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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur solarthermischen Kälteerzeugung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung gehören zum vorbekannten Stand der Technik und werden vor allem im Rahmen der Verwertung anfallender Abwärme und der damit verbundenen Sekundärenergie genutzt. Verwiesen sei auf ein Verfahren zur Nutzung anfallender Abwärme an Heizkraftwerken gemäß der Lehre nach
DE 199 40 465 A1 . Hierbei wird eine Absorptionskälteeinrichtung beschrieben, die u. a. auch zur Kühlung einer Photovoltaikeinrichtung verwendet wird.
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Absorptionskälteeinrichtungen stellen einen bekannten Stand der Technik dar. Deren grundsätzlicher Aufbau und deren Funktionsprinzip ist in der Literatur beispielsweise in JUNGNICKEL; AGSTEN; KRAUS: Grundlagen der Kältetechnik. Karlsruhe, Verlag C. F. Müller, 1981, S. 228 bis 229. ISBN 3-7880-7131-1 eingehend beschrieben. Dort wird insbesondere das Prinzip einer mehrstufigen Absorptionskältemaschine mit einer Niederdruckstufe aus einem Verdampfer und einem Absorber, einer Mitteldruckstufe mit einem Niederdruckaustreiber und einem Hochdruckabsorber und einer Hochdruckstufe mit einem Austreiber und einem Kondensator beschrieben.
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Zum Betreiben von Absorptionskältemaschinen ist eine Wärmequelle erforderlich. Hierzu kann beispielsweise auf solarthermische Kollektoren zurückgegriffen werden. Derartige Kollektoren sind ebenfalls ein bekannter und weithin genutzter Stand der Technik. Sie werden insbesondere zur direkten Gewinnung elektrischer Energie eingesetzt. Eine beispielhafte Verwendung einer solarthermischen Kollektoreinrichtung zur Energiegewinnung ist in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 197 23 543 A1 offenbart. Die Druckschrift beschreibt eine Energieerzeugungsanlage mit einer Gasturbine, einem solarbetriebenen Dampferzeuger und Mitteln zur Regulation einer zirkulierenden Wasser- bzw. Dampfmenge, insbesondere einer Dampftrommel und einem Wärmetauscher.
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Die solarthermischen Kollektoren können auf vielfältige Weise ausgebildet sein. Möglich ist insbesondere eine Ausführungsform als Parabolrinnenkollektor. Eine derartige Kollektorvorrichtung ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 40 181 A1 offenbart. Bei der dort beschriebenen Ausführungsform ist ein Absorberrohr vorgesehen, das von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmt wird. Das Absorberrohr ist längs einer Brennlinie des Parabolrinnenkollektors angeordnet.
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Thermische Kälteverfahren sind überall dort einsetzbar, wo Wärmeenergie, entweder in Form von Abwärme oder als Primärenergie in ausreichendem Maße verfügbar ist.
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Der Nutzen von thermischen Kälteverfahren ergibt sich daraus, dass ansonsten in die Umgebung ungenutzt abgegebene Energieformen, insbesondere Wärmeenergie, einer technischen Verwendung zugeführt werden können. Dadurch können höherwertige Energieformen, wie beispielsweise elektrische Energie oder in Brennstoffen gespeicherte chemische Energie eingespart und/oder die mit der Energieerzeugung verbundenen Umweltbelastungen durch Schadstoffemissionen oder Ausstoß von Kohlendioxid vermindert werden. Thermischen Kälteverfahren kommt somit eine wichtige Rolle bei Energieprojekten zum Zwecke des Umweltschutzes zu.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren dient der solarthermischen Kälteerzeugung und kann z. B. für die Lagerkühlung, Lebensmittelkühlung, Klimatisierung unter Nutzung von Eisspeichern, Erzeugung von Kunstschnee, Bereitstellung von Kälte für pumpfähige Sole-Eis-Gemische sowie zur Prozesskühlung eingesetzt werden.
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Ein weiterer interessanter Energie-Einsparungseffekt solarthermischer Kälteerzeugung besteht darin, dass die in der Natur vorhandenen regenerative Solarenergie möglichst direkt und nicht über den Umweg der Erzeugung elektrischen Stromes genutzt werden kann.
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Die Nutzung solarer Energie ist einfach, kostengünstig und bietet damit besonders in Gegenden der Dritten Welt, die sich meist in Gebieten mit einer hohen Jahressonnenscheindauer befinden, eine Möglichkeit, entweder kostengünstig elektrische Energie zu erzeugen oder die solare Energie direkt technisch zu nutzen.
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In der
GB 2 063 444 A wird eine beispielhafte Kopplung zwischen einer solarthermischen Anlage und einer Absorptionswärmepumpe beschrieben. Gemäß der dort offenbarten Lehre ist ein Solarkollektor mit einem Wärmeträgerkreislauf vorgesehen. Dieser führt einem als Rekuperator ausgebildeten Generator über einen Wärmetauscher Wärmeenergie zu. Der Wärmeträgerkreislauf ist von dem Kreislauf des Arbeitspaares vollständig abgetrennt. Er dient als äußere Wärmequelle für den Rekuperator. Dabei erfolgt ein erster Wärmeübertrag im Bereich des solarthermischen Kollektors und ein zweiter Wärmeübertrag im Bereich des Rekuperators, wobei beide Wärmeübertragungen mit einem Energieverlust behaftet sind. Außerdem bringt der Wärmeträgerkreislauf ein zusätzliches Risiko eines Wärmeverlustes mit sich und beeinflusst auch durch dessen Trägheit den Wirkungsgrad der gesamten Anlage nachteilig. Zudem muss für eine ausreichende Isolation des Wärmeträgerkreislaufs gegenüber der Umgebung gesorgt werden.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, ein kostengünstiges und effektives Verfahren und eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung anzugeben, welches auf der Nutzung solarer Energie beruht.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Verfahren zur solarthermischen Kälteerzeugung nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen beinhalten.
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Erfindungsgemäß basiert das Verfahren auf dem an sich bekannten Prinzip einer zweistufigen Absorptionskältemaschine. Diese umfasst ein in einem Kältemittelkreislauf zirkulierendes Kältemittel, sowie ein in zwei Lösungsmittelkreisläufen zirkulierendes Absorptions- oder Lösungsmittel nebst Verdampfer, Kondensator, zwei Austreibern und zwei Absorbern. Die für den Betrieb des Desorbers erforderliche Wärmeenergie wird erfindungsgemäß in Form von Sonnenenergie innerhalb einer solaren Heizanlage gesammelt und dem Absorptionsmedium in der solaren Heizungsanlage zugeführt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit in jedem Falle emissionsfrei und unabhängig von vorhandenen elektrischen und Fernwärmeversorgungsnetzen einsetzbar.
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Vorzugsweise erfolgt die Kälteerzeugung im Rahmen des Verfahrens kontinuierlich. Als Kälteanlage kommt aus diesem Grunde eine Absorptionskältemaschine zur Anwendung, die als zweistufige Wasser-Ammoniak-AKM ausgeführt ist.
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Hierbei wird das als Arbeitspaar bezeichnete Stoffgemisch aus Absorptionsmittel und Kältemittel innerhalb der solaren Heizanlage durch deren unterschiedliche Verdampfungstemperaturen in einem Desorber geschieden. Das Kältemittel wird anschließend in einem Kondensator verflüssigt und verdampft in einen Verdampfer, wodurch der Umgebung Wärme entzogen wird. Anschließend wird der Kältemitteldampf wieder vom Absorptionsmittel aufgenommen.
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Das in der solaren Heizanlage erhitzte Absorptionsmedium kann grundsätzlich zu weiteren Zwecken eingesetzt werden. So ist beispielsweise eine auf diesen basierende Warm- oder Heißwasserversorgung, sowie eine solarthermische Stromerzeugung mittels einer mit einem Generator gekoppelten Dampfturbine möglich. Damit ist eine flexible Verwendung der von der solaren Heizanlage gesammelten Wärmeenergie in Abhängigkeit von den bestehenden Einsatzaufgaben gewährleistet.
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Für die solare Heiz- oder Energiegewinnungsanlage ist als Bestandteil eines Desorbers ein Parabolrinnenkollektor vorgesehen, dessen Brennpunkt durch die extrudierte Parabelform eines Kollektorspiegels zu einer Brennlinie ausgezogen ist. Mit Hilfe von Parabolrinnenkollektorsystemen können durch die Fokussierung der direkten Sonnenstrahlung Temperaturen von 180°C bei Kollektorwirkungsgraden von über 50% erzielt werden. Bei diesen hohen Temperaturen können Absorptionskälteprozesse wie der hier vorgestellte Wasser-NH3-Absorptionsprozeß zweistufig ausgeführt werden. Hierdurch kann die Effektivität des Prozesses, auch in der Literatur als COP (Kälteleistung/Thermische Antriebsleistung, Coefficient of Performance) nahezu verdoppelt werden. Der COP kann nach Abschätzungen für den hier betrachteten Betriebsfall (Verdampfertemperatur 0°C, Kondensator und Absorber 1 bei 50°C sowie Temperatur des Desorbers 2 bei ca. 180°C) ein COP von 0.9 bis 1 erzielt werden. Das Arbeitspaar wird innerhalb eines in der Brennlinie befindlichen Heizrohres aufgeheizt und verdampft. Alternativ dazu kann dem Parabolrinnenkollektor ein Dampferzeuger nachgeschaltet sein.
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Innerhalb der Brennlinie des Kollektorspiegels wird somit eine Heizstrecke gebildet, in der das durchfließende Absorptionsmittel kontinuierlich erhitzt wird. Die Anwendung des Parabolrinnenkollektors stellt eine besonders einfach zu realsierende, damit kostengünstige und durch den hohen Konzentrationsfaktor der solaren Wärmeenergie innerhalb der Brennlinie des Kollektorspiegels besonders effiziente Art der solaren Wärmeenergienutzung dar.
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Als Arbeitspaar wird Ammoniak-Wasser verwendet. Dieses System ist schon lange bekannt und kann mit vorhandener Technik gut beherrscht werden. Beide Stoffe sind kostengünstig verfügbar. Ammoniak kann ohne Probleme genutzt werden, da mit vorhandener Technik und aufgrund der niedrigen Geruchsschwelle NH3-Leckagen schon frühzeitig festgestellt werden können.
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Für den Transport der Kälte zum eigentlichen Anwendungsort wird im Verdampfer ein Kälteträgermedium gekühlt, anschließend zum Abnehmerort transportiert und dann wieder zum Verdampfer zurückgefördert. Der Kälteträger kann eine wässrige Kältesole, Wasser bei Temperaturen über 0°C oder auch ein pumpfähiges Wasser(Sole)-Eis-System darstellen. Mit diesem Prozess sind unter günstigen Bedingungen Kälteträgertemperaturen bis –40°C möglich.
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Zur Abfuhr der von der Kälteanlage aufgenommenen Wärme aus der Umgebung sowie der Solarwärme ist die Anordnung aus Kondensator sowie Absorber aktiv gekühlt.
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Bei einer ersten Ausführungsform erfolgt die aktive Kühlung der Kondensatoren und/oder der Absorber mittels einer Flüssigkeitsströmung beispielsweise eines Kühlwasserkreislaufs. Weiterhin kann eine Kühlung mittels Verdunstungsrückkühlwerken erfolgen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der aktiven Kühlung ist diese durch eine Luftkühlung ausgelegt. Hierbei wird das Kältemittel/Absorptionsmittel-Dampfgemisch über eine Wärmetauschfläche geleitet, welche einen möglichst intensiven Wärmekontakt mit der umgebenden Luft ermöglicht. Durch ein Gebläse wird Umgebungsluft angesaugt und mit der Wärmetauschfläche strömend in thermischen Kontakt gebracht.
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Vorrichtungsseitig wird die Erfindung durch eine Anordnung aus einem Desorber einer Absorptionskältemaschine gebildet, der eine sich in einer Brennzone eines solaren Kollektors oder Kollektorfeldes befindliche, von einem Medium durchströmte Heizstrecke mit einer Kopplung zu einer Anordnung aus mindestens einer – Rektifizierkolonne und/oder einem Dampfabscheider enthält, wobei diese Komponenten in einen Solarkreislauf geschaltet sind.
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Zweckmäßigerweise ist der solare Kollektor oder das Kollektorfeld als ein Parabolkollektorfeld mit einer linearen röhrenförmigen Heizstrecke ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren zur solarthermischen Kälteerzeugung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten Abbildungen 1 und 2.
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Hierbei zeigt:
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1 einen schematischen Gesamtüberblick über eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen solarthermischen Kälteerzeugung, umfassend unter anderem eine als Parabolrinnenkollektorfeld ausgeführte solare Heizanlage als Bestandteil eines Desorbers und
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2 eine schematische Darstellung eines Parabolrinnenkollektors.
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1 zeigt eine prinzipielle Ausführungsform zur solarthermischen Kältererzeugung. In einem Solarkreislauf mit Fließwegen 1, 2, 3, 4, 5 wird ein Wasser-Ammoniak-Gemisch mittels einer Umwälzpumpe P4 umgetrieben, wobei dieses ein Parabolrinnenkollektorfeld PRK in einer Mehrzahl von Leitungsverzweigungen 2, 3, 4 durchströmt und über ein Drosselventil V1 über den Fließweg 5 einem Desorber Des2 mit einem Dampfabscheider DA und einer Rektifikationskolonne RK zugeführt wird.
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Das Lösungsmittel, im hier beschriebenen Anwendungsbeispiel Wasser, wird über Fließwege 6, 7, 8, 9 in einem Lösungsmittelkreislauf mit dem Desorber Des2, einem Lösungswärmetauscher LWT2, einem Absorber Abs2 und einem Drosselventil V3 geführt, der von einer Lösungsmittelpumpe P2 umgewälzt wird.
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Weiterhin ist ein weiterer Desorptionsprozess vorgesehen, der in 1 durch die Fließwege 10, 11, 12, 13, 14, 15 bezeichnet ist und der einen Desorber Des1, einen weiteren Lösungswärmetauscher LWT1, und einen weiteren Absorber Abs1 mit einem Drosselventil V2 enthält, der von einer weiteren Lösungsmittelpumpe P1 umgewälzt wird. Absorber Abs2 aus dem ersten Lösungsmittelkreislauf und Desorber Des1 aus dem weiteren Lösungsmittelkreislauf sind über einen Wärmeträgerkreislauf mit Fließwegen 16, 17 gekoppelt, der von einer Umwälzpumpe P3 angetrieben wird und bei dem ein Wärmetransport vom Absorber Abs2 zum Desorber Des1 erfolgt.
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Das aus den Desorbern Des2 und Des2 ausgetriebene Ammoniak wird über die Fließwege 11, 20, 21, 22, 23, 24 einem Kältemittelkreislauf zugeführt, der einen Kondensator Kon1 und einen Vorkühler VK1 enthält. Der Kältemittelkreislauf ist mit einem Kreislauf für Kühlwasser 18, 19, der der aktiven Kühlung des Absorbers Abs1 und des Kondensators Kon1 dient, in wärmeübertragender Weise verbunden.
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Weiterhin ist ein Kälteträgerkreislauf 25, 26 vorgesehen, der die der Umgebung entzogene Wärme in den Verdampfer Ver1 einleitet und in dem Sole oder Kaltwasser beispielhaft als Kälteträger verwendet wird.
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Bei dem zweistufigen Prozess stellt der Desorber Des2 das eigentliche Parabolrinnen-Kollektorfeld PRK mit dem zusätzlichen Dampfabscheider DA bzw. der Rektifikationskolonne RK dar. Ammoniak ist gegenüber Stahl ein unkritisches Medium und durch die Verwendung des zweistufigen Prozesses sind die Betriebsdrücke in einem Bereich kleiner als 25 bar Überdruck gewählt und somit gut zu beherrschen. Der aus dem Desorber Des2 freigesetzte, nahezu wasserfreie Ammoniakdampf wird im Kondensator Kon1 niedergeschlagen und über das Drosselventil V4 in den Verdampfer entspannt. Die aus dem Desorber Des2 ausfließende ammoniakarme Lösung strömt in den Absorber Abs2. Dort wird aus dem Verdampfer Ver1 auf niedrigem Dampfdruck verdampfendes Ammoniak wieder absorbiert. Die hierbei frei werdende Absorptionswärme wird über den Wärmeträgerkreislauf in den weiteren Lösungsmittelkreislauf zu dem Desorber Des1 gefördert. In diesem Lösungsmittelkreislauf herrscht ein deutlich geringerer mittlerer Wassergehalt, so dass bei nahezu demselben Temperaturniveau wie in Absorber Abs2 Ammoniak aus der Lösung ausgetrieben werden kann. Der im Desorber Des1 freigesetzte Dampf wird ebenfalls im Kondensator Kon1 gemeinsam mit dem Dampf aus dem Desorber Des2 niedergeschlagen. Die aus dem Desorber Des1 an Ammoniak verarmte Lösung wird zum Absorber Abs1 auf niedrigem Druckniveau gefördert. Dort nimmt der Absorber einen Teil des im Verdampfer freigesetzten Ammoniaks wieder auf. Die nun wieder an Ammoniak angereicherte Lösung wird zurück zum Desorber gefördert und der Lösungskreislauf schließt sich. Analog dazu arbeitet der aus Desorber Des2 und Absorber Abs2 sich zusammensetzende Lösungskreislauf.
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Zur Erhöhung des Wirkungsgrades oder Prozesseffektivität (COP) werden sowohl in den Lösungskreisen als auch in der Leitung zwischen Kondensator Kon1 und Verdampfer Ver1 Temperaturwechsler eingesetzt. Diese können den Verlustwärmestrom vom höheren zum niedrigeren Temperatur- bzw. Druckniveau teilweise kompensieren.
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In 2 ist der zur Dampferzeugung dienende Parabolrinnenkollektor PRK detaillierter dargestellt. Eine rinnenförmige Parabolschiene PS, deren Querschnitt im wesentlichen parabelförmig ausgebildet ist und deren Oberfläche reflektierend gestaltet ist, erzeugt eine Brennlinie, in der sich ein Heizrohr HR befindet, welches vom Absorptionsmedium kontinuierlich durchströmt wird. Dabei tritt das Absorptionsmedium W in flüssiger Form als Kondensat W-KON ein. Im hier beschriebenen und in 1 dargestellten Anwendungsbeispiel handelt es sich um eine Mischung aus Ammoniak und Wasser. Der Durchmesser des Sammelrohres, die Durchsatzmenge sowie die Rohrlängen sind so bestimmt, dass entsprechend der geforderten thermischen Leistungen das Medium die gewünschten Drücke und Temperaturen erreicht, wobei die zulässigen Strömungsgeschwindigkeiten einzuhalten sind. Das Medium kann teilweise oder gar nicht verdampfen. Für den letzteren Fall wird dem Parabolrinnenkollektor ein Brüdenbehälter nachgeschaltet, in dem eine Entspannungsverdampfung mit eingebundener Rektifikation stattfinden kann.
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Um einen möglichst großen Wirkungsgrad der Kälteanlage zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Betriebslast, d. h. die Temperaturdifferenz zwischen der unmittelbaren Umgebung des Kondensators Kon1 und dem Verdampfer Ver1 möglichst gering zu halten. Aus diesem Grund kann eine Luftkühlung als aktive Kühlung ausgeführt werden, bei der ein Gebläse fortwährend Luft ansaugt und eine kontinuierliche Strömung um die wärmeabgebenden Wände zwischen Kondensator Kon1 und Umgebungsluft gewährleistet und das Zustandekommen einer isolierenden Luftschicht verhindert. Noch höhere Leistungsdaten bzw. Wirkungsgrade werden erzielt, wenn mit Flusswasser, Seewasser oder auch mit Verdunstungsrückkühlwerken eine Rückkühlung des Prozesses eingerichtet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1 ... 5
- Solarkreislauf
- 12 ... 15
- erster Lösungsmittelkreislauf
- 10, 11, 21 ... 24
- Kältemittelkreislauf
- 16, 17
- Wärmeträgerkreislauf
- 18, 19
- Kühlwasserkreislauf
- 27, 26
- Kälteträgerkreislauf
- Abs1
- Absorber 1
- Abs2
- Absorber 2
- DA
- Dampfabscheider
- Des1
- Desorber 1
- Des2
- Desorber 2
- HR
- Heizrohr
- Kon1
- Kondensator
- LWT
- Lösungswärmetauscher
- RK
- Rektifikationskolonne
- P1, P2
- Lösungsmittelpumpen
- P3
- Pumpe Wärmeträgerkreislauf
- P4
- Umwälzpumpe Kollektorfeld
- PRK
- Parabolrinnenkollektor, Parabolrinnenkollektorfeld
- PS
- Parabolrinne
- V1 ... V4
- Drosselventile
- Ver1
- Verdampfer
- VK1
- Vorkühler
- W-KON
- Absorptionsmedium, flüssig
- W-D
- Absorptionsmedium, Dampf
