeten Flächen mit einem Überzug aus Zink, Zinn oder einem anderen
geeigneten Metall versehen sind.
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Wie aus der Abb. i hervorgeht, liegen je zwei mit einer Tragplatte
verbundene Rohrglieder in verschiedener Horizontalebene. In manchen Fällen kann
der Verdampfer zwar derart gebaut werden, daß dieselben in gleicher Höhe liegen,
wodurch ihre gegenseitige Verbindung durch die Tragplatten einfacher wird. Es empfiehlt
sich aber, die Verbindungen an der Rückwand geneigt und dadurch die seitlichen Schlangenteile
verschieden hoch anzuordnen, um durch gute Verteilung des Kältemittels eine einwandfreie
Verdampfung sicherzustellen. Dabei ist es aber notwendig, die Umbiegung der entsprechenden
Plattenteile derart durchzuführen, daß die Tragplatten horizontal bleiben. Gemäß
der Erfindung kann dies dadurch erreicht werden, daß die die Rohrglieder umgreifenden
Teile der Einzelplatten um verschieden große 11'inkel die Rohrglieder umgreifen,
d. h. verschieden großen Sektorwinkeln eines Kreisels entsprechen. ' Dies geht besonders
deutlich aus der Abb. 3 hervor. Hier ist z. B. die obere Einzelplatte io links um
dieTiefe a eingepreßt und rechts um die Tiefe b. Die untere Platte i i ist links
um die Tiefe b und rechts um dieTiefe a eingepreßt. Die Summe der beiden Größen
a, und b ist praktisch dem Durchmesser des -Rohrgliedes gleich. Die Platten io und
i i sind also gleicher Raumform. Durch diese Anordnung und Ausführung der Einzelplatten
ist es möglich, sowohl die oberen Platten io als auch die unteren Platten i i aus
gleichen Rauhstücken zu stanzen bzw. zu pressen, und zwar unter Verwendung nur eines
Stanz- bzw. Preßwerkzeuges herzustellen. Dies bedeutet für den Fabrikbetrieb große
Vorteile. Es empfiehlt sich, bei der Wahl der Neigung der hinteren Schlangenteile
darauf zu achten, daß die obere tangentiale Horizontalebene des unteren zu einer
Tragplatte gehörenden Rohrgliedes mindestens ebenso hoch wie die untere tangentiale
Horizontalebene des. zugehörenden oberen Rohrgliedes gelegt wird.
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Bei der Herstellung des Tiefkühlers ist es zweckmäßig, nach dem folgenden
Verfahren gemäß der Erfindung zu arbeiten: Die Tieftemperaturschlange und der Gastemperaturwechsler
werden zusammengesetzt und mit Druckluft auf Dichte geprüft. Danach werden sie heiß
galvanisiert. Die kupfernen Tragplatten sowie auch die beiden Teile der Stahlkappe
30, 31, die auch schon galvanisiert sind, werden dann angebracht und genagelt, wonach
die innere Bekleidung, d. h. die Seiten- und Rückwände 12, _ 13, eingesetzt
und gegebenenfalls festgelötet oder gepreßt werden. Der ganze Tiefkühler wird danach
noch einmal galvanisiert, wodurch gegebenenfalls vorhandene Zwischenräume mit Metall
gefüllt bzw. geschlossen werden. Diese Füllung kann für eine gute Anlegung der Nürnberger
Nieten gegen die Außenkappe eine große Bedeutung haben.
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Statt einer Zinkschicht kann man einen galvanischen Überzug von Chrom
oder Cadmium und darauf eine beliebig aufgebrachte Schutzschicht von beispielsweise
Zinn anbringen oder auch statt einer oder beider Schichten einen Überzug aus Wärme
gut leitendem, streichbarem Material, z. B. Aluminiumbronze. Das letztere eignet
sich besonders für den Überzug der Schlange, wo es als Füllmasse zwischen diesem
und der Bekleidung das Zink der Nachgalvanisierung ersetzen kann.
