DE278076C

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Publication number: DE278076C
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Priority date: 1911-08-11
Filing date: 1911-08-11
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Description

KAISERLICHES

Bekanntlich ist die Kälteleistung der bisherigen Absorptionskältemaschinen stets erheb-' lieh geringer als die zugeführte Wärmemenge, und es gilt sogar theoretisch überhaupt für unmöglich, eine größere Kälteleistung mit Absorptionsmaschinen zu erzielen. Vgl. z. B. C. v. Linde, Luegers Lexikon d. ges. Technik, Aufl. II, Band V, S. 268, ferner Hans Lorenz, Zeitschr. f. d. ges. Kälteindustrie 1899, S. 21, und neuerdings noch R. Plank, Zeitschr. f. d. ges. Kälteindustrie I910, S. 2.

Diese Rechnungen sind durchaus zutreffend für Absorptionsmaschinen der bisher üblichen Bauart. Es ist indessen möglich, Absorptionsmaschinen zu konstruieren, die diese Schranke bei weitem übertreffen und die in ihrer Leistungsziffer (Kälteleistung Q₀ durch Wärmeaufwand Q) theoretisch fast nur durch die thermodynamische Grenze

Q₀ ■ T-T₁ T,

Q T₁-T₀ τ

beschränkt sind. T bedeutet die absolute Temperatur der Wärmequelle, T₁ die der Um-

.25 gebung bzw. des Kühlwassers und T₀ die des zu kühlenden Raumes.

i. Eine Hauptquelle des Wärmeverlustes bei den bisherigen Äbsorptionsmaschinen ist zunächst der Wärmeverlust im Wärmeaustauschapparat. Dieser Verlust läßt sich nun in einfachster Weise verringern, wenn man die heiße Lösung nach ihrer Entgasung nicht wie bisher direkt in den Temperaturwechsler gehen läßt, sondern erst im Gegenstrom durch den Austreiber zurückführt, so daß die heiße arme Lösung ihre Wärme zunächst an die heißesten Partien der Lösung abgibt, sodann an die weniger heißen usw., bis sie schließlich annähernd mit der Anfangstemperatur des Austreibers diesen verläßt (»Anfangs-« und »End-« stets bezogen auf die Strömungsrichtung der zirkulierenden, im Gasaustausch befindlichen Lösung). In genau derselben Weise wird die kalte Lösung nach ihrer Anreicherung mit Gas erst im Gegenstrom durch den Absorber zurückgeführt, so daß die kalte reiche Lösung zunächst zur Kühlung des Absorbers beiträgt, bevor sie, und zwar annähernd mit der Anfangstemperatur des Absorbers, diesen verläßt. Die Absorption ist hierbei in an sich bekannter Weise, ähnlich wie die Entgasung, annähernd reversibel durchgeführt, d. h. es ist dafür gesorgt, daß die Absorption durch die arme Lösung bereits bei der höchsten Temperatur beginnt, bei der dies dem Druck nach möglich ist, und bei der kältesten Temperatur, der Kühlwasseranfangstemperatur, endet, so daß also die Absorption stets nahe dem Sättigungsdruck erfolgt. Kondensator und Refrigerator können zunächst unverändert beibehalten werden.

In Fig. ι ist eine derartige Maschine schematisch dargestellt. Aus dem Absorber α wird ' die kalte reiche Lösung durch die Pumpe e in die Rohrleitung f gedrückt. Die Lösung geht nun.im Gegenstromwärmeaustausch durch den Absorber zurück, bevor sie ihn verläßt, tauscht dann ihre Wärme mit der vom Austreiber b kommenden heißen armen Lösung im Temperaturwechsler p aus und tritt oben in den

ίο Austreiber b ein. Hier sinkt sie, durch die Entgasung schwerer werdend, allmählich nach unten, um schließlich bei q in das Rohr g einzutreten und durch dieses, zuerst durch den Austreiber zurückgehend, über p nach α zurückzugelangen.

Im Temperaturwechsler p tauscht sie, wie erwähnt, ihre Wärme mit der in umgekehrter Richtung strömenden Lösung aus. c ist der Kondensator, d der Refrigerator, h die Heizspirale und i die Kühlwasserspirale, ν die SaIzwasserspirale des Kälteträgers.

2. Für das Beispiel der Fig. 1 ist nur eine geringe Entgasung vorausgesetzt, so daß ein besondere; Temperaturwechsler immer noch vorteilhaft bleibt. Die Eigenart und der Vorteil der neuen Anordnung tritt indessen viel schärfer hervor, wenn man die Entgasung weitertreibt.

Zunächst sei angenommen, daß die Entgasung gerade so weit getrieben wird, daß die Absorption durch die arme, aus dem Austreiber kommende Lösung im Absorber schon bei der Temperatur beginnen kann, bei der die reiche, aus dem Absorber kommende Lösung im Austreiber Gas zu entwickeln anfängt. Mit anderen Worten, die Anfangstemperatur des Austreibers sei angenähert gleich der Anfangstemperatur des Absorbers. Da nun bei der geschilderten Anordnung die Temperatur der reichen Lösung beim Verlassen des Absorbers annähernd gleich der Anfangstemperatur des Absorbers ist, so ist sie auch schon gleich der Anfangstemperatur des Austreibers, und umgekehrt verläßt die arme Lösung den Austreiber bereits auch mit der Anfangstemperatur des Absorbers, so daß also ein besonderer Wärmeaustauschapparat überhaupt nicht mehr notwendig ist.

