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In
einer Rohrleitung, die eine Flüssigkeit
mit vergleichsweise hohem Siedepunkt enthält, wird eine Flüssigkeit
mit niedrigerem Siedepunkt verdampft. Der Dampf beschleunigt die
Flüssigkeit.
In einer zentrifugenartigen Vorrichtung, im folgenden kurz „Zentrifuge" genannt, werden
Flüssigkeit
und Dampf getrennt und gleichzeitig die Flüssigkeit in zwei Teilströme aufgeteilt.
Dabei beschleunigt ein Teilstrom den anderen Teilstrom. Ein Teil
des gesamten Impulses dient zur Energiegewinnung mit Hilfe eines
elektrischen Generators oder zum Pumpen von Wärme mit Hilfe einer Strahlpumpe.
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Vorteile gegenüber anderen Wärmekraftmaschinen:
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- 1. Ein Antrieb mit einem Flüssigkeits-Dampf-Gemisch kommt
im Vergleich zu einem Antrieb mit reinem Dampf mit einer wesentlich
geringeren Strömungsgeschwindigkeit
des Arbeitsmittels aus.
Der Grund liegt in der größeren Masse
eines Flüssigkeits-Dampf-Gemischs,
das gegenüber
einem reinen Dampfstrom einen größeren Impuls
pro Volumeneinheit besitzt.
Das ermöglicht geringere Drehzahlen
einer Kraftmaschine.
- 2. Die Temperatur der im Kreis umlaufenden Arbeitsflüssigkeit
bleibt auf dem Niveau der Arbeitstemperatur. Reibungswärme, die
durch die Strömung
verursacht wird, trägt
zur Arbeitstemperatur bei und kann in Nutzarbeit umgewandelt werden.
- 3. Die Enthalpie des entspannten Dampfes, der in der Zentrifuge
abgetrennt wird, wird fast vollständig zur Vorerwärmung der
zu verdampfenden Flüssigkeit
verwendet.
Damit wird fast nur noch die Wärme abgeführt, die nicht mehr in Arbeit
umgeformt werden kann.
- 4. Die Aufteilung in zwei Teilströme, von denen der eine Teilstrom
den anderen beschleunigt, entspricht bei sonstigen Wärmekraftmaschinen
einem Motor, der mit einem Verdichter gekoppelt ist.
Die dazu
nötige
Vorrichtung ist aber sehr viel einfacher.
- 5. Mehrere Vorrichtungen dieser Art können hintereinander geschaltet
werden, sodass sowohl hohe Temperaturen genutzt als auch tiefe Temperaturen
erzielt werden können.
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Im Einzelnen
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I. Ansicht
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Verdampferrohrs, einer kegelförmigen Zentrifuge,
Wärmetauschern,
Strahlpumpe einer Kühlvorrichtung,
sowie eines Generators, der an die Achse der Zentrifuge angeschlossen
ist.
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2 zeigt
eine abgewandelte Vorrichtung
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II. Aufbau
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Vergleiche dazu 1.
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Ein
Verdampferrohr (1), das von einem Wärmetauscher (2) umgeben
ist, führt
in seiner Verlängerung
tangential in den mittleren Bereich einer kegelförmigen Zentrifuge (15).
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In
dieser Zentrifuge dreht sich ein Einsatz (14), der eine
Vielzahl von senkrecht angeordneten Lamellen enthält.
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Die
Lamellen können
eine gerade oder gebogene Form haben.
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Von
der Spitze der kegelförmigen
Zentrifuge führt
eine Rohrleitung (4) zu einem Wärmetauschergefäß (7)
und – an
dieses angeschlossen – zu
einem Kondensationsgefäß (11).
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Vom
Boden des Kondensationsgefäßes (11) führt eine
Rohrleitung (12) für
das Kondensat zur Ansaugöffnung
einer Strahlpumpe (9). Der Ausgang dieser Strahlpumpe ist
mit einer Rohrschlange (8) verbunden, die durch den Wärmetauscher
(7) führt und
dann über
eine Rohrleitung (5) zu der Eintrittsdüse (23) des Verdampferrohres
(1) gelangt.
