DE698598C - Vorrichtung zum Erzeugen von Kaelte - Google Patents

Vorrichtung zum Erzeugen von Kaelte

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DE698598C
DE698598C DE1938K0151961 DEK0151961D DE698598C DE 698598 C DE698598 C DE 698598C DE 1938K0151961 DE1938K0151961 DE 1938K0151961 DE K0151961 D DEK0151961 D DE K0151961D DE 698598 C DE698598 C DE 698598C
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nozzle
heat exchanger
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DE1938K0151961
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English (en)
Inventor
Curt Klaess
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CURT KLAESS
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CURT KLAESS
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/004Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being air

Description

  • 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.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte mittels in einer Düse entspannter und einen Wärmeaustaüscher durchströmender Luft, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsdüse (6) selbst als Wärmeaustauscher ausgebildet ist.
  2. 2. Vorrichtung nach dem Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß auch der erste Teil der an die Entspannungsdüse anschließenden Austrittsleitung als Wärmeaustauscher ausgebildet ist.
  3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen i !und 2 mit wärmeisoliertem, den Wärmezustauscher .aufnehmendem Kühlraum, insbesondere Kühlschrank, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Kühlraum eingeführten weiten Zu- und Abflußrohre (5 bzw. 7) füx den Wärmeaustauscher (6) gegen diesen rund den Kühlraum wärm@eisoliert sind. -q.. Vorrichtung nach den Ansprüchen i bis 3 mit Betrieb durch Verdichter und Entziehung-der Kompressionswärme vor der Entspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft in an sich bekannter Weise gegen den atmosphärischen Druck entspannt wird und danach in die Atmosphäre ausströmt. 5': Vorrichtung nach den Ansprüchen i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß bei geringemDruckunterschied die Entspannung in einem zylindrischen- Rohr erfolgt, das sich den Zu- und Abflußrohren mit abge-_ rundeten Übergängen anschließt.
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