HANDBUCH DER •• KALTETECHNIK UNTER MITARBEIT ZAHLREICHER FACHLEUTE HERAUSGEGEBEN VON RUDOLF PLANK KARLSR UHE FÜNFTER BAND KÄLTEMASCHINEN KALTGASMASCHINEN UND KALTDAMPFMASCHINEN Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1966 KÄLTEMASCHINEN KALTGASMASCHINEN UND KALTDAMPFMASCHINEN BEARBEITET VON K. BACH- FRANKFURTfM. · P. GRASSMANN-ZÜRICH R. GÖLDNER-BERLIN · K. LINGE- KARLSRUHE A. NEUENSCHWANDER- PARIS · R. PLANK- KARLSRUHE L. VAHL-DELFT MIT 376 ABBILDUNGEN Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1966 ALLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER il'BERSETZUNG IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN. OHNE AUSDRiJ'CKLICHE GENEHMIGUNG DES VERLAGES IST ES AUCH NICHT GESTATTET, DIESES BUCH ODER TEILE DARAUS AUF PHOTOMECHANISCHEM WEGE (PHOTOKOPIE, MIKROKOPIE) ODER AUF ANDERE ART ZU VERVIELFÄLTIGEN. ©SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG 1966 URSPRÜNGLICH ERSCHIENEN BEI SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG NEW YORK 1966 SOFTCOVER REPRINT OF THE HARDCOVER 1ST EDITION 1966 LIBRARY OF CONGRESS CATALOG CARD NUMBER: 53-24194 ISBN 978-3-642-87160-3 ISBN 978-3-642-87159-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-87159-7 LIBRARY OF CONGRESS CATALOG CARD NUMBER: 53-24194 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne be9ondere Kennzeichnung nicht zu der An nahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetz gebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Titel·Nr. 5551 Vorwort zum fünften Band Bedingt durch die starke Überlastung der Mitarbeiter an diesem Handbuch hat sich die Fertigstellung der drei letzten Bände ungebührlich verzögert. Bei einem technischen Werk ist eine solche Verzögerung immerhin mit dem Vorteil ver bunden, daß neueres, modernes Material berücksichtigt werden kann. Der vorliegende Band befaßt sich mit den eigentlichen Kältemaschinen, also mit den wichtigsten bewegten Teilen einer Kälteanlage. Die dazugehörigen Kälte apparate werden in dem folgenden Band VI behandelt werden. Von den Maschinen sind es hauptsächlich die Kompressoren, deren Berechnung und Konstruktion ein gehend zu besprechen ist. Daneben mußte aber auch an die Expansionsmaschinen (Kaltgasmaschinen) gedacht werden. Bei den Maschinen sind es die Bauformen, die sich im Zuge der Fortentwicklung am raschesten verändern. Klein- und Groß kältemaschinen gehen da ihre eigenen Wege. In den großen Anlagen der chemi schen und petrochemischen Industrie, aber auch in der Klimatechnik sind Kälte leistungen von einigen Millionen Kilokalorien in der Stunde keine Seltenheit mehr, und dafür treten in neuester Zeit schnellaufende Turbokompressoren jmmer mehr an die Stelle der Kolbenkompressoren. Für die einzelnen Abschnitte ist es gelungen, namhafte Sachkenner zu gewin nen: Das Gebiet der Kaltluft- und Kaltgasmaschinen, deren Verwendung haupt sächlich im Bereich der tiefsten Temperaturen liegt, wurde von Professor Dr. P. GRASSMANN übernommen, der das Kältelaboratorium an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich leitet und sich durch zahlreiche Veröffentlichun gen als führender europäischer Fachmann ausgewiesen hat, der aber auch die großartige amerikanische Entwicklung in allen Einzelheiten kennt. Hier wird von Turbokompressoren und Expansionsturbinen ausgiebig Gebrauch gemacht. Das Gebiet der Kolbenkompressoren von Kaltdampfmaschinen wird durch einen Abschnitt eingeleitet, in dem Professor Dr.-Ing. K. LINGE, Technische Hochschule Karlsruhe, die Berechnungsgrundlagen darlegt und in Rechenbei spielen erläutert. Dabei wurden die verschiedenen Schaltungen ausführlich be handelt. Die Kleinkältemaschinen, die sich völlig unabhängig vom Großkältemaschinen ban entwickelt haben und bei denen heute für die kleinsten Kälteleistungen in Kühlschränken die hermetischen Bauarten (Motorkompressoren) vorherrschen, wurden von Dr.