Fig. 2 stellt eine solche Absorptionsmaschine dar, bei der der Austreiber und Absorber in dieser Weise wirken. Entgasung und Absorption ist nach bekannten Prinzipien durch Abteilung in Kammern reversibel gestaltet. Die Zeichnung ist so angeordnet, daß übereinanderliegende Punkte der Reservoire gleiche Temperaturen haben, nebeneinanderliegende gleichen Druck, g und f stehen also nicht in wärmeleitender Verbindung miteinander.

Durch die angegebene Konstruktion des Austreibers und Absorbers ist es bereits möglich, die Leistungsziffer der Absorptionsmaschine gegenüber den besten bisher bekannten zu erhöhen. Entsprechend sinkt der Verbrauch an Kühlkalorien und in noch höherem Grade der Verbrauch an Kühlwasser, da dies bis zu relativ hohen Temperaturen ausgenutzt wird. ■ Stehen also diese »reversiblen« Absorptionsmaschinen bereits den besten vereinigten Dampfund Kompressionsmaschinen in der Leistungsziffer -~ nur wenig nach, so können sie theoretisch doch noch nicht über 1 kommen, obwohl dies thermodynamisch sehr wohl möglich ist.

3. Dieser weitere Fortschritt, der die Leistungsfähigkeit der Absorptionsmaschinen nochmals erheblich steigert, so daß diese theoretisch über den vereinigten Dampf- und Kompressionsmaschinen stehen, gelingt nun leicht mit Hilfe der angegebenen Verbesserungen in folgender Weise. Konstruiert man die Dimensionen so, daß bei gleicher Anfangskonzentration die Endtemperatur des reversiblen .Austreibers noch weiter, als vorhin angenommen, erhöht wird, so wird eine stärkere Entgasung der Lösung bewirkt. Die arme Lösung ist daher unter dem geringeren Druck des Absorbers bereits bei einer höheren Temperatur ungesättigt, als der Anfangstemperatur des Austreibers entspricht. Die Absorption beginnt also bereits bei Temperaturen, bei denen im Austreiber das NH₃ ausgetrieben wird. Sorgt man nun für einen Wärmeaustausch zwischen den annähernd gleich temperierten Teilen des Absorbers und Austreibers, so muß die sehr beträchtliche Absorptionswärme des Absorbers in diesem Temperaturbereich unmittelbar zur Heizung des Austreibers beitragen, so daß mithin der Wärmeverbrauch für die Heizung bei derselben Kälteleistung entsprechend geringer sein muß, und umgekehrt kühlt der Verbrauch an Wärme für die Entgasung im Austreiber den wärmsten Teil des Absorbers, so daß also auch der Verbrauch an Kühlkalorien geringer sein muß. Die Vergrößerung der Leistungsziffer ist um so erheblicher, je höher die Endtemperatur des Austreibers gemacht wird. Dieses neuartige Über-. greifen der Temperaturen ist auch dann vorteilhaft, wenn von der Rückführung der Lösungen nicht Gebrauch gemacht wird. Mit letzterer ist der Vorteil natürlich noch größer. In welcher Weise der Wärmeaustausch zwischen Austreiber und Absorber bewirkt wird, ob durch direkte Berührung der Reservoire (Fig. 3) oder in bekannter Weise unter Vermittlung zirkulierender Flüssigkeiten, ist im Prinzip natürlich gleichgültig. Nur ist in letzterem Falle darauf zu achten, daß der Wärmebedarf zwischen ⁿ5 gleichen Temperaturintervallen bei verschiedenen Temperaturen sehr verschieden ist, und daß diesem Umstände durch Querverbindungen usw. entsprechend Rechnung zu tragen ist (Fig. 4).

Fig. 3 stellt eine solche · reversible Absorp-

tionsmaschine mit übergreifender Temperatur dar. Die angereicherte Lösung geht nicht mehr durch den ganzen Absorber zurück, sondern verläßt ihn bereits bei r mit nahe der Anfangsitemperatur des Austreibers, um in diesen überzutreten. Ebenso geht die arme Lösung nicht durch den ganzen Austreiber zurück, sondern verläßt ihn bereits bei s, sobald die Anfangstemperatur des Absorbers nahezu erreicht ist, um in diesen überzutreten. Die Kühlung des Absorbers ist ebenfalls nur bis etwa zur Anfangstemperatur des Austreibers durchzuführen. Dagegen gehen die Heizspiralen durch den ganzen Austreiber hindurch, denn der Wärmebedarf des Austreibers ist am kalten Ende größer als am heißen, und ebenso wird durch die Absorption der größere Teil der Wärme bei niederer Temperatur erzeugt, so daß sich Wärmeverbrauch und -gewinn in den im Wärmeaustausch stehenden Teilen der Maschine nicht decken. Der bei vollkommen reversibler Entgasung beträchtliche Unterschied im Wärmebedarf an den verschiedenen Stellen des Austreibers wird zwar in der Praxis durch den Einfluß des Wasserdampfes etwas verringert. Da nämlich im wärmeren Teil des Austreibers eine relativ starke Menge Wasserdampf mit ausgetrieben wird, der in den kälteren Teilen wieder kondensiert wird, findet ein Mehrverbrauch an Wärme am Ende und ein Minderverbrauch am Anfang des Austreibers statt. Dennoch bleibt im allgemeinen der Wärmebedarf im Austreiber größer als die Wärmepröduktion in dem gleichtemperierten Teil ds Absorbers. Jedoch abgesehen davon, daß man den Umlauf der Lösung für die geringeren Konzentrationen (durch Anordnung weiterer Lösungspumpen, wobei die Lösungen wieder im Gegenstrom zu führen sind) beschleunigen und dadurch diesen Unterschied ausgleichen kann, kommt gerade diese Eigenschaft den wirklichen Verbrennungsprozessen außerordentlich entgegen, da man dadurch die Abgaswärme in viel vollkommenerer Weise ausnutzen kann als bisher, indem der größere Teil der Wärme der Verbrennungsgase bei hoher Temperatur zur Vergasungsleistung -verwandt wird, während der Rest, die Abgaswärme, noch den weiteren Wärmebedarf des Austreibers decken kann. Und zwar ist hier überall sehr vollkommen das Gegenstrom-Wärmeaustauschprinzip durchführbar. Die »übergreifende« reversible Absorptionsmaschine nutzt also gleichzeitig sowohl die bei den bisherigen Ab-Sorptionsmaschinen verloren gehende Wärme hoher Temperatur wie die bei der Dampfmaschine verloren gehende Wärme niederer Temperatur aus und besitzt dadurch einen großen Vorsprung gegenüber diesen beiden Maschinen, und zwar nicht allein für die Kälteerzeugung, sondern auch für die reversible Wärmeerzeugung und für die Erzeugung von Arbeit.