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Eine
Abzweigung (13) der Rohrleitung für das Kondensat führt über ein
Drosselventil (18) zu einem Verdampfergefäß (20)
mit einem Wärmetauscher
(21) und von da aus über
eine Rohrleitung zur Ansaugöffnung
einer Strahlpumpe (22). Die Rohrleitung (19) für das Treibmittel
für diese
Strahlpumpe (22) ist mit dem Auslassstutzen am unteren
Ende der Zentrifuge verbunden.
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Die
Auslassöffnung
der Strahlpumpe (22) ist mit der Eintrittsdüse (23)
des Verdampferrohres verbunden.
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Schließlich führt eine
Rohrleitung (3) von der Spitze Zentrifuge (15)
aus zu einem mittleren Teil des Verdampferrohres (1), das
an dieser Stelle als eine Art Strahlpumpe ausgestaltet sein kann.
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An
der verlängerten
Achse des Einsatzes (14) der Zentrifuge (15) kann
der Anker eines elektrischen Generators (17) angebracht
sein.
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2
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Im
Verdampfer (40) befindet sich ein Wärmetauscher (41).
Am oberen Ende ist eine Strahlpumpe (24) angebracht. Der
Anschluss für
das Treibmittel dieser Strahlpumpe ist über eine Rohrleitung (34)
mit dem unteren Ausgang der Zentrifuge (32) verbunden.
Diese Rohrleitung (34) führt durch die Rohrschlange
(42) im Wärmetauscher
(40).
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Der
Anschluss für
das Saugmittel der Strahlpumpe führt über eine
Rohrleitung (26), in der sich ein Steuerventil (25)
befindet, sowie durch ein Wärmetauschergefäß (27)
zum Boden des Kondensationsgefäßes (28).
Im Kondensationsgefäß (28)
ist ein Wärmetauscher
(29) untergebracht.
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Vom
unteren Ende des Verdampfergefäßes (40)
führt eine
Rohrleitung (39) über
eine Strahlpumpe (38) und eine Zuleitung (36)
zu einem Bereich in der oberen Hälfte
der Zentrifuge.
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Die
Spitze der Zentrifuge ist über
eine Rohrleitung (37) mit der Zuleitung (36) der
Zentrifuge verbunden.
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Der
Sauganschluss der Strahlpumpe (38) führt über eine Rohrleitung (35)
zu einem Anschluss in der unteren Hälfte der Zentrifuge.
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III. Funktion
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1. Wärmezufuhr
auf nahezu gleich hohem Temperaturniveau
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Vergleiche 1
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Das
Verdampferrohr (1) ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die
bei der vorgesehenen Betriebstemperatur nicht siedet. Das Verdampferrohr
oder die Zuleitung zu demselben kann über einen Wärmetauscher (2) Wärme aufnehmen.
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In
das Verdampferrohr (1) wird eine Flüssigkeit eingespritzt, deren
Verdampfungstemperatur wesentlich niedriger liegt als die hoch siedende
Flüssigkeit.
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Als
hoch siedende Flüssigkeiten
kommen insbesondere Thermoöle
in Betracht, als niedrig siedende Flüssigkeiten z.B. Wasser, Methanol, Äthanol, Butan.
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Anstelle
einer niedrig siedenden Flüssigkeit kann
auch ein Gas verwendet werden. Für
hohe Temperaturen sind auch flüssige
Metalle denkbar.
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Die
eingespritzte, niedriger siedende Flüssigkeit verdampft in der erhitzten,
hoch siedenden Flüssigkeit.
Der Siedepunkt der niedriger siedenden Flüssigkeit sollte etwas unter
der Temperatur der zugeführten
Heizwärme
liegen, sodass die niedriger siedende Flüssigkeit unter dem Druck, der
im Verdampferrohr herrscht, verdampfen kann.
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Die
hoch siedende Flüssigkeit
wird durch den erzeugten Dampf zum einen Ende des Verdampferrohres
und zur Austrittsöffnung
im mittleren Bereich der Zentrifuge (15) hin beschleunigt.
