DE828844C

DE828844C - Verfahren zur Kaelteerzeugung

Info

Publication number: DE828844C
Application number: DESCH2501A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Richard Schiel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-06-10
Filing date: 1950-06-10
Publication date: 1952-01-21

Description

Verfahren zur Kälteerzeugung Es ist üblich, für Kältemaschinen Gase zu verwenden, die sich leicht verflüssigen lassen, wie z. B. Ammoniak, Kohlensäure oder schweflige Säure. Diese Verfahren weisen vor allem .den Mangel auf, daß der Energieverbrauch für die Kälteerzeugung erheblich ist.
Der Zweck dieser Erfindung ist es, mit einer verhältnismäßig einfachen Maschine unter theoretisch geringstem Energieverbrauch dennoch sehr tiefe Temperaturen zu erzeugen.
Sie ist durch die folgenden Hauptmet'kmale gekennzeichnet: Die Kälteerzeugung wird durch einen Kreisprozeß an Gasen durchgeführt, die unter dien dabei 'herrschenden Verhältnissen noch nicht flüssig werden. Dieser Kreisprozeß stellt mit großer Annäherung einen der theoretisch günstigsten dar, denn .er besteht aus einer isothermischen Verdichtung, der sich eine adiabatische Expansion anschließt, worauf die Erwärmung isobar erfolgt, und zwar so lange, bis der Ausgangspunkt bezüglich Druck und Temperatur wiedererreicht worden ist. Das Arbeitsgas ist normal gewöhnliche Luft, der die Feuchtigkeit weitgehend entzogen worden ist. Die Isotherme wird dadurch nahezu verwirklicht, daß das Gas durch einen StraIhlapparat von einer Flüssigkeit verdichtet wird. Hierfür eignet sich 01, besonders gut aber Quecksilber oder Woodmetall mit Quecksilberzusatz. Die Adiabate 'kommt dadurch zustande, daß das kalt verdichtete Gas in einer Turbine arbeitleistend expandiert. Die isobare Erwärmung geschieht schließlich durch das abzukühlende Mittel selbst im Gegenstrom (Kühl- Schlange). Die beweglichen Teile -bestehen nur aus sich drehenden Maschinen, nämlich einer Kreiselpumpe, einer Turbine und einem Elektromotor, die alle auf gleicher Welle liegen. Ein Teil der Arbeit für den Antrieb der Pumpe wird dabei durch die Turbine geliefert, und der Motor liefert nur die theoretisch erforderliche Mehrleistung sowie die Leistung für die Deckung aller Reibungsverluste. Die angenähert isotherme Verdichtung im Strahlapparat wird dadurch erzielt, daß sich die Fangdüse nicht in der üblichen Weise mit etwa 8° Kegelwinkel erweitert, sondern sich erst verengt, dann nur sehr wenig und dann erst zunehmend stärker erweitert, berechnet nach einer mathematischen Kurve, die eine gleichmäßige, auf einen langen Weg verteilte Verdichtung des Gases ergibt. Die umlaufende Flüssigkeit wird dauernd gekühlt, und da ihre spezifische Wärme im Verhältnis zu der vom Gas sehr groß isf, behält sie fast konstante Temperatur. Um eine große Kälteleistung zu erzielen, erfolgt der Kreisprozeß an einem bereits möglichst hoch vorgespannten Gas. Zur Veranschaulichung der Arbeitsweise und als Beispiel der Verwendungsmöglichkeit dieser Art Kälte zu erzeugen, ist in Abb. I in schematischer Weise ein Ouersch.nitt durch einen so gekühlten Eisschrank dargestellt. Abb.Il zeigt den Kreisprozeß, und zwar ist der Maßstab hierfür etwa so gewählt, wie er für ein zweiatomiges Gas einem Verdichtungsverhältnis i : 11 zukommt.
