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Die
Erfindung betrifft eine Kälteanlage
mit einem inneren Wärmeübertrager
und einem geregelten Expansionsventil.
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Kälteanlagen
sollen erstens einen einfachen und kostengünstigen Aufbau haben, zweitens
eine einfache und stabile Regelung aufweisen und drittens eine möglichst
niedrige Antriebsleistung benötigen.
Oft stehen diese drei Anforderungen in Konflikt miteinander. Der
gewählte
Kompromiss geht meistens zu Lasten eines erhöhten Energieverbrauchs.
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Eine
einfache Kälteanlage
nach dem Stand der Technik besteht aus einem oder mehreren parallelen
Verdichtern, einem Verflüssiger
und einem Sammler, einem oder mehreren Verdampfern und einem Drosselorgan
pro Verdampfer. Das Drosselorgan reguliert mit Hilfe eines Sensors
den Kältemittelmassestrom
zum Verdampfer in Abhängigkeit
von der Überhitzung
des Kältemittels
nach dem Verdampfer. Diese Regelung sichert eine ausreichende Versorgung
der Verdampfer mit flüssigem
Kältemittel und
schützt
gleichzeitig den Verdichter gegen Flüssigkeitsschläge.
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Die
Anlagen mit einem solchen Kreislauf sind zuverlässig und kostengünstig, haben
aber meistens den Nachteil, dass bei der Projektierung des Systems oder
im Betrieb eine relativ tiefe Verdampfungstemperatur gewählt wird,
um genügend
Temperaturdifferenz für
die angestrebte Überhitzung
des Dampfes zu erhalten. Diese relativ tiefe Verdampfungstemperatur führt zu einem
erhöhten
Energieverbrauch, der Notwendigkeit zu häufigem Abtauen und bei Luftkühlern zu
inhomogener Luftaustrittstemperatur.
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Es
ist bekannt, dass bei Kaltdampfkälteanlagen
die Verdampfungstemperatur des Kältemittels
einen sehr großen
Einfluss auf die Antriebsleistung hat; eine um 1 K niedrige Verdampfungstemperatur
verursacht eine um etwa 2,5 % höhere
Antriebsleistung. Eine Kälteanlage
mit einer Verdampfungstemperatur von –8°C hat somit eine um etwa 15
% höhere
Antriebsleistung als eine mit einer Verdampfungstemperatur von –2°C.
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Trotzdem
wird in der Praxis, z.B. bei Kühlhäusern und
Supermärkten,
meist die tiefere Verdampfungstemperatur gewählt, weil dadurch eine kostengünstige Regelung
mit thermostatischen Expansionsventilen möglich wird. Dabei nimmt man
in Kauf, dass die bei einer Verdampfungstemperatur von –8°C auftretende
Frostbildung ein häufiges
Abtauen des Verdampfers nötig
macht, wodurch die Antriebsleistung noch zusätzlich erhöht wird.
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Außerdem ist
zusätzlich
nachteilig, dass sich bei der großen Differenz zwischen der
Verdampfungstemperatur des Kältemittels
und der Luftaustrittstemperatur relativ große Inhomogenitäten bei
der Luftaustrittstemperatur ergeben, was oft zu einer größeren Wasserdampfausscheidung
als nötig
führt. Dadurch
wiederum wird den kühlgelagerten
Lebensmitteln beispielsweise mehr Feuchtigkeit als erwünscht entzogen.
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Die
Wahl der relativ tiefen Verdampfungstemperatur hängt in erster Linie mit dem
Wunsch zusammen, für
die Drosselung des Kältemittels
in die einzelnen Verdampfer thermostatische Expansionsventile (TEV)
einsetzen zu können.
Diese ermöglichen
eine stabile Regelung mit ausreichendem Schutz der Kompressoren
vor Flüssigkeitsschlägen und
eine stabile Füllung
des Verdampfers mit flüssigem
Kältemittel.
Da das TEV trotz seines einfachen Aufbaus in sich alle wichtigen
Elemente eines Regelkreises enthält
(Messfühler,
Soll-Ist-Vergleich, Regler und Stellglied), ist es äußerst kostengünstig.
