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Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung
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einer Kraft aus der Temperaturdifferenz zweier Wärmespeichermedien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Kraft aus der Temperaturdifferenz
zwischen einem Wärmeabgabe- und einem Wärmeaufnahmemedium nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiter eine Einrichtung zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens.
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Es ist bekannt, mittels Wärmepumpenanlagen Wärmeenergie eines niedrigen
Temperaturniveaus auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen, wobei auf der Abgabeseite
die Wärmeenergie an gewünschte Verbraucher abgegeben wird. Derartige Wärmepumpenanlagen
arbeiten zumeist in Kreisprozessen.
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Es ist weiterhin bekannt, Wärmeenergie von hohem Temperaturniveau
in ein Drehmoment umzuwandeln. Das Grundprinzip eines
derartigen
Verfahrens ist als Rankine-Prozeß bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein
Wärmeträgermedium, nämlich Wassersdurch eine Heizanordnung bis weit in den Dampfbereich
hinein erhitzt. Die Abkühlung und Entspannung des Wasserdampfes erfolgt in einer
Turbine, von der ein Drehmoment abnehmbar ist. Der Nachteil eines derartigen Verfahrens
besteht im wesentlichen darin, daß zur Aufheizung des Wärmeträgermediums insbesondere
fossile Brennstoffe erforderlich sind. Eine Abwandlung dieses bekannten Verfahrens
zur Verwendung bei tiefen Temperaturen ist nicht möglich, denn Turbinen benötigen
zu ihrem getrieb eine hohe Dampftemperatur und Druckdifferenz bei einem schlechten
Wirkungsgrad.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung einer Kraft
aus einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Wärmespeichermedien anzugeben, das auch
bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen zwei Wärmespeichermedien und, wobei
das eine der Wärmespeichermedien Umgebungstemperatur aufweisen kann, einsetzbar
ist. Des weiteren ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens anzugeben, die einfach, kostengünstig, und mit hohem Wirkungsgrad
die Umwandlung einer Temperaturdifferenz in eine Kraft ermöglicht.
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Diese Aufgaben werden durch die in den Ansprüchen 1 und 6 angegebene
Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, Temperaturdifferenzen,
wie sie z. B. zwischen der Umgebungsluft und dem Fluß-, Meer- oder Grundwasser bestehen,zur
Erzeugung eines Drehmomentes auszunutzen. Vorzugsweise wird das erhaltene Drehmoment
zum Antrieb eines Elektrogenerators verwendet.
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Da das Verfahren mit einem geschlossenen Wärmeträgerkreislauf arbeitet,
können Fluorkohlenwasserstoffe oder Chlorkohlenwasserstoffe
als
Arbeitsmittel verwendet werden.
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Bei entsprechender Auswahl dieser Arbeitsmittel in Abhängigkeit von
den zur Verfügung stehenden Temperaturen der beiden Wärmespeichermedien läßt sich
so auf jeden Anwendungsfall bezogen ein Drehmoment erzeugen.
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Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch
aus, daß als Druckmindereinrichtung ein Drehschieberverdichter verwendet ist, der
vorzugsweise in umgekehrter Richtung läuft und dabei den ihm zugeführten Dampf entspannt
und unter bestimmten Bedingungen bereits teilverflüssigt. Von dem Drehschieberverdichter
kann unmittelbar ein Drehmoment zum Antrieb z. B. eines Elektroqenerators abgenommen
werden. In vorteilhafter Weise kann ein Teil des Drehmomentes auch die zwischen
Verflüssiger oder Verdampfer vorgesehene Kondensatpumpe antreiben. In Unteransprüchen
sind vorteilhafte Ausführungen angegeben, die eine Erhöhung des Wirkungsgrades der
Anlage durch Zwischenkühlung des den Drehschieberverdichter verlassenden Dampfes
bzw. Vorerwärmung der dem Verdampfer zugeführten Flüssigkeit ermöglichen. Weitere
Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Bpschreibung
und den Zeichnungen.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen
Kraftwärmekopplungs-Anlage, Fig. 2 einen Drehschieberververdichter, Fig. 3 eine
verbesserte Ausführungsform von Fig. 1, Fig. 4 eine gegenüber Fig. 3 alternative
Ausführungsform, Fig. 5 eine erweiterte Ausführungsform eines Drehschieberverdichters
nach Fig. 2,
Fig. 6 eine Anordnung mit mehreren Verdampfern, Fig.
