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Kühlaggregat Das Patent bezieht sieh auf ein Kühlaggregat mit einem Motor und einer Kaltgaskühlmaschine, die einen Expansionsraum und einen Kompressionsraum aufweist, welche Räume durch einen Wärmeaustauscher zur Wärmezufuhr an das Arbeitsmedium, einen aus Draht mit einem hydraulischen Durchmesser d bestehenden Regenerator und einen Kühler in offener Verbindung stehen und deren Volumina durch mindestens je einen kolbenförmigen Körper periodisch mit der Periodendauer a und mit konstanter Phasen- vcrselhiebung veränderlich sind, wobei im stationären Betriebszustande des Aggregates, in dem das immer gasförmig bleibende Arbeitsmedium in der Kühlmaschine einen thermo- dynamisehen Kreisprozess durchläuft,
im Wärmeaustauscher eine Temperatur von weniger als 233 K, vorzugsweise weniger als 213 K, herrseht, und bei der im Kühler herrschenden Temperatur die Sehallgesehwindigkeit im Arbeitsmedium e ist.
Unter dem hydraulischen Durchmesser d des Drahtes versteht man den Quotienten aus der vierfachen Quersehnittsfläche des Drahtes und seinem Umfang. Der Querschnitt kann dabei jede Form haben und zum Beispiel rechteckig sein. Der Regenerator kann auf verschiedene Weise hergestellt sein, so kann r rman den Draht zickzaekförmig auf Spulen aufwickein, oder man kann eine Füllmasse mit ungleichmässig gekräuselter oder filzartiger Struktur verwenden.
Eine Kaltgaskühlmaschine wird auch oft als eine nach dem umgekehrten Heissgaskol benmotorprinzip arbeitende Kühlmaschine bezeichnet.
Eine Kaltgaskühlmaschine kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein, z. B. als Ver- drängermaschine, als Maschine mit auf beiden, Seiten eines Kolbens vorhandenen Arbeitsräumen oder als Maschine, bei der zwei Zylinder einen Winkel miteinander einschliessen.
Kaltgaskühlmasehinen kommen oft mit den Motoren zu Kühlaggregaten zusammenge-, baut auf den Markt. Ein solches Aggregat hat eine bestimmte Normaldrehzahl, die zum Beispiel durch die Netzfrequenz und die Polzahl gegeben ist, wenn die Kühlmaschine innmittel- bar durch einen Elektromotor angetrieben wird und deren Kehrwert die Periodendauer z ist. Setzt man ein solches Aggregat in Betrieb, kann man eine Zeitlang an Thermometern, die im Kühler und im Wärmeaustauscher eingebaut sind, beobachten, dass sich dort die Temperaturen ändern, bis schliesslich nach einiger Zeit ein stationärer Zustand erreicht -wird, bei welchem die Temperaturen konstant bleiben.
Das Arbeitsmedium in der Kühlmaschine, wird so gewählt., dass es auch bei der tiefsten im Verlauf .des Kreisprozesses auftretenden
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Temperatur nicht kondensiert. Ist das Aggregat für einen Wärmeentzug aus dem zu kühlenden Mittel bei 133 K oder mehr gebaut, wird man Luft als Arbeitsmittel bevorzugen. Ist das Aggregat dagegen zum Beispiel dafür gebaut, bei 73 K dem zu kühlenden Mittel Wärme zu entziehen, kann man weder Luft noch deren Komponenten Stickstoff oder Sauerstoff als Arbeitsmedium verwenden, sondern muss zu einem schwerer kondensierbaren Gas, z.B. Wasserstoff oder Helium, als Arbeitsmedium greifen.
Die Anmelderin fand, nachdem sie zahlreiche Kühlaggregate mit verschiedenen Ei- enschaften gebaut und auf dem Prüfstand untersueht hatte, dass für eine bestimmte stationäre Temperatur des Wärmeaustauschers die mittlere Gesehwindigkeit #t des Arbeitsmediums im Regenerator nur innerhalb gewisser Grenzen variieren darf, wenn der Betrieb nicht unwirtschaftlich werden soll. Wurde die Geschwindigkeit # niedriger als der kleinere, weiter unten angegebene Grenzwert gewählt, waren zwar die Strömungsverluste gering, aber die spezifische Leistung der Kühlmaschine sank zu weit ab; wurde sie hingegen grösser als der obere Grenzwert gewählt, nahmen die Strömungsverluste so zu, dass der Nutzeffekt für den Dauerbetrieb unzulässig klein wurde.
