-
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Wärmeübertragung mittels
eines ventillosen Hilfssystems Zur Wärmeübertragung von wärmeabgebenden Teilen an
ein Kühlmittel werden in der Technik vielfach hermetisch geschlossene Hilfssysteme
verwendet, in denen ein Übertragungsmittel Wärme an einer Stelle höherer Temperatur
aufnimmt und sie an einer Stelle niederer Temperatur wieder abgibt. So ist es z.
B. bei periodischen Absorptionskälteapparaten bekannt, die Absorptionswärme vom
Kocherabsorber durch eine umlaufende Hilfsflüssigkeit an das Kühlmittel abzuführen.
Solche Hilfssysteme bestehen aus einem mit dem Kocherabsorber in Wärmeaustausch
stehenden wärmeaufnehmenden Teil, einem mit dem Kühlmittel des Kälteapparates, z.
B. mit der Luft oder mit Kühlwasser, in Wärmeaustausch stehenden Kühler und Umlaufsleitungen
für die Wärmeübertragungsflüssigkeit. Um den wärmeübertragenden Flüssigkeitsumlauf
während der Heizperiode zu unterbinden, wird bei solchen Anlagen ein Ventil verwendet,
das entsprechend dem Periodenwechsel geöffnet und geschlossen wird. Der Wärmeaustauscher
des Kocherabsorbers besteht bei solchen Anlagen entweder aus einer in den Kocherabsorber
eingebauten oder um ihn herumgewickelten Rohrschlange oder aus einem die Kocherabsorbera.ußenwandungen
umgebenden Behälter. Für eine Anlage der zuletzt genannten mit einem Ventil im Flüssigkeitsumlaufsystem
arbeitenden Bauart ist es schon vorgeschlagen worden, einen Teil der Wärmeübertragungsflüssigkeitwährend
der Heizperiode im Kühlmantel des Kocherabsorbers zu belassen und diese Flüssigkeit
dazu zu benutzen, die von einer äußeren Heizquelle zugeführte Wärme durch abwechselnde
Verdampfung und Kondensation auf den Kocherabsorber zu übertragen. Die obengenannten
Anordnungen haben den Nachteil, daß ein besonderes Ventil im Kreislauf der Wärmeübertragungsflüssigkeit
erforderlich ist.
-
Es ist ferner auch schon bekannt, den Kocherabsorber mit einem hermetisch
in sich geschlossenen System zum Zwecke der Fortführung der Absorptionswärme zu
versehen. Das System enthält ein verdampfbares Mittel, das während der Absorptionsperiode
durch wärmeleitende Berührung mit dem Kocherabsorber zum Verdampfen gebracht und
in einem wassergekühlten Behälter wieder niedergeschlagen wird, von wo es zum Verdampfer
zurückläuft. Das Kühlsystem besteht in diesem Falle aus einer in sich geschlossenen
Rohrleitung; ein Teil dieser Rohrleitung ist in Form eines Schwanenhalses gebogen,
und diesem Teil wird während der Heizperiode Wärme mit Hilfe einer metallischen
Wärme-
Leitbrücke zugeführt zu dem Zweck, an der Stelle des Schwanenhalses
aus der Wärmeübertragungsflüssigkeit Dämpfe zu entwickeln. Diese Dämpfe sammeln
sich im oberen Teil: ; des Schwanenhalses und verhüten so den Rücklauf der Wärmeübertragungsflüssigkeilt
_ zum Wärmeaustauscher des Kocherabsorbers. Da bei diesen bekannten Anlagen eine
offene Verbindung zwischen den Gasräumen der Verdampfungs- und Kondensationsteile
des Systems besteht und das Kondensationssystem auch während der Heizperiode gekühlt
wird, muß die gesamte im Verdampfungssystem befindliche Flüssigkeitsmenge während
der Heizperiode zur Verdampfung kommen und im Kondensator niedergeschlagen werden.
Hier treten also bei jeder Heizperiode die Verluste der Verdampfungswärme der gesamten
im @'erdampferteil enthaltenen Flüssigkeit auf.