Am anderen Ende des Verdampferrohres kann keine Flüssigkeit
austreten, da der Druck der einströmenden Flüssigkeit infolge der Beschleunigung
der Flüssigkeit
im unteren Teil der Zentrifuge größer ist als der Innendruck.
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Die
Mischung aus Flüssigkeit
und Dampf strömt
tangential in den mittleren Bereich der Zentrifuge (15)
ein.
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Durch
zentrifugale Kräfte
in der sich drehenden Flüssigkeit
sammelt sich der Dampf in einem annähernd zylinderförmigen Hohlraum
im inneren Bereich des kegelförmigen
Einsatzes (14). Dabei ist im oberen Teil der Zentrifuge
der Anteil der Flüssigkeit an
der Wand des Gefäßes am größten, während zur Mitte
hin der Dampfanteil überwiegt.
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Die
nach oben strömende
Flüssigkeit
bleibt zwischen den Lamellen des kegelförmigen Einsatzes (14)
eingeschlossen und gibt mit zunehmender Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit
in dem sich verkleinernden Umfang des Kegels ihren Impuls an den
kegelförmigen
Einsatz ab.
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Am
oberen Ende der kegelförmigen
Zentrifuge (15) wird die Flüssigkeit, die sich inzwischen
von dem Dampfanteil getrennt hat, durch eine Rohrleitung (3),
die tangential angebracht ist, abgeführt und in das verlängerte Verdampferrohr
(1) geleitet. Die Auslassöffnung dieser Rohrleitung zeigt
in die Strömungsrichtung
des Verdampferrohres.
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Der
Dampf, der in der Zentrifuge abgetrennt worden ist, gelangt über eine
Rohrleitung (4) zunächst
in einen Wärmetauscher
(7), in dem die Wärme
des Dampfes entzogen wird. Diese Wärme wird zur Vorerwärmung des
Flüssigkeitsgemischs
verwendet, das in der Strahlpumpe (9) erzeugt worden ist
und das in das Verdampferrohr eingespritzt wird.
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Anschließend kondensiert
der Dampf in einem Kondensationsgefäß (11). Die Kondensationswärme wird
durch einen Wärmetauscher
(10) z.B. an die Umwelt oder als Nutzwärme abgegeben.
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Die
im Kondensator (11) kondensierte Flüssigkeit wird zu einem Teil
von der Strahlpumpe (9) angesaugt, die mit einem kleinen
Teilstrom aus der Zentrifuge betrieben wird. Dieser Teilstrom wird
am Boden der Zentrifuge entnommen und die Durchflussmenge durch
ein Steuerventil (16) geregelt. In der Strahlpumpe wird
die zu verdampfende niedrig siedende Flüssigkeit auf den erforderlichen
Druck gebracht, mit dem sie in das Verdampferrohr einströmen kann.
Je nach der Menge der angesaugten zu verdampfenden Flüssigkeit
wird die Leistung der Zentrifuge vergrößert oder verringert.
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Die
aus der Zentrifuge mitgeführte
Wärme des
Teilstroms wird zum großen
Teil in dem Wärmetauscher
(6) abgegeben, in dem auch der aus der Zentrifuge kommende
Dampf seine Wärme
abgibt. Nach der Vermischung mit der in der Strahlpumpe (9) angesaugten
niedrig siedenden Flüssigkeit,
wird die abgegebene Wärme
weitgehend in dem parallel zum Wärmetauscher
(6) verlaufenden Wärmetauscher
(8) wieder aufgenommen.
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Am
Boden der Zentrifuge sammelt sich Flüssigkeit ohne Dampfanteil und
wird über
eine Rohrleitung (19) entnommen. Beim abwärts Strömen hat
die Flüssigkeit
durch die Vergrößerung des
Durchmessers der kegelförmigen
Zentrifuge (15) und die Führung der Lamellen im kegelförmigen Einsatz
(14) eine Beschleunigung erfahren, die groß genug
ist, damit dieser Teil der Flüssigkeit
gegen den Innendruck im Verdampferrohr (1) in dasselbe
einströmen
kann.
