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Anlage mit nach dem Rezirkulationsprinzip arbeitendem Wärmeübertrager
Die Erfindung betrifft eine Anlage mit nach dem Rezirkulations-Prinzip arbeitendem
Wärmeübertrager.
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Zur Verbesserung der thermodynamischen Verhältnisse in Wärmeübertragern
Wird in der-Wärmetechnik und Kältetechnik häufig das Umlauf- bzw. Rezirkulationsprinzip
angewendet. Hieraus ergibt sich als weiterer Vorteil eine Verminderung der notwendigen
Füllmenge für das Arbeitsmedium im Wärmeübertrager.
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In der Kältetechnik wird das Rezirkulationsprinzip vorwiegend beim
Verdampfer eingesetzt, um das zu verdampfende Kältemittel über ein Rohrsystem oder
ein Plattensystem umzuwälzen. Damit wird einerseits der Wärmeübergang auf der Kältemittelseite
verbessert und andererseits die Saugleistung des Verdichters besser ausgenutzt.
Bei Bündelrohrverdampfern wird das Kältemittel auf die Rohre gesprüht Oder so verteilt,
dai3s es an den Rohroberflächen herabrieselt und dabei verdampft.
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y lm 4inblick darauf, daß für ein;: gute Benetzung der gesamten Wärme-.
I. C k#±, . . . ..
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übertragerfläche ein ehrfaches der verdampfenden Kälte-Mittelmenge
no,wendig Ist, wird vorteilhaft das Rezirkulationsprinzip angewendet, nach. welchem
die nicht verdampfte Kältemittelmenge mittels
einer Fördervorrichtung
aus dem unteren Teil des Verdampfers oder
eines ihm zugeordneten
Sammelgefäßes wieder zur Wärmeübertragerfläche gefördert wird.
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Für den Umlauf des Kältemittels werden hauptsächlich Kreiselpumpen
angewendet.
Während dafür ursprünglich Pumpen mit Stopfbuchse Verwendung fanden, kommen neuerdings
fast ausschließlich Hermetikpumpen zum Einsatz.
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Es sind nach dem Rezirkulationsprinzip arbeitende Wärmeübertrager
bekannt, bei denen unterhalb des vertikal oder horizontal angeordneten Wärmeübertragers
eine Kreiselpumpe verwendet wird, deren Saugstutzen mit dem Sumpftopf des Wärmeübertragers
oder einem Arbeitsmittelsammelgefäß und der Druckstutzen mit dem oberen Teil des
Wärmeübertragers verbunden ist. Diese Anlagen besitzen bausectig und funktionstechnisch
Flachteile, wegen der, bisher das Rezirkulationsprinzip trotz seiner Vorteile nur
bedingt angewendet wird. Es ist :.erner eine Wärmeübertragerbauart bekannt, bei
welcher die Kreiselpumpe im Sumpftopf des Wärmeübertragers und deren Antriebsmotor
von der Pumpe getrennt oberhalb des Wärmeübertragers angeordnet ist. Motor und Pumpe
sind mittels einer Zwischenwelle verbunden, die innerhalb eines Rohres durch den
Wärmeübertrager hindurchgeführt ist.
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Infolge der getrennten Ausführung ist eine Stopfbuchse mit ihren`
bekannten Mängeln erforderlich. Lange Wellen sind jedoch nicht nüri' wegen der hohen
Drehzahlen ungünstig, sondern auch wegen der
schwierigen
Zentrierung und verursachen im vorliegenden Falle
wegen des Ausfalls an
Rohren einen Verlust an Wärmeübertrager-
fläche. Außerdem resultiert
aus dieser Bauausführung ein hoher
technischer Aufwand.
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Hinsichtlich seiner Funktion bestehen die Nachteile
der nach diesen Prinzip arbeitenden Anlagen-in erster LinWin
der Wärmeaufnahme des Arbeitsmittels in der Pumpe und ihrer
Umgebung. Da die Temperatur des zu fördernden Arbeitsmittels stets niedriger
als
die Umgebungstemperatur ist, wird auch die aus der Umgebung
einstrahlende Wärme Ton Arbeitsmittel in der Pumpe aufgenommen.
