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Verfahren zur Kälteerzeugung nach dem Absorptionsprinzip Die Erfindung
betrifft ein neues Verfahren zur Kälteerzeugung nach dem Absorptionsprinzip und
besteht im wesentlichen darin, daß die Arbeitsmittel im geschlossenen Kreislauf
geführt werden und das Kältemittel vor seinem Eintritt in den Verdampfer durch ein
Lösungsmittel verflüssigt und dieses hierauf bei einem dem Verflüssigungsdruck gleichen
oder annähernd gleichen Druck vom Kältemittel wieder abgeschieden wird.
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Die Lösungsmittel und Kältemittel können beliebige sein.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Kälteerzeugung nach
dem Absorptionsprinzip, das darin besteht, daß das Kältemittel vor seinem Eintritt
in den Verdampfer durch ein Lösungsmittel verflüssigt und durch Bindung dieses Lösungsmittels
an ein drittes Hilfsmittel zur Kälteerzeugung wieder frei gemaGht wird. Diese Bindung
des Lösungsmittels an ein drittes Hilfsmittel kann sowohl wie bei dem erst beschriebenen
Verfahren bei einem Druck erfolgen, der gleich oder annähernd gleich dem Druck ist,
bei welchem die Lösung des Kältemittels erfolgt, es kann aber diese Bindung des
Lösungsmittels an ein drittes Mittel auch unter Druckverhältnissen erfolgen, welche
von denen des Lösungsvorganges erheblich abweichen. Wenn im vorstehenden gesagt
worden ist, daß die Abscheidung des Lösemittels von dem Kältemittel bei einem Druck
erfolgen soll, der gleich oder annähernd gleich ist dem während des Lösungsvorganges
herrschenden Druck, so soll damit ausgedrückt werden, daß Abweichungen hinsichtlich
der Drücke bei den beiden Vorgängen insoweit zulässig sein sollen, als diese Druckunterschiede
sich aus baulicher Anordnung der einzelnen Apparatteile zueinander ergeben können,
insofern durch diese baulichen Anordnungen Flüssigkeitssäulen in diesen Apparatteilen
oder den sie verbindenden Rohren vorhanden sein können, welche die Druckunterschiede
bedingen. Gemäß der Erfindung kann das Verfahren in der Weise ausgeführt werden,
daß die aus Lösemittel und Kältemittel bestehende Lösung unter die Einwirkung eines
im Verhältnis zum Kältemittel indifferenten flüssigen Hilfsmittels gesetzt wird,
derart, daß das Lösungsmittel, ohne mit dem Hilfsmittel in Berührung zu kommen oder
mit ihm vermischt
zu werden, lediglich infolge des Dampfdruckunterschiedes
zwischen den beiden Mitteln zum Hilfsmittel hinüber diffundiert.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann derartig ausgeführt werden,
daß das vom Hilfsmittel aufgenommene Lösungsmittel aus dem Hilfsmittel kontinuierlich
abgetrennt und dem Umlaufsystem des Kältemittels wieder zugeführt wird. Die Abtrennung
des Lösungsmittels kann in Gasform erfolgen, z. B. durch Erhitzung, worauf das Lösungsmittel
wieder verflüssigt und mit dem frei gemachten Kältemittel wieder in Berührung gebracht
wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine neue Vorrichtung zur Kälteerzeugung
nach dem Absorptionsprinzip, bei welcher gemäß der Erfindung alle Teile des Apparats
miteinander in offener Verbindung stehen und dem Verdampfer ein Absorber vorgeschaltet
ist. Diese Vorschaltung des Absorbers vor den Verdampfer ersetzt den Kondensator
und gestattet, den Apparat mit wesentlich erniedrigten Drücken zu betreiben. Da
diese Vorrichtung nach dem Absorptionsprinzip arbeitet, so ergibt sich, daß neben
diesem den Kondensator ersetzenden Absorber selbstverständlich auch noch andere
Absorber vorhanden sein können, z. B. in der Anordnung, daß vor und hinter dem Verdampfer
mindestens je ein Absorber eingeschaltet ist, oder derart, daß im Kreislauf des
Lösungsmittels zwei Absorber hintereinandergeschaltet sind, oder auch so, daß im
Kreislauf des Kältemittels hinter dem Verdampfer zwei Absorber hintereinandergeschaltet
sind.