Die Apparatur arbeitet nach Abb.I wie folgt: Der Eisschrank besteht aus dem Mantel i, der IsolatiOn 2 und dem Innenblech 3. Das zu kühlende Gut ist auf den Rosten 5 gelagert. Verschlossen wird er durch die ebenfalls isolierte Tür .4. Vor .der Rückwand scheidet das Blech 6 die Kühlkammer, in der die Kühlschlange 7 liegt, vom Eisschrank so ab, daß die Luft infolge Thermosiphonwirkung im Gegenstrom zu der in der Kühlschlange 7 streicht. Die übrige Apparatur ist über dem Eisschrank in der Kammer 8 untergebracht, die druckfest ist und gegen den Eisschrank und nach außen hin luftdicht abgeschlossen ist. Darin befindet sich das Gefäß für die Flüssigkeit 9 mit dem vorgeschalteten Strahlapparat io, dem Motor ii, der Kreiselpumpe 12 und der Turbine 13. Zum Entzug der Feuchtigkeit befindet sich in der Kammer 8 noch das Gefäß 14, das z. B. Chlorkalk oder Schwefelsäure oder Phosphorpentoxyd oder ein anderes Mittel enthält, das die Luft entfeuchtet. Das Rückschlagventil 15 an der Leitung 24 sorgt dafür, daß beim Betrieb ein Teil der Luft oder des Gases aus der Kammer 8 angesaugt werden kann, uni die Vorspanmung dies den Kreisprozeß durchführenden Gases zu erhöhen. Bei Stillstand kann dieses dann durch Undichtigkeiten der Stopfbüchse der Turbine allmählich wieder in die Kammer 8 .gelangen. In der Kühlschlange 16 befindet sich eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, das durch die Außenluft durch den Kühler 17 abgekühlt wird, dann dem Gefäß 9 zuläuft und hier dann die durch die Reibung und die Kompression entstandene Wärme aufnimmt. Man kann natürlich auch mit Frischwasser kühlen. 18 ist ein Ausgleichgefäß für die Flüssigkeit der Kühlschlange 16. i9 ist ein Manometer. 21 ein Ventil, 2o ein Einfülltrichter für das 01 bzw. Quecksilber USW. 22 ist die Leitung für das verdichtete Gas von z. B. 27' C (3oo° K.). 23 ist die Leitung für das entspannte und sehr 'kalte Gas. 24 ist die Leitung für das entspannte, aber durch den Schrankinhalt wieder aufgewärmte Gas. 23 ist die Druckleitung für das Eismaschinenöl oder das Quecksilber.
Beim Einschalten des Motors saugt die Pumpe 12 Flüssigkeit an und preßt sie in den Strahlapparat. Dadurch wird aus der Leitung 24 und damit auch über das Rückschlagventil 15 auch aus der Kammer 8 Luft oder Gas ail.gesaugt. Der Druck im Gefäß 9 steigt also. Die Flüssigkeit läuft mit diesem erhöhten Druck der Pumpe 12 wieder zu. Die Strahlgeschwindigkeit im Strahlapparat wird dadurch erhöht, der Druck steigt also noch mehr. Hierdurch schaukelt sich der Druck allmählich auf, bis der Arbeitsdruck erreicht ist, was am Manom@eter 1g zu erkennen ist. Die Turbine 13 liefert nunmehr den Hauptteil der von der Pumpe 12 benötigten Leistung; in ihr kühlt sich das Gas rein adiabatisch sehr stark ab, läuft in die Kühlschlange 7, nimmt dort, den Eisschrank kühlend, die Wärme auf und gelangt über die Leitung 24 zum Strahlapparat io zurück, in dessen schlanker langer Fangdüse sie Wieder isotherm (annähernd) verdichtet wird, worauf sich der Vorgang wiederholt. Die Wärme wird also aus dem Eisschrank kontinuierlich herausgepumpt und durch den Kühler 17 nach außen hin abgegeben.
Diese Installation ist einfach, darum billig; da reibende Metallteile fehlen, bedarf sie keiner Schmierung und kaum einer Wartung, und die aufgewendete Arbeitsleistung ist verblüffend gering. Durch entsprechende Änderungen läßt sie sich auch für andere Eis- und Kältemaschinen außer für Eisschränke verwenden.