-lng. K. BAcH behandelt, der als selbständiger Berater auf dem Gebiet der Kältetechnik tätig ist und über reiche praktische Erfahrungen verfügt. Die Beschreibung der verschiedenen konstruktiven Formen von Kolben kompressoren für Großkältemaschinen und von deren Maschinenelementen haben Direktor A. NEUENSCHWANDER von der Firma Brissonneau-York in Paris, die europäische und amerikanische Erfahrungen in sich vereint, und Professor Dr.-lng. VI Vorworl zun1 fünUen Band R. PLANK, Karlsruhe in gemeinsamer Arbeit übernommen. Neben den Kompres soren mit hin- und hergehenden Kolben werden auch die Bauarten von Dreh-und Rollkolbenkompressoren ausführlich behandelt. Daneben wird auch den Sonder bauarten gebührende Beachtung geschenkt, denen vielleicht in der Zukunft größere Bedeutung zukommen wird, vor allem den Schraubenkompressoren. Das Gebiet der Turbokompressoren, dessen Entwicklung sich erst im letzten Jahrzehnt vollzogen hat und auf dem noeh manche Neuerung zu erwarten ist, wurde Herrn Dipl.-Ing. R. GöLDNER, Berlin, übertragen, der während seiner Tätigkeit bei führenden deutschen Maschinenfabriken reiche Erfahrungen zu sammeln Gelegen heit hatte. Schließlich werden die Dampfstrahl-Kältemaschinen, auf deren Grundlagen schon in den Bänden II und III dieses Randbuches kurz eingegangen wurde, im Entwurf und in den Anwendungen von Professor Dr.-Ing. L. VA.HL von der Tech nischen Rochschule in Delft eingehender behandelt, der diesem Gebiet in seinem Laboratorium besondere Aufmerksamkeit gewidmet hat. Der Herausgeber möchte allen Mita,rbeitern für ihre mühevolle Arbeit herz lichen Dank sagen. Der Dank gilt auch dem Verlag, der in gewohnter Weise alles aufgewendet hat, um diesen Band äußerlich mustergültig zu gestalten. Das gilt vor allem auch der zugestandenen sehr großen Zahl der Abbildungen, die für den Wert eines konstruktiven Bandes mitbestimmend sind. Karlsruhe, im Januar 1966 R. Plank Gesamtvorwort zum Handbuch der l(ältetechnik (In zwölf Bänden) Fierausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Dr. phil. nat. h. c. Dr. sc. agr. h. c. R. Plank~ Karlsruhe Die Kältetechnik erscheint dem Außenstehenden als ein enges Teilgebiet des Maschinenbaues, und in diesem Sinne wird sie auch meist an Technischen Hoch schulen gelehrt. Oft sieht man in ihr sogar nur ein Anwendungsbeispiel der technischen Thermodynamik. Ihren vollen Umfang und ihre große wirtschaft liche Bedeutung erkennt man erst, wenn man sich nicht nur mit der Erzeugung tiefer Temperaturen befaßt, sondern auch deren zahlreiche Anwendungen be trachtet. Ein die gesamte Kältetechnik umfassendes Handbuch, das, mit wissenschaft licher Strenge und den Bedürfnissen der Praxis Rechnung tragend, dieses weit verzweigte Gebiet behandelt, ist bisher nicht geschrieben worden. Es läßt sich auch nicht in einen einzigen, noch so dicken Band fassen und kann nicht von einem Verfasser bewältigt werden. Der Herausgeber und der Verlag wollen durch das vorliegende Werk, das zwölf Bände von je rund 500 Seiten umfassen soll, eine vorhandene Lücke in der technischen Weltliteratur schließen. In den verschiedenen Ländern sind zahlreiche Lehrbücher der Kältetechnik erschienen, von denen manche in vor züglicher Weise einzelne Teilgebiete darstellen, wie z. B. den Kältemaschinen bau, die Klimatechnik, das Transportwesen, die Lebensmittelfrischhaltung u. a. Keines dieser Werke setzte sich aber das Ziel, den Kälteingenieur in umfassender und vertiefter Weise in die Gesamtheit seines Aufgabenbereiches einzuführen. Auch die in Frankreich unter der Schriftleitung des verstorbenen Dr. M. PrETTRE bisher erschienenen Bände einer "Encyclopedie du Froid" besitzen zwar jeder für sich einen beachtlichen Wert, stellen aber eher eine Sammlung von Mono graphien über einzelne Sondergebiete als ein