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Wärmeübertragung
mittels eines ventillosen Hilfssystems, in dem ein Wärmeübertragungsmittel Wärme
an einer Stelle höherer Temperatur aufnimmt und sie an einer Stelle niederer Temperatur
wieder abgibt. Erfindungsgemäß werden zwecks Regelung der Wärmeübertragung in einem
das Wärmeübertragungsmittel speichernden, mit dem Hilfssvstem in ständiger offener
Verbindung stehenden Behälter Spiegelschwankungen hervorgerufen, durch die der Wärmeübertragungsvorgang
wirksam bzw. unwirksam gemacht wird; diese Spiegelschwankungen in dem Speichergefäß
für das Wärmeübertragungsmittel werden dabei durch Temperaturänderungen des Inhalts
des Speichergefäßes hervorgerufen.
-
Es ist nun nicht mehr nötig, den Teil der Kühlflüssigkeit, der in
wärmeleitender Verbindung mit dem wärmeabgebenden Teil (z. B. dem Kocherabsorber)
steht, vollständig zu verdampfen. Die große in dem Speichergefäß enthaltene Flüssigkeitsmenge
sichert die erforderlichen Längen von Flüssigkeitssäulen, so daß die Unsicherheit
einer Gasblasenverschiebung in einem Schwanenhals vermieden wird. Man kann schließlich
die Temperaturschwankungen im Behälter leicht durch Abwärme erzeugen lassen, so
daß man keine direkte Wärmezufuhr von einer äußeren Heizquelle benötigt. Bei Anwendung
der Erfindung zur Kühlung des Kocherabsorbers periodischer Absorptionskälteapparate
wird nur ein geringer Teil des flüssigen Hilfsmittels im Hilfssystem während der
Kocherperiode verdampft, und dieser Dampf wird dazu benutzt, die Hilfsflüssigkeit
aus dem Wärmeaustauscher des Kocherabsorbers wegzudrücken.
-
Bei der Durchbildung der Erfindung wird man zweckmäßig eine solche
Flüssigkeit als Wärmeübertragungsmittel und einen solchen Druck im Wärmeübertragungssystem
an-,..wenden, daß das Wärmeübertragungsmittel #>i.- der Austreibungstemperatur verdampft,
:;@e'der Absorptionstemperatur aber flüssig @@blibt. Man kann dann die Anordnung
so #'.durchbilden, daß das Wärmeübertragungsrnittel zu Beginn der Austreibungsperiode
durch eigenen Dampfdruck aus dein Wärmeaustauscher des Kocherabsorbers verdrängt
wird. Der mit dem Kocherabsorber wärmeleitend verbundene Teil des Umlaufsystems
und die daran angeschlossene Umlaufsleitung werden vorzugsweise so angeordnet, daß
sich in diesen Teilen zu Beginn der Austreibungsperiode ein oben geschlossener Dampfsack
bilden kann. Besondere Hähne oder Ventile sind also bei der Erfindung zur Unterbrechung
des Flüssigkeitsumlaufs nicht erforderlich.
-
Weitere wesentliche Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der eine Reihe von Ausführungsbeispielen der Erfindung behandelt
sind.
-
In Fig. i ist schematisch ein periodischer Absorptionskälteapparat
dargestellt, bei dem feste Absorptionsstoffe verwendet werden, die mit dem Kältemittel
eine chemische Verbindung bilden. i ist der Kocherabsorber, der von innen her durch
ein Heizrohr 2 beheizt werden kann. Zur Übertragung der Heizwärme vom Heizrohr z
auf den Kocherabsorbermantel dient ein Wellblecheinsatz 2?. Der ganze Kocher ist
in einen Kühlmantel 3 eingebaut. Vom Kocherabsorber führt eine Kältemittelleitung
q. zum Kondensator 5. Das Kältemittelkondensat fließt von dort durch eine Leitung
7 in einen Vorratsbehälter 8, der vom Kühlraum isoliert angeordnet ist. An den Vorratsbehälter
8 ist die Verdampferschlange io durch die Rohrleitungen 9 und i i angeschlossen.
Der untere Teil der Verdampferschlange io steht mit einer Fülleitung 12 in Verbindung.
