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Verfahren zur Kälteerzeugung Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Kälteerzeugung durch unterkühlte Kältemittelflüssigkeit bei Verwendung eines
inerten, praktisch nicht am Kälteprozeß teilnehmenden Gases und Anordnungen dazu.
Die Verwendung von inerten Gasen als Hilfsgase als Träger für da: Kältemittel bei
Kälteprozessen ist als bekannt vorausgesetzt, ebenso in der gleichen Weise die Unterkühlung
der zu verdampfenden Kältemittelflüssigkeit vor der Entspannung durch die entspannten
Kältemitteldämpfe. Einrichtungen nach dem hier vorgeschlagenen Verfahren unterscheiden
sich von bekannten Einrichtungen zur Kälteerzeugung dennoch ganz grundsätzlich.
So wird das inerte Gas hier nicht als Träger für das Kältemittel benutzt, sondern
seine physikalischen und dynamischen Ei,-enschaften werden verwertet. Das angestrebte
und erreichte Gesamtergebnis stellt einen Fortschritt in technischer und wirtschaftlicher
Hinsicht dar.
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Unterscheidungsmerkmale gegenüber bekannten Methoden, sind: Erstens
dadurch, daß bei Anordnungen nach der vorliegenden Erfindung der immer erforderliche
Flüssigkeitssammler, der bei bekannten Einrichtungen sich stets an den Kondensator
anschließt oder einen Teil desselben bildet, in so viel Einheiten zerlegt ist, wie
Kühleinrichtungen vorhanden sind. Jede Kühleinrichtung erhält also ihren eigenen,
ihr zugehörigen Sammlerteil, der mit dem jeweiligen Verdampfer der Kühleinrichtung
mittels einer Entspannungseinrichtung verbunden ist, so daß Flüssigkeitssammlereinheit
und Verdampfer ein untrennbares Ganzes. bilden, eine Kombination. Diese Sammlereinheiten
sind durch die vom Kondensator kommende Druckleitung miteinander frei
kominünizierend
in der -Weise verbunden, "daß dieses Druckrohr in den Sammlereinheiten unterbrochen
und der jeweilige Abgang aus den Sammlereinheiten als Überlauf für den nächstfolgenden
ausgebildet wird. Die Flüssigkeitssammlereinheiten der Kühleinrichtungen sind somit
alle hintereinandergeschaltet, und die sie verbindenden Über-.laufrohre sind, so-
angeordnet, daß in jeder Sammlereinheit sich ein Teil der im Kreisprozeß umlaufenden.
Kältemittelflüssigkeit befindet, die nach den jeweiligen zugehörigen Verdampfern
durch eine Entspannungseinrichtung zum Zwecke der Kälteleistung entspannt wird.
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Zweitens sind diese verbindenden Druckrohrleitungen wie auch die nicht
mit Flüssigkeit gefüllten Räume der Flüssigkeitssammlereinheiten mit einem bei den
jeweiligen Betriebsverhältnissen der Einrichtungen nicht kondensierbaren inerten
Gas gefüllt. Dieses Gas steht im Beharrungszustand der Einrichtung unter Kondensatordruck
und überträgt diesen auf die Kältem,ittelflüssigkeit in den Flüssigkeitssammlereinheiten
der Kühleinrichtungen. Hinter dem Kondensator und vor Gruppen von Kühleinrichtungen
mit unterschiedlicher Temperatur sind an sich bekannte Wärmewechsler angeordnet,
-die aber insofern von bekannten abweichen, als sie ebenfalls in der vom Kondensator
kommenden Druckrohrleitung liegen und ebenfalls einen mit Überlauf und, Entspannungseinrichtung
versehenen Flüssigkeitssammlerteil besitzen und einen diesen umschließenden Verdampfer,
entsprechend den Anordnungen bei den Kühleinrichtungen. Diese Verdampfer der Wärmewechsler
werden einerseits mit dem Abdampf aus allen Kühleinrichtungen und andererseits durch
Verdampfung eines gewissen Prozentsatzes der Kältemittelflüssigkeit gespeist. In
diesen Wärmewechslern wird einerseits die noch vorhandene Wärmeaufnahmefähigkeit
der Abdämpfe aus allen Kühleinrichtungen ausgenutzt, und es kann zum Zwecke der
Ergänzung der Kühlwirkung noch Kältemittelflüssigkeit in ihren Verdampfern entspannrt
werden. Es kann somit in diesen Wärmewechslern eine beliebig regulierbare Unterkühlung
des aus dem Kondensator kommenden verdichteten Kältemitbels@ vorgenommen werden.