Infolge
des im Siedezustand befindlichen Arbeitsmittels entste-hen schon bei geringster
Erwärmung oder Druckabsenkung, unter-stützt durch die Pumpenwärme und die
Kavitation, Dampfblasen im
Saugstutzen der Pumpe, die zum Aussetzen des
Förderstromes führen.
Durch den Einsatz Ton Hermetikpumpen,
die bei leicht flüchtigen Kältemitteln erforderlich sind, erhöht sich
die von der Pumpe und
Ton Antriebsmotor auf das Ultemittel übergehende
Wärme durch den
auf Grund der erforderlichen Trennhülee relativ schlechten
Motor-
wirkungsgrad:
Dieser Umstand erfordert eine relativ große
Zulaufhöhe, worin be-sonders bei Kompaktanlagen der bauseitige Nachteil
besteht. Ebenso vermindern die in der Saugleitung vorhandenen Einlaufvorrichtungen
diW @Zulaufhöhe- nur unwesentlich. Ferner ist auch die erforderliche
starke
Isolierung der Saugleitung, die durch--die Eiallau-fvorrichtungen aufwendiger-wird,
Ton Nachteil. Bei Verwendung von Hermetikpum-
pen
ist die Dampfbildung im Antriebsmotor besonders nachteilig. Bei der im allgemeinen
schwierigen Ableitung der Dampfblasen aus dem Rotorraum bildet sich im hinteren
Gleitlager häufig ein Dampf-Polster, so daß die Kühlung und Schmierung des Lagers
unterbleibt und das Lager innerhalb kurzer Zeit beschädigt wird. Weitere Schwierigkeiten
ergeben sich auch durch die Entlüftung der Pumpen während des Betriebes.
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Hermetikpumpen für hohe Systemdrücke sind bekanntlich in besonders
dickwandige Gehäuse eingesetzt. Die Hermetikpumpe selbst ist in diesem Gehäuse in
einer Packung axial verschiebbar gelagert, die gleichzeitig den Statorraum vom Fördermittelraum
trennt. Im Statorraum befindet sich ein Spezialöl, welches den Systemdruck in der
Anlage durch Verschieben der Hermetikpumpe in der Packung aufnimmt und somit das
Trennrohr außen entlastet. Der Nachteil dieser Anordnung ist durch die Packung gegeben,
die keine absolute Abdichtung der beiden Räume gegeneinander gewährleistet. Außerdem
ist die Herstellung einer solchen baulichen Ausführung recht aufwendig, Bei Sorptionskälteanlagen
wird die Vorrichtung zur Förderung des Lösungsmittels ebenfalls unterhalb des Wärmeübertragers
oder seines zugeordneten Sammelgefäßes angeordnet. Die Lösung befindet sich auch
bei diesen Anlagen im Siedezustand, so daß die vorstehend genannten Nachteile bei
Sorptionskälteanlagen ebenfalls zutreffen.
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Der Zweck der Erfindung besteht in einer derartigen Anwendung des
Rezirkulationsprinzips, daß bei Herabsetzung der Füllmenge an Arbeitsmedium auf
ein Minimum bei höherem thermodynamischem Wirkungsgrad und geringerer Bauhöhe die
Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit der Anlage erhöht werden.
