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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Betreiben dieses
Wärmetauschers
sowie eine Verwendung von mindestens zwei dieser Wärmetauscher
in einer Klimaanlage.
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Kapillarrohre
bieten gute Voraussetzungen für
eine Verwendung beispielsweise in Luft/Wasser-Wärmetauschern. Sie benötigen relativ
wenig sowie kostengünstiges
Material zu ihrer Herstellung und bieten eine relativ große Außenfläche für den Wärmeübergang
und damit einen mehrfach höheren Wärmeübergangswert
z. B. im Vergleich mit Plattenwärmetauschern.
Zudem sind sie korrosionsfest gegenüber Wasser und Sorptionslösungen.
Als Kapillarrohre werden flexible Kunststoff rohre mit einem Außendurchmesser
von 0,5 bis 5 mm bezeichnet.
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Die
Kapillarrohre sind im Allgemeinen zu Matten zusammengefasst, wobei
die Rohre im Abstand von etwa 10 bis 20 mm parallel zueinander angeordnet
und an dem einen Ende mit einem gemeinsamen Stamm für den Zulauf
von Wasser oder eines anderen Heiz- bzw. Kühlfluids sowie an dem anderen Ende
mit einem gemeinsamen Stamm für
den Rücklauf
des Wassers oder anderen Heiz- bzw. Kühlfluids verbunden sind. Die
Kapillarrohre werden durch Abstandshalter in ihrer gegenseitigen
Lage gehalten. Eine derartige Matte ist beispielsweise in der
DE 196 40 514 A1 gezeigt.
Dennoch ergeben diese Kapillarrohrmatten noch keinen zufriedenstellenden
Wirkungsgrad für
einen Wärmetauscher.
Auch ist der Materialaufwand für
ihre Herstellung durch die Verwendung der Abstandshalter noch erheblich.
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Die
DE 198 31 918 A1 beschreibt
ein Verfahren und eine Einrichtung zum Heizen oder Kühlen von
geschlossenen räumen
auf der Grundlage von Kunststoff-Kapillarrohrmatten. Hierfür wird vorgeschlagen,
dass die Anteile der Wärmezufuhr
oder der Wärmeabfuhr
bezogen auf Konvektion und/oder Strahlung denen der Wärmeinhalte
von inneren und äußeren Wärmeträgern kontinuierlich
angepasst werden, indem zumindest ein Behälter in dem jeweiligen Raum
angeordnet ist, innerhalb dessen die Kunststoff-Kapillarrohrmatten
flach oder gewickelt enthalten sind und dass ein Außenluftstrom
von außen
an den Kunststoff-Kapillarrohrmatten vorbei geregelt in den Raum
geführt
wird.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher
mit einem Kapillarrohrregister, durch das ein zu kühlendes
oder zu erwärmendes
Fluid geführt
wird, wobei das Kapillarrohrregister im Gegenstrom zum Fluid von
Luft durchströmt
wird, anzugeben, der zumindest einen höheren Wirkungsgrad als der
bisherige, Kapillarrohrmatten verwendende Wärmetauscher aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Wärmetauscher
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen
dieses Wärmetauschers
sind Gegenstand der auf Patentanspruch 1 rückbezogenen Patentansprüche 2–14.
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Diese
Aufgabe wird weiterhin gelöst
durch ein Verfahren zum Betreiben des Wärmetauschers nach Patentanspruch
15. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand
der auf Patentanspruch 15 rückgezogene
Patentansprüche
16 und 17.
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Weiterhin
wird diese Aufgabe gelöst
durch die Verwendung von mindestens 2 Wärmetauschern nach einem der
Patentansprüche
1–14 in
einer Klimaanlage. Vorteilhafte Ausgestaltung der Verwendung dieser
Wärmetauscher
sind Gegenstand der auf Patentanspruch 18 rückbezogenen Patentansprüche 19 und
20.
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Dadurch,
dass das Kapillarrohregister aus zumindest einer Kapillarrohrmatte
besteht, die aus für
den Fluiddurchgang netzartig miteinander verbundenen Kapillarlängs- und
Kapillarquerrohren gebildet ist, wobei zumindest die Kapillarlängsrohre
mit ihren Enden gemeinsam jeweils an einen Stamm für die Zu-
bzw. Abführung
des Fluids angeschlossen sind, kann die Wärmeaustauschfläche gegenüber der
Verwendung einer nur aus Kapillarlängsrohren bestehenden Matte
deutlich vergrößert, gegebenenfalls sogar
verdoppelt werden, so dass auch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers
entsprechend erhöht
wird. Da die Kapillarquerrohre den gegenseitigen Abstand der Kapillarlängsrohre
sicherstellen, entfallen auch die Abstandshalter, wobei davon ausgegangen
werden kann, dass der Materialaufwand für die Kapillarquerrohre etwa
dem für
die Abstandshalter entspricht.
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Die
Ausbildung der Matte mit Kapillarlängs- und Kapillarquerrohren
ermöglicht
auch, den Strömungsverlauf
des Fluids in der Matte durch Sperren des Durchgangs in einzelnen
Kapillarlängs-
und/oder -querrohren in gewünschter
Weise zu steuern. Dadurch kann die Matte mit Aussparungen sowohl
im Innern als auch am Rand versehen werden oder es kann ein mäanderförmiger Strömungsverlauf
in der Matte eingestellt werden. Es ist hierdurch auch möglich, die
Zu- und/oder Abführleitung
für das
Fluid an den jeweiligen Enden der Kapillarrohre kürzer als
die entsprechende Seite der Matte auszubilden, so dass die Strömung der
zu kühlenden
bzw. zu erwärmenden
Luft durch diese weniger stark behindert wird.
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Die
Kapillarrohre der Matte können
derart angeordnet sein, dass die Kapillarlängs- und die Kapillarquerrohre
unter einem rechten Winkel zueinander verlau fen. Vorteilhafter für den Strömungsverlauf ist
es jedoch, wenn sich die Kapillarlängs- und -querrohre unter einem
von einem rechten Winkel um 5° bis
20° abweichenden
Winkel kreuzen. In dieser Hinsicht besonders vorteilhaft ist es,
wenn sich Kapillarlängs- und -querrohre unter
einem rechten Winkel kreuzen, jedoch jeweils um 45° gegenüber den
Rändern
der Matte und damit gegenüber
den Stämmen geneigt
sind. In diesem Fall sind sowohl die Kapillarlängs- als auch die Kapillarquerrohre
direkt mit den Stämmen
verbunden.
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Für einen
Betrieb des Wärmetauschers
zur Be- oder Entfeuchtung von Luft kann die äußere Oberfläche der Kapillarrohre hydrophil
oder wasserspreitend ausgebildet sein, die möglichst gleichmäßig mit
Wasser zur Befeuchtung oder einer Sorptionslösung zur Entfeuchtung benetzt
wird. Für
eine gleichmäßige Benetzung
empfiehlt sich die Aufbringung eines Vliesstoffes oder einer Schicht
aus wasserspreitendem Material auf die Oberfläche der Kapillarrohre. Die
bei der Luftbefeuchtung benötigte Verdunstungswärme wird
durch das durch die Kapillarrohre strömende Fluid geliefert; andererseits
muss bei einer Luftentfeuchtung das Fluid die entsprechende Kondensationswärme aufnehmen.
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Die
gleichmäßige Benetzung
ist erforderlich, damit die benötigte
Menge Sorptionslösung
möglichst
gering ist. Da der erwünschte
Wärmeübergang zwischen
dem Fluid und der Luft erfolgen soll, ist eine Wärmeaufnahme durch die Sorptionslösung störend, das
diese einen Wärmeverlust
darstellt. Dieser ist jedoch umso größer, je größer die Menge der verwendeten
Sorptionslösung
ist. Daher sollte das Mengenverhältnis
von Sorptionslösung
zu durch die Kapillarrohre strömendem
Fluid nicht mehr als 5%, vorzugsweise nicht mehr als 1% betragen.
Dies ist jedoch nur durch eine möglichst gleichförmige Benetzung
der Kapillarrohre zu erreichen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Kapillarrohrmatte mit innerem Ausschnitt,
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2 eine
Kapillarrohrmatte mit Randausschnitt,
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3 eine
Kapillarrohrmatte mit verkürztem Stamm
für die
Abführung
des Fluids,
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4 eine
Kapillarrohrmatte mit mäanderförmigem Strömungsverlauf,
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5 eine
Kapillarrohrmatte mit unter jeweils 45° zu den Stämmen verlaufenden Kapillarlängs- und
-querrohren,
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6 einen
Luftwärmetauscher
mit mehreren parallelen Kapillarrohrmatten, und
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7 die
schematische Darstellung einer Klimaanlage.
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1 zeigt
eine Kapillarrohrmatte mit sich unter einem rechten Winkel kreuzenden
Kapillarlängsrohren 1 und
Kapillarquerrohren 2, deren Innenräume an den Kreuzungspunkten
jeweils so miteinander verbunden sind, dass ein in dem einen Kapillarrohr
strömendes
Fluid in das andere Kapillarrohr eintreten kann. Die Kapillarlängsrohre 1 sind
mit ihrem oberen Ende gemeinsam mit einem Stamm 3 für die Zuführung eines Fluids,
vorzugsweise Wasser, und mit ihrem unteren Ende gemeinsam mit einem Stamm 4 für die Abführung des
Fluids verbunden. Das Fluid bewegt sich somit in der durch die Pfeil 5 angezeigten
Richtung durch die Matte, wobei es jedoch nicht nur durch die Kapillarlängsrohre,
sondern auch durch die Kapillarquerrohre 2 strömt. Da die
Kapillarquerrohre 2 den gleichen gegenseitigen Abstand
wie die Kapillarlängsrohre 1 aufweisen,
ist ihre Gesamtlänge
gleich der der Kapillarlängsrohre 1, und
somit ist die für
einen Wärmeaustausch
zur Verfügung
stehende Oberfläche
doppelt so groß wie
bei einer nur aus Kapillarlängsrohren
bestehenden Matte. Dementsprechend ist auch der Wirkungsgrad höher. Die
Kapillarquerrohre 2 stellen auch sicher, dass der gegenseitige
Abstand der Kapillarlängsrohre 1 nicht
verändert
wird. Daher sind Abstandshalter entbehrlich.
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Die
Kapillarrohrmatte in 1 enthält einen inneren Ausschnitt 6,
der frei von Kapillarrohren ist. Die an dem Ausschnitt 6 mündenden
Kapillarrohre sind unmittelbar vor diesen mit Abklemmungen 7 ausgebildet,
so dass kein Fluid aus ihnen austreten, sondern vorher in ein kreuzendes
Kapillarrohr umgeleitet werden kann.
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Die
Herstellung der gitterförmigen
Kapillarrohrmatte ist relativ einfach. Es werden zunächst zwei
Halbschalen mit jeweils der Kontur von halben Kapillarrohren hergestellt
und die beiden Halbschalen dann zusammengeschweißt. Das Abklemmen der Kapillarrohre
kann bei einer fertigen Matte in der Weise erfolgen, dass das betreffende
Kapillarrohr zusammengedrückt
und durch Wärmezufuhr
die zusammengedrückte
Innenwand verschweißt
wird.
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Die
Kapillarrohrmatte nach 2 entspricht der nach 1,
jedoch ist diese nicht mit einem inneren Ausschnitt, sondern mit
einem Randausschnitt 8 versehen.
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Bei
der Kapillarrohrmatte nach 3 ist der untere
Stamm 4 für
die Abführung
des Fluids stark verkürzt
und die nicht mit diesem Stamm verbundenen Kapillarlängsrohre 1 sind
an ihrem unteren Ende mit Abklemmungen 7 versehen, so dass
das Fluid aus diesen durch die Kapillarquerrohre 2 zu den
mit dem Stamm 4 verbundenen Kapillarlängsrohren 1 umgeleitet
wird. Damit die Strömungswege
für das Fluid
weitgehend gleichmäßig sind,
sind weiterhin durch Abklemmen gebildete Barrieren 9 in
den mit dem Stamm verbundenen oder unmittelbar angrenzenden Kapillarlängsrohren 1 vorgesehen,
so dass auch das durch diese strömende
Fluid nur über
eine Umleitung zum Stamm 4 gelangt.
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Die
Kapillarrohrmatte nach 4 enthält zwei durch Abklemmen von
Kapillarlängsrohren 1 erhaltene
Barrieren 9, die sich von gegenüberliegenden Rändern der
Matte jeweils über
die Hälfte
von deren Breite in Richtung der Kapillarquerrohre 2 erstrecken.
Hierdurch wird der Strömungsweg
des Fluids mäanderförmig verlängert. Dies
kann sinnvoll sein, wenn das Mengenverhältnis Fluid/Luft klein ist, da
die Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids einen Mindestwert nicht unterschreiten sollte, weil sonst der
Wärmeübergang
zwischen Fluid und Luft sinkt und die Strömung des Fluids ungleichmäßig wird.
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Bei
der in den 1 bis 4 gezeigten
Kapillarrohrmatte mit einer Fluideinspeisung nur in die Kapillarlängsrohre
und mit einander senkrecht kreuzenden Kapillarlängs- und -querrohren erfolgt
an den Verbindungsstellen eine Umleitung des Fluids um 90°. Dies ergibt
eine ausreichende Durchströmung auch
der Kapillarquerrohre, wobei diese jedoch noch dadurch verbessert
werden kann, dass die Kapillarquerrohre nicht im rechten Winkel,
sondern in einem von diesem um etwa 5° bis 20° abweichenden Winkel verlaufen.
Hierdurch kann der durch die Kapillarquerrohre hindurchgehende Teilstrom
des Fluids vergrößert werden,
was eine Erhöhung
des Wärmeaustauschs
zwischen Fluid und Luft bewirkt.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausbildung der Kapillarrohrmatte zeigt 5.
Hier kreuzen die Kapillarlängsrohre 1 und
die Kapillarquerrohre 2 einander zwar ebenfalls unter einem
rechten Winkel, jedoch verlaufen sie jeweils unter einem Winkel
von 45° gegenüber den
Stämmen 3, 4 und
sind auch jeweils direkt mit diesen verbunden. Das Fluid strömt somit aus
dem Stamm 3 direkt sowohl in die Kapillarlängsrohre 1 als
auch in die Kapillarquerrohre 2, so dass diese in gleichem
Maße hiermit
versorgt werden und nur ein geringer Fluidaustausch zwischen ihnen
erfolgt. Jedoch ist sichergestellt, dass das Wärmeaustauschvermögen der
Kapillarlängsrohre 1 und
der Kapillarquerrohre 2 einander gleich ist, wodurch ein optimaler
Wirkungsgrad erzielt wird.
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6 zeigt
den Einsatz von gitterförmigen Kapillarrohrmatten,
so wie sie beispielsweise in den 1 bis 5 dargestellt
sind, in einem Luft/Wasser-Wärmetauscher.
Die in der Seitenansicht wiedergegebenen Kapillarrohrmatten 10 sind
parallel zueinander und vertikal in einem Gehäuse 11 angeordnet. Die
jeweiligen Stämme 3 der
einzelnen Matten sind an eine gemeinsame Vorlaufleitung 12 für das Wasser
(Fluid) angeschlossen und die jeweiligen Stämme 4 der Matten 10 sind
an eine gemeinsame Rücklaufleitung 13 ange schlossen.
Die zu erwärmende oder
zu kühlende
bzw. zu befeuchtende oder zu entfeuchtende Luft strömt parallel
zu den Kapillarrohrmatten 10 im Gegenstrom zum Wasser,
d. h. von unten nach oben, wie durch die Pfeile 14, 15 angezeigt ist,
durch das Gehäuse 11.
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Zum
Zwecke der Be- oder Entfeuchtung der Luft sind die Kapillarrohre
der Matten 10 auf ihrer äußeren Oberfläche mit
einer hydrophilen oder wasserspreitenden Beschichtung versehen.
Dieser wird an einer möglichst
hohen Stelle der jeweiligen Matte 10 im Falle der Befeuchtung
Wasser und im Falle der Entfeuchtung eine Sorptionslösung, die
beispielsweise aus einer wässrigen
Lithiumchloridlösung
besteht, zugeführt.
Die hydrophile oder wasserspreitende Beschichtung dient dazu, die
Kapillarohre der Matten 10 über ihre gesamte Länge möglichst
gleichmäßig mit dem
Wasser bzw. der Sorptionslösung
zu benetzen. Für
diesen Zweck hat sich eine vliesartige Beschichtung als besonders
vorteilhaft erwiesen.
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Durch
die Schwerkraft sowie durch Kapillarwirkung verteilt sich das Wasser
bzw. die Sorptionslösung
gleichmäßig über die
Länge der
Kapillarrohre. Hierfür
ist die Konfiguration der Kapillarrohrmatte nach 5 geeigneter
als die nach den 1 bis 4, da alle
Kapillarrohre in gleichem Maße
gegenüber
der Horizontalen geneigt sind.
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Die
Sorptionslösung
nimmt während
des Herabfließens
an den Kapillarrohren der Matten 10 Feuchtigkeit aus der
entgegenströmenden
Luft auf und wird mit dem aufgenommenen Wasser am unteren Ende der
Matte 10 in einen Auffangbehälter geleitet. Sie kann dann
regeneriert und den Matten wieder zugeführt werden. Die durch die Kondensation der
in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit entstandene Wärme wird
durch Wärmeaustausch
auf das Wasser in den Kapillarrohren übertragen und durch dieses abgeführt. Umgekehrt
wird die bei einer Luftbefeuchtung für die Verdunstung des Wassers
auf den Kapillarrohren benötigte
Wärme über das
in den Kapillarrohren strömende
Wasser herbeigeführt.
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Generell
gilt für
Luft/Wasser-Wärmetauscher,
dass der höchste
Wirkungsgrad erzielt wird, wenn die so genannte Wasserzahl, d. h.
das Verhältnis
der Temperaturänderung
der Luft zur Temperaturänderung
des Wassers, über
die gesamte Fläche gleich
ist. Diese Forderung stellt bei der trockenen Kühlung von Luft kein Problem
dar, denn die spezifische Wärme
der Luft bleibt wie die des Wassers konstant. Bei gleichzeitiger
Entfeuchtung der Luft kann jedoch durch die frei werdende Kondensationswärme die
spezifische Wärmekapazität der Luft
auf ein Mehrfaches des Wertes der trockenen Luft ansteigen, und
zwar bei höheren
Lufttemperaturen stärker als
bei niedrigen.
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Verwendet
man jedoch eine Kapillarrohrmatte nach 4 mit mäanderförmiger Fluidströmung, dann
kann durch unterschiedlich starke Mäanderbildung die Verweilzeit
des Fluids (Wassers) im Bereich der stärkeren Entfeuchtung verlängert und
hierdurch die Wasserzahl für
beide Medien angenähert
konstant gehalten werden.
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Da
der Grad der Entfeuchtung sich im Betrieb stark ändern kann, wird die Mäanderbildung
für den
Betriebspunkt ausgelegt, bei dem ein guter Wirkungsgrad besonders
wichtig ist.
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7 zeigt
schematisch eine Klimaanlage, in der zwei Wärmetauscher gemäß 6 Verwendung
finden.
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Bei
dieser Klimaanlage findet eine extrem hohe Wärmerückgewinnung statt, die eine
zusätzliche
Erwärmung
oder Kühlung
der Zuluft erübrigt,
indem je ein Wärmetauscher
als Enthalpietauscher für die
Zuluft und die Abluft geschaltet wird.
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Im
Sommerbetrieb wird die Zuluft 16 in einem ersten Enthalpietauscher 17 gekühlt und
entfeuchtet. Das Kühlwasser
strömt
im Kreislauf durch beide Wärmetauscher.
Es wird in dem Register des ersten Enthalpietauschers 17 bei
der Kühlung
und Entfeuchtung der Zuluft 16 erwärmt. Im Register des zweiten
Enthalpietauschers 18 wird das Kühlwasser durch die Abluft 19 wieder
abgekühlt,
nachdem diese in einem vorgeschalteten Befeuchter adiabat auf ihre Taupunkttemperatur
gekühlt
wurde. Die Abluft 19 wird hierdurch erwärmt und befeuchtet und anschließend aus
dem Gebäude
herausgeführt.
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Im
oberen Teil des Registers des ersten Enthalpietauschers 17 werden
die beschichteten Kapillarrohre mit Sorptionslösung beaufschlagt, die innerhalb
der Beschichtung nach unten diffundiert, wobei sie mit durch Kondensation
von Luftfeuchtigkeit gebildetem Wasser angereichert wird.
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In
gleicher Weise wird im oberen Teil des Registers des zweiten Enthalpietauschers 18 Wasser auf
die beschichteten Kapillarrohre gegeben, das zumindest teilweise
verdunstet und mit der Abluft 19 abgeführt wird.