Außer dieser Druckübertragung wird drittens eine weitere phy-
sikalische Eigenschaft
des inerten Gases ausgewertet, seine Wärmeleitfähigkeit; es wird als Wärmeleiter
oder Übertrager für die Beförderung von. Wärme aus dem im Kondensator und Wärmewechslern
befindlichen Kältemittel nach dem Kältemittel aus den Verdampfern der Kühleinrichtungen
benutzt. Viertens werden die Zustandsänderungen des inerten, Gases, denen es durch
die Einwirkung des Kompressorganges unterworfen ist, thermodynamisch und rein: dynamisch
für den Kälteprozeß nutzbar gemacht.
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Das nach der Erfindung vorgeschlagene Verfahren besteht somit darin,
einmal durch Ausnutzung der noch vorhandenen Wärmeaufnahmefähigkeit der Abdämpfe
aus den Kühleinrichtungen unter Zuhilfenahme eines kleinen Prozentsatzes zu verdampfender
Kältemittelflüssig'keit die Unterkühlung des in den Verdampfern der Kühleinrichtungen
zu entspannenden flüssigen Kältemittels zu bewirken, weiter durch ein ebenfalls
in gleicher Weise gekühltes inertes Gas zu verhindern, daß eine Kondensation des
verdichteten Kältemittels in anderen Teilen der Einrichtungen stattfinden kann als
im Kondensator und im ersten Wärmewechsler hinter dem Kondensator, obgleich diese
Teile nicht die niederste Temperatur besitzen, denn diese herrscht in den Flüssigkeitssammlereinheiten
der Kühleinrichtungen, auf dessen Inhalt das inerte Gas den Kondensatordruck überträgt,
um dadurch auf der Druckseite überall den gleichen., den jeweiligen Kondensatordruck
herzustellen und aufrechtzuerhalten.
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Weiter wird das inerte Gas, auch das im ersten Wärmewechsler hinter
dem Kondensator befindliche, durch den aus den Verdampfern der Kühleinrichtungen
kommenden, noch wärmeaufnahmefähigen: Kältemitteldämpf gekühlt und so ein Temperaturgefälle
zwischen dem im Kondensator befindlichen verdichteten Kältemittel mit der Verflüssigungstemperatur
und dem den Wärmewechsler durchlaufenden, aus den Verdampfern kommenden kälteren
Kältemitteldampf hergestellt, so daß Wärme von dem ersteren auf letzteren bei Benutzung
des inerten Gases als Wärmeleiter übergehen kann. In dieser Art wird eine verstärkte
Kondensation bzw. eine größere Kondensationsgeschwindigkeit erzielt. Endlich werden
die durch den Kompressorgang (Saug- und Druckhub des Kompressorkolbens) bedingten
Zustandsänderungen und die durch diese bedingten Wärmeinhaltsärrderungen des. inerten
Gases so geleitet und dafür solche Temperaturbedingungen geschaffen, daß stets Wärme
aus dem - wärmeren Kältemittel im Kondensator und im ersten Wärmewechsler vom inerten
Gas aufgenommen und an den aus den. Verdampfern kommenden Kältemitteldampf im ersten
Wärmewechsler abgegeben wird. Diese Vorgänge haben eine weitere Vergrößerung der
Kondensationsgeschwindigkeit zur Folge. Zu diesen thermodynamischen Wirkungen kommen
noch rein dynamische des inerten Gases zur Einwirkung auf die Verflüssigung.