7 eine Anordnung mit einem Unterkühlungssystem, Fig. 8 eine andere Anordnung mit
einem Unterkühlungssystem, Fig. 9 ein DruckEntalphi-Diagramm, Fig.10 einen Querschnitt
eines Drehschieber-Verdichters, Fig. 11 eine Unterkühlungsanordnung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Kältemittel in einem
Kreisprozeß durch Wärmetauscher geführt, die aus einem Temperaturniveau höherer
Temperatur Wärme entziehen und an das Wärmeträgermedium abgeben und in einem zweiten
Wärmetauscher überschüssige Wärme an ein Temperaturniveau niedrigerer Temperatur
abgeben. Als Wärmeträgermedium ist ein Kältemittel, z B. ein Fluorkohlenwasserstoff
oder ein Chlorkohlenwasserstoff verwendet. Derartige Kältemittel sind bekannt, z.
B. als Freone von der Firma Dupont.
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Eine ausgeführte Anordnung arbeitet z. B. mit einem Kältemittel mit
der Bezeichnung Freon R22.
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Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Fig.l gezeigt.
Ein Wärmetauscher 1 entnimmt einem Wärmeabgabemedium Wärmeenergie. Das Wärmeabgabemedium
kann z. B. die Luft, Grundwasser, Meerwasser, Flußwasser, Abwärme von Schiffsrnaschinen,
Kraftfahrzeugen, Kraftwerken oder andere Wärmequellen, die im Vergleich zum Wärmeabgabemedium
eine höhere Temperatur aufweisen, sein. In dem Wärmetauscher 1 wird die Wärmeenergie
an das Wärmeträgermedium, nämlich das
Kältemittel abgegeben. Dabei
verdampft das dem Wärmetauscher 1 in flüssiger Form zugeführte Kältemittel. Der
entstandene, gesättigte Dampf wird nun einem Drehschieberverdichter zugeführt, der
jedoch gegenüber seiner Verdichterfunktion in umgekehrter Richtung läuft. Dieser
Verdichter 3 weist einen Eingang 7 auf, der in einen scheibenförmigen Hohlraum 8
mündet. In diesem Hohlraum läuft eine Verdichterscheibe, die exzentrisch im Hohiraum
gelagert ist. Am Außenumfang der Scheibe befinden sich in radialer Richtung Nuten,
in die Lamellen eingesetzt sind. Bei Drehung der Scheibe mit einer genügenden Drehzahl
werden diese Lamellen gegen die innere Oberfläche des scheibenförmigen Hohlraumes
seitlich angedrückt.
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Derartige Drehschieberverdichter sind bekannt. Zwischen zwei aufeinander
folgenden Lamellen befinden sich dabei jeweils Hohlräume, die von dem Eingang 7
zum Ausgang 9 sich erweitern.
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Die Folge ist, daß der dem Eingang 7 zugeführte Dampf infolge der
sich vergrößernden Räume zwischen den Lamellen entspannt. Dadurch besteht ein Druckgefälle
zwischen dem Eingang 7 und dem Ausgang 9, welches dazu führt, daß die Scheibe innerhalb
des Hohlraumes dreht. An der Achse der Scheibe kann dann ein Drehmoment abgenommen
werden und vorzugsweise einem Elektrogenerator zugeführt werden.
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Der den Drchschieberverdichter 3 verlassende, im wesentlichen noch
gesättigte Dampf wird gemäß Fig. 1 einem weiteren Wärmetauscher 2 zugeführt, in
dem die überschüssige Wärme an ein Wärmeaufnahmemedium 6 abgegeben wird, wobei sich
der Dampf verflüssigt. Das Wärmeaufnahmemedium kann ebenfalls Luft, Seewasser, Meerwasser,
Grundwasser oder ein anderes Energieaufnahmemedium sein, dessen Temperatur geringer
ist als die Temperatur des Energieabgabemediums. Das verflüssigte, den Wärmetauscher
2 verlassende Kältemittel gelangt dann über eine Kondensatpumpe 4 wieder in den
Wärmetauscher 1, dem Verdampfer. Da das Druckniveau zwischen Verdampfer 1 und Wärmetauscher
2 im wesentlichen den Antrieb
des Drehschiebberverdichters 3 bewirkt,ist
es erforderlich, daß das unter niedrigem Druck stehende Kältemittel im Wärmetauscher
2 wieder auf den hohen Druck im Verdampfer 1 gebracht wird. Dies ist besonders einfach
erreichbar, wenn den Wärmetauscher 2 nur Flüssigkeit verläßt, die z. B.