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch weitgehende Verminderung der Zulaufhöhe
des umzuwälzenden Arbeitsmediums zur Fördervorrichtung und durch Abführung der von
der Fördervorrichtung entwickelten Wärme, im wesentlichen an die Umgebung, den höheren
thermodynamischen Wirkungsgrad und ein sicheres Betriebsverhalten der Fördervorrichtung
zu erzielen.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einer Anlage mit nach diesem Rezirkulationssystem
arbeitenden Wärmeübertrager, in welcher das die Wärme aufnehmende Arbeitsmedium
mittels eines Motor;-Pumpen-Aggregates in flüssigem Zustand umgewälzt wird und der
jeweils in gasförmigen Zustand verwandelte Teil dieses Arbeitsmediums mittels eines
geschlossenen thermodynamischen Kreisprozesses wieder verflüssigt und dem umzuwälzenden
flüssigen Arbeitsmedium erneut zugeführt wird, dadurch erreicht, daß das Motor-Pumpen-Aggregat
in einem mit dem umzuwälzenden Arbeitsmedium gefüllten Sammelgefäß unterhalb dessen
Flüssigkeitsspiegels angeordnet ist. Bei einem einzelnen Wärmeübertrager ist das
Motor-Pumpen-Aggregat im Sumpftopf des Wärmeübertragers angeordnet. Bei einem für
mehr als einen Wärmeübertrager bestimmten Motor-Pumpen-Aggregat ist dieses in einem
gemeinsamen Sammelgefäß angeordnet. Durch den Einbau des Motor-Pumpen-Aggregates
in den Sumpftopf des Wärmeübertragers oder eins seiner Sammelgefäße für das Arbeitsmedium
unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des umzuwälzenden Arbeitsmediums wird die vom
Motor-Pumpen-Aggregat entwickelte Wärme durch Verdampfen des das Aggregat umgebenden
Arbeitsmediums abgeführt und der in gasförmigen Zustand versetzte Teil des-Arbeitsmediums
zusammen mit dem während des Arbeitsprozesses im Wärmeübertrager
in
gasförmigen Zustand verwandelten Teil des Arbeitsmediums vom Verdichter der Anlage
zur Durchführung des thermodynamischen Kreisprozesses abgesaugt, ohne daß das Entweichen
der Dampfblasen durch eine Flüssigkeitssäule behindert ist.
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Ähnliche Verhältnisse sind auch bei Sorptions-Kälteanlagen gegeben.
Bei diesen kann das Gas, das durch die vom Motor-Pumpen-Aggregat entwickelte Wärme
entsteht, ungehindert in den Absorber entweichen, in welchem es von der Lösung erneut
absorbiert wird und den Kreislauf somit nicht beeinträchtigt.
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Während bei nicht aggressiven Kältemitteln eine mit einem offenen
Motor gekoppelte Pumpe zur Anwendung kommt, .ist bei
aggressiven Kältemitteln
ein Motor-Pumpen-Aggregat in Hermetikausführung mit den Statorraum des Motors vom
Rotorraum des Motor-Pümpen-.Aggregates trennendem Mantel in der Weise eingebaut,
daß in eine in der Wand des Hermetikgehäuses befindliche, in den Statorraum führende
Bohrung ein elastisches Element zur Änderung des Druckes im Statorraum in Abhän-_-i.keit
vom Umgebungsdruck eingesetzt ist. Dureh den den Statorraum vom Rotorraum trennenden
Mantel wird aggressives Arbeitsmedium von der Statörwicklung des Motors und von.demKlemmenhalter
für die Stromzuführung ferngehalten. Hierbei ist der Statörraum zur Vermeidung eines
Eintrittes von Arbeitsmittel mit Spezialöl gefüllt,und die Vorrichtung zur Änderung
des Druckes im Statorraum in Abhängigkeit vom Umgebungsdruck arbeitet in der Weise,
daßder Umgebungsdruck. stets geringfügig niedriger ist als@der Druck im Statorraum.'Dasrelastische
Element ist vorzugsweise als-eine federnde, einseitig
offene
| Dose; d. h, als sogen$hntes Federrohr, ausgebildet,
die in-de |
| Bohrung.eines Stopfens mit ihrer Öffnung zum umgebenden Raum |
| eingesetzt ist, Diese Ausführung mit zurUmgebung, im
vorliegen- |
| den Falle zum Sammelgefäß, offenem Stopfen erird bei Anlagen
mit |
| hohem Systemdruck, d. h. mit hohem Druck im Sammelgefäß
angewen- |
| det. Bei einer Ausführung der Anlage mit niedrigem Ansaugedruck |
| und hohem Förderdruck der Pumpe ist nach der Erfindung die
den |
| a |
| Stopfen in der Wand des Bermetikgehäuses aufnehmende |
| durch |
| einen Deckel oberhalb des Stopfens gegenüber dem Sammelgefäß
ver- |
| schlossen und der vom Stopfen der federnden Dose und vom Deckel |
| eingeschlossene Raum ist üben einen Kanal mit dem'Rotorraum
des |
| Motor-Pumpen-Aggregates verbunden. in weiterer vorteilhafter
Aus- |
| gestaltung ist bei-den Rermetik-Aggregaten nach dar Erfindung
das |
| hintere Motorgleitlager durch das Arbeitsmittel in der
Weise ge- |
| kühlt-und geschmiert, däß das Flüssigkeits-/Dampfgemisch des
Ar- |
| beitsmittels@nach. Pastieren dieses Lagers-nicht zur Saugseite
der |
| Pumpe sondern über eine in der Wand des Hermetikgehäuses
befind- |
| licht Drossel in die Umgebungsflüssigkeit im Sammelgefäß
unmittel- |
| bar ableitbar ist. Bei Verwendung eines einzigen WärmeUbertragers |
| ist die Uelaufleitung für das Arbeitsmittel in in
sich bekannter |
| Weise-i.; Inneren des Wärmeübertragers angeordnete Bei dieser
Aus= |
| führungtist die Umlaufeitüng mit den Motor=Pumpen-Aggregat
vor- |
| zugeweise. aittels.Steakyerbindung kuppelbar. ZUm.Fernhalten
grober |
| Yerunreini_gungen. ist ,dem S"2e.Igeäß eia. vorzugsweise
zwischen die |
| ;F3as@ohe eingebautes -Filter. vorgeschaltet, |
Die Erfindung ist nachstehend an schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1: ein Schaltbild einer
Anlage mit dem Kreislauf für das Umwälzen des flüssigen Arbeitsmediums und der .
