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Verfahren zur Kälteerzeugung, bei welchem Gase, Dämpfe oder ihre Mischungen
(Betriebsgas) in geschlossenen Kreisläufen umgewälzt werden. Die Erfindung betrifft
ein neues Verfahren zur Kälteerzeugung bei welchem Gase, Dämpfe oder ihre Mischungen,
im folgenden als Betriebsgas bezeichnet, in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt
werden.
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Es ist bereits -vorgeschlagen, zur Erzielung eines kräftigen zuverlässigen
Umlaufes irgendeines Mittels durch ein geschlossenes Rohrsystem mechanisch angetriebene
Umwälzvorrichtungen, 7.B. Pumpen, Gebläse und ähnliche Mittel, anzuwenden.
Um die allen mechanisch angetriebenen Einrichtungen anhaftenden Mängel zu beseitigen,
hat man weiterhin vorgeschlagen, thermische Umlaufsvorrichtengen anzuwenden, beispielsweise
Gas- oder Flüssigkeitssäulen von verschiedenem spezifischen Gewicht. Für bestimmte
Fälle kann dieses Mittel ausreichen, häufig aber ist dies nicht der Fall.
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Die Erfindung betrifft nun ein neues Verfahren zur Umwälzung eines
Betriebsgases in Kälteapparaten in einem geschlossenen Kreislauf und besteht im
wesentlichen darin, daß in dem Kreislauf des Betriebsgases eine poröse Wand angeordnet
ist, auf- deren beiden Seiten ein für die Umwälzung des Betriebsgases ausreichender
Partialdruckunterschied dadurch geschaffen und aufrechterhalten wird, daß auf der
einen Seite der porösen Wand ein Hilfsgas zugeführt und wieder fortgeleitet
wird,
ehe das Betriebsgas seinen Kreislauf vollendet hat.
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Durch die Zuführung des Hilfsgases wird nämlich der Partialdruck für
das Betriebsgas auf der Seite der Wand geringer, so daß das umzuwälzende Betriebsgas
durch die poröse Wand in der Richtung gegen den niedrigeren Partialdruck hindurchdiffundiert
und dadurch die Umwälzung hervorruft.
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Da die Durchströmungsgeschwindigkeitdurch eine poröse Wand für ein
ge-,visses Gas umgekehrt proportional der Quadratwurzel aus dem Molekulargewicht
des Gases ist, so wird als Hilfsgas ein solches verwendet, das ein höheres Molekulargewicht
aufweist als das Betriebsgas. Gemäß der Erfindung erfolgt die Zuführung und Fortleitung
des Hilfsgases fortlaufend, wodurch auch der Kreislauf des Betriebsgases ein fortlaufender
wird. Gemäß der Erfindung wird das Hilfsgas ebenfalls durch einen geschlossenen
Kreislauf geführt.
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Das Verfahren kann in verschiedener Weise durchgeführt werden, z.
B. derart, daß man auf der Ausströmungsseite der porösen Wand, in der Umwälzungsrichtung
gerechnet, das Hilfsgas zuführt. Dann diffundiert das Betriebsgas durch die poröse
Wand, und die Gasumwälzung ist eingeleitet. Ein Teil des an der Ausströmungsseite
zugeführten Hilfsgases wird aber entgegen der Strömung des Betriebsgases nach der
Einströmungsseite der porösen Wand hinüberdiffundieren. Dieser Anteil des Hilfsgases
wird von der Einströmungsseite fortgeleitet und das auf der Ausströmungsseite erhaltene
Gasgemisch getrennt, ehe das Betriebsgas seinen Kreislauf vollendet hat. Der von
der Einströmungs-Seite fortgeleitete Anteil des Hilfsgases wird gemäß der Erfindung
dem auf der Ausströmungsseite gebildeten Gasgemisch vor seiner Trennung beigemischt.
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Die Erfindung kann auch in der Weise ausgeführt werden, daß zu beiden
Seiten der porösen Wand eine Mischung von zwei Gasen oder Dämpfen angewendet wird.
Auch hierbei kann ein Umlauf des Gases oder Dampfes in einer gewissen Richtung erreicht
werden, wenn man auf der Einströmungsseite der porösen Wand ein Mittel zuführt,
das die Fähigkeit hat, das eine Gas auf dieser Seite der Wand aus dem Gasgemisch
wegzuschaffen. Denn durch die Entfernung der zweiten Gaskomponente steigt der Partialdruck
des andern Gases auf dieser Seite der porösenWand, es entsteht also ein Überdruck,
der das nicht weggeschaffte Gas zur Diffusion nach der andern Seite der porösen
Wand zwingt.
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In dem erst erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird also
der gewünschte Partialdruckunterschied durch Verringerung des Partialdruckes für
das tetriebsgas auf der Ausströmungsseite der Wand, im zweiten Falle durch Erhöhung
dieses Partialdruckes auf ihrer Einströmungsseite erzielt. Die Scheidung der gebildeten
Gasgemische kann in beliebiger geeigneter Weise geschehen, z. B. durch Absorption,
Kondensation, Destillation, Atmolyse oder ähnliche Verfahren. Es können auch zwei
oder mehrere der genannten Abscheidungsmethoden gemeinsam zum Zwecke der Gasscheidung
angewendet werden.
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Da ein Teil des Hilfsgases stets durch die Wand im Gegenstrom zur
Strömungsrichtung des umzuwälzenden Betriebsgases nach der Einströmungsseite diffundiert,
so muß dieses Gas dauernd fortgeleitet werden, sofern nicht die Umwälzung des Betriebsgases
gestört werden soll. Da es praktisch Schwierigkeiten bereitet, nur das nach der
Einströmungsseite diffundierte Hilfsgas zu erfassen, vielmehr dieses Gas bei seiner
Wegführung immer noch Betriebsgas mit sich führt, so ist es notwendig, auch dieses
Gasgemisch einer Scheidung zu unterwerfen. Diese Abscheidung kann in beliebiger
geeigneter Weise erfolgen, entweder in einem besonderen Gasscheider oder in dem
gleichen Scheider, in dem die auf der Ausströmungsseite der porösenWand erzeugte
Gasmischung getrennt wird.
