-
Verfahren zum Heben des Temperaturniveaus einer Wärmemenge Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Heben des Temperaturniveaus einer Wärmemenge mit Hilfe
eines mit zwei Gasen gefüllten Thermodiffusionstrennrohres. Es ist bereits eine
Kältemaschine bekannt, bei der ein mit zwei Gasen gefülltes Trennrohr verwendet
wird. Das Gemisch der beiden Gase soll dabei einen möglichst hohen Thermodiffusionsfaktor
besitzen. Das erste Gas B bleibt stets gasförmig; das zweite, unter den Arbeitsbedingungen
des Trennrohres verflüssigbare Gas A wird am einen Trennrohrende so weit angereichert,
daß sein Sättigungsdruck überschritten wird. Es verflüssigt sich oberhalb Umgebungstemperatur,
zugleich Wärme abgebend, am einen Trennrohrende. Die gebildete Flüssigkeit ,1, wird
in einen räumlich vom Trennrohr entfernt liegenden Verdampfer geleitet und verdampft
dort unterhalb Umgebungstemperatur, zugleich Wärme aufnehmend, in das am anderen
Temperaturende gebildete, am ersten Gas B reiche, vom Trennrohr zum Verdampfer geleitete
Gemisch. Dabei ist nicht erforderlich, daß sich das Gasgemisch an den Trem1-rohrenden
vollständig entmischt; vielmehr genügt es, wenn der Teildruck des einen Gases A
am einen Trennrohrende den Sättigungsdruck überschreitet.
-
Bei der bekannten Vorrichtung befindet sich der Verdampfer unterhalb,
das räumlich davon getrennte Trennrohr oberhalb und bei etwa Um,-gebungstemperatur.
Im Trennrohr wird das Gasgemisch unter dem Einfluß eines Temperaturgefälles getrennt,
das zwischen der beheizten »wärmeren« und der ,etwa auf Umgebungstemperatur
befindlichen
»kälteren« Wand aufrechterhalten wird. Die zum Trennen erforderliche Energie wird
von einer fremden Wärmequelle geliefert. Da sich keine Stelle des Trennrohres unterhalb
Umgebungstemperatur befinden darf - anderenfalls wäre eine zusätzliche Kältequelle
erforderlich -, ist es bei der bekannten Vorrichtung unmöglich, .ein Trennröhrende
als Verdampfer auszubilden.
-
Wenn aber die Temperatur einer Wärmemenge von .einer wenig oberhalb
Umgebungstemperatur liegenden auf eine weiter oberhalb Umgebungstemperatur liegende
Temperatur gehoben werden soll, ist es möglich, das eine Trennrohrende aL.@ Verflüssiger
und das andere als Verdampfer auszubilden und die Flüssigkeit 'vom Verflüssiger
zum Verdampfer entlang der kälteren Trennrohrwand zu leiten. Diese Erkenntnis liegt
der Erfindung zugrunde.
-
Bei der bekannten Kältemaschine sind drei Temperaturniveaus zu unterscheiden.
Die Temperatur des Verdampfers liegt unterhalb, :die Temperatur des Verflüssigers
oberhalb und die Temperatur der kälteren Trennrohrwand .etwa bei Umgebungstemperatur.
Entsprechend müssen auch bei dem Verfahren nach der Erfindung drei Temperaturniveaus
unterschieden werden. Die Temperatur der kälteren Trennrohrwand liegt wieder etwa
bei, die Temperatur des Verdampfers weniger und die Temperatur des Verflüssigers
weiter oberhalb Umgebungs: temperatur. Wird die wärmere Trennrohrwand und der Verdampfer
mit Wärme beheizt, deren Temperaturniveau gehoben werden soll, so bildet sich zwischen
der wärmeren und der kälteren Trennrohrwand ein Temperaturgefälle aus, unter dessen
Einfluß sich das im Trennrohr befindliche Gasgemisch entmischt. Der zum Trennen
erforderliche Teil der Wärmemenge wird an die Umgebung abgegeben und ist verloren.
Der andere von dewgleichen Wärmequelle stammende und dem Verdampfer zugeführte Teil
jedoch wird von der verdampfenden Flüssigkeit A aufgenommen und im Verflüssiger
weiter oberhalb Umgebungstemperatur wieder abgegeben. Mithin wird mit Hilfe des
Trennrohres das Temperaturniveau einer Wärmemenge von wenig oberhalb Umgebungstemperatur
auf weiter oberhalb Umgebungstemperatur gehoben, wobei ein Teil dieser Wärmemenge
verlorengeht. Es .geht, durchaus nicht Wärme von einem kälteren zu einem wärmeren
Körper über, ohne daß gleichzeitig ein Übergang von Wärme von einem wärmeren zu
einem kälteren Körper stattfindet, was dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre widerspräche.
-
Zweckmäßig wird das Trennrohr mit einem unteir Überdruck, stehenden
Gasgemisch beschickt. Um die mit steigendem Druck wachsende Neigung der Turbulenz
Du dämpfen, wird das Trennrohr in an sich bekannter Weise mit einem die Gaskonvektion,
nicht aber die Gasdiffusion behindernden porösen Stoff, z. B. Schlackenwolle, gefüllt.