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Zur Erläuterung sei, zu diesen Vorgängen noch gesagt: Das inerte Gas
ist im ersten Wärmewechsler stetig durch den aus den Verdampfern kommenden, dem
Kompressor zufließenden Kältemitteldampf gekühlt. Da das inerte Gas direkten Kontakt
mit dem verdichteten Kältemittel im Kondensator hat und diese Kontaktstelle die
niederste Temperaturstelle des Kondensators ist, kann nur flüssiges, beim Durchtritt
unterkühltes Kältemittel das inerte Gas durchdringen. Soweit noch Kältemitteldampf
mit dem inerten Gas an der Kontaktstelle in Berührung kommt, wird es zur Kondensation
gebracht. Die aus dem Kältemittel im Kondensator dabei frei werdende Wärme fließt
im natürlichen Temperaturgefälle auf den Kältemitteldampf aus den Verdampfern. Außerdem
steht das inerte Gas aber auch unter der Einwirkung des
Kompressorganges,
und bei jedem Druckhub des Kompressorkolbens nimmt es die Arbeit AL, auf und gibt
eine dieser Arbeit entsprechende Wärmemenge im natürlichen Wärmegefälle an den Kältemitteldampf
aus den Verdampfern in allen Wärmewechslern ab. Bei jedem Saughub expandiert das
inerte Gas wieder und gibt dabei die Arbeit AL,
ab, wobei die dieser Arbeit
entsprechende Wärmemenge im natürlichen Wärm; gefälle aus dem Kältemittel im Kondensator
und allen Flüssigkeitsbehältern der Wärmewechsler und Kühleinrichtungen entnommen
wird. Das inerte Gas wirkt in dieser Art in der gesamten Einrichtung als Wärmepumpe,
indem es dem Kompressorgang entsprechend Wärme aus dem Kältemittel vor dessen Entspannung
nach dem Kältemittel aus den Verdampfern befördert, ohne daß für diese Leistung
ein Mehraufwand von Betriebsenergie des Kompressors benötigt wird. Diese Wirkungen
des inerten Gases bedeuten also eine Verbesserung des Güteverhältnisses des Kälteprozesses.
Am Kreislauf des Kältemittels im Kreisprozeß nimmt das inerte Gas nur insoweit teil,
wie es im flüssigen Kältemittel löslich ist; es wird auf der Druckseite immer wieder
ausgeschieden.
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Die vom Kältemitteldampf aus den Verdampfern bei allen diesen Vorgängen
aufgenommene Wärme wird im Kompressor auf hohes Temperaturpotential gebracht und
im Kondensator an das äußere Kühlmittel abgegeben, also aus dem Kreisprozeß des
Kältemittels ausgeschieden. Ein Mehraufwand von Kompressorarbeit ist durch diesen
Vorgang nicht bedingt, im Gegenteil, die gesamten erläuterten Wirkungen ergeben
nach dem Verfahren der Erfindung einen Kälteprozeß, der sowohl den Gütegrad des
Idealprozesses von C a r n o t in bisher bekannter Art übertrifft wie alle bisher
bekannten Methoden und Anordnungen zur Erzeugung von Kälte und das bei wohlfeilerer
Erstellung der Ein-, richtungen, gleichgültig, ob es sich um solche für Kompression
oder Absorption handelt. Bei Absorptionsanlagen fallen zwar die thermodynamischen
Wirkungen des inerten Gases, verursacht durch den Kompressorgang, weg. Die rein
dynamischen, die sich durch einen stetig vorhandenen Druck für die Verflüssigung
bemerkbar machen, die sonst erst durch Aufwand von Wärmezufuhr hervorgerufen werden
muß, sind auch hier vorhanden, desgleichen alle übrigen Vorteile.
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Zu diesen angeführten Vorteilen kommt dann noch, daß nach dem vorliegenden
Verfahren nur tief unterkühlte Kältemittelflüssigkeit ohne jeden Dampfgehalt in
den Verdampfern der Kühleinrichtungen zur Entspannung gelangt, wobei sowohl die
Unterkühlung wie auch die Entspannung des Kältemittels für die verschiedenen Verdampfer
oder Verdampfergruppen unterschiedlich sein kann.
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In den zeichnerischen Darstellungen ist das Wesen der Erfindung beispielsweise
dargestellt. In der Zeichnung zeigt Fig. i die Anordnung eines Wärmewechslers der
beschriebenen Art für Kompressionsanlagen mit dem vom Kondensator kommenden Flüssigkeitsrohr
e, welches in den Behälter F mündet, der von dem in der Saugleitung liegenden Behälter
F1 umschlossen ist. In dem Behälter F befindet sich der Überlauf G, der in die erste
anschließende Sammlereinheit h der Kühleinrichtung A mündet und durch
weitere Überläufe in die Sammlereinheiten k der sich anschließenden Kühleinrichtungen
die unterkühlte Flüssigkeit weiterleitet. Die Verdampfer i, die entweder die Sammlereinheiten
k umschließen (konzentrische Anordnung) oder getrennt von diesen, immer jedoch durch
die Entspannungseinrichtungen T mit den zugehörigen Flüssigkeitssammlereinheiten
verbunden, sich in. den Kühleinrichtungen befinden., münden in die Saugleitung ei,
die in den Unterkühlungsverdampfer F1 eintritt und als Doppelrohr nach Austritt
aus F1 die Druckleitung e umschließt. Der Sammler F ist unten oder oben mit einer
Rohrleitung l versehen, je nachdem, ob das Ö1 spezifisch leichter oder schwerer
als das verwendete verflüssigte Kältemittel ist, die mit einem Ölrücklaßventil m
und bei der das an dieses anschließende Ölrücklaufrohr mit der Saugseite des .Kompressors
verbunden ist. Die beiden Behälter F und F1 sind durch die Ent spannungseinrichtung
T zu einem Ganzen verbunden und stellen eine Einheit dar, in genau der gleichen
Weise wie die Anordnungen der Kühleinrichtungen in A usw. Der ganze Wärmewechsler
ist mit der Isolation 0 gegen Wärmeeintritt geschützt.