Die Verdampferschlange io befindet sich in einem Kältespeicher i9, der vorzugsweise
mit einer unter o° C, aber oberhalb -io° C gefrierenden Flüssigkeit gefüllt ist.
Als Speichermittel kommt beispielsweise Glycerinwasserlösung mit oder ohne Beimischung
von Alkohol in Frage. Im Kältespeicher i9 befindet sich eine Öffnung zur Einführung
der Eisschublade.
-
Der Kondensator 5 ist in einen Behälter 6 eingebaut, der zweckmäßig
mit einem zwischen q.0° und 6o° C schmelzenden festen Material gefüllt ist. Dieses
Material dient zum Aufspeichern der Abwärme des Kälteapparates. Man kann als Speichermittel
beispielsweise Natrium-Phosphat mit Kristallwasser oder irgendein anderes Produkt
mit hoher Schmelzwärme und einem passenden Schmelzpunkt von etwa 4.o° bis 6o° C
wählen.
Der Behälter 6 umgibt einen Flüssigkeitsbehälter 16, der
mit dem Kühlmantel 3 des Kocherabsorbers durch Flüssigkeitsumlaufleitungen 14 und
15, verbunden ist. Die aus den Behältern 6 und 16 bestehende Kühleinrichtung ist
in einen diese umfassenden Behälter 13 eingebaut, in dessen oberen Teil ein Ring
i; aus porösem Ton eingesetzt ist, der so angeordnet ist, daß er die Fortsetzung
des Behälters 13 bildet. Dieser Tonring ist mit einem Kupferblech 18 bekleidet.
An den Behälter 13 ist ferner ein Wasserhahn 2o angeschlossen.
-
Während der Absorptionsperiode wird die Absorptionswärme vom Kocherabsorber
i mit Hilfe des Umlaufsystems 3, 15, 16, 14 an den Kühler 16 und von
dort weiter an die Luft abgeführt. Die Wärmeabfuhr vom Kocherabsorber kommt dadurch
zustande, daß das während der Absorptionsperiode flüssige Wärmeübertragungsmittel,
welches im Kühler 16 abgekühlt wird, durch die Leitung 14 dem unteren Teil des Kocherkühlmantels
3 zuströmt und daß :die durch die Wärmeberührung mit der Kocherkühlfläche erwärmte
Flüssigkeit im Kühlmantel 3 nach oben steigt und durch die zunächst abwärts geführte
Leitung 15 dem oberen Teil des Kühlers 16 zuströmt.
-
Wenn der Kälteapparat durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte
Wärmequelle in Gang gesetzt wird, erwärmt sich der Kocherabsorber i. Gleichzeitig
damit wird auch das in dem Kühlmantel 3 befindliche Wasser, welches denselben zunächst
noch vollkommen ausfüllt, erwärmt. Sobald die Temperatur über 10o° C steigt, entsteht
in dem Kühlmantel 3 ein geringer Dampfdruck, welcher das darin befindliche Wasser
durch das-Rohr .14 in den Behälter i 6 drückt. Das Rohr i 5 mündet derart in den
oberen Teil des Kühlmantels, daß schon bei Beginn der Kochperiode die Zirkulation
der im System 3, 14, 15, 16 befindlichen Hilfsflüssigkeit infolge
der Dampfentwicklung unterbrochen wird.
-
Der Kühlmantel 3, welcher den Kocherabsorber umgibt, bildet zusammen
mit dem inneren Heizrohr 2 und den beiden Abschlußdeckeln einen oben geschlossenen
Behälter. Wenn nun zu Beginn der Heizperiode eine Dampfentwicklung im Kocherabsorberkühlmantel
3 erfolgt, so sammelt sich der Dampf im oberen Teil des Kühlmantels und drückt,
da er nach oben hin keinen Ausweg findet, die Kühlflüssigkeit im Mantel 3 so weit
nach unten, daß diese Flüssigkeit nicht mehr durch das Rohr 15 zum Kühler gelangen
kann, da der Flüssigkeitsspiegel im Kühlmantel 3 infolge der Dampfentwicklung bis
unter die Mündungsstelle des Rohres 15 im Kühlmantel 3 abgesenkt und dadurch diese
Mündungsstelle der Einwirkung des Dampfes ausgesetzt wird. Der Flüssigkeitsumlauf
ist also durch die infolge der Dampfentwicklung verursachte Schwankung des Flüssigkeitsspiegels
unterbrochen. Da die Dampfentwicklung in der Flüssigkeit infolge der Beheizung sehr
stark ist, wird die Hilfsflüssigkeit größtenteils aus dem Kühlmantel 3 herausgedrückt.
