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Kompressions - Kältemaschine

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Kompressionskältemaschine
Fig. 14 Schematische Anordnung einer Kompressions - Kältemaschine mit indirekter Kälteübertragung


Die Kompressions – Kältemaschine

Aus: Die Eis- und Kältemaschinen von F.W. Hoffmann, 2.Auflage, Wittenberg/Halle 1921

Sie wird Kompressionsmaschine genannt, weil bei ihr die Kompression oder die Zusammenpressung – Verdichtung – der Kälteerzeuger, und infolge dessen die Arbeit im Kompressionszylinder eine wichtige Rolle spielt.

Durch ihre einfache Anordnung, die wenigen Apparate und große Leistungen, hat sie sich unter den Kältemaschinen den ersten Platz errungen. Auch sie gehört, wie schon gesagt, zu den Verdampfungsmaschinen, weil bei ihr die Kälteerzeugung durch Verdampfen von flüssigen Flüssigkeiten mi niedrigen Siedepunkten erfolgt.

Diese Art der Kälteerzeugung ist am meisten verbreitetsten und bildet gewissermaßen die Grundlage nahezu der gesamten künstlichen Kälteerzeugung.

In gleich guter Ausführung ist die Leistung der hierhergehörigen Maschinensysteme, als Ammoniak, Kohlensäure- und schweflige Säure – Maschinen gleich; sie sind demnach auch als gleichwertig zu betrachten. Machen sich trotzdem in der Praxis größere Unterschiede bemerkbar, so ist entweder unzweckmäßige Konstruktion oder mangelhafte Wartung die Ursache.

Die Grundlagen für die Kälteerzeugung in der Kompressions – Kältemaschine.

Die Erzeugung von Kälte oder Entziehung von Wärme durch die Kompressions – Kältemaschine beruht – wie schon gesagt – auf der Verdampfung von flüssigen Kälteerzeugern, wobei dieselben aus dem flüssigen in den dampfförmigen Zustand übergehen.

Nach dem vorhin schon erwähnten physikalischen Gesetz wird beim Verdampfen von Flüssigkeit Wärme verbraucht.

Die zur Verdampfung benötigte Wärme entnimmt der Kälteerzeuger seiner nächsten Umgebung, wobei sich diese abkühlt.

Die im Handel erhältlichen, flüssigen Kälteerzeuger werden in starkwandigen, auf hohen Druck geprüften, schmiedeeisernen Flaschen befördert, welche an ihrem Halse mit einem Absperrventil und einem Anschlußgewinde für die Herstellung der Verbindung mit der Maschine versehen sind. Legt man diese Flasche in schräger Lage mit dem Auslaßventil nach unten und läßt durch dasselbe etwas Flüssigkeit in ein untergehaltenes glas treten, so wird die Flüssigkeit an der Luft verdunsten – verdampfen.

Gleichzeitig wird die Außenseite des Glases, welche bei der Verdampfung stark abgekühlt wird, die warme Luft kondensieren und als Reif am Glas niederschlagen. Indem das Kältemedium verdampft, entzieht es der Umgebung des Glases die zu seiner Verdampfung nötige Wärme und erzeugt Kälte (siehe auch Fig. 13).

Kondenstation durch Verdampfen
Fig 13. Kondensation durch Verdampfung


In der Kältemaschine geht die Verdampfung in einem Rohrsystem vor sich. Dieses liegt meistens in einem Gefäß, welches mit einer Kochsalzlösung, Chlorkalzium- oder Chlormagnesiumlösung – Sole genannt – gefüllt ist. Je nach Salzgehalt dieser Sole kann man in ihr beliebig tiefe Temperaturen erzielen. Sie dient gewissermaßen als Kälteträger oder Kältevermittler, weil sie im kaltem Zustande durch Pumpen in Rohrleitungen an jede beliebige Stelle zur Kälteabnahme geleitet werden kann (siehe Fig 17).

Diese, die Verdampferrohre und die Salzsole enthaltende Gefäß wird Verdampfer oder Refrigerator genannt (siehe Fig 16).

Kältemaschine
Fig. 15 und 16 Überführung der Kaltdämpfe aus der Verdampfungs - zur Kondensationstemperatur


Durch die Verdampfung des Kältemediums wird der , die Verdampferrohre umspülenden Salzsole die Wärme entzogen, sie wird also abgekühlt.

