Grundpfeiler der Kompression: „Kälte erzeugen“

Neben dem Bedarf an Luftzufuhr für Hochöfen war die Eisherstellung und Kühlung einer der Bedürfnisse, die die Entwicklung früher Kompressoren während der industriellen Revolution vorantrieben. Die Entdeckung, wie man Kälte erzeugt, veränderte die Lebens- und Essgewohnheiten der Menschen fast ebenso tiefgreifend wie die Entdeckung des Kochens.

Mechanische Kühlung und Eisproduktion

Verschiedene Kühlmethoden mit Natureis und primitive Verdunstungskühlung lassen sich bis in die alten ägyptischen und griechischen Zivilisationen zurückverfolgen. Bereits 1607 nutzten Wissenschaftler verschiedene Kältemittelgemische zur Eisherstellung, am häufigsten Salz und Eis. Dieses Prinzip wandte Fahrenheit 1762 an, als er den Gefrierpunkt von Wasser auf 0 °C (32 °F) festlegte. Schon Mitte des 18. Jahrhunderts experimentierten Wissenschaftler mit Vakuum, um schnelle Verdunstung und Kühlung zu erzielen. Dr. William Cullen nutzte dieses Prinzip erstmals 1755, um Eis rein mechanisch herzustellen. Er senkte den Luftdruck mit einer Luftpumpe, wodurch die Verdunstung des Wassers verstärkt und so intensive Kühlung und Eis erzeugt wurde.

Perkins handbetriebener Kolbenkompressor, ca. 1834.

Wenige Jahre nach der Erfindung der Vakuumeismaschine wurden verschiedene chemische Verfahren entdeckt. In den 1820er Jahren entwickelten Humphrey Davy und Michael Faraday die mechanische Kühlung weiter, indem sie herausfanden, dass sich durch Komprimieren und Verflüssigen von Ammoniak Luft kühlen lässt, wenn das verflüssigte Ammoniak verdampft. 1824 wurden in England Patente für die Kühlung mit Schwefelsäure erteilt. Jacob Perkins gilt allgemein als Erfinder der ersten praktischen Maschine, die 1834 entwickelt wurde und als Vorläufer der modernen Kompressionsapparatur gilt. Seine Maschine, die einen handbetriebenen Kolbenkompressor verwendete (siehe Abb. 1), wurde bis 1856 wesentlich verbessert und in der Praxis zur Kühlung von Brauereien und Lebensmitteln eingesetzt.

Prozessverbesserungen und Ausrüstung entwickelten sich rasant weiter, und 1850 patentierte Prof. A. C. Twinning aus New Haven, Connecticut, eine Vorrichtung mit einer doppeltwirkenden Vakuum- und Kompressionspumpe (216 mm Durchmesser, 406 mm Hub). Ebenfalls 1850 patentierte Dr. John Gorrie aus Apalachicola, Florida, eine Eismaschine, die erstmals eine rotierende Welle mit Exzentern und Gestängen nutzte, um Kompressorkolben in vertikal ausgerichteten Zylindern zur Kompression und Vakuumerzeugung zu bewegen.

Harrison-Eismaschine, direkt mit einem Dampfmaschinenrahmen verbunden, ca. 1859.

1859 stellte der Australier James Harrison eine Eismaschine vor, die direkt mit dem Rahmen einer Dampfmaschine verbunden war (siehe Abb. 2). Die Entwicklung schritt rasant voran, wobei Prof. C.F.G. Linde mit der Einführung der Ammoniak-Kältemaschine in den Jahren 1873–1875 einen bedeutenden Fortschritt erzielte. Linde gilt als der führende Experte für Ammoniak-Kompressionskältemaschinen. Seine Maschinen waren bereits 1876 in deutschen Brauereien im Einsatz, und er erhielt 1880 US-Patente.

Da die mechanische Kühlung durch die Kompression und anschließende Expansion eines gasförmigen Fluids wie Ammoniak, Schwefelsäure oder Luft erzeugt wurde, fanden sich mehr Anwendungsmöglichkeiten, als die Erfinder je für möglich gehalten hätten. Dies führte dazu, dass in den USA in den Jahren 1880 bis 1890 mehrere Unternehmen große Kältekompressoren entwickelten.

Charles J. Ball installierte 1878 in Sherman, Texas, seine erste Absorptionseismaschine. Es handelte sich um eine Weiterentwicklung einer früheren Vakuummaschine von Edmund Carré. Die Ammoniakpumpen, Wasserpumpen, Kesselspeisepumpe, Solepumpe usw. wurden über Riemen von einer Welle angetrieben, die wiederum von einer Schieberdampfmaschine angetrieben wurde. Die Maschine, deren Anschaffungskosten 12.000 US-Dollar betrugen, produzierte mit einer Tonne Kohle täglich etwa fünf Tonnen Eis. Balls erste selbstgebaute Kompressionsmaschine wurde 1887 in Dallas, Texas, errichtet. Das Unternehmen, die Ice and Cold Machine Co., war viele Jahre lang in St. Louis, Missouri, erfolgreich tätig.

Das Aufkommen großer Kolbenkältekompressoren

Wie aus dieser Patentzeichnung hervorgeht, verwendete De La Vergne 1876 Schmieröl sowohl vor als auch hinter dem Kompressorkolben, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Die erste De La Vergne-Kältemaschine, die sich großer Beliebtheit erfreute, wurde 1878 in der Hermann-Brauerei in New York City installiert. Der Erfinder des Originalgeräts, John C. De La Vergne, war lange im Obst- und Gemüsehandel in New York tätig, bevor er 1876 in die Brauindustrie einstieg. Dies lenkte sein Interesse auf die künstliche Kühlung, und 1880 gründete er die De La Vergne Refrigeration Machine Co. Er nutzte eine patentierte Technologie zur Kompression und Expansion von Ammoniak mit Schmieröl vor und hinter dem Kompressorkolben, um eine Überhitzung zu vermeiden (siehe Abb. 3). Nach Weiterentwicklungen produzierte De La Vergne ab 1884 Kältemaschinen für andere Brauereien. Die Schnittansicht eines De La Vergne-Kältekompressors von 1884 in Abb. 4 zeigt den horizontalen Dampfzylinder und den vertikalen einfachwirkenden Kompressorzylinder. Die Zylinder-Detailansicht in Abb. 5 zeigt die Kühl- und Dichtungsflüssigkeit ober- und unterhalb des Kolbens am Zylinderboden. Die vertikale Ausrichtung des Zylinders war notwendig, um die Flüssigkeit bei jedem Hub effektiv auszustoßen. Nachdem Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen von Ammoniaklecks auf Fleisch ausgeräumt waren, fand das System auch in Fleischverarbeitungsbetrieben Anwendung. Um 1890 war De La Vergne zu einem Großunternehmen geworden, das fast 250 dampfmaschinenbetriebene Ammoniakkompressoren hergestellt hatte. Diese lieferten die Kühlleistung für die meisten amerikanischen Brauereien sowie für Eiswerke, Kühlhäuser und alle anderen Orte weltweit, die Kühlung benötigten.

De La Vergne-Kühlkompressor, 1884.

Obwohl De La Vergne und Ball zu den US-amerikanischen Pionieren der Kältemittelverdichter zählten, dominierten Unternehmen wie Frick, Weiser & Vilter und York schon bald die sich rasant entwickelnde Branche.

De La Vergne Kompressorzylinder mit Kühl- und Dichtungsflüssigkeit ober- und unterhalb des Kolbens.