Hierbei steht durch die am unteren Teil des Kühlmantels angeschlossene Leitung 14
ein Ausweg nach dem Behälter 16 offen.
-
Wenn der größte Teil des Wassers aus dem Kühlmantel 3 in das Gefäß
16 gedrückt ist, stellt sich ein Gleichgewichtszustand heraus, da jetzt die gegen
die Außenluft verhältnismäßig schlecht isolierten Wände des Kühlmantels dieselbe
Wärmemenge abführen, welche das Wasser mit seiner nunmehr verminderten Berührungsfläche
von dem Heizrohr 2 aufnimmt. Der Druck im Kühlmantel kann also nicht weiter ansteigen.
-
Das Volumen des Wassers im Kühlmantel 3 ist klein im Verhältnis zum
Volumen des Behälters 16, so daß durch Entfernen der Flüssigkeit aus dein Kühlmantel
keine bedeutende Flüssigkeitsstandsänderung im Gefäß 16 stattfindet. Der Apparat
ist auch gegen Gefahren infolge übermäßiger Heizung gesichert. Wenn nämlich der
Dampfüberdruck im Kühlmantel 3 infolge eines Fehlers den Gegendruck der Flüssigkeitssäule
überwindet, die zwischen dem Flüssigkeitsspiegel der im Kühlmantel 3 zurückgebliebenen
Flüssigkeit und dem Flüssigkeitsspiegel im Gefäß 16 steht, tritt Dampf durch das
Rohr 15 in den Behälter 16 hinaus, so daß nun der Druck im Kühlmantel 3 fällt und
infolgedessen die Flüssigkeit durch das Rohr 14 wieder in den Kühlmantel zurückströmt.
Der Flüssigkeitsspiegel im Kühlmantel steigt also wieder, und durch die so vergrößerte
Heizfläche entsteht eine starke Verdampfung, so daß sich auch in diesem Falle ein
Gleichgewichtszustand einstellt.
-
Sobald die Heizperiode beendet ist, welche bei elektrischer Beheizung
zweckmäßig durch eine Schaltuhr, bei Benzinbeheiz.ung beispielsweise durch die Größe
des Brennstoffbehälters bestimmt ist, fällt der Dampfüberdruck im Kühlmantel 3 schnell
unter Atmosphärendruck, so daß dieser sich mit Flüssigkeit füllt. Diese Flüssigkeit
wird erwärmt und zirkuliert durch die Rohre 14 und 15 zwischen dem Kühlmantel 3
und dem Behälter 16.
-
Durch die Flüssigkeitszirkulation während der Absorptionsperiode wird
der Kochera:bsorber i sowohl von außen als auch von innen gekühlt. Die Absorptionswärme
wird durch die Flüssigkeitszirkulation zu dem Behälter 16 geführt. Dieser Behälter
gibt teilweise seine Wärme direkt unter Vermittlung der mit der Außenluft in Verbindung
stehenden
Wandungen an die Luft und indirekt an das im Behälter
13 befindliche Wasser ab. Die Wärme, welche das Wasser im Behäler 13 aufgenommen
hat, wird zum Teil von' den W andungen des Behälters an die umgebende Luft abgeführt.
Ein weiterer Teil wird dadurch abgegeben, daß der Tonzylinder i; Wasser aufsaugt,
welches an der ihn umgebenden Luft verdunstet. Die Verdunstungswärme kühlt den Tonzylinder
17, welcher diesen Kühleffekt durch die innere Kupferumkleidung an das Wasser
im Behälter 13 überträgt.