Anlage zur Durchführung eines geschlossenen thermodynamischen Kreisprozesses nach
dem Kompressionsprinzip; Fig, 2: einen Wärmeübertrager (Bündelrohr-Wärmeübertrager)
aus der Anlage nach Fig. 1 im Querschnitt mit SammeIgefäß (Sumpftopf) im Längsschnitt
und darin eingebautem Motor-Pumpen-Aggregat, in größerem Maßstab; Fig. 3: den unteren
Teil des Wärmeübertragers im Querschnitt mit Sammelgefäß (Sumpftopf) im Längsschnitt
nach Fig. 2 mit einer von einem offenen Elektromotor angetriebenen Umwälzpumpe,
in größerem Maßstab; Fig. 4: ein Sammelgefäß bekannter Art mit einem Hermetik-Motor-Aggregat,
im Längsschnitt, in größerem Maßstab; Fig. S: einen Ausschnitt aus dem Hermetik-Aggregat
nach Fig. 4 entsprechend der Schnittlinie A-A mit einer Vorrichtung zur Änderung
des Druckes im Statorraum in Abhängigkeit vom Umgebungsdruck mit einem gegenüber
dem Sammelgefäß offenen Federrohr, in größerem Maßstab;
| Fig" 6: einen Ausschnitt aus dem Hermetik-Aggregat nach Fig"
4 |
| mit der Vorrichtung zur Änderung des Druckes im Stator- |
| rauen entsprechend Fige-51, jedoch---mit einem gegenüber |
| dem Sammelgefäß abgeschlossenen Federrohr, in größerem |
| Maßstab. |
| " In der" Zeichnung-ist als Wärmeübertrager -l ein Bündelrohr--Ver- |
| dampfen dargestellt, an dessen tiefster Stelle ein Sumpftopf
2 |
| (sammelgefäß)-zur Aufnahme der Füllmenge an Arbeit-smedium3
(im |
| vorliegenden Falle Kältemittel) vorgesehen ist, das-über die
Um- |
| laufleitung-4 umgewälvt wird, deren anderes Ende im Bereich
des |
| oberen Teiles in den Wärmaübertrager 1 mündet, fier Wärmeübertrager
. |
| 1 ist in eine Kompressions°Kälteanlage geschaltet. Zu diesem
Zweck |
| ist der Wärmeübertrager 1 mittels einer Leitung 63 die am oberen |
| Teil des Wärmeübertragers 1 angeschlossen ist, mit einem Kompresssor |
| üblicher Bauar=t verbunden, Das im Kompressor 5 verdichtete
gas- |
| " fcirmige Arbeitsmedium wird über eine Zeitung 8 einem -Verflüss'iger |
| (Kondensator) 7 zugaführt, in welchem-dem -gasförmigen Arbeitsme- |
| dium durch Luft- oder o,Iasserl#riihlung die Verflüssigungswärme
- ent- |
| zogen wird, das Arbeitsmedium-somit in den flüssigen Zustand
über- |
| führt wird. Das verflüseig üe Anbei tsmedium wird über
d-1,- Leitung "1£? |
| in einen-Samrler 9 geleitet, tan den @@ B. auch mehrere Wärmeiiberä |
| tragen angeschlossen uerd=: n -können -Aus dem Sammler 9 gelangt.
