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Therxnodiffusions-Kühlschrank Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betrieb von Kühlanlagen, insbesondereKle@inkühl.schränken, unter Verwendung
eines zirkulierenden, zeitweise kondensierten und wieder verdunstetenKühlmittels.
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Es ist bekannt, in einem System Ammoniak-Wasser-Hilfsgas Kälte dadurch
zu erzeugen. und in einem Kühlschrank nutzhringend zu verwenden, daß man Ammoniak
aus einer wäßrigen Lösung bei hoher Temperatur aus-treibt, durch Kühlung bei erhöhtem
Partialdruck verflüssigt und anschließend im Strom etine-s zirkulierenden leichten
Hilfsgases - unter Kühlwirkung auf die Umgebung - verdunsten läßt. Hierzu sind drei
Kre@is.l.äufe, nämlich für das Kälternittel Ammoniak, für das Hilfsgas und für das
Lösungsmittel erforderlich.
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Auch sind Kälteerzeugungsverifaahren bekannt, bei denen der Lösungsmittelkreistauf
wegfällt, die also lediglich mit einem Kältemittel- und eineue Hilfsgaskreislauf
arbeiten. Bei diesen Verfahren diffundiert dass stets im Gatszustand bleibende Hilfsgas
aus einem gasförmigen Hilfsgas-Kältemittel-Gemisch durch eine poröse oder halbdurchlässige
Trennwand heraus. Dadurch steigt desr Kältemittelpartialdruck im Gasgemisch so,
weit an, daß dass Kältemittel unter Wärmeabgabe kondensiert. Das Kondensat wird
darauf mit dem durch Diffuision abgetrennten Hilfsgas in Stoffaustausch gebracht,
wobei das flüssige- Kältemittel in das Hilfsgas unter Wärmeaufnahme hineinverdampft.
So. entsteht wieder das durch Diffusion zu zerlegende, gasförmige Hilfsgas: Kältemittel-Gemisich.
Den bisher bekanntgewordenen, auf Diffusionstrennung eines Kältennittel-Hilfsigas-Gemisches
beruhenden Kälteerzeugungsverfahrens ist gemeinsam, daß zur
Trennung
poröse Platten oder halbdurchlässige Wände vorgeschlagen werden. Der Umlauf des
Hilfsgases wird entweder durch Thermosyphonwirkung oder durch zusätzliche Verwendung.
eines Treibgases, ähnlich wie in einer Diffusionspumpe, erreicht. Auch wurde der
Einbau einer Purnpenvorrichtung vorgeschlagen.
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Erfindungsgemäß findet zur Trennung das gasförmigen Kältemittel-Hilfsgas-Gemisches
das Thermodiffusion,stre#nnro#hr Anwendung. Zwar ist bekannt, die Diffusionstrennung
durch poröse Platten dadurch zu unterstützen, da.ß die eine Seite der Platte, auf
der das leicht diffundierenide Gas austritt, zu beheizen und die andere. Seite,
auf der das schwer' diffundierende Kältemittel zurückbleibt, zu kühlem, um so die
Trennwirkung zu erhöhen. Indessen ist die durch dieses Verfahren erzielte Verbesserung
der Trennwirkung unerheablich. Das für die physikalische Zerlegung eines. Gemisches
von zwei nicht kondensierbaren Gasen bekannte Thermodiffusions-Trennrohr hingegen
erlaubt, mit gutem Wirkungsgrad Gase sehr verschiedenen Molekulargewichtes zu trennen.
Die Trennwirkung steigt, wenn die Gase unter Druck stehen, wie neuere wissenschaftliche
Arbeiten gezeigt. habeen. Dia gute Wirkung leas Trennrohres ist auf die Gegenstromführung
der durch Thermodiffusion zu trennenden Gaskomponenten zurückzuführen.
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Der Umlauf leas vorübergehend in eine flüssige und eine- gasförmige,
Fraktion zerlegten und wieder vereinigten Gasgemisches. erfolgt erfindungsgemäß
unter Thearmosyphonwirkung. Der Umlauf wird beispielsweise dadurch erzwungen, daß
eiirr Schenkel des Kreissystems beheizt wird.
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Weiter kann der Umlauf dadurch gefördert werden, daß die durch die
jeweilige Zusammensetzung des Gasgemisches bedingten Unterschiede in. den spezifischen
Gewichten den erwähnten Umlauf beschleunigen, eine Wirkung, die durch entsprechende
räumliche Anordnung einzelner Maschinenteile, verstärkt werden kann.