-
Das im Behälter 13 befindliche erwärmte Wasser kann mit Hilfe
des Wasserhahnes 2o nach Bedarf für Haushaltszwecke entnommen werden. Es wird wieder
durch kaltes Wasser ersetzt, das en.weder durch Einschütten von Hand oder durch
Verwendung einer automatisch wirkenden Schwimmersteuerung nachgefüllt wird.
-
Die Kondensationswärme wird durch die im Behälter 6 befindliche Salzmasse
aufgenommen, welche teils durch die Flüssigkeit im Behälter 13 und 16 und teils
durch die von Luft umspülten Wandungen des Behälters 6 an die umgebende Luft abgeführt
wird. Die Oberfläche des Behälters 6, welche direkt mit Luft in Verbindung steht,
ist so bemessen, daß sie allein zur Abführung der Kondensationswärme genügt für
.den Fall, daß aus irgendeinem Grunde die Behälter 13 und 16 leer sein würden. Es
kann also keine gefährliche Drucksteigerung imKondensator 5 auftreten: Ferner sind
die wärmeabgebenden Teile des Behälters 13 derart bemessen, daß sie auch ohne Aufnahme
von Warmwasser und entsprechende Zuführung von kaltem Wasser zur Abführung der aufgenommenen
Wärme ausreichen.
-
Durch Kühlung des Kocherabsorbers i wird dieser wieder absorptionsfähig,
und das in dem wärmeisolierten Vorratsbehälter 8 befindliche flüssige Ammoniak wird
verdampft. Die hierfür nötige Verdampfungswärme wird von der Verdampfungsschlange
io teils der hierbei frierenden Glyzerinlösung, teils den Wänden des Behälters für
die Eisfabrikation entzogen. Die gefrorene Glyzerinlösung entzieht durch die Wände
des Behälters ig die Wärme einem in der Zeichnung nicht dargestellten Kühlraum und
hält dessen Temperatur konstant, da die Wärmekapazität des Schmelzspeichers so groß
bemessen ist, daß die gefrorene Glyzerinlösung während der Heizperiode nicht vollkommen
schmilzt.
-
Die Zusammensetzung der Glyzerinwasserlösung wird zweckmäßig so gewählt,
daß die Lösung bei einer Temperatur von - 5° bis - io° C schmilzt. Hierdurch ist
es möglich, auch während der Heizperiode im Kühlschrank noch Eiswürfel herzustellen.
Das Volumen der Verdampfungsschlange io ist so gering gemacht, daß kein nennenswerter
Kälteverlust durch kondensierende Dämpfe eintritt, selbst wenn der Vorratsbehälter
8 und die Verdampfungsschlange io bei Anfang der Heizperiode völlig leer wären.
-
Da es vorkommt, daß bei der Füllung des Kochers Ammoniak teilweise
verlorengeht, ferner daß Luft oder Feuchtigkeit in den Kocherabsorber eindringt,
so ist es notwendig, vor dem gasdichten Abschließen des Apparates diesen zu reinigen.
Zu diesem Zweck wird der größte Teil des Ammoniaks bei möglichst hoher Temperatur,
z. B. 25o° C, wieder ausgekocht. Hierfür wird ein Behälter verwendet, der an die
Leitung 12 angeschlossen wird. Nachdem so der Apparat von Wasser und Luft befreit
ist, wird frisches Ammoniak eingeleitet, bis die Absorptionsmasse bei normaler Temperatur
einen Ammoniakdampfdruck hat, welcher etwas höher ist als die Luft. Dann wird das
Rohr 12 verschlossen.
-
Ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem zwei periodische Absorptionsapparate
ihre Abwärme an einen gemeinsamen Warmwasserspeicher abführen, ist in Fig. 2 dargestellt.
Wenn dieser Apparat außer Tätigkeit ist, so sind die Kühlmäntel 3a und 3b mit einer
Flüssigkeit halb gefüllt. Zur Beheizung der Kocherabsorber dienen indirekte Wärmeübertragungssysteme.