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Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung ferner gekennzeichnet durch
das Vorhandensein dreier miteinander gekuppelter Kreisläufe für das Kältemittel,
das Lösungsmittel und das Hilfsmittel.
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Ausführungsbeispiele der neuen Vorrichtung sind in den Zeichnungen
dargestellt, und zwar in den Abb. i bis _3 jeweils im schematischen Schnitt.
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Der in Abb. i gezeigte Apparat besteht aus einem Verdampfer i, einem
Entgaser 2 sowie einem Absorber 3, die durch Rohrleitungen derart miteinander verbunden
sind, daß sie zusammen ein hermetisch geschlossenes Apparatsystem bilden. Der Verdampfer
i und der Absorber 3 sind durch Rohrleitungen q. und 5 miteinander verbunden, von
denen die erstere einerseits an den Gasraum des Verdampfers i angeschlossen ist
und anderseits in ein am Boden des Absorbers 3 angebrachtes perforiertes Verteilungsrohr
6 mündet, während die andere Leitung 5 einerseits unterhalb des Flüssigkeitsspiegels
im Verdampfer i mündet und anderseits einen Überlauf für die Flüssigkeit im Absorber
3 bildet, so daß die Flüssigkeit stets auf einem geeigneten Niveau gehalten wird.
Die genannte Flüssigkeit besteht aus einer Lösung des Kältemittels, das z. B. Ammoniak
sein kann, wobei das Lösungsmittel Wasser ist. Der Absorber 3 ist in der dargestellten
Ausführungsform mit einem Kühlmantel ? zwecks Kühlung mittels Kühlwassers versehen.
Durch ein Rohr 8 steht der Gasraum des Entgasers 2 mit dem Gasraum -des Absorbers
in Verbindung.
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Der Verdampfer i und der Entgaser 2 sind mittels Leitungen 9 und i
o miteinander verbunden, die zusammen einen Temperaturwechsler i i bilden und von
welchen die erstere den oberen Teil des Verdampfers i mit dem unteren Teil des Entgasers
2 verbindet, während die andere Leitung, i o, den oberen Teil des Entgasers 2 mit
dem unteren Teil des Verdampfers i verbindet. Durch die Röhre 9 und i o sind Verdampfer
und Entgaser miteinander zu einem Umlaufsystem für das Hilfsmittel verbunden, das
z. B. aus einer konzentrierten Lösung eines Alkalihydrats, zweckmäßig einer Mischung
von Kalihydrat und Natriumhydrat, bestehen kann. Der Umlauf wird bei dem dargestellten
Apparat mit Hilfe eines innerhalb des Entgasers 2 angebrachten Schlangenrohres 12
bewirkt, das einen Teil der in den Entgaser mündenden Leitung i o bildet und in
an sich bekannter Weise durch die bei der Erhitzung des Entgasers entstehende Dampfbildung
einen Flüssigkeitsauftrieb bewirkt. Der Entgaser kann in beliebiger Weise mittels
eines Gasbrenners 13 erhitzt werden.
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Wenn der Apparat durch Erhitzung des Entgasers in Wirksamkeit tritt,
wird Wasser aus der Alkalilauge ausgetrieben, und der durch das Rohr 8 entweichende
Wasserdampf wird im Absorber 3 unter gleichzeitiger Absorption von Ammoniak verflüssigt.
Sobald die Ammoniaklösung im Absorber 3 die erforderliche Höhe erreicht hat, fließt
sie durch das Rohr 5 in den Verdampfer ab, wobei sie in unmittelbare Berührung mit
der Alkalilauge gelangt, die sich mit dem Wasserunter Austreiben von Ammoniak vereinigt.
Bei dem verhältnismäßig niedrigen Druck im Apparat, der während des Verlaufes des
Prozesses 2 bis 3 Atm. ausmachen kann, wird das Ammoniak in gasförmigem Zustand
übergeführt, wobei der Druck etwas über den Druck im Absorber 3 gesteigert wird.