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Die Bewegung des - umgewälzten Gases kann zum Transport eines anderen
Mittels ausgenutzt werden, beispielsweise um dieses von einem niedrigeren auf ein
höheres Niveau zu führen oder einen Umlauf dieses Mittels durch einen geschlossenen
Kreislauf zu erzielen.
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Das neue Verfahren findet mit großem Nutzen Anwendung an Kälteerzeugungsapparaten
verschiedener Art. Hierbei sind das umzuwälzende Gas oder auch das zugeführte Hilfsgas
oder beide ein Kältemittel, das einen für Kälteerzeugung charakteristischen Kreisprozeß
durchläuft. Hierbei kann die Bewegung des Betriebsgases zur Fortleitung des Kühlmittels
vom Verdampfer ausgenutzt werden. Bei einem mit einem den Druck im Apparat ausgleichenden
Ausgleichsgas arbeitenden Kälteerzeugungsapparat vom Absorptionstyp kann dabei das
Betriebsgas das Hilfsgas des Apparates sein, beispielsweise Wasserstoff, und das
Hilfsgas sein Kühlmittel, beispielsweise Ammoniak, doch kann das Verhältnis auch
das entgegengesetzte sein, nämlich das Betriebsgas das Kühlmedium des Apparates
darstellen, während das Hilfsgas das Ausgleichsgas ist.
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Bei der Anwendung des Verfahrens in einem Kälteerzeugungsapparat kann
die Bewegung des Betriebsgases z. B. auch dazu
ausgenutzt werden,
den Umlauf der Flüssigkeit im Apparat zu erzielen, z. B. die Absorptionsflüssigkeit
bei einem Absorptionsapparat.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht danach aus
zwei geschlossenen Kreisläufen, einem für das Betriebsgas und einem für das Hilfsgas.
Diese Kreisläufe haben einen Raum gemeinsam, dessen Wand ganz oder teilweise aus
porösem Material besteht und eine Scheidewand im Kreislauf bildet für das Betriebsgas
oder im Kreislauf für das Hilfsgas oder in beiden. Der beiden Kreisläufen gemeinsame
Raum steht mit einem gemeinsamen Scheider beliebiger Art in Verbindung. Ist der
Scheider ein Kondensator, so ist zweckmäßig einer der Kreisläufe, beispielsweise
der Kreislauf des am leichtesten kondensierbaren Gases, mit einer Vorrichtung für
die Verdampfung des im Kondensator erhaltenen Kondensates versehen. Diese Vorrichtung
kann eine Erhitzungsvorrichtung beliebiger Art sein. Besteht der Scheider aus einem
Absorber, so ist am besten einer der Kreisläufe, d. h. der Kreislauf für das absorbierbare
Gas, das entweder das Betriebsgas oder das Hilfsgas sein kann, mit einer Vorrichtung
versehen, beispielsweise einer Erhitzungsvorrichtung beliebiger Art, mit deren Hilfe
die Wiederaustreibung des absorbierten Gases erfolgt.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an verschiedenen Ausführungsbeispielen
dargestellt, und zwar in schematischen Abbildungen, die im folgenden beschrieben
sind.
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Abb. i veranschaulicht schematisch das Prinzip der Erfindung. Ein
geschlossenes Rohrsystem besteht aus einem Gefäß R, in dein eine Scheidewand Il
aus porösem Material, z. B. unglasierter Tonware o. dgl., angebracht ist, die das
Gefäß R in zwei Räume R1 und R2 teilt. Der Raum R2 steht durch eine Rohrleitung
2 in Verbindung mit dem Zufluß zu einem Gasscheider S beliebiger Art, der ferner
durch die Rohrleitung i mit dein Raum R1 und durch die Rohrleitung 3 mit dem Raum
R= in Verbindung steht.
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Das System sei mit einem Gas _r von einem gewissen Druck gefüllt,
der in diesem Fall natürlich im ganzen System gleich hoch ist. Wird nun durch die
Rohrleitung 3 in den Raum R2 ein Hilfsgas y eingeführt, das ein größeres Molekulargewicht
als x hat, so verringert sich natürlich der Partialdruck von x in diesem Raum, weshalb
das im Raum R befindliche Betriebsgas x anfängt, durch die poröse Wand vom Raum
R1 zum Raum R2 hinüberzudiffundieren. Die Mischung der beiden Gase x und v strömt
durch die Rohrleitung 2 zum Gasscheider S, wo die verschiedenen Gase in der Weise
voneinander getrennt werden, daß das Betriebsgas _r durch die Rohrleitung i zurück
in den Raum R1 strömt, während das Hilfsgas y durch die Rohrleitung 3 zurück in
den Raum R2 geführt wird. Man erhält also einen Umlauf des Betriebsgases _x vom
Raum R1 durch die Wand, Raum R2, Rohrleitung 2, Scheider S, Rohrleitung i und zurück
zum Raum R1, und weil das Hilfsgas y ständig zum Raum R2 zurückgeführt wird, wird
der Umlauf des Betriebsgases x fortlaufend.
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In dem vorstehenden rein theoretischen Beispiel ist angenommen worden,
daß die Abscheidung der beiden Gase im Scheider S vollständig geschieht und daß
kein Teil des Gases y durch die Wand V vom Raum R2 zum Raum R1 diffundiert,
d. h. im Gegen-Strom gegen das Gas -r. In der Praxis wird dieser ideale Zustand
nicht erreicht. Wie die Vorrichtung beschaffen sein kann, um trotz der unvollständigen
Abscheidung der Gasmischung und trotz des Cbergangs eines Teiles des Hilfsgases
y durch die Wand im Gegenstrom gegen das Betriebsgas x arbeiten zu können, wird
in folgendem näher beschrieben.