Letzteres ist besonders wichtig, weil man so in leichtester Weise und vollkommen ökonomisch Kraft für Nebenbetriebe gewinnen kann, indem man einen Teil des im Austreiber entwickelten Gases statt in den Kondensator in einen Arbeitszylinder schickt, um ihn sodann in den Absorber eintreten zu lassen. Die Arbeitserzeugung kann aber auch der Zweck der An- lage sein (Fig. 4), wobei die Möglichkeit, den Druck und die Druckdifferenz für eine vorgeschriebene Leistung völlig beliebig wählen oder für wechselnde Leistungen konstant halten zu können, von hohem Wert sein kann, z. B. für den Antrieb von Pumpen. Vorteilhaft ist die Verwendung solcher Absorptionsmaschinen zur Arbeitserzeugung besonders auch noch deshalb, weil die isopiestische Entgasung über einen größeren Temperaturbereich integriert. Denn da sämtliche wärmevermittelnde Flüssigkeiten usw. ebenfalls nur unter stetiger Temperaturänderung die Wärme abgeben und aufnehmen, so schließt sich die reversible Absorptionsmaschine den natürlichen Vorgängen von vornherein weit vollkommener an als die Dampfmaschine und gestattet, ein vorhandenes Wärmegefälle besser auszunutzen als diese (Lorenzscher Kreisprozeß).

In der Fig. 4 ist 0 der Arbeitszylinder, in den der Dampf aus dem Austreiber b eintritt, um sodann in den Absorber α zu gelangen, und k ist das wegen verschiedenen Wärmebedarfs geteilte Wärmeaustauschrohr zwischen den annähernd gleichtemperierten Teilen des Austreibers und .Absorbers.

Das Gasgemisch braucht den Austreiber nicht immer am kalten Ende zu verlassen. Namentlich für die Arbeitserzeugung kann es vorteilhaft sein, den Dampf an einer anderen Stelle abzuführen. Es kann dann der Fall eintreten, daß der Wasserdampf gehalt des den Austreiber verlassenden Dampfgemisches ebenso groß oder größer ist wie der. Wassergehalt der durch die Pumpe geförderten Lösung. Ein Zurückströmen der armen Lösung durch ein Regulierventil ist dann nicht erforderlich bzw. muß eine zweite Pumpe am warmen Ende des Absorbers ebenfalls Lösung, relativ arme Lösung in den Austreiber schaffen, so daß also der Weg der armen Lösung der entgegengesetzte ist.

Dieser neuartige Arbeitsprozeß des Ubergreifens der Temperaturen ist natürlich bereits vorteilhaft auch ohne Zurückführung der Lösungen im Gegenstrom usw. durch die Reservoire namentlich bei geringen Druckdifferenzen. Verbunden mit dieser Zurückführung ist er selbstverständlich noch vollkommener.

4. Die beschriebene Absorptionsmaschine mit J übergreifenden Reservoirtemperaturen arbeitet

nun, im Gegensatz zu den bisher bekannten Systemen, als Kälteerzeugungsmaschine mit einer um so größeren Leistungsziffer, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Kondensator und Verdampfer ist, weil dann die Temperaturen bei gleicher Endtemperatur des Austreibers um so weiter übergreifen. Dennoch hat die bisherige Anordnung noch manche Nachteile. Dies ist einmal der hohe Druck, an den man

ίο durch den Dampfdruck des Ammoniaks im Kondensator bei der gegebenen Kühlwassertemperatur gebunden ist.

4a. Die Befreiung von dieser Beschränkung gelingt in einfachster Weise, wenn die Kälteerzeugung, statt wie üblich durch Kondensation und Verdampfung, vielmehr ebenfalls durch Absorption und Entgasung bewirkt wird. Solche Maschinen sind für diesen Zweck bereits bekannt. Jedoch sind bei diesen infolge der unrichtigen Führung der Lösungen die Verluste größer als bei einem reinen NH₃-Kondensator und Verdampfer. Die Verluste werden jedoch gering, wenn man den dargelegten Erfindungsgedanken auch auf solche den Kondensator ersetzende Absorber, in der Folge genannt Resorber, bzw. den Verdampfer ersetzende Entgaser überträgt. Die reiche Lösung ist also. zunächst im Gegenstromwärmeaustausch durch den Entgaser bis zu seinem kältesten Ende hindurchzuführen, um dort erst in ihn überzutreten, und die arme Lösung ist zunächst im Gegenstromwärmeaustausch durch den Absorber bis zu seinem wärmsten Ende hindurchzuführen, um dort erst in ihn überzutreten.

