DE525833C - Verfahren und Vorrichtung zur Kaelteerzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung für Apparate, bei denen ein Kältemittel, ein Absorptionsmittel und ein drittes Mittel durch Wärmezufuhr S zum Apparat in Umlauf gebracht werden, und wobei das dritte Mittel im gasförmigen Zustand in den Verdampfer des Apparates tritt, und bezweckt, derartige Apparate zu verbessern. In derartigen Apparaten, die mit drei Mitteln arbeiten, sind die Totaldrücke in allen Teilen des Apparates nahezu die gleichen bis auf die Druckunterschiede, die durch den hydrostatischen Druck von Flüssigkeitssäulen ausgeglichen werden können. Deshalb soll das dritte Mittel im folgenden auch als druckausgleichendes Hilfsmittel bezeichnet werden.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Apparate, bei denen das Hilfsmittel in einer Absorptionslösung gelöst, darauf durchWärmezufuhr aus der Lösung wieder ausgetrieben und in gasförmigem Zustand in den Verdampfer des Apparates geführt wird, wo es durch seine Anwesenheit die Verdampfung des flüssigen Kältemittels bewirkt, wie dies ähnlich im Patent 456 152 beschrieben ist.

Die Erfindung besteht im wesentlichen in der Wahl besonders zweckmäßiger Arbeitsmittel für derartige Apparate, insbesondere in der Verwendung von Butan als Kältemittel.

Als Absorptionsmittel wird dabei zweckmäßig Wasser und als druckausgleichendes Mittel etwa Ammoniak oder Schwefeldioxyd oder Kohlensäure verwendet.

Es ist bereits bekannt, Butan als Kältemittel in Kompressionsmaschinen zu verwenden.

Die bekannten Vorteile, die bei Kompressionsapparaten bei der Verwendung von Butan auftreten, spielen in Absorptionsapparaten keine Rolle. In Absorptionsapparaten, insbesondere der geschilderten Art, hat die Verwendung von Butan als Kältemittel die Vorteile, daß es sich sehr wenig in der angereicherten Absorptionslösung löst, und daß ferner verflüssigtes Butan und die angereicherte Absorptionslösung verschiedene spezifische Gewichte haben, so daß sich beide Mittel leicht voneinander scheiden, was besonders von Wichtigkeit ist, wenn, wie dies die Erfindung besonders vorsieht, die Kondensation des Kältemittels und die Absorption des Hilfsmittels in dem gleichen Gefäß erfolgt.

An Stelle des Butans kann mit dem gleichen Vorteil auch Methylbromid als Kältemittel verwendet werden. Butan läßt sich seiner Schwere, Methylbromid seiner Leichtigkeit wegen schnell und sicher von den obenerwähnten Absorptionslösungen scheiden.

In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung gezeigt, bei deren Erörterung sich weitere kennzeichnende Merkmale der Erfindung ergeben werden.

Fig. ι zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Methylbromid als Kältemittel verwendet wird.

ι ist der Verdampfer, in dem sich das Kältemittel 2 befindet. Durch das Rohr 3 tritt gasförmiges Ammoniak in den Verdampfer und tritt durch einen Verteiler 4 aus dem Rohr 3 aus und in das Kältemittel 2 hinein.