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In Fig. 5 der Zeichnung ist ergänzend eine Anordnung der beschriebenen
Art für Kompressionsbetrieb dargestellt. Gleichzeitig ist die konzentrische (Fig.
5) und die getrennte Anordnung der Flüssigkeitssammlereinheiten (Fig. q.) veranschaulicht.
W ist der erste Wärmewechsler hinter dem Kondensator und bereits erläutert. Die
übrigen Bezeichnungen stimmen mit denen .in Fig. i der Zeichnung überein, weshalb
sich eine nochmalige Erläuterung erübrigt. Die Arbeitsweise des Wärmewechslers W
läßt sich an Hand der Fig. 4. der Zeichnung oder Fig. i der Zeichnung leicht darlegen.
Die vom Kondensator kommenden, noch nicht verflüssigten Kaltdämpfe kommen durch
die Leitung e in den Behälter F und können diesen nur als Kondensat verlassen, weil
der durch die Saugleitung ei kommende Abdampf und der Abdampf der zusätzlichen Entspannung
eines kleinen Teils der Kältemittelflüssigkeit in J in den Behälter F umschließenden
Behälter F1 hinter dem Kondensator den zunächst kältesten Raum der Anordnung bewirken.
Es muß deshalb in dem Behälter F absolute Kondensation des verdichteten Kältemittels
erfolgen. Durch den Überlauf G in den Behälter F, der die Flüssigkeit nach den Flüssigkeitssammlereinheiten
der Kühleinrichtungen in A usw. leitet, kann nur unterkühlte Flüssigkeit fließen.
Die im Wärme"vechsler vom Abdampf aufgenommene Kondensationswärme und die dem Kondensat
entzogene Wärme wird dem Kompressor durch den Abdampf zugeführt und durch die Verdichtung
des Abdampfes im Kompressor auf eine Temperatur gebracht, daß sie an das wärmere
Kühlmittel des Kondensators abgegeben werden und aus dem
Kraisprozeß
des Kältemittels ausgeschieden werden kann. Das inerte Gas sammelt sich zwangsläufig
in den Überlauf rohren G und den nicht mit Flüssigkeit gefüllten Räumen der Flüssigkeitssammlereinheiten
in den Wärmewechslern und den Kühleinrichtungen und befindet sich ebenfalls stets
in unterkühltem Zustand. Eine Verdampfung des das Gas durchfließenden Kondensats
des Kältemittels kann wegen des bestehenden Temperaturgefälles nicht eintreten..
Das Kondensat gelangt somit in unterkühltem Zustand in die Flüss,igkeitssammlerein:heiten
der Kühleinrichtungen.
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In Fig.2 der Zeichnung ist die gleiche Einrichtung für eine Absorpfionsanlage
dargestellt, bei der zwei Behälter abwechselnd als Kocher und Absorber benutzt werden.
Die Behälter F und F1 werden abwechselnd als Flüssigkeits- oder Verdampferbehälter
benutzt wie die Behälter f und fi in den KühleinrichtungenI usw. Die Entspannungseinrichtungen
J des Wärmewechslers wie auch die der verschiedenen Kühleinrichtungen i werden dabei
in beiden Richtungen verwandt. Im Wärmewechsler sind F und F1 mit Überläufen G-G
versehen, in den Kühleinrichtungen I usw. mit Überläufen g-g. Für den - Wärmewechsler
ist die Entspannungseinrichtung J, für die Kühleinrichtungen end die Entspannungsvorrichtungen
i angeordnet. Das unterkühlte inerte Gas zur Druckübertragung, das nicht mit absorbiert
wird, befindet sich in G-G bzw. g-g sowie in den nicht mit Flüssigkeit gefüllten
Räumen der Anordnung auf der Druckseite und läßt das zu absorbierende Kältemittel
einfach durchtreten. Die Entspannung dieses Gases auf der Absorberseite erfolgt
selbsttätig, weil ihm der gesamte Raum bis in den Absorber zur Verfügung steht,
während es auf der Kocherseite durch den Druck des Kältemitteldampfes (Kondensatordruck)
in den Rohrleitungen und den nicht mit Flüssigkeit gefüllten Räumen der Flüssigkeitssammlereinheiten
zusammengepreßt und in diese Teile der Anordnung verdrängt wird.
