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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Strahls aus
Trockeneisteilchen, mit einer an einer Kohlendioxidquelle angeschlossenen und
an einer Entspannungsdüse
zur Erzeugung von festen Kohlendioxidpartikeln ausmündenden
Entnahmeleitung für
flüssiges
Kohlendioxid, sowie mit einer Einrichtung zum Unterkühlen des
flüssigen
Kohlendioxids vor der Entspannung.
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Bekannt
sind Oberflächenbearbeitungsverfahren
wie Sandstrahlen, Kugelstrahlen, Vibrationsnadeln oder Trockeneisstrahlen,
deren Zweckbestimmung darin liegt, eine Beschichtung von einem Substrat
zu lösen.
Zur Behandlung leicht ablösbarer Schichten
wird heute in großem
Umfange das Trockeneisstrahlverfahren eingesetzt, das seine beste Wirkung
bei mittelharten und leicht versprödbaren Oberflächen erzielt,
die auf einem relativ festen und harten Untergrund aufgetragen sind.
Dieses Verfahren, das beispielsweise in dem Artikel von S. Donath und
F. Lürken: „ColdJet – umweltfreundliches
Reinigen mit Trockeneispellets" gas
aktuell 41, S.4 (1991) beschrieben ist, findet beispielsweise Anwendung bei
der Entrostung von Schiffskörpern.
Hier kommt es nicht darauf an, metallisch blanke Oberflächen zu schaffen,
sondern lediglich die schlecht haftenden Rostpartikel zu entfernen,
da festhaftende, passivierte Bestandteile des Oxidbelages bereits
einen gewissen Rostschutz für
das darunterliegende Metall darstellen. Wegen der relativ geringen
Härte der
Trockeneispartikel von 2 Mohs eignen sich Trockeneisstrahlverfahren
auch zum Reinigen empfindlicher Oberflächen.
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In
der
DE 199 26 119
A1 ist ein Strahlwerkzeug zur Behandlung einer Oberfläche mit
Trockeneisteilchen beschrieben, das mit Kohlendioxidschnee als Strahlteilchen
arbeitet. Dieses Strahlwerkzeug umfasst eine erste Düse zur Erzeugung
von Kohlendioxidschnee durch Entspannung von flüssigem Kohlendioxid und eine
zweite Düse
zur Erzeugung eines Stütz-
bzw. Druckstrahles aus einem Druckgas, beispielsweise Druckluft.
Bevorzugt ist dabei die Kohlendioxiddüse konzentrisch von der Treibmitteldüse umgeben.
Der aus der Druckgasdüse
hervortretende Gasstrahl treibt die Schneeteilchen mit hoher Geschwindigkeit,
bevorzugt mit Ultraschallgeschwindigkeit, in Richtung auf die zu
bearbeitende Oberfläche, wodurch ein
guter Reinigungseffekt erzielt wird. Eine Verpressung des Schnees
zu Pellets ist dabei nicht erforderlich. Nachteilig bei diesem Gegenstand
ist jedoch der hohe Gasanteil von ca. 65%, der bei der Entspannung
in der Strahldüse
entsteht und der zum einen zu einer energiezehrenden Abkühlung des Gasstromes
und zum andern zu einer geringen Effizienz der Apparatur im Vergleich
zu den oben beschriebenen Pelletverfahren führt.
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Um
den Anteil an festen Trockeneis-Teilchen gegenüber dem Gasanteil zu vergrößern wurde
bereits vorgeschlagen, das flüssige
Kohlendioxid vor der Entspannung zu unterkühlen. So wird in der
DE 20 2004 005 802
U1 eine Anordnung zur Erzeugung eines Trockeneispartikelstrahls
beschrieben, bei der das bei der Entspannung des flüssigen Kohlendioxids
entstehende kalte Kohlendioxidgas zumindest teilweise aufgefangen
und einem Wärmetauscher zugeführt wird,
in dem es in Wärmekontakt
mit dem zur Entspannung bestimmten flüssigen Kohlendioxid gebracht
wird.
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Aus
der
DE 10 2005
054 246 A1 ist eine Vorrichtung zum Bestrahlen einer Oberfläche mit
Trockeneis-Schnee bekannt, bei der flüssiges Kohlendioxid komprimiert
wird und die dabei zugeführte
Kompressionswärme
durch Wärmetausch
mit einem kryogenen Medium, beispielsweise Flüssigstickstoff, entzogen wird,
wobei das flüssige
Kohlendioxid gegebenenfalls zusätzlich
unterkühlt
wird. Durch die Verdichtung steigt der Anteil an festem Kohlendioxid bei
der Entspannung des flüssigen
Kohlendioxids.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Vorrichtung
zur Erzeugung von Trockeneis-Partikeln zu schaffen.