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Die
Kraft zur Beschleunigung wurde aus der zur Spitze der Zentrifuge
(15) strömenden
Flüssigkeit entnommen.
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Reibungswärme, die
bei all den Strömungsvorgängen durch
Verwirbelung entsteht, wird an die erhitzte Flüssigkeit abgegeben, die im
Kreislauf umläuft,
und kann wieder zur Verdampfung von weiterer niedrig siedender Flüssigkeit
genutzt werden.
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Die
Temperatur der Arbeitsflüssigkeit
bleibt während
des Betriebes in ähnlich
großer
Höhe wie die
Temperatur der eingesetzten Heizenergie.
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Der
Impuls der in die Zentrifuge einströmenden Flüssigkeit dient nicht nur zur
Beschleunigung einer Teilflüssigkeit.
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(Diese
Arbeitsleistung entspricht bei anderen Wärmekraftmaschinen dem Kompressor,
der ein Gas verdichtet.)
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Der
Impuls kann darüber
hinaus zur Erzeugung einer mechanischen Arbeit genutzt werden, die direkt
an der Achse des kegelförmigen
Einsatzes (14) der Zentrifuge (15) abgenommen
und z.B. in einem elektrischen Generator (17) genutzt werden
kann.
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Der
Impuls der im unteren Teil der Zentrifuge abgetrennten Flüssigkeit
kann auch in einer Strahlpumpe (22) genutzt werden. Die
Strahlpumpe saugt Dampf aus einem Verdampfergefäß (20), in das über eine
Rohrleitung (13) und ein Drosselventil (18) genügend leicht
verdampfbare Flüssigkeit
aus dem Kondensationsgefäß (11)
einströmt.
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Der
im Verdampfer (20) entstandene Dampf strömt zusammen
mit der Flüssigkeit,
mit der die Strahlpumpe (22) betrieben wird, in das Verdampferrohr
(1), in dem der Dampfanteil durch weitere Verdampfung von
niedrig siedender Flüssigkeit
erhöht wird.
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Schließlich wird
der gesamte Dampf im Kondensationsgefäß (11) kondensiert.
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Da
der durch die Strahlpumpe angesaugte Dampf eine niedrige Temperatur
hat, kann er vor dem Eintritt in die Strahlpumpe durch einen Wärmetauscher
erwärmt
werden. Der Wärmetauscher
wird mit einem Teil der Restwärme
des entspannten Dampfes betrieben.
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Mehrere
derartige Vorrichtungen, die mit unterschiedlich hoch siedenden
Flüssigkeiten
oder Mischungen von unterschiedlich hoch siedenden Flüssigkeiten
gefüllt
sind, können
in verschiedenen Stufen hintereinander geschaltet werden, sodass
die Abwärme
der einen Stufe zur Heizwärme
der nächsten Stufe
wird.
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Auf
diese Weise können
höhere
Temperaturen stufenweise genutzt werden oder tiefere Temperaturen
erzeugt werden als sie durch eine Stufe erreicht werden könnten.
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2. Wärmezufuhr
in einem abnehmendem Temperaturbereich
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Vergleiche 2
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Bei
manchen Anwendungen soll die in der Kraftmaschine oder Wärmepumpe
eingesetzte Heizenergie nicht auf einem gleich bleibend hohen Temperaturniveau
genutzt werden sondern in einem weiten Temperaturbereich, der von
der Maximaltemperatur bis zur Umgebungswärme reichen kann.
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Für solche
Anwendungen ist die nach 2 abgewandelte Konstruktion
vorgesehen.
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In
einen Verdampfer (40) wird über eine Strahlpumpe eine Mischung
von hoch siedender Flüssigkeit
und zu verdampfender Flüssigkeit
eingespritzt.
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Der
Verdampfer ist mit geeigneten Füllelementen
bestückt, über die
das Flüssigkeitsgemisch herunterrieselt.
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Die
zu verdampfende Flüssigkeit
besteht aus einem Gemisch verschieden hoch siedender Flüssigkeiten,
deren Siedepunkt von einer Temperatur nahe der Umgebungswärme bis
zur maximal eingesetzten Temperatur reichen kann.
