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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur
Verflüssigung
eines oder mehrerer Gase oder Gasgemische, in dem dieses mindestens
eine temperaturbezogene Kondensationsstufe durchströmt, wobei
das Gas oder das Gasgemisch in der konzipierten Vorrichtung komplett
oder teilweise kondensiert, wobei mindestens einem Wärmetauscher,
der dafür
erforderliche thermische Energiefluss in der Weise zugeführt wird, dass
dieser durch mindestens eine thermischen Energiequelle über mindestens
einen Verdampfer und über
mindestens ein diverses Wärmedurchgangssegment
erfolgt, wobei durch dieses der Energieausgleich und damit die Haltung
der Temperatur des Wärmetauschers
geschieht in der Weise, dass der Wärmestrom vom Verdampfer zum
Wärmetauscher dosiert
abgeleitet wird. Bei diesem Verfahren und durch diese Vorrichtung
ist die aufzuwendende thermische Energie minimiert, da durch die
unmittelbare Einspeisung thermischer Energie in den Verdampfer einerseits
die Übertragungsverluste
gemieden und minimiert werden und andererseits auf Übertragungsvorrichtungen
verzichtet wird, in denen die thermische Energie durch ein zusätzliches
Medium übertragen
wird.
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Stand
der Technik ist, dass durch ein oder mehrere Kondensationsgefäße ein Gas
oder Gasgemisch geleitet wird und dabei die erforderliche thermische
Energie von mindestens einem Kaltwassersatz bereitgestellt wird.
Die gespeicherte thermische Energie wird durch eine oder mehrere
Pumpen durch ein oder mehrere Rohrsysteme zu den Kondensationsgefäßen transportiert.
Der thermische Energieaustausch geht dabei in der Weise von statten,
dass der Kaltwassersatz bzw. dessen Medium einerseits die kühlere thermische
Energie am Kondensationsgefäß abgibt
und andererseits die wärmere
Kondensationsenergie vom Medium aufgenommen wird. Bei Verwendung
eines Kälteaggregats
und mindestens zwei Kondensationsgefäßen, die unterschiedlich temperiert
werden sollen, wird der dazu notwendige Medienkreis medial und thermisch
geteilt, wobei durch thermische Zusatzbehandlung mindestens ein weiterer
Medienkreis geschaffen wird, der für die thermische Behandlung
des weiteren Kondensationsgefäßes zuständig ist.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt das Problem zu Grunde, dass Geräteteile
wie Speicher, Pumpen etc. notwendig sind und dass durch die Medienkreise
zusätzliche
Wärmeübergangsverluste
und Wärmedurchgangsverluste
auftreten. Zum anderen sind die Förderverluste stets gegenwärtig. Zudem bedarf
es einer großen
Zeitspanne, um dynamische Vorgänge
wie Störeinflüsse hinreichend
schnell auszugleichen. Entsprechendes gilt bei veränderten Sollwerten,
wobei hinreichend schnell eine Medientemperaturänderung zu erzwingen ist. Dabei
wirkt sich sowohl die große
Wärmekapazität des Mediums als
auch die Wärmekapazitäten der
Peripherien wie Rohre, Ventilkörper
etc. ungünstig
auf das dynamische Verhalten aus, was ein ungünstiges Einschwingens- und
Toleranzverhaltens bewirkt.
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Nachteilig
wirkt sich zusätzlich
die Totzeit aus, die durch das Umwälzen, dem Transport des Mediums
hervorgerufen wird. Ein zeitlich versetztes Temperieren der Kondensationsgefäße ist die
Folge. Besonders ungünstig
ist dieser Effekt bei großen Massenströmen oder
großen
Wärmekapazitäten zu finden,
was ein zusätzliches
träges
Einschwingen beinhaltet.
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Eine
gattungsmäßige Vorrichtung
ist aus der entsprechenden Patentschrift
DE 100 18 096 C1 bekannt.