In Fig. 2 ist das Schema eines solchen Resorbers und Entgasers, und' zwar unter Anwendung eines Temperaturwechslers, dargestellt. Das aus dem Austreiber kommende Gas wird im Resorber c absorbiert. Die stark, angereicherte Lösung, die aber von reinem NH₃ noch beliebig weit entfernt sein kann, verläßt durch die Rohrleitung I den Resorber, tauscht sodann mit der aus dem Entgaser kommenden Lösung ihre Wärme aus und geht nun zunächst im Gegenstrom durch den Entgaser bis zum kalten Ende desselben hindurch, um dort erst durch ein Regulierventil in ihn überzutreten. Die entgaste Lösung wird durch eine Pumpe t in die Leitung m gedrückt und geht sodann nach Passieren des Temperaturwechslers . durch den ganzen Resorber hindurch, um erst am warmen Ende desselben in ihn einzutreten.

4b. Wird die Entgasung im Refrigerator bis zur Anfangstemperatur des Kühlwassers, also bis zur Endtemperatur bzw. Endkonzentration des Resorbers durchgeführt, so ist ein besonderer Wärmeaustausch zwischen der zirkulierenden reichen und armen Lösung nicht nötig. Die Anfangstemperatur des Resorbers ist in diesem Falle gleich der Anfangstemperatur des Austreibers. Allerdings wird nun auch scheinbar nutzlose Kälte bei einer Temperatur erzeugt, die dicht unter der des Kühlwassers liegt. Da diese Kälte aber ohne Mehraufwand von Wärme _g erzielt wird, so kann sie, zur Verkühlung des Kühlgutes, des Kühlwassers, zur Kühlung von Vorräumen usw. dienend, sehr wohl zur Erhöhung der Ökonomie der Kälteanlage beitragen. In Fig. 5 ist ein solcher Resorber und Entgaser mit verwandt.

4 c. Will man (vgl. Fig. 3) durch eine geringe Druckdifferenz relativ starke Temperaturerniedrigungen erzielen, so ist dies nur dadurch möglich, daß man den Resorber durch einen Teil der im Refrigerator entstehenden Kälte unterkühlt. Die kälteste Resorbertemperatur liegt dann unter der höchsten Entgasertemperatur; die Temperaturen greifen wieder über. Die Pumpe t fördert die entgaste Lösung in den Resorber c, in den sie an der Stelle gleicher Temperatur eintritt, um sodann durch, die Rohrleitung m ini Gegenstrom bis zu dem warmen Ende desselben hindurchzugehen und dort in ihn überzutreten. Die im Resorber angereicherte Lösung geht vom kalten Ende des-. selben vermittels der Rohrleitung I in den Entgaser und durch diesen bis zu dem kalten Ende desselben im Gegenstrom hindurch, um dort in ihn überzutreten. Das Kühlwasser durchläuft in dem Rohre i nur den wärmeren Teil des Resorbers, der kältere erhält seine Abkühlung durch die wärmeleitende Verbindung mit dem Entgaser. Nutzbare Kälteleistung findet nur am kältesten Ende des Entgasers statt und wird durch die in der Spirale η laufende Salzsole aufgenommen.

Resorber und Entgaser tauschen somit ihre Wärme zum Teil miteinander aus. Man kann auf diese Weise die tiefste Temperatur des Resorbers erheblich unter die Kühlwasseranfangstemperatur bringen und starke Kühlung z. B. auch bei hohen Kühlwassertemperaturen erzielen, ohne mit dem Druck hochgehen zu müssen. Der Wärmeaustausch kann natürlieh auch durch eine zirkulierende Flüssigkeit vermittelt werden. Z. B. kann das aus den Kühlräumen zurückkehrende Salzwasser, statt sogleich in den Refrigerator einzutreten, zunächst im Gegenstrom durch den kältesten Teil des Resorbers geführt werden, diesen unter die Kühlwasseranfangstemperatur unterkühlend,um dann erst in den Entgaser, und zwar nunmehr am relativ warmen Ende desselben einzutreten. Allerdings reicht die bei gleicher Temperatur im Entgaser entstehende Kälte nicht aus, den Resorber hinreichend zu kühlen, und man muß daher eine größere Temperaturdifferenz zwischen den beiden Reservoiren zulassen, um die Kälte eines größeren Temperaturbereiches

zur Kühlung des Resorbers heranzuziehen. Dies ist nun freilich nicht ohne Verluste durchführbar. Dennoch kann dieses Übergreifen der Temperaturen von hohem Wert sein, wo es sich z. B. darum handelt, durch eine geringe Temperaturdifferenz eine größere vermittels der Absorptionsmaschine zu erzielen, oder wenn man zur Ausnutzung reichlicher Kühlwassermengen die Druckdifferenz zwischen Absorber

ίο und Austreiber kleinmachen will, und man kann deshalb zweckmäßigerweise zum Ausgleich des Unterschiedes der Wärmeproduktion und des Bedarfs den Umlauf der ärmeren Lösungen (durch Vergrößerung der Pumpe und Anordnung weiterer Regulier ventile, wobei die Lösungen in genau derselben Weise zu führen sind) wieder beschleunigen.