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mittels einer Zahnradpumpe auf das im Verdampfer 1 dort herrschende
Druckniveau gebracht werden kann.
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Es hat sich gezeigt, daß bereits bei einer Temperaturdifferenz von
etwa 100 zwischen dem Wärmeabgabe- und dem Wärmeaufnahmemedium ein Betrieb einer
derartigen Wärmekraftkopplungsanlage mit Vorteil einsetzbar ist. Der Betrieb einer
derartigen Anlage ist je nach Wahl des Arbeitsmittels bei jeder beliebigen Temperatur
möglich, solange die Temperaturdifferenz zwischen Energieaufnahme und Energieabgabemedium
ausreichend groß ist.
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Die Auswahl des Arbeitsmittels richtet sich daher zunächst nach dem
vorhandenen Temperaturniveau der vorhandenen Energieträger. Bereits bei einer geringen
Temperaturerhöhung der Kältemittelflüssigkeit soll das Arbeitsmittel verdampfen,
dabei von der Wärmequelle möglichst viel Energie aufnehmen, so daß eine entsprechend
große Arbeitsmittel-Volumenleistung vorliegt. Dadurch wird ein entsprechender Dampfdruck
erzeugt, der den Drehschieberverdichter antreibt. Nach dem Austreten des Arbeitsmittels
aus dem Drehschieberverdichter soll es möglichst bereits flüssig sein oder durch
Abkühlen im Wärmetauscher 2 sich unmittelbar verflüssigen. Das Arbeitsmittel soll
dann so kalt wie möglich im flüssigen Zustand von einer Pumpe von einem niedrigen
Druck auf einen hohen Druck gepumpt werden, der sich im Verdampfer befindet. Müßte
anstelle einer Flüssigkeit ein Dampf auf ein erhöhtes Dampfdruckniveau gebracht
werden, wäre eine wesentlich höhere Pump- oder Kompressorleistung erforderlich.
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Fig. 3 zeigt eine erweiterte Ausführungsform von Fig. 1.
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Das im Verdampfer 1 in das Sattdampfgebiet geführte Kältemittel
wird
dem umgekehrt laufenden Drehschieberverdichter 3 zugeführt, in dem es entspannt
wird. Dabei wird an der Achse des Verdichters eine Arbeit abgegeben. Das Kältemittel
gelangt dann als Naßdampf über einen Wärmetauscher 10 in den Kondensator 2, in dem
es verflüssigt wird. Dabei gibt es die restliche Energie an einen Wärmespeicher
geringere Temperatur ab. Das verflüssigte Kondensat wird dann über eine Kondensatpumpe
4 und den Wärmetauscher 10 wieder an den Verdampfer 1 zurückgeführt. Durch den Wärmetauscher
10 wird der den Verdichter 3 verlassende Naßdampf durch das flüssige Kältemittel
unterkühlt. Dadurch ergibt sich ein besserer Wirkungsgrad des Kondensators 2. Gleichzeitig
wird der Druck im Niederdruckteil der Einrichtung verringert, so daß die Druckdifferenz,
die im wesentlichen für die zu gewinnende Energie maßgeblich ist, vergrößert ist.
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Zum Antrieb der Kondensatpumpe 4 eignet sich vorzugsweise ein weiterer
Drehschieberverdichter 11, der mit der Kondensatpumpe 4 gekuppelt ist. Der Verdichter
11 läuft ebenfalls in umgekehrter Richtung und wird von einem Teil des den Verdampfer
1 verlassenden Dampfes gespeist. Da die Energie zum Betrieb der Kondensatpumpe gegenüber
der Abtriebsenergie an dem Drehschieberverdichter 3 gering ist, reicht ein kleiner
Teil des den Verdampfer 1 verlassenden Dampfes aus, um die Kondesatpumpe anzutreiben.