Diese bestehen aus Verdampfern 30a bzw. 30b und Kondensatoren 911 bzw. 2b, die in
das Kocherinnere eingebaut sind. Diese Anlage wird so betrieben, daß abwechselnd
der Kocherabsorber des einen und der Kocherabsorber des anderen Absorptionsapparates
beheizt werden. Wenn beispielsweise der Kocherabsorber ja beheizt wird, so wird
die Flüssigkeit im Kühlmantel 3a so weit erwärmt, daß sie durch den aus ihr entwickelten
Dampf aus dem Kühlmantel 3a herausgedrückt wird und in das Kühlsystem des Kochers
1b gelangt. Durch diese Absenkung des Flüssigkeitsspiegels im Kühlmantel 3a wird
also die Flüssigkeit im Kühlmantel 3b hochgedrückt, so daß die gesamte wärmeabgebende
Oberfläche des Kochers ib von der Kühlflüssigkeit bespült ist. Infolge der Aufnahme
der Absorptionswärme entwickeln sich aus der im Kühlmantel 3b befindlichen Kühlflüssigkeit
Dämpfe, die durch die oben angeschlossene Umlaufleitung in den Kondensator 16b gelangen.
Dort werden die Dämpfe unter Vermittlung der im Behälter 13 befindlichen Flüssigkeit
kondensiert. Das Kondensat fließt dem unteren Teil des Kühlmantels 3b wieder zu.
Wenn die Heizung umgesteuert wird, so daß nun der Kocherabsorber ib beheizt wird,
findet die umgekehrte Strömung des Wärmeübertragungsmittels
statt,
d. h.- die - Kühlflüssigkeit wird nun aus dem Behälter 3b in den Behälter 3a gedrückt,
so daß jetzt in diesem Behälter die wärmeabgebenden Oberflächen des Kocherabsorbers
ia von der Kühlflüssigkeit bedeckt sind und hier die Wärmeabgabe durch abwechselndes
Verdampfen der Kühlflüssigkeit im Behälter 3a und Kondensieren im Kondensator i6a
erfolgt. Bei dieser Anordnung bilden also die Behälter 3a und 3b die zur Regelung
der Wärmeübertragung gemäß der Erfindung dienenden Speicherbehälter. Durch das Absenken
des Flüssigkeitsspiegels infolge der Dampfentwicklung in der jeweiligen Heizperiode
wird die Kühlung der Kocherabsorberoberflächen unterbunden, und umgekehrt wird durch
das Steigen des Flüssigkeitsspiegels während der Absorptionsperiode die Abfuhr der
Absorptionswärme mit Hilfe der Übertragungsflüssigkeit in Gang gesetzt.
-
Bei den bisher beschriebenen Beispielen wird das Kühlmittel, welches
die Absorptionswärme vom Kocherabsorber zum Wärmespeicher weiterleitet, durch selbsttätige
Zirkulation im Umlauf gehalten. Man kann die Anordnung auch so durchbilden, daß
die Kühlmittelströmung auf künstlichem Wege herbeigeführt wird. So kann man beispielsweise
ein Pulsometer, eine Thermostatenpumpe oder sonstige thermisch wirkende Pumpen verwenden.
Man kann dabei diese Pumpen mit einer besonderen Heizquelle ausrüsten. Die Pumpen
können auch so angeordnet werden, daß sie mit der Abwärme des Absorptionsapparates,
beispielsweise mit der Absorptionswärme, betrieben werden.
-
Bei den vorbeschriebenen Absorptionskälteapparaten wird zur Regelung
der Heiz-und Kühlperiode eine automatische Zeit- und Schaltuhr verwendet. Um auch
bei wechselnden äußeren Bedingungen eine möglichst gleichmäßige Kühlschranktemperatur
zu erzielen, kann man beispielsweise bei Verwendung nur eines Kocherabsorbers das
Heizrohr je nach dem gewünschten Kühleffekt mehr oder weniger beheizen. Bei Verwendung
von elektrischer Heizung kann man durch entsprechende Unterteilung des Heizkörpers
einen größeren oder kleineren Teil beheizen. Wenn bei einem Apparat gleichzeitig
zwei Kocherabsorber verwendet werden, kann man z. B. einen halben Kocher, einen
Kocher oder zwei Kocher beheizen.