Natürlich läßt sich dieser Resorber und Entgaser statt durch einen Austreiber und Absorber

ao auch durch einen Kompressor betreiben, und zwar ist es auch hier von ganz erheblichem Vorteil, daß die mittlere Temperaturdifferenz zwischen Resorber und Entgaser für dieselbe Kälteleistung wegen der Möglichkeit fast idealen Gegenstromwärmeaustausches . erheblich geringer gemacht werden kann als zwischen dem Kondensator und Verdampfer einer reinen Kompressionsmaschine. Während nämlich die Verdampfung reiner Flüssigkeiten bei dem einmal gegebenen Druck stets an eine ganz bestimmte Temperatur gebunden ist, und zwar für den Kondensator im wesentlichen an die höchste, die Kühlwasserablauftemperatur, für den Refrigerator an die tiefste, die erreicht werden soll, sind für den Resorber und Entgaser nur die mittleren Reservoirtemperaturen (bzw. unter Auslassung des Gebietes, wo die Temperaturen übergreifen) einzusetzen, also etwa die Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten gleicher Konzentration, z.B. die tiefste Refrigeratortemperatur und die Kühlwasserzulauftemperatur. Um so viel Grade also, wie das Kühlwasser erwärmt wird, kann für die Kälteerzeugung mittels Resorber und Entgaser die rechnerische Temperaturdirferenz T₁ —T₀ geringer sein als die wirklich erreichte, und um ebensoviel ist wieder die Leistungsziffer dieser Maschinen günstiger (Lorenzscher Kreisprozeß).

Bei der geschilderten Ausbildung des Resorbers und Entgasers kann man nun, wie schon betont, den Druck vollständig beliebig wählen, etwa zwischen 1 und 2 Atmosphären. Denn Entgasung und Absorption findet fast bei jedem beliebigen Druck und jeder gewünschten Temperatur statt. Es sind lediglich die Dimensionen der Reservoire und Wärmedurchgangsflächen und der Pumpe t den jeweiligen Erfordernissen entsprechend zu berechnen und durchzukonstruieren. Und zwar ist es zur Vermeidung von Wärmeverlusten stets vorteilhaft, mit der Anfangstemperatur des Resorbers und der Endtemperatur des Entgasers möglichst hoch. zu gehen, so daß sich die Temperaturen unmittelbar an die des Austreibers und Absorbers anschließen. Man könnte in diesem Falle auch noch die eine Flüssigkeitspumpe sparen, da nunmehr beide Pumpen Lösung von nahezu derselben Temperatur und Konzentration fördern, indem man die Führungen der Lösung zur Pumpe' entsprechend anordnet oder für eine beschränkte Verbindung der Reservoire untereinander (durch Drosselventile) sorgt. Auf diese Weise läßt sich auch bequem ein regu-' lierender Ausgleich für Störungen in den Konzentrationsverhältnissen infolge des im Überschuß aus dem Austreiber mitgeführten Wasserdampfes schaffen. Die gemeinsam geförderte Lösung kann dann ebensowohl durch den Absorber wie durch den Resorber geführt werden.

Wählt man den Druck im Resorber hoch, so wird die Lösung stark konzentriert, die mitzirkulierende Wassermenge wird klein, und es bedarf somit nur einer geringen Menge von zirkulierender Lösung, die durch die Pumpe t zu fördern sein würde oder durch die Drosselventile in die Nachbarreservoire übertritt. Im Grenzfall, wo die Konzentration der durch das Regulierventil gehenden Lösung so stark ist, daß das mitzirkulierende Wasser prozentual nicht mehr ausmacht als der Wasserdampfgehalt des aus dem Austreiber kommenden Ammoniaks, ist eine Flüssigkeitspumpe t überhaupt nicht mehr angebracht, da durch den Verdampfer theoretisch genau ebensoviel Wasser mit verdampft. Auch eine ■ Verbindung der Reservoire untereinander ist im wesentlichen nicht mehr nötig. Infolge der Irreversibilität der wirklichen Vorgänge enthält allerdings das aus dem Austreiber entweichende Gasgemisch stets relativ zuviel, das aus dem Entgaser entweichende Gasgemisch relativ zuwenig Wasserdampf, so daß es praktisch zweckmäßig sein wird, den Rest der Lösung aus dem Entgaser in den Austreiber zu schaffen.

Ein eigentümlicher Fall tritt ein, wenn man diese Grenze noch überschreitet, wenn also das das Regulierventil passierende Ammoniak weniger Wasser enthält als der in den Resorber tretende Dampf. Es muß dann der durch die Pumpe t und die Spirale m gehende Lösungsstrom seine Richtung wieder umkehren und also an Stelle der Pumpe t ein zweites Regulierventil treten. Oder es kann auch hier wieder statt der Verbindung von c mit d die Verbindung von c mit b eintreten, so daß also Lösung aus dem Resorber in den Austreiber zurückströmt (Rektifikator). Dem würde eine Verbindung von d mit α entsprechen, die jedoch auch fehlen kann (bzw. kann die Lösung des Entgasers vor-

teilhafter durch einen Teil der Lösung des Rektifikators ergänzt werden). Die strömende Lösung besitzt jetzt die entgegengesetzte Richtung, erfordert also zur Überwindung der geringen Druckdifferenz eine Pumpe oder ein Gefälle.

Dieser Spezialfall, bei dem man natürlich den Druck nicht mehr beliebig wählen kann, kommt dem Kondensatorverdampfer der bisherigen Absorptionskältemaschinen am nächsten. Der

ίο Unterschied von diesen besteht nur noch darin, daß (abgesehen von einem eventuellen Wärmeaustausch zwischen Resorber und Entgaser) die reiche Lösung vor ihrem Eintritt in den kältesten Teil des Entgasers bis zu dieser Temperatur vorgekühlt wird, und daß die Bindung des Ammoniaks möglichst bereits bei der Anfangstemperatur des Austreibers beginnt und die Entgasung bei der Endtemperatur des Absorbers endet, was ev. durch eine Ergänzung der Lösung des Entgasers erreicht wird. Die so ohne Mehraufwand von Wärme erzeugte Kälte kann, wie erwähnt, u. a. mit Vorteil zur Vor kühlung des Kühlwassers dienen, wodurch wegen des weiteren Ubergreifens der Temperaturen des Austreibers und Absorbers die Leistungsziffer weiter gesteigert wird.