Dieser Überdruck genügt zur Überwindung des Flüssigkeitsdruckes am perforierten
Rohr 6 und außerdem dazu, die Einströmung der Ammoniakdämpfe in den Absorber 3 zu
bewirken, wo sie infolge der stetigen Zufuhr von Wasserdampf zum Absorber kontinuierlich
absorbiert werden. Das Freiwerden des Ammoniaks im Verdampfer ist mit Aufnahme von
Wärme
aus seiner Umgebung verbunden, wodurch seine Temperatur allmählich
sinkt. Die Lösung der Ammoniakdämpfe im Wasser des Absorbers ist dagegen mit Wärmeentwicklung
verbunden. Die Wärme, die dadurch frei wird, sowie die bei der Verflüssigung des
Wasserdampfes frei werdende Wärme wird durch das Kältemittel im Kühlmante17 weggeleitet.
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Durch Zufuhr von Ammoniaklösung zum Verdampfer wird die darin befindliche
Alkalilauge verdünnt; aber je nachdem die verdünnte Lauge durch das Rohr io dem
Entgaser zugeführt wird, strömt gleichzeitig auch durch das Rohr g eine entsprechende
Menge konzentrierter Alkalilauge hinein, die im Entgaser vom Wasser befreit worden
ist. Die Alkalilauge wird somit einer stetigen Regenerierung unterworfen, was eine
kontinuierliche Abtrennung des Wassers aus der Ammoniaklösung im Verdampfer und
eine kontinuierliche Zufuhr von Wasserdampf zum Absorber sichert. Der Apparat wird
somit infolge der thermodynamischen Wirkungen innerhalb des Systems vollständig
kontinuierlich arbeiten.
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Anstatt der oben angegebenen Stoffkombination kann man vorteilhaft
auch Kohlensäure als Kältemittel, Schwefeldioxyd als Lösungsmittel und Schwefelkohlenstoff
als Hilfsmittel verwenden.
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Der Wirkungsgrad eines Kühlapparats oben beschriebener Art ist natürlich
von der Wahl der miteinander zusammenwirkenden Stoffe abhängig. Um einen möglichst
hohen Wirkungsgrad zu erzielen, soll ein Kältemittel gewählt werden, das bei den
Druck- und Temperaturverhältnissen im Verdampfer in gasförmigem Zustand freigegeben
wird. Dabei wird eine Wärmemenge gebunden, die der Lösungswärme des gasförmigen
Kältemittels, d. h. der Summe aus der Verdampfungswärme des Kältemittels und der
Lösungswärme des flüssigen Kältemittels, gleich ist. Als Lösungsmittel soll ein
Stoff gewählt werden, der bei der im Entgaser herrschenden Temperatur eine möglichst
niedrige Verdampfungswärme hat. Das Lösungsmittel soll gleichzeitig imstande sein,
große Mengen des Kältemittels absorbieren zu können. Die vom Lösungsmittel absorbierte
Menge des Kältemittels ist indessen auch vom Druck im Apparat abhängig, indem das
Lösungsmittel um so größere Mengen absorbieren kann, je höher der Druck ist. Mit
Rücksicht auf den Wirkungsgrad ist es deshalb zweckmäßig, mit dem praktisch höchstmöglichen
Druck zu arbeiten, wobei jedoch gleichzeitig darauf zu achten ist, daß das Kältemittel
solcher Natur ist, daß es bei dem vorhandenen Druck bzw. der Temperatur im Verdampfer
nicht verflüssigt wird. -Das Hilfsmittel soll die Fälligkeit haben, das Kältemittel
aus dem Lösungsmittel auszutreiben, soll aber gleichzeitig im Verhältnis zum Kältemittel
indifferent oder überhaupt indifferent sein. Das Hilfsmittel kann z. B. auch aus
einer Salzlösung bestehen. Als Kältemittel kann gegebenenfalls eine Mischung mehrerer
Stoffe verwendet werden, die zweckmäßig so beschaffen sind, daß sie alle in gasförmigem
Zustand im Verdampfer frei werden.