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Wie oben angegeben, kann der Scbeider S beliebiger Art sein, da die
Gase in beliebiger Weise voneinander getrennt werden können, beispielsweise durch
Kondensation, Absorption, Destillation, Atmolyse oder eine Verbindung von zwei oder
mehreren dieser Verfahren. Wie die Ausscheidung am besten ausgeführt werden soll,
beruht in jedem besonderen Fall auf der Natur der verwendeten Mittel, und die in
den folgenden Abbildungen dargestellten Verfahren sind nur Beispiele dafür, wie
die Abscheidung erzielt werden kann.
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Abb.2 zeigt schematisch eine Vorrichtung, bei der die Gase =durch
Kondensation abgeschieden werden. Die Gase vorn Raum R2 strömen in diesem Falle
durch die Rohrleitung 2 in den Kondensator D, wo das Hilfsgas y zum Kondensieren
gebracht wird, für welchen Zweck der Kondensator mit einem Kühlmantel 4 versehen
ist. Das Kondensat strömt durch die Rohrleitung 3 in den Raum R= hinein, wo die
Flüssigkeit von neuem verdampft wird, beispielsweise durch Zufuhr von Wärme durch
den Brenner 5. Wie im vorhergehenden Falle wird auch hier eine fortlaufende Umwälzung
des Betriebsgases x vom Raum R1 durch die 'A.'and V, den Raum R2, Rohrleitung 2,
Kondensator D, Rohrleitung i und zurück zum Raum R1 erfolgen, weil das Hilfsgas
y fortlaufend auf der einen Seite der Wand h im Raum R2 zugeführt wird und daher
der Partialdruck des Betriebsgases x in diesem Raum -geringer ist als im Raum R1.
Abb.
3 zeigt eine andere Art der Abscheidung der Gase, nämlich durch Absorption. Die
Gasmischung strömt durch die Rohrleitung 2 in ein Absorptionsgefäß 5 hinein und
muß dort durch eine Absorptionsflüssigkeit sprudeln, die beispielsweise die Fähigkeit
hat, das Hilfsgas y zu absorbieren, während das Betriebsgas x unabsorbiert durch
die Rohrleitung i zurück in den Raum Rl strömt. Das Absorptionsgefäß 5 steht durch
zwei Rohre 7 und 8, die beide unter dem Flüssigkeitsspiegel im Gefäß 5 ausmünden,
mit einem Ver@lampfungsgefäß 6 in Verbindung, das erhitzt wird, beispielsweise durch
einen Brenner g. Das Rohr 8 geht durch die Flüssigkeit in das Gefäß 6 hinauf und
mündet über dessen Flüssigkeitsspiegel aus, während das Rohr 7 unterhalb mündet.
Infolge der Wärmezufuhr wird das Hilfsgas y wieder ausgetrieben und durch die Rohrleitung
3 zum Raum R2 zurückgeführt.
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Infolge der Erhitzung zirkuliert in bezug auf das Hilfsgas y arme
Absorptionsflüssigkeit vom Gefäß 6 durch das Rohr 7 hinein in das Gefäß 5, wo sie
mit dem Hilfsgas y gesättigt wird, wonach die durch das Hilfsgas y angereicherte
Flüssigkeit durch die Rohrleitung 8 in das Gefäß 6 zurückströmt. Die Umwälzung der
Absorptionsflüssigkeit wird durch Thermosiphonwirkung in dem nach oben steigenden
Teil des Rohres 8 erleichtert.
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Bei den beiden zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispielen ist angenommen
worden, daß die Abscheidung der Gase vollständig sei und daß. kein Teil des Hilfsgases
y durch die poröse Wand V im Gegenstrom gegen die Strömungsrichtung des Betriebsgases
x diffundiert. In Abb. 4 wird eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei
diese Voraussetzung nicht mehr gilt; es wird vielmehr angenommen, wie es auch in
der Praxis stets der Fall sein wird, daß beispielsweise ein Teil des Hilfsgases
y mit dem Betriebsgas x durch die Rohrleitung i folgt sowie daß ein Teil des Hilfsgases
,y durch die poröse Wand V im Gegenstrom gegen das Betriebsgas x diffundiert. Dabei
würde also im Raum R1 nach und nach eine Anhäufung von Hilfsgas entstehen, das sich
vorzugsweise wie ein Kissen an die poröse Wand V legen und dadurch den Durchgang
des Betriebsgases durch die Wand erschweren bzw. verhindern würde. Um dies zu verhindern,
wird das Hilfsgas vom Raum R1 durch eine in der Nähe der porösen Wand ausmündende
Rohrleitung i o und einen in diese eingesetzten Lüfter F entfernt. Das auf diese
Weise entfernte Hilfsgas y ist mit Betriebsgas x vermischt, und die Mischung kann
auf beliebige, passende Weise getrennt werden, beispielsweise durch Kondensation,
Absorption, Destillation, Atmolyse oder eine Verbindung von zwei oder mehreren dieser
Trennungmethoden. Bei der gezeigten Ausführungsform wird die entfernte Gasmischung
zurück zu der vom Raum R2 kommenden Gasiiiischung geleitet; ehe dieselbe getrennt
wird, und zwar, wie aus der Abb. ¢ hervorgeht, dadurch, daß die Rohrleitung ro vor
dein Scheider S in die Rohrleitung :2 einmündet.
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Bei der zuletzt beschriebenen Vorrichtung wird also die auf der Einströmungsseite
der porösen Wand V gebildete Gasmischung in demselben Scheider S getrennt, in dem
die auf der Ausströmungsseite der Wand entstehende Gasmischung separiert wird. Dies
braucht jedoch nicht immer der Fall zu sein, im Gegenteil, man erzielt, wenn man
einen besonderen Scheider für die auf der Einströmungsseite erhaltene Gasmischung
verwendet, den Vorteil, daß man -ohne mechanische Vorrichtung, z. B. ohne Lüfter
F, auskommen kann.