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Eine
wichtige Voraussetzung für
den Einsatz des TEV ist jedoch, dass das Kältemittel im Verdampfer vollständig verdampft
und anschließend
auch noch deutlich überhitzt
wird. Dies ist jedoch nur möglich,
wenn die Verdampfungstemperatur deutlich tiefer ist als das zu kühlende Medium,
wie beispielsweise die zu kühlende
Luft.
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Damit
besteht im Stand der Technik das bislang unzureichend gelöste Problem,
dass die Verwendung eines regelungstechnisch und kostenbezogen günstigen
TEV zu einer nachteilig tiefen Verdampfungstemperatur führt. Zu
erwähnen
ist weiterhin, dass bei der Inbetriebsetzung von Anlagen in der Praxis
der Sollwert für
die Überhitzung
erfahrungsgemäß noch höher als
vom Projektanten geplant angesetzt wird, um Flüssigkeitsschläge im Verdichter
sicher auszuschließen.
Durch diese Praxis kommt es zu einer weiteren energetischen Verschlechterung
im Anlagenbetrieb.
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Um
die beschriebenen negativen Folgen des Einsatzes eines TEV etwas
zu mildern, wird oft ein so genanntes elektronisches Expansionsventil
eingesetzt, welches eine etwas feinere Regelung ermöglicht.
Dadurch entstehen jedoch erhebliche Zusatzkosten.
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Diese
Nachteile werden im Ansatz von der in der
DE 203 13 777 U1 beschriebenen
Erfindung behoben. Die offenbarte Kälteanlage weist ein thermostatisches
Expansionsventil und einen inneren Wärmeübertrager auf, bei dem der
Temperaturfühler
zwischen dem inneren Wärmeübertrager
und dem Verdichter angeordnet ist.
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Der
innere Wärmeübertrager
ist ein in der Kältetechnik
bekanntes Bauelement, das aber bisher wegen verbreiteten Vorurteilen
im Stand der Technik nicht im Zusammenhang mit dem TEV eingesetzt wurde.
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Beim
inneren Wärmeübertrager
handelt es sich um einen Apparat, in welchem in einer Hochdruckpassage
das Kondensat vom Verflüssiger
kommend abgekühlt
und in der Niederdruckpassage der Niederdruckdampf vom Verdampfer
kommend erwärmt
wird. Der Effekt des inneren Wärmeübertragers
besteht darin, dass für
die Effizienz positiv die spezifische Kälteleistung steigt, jedoch
negativ auch die Antriebsleistung des Verdichters erhöht wird.
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Es
gibt theoretische Berechnungen die zeigen, wann der Einsatz eines
inneren Wärmeübertragers
energetisch sinnvoll ist. Entscheidende Parameter sind die Verdampfungswärme des
Kältemittels und
die spezifische Wärme
des Kältemitteldampfes. So
ist im Stand der Technik allgemein bekannt, dass für Kältemittel
mit niedrigem Molekulargewicht, wie z.B. NH3,
der innere Wärmeübertrager
nachteilig ist, für
schwere Kältemittel,
wie die Kohlenwasserstoffe oder Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) und
ihre Gemische, der Einsatz energetisch vorteilhaft ist.
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Es
ist jedoch festzustellen, dass der innere Wärmeübertrager in der Praxis relativ
selten eingesetzt wird, auch wenn energetische Vorteile theoretisch
damit verbunden wären.
Die Ursachen sind darin zu sehen, dass
- – der Druckverlust
die mögliche
Energieeinsparung verkleinert,
- – Zusatzkosten
für das
zusätzliche
Bauelement entstehen und
- – der
innere Wärmeübertrager
nicht mit dem TEV kompatibel ist.
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Im
Stand der Technik sind jedoch auch Einsatzgebiete für innere
Wärmeübertrager
bekannt, wie beispielsweise
- – beim Haushaltskühlschrank,
um den Saugstrom soweit aufzuwärmen,
dass er beim Austritt aus der Wärmedämmung keine
Feuchtigkeit aus der Luft auskondensiert und
- – in
einer Schaltung, bei welcher gezielt noch Flüssigkeit aus dem Verdampfer
austreten soll. Dabei wird am Austritt aus dem Verdampfer ein Flüssigkeitsabscheider
angeordnet. Die abgeschiedene Flüssigkeit wird
vom warmen Kondensat verdampft, bevor dieses gedrosselt wird. Das Drosselventil
wird vom Flüssigkeitsstand
im Abscheider geregelt. In diesem Fall dient der in den Abscheider
eingebaute innere Wärmeübertrager somit
zur Verdampfung der überschüssigen Flüssigkeit,
nicht jedoch zum Überhitzen
des Dampfes.
