Titel: Armengaud, über Kälteerzeugung durch Expansion der Luft.
Autor: Armengaud, J.
Fundstelle: 1873, Band 208, Nr. XLVII. (S. 174–176)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj208/ar208047

XLVII. Ueber die Kälteerzeugung für industrielle Zwecke durch Expansion permanenter Gase, insbesondere der Luft; von J. Armengaud.46)

Aus den Comptes rendus, t. LXXVI p. 626; März 1873.

Bei Maschinen zur Kälteerzeugung auf pneumatischem Wege wird eine Luftmasse zuerst bis zu einer gewissen Spannung comprimirt, dann abgekühlt d.h. der während der Compression entwickelten Wärme beraubt, hierauf in einen geschlossenen Raum gegen einen Kolben geleitet. Hier dehnt sie sich aus, wobei sie eine äußere mechanische Arbeit ausübt, welche man verwerthet, um den größeren Theil der bei der Comprimirung consumirten Arbeit wieder herzustellen.

Bei der freien Expansion ist die erzeugte Kälte nur eine momentane, im Momente seines Auftretens erwärmt sich der Luftstrom wieder auf Kosten seiner eigenen lebendigen Kraft, welche durch den Stoß seiner Molecüle gegen diejenigen des ruhenden Mediums verloren geht. Bei der mechanischen Expansion dagegen, welche uns allein hier beschäftigt, nimmt das Gas keine wahrnehmbare Bewegung an, und seine innere Wärme wird durch die erzeugte äußere Arbeit vollständig absorbirt. Die Temperaturerniedrigung vertheilt sich auf die ganze Masse und dauert so lange als man will; die erzeugten negativen Calorien lassen sich daher ansammeln, um zu irgend einem praktischen Zweck verwerthet zu werden. Die Bewegungsarbeit, welche die Maschine beansprucht, ist die Differenz zwischen der für die Compression aufgewendeten und der durch die Expansion restituirten Arbeit.

Will man die Arbeit der Compression berechnen, so muß man die beiden Hauptmethoden unterscheiden, welche man adoptiren kann, um die |175| comprimirte Luftmasse abzukühlen d.h. um ihr die durch die Arbeit der Compression entwickelte Wärme zu entziehen. Nach der ersten Methode wird die Abkühlung mit Hülfe eines vom Cylinder getrennten Condensators nach der Comprimirung bewerkstelligt. Bei der zweiten Methode nimmt man die Abkühlung während der Comprimirung vor, d.h. man läßt letztere unter constanter Temperatur vor sich gehen, indem man Sorge trägt, die aus der Compression resultirende Wärme nach Maaßgabe ihrer Neigung, in sensibler Form aufzutreten, der Luftmasse zu entziehen. Um diesen Zweck zu erreichen, kann man den Compressionscylinder mit Wasser umgeben, ein Mittel welches am häufigsten angewendet worden ist. Das beste und wirksamste Mittel besteht jedoch darin, daß man das Wasser mit der comprimirten Luft in dem betreffenden Raume selbst in Berührung bringt. Bis jetzt ist Letzteres nicht geglückt, weil es praktisch unmöglich war, eine bestimmte Quantität Wasser mitten in eine in der Comprimirung begriffene Luftmasse einzuführen. Es ist mir nun gelungen, diese Schwierigkeit durch gleichzeitige Einführung von Luft und Wasser in den Compressionscylinder während der Periode des Saugens zu beseitigen. Die Annahme des Giffard'schen Kolbens erleichtert diese Einführung der beiden Fluida, welche dazu bestimmt sind, ihre Wärme rasch auszutauschen, um ein Gemisch von ziemlich constanter Temperatur abzugeben.

Welches jedoch die Methode der Abkühlung seyn möge, die auf theoretischem Wege von mir aufgestellten Formeln stimmen hinsichtlich der Verification folgender Theoreme mit den Versuchsresultaten überein: die zur Erzeugung von Kälte durch mechanische Expansion der Gase erforderliche effective Bewegungsarbeit hängt für eine bestimmte Masse nur von der absoluten Anfangstemperatur des Gases bei seinem Eintritt in die Maschine und von dem für die Expansion gewählten Wärmegrad ab. Diese Arbeit wächst nach einer sehr einfachen Function mit dem Grade der Expansion, welche für die beiden betrachteten Fälle der Abkühlung nicht die gleiche ist, und welche, den Grad der Expansion = 2 angenommen, ungefähr zweimal geringer ist, wenn die Abkühlung während der Comprimirung, als wenn sie nach der Comprimirung vor sich geht.

Man kann die genannte Bewegungsarbeit auf die negative Wärmeeinheit beziehen und auf diese Weise das erreichen, was ich das mechanische Aequivalent der Kälte in der Maschine nenne. Dieses Aequivalent hängt lediglich von dem Grade der Expansion ab. Hieraus ergibt sich folgendes Gesetz, welches Alles was sich nach der Wärmetheorie voraussehen |176| ließ, rechtfertigt, und dessen Bestätigung von Interesse ist: Die bei der fraglichen Kälteerzeugungsmaschine zur Production einer bestimmten Anzahl von negativen Calorien nothwendige Bewegungsarbeit ist für alle Gase die gleiche. Dieser Aufwand an Arbeit ist also von der Natur des angewendeten Gases unabhängig; man kann das am meisten convenirende wählen, und dieses ist offenbar die Luft welche wir einathmen, die sich überall vorfindet und nichts kostet.

Da die bewegende Kraft mit dem Grade der Expansion wächst, so ist es wichtig, für die letztere das kleinste Maaß zu wählen, welches sich mit der Intensität der zu erzielenden Kälte und den sonstigen Umständen der Praxis verträgt. Die Zahl 2 ist diejenige, welche den Vorzug zu verdienen scheint. In diesem Falle, und die Abkühlung während der Comprimirung angenommen, beträgt die Bewegungsarbeit per Kilogrm. erkälteter bei einer Anfangstemperatur von + 20° C. genommener Luft 1121 Kilogrammeter, d.h. ungefähr 12/100 derjenigen welche eine Druckpumpe erfordern würde, die Luft von gleicher Spannung liefert. Die einer Expansion = 2 entsprechende Erniedrigung der Temperatur ist gleich 52° für eine Anfangstemperatur von + 20°. In der Maschine gelangt man jedoch nicht unter – 30°, und zwar in Folge mehrfacher Veranlassung zur Erwärmung, und weil in der Luft eine gewisse Quantität Wasserdampf enthalten ist, welcher, obgleich vom Sättigungspunkt weit entfernt, beim Ausströmen der kalten Luft zum Nachtheile der zu sammelnden negativen Calorien kleine Schneeflocken absetzt.

Die zur Erzeugung einer Calorie erforderliche mechanische Arbeit beträgt unter den nämlichen Bedingungen 65 Kilogrammeter. Eine Pferdekraft oder 270000 Kilogrammeter per Stunde (75 Kilogrammeter per Secunde) könnte demnach theoretisch 4153 Calorien per Stunde, also ungefähr 41 Kilogramme Eis aus Wasser von der Temperatur + 20° liefern. Bei der künstlichen Eiserzeugung begnügt man sich mit einer Leistung welche 4 Kilogrm. Eis per Kilogrm. Kohle liefert, eine Leistung auf die man wohl zählen kann, denn sie beträgt nur den zehnten Theil der durch die Theorie bestimmten; die kalte Luft wird aber vorzugsweise directen und weit vortheilhafteren Anwendungen gewidmet werden.

Auszug einer der französischen Akademie der Wissenschaften eingereichten Abhandlung.

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