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Der derart hergestellte Tiefkühler ist leicht mit Wasser zu reinigen
und wegen der allmählichen Verdampfung des Kältemittels und der Ausnutzung der stufenweisen
Verdampfung
für schnelle Eisfrierung besonders geeignet. Die Tatsache,
daß die Wandungen nicht aus Gußkörpern, sondern aus verhältni§-mäßig dünnen, Wärme
nur mäßig leitenden Stahlplatten angefertigt sind, kann hierbei entscheidende Bedeutung
haben. Es ist bereits bekannt, die stufenweise Verdampfung für die Ausbildung eines
besonderen Raumkühlers und eines besonderen Tiefkühlers in mit Hilfsgas arbeitenden
Kälteapparaten auszunutzen. Gemäß der Erfindung kann der Vorgang stufenweiser Verdampfung
noch weiter ausgenutzt werden, um in einem Teil des Tiefkühlers eine beschleunigte
Tiefkühlung erhältlich zu machen, zweckmäßig unter gleichzeitiger Ausnutzung des
Gesamttiefkühlers als Hauptraumkühler bzw. als einziger Raumkühler. - In manchen
Fällen kann nämlich sogar der bisher angeordnete besondere Raumkühler entbehrt werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung für die Verwenäung eines Tiefkühlers gleichzeitig
als Raumkühler gründet sich im wesentlichen darauf, daß die Übertragung von Kälte
nach dem zu kühlenden Raum zu der Kälteübertragung auf die Tragplatten in ein geeignetes
Verhältnis zueinander gebracht werden. Es hat sich ergeben, daß für die praktische
Durchführung dieses für den Aufbau und für die Arbeitsweise der Gesamtkälteanlage
grundlegenden Gedankens der Bau und die Ausbildung des Tiefkühlers von grundlegender
Bedeutung ist. Schon bei in Aluminium eingegossenen Schlangenverdampfern sind die
gekühlten Wandungen des Tiefkühlers verhältnismäßig groß und konnten eine bei normalem
Betrieb genügende, bei beschleunigter Tiefkühlung aber viel zu große Kältemenge
an den Raum übermitteln. Bei einer derartigen Einrichtung ist es daher erstens kaum
möglich, ein geeignetes Verhältnis zwischen der an den Raum überführten und der
an die Eiskästchen überführten Kältemenge zu bestimmen, zweitens war es, wie schon
erwähnt, nicht möglich, die stufenweise Verdampfung für eine Teilbeschleunigung
der Tiefkühlung auszunutzen. Der ersterwähnte Nachteil kann zwar teilweise durch
eine mehr oder weniger hochgradige Isolierung des Tiefkühlers beseitigt werden,
wobei eine Isolation zu nehmen ist, die gegen das am Tiefkühler sich dann und wann
kondensierende Wasser genügend beständig ist.
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Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung werden diese Schwierigkeiten
überwunden. Für diesen Zweck eignen sich besonders die kupfernen Nürnberger Nieten,
und zwar durch die Möglichkeit, ihre Anzahl und/oder Größe entsprechend zu bestimmen.
Die Kälteübertragung nach außen ist nämlich von den herausragenden Teilen der Nürnberger
Nieten zu einem wesentlichen Grad abhängig, u. a. wegen des großen Unterschiedes
zwischen den Wärmeleitfähigkeiten der beiden Metalle (Kupfer und Stahl). Es läßt
sich infolgedessen leicht ein für bestimmte normale Betriebsverhältnisse geeigneter
Betrag der Kälteübertragung nach außen erreichen. Durch die Schlußbehandlung des
Gesamttiefkühlers durch überziehung mit Metall, wie Zink oder Zinn, werden die Übergangswiderstände
für die Kälte zwischen den herausragenden, gegen die Außenwand gedrückten Teile
der Nürnberger Nieten genügend klein und beständig. Eine derart einfach erreichte
Bemessung der Kälteübertragung an die Raumluft des Kühlschranks hat eine große Bedeutung
u. a. dadurch, daß mit sehr geringen Abänderungen des betreffenden Werkzeugs, z.
B. des Stanz- oder Preßwerkzeugs, die Herstellung von Tiefkühlern, die unter den
verschiedensten -Verhältnissen arbeiten . sollen, mit diesem Werkzeug erfolgen kann.
Es ist klar, daß für Kälteanlagen, die in den gemäßigten Zonen arbeiten sollen,
ein anderer Betrag der Kälteübertragung gewählt werden muß als für Anlagen, die
für die Tropen bestimmt sind. Auch für beschleunigte partiale Tiefkühlung eignet
sich die Einrichtung nach der Erfindung, und zwar sind die Vorteile bedeutend. Die
Erfindung kann nämlich als ein Verfahren bezeichnet werden, bei dem die aus einer
Verdampferschlange durch die Bekleidung entzogene Kälte in Hauptkälteströme geteilt
wird, von denen einer in das Gebiet der Raumkühlung und einer in das der Tiefkühlung
geführt wird, wobei diese Gebiete durch ein sog. neutrales Gebiet wesentlich geringerer
Kälteleitung voneinander getrennt sind. Durch dieses Verfahren wird die unerwünschte
gegenseitige Kälteübertragung zwischen verschiedenen Schlangenteilen, besonders
solchen, die verschiedenen Fächern zugehören, in einem bisher nicht erreichten Grad
verhindert. Die im kältemitteldampfarmen Gebiet eines mit Hilfsgas arbeitenden Kälteapparates
erfolgende beschleunigte Verdampfung kann daher für eine zu diesem Gebiet beschränkte
beschleunigte Tiefkühlung (Schnellkühlung) verwertet werden, indem die erzeugte
Kälte nur in mäßigem, Grad fortgeleitet wird. Wie nämlich aus der Abb. z hervorgeht
und schon angedeutet ist, können die äußeren Seitenwände 3o, 31 aus dünnen Stah11ilechen
angefertigt und also für eine sehr mäßige Kälteleitung gemessen werden. Auch die
Innenwände können aus gleichem Material gemacht werden. Bekanntlich ist die Leitfähigkeit
der Luft so gering, daß die in der Wandung eingeschlossene Luft als Leiter für die
Kälte vernachlässigt werden kann. Für die Beschleunigung der Tiefkühlung kann es
auch
zweckmäßig sein, die Anzahl bzw. Bemessungen der zu dem erwähnten
Gebiet gehörenden Nürnberger Nieten derart zu bestimmen, daß die Kälteentziehung
aus diesem Gebiet für die Raumkühlung kleiner wird als für die. der übrigen Teile
des Tiefkühlers.