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Charakteristisch
für die
beiden vorgenannten Anwendungen ist, dass sie nicht mit einem thermostatischen
Expansionsventil ausgerüstet
sind. Beim Haushaltskühlschrank
arbeitet man mit einer ungeregelten Kapillare, bei der Anordnung
mit dem Abscheider mit einem Flüssigkeitsniveau-Regler.
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Wenn
innere Wärmeübertrager
eingesetzt werden, dann erfolgte die Schaltung bisher immer als Gegenstromwärmeübertrager.
Der innere Wärmeübertrager
wird deshalb auch als Unterkühlungsgegenströmer bezeichnet.
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In
der
DE 203 13 777
U1 wird durch die Kombination von TEV und innerem Wärmeübertrager
die Restverdampfung des flüssigen
Kältemittels
und die gewünschte Überhitzung
im inneren Wärmeübertrager
durchgeführt.
Dabei wird der Temperaturfühler des
Drosselorgans nach dem inneren Wärmeübertrager
auf der Sauglinie platziert. Dadurch kann die Überhitzung des Kältemittels
nicht im Verdampfer, sondern im inneren Wärmeübertrager stattfinden. Das
führt zur
gewünschten
Verringerung der Temperaturdifferenz im Verdampfer, und der gesamte
Kältekreislauf
kann bei höherer
Verdampfungstemperatur geführt
werden.
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Nachteilig
an dieser Lösung
ist jedoch, dass diese Anordnung regelungstechnisch vor allem bei Lastwechseln
nicht bzw. nur unzureichend funktioniert.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kälteanlage zur Verfügung zu
stellen, in welcher weiterhin ein TEV verwendet und trotzdem die Verdampfungstemperatur
deutlich angehoben werden kann und die ein stabiles Regelverhalten
aufweist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch eine Kälteanlage gelöst, welche
aus einem oder mehreren parallelen Verdichtern, einem Verflüssiger,
einem Kältemittelsammler,
einem oder mehreren parallelen Verdampfern und einem Expansionsventil
pro Verdampfer sowie einem inneren Wärmeübertrager pro Verdampfer mit
einer Hochdruck- und einer Niederdruckpassage ausgebildet ist, wobei
das Expansionsventil von einem Temperaturfühler gesteuert wird, welcher
in der Niederdruckleitung stromabwärts nach der Niederdruckpassage
des inneren Wärmeübertragers
und vor dem Verdichter angeordnet ist, wobei der innere Wärmeübertrager
als Gleichstromwärmeübertrager
in der Kälteanlage
angeordnet ist.
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Die
Konzeption der Erfindung besteht darin, dass die Überhitzung
des Kältemittels
nicht im Verdampfer durchgeführt
wird, sondern in einem inneren Wärmeübertrager
stattfindet. Erfindungswesentlich ist dabei, dass der innere Wärmeübertrager
als Gleichstromwärmeübertrager
ausgebildet ist.
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Überraschenderweise
wurde gefunden, dass die Ursache für die unzureichende Stabilität der Regelung
bei Einsatz eines inneren Wärmeübertragers in
Gegenstromschaltung eine positive Rückkopplung im inneren Wärmeübertrager
ist, die schneller ist als der Regelkreis des Expansionsventils.
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Kommt
etwas zu viel flüssiges
Kältemittel aus
dem Verdampfer, so führt
dies im kälteren
Teil des inneren Wärmeübertragers
in Gegenstromschaltung sehr schnell zu einer zusätzlichen Unterkühlung des
Kondensats. Durch die tiefere Temperatur steigt der Massestrom durch
das Expansionsventil, ohne dass sich das Expansionsventil verstellt.
Dies passiert, bevor der Temperaturfühler vom Expansionsventil überhaupt
eine Veränderung
bemerkt hat. Die Vergrößerung des
Massestromes ist aber genau die falsche Reaktion. Bei Flüssigkeitsaustritt
aus dem Verdampfer sollte der Massestrom durch das Expansionsventil
eigentlich verringert werden.