5. Eine andere Möglichkeit, die Leistungsziffer der Absorptionskältemaschine über I zu bringen, ergibt sich aus der zu 1. beschriebenen Neuerung (mit Hilfe der unter 4. geschilderten Übertragung dieses Erfindungsgedankens auf Kondensator und Refrigerator) in folgender Weise, ohne daß von dem Übergreifen der Temperaturen (Anspruch 3) Gebrauch gemacht wird.

Der den Refrigerator d einer Absorptionsmaschine (Fig. 5) verlassende HN₃-Dampf besitzt bei einer Anfangstemperatur des Refrigerators von beispielsweise —10 ° noch einen erheblichen Druck, der für reines Ammoniak etwa 3 kg/qcm ausmacht und für stark konzentrierte Lösungen nicht viel kleiner ist. Läßt man dieses Gas, anstatt von dem Absorber a der Absorptionsmaschine, vielmehr von einem Resorber y absorbieren, so wird der zu diesem gehörige Entgaser ζ bei dem Druck von etwa einer Atmosphäre ebenfalls noch etwa dieselbe Kältemenge liefern. Das diesen zweiten Refrigerator verlassende Gas wird nunmehr durch den Absorber α der Absorptionsmaschine aufgenommen, wie aus der Fig. 5 ersichtlich ist. Da die Endkonzentration bei derselben Endtemperatur im Absorber unter dem geringeren Druck entsprechend geringer ist, so ist auch die Anfangstemperatur im Austreiber entsprechend höher, so daß also die Wärmeaufnahme bei höherer Temperatur erfolgt. Hierdurch ist thermodynamisch die größere Leistungsziffer bedingt.

Man kann, in derselben Weise fortfahrend, das aus dem zweiten Refrigerator kommende Gas noch ein drittes Mal resorbieren lassen und so noch eine dritte Stufe erzielen. Man bekommt dann allerdings im dritten Refrigerator bei dem gewählten Beispiel bereits ein Vakuum von etwa 70 Prozent. Die mögliche Zahl der Stufen hängt vor allen Dingen von der Temperaturerniedrigung ab, die man erzielen will, und also auch von der Temperatur des zur Verfügung stehenden Kühlwassers. Für Eiserzeugung in den Tropen wird man, kaum zwei Stufen erzielen können. Für Kühlung bis etwa o° und bei kaltem Grundwasser sind dagegen eine ganze Reihe von Stufen erreichbar, und jede neue Stufe bringt, ohne einen erheblichen Mehraufwand von Wärme, noch annähernd dieselbe Kälteleistung hinzu, die die erste besitzt, so daß also die Leistungsziffer dieser mehrstufigen Absorptionsmaschine immer größer wird, je mehr Stufen man anwendet. Allerdings sind hierbei auch die Verluste durch die Dampfwärme usw. nicht unbeträchtlich, und es bedarf eines wirksamen Rektifikators, der in Fig. 5 durch das Reservoir χ angedeutet ist. Zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Konzentrationsverhältnisse in den Reservoiren y, ζ kann noch eine Flüssigkeitsleitung vorgesehen werden (in der Zeichnung fortgelassen), durch die aus dem Rektifikator χ Lösung nach y oder ζ gelangen kann, um in diese durch ein Regulierventil einzutreten.

Es versteht sich von selbst, daß diese neuartige Anordnung von Absorptionsmaschinen in mehreren Stufen bereits vorteilhaft ist, auch wenn man dazu nur die bisher bekannten Maschinentypen verwendet. Jedoch ist der Vorteil bei durchgehender oder teilweiser Verwendung der zu Anspruch 1 (und 4) angegebenen Verbesserungen natürlich noch erheblich größer.

6. Es ist, wie erwähnt, für die übergreifende reversible Absorptionsmaschine und auch für die mehrstufige Maschine außerordentlich vorteilhaft, mit der Endtemperatur des Austreibers bei gleicher Anfangstemperatur möglichst hoch zu gehen, und es ist daher noch ein Nachteil der bisher beschriebenen Anordnungen, daß dies nicht unbeschränkt möglich ist. Die Höchsttemperatur ist beschränkt durch die Siedetemperatur des Wassers, und zwar um so mehr, je geringer man die Drücke wählt. Geht man aber auch mit den Drücken hoch, so scheint es doch zwecklos, über den der Kühlwassertemperatur entsprechenden Dampfdruck des Ammoniaks hinauszugehen. Diese Beschränkung fällt indessen bei folgender, in Fig. 6 näher skizzierter Anordnung der zu 1. (und 4.) beschriebenen Absorptionsmaschinen fort.

Drei vollständig voneinander unabhängige Absorptionsmaschinen, die aber bei verschie-

denen Temperaturen arbeiten, sind so angeordnet, daß der Resorber c und der Absorber a der zweiten Maschine durch das Wärmeaustauschrohr w in wärmeleitender Verbindung mit dem Austreiber b der ersten Maschine steht. Die in α und c erzeugte Wärme geht sonach in den Austreiber der ersten Maschine über, wenn die Temperaturen richtig eingestellt sind. Da nun die im Resorber und Absorber einer Absorptionsmaschine erzeugte Wärme stets um die Kälteleistung im Refrigerator größer ist als der Wärmeaufwand im Austreiber, so ist klar, daß der Wärmeaufwand im Austreiber der zweiten Maschine für dieselbe Kälteleistung im Refrigerator der ersten um ebensoviel kleiner ist. Diese Verwendung der Abwärme einer Absorptionsmaschine zur Heizung des Austreibers einer anderen gestattet also wieder, die Leistungsziffer der Absorptionsmaschinen über I zu bringen. Die »Kälteleistung« des Refrigerators d der zweiten Maschine kann, wie in der Zeichnung angedeutet, zur Kühlung des Resorbers der ersten verwendet werden, was zur Verringerung des Kühlwasserverbrauchs beiträgt. Der Refrigerator der dritten Maschine ist dagegen zweckmäßigerweise durch die weitere Ausnutzung der Heizflüssigkeit zu erwärmen, wie durch den Verlauf des Heizrohres h näher skizziert ist. Und weiterhin steht auch der Resorber und Absorber dieser dritten Maschine in derselben wärmeleitenden Verbindung mit dem Austreiber der zweiten wie vorher,.so daß eine weitere Verringerung des Wärmeaufwandes für dieselbe Kälteleistung stattfinden muß.