in sich geschlossenes Gesamt werk dar. Viele Kälteingenieure beherrschen nur einen Ausschnitt ihres Faches und sind nur einseitig orientiert. Eine solche Beschränkung ist ganz besonders bedenk lich, wenn sie auf einem typischen Grenzgebiet geübt wird, wie es die Kälte technik zweifellos darstellt. In ihr begegnet sich der Ingenieur mit dem Physiker, IV Gesamtvorwort zum Handbuch der Kältetechnik. Chemiker, Botaniker, Mikrobiologen, Zoologen und Hygieniker, aber auch mit den Vertretern aller Berufskreise, die sich mit der Verarbeitung und Auf bewahrung schnellverderblicher Lebensmittel befassen. Es kann vom Kälte techniker nicht verlangt werden, daß er alle diese Gebiete beherrscht; aber er muß sich in ihnen so weit auskennen, wie sie in die Kältetechnik eingehen, damit er sich mit den Vertretern dieser verschiedenen Disziplinen verständigen kann. Es genügt nicht, wenn er die Leistung einer Kälteanlage richtig zu berechnen und das kältetechnische Verfahren zweckmäßig auszuwählen vermag; er muß auch die Eigenschaften der Objekte kennen, die gekühlt werden sollen, und wissen, wie sie auf die Einwirkung tiefer Temperaturen reagieren. Handelt es sich um unbelebte Materie, dann genügt die Kenntnis der physikalisch-chemischen Eigenschaften; bei Erzeugnissen tierischer oder pflanzlicher Herkunft muß aber auch das biologische Verhalten in Betracht gezogen werden. Die Kältebehandlung einer Ware stellt aber häufig nur eine Stufe im Rahmen eines verwickelten technischen Verfahrens dar, das von der Rohware zum Halb fabrikat oder zum Fertigprodukt führt. In solchen Fällen muß sich der Kälte techniker mit dem gesamten Verfahren vertraut machen, um beurteilen zu können, ob der kältetechnische Einsatz schon bestmöglich und vollständig erfolgt, oder ob durch weitere oder andersartige Anwendung tiefer Temperaturen Verbesserungen und Weiterentwicklungen möglich sind. So sind z. B. Verfeine rungen im Kälteeinsatz auf Fischereifahrzeugen zur Verbesserung der Qualität angelandeter Fische nicht ohne genauere Kenntnis der Fangmethoden und der Bordverhältnisse möglich. Bei den zahlreichen Anwendungen der Kälte in der chemischen Technik, sei es bei der Herstellung von Kunststoffen, Zellwolle oder Buna, der Glaubersalzgewinnung, der Ölraffination, der Trennung von Gas gemischen und in vielen anderen Industrien, kann die zweckmäßigste Art der Kälteanwendung nur aus der eingehenden Kenntnis des gesamten Verfahrens angegeben werden. Und eine Klimaanlage in bewohnten Räumen kann nur richtig entworfen werden, wenn man den Einfluß von Temperatur, Feuchtigkeit und Luftbewegung auf den menschlichen Körper kennt. Beim Aufbau des Handbuches der Kältetechnik mußte auf alle diese Anfor derungen sorgfältig geachtet werden. Neben der Bearbeitung von Bänden, die der Thermodynamik der Kältemaschinen, den Grundlagen der Wärmeüber tragung, der Konstruktion von Maschinen und Apparaten und wichtigen Sonder gebieten der Kälteerzeugung gewidmet sind, mußte daher auch daran gedacht werden, in weiteren Bänden die biologischen Grundlagen und die zahlreichen Anwendungen der Kälte in der Lebensmittelwirtscpaft, in den chemischen Industrien, im Transportwesen, in der Klimatechnik usw. eingehend zu be- handeln. · Den gegenwärtigen Stand einer Technik und ihre zukünftigen Entwicklungs möglichkeiten kann man nur dann richtig beurteilen, wenn man ihre Entwick lungsgeschichte kennt; daher erschien es notwendig, auch der Geschichte der Kältetechnik einen Abschnitt zu widmen. Die Kältetechnik hat sich inzwischen zu einem machtvollen Wirtschaftsfaktor entwickelt, dessen Bedeutung in der Zukunft ohne Zweifel noch weiter zunehmen wird. Eine organisierte Lebens mittelwirtschaft, ein Export schnellverderblicher Waren und die Massenerzeugung zahlreicher Gebrauchswaren ist ohne Einsatz der Kältetechnik nicht denkbar. Es