Der den Verdichter 11 verlassende Dampf wird dem Eingang des Kondensators 2 oder
dem Eingang des Wärmetauschers 10 -zugeführt.
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Fig. 4 zeigt eine Einrichtung, in der der zum Antrieb der Pumpe 4
benötigte Dampf zwischen Verdampfer 1 und Drehschieberverdichter 3 abgenommen und
zwischen Drehschieberverdichter 3 und Wärmetauscher 10 wiedereingeführt wird.
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Parallel zum Drehschieberverdichter 3 ist ein weiterer Abzweig vorhanden,
der als regelbarer Bypass 12 ausgebildet
ist, um eine Regelung
bzw. Steuerung der gesamten Anlage zu ermöglichen. Der Bypass kann ein Drosselventil
sein, das je nach Abgabeleistung öffnet oder schließt oder es kann von Hand eingestellt
werden.
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Fig. 5 zeigt einen Drehschieberverdichter mit einer weiteren seitlichen
Einführung 13. Durch diese Einführung 13 kann in eine Zwischenstufe des Verdichters
Dampf mit geringerem Dampfdruck eingespeist werden.
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Fig. 6 zeigt eine Ausführungsanordnung mit einem Drehschieberverdichter
nach Fig. 5. Dabei sind anstelle eines Wärmetauschers 1, eines Verdampfers, zwei
Wärmetauscher 14 und 15 vorgesehen, die aus Wärmequellen mit unterschiedlichem Temperaturniveau
gespeist werden können. So kann z. B. einerseits das Kühlwasser eines Motors verwendet
werden und andererseits zusätzlich die Auspuffgase des Motors. Wegen des unterschiedlichen
Dampfdrucks in den beiden Verdampfern 14 und 15 wird vorzugsweise der Dampf des
Verdampfers 14 auf den Haupteingang 7 des Drehschieberverdichters weitergeleitet
und der Ausgang des Verdampfers 15 an den Eingang 13 des Drehschieberverdichters
3. Die Verteilung der Flüssigkeit aus der Kondensatpumpe 4 erfolgt über den Verdampfern
14 und 15 vorgeschaltete Magnetventile bzw. Schwimmerschalter.
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Je nach der Temperatur der vorhandenen Wärmeenergiespeicher und des
damit erzielbaren Dampfdrucks wird der Eingang 13 des Drehschieberverdichters im
räumlichen Verhältnis zum Haupteingang 7 des Drehschieberverdichters festgelegt.
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Fig. 7 zeigt eine Anordnung zur Zwischenkühlung des den Drehschieberverdichter
3 verlassenden Naßdampfes. Der Dampf wird in einen Behälter 16 eingeleitet, in den
zusätzlich ein geringer Teil der Kältemittelflüssigkeit eingespeist wird, der hinter
der Kondensatpumpe 4 abgezweigt wird. Damit verringert sich die Temperatur des Naßdampfes
und das Kondensat kann mit einer niedrigeren Temperatur
dem Kondensator
2 zugeführt werden.
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Fig. 8 zeigt eine Anordnung der Erfindung mit mehreren Zwischenkühlereinrichtungen.
Das den Drehschieberverdichter 3 hier verlassende Dampfgemisch wird über eine sich
in einem Behälter 17 befindliche Wärmetauscherschlange dem Wärmetauscher 10 zugeführt.
Dieser steht in Kontakt mit dem den Kondensator 2 verlassenden Kältemittel, das
weiter von der Kondensatpumpe 4 etwa in die Mitte des Behälters 17 eingepumpt wird.
Hier kühlt es über die Kühlschlangen den den Drehschieberverdichter verlassenden
Naßdampf. über einen Auslaß wird das Kondensat dann dem Verdampfer 1 zugeführt.
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Durch den Wärmetausch im Behälter 17 verdampft ein Teil des gepumpten
Kondensats bereits und dieser Dampf kann über eine Drossel 18 in eine Zwischenstufe
des Drehschieberverdichters 3 eingeführt werden. Dies erhöht ebenfalls den Wirkungsgrad.
