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Die
Erfindung betrifft eine Wärmekraftanlage mit
einer Einrichtung zum Erzeugen von Kompressionswärme, umfassend einen Pumpenkreis
mit einer Pumpe zum Fördern
einer Flüssigkeit,
insbesondere von Öl
durch eine Düse
und umfassend einen Wärmetauscher
zum Übertragen
der Wärme
der erwärmten
Flüssigkeit
auf ein durch den Wärmetauscher
geleitetes Fluid.
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In
DE 31 00 810 A1 ist
eine solche Wärmekraftanlage
beschrieben. Bei der in diesem Dokument beschriebenen Anlage wird
in den Pumpenkreislauf Öl
mittels einer elektrischen Pumpe gefördert. Der Pumpenkreislauf
ist in sich geschlossen. Lediglich zum Ausgleich ist dieser Kreislauf über eine Belüftungsleitung
mit einem Ölausgleichsbehälter verbunden.
Das aus einem Ölsammelbehälter über eine
Saugleitung angesaugte Öl
wird über
eine Druckleitung durch eine Düse
gefördert.
Infolge der Komprimierung des Öls
wird dieses erwärmt,
so dass das die Düse
verlassende Öl
gegenüber
dem von der Pumpe geförderten Öl eine höhere Temperatur
aufweist. An den Ausgang der Düse
ist ein Heizschlangensystem als Wärmetauscher angeschlossen.
Das Heizschlangensystem befindet sich in einem Stahlbehälter, in
den über
einen Zulauf Wasser zugeführt und über einen
Ablauf Wasser abgezogen werden kann. Der Kaltwasserzulauf befindet
sich im Bereich des Bodens des Stahlbehälters; der Ablauf ist im Bereich
des oberen Abschlusses angeordnet. Das in den Stahlbehälter eingebrachte
Kaltwasser wird von der von dem Heizschlangensystem infolge des Durchströmens des
erwärmten Öls abgegebenen Wärme erwärmt. Folglich
kann über
dem Wasserablauf erwärmtes
Wasser abgezogen werden. Ein Regler dient der Temperaturerfassung
des in dem Stahlbehälter
befindlichen Wassers und steuert in Abhängigkeit von der gemessenen
Temperatur die Pumpe an.
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Auch
wenn mit einer solchen Wärmekraftanlage
elektrische Energie in Wärmeenergie
gewandelt werden kann, besteht der Wunsch, den Wirkungsgrad dieser
Wärmekraftanlage
zu verbessern. Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
eingangs genannte Wärmekraftanlage
dergestalt zu verbessern, dass ihr Wirkungsgrad gegenüber der vorbe kannten
Wärmekraftanlage
verbessert ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
eingangs genannte, gattungsgemäße Wärmekraftanlage
gelöst,
bei der die Anlage einen Flüssigkeitsbehälter umfasst
und der Pumpenkreis angeordnet ist, damit die durch die Düse zu pumpende
Flüssigkeit
aus dem Flüssigkeitsbehälter abgezogen
und die durch die Düse
geförderte
erwärmte
Flüssigkeit
in den Flüssigkeitsbehälter zurückgeführt wird,
und dass sich der Wärmetauscher
unter Flüssigkeitsbedeckung
in dem Flüssigkeitsbehälter befindet.
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Bei
dieser Wärmekraftanlage
zählt die
in dem Flüssigkeitsbehälter enthaltene
Flüssigkeit
zum Pumpenkreislauf, während
das in dem Wärmetauscher
geführte
Fluid dasjenige ist, an welches über den
Wärmetauscher
die durch den Pumpenkreislauf generierte Wärme übertragen wird. Der Wirkungsgrad
dieser Anlage ist besonders effektiv, da die zu erwärmende,
durch den Wärmetauscher
transportierte Fluidmenge verglichen mit dem Füllvolumen des Flüssigkeitsbehälters relativ
gering ist und daher eine rasche, effektive Erwärmung des in den Wärmetauscher
transportierten Fluids erfolgt. Erwärmt wird bei dieser Wärmekraftanlage
nur diejenige Flüssigkeit,
die den Wärmetauscher
durchströmt,
mithin diejenige Flüssigkeit,
die aktuell erwärmt
benötigt
wird. Gleiches gilt für
ein den Wärmetauscher
durchströmendes
Gas. Darüber
hinaus wirkt die in dem Flüssigkeitsbehälter enthaltene
erwärmte
Flüssigkeit
aufgrund ihres Volumens als Wärmespeicher
mit der Folge, dass, befindet sich die Flüssigkeit auf einem vorgegebenen
Temperaturniveau die Pumpe des Pumpenkreises in aller Regel nur
in größeren Zeitabständen betrieben
werden muss, um das Temperaturniveau der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter oberhalb
einer unteren Temperaturgrenze zu halten. Darüber hinaus kann die Temperatur
der Flüssigkeit in
dem Flüssigkeitsbehälter auf
ein relativ hohes Niveau gebracht werden, allein infolge der Tatsache, dass
die über
eine Saugleitung der Pumpe und anschließend der Düse zugeführte Flüssigkeit, verglichen mit vorbekannten
Anlagen eine höhere
Temperatur aufweist, die sodann im Zuge des Zuführens weiterer Kompressionswärme weiter
erhöht
werden kann. Insofern wird die in dem Flüssigkeitsbehälter enthaltene
Flüssigkeit
als Wärmezwischenspeicher genutzt.
Folge der Wärmezwischenspeicherung
ist auch eine bessere Regelung der Ausgangstemperatur des Wärmetauschers.
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Als
Flüssigkeit
des Pumpenkreislaufes wird vorzugsweise ein Öl verwendet. Derartige Öle sind hinlänglich bekannt.
Eingesetzt werden können
beispielsweise Hydrauliköle