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Bei einem nach Abb. i gebauten Apparat kann es vorkommen, daß ein
Teil des Kältemittels in gelöstem Zustand mit dem Hilfsmittel bei dessen Zirkulation
durch den Entgaser mitströmt, leas natürlich einen Verlust finit sich bringen würde.
Abb. z zeigt eine Bauart, die Verluste dieser Art zu vermeiden gestattet. Zu diesem
Zweck ist im Umlaufsystem des Hilfsmittels ein Gasabscheider i ¢ eingeschaltet,
der derart angeordnet ist, daß er durch die in den Verdampfer hineinströmende Lösung
des Kältemittels erhitzt wird zwecks Austreibung der im Hilfsmittel zurückgebliebenen
Mengen des Kältemittels. Der Gasabscheider i q. ist einerseits an den Verdampfer
durch ein unterhalb des Flüssigkeitsspiegels im Verdampfer herabgehendes Siphonrohr
15, das oben in den Gasraum des Gasabscheiders ausmündet, anderseits an den Temperaturwechsler
i i durch ein Rohr 16 angeschlossen, das derart angeordnet ist, daß die Flüssigkeit
im Gasabscheider stets auf einem bestimmten Niveau gehalten wird. In der vom Absorber
3 zum Verdampfer i laufenden Flüssigkeitsleitung 5 ist ein anderer Absorber 17 eingeschaltet,
der in Form eines Mantels den Gasabscheider umgibt, und in welchem ein gewisses
Flüssigkeitsniveau aufrechterhalten wird, zweckmäßig dasselbe Niveau wie im Gasabscheider.
Dieser steht mit dem Absorber 17 durch ein Rohr 18 in Verbindung, das einerseits
in den Gasraum des Gasabscheiders und anderseits in ein perforiertes Verteilungsrohr
19 mündet, das unterhalb des Gasabscheiders im Flüssigkeitsraum des Absorbers 17
angeordnet ist. Der Absorber 17 ist ferner mit dem Absorber 3 durch ein Gasrohr
2o verbunden. Um zu verhindern, daß Gas zum Absorber 3 durch das Rohr 5 strömt,
ist in diesem Röhr ein Flüssigkeitsverschluß a i eingeschaltet.
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Die Wirkungsweise dieses Apparats ist folgende: Infolge der Gasentwicklung
im Verdampfer i wird das Hilfsmittel in Form zusammenhängender Flüssigkeitspfropfen
in den Gasabscheider 14 durch das Siphonrohr 15 hinaufgedrückt, das somit wie ein
Pulsometer arbeitet, durch welches auch das im Verdampfer entwickelte Gas entweicht.
Infolge Einwirkung der durch den Absorber 17 strömenden
Lösung
findet nun eine Vorwärmung des Hilfsmittels statt, das hierdurch von in demselben
zurückgebliebenen Resten von Kältemittel befreit wird. Vom Gasabscheider entweicht
das Kältemittel in Gasform durch das Rohr 18, wobei es in der im Absorber
17
vorhandenen Flüssigkeit teilweise gelöst wird, deren Absorptionsvermögen
durch die Abkühlung erhöht worden ,ist, welcher sie durch Einwirkung des Gasabscheiders
14 ausgesetzt wird. Hierauf gelangen die nicht gelösten Mengen des Kältemittels
durch das Rohr 2o in den Absorber 3, wo sie sich mit dem vom Entgaser kommenden
Dampf mischen und im Wasser lösen. Der Gasabscheider 14 und der Absorber
17
wirken somit als Temperaturwechsler zum Austausch von Wärme zwischen dem
von dem Verdampfer entweichenden Hilfsmittel und der in den Verdampfer hineinströmenden
Lösung des Kältemittels. Das vom Gasabscheider ausgehende Rohr 16 wird zweckmäßig
durch den Gasabscheider hindurch, wie auf der Zeichnung zu erkennen ist, zwecks
Abkühlung des Hilfsmittels zurückgeführt, so daß dieses in den Temperaturwechsler
i i mit möglichst niedriger Temperatur gelangt. Der Absorber 3 besteht gemäß Abb.