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In Abb. 5 wird eine Vorrichtung gezeigt, in der zwei getrennte Scheider
verwendet werden, die in der gewählten Ausführungsform je aus einem Kondensator
bestehen. Die Mischung der Gase x und y strömt vom Raum R2 durch die Rohrleitung
:2 zum Kondensator D, der mit einem Kühlmantel 4, beispielsweise für Kühlflüssigkeit,
versehen ist und in dem das Hilfsgas y kondensiert wird. Das Betriebsgas x strömt
dagegen unkondensiert durch die Rohrleitung i zurück in den Raum R1 auf der Einströmungsseite
der porösen Wand V. Das Kondensat vom Kondensator D strömt durch die Rohrleitung
3 in den Raum R2 hinein, wo es erneut verdampft wird, beispielsweise durch Erhitzung
durch den Brenner 5. Soweit gleicht die Vorrichtung der in Abb. 2 gezeigten Vorrichtung.
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Wird nun angenommen, daß die Trennung im Kondensator D nicht vollständig
sei, so daß ein Teil des Hilfsgases y in Gasform- mit dem Betriebsgas x durch die
Rohrleitung i zurück in den Raum R1 strömt, ferner ein Teil des Gases y durch die
poröse Wand V im Gegenstrom gegen das Betriebsgas vom Raum R2 in den Raum R1 hinein
diffundiere, so würde, wenn es keine besondere Vorrichtung gäbe, um diesen Teil
des Fluidums y zu entfernen, natürlich ziemlich bald ein Dauerzustand eintreten
und der Umlauf des Gases x aufhören.
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Um dies zu verhindern, ist gemäß der Erfindung ein Hilfskreis angeordnet.
Er besteht aus dem Raum R1, einem Hilfsscheider, der in diesem Falle aus dem Kondensator
D1 mit einem Kühlmantel i2 für Kühlflüssigkeit und den den Hilfskondensator Dl mit
dem Raum R1 verbindenden Rohrleitungen -i i und 13 besteht. Im --Kondensator Dl
wird das
Gas y kondensiert, wodurch der Partialdruck des Gases x
im Kondensator erhöht wird, so daß ein Umlauf durch den Kondensator D', den Raum
R1 und die Rohrleitung 13 zurück in den Kondensator D1 zustande kommt. Die Umlaufrichtung
wird dadurch bestimmt, daß das spezifische Gewicht des Gases x niedriger als das
spezifische Gewicht der Mischung der Gase x und y im Raum R1 ist,
da y ein höheres Molekulargewicht als x hat. Das im Kondensator D1 erhaltene Kondensat
strömt durch die Rohrleitung 1q. nach dem Raum R2 zurück, w o es verdampft wird.
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Dadurch, daß der Flüssigkeitsspiegel im Hilfskondensator Dl höher
als im Kondensator D angeordnet ist, kann der Druckunterschied zwischen dem Kondensator
D, wo der Druck höher ist, und dem Hilfskondensator Dl, der einen niedrigeren Druck
hat, ausgeglichen werden. Es ist also unnötig, eine besondere mechanischeVorrichtung,
beispielsweise einen Lüfter F, vorzusehen, um den Druckunterschied zwischen den
beiden Scheidern D und Dl auszugleichen.
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Wie schon in der Einleitung erwähnt wurde, ist eines der wichtigsten
Anwendungsgebiete der Erfindung das der Kälteerzeugungsapparate verschiedener Art.
Abb.6 zeigt einen solchen Apparat, an dem das Verfahren gemäß der Erfindung angewendet
wird, um die Umwälzung des Kühlmittels zu erzielen.
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In einem Gefäß 0 wird durch eine geeignete äußere Wärmequelle, beispielsweise
einen Brenner 2o, ein Mittel b auf eine solche Temperatur erhitzt, daß es verdampft,
wobei seine Dämpfe durch das Rohr 21 aufsteigen, in dein sie gegebenenfalls durch
eine geeignete Vorrichtung überhitzt werden können. Dieses Rohr 21 mündet in den
Raum R'= des Gefäßes R ein, der durch die poröse Wand t' vom Raum R1 getrennt ist.
Im Raum R1 befindet sich Dampf eines Mittels a mit niedrigerem Molekulargewicht
als das Mittel b. Da sein Partialdruck auf der anderen Seite der Wand V im Raum
R= infolge der Zufuhr des Mittels b herabgesetzt worden ist, so diffundiert es durch
die Wand h hindurch nach R2 hinüber. Die hier entstehende Mischung der Dämpfe
b und a passiert durch (las Rohr 22 zum Kondensator K, wo beide Dämpfe kondensiert
werden. Der Kondensator K kann auf beliebige Art gekühlt sein. In der Zeichnung
ist die Kühlung durch luftgekühlte Rippen gezeigt. Ein Teil der Dämpfe des Mittels
b kondensiert bereits im Raum R2 und fällt durch das Rohr 21 in den Kocher 0 zurück.
Das im Kondensator K gebildete Kondensat fließt durch das Rohr 23 hinunter und wird
in das mit dem Mittel b gefüllte Gefäß E gedrückt, wobei das Mittel a in Form von
Blasen schnell durch das Mittel b zu dem über dem Gefäß E befindlichen Gefäß G hinaufströmt.
Der Unterschied im Flüssigkeitsspiegel in den Gefäßen E und 0 wiegt den Überdruck
im Gefäß 0 auf. Im Gefäß G verdampft das Mittel a schnell, infolge der Drucksenkung,
wobei Wärme gebunden wird, die aus der Umgebung entzogen wird. Das Gefäß G ist also
der Kälteerzeuger des Apparates. Die gebildeten Dämpfe strömen durch das Rohr 24
in den Raum R1 zurück, worauf sich der Kreislauf wiederholt. Das Gefäß E steht nach
unten durch das Rohr 26 in Verbindung mit dem Kocher 0, um das Mittel b in flüssiger
Form in den Kocher zurückzuleiten. Die Dämpfe des Mittels b, die durch die poröse
Wand h vom Raume R'= -in den Raum R1 im Gegenstrom gegen die Dämpfe des Mittels
a übergehen, werden durch das Rohr 25 in das Gefäß G geführt. Durch geeignete Wahl
des Mittels b werden diese Dämpfe beinahe unmittelbar im Rohr 25 kondensiert und
treten also in flüssiger Form in das Gefäß G oder auch in das Gefäß E ein.