Bei dieser Vorrichtung werden ein oder mehrere Kondensatgefäße genutzt,
wobei im jeweiligen Gefäß das zu
behandelnde Gas eine mäanderförmige Durchströmung erfährt, und
wobei dieses durch ein oder mehrere Kondensationsgefäße geleitet
wird.
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Nachteilig
ist bei dieser bekannten Vorrichtung, dass der im Kondensationsgefäß vorgegebene mäanderförmige Strömungsverlauf
bei großen
Gasströmungen
einen hohen Druckverlust hervorruft, so den Systemdruck verändert und
somit oft einen ungünstigen
Kondensierungsablauf mit sich bringt. Bei großer Gasströmung und bei gleichzeitig geordertem geringem
Druckverlust ist ein großer
Strömungsquerschnitt
der Mäander
erforderlich, was zu einem voluminösen Kondensationsgefäß führt.
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Das
gewünschte
Anwendungsprofil von Kondensierungsgeräten ist einerseits gekennzeichnet durch
einen günstigen
Wirkungsgrad und andererseits durch schonende Behandlung des Kondensierungsgutes.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht also darin, ein Kondensierungsgerät darzustellen,
welches die Kondensierung von Gas oder Gasgemischen in der Weise
ermöglicht,
dass durch das Kondensierungsgerät
ein günstiger
Wirkungsgrad erzielt wird, durch die Kompaktheit ein verlustarmer
Prozessablauf garantiert wird, welcher einen geringen thermischen
Energiebedarf beinhaltet und auf zusätzliche Übertragungseinrichtungen wie
Kaltwassersätze
verzichtet wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass ein oder mehrere Gase oder Gasgemische durch eine Vorrichtung,
welche eine oder mehrere Kondensationsstufen beinhaltet, geleitet
wird und es dort je nach Anforderung komplett oder teilweise kondensiert. Das
Kondensierungsgerät
ist hinsichtlich der Übertragungsverluste
in der Weise minimiert, dass der Verdampfer unmittelbar mit dem
Kälteaggregat
verbunden ist. Vorzugsweise findet der Flächenverdampfer aus der Patentschrift
DE 10 2004 056 409 B3 Verwendung.
Der oder die Wärmetauscher
werden in der Weise betrieben, dass der Energiefluss und folglich
die Haltung ihrer Temperatur über
mindestens ein Wärmedurchgangssegment
erfolgt. Den variierenden Bedingungen, die auf Grund der sich ändernden
Gasmengen oder Gasgemische hervorgerufen werden, wird begegnet indem
der vom Verdampfer ausgehende Wärmestrom über das
Wärmedurchgangssegment
dosiert zum Wärmetauscher nachgeführt wird
und somit die Temperatur stets angepasst wird. Bevorzugt finden
Wärmetauscher
gemäß der Patentschrift
DE 102 22 443 C1 Verwendung.
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Verdampfer
oder Wärmetauscher
deren Temperatur tiefer als die der übrigen Wärmetauscher eingestellt ist,
werden als Energiequelle von benachbarten und weiteren Wärmetauschern
genutzt, wobei der Wärmestrom über jeweils
ein Wärmedurchgangssegment
weitergeleitet wird. Das Wärmedurchgangssegment
ist von der Art, dass feste, flüssige oder
gasförmige
Wärmewiderstände zwischen
dem Verdampfer und dem oder den Wärmetauschern oder zwischen
den Wärmetauschern
eingebracht sind und durch ihre jeweilige Beschaffenheit die Temperaturstufungen
ermöglichen.
Bei allen verwendeten Werkstoffen ist der Widerstandswert von Material und
Dicke bestimmt. Günstigerweise
lassen sich ohne mechanische Änderungen
Fluide oder Gase als variierbare Schicht zwischen Platten verbringen,
wobei durch Änderung
der verbrachten Füllmenge,
ein jeweils thermisch adäquater
Widerstand erzeugt wird und so der benachbarte Wärmetauscher gezielt mit der
erforderlichen Energie versorgt wird. Durch dieses Verfahren ist
eine gezielte und günstige
Steuerung des Wärmestroms
gegeben. Auf diese Weise kann ein Ensemble von thermisch gleichen
oder thermisch abgestuften Wärmetauschern
gebildet werden, um das oder die Gase oder Gasgemische thermisch
gleich oder stufig in einer Vorrichtung zu behandeln.
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Die
Erfindung mit Abwandlungen wird anhand der Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Ein
erfinderischer Vorteil ist, dass die Wärmetauscher mit variablen Wärmedurchgangssegmenten
bestückt
sind, wodurch ein Wärmestrom
von der jeweiligen Energiequelle zum Wärmetauscher steuerbar ist und
sich damit der oder die Wärmetauscher
auf verschiedene Temperaturniveaus einstellen lassen.
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Vorteilhaft
ist, dass auf Grund des unmittelbaren Energieaustausches zwischen
Aggregat und Verdampfer die vom Aggregat erzeugte thermische Energie
unmittelbar und verlustarm dem Verdampfer zur Verfügung steht
und damit den Systemwirkungsgrad verbessert.
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Durch
die kompakte Bauart und mit der besonderen Art der Energieübertragung
ist eine Minimierung von thermischen Speichern und Verlusten gegeben,
so dass thermische Störungen,
welche durch Belastungen bzw. Laständerungen oder ähnliches
hervorgerufen werden, schnell ausgeglichen werden können.
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Ein
weiterer erfinderischer Vorteil ist, dass mit variierbarem Fluid
oder Gas ein Wärmedurchgangsegment
geschaffen ist, das einen steuerbaren und definierten Wärmestrom
durch dieses fließen lässt und
denselben einstellbar macht.
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Ein
wesentlicher und weiterer Vorteil der aus Fluiden und Gasen bestehenden
Wärmedurchgangssegmente,
ist dass sie zwischen Energiequelle und Wärmetauscher eingebettet und
nach außen
abgedichtet ihre thermische Energie verlustarm und ohne zusätzliche
externe thermische Übertragungsverluste
durch Schläuche,
Verbindungen etc. weiterleiten.
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Vorteilhaft
ist, dass durch die kompakte Bauart mit geringer Verrohrung und/oder
Verschlauchung und dem Verzicht auf Kaltwassersätze der Abmessungsgrad verbessert
ist und der Gewichtsanteil sich deutlich reduziert.
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Vorteilhaft
ist, dass durch den Verzicht auf Kaltwassersätze und andere externe Apparaturen wie
Pumpen, Schläuche,
Behältnisse
etc. auch die thermischen Verluste entscheidend minimiert werden.
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Anwendungen
und Einsatzgebiete der oben benannten Erfindung und der Ausgestaltungen
sind in der Verfahrenstechnik, wie bei der Trocknung von Gasgemischen
beim Abscheiden von organischen Substanzen, von organischen Gärungsvorgängen, wie
bei der Aromarückgewinnung
und ähnlichem
zu finden. Wegen den sehr schnellen und präzisen thermischen Einstellungsmöglichkeiten
ist im speziellen der Einsatz in der Analyse-, Medizin- und Messtechnik
gegeben.
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Anwendungen
bei Emulsionen wie Milch, Blutplasma und anderen Stoffen, die empfindlich
auf thermische Änderungen
reagieren, sind möglich. Ebenso
ist ein Einsatz bei explosiven oder empfindlichen Substanzen wie
Gasen, Schornsteinabgasen etc., wo es eine Grenzschichttemperaturüberschreitung
oder Grenzschichttemperaturunterschreitung zu verhindern gilt, vorstellbar.
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Die
Erfindung wird Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Schematische
Darstellung eines einstufigen Kondensierungsgeräts mit der Schutz-, Mess-,
Steuerungs- und Regelungseinheit (SMSR).
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2 zeigt
ein zweistufiges Kondensierungsgerät wobei die einstufige Kaskade
mit einer weiteren Kaskade bestückt
ist.