mußte daher auf die wirtschaftliche Bedeutung der Kältetechnik in einem besonderen Abschnitt eingegangen werden. Einegenaue statistische Erfassung der Erzeugung von Kältemaschinen, des Verbrauchs an gekühlten oder gefrorenen Gesamtvorwort zum Handbuch der Kältetechnik. V Lebensmitteln, der Eiserzeugung u. a. findet man nur in wenigen Ländern. Trotz dem wurde versucht, in einem Abschnitt "Statistik" das verfügbare Material zusammenzufassen. Es ist selbstverständlich, daß in dem vorliegenden Handbuch nicht nur die Kälteindustrie in Deutschland, sondern auch in anderen Ländern, insbesondere in den Vereinigten Staaten von Nordamerika und in der Sowjetunion, berück sichtigt wurde. Der heutige hohe Stand der Kältetechnik ist den vereinten Bemühungen in vielen Ländern zu verdanken; Physiker, Chemiker, Ingenieure und Wirtschaftler haben zu der Entwicklung und Ausbreitung dieses jungen Zweiges der Technik entscheidend beigetragen. Die Auswahl der Mitarbeiter an den verschiedenen Bänden des Handbuches war nicht einfach. Über 40 Vertreter verschiedenartiger Disziplinen mußten heran gezogen werden; trotzdem mußte vermieden werden, den einheitlichen Charakter des Gesamtwerkes zu gefährden. Glücklicherweise konnte sich der Herausgeber die Mitwirkung zahlreicher früherer Mitarbeiter am Kältetechnischen Institut der Technischen Hochschule Karlsruhe und an der Bundesforschungsanstalt (früher Reichsforschungsanstalt) für Lebensmittelfrischhaltung in Karlsruhe sichern. Es sind dies: Professor Dr.-Ing. H. D. BAEHR, Berlin; Oberingenieur E. HOFMANN, SürthjRh.; Dr.-Ing. G. KAESS, Brisbane (Australien); Professor Dr.-Ing. S. KIESSKALT, Aachen; Professor Dr.-Ing. J. KuPRIANOFF, Karlsruhe; Professor Dr.-Ing. K. LINGE, Karlsruhe; Professor Dr.-Ing. W. NIEBERGALL, Berlin; Professor Dr. K. PAECH, Tübingen; Dr.-Ing. G. RuPPEL, Düsseldorf; Professor Dr.-Ing. TH. E. SCHMIDT, Stuttgart; Professor Dr. G. STEINER, Karlsruhe; Dr.-Ing. W. TAMM, München; Professor Dr.-Ing. L. VAHL, Delft; Dr. J. E. WoLF, Karlsruhe. Dieser Karlsruher Kreis konnte aber doch nicht alle zu behandelnden Gebiete decken, und so war es notwendig, sich nach anderen Mitarbeitern umzusehen. Der Herausgeber schätzt sich glücklich, namhafte Fachleute für die Bearbeitung wichtiger Teilgebiete gewonnen zu haben: Professor Dr. F. F. NoRD von der Fordham University in New York hat gemeinsam mit seinem Mitarbeiter, Dr. M. BIER, den Abschnitt über die kolloidchemischen Grundlagen der Lebens mittelfrischhaltung bearbeitet; Professor Dr.-Ing. H. HAUSEN, Hannover, hat das umfangreiche Gebiet der Erzeugung tiefster Temperaturen, der Gasver flüssigung und der Trennung von Gasgemischen behandelt; den Abschnitt über Bau- und Isolierstaffe hat Dr.-Ing. J. S. CAMMERER, Tutzing, den über metallische Werkstoffe Professor Dr.-Ing. H. JuNGBLUTH, Karlsruhe, in Gemein schaft mit Oberingenieur Dr.-Ing. F. HICKEL, Karlsruhe, übernommen: Professor Dr.-Ing. P. GRASSMANN, Zürich, bearbeitet den Abschnitt über Kaltluftmaschi nen, Dr.-Ing. R. GöLDNER, Berlin, das Gebiet der Turbokompressoren, Direktor A. NEUENSCHWANDER, Paris, die Konstruktion von Kolbenkompressoren, Dr.-Ing. K. BACH, Frankfurt, die Kleinkältemaschinen, Dr. rer. nat. H. STEINLE, Stuttgart, die Kältemittel und die Vorbereitungen zur Inbetriebnahme von Kälteanlagen, Dr.-Ing. H. LÖWER, Karlsruhe, das Zubehör von Kälteanlagen, Dipl.-Ing. A. OsTERTAG, Zürich, die Kälteanlagen und deren Betrieb, Dipl.-Ing. H. R. HEGE, Dipl.-Ing. W. D. METZENADER und Dipl.-Ing. RoLING die Auto matik und Dipl.-Ing. J. PHILIPPSEN mit Obering. E. HoFMANN, Sürth, die Wärme übertragungsapparate. Für die Behandlung der verschiedenen Anwendungsgebiete der künstlichen Kälte wurden gewonnen: Professor Dr.-Ing. W. FISCHERt und Dipl.-Ing. H. ENGERTH, vVeihenstephan (Brauereien), Professor Dr. E. KALLERTt, Kulm-