Auf viele kleine Blasen verteilt, steigt dann das Ammoniakgas im flüssigen Kältemittel 2 nach oben und sättigt sich dabei in sehr vollkommener Weise mit dem Dampf des Methylbromids. Das Gemisch der beiden Gase strömt dann durch das Rohr 5 in den Kondensator 6, in dem von oben dauernd Wasser heruntertröpfelt, welches durch das Rohr 7 in den Kondensator eintritt. Das Wasser fließt am besten an der durch Kühlwasser gekühlten Wand 8 des Kondensators entlang. Da in Gegenwart von Wasser der Sättigungsdruck des Ammoniaks stark heruntergesetzt ist, wird Ammoniakgas durch das Wasser aufgenommen und so dauernd der Gasphase im Kondensator 6 entzogen. Da der Totaldruck bei diesem Vorgang derselbe bleibt, wird durch das Verschwinden des Ammoniakgases aus der Gasphase insbesondere in der Nähe der Wandungen der Partialdruck des Methylbromiddampfes entsprechend erhöht, so daß der Methylbromiddampf übersättigt wird und gleichzeitig mit dem Ammoniak an den Wandungen des Kondensators verflüssigt wird. Ammoniakgas und Methylbromiddampf streben gleichzeitig im Kondensator den Wandungen zu, so daß wir hier mit einem rasch ablaufenden Vorgange zu tun haben und für die Kondensationsgeschwindigkeit in erster Linie nur die Geschwindigkeit der Wärmeableitung in der Wandung des Kondensators maßgebend ist. Das verflüssigte Methylbromid ist spezifisch schwerer als das Ammoniakwassergewicht und sammelt sich bei 9 im Kondensator, während das Ammoniakwassergemisch 10 darüber schwebt. Das Methylbromid im Kondensator kommuniziert über die Röhre 11 mit dem Methylbromid im Verdampfer. 12 ist ein aufgesetzter Kühlmantel zur Kühlung des Kondensators 6. Das Ammoniakwassergewicht wird über das Rohr 13 durch im Rohre 14 aufsteigende Gasblasen in das Gefäß 15 befördert. Die Gasblasen im Rohre 14 entstehen durch Erwärmung dieses Rohres/wobei aus dem ammoniakreichen Wasser Ammoniakgas frei wird. Im Gefäß 15 befreien sich die Gasblasen aus dem W'asser, und das frei gewordene Gas, welches im übrigen nur eine geringe Menge darstellt, tritt über das Rohr 16 in den Kondensator 6. Diese Gasmenge ist für die Nutzarbeit der Maschine verloren. Das ammoniakreiche Wasser wird vom Ammoniak im Austreiber 17, wohin es aus dem Gefäß 15 durch das Rohr 18 gelangt, durch Erwärmung befreit. Dieser Austreiber ist tiefer angeordnet als das Gefäß 15, welches über das Rohr 16 mit dem Kondensator 6 kommuniziert; während also der totale Gasdruck im Gefäß 15 ebenso groß ist wie im Kondensator 6 und wie im Verdampfer 1 über dem Flüssigkeitsspiegel des Methylbromids, so ist der Gasdruck im Austreiber 17 um den hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule im Rohr 18 von der Höhe A₁ größer. Dadurch wird erreicht, daß das Ammoniakgas aus dem Austreiber über das Rohr 3 in den Verdampfer unter den Flüssigkeitsspiegel des Methylbromid hineingedrückt wird. Dazu ist freilich erforderlich, daß der hydrostatische Druck in der Säule 1 größer sei als der Druck der Methylbromidsäule A₂. Infolge des Überdrucks im Austreiber 17 wird das vom Ammoniak befreite Wasser über das Rohr 7 wieder in den Kondensator 6 hineingedrückt; es muß da für Drosselung gesorgt werden, da sonst infolge des hohen Überdrucks zuviel Flüssigkeit aus dem Austreiber in den Kondensator getrieben werden würde. Es wird am besten die Mündung 19 des Rohres 7 mit einer feinporösen Kappe verschlossen, durch die Flüssigkeit zwar hineingedrückt wird, durch die aber, wenn der Flüssigkeitsspiegel im Austreiber unter die Kappe gesunken ist, kein Gas hindurchgetrieben wird, weil die Kapillarkräfte das Verdrängen der Flüssigkeit aus den Poren durch das Gas verhindern. Damit durch das Rohr 7 das ammoniakarme Wasser in kaltem Zustande in den Kondensator eintritt, können das Rohr 7 und das Rohr 14 zu einem Wärmeaustauscher vereinigt und das Rohr 7 noch besonders gekühlt werden. (In der Fig. 1 nicht eingezeichnet.) Analog können auch Rohr 5 und 11 zu einem Wärmeaustauscher vereinigt werden. Auf diese Weise wird dauernd Methylbromiddampf aus dem Verdampfer durch das Ammoniakgas weggeführt und durch das Verdampfen des Methylbromids Kälte erzeugt.

Besondere Sorgfalt ist auf die Wahl des Ammoniakdruckes im Austreiber zu legen. Arbeiten wir mit sehr Ideinen Ammoniakdrucken, so ist die Kälteleistung der Maschine gering. Andererseits ist aber dem Ammoniakdampfdruck im Austreiber nach oben eine strikte Grenze gesetzt. Dies läßt sich leicht durch eine Überschlagsrechnung zeigen, die gleichzeitig einen Einblick in die Berechnungsweise der Maschine liefert, Nehmen wir eine Kühlwassertemperatur von 25 ° an und damit auch eine Kondensatortemperatur von 25° und setzen wir die Temperatur im Verdampfer gleich — 5°, so ist es z. B. ganz unmöglich, mit einem Ammoniakdampfdruck von 10 Atm. im Austreiber zu arbeiten. Es ist nämlich der Totaldruck nahezu der gleiche in allen Teilen des Apparates. Da im Austreiber fast nur Ammoniakdampf zugegen ist, so wäre ja also dort der Ammoniakpartialdruck gleich dem Totaldruck gleich iij 10 Atm. Im Verdampfer muß nun der Ammoniakpartialdruck kleiner sein als der Sättigungsdruck des Ammoniaks bei —·ζ°, also kleiner als etwa 3V₂ Atm. Da der Totaldruck auch im Verdampfer 10 Atm. beträgt, so entfallen also im Verdampfer auf den Partialdruck des Kältemittels 6^x/₂Atm. Andererseits ist ■■