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In Fig.6 ist ergänzend eine vollständige Absorptionseinrichtung dargestellt,
wie sie an Hand der Fig. 2 der Zeichnung bereits beschrieben wurde. Absorptionseinrichtungen,
bei denen zwei Behälter A und B abwechselnd als Kocher oder Absorber
benutzt werden, sind als bekannt vorausgesetzt. Von. solchen hekanntenAnordnungen
unterscheidet sich die vorliegende Erfindung dadurch, daß ,hier die Kocherabsorber
abwechselnd auf Flüssigkeitssammler - Verdampfer - Kombinationen in Kühleinrichtungen
I usw. arbeiten, die durch Entspannungseinrichtungen zu einem Ganzen verbunden sind.
Der Betrieb mit diesen Kombinationen erfolgt dabei in der Weise, wie es für Fig.
2 der Zeichnung beschrieben wurde, unter Verwendung eines inerten Gases und mit
Verdampfung unterkühlter Kältemittelflüssigkeit. Die Unterkühlung der Kältemittelflüssigkeit
in den Flüssigkeitssammlereinheiten der Wärmewechsler und der Kühleinrichtungen
in I usw, sowie die Kühlung des inerten Gases erfolgt auch hier durch die noch vorhandene
Wärmeaufnahmefähigkeit der Abdämpfe aus den Verdampfern. der Kühleinrichtungen in
I usw., wie das für Kompressionseinrichtungen bereits erläutert wurde. Auch die
Wärmewechsler haben hier den gleichen Zweck wie dort, die Abdämpfe unter Zusatz
eines Prozentsatzes zu verdampfender Kältemittelflüssigkeit zur Unterkühlung und
letztens als zusätzliches Kühlmittel für die Kondensation im Kreisprozeß des Kältemittels
dienstbar zu machen. Auch hier stellen die Wärmewechsler zusätzliche Kondensatoren
dar mit der Wirkung, den Kreisprozeß des Kältemittels wirtschaftlicher zu gestalten,
wie das für Einrichtungen nach dem Kompressionsprinzip beschrieben wurde. Ein Unterschied
in der Betriebsweise besteht bei den hier vorgeschlagenen Absorptionseinrichtungen
gegenüber den erläuterten Kompressionseinrichtungen nur darin, daß sowohl die Wärmewechsler
wie auch die Flüssigkeitssammler-Verdampfer-Kombinationen in I usw. so beschaffen
sind, daß ihre Behälter F und F1 bzw. f und f l, verbunden durch Entspannungseinrichtungen
J bzw. i, abwechselnd als Flüssigkeitssammler oder als Verdampfer benutzt werden,
je nachdem Aggregat A oder B als Kocher oder als Absorber betrieben wird. Die Entspannungseinrichtungen
J bzw. i werden dabei. rin beiden Richtungen dem Fordernis entsprechend benutzt.
Als Kühlflächen in den Kühleinrichtungen in I usw. werden dementsprechend die Außenflächen
von F bzw. f oder die Innenflächen von F1 bzw. f1 benutzt, wobei die Kühlfläche
von fl in I usw. rohrartig unten und oben offen ist, um der Sole bzw. zu kühlender
Luft usw. nach K Zutritt zu ermöglichen.
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Für Kühleinrichtungen, bei denen unterschiedliche Verdampfungstemperaturen
verwendet werden sollen, verwendet man Anordnungen, wie in Fig. 3 der Zeichnung
beispielsweise dargestellt ist. Hier sind verschiedene Stufen oder Gruppen von Stufen.
angeordnet, die mit unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen arbeiten und mit
Wärmewechslern zwischen den einzelnen Verdampfern versehen sind.
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Die Gleichstellung des Druckes in der Saugleitung kann beispielsweise
durch Drosseln D vor den Einmündungen der höhertemperaturigen Verdampfer in die
gemeinsame Saugleitung bewirkt werden.