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Kältemaschine [1]

[257] Kältemaschine. Aufgabe der Kältemaschine ist die Erniedrigung oder Erhaltung der Temperatur gegebener Körper bis zu (bezw. auf) tieferen Wärmegraden, als sie in der Umgebung sich finden. Der Arbeitsvorgang besteht darin, daß die Wärme, welche hierzu den abzukühlenden Körpern entzogen werden muß, von einem vermittelnden Körper als dem »Kälteträger« bei der tiefen Temperatur aufgenommen und durch Aufwendung mechanischer Arbeit auf eine solche Temperaturhöhe gebracht wird, daß sie durch Leitung und Strahlung an geeignete Körper der Umgebung (an Kühlwasser oder an die Atmosphäre) abgeladen werden kann. So bewegt sich der Kälteträger abwechselnd auf- und abwärts zwischen jenen Temperaturhöhen, unten sich mit Wärme beladend, welche unter entsprechendem Arbeitsaufwand bis zum Abflußniveau gehoben wird. – Als Kälteträger wird entweder atmosphärische Luft oder eine Flüssigkeit verwendet, welche abwechselnd verdampft und sich wieder verdichtet. Das Herabsteigen zur Temperatur des abzukühlenden Körpers vollzieht der Kälteträger stets dadurch, daß bei Ausdehnung seines Volumens Arbeit geleistet wird, und zwar entweder vorwiegend »äußere« mechanische Arbeit (bei atmosphärischer Luft) oder vorwiegend »innere« Arbeit (bei verdampfenden Flüssigkeiten). Das Aequivalent dieser Arbeit wird dem Kälteträger als Wärme entzogen und dadurch seine Temperatur so erniedrigt, daß durch Leitung Wärme von dem abzukühlenden Körper an ihn übergehen kann. Die Rückkehr zur oberen (Kühlwasser-) Temperatur erfolgt durch eine Verminderung des Volumens, wobei wiederum das Aequivalent der gesamten aufgewendeten (äußeren und inneren) Arbeit als Wärme frei wird.

Man unterscheidet dem obigen zufolge Kaltdampf- und Kaltluftmaschinen. Bei den ersteren kann die Verdichtung entweder durch unmittelbare Kompression auf den der Kühlwassertemperatur entsprechenden Sättigungsdruck (Kompressionskaltdampfmaschinen) oder dadurch geschehen, daß die Dämpfe zuerst durch eine zweite Flüssigkeit absorbiert und dann unter Wärmezufuhr abdestilliert werden (Absorptionsmaschinen).

Leistungsverhältnis der Kältemaschine. Der »vollkommene« Arbeitsvorgang.

Die Ermittlung des Verhältnisses zwischen der (dem abzukühlenden Körper) entzogenen Wärmemenge Q₁ und dem Aequivalent (A L) der aufgewendeten mechanischen Arbeit, welches wir das Leistungsverhältnis der Kälteerzeugung nennen, bildet die Grundlage für die Berechnung und Beurteilung der Kältemaschine und läßt sich aus den Sätzen der Thermodynamik mit voller Bestimmtheit ableiten. Zu beantworten sind die Fragen:

1. nach dem höchsten erreichbaren Leistungsverhältnisse;

2. nach dem hierzu erforderlichen (»vollkommenen«) Arbeitsvorgang;

3. nach dem in den verschiedenen ausgeführten Kältemaschinen tatsächlich erreichten Teile (»Wirkungsgrad«) der vollkommenen Leistung.

Da die Arbeitsvorgänge in der Kältemaschine beliebig oft müssen wiederholt werden können, so hat man es stets mit geschlossenen Kreisprozessen zu tun. Neben der rechnerischen Untersuchung derselben erweist sich ihre graphische Verfolgung in »Wärmediagrammen« (Fig. 1) besonders nützlich, in welchen die absoluten Temperaturen (T) als Ordinaten und die Werte der Entropie (s.d.) (Q : T) als Abszissen aufgetragen werden. Wird in diesen Diagrammen je ein Flächenelement durch zwei Adiabaten (mit unendlich kleiner Abszissenverschiebung) und durch zwei isothermische Kurvenelemente (mit den Temperaturen T₁ und T₂) begrenzt, so gelten für dasselbe die beiden Hauptgleichungen:

A d L = d Q₂ – d Q₁

1.

und

d Q₂ : T₂ = d O₁ : T₁

2.

woraus

d Q₁ : A d L = T₁ : (T₂ – T₁).

3.

Diese letzte Gleichung spricht aus: Zur Erreichung des höchsten Leistungsverhältnisses muß der Arbeitsvorgang so ausgeführt werden, daß in keinem Teile desselben der Kälteträger zur Aufnahme der Wärme (von dem abzukühlenden Körper) auf tiefere Temperaturen oder zur Wärmeabgabe (an das Kühlwasser) auf höhere Temperaturen gebracht werde, als sie durch die Aufgabe bedingt sind, welche die Kältemaschine zu erfüllen hat (s. [7], S. 360),

Die meisten, tatsächlich an die Kältemaschine gestellten Aufgaben bedingen nun hinsichtlich dieser Temperaturen: entweder daß dieselben während der Aufnahme oder Abgabe der Wärme konstant sind oder daß sie sich hierbei in einer der aufgenommenen oder abgegebenen Wärmemenge proportionalen Weise ändern (»polytropische« Zustandsänderung), so daß Q = c Δ T (s. [5], S. 322). Aus diesen beiden Fällen ergeben sich die folgenden vier Kombinationen:

1. Isothermische Wärmeaufnahme und isothermische Wärmeabgabe,

2. Isothermische Wärmeaufnahme und polytropische Wärmeabgabe,

3. Polytropische Wärmeaufnahme und isothermische Wärmeabgabe,

4. Polytropische Wärmeaufnahme und polytropische Wärmeabgabe.

Im ersten Falle findet man aus Gleichung 3. das höchste Leistungsverhältnis

Q₁ : A L = T₁ : (T₂ – T₁).

1.

[257] Der vollkommene Arbeitsvorgang ist dann ein Carnotscher Kreisprozeß; die zum Heben der Entropie erforderliche Arbeit ist der Hubhöhe T₂ – T₁ proportional, das Wärmediagramm ist ein Rechteck.

Im zweiten Falle ist die abgegebene Wärmemenge: Q₂ = c_k : (T₂' – T₂) und deren Entropie (s. Fig. 2)

so daß:

A L = Q₂ – Q₁ = c_k (T₂¹ – T₂) – c_k T₁¹ logn T₂¹/T₂.

5.

Im dritten Falle wird durch den Kälteträger aufgenommen die Wärme Q₁ = c_w (T₁ – T₁¹) und die entsprechende Entropie (s. Fig. 3) ist:

woraus:

A L = Q₂ – Q₁ = c_w T₂ logn T₁/T₁¹ – c_w (T₁ – T₁¹).

7.

Im vierten Falle (s. Fig. 4) ist:

A L = Q₂ – Q₁ = c_k (T₂¹ – T₂) – c_w (T₂¹ – T₁¹),

8.

wobei die vier Temperaturen zueinander in dem Verhältnis stehen:

c_k log n T₂¹/T₂ = c_w log n T₁/T₁¹

9.

Gewöhnlich wird Gleichung I als allgemeiner Ausdruck für das höchste Leistungsverhältnis hingestellt. An einzelnen Stellen ist die Bezeichnung des doppelt polytropischen Kreisprozesses als des vollkommenen vertreten worden ([19], S. 47). Wenn auch dieser Arbeitsvorgang die unter 1–3 betrachteten als Spezialfälle einschließt, so kommt ihm doch nicht die Eigenschaft der Allgemeingültigkeit zu, da er durchaus nicht alle tatsächlichen und wichtigen Fälle umfaßt, wie z.B. die Abkühlung von Flüssigkeiten, aus welchen sich feste Bestandteile ausscheiden, oder die Wärmeabgabe an die Atmosphäre durch Vermittlung verdunstenden Wassers. Allgemein gültig bleibt also für den vollkommenen Arbeitsprozeß nur der oben aus Gleichung 3. entwickelte Grundsatz. Da übrigens die Temperaturdifferenzen T₂¹ – T₂ und T₁ – T₁¹ stets klein sind gegenüber den absoluten Temperaturwerten, so weichen die polytropischen Kurven sehr wenig von geraden Linien ab, so daß ohne nennenswerten Fehler an ihre Stelle isothermische Linien gesetzt werden können mit dem arithmetischen Mittel aus den beiden Endtemperaturen. So kann für jeden (einfach oder doppelt) polytropischen Prozeß ein Carnotscher substituiert werden. Der Einfachheit und Uebersichtlichkeit wegen empfiehlt sich deshalb stets die Beziehung der wirklichen Arbeitsvorgänge auf einen Carnotschen als den »vollkommenen«.

Die geschichtliche Entwicklung der Kälteerzeugung geht aus von den physikalischen und chemischen Laboratorien. Als nach Erfindung der Luftpumpe zum erstenmal unter ihrer Einwirkung Wasser zum Gefrieren gebracht wurde, war die erste Kompressionskaltdampfmaschine hergestellt, welche aber wegen des enormen Volumens der Wasserdämpfe (bei 0° 210 cbm pro Kilogramm) und der daraus resultierenden Zylinderdimensionen ohne die praktische Bedeutung blieb, welche die (1834 von Perkins durchgeführte) Benutzung eines flüchtigeren Kälteträgers ergab. Wie aber anfänglich der Dampfmaschinenbau nicht an Spannungen sich heranwagte, welche über die atmosphärische erheblich hinausgingen, so haben Perkins und seine Nachfolger (Shaw, Harrison, Lawrence und Siebe) noch einen Kälteträger (Aethyläther) benutzt, bei welchem der Kreisprozeß im wesentlichen unterhalb des atmosphärischen Druckes verläuft. 1870 wurde [5] zuerst aus den Grundlehren der Thermodynamik in oben dargelegter Weise nachgewiesen, von welchen Bedingungen das Leistungsverhältnis der Kältemaschine abhängig sei und daß die Anwendung von flüchtigeren Kälteträgern in Kompressionsmaschinen den überhaupt erreichbaren Leistungen sich möglichst zu nähern gestattet. Die erste Maschine mit Methyläther (1871) baute Tellier, mit schwefliger Säure (1874) Pictet, mit Ammoniak (1874) und Kohlensäure (1881) Linde.

Aus jenem ersten Experimente mit der Luftpumpe aber ging, nachdem (1777) die absorbierende Wirkung der Schwefelsäure entdeckt war, auch die erste Absorptionsmaschine hervor, indem (1810) Leslie die im Vakuum entwickelten Wasserdämpfe durch dieses Mittel zu verdichten suchte. Erst auf der Pariser Ausstellung 1867 trat jedoch die Schwefelsäureabsorptionsmaschine in einer (von F. Carré ihr gegebenen) allgemein brauchbaren Form auf. Während sich aber dieses Arbeitsprinzip nur in den kleinen Carréschen Handapparaten (s. unten) erhalten hat und die Versuche zu dessen Uebertragung auf großen Maßstab (in Windhausens »Vakuummaschine«) gescheitert sind, war die Benutzung der absorbierenden Wirkung von Wasser auf Ammoniak durch E. Carré (seit 1857) zu einer hohen Vollkommenheit gebracht worden, so daß in seinen Ammoniakabsorptionsmaschinen [2] die Kältemaschinen zum erstenmal eine allgemeine Bedeutung in der Industrie erlangten und nach weiteren Vervollkommnungen (insbesondere durch Reece sowie durch Koch und Habermann) so lange behaupteten, bis die neueren Kompressionskaltdampfmaschinen ihre höhere Leistungsfähigkeit erwiesen hatten.

Das Arbeitsprinzip der Kaltluftmaschinen ist zuerst durch John Herschel (1834)[258] erläutert und durch Gorrie (1845) angewendet worden. Die erste industriell verwertbare Kaltluftmaschine konstruierte jedoch 1862 Kirk. Ab 1869 wurden von Windhausen und ab 1873 von Giffard Kaltluftmaschinen ohne nachhaltigen Erfolg gebaut. Erst die von Bell-Coleman für den Transport von gefrorenem Fleisch nach England hergestellten Maschinen erwiesen sich als vollkommen betriebstüchtig und wurden von Haslam, Hall und Lightfoot weiter entwickelt. Infolge ihres niedrigen Wirkungsgrades (s. unten) haben sie indessen gegenüber den Kaltdampfmaschinen sich nicht zu behaupten vermocht und werden nur noch ausnahmsweise gebaut.

Kompressionskaltdampfmaschinen.

Der Arbeitsvorgang dieser Maschinen ist folgender: In einem Röhrensysteme V (dem »Verdampfer«, Fig. 5) wird eine flüchtige Flüssigkeit [Ammoniak (NH₃), Kohlensäure (CO₂), schweflige Säure (SO₂) oder Chlormethyl (CH₃Cl)] verdampft bei der Temperatur T₁ und dem ihr angehörenden Sättigungsdrucke p₁ unter Aufnahme der latenten Wärme r₁ von dem umgebenden Körper. Die entstehenden Dämpfe werden durch den Kompressor C angesaugt und (adiabatisch) auf denjenigen Druck p₂ gebracht, bei welchem sie in einem zweiten Röhrenapparate K (dem Kondensator) unter Abgabe der latenten Wärme r₂ an Kühlwasser bei der entsprechenden Sättigungstemperatur t₂ sich wieder verdichten. Die so gewonnene Flüssigkeit kehrt, nachdem sie möglichst nahe auf die Zulauftemperatur des Kühlwassers abgekühlt wurde, mit der Temperatur t¹ durch ein abdrosselndes Regulierventil in den Refrigerator zurück zu erneutem Kreislauf.

Wirkungsgrad. Während der Uebergang von isothermischer Wärmeaufnahme (a d, Fig. 6) zu isothermischer Wärmeabgabe (c b) adiabatisch stattfindet (d c), so erfolgt die Rückkehr von der Temperatur T₂ zu T₁ so, daß hierbei die Flüssigkeitswärme q dem Kälteträger bei abnehmender Temperatur (b a) entzogen und bei konstanter Temperatur T₁ wieder zugeführt wird. Hierin liegt eine grundsätzliche Abweichung von den Bedingungen für Erreichung des höchsten Leistungsverhältnisses, zu deren Erfüllung der Uebergang von T₂ zu T₁ ohne Zuführung oder Entziehung von Wärme, also unter adiabatischer Arbeitsabgabe, stattfinden müßte. In diesem Falle hätte man es mit dem Carnotschen Kreisprozesse zu tun und wäre das Leistungsverhältnis unabhängig von der Art des benutzten Kälteträgers: Q₁ : A L = T₁ : (T₂ – T₁). – Das Ueberströmen der Flüssigkeit durch das Drosselventil hat zur Folge: 1. die Expansionsarbeit geht verloren, und 2. deren Aequivalent wird dem Refrigerator als Wärme zugeführt.

Zur Berechnung dieser Verluste denke man sich, die vom Kondensator mit der Temperatur t¹ kommende Flüssigkeit ströme zunächst durch eine im Refrigerator liegende Rohrspirale und werde unter dem Drucke p₂ auf t₁1 abgekühlt, wobei die Wärmemenge q¹ – q₁ (für die auch weiterhin zugrunde gelegte Gewichtseinheit) an den Refrigerator abgegeben wird. Alsdann erst ströme die auf t₁ abgekühlte Flüssigkeit (mit dem spezifischen Volumen σ₁) durch das Regulierventil aus, wobei der Strahl die der Arbeit σ₁ (p₂ – p₁) entsprechende lebendige Kraft beim Uebergang zur Ruhe in Form von Wärme abgibt. (Die Wirkung muß dieselbe sein, wenn die Flüssigkeit mit der Temperatur t¹ das Regulierventil erreicht, weil in beiden Fällen nach außen keinerlei Austausch von Energie stattfindet.)

Saugt der Kompressor aus dem Refrigerator die Flüssigkeit mit der spezifischen Dampfmenge x₁ an, zu deren Bildung die Verdampfungswärme r₁x₁ erforderlich war, so ist von dieser Wärme somit der Teil q¹ – q₁ + A σ₁ (p₂ – p₁) schon beim Eintritt in den Refrigerator mitgebracht und nur die Wärme

Q_c = r₁x₁ – [q¹ – q₁ + A σ₁ (p₂ – p₁)]

10.

wird im Refrigerator aufgenommen. Während der nun folgenden (adiabatischen) Kompression erhöht sich die spezifische Dampfmenge von x₁ auf x₂ wobei bekanntlich, unter τ die Entropie der Flüssigkeitswärme verbanden,

x₂ r₂ = T₂ ( x₁ r₁/T₁ + τ₁ – τ₂),

11.

solange die Dämpfe im Sättigungszustande bleiben. Im Kondensator ist alsdann die Dampfmenge x₂ zu verflüssigen und die Flüssigkeit auf t¹ abzukühlen, wobei die Wärme Q₂ = x₂ r₂ + q₂ – q¹ an das Kühlwasser abgegeben wird. – Die Arbeit, welche im Kompressor aufzuwenden ist, findet sich nun:

A L_c = Q₂ – Q₁ = x₂ r₂ – x₁ r₁ + q₂ – q₁ + A σ₁ (p₂ – p₁)

12.

oder unter Benutzung der Gleichung 11.:

A L_c = x₂ r¹ (T₂ – T₁)/T₁ – (τ₂ – τ₁) T₂ + q₂ – q₁ + A σ₁ (p₂ – p₁).

13.

Ein Blick auf Gleichung 10. und 12. zeigt, daß das Leistungsverhältnis Q_c : A L_c nunmehr abhängt von dem Verhältnisse der Flüssigkeitswärme zur Verdampfungswärme. Ist das letztere relativ groß, so wird das erstere relativ klein ausfallen, und umgekehrt.

Hieraus ergeben sich erhebliche Unterschiede bei Anwendung verschiedener Kälteträger. Je näher die Zustandsänderungen dem »kritischen« Zustande der Flüssigkeit liegen, desto größer wird q¹ – q₁ gegenüber r₁. Die frühere Annahme aber, daß jede Kälteleistung aufhöre, wenn t¹ die kritische Temperatur erreicht (bei Kohlensäure 31° C.) hat sich als irrtümlich erwiesen, nachdem aus Versuchen des Verfassers (s. Fig. 9) sich ergeben hatte [16] und durch Untersuchungen von Mollier [17] festgestellt war, daß die früheren Berechnungen der Flüssigkeitswärme zu große Werte lieferten. In der nachstehenden Tabelle I sind für die drei wichtigeren Kälteträger[259] (nach Mollier) für verschiedene Temperaturen neben den Werten für die zugehörigen Sättigungsspannungen (p) in Kilogramm pro Quadratzentimeter und spezifischen Volumina (v) in Kubikmetern pro Kilogramm die Werte der Flüssigkeitswärme (q) und der Verdampfungswärme (r) zusammengestellt.

Sodann sind im oberen Teile der Tabelle II die aus der Formel

η_c = Q_c/A L_c (T₂ – T₁)/T₁

14.

berechneten Werte für den Wirkungsgrad gegeben, die sich zunächst aus der grundsätzlichen Abweichung von dem Carnotschen Prozesse unter der Voraussetzung ergeben, es seien die Dämpfe am Ende der Kompression gerade im Zustande reiner Sättigung (x₂ = 1), es finde also keine Ueberhitzung statt. Hierzu wäre erforderlich, daß aus dem Verdampfer ein Gemisch angesaugt würde mit derjenigen spezifischen Dampfmenge x₂ wie sie (nach Gleichung 11.) in der ersten Kolumne der Tabelle II angegeben ist. Hierdurch wird aber der schädliche Einfluß der Flüssigkeitswärme q¹ – q₁ gegenüber der Verdampfungswärme x₁ r₁ erhöht (insbesondere bei CO₂). Tatsächlich wird bei fast allen Maschinen x₁ größer gehalten und wird demgemäß mit Ueberhitzung gearbeitet. Dies hat eine Vergrößerung des Arbeitsverbrauches gegenüber dem in Gleichung 12. und 13. berechneten zur Folge, die in Fig. 6 durch die Fläche c e f dargestellt ist. Wird die spezifische Wärme c_p der überhitzten Dämpfe näherungsweise konstant angenommen, so ergibt sich nach Gleichung 5. für den (polytropischen) Prozeß c e f das Aequivalent der Arbeit c_p um welche die Arbeit L_c (Gleichung 12.) sich durch Ueberhitzung bis T₃ erhöht

A L¹ = c_p (T₃ –T₂ –T₂ logn T₃/T₂)

15.

und man erhält

η_c¹ = Q_c/(A (L_c + L¹)) (T₂ – T₁)/T₁

16.

Für Kohlensäure sind (nach Mollier) in Fig. 7 die Entropiewerte für r, q und c P in richtigem Verhältnisse eingetragen und ist die Arbeitsfläche a b e k m schraffiert, die sich für t₂ = 20°, t₁ = – 10° und x₁ = 1 ergibt; für t₂ = 30° würde die Arbeit durch Fläche a c d i m dargestellt. Die Entropie der produzierten Kälte Q_c entspricht für t¹ = 20° und x₁ = 1 der Länge n m (für x₂ = 1 ohne Ueberhitzung aber nur der Länge n g) und das darüber errichtete Rechteck zeigt je die bei Ausführung des Carnotschen Prozesses erforderliche Arbeit.

Dieselben Verhältnisse sind in Fig. 8 für NH₃ dargestellt, wobei für die Entropie der Maßstab 1 : 4 gegenüber Fig. 7 und wobei c_p = 0,67 gesetzt ist. Man erkennt aus diesen Diagrammen leicht die relativen Größen der verschiedenen Wärmemengen bei den verschiedenen Temperaturen und deren Einfluß auf die Leistungsverhältnisse. Der letztere findet sich zahlenmäßig ausgedrückt in Tabelle II, aus der ersichtlich ist: 1. daß für NH₃ und SO₂ der Effektverlust infolge des Ueberströmens nahezu von gleicher und stets mäßiger Größe ist, während er bei CO₂ beträchtlich anwächst, und 2. daß für diese Größe die Temperatur T¹ entscheidend ist, mit der die Flüssigkeit zum Regulierventil gelangt. Je höher dieselbe ist, desto größer wird der Unterschied in den Leistungsverhältnissen bei Anwendung der verschiedenen Kälteträger, so daß bei wärmerem Kühlwasser die Anwendung der Kohlensäure von vornherein einen hohen Wirkungsgrad der Kältemaschine ausschließt.[260]

In Fig. 9 sind die Leistungsverhältnisse dargestellt, wie sie aus Versuchen [16] sich ergaben, die an zwei Kältemaschinen von gleicher Leistungsfähigkeit – die eine mit Ammoniak, die andre mit Kohlensäure arbeitend – in der Weise durchgeführt wurden, daß je in einer Versuchsreihe alle Arbeitsverhältnisse unverändert blieben mit alleiniger Ausnahme von t¹ das in einem besonderen (zwischen Kondensator und Refrigerator eingeschalteten) Kühler je auf einen bestimmten Wert eingestellt wurde. Die Kurven a b zeigen die gefundenen Leistungsverhältnisse für die Mittelwerte t₁ = – 7,5° und t₂ = 21,5°, die Kurven c d für t₁ = – 7,5° und t₂ = 34,5°. Die Vergleichung der Werte von η_c C und η_c¹ in der Tabelle II zeigt weiterhin, daß für NH₃ und SO₂ η_c größer ist als η_c¹ während für CO₂ das Umgekehrte der Fall ist, d.h. daß unter bloßer Berücksichtigung des vorgehend untersuchten Zusammenhanges zwar für CO₂ das Ansaugen trockener Dämpfe, dagegen für NH₃ und SO₂ das Ansaugen »nasser« Dämpfe (mit x₂ = 1) das höchste Leistungsverhältnis verspricht. In Wirklichkeit werden indes nicht bloß bei CO₂, sondern auch bei SO₂ stets möglichst trockene Dämpfe angesaugt. Bei NH₃ sind seither die Dämpfe meist so angesaugt worden, daß die Ueberhitzung nur eine mäßige war, indessen ist man auch hier zum Arbeiten mit »trockenen« Dämpfen übergegangen und erzielt hierdurch eine Steigerung des Leistungsverhältnisses, die (ebenso wie bei SO₂) ihre Erklärung darin findet, daß die Ueberhitzung günstig auf die Herabminderung einer Reihe von Verlusten einwirkt, die infolge der Undichtheit der inneren Bauteile, infolge des schädlichen Raumes und infolge des Wärmeaustausches mit den Zylinderwandungen im Kompressor auftreten und Abweichungen von dem oben zugrunde gelegten grundsätzlichen Arbeitsvorgänge um so mehr bedingen, als die Mischungen von Dampf und tropfbarer Flüssigkeit nicht homogen sind ([19], S. 70).

Von wesentlicher Bedeutung für den Gesamtwirkungsgrad der Kältemaschine sind die unvermeidlichen Ueberschreitungen derjenigen Temperaturen, die unmittelbar durch die gestellte Aufgabe bedingt sind. Der Uebergang der Wärme zu und von dem Kälteträger durch Vermittlung der Röhrenwandungen von gegebener Größe setzt voraus, daß der Kälteträger etwas unter die Temperatur t₁' des abzukühlenden Körpers herab- und etwas über die Temperatur t₂' des Kühlwassers hinaufsteige. Setzt man in Gleichung 10. und 13. die den Temperaturen t₁' und t₂' entsprechenden Werte ein, so erhält man diejenigen Beträge für Qc' und Lc', die bei Vermeidung der Ueberschreitungen sich ergeben. Bei normal gebauten Maschinen betragen die Ueberschreitungen (t¹₁ – t₁ und t₂ – t₂') etwa 3–5°. Setzt man t¹₁ = – 5°C. und t¹₂ = 20°, so ergibt sich also infolge der Temperaturüberschreitung eine Vergrößerung der Hubhöhe im Verhältnis von 25 zu etwa 33 und wird annähernd im umgekehrten Verhältnis das Leistungsverhältnis vermindert.

In demselben Sinne wie die beim Wärmedurchgang zu überwindenden Widerstände wirken die pneumatischen, insbesondere die Ventilwiderstände, denn der hierdurch hervorgerufenen Erweiterung der Differenz zwischen dem im Kondensator einerseits und im Refrigerator anderseits herrschenden Drucke entspricht die Erweiterung des Unterschiedes zwischen den zugehörigen Sättigungstemperaturen. Die Größe der Ventilwiderstände Δ p ist (gemäß der Näherungsformel Δ p = φ γ w²) abhängig 1. von der Geschwindigkeit w, 2. von der Dichtigkeit γ und 3. der Zähigkeit der Dämpfe, endlich 4. von der relativen Größe der Sitzflächen der Ventile. Setzt man für die verschiedenen Kälteträger Gleichheit der konstruktiven Verhältnisse (von Strömungsquerschnitt zu Kolbenfläche und von Hub zu Kolbendurchmesser) sowie der Umdrehungsgeschwindigkeiten voraus, so ergeben sich aus der Verschiedenheit der (für gleiche Kälteleistung anzusaugenden) Dampfvolumina die in Tabelle III zusammengestellten Verhältniszahlen für w² und hieraus (die Dampf dichte γ₁ auf t₁ = – 10° C. bezogen) für w²γ₁ als Maß der absoluten Druckverluste und für w²γ₁/p₁ als Maß der (hier entscheidenden) relativen Druckverluste, denen die Temperaturverluste annähernd proportional sind.

Durch die letzte Zahlenreihe wird es erklärlich, daß bei den früheren Ausführungen der SO₂-Maschinen die Druckverluste das Leistungsverhältnis stark beeinträchtigten. Durch sorgfältige Anordnung aller Bauteile im Sinne einer möglichst weitgehenden Verminderung der Druckverluste ist bei den neueren Ausführungen eine wesentliche Besserung herbeigeführt worden. Dasselbe ist relativ natürlich bei allen Kälteträgern erreichbar. Setzt man den gesamten Druckverlust auf der Saugseite für NH₂ und SO₂ gleich (was also konstruktiv günstigere Verhältnisse für SO₂[261] voraussetzt), und zwar Δ p = 0,1 Atmosphären, so folgt daraus für SO₂ (wegen p₁ = 1,04 Atmosphären) ein relativer Verlust von rund 10%, für NH₃ (wegen p₁ = 2,92 Atmosphären) ein solcher von 3¹/₂%. Die Erhöhung des Arbeitsverbrauches infolge der äußeren (Reibungs-)widerstände, die bei den Kaltluftmaschinen und bei den Schwefeläthermaschinen der großen Zylinderdimensionen wegen von hervorragendem Einflusse waren, spielen bei den neueren Kaltdampfmaschinen keine wesentliche Rolle. Ungleichheiten ergeben sich aus den physikalischen Eigenschaften der Kälteträger hinsichtlich der Reibungsarbeit der Kolben und Kolbenstangen. Die relative Größe dieser Arbeit muß abhängen 1. von dem pro Kälteeinheit anzusaugenden Dampfvolumen sowie 2. von der Art der Abdichtungsmittel. Da letztere für NH₃ und SO₂ dieselben sind, so wird unter sonst gleichen Umständen die Reibungsarbeit bei SO₂ größer ausfallen als bei NH₃. An sorgfältig gebauten Maschinen wurde der mechanische Wirkungsgrad für NH₃ zu etwa 95% gemessen. Der volumetrische Wirkungsgrad des Kompressors (und damit die Leistung der Maschine) ist abhängig einerseits von der Größe der schädlichen Räume und anderseits von der Dichtheit der inneren Organe (s. unten). Bei guter Ausführung und gutem Zustande der Maschine kann auf einen volumetrischen Wirkungsgrad von etwa 90% gerechnet werden. Ueberblickt man die Reihe und relative Größe der vorstehend erörterten Verluste, so ergibt sich, 1. daß der kalorische Wirkungsgrad (der dem grundsätzlich ausgeführten Arbeitsvorgang entspricht) für NH₃ und SO₂ ein annähernd gleich hoher ist (ca. 90%), während er für CO₂ je nach der Temperatur t' von 80% bis unter 40% herabsinkt und 2. daß infolge der Druckverluste und der Reibungswiderstände der Arbeitsverbrauch bei sonst gleichen Verhältnissen für SO₂ größer ausfallen muß als für NH₃. Ueber tatsächlich erzielte Leistungen geben u.a. Aufschluß die Ergebnisse sorgfältiger Versuche, die in der Versuchsstation des Polytechnischen Vereins in München ausgeführt wurden. In Tabelle IV sind die wichtigsten der für NH₃ gefundenen Zahlen zusammengestellt, denen eine absolute Bedeutung insofern zukommt, als sie die bisher aus Präzisionsversuchen nachgewiesenen Höchstleistungen von Kältemaschinen darstellen [26]. Neuere Präzisionsversuche mit SO₂ und CO₂ fehlen.

Konstruktion. Die Kompressionskaltdampfmaschinen zeigen in ihrer einfachsten Gestalt als »Kühlmaschinen« (zur Abkühlung von Flüssigkeiten) die in Fig. 10 dargestellte Gesamtanordnung.[262] Der Kompressor, in der Regel unmittelbar an die Antriebsdampfmaschine angekuppelt, ist durch die Saugleitung mit dem Verdampfer und durch die Druckleitung mit dem Kondensator verbunden, aus dem die Flüssigkeitsleitung und das Regulierventil den Kälteträger zum Verdampfer zurückführen. – Die Kompressoren werden in der Regel als liegende doppelt wirkende Gaspumpen mit selbsttätigen Ventilen hergestellt. Die stehende, in Amerika übliche Bauart wird in Europa nur bei kleineren Ausführungen angetroffen. Die Einzelheiten der Zylinder und ihre konstruktiven Verschiedenheiten für die verschiedenen Kälteträger sind in Fig. 11 für NH₃, in Fig. 12 für CO₂ und in Fig. 13 für SO₂ veranschaulicht. Der aus Gußeisen, bei CO₂ vielfach aus Stahlguß hergestellte Zylinderkörper wird entweder mit horizontaler oder mit zylindrischer Arbeitsfläche auf dem Grundgestell befestigt. Im ersteren Falle lind gewöhnlich die Ventile in einer horizontalen Ebene, im letzteren Falle in einer vertikalen Ebene angeordnet. Bei den mit NH₃ und SO₂ arbeitenden Maschinen befinden sich dieselben in den Deckeln mit besonderen Anschlußstutzen; bei Anwendung von Kohlensäure sind die vorderen Ventile meist direkt in den Zylinderkörper eingesetzt und werden gemeinsame Kanäle je für Saug- und Druckleitung in denselben eingegossen. Die Ventile sind fast durchweg Kegelventile und werden durch Spiralfedern gegen ihre Sitze gedrückt. Wichtig ist die Herstellung der Ventile je aus einem Stück mit ihren Spindeln und Federstützen zur Vermeidung der schädlichen Folgen von Lösungen (insbesondere bei Saugventilen), was allerdings zweiteilige Führungen und außerordentlich exakte Ausführung erfordert. Die Drahtlänge der Federn soll zur Erzielung gleichmäßigen Druckes möglichst groß und ihre Spannung so gewählt werden, daß bei geöffnetem Saugventil die oben angegebenen Druckdifferenzen nicht überschritten werden. Bei NH₃- und SO₂-Kompressoren trifft man zuweilen auch Ventile mit ebener Sitzfläche, ferner an ersteren seltener, an letzteren häufiger die Gutermuthschen selbstfedernden Klappen (Fig. 14 und 14a). Der Druckkanal der CO₂-Kompressoren wird zur Verhütung von Explosionen mit einer Sicherheitsvorrichtung versehen, bestehend aus einem Sicherheitsventil oder einem dünnen Gußeisen- oder Kupferplättchen, welches bei zu großem Drucke zertrümmert wird. Eine Ammoniakmaschine kleinster[263] Gattung zeigt Fig. 15, wobei die beiden liegenden einfach wirkenden Kompressoren auf einem den Kondensator enthaltenden Kasten aus Gußeisen montiert sind. In ähnlich gedrängter Bauart (Dampfmaschine und Kompressor auf den Kondensatorkasten montiert) werden gewöhnlich die Schiffsmaschinen ausgeführt. In Fällen, in denen zeitweise eine Verminderung der Kälteleistung wünschenswert ist, hat man die Kompressoren mit Einrichtungen, ausgerüstet, die meist nach Fig. 16 in Gefäßen bestehen, die zur Vergrößerung des schädlichen Raumes nach Bedarf an den Zylinder angeschlossen werden (D.R.P. Nr. 90011 und 113313). Die Dimensionen der Kompressionszylinder ergeben sich aus dem Volumen V derjenigen Dampfmenge, die aus dem Verdampfer angesaugt werden muß, um in der Zeiteinheit die Kältemenge Q zu gewinnen. Aus Gleichung 10. ergab sich die Kälte Q_c für die Gewichtseinheit des zirkulierenden Kälteträgers. Es muß demnach die Gewichtsmenge m des letzteren für die Zeiteinheit m = Q/Q_c sein. Nun ist das entsprechende Volumen V = m x₁ v₁, und mit Rücksicht auf den volumetrischen Wirkungsgrad η_v erhält man bei einer Tourenzahl n pro Minute (m auf die Stunde bezogen) für den doppelt wirkenden Kompressor, dessen Durchmesser D und Hub s aus: D² s n = (m x₁ v₁)/(30π η_v⁾. Hierbei wird das Hubverhältnis s/D gewöhnlich gewählt: 1,5–1,75 bei NH₃, 3–4 bei CO₂ und 2–2,2 bei SO₂. Die Stopfbüchsen fast aller Kompressoren werden nach der vom Verfasser seit 1873 eingeführten Methode dadurch abgedichtet, daß zwischen zwei Packungen mittels einer »Laterne« ein Hohlraum gebildet und (bei NH₃ und CO₂) mit einer Sperrflüssigkeit gefüllt gehalten wird, die bei vollständiger chemischer Neutralität gegen den Kälteträger nicht bloß die Aufgabe hat, den Kompressionsraum von der Atmosphäre abzuschließen, sondern auch, in den Zylinder eindringend, die schädlichen Räume auszufüllen und die Reibung der inneren Organe zu vermindern. Die Sperrkammer wird in der Regel mit der Saugleitung verbunden.

Als Material für die beiden Packungen werden verwendet: Bei NH₃ entweder Baumwollschnüre mit abschließendem Gummiring oder Metallpackungen, bei SO₂ neuerdings auf der inneren Seite Metallpackung, auf der äußeren Seite Talkumschnüre mit einem abschließenden Gummiringe, bei CO₂ Lederstulpen. Als Sperrflüssigkeit findet sich bei NH₃: besonders präpariertes Mineralöl (Kompressoröl), bei CO₂ Glyzerin. Bei SO₂ unterbleibt die Anwendung einer Sperr- und Schmierflüssigkeit wegen der chemischen Einwirkungen.

Die Kolben werden bei NH₃ und SO₂ mit gußeisernen Ringen gedichtet, bei CO₂ meist mit Lederstulpen, seltener durch Gußeisen- oder Bronzeringe, die bei starken Ueberhitzungen den Vorzug größerer Haltbarkeit besitzen. Die Kolben der mit SO₂ arbeitenden Maschinen werden (wie auch die Zylinder) mit Wasser gekühlt, welches durch eine doppelte Bohrung in der Kolbenstange zu- und abgeführt wird. Bei den Ammoniak- und Kohlensäuremaschinen ist in der Regel der eigentlichen Stopfbüchse eine Oel- bezw. Glyzerinkammer vorgebaut, in andern Fällen wird die Sperrflüssigkeit unmittelbar in die Stopfbüchsenlaterne gedrückt. Kleine Mengen davon gelangen mit der Kolbenstange in den Zylinder und von da durch die Druckventile in[264] die Druckleitung. In diese schaltet man bei Ammoniakmaschinen Oelabscheider ein (Fig. 17), die das Oel zurückhalten und gewöhnlich mittels rotierender Hähne h in die Saugleitung befördern. Die Kohlensäuremaschinen erhalten häufig Glyzerinabscheider in der Sang- oder Flüssigkeitsleitung. Die Zirkulation der Sperrflüssigkeit erhöht die Lebensdauer der der Abnutzung unterworfenen Organe – Ventile, Zylinder, Kolben –, auch übt sie erfahrungsgemäß auf das Leistungsverhältnis der Kältemaschine einen günstigen Einfluß, welcher sich erklärt durch die Ausfüllung der schädlichen Räume, aus besserer Abdichtung der Kolben und Ventile und aus Verminderung der Reibung.

Bei Verwendung ungeeigneten Oeles und bei unvollkommener Wirkung der Abscheidevorrichtungen können die Innenflächen der Verdampfer und Kondensatoren durch Ausscheidungen aus dem Oele verunreinigt und kann ihre Wärmeleitungsfähigkeit dadurch vermindert werden. Es soll deshalb nur solches Oel verwendet werden, welches bei den niedrigsten, auch nur zeitweise vorkommenden Temperaturen keinerlei Ausscheidung zeigt. Bei den amerikanischen Ausführungen wird meist eine viel ausgiebigere Zirkulation des Oeles angewendet, welcher gleichzeitig die Aufgabe zufällt, den Zylinder zu kühlen und einen völligen Flüssigkeitsabschluß für Kolben und Ventile herbeizuführen, wobei der Kompressionszylinder stehende Anordnung erhält für kleinere Maschinen einfach, für größere doppelt wirkend. In Fig. 18 ist ein derartiger einfach wirkender Zylinder (Konstruktion de la Vergue) dargestellt.

Die Kondensatoren bestehen bei SO₂ Maschinen zuweilen aus Kupferröhren, in der Regel jedoch bei allen Systemen aus schmiedeeisernen Röhren mit 30 mm Lichtweite und 4 mm Wandstärke, welche in Längen bis zu 140 m zusammengeschweißt und dann entweder spiralförmig aufgewunden oder geradlinig hin und her gebogen werden. Man vereinigt so viele derartige Rohre durch »Sammelstücke« an beiden Enden, als sie für die Uebertragung der Wärme notwendig sind. Auf 1 qm der Außenfläche pflegt man 1200–1500 W.E. pro Stunde zu rechnen, wenn es sich um »Tauchkondensatoren« handelt, und 900–1200 W.E. bei »Berieselungskondensatoren«.

Bei ersteren befinden sich die Rohrspiralen in einem (fast immer zylindrischen) Gefäße (s. Fig. 19), in welches das Kühlwasser unten eintritt und aus welchem es oben abfließt. Die Anwendung eines Rührwerkes ist nur dann zweckmäßig, wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem ein- und austretenden Wasser eine geringe (weniger als 6° C.) ist. Die Berieselungskondensatoren werden hauptsächlich bei Wassermangel angewendet oder da, wo man besonderen Wert auf leichte Zugänglichkeit des Apparates – wegen dessen Reinigung und Unterhaltung – legt. Erforderlichenfalls läßt sich die zuzuführende Wassermenge auf Ersartz des verdunsteten und verspritzten Wassers – etwa bis auf 5% der »normalen« Menge – einschränken. Bei geringen Zulaufmengen wird das Wasser durch eine Pumpe in Zirkulation gehalten, fällt gleichmäßig, verteilt auf das obere Rohrstück (Fig. 20) und rieselt über die je in eine Ebene nahe aneinander gelegten Rohre nieder, wobei an die Atmosphäre Wärme abgegeben wird, und zwar je nach deren Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnissen vorwiegend (bei hoher Lufttemperatur meist ausschließlich) durch Verdunstung, sodann durch Leitung und Strahlung. Die Aufteilung der Berieselungskondensatoren erfolgt am besten so, daß sie der freien Bewegung der Atmosphäre ausgesetzt sind, jedoch unter Abhaltung der Sonnenstrahlen im Sommer. Die leichte Zugänglichkeit der Berieselungskondensatoren erlaubt auch ihre Herstellung aus einzelnen an den Enden durch Doppelkrümmer verbundenen Rohren, eine besonders in Amerika beliebte Ausführungsform. Ueberall da, wo die flüchtige Flüssigkeit den Kondensator mit wesentlich höherer Temperatur verläßt, als sie das zulaufende Kühlwasser besitzt, wird letzteren mit Vorteil ein meist als einfacher Spiralenapparat ausgeführter Nachkühler beigefügt, um den verflüssigten Kälteträger nahe auf die Zulauftemperatur des Kühlwassers, welches zuerst den Nachkühler durchströmt, abzukühlen.

Die Konstruktion der Verdampfer unterscheidet sich, je nachdem sie der Abkühlung einer Flüssigkeit – Wasser, Salzsole – dienen oder für direkte Luftkühlung bestimmt sind. Im ersteren Falle bestehen die Verdampfer vorwiegend aus Röhren von derselben Art und[265] Zusammensetzung wie die Kondensatoren, welche je nach den Zwecken der Kältemaschine angeordnet und eingebaut werden. Abweichend hiervon führt man die Verdampfer der SO₂-Maschinen zuweilen wie stehende oder liegende Röhrenkessel mit geraden Rohren aus, oder häufiger (besonders bei Eisgeneratoren) mit vielen U-förmig gebogenen Rohren. Auch sind bei diesem Maschinensystem die Spiralen oder Rohre aus Gründen der Haltbarkeit überwiegend aus Kupfer hergestellt. – Nicht selten werden die Verdampfer unter Verwendung flacher oder zylindrisch gewickelter Spiralen auch als Berieselungsapparate gebaut und unter Ausschluß eines Zwischenkälteträgers unmittelbar zur Kühlung von Bier, Milch u.s.w. benutzt. – Der bei Ammoniakmaschinen seit Einführung des Ansaugens trockener Dämpfe gestellten Anforderung wird Rechnung getragen entweder durch die Verdampferkonstruktion selbst oder durch Einfügung besonderer Flüssigkeitsabscheider in die Saugleitung (D.R.P. Nr. 89935 und 130647) nach Fig. 21 (V Verdampfer, A Abscheider, S Saugleitung, L Leitung vom Regulierventil, F gemeinsame Leitung der abgeschiedenen und der vom Kondensator kommenden Flüssigkeit zum Verdampfer). Bei den zur Flüssigkeitskühlung dienenden Verdampfern rechnet man auf eine Uebertragung von 900–1200 W.E. pro Quadratmeter und Stunde. Zur Abkühlung der untergärigen Bierwürze vor, während und nach der Gärung (s. Bierbrauerei) werden meist große Wasserreservoire übereinander gestellt, von welchen das eine die spiralförmig aufgewundenen Verdampferrohre und ein rotierendes Rührwerk enthält (s. Fig. 22). Die erde Rolle aber spielt bei den Kältemaschinen die Kühlung von Salzwasser als dem geeignetsten Körper zur Uebertragung der Kälte von dem Verdampfer auf diejenigen Räume und Körper, deren Temperaturerniedrigung die eigentliche Aufgabe der Kälteanlage darstellt. Der Verdampfer wird dann meist (wenn nicht Eisfabrikation damit verbunden sein soll) ebenso eingebaut wie die Tauchkondensatoren (s. Fig. 19), und die Salzlösung wird gewöhnlich unten durch eine Zirkulationspumpe entnommen, durch Rohrleitungen an den Verwendungsort der Kälte geleitet und oben wiederum zugeführt. Die an das Salzwasser gebundene Kälte wird am häufigsten verwendete zur Kühlung andrer Flüssigkeiten, zur Durchführung von Kristallisationsprozessen, zur Kühlung von Räumen oder zur Eisfabrikation. Ueber die Anordnung der Verdampfer in den beiden letzten Fällen s. unten.

Das Ueberströmen des Kälteträgers vom Kondensator zum Verdampfer, bezw. die Regulierung und Verteilung der Flüssigkeitsmenge erfolgt durch die Regulierventile und Verteiler. Dieselben sind entweder Kegelventile, welche durch Spindeln und Handräder je so eingeteilt werden, daß die Druckrohre die gewünschte Temperatur zeigen, oder es werden durch rotierende Hähne bestimmte, von außen her veränderliche Flüssigkeitsmengen übergeleitet, Erforderlichenfalls, bei Verschiedenheit der inneren Widerstände werden dieselben mechanisch auf die einzelnen Verdampferrohre gleichmäßig verteilt. Häufiger ausgeführt wird die zentrale Verteilung ohne mechanische Mittel.

Absorptionsmaschinen.

Bei diesen Kälteerzeugungsmaschinen werden die Dämpfe des Kälteträgers zunächst durch eine geeignete Flüssigkeit absorbiert, sodann wird die angereicherte Flüssigkeit in einen Destillationskessel gepumpt und durch Wärmezuführung auf die Temperatur gebracht, bei welcher der Kälteträger in Dampfform unter demjenigen Drucke wieder ausscheidet, welcher im Kondensator zur Verflüssigung notwendig ist. Als Kälteträger wird NH₃, als absorbierende Flüssigkeit Wasser verwendet, mit Ausnahme der kleinen s. Carréschen Apparate (Fig. 23 zeigt eine Duvallonsche Konstruktion derselben), bei welchen durch eine Handpumpe in (Wasser enthaltenden) Glasgefäßen F Luftleere und Verbindung mit dem Absorber A hergestellt wird, in welchem sich Schwefelsäure befindet, wodurch so lange die in F sich bildenden Wasserdämpfe absorbiert werden, bis das Wasser in Eis verwandelt ist. Wenn die Schwefelsäure zu sehr verdünnt ist, so wird sie durch konzentrierte ersetzt. – Der Bau großer Vakuummaschinen, bei denen die verdünnte Schwefelsäure durch Destillation rekonzentriert werden sollte, ist daran gescheitert, daß ein dauernd widerstandsfähiges Material für die Herstellung der Destillatoren fehlte. –[266]

In Fig. 24 in das Schema der F. Carréschen Ammoniakabsorptionsmaschine dargestellt. Aus dem Refrigerator R, in welchem (pro Kilogramm NH₃) die Wärmemenge Q₁ aufgenommen wird, gelangen die Ammoniakdämpfe unter dem Drucke p₁ in den Absorber A, woselbst sie unter Abgabe der Wärme Q_α an Kühlwasser gelöst werden. Die Lösung wird mittels einer Speisepumpe P durch den Wärmeaustauscher W hindurch nach dem Destillator D gedrückt und wird (meist durch Wasserdampf von 3–4 Atmosphären) die Wärmemenge Q_d zugeführt, die nötig ist, um aus der Lösung das NH₃ in Dampfform auszuscheiden und dieselbe auf die Temperatur t_d zu bringen, die bei dem vorhandenen Lösungsverhältnisse dem zur Verflüssigung des NH₃ im Kondensator K (unter Abgabe der Wärme Q₂, an Kühlwasser) erforderlichen Drucke p₂ entspricht. Im Destillator sinkt die erschöpfte Lösung (wegen ihres zunehmenden spezifischen Gewichtes) zu Boden und kehrt durch den Wärmeaustauscher hindurch zum Absorber zurück, um neuerdings die vom Refrigerator kommenden NH₃ Dämpfe aufzunehmen. Setzt man voraus, der Wärmeaustauscher sei imstande, die Wärmemengen vollkommen auszutauschen, die das zwischen den Temperaturen t_α im Absorber und t_d im Destillator hin und her wandernde Wasser abgibt, und bezeichnet man die Summen der von den verschiedenen Apparaten mit der Atmosphäre ausgetauschten Wärmemengen mit ± Σ(V), so hat man

Q₁ + O_d + A L = Q₂ + Q a ± Σ(V)

17.

wobei Q₁ die produzierte Kälte und O_d den erforderlichen Wärmeaufwand darstellt.

Da den Absorptionsmaschinen zum Antriebe Energie nicht in Form von äußerer Arbeit, sondern von Wärme zugeführt wird, so muß zum Zwecke eines ökonomischen Vergleichs mit den Kompressionsmaschinen die Wärme W in Rechnung gestellt werden, die bei diesen Maschinen zur Gewinnung der Arbeit L verbraucht wird. Setzt man A L : W = μ. so schreibt sich Gleichung I

W : Q₁ = (T₂ – T₁) : μ T₁

Ia

woraus folgt, daß mit abnehmender Temperaturdifferenz T₂ – T₁ der Grenzwert für die aufzuwendende Wärme Null ist. – Wie steht es in dieser Hinsicht mit der Absorptionsmaschine?

Wenn die Gewichtseinheit NH₃ den Kreislauf ausführt, so ist die im Refrigerator entzogene Wärme gemäß Gleichung 11 Q₁ = r₁ x₁ – (q' – q₁) – A σ₁ (p₂ – p₁). Im Destillationskessel aber ist zuzuführen die Wärmemenge O_d, die sich zusammensetzt aus der Verdampfungswärme r₂, der speziellen Absorptionswärme a₂ und der spezifischen Wärme der von der Absorbertemperatur t_a bis zur Destillationstemperatur t_d erwärmten Ammoniakdämpfe. Setzt man O_d = r₂ + a₂ + c (t_d – t_a) und läßt man sowohl die Pumpenarbeit wie den Einfluß des mitzirkulierenden Wassers und aller sonstigen Verluste außer Betracht, so erhält man

O_d/Q₁ = r₂ + a₂ + c (t_d – t_a)/r₁ x₁ – (q' – q₁) + A σ₁ [p₂ – p₁])

18.

Denkt man sich nun auch hier die Temperaturdifferenz t₂ – t₁ bis zu Null abnehmend, so wird der Grenzwert O_d : Q₁ = (r₂ + a) : r₁. Dem Grenzwert Null bei der Kompressionsmaschine steht also hier ein Grenzwert >1 gegenüber, woraus folgt, daß jedenfalls innerhalb gewisser Temperaturgrenzen das Leistungsverhältnis der ersteren größer ist als für die Absorptionsmaschine.

Setzt man bei den in Tabelle IV für die Ammoniakkompressionsmaschine gefundenen effektiven Leistungen eine Antriebsdampfmaschine voraus, deren Wertverhältnis, μ = 0,16 ist, und berechnet aus Gleichung 18. die theoretischen Maximalleistungen der Absorptionsmaschine, so erhält man folgende Zahlen:

In Fig. 25 sind (unter der Annahme t₂ = 20°) für verschiedene Temperaturen t₁ (als Abszissen) diejenigen Verhältnisse W : Q₁, bezw. O_d : Q₁ der Wärmemengen (als Ordinaten) aufgetragen, welche für die Kompressionsmaschinen in Kurve a b aus Gleichung I a (als Minimalwerte) sowie in Kurve c d aus den Versuchen (als effektive Werte) und für die Absorptionsmaschinen in Kurve e f aus Gleichung 18. als Minimalwerte sich ergeben.

Die von Schröter, Denton u.a. ausgeführten Versuche zeigen, daß von der vorstehend berechneten Maximalleistung der Absorptionsmaschine (insbesondere wegen des mitzirkulierenden Wassers) nur ungefähr 50% wirklich erreicht werden, daß also das effektive Leistungsverhältnis[267] dieser Maschinen weit unter dem der Kompressionsmaschine bleibt, und hieraus erklärt sich zur Genüge die Tatsache, daß sie (wenigstens in Europa) kaum mehr gebaut und nur noch selten angetroffen werden.

Fig. 26 zeigt den gebräuchlichen Zusammenhang der Apparate, aus denen die Ammoniakabsorptionsmaschine zusammengesetzt ist. Der Verdampfer ist je nach dem Zwecke der Maschine gestaltet, z.B. in einen Eisgenerator E eingebaut. Die entwickelten Dämpfe durchströmen in der Regel einen Röhrenkühler K, in welchem das Gefrierwasser vorgekühlt wird, gelangen also im überhitzten Zustande in den Absorber (Aufsauger) A, bei dessen Einrichtung besonders zu beachten ist, daß die ihm zugeführte erschöpfte Lösung sich möglichst reich mit Ammoniakdampf sättige, um die zirkulierenden Wassermengen möglichst einzuschränken. Die in 1 kg Wasser lösbaren Mengen von Ammoniak (in Kilogramm) ergeben sich aus obenstehender Zusammenstellung. Hiernach ist die Temperatur und die Ausnutzung des verfügbaren Kühlwassers von wesentlichem Einflusse auf die erreichbare Konzentration. Die Vervollkommnungsbestrebungen richteten sich vorzugsweise auf diesen Punkt und suchten insbesondere zu erreichen, daß die absorbierende Flüssigkeit während der Lösung dem Kühlwasser entgegenströme (s. A in Fig. 27), damit bei vollendeter Ammoniakaufnahme die Temperatur am niedrigsten sei. Hierdurch wurde die Konzentration (welche bei den früheren Carréschen Maschinen 15–20% erreichte) nunmehr auf 30–33% gebracht. Die gesättigte Lösung wird von der Pumpe P (Fig. 26) durch das Temperaturwechselgefäß W hindurch nach dem Destillator (Aufhocker) D gedrückt, aus welchem die erschöpfte Lösung mit ca. 10% Ammoniak durch W hindurch zum Absorber zurückkehrt, nachdem sie vorher einen durch Kühlwasser bedienten weiteren Kühlapparat w passiert hat. Beim Bau des Destillators ist besondere Rücksicht darauf zu nehmen, daß die Abscheidung der erschöpften Lösung (durch Gewichtszunahme) in dem unteren Teile des Aufhockers möglichst ungehindert erfolge und daß die ausscheidenden Ammoniakdämpfe durch Rektifikation möglichst vollständig von Wasser befreit werden. Fig. 28 zeigt neben der in Fig. 27 dargestellten Konstruktion des Aufhockers eine von Koch & Habermann ausgeführte Anordnung.

Neuerdings sind Absorptionsmaschinen zur Ausführung gekommen, die durch Abdampf von ca. 100° C. betrieben werden. Ihr Anwendungsgebiet bleibt indessen um so mehr beschränkt, je mehr die ökonomische Ausnutzung des Dampfes in Kondensationsmaschinen und (insbesondere in den Brauereien) zu Heizzwecken sich verallgemeinert.

Kaltluftmaschinen.

Diese Maschinen werden heute nur noch als »offene« in beschränkter Zahl in England und fast ausschließlich in der aus Fig. 29 ersichtlichen Verbindung gebaut, in der sie dazu dienen, gegebene Gefrierräume auf einer bestimmten Temperatur (T₁) zu erhalten. Die Luft wird aus dem Raum A durch einen Kompressor C angesaugt und von dem (atmosphärischen) Drucke p₁ auf den Druck p₂ gebracht, wobei sie sich auf eine Temperatur T₂' erwärmt, welche unter der Voraussetzung adiabatischer Kompression sich ergibt aus: T₂' : T₁ = (p₂/p₁)^0,2907. Für das gewöhnlich angewendete Druckverhältnis 1 : 4,5 findet sich T₂' · T₁ = 1,548, also beispielsweise für t₁ = – 10° erhält man t₂' = 134,2°. Diese Temperatur wird alsdann bei konstantem Drucke in einem Kühler möglichst nahe auf die Kühlwassertemperatur herabgemindert, deren Mittelwert T₂ sei. Mit dem Drucke p₂ und der Temperatur T₂ tritt weiterhin die Luft in einen Expansionszylinder, wo sie nahezu auf atmosphärischen Druck expandiert. Die hierbei an den Kolben abgegebene Arbeit wird ihr als Wärme entzogen und (wiederum adiabatische Zustandsänderung vorausgesetzt) ihre Temperatur vermindert auf T₁¹ = T₂ : (p₂/p₁)^0,2907; z.B. für t₂ = 20° und p₂/p₁ = 4,5 wird t₁¹ = – 83,8°. Mit T₁' in den Kühlraum eintretend, gibt die Luft pro Gewichtseinheit die Wärmemenge c_p (T₁ – T₁') an den Raum ab, um alsdann neuerdings vom Kompressor mit der Temperatur T₁ angesaugt zu werden. In dem Zustandsdiagramm (Fig. 30) stellen dar: die Fläche a T₂' T₁ b die Kompressionsarbeit, die Fläche a T₂ T₁' b die Expansionsarbeit und die Fläche T₂ T₁' T₁ T₂' demgemäß die von außen der Maschine (ohne[268] Rücksicht auf Verluste) Zuzuführende Arbeit. Ebenso wird in dem Wärmediagramme (Fig. 31) das Aequivalent dieser Arbeit durch die Fläche T₂ T₂' T₁ T₁' dargestellt. Da der Kältemaschine in dem vorliegenden Falle die Aufgabe gestellt ist, die Raumtemperatur T₁ konstant zu erhalten und die hierbei aufgenommene Wärme bei der Temperatur T₂ wieder abzugeben, so entspricht dem vollkommenen Arbeitsvorgänge annäherungsweise die Fläche c T₁ d T₂, und es ist ohne weiteres ersichtlich, daß der Wirkungsgrad dieser Kaltluftmaschine kein günstiger sein kann, weil die geforderten Temperaturen nach unten und nach oben hin weit überschritten werden. Für die oben gegebenen Zahlenwerte findet sich die zur Entziehung der Wärme aufzuwendende Arbeit (Fläche T₂ T₂' T₁ T₁') ungefähr viermal so groß als die theoretisch notwendige Fläche (c T₁ d T₂). Wollte man zur Verbesserung des Leistungsverhältnisses eine Verminderung der Differenz T₂ – T₁ vornehmen, so würde dies zur Folge haben, daß die Luftmengen und damit die Zylinderdimensionen wegen der geringen spezifischen Wärme der Luft (ungefähr 0,31 Kai. pro Kubikmeter) allzu groß ausfallen. Noch eine Reihe andrer ungünstiger Umstände vermindern indessen weiterhin den Wirkungsgrad der Kaltluftmaschinen. Die Expansion geht in Wirklichkeit nicht adiabatisch vor sich, sondern infolge des Wärmeaustausches mit den Zylinderwandungen und infolge der Feuchtigkeitsniederschläge aus der Luft findet bei den tieferen Temperaturen eine Wärmezufuhr statt, die an Stelle der oben berechneten Temperatur T₁¹ nur eine solche V erreichen läßt (Fig. 31). Demgemäß wird nur das Wärmegewicht f T₁ (an Stelle von c T₁) in dem abzukühlenden Räume aufgenommen. Die theoretisch hierzu erforderliche Arbeit ist durch das Rechteck f T₁ d g dargestellt. Bei den ausgeführten Kaltluftmaschinen ist f T₁ : c T₁ ungefähr 0,6, und es sinkt dadurch das Leistungsverhältnis in obigem Zahlenbeispiel auf etwa 0,15 des höchsten Leistungsverhältnisses. Der Umstand sodann, daß der Kaltluftmaschine von außen die Differenz zwischen der Kompressionsarbeit und der Expansionsarbeit (Fig. 30) zuzuführen ist, hat weiterhin wesentliche Arbeitsverluste zur Folge. Die Dimensionen des Kompressors müssen mit Rücksicht auf den volumetrischen Wirkungsgrad größer sein, als sie theoretisch dem Luftquantum entsprechen, und aus demselben Grunde sind die Dimensionen des Expansionszylinders kleiner zu wählen. Während das Verhältnis der Zylindervolumina sein sollte T₁ : T', beträgt es in Wirklichkeit etwa anderthalbmal so viel. So sinkt in dem obigen Falle der Wirkungsgrad schon auf ungefähr 10%. Berücksichtigt man endlich die äußeren Widerstände, die in den beiden Zylindern und in ihren Triebwerken auftreten, so erklärt es sich, warum der Gesamtwirkungsgrad dieser Kaltluftmaschinen nicht mehr als 3–5% beträgt, wie dies die nachgehenden Versuchsergebnisse bestätigen.

Die Konstruktion der wenigen heute noch ausgeführten Kaltluftmaschinen ist gekennzeichnet durch die besonderen Anforderungen, die in ihrem wichtigsten Anwendungsgebiete, nämlich auf Schiffen, an sie gestellt werden. Meist sind auf dem den Kühler enthaltenden Kasten als dem Fundamente die Antriebsdampfmaschine, der Kompressions- und der Expansionszylinder in gedrängtester Anordnung montiert. Für die Bedienung kleiner Kühl- und Gefrierkammern werden auch stehende Maschinen mit Riemenantrieb gebaut, wie Fig. 32 eine solche (Lightfootscher Konstruktion) darstellt. Die sämtlichen Ventile (Drehschieber) sind gesteuert. Fig. 33 zeigt den Schnitt durch den Kompressionszylinder C und den Expansionszylinder E, welche beide einfach wirkend angebracht sind.

Kältemaschinen für die niedrigsten Temperaturen.

Die Temperaturen, welche bisher in Technik und Industrie von den Kältemaschinen herzustellen und zu erhalten waren, liegen mit wenigen Ausnahmen dem Gefrierpunkt des Wassers ziemlich nahe. Nur in der chemischen Industrie sind weitergehende Anforderungen aufgetreten, welche bis an und über die Grenzen desjenigen Gebietes reichen, das durch die bisher besprochenen Kältemaschinen beherrscht werden kann. Als diese Grenztemperatur ist etwa eine solche von – 50° C. zu betrachten, wobei der Sättigungsdruck von NH₃ schon weit unter dem atmosphärischen liegt, während für CO₂ die Nähe des Erstarrungspunktes (– 56° C.) dem Kreislauf[269] bei tieferen Temperaturen ein Ziel setzt. Sollen niedrigere Temperaturen erreicht werden, wie sie insbesondere zur Verflüssigung schwer koerzibler Gase notwendig sind, so muß entweder in Kaltdampfmaschinen Gebrauch gemacht werden von sehr flüchtigen Kälteträgern, wie Aethylen, Sumpfgas u.a., wobei in der Regel mehrstufige Kreisläufe einzurichten sind, oder von dem neuerdings ausgebildeten Verfahren des Verfassers, wobei ohne vorhergehende Hilfsprozesse zur Verflüssigung eines Gases ausschließlich die Abkühlung benutzt wird, welche beim Ausströmen desselben (dauernd infolge innerer Arbeitsleistung) stattfindet und welche z.B. für atmosphärische Luft nach Thomsen und Joule 0,25° C. pro Atmosphäre (bei 16° C.) beträgt. Da demnach bei einmaligem Ausströmen nur eine relativ geringe und selbst bei Anwendung sehr großer Druckdifferenzen nicht ausreichende Temperaturerniedrigung gewonnen werden kann, so werden die Wirkungen beliebig vieler Ausströmungen in der Weise vereinigt, daß jede vorhergehende zur Verkühlung des Gases vor der nachfolgenden dient.

Das durch einen Kompressor C (Fig. 34) von Druck p₁ auf den Druck p₂ und mittels eines »Kühlers« K (z.B. durch Brunnenwasser) auf die Temperatur t₁ gebrachte Gas durchläuft das innere Rohr eines Gegenstromapparates H und strömt alsdann durch die Mündung eines Drosselventils r aus, wobei es sich um einen gewissen Betrag (t₂ – t₃) abkühlt. Mit der Temperatur t₃ wird es nun in dem ringförmigen, durch die beiden Rohre des Gegenstromapparates gebildeten Zwischenraume dem komprimierten Gase entgegengeführt und überträgt auf dasselbe die erlangte Temperaturerniedrigung, so daß fortdauernd die beiden Temperaturen t₂ und t₃ sinken, bis Beharrungszustand eintritt – sei es durch eine kompensierende Wärmezufuhr von außen, sei es durch innen frei werdende Wärme (bei der Verflüssigung). Das Gas kehrt, nachdem es den Rücklauf durch den Gegenstromapparat vollendet hat, mit dem Drucke p₁ und einer Temperatur t₄ zum Kompressor zurück, welche der Temperatur t₁ um so näher liegt, je vollkommener der Gegenstromapparat den Wärmeaustausch vollzieht. Da die Verflüssigung der atmosphärischen Luft unter atmosphärischem Drucke bei – 191° C. erfolgt (beim kritischen Drucke von 39 Atmosphären ist die [kritische] Temperatur – 140°), so bietet es keinerlei Schwierigkeit, technische Anwendung von diesem Verfahren für die Kälteerzeugung bis herab zu nahezu – 200° C. zu machen.

Die verfügbare Kälteleistung pro Gewichtseinheit des zirkulierenden Gases ist: Q₁ = c_p (t₁ – t'), worin für Luft annähernd t₁ – t' = 0,276 (p₂ – p₁)(273/T₁)². Hiervon sind abzuziehen: 1. der Verlust infolge unvollkommenen Wärmeaustausches im Gegenstromapparat V₁ = c_p (t₁ – t₄) und 2. die von außen durch Leitung und Strahlung aufgenommene Wärme V₂ = c_p (t₄ – t₅), um zu erhalten die nutzbare Kälteleistung Q_e = c_p (t₅ – t'). Die bisherigen Ausführungen solcher Apparate ergaben: t₁ – t₄ = 2° bis 3° C. und t₄ – t₅ = 5° bis 6° C.

Für atmosphärische Luft ergibt sich zur bloßen Deckung der Verluste hiernach eine Druckdifferenz von ungefähr 30 Atmosphären. Zur Erzielung eines günstigen Verhältnisses Q_e : Q₁ muß also p₂ – p₁ viel größer gewählt werden. Für den Arbeitsverbrauch des Kompressors hat man A L = c_p (τ₂ – τ₁), wenn τ₁ und τ₂ die Grenztemperaturen für die adiabatische Kompression bedeuten. Hierbei ist bekanntlich

(τ₂ + 273)/(τ₁ + 273) = (p₂/p₁)^0,2097

Die Arbeit ist also nur vom Druckverhältnis abhängig, und es ist durch geeignete Wahl der Drücke möglich, die Arbeit auch bei großer Druckdifferenz klein zu halten und demgemäß auch das Leistungsverhältnis

Q₁/A L = (t₁ – t')/(τ₂ – τ₁) oder Q_e/A L = (t₅ – t')/(τ₂ – τ₁)

so zu gestalten, daß ein relativ günstiger Wirkungsgrad sich ergibt.[270]

Herstellung von Eis.

Zur Eisfabrikation wird in Europa fast durchweg das Gefrierwasser in Blechzellen eingefüllt und werden die letzteren in eine Salzlösung eingetaucht, welche in dem rechteckigen, »Eisgenerator«-Kasten durch Abgabe von Wärme an die miteingetauchten Verdampferröhren auf einer Temperatur von ungefähr – 6° C. (bei Absorptionsmaschinen ca. – 10° C.) gehalten wird. Dem Wasser ist bei dem Gefrierprozeß zu entziehen: 1. die spezifische Wärme zwischen der Einfülltemperatur t und 0° C; 2. die latente (Gefrier-)Wärme (80 Kai. pro 1 kg) und 3. die spezifische Wärme (0,5 W.E. pro 1 kg) des von 0° C. auf t₁° abzukühlenden Eises, also insgesamt für 1 kg Eis (t + 80 – 0,5t₁) W.E. Für alle größeren Eisgeneratoren ist die Konstruktion Fig. 35 und 35a (von der Gesellschaft für Lindes Eismaschinen) typisch geworden. Die Zellen sind reihenweise in Rahmen gefaßt, die sich mittels Rollen auf Schienen in der Längenrichtung des Generators verschieben lassen. Am vorderen Ende hebt ein Laufkran A je eine Zellenreihe mit ausgefrorenem Inhalt aus der Salzlösung, taucht sie in ein mit lauwarmem Wasser gefülltes Gefäß D, um das Eis von den Zellenwandungen abzulösen, und hebt sie alsdann auf eine Kippvorrichtung, auf welcher die Entleerung der Zellen erfolgt. Die entleerte Zellenreihe wird durch den Laufkran an das hintere Ende des Generators transportiert, durch eine mechanische Füllvorrichtung C werden alle Zellen gleichzeitig auf richtige Höhe gefüllt und, nachdem die sämtlichen Zellenreihen durch einen Vorschubmechanismus F um eine Teilung vorgeschoben wurden, in die Salzlösung eingetaucht. Die Verdampferröhren H befinden sich in der Regel (getrennt durch einen Zwischenboden) unter den Zellen, und die Salzlösung wird durch Schraubenräder E unterhalb längs der Rohre und oberhalb zwischen den Zellen hindurch in so lebhafter Bewegung erhalten, daß die Temperaturunterschiede an den verschiedenen Stellen des Generators nicht mehr betragen als 0,5° C. Die auf solche Weise hergestellten Eisblöcke haben meist eine Länge von 1 m, ein Gewicht von 25 kg oder 13 kg und bedürfen zum Ausfrieren (bei – 6° C.) etwa 24 (bezw. 12) Stunden. Neben dem oben angegebenen Kältebedarf kommen für solche Eisgeneratoren noch in Rechnung: 1. der Verlust σ beim Auftauen (6–8%); 2. die Wärme, welche den Zellen und Zellenwagen zu entziehen ist; 3. die durch Leitung und Strahlung von außen eindringende Wärme und 4. die Kondensationswärme der aus der atmosphärischen Luft an den kalten Flächen sich niederschlagenden Feuchtigkeit. Bezeichnet man die drei letzten Porten mit V, so hat man den Kältebedarf pro Kilogramm Eis: w = (1 + σ) (t + 80 – 0,5 t₁) + V. Derselbe beträgt niemals weniger als 120 W.E. und kann weit über diese Zahl hinausgehen, Das auf vorstehende Weise hergestellte Eis zeigt sich als eine undurchsichtige weiße Masse, weil einerseits die absorbierte atmosphärische Luft beim Gefrieren in kleinen Bläschen ausscheidet und einfriert und weil anderseits die (Kalk-)Salze das Aussehen trüben. Bei starkem Salzgehalt kann das Eis seine Härte verlieren und mürbe werden, worunter dann seine Haltbarkeit leidet. Es wird neuerdings immer mehr Wert darauf gelegt, das Eis kristallhell und keimfrei herzustellen. Die beiden Eigenschaften können gleichzeitig nur erreicht werden durch Anwendung von destilliertem und entlüftetem Wasser. Zur Gewinnung des Destillates wird häufig der im (Oberflächen-)Kondensator der Dampfmaschine aufgefangene Arbeitsdampf benutzt, wobei die Abscheidung der aus der Schmierung der Dampfmaschine hervorgehenden Verunreinigung zum Teil schon in Dampffiltern vor der Kondensation, zum Teil in Sammelgefäßen nach der Kondensation erfolgt. Zur völligen Vermeidung dieser Verunreinigungen sind besondere Destillationskessel, sei es in die Admissionsdampfleitung, sei es in die Abdampfleitung, eingeschaltet worden, welche die Wärme des sich verdichtenden Dampfes unter Verlust eines gewissen Druck- und Temperaturgefälles an neugebildeten Dampf abgeben. Soll durchsichtiges Eis hergestellt werden, ohne daß auf eine weitergehende Keimfreiheit Anspruch gemacht wird, als sie das zur Verfügung stehende Trinkwasser besitzt, so wird dies erreicht, wenn man das Wasser während des Gefrierprozesses in solcher Bewegung hält, daß die sich ausscheidenden Luftbläschen von der Gefrierfläche weggeschwemmt werden. Die Bewegung wird entweder durch schwingende Körper innerhalb der Zellen hervorgerufen oder dadurch, daß abwechselnd [271] Wasser aus den Zellen gesaugt und unter Druck wieder in dieselben eingeführt wird. Einfach und weitverbreitet ist die nach dem ersteren Prinzip durchgeführte Klareiseinrichtung, bei welcher Blechlamellen c (Fig. 35 u. 35a) in das Wasser eintauchen und in wagerechte Schwingungen versetzt werden. Die Lamellen sind für jede Zellenreihe durch Querträger b verbunden, welche an ihren Enden auf Längsträgern ruhen. Die letzteren sind an der vorderen Eisgeneratorseite um Zapfen mit vertikaler Achse drehbar und werden an dem hinteren Ende durch einen Kurbelmechanismus in langsame Schwingungen versetzt, deren Weite somit nach vorne hin abnimmt, entsprechend dem Umstande, daß in den Zellen bei ihrem Fortschreiten nach vorne die Eisdicke fortwährend zunimmt und demgemäß der freie Wasserraum abnimmt. Die Querträger werden durch »Mitnehmer« d (Fig. 35) je mit einer Zellenreihe so verbunden, daß sie mit den Zellen vorgeschoben werden. An geeigneter Stelle sind die Querträger mit den Lamellen auszuheben, um das Einfrieren derselben zu vermeiden. Der alsdann noch sich bildende Eiskern (ca. 10–12%) beliebt aus Trübeis. Eine andre in England und den überseeischen Ländern vielfach angewendete Methode zur Herstellung vollkommen durchsichtigen Eises ist die »Platteneisfabrikation«. Hierbei bildet sich das Eis an der mehrere Quadratmeter umfallenden Außenseite ebenwandiger taschenförmiger Karten, in welchen Salzwasser entweder durch eingebaute Verdampferspiralen oder mittels Zirkulation aus einem zentralen Verdampfer auf einer Temperatur von ungefähr – 10° gehalten wird. Da diese Platten stets eine ansehnliche Dicke erhalten (welche nicht wie bei den Zellen durch Zusammenwachsen von zwei Gefrierflächen, sondern nur einseitig entsteht), so erfordert die Eisbildung selbst bei niedriger Salzwassertemperatur mehrere (bis zu sechs) Tage, und demgemäß fallen die Eisgeneratoren sehr viel größer aus als die Zelleneisgeneratoren. Das Ablösen der Eisplatten erfolgt dadurch, daß entweder das Salzwasser in dem betreffenden Gefrierelement durch warmes Salzwasser ersetzt wird, oder dadurch, daß die betreffende Rohrspirale an die Druckleitung der Maschine angeschlossen wird. Die Eisbildung erscheint in mehrfachen Gebieten als Zweck von Kälteanlagen, ohne daß es sich um Gewinnung von transportabelm Eise handelt. Dahin gehören die Eisbahnen, bei denen in einem am Boden liegenden Behälter eng aneinander die Verdampferrohre oder von kalter Sole durchströmten Kanäle oder Rohre liegen, um die darüber befindliche 5–6 cm hohe Wasserschicht gefroren zu erhalten. Die hierzu erforderliche Kältemenge beträgt etwa 150 W.E. pro Quadratmeter und Stunde. Einen andern wichtigen Fall stellen die Gefrieranlagen für Schachtabteufung in schwimmendem Gebirge dar nach der zuerst von Poetsch 1886 angegebenen Methode, wonach in den am Schachtumfange vertikal eingetriebenen Doppelrohren Salzsole mit – 15° bis – 20° C zirkuliert und die umgebende wasserhaltige Schicht zum Gefrieren bringt. Vgl. a. Gefriergründung, Bd. 4, S. 340.

Kühlung von Räumen.

Die ausgedehnteste Anwendung finden die Kältemaschinen zur Luftkühlung in geschlossenen Räumen, wobei ihnen meist gleichzeitig mehr oder weniger die Aufgabe der Luftentfeuchtung und Luftreinigung zufällt. Die Temperatur der Räume wird entweder über (bezw. auf) dem Gefrierpunkte (Kühlräume) oder unter demselben (Gefrierräume) gehalten. So werden die Gärkeller der untergärigen Bierbrauereien auf 4° C., die Lagerkeller auf nahe 0°, die zur Aufbewahrung des frischgeschlachteten Fleisches dienenden, den Schlachthöfen heute unentbehrlichen Kühlhäuser auf 2–4°, die Provianträume der Ozeandampfer auf 0–8° C. gehalten. Die verschiedenen Lagerräume der Kaltlagerhäuser, welche in großartigem Umfange in Nordamerika und England angelegt, neuerdings auch auf dem Kontinente errichtet sind und zur Aufstapelung und Konservierung von organischen Substanzen aller Art (insbesondere Lebensmitteln) dienen, werden je nach den Erfordernissen des betreffenden Kühlgutes – Fleisch, Wild, Geflügel, Fische, Kaviar, Milch, Eier, Butter, Käse, Gemüse, Obst, Hopfen, Häute, Pelzwaren, Pflanzenkeime (zur Verzögerung der Vegetation) – auf Temperaturen von – 20° bis zu + 5° C. gehalten. In den viehzüchtenden Ländern Südamerikas, Australiens und Neuseelands werden in großen Schlächtereien an den Hafenplätzen gewaltige Mengen Fleisches bei Lufttemperaturen von – 10° bis – 20° gefroren und durch eine Flotte von Fleischtransportschiffen, die mit Gefrierräumen ausgerüstet sind, weiter – insbesondere nach England – befördert.

Die Abgabe der Kälte an die Luft erfolgt durch deren Berührung entweder mit den Außenflächen von Röhren (Röhrenkühler) oder mit Salzwasser (Salzwasserkühler).

Die Röhrenkühler bestehen entweder unmittelbar aus den Verdampferröhren (System der direkten Verdampfung) oder es zirkuliert in denselben eine durch die Kältemaschine abgekühlte Salzlösung.

Die Luftkühlung erfordert stets sehr große Kühlflächen, da die Wärmemenge, welche durch die mehr oder weniger mit Eis beschlagenen Rohrwandungen aufgenommen wird, für 1 qm, 1 Stunde und 1° C. Temperaturdifferenz nur 10–12 W.E. für Kühlung durch Bördelrohre und 13–16 W.E. bei direkter Verdampfung beträgt, wobei die größeren Werte für starke Luftbewegung (mechanische Ventilation) gelten. Obgleich nun bei direkter Verdampfung die Wärmemenge pro Flächeneinheit infolge der Ausnutzung des ganzen Temperaturgefälles zwischen Luft und Kälteträger sich etwa doppelt so hoch stellt als bei Kühlung durch Salzwasserröhren, so steht diesem Vorzuge doch meist der Nachteil sehr hoher Anschaffungskosten gegenüber, der zu tunlichster Verkleinerung der Verdampferflächen zwingt. Man trifft deshalb bei direkter Verdampfung trotz des nur einmaligen Wärmeüberganges in der Regel keine geringeren Temperaturunterschiede zwischen der Luft und der verdampfenden Flüssigkeit, als bei dem zweistufigen Wärmeübergang mittels Salzwasser. In Amerika findet sich fast durchweg direkte Verdampfung angewendet, während in Europa, insbesondere bei weitverzweigten, verschieden hoch gelegenen und ungleich langen Rohrsystemen der Betrieb unter Einschaltung der Salzlösung als gleichmäßiger, bequemer und übersichtlicher gilt und nur bei kleineren Anlagen und bei Rohrsystemen von gleicher Länge und Lage die direkte Verdampfung vorgezogen wird.[272]

Ein weiterhin unterscheidender Gesichtspunkt ergibt sich daraus, daß die Verteilung der Kälte auf die ganze, den abzukühlenden Raum erfüllende Luftmenge entweder dem natürlichen Luftumlaufe überlassen bleibt, welcher entsteht, wenn die Luft in den oberen Teilen des Raumes an den daselbst eingebauten Röhren unter die Mitteltemperatur des Raumes herabgekühlt wird, dementsprechend herabsinkt und durch die wärmere aufsteigende Luft ersetzt wird, oder wenn durch Ventilatoren die Luft in einen Bewegungszustand gesetzt wird, dessen Geschwindigkeit und Richtung (durch Anordnung von Ein- und Austrittskanälen) berechnet und geregelt wird.