Die beschriebene Apparatur und ihre Arbeitsweise läßt sich, allerdings auf Kosten der Einfachheit, noch etwas umgestalten. Es ist nämlich möglich, was bis heute aber noch nicht bekannt ist, Strahlapparate nicht nur zur Verdichtung, sondern auch zur Entspannung von Gasen zu benutzen. Ähnlich wie die Verdichtung in der oben ;beschriebenen Weise annähernd isotherm geschah, so kann dann auch die Entspannung annähernd isotherm vorgenommen werden. Hierdurch erhält man dann einen Kreisprozeß, der zwischen zwei Isothermen und zwei Isobaren liegt (Abb. IV). Dieser hat aber, einen guten Wärmeaustauscher vorausgesetzt, den gleichen Wirkungsgrad wie der Carnotprozeß.
Abb. III schildertdas Schaltschema hierfür. Linksseitig ist die Apparatur genau die gleiche, wie in Abb. I schon dargestellt und erläutert. Statt der Turbine 13 tritt nunmehr die Turbine 27 auf, die nicht mehr durch das Gas, sondern durch Flüssigkeit, der etwas Gas beigemengt ist, was aber gewichtmäßig ohne Bedeutung bleibt, angetrieben wird. Dazu tritt dann noch eine weitere Kreiselpumpe für Flüssigkeit, 27, ein Gefäß 28, das die Umkehrung einer üblichen Fangdüse darstellt, sich also in Strömungsrichtung nicht erweitert, sondern verjüngt. Außerdem tritt noch der Wärmeaustauscher 29 hinzu, eine brausenartige Verteilungsdüse 32 im Gefäß 28 und verschiedene anders geführte Leitungen 30, 31, 33, 34, 35, 36. Die Kühlschlange 7 wird nunmehr, im Gegensatz zu früher, von einer kalten Flüssigkeit durchflossen, die, wegen der viel größeren spezifischen Wärme einer solchen gegenüber einem Gas, annähernd gleiche Temperatur behält. Dadurch wird die Wärmeübergangszahl und der Wärmeübergang in der Kühlschlange 7 stark vergrößert. Der Kreisprozeß vollzieht sich nun wie folgt: Isotherme Verdichtung, wie früher beschrieben, im Strahlapparat io und dem anschließenden Gefäß 9. Nun gelangt das Gas (oder Luft) durch die Leitung 30 in den Wärmeaustauscher 29, hier kühlt es isobar durch den Gegenstrom mit kaltem Gas ab. Nun gelangt es durch die Leitung 31 in die brausenförmige Düse 32. Da es an dieser Stelle, gegenüber der Flüssigkeit an der gleichen Stelle des Gefäßes 28, einen geringen Überdruck haben soll, dringt es in das Gefäß 28 ein und vermischt sich, wegen der Düsen, innig mit der Flüssigkeit. Die Flüssigkeit strömt nun mit ständig gleichmäßig zunehmender Geschwindigkeit und fallendem Druck zur Turbine 26. Sie gelangt entspannt in die Turbine, die peltonradähnlich gestaltet sein kann. Die in ihr verteilten Gasblasen entspannen sich dabei aber auch, und da die spezifische Wärme der Flüssigkeit gegenüber der vom Gas sehr groß ist, nehmen sie dabei dauernd aus der Flüssigkeit Wärme auf. Das Gas entspannt also auf dem Weg von der Brausendüse 32 bis zur Turbine 26 annähernd isotherm. Es leistet 'hierbei Arbeit, da es in zunehmendem Maße Flüssigkeit verdrängt, diese in Fließrichtung beschleunigend. Die Flüssigkeit gelangt daher mit viel größerer Geschwindigkeit in die Turbine als durch die Pumpe 27 bedingt wäre. Die Turbine leistet darum mehr Arbeit als durch die Pumpe 27 verbraucht wird und gibt den Überschuß an die Welle und damit an die Pumpe 12 ab. Durch die Gasexpansion kühlt sich die Flüssigkeit ini Gefäß 28 um ebensoviel ab, ails sie sich in der Kühlschlange 7 erwärmt hatte. Aus der Turbine 26 fließt die Flüssigkeit nach unten ab, gelangt zur Pumpe 27, Leitung 34 usw. Das Gas fließt nach oben ab, gelangt über Leitung 36 in den Wärmeaustauscher 29 und vollzieht 'hier die isobare Zustandsänderung, erwärmt sich also im gleichmäßig entspannten Zustand. Hierauf folgt wieder die Verdichtung und der N-organg wiederholt sich.