Man hat es nun ganz in der Hand, die Größen der Maschinen so auszugleichen, daß die Wärmeproduktion der einen zur Heizung des Austreibers der anderen gerade genügt oder auch kleiner ist, damit zur weiteren Ausnutzung der Abgaswärme noch ein gewisser Wärmebedarf übrig bleibt.

7. Ebenso kann man die Drücke in jeder einzelnen Maschine vollkommen bel'ebig wählen.

Im allgemeinen Falle beansprucht die geschilderte mehrfache Absorptionsmaschine sehr viel Wärmedurchgangsflächen, die die Anlage erheblich verteuern. Wählt man die Drücke aber so, daß der Druck im Resorber und Austreiber der ersten Maschine gleich dem Druck im Entgaser und Absorber der zweiten Maschine ist, so sind, da die Temperaturen gleich sind, offenbar auch die Konzentrationen gleich, und man kann die entsprechenden Reservoire einfach zusammenlegen, wodurch die Dimensionen bei gleicher Leistung erheblich verringert werden. Der Absorber der zweiten Maschine fällt dann überhaupt fort, und der Austreiber der ersten ist nur noch etwa halb so groß. Ebenso fällt für Kälteerzeugung der Entgaser der zweiten Maschine fort, und der Resorber der ersten Maschine ist entsprechend kleiner. In den gemeinsamen Reservoiren zirkuliert eine erheblich geringere Lösungsmenge, nämlich in· der ganzen kombinierten Maschine nicht mehr als vorher in der ersten allein, obwohl jetzt der Wärmeaufwand für dieselbe Kälteleistung viel geringer geworden ist.

In Fig. 7 ist eine derartige kombinierte mehrfache Absorptionsmaschine skizziert. Vom Absorber α wird die reiche Lösung, vermittels der Rohrleitung f teils in den Austreiber b_x, teils in die unter höherer Temperatur und höherem Druck stehenden Austreiber δ₂ und b_s geschafft. Die arme Lösung geht aus den drei Austreibern durch die Leitung g in den Absorber zurück. Der ausgetriebene Ammoniakdampf wird in den drei Resorbern C₁, C₂ und c₃ absorbiert und geht durch die Leitung / in den Entgaser d. Aus diesem wird die arme Lösung durch die Leitung m wieder in die drei Resorber zurückgeschafft. Die Lösungen aus den verschiedenen Reservoiren sind hierbei jedoch entweder getrennt zu führen, oder der hohe Druck der höher temperierten Reservoire muß durch Zwischenregulierventile an den geeigneten Stellen stufenweise abgedrosselt werden. (In der Zeichnung fortgelassen.) Die Heizwärme wird hier beispielsweise nur dem Austreiber J₃ zugeführt, und zwar durch die Heizschlange h. Zur Heizung des Austreibers δ₂ dient die Resorberwärme in C₃ vermittels des Wärmeaustauschrohres k. Ebenso dient die Resorberwärme in C₂ zur Heizung des Austreibers O₁. Nur der Absorber α und der Resorber C₁ ist von außen zu kühlen. Im Entgaser d rindet die nützbare Kälteleistung statt, die durch die Soleleitung i aufgenommen wird. Bei Krafterzeugung (Fig. 8) tritt an Stelle des Entgasers d ein Arbeitszylinder 0 und an Stelle des Resorbers C₁ ein (kleinerer) Entgaser d, dem Wärme zuzuführen ist, etwa durch das erwärmte Kühlwasser des Absorbers, wie in der Fig. 8 angedeutet ist.

Es ist klar, daß man auf diese Weise zu sehr hohen Temperaturen, also zu hoher Wärmeausnutzung gelangen kann. Und zwar sind hierbei auch hohe Drücke um so leichter zu beherrschen, als außer den Flüssigkeitspumpen und dem Rührwerk für die Kälteerzeugung kein einziger beweglicher Teil (wie Dampfzylinder usw.) vorhanden ist. Die neue Kombination wäre daher natürlich schon von hohem Wert, wenn man auch nur Maschinen der alten Bauart dazu verwenden würde. Bei Zurückführung der Lösungen im Gegenstrom nach dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung potenziert sich aber noch der Vorteil.