Das erfindungsgemässe Kühlaggregat ist nun dadurch gekennzeichnet, dass für eine mittlere Geschwindigkeit # des Arbeitsmediums im leeren Regeneratorraum folgende Beziehung erfüllt ist:
EMI2.8
wobei 0,5 # b # 1,5, vorzugsweise 0,75 # lb @ 1,2 ist.
Als mittlere Geschwindigkeit # im Regenerator wird hier der Quotient verstanden, der erhalten wird, wenn man das Gasvolumen, welches während einer Periode eine Ebene, welche man in der Mitte zwischen den End- flächen des Regenerators quer durch diesen legt, in einer Richtung durchströmt, durch das Produkt aus der von der genannten Ebene aus dem leeren Regeneratorraum ausgeschnittenen Querselhnittsfläche und der Periodendauer #t dividiert.
Die Kühlertemperatur liegt für die meisten Kühlmasehinen in einem engen Bereich etwa um die Zimmertemperatur, so dass man für c in der Regel mit folgenden, für 25 C ermittelten Werten rechnen darf: CH2 = 1,33 km/s, CH,@ = l,01 km/s, CLuft = 0,345 km/s. Da die Schallgesehwindigkeit in Gasen vom Druck praktisch unabhängig ist, kann man sie bei Atmosphärendruck messen.
Die Erfindung wird anschliessend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Die Zeichnung zeigt im Schnitt ein Kühlaggregat, welches aus einem Elektromotor und einer direkt mit ihm gekuppelten und als Ver- drängermasehine ausgebildeten Kaltgaskühl- mnaschine besteht. In einem Zylinder 1 der Kühlmnasehine bewegen sieh ein Verdränger 22 und ein Kolben 3 mit konstantem Phasen- unterselhied auf und ab. Dazu ist der Verdrängen 2 mittels eines Triebstangensystems 4 mit einer Kurbel einer Kurbelwelle 5 und der Kolben 3 mittels eines Triebstangensystenms 6 fmnit andern Kurbeln derselben Kurbelwelle 5 verbunden.
Der Raum 7 oberhalb des Ver- drängers 2 ist der Raum niedriger Temnpera- tur, der sogenannte Expansionsraum. Dieser Raum 7 ist durch einen Ringkanal, in welebem keine Ventile oder Sehieber eingebaut sind und der deshalb als offene Verbindung bezeichnet wird, mit einem Raum 11 höherer Temperatur, dem sogenannten Kompressionsraum, verbunden.
Der Ringkanal enthält einen ä.rmeaustauseher 8 zur Wärmezufuhr an das immer gasförmig bleibende Arbeits- inediitm, welches in der Maschine einen thermodynaniiselien Kreisprozess durehläuft und dabei im Rauin 7 im wesentlichen expandiert und ini Raum 11 im wesentlichen komprimiert wird, einen Regenerator 9 und einen Kühler 10, der dem Arbeitsmedium Wärme entzieht.
Die Kühlmaschine wird durch einen Elektromotor 12 angetrieben.
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Ist das Arbeitsmedium der Kühlmaschine Wasserstoffgas und beträgt die Temperatur des Kühlen 10 im stationären Betriebszustand des Aggregates 25 C, so ist e = 1,33³105 em/s. Die durch die Netzfrequenz, die Bauart und Polzahl des Motors 12 (und gegebenenfalls das Übersetzungsverhältnis eines Getriebes) festgelegte Periodendauer der Kühlmaschine be- trare 1/25 Sekunde. Der Regenerator bestehe ams Draht mit einem hydraulisehen Durchmesser d = 2³10-3 emn. Dann wird
EMI3.4
Der Regenerator 9 hat eine kalte Endfläehe 13 und eine warme Endfläche 14, und in der Mitte zwischen diesen Endflächen kann man sieh eine Ebene 15 gelegt denken.
Ob das Aggregat unter das Patent fällt, entscheidet sieh darnach, ob die mittlere Greselhwindigkeit v, mit der der Wasserstoff während einer Periodendauer r in einer Richtung durch die lreisringförmige, von der Ebene 15 aus demn leeren, das heisst ohne Füllmasse ge- daehten Raum des Regenerators 9, herausgeschnittene Quersehnittsfläelhe strömt, im Intervall b³2,32³10-3³1,33³ 105 = 309³ b cm/s mit 0,5 # b # 1,5 liegt, also ob 154 cm/s # v # 463 cm/s ist.
Tm bevorzugten Bereich liegt das Aggregat, wenn 0,75 # b # 1,2, also 231 # r # 371 cm /s ist.