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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Füllstandes eines Ölabscheiders für einen Kältekreislauf, umfassend ein einem Auslass des Ölabscheiders nachgeschaltetes steuerbares Ventil. Sie betrifft weiter ein System, umfassend einen Ölabscheider und einen austrittsseitig über ein Ventil nachgeschalteten Ölsammelbehälter, sowie einen Kältekreislauf mit einem solchen System.
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Ein Kältekreislauf ist ein System, das dazu dient, eine Einrichtung auf ein gewünschtes Maß abzukühlen, beispielsweise eine Kühltruhe für Lebensmittel. Ein Kältemittel, das in dem geschlossenen Kreislauf bewegt wird, erfährt nacheinander verschiedene Aggregatzustandsänderungen: Das gasförmige Kältemittel wird zunächst durch einen Verdichter komprimiert. Im folgenden Wärmeüberträger kondensiert es unter Wärmeabgabe. Anschließend wird das flüssige Kältemittel aufgrund der Druckänderung über ein Drosselorgan, zum Beispiel ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr, entspannt. Im nachgeschalteten zweiten Wärmeüberträger (Verdampfer) verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur (Siedekühlung). Der Kreislauf kann nun von vorne beginnen. Der Prozess muss von außen durch Zufuhr von mechanischer Arbeit (Antriebsleistung) über den Verdichter in Gang gehalten werden.
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Im Verdichter wird Öl als Schmiermittel verwendet. Baubedingt gelangt dabei stets ein Teil des Öls in das austretende verdichtete Kältemittel. Ausgangsseitig ist dem Verdichter daher in der Regel ein Ölabscheider nachgeschaltet, der z.B. als Prallabscheider ausgebildet sein kann, und in dem das Öl wieder aus dem Kältemittel entfernt wird. Das abgeschiedene Öl wird dabei nicht verworfen, sondern über einen separaten Ölkreislauf in einen Ölsammelbehälter geleitet und dem Verdichter von dort wieder zugeführt.
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Dieser separate Ölkreislauf verbindet dabei den Austritt des Ölabscheiders mit dem Ölsammelbehälter, d.h. einen dem Verdichter nachgeschalteten und daher unter hohem Druck stehenden Teil des Kältekreislaufes mit dem unter niedrigem Druck stehenden Eintrittsbereich des Verdichters. Er kann daher nicht dauerhaft geöffnet bleiben, da damit sonst ein dauerhafter Druck- und damit Energieverlust einhergehen würde, und ist dementsprechend mit einem steuerbaren Ventil versehen.
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Bekannt sind hierbei entweder bedarfsweise Öffnungen des Ventils, die den Füllstand des Ölabscheiders erfassen, z.B. über optische Erfassung oder Schwimmer, oder einfache Zeitregelungen, die in einem regelmäßigen Zyklus das Ventil für eine vorgegebene Zeit öffnen. Messungen des Füllstands des Ölabscheiders sind jedoch schmutzanfällig und ggf. technisch aufwändig. Zudem sind sie oft nicht für alle Temperaturen im Ölsammelbehälter geeignet. Zeitregelungen hingegen sind oft nicht bedarfsgerecht und führen zu einem zu langen Öffnungszeitraum des Ventils.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches einen möglichst geringen Druck- und Energieverlust ermöglicht, und dennoch wartungsarm und technisch in einfacher Weise umzusetzen ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem nach einem Öffnen des Ventils eine Messung einer ersten Temperatur in einem dem Ventil nachgeschalteten Bereich erfolgt, ein Grenzwert für zumindest eine für eine Änderung der ersten Temperatur charakteristischen Kenngröße vorgegeben wird, und ein Schließen des Ventils erfolgt, sobald die Kenngröße den vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine bedarfsgerechte Entleerung des Ölabscheiders in den Ölsammelbehälter nicht nur durch ein bedarfsweises Öffnen des Ölabscheiders bei Erkennen eines zu hohen Füllstandes erreicht werden kann, sondern auch dadurch, dass die Öffnungsdauer des Ventils genau gesteuert wird. Hierzu sollte das Ventil nach dem Öffnen zeitgenau dann wieder geschlossen werden, wenn das gesamte Öl aus dem Ölabscheider entfernt wurde. Um diesen Zeitpunkt präzise zu bestimmen, sollte präzise ermittelt werden, ob durch das Ventil noch Öl strömt, oder ob bereits Kältemittel durch das Ventil strömt, d.h. der Ölvorrat im Ölabscheider erschöpft ist. Da das Kältemittel im Ölabscheider in der Regel unmittelbar zuvor verdichtet wurde, steht es unter hohem Druck und ist gasförmig. Im Ventil zwischen Ölabscheider und Ölsammelbehälter erfolgt eine isenthalpe Zustandsänderung. Das Kältemittel ist gasförmig, während das Öl in flüssiger Phase vorliegt, so dass beide Medien sich unter der isenthalpen Zustandsänderung anders verhalten: Die Entspannung des gasförmigen Kältemittels führt zu einer Temperaturabsenkung über das Ventil, während beim flüssigen Öl keine solche Temperaturveränderung zu erwarten ist. Das Strömen von Öl oder Kältemittel kann daher im Ventil durch diese Temperaturcharakteristik erkannt werden. Durch Vorgabe geeigneter für die Temperatur charakteristischer Kenngrößen und geeigneter Grenzwerte kann somit ein präzises Schließen des Ventils nach dem Öffnen erreicht werden, welches genau dann erfolgt, wenn der gesamte Ölvorrat aus dem Ölabscheider in den Ölsammelbehälter überführt wurde.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Messung der ersten Temperatur in einer Leitung zwischen dem Ventil und einem Ölsammelbehälter. Hier kann eine geeignete Temperaturmesseinrichtung angeordnet werden, die die Temperatur des strömenden Mediums nach der Entspannung im Ventil erfasst.
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In vorteilhafter Ausgestaltung wird dabei eine Änderungsrate der ersten Temperatur als Kenngröße verwendet. Mit anderen Worten: Die mathematische Ableitung des nach dem Ventil gemessenen Temperaturverlaufs wird ermittelt und selbst oder eine entsprechend abgeleitete Größe wird als Kenngröße verwendet, für die ein Grenzwert vorgegeben wird. Sobald eine besonders (d.h. über dem Grenzwert liegende) schnelle Absenkung der Temperatur erkannt wird, zeigt dies den Wechsel des Mediums im Ventil von Öl zu Kältemittel an. Dies ermöglicht es, die Mediumsveränderung im Ventil mit nur einer Temperaturmessstelle zu ermitteln.
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In zusätzlicher oder alternativer vorteilhafter Ausgestaltung erfolgt weiterhin eine Messung einer zweiten Temperatur in einem dem Ventil vorgeschalteten Bereich und die Differenz der ersten und der zweiten Temperatur wird als Kenngröße verwendet. Es wird also die absolute Temperaturdifferenz vor und nach dem Ventil als Kenngröße verwendet. Eine Mediumsveränderung im Ventil wird in diesem Fall durch eine Vergrößerung dieses Temperaturunterschiedes erkannt und ein entsprechender Grenzwert hierfür wird vorgegeben.
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Prinzipiell können auch Kombinationen der genannten Kenngrößen verwendet werden, d.h. eine Ermittlung sowohl der absoluten Temperaturdifferenz als auch der Geschwindigkeit der Temperaturveränderung. Hierdurch kann ggf. eine noch genauere Erkennung der Mediumsveränderung im Ventil erreicht werden.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Messung der zweiten Temperatur in einer Leitung zwischen dem Ölabscheider und dem Ventil erfolgt. Hier kann eine geeignete weitere Temperaturmesseinrichtung angeordnet werden, die die Temperatur des strömenden Mediums vor der Entspannung im Ventil erfasst.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung erfolgt weiterhin eine Messung einer dritten Temperatur in einem Eintrittsbereich des Ölabscheiders, und die dritte Temperatur wird bei der Festlegung der Kenngröße und/oder des Grenzwertes verwendet. Die Kenntnis der Temperatur am Eintritt des Ölabscheiders als Referenztemperatur ermöglicht eine noch exaktere Regelung des Füllstandes, wenn sie bei der Auswertung einbezogen wird.
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In den beschriebenen Verfahren wird das Öffnen des Ventils vorteilhafterweise zyklisch durchgeführt. Damit ist gemeint, dass das Öffnen des Ventils in einer vorgegebenen Regelmäßigkeit erfolgt, z.B. einmal pro vorgegebenen Zeitraum oder in einer bestimmten Öffnungsfrequenz alle X Sekunden/Minuten. Auch kann nach es nach Ablauf einer bestimmten Zeit nach dem Schließen des Ventils gemäß den beschriebenen Verfahren erfolgen.
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Die Zykluslänge, d.h. der durchschnittliche Abstand zwischen den Öffnungsvorgängen wird dabei vorteilhafterweise in Abhängigkeit einer Leistung eines Verdichters bestimmt. Steigt nämlich die Leistung des Verdichters in einem Kältekreislauf, da eine höhere Kühlleistung verlangt wird, wird auch Öl in einer höheren Rate in den Ölabscheider gefördert. Eine Anpassung der Öffnungsfrequenz oder - häufigkeit an die Leistung des Verdichters in dem Sinne, dass bei höherer Leistung auch eine höhere Öffnungsfrequenz oder - häufigkeit des Ventils, verbessert die Effizienz des Verfahrens daher noch weiter.
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Ein System, umfassend einen Ölabscheider und einen austrittsseitig über ein Ventil nachgeschalteten Ölsammelbehälter, umfasst vorteilhafterweise eine Anzahl von Temperaturmesseinrichtungen und eine Steuereinrichtung, ausgebildet zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens.
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Ein Kältekreislauf, umfassend einen Verdichter und einen Wärmeüberträger, wobei eine Kältemittelleitung den Verdichter ausgangsseitig mit dem Wärmeüberträger verbindet, umfasst vorteilhafterweise ein derartiges System.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch temperaturveränderungsbasierte Ermittlung des Füllzustands des Ölabscheiders eine energieeffiziente und technisch einfache bedarfsgerechte Entleerung des Ölabscheiders in den Ölsammelbehälter eines Kältekreislaufs erreicht wird. Die Regelung des Füllstandes im Ölabscheider über die Temperatur des ausströmenden Mediums kommt dabei ohne Adapter oder Schaugläser aus und ist nicht für Verschmutzung anfällig wie bisherige Systeme mit Schwimmern. Sie ermöglicht eine besonders einfache Anpassung an unterschiedliche Lastzustände des Kältekreislaufs und ist technisch besonders einfach umzusetzen und damit günstiger.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 einen Kältekreislauf mit Ölabscheider und jeweils einer Temperaturmesseinrichtung vor und nach dem Ventil zum Ölsammelbehälter,
- 2 den Kältekreislauf wie in 1 mit nur einer Temperaturmesseinrichtung nach dem Ventil, und
- 3 den Kältekreislauf wie in 1 mit jeweils einer Temperaturmesseinrichtung nach dem Ventil und am Eintritt in den Ölabscheider, und
- 4 Ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit zwei Beispielen zur isenthalpen Entspannung im Ventil, falls der Ölabscheider leer ist und Gas entspannt wird.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch einen Kältekreislauf K. Der Kältekreislauf K wird im Folgenden ausgehend von einem Verdichter 1 beschrieben. Das im Verdichter 1 verdichtete Kältemittel - im Ausführungsbeispiel Kohlendioxid - wird zunächst in einen Ölabscheider 2 geführt. Der Ölabscheider 2 ist im Ausführungsbeispiel als Prallabscheider ausgebildet und scheidet Öl ab, welches dem Kältemittel im Verdichter 1 betriebsbedingt beigemischt wurde. Kältemittelseitig schließt sich an den Ölabscheider 2 ein im Ausführungsbeispiel als Gaskühler ausgebildeter Wärmeübertrager 3 an, in dem das verdichtete Kältemittel gekühlt und verflüssigt wird. Von dort strömt es über ein Drosselorgan 4 in einen als Verdampfer ausgebildeten Wärmeübertrager 7. Hier wird das Kältemittel entspannt und nimmt Wärme auf, so dass die gewünschte Kühlwirkung erreicht wird. Aus dem letztgenannten Wärmeübertrager 7 strömt das nun wieder gasförmige Kältemittel zurück in den Verdichter 1, wird dort komprimiert und der Kreislauf beginnt von neuem.
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Bislang wurde nur die Anordnung des Ölabscheiders 2 hinsichtlich des Kältemittelkanals im Kältekreislauf K beschrieben. Hinsichtlich des Ölflusses ist der Ölabscheider 2 wie folgt angeordnet: Am Boden des Ölabscheiders 2 ist ein Auslass für das abgeschiedene Öl angeordnet. Dieser Auslass ist über ein im Ausführungsbeispiel als Magnetventil ausgebildetes steuerbares Ventil 5 mit einem Ölsammelbehälter 6 verbunden. Aus dem Ölsammelbehälter 6 wird das Öl wieder dem Verdichter 1 zugeführt.
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Die bis hier beschriebene Ausgestaltung des Kältekreislaufs K ist für alle Ausführungsbeispiele der 1 bis 3 gleich. Unterschiede ergeben sich lediglich in der Anordnung der Temperatursensoren T1, T2, T3. Dies bedeutet jedoch nicht, dass das im Folgenden beschriebene Verfahren zur Regelung des Füllstands des Ölabscheiders 2 nur auf derartige einfache Kältekreisläufe K anwendbar ist - diese dienen nur der Erläuterung. Das Verfahren ist auf beliebige Kältekreisläufe K anwendbar, die einen Ölabscheider 2 aufweisen.
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Damit der Vorgang des Ablassens des abgeschiedenen Öls aus dem Ölabscheider 2 keinen unnötigen Druckverlust im Kühlkreislauf K verursacht, soll das Ventil 5 lediglich bedarfsweise geöffnet werden. Ziel ist hierbei, dass lediglich abgeschiedenes Öl durch das Ventil 5 strömt und kein Gas, was bei offenem Ventil und entleertem Ölabscheider 2 der Fall wäre. Hierzu wird der Füllstand des Ölabscheiders 2 über ein bedarfsgerechtes Öffnen und Schließen des Ventils 5 wie folgt geregelt:
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Das Ventil 5 wird unabhängig vom aktuellen Füllstand des Ölabscheiders 2 zeitgesteuert geöffnet. Vorgesehen ist hierbei ein regelmäßiges Öffnen des Ventils 5 zyklisch nach einem vorgegebenen Zeitraum nach dem letzten Schließen. Dieser Zeitraum kann in Ausführungsbeispielen dynamisch abhängig sein von der Leistung des Verdichters 1. Er kann jedoch auch fest eingestellt sein.
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Wesentlich für die hier vorgestellten Regelungsverfahren für den Füllstand des Ölabscheiders 2 ist das unmittelbare Schließen des Ventils 5, nachdem das im Ölabscheider 2 abgeschiedene Öl vollständig entfernt wurde. Hierzu wird in allen Ausführungsbeispielen detektiert, welches Medium durch das geöffnete Ventil 5 strömt - solange noch Öl strömt, bleibt das Ventil 5 geöffnet, sobald Kältemittel strömt, wird das Ventil 5 sofort geschlossen.
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Zur Detektion des strömendem Mediums im Ventil 5 wird ausgenutzt, dass das Kältemittel im Ölabscheider 2 gasförmig ist, während das Öl flüssig ist. Im Ventil 5 findet eine isenthalpe Entspannung des Mediums statt, so dass anhand der Temperaturveränderung über das Ventil 5 festgestellt werden kann, ob das strömende Medium flüssig oder gasförmig ist: Falls der Ölabscheider 2 leer ist und Gas entspannt wird, sinkt die Temperatur. Wenn Öl über das Ventil 5 geführt wird, hat es nach dem Ventil 5 ungefähr die Temperatur von vor dem Ventil 5. Dies kann mit geeigneten Temperaturmesseinrichtungen T1, T2, T3 erfasst werden. Die Temperaturmesseinrichtungen T1, T2, T3 sind in allen Ausführungsbeispielen mit einer nicht dargestellten Steuereinrichtung verbunden, die das Öffnen und Schließen des Ventils 5 unter Nutzung der Daten der Temperaturmesseinrichtungen T1, T2, T3 mit entsprechender Hard- und Software steuert.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 sind hierzu zwei Temperaturmesseinrichtungen T1, T2 vorgesehen. Diese sind in den Zuleitungen vor und hinter dem Ventil 5 angeordnet, d.h. zwischen Ölabscheider 2 und Ventil 5 (T1) sowie zwischen Ventil 5 und Ölsammelbehälter 6 (T2). Die Temperaturmesseinrichtungen T1, T2 messen die Temperatur des Mediums in den Zuleitungen.
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Wie oben erläutert ergibt sich bei einem gasförmigen strömenden Medium im Ventil 5 ein Temperaturabfall über das Ventil 5. Daher wird im Verfahren des Ausführungsbeispiel der 2 die Temperaturdifferenz zwischen den gemessenen Temperaturen an beiden Temperaturmesseinrichtungen T1, T2 als Kenngröße verwendet. Es wird ein Temperaturunterschied als Grenzwert vorgegeben. Sobald dieser Grenzwert überschritten wird, die Temperaturen also um mehr als den Grenzwert abweichen, wird das Ventil 5 wieder geschlossen.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 hingegen ist im Unterschied zur 1 nur eine Temperaturmesseinrichtung T2 vorgesehen. Diese ist zwischen Ventil 5 und Ölsammelbehälter 6 angeordnet und misst die Temperatur des strömendem Mediums unmittelbar nach dem Ventil 5. In der Steuereinrichtung liegt also nur ein einziger Temperaturwert vor; es kann keine Differenz gebildet werden.
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Stattdessen ist im Ausführungsbeispiel der 2 vorgesehen, den starken Abfall der Temperatur an der Temperaturmesseinrichtung T2 zu detektieren, wenn das Medium im Ventil 5 nach dem Entleeren des Ölabscheiders 2 von Öl zu Kältemittel wechselt. Hierzu wird in der Steuereinrichtung nach dem Öffnen des Ventils 5 kontinuierlich die Ableitung des gemessenen Temperaturwertes gebildet und als Kenngröße verwendet. Es ist ein Grenzwert für die negative Ableitung vorgegeben. Sobald dieser Grenzwert überschritten wird, die Absenkung der Temperatur also noch schneller erfolgt, als der Grenzwert vorgibt, wird das Ventil 5 wieder geschlossen.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei Temperaturmesseinrichtungen T2, T3. Die Temperaturmesseinrichtung T2 ist am gleichen Ort wie die Temperaturmesseinrichtung T2 in der 2 angeordnet. Die Temperaturmesseinrichtung T3 hingegen ist am Eintritt in den Ölabscheider 2 angeordnet und misst letztlich die Temperatur des aus dem Verdichter 1 strömenden Mediums (verdichtetes Kältemittel mit Beimischung von Öl).
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Im Ausführungsbeispiel der 3 wird im Wesentlichen die Regelung wie zu 2 beschrieben angewendet, d.h. über die Ableitung des Temperaturwertes an der Temperaturmesseinrichtung T2 als Kenngröße. Hierbei wird jedoch der Temperaturwert an der Temperaturmesseinrichtung T3 als Referenzwert mit einbezogen, d.h. die Kenngröße und/oder der Grenzwert werden ggf. auf Basis dieses Referenzwerts dynamisch modifiziert.
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Generell sind auch Mischformen möglich, d.h. kombinierte Kenngrößen und Grenzwerte aus den zu den 1 bis 3 beschriebenen Größen und Werten. Wesentlich ist es, möglichst schnell den Wechsel des strömenden Mediums durch das Ventil von flüssigem Öl zu gasförmigem Kältemittel zu detektieren. Dies geschieht über die Abkühlung bei isenthalper Entspannung im Ventil 5, wie in 4 gezeigt. 4 zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm eines typischen Kältemittels. Beispielhaft sind zwei Beispiele einer isenthalpen Entspannung im Ventil 5 gezeigt, von Punkt 1' zu 2' und von Punkt 1 zu 2. In beiden Fällen sind deutliche Temperaturrückgänge um 20 bzw. 30 K erkennbar, die mit den oben beschriebenen Verfahren erkannt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichter
- 2
- Ölabscheider
- 3
- Wärmeübertrager
- 4
- Drosselorgan
- 5
- Ventil
- 6
- Ölsammelbehälter
- 7
- Wärmeübertrager
- K
- Kältekreislauf
- T1
- Temperaturmesseinrichtung
- T2
- Temperaturmesseinrichtung
- T3
- Temperaturmesseinrichtung