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Während des
Herunterrieselns durch den Verdampfer verdampfen zunächst die
niedrig siedenden Anteile des Flüssigkeitsgemischs
und nach und nach die höher
siedenden.
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Die
dazu nötige
Heizenergie wird zu einem Teil durch einen Wärmetauscher (41) zugeführt.
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Zu
einem anderen Teil stammt die Heizenergie aus der Abkühlung eines
Teilstroms der hoch siedenden Flüssigkeit,
die am Boden der Zentrifuge über
die Rohrleitung (34) entnommen wird und durch die Wärmetauscherschlange
(42) im Verdampfer strömt.
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Die
in der Wärmetauscherschlange
(42) abgekühlte,
hoch siedende Flüssigkeit
strömt
dann mit etwa der Temperatur, die das Kondensat aus dem Kondensationsgefäß (28)
mitbringt, in den Verdampfer ein. Die Menge der Flüssigkeit
soll gerade ausreichen, um die zu verdampfende Flüssigkeit
in das Verdampfergefäß einzuspritzen.
Es soll vermieden werden, dass größere Mengen der hoch siedenden
Flüssigkeit
erst abgekühlt
und dann wieder erhitzt werden.
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Am
unteren Ende des Verdampfers (40) strömt der erzeugte Dampf, vermischt
mit einem kleinen Anteil an hoch siedender Flüssigkeit durch eine Rohrleitung
(39) in eine Strahlpumpe (38) und saugt über eine
Rohrleitung (35) Flüssigkeit
aus einem Bereich aus der unteren Hälfte der Zentrifuge an. Diese Flüssigkeit
wird tangential entnommen.
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In
der an die Strahlpumpe sich anschließenden Zuleitung (36)
zur Zentrifuge wird die Mischung von Flüssigkeit und Dampf in die Zentrifuge
transportiert und strömt
tangential in einen Bereich in der oberen Hälfte der Zentrifuge (32).
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Flüssigkeit
und Dampf werden wie oben, unter 1 beschrieben,
getrennt. Die nach oben strömende
Flüssigkeit
gibt in dem enger werdenden Kegel der Zentrifuge ihren Impuls weitgehend
an den drehbaren Einsatz (31) und dessen Lamellen ab. Der nach
unten strömende
Teil der Flüssigkeit
wird zum großen
Teil über
eine Rohrleitung (35) der Strahlpumpe (38) zugeführt und
zu einem kleineren Teil und mit erhöhtem Impuls am Boden der Zentrifuge
entnommen und über
die Rohrleitung (34) dem Verdampfergefäß (40) wieder zugeführt.
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Die übrigen Teile:
Drosselventil (25), Wärmetauschergefäß (27),
Wärmetauscher
(29) und Generator (33) sind wie unter 1 beschrieben.
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Außer einem
Generator kann auch eine Strahlpumpe zum Pumpen von Wärme in die
Rohrleitung (35), die aus der unteren Hälfte der Zentrifuge kommt,
eingebaut werden.
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Die
beschriebenen Vorrichtungen können auch
als Wärmetransformator
genutzt werden, wobei Wärme
von höherer
Temperatur als die eingesetzte Wärme
erzeugt wird. Gleichzeitig muss dabei ein entsprechend großer Teil
an Wärme
auf niedrigem Temperaturniveau abgeführt werden.
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Zu
diesem Zweck kann einfach ein Teil des Flüssigkeits-Dampf-Gemischs, das
nach 1 im Verdampferrohr erzeugt worden ist oder nach 2 durch
die Zuleitung (36) zur Zentrifuge transportiert wird, in
ein Gefäß abgezweigt
werden, in dem das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch
gestaut wird. Durch den Staudruck kondensiert ein Teil des Dampfes. Durch
die Kondensation und durch Verwirbelung wird Wärme erzeugt, die eine höhere Temperatur
als die im Verdampferrohr oder im Verdampfer eingesetzte Wärme hat.
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Diese
Wärme kann
durch einen Wärmetauscher
abgeführt
werden.