Claims

PATEN TANSPRCI;I1F: i. Verfahren zur Kälteerzeugung, insbesonders für Kühlschränke, bei dem ein Kreisprozeß Verwendung findet, der vorzugsweise aus isothermer Verdichtung mit anschließender adiabatischer Expansion und anschließender isobarer Aufwärmung eines Kältemittels, z. B. Luft, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die isotherme Verdichtung in einem Strählapparat (io) mit schlank ausgezogener Fangdüse mittels einer umlaufenden und dauernd gekühlten Flüssigkeit vorgenommen wird, die aus 01 oder aus Quecksilber oder Woodmetall mit Quecksilberzusatz besteht, daß die Entspannung (linke Linie in Abb. 1I) in einer mit der Kreiselpumpe (12) auf gleicher Welle liegenden Turbine (13) vorgenommen wird und daß die isobare Aufwärmung in einer Rohrschlange (7) vor sich geht, die im Gegenstrom mit den abzukühlenden Mitteln steht (Abb. I).
2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (i i) auf der einen Seite die Kreiselpumpe (12) für die Flüssigkeit, auf der anderen Seite aber die Turbine (13) fliegend trägt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß für die umlaufende Flüssigkeit (9) eine wasserdurchflossene Kühlschlange (16) besitzt, die mit einem außerhalb der Kammer (8) befindlichen Kühler (17) in Verbindung steht und ein von außen zugängliches Ausgleichsgefäß (18) besitzt.
4. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die linke Adiabate im Kreisprozeß (Abb. II), durch eine Isobare (oben in Abb. IV) und eine Isotherme (links in Abb. IV) ersetzt wird.
S. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die isobare Abkühlung und Vorwärmung in einem gemeinsamen Wärmeaustauscher (29) vorgenommen wird, die isotherme Verdichtung und Entspannung aber in je einem geschlossenen umlaufenden Flüssigkeitssystem bewirkt wird, von denen das eine durch die Außenluft dauernd abgekühlt (17), das andere aber durch das abzukühlende Gut dauernd erwärmt wird (7).
6. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die isotherme Entspannung dadurch bewirkt wird, daß einer Flüssigkeit, die durch ein sich verjüngendes Gefäß (28) in der Richtung vom großen zum 'kleinen Querschnitt fließt, um von dort in .die Antriebsdüse einer Turbine (26) zu gelangen, an der Stelle der geringsten Flüssigkeitsgeschwindigkeit das Gas zugesetzt und an der Stelle der größten Geschwindigkeit entnommen wird.
7. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit, in der die Expansion stattfindet, durch eine Pumpe (27) in eine Kühlschlange (7) und dann in ein sich verjüngendes Gefäß (28) gedrückt wird, dann in eine Turbine (26) entspannt wird und von hier wieder zur Pumpe (27) zurückgelangt. B.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (26) eine Einlaufdüse 'besitzt, die im Verhältnis zum Durchmesser lang ist und einen lavaldüsenförmigen Auslauf besitzt, und daß aus ihr (der Turbine) die entspannte Flüssigkeit nach unten, das entspannte Gas aber nach oben austritt, welch letzteres in einer isolierten Leitung (36) zum kalten Ende eines Gegetxstromwärmeaustauschess (29) strömt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumischung des bereits kalten Gases zur bereits kalten Flüssigkeit in sich verjüngende Gefäße (28) durch feine Düsen (32), die brausenförmig angeordnet sind, geschieht. Angezogene Druckschriften: Kältetechnik 1949, Heft 6, S. r43/44 E. Schmidt: Einführung in die technische Thermodynamik, S. i28/29, Abb. 6o und 6t.