8. Das dargelegte Prinzip der reversiblen Absorptionsmaschine mit ihren Erweiterungen

Claims

und ihrer Umkehrung beschränkt sich durchaus nicht auf Maschinen mit wässeriger Ammoniaklösung als Arbeitsflüssigkeit. Es kann vielmehr sofort ohne irgendwelche Änderung auf Maschinen mit einem beliebigen anderen binären und komplizierteren Gemisch als Arbeitsflüssigkeit übertragen werden, wobei die Verwendung dieser Flüssigkeitsgemische selbst als Arbeitsflüssigkeit für Maschinen nach Art ίο der Absorptionsmaschinen in jedem Fall bekannt oder für sich neu sein kann. Man kann zur Erzeugung tiefer Temperaturen z. B. das binäre Gemisch der flüssigen Luft usw. als Ar-. beitsflüssigkeit für eine Absorptionsmaschine anwenden und wird sodann mit Vorteil die Gegenstromführung nach 1. usw. anwenden. Man kann ferner, um noch höhere Temperaturen zu erreichen, in derselben Weise etwa Salzlösungen nehmen, über denen bekanntlich der Druck des Wasserdampfes bei derselben Temperatur geringer ist als über reinem Wasser. Alle Einzelheiten sind genau wie bei der Ammoniakabsorptionsmaschine. Pate ν τ-An s ρ rüche:

1. Absorptionskältemaschine zur kontinuierlichen Erzeugung von Kälte und Wärme oder auch von Arbeit, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Lösung nach ihrer Entgasung erst im Gegenstrom (Spirale g) durch den Austreiber (V) und die kalte Lösung nach ihrer Anreicherung mit Gas erst im Gegenstrom (Spirale f) .durch den Absorber (a) zurückgeführt wird, bevor sie den Austreiber oder den Absorber verläßt.

2. Absorptionskältemaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur . Vermeidung des Temperaturwechslers die Entgasung im Austreiber so weit fortgesetzt wird, daß die höchste Absorbertemperatur der niedrigsten Austreibertemperatur nahekommt (Fig. 2).

3. Absorptionskältemaschine nach An-■ spruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur , Verringerung des Wärmeaufwandes für dieselbe Kälteleistung oder auch Arbeitsleistung die Entgasung im Austreiber so weit getrieben wird, daß die höchsten Absorbertemperaturen wesentlich über die tiefsten Temperaturen des Austreibers hinausgehen, und daß die kältesten Teile des Austreibers und die wärmsten des Absorbers im Wärmeaustausch miteinander stehen (Spirale k), so daß die. Absorptionswärme im wärmeren Teil des Absorbers einen großen Teil der Austreibungswärme für den kälteren Teil des Austreibers liefert (Fig. 3 und 4).

4. Absorptionskältemaschine nach Anspruch ι mit einem Resorber und Entgaser, die in an sich bekannter Weise an die Stelle eines Kondensators und Verdampfers treten, dadurch gekennzeichnet, daß die reiche Lösung zunächst im Gegenstrom (Spirale 1) ' durch den Entgaser (d) bis zu seinem kalten Ende hindurchgeführt wird, um dort erst in ihn überzutreten, während die entgaste Lösung durch eine Pumpe (t) wieder in den Resorber (c) geschafft wird, durch den sie zunächst im Gegenstrom (Spirale m) bis zum wärmsten Ende hindurchgeführt wird, um dort erst in ihn überzutreten (Fig. 2).

5. Absorptionskältemaschine nach Anspr-uch ι und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entgasung so weit fortgesetzt wird, daß die höchste Entgasertemperatur der niedrigsten Resorbertemperatur nahekommt, so daß ein besonderer Temperaturwechsler überflüssig ist. .

6. Absorptionskältemaschine nach Anspruch ι und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck weitgehender Temperaturerniedrigung oder -erhöhung durch eine gegebene Druckdifferenz die Entgasung im Austreiber so weit getrieben wird, daß die höchsten Entgasertemperaturen wesentlich über die tiefsten Temperaturen des Resorbers hinausgehen, und daß die kältesten Teile des Resorbers und die wärmsten des Entgasers im Wärmeaustausch miteinander stehen, so daß die bei der Entgasung im wärmeren Teil des Entgasers entstehende Kälte zur Unterkühlung des kälteren Teils des Resorbers -dient, oder daß die Absorptionswärme im kälteren Teil des Resorbers zur Erhöhung der Temperatur des Entgasers dient (Fig. 3).

7. Absorptionskältemaschine nach Anspruch ι und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem Refrigerator (i) kommende Gasstrom zunächst in einen Resorber (y) tritt, zu dem ein weiterer Refrigerator, der Entgaser (z), gehört usw., bis der aus dem letzten Entgaser kommende Gasstrom in den Absorber.(α) tritt, der zu dem Austreiber

(V) gehört (Fig. 5).

8. Absorptionskältemaschine nach Anspruch ι und 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Absorptionsmaschinen so angeordnet sind, daß die in dem Absorber (a) und Resorber (c) der einen Maschine entstehende Wärme zur Beheizung des Aus- no treibers (V) einer zweiten dient (Fig. 6).

9. Absorptionskältemaschine nach Anspruch i, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Absorber (a) einer Absorptionsmaschine geförderte Lösung nur zum Teil in den zugehörigen Austreiber (V) geschafft wird, zum andern Teil aber in einen zweiten Austreiber (V), der unter einem noch erheblich höheren Druck steht; daß ferner die ev. aus dem Entgaser (d) kommende

relativ arme Lösung ebenfalls nur zum Teil ! in den zugehörigen Resorber (c) geschafft wird, zum andern Teil aber in einen zweiten Resorber (c¹), der unter einem noch erheblich höheren, nämlich dem dem^Jerwähnten zweiten Austreiber (δ¹) entsprechenden Druck steht, und daß dieser zweite Resorber (c¹) mit dem ersten Austreiber (δ) im Wärmeaustausch steht, so daß die Absorptionswärme im zweiten Resorber (c¹) ganz oder zum Teil die Austreibungswärme für den ersten Austreiber (δ) liefert (Fig. 7). Dieses Verfahren kann durch einen dritten Austreiber und Resorber usw. noch weiter fortgesetzt werden. Im Fall der Arbeitserzeugung fällt der ursprüngliche Refrigerator fort, und der erste Resorber wird zum Entgaser (Fig. 8).

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen.