Kälteerzeugungsmaschinen

Kälteerzeugungsmaschinen (hierzu die gleichnamigen Tafeln I u. II), Vorrichtungen zur Abkühlung von festen, flüssigen oder gasförmigen Körpern. Kälteerzeugung kann stattfinden: 1) durch Strahlung und Leitung, 2) durch Volumenvergrößerung (Expansion) ohne Änderung des Aggregatzustandes. 3) durch Änderung des Aggregatzustandes (Lösung, Verdampfung, Verdunstung). Für 1) bietet die Natur selbst Beispiele in der Abkühlung der Himmelskörper oder näher liegend in der Eisbildung. Für 2) ist ein typisches Beispiel die Kaltluftmaschine. Bei Kaltluftmaschinen unterscheidet man offene und geschlossene. Die offene Kaltluftmaschine benutzt immer neue Luftmengen zur Kälteerzeugung, indem sie Luft aus der Atmosphäre ansaugt, zusammendrückt, abkühlt, expandiert und zwecks direkter Kühlung von Räumen ausstößt. Die geschlossene Kaltluftmaschine benutzt immer dieselbe Luft und bewirkt die Kühlung indirekt durch Rohrwandungen, die in die zu kühlenden Räume oder Flüssigkeiten eingebaut werden. Offene Kaltluftmaschinen arbeiten bei Ansaugen von atmosphärischer Luft von +20° (und Kompression auf 4 Atmosphären) zwischen den Grenztemperaturen von etwa +160° nach dem Zusammendrücken und -70° nach dem Ausdehnen, bez. Ausstoßen der Luft. Auf eine indizierte Pferdestärke der eine solche Kaltluftmaschine betreibenden Dampfmaschine lassen sich günstigenfalls 400 W.-E. (Wärmeeinheiten) erzielen. Neuere, geschlossene Kaltluftmaschinen arbeiten etwa zwischen 5 und 20 Atmosphären Pressung und den Grenztemperaturen von +180° und -50° und erreichen mindestens die doppelte Leistung auf 1 Pferdestärke. Die erste offene Kaltluftmaschine konstruierte Gorrie 1850 in Amerika, die erste geschlossene Kirk 1862. Die größte Verbreitung haben die Kaltluftmaschinen von Windhausen (Tafel I, Fig. 1) und Bell-Koleman (offene Maschinen) gefunden. Für 3) kommen Lösung, Verdampfung, Verdunstung in Betracht. Lösung. Kälteerzeugung durch Lösung kann bewirkt werden durch Mischung eines festen und eines flüssigen Körpers oder durch Mischung zweier fester Körper. Die Kältemischungen (s. d.) haben wegen ihrer Kostspieligkeit für den Großbetrieb keine Bedeutung, sie gelangen zumeist nur in kleinem Maßstab in physikalischen und chemischen Laboratorien bei wissenschaftlichen Untersuchungen und im Haushalt zur Anwendung. 1 kg Schwefelsäure und 13 kg Schnee, beide von 0°, ergeben bei der Mischung eine Temperaturerniedrigung auf -16° und absorbieren 967 W.-E., dagegen 1 kg Schwefelsäure mit 1,26 kg Schnee die viel tiefere Temperatur von -36°, absorbieren aber nur 17 W.-E. 1 kg Chlorkalzium gibt mit 4,92 kg Schnee eine Temperaturerniedrigung auf -4° und eine Wärmebindung von 390 W.-E.; 1 kg Chlorcalcium mit 0,7 kg Schnee eine Temperaturerniedrigung auf -55°, aber nur 30 W.-E. Allgemein ist aus den angeführten Beispielen zu erkennen, daß man es bei Kältemischungen in der Hand hat, entweder größere Wärmemengen bei höhern Temperaturen oder geringe Wärmemengen bei sehr tiefen Temperaturen abzuleiten.

Kälteerzeugung durch Verdampfung. Wie das Wasser bei 100° verdampft und dabei seiner Umgebung, z. B. in Dampfkesseln dem Feuer Wärme entzieht, so können andre Flüssigkeiten mit abweichenden Siedetemperaturen und darunter die sogen. Kälteflüssigkeiten, in geschlossenen Apparaten bei Temperaturen unter 0° zur Verdampfung gebracht werden. Als solche Kälteflüssigkeiten benutzte man schon im 18. Jahrh. für Laboratoriumsversuche Schwefelkohlenstoff, schweflige Säure etc. Bei Maschinen zur Kälteerzeugung wurde zunächst Äther benutzt (Perkins 1837, später Siebe), jedoch fanden diese Maschinen wegen der großen Dimension und der Feuergefährlichkeit des Äthers keine bleibende Anwendung. Neben Äther fand Chlormethyl (Vincent 1878) Anwendung; noch heute in geringem Umfang von Douane in Paris. Die jetzt allgemein verbreiteten, die auf Verdampfung von Kälteflüssigkeiten beruhen, benutzen Ammoniak, Schwefligsäure und Kohlensäure als Kälteflüssigkeiten. Der Prozeß der Kälteerzeugung geht bei allen dreien derart vor sich, daß die Kälteflüssigkeit in einem Röhrenapparat, dem Verdampfer, unter geringerm Druck (z. B. für -10° bei Ammoniak = 2,9 Atmosphären, bei schwefliger Säure = 1,04 Atmosphären, bei Kohlensäure = 18 Atmosphären absolut) der Umgebung Wärme entzieht und dadurch in Dampf übergeführt wird. Dieser wird durch eine Rohrleitung abgeführt und durch eine Saug- und Druckpumpe, den Kompressor (Kompressionsmaschinen), angesaugt und verdichtet und in einen zweiten Röhrenapparat, den Kondensator, hineingedrückt, wobei der Dampf stark erhitzt wird, so daß in dem Kondensator (unter Drücken von 10 Atmosphären für Ammoniak, 3,9 Atmosphären für schweflige Säure und 64 Atmosphären absolut für Kohlensäure bei einer Temperatur von 23–24°) die im Verdampfer und bei dem Zusammendrücken, der Kompression, aufgenommene Wärme durch Kühlwasser wieder abgeleitet werden kann, wobei der Dampf sich verflüssigt und somit dem Verdampfer durch eine zweite Rohrleitung mit einem Regulierventil zwecks neuer Kälteerzeugung wieder zugeführt werden kann.

An Stelle der Kompression kann bei den Verdampfungsmaschinen ein Ansaugen (Absorptionsmaschinen) des vom Verdampfer kommenden kalten Dampfes treten und zwar bei den Ammoniakmaschinen durch Wasser, in welchem Fall der Kompressor durch einen Absorber ersetzt wird. Das im Absorber vom Wasser aufgenommene Ammoniak bildet mit dem Wasser eine reiche Ammoniak- oder, wie man gewöhnlich sagt, Salmiaklösung. Diese wird durch eine kleine Pumpe einem Heizkessel zugeführt und in diesem durch Wärmezufuhr, entweder durch direkte Kohlenheizung oder durch Heizdampf, das Ammoniak unter hohem Druck, etwa 9–10 Atmosphären, in Gasform ausgetrieben. Das heiße Ammoniakgas strömt dann durch eine Rohrleitung nach einem Kondensator und wird in diesem durch Kühlwasser verflüssigt. Die Verflüssigung sowie der weitere Prozeß ist dann derselbe wie bei der Kompressionskältemaschine. Die durch die Austreibung des Ammoniaks im Heizkessel entgaste Salmiaklösung fließt selbsttätig wieder nach dem unter tieferm Druck (etwa 1 Atmosphäre) stehenden Absorber, um hier von neuem Ammoniakdämpfe auszusaugen. Während also bei der Kompressionskältemaschine ein einfacher Kreisprozeß vor sich geht, herrscht in der Absorptionsmaschine ein doppelter. Die Absorptionsmaschinen werden meist nur für Eiserzeugung verwendet, da man bei Heizung mit Dampf das entstehende Kondensat direkt zur Kristalleiserzeugung benutzen kann. Neuere gute Absorptionsmaschinen liefern hierbei auf 1 kg im Dampfkessel der Anlage verfeuerter Kohle 13–14 kg Kristalleis (Carré, Kropf, Habermann). Unstreitig die wichtigsten Kältemaschinen sind heute die Kompressionsmaschinen und unter diesen die verbreitetsten die Ammoniakmaschinen (1864 Carré, in den 70er Jahren des 19. Jahrh. in Deutschland Linde, dessen Maschinen heute in über 5000 Exemplaren auf dem Erdball verbreitet sind; zur selben Zeit in Amerika Boyle). Neben den Ammoniakmaschinen sind besonders in Frankreich, neuerdings auch in Deutschland, mehr verbreitet die Schwefligsäuremaschinen, zuerst von Pictet an die Öffentlichkeit gebracht und endlich später die Kohlensäuremaschinen, als deren erste das System Windhausen-Riedinger gelten kann. Alle drei Systeme, obwohl in Einzelheiten verschieden, können in ihren heutigen Ausführungsformen hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit als gleichwertig gelten, und man kann von einer guten Kompressionsmaschine verlangen, daß bei -10° Verdampfer- und +23° Verflüssigungstemperatur je nach Größe im Verdampfer auf eine indizierte Pferdestärke Kraftaufwand für den Kompressor 3300–3500 W.-E. geleistet werden. Nur von historischem Interesse ist die Vakuumeismaschine oder Wasserdampfmaschine, eine Abart der Absorptionsmaschine, die durch eine energisch wirkende Luftpumpe in einem Apparat eine Luftleere von nur wenigen Millimeter Quecksilbersäule erzeugt und dadurch in diesen Apparat eingespritztes Wasser z. T. so energisch verdampft, daß die übrigen Teile des Wassers infolge dieser Wärmeentziehung in Eis übergeführt werden. Zur Erhaltung dieses tiefen Vakuums ist es erforderlich, daß die gebildeten Wasserdämpfe in einen zweiten Apparat hineingesaugt und durch konzentrierte Schwefelsäure fortwährend absorbiert werden. Die Säure verwässert sich dabei und muß folglich wieder konzentriert werden. Infolge der Anwendung von Schwefelsäure und der geringen Dauerhaftigkeit der Konzentrations-Apparate haben diese Maschinen keine dauernde Verbreitung gefunden. Der Erfinder der Vakuummaschine ist Carré und in größerm Maßstab Windhausen; heute werden Wasserdampfmaschinen nur noch von Lange, indessen ohne Erfolg, vertreten.

Kälteerzeugung durch Verdunstung findet ebenfalls in ausgedehntem Maße Verwendung, und zwar zur Erzielung von Wasserersparnis in wasserarmen Gegenden in den Rückkühlanlagen (s. d.) bei Kälte- und Dampfmaschinenkondensatoren.

Unter den Kältemaschinenanlagen, in denen die durch die Maschinen erzeugte Kälte nutzbringend verwendet wird, kommen hauptsächlich in Betracht Brauereikühlanlagen, die das Bier während der Gärung und Lagerung durch Kühlung der Keller vor schädlicher Wärmezufuhr schützen. Die Kellerkühlung erfolgt durch Rohrsysteme, durch die eine durch die Maschine in dem Verdampfer gekühlte Salzlösung durchgepumpt wird. Ferner wird ebenfalls von der Maschine gekühltes Süßwasser durch die Gärbottichkühler hindurchgeleitet, zwecks Abführung der Gärwärme und weiter zur Abkühlung der durch Brunnenwasser vorgekühlten Bierwürze vor der Gärung auf den Würzekühlapparat. Weiter verwendet man die künstliche Kälte in Brauereien auch zur Kühlung der Hopfenlager und Heferäume und bisweilen auch für Mälzereien zur Tennenkühlung. Seltener gelangt in Brauereien das System der direkten Verdampfung zur Anwendung, bei dem in den Kühlrohrsystemen der Räume an Stelle der Salzlösung die Kälteflüssigkeit selbst strömt.

Von außerordentlicher und oft nicht genügend gewürdigter Wichtigkeit ist bei allen Kühlanlagen eine äußerst gewissenhafte Isolierung der zu kühlenden Räume u. Apparate. In den Kühlanlagen für Fleisch und andre Nahrungsmittel (Textfigur 1) benutzt man im Gegensatz zu Brauereien fast ausschließlich die Luftkühlung mit künstlichem Luftumlauf (Ventilatorbetrieb).

Fig. 1. Fleischkühlanlage mit Ammoniak-Kompressionskältemaschine. A Kühlraum, darüber im Dachraum Luftkühlapparat. B Vorkühlraum. C Pökelraum. D Maschinenraum: a Dampfmaschine, b Kompressor, c Kondensator, d Kühlwasserpumpe, e Lichtmaschine. E Kesselhaus. F Schlachthalle für Groß- u. Kleinvieh: f Schlachtwinden, g Transporthängebahn. G Schweineschlachthalle: h Krane, i Enthaarungstische, k Brühbottich. H Verbindungsgang, darüber Wasserturm. I Kuttelei und Kaldaunenwäsche. K Schornstein.

Meist werden in solchen Anlagen Raumtemperaturen von 0° bis +4° (Kühlanlagen), seltener Temperaturen unter 0° (Fleisch- und Fischgefrieranlagen, Räume in Transportschiffen) gefordert. Luftkühlung erfolgt entweder durch Berührung der Luft mit der von der Maschine gekühlten Salzlösung (Naßluftkühlung) oder durch Abkühlung der Luft an Rohren in deren Innerm ebenfalls wieder Sole oder die Kälteflüssigkeit selbst (Trockenluftkühlung) zirkuliert. Vom hygienischen Standpunkt aus betrachtet, d. h. mit Bezug auf die Reinigung der zirkulierenden Luft von Sporen, Staub und riechbaren Gasen, erscheint die Naßluftkühlung die vorteilhaftere für Fleischkühlung, dagegen für allgemeine Nahrungsmittelkühlung wegen der leichtern Regulierbarkeit von Temperatur und Feuchtigkeit in den einzelnen Kühlräumen eine Kombination von Trocken- und Naßluftkühlung. Gutgebaute Kühlanlagen gestatten eine Aufbewahrung von frischem Fleisch bis 6 Wochen, frischem Gemüse mehrere Tage, Trockengemüse und Dörrobst unbegrenzt lange, Weinbeeren, Pfirsichen u. dgl. bis 3 Wochen, Birnen 1–2 Monate und Äpfeln bis 6 Monate. Die Obstkühlung hat in Amerika eine ungeheure Ausdehnung genommen, und wir konsumieren in Deutschland und England infolgedessen in den spätern Wintermonaten vorwiegend solches kalt gelagertes, amerikanisches Obst. Andre Betriebe, in denen die künstliche Kälte Anwendung findet, sind: Molkereien mit Milch- und Rahmkühlung und Kühlung der Lagerräume für Butter, Margarinefabriken; Schokoladefabriken zur Kühlung der Erstarrungsräume für die warm in Formen eingebrachte Schokolade. Die Kälteverwertung erstreckt sich ferner auf die Blumenextraktgewinnung, Champagnererzeugung, Gummifabrikation, Leimkühlung; man findet sie in chemischen Fabriken, z. B. bei der Darstellung mancher Azofarbstoffe, die unmittelbar nach ihrer Bildung stark abgekühlt werden müssen, in Pulverfabriken und neuerdings auch in Eisenbahnwagen für Nahrungsmitteltransport, auf Kriegsschiffen neben der Proviantkühlung zur Kühlhaltung der Räume für die Munition. Auch für die Aufbewahrung von Pelz- und Wollwaren in den heißen Sommermonaten zwecks Verhinderung der Zerstörung durch Motten benutzt man Kühlräume, deren Temperatur die Lebensfähigkeit der Motten nicht zuläßt. Die künstliche Kühlung dient gegenwärtig auch als eine willkommene Errungenschaft für die Schaffung von erträglichen Sommerverhältnissen in Theatern (Neues Stadttheater in Köln) und bei der Leichenkühlung (Hafenkrankenhaus in Hamburg u. a.).

Eiserzeugungsanlagen: In Eisfabriken verwendet man die maschinelle Kälte zum Abkühlen und Ausfrieren von Zellen, die in die kalte Salzlösung eingesetzt werden (Zelleneiserzeugung, Tafel II, Fig. 1), oder man verlegt die Verdampferrohre selbst in große Süßwasserkasten und läßt einen Teil des Wassers periodisch anfrieren (Platteneiserzeugung). Bei beiden Methoden unterscheidet man hinsichtlich des Produktes Trübeis aus gewöhnlichem Wasser und Kristalleis aus entluftetem, destilliertem Wasser hergestellt, letzteres keimfrei.

Fig. 2. Carrés intermittierende Eismaschine.

Endlich seien noch erwähnt die Verwertung der künstlichen Kälte bei Schachtabteufungen in wasserführenden Gebirgen zum Ausfrieren dieser vor dem Weiterbohren und bis nach Auskleidung des Schachtes und für die Erzeugung künstlicher Eisbahnen (Paris, London, Nürnberg etc.). Eine Carrésche Absorptionseismaschine für kleinen Betrieb, von Vaaß u. Littmann in Halle, zeigt Textfigur 2. Aus dem Kessel A mit Thermometer a, gefüllt mit Salmiaklösung, entweicht beim Erwärmen Ammoniakgas durch b nach dem Kondensator B, der in dem mit kaltem Wasser gefüllten Kühlgefäß C steht, und wird hier zu flüssigem Ammoniak verdichtet. Nun stellt man den Kessel A in das Kühlgefäß, füllt in den Zylinder H des mit einem schlechten Wärmeleiter umgebenen Kondensators Salzlösung, die die Wärme besser leitet als Wasser, und setzt eine mit Wasser gefüllte Gefrierzelle hinein. Das Wasser in A verschluckt sehr schnell das Ammoniakgas, und das flüssige Ammoniak in B gelangt zur Verdampfung. Hierbei wird so viel Wärme gebunden, daß das Wasser in der Zelle gefriert. Mit 1 kg Holzkohle erhält man 3 kg Eis. Für größern Betrieb werden diese Eismaschinen mit Dampfheizung versehen.

Windhausens Kaltluftmaschine (Tafel I, Fig. 1): Der Kompressionszylinder A saugt durch die selbsttätigen Saugventile aa atmosphärische Luft an und komprimiert dieselbe, je nach dem beabsichtigten Verwendungszweck auf 1,5–3,0 Atmosphären, wobei die Luft gleichzeitig durch das den Zylindermantel durchfließende Kühlwasser und durch eingespritztes Wasser gekühlt wird. Dann tritt die Luft, wenn der Kompressionsdruck die gewünschte Höhe erreicht hat, durch die ebenfalls sich selbst öffnenden Druckventile b b in den Entwässerungsapparat D, den sie von unten nach oben durchstreicht und hierbei den größten Teil ihrer Feuchtigkeit verliert. Von D strömt die Luft durch die Oberflächenkühler E F und wird durch in Gegenstrom zirkulierendes Kühlwasser bis nahezu auf die Eintrittstemperatur des letztern abgekühlt. Wenn dann der Kolben des Expansionszylinders B sich seinen Endstellungen nähert, öffnet derselbe, vermöge der in den Zylinder hineinragenden Spindeln die Einlaßventile c c, und der Zylinder erhält aus dem Kühler F eine ganz bestimmte Füllung der komprimierten und gekühlten Luft. Diese expandiert nun nach erfolgtem Schluß der Einlaßventile, Arbeit verrichtend und sich weiter abkühlend, und wird endlich bei dem Rückgang des Kolbens durch die Auslaßventile d d ausgestoßen, um nach ihrem Verwendungsort geleitet zu werden. Die Kältewirkung dieser Windhausenschen Anordnung war intensiv und erreichte rasch ihre Höhe.

Absorptions-Kältemaschine System Habermann (Hallesche Maschinenfabrik und Eisengießerei, Tafel II, Fig. 2). Im Ammoniakkessel A wird durch Heizdampf aus einer reichen Salmiaklösung Ammoniakgas ausgetrieben und durch eine Rohrleitung h in den Kondensator B geleitet, in dem es durch Kühlwasser, das durch Leitung c eintritt und durch Leitung d wieder abfließt, gekühlt und verflüssigt wird. Dieses flüssige Ammoniak führt man durch ein Regulierventil in Rohrleitung l dem Verdampfer F zu, in dem das flüssige Ammoniak durch Wärmeaufnahme, gewöhnlich aus einer ungefrierbaren Salzlösung, wieder verdampft und somit seine Umgebung kühlt. Das im Verdampfer gebildete kalte Ammoniakgas strömt nach dem Absorber E. Während dieses Prozesses tritt die arme entgaste Salmiaklösung durch Leitung k unten aus dem Ammoniakkessel heraus, um ebenfalls, nach Passierung des Temperaturwechslers C, nach dem Absorber zu gelangen, in dem die arme Salmiaklösung das kalte Ammoniakgas aufsaugt und somit in den Zustand einer reichen Lösung zurückgeführt wird. Bei der Absorption werden beträchtliche Wärmemengen frei, die durch in den Kühlrohren des Absorbers zirkulierendes Kühlwasser abgeleitet werden. Die reiche Lösung wird sodann in Rohrleitung i durch die Salmiakgeistpumpe D, ebenfalls durch den Temperaturwechsler hindurch, in den Ammoniakkessel zurückgepumpt. Der Temperaturwechsler verfolgt den Zweck, die arme Lösung vor dem Eintritt in den Absorber möglichst vorzukühlen, die reiche Lösung vor dem Eintritt in den Ammoniakkessel möglichst vorzuwärmen. Neuere Messungen an guten Absorptionsmaschinen (System Habermann) haben ergeben, daß für größere Typen die Leistung auf 1 kg Brennmaterial ebenso hoch angenommen werden kann, wie bei einer guten Kompressionskältemaschine.

Kompressions-Kältemaschine (A. Borsig, Tegel, Schwefligsäuresystem; Tafel I, Fig. 2 u. 3). Die Kompressoren C C, betrieben von der Dampfmaschine B, die ihren Dampf von dem Dampfkessel A erhält, saugen aus dem Verdampfer-Rohrsystem E die aus dem flüssigen Kältemittel bei der Kälteerzeugung daselbst gebildeten Dämpfe ab und komprimieren diese in den Kondensator D hinein, woselbst das dampfförmige Kältemittel, durch die Einwirkung des den Kondensator durchfließenden Kühlwassers, wieder verflüssigt wird. Das verflüssigte Kältemedium durchströmt dann das Regulierventil und gelangt zu neuer Kälteerzeugung in den Verdampfer zurück.

Die dargestellte Anlage begreift zugleich eine Eisfabrik, und werden mit Süßwasser gefüllte Eiszellen F, unter Zuhilfenahme des Laufkrans G, m die von der Maschine unter 0° gekühlte Salzlösung zwecks Ausfrierens eingesetzt. Nach der Eisbildung hebt man die Zellen wieder aus, taucht sie auf kurze Zeit in das mit heißem Wasser gefüllte Auftaugefäß J, so daß die Eiskerne sich von den Zellen loslösen und kippt die Zellen über den Eistisch D um, worauf die fertigen Eisblöcke abgefahren werden können.

Vgl. Behrend, Kompressionskältemaschinen mit flüchtigen Flüssigkeiten (3. Aufl., Halle 1895) und Eis- und Kälteerzeugungsmaschinen (4. Aufl., das. 1900); Lorenz, Neuere Kühlmaschinen (3. Aufl., Münch. 1901); Schröter, Untersuchungen an Kältemaschinen (das. 1887 u. 1890); Schmidt, Principles and practice of artificial icemaking and refrigeration (Lond. 1900); Selfe, Machineryfor refrigeration (Chicago 1900); Williams, Mechanical refrigeration (Lond. 1903); Stetefeld, Die Eis- und Kälteerzeugungsmaschinen. Ein Kompendium der gesamten Kälteindustrie (Stuttg. 1901); Göttsche, Die Kältemaschinen (2. Aufl., Hamb. 1904); Lehnert, Leitfaden der modernen Kältetechnik (Leipz. 1905); »Zeitschrift für die gesamte Kälteindustrie« (München, seit 1894); »Eis- und Kälteindustrie« (Berl., seit 1899); »La glace et les industries dufroid« (hrsg. von Perret, Par., seit 1904); »Ice and cold storage« (London) und »Ice and refrigeration« (Chicago).