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Bei dem beschriebenen Apparat kann das Mittel b beispielsweise Quecksilber
und das Mittel a Wasser sein.
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Bei einem Kälteerzeugungsapparat der oben beschriebenen Art kann auch
ein indifferentes, druckausgleichendes Ausgleichsgas zur Verwendung kommen. In diesem
Falle fällt die im Apparat nach Abb.6 gezeigte Flüssigkeitssäule zwischen den Gefäßen
G und 0 weg, d. h. das Gefäß E kann ganz wegfallen. Ein solcher Apparat ist in Abb.
7 gezeigt.
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Das Gefäß R hat bei diesem Ausführungsbeispiel die Form eines Zylinders,
in dem eine mit der Gefäßwand konzentrische Scheidewand aus porösem Material angebracht
ist, die der Wand V bei vorher beschriebenen Ausführungsformen entspricht und das
Gefäß R in einen inneren und einen äußeren Raum unterteilt, die den Räumen R2 bzw.
R1 in den vorhergehenden Abbildungen entsprechen. In den Raum R2 kommen, wie bei
der in Abb..6 gezeigten Ausführungsform, Dämpfe des Mittels b hinein, welche im
Kocher 0 durch Erhitzung, beispielsweise durch den Brenner 2o, erzeugt und in einer
geeigneten Überhitzungsvorrichtung 27 überhitzt werden. In dem äußeren Raum R1 vorhandener
Dampf des Mittels a diffundiert durch die poröse Wand V in den Raum R= hinein, und
die entstandene Mischung der Dämpfe geht durch das Rohr 22 in den Kondensator K.
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Auch bei dieser Ausführungsform besteht der Kondensator aus einem
als Rippenrohr ausgebildeten Teil des Rohres 22. Der erste
Teil
des Kondensators wird zweckmäßig in der Weise schrägliegend angeordnet, daß die
hierin kondensierten Dämpfe des- Mittels b von selbst durch den Raum R2 und das
Rohr 2 1 in den Kocher 0 zurückströmen: Das im Kondensator K dagegen gebildete Kondensat,
das hauptsächlich aus dem Mittel a besteht, tritt durch das Rohr 23 in den Verdampfer
G ein, wo es in geeigneter Weise über- die darin angebrachten Verteilungsscheiben
verteilt wird, die seine Verdampfung erleichtern. Mit dem Mittel ca evtl. folgendes
Mittel b läuft durch das Rohr 26 in den Kocher 0 zurück. Der gebildete Dampf des
Mittels a strömt vom Verdampfer G durch das Rohr 2,4 in den Raum R1 hinein, um darauf
denselben Kreislauf erneut zu durchlaufen.
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Das aus dem Raum R1, dem Rohr 25, dem Verdampfer G und der Rohrleitung
2¢ bestehende System enthält ein indifferentes Ausgleichsgas, beispielsweise ein
Gas c mit höherem Molekulargewicht als das Mittel a. Die im Verdampfer G befindliche
Mischung aus dem Gase c und dem Mittel a hat also ein niedrigeres spezifisches Gewicht
als das von Dampf des Mittels a ziemlich freie Gas c im Raum R1. Infolgedessen wird
eine Umwälzung des Ausgleichsgases c vom Raum R1 durch das Rohr 25, den Verdampfer
G und (las Rohr 24 möglich.
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Auch bei diesem Apparat kann das Mittel b beispielsweise Quecksilber
und das Mittel a Wasser sein. Das Ausgleichsgas c kann z. B. aus Stickstoffgas bestehen,
aber am besten aus einem Gas mit möglichst hohem Molekulargewicht, beispielsweise
Krypton oder Xenon.
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Abb.8 zeigt eine Ausführungsform eines mit einem indifferenten- Ausgleichsgas
arbeitenden Kühlapparates mit Umlauf des Kältemittels zwischen Absorber und Verdampfer.
Der Einfachheit der Betrachtung halber wird ifi der folgenden Beschreibung dieses
Apparates angenommen, daß das Kältemittel Ammoniak, die Absorptionsflüssigkeit Wasser
und das Ausgleichsgas Wasserstoffgas sei.
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In dem in Form eines Zylinders ausgeführten Verdampfer G ist eine
. zylindrische, poröse Wand V, die etwas von der oberen Wand des Verdampfers entfernt
ausmündet, konzentrisch angebracht. Der ringförmige Raum zwischen der Wand V und
der Wand des Verdampfers wird oben durch einen Boden 36 abgeschlossen, so daß der
Verdampfer G durch die poröse Wand V und den Abschlußboden 36 in einen inneren und
einen äußeren Raum eingeteilt wird, die den Räumen R1 und 42 bei den vorhergehenden
Ausführungsformen entsprechen. An dem Boden 36 ist noch ein Teil 35 aus einem nicht
porösen Material angeordnet und ferner ein-nach unten ragendes U-förmiges Rohr 37,
das ein Flüssigkeitsschloß bildet.