nun aber der Partialdruck des Ammoniaks im Kondensator jedenfalls immer noch von ο verschieden, so daß dort auf den Partialdruck des Kältemitteldampfes weniger als io Atm. entfallen. Bei weniger als io Atm. muß also bei der Kondensatortemperatur, d.h. 25°, der Dampf des Kältemittels gesättigt sein, während wir vorhin festgestellt haben, daß der Sättigungsdruck bei —5⁰ höchstens 6¹Z₂ Atm.betragen kann. Das Verhältnis der Sättigungsdrucke des Kältemittels für 25 ° und — 5 ° müßte also kleiner sein als 10 : 6,5 gleich 1,54; eine Substanz, welche man als Kältemittel hier verwenden könnte und für die dieses Verhältnis so niedrig ist, gibt es nun sicher nicht. Man ersieht daraus, daß man jedenfalls mit Ammoniakdampfdrucken arbeiten muß, die weit unter 10 Atm. liegen. Es kann daher sicher keine Verflüssigung des ausgetriebenen Ammoniaks bei Zimmertemperatur bzw. normaler Kühlwassertemperatur erfolgen, so daß das Ammoniak jedenfalls sicher in Gasform den Verdampfer betritt, in dem sich das Kältemittel befindet. Wenn man mit verhältnismäßig hohen Ammoniakgasdrucken arbeitet, kann bei tiefen Temperaturen im Verdampfer eine Kondensation und Wiederverdampfung des Ammoniakgases eintreten. Selbstverständlich trägt auch in diesem Falle die Verdampf ungswärme des Ammoniaks nichts zur Kälteleistung im Verdampfer bei, da ja beim Verdampfen des verflüssigten Ammoniaks nur die Wärme entzogen wird, die bei der Kondensation dort frei geworden ist.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kältemittel ist hier ebenfalls als das spezifisch schwerere angenommen. Das ammoniakreiche Wasser verläßt hier durch das Rohr 20 den Kondensator und wird in dem Rohr 21 durch Gasblasen bis zu dem Punkt P hinaufgeführt. Das Rohr 21 bildet mit dem Rohr 22, durch welch letzteres das ammoniakarme W'asser den Austreiber 23 verläßt, einen Wärmeaustauscher. Von 22 fließt das immer noch ammoniakreiche Wasser über die Rippen des Rohres 22 in Rohr 24, welche im Schnitt A-B sichtbar sind, herunter in den AiTstreiber 23. Im Rohre 24 strömt das ausgetriebene Ammoniakgas, welches unerwünschterweise auch etwas Wasserdampf enthält, nach oben und kommt auf diese Weise in innige Berührung mit dem nach unten tröpfelnden ainmoniakreichen Wasser. Auf diese Weise tritt eine Abkühlung und eine darüber hinausgehende Wasserdampfentziehung des aufwärts strömenden Dampfes ein. Die Abkühlung wird dadurch bewirkt, daß aus dem ammoniakreichen Wasser Ammoniak unter Warmebindung verdampft. Die Wasserdampfentziehung wird bewirkt erstens durch diese Abkühlung, zweitens dadurch, daß der Wasserdampfpartialdruck im ammoniakreichen Wasser erniedrigt ist. Der so abgekühlte und entwässerte Ammoniakdampf wird durch das Rohr 25 in den Verdampfer geleitet, und die Wirkungsweise des Modells nach Fig. 2 ist im übrigen ebenso wie die des Modells nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel im Schema gezeichnet. Im Gegensatz zu den beiden vorerwähnten Ausführungsbeispielen ist hier das Kältemittel als spezifisch leichter angenommen als das Ammoniakwassergemisch. Ein solches Kältemittel, welches praktisch zu empfehlen ist, ist Butan. Das ammoniakreiche Wasser 26 fließt über das Rohr 27 und den Wärmeaustauscher 28 in den Austreiber 29, wo durch Erwärmen das Ammoniak aus dem Wasser ausgetrieben und über das Rohr 30 \n gasförmigem Zustande dem Verdampfer zugeführt wird. Das Ammoniakgas in dem Austreiber steht unter dem Druck einer Flüssigkeitssäule von der Höhe \, und dieser hydrostatische Druck genügt, um unter dem Flüssigkeitsspiegel des Kältemittels (des Butans) im Verdampfer bei 31 das Ammoniakgas austreten zu lassen. Es muß nur dafür Sorge getragen werden, daß die Höhe der Flüssigkeitssäule A₂ sicher kleiner sei als A₁.