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Es sind verschiedene Modifikationen für die Aus-. führung des Verfahrens
möglich. In einem Fall ver-
bleibt die spezifisch leichtere Komponente im
wesentlichen gasförmig, während die spezifisch schwerere Komponente vorübergehend
kondensiert bzw. anschließend verdunstet wird..Ein Beispiel hierfür ist das System
Wasserstoff als leichtere gasförmig verbleibende Komponente und Frigen als schwerere
vorübergehend kondensierte und anschließend vexdunstete Komponente.
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Eine andere Modifikation des Erfindungsgedankens ist die Verwendung
eines. Gasgemisches, bei dem die schwerere Komponente (z. B. Krypton) im wesentlichen
gasförmig verbleibt, während die spezifisch leichtere Komponente (z. B. Ammoniak)
vorübergehend kondensiert bzw. verdunstet wird und dabei Kälte leistet.
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Erfindungsgemäß kann die Pumpwirkung bzw. der Umlauf im System dadurch
beschleunigt werden, da.ß die Kondensation des verflüssigten Anteils der Gasmischung
in einem FallreellT erfolgt und die Pumpwirkung der fallenden Flüssigkeit für die.
Beschleunigung des Umlaufs ausgenutzt wird. Nicht kondensierte Gasreste werden auf
diese Weise mit nach unten gefühe und können sich nicht anis:ammeln bzw. die Kondensation
des köndensierbarem Gases stören. Auch durch Tiefstellen des Vex-dunstens gegenüber
dem Trennrohr kann; der Umlauf beschleunigt werden.
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Ferner kann die Trennung im strömenden Gemisch auch durch Zentrifugieren
erfolgen. Das Gemisch strömt in einem solchen Fall zweckmäßig von unten durch eine
innere in einem weiteren Gefäß angeordnete Kammer über ein Laufrad, über dem die
leichtere Komponente zentral entnommen wird, während die schwerere Komponente von
dem Ringraum am Rande über den Kühler geführt wird.
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Schließlich kann auch die Trennung durch Adso@rpbion erfolgen. Es
kommen in diesem Fall eine diskontinuierliche und eventuell auch eiirre kontinuierliche
Arbeitsweise in Frage. Bei der ersteren wird das .Gemisch durch das Adsorptionsmittel
geleitet und in eine adsorhieerta Phase einerseits und eine nicht adsorhierbare
Phase andererseits zerlegt. Periodisch wird das Adsorptionsmittel erwärmt und gibt
das adsorbierte Gas, gasförmig a"b, so daß es anschließend in bekannter Waise kondensiert
und in das Auisättigergefäß geführt werden kann, -wo es im Strom dar zirkulierenden
leichteren Koinponente in .schon beschriebener Weise verdunstet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren rnit Verwendung der Thermodiffusion
als, Trennverfahren sei durch ein. Beispiel in Firg. r dargestellt.
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Im. einem Trennrohr r mit Heizeinsatz z und Trennraum 9 erfolgt die
Zerlegung des, bei 1a eintretenden Genzischens in eine kondensierbarre bzw. eine
nicht kondensierbare Komponente, wobei die erste z. B. aus Frigen, die letzte aus
Wasserstoff bestehen möge. Unter der Wirkung leas Trennrohres erfolgt die Zerlegung
das Gasgemisches derart, daß .sich dars. Frigen am unteren Ende und der Wasserstoff
am oberen Ende ansammelt. Im Kondensator 1o werden anschließend die Frigendämpfe
kondensiert und das Kondensat in den Behälter 5 übergeführt, in dem es sich als,
Flüssigkeit 15 sammelt. Die Kondensationswärme wird über die Kühlrippen des
Kondensators zo an die: Umgebung abgeführt. Die Flüssigkeit kann .in Auf sättiger
7 nunmehr z. B. in einem nicht gezeichneten Fall über Füllkörper abwärts rieseln
und sich mit gleichsinnig _ strömendem Wasserstoff durch Verdunstung vermischen.