da.s |
| Arbeitsmedium Über dis Leitung '4',? zu dem Expansionsventil
11, in- |
| 4relchem das unter dem Druck rlas Kompressors 5 stehende verflüssig- |
| te Arbeitsmedifm durch Entspannung eins |
| erfährt,- |
| Über die Leitung 13- gelangt- das Arbeitsmedium.
in den. oberen Teil |
| des Wärmeübertragers 1. Am Wärmeübertrager 1 ist im Bereich
des |
| Flüssigkeitsspiegels des Arbeitsmediums 3 ein Standregler
14 an- |
| gebracht, der mittels einer Leitung 15 an das Expansionsventil
1.1 |
| angeschlossen ist und zur Bemessung der Zuflußmenge des Arbeits- |
| mediums in den Wärmeübertrager 1 in Abhängigkeit seines Füllstandes |
| dient. I11 Wärmeübertrager 1 sind in Längsrichtung Rohre 16
zuein- |
| ander parallel angeordnet, die von dem zu kühlenden ßiedium
durch- |
| strömt werden® Über den Rohren 16 befindet sich ein Verteiler
17 |
| für das Arbeitsmedium beliebiger, an sich bekannter Bauart.
In |
| dem mittels flansche 18; 19 am Wärmeübertrager befestigten
Sumpf- |
| topf 2 (Sammeigefäß) befindet sich das aus dem Elektromotor
20 und |
| der Pumpe 21 bestehende Aggregat zum Umwälzen des Arbeitsmediums. |
| Das Arbeitsmedium wird: durch die Pumpe 21 über den- Saugstutzen
22 |
| angesaugte Über den Druckstutzen 23 der Pumpe 21, an den ein
durch |
| den Mantel des Sunpf-topr rs 2 (Sammelgefäßes) dicht geführter
Rohr- |
| stutzen 24 angeschlossen und dessen anderes Ende mit
der Umlauflei.v |
| tun, 4 °rerbunden ist, wii°d das Arbei-tsmzdium in den oberen
Teil |
| daz Uär@üiibyrtragers 1 zum Verteiler '!7 gefördert, über den
es auf |
| die Ob :rf lächa der Vordamp_r: errohre 16 gelangt.
Der nicht verdampfte |
| Teil des Arbeitsmediums 3 tritt @=@seder in den Sumpftopf »2
(Sammel- |
| gefäß) eln,z -,"t143 chnül :._.:irieut l,11 beschriebenen
W-3ä "se Ufa-p, |
| walzt wird. Solt;-a da::i i"1oro'-L'Oaü1P-r°Aggrügat
20y° 21 nur einer, |
| einzigen Wärmeübertrages °1 vorgesehen ist, kann die ümlaufflei
tun, lE |
| auch innerhalb des Wärmeübertrager s 1 verlegt sein, wobei-
.für den |
| Rahranschluß vortdilhafter'weise eine S-teckverbindunvr°wendet
wild, |
| Bei dem in Fig, 3 dargestellten Ausführungsbeispiel mit offenem |
Elektromotor 20 ist im Mantel des-Sumpftopfes 2 (Sammelgefäßes)
ein Spezialklemmenhalter-25 dicht befestigt, an dessen Klemmen 26 sowohl die Netzleitung
als- auch die Zuleitungen 27 für den Elektroa motor 20 angeschlossen sind.