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Der Absorber A wird durch einen ebenfalls mit Flüssigkeitsschlöß q.o
ausgerüsteten Zwischenboden 39 in zwei Räume eingeteilt. Der untere Teil des oberen
Raumes steht durch das Rohr 43 in Verbindung mit dem unteren Teil des Raumes R1
innerhalb der porösen Wand V im- Verdampfer G. Der obere Teil des oberen Absorberraumes
ist durch das Rohr 44 mit dem Verdampfer G oberhalb des Bodens 36 verbunden. In-dieses
genannte Rohr 44 mündet ein Rohr 45 ein, das den oberen Teil des Verdampfers, G
mit dem oberen Teil des unteren Raumes des Absorbers A verbindet, während der untere
Teil dieses Raumes durch das Rohr 46 in Verbindung mit dem unteren Teil des Raumes
R2 außerhalb der porösen Wand h im Verdampfer G steht. Der Absorber A und der Verdampfer
G sind in bekannter Weise mit Verteilungsscheiben zur Erleichterung der Absorption
bzw. Verdampfung des Ammoniaks versehen. Der untere Teil des Absorbers A steht ferner
in Verbindung mit dem Kocher 0 durch das Rohr 47, das durch den Kocher über dessen
Flüssigkeitsspiegel hinausrägt und in bekannter Weise erhitzt werden kann, beispielsweise
durch eine elektrische Wärmepatrone 48. Der Kocher 0 und der Absorber A stehen weiter
durch ein Rohr 49 miteinander in Verbindung, das zweckmäßig in wärmeaustauschender
Verbindung- mit dem Rohr 47 steht. Eine weitere Verbindung, und zwar durch das Rohr
3 r, besteht zwischen Kocher 0 und dem Kondensator K, der durch ein Rohr 33 mit
dem oberen Raum des Verdampfers G verbunden ist.
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Der Apparat arbeitet in der folgenden Weise: Das im Kocher 0 aus der
Lösung ausgetriebene Ammoniak strömt durch das Rohr 31 in den Kondensator
K, wo es kondensiert. Das flüssige Ammoniak fließt durch das Rohr 33 in den oberen
Teil des Verdampfers G, wo es über die Verteilungsscheiben rinnt und sich in dem
von dem Teil 35, dem Boden 36 und der Wand des Verdampfers G gebildeten ringförmigen
Behälter sowie im Flüssigkeitsschloß 37 sammelt. In dem ringförmigen Raum R2 unter
dem Boden 36 wird das Ammoniak infolge des dort herrschenden niedrigeren Partialdruckes
verdampft. Auf der anderen Seite der porösen Wand h vorhandener Wasserstoff diffundiert
durch die Wand h, und die Mischung des Ammoniakgases und Wasserstoffes geht durch
das Rohr ¢6 nach dem -unteren Teil des Absorbers A. Hier stößt der Gasstrom auf
verhältnismäßig ammoniakarme Lösung, in der das Ammoniakgas
absorbiert
wird. Das nicht absorbierte Wasserstoffgas strömt durch das Rohr 45 in den oberen
Teil des Verdampfers G zurück, von wo aus es durch die Wand V diffundiert und den
Kreislauf von neuem beginnt.
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Diejenigen Mengen Wasserstoff, die nicht durch die Wand V diffundiert
sind, strömen zusammen mit dem durch die Wand vom äußeren Raum R2 im Verdampfer
G in den inneren Raum R1 hineindiffundierenden Ammoniak durch das Rohr .43 in den
unteren Teil des oberen Raumes des Absorbers A, wo der Gasstrom die vom Kocher 0
durch das Rohr 49 kommende ammoniakarme Lösung trifft, die das Ammoniakgas absorbiert.
Der nicht absorbierte Wasserstoff strömt durch das Rohr 44 in den oberen Teil des
Verdampfers G zurück. Infolge des Unterschiedes im spezifischen Gewicht zwischen
der Mischung von Ammoniakgas und Wasserstoff im Verdampfer G und dem Wasserstoff
im Absorber A und dem Rohr wird der Gasumlauf in diesem Hilfskreislauf aufrechterhalten.
Die Umwälzung in den aus dem unteren Raum des Absorbers A, dem Rohr 45, dem oberen
Raum des Verdampfers G, dem Raum R2 außerhalb der porösen Wand V und dem Rohr 46
bestehenden Hauptkreislauf wird dadurch aufrechterhalten, daß der Druck im Raum
R2 und im unteren Teil des Absorbers A infolge der durch die Diffusion des Wasserstoffes
durch die Wand V erzeugten Drucksteigerung höher als im oberen Teil des Verdampfers
ist. Das durch die Rohre 44 und 45 in den oberen Teil des Verdampfers G eintretende
Wasserstoffgas wird dadurch von etwa mitgerissenem Wasserdampf befreit, daß es mit
dem durch das Rohr 33 in den Verdampfer- eintretenden flüssigen Ammoniak in innige
Berührung kommt. Dies ist von großer Bedeutung, weil die poröse Wand nicht feucht
werden darf, weil sonst ihre Wirkung verschlechtert werden oder sogar aufhören würde.
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Bei der in Abb. 8 gezeigten Ausführungsform ist die poröse Wand im
Verdampfer angebracht. Abb.9 zeigt einen Kälteerzeugungsapparat, wo die poröse Wand
h im Absorber angebracht ist. Auch hier sei angenommen, daß, wie bei dem in Abb.
8 gezeigten Apparat, das Kühlmittel aus Ammoniak, die Absorptionsflüssigkeit aus
Wasser und das Druckausgleichsgas aus Wasserstoff besteht. Die Bezeichnungen der
Teile sind die gleichen wie in Abb. B.
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0 ist der Kocher, der durch die Rohrleitung 3 i mit dem Kondensator
K in Verbindung steht, von dem aus die Rohrleitung 33 in den Verdampfer G hinunterführt.
Ein Teil der Rohrleitung 31 ist als Wasserabscheider ausgebildet und zu diesem Zweck
mit Kühlrippen 5o versehen und schräg angeordnet, so daß vom Kocher etwa mitgenommener
Wasserdampf in diesem Teil der Rohrleitung 31 kondensiert wird und zurück in den
Kocher 0 strömt. Dieser ist mit dem Absorber A durch zwei miteinander in wärmeaustauschender
Verbindung angebrachte Rohrleitungen 47 und 49 verbunden, von denen die Rohrleitung
47 die vom Absorber A kommende reiche Ammoniaklösung zum Kocher 0 und die Rohrleitung
49 die vom Kocher kommende arme Ammoniaklösung zurück in den Absorber führt, wo
sie nach unten fließt und sich auf den im Absorber angebrachten Verteilungsscheiben
verteilt. Der Kocher 0 und das Pumpenrohr 47 werden von einer elektrischen Wärmepatrone
48 erhitzt.
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Die poröse Wand h ist im Absorber A angebracht, und zwar in Gestalt
eines oben von einer Platte 5i geschlossenen Zylinders, der auf einem ringförmigen
Zwischenboden 52
ruht. Dieser ist mit einem nach unten gerichteten Rohr 53
versehen; das ein Flüssigkeitsschloß bildet. Die poröse Wand V teilt zusammen mit
der Platte 5 i, dem Boden 52 und dem Flüssigkeitsschloß 53 den Absorber in
zwei Räume, einen oberen und einen unteren, die den Räumen R2 bzw. R' bei vorher
beschriebenen Ausführungsformen entsprechen.
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Der Verdampfer G ist durch eine Scheidewand 55 in zwei Räume eingeteilt,
einen oberen und einen unteren. Die Scheidewand 55 ist mit einem nach unten gerichteten
U-förmigen Rohr 56 versehen, das ein Flüssigkeitsschloß bildet.
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Wie bei der in Abb. 8 gezeigten Ausführungsform ist der untere Teil
des Absorbers mit dem unteren Teil des Verdampfers G verbunden, und zwar durch eine
Rohrleitung 46, die in wärmeaustauschender Verbindung mit einer Rohrleitung 58 angebracht
ist. Diese Rohrleitung ist von der den oberen Teil des Absorbers mit dem oberen
Teil des Verdampfers verbindenden Rohrleitung 44 abgezweigt und mündet unmittelbar
unterhalb der Scheidewand 55 in den unteren Raum des Verdampfers. Ein Rohr 59 verbindet
den unteren Teil des oberen Verdampferraumes mit dem unteren Teil des oberen Absorberr
aumes in der Nähe der porösen Wand Y'.
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Der Apparat arbeitet in der folgenden Weise: Im Kocher 0 ausgetriebenes
Ammoniak strömt durch das Rohr 31 in den Kondensator K, von wo das flüssige Ammoniak
durch das Rohr 33 in den oberen. Raum des Verdampfers G hineinfließt, wo es über
die Verteilungsscheiben verteilt wird und über das Flüssigkeitsschloß 56 in den
unteren Raum
des Verdampfers G hinunterrinnt. - Hier wird es unter
Aufnahme von Wärme aus der Umgebung verdampft und mit dem vom Absorber A durch .das
Rohr 58 kommenden Wasserstoff vermischt. Die Mischung _ von Wasserstoff und Ammoniakdämpfen
strömt durch die Rohrleitung 46 in den Absorber Ä. Ein Teil des durch die Rohrleitung
33 vom Kondensator K kommenden flüssigen Ammoniaks ist schon im oberen Teil. des
Verdampfers verdampft worden, wobei die gebildeten Ammoniakdämpfe zusammen mit vom
oberen Raum des Absorbers durch die Rohrleitung 44 kommenden Wasserstoff durch das
Rohr 59 in den oberen Raum des Absorbers A eintreten. Da der Partialdruck des Wasserstoffs
im Raum R1, d. h. im unteren Raum des Absorbers, hierdurch größer wird als im Raum
R2, d. h. dem oberen Raum des Absorbers, diffundiert der Wasserstoff durch die poröse
Wand V vom Raum R1 in den Raum R2. Die durch die Rohrleitung 46 in den unteren Teil
des Absorbers eintretenden Ammoniakdämpfe werden von. der vom Kocher 0 durch die
Rohrleitung 49 in den oberen Raum des Absorbers eintretenden und durch das Flüssigkeitsschloß
53 in den unteren Raum des Absorbers rinnenden armenAmmoniaklösung absorbiert. Die
vom Verdampfer durch die Rohrleitung 59 in den Absorber A eintretenden Ammoniakdämpfe
werden ebenfalls absorbiert, während der nicht absorbierte Wasserstoff zusammen
mit durch die poröse Wand V diffundiertem Wasserstoff durch das Rohr 44 in den Verdampfer
G zurückströmt, der größte Teil durch die Rohrleitung 58 und ein geringerer Teil
durch die Rohrleitung 44.
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Die Gasumwälzung im Hilfskreis, d. h. im oberen Raum des Absorbers
A, der Rohrleitung 44, dem oberen Teil des Verdampfers G und der Rohrleitung 59,
wird in bekannter Weise durch die Verschiedenheit im spezifischen Gewicht zwischen
der im oberen Raum des Verdampfers und der Rohrleitung 59 vorhandenen Mischung von
Ammoniakdampf und Wasserstoff und im oberen Raum des Absorbers sowie in der Rohrleitung
44 befindlichem, beinahe reinem Wasserstoff aufrechterhalten. Der Umlauf in dem
aus dem Absorber A, der Rohrleitung 44, der Rohrleitung 58, dem unteren Verdampferraum
und der Rohrleitung 46 bestehenden Hauptkreislauf wird durch die Drucksteigerung
aufrechterhalten, die im Raum R' infolge der Diffusion desWasserstoffes durch die
poröseWand erzeugt wird. , Wie oben angegeben, kann die Bewegung des umlaufenden
Gases für den Transport eines anderen Mittels ausgenutzt werden. Bei der Anwendung
des Verfahrens nach der . Erfindung an- einem Kälteerzeugungsapparat kann die Bewegung
beispielsweise zur Erzielung des Umlaufs der Flüssigkeit im Apparat ausgenutzt werden.
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Abb. ro zeigt eine Ausführungsform einer solchen Vorrichtung, die
an einem Absorptionskälteerzeuger verwendet ist.
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Auch hier sei, wie früher, angenommen, daß das Kühlmittel Ammoniak,
die Absorptionsflüssigkeit Wasser und Blas druckausgleichende Gas Wasserstoff ist.
