-
Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte -Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Erzeugen von Kälte mittels in einer Düse entspannter und einen Wärmeaustauscher
durchströmender Luft.
-
Es ist bereits mehrfach vorgeschlagen worden, Kälte dadurch zu erzeugen,
daß man einen Luftstrom in einer Düse. entspannt und mit der dadurch erlangten niedrigen
Temperatur durch einen hinter der Düse angeordneten Wärmeaustauscher leitet, in
dem der Luftstrom aus der wärmeren Umgebung Wärme aufnehmen, d. h. Nutzkälte abgeben
kann. Betrachtet man den Betriebsvorgang als verlustfrei, so scheint für die Kälteleistung
das gesamte Temperaturgefälle zwischen der den Wärmeaustauscher durchströmenden
Luft und der Umgebung zur Verfügung zu stehen.
-
Bei diesen Vorschlägen war aber nicht berücksichtigt worden, daß sich
in Wirklichkeit im Wärmeaustauscher eine ganz ungewöhnliche Widerstandsarbeit ergeben
würde, weil der Luftstrom infolge der Entspannung schon bei geringem Druckunterschied
eine hohe, -in technischen Gasleitungen nicht übliche Geschwindigkeit von einigen
hundert Metern in der Sekunde erlangt und zur Ausbeutung des gesamten, durch die
Eptspannüng erlangten Temperaturgefälles den Wärmeaustauscher mit dieser Geschwindigkeit
durchströmen müßte, wobei die Durchgangsquerschnitte des Wärmeaustauschers nicht
größer sein dürfen als der Austrittsquerschnitt der Düse. Da die Widerstandsarbeit
bekänntlich mit der Verengung `und Länge der Leitung und dem Quadrat der Gasgeschwindigkeit
zunimmt, so ist eine er= hebliche oder sogar vollständige Vernichtung der erzeugten
Kälte durch die Widerstandsarbeit zu erwarten.
-
Hält man zur-Vermeidung dieser schäd= lichen Widerstandsarbeit- den
Durchgangsquerschnitt des Wärmeaustauschers größer als den Austrittsquerschnitt
- der Düse, so breitet sich der aus der Düse tretende Luftstrahl im Wärmeaustauscher
aus: Abb: z' zeigt den Geschwindigkeitsverlauf in- einem aus dem Gefäß a ausströmenden
Luftstrahl, wobei als Abszissen die Entfernungen von der Mündungsebene und als Ordinaten
die Geschwindigkeiten aufgetragen - sind: - Die
obere Kurve zeigt
den Geschwindigkeitsverlauf bei einem Mündungsdruck, der höher ist als der Außendruck.
Die untere Kurve zeigt den Verlauf bei einem Mündungsdruck, der nicht höher als
der Außendruck ist. Es ist ersichtlich, daß im ersten Falle hinter der Mündungsebene
eine Zunahme der Geschwindigkeit eintritt. Beide Geschwindigkeitskurven fallen aber
in geringem Abstand von der Mündungsebene des Gefäßes a steil ab. Es wird mithin
Bewegungsenergie der strömenden Luft in Wärmeinhalt umgesetzt, d. h., es steigt
die Temperatur des Luftstrahles entsprechend. Mithin scheint diese Anordnung selbst
bei reibungsfreiem Verlauf, der in Wirklichkeit nicht vorhanden ist, zur Erzeugung
einer den Leistungsaufwand eines Verdichters rechtfertigenden Kälteleistung nicht
geeignet.
-
Die mit den bekannten Vorschlägen verbundenen, dargelegten Schwierigkeiten
würden sich noch vergrößern, wenn man die bekannten Verfahren und Vorrichtungen
für Kleinkälteanlagen, z. B. Kühlschränke, verwenden wollte, bei denen mittels Verdichtern
kleiner Leistung nur mit kleinen Betriebsluftmengen gearbeitet werden kann, und
der Wärmeaustauscher daher ganz ungewöhnlich enge Durchgangsquerschnitte haben müßte.
-
Demgegenüber besteht die Erfindung darin, daß die Entspannungsdüse
selbst als Wärmeaustausches ausgebildet ist.