Hängt man in diese unter 0 Grad C abgekühlte Sohle Blechgefäße mit Süßwasser – z.B. gewöhnliches Brunnenwasser – gefüllt, so wird letzteres zu Eis gefrieren. Ist der Verdampfer für die Eiserzeugung besonders eingerichtet, so heißt er auch Generator (siehe Fig 14).

Verbinden wir z.B. eine mit Ammoniak gefüllte Flasche mit den unteren Verdampferröhren, so wird das flüssige Ammoniak nach Öffnen des Absperrventils nach dem Verdampfer überströmen und hier verdampfen, wobei es die zu seiner Verdampfung notwendige Wärme seiner Umgebung – hier der Salzsole – entzieht und Kälte erzeugt.

Es würde aber nach der Verdampfung des flüssigen Kälteerzeugers die Kälteerzeugung vorüber sein – und der Maschine müßten fortwährend neue Kälteerzeuger, Ammoniak usw., zugeführt werden, wenn es nicht den Eigenschaften gestatten würde, diese wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückzubringen, d.h. Sie aus dem gas- oder dampfförmigen in den flüssigen Zustand zurückzuverwandeln – zu kondensieren. Diese fortwährende Zustandsänderung wird bewirkt durch eine doppelwirkende Saug- und Druckpumpe von besonderer Konstruktion, welche Kompressor genannt wird.

Sie hat den Zweck, die Dämpfe aus dem Verdampfer anzusaugen, dagegen der Rückwärtsbewegung des Kolbens diese zu verdichten – komprimieren – und nach einem, dem Verdampfer ähnlichen Apparat- dem Kondensator- zu drücken, in welchen die Verflüssigung dieser Dämpfe vor sich geht. Die Kondensation oder Verflüssigung dieser Dämpfe wird beschleunigt durch die Erhöhung des Druckes – Kompression – und gleichzeitiger Entziehung der dabei entstandenen und aus dem Verdampfer entführten Wärme durch das Kühlwasser.

Indem der Kolben immer neue Dämpfe ansaugt, verdichtet und nach dem Kondensator drückt, steigt der Druck indemselben, und unter Einwirkung des die Kondensatorrohre umspülenden Kühlwassers verflüssigen sich – kondensieren – die unter Druck stehenden Dämpfe, d.h. sie werden in ihren ursprünglichen flüssigen Zustand zurückversetzt.

Sie werden darauf in flüssigem Zustande aus dem Kondensator nach dem Verdampfer durch eine sogenannte Flüssigkeitsleitung strömen. Dieser Übergang wird begünstigt durch die Druckdifferenz, die zwischen Kondensator und Verdampfer herrscht. .

Damit aber nicht mehr Flüssigkeit als in den Röhren verdampfen kann, überströmt, ist in die Flüssigkeitsleitung ein Regulierventil gesetzt. In den Verdampferröhren werden die Kälteerzeuger also von neuem verdampfen, d.h. Kälte erzeugen. Demnach beruht die Wirkung der Kompressions- Kältemaschine auf der Verdampfung flüssiger Kälteerzeuger und Wiederverflüssigung der Kaltdämpfe.

Der ganze Kälteprozeß geht demnach in vier Perioden vor sich:
  1. Erzeugung der tiefen Temperaturen durch Leistung von äußerer oder innerer Arbeit der Kälteerzeuger.
  2. Wärmeaufnahme am Ort der Kälteerzeugung, sogenannte Kälteleistung.
  3. Förderung dieser aufgenommenen Wärme auf eine höhere Temperaturstufe unter Arbeitsaufwand.
  4. Abgabe der aufgenommenen Wärme und der in Form von Arbeit zugeführten Wärme an das Kühlwasser.


      Daraus folgt: Eine zur Verdampfung einer Flüssigkeit notwendige Wärmemenge wird wieder frei, wenn die verdampfte Flüssigkeit aus dem dampfförmigen in den flüssigen Zustand zurückgeführt wird, d.h. Diejenige Wärmemenge, welche von den Kälteerzeugern bei ihrer Verdampfung aufgenommen ist, wird bei dem Übergang aus dem dampfförmigen in den flüssigen Zustand an das Kühlwasser abgegeben.