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Gelöst ist diese
Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung
dadurch, dass die Einrichtung zum Unterkühlen des flüssigen Kohlendioxids eine Kompressions-Kältemaschine
umfasst, mittels der dem flüssigen
Kohlendioxid Wärme
durch Verdampfen eines komprimierten, verflüssigten Wärmeträgerfluids entzogen wird.
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Bei
der Kompressions-Kältemaschine
handelt es sich um eine Kältemaschine,
bei der ein Wärmeträgermedium
in an sich bekannter Weise in einem Kreislauf aus Verdichtung, Kondensation,
Entspannung und Verdampfung geführt
wird. Zur Kühlung
des Kohlendioxids wird die zum Verdampfen des Wärmeträgermediums erforderliche Wärme dem flüssigen Kohlendioxid
in der Entnahmeleitung entnommen. Durch die Kompressions-Kältemaschine wird
die Temperatur des flüssigen
Kohlendioxids deutlich, um beispielsweise 5 bis 20 K, gesenkt. Dadurch
wird der Anteil an festem Kohlendioxid nach der Entspannung deutlich,
um bis zu 15%, erhöht. Zugleich
weisen die erzeugten Kohlendioxidteilchen eine größere Festigkeit
auf als Kohlendioxidteilchen, die ohne Vorkühlung erzeugt werden. Die Leistung der
Strahlapparatur wird damit erheblich gesteigert.
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Vorteilhafterweise
ist der Entnahmeleitung für
flüssiges
Kohlendioxid eine Druckerhöhungseinrichtung
zum Verdichten des flüssigen
Kohlendioxids zugeordnet. Durch die Erhöhung des Drucks des üblicherweise
bei einem Druck von 20 oder 60 bar gelagerten flüssigen Kohlendioxids auf beispielsweise 100
bar und mehr wird der Anteil an festem Kohlendioxid nach der Entspannung
weiter erhöht.
Die Kompressions-Kältemaschine
sollte in diesem Fall so konzipiert sein, dass zumindest die durch
die Druckerhöhungseinrichtung
zugeführte
Kompressionswärme
kompensiert wird.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Druckerhöhungseinrichtung,
ergänzend
zur Einrichtung zum Unterkühlen
des flüssigen
Kohlendioxids, eine separate Kühleinrichtung zum
Abführen
der durch die Druckerhöhungseinrichtung
zugeführten
Kompressionswärme
zugeordnet.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass von der
Entnahmeleitung, stromab zur Druckerhöhungseinrichtung, eine mit
Rückführleitung
abzweigt, der Kohlendioxidquelle strömungsverbunden ist. Hierdurch
wird der Fluss des entnommenen Kohlendioxids gleichmäßiger.
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Um
die Härte
und/oder Form der Strahlteilchen zu beeinflussen, sind zweckmäßigerweise
der Entspannungsdüse
Mittel zum Verhärten
der bei der Entspannung entstehenden Schneeteilchen zugeordnet,
beispielsweise Prallwände,
die innerhalb einer der Entspannungsdüse zugeordneten Strahlapparatur
angeordnet sind, oder eine Einrichtung zum Erzeugen von Kohlendioxid – Pellets
aus den Kohlendioxidpartikeln.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
der Kompressions-Kältemaschine
ein Austauschkreislauf mit einem Verdichter, einem ersten Wärmetauscher
in der Entnahmeleitung für
flüssiges
Kohlendioxid, einem mit diesem strömungsverbundenen zweiten Wärmetauscher
und einem Umkehrblock zugeordnet ist, wobei der Umkehrblock derart
ausgestaltet ist, dass folgende unmittelbare Strömungsverbindungen herstellbar sind:
- • entweder
zwischen dem Ausgang des Verdichters und einem Eingang des ersten
Wärmetauschers
und gleichzeitig zwischen dem Eingang des Verdichters und einem
Ausgang des zweiten Wärmetauscher,
- • oder
zwischen dem Ausgang des Verdichters und einem Eingang des zweiten
Wärmetauscher und
gleichzeitig zwischen dem Eingang des Verdichters und einem Ausgang
des ersten Wärmetauschers.
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Eine
Anordnung zur Regelung des Betriebs einer Einrichtung für die Lagerung
und Verteilung von Kohlendioxid, die einen Austauschkreislauf mit
den oben genannten Merkmalen aufweist, ist aus der
EP 1 097 343 B1 bekannt,
auf die hier ausdrücklich
Bezug genommen wird. Bei diesem Gegenstand ist die Kältemaschine
als reversible Kältemaschine
ausgestaltet und kann wahlweise dazu benutzt werden, das flüssige Kohlendioxid
in der Entnahmeleitung zu unterkühlen
oder aber das in der Entnahmeleitung befindliche Kohlendioxid zu
beheizen. Die reversible Kältemaschine
weist dazu mehrere Betriebszustände
auf: In einem ersten Betriebszustand wird der erste Wärmetauscher,
der in thermischen Kontakt mit dem Kohlendioxid in der Entnahmeleitung
steht, als Verdampfungswärmetauscher
eingesetzt, bei dem das im Austauschkreislauf geführte Wärmeträgermedium
verdampft und die dazu benötigte
Wärme dem flüssigen Kohlendioxid
in der Entnahmeleitung entzogen wird: Das Kohlendioxid wird somit
unterkühlt.
Der zweite Wärmetauscher,
der beispielsweise mit der Umgebungsluft in thermischen Kontakt
steht, dient in diesem Betriebszustand als Kondensationswärmetauscher.
In einem zweiten Betriebszustand wird die Wirkung der Kältemaschine
umgekehrt und das Wärmeträgermedium
wird dazu eingesetzt, Kohlendioxid in der Entnahmeleitung, insbesondere
in die Entnahmeleitung eingebrachtes gasförmiges Kohlendioxid, zu erwärmen. In
diesem Betriebszustand fungiert der erste Wärmetauscher als Kondensationswärmetauscher,
der dem Kohlendioxid in der Entnahmeleitung Wärme zuführt. Dieser Betriebszustand
dient bevorzugt dazu, die Strahlapparatur und eine gegebenenfalls
nachgeschaltete Pelletiereinrichtung zu enteisen. Der Einsatz einer
solchen Anordnung in einer Einrichtung zur Erzeugung von Trockeneis-Teilchen ermöglicht einen
besonders effizienten und wartungsarmen Einsatz insbesondere auch
dann, wenn häufige
Betriebspausen oder Unterbrechungen erforderlich sind, die bei konventionellen
Strahleinrichtungen stets mit der erhöhten Gefahr einer Vereisung der
Strahlapparatur verbunden sind.
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In
der
EP 1 097 343 B1 sind
darüber
hinaus weitere Betriebszustände
und zusätzliche
Einrichtungen beschrieben, die im Rahmen der Erfindung gleichfalls
zum Einsatz kommen können.
So ermöglicht
beispielsweise ein zweiter Austauschkreislauf, bei dem die Kältemaschine
unmittelbar mit der Kohlendioxidquelle in Verbindung steht, in einem
Betriebszustand, in dem kein Kohlendioxid aus der Kohlendioxidquelle
entnommen wird, dass ein übermäßiger Druckanstieg
in der Kohlendioxidquelle verhindert oder der Wärmetauscher der Kältemaschine
enteist wird.
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Anhand
der Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert werden.
In schematischen Anzeigen zeigt:
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1:
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Erzeugen von Kohlendioxid-Schneestrahlen,
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2a, 2b:
den Umkehrblock der Vorrichtung aus 1 in verschiedenen
Betriebszuständen.
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Die
in 1 gezeigte Vorrichtung 1 umfasst einen
Behälter 2,
der mit einer Menge 3 flüssigen Kohlendioxids gefüllt ist, über der
sich eine Gasphase 4 aus unter Druck stehendem gasförmigem Kohlendioxid
befindet. Bei dem Behälter 2 handelt
es sich beispielsweise ein Niederdrucktank, in welchem das Kohlendioxid
bei ei nem Druck von üblicherweise
20 bar und einer Temperatur von –20°C vorliegt, oder um einen Mitteldrucktank,
in dem das Kohlendioxid üblicherweise
bei einem Druck von 60 bar und einer Temperatur von +20°C gelagert
wird. An dem Behälter 2 ist
eine Entnahmeleitung 6 für flüssiges Kohlendioxid angeschlossen,
ferner eine Entnahmeleitung 7 für gasförmiges Kohlendioxid, die in
die Entnahmeleitung 6 einmündet. Die Entnahmeleitungen 6, 7 können durch
Ventile 8, 9 unabhängig voneinander geöffnet oder
geschlossen werden. Die Entnahmeleitung 6 mündet in
eine Entspannungsdüse 11 innerhalb
einer Strahlapparatur 12 ein, die zum Austragen von Schneeteilchen
in einem Trägergasstrom
konzipiert ist. Das hierzu erforderliche Trägergas, beispielsweise Druckluft,
wird über
eine Leitung 13 bereitgestellt. In der Entnahmeleitung 6 ist
weiterhin ein Kompressor 15 angeordnet, mittels dessen
der Druck des flüssigen
Kohlendoxids in der Entnahmeleitung 6 auf einen Wert von
100 bar oder darüber
gebraucht werden kann. Stromab vom Kompressor 15 zweigt
von der Entnahmeleitung 6 eine Rückleitung 16 ab, die
wiederum mit dem Behälter 2 verbunden ist.
Auch die Rückleitung
kann durch ein Ventil 16 geöffnet oder geschlossen werden.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst des Weiteren eine reversible Kältemaschine 20 mit
einem einen Austauschkreislauf. Der Austauschkreislauf weist eine erste
Strömungsleitung 21 sowie
eine zweite Strömungsleitung 22 auf,
zwischen denen ein Verdichter 23 mit einem Austritts- oder
Druckstutzen 24 und einem Eingangsstutzen 25 angeordnet
ist. In der Strömungsleitung 21 ist
eine Drosselstrecke 26 sowie ein Wärmetauscher 27 angeordnet.
Die Strömungsleitung 21 ist
ebenso wie die Strömungsleitung 22 an
einen Umkehrblock 28 angeschlossen, der zudem auch mit
dem Ausgangsstutzen 24 des Verdichters 23 in Verbindung
steht. Der Umkehrblock 28 ist so konzipiert, dass er wahlweise
entweder eine direkte Strömungsverbindung
zwischen der Strömungsleitung 22 und
dem Eingangsstutzen 25 und gleichzeitig zwischen dem Ausgangsstutzen 24 und
der Strömungsleitung 21 herstellt
(wie in 1 sowie 2a dargestellt)
oder zwischen der Strömungsleitung 21 und
dem Eingangsstutzen 25 und gleichzeitig zwischen dem Ausgangsstutzen 24 und
der Strömungsleitung 22 (wie
in 2b dargestellt).
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Die
Leitungen 21, 22 sind jeweils mit Wärmetauschern 30, 31 verbunden.
Beide Wärmetauscher 30, 31 sind
an der Entnahmeleitung 6 angeordnet, wobei der Wärmetauscher 30 stromab,
der Wärmetauscher 31 stromauf
zum Abzweig der Rückleitung 16 von
der Entnahmeleitung 6 angeordnet ist. Je nach der Stellung
des Umkehrblocks 28 wird das im Austauschkreislauf geführte Wärmeträgermedium entweder
vom Verdichter 23 zum Wärmetauscher 27 und
zur Drosselstrecke 26, anschließend zu den parallel geschalteten
Wärmetauschern 30, 31 und
anschließend
zurück
in den Verdichter 23 geführt oder umgekehrt, vom Verdichter 23 über die
Wärmetauscher 30, 31,
die Drosselstrecke 26 und den Wärmetauscher 27 zurück in den
Verdichter 23.
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Die
Vorrichtung 1 kann in folgenden Betriebszuständen gefahren
werden:
In einem ersten Betriebszustand dient die Kältemaschine 20 zum
Unterkühlen
von flüssigem
Kohlendioxid. In diesem Betriebszustand ist der Umkehrblock 28,
wie in 2a gezeigt, derart geschaltet,
dass der Ausgangsstutzen 24 am Verdichter 23 mit
der Strömungsleitung 21 verbunden
ist. Dadurch strömt
verdichtetes, gasförmiges
Wärmeträgermedium
zum Wärmetauscher 27,
in welchem es kondensiert. Das kondensierte Wärmeträgermedium wird anschließend in
der Drosselstrecke 26 entspannt und gelangt im kalten,
flüssigen
Zustand zu den Wärmetauschern 30, 31.
Gleichzeitig wird flüssiges
Kohlendioxid aus dem Behälter 2 über die
Entnahmeleitung 6 zur Strahlapparatur 12 geführt. Das
Ventil 9 in der Gasentnahmeleitung 7 ist dabei
geschlossen. Im Kompressor 15 wird das flüssige Kohlendioxid
auf einen Druckwert von 100 bar oder mehr verdichtet. Ein Teil des
verdichteten flüssigen
Kohlendioxids wird über
die Rückleitung 16 in
den Behälter 2 zurückgeführt. Die
bei der Verdichtung in das flüssige
Kohlendioxid eingetragene Kompressionswärme wird dem flüssigen Kohlendioxid
im Wärmetauscher 31 durch Wärmetausch
mit dem im Austauschkreislauf der Kältemaschine 20 strömenden Wärmeträgermedium entzogen.
Im Wärmetauscher 30 wird
der in der Entnahmeleitung 6 zur Strahlapparatur strömende Teil des
flüssigen
Kohlendioxids zusätzlich
unterkühlt; dabei
verdampft das Wärmeträgermedium
und wird im gasförmigen
Zustand dem Eingangsstutzen 25 des Verdichters 23 zugeführt. In
diesem Betriebszustand gelingt eine Unterkühlung des flüssigen Kohlendioxids
um 5 bis 20 K mit der Folge, dass bei der Entspannung des Kohlendioxids
in der Entspan nungsdüse 11 der
Anteil an Kohlendioxidschnee um bis zu 15% gesteigert werden kann.
Durch eine hier nicht gezeigte Regelungsautomatik kann die Unterkühlung des
flüssigen
Kohlendioxids dabei variiert und den an die Schneebildung gestellten
Erfordernissen angepasst werden. Der Entspannungsdüse 11 kann
auch eine – hier
gleichfalls nicht gezeigte – Einrichtung
zum Verfestigen des Schnees oder eine Einrichtung zum Erzeugen von
Pellets aus dem bei der Entspannung erzeugten Schnee zugeordnet
sein.
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Ein
zweiter Betriebszustand der Vorrichtung 1 dient insbesondere
zu Enteisen der Entnahmeleitung 6 und der Strahlapparatur 12.
Dabei ist der Umkehrblock 28, wie in 2b gezeigt,
so geschaltet, dass der Ausgangstutzen 24 des Verdichters 23 mit der
Leitung 22 verbunden ist. Auf diese Weise strömt komprimiertes,
jedoch warmes Wärmeträgerfluid
zu den Wärmetauschen 30, 31.
Zugleich wird in die Entnahmeleitung 6 gasförmiges Kohlendioxid
durch Öffnen
des Ventils 9 und Schließen der Ventile 8 und 17 eingespeist.
Durch Wärmetausch
mit dem Wärmeträgerfluid
im Wärmetauscher 30 und/oder
im Wärmetauscher 31 wird
das Gas zusätzlich
erwärmt
und kann etwaige Eisbildungen in der Entnahmeleitung 6 und/oder
der Strahlapparatur 12 rasch beseitigen. In Bezug auf das
Wärmeträgerfluid
fungieren die Wärmetauscher
in diesem Betriebszustand 30, 31 als Kondensator.
Das verflüssigte
Wärmeträgerfluid
wird anschließend über die
Drosselstrecke 26 und dem nun als Verdampfer wirkenden
Wärmetauscher 27 dem
Eingangsstutzen 25 des Verdichters 23 zugeführt.
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Die
Vorrichtung
1 kann auch mit weiteren, hier nicht gezeigten
Armaturen ausgerüstet
sein, die weitere Betriebszustände
ermöglichen.
So kann beispielsweise, wie in der
EP 1 097 343 B1 beschrieben, ein weiterer
Austauschkreislauf vorgesehen sein, der die Gasphase
4 im
Behälter
2 mit
der Kältemaschine
20 thermisch
verbindet. In diesem Fall kann die Kältemaschine
20 dazu
eingesetzt werden, durch Kühlen
der Gasphase
4 einen übermäßigen Anstieg
des Drucks im Behälter
2 zu
verhindern.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird der CO2-Verbrauch für die Herstellung der Kohlendioxid-Partikel
um bis zu 15% gesenkt. Damit werden Betriebskosten gespart und der
Ausstoß von
Kohlendioxidgas bei der Anwendung reduziert.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Behälter
- 3
- Kohlendioxid
flüssig
- 4
- Gasphase
- 5
-
- 6
- Entnahmeleitung
(für flüssiges Kohlendioxid)
- 7
- Entnahmeleitung
(für gasförmiges Kohlendioxid)
- 8
- Ventil
- 9
- Ventil
- 10
-
- 11
- Entspannungsdüse
- 12
- Strahlapparatur
- 13
- Leitung
(für Trägergas)
- 14
-
- 15
- Kompressor
- 16
- Rückleitung
- 17
- Ventil
- 18
-
- 19
-
- 20
- Kältemaschine
- 21
- Strömungsleitung
- 22
- Strömungsleitung
- 23
- Verdichter
- 24
- Austrittsstutzen
- 25
- Eingangsstutzen
- 26
- Drosselstrecke
- 27
- Wärmetauscher
- 28
- Umkehrblock
- 29
-
- 30
- Wärmetauscher
- 31
- Wärmetauscher