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Bei dem in-Fig" 4 dargestellten Ausführungsbeispiel mit Hermetik-Motor-Pumpen-Aggregat
ist das Hermetik-Gehäuse 28 mittels Flansches 30 an einem Mantel des Sumpftopfes
2 (Sammelgefäßes) angeordneten Flansch 29 dicht befestigt. Das Hermetik-Gehäuse
28 ist durch einen Mantel 3't in zwei gegeneinander abgeschlossene Räume unterteilt,
und zwar in den Rotorraum 32 und den Statorraum 33. Der Rotorraum
32 ist mit dem über den Saugstutzen 22 angesaugten Arbeitsmedium gefüllt. Der Statorraum
33 wird nach der Montage des Spezialklemmenhalters 25 über die Bohrung 34 mit einem
Spezialöl gefüllt, das der besseren Ableitung der Wärme des Elektromotors 20 dient
und ein Eintreten von Arbeitsmedium 3 in den Statorraum 33 verhindert. Die Bohrung
34 ist mit einem Stopfen 35 verschlossen, in dessen Bohrung 36 eine nach
dem Sumpftopf 2 (Sammelgefäß) einseitig offene, federnde Dose 37 eingesetzt ist
(Fig. 5). Es wirdso viel Spezialöl eingefüllt,-daß die federnde Dose 37 nur geringfügig
zusammengedrückt wird. Über die Bohrung-36 wirkt der Druck des Arbeitsmediums 3
im Sumpftopf 2 (Sammelgefäß) dem Druck des Spezialöles im Statorraum
33 entgegen. Dieser Druck ist bei jedem
Betriebszustand höher als der Druck
des Arbeitsmediums 3 im Sumpf-
top! 2(Samselgefäß) und in Rßtorraum
32, also auch bei Kontraktion des Spezialöles bei tieferen Temperaturen.
Sofern zwischen der Bohrung 36-uncl dem Rotorraum 32 eine Verbindung
hergestellt wird,
so kann der Druck im Statorraum
33 dem Druck im Rotorraum 32 an-
gepaßt werden. Hierdurch wZrd
der'Mantel 31 voll entlastet und
durch die Bemessung von dessen Dicke auf
ein Minimum ein höherer
Wirkungsgrad des Elektromotors 20 erreicht. Damit
ist die Möglich-
keit gegeben, derartige Hermetik-Motor-Pumpen-Aggregate
auch für
hohe Systemdrücke einzusetzen, ohne die Dicke des Mantels 31 zu
vors stärken. Die Schmierung der Gleitlager für den Motor-/Pumpen-Rotor
geschieht in an sich bekannter Weise mittels des Arbeitsmediums, wo-
bei
jedoch das das Gleitlager 38 durchströmende Medium, das über
die Bohrung
39-zugeführt wird, über eine Drossel 40 wieder der Masse
des Arbeitsmediums
3 im Sumpftopf 2 (Sammelgefäß) zugeführt wird.
Hierdurch werden Störungen
auf der Saugseite durch entstehende
Blasen gasförmigen Arbeitsmediums bei
Entspannen vermieden. Zur
Entlüftung des Pumpenraumes während des Betriebes
ist daher die An-
ordnung des Motor-/Pumpen-Rotors mit vertikaler Achse
vorteilhaft,
wobei sich das hintere Gleitlager 38 oben befindet.
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Um ein Verschmutzen des Arbeitsmediums 3 in Sumpftopf 2
(Semmel-
gefäß) zu verhindern,. ist zwischen dem Wärmeübertrager 1 und dem
Sumpftopf
2 (Sammelgefäß) ein Filter 41 angeordnet, das zwischen
die Flansche
18;'h9 (Fis. 3) eingebaut ist.
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Bei der Variante für die Vorrichtung zur Änderung des Druckes
in Statorraum 33 nach Fig. 6 für eine Anlage mit niedriges Ansauge-
druck
und hohem Förderdruck der Pumpe 21 ist der Stopfen 35 in die
Wand des
Hermetikgehäuses 28 eingelassen und die den Stopfen 35`aufnehmende
Bohrung 34 durch einen Deckel 42 oberhalb. des Stopfens 35-
gegenüber
dem im Sumpftopf 2 (Sammelgefäß) befindlichen Arbeitsmedium 3 verschlossen, Der
Raum 36 zwischen der federnden, einseitig offenen Dose 37 und dem Deckel 42 ist
über einen Kanal 43 mit dem Rotorraüm 32 verbunden, Diese Verbindung kann auch dadurch
hergestellt werden, daß an Stelle des Deckels 42 ein Röhr -verwendet wird, dessen
eines Ende in die Bohrung 36 des Stopfens 35 und dessen anderes Ende
in den Kana1»43 eingeführt ist, der in diesen Falle durch die Wand des Hermetikgehäuses
28 geradeverlsufend hindurchgeführt ist. -