      Durch diesen ununterbrochenen Kreisprozeß, den das Kältemedium durchläuft, findet also eine stete Verdampfung und Wiederverflüssigung statt und diese stete Zustandsänderung bildet das Prinzip der Kälteerzeugung oder der Eismaschine.

      Wird also ein Gas einer Reihe aufeinanderfolgender Zustandsänderungen ausgesetzt, und kehrt dasselbe am Schluß der Änderung in sein Anfangszustand zurück, so hat es einen Kreisprozeß durchlaufen.


      Die den Kälteprozeß herbeigeführten Kälteerzeuger bleiben in ihrer Eigenschaft unverändert; es können nur Verluste entstehen durch undichte Stopfbüchsen und Flanschen, sowie beim Auswechseln der Maschinenteile, die aber bei sachgemäßer Behandlung und Ausführung auf ein Minimum beschränkt werden können.

      In Fig. 15 und 16 ist der Verlauf des Kälteprozesses dargestellt; Die im Kondensator verflüssigten Kälteerzeuger treten durch das Regulierventil R nach dem Verdampfer über , wo sie beim Verdampfen Kälte erzeugen, diese betrage -10 Grad C. Die so entstandenen Kaltdämpfe sollen im Kondensator, Fig 15 und 16. wieder zum Kondensieren gebracht werden. Die Temperatur des Kühlwassers betrage +10Grad C.

      Um die Kondensation dieser Dämpfe herbeizuführen, müssen sie auf höheren Druck gebracht werden, oder „komprimiert“ werden., womit gleichzeitig eine Temperaturerhöhung verbunden ist, was gleichbedeutend mit Wärmezufuhr ist. (Die Überführung eines Körpers aus dem flüssigen in den dampfförmigen Zustand heißt verdampfen, und umgekehrt, jene aus dem dampfförmigen in den flüssigen Zustand die Kondensation.)

      Dazu bedient man sich der meistens doppelwirkenden Saug – und Druckpumpe – Kompressor benannt. Diese verbraucht zu ihrer Betätigung mechanische Arbeit (siehe Fig. 14 und 16).

      Um also die Kaltdämpfe von -10 Grad C auf die zu ihrer Kondensation notwendige höhere Temperatur- damit das Kühlwasser von +10 Grad C seine Wirkung ausüben kann – zu bringen, muß ihnen Wärme zugeführt werden, welche im Kompressor als mechanische Arbeit, auf den Kolben wirkt und dadurch die Zustandsänderung der Gase und Dämpfe ermöglicht.

      Während z.B. der Dampf in der Dampfmaschine durch seinen Druck auf den Kolben Arbeit leistet und sich dabei abkühlt, muß der Kältemaschine bei der Überführung der Kaltdämpfe aus ihrer Verdampfungs- zur Kondensationstemperatur Wärme zugeführt werden, was in Gestalt von mechanischer Arbeit durch den Kompressorkolben geschieht.

      Daraus folgt: Aus einem Körper, dessen Temperatur überall gleich ist, kann keine mechanische Arbeit geleistet werden. Zur Arbeitsleistung muß vielmehr eine Temperaturdifferenz vorhanden sein.

      Je größer der Temperaturunterschied ist, desto größer muß auch der Arbeitsaufwand sein, welcher zur Überführung aus der niedrigen Verdampfungs- zur höheren Kondensatortemperatur erforderlich ist.


      Um z.B. 1kg 1m hochzuheben, muß 1mkg Arbeit aufgewandt werden;um aber 1 kg 2 m hochzuheben, müssen mkg aufgewandt werden. Ebenfalls gebraucht eine Pumpe zur Überwindung der Förderhöhe um so viel mehr Kraft, je größer die Förderhöhe, also die Entfernung von dem Wasserspiegel bis zur Ausflußöffnung ist.

      Folglich: Je größer der Höhenunterschied, desto größer ist auch der Arbeitsaufwand.

      Aus diesen Vorgängen erklärt sich auch, daß man beim Arbeiten mit sehr tiefen Temperaturen z.B. -20Grad C im Verdampfer eine bedeutend geringere Kälteleistung pro 1 PS-Kraftleistung erzielt, als beim Arbeiten mit Temperaturen, wo die Verdampfung noch über 0 Grad C vor sich geht.