Die Bezeichnungen der Teile sind im wesentlichen die gleichen wie in den vorher
beschriebenen Zeichnungen, nur ist die Erhitzungsvorrichtung 48 in diesem Falle
als Brenner ausgebildet.
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Die poröse Wand h ist im- oberen Teil des Verdampfers G .angebracht.
Sie wird unten von einem Behälter 62 aus nicht porösem Material abgeschlossen und
oben mit einer Haube 6o bedeckt, die zusammen mit dem Behälter 62 und der porösen
Wand V den Verdampfer in zwei Räume einteilt, einen äußeren und einen inneren, die
den Räumen R1 und R2 bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen entsprechen.
Die vom Kondensator K kommende Rohrleitung 33 geht durch die Haube 6o hindurch und
endigt in einem .U-förmigen Teil; der ein Flüssigkeitsschloß bildet. Vom Behälter
62 geht eine U-förmige Rohrleitung 63, 64 hinunter in den unteren Raum R1 des Verdampfers
G. Der Behälter 62 steht durch eine Rohrleitung 65 in Verbindung mit einer im unteren
Teil des Absorbers A angebrachten, unten offenen Glocke 66. In das Innere dieser
Glocke 66 mündet ein von einem im oberen Teil des Absorbers A angebrachten Gefäß
67 kommendes Rohr 68, das im Gefäß 67 über dem Spiegel der darin befindlichen Flüssigkeit
ausmündet. Vom Gefäß 67 geht die zum Kocher 0 leitende Rohrleitung 47 für reiche
Ammoniaklösung aus. Vom Boden des Verdampfers G führt das Rohr 46 in den unteren
Teil des Absorbers A und endigt hier über dem Spiegel der darin befindlichen Flüssigkeit.
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Der Apparat arbeitet in der folgenden Weise: Das im Kondensator K
kondensierte Ammoniak strömt in flüssiger Form durch das [-Rohr 33 hinunter in den
oberen Teil des Raumes R2, wo es durch eine trichterförmige Platte 61 in den Raum
R2 hinunterfließt, ohne die poröse Wand V zu berühren. Hier wird das Ammoniak teilweise
verdampft, weil von dem vom Absorber A durch die Rohrleitung 44 kommenden Wasserstoffgas
ein Teil durch die Wand V in den Raum R2 hineindiffundiert. Dadurch wird im Raum
R2 ein Überdruck erzeugt, der der Ammoniaksäule im Rohr 33 entspricht. Durch die
Rohrleitung
65 strömt der durch die poröse Wand V diffundierte
Wasserstoff zusammen mit Ammoniakdampf in die Druckglocke 66 hinein. In der Druckglocke
entsteht dadurch ein höherer Druck als im übrigen Teil des Absorbers A, so daß die
in der Druckglocke eingeschlossene ammoniakreiche Lösung verdrängt wird, bis im
Absorber ein Niveauunterschied entsteht, welcher der Ammoniaksäule im Rohr 33 entspricht.
Die Flüssigkeitsoberfläche in der Glocke steht ungefähr in Höhe der Unterkante des
Rohres 68, und die Ammoniaklösung wird im Rohr 68 auf dasselbe Niveau wie das äußere
Flüssigkeitsniveau im Absorber gepreßt. Bei fortgesetzter Drucksteigerung im Raum
R2 und der Glocke 66 geschieht ein Transport von Flüssigkeitspfropfen durch das
Steigrohr 68 hinauf in das Gefäß 67, von wo die ammoniakreiche Lösung durch die
Rohrleitung 47 in den Kocher 0 strömt. Dieser Transport von ammoniakreicher Lösung
von der Glocke 66 hinauf in das Gefäß 67 geschieht in Form von Flüssigkeitspfropfen
aus Ammoniaklösung, die mit Gasblasen abwechseln, da die untere Offnung des Rohres
68 abwechselnd freigelegt und von der im unteren Teil der Glocke befindlichen Flüssigkeit
wieder verschlossen wird. Der die Ammoniaksäule im Rohr 33 aufwiegende Niveauunterschied
im Absorber entspricht der Summe der Flüssigkeitspfropfen im Rohr 68.
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Von der trichterförmigen Platte 61 fließt flüssiges Ammoniak in den
Behälter 62 und das [J-Rohr 63 hinunter, wo sich das Ammoniak so stellt,
daB der Höhenunterschied zwischen der Flüssigkeitsoberfläche im Schenkel 63 und
der oberen Mündung des Schenkels 64 ebenso groß wie die Ammoniaksäule im Rohr 33
wird. Das Ammoniak fließt durch den Schenkel 64 ab, verteilt sich über die im Verdampfer
G angebrachten Verteilungsscheiben und wird verdampft. Die Mischung dieser Ammoniakdämpfe
und durch die poröse Wand nicht diffundierten Wasserstoffes geht durch die Rohrleitung
46 in den Absorber A, wo der Gasstrom vom Rohr 49 herunterfließende arme Ammoniaklösung
trifft, die das Ammoniak absorbiert, --,vährend der vom Ammoniak befreite Wasserstoff
durch die Rohrleitung 44 zurück in den Verdampfer strömt, so daß sich der Kreislauf
wiederholt.
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Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird also der im inneren
Raum R2 herrschende höhere Druck dazu ausgenutzt, die Zirkulation der Ammoniakflüssigkeit
durch den Absorber und Kocher aufrechtzuerhalten. Die Druckglocke 66, die bei der
gezeigten Ausführungsform in den Absorber verlegt ist, kann natürlich an einen anderen
beliebigen Punkt des Flüssigkeitszirkulationssystems verlegt werden, beispielsweise
in den Kocher 0 oder in den von den Rohrleitungen .17 und 49 gebildeten Wärmeaustauscher.
Weiter kann natürlich die poröse Wand V an "inem anderen Platz im- Zirkulationssystem
angebracht werden, wo ein Partialdruckunterschied herrscht.