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Erfindungsgemäß wirkt
die Gleichstromschaltung des inneren Wärmeübertragers diesem Effekt entgegen.
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Die
Schaltung des inneren Wärmeübertragers
als Gleichstromwärmeübertrager
führt dabei
zu folgendem wesentlichen Vorteil:
- • Die Veränderungen
des Flüssigkeitsgehalts
am Austritt aus dem Verdampfer werden vom Temperaturfühler des
Expansionsventils früher
wahrgenommen als vom Expansionsventil selber. Dadurch hat der Regler
ausreichend Zeit, richtig zu reagieren.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein zweiter
innerer Wärmeübertrager pro
Verdampfer in der Kälteanlage
vorgesehen. Alternativ dazu wird der zweite innere Wärmeübertrager
gleichzeitig für
mehrere oder alle Verdampfer vorgesehen.
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Eine
alternative Schaltung des zweiten inneren Wärmeübertragers besteht darin, dass
der zweite innere Wärmeübertrager
als Gleichstromwärmeübertrager
ausgebildet ist, dessen Niederdruckpassage nach dem Temperaturfühler und
vor dem Verdichter angeordnet ist und dessen Hochdruckpassage nach der
Hochdruckpassage des ersten inneren Wärmeübertragers und vor dem Expansionsventil
angeordnet ist.
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Bei
dieser Schaltung nimmt der Messfühler Veränderungen
am Flüssigkeitsgehalt
des Verdampfers noch deutlich früher
wahr als das Expansionsventil selber. Die Regelung wird also noch
weiter stabilisiert.
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Eine
alternative Schaltung des zweiten inneren Wärmeübertragers besteht darin, dass
der zweite innere Wärmeübertrager
als Gegenstromwärmeübertrager
ausgebildet ist, dessen Niederdruckpassage nach dem Temperaturfühler und
vor dem Verdichter angeordnet ist und dessen Hochdruckpassage vor
der Hochdruckpassage des ersten inneren Wärmeübertragers angeordnet ist.
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Diese
Schaltung führt
bei Kältemitteln,
bei welchen der innere Wärmeübertrager
von sich aus schon zu einer Verringerung des Leistungsbedarfs führt, also
bei den Kohlenwasserstoffen und den Fluorkohlenwasserstoffen, zu
einer weiteren Verringerung des Leistungsbedarfs.
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Handelt
es sich beim zweiten inneren Wärmeübertrager
um einen Gegenstromwärmeübertrager,
so kann er auch für
mehrere Verdampfer gleichzeitig eingesetzt werden.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das oder die Expansionsventile
als thermostatische Expansionsventile ausgeführt werden.
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Weiterhin
kann das Expansionsventil auch als elektronisches Expansionsventil
ausgeführt
werden.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme
auf die zugehörigen
Zeichnungen. Es zeigen:
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1:
Blockschaltbild einer Kälteanlage
mit thermostatischem Expansionsventil und innerem Wärmeübertrager
in Gleichstromschaltung,
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2:
Blockschaltbild einer Kälteanlage
mit thermostatischem Expansionsventil und zwei inneren Wärmeübertragern,
wobei ein innerer Wärmeübertrager
in Gegenstrom- und ein zweiter innerer Wärmeübertrager in Gleichstromschaltung
angeordnet ist.
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3:
Blockschaltbild einer Kälteanlage
mit thermostatischem Expansionsventil und zwei inneren Wärmeübertragern,
wobei beide innere Wärmeübertrager
in Gleichstromschaltung angeordnet sind,
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In 1 ist
ein Blockschaltbild einer Kälteanlage
mit thermostatischem Expansionsventil und innerem Wärmeübertrager
in Gleichstromschaltung dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Grundidee
wird dadurch realisiert, dass die erwähnte Rückkopplung bei Einsatz eines
inneren Wärmeübertragers
in üblicher Gegenstromschaltung
ganz ausgeschaltet wird oder zumindest signifikant verlangsamt wird,
so dass diese Reaktion langsamer ist als die Reaktion des Regelkreises
des thermostatischen Expansionsventils. Dabei ist entscheidend,
dass die Kühlwirkung
des aus dem Verdampfer austretenden – eventuell feuchten – Dampfes
nicht direkt zum Expansionsventil durchdringt.