      Es verbraucht z.B. 1 kg Ammoniak bei einer Verdampfungstemperatur von

      +  5 Grad C = 1241 WE
      -  5 Grad C =  859 WE
      - 20 Grad C =  467 WE


      Eine Kälteanlage arbeitet also um so wirtschaftlicher, je kleiner die Temperaturdiffrenz zwischen Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe ist, je kälter also das Kühlwasser und je höher die Verdampfertemperatur ist.

      Die Arbeitsweise der Kompressions – Kältemaschine.



      Sie geht folgendermaßen von sich:

      Der in Bewegung gesetzte Kolben (siehe Fig.14) saugt den in die Verdampferröhren eingefüllten Kälteerzeuger aus den oberen Schlangenreihen ab. In den oberen Röhren werden die Dämpfe und in den unteren die Flüssigkeiten lagern. Indem der Kolben aus den oberen Röhren die Dämpfe abgesaugt, wird in der Schlange freier Raum entstehen, dadurch beginnt die in den unteren Röhren lagernde Flüssigkeit gewissermaßen zu kochen – sieden -, wobei neue Dämpfe entstehen. Gleichzeitig verdichtet der Kolben bei seinem Rückwärtsgange die vorhin angesaugten Dämpfe, um sie durch die Druckleitung in den Kondensator zu drücken, wo sie unter der Einwirkung des Kühlwassers unter Druck kondensieren, um darauf durch das Regulierventil R in flüssigem Zustande in den Verdampfer zu gelangen; hier wird die Flüssigkeit von neuem verdampfen, d.h. Kälte erzeugen und der, die Verdampfungsschlangen umspülenden Salzsole die Wärme entziehen, dieselbe also in dauernd abgekühlten Zustande erhalten.

      Diese Art der Kälteerzeugung ist am verbreitetsten und wird auch eine indirekte genannt, weil hier das Kältemedium seine Kälte erst der Salzsole mitteilt und diese wiederum die aufgenommene Kälte an an die Verbraucherstelle abgibt.

      In Fig. 17 ist die Anordnung einer indirekten Kälteanlage dargestellt. Der zu verdampfende Kälteerzeuger hat bei seiner Verdampfung die dazu benötigte Wärme seiner Umgebung – hier der Salzsole im Verdampfer – entzogen und sie abgekühlt. Diese abgekühlte Sole wird mittels Pumpe C nach der Verbrauchsstelle – hier einem Kühlraum – befördert, wo sie ihre Kälte an die im Raum vorhandene Luft abgibt und diese abkühlt.

      Indirekte Kälteübertragung
      Schematische Anordnung einer Kompressions - Kältemaschine mit indirekter Kälteübertragung


      Sie hat hier Wärme aufgenommen und tritt in diesem angewärmten Zustande durch die Rohrleitung nach dem Verdampfer zurück, wo ihre aus dem Kühlraum aufgenommene Wärme vom Kältemedium entzogen, sie also von neuem abgekühlt wird, um ihren Kreislauf durch den Kühlraum von neuem zu beginnen.

      Das Gegenstück hierzu ist die Kältemaschine mit direkter Verdampfung. Hier liegen die Verdampferrohre direkt an der Verbrauchsstelle, die Maschine gibt ihre Kälte ohne Vermittlung der Salzsole an die abzukühlenden Gegenstände oder Räume ab. Diese direkte Kälteerzeugung wird besonders da angewandt, wo an Ort und Stelle sehr tiefe Temperaturen gebraucht werden. Hier fällt also das mit Salzsole gefüllte Gefäß ganz fort. In Fig. 18 ist eine direktwirkende Kälteanlage dargestellt. Die Verdampferrohre liegen direkt in dem Kühlraum.

      Kühlanlage mit direkter Verdampfung
      Fig. 18 Kühlanlage mit direkter Verdampfung


      Der Kälteerzeuger wird durch die Saugleitung S von dem Kompressor angesaugt, von ihm verdichtet und in den Kondensator gedrängt. Nachdem er hier verflüssigt ist, tritt er durch das Regulierventil R nach dem im Kühlraum liegenden Verdampferröhren über, wo er von neuem verdampft, er also einen Kreisprozeß immer wieder beginnt.

      Kommpressions Kältemaschine
      Werbeprospekt der Firma Wegelin & Hübner,
      Kompressions-Kältemaschine
      Hier eine Abbildung für die Geestemünder Eiswerke (heute Bremerhavener Eiswerk)



      Kein Abriss der Eisfabrik!!!!


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