Um die entlang der wärmeren Wand aufwärts und entlang der kälteren Wand abwärts
strömenden wandnahen Schichten, die für den Gegenstromstoffaustausch wesentlich
sind, nicht zu stören, werden zwischen dem porösen Stoff und den Trennrohrwänden
Spalte frei gelassen.
-
Wird das Trennrohr mit einem sich am Trennrohrkopf anreichernden verflüssigbaren
Gas ,4 und einem sich am Trennrohrfuß anreichernden, stets gasförmig bleibenden
Gas B, z. B. mit Ammoniak und Krypton, gefüllt, so werden für :die sich am Kopf
bildende Flüssigkeit, z. B. Ammoniak, entlang der kälteren Trennrohrwand Rücklaufleitungen
zum Fuß angebracht. Wird das Trennrohr hingegen mit einen sich am Trenurohrfuß anreichernden
verflüssigbaren Gas A und einem sich am Trennrohrkopf anreichernden, , stets gasförmig
bleibenden Gas B, z. B. mit Monobrommonochlordifluormethan und Wasserstoff, gefüllt,
so werden für die sich am Fuß bildende Flüssigkeit entlang der kälteren Trennrohrwand
mit porösen Saugkörpern gefüllte Steigleitungen zum Kopf angebracht. Als poröse
Saugkörper können z. B. Dochte aus Faserstoffen oder metallkeramische Körper dienen.
-
Wird auf der wärmeren Wand des Trennrohrendes, in welchem die Flüssigkeit
verdampft, der Verflüssiger einer Ver dampfungskältemaschine und an dem Trennrohrende;
in welchem sich die Flüssigkeit bildet, ein Warmwasserspeicher angeordnet, so wird
das Temperaturniveau eines Teiles der im Verflüssiger der Kältemaschine frei werdenden
Wärmemenge gehoben; dieser Teil der Wärmemenge wird an den Warmwasserspeicher abgegeben.
Der andere Teil der Wärmemenge strömt als Betriebswärme des Trennrohres von dessen
wärmerer zu dessen kälterer Wand und geht verloren. Es liegt im Rahmen der Erfindung,
mit geringer übertemperatü@r- gegen Umgebungstemperatur frei werdende Wärmemengen
.auch bei anderen Vorgängen auf ein höheres Temperaturniveau, zu heben. Die Anwendung
bei einer Verdampfungskältemaschine ist nur beispielsweise angeführt.
-
Wird .eine Destillationssäule mit einem Isoliermantel versehen, der
im. der beschriebenen Art als Trennrohr ausgebildet .ist, so kann mit Hilfe dieses
Trennrohres der Fuß der Destillations:säule beheizt und der Kopf ider Säule gekühlt
werden. Das mit Schlackenwolle gefüllte, aus zwei die Trennsäule in ihrer Längsrichtung
umschließenden konzentrischen Rohren bestehende Trennrohr isoliert dann gleichzeitig
die Säule. Allerdings muß durch die im Trennrohr erforderlichen wandnahen Konvektionsströmungen
ein Wärmeverlust in Kauf genommen werden, der bei einem Isoliermantel herkömmlicher
Art nicht auftritt. Da Wärme vom Kopf zum Fuß der Destillationssäule gefördert werden
soll, muß das Trennrohr in diesem Falle mit einem am Trennrohrkopf verdampfenden
und am Trennrohrfuß sich verflüssigenden Gas A beschickt werden. Arbeitet die Trennsäule
etwa bei Raumtemperatur, so ist z. B. ein 'Gemisch aus Wasserstoff und Difluordichlormethan
geeignet. Für Luftverzegungssäulen kann z. B. ein Wasserstoff-Argon-Gemisch verwendet
werden.
-
In den Figuren ist die Erfindung rein schematisch dargestellt.
Fig.
i zeigt einen Schnitt durch ein Trennrohr oder - besser gesagt - eine Trennkammer
mit einer wärmeren und einer kälteren Wand, wobei der Verdampfer am Fußende und
der Verflüssiger am Kopfende liegen. Fig. i a stellt einen Schnitt durch das Trennrohr
nach Fig. i in Richtung A, A dar. Dieses Trennrohr eignet sich z. B. für das Gaspaar
Ammoniak-Krypton. Hierbei wird Wärme vom Fußende zum Kopfende gefördert. In Fig.
2 ist ein Schnitt durch eine Destillationssäul.e dargestellt, die von einem Trennrohr
allseitig umschlossen ist. Die Wärme muß vom Kopf- zum Fußende gefördert werden;
der Verdampfer liegt daher oben und der Verflüssiger unten. Für dieses Trennrohr
eignet sich z. B. das Gaspaar Wasserstoff-Monobrommonochlordifluormethan.
