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Kühlverfahren und Kühlsystem zur Ausführung
des Kühlverfahrens Bei den üblichen Kühlverfahren bzw. Kühlsystemen
wird
das im Kreislauf geführte Kühlmittel als gesättigter oder
leicht
überhitzter Dampf isentropisch verdichtet, um die
Enthalpie
des Kühlmittels zu erhöhen, das dann bei konstan-
tem Druck
durch den Kondensator geführt wird, wo die Erst-
überhitzung
und Kondensation stattfindet. Das kondensier-
te Kühlmittel kanng
braucht aber nichts heruntergekühlt werdenl bevor es durch eine Expansionsvorrichtung
hindurchgeht, wo eine konstante enthalpische Druckverminderung
statt-
findet, und gelangt schließlich in einen Verdampfers
wo es
eine bestimmte Menge an unerwünschter Wärme entnimmt,
wo-
durch das Kühlmittel erneut verdampft.
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Heim Kreislauf gemäß der Erfindung wird der gesättig-
te
Kühlmitteldampf, der aus dem Verdampfer kommt, bei im
wesentlichen
konstantem Druck auf eine Temperatur etwa
gleich der Kondensationstemperatur
des Kühlmittels über-'
hitztg und dieser überhitzte Dampf wird
dann im wesent-
lichen isothermisch und nicht isentropisch
verdichtet
wie es beim üblichen Kühlkreislauf der Fall
ist. In sonsti-
gen Teilen kann der Kreislauf der Erfindung so betrachtet
werden,
daB er im allgemeinen dem üblichen Kühlkreislauf entspricht.
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Bei der Aus-führung der Erfindung ist es wesentlich,
daß
das verdampfte Kühlmittel vor der Verdichtung auf eine
Temperatur überhitzt
wird, die etwa der Kondensations-
temperatur entspricht und daß
die Verdichtung des ver-
dampften Kühlmittels im wesentlichen isothermisch
verläuft.
Um diese isothermische Verdichtung des verdampften Kühl-
mittels
zu erreichen, wird vorgesehen, daß mit dem verdampften Kühlmittel eine Trägerflüssigkeit
und ein Schaum-
mittel vermischt wird, so daß ein verschäumtes
Gemisch
aus Flüssigkeit und Dampf gebildet wird, das durch den
Verdichter
hindurchgeht. Die Gegenwart der Trägerflüssig-
keit ermöglicht
die isothermische Verdichtung des ver-
dampften Kühlmittels.
Ein ausschlaggebendes Merkmal der
Erfindung liegt also in der
Zuführung von Wärme zum Kühl-
mittel in der überhitzungsstufe
statt in der Verdichterstufe, so daß in dieser Verdichtungsstufe gegenüber
dem
Kühlmittel nur eine Druckerhöhung stattzufinden braucht,
ohne
daß die entsprechende übliche Temperaturerhöhung
des Kühlmittels
vor sich geht.
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Die Zeichnung veranschaulicht zwei Ausführungsbeispie-
le
der Erfindung und ein Diagramm. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische
Darstellung eines
Kühlsystems gemäß der Erfindung;
Fig. 2 schematisch
ein weiteres Kühlsystem
gemäß der Erfindung; Fig. 3 ein Temperatur-Entropie-Diagramm
zur Erläuterung des Unterschiede zwi-
sehen einem
üblichen Kühlkreislauf und einen Kühlkreislauf gemäß der Erfindung in idealisierter
Form.
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Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Kühlsystem ent-hält eine
Druckpumpe 2, die mit ihren Auslaß über eine Ge-
mischleitung
4 mit den Einlaß eines Dampf-Flüssigkeit-Separators 6 verbunden ist. Ein
Auslaß für Trägerflüssigkeit dicht am Boden des 8eparators 6 ist durch eine Trägerflüssigkeitsleitung
8 an einen Schaummischer 1o angeschlossen, der vor dem EinlaB
der Pumpe 2 liegt. Der Schaummischer 1o enthält vorzugsweise eine
Düse, aus der die Flüssigkeit als Strahl austritt, der den Kühlmitteldampf
mitnimmt, um einen Schaum zu bilden. Hierbei wird auch die Energie
der Trägerflüssig-
keit wieder gewonnen, die aus der Flüssigkeitsleitung
mit
wesentlich höheren Druck als dem Druck auf der Saugseite
der
Pumpe 2 austritt. Der oben am Separator 6 befindliche Auslaß 12a für den
gühlmitteldampf ist durch aine Dampf-
leitung 12 mit den
Kühlmittelkondensator ^`,- j-:rbunden.