Ein aus dem Austreiber 29 aufwärts steigendes Rohr 32 mündet im Behälter 33. In diesem Rohr wird das ammoniakarme Wasser durch Gasblasen nach oben in den Behälter 33 mitgenommen, wo es sich seiner Gasblasen entledigt. Das Gas strömt von hier über das Rohr 34 in den Kondensator 35 und ist für die Arbeitsleistung in der Maschine verloren. Dem Abschnitt 36 des Rohrs 32 kann Wärme zugeführt werden, um die zur Förderung weiter notwendigen Gasblasen zu erzeugen. Aus dem Behälter 33 strömt das ammoniakarme Wasser über das Rohr 37 unter der Wirkung der Schwere in den Kondensator 35, wo es nach unten tröpfelt. Das Rohr 27 ist über den Wärmeaustauscher 28 geführt, und das ammoniakarme Wasser darin wird nachher auch noch durch Kühlwasser gekühlt, bevor es in den Kondensator eintritt. Dies ist in der Zeichnung dadurch angedeutet, daß das Rohr γ] durch den Kühlmantel des Kondensators geführt gezeichnet ist. Das aus dem Austreiber strömende Ammoniakgas kann im aufsteigenden Ast des Rohres 30 in bekannter Weise auch durch einen Kühler geführt werden, wobei dann Wasserdampf entzogen wird. (In Fig. 3 nicht gezeichnet.)

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem wiederum wie bei dem Modell nach Fig. 3 das Kältemittel das spezifisch leichtere ist. Zum Unterschied zu den bisher beschriebenen Modellen tritt hier aus dem Verdampfer das Dampf gemisch über das Rohr 38 bei 39 in das Ammoniakwassergemisch ein, wo zu-

nächst Gasblasen in der Flüssigkeit nach oben steigen, aus denen das Ammoniak herausabsorbiert und der Dampf des Kältemittels kondensiert wird. Die Zirkulation der Flüssigkeit zwischen dem Kondensator 40 und dem Austreiber 41 wird über die Rohre 42 und 43 im wesentlichen durch den Unterschied im spezifischen Gewicht des ammoniakreichen und des ammoniakarmen Gemisches aufrechterhalten.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Kälteerzeugung in Apparaten, in denen ein Kältemittel, ein Absorptionsmittel und ein druckausgleichendes Hilfsmittel durch Zufuhr von Wärme zum Apparat in geschlossenen Kreisläufen zum Umlauf, gebracht werden, und in denen das druckausgleichende Hilfsmittel in gasförmigem Zustand dem Verdampfer des Apparates zugeführt wird, gekennzeichnet durch die Verwendung von Butan als Kältemittel, Wasser als Absorptionsmittel und Ammoniak, schwefliger Säure oder Kohlensäure als druckausgleichendem Mittel bzw. Schwefelsäure als Absorptionsmittel und Wasser als druckausgleichendem Mittel.
2. 2. Verfahren zur Kälteerzeugung in Apparaten, in denen ein Kältemittel, ein Absorptionsmittel und ein druckausgleichendes Hilfsmittel durch Zufuhr von Wärme zum Apparat in geschlossenen Kreisläufen zum Umlauf gebracht werden, und in denen das druckausgleichende Hilfsmittel in gasförmigem Zustand dem Verdampfer des Apparates zugeführt wird, gekennzeichnet durch, die Verwendung von Methylbromid als Kältemittel, Wasser als Absorptionsmittel und Ammoniak, schwefliger Saure oder Kohlensäure als druckausgleichendem Mittel bzw. Schwefelsäure als Absorptionsmittel und Wasser als druckausgleichendem Mittel
3. 3. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein. durch ein äußeres Mittel gekühltes Gefäß, in dem sowohl die Absorption des druckausgleichenden Mittels im Absorptionsmittel als auch die Kondensation des Kältemittels erfolgt.

   Hierzu I Blatt Zeichnungen

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