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3 Perspektivische
Darstellung des konstruktiven Aufbaus eines zweistufigen Kondensierungsgeräts.
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4 Schematischer
Strömungsverlauf
eines zweistufigen Kondensierungsgeräts.
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5 Ausführungsbeispiel
und schematischer Aufbau eines zweifachen Kondensierungsgeräts mit regulierbarer
elektrothermischer Hilfsenergie.
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1 zeigt
den funktionellen Zusammenhang eines Kondensierungsgeräts mit einer
einstufigen Kondensationsstufe.
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Das
Kälteaggregat 1 fördert Kältemittel,
welches im Verdampfer 2 verdampft und anschließend über einen
Saugdruckregler 3 in das Kälteaggregat 1 zurückgeführt wird.
Der Wärmetauscher 4 wird
durch das variable Wärmedurchgangssegment 5 thermisch eingestellt.
Die Ventilgruppe 6 steuert das Wärmedurchgangssegment 5.
Der Temperatursensor 7 erfasst die Temperatur des Wärmetauschers 4,
was über
eine Schutz-, Mess-, Steuerungs- und Regelungseinheit (SMSR) 8 ausgewertet
wird. Diese steuert die Ventilgruppe 6 und beeinflusst
das Wärmetauschersegment 5 und
in Folge wird indirekt die Leistungsstellung über den Saugdruckregler 3 zum
Verdampfers 2 beeinflusst. Das zu kondensierende Gas wird über den
Stutzen 9 in den Wärmetauscher 4 eingeleitet
und erfährt
hier eine Abkühlung.
Das entstandene Aerosol, ein Gaskondensatgemisch strömt über den
Stutzen 10 in den Kondensatabscheider 11 ein. Im
Kondensatabscheider 11 separiert sich das Kondensat vom
Gas, wobei das Kondensat abgeleitet und das überströmende reduzierte Gas weiter
genutzt werden kann. Sowohl das Kälteaggregat 1 als auch
die SMSR 8 werden mit elektrischer Energie versorgt, wobei
die Anlagenteile im Regelbetrieb gehalten werden.
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2 zeigt
ein Anwendugsbeispiel an Hand eines Funktionsschemas, welches die
funktionellen Zusammenhänge
eines zweistufigen Kondensierungsgeräts beinhaltet.
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Das
Kälteaggregat 1 fördert ein
Kältemittel, welches
im Verdampfer 2 verdampft und anschließend über einen Saugdruckregler 3 in
das Kälteaggregat 1 zurückgeführt wird.
Während
der Wärmetauscher 4 durch
das variable Wärmedurchgangssegment 5 thermisch
eingestellt wird, wird der Wärmetauscher 12 über das
variable Wärmedurchgangssegment 13 thermisch
eingestellt. Die Ventilgruppe 6 steuert das Wärmedurchgangssegment 5 und
die Ventilgruppe 14 steuert das Wärmedurchgangssegment 13.
Der Temperatursensor 7 erfasst die Temperatur des Wärmetauschers 4,
was über
eine Schutz-, Mess-, Steuerungs- und Regelungseinheit (SMSR) 8 ausgewertet
wird. Diese steuert die Ventilgruppe 6 und beeinflusst
indirekt die Leistungsstellung des Verdampfers 2. Entsprechend
wird über
den Temperatursensor 15 die Temperatur erfasst und über die SMSR 8 ausgewertet,
welche Einfluss über
die Ventilgruppe 14 auf das Wärmedurchgangssegment 13 nimmt
und folglich die Temperatur des Wärmetauschers 12 beeinflusst,
der seinerseits die thermische Energie vom Verdampfer 2 über das
Wärmetauscherssegment 13 bezieht.
Das zu kondensierende Gas wird über
den Stutzen 13 in den Wärmetauscher 4 eingeleitet
und erfährt
hier eine Abkühlung.
Das entstandene Aerosol, das Gaskondensatgemisch strömt über den
Stutzen 10 in den Kondensatabscheider 11 ein.