Kommt es für den gegebenen Raum lediglich darauf an, die Temperatur auf einer gewissen Höhe zu halten, so wird im allgemeinen die natürliche Ventilation ausreichen. Man findet sie in den Lagerkellern der Bierbrauereien fall ausnahmslos, in den Gärkellern meist angewendet, und zwar in der aus Fig. 36 ersichtlichen Weise, wonach die Röhren in Bündeln an der Decke aufgehängt und zuweilen mit Tropfschalen zum Auffangen der von Zeit zu Zeit abzutauenden Niederschläge versehen sind. In Europa bestehen diese Röhrensysteme meist aus zweizölligen Bordel- oder für Gärkeller aus 80 mm weiten gußeisernen Rippenrohren, durch welche eine Salzlösung von und zu dem (häufig gleichzeitig als Eisgenerator dienenden) Refrigerator strömt, wobei ihre Temperatur gewöhnlich von etwa – 6° C. auf etwa – 3° C. steigt. Auf 1 qm der äußeren Rohrfläche rechnet man bei Bördelrohren der Lagerkeller eine Wärmeübertragung von 60–70 W.E., bei Rippenröhren für Gärkeller von etwa 50 W.E. pro Stunde.

Wird jedoch auch Gewicht darauf gelegt, daß die zirkulierende Luft aus dem Kühlräume größere Mengen von Feuchtigkeit und von verunreinigenden Bestandteilen zu entfernen vermöge, wie dies insbesondere bei den Fleischkühlhäusern der Fall ist, so muß zur künstlichen Ventilation geschritten werden. Die Luftkühlapparate werden alsdann in besondere Kammern oder Kanäle eingebaut. Der Ventilator langt aus dem Kühlraum die Luft an (und zwar stündlich den 8–12fachen Kubikinhalt dieses Raumes), ebenso zur Erneuerung aus der Atmosphäre (stündlich ungefähr ein Fünftel des Rauminhaltes) und treibt sie durch die Kammer und durch die verteilenden Kanäle hindurch in den Kühlraum zurück. Da es sich hierbei um sehr große Luftmengen handelt, so ist sorgfältig darauf zu achten, daß die Luft mit möglichst[273] geringem Widerstande, also mit möglichst geringen Richtungsänderungen und Geschwindigkeiten bewegt werde, und dies um so mehr, als die ganze Ventilatorarbeit in Wärme umgesetzt und der Luft zugeführt wird. Bei geringem Kältebedarf der Hallen in der kühlen Jahreszeit wird die gekühlte Luft nach dem zur Entfeuchtung und Reinigung erforderlichen Durchgang durch den Luftkühler mittels besonderer Heizapparate wieder erwärmt.

Die hierbei benutzten Luftkühlapparate zeigen eine große Mannigfaltigkeit. Man findet: 1. Röhrenkühler, a) mit direkter Verdampfung, b) mit Salzwasserzirkulation; 2. Salzwasserkühler, a) mit Regenapparat, b) mit feststehenden Rieselflächen und c) mit rotierenden benetzten Flächen; endlich 3. als Kombination aus 1. und 2. Röhrenkühler mit direkter Verdampfung, welche mit Salzwasser berieselt und ebenso gestaltet werden wie die Berieselungskondensatoren (Fig. 20). Am häufigsten ausgeführt sind die ad 1a) genannten und in Fig. 37–40 dargestellten und die ad 2c) genannten und in Fig. 41, 41a und 41b dargestellten Systeme. Zur periodischen Beseitigung des Eisbelages an Röhrenkühlern trifft man Vorkehrungen, die entweder ein Umspülen der Rohre mit erwärmter Luft bei unterbrochener innerer Zirkulation oder eine Erwärmung der zirkulierenden Sole oder bei direkter Verdampfung ein Einleiten des verflüssigten Kältemittels, bezw. seiner komprimierten Dämpfe in die Rohre ermöglichen.

Fig. 37 und 37a zeigen eine kleinere Fleischkühlanlage mit einem über dem einstöckigen Kühlraum K angeordneten direkten Verdampfer V, wobei die Luft mittels Ventilators durch hölzerne, an der Kühlhausdecke liegende Kanäle angesaugt und nach ihrer Kühlung durch ebensolche Kanäle dem Kühlräume in gleichmäßiger Verteilung wieder zugeführt wird.

Mehrfach ausgeführt ist auch die in Fig. 38 dargestellte Anordnung eines direkten Verdampfers, der in zwei durch einen Kanal getrennten Kammern eingebaut ist. Von den beiden Röhrensystemen wird immer nur das eine von dem verdampfenden Kälteträger durchströmt, während die aus dem Kühlräume kommende Luft zunächst in der andern Kammer die festen Niederschläge abtaut, hierdurch vorgekühlt in den zweiten Kanal eintritt und (allerdings nach zweimaligem Richtungswechsel) zur vollständigen Abkühlung in die zweite Rohrkammer gelangt. Je nach einigen Stunden muß sowohl die Richtung des Luftstromes durch Klappen gewechselt, als auch die Ein- und Ausschaltung der beiden Verdampfersysteme vorgenommen werden. Ein aus gußeisernen, von der gekühlten Sole durchströmten Rippenrohren hergestellter Luftkühler ist in Fig. 39 abgebildet.

Zur Kühlung der Provianträume auf Schiffen dient vielfach die aus Fig. 40 ersichtliche Anordnung. Dem stehenden, direkt mit seiner Dampfmaschine gekuppelten Kompressor dient der Kondensatormantel als Gestell. Der Verdampfer V ist in eine Kammer eingebaut, in welcher die umlaufende Luft des Gefrierraumes und des daranstoßenden Kühlraumes auf etwa – 10° abgekühlt wird.

Für große Fleischkühlhäuser hat sich die in Fig. 41, 41a und 41b im Längenschnitt, Grundriß und Querschnitt dargestellte Anordnung bewährt. In die mit kalter Sole gefüllten Kasten tauchen Blechscheiben von 1,2–1,5 m Durchmesser ein, welche in Abständen von ca. 2 cm je zu 50–80 auf einer Achse sitzen und durch endlose Ketten 5–8 mal in der Minute umgedreht werden. Die von Ventilatoren durch Kanäle n eingeführte Luft streicht ohne Richtungsänderung und mit mäßiger Geschwindigkeit zwischen den stets frisch benetzten Flächen hin, gibt an dieselben Wärme, Feuchtigkeit und Verunreinigungen ab und kehrt durch Kanäle m in den Kühlraum zurück. Die Salzlösung erfährt hierbei fortdauernd eine Verdünnung, welche entweder durch Zusatz von Salz an Stelle überlaufender Lösung oder durch Abdampfen kompensiert werden muß. Die Verdampfer sind entweder unmittelbar in dem unteren Teile der Blechbehälter untergebracht, oder es besorgt eine Pumpe den Umlauf der Salzsole nach dem außerhalb liegenden Verdampfer. Bei kleineren, nur des Tages betriebenen Kühlanlagen werden zur Vermeidung erheblicher Temperaturschwankungen an der Decke oder den Seitenwänden Gefäße eingebaut, die mit Sole gefüllt sind und als Kältemagazine dienen.

Bei Berechnung des Kältebedarfs für Kühlräume sind insbesondere die folgenden Faktoren neben derjenigen Wärmemenge in Betracht zu ziehen, welche den zur Konservierung bestimmten Waren, z.B. dem Fleische, zu entziehen ist: 1. Die durch Leitung und Strahlung von außen eindringende Wärme. Wenn der Boden gegen Wärme und Feuchtigkeit isoliert, die Decken[274] gewölbt und durch Aufschüttungen geschützt, endlich die Mauern mit Isolierschichten hergestellt sind, so müssen je nach den klimatischen Verhältnissen 10–20 W.E. pro Quadratmeter der gesamten Fläche (Boden, Decken und Wände) gerechnet werden. 2. Die Lufterneuerung erfordert bei einer mittleren äußeren Tagestemperatur t_l und einer Kühlraumtemperatur t_k rund 0,31 (t_l – t_k) W.E. pro Kubikmeter, wobei aber t_l durch die austretende Luft in einem Wärmeaustauschapparate erniedrigt werden kann. Sodann ist der Feuchtigkeitsüberschuß der eintretenden Luft über diejenige Menge, welche dem zulässigen Feuchtigkeitsgehalte (ca. 80%) bei der Temperatur t_k entspricht, und damit für jedes Gramm Wasser eine Wärmemenge von ca. 0,61 W.E. zu beseitigen. 3. Durch den Verkehr von Menschen (Oeffnen der Türen, Aufenthalt in den Räumen) sowie durch künstliche Beleuchtung kann der Kältebedarf unter Umständen erheblich gesteigert werden. – Für die Kältemaschinen haben sich neben den oben dargestellten Anwendungem zahlreiche und gegenwärtig noch in lebhafter Entwicklung begriffene Gebiete erschlossen. So [276]

dienen sie in chemischen Fabriken zur Gasverflüssigung (z.B. Chlor), zur Durchführung von Kristallisationsprozessen (z.B. Paraffin), in Gummifabriken zur Erstarrung der Gummimasse, in Molkereien und Margarinefabriken zur Kühlung der Milch, der Buttermasse und der Vorratsräume, in Zuckerfabriken (Melasseentzuckerung), Schokoladefabriken u.s.w. Noch im Anfangsstadium steht ihre Verwendung zur Kühlung von Wohn-, Versammlungs-, Arbeits- und Vergnügungsräumen (Parlamentsgebäude, Theater), Hotels, Bureaugebäuden (Banken), von ganzen Eisenbahnzügen zum Lebensmitteltransport u.s.w. In Amerika m mit der Kälteverteilung in Städten (wie bei Gas und Wasser) von einer Zentrale aus ein Anfang gemacht worden.

Literatur: [1] Kirk, On mech. Prod. of Cold, Proc. Inst. Civ. Eng., Bd. 37, enthält S. 30 u. ff. vollst. Lit.-Nachw. bis 1874. – [2] Compt. rend. 1860, S. 1022 (Absorpt. mach. Carré). – [3] Engineering, Nov. 1868 (Siebes Aethermasch.). – [4] Ebend. 1871, S. 179 (Telliers Masch.). – [5] Linde, Bayer. Ind.- u. Gew.-Bl. 1870; S. 205, Wärmeentziehung u.s.w. – [6] Ders., ebend. 1871, S. 264, Verb.-Eismaschinen. – [7] Ders., Verh. d. Ver. z. Bes.d. Gew. i. Pr. 1875, Theorie der Kälteerzeugungsmasch. – [8] Ledoux, Théorie d. mach, à froid, Paris 1878. – [9] Zeuner, Techn. Thermodynamik, Leipzig 1887 und 1890. – [10] Schröter, Unters. an Kälteerzeugungsmaschinen verschiedener Systeme 1887. – [11] Ders., Vergleich. Verf. an Kälteerzeugungsmaschinen, 1890. – [12] Gutermuth, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1894, Amerik. Eiswerke. – [13] Denton, Proc. Amer. soc. mech. eng. 1894, Verf. an amerikan. Kälteerzeugungsmaschinen. – [14] Behrend, G., Eis- und Kälteerzeugungsmaschinen, Halle 1894. – [15] Linde, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1895, S. 124, Zur Theorie der Kohlensäurekaltdampfmaschinen. – [16] Mollier, Zeitschr. f. Kälteindustrie, Ueber der kal. Eigensch. der Kohlensäure. – [17] Lorenz, Neuere Kühlmaschinen, München 1896. – [18] Ders., Kälteerzeugung, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1897, S. 47 u. 70. – [19] Linde, Die wissenschaftl. Ergebnisse der Münchner Kälteversuchsstation, ebend. 1903, S. 1071. – [20] Stetefeld, Die Eis- und Kälteerzeugungsmaschinen, Stuttgart 1901. – [21] Döderlein, Prüfung und Berechnung angeführter Ammoniakkompressionskältemaschinen, München 1903. – [22] Lehnert, Moderne Kältetechnik, Leipzig 1905. – [23] Heinel, Bau und Betrieb von Kältemaschinenanlagen, München 1906. – [24] Marchis, Production et utilisation du froid, Paris 1906.

C. Linde.