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Eine weitere Verbesserung wird auch dadurch erreicht9 daß noch ein
geringfügiger Teil der Kondensatflüssigkeit unmittelbar hinter der Kondensatpumpe
4 abgezweigt und über ein Drosselventil unmittelbar an den Ausgang des Drehschieberverdichters
3 geleitet wird. Damit läßt sich eine Druckdifferenzerhöhung an dem Drehschieberverdichter
3 erreichen, denn durch die durch die Flüssigkeit bewirkte Verringerung der Temperatur
des aus dem Drehschieberverdichter 3 austretenden Naßdampfes wird eine Druckverminderung
erreicht, welche zu einer Erhöhung des Differenzdruckes führt und damit zu einer
Erhöhung der gewonnenen Arbeit.
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Fig. 9 zeigt ein Druck/Entalphi-Diagramm. Von Punkt 19 nach Punkt
20 erfolgt die Verdampfung und überhitzung im Verdampfer 1.
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Von 20 nach 21 kann die Arbeit im umgekehrt laufenden Drehschieberverdichter
abgenommen werden. Von 21 nach 22 erfolgt die Abkühlung des Kondensats und der Weg
von 22 nach 19 entspricht der Druckerhöhung durch die Kondensatpumpe 4.
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Durch entsprechende Zwischenkühlung, z. B. gemäß Fig. 8, kann ein
Weg erreicht werden, der anstelle von 20 über 21 nach 22 den Weg 20, 23, 22 nimmt.
Damit ist gezeigt, daß auf diese Weise die gewonnene Arbeit erhöht und gleichzeitig
die erforderliche Kühlarbeit verringert werden kann.
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Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform eines Drehschieberverdichters im
Querschnitt. Der scheibenförmige Läufer des Drehschieberverdichters wird seitlich
durch eine Platte 24 abgedichtet, die federnd gegen ein Gehäuseteil 25 festgelegt
ist. Bei einem zu großen Druck im Drehschieberverdichter wird dieser Druck seitlich
über die Platte 24 in abgehobenem Zustand entweichen. Damit läßt sich ein sehr sicherer
Betrieb des Verdichters erreichen. Desweiteren ist dargestellt, daß der Auslaß 9
des Drehschieberverdichters 3 seitlich von der Drehscheibe angeordnet ist. Dadurch
ist erreichbar, daß die Exzentrizität .der Scheibe im Verdichtergehäuse einstellbar
gemacht werden kann. Insbesondere erfolgt dies dadurch, daß die Achse der Drehschieberwelle
auf einem Exzenter angeordnet ist, der verstellbar ist.
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Fig. 11 zeigt eine Anordnung eines Verdampferbehälters 16, in dem
ein Auslaß durch einen Schwimmer 26 abgesperrt werden kann. Sobald die Flüssigkeit
im Behälter eine bestimmte Höhe überschreitet, öffnet der Schwimmer den Auslaß.
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Damit kann das Flüssigkeitsniveau auf einer bestimmten Höhe gehalten
werden.
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Die Funktionen der Verdampfer und des Kondensators 1 und 2 können
für bestimmte Zwecke auch vertauscht werden, nämlich wenn z. B. die Luft als Wärmeenergieträger
mit höherem Temperaturniveau in anderen Fällen eine niedrigere Temperatur aufweist.
Die entsprechende Umschaltung kann durch an geeigneter Stelle vorgesehene Magnet-
oder Handventile erreicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung läuft der Drehschieberverdichter
3 in seiner üblichen Richtung (Verdichterfunktion). Zum Entspannen des Dampfes sind
seitlich am Gehäuse ein oder mehrere Auslässe vorgesehen, die in die Leitung zum
Kondensator 2 münden. Einer der Auslässe kann auch zum Antrieb der Kondensatpumpe
verwendet werden. Trotz der Verdichtungsfunktion erfolgt an den jeweiligen Auslässen
eine Entspannung, die für tiefe Temperaturen des Kondensats sorgt.
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Bezugszeichenliste 1 Verdampfer 1 Kondensator 3 Krafterzeuger 4 Pumpe
5 Wärmeträger (hohes Energieniveau) 6 Wärmeträger (niedriges Energieniveau) 7 Eingang
8 Verdichterraum 9 Ausgang 10 Wärmetauscher 11 Drehschieberverdichter 12 Regelventil
13 Nebeneinlaß 14 Verdampfer 15 Verdampfer 16 Zwischenkühler 17 Behälter 18 Drosselventil
19, 20, 21, 22, 23 Fixpunkte 24 Platte 25 Gehäuseteil 26 Schwimmer