Im Kondensatabscheider 11 separiert sich das Kondensat
vom Gas, wobei das Kondensat abgeleitet und das überströmende reduzierte Gas über den
Stutzen 16 in den Wärmetauscher 12 eingeleitet
wird. Aus dem Wärmetauscher 12 tritt
das Aerosol über
den Stutzen 17 aus, wobei das überströmende Gas erneut zur Kondensation
herangezogen werden kann.
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3 zeigt
in Perspektive den mechanischen Aufbau und die funktionelle Anordnung
eines zweistufigen Kondensierungsgeräts.
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Während die
erste Behandlungsstufe im Wärmetauscher 4 erfolgt,
wobei das zu behandelnde Gas über
den Stutzen 9 eingeleitet wird, findet die zweite Behandlungsstufe
im Wärmetauscher 12 statt,
wobei das behandelnde Gas über
den Stutzen 17 als Aerosol ausgeleitet wird. Der Kondensatabscheider 11 ist
mit dem Wärmetauscher 4 und
mit dem Wärmetauscher 12 verbunden.
Das gewonnene Kondensat der ersten Behandlungsstufe wird über den
Kondensatablass 18 abgeleitet. Über den Verdampfer 2 werden
die Wärmetauscher 4 und 12 mit thermischer
Energie versorgt, indem über
den Anschluss 19 das Kältemittel
in den Verdampfer 2 eingeleitet und das verdampfte Kältemittel über den
Anschluss 20 abgesaugt wird. Innerhalb der Hauptflächen und
an den äußeren Rändern des
Wärmetauschers 4 und 12 befindet
sich je eine Dichtung, welche innerhalb der Hauptflächen und
auf den innen liegenden Randflächen
des Verdampfers 2 zu liegen kommt und nach außen hin
abdichtet. Ein Verbindungskanal führt über den Anschluss 21 in
den Zwischenraum von Wärmetauscher 4 und
Verdampfer 2 und ein Verbindungskanal führt über den Anschluss 22 in
den Zwischenraum von Wärmetauscher 12 und Verdampfer 2.
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Der
Wärmedurchgang
von Verdampfer 2 zu Wärmetauscher 4 kann
dadurch verändert
werden, in dem das vom Kälteaggregat 1 geförderte Fluid
in den Zwischenraum eingeleitet wird und sich eine Wärmedurchgangsschicht
aufbaut, das einen weiteren thermischen Widerstand bedingt. Durch
das zwischen die Flächen
von Wärmetauscher 4 und
Verdampfer 2 einströmende
Fluid entsteht ein Druck, der Kraft auf die beiden Teile ausübt und eine
Vergrößerung des Abstandes
zwischen Wärmetauscher 4 und
Verdampfer 2 zu Folge hat. Damit wird eine Vergrößerung des
Wärmedurchgangs
erreicht. Bei Entnahme des Fluids verkleinert sich der besagte Abstand
und entsprechend verringert sich der Wärmedurchgang. Gleichermaßen kann
der Wärmedurchgang
zwischen Verdampfer 2 und Wärmetauscher 12 variiert werden.
Auf diese Weise erfolgt eine thermische Variierung beider Wärmedurchgänge. Die
Verbindungsschrauben 23, die durch die mit Dichtungen versehenen
Bohrungen verlaufen, halten Wärmetauscher 4, Verdampfer 2 und
Wärmetauscher 12 zusammen. Diese
Teile bilden mit dem verbundenen Kondensationsabscheider 11 eine
zweistufige Kondensierungseinheit.