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In
der Ausgestaltung der Erfindung nach 1 wird der
innere Wärmeübertrager
als Gleichstromwärmeübertrager 5 realisiert.
Die Kälteanlage wird
durch den Verdichter 1, den Verflüssiger 8, das thermostatische
Expansionsventil 2 und den Verdampfer 3 gebildet,
wobei der innere Wärmeübertrager 5 in
Gleichstromschaltung mit seiner Hochdruckpassage zwischen den Verflüssiger 8 und
das Expansionsventil 2 und mit seiner Niederdruckpassage
zwischen den Verdampfer 3 und den Verdichter 1 geschaltet
ist. Bei dieser Anordnung ist der Regelkreis mit Temperaturfühler 4 und
Expansionsventil 2 schneller als die Rückkopplung im inneren Wärmeübertrager 5.
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Mit
dieser Schaltung kann die Überhitzung komplett
aus dem Verdampfer ausgelagert werden. Das führt zur Möglichkeit, bei deutlich höherer Verdampfungstemperatur
zu arbeiten. Der Kältekreislauf funktioniert
stabil und hat folgende Vorteile:
- • niedrigerer
Energieverbrauch,
- • somit
kleinere Umweltbelastung,
- • größere volumetrische
Kälteleistung,
- • genauere
Temperaturregelung der gekühlten Luft
möglich,
- • weniger
Frostbildung und dadurch weniger Abtaubedarf,
- • kleinerer
Wärmedämmungsbedarf
und somit weniger Platzbedarf für
die Saugleitung.
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In 2 und 3 sind
alternative Gestaltungen mit zwei inneren Wärmeübertragern dargestellt.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild einer Kälteanlage
mit thermostatischem Expansionsventil 2 und zwei inneren
Wärmeübertragern 5, 6,
wobei ein innerer Wärmeübertrager 5 in
Gleichstrom- und ein zweiter innerer Wärmeübertrager 6 in Gegenstromschaltung
angeordnet ist. Der Verdichter, der Verflüssiger und der Sammler der
Kälteanlage
ist zu einer Verflüssigereinheit 9 kombiniert.
Der innere Wärmeübertrager 5 in
Gleichstromschaltung ist unmittelbar dem Verdampfer 3 und
dem Expansionsorgan 2 vor- und nachgeschaltet. Der zweite
innere Wärmeübertrager 6 in
Gegenstromschaltung ist dem ersten inneren Wärmeübertrager 5 vor- und
nachgeschaltet, jeweils in Bezug auf die Kältemittelströmungsrichtung
betrachtet.
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3 zeigt
ein Blockschaltbild einer Kälteanlage
mit thermostatischem Expansionsventil 2 und zwei inneren
Wärmeübertragern 5, 6,
wobei beide innere Wärmeübertrager 5, 6 in
Gleichstromschaltung angeordnet sind. Dabei ist der innere Wärmeübertrager 5 mit
seiner Hochdruckpassage der Hochdruckpassage des inneren Wärmeübertragers 6 und
dieser dem Expansionsorgan 2 vorgeschaltet, wohingegen
die Niederdruckpassage 7 zuerst den inneren Wärmeübertrager 5 und
dann den inneren Wärmeübertrager 6 in
Kältemittelströmungsrichtung
verbindet.
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Die
Schaltungen von 1 und 3 sind für alle Kältemittel
vorteilhaft. 3 ist besonders geeignet, wenn
die geforderte Kälteleistung
stark schwankt und eine besonders stabile Regelung gefordert wird.
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Die
Schaltung von 2 ist besonders für die Kohlenwasserstoffe
und Fluorkohlenwasserstoffe als Kältemittel geeignet.
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- 1
- Verdichter,
Kompressor
- 2
- Expansionsventil
- 3
- Verdampfer
- 4
- Temperaturfühler
- 5
- erster
innerer Wärmeübertrager,
Gleichstromwärmeschaltung
- 6
- zweiter
innerer Wärmeübertrager
- 7
- Niederdruckpassage,
Niederdruckleitung
- 8
- Verflüssiger,
Kondensator
- 9
- Verflüssigereinheit