2 aus einem mit Flanschen versehenen ,luftgekühlten Behälter, von welchem die entstandene
Lösung am Boden durch das Rohr 5 unmittelbar abfließt.
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Eine Steigerung der Kühlwirkung über die Wirkung hinaus, die bei den
Apparaten nach den Abb. i und 2 erhalten wird, indem die Lösung des Kältemittels
mit dem Hilfsmittel unmittelbar gemischt wird, kann dadurch erzielt werden, daß
man auch das Lösungsmittel im Verdampfer verdampfen läßt. Dies kann durch eine Vorrichtung
nach Abb.3 geschehen, bei welcher die Absorption des Lösungsmittels in einem besonderen,
vom Verdampfer thermisch getrennten Absorber 22 geschieht. Dieser letztere ist bei
der dargestellten Ausführungsform durch Rohre 23, 24 mit dem Verdampfer i zu einem
Umlaufsystem für das im Verdampfer entwickelte Gas verbunden. Der Absorber 22 sowie
der Verdampfer i sind mit perforierten Verteilungsplatten 25, 26 versehen. Durch
eine von einer elektrischen Wärmepatrone 27 erhitzte Umlaufvorrichtung 28 wird das
Hilfsmittel vom Absorber 22 auf eine Höhe im Entgaser 2 gehoben, die genügend hoch
ist, um das Hilfsmittel in den oberen Teil des Absorbers hineinströmen zu lassen,
wobei die herabfließende Flüssigkeit sich über die Platten 25 verteilt. Die vom
Absorber 3 durch das Rohr 5 in den Verdampfer hineinströmende Lösung strömt durch
den Verdampfer hinab und wird hierbei über die Platten 26 verteilt. Von dein Absorber
22 strömt durch die Leitung 23 eine gewisse Menge frei gewordenes Kältemittel in
den Verdampfer i ein, wodurch der Partialdruck des Lösungsmittels im Verdämpfer
herabgesetzt wird. Hierdurch gelangt das Lösungsmittel im Verdampfer zur Verdampfung
und diffundiert, da das Hilfsmittel das Lösungsmittel absorbieren will, zum Absorber
22 hinüber, wobei das Lösungsmittel gleichzeitig zur Kälteerzeugung beiträgt, indem
es bei der Verdampfung eine seiner Verdampfungswärme entsprechende Wärmemenge bindet.
Durch Verdampfung des Lösungsmittels wird auch das Kältemittel frei, das zusammen
mit den Dämpfen des Lösungsmittels zum Absorber 22 überströmt. Wenn das Kältemittel
und das Lösungsmittel dabei so gewählt sind, daß sie wesentlich verschiedene Molekulargewichte
haben, werden die Gase durch den Absorber und den Verdampfer umlaufen, und zwar
infolge des Unterschiedes im Gewicht der Dämpfe des Kältemittels im Absorber 22
einerseits und der Mischung der Dämpfe des Kältemittels und des Lösungsmittels im
Verdampfer anderseits. Dadurch wird die Umsetzung beschleunigt, so daß eine kräftige
Kühlwirkung erfolgt. In diesem Falle kann vorteilhaft die Mischung Kohlensäure,
Schwefeldioxyd und Schwefelkohlenstoff verwendet werden, weil Kohlensäure und Schwefeldioxyd
wesentlich verschiedene Molekulargewichtehaben. Durch das Rohr 4 entweicht kontinuierlich
eine gewisse Menge des Kältemittels, die der Menge des Lösungsmittels entspricht,
die im Absorber absorbiert wird, während der überschuß an Kältemittel zum Verdampfer
zurückströmt. Zwischen dem Absorber 22 und dem Verdampfer i kann gegebenenfalls
ein Temperaturwechsler angeordnet werden, der durch die Rohre 23, 24 gebildet ist.
Der Absorber 22 kann wie der Absorber 3 zwecks Fortleitung der bei der Absorption
frei gemachten Wärme gekühlt werden.