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4 zeigt
schematisch den Strömungsverlauf
und die Strömungsrichtung
der zweistufigen Kondensationsvorrichtung. Vorzugsweise wird das Gas
der ersten Stufe von einer potentiellen hohen Stelle über den
Stutzen 9 in Wärmetauscher 4 und der
zweiten Stufe an der höchsten
Stelle in Wärmetauscher 12 eingeleitet,
wobei die Strömungen 24 und 25 in
Richtung der Schwerkraft geleitet werden, so dass die Aerosole sowohl
von der Strömung
als auch von der Gravitation beeinflusst und zum jeweiligen Austrittstutzen 10, 17 fließen. Im
Kondensatabscheider 11 werden die Kondensatanteile in der
Weise vom Gas getrennt, dass sich das Kondensat am Behälterboden
sammelt und über
den Kondensatablass 18 abfließen kann, während das aufsteigende Gas
zur nächsten
Stufe geleitet und aus dem Stutzen 17 ausgeleitet wird.
Vorzugsweise ist der Kondensatabscheider 11 aus thermisch
isolierendem Material gefertigt, so dass der Wärmeverlust minimiert ist. Entsprechend
wie bei der ersten Stufe mit dem Kondensatabscheider 11 erfolgt
gegebenenfalls die Separierung von Kondensatanteilen und Gasanteilen
in der zweiten Stufe.
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Eine
weitere Variante des zweistufigen Kondensierungsgeräts zeigt 5,
in der die Wärmetauscher 4 und 12 auf
beliebige Temperaturen stabil eingestellt werden können. Mittels
eines thermischen Ventils 26 wird über das Kälteaggregat 1 Kältemittel in
den Verdampfer 2 eingeleitet, wobei das verdampfte Kältemittel
aus dem Verdampfer 2 zum Kälteaggregat 1 zurückgeführt wird.
Sowohl zwischen dem Verdampfer 2 und dem Wärmetauscher 4 als
auch zwischen dem Verdampfer 2 und dem Wärmetauscher 12 ist
jeweils ein thermisch abgestimmtes und unveränderliches Wärmedurchgangssegment 27 und 28 eingefügt. Die
Wärmetauscher 4 und 12 werden
so über
die jeweiligen Wärmedurchgangssegmente 27 und 28 vom
Verdampfer 2 mit thermischer Energie versorgt. Der Wärmetauscher 4 ist
zusätzlich mit
mindestens einem elektrischen Heizelement 29 und der Wärmetauscher 12 mit
mindestens einem elektrischen Heizelement 30 bestückt. Der
Temperatursensor 7 erfasst die Temperatur von Wärmetauscher 4 welche über eine
SMSR 8 ausgewertet wird, wobei diese das Heizelement 29 ansteuert
und durch thermische Steuerung Einfluss auf die Temperatur des Wärmetauschers 4 nimmt.
Entsprechend wird über
den Temperatursensor 15 die Temperatur erfasst und über die
SMSR 8 ausgewertet, welche Einfluss auf das Heizelement 30 nimmt
und die Temperatur des Wärmetauschersegments 12 beeinflusst. Entsprechend
nach der in 1 und 2 dargestellten
Weise erfolgt die Kondensierung, Abscheidung und Ableitung des Kondensates.
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- 1
- Kälteaggregat
- 2
- Verdampfer
- 3
- Saugdruckregler
- 4
- Wärmetauscher
- 5
- variables
Wärmedurchgangssegment
- 6
- Ventilgruppe
- 7
- Temperatursensor
- 8
- Schutz-,
Mess-, Steuerungs- und Regelungseinheit (SMSR)
- 9
- Stutzen
- 10
- Stutzen
- 11
- Kondensatabscheider
- 12
- Wärmetauscher
- 13
- variables
Wärmedurchgangssegment
- 14
- Ventilgruppe
- 15
- Temperatursensor
- 16
- Stutzen
- 17
- Stutzen
- 18
- Kondensatablass
- 19
- Anschluss
- 20
- Anschluss
- 21
- Anschluss
- 22
- Anschluss
- 23
- Verbindungsschrauben
- 24
- Strömung
- 25
- Strömung
- 26
- Ventil
- 27
- unveränderliches
Wärmedurchgangssegment
- 28
- unveränderliches
Wärmedurchgangssegment
- 29
- Heizelement
- 30
- Heizelement