-
Dadurch erübrigt sich die Anordnung eines besonderen Wärmeaustauschers
hinter der Düse, und mithin entfallen die dargelegten Schwierigkeiten, die die bekannten
Anordnungen mit sich bringen. Für die Kälteleistung wird das bereits in der Düse
vorhandene Temperaturgefälle nutzbar gemacht, dessen Ausnützung bei den bekannten
Vorschlägen nicht vorgesehen-ist.
-
Außerdem wird erfindungsgemäß der erste Teil der an die Entspannungsdüse
anschließenden Austrittsleitung als Wärmeaustausches ausgebildet. In diesem kann
durch Erweiterung über den Austrittsquerschnitt der Düse nach außen übertragenen
Nutzkälte noch ein Temperaturgefälle ausgebeutet werden.
-
Wenn die Vorrichtung in der üblichen Weise mit einem wärmeisolierten,
den Wärmeaustauscher aufnehmenden Kühlraum versehen wird, ergibt sich durch die
Erfindung, daß die Düse sich nicht mehr wie bisher außerhalb des Kühlraumes, sondern
in diesem befindet. Infolgedessen kann man nunmehr die Betriebsluft in weiten, d.
h. über den Austrittsquerschnitt der Düse erweiterten Rohren durch den Kühlraum
leiten und dadurch die Widerstandsarbeit in den Zu- und Abflußrohren niedrig halten.
Erfindungsgemäß werden die in den Kühlraum eingeführten weiten Zu- und Abflugrohre
für den Wärmeaustauscher gegen diesen und den Kühlraum wärmeisoliert. Dadurch wird
vermieden, daß die in diesen Rohren geringe Geschwindigkeit und daher höhere Temperatur
aufweisende Betriebsluft den Kühlraum erwärmt und Wärmeströmungen innerhalb der
Bauteile einen Temperaturausgleich zwischen derDüse und den Zu- und Abflußrohren
bewirken. Die Einschaltung wärmeisolierender Körper .in wärmeleitende Wände zur
Unterbindung sogenannter Querströme ist bekannt.
-
In bekannter Weise -kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Verdichter
betrieben werden, wobei dem Druckluftstrom vor der Entspannung die Kompressionswärme
entzogen wird. In der bei der sogenannten offenen Luftkältetnaschine bekannten Weise
wird die Luft erfindungsgemäß gegen den atmosphärischen Druck entspannt und strömt
nach der Wärmeaufnahme in die Atmosphäre aus. Dadurch wird Bau und Betrieb der Vorrichtung
sehr einfach, was namentlich für Kleinkältemaschinen von Bedeutung ist.
-
Schließlich besteht die Erfindung noch darin, daß bei geringem Druckunterschied
die Entspannung in einem zylindrischen Rohr erfolgt, das sich den Zu- und Abflußrohren
mit abgerundeten _ Übergängen anschließt. Diese Anordnung ist baulich einfacher
als die Verwendung einer konvergenten Düse und kann bei geringem Entspannungsverhältnis
benutzt werden, weil bei diesem der Zuwachs der Luftgeschwindigkeit und mithin der
Widerstandsarbeit nicht erheblich ist.
-
Der Gegenstand der Erfindung ist auf der Zeichnung in Abb. 2 in einem
senkrechten ,Schnitt unter Weglassung unwesentlicher Einzelheiten beispielsweise
in der Anwendung auf einen Kühlschrank dargestellt.
-
Ein von.einem Elektromotor r angetriebener, mit einem Ventilator?,
ausgerüsteter, luftgekühlter Verdichter 3 saugt aus der freien Atmosphäre Luft an
und drückt diese durch einen als Kühler ausgebildeten Windkessel q.. In diesem wird
ein bestimmter, mittels Überdruckventil regelbarer Überdruck hergestellt. Aus dem
Kühler strömt die Luft durch ein weites Leitungsstück 5 einer Düse 6 zu und gelangt
aus dieser durch ein weites Leitungsstück 7 in die freie Atmosphäre. Die Düse 6
befindet sich - im Kühlraum eines Kühlschrankes 8, auf dem der Maschinensatz aufgebaut
ist.
-
In der. Düse soll eine Expansionsströmung hergestellt werden. Zu diesem
Zweck ist die Düse zwischen" den - Ebenen A-A und B-B konvergent ausgebildet. Die
Zuleitung 5 hält man zur Verminderüng-derWiderßfandsarbeit zweckmäßig so weit; däß
die Lüftgeschwindigkeit in -ihr nur einige m,/#s beträgt. Im könvergenten
Teil
der Düse 6 wird die Luft nach Maßgabe der Querschnittsverengung stark beschleunigt,
wobei der Druck des strömenden Gases polytropisch abnimmt. In dem in der Ebene B-B
liegenden engsten Düsenquerschnitt stellt sich der äußere atmosphärische oder ein
höherer Druck ein, je nachdem, ob das Verhältnis des äußeren Druckes, d. h. des
Druckes hinter der Düse, zum Druck- vor der Düse größer oder kleiner ist als das
kritische Druckverhältnis (für Luft adiabatisch o,530). Im letzten Falle wird hinter
der konvergenten Düse ein divergenter Düsenteil nach Art einer Lavaldüse so vorgesehen,
daß in diesem die Entspannung bis auf den Außendruck erfolgt.
-
Die der Düse zuströmende Luft wird vor der Entspannung in der bei
Luftkältemaschinen, üblichen Weise bis ungefähr auf die Außentemperatur abgekühlt,
und zwar durch Luftkühlung des Verdichters und Windkessels. Infolge der Entspannung
ergibt sich daher längs der Düse ein bedeutender Temperaturabfall unter die Außentemperatur,
so daß Wärme vom Kühlraum auf den Luftstrom übergeht. Um den zum Kühlhalten des
Kühlraumes erforderlichen Wärmeaustausch herbeizuführen, wird die Düse durch Vergrößerung
ihrer Oberfläche mittels Rippen 9 oder durch wärmeleitende Verbindung mit der meist
metallischen Innenwand des Kühlraumes als Wärmeausstrahler ausgebildet, Auf der
Innenseite der Düse ist die Wärmeüber-. gangszahl wegen der hohen Luftgeschwindigkeit
sehr groß, .so daß die kleine -Innenfläche für den erforderlichen .Wärmeaustausch
genügt.
-
Die Ausbildung der Düse als Wärmeaustauscher ermöglicht es, die Luft
vor und hinter der Düse auch innerhalb des Kühlrauines in weiten Rohren 5 und 7
zu führen, die geringen Strömungswiderstand bieten. In diesen hat @ die Luft geringere
Geschwindigkeit und mithin höhere Temperatur als in der Düse. Um zu verhindern,
daß die Rohre den Kühlraum erwärmen und in den Rohrwänden ein Wärmeausgleich finit
der Düse stattfindet, sind dieRohre 5 und 7 aus schlechtenWärmeleitern, z. B. Kunstharzpreßmassen,
gefertigt und können außerdem in besondere wärmeisolierende Umhüllungen io gebettet
sein.
-
ZwischendemAusflußquerschnitt der divergenten Düse und dem weiten
Rohr 7 findet eine Verzögerung der Luftströmung statt, die mit einem Ansteigen der
Temperatur verbunden ist. Man kann aber den an die Düse anschließenden ersten Teil
der Austrittsleitung, in dem die Luft geringere Temperatur hat als vor der Entspannung,
unter Umständen noch als Wärrrieaustauscher ausbilden, wie auf -der Zeichnung zwischen
den Linien D-D und C-C dargestellt ist. In diesem Teil kann, wenn der Druck in der
Düsenmündung höher ist als -der äußere Druck, eine Nachausdehnung des aus der Düse
tretenden Luftstrahles stattfinden, -wie aus Abb. i hervorgeht.
-
Die erläuterte Vorrichtung kann mit den bei Lüftkältemaschinen mit
Ausdehnungsmaschine im allgemeinen üblichen Drücken betrieben werden. Wenn nur eine
geringe Temperaturerniedrigung des Luftstromes und mithin auch nur eine geringe
Drucksenkung erforderlich ist, kann diese dadurch herbeigeführt werden, daß an Stelle
der konvergenten bzw. divergenten Düse zwischen den Leitungsstücken 5 und 7 ein
zylindrisches Rohr vorgesehen wird, das als Wärmeaustauscher ausgebildet ist und
in bekannter Weise mit gut abgerundeten Übergängen an die größeren, lichten Querschnitt
aufweisenden Leitungen 5 und 7 angeschlossen ist.