-
Allen Figuren gemeinsam sind die Bezugszeichen i bis 5. 1 ist die
wärmere und 2 die kältere Wand des Trennrohres, 3 die poröse, zwischen den beiden
Wänden liegende Füllung. Zwischen der Füllung 3 und den Wänden i und 2 liegen die
Spalte ¢, in denen die für den Gegenstrom-Stoffaustausch erforderliche, durch Pfeile
gekennzeichnete Konvektionsströmung stattfindet. 5 bezeichnet den Verflüssiger und
6 den Verdampfer des Trennrohres.
-
Der Verdampfer 6 des Trennrohres in den Fig. r und i a wird mit Kältemittel
beheizt, das von einem nicht gezeichneten Kältemaschinenkreislauf bekannter Art
kommt, bei 7 ,gasförmig in den Kondensator 8 eintritt und bei @9 kondensiert abläuft.
Der Verflüssiger 5 liegt im Warmwasserspeicher io. Warmwasserspeicher io, wärmere
Wand i und Kondensator 8 sind thermisch durch den Isoliermantel i i isoliert. Die
kältere Wand 2 trägt Kühlrippen 12; diese Kühlrippen liegen am unteren, kühleren
Ende des Trennrohres dichter beieinander als am oberen Ende. 13 bezeichnet eine
Rücklaufleitung, durch welche die im Verflüssiger 5 gebildete Flüssigkeit entlang
der kälteren Wand 2 in den Verdampfer 6 zurückläuft.
-
Im unbelieizten Zustand befindet sich im Verdampfer 6 etwas Flüssigkeit.
Der Gasraum des Trennrohres ist mit einem Gasgemisch aus dem sich verflüssigenden
Gas A (z. B. NH3) und dem sich nicht verflüssigenden Gas B (z. B. Kr) angefüllt,
dessen .Gesamtdruck durch den Sättigungsdruck dieser Flüssigkeit A (bei Umgebungstemperatur)
und die Menge des eingefüllten Gases B bestimmt wird. Wird nun Verdampfer 6 durch
im Kondendator 8 kondensierendes Kältemittel beheizt, so setzt eine Konvektionsströmung
durch die Spalte q. in Richtung der Pfeile ein. Wand i wird von unten beginnend
aufgeheizt. Es stellt sich zwischen der wärmeren Wand i und der kälteren Wand 2
ein Temperaturgefälle ein, unter dessen Wirkung das Gas A am Trennrohrkopf so weit
angereichext wird, bis es sich in Verflüssiger 5 verflüssigt. Im Trennrohrfuß hingegen
bildet sich eine an GaSA arme Atmosphäre. Mithin verdampft die Flüssigkeit A in
Verdampfer 6 bei einer Temperatur, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der sich
das Gas A in Verflüssiger 5 verflüssigt. Es wird daher Wärme aus Kondensator 8 auf
ein höheres Temperaturnivea-w in Warmwasserspeicher io gehoben. Ein Teil dieser
Wärme strömt von der wärmeren Wand i zur kälteren 2 und geht verloren. Die in Fig.,
2 dargestellte Destillatianssäule 14 mit Sumpf 15 und Rücklaufkondensator 16 ist
allseits von einem Trennrohr mit den Wänden i und 2 und der porösen Füllung 3 umgeben.
Arbeitet die Säusle oberhalb Umgebungstemperatur, so ist i die wärmere und 2 die
kältere Wand. Der Verflüssiger 5, in dem sich Flüssigkeit des Gases A. befindet,
liegt am Trennrohrfuß; er umgibt den Sumpf 15. Als verflüssigbares Gas A kann z.
B. C F2 Cl. und als immer gasförmig bleibendes Gas B z. B. H2 verwendet werden.
Isolierung 17 umschließt den Verflüssiger5 samt dem Sumpf 15, damit sich Gas A,
nicht am unteren Ende der kälteren Wand 2 statt der Wand des Sumpfes 15 verflüssigt.
Durch die mit einem porösen Saugkörper gefüllte Steigleitung 18 wird die sich im
Verflüssiger 5 bildende Flüssigkeit A zum Verdampfer 6 befördert.
-
Wird die - über Umgebungstemperatur arbeitende - Destillationssäule
in Betrieb genommen, so bildet sich zwischen wärmerer Wand i und kälterer Wand 2
ein Temperaturgefälle aus. Die Konvektionsströmung in den Spalten ¢ kommt in Gang,
und das verflüssigbare Gas A reichert sich am unteren Trennrolirende an. Ist der
Sättigungsdruck überschritten, so verflüssigt sich Gas A, wobei Wärme an den Sumpf
15 abgegeben wird. Die Flüssigkeit A gelangt durch die Steigleitung 18 zum Verdampfer
6, wo sie in die an Gas B angereicherte Atmosphäre unter Wärmeaufnahme aus dem Rücklaufkondensator
16 verdampft.
-
Arbeitet die Destillationssäule unterhalb Umgebungstemperatur, so
ist i die kältere und 2 :die wärmere Wand. Die Konvektionsströmung findet dann entgegengesetzt
der Pfeilrichtung statt. Die Steigleitung wird in diesem Falle nicht auf Wand 2,
sondern auf Wand i angeordnet.