Besonders zweclcmäßig ist es, das Kondensat in porigem Material, z. B. einem Tonzylinder
6, unter der Wirkung von Kapillarkräften gegen darr Strom leas: leichten Trägergases
aufsteigen. zu lassen und dabei das an beiden Seiten des Tonzylinders vorbeiströmende
Wgss.ers:tofgas mit Frigendämpfen aufzusättigen. Der Tonzylinder steht dabei .in.
einem Behälter 5, der mit Flüssigkeit 15 gefüllt ist. Diese Art der Aufsätti@gung
hat den Vorzug, daß die Thermosyphonströmung im Kreislauf 1a, 9, 1q., 8, 7, 1z,
13 beschleunigt und die-Kühlwirkung intensiviert wird. Ein Temperaturaustauscher
13 wärmt das Gemisch wieder an und
kühlt das Kondensat nach bzw.
bewirkt er eine weitere Kondensation. Gleichzeitig wird das Gemisch auf Umgehungstemperatur
rürkerwäTmt. Ein Kühler 1d. führt die Wärme der oben abgetrennten Komponente im
Austausch mit der Umgebung ab. Im Verdunster 7 wird die Austauschfläche mit der
zu kühlenden Umgebung durch ein Zentralrohr 16 vergrößert, das von Luft in Abwärtsrichtung
durchströmt wird. Die Umlaufgeschwindigkeit im Kreislaufsystem ist um so größer,
je größer der Gewichtsunterschied zwischen der heißen und kalten Säule des Kreissystems
ist. Die Einrichtung arbeitet im übrigen vollautomatisch unter Selbstregulierung,
d. h., ist die Umlaufgeschwindigkeit zu groß, so@ wird der Trenneffekt unvollkommener,
infolgedessen die, Gewichtsdifferenz zwischen kalter und heißer Gassäule und damit
auch die, Umlaufgeschwindigkeit kleiner. Bei kleinerer Umlaufgeschwindigkeit wächst
jedoch wieder der Trenneffekt, was sich wiederum in der Vergrößerung der Gewichtsdifferenz
der Leiden Gassäulen und in einer Beschleunigung des Umlaufs auswirkt. Die Aufsättigerkammer
7, die als Kühler wirken soll, liegt dabei. zweckmäßig im zu kühlenden Raum, der
Kondensator io und Teile des Temperaturaustauschers 13 sowie das. Trennroih:r
an der Außenluft.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Ausführung der Erfindung für
den Fall, daß die gasförmig verbleibende Komponente spezifisch schwerer und auch
schwerer kondensierbar ist als die zweite Komponente, isst in Fig. 2 dargestellt.
Hier kennzeichnet wiederum i das Trennrohr mit Heizeinsatz 2 und Trennraum g. Das
zu trennende Gemisch wird bei 12 in dieses eingeführt, die abgetrennte, nicht kondensierbare
schwerere Komponente, z. B. Argon oder Krypton oder Xenon, tritt aus denn
unteren Rohr aus, durch den Kühlar 17 und den Temperaturauswechsler 13 in den Verdampfer
2o ein. Die leichtere Komponente, welche am oberen Ende: des Trennrohres i aus dem
Gasgemisch abgetrennt wurde, wird durch Verflüssi;ger 18 geführt. Die im vorliegenden
Fall z. B. aus Ammoniak bestehende leichtere und auch leichter kon.densierbare Komponente
des Gasgemisches -wird hier verflüssigt und strömt durch das Fallrohr abwärts und
bei ig in den Verduns;ter 2o, der als Kühler wirkt, wobei es gleichzeitig etwaige
gasförmig gebliebene Komponente mitnimmt, die unter Umständen. sich mehr oder weniger
in der Flüssigkeit löst. Im Verdunsiter 2o rieselt die flüssige Komponente; über
Füllkörper oder Einbauten, wie z. B. Böden, abwärts und wird hierwieder im Strom
der gasförmig gebliebenen und über Leitung2i zugeführten Gaskomponente verdunstet.
Die Verdunstungskälte wird an die zu kühlende Umgebung abgeführt und die restliche
Kälte des über Leitung 22 austretenden Gemisches im Temperaturwechsler 13 an die
aus der Trennsäule i in Leitung 2i abströmende spezifisch schwerere Gaskomponente
abgegeben. Die Kälteaibgabe des Verdu:nsters kann durch Oberflächen vergrößernde
Mittel verbessert werden.. Die Ausführung des Ver.dunsters kann im übrigen auch
entsprechend der in der Fig. i beschriebenen erfolgen. Wird der Verdunster 2o tiefer
gestellt als das Trennrohr i, so erfolgt eine Beschleunigung des Umlaufs, da sich
die Gewichtsdifferenzen der Gassäulen vergrößern..