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Der Auslaß 16a des Kondensators 14 ist durch
eine Kühlflüssigkeitsleitung 16 mit einen Hochleistungswärmetauscher
18 verbunden, von dem aus eine weitere Kühlflüssigkeitsleitung
2o :u einer Expansionsvorrichtung, beispielsweise
einen Ventil
22 führt. Von der Expansionsvorrichtung 22 führt dann eine Leitung
24 zum Eiale» eines Kühlmittelverdampfers 26,tdsssen AuslaB durch
eine Dampfleitung 28 mit den Wärmetauscher 18 verbunden ist, der
seinerseits wie-
der mittels einer Leitung 3o an den Schaummischer
1o ange-
schlossen ist.
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Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 1 durchläuft
das Kühlmittel im allgemeinen den üblichen Weg, indem es von der Pumpe 2 rum Kondensator
14, zur Expansionsvorrichtung 22, zum Verdampfer 26 und zurück zur Pumpe 2
strömt.
Der Strömungsweg des Kühlmittels im Kreislauf ist durch Pfeile angedeutet. Der Strömungsweg
der Trägerflüssigkeit, die bei diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem Schaummischer
lo und dem Separator 6 zusammen mit dem Kühlmittel strömt, ist durch gestrichelte
Pfeile angedeutet.
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Im Betrieb des Kühlsystems nach Fig. 1 bewirkt der Saugzug der Pumpe
2 das Einströmen der Trägerflüssigkeit und des Schaummittels aus der Zeitung 8 und
auch des überhitzten Kühlmitteldampfes, der durch die Zeitung 3o aus dem Wärmetauscher
18 kommt, in den Pumpeneinlaß. Der Druckunterschied zwischen der Trägerflüssigkeitsleitung
8 und der Saugseite der Pumpe 2 bewirkt, daß die Trägerflüssigkeit aus der
Trägerflüssigkeitsleitung 8 mit hoher Geschwindigkeit als Strahl aus der Düse heraustritt,
die im Schaummischer 1o angeordnet ist. Die drei Komponenten, nämlich der überhitzte
Kühlmitteldampf, das Schaummittel und die Trägerflüssigkeit bilden also
ein Schaumgemisch, das komprimiert und durch die Gemischleitung 4 in den
Dampf-Flüssigkeit-Separator 6 gepumpt wird. In diesem Separator wird der
Schaum niedergeschlagen, wobei der Kühlmitteldampf zum Überleiten durch die Leitung
12 zum Kondensator 14 frei wird, während die Trägerflüssigkeitkomponente des Gemisches
im Separator 6 zurückbleibt und über die Trägerflüssigkeitsleitung 8 in den Schaunmischer
1o und damit zur Pumpe zurückgeführt wird. Der Kühlmitteldampf wird im Kondensator
14 kondensiert und das Kondensat fließt dann durch die Kühlflüssigkeit sleitung
16 zum Herunterkühlen in den Wär-metauscher 18 und dann in den weiteren
Teil des Kühlkreis-
laufs, wie er bereits beschrieben wurde.
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Die Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht der nach Fig. 1 mit der
Ausnahme, daß dem Kondensator 14 ein Sep arator
32 nachgeschaltet
ist anstatt der Vorschaltung des Separators 6 in Pig. 1.
Die Trägerflüssigkeit fließt zusammen
mit den Kühlmittel
durch den Kondensator 14, in dem der
Kühlmitteldampf kondensiert wird,
wobei jedoch kein Tren-
nen der Komponenten stattfindet, bis beide zusammen
den
Separator 32 in flüssiger Form erreichen. Der Unterschied
in
der Betriebsweise gegenüber der Ausführungsform nach
Fig.
fliegt also in erster Linie darin, daß eine Flüssigkeit-Flüssigkeit-Trennung
und keine Dampf-Flüssigkeit-Trennung stattfindet. Für die Erläuterung
wird angenommen, daß das
Kühlmittel in der flüssigen Phase ein größeres
spezifisches
Gewicht als die Trägerflüssigkeit hat, jedoch ist
auch der
andere Fall möglich, wobei die entsprechenden Anschlüsse
der Trägerflüssigkeitsleitung 8 und der Kühlflüssigkeitsleitung
16 am Separator 32 nur vertauscht werden müssen.
Die Abweichungen
des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs gegenüber einem üblichen Kreislauf
können am besten in
Verbindung mit einem idealisierten Diagramm
gemäß Fig. 3
erläutert werden, das die Beziehung zwischen absoluter
Temperatur
und Entropie des Kühlmittels im Kreislauf wie-
dergibt, die durch
die Ordinate und die Abszisse des Dia-
gramms dargestellt sind. Die
aufeinanderfolgenden Zustände des Kühlmittels im Kühlkreislauf,
ausgehend vom gesättig-
ten Kühlmitteldampf, der aus dem Verdampfer
herauskommt, sind durch die Punkte ADBEFGA veranschaulicht. Die auf-
einanderfolgenden
Zustände des Kühlmittels in einem Üb-
lichen Kühlkreislauf
sind durch die Punkte ABODEFGA ver-
anschaulicht, wobei angenommen
ist, daß der Dampf in einen
Ausmaß überhitzt wird, wie es sich
in Diagramm zwischen
den Punkten A und B darstellt. Dieser Überhitzungsgrad
wird hier angenommen, weil der Überhitzungsgrad in einem
üblichen Kühlkreislauf in typischer Weise nur genügend sein
würde, nm das Nichtvorhandensein von Kühlmittel in
der
flüssigen Phase zu gewährleisten, das in den Verdichter
gelangt.
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Die Kondensator- und Verdampfertemperaturen sind mit
Tc
und Te bezeichnet.
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Im Hauptkühlkreislauf stellt der Punkt A in Diagramm
den Zustand gesättigten Dampfes des aus dem Verdampfer 26
abströmenden und in den Wärmetauscher 18 gehenden Kühlmit-
tels
dar, das in diesem Wärmetauscher längs der Linie A-B von konstantem
Druck überhitzt wird, bis seine Temperatur
etwa der Kondensatortemperatur
auf der Höhe des Punktes B
entspricht. Diesen hohen Überhitzungsgrad
erhält der Kühlmitteldampf im Wärmetauscher 18 bevor er in den
Schaummi-
scher 1o strömt, wo er mit der Trägerflüssigkeit aus der
Zeitung
8 und mit dem Schaummittel vermischt wird, Das verschäumte
Gemisch aus Trägerflüssigkeit und überhitztem
Kühlmitteldampf wird dann
in die Pumpe 2 eingesaugt und
der Druck des Gemisches wird
mittels der Pumpe von der
Höhe des Drucks in Verdampfer
und Wärmetauscher auf den
Kondensatordruck erhöht. Infolge der Gegenwart
der Träger-
flüssigkeit im Gemisch verläuft die Verdichtung
des Kühl-
mittels längs der Lina H-D im wesentlichen
isothernisch. Nach der Verdichtungsstufe gelangt das Gemisch bei der
Ausführungsform
nach Fig. 1 in den Dampf-Flüssigkeit-Separator 6 oder bei der
Ausführungsform nach Fig. 2
direkt in den Kondensator. In jedem
Fall ist aber das
Temperatur-Entropie-Diagramm das gleiche, weil hier nur
der
Zua:band des Kühlmittels allein wiedergegeben ist.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 werden die Träger-
flüssigkeit
und das Schaummittel aus dem Kühlmittel im
Zustand gesättigten
Dampfes im Separator 6 abgetrennt,
so daB nur das Kühlmittel
in den Kondensator 14 gelangt, während bei der Anordnung
nach Fig. 2 die Trägerflüssigkeit
zusammen
mit dem Kühlmittel durch den Kondensator strömt,
wobei das Kühlmittel
kondensiert wird, wie durch die Linie D#»E des Diagramms veranschaulicht
wird.
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Am Punkt E des Diagramms ist der Kühlmitteldampf vollständig
zu Kühlmittelflüssigkeit kondensiert worden. Die Kühlflüsaigkeit
gelangt zum Herunterkühlen bei kon-
stantem Druck längs der Linie
E-F des Diagramms durch
die Leitung 16 in den Wärmetauscher 18.
Die während dieses
Herunterkühlens gewonnene Wärme wird für das Überhitzen
nach der Linie A-B ausgenutzt. Infolge des Unterschieds
in der spezifischen Wärme des Kühlmittels in flüssiger Phase gegenüber
dem Zustand in der Dampfphase wird für
das Überhitzen des Dampfes
von der Verdampfertemperatur zur Kondensatortemperatur weniger
Wärme benötigt, als zum
Herunterkühlen der Flüssigkeit von der Kondensatortemperatur
zur Verdampfertemperatur erforderlich ist. Infolgedes-
sen liegt
die Temperatur, auf die das f? ixssiße Kühlmittel während des
Herunterkühlens abgesenkt *lrd, oberhalb der
Verdampfertemperatur
wie aus Punkt
arsichtlich ist, der etwas ausserhalb des Teils der Sättigungskurve
des flüssigen Kühlmittels liest.
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Die heruntergekühlte Kühlflüssigkeit geht dann durch
die
Expansionsvorrichtung 22, wo sie entlang der konstanten enthalpischen
Linie F-G expandiert. Das hauptsächlich flüs-
sige (teilweise dampfförmige)
Kühlmittel am Punkt G ent-
spricht den Zustand des Kühlmittels,
wie es in den Ver-
dampfer eintritt, und die Linie G.A
entspricht natürlich
des Zustand des Kühlmittels während seines
Durchgangs
durch den Verdampfer, wo es wiederum verdampft wird.
Der
gesättigte Dampf, wie er durch den Punkt A gekennzeichnet
ist,
entspricht dem Zustand des Kühlmittels, wenn es über
die
Leitung 23 in den Wärmetauscher 18 eintritt, der - wie bereits hervorgehoben - dazu
dient, den Kühlmitteldampf auf einen hoch überhitzten Zustand zu bringen,
bevor er erneut in den Schaummischer 1o und die Pumpe 2 eintritt.
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Zum Vergleich des Hauptkreislaufs mit einem im allgemeinen üblichen
Kreislauf ist im Diagramm der Fig. 3 angenommen, daß eine Verdichtung in einem im
allgemeinen üblichen Kühlkreislauf mit Kühlmitteldampf durchgeführt wird, der einen
Überhitzungsgrad entsprechend Punkt B aufweist. Wenn ein so überhitzter Kühlmitteldampf
in die Pumpe eingeführt würde, ohne daß ein zusätzliches Medium die beste
Verdichtung vom Kühlmittel aufnimmt, würde in der Pumpe der Kühlmitteldampf
isentropisch nach der Linie B-C verdichtet und dann bei konstantem Druck nach den
Linien C-D und D-E im Kondensator gekühlt werden. Im Diagramm ist ferner
angenommen, daß der Rest des Kreislaufs durch Herunterkühlen (0-F),
Expansion (F-G) und Verdampfung (8-A) durchgeführt wird, wie bereits beschrieben
wurde.
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Vergleicht man nun den üblichen Kreislauf mit der isentropischen Verdichtung
und den Kreislauf gemäß der Erfindung mit der isothermischen Verdichtung, so ist
in beiden Fällen die vom gekühlten Kühlmittel durch Verdampfen entnommene Wärme
dieselbe. Sie wird dargestellt durch die Fläche unterhalb'der Linie G.A. Im Falle
des Kreislaufs gemäß der Erfindung wird die geleistete äussere Arbeit durch die
Fläche ABDEFGA dargestellt, während beim üblichen Kreislauf diese Arbeit durch die
Fläche ABCDEFGA veranschaulicht wird. Die in großen und ganzen dreieckförmige
Fläche ä-C-D des üblichen Kreislaufs stellt die zusätzliche äussere
Arbeit dar, die in einem üblichen Kühlkreislauf gegenüber
dem Kühlkreislauf gemäß der Erfindung benötigt wird.
Der
Unterschied zwischen dem üblichen Kühlkreislauf und dem Kühlkreislauf gemäß
der Erfindung wird mithin
graphisch durch die Dreieckfläche B-C-D
wiedergegeben,
und aus diesem Grunde ist der Übliche Kühlkreislauf
in Diagramm als eine Überhitzungsstufe (A-B) höchsten Grades
enthaltend
dargestellt. Wenn angenommen würde, daß in
einem üblichen Kühlkreislauf
keine Überhitzung vor sich
geht, bevor der Dampf isentropisch
nach der gestrichelten
Linie A.-H verdichtet wird, könnte man
sagen, daß in diesen Fall die Dreieckfläche g-H-D wesentlich kleiner
ist als die
Dreieckfläche A-H-K, wobei diese beiden Flächen die Unter-
schiede
in der äusseren Arbeit der beiden Kreisläufe dar-
stellen. Bei einem
üblichen Kreislauf ohne Überhitzung des
gesättigten Dampfes an der
Stelle A vor seiner isentropiachen Verdichtung (A-H) würde
jedoch aus demselben Grunde
auch ein Herunterkühlen nach der Linie
E-F des Diagrass vor der Expansion des flüssigen Kühlmittels
nicht in Be-
tracht kommen und infolgedessen würde die Expansion
in
allgemeinen nach der gestrichelten Linie E-J vor sich
gehen.
Damit würde also die aus dem gekühlten Medium durch den Verdampfer entnommene
Wärme in diesem Fall durch die Fläche J-A und nicht unter der Linie
G-A lie-
gen, woraus sich erneut der Unterschied zwischen den bei-
den
Kreisläufen ergibt.
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Über den Vergleich des Kreislaufs gemäß der Erfin-
dung
mit einem Kreislauf, bei dem isentropische Verdichtung stattfindet, wie es
in Fig. 3 graphisch dargestellt
ist, hinaus, ist festzustellen,
daß durch die Gegenwart
der Trägerflüssigkeit in der Verdichtungsstufe
hier effektiv
eine Flüssigkeit und nicht mehr ein Dampf gepumpt wird.
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Da der von einer Zentrifugalpumpe entwickelte Druck
prbportional zum Produkt aus spezifischem Gewicht des ge-
pumpten Mediums
und dem Quadrat der Geschwindigkeit an
den Schaufelspitzen
ist, ergibt sich ohne weiteres, daß
durch Erhöhen des spezifischen
Gewichts des gepumpten Mediums auf einen Wert, der durch Zufügen einer
Flüssig-
keit zum Dampf erhalten wird, viel höhere Drücke von einer bestimmten
Pumpe erzeugt werden können, oder umgekehrt kann die Pumpe kleiner sein und trotzdem
den gewünschten Druck liefern. Infolgedessen wird durch Benutzung des Kühlsystems
gemäß der Erfindung der Anwen-
dungsbereich von Zentrifugalverdichtern wesentlich
aus-geweitet.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, wobei das Kühlmittel
von der Trägerflüssigkeit und dem Schaummittel vor dem Kondensator getrennt wird,
ist zu beachten, daß zur Verhinderung der Kondensation des verdampften Kühlmittels
im Dampf-Flüssigkeit-Separator 6 die Temperatur der Trägerflüssigkeit bei ihrem
Kontakt mit dem Kühlmitteldampf im allgemeinen der Temperatur im Kondensator
14 entsprechen soll. Daher kann wenigstens beim anfänglichen Starten der Anlage
eine Heizvorrichtung (nicht dargestellt), die von aussen her mit Energie versorgt
wird,
im Separator 6 vorgesehen werden, um die Temperatur
der
Trägerflüssigkeit auf die Höhe der Kondensationstemperatur des
Kühlmittels zu bringen, so daß der Kühlmitteldampf tatsächlich im Kondensator 14
und nicht etwa in der Pumpe 2. oder im Separator 6 kondensiert. Abhängig vom Charakter
der Pumpe 2 kann nach dem Anfahren von der Pumpe genügend Wärme entwickelt werden,
um die Temperatur der Trägerflüssigkeit auf einen Wert zu halten, der einen wesentlichen
Verlust an Überhitzung vor der Verdichtung und Kondensation im Separator
verhindert. Andernfalls kann die Beheizung des Sep atators im größeren oder kleineren
Umfang durch eine von aussen gespeiste Heizquelle entsprechend den angegebenen Erfordernissen
fortgesetzt werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.
2, wobei das Kühl-
mittel vor den Abtrennen von der Trägerflüssigkeit
konden-
siert wird, braucht eine solche von aussen gespeiste Heiz-
vorrichtung
nicht vorgesehen zu werden, weil eine Konden-
sation des Kühlmittels
in der Trägerflüssigkeit keinen
Nachteil darstellt. Obwohl anfänglich
eine Zeitlang ein
verhältnismäßig uniirksamer Betrieb stattfinden kann,
solange
nämlich die Temperatur der Trägerflüssigkeit bis
zur Kondensationstemperatur
ansteigt, wird der Kreislauf
in der beschriebenen Weise arbeiten, wenn die
Temperatur
der Trägerflüssigkeit die erhöhte Temperatur erreicht hat.
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Selbstverständlich können gegenüber den Ausführungs- beispielen
nach Fig. 1 und 2 abgeänderte Anordnungen be-
nutzt werden,
um das Kühlverfahren gemäß der Erfindung auszuführen. Beispielsweise
kann in einer Abänderung die
Pumpe dazu dienen, nur die Flüssigkeit
in einem Kreislauf
zu fördern, der einen Strahlverdichter enthält,
in den
der überhitzte Kühlaitteldampf eingefüh.,-, wird. In
diesem
Fall wird die Energie des Flüssigkeitsstrahls, der mit
hoher
Geschwindigkeit in den Strahlverdichter eingeführt
wird, dazu benutzt,
die isothermische Verdichtung des
Kühlmitteldampfs zu bewirken,
d.h. auch hier ermöglicht die Gegenwart der Trägerflüssigkeit die
isothermische Verdichtung.
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Ferner kann der Wärmetauscher 18 nach Fig. 2
wegge-
lassen werden. Der aus den Verdampfer 26 mit Verdampfer-
temperatur
kommende Kühlmitteldampf wird direkt mit der
Trägerflüssigkeit vermischt,
die im wesentlichen die Kon-
densationstemperatur hat. Die
sich ergebende Temperatur
des Gemisches ist etwas geringer als die
Kondensations-
temperatur bei de= besonderen Wärmekapazitätsverhältnis
zwischen gühlsitteldampf und Trägerflüssigkeit. Punkt U
in
Fig. 3 veraneohaulicht für einen solchen Fall Temperatur
und
Druck des Dampfes nach dem Mischvorgang.
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Wie in Fis. 3 dargestellt ist, geht dann die isothermische Verdichtung
vom Punkt U aus, und da der Druck graduell ansteigt, wird am Punkt Y ein
gesättigter Zustand voll erreicht. An diesem Punkt beginnt das Kondensieren
des
Kühlmittels. Eine weitere Verdichtung bewirkt dann ein Ansteigen der Temperatur
des Gemisches, wie durch die Linie Y-W angezeigt ist. Die latente Wärme
des kondensier-
ten Dampfes entspricht der Vergrößerung an merklicher
Wärme
des Gemisches. Am Punkt W ist die Kondensationstemperatur
erreicht
worden und weitere latente Wärme wird im Konden-
sator aufgenommen.
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Das Weglassen des Wärmetauschers ist nur bei
einem
Ausführungsbeispiel wie gemäß Fig. 2 möglich. Selbstver-
ständlich
ist dann das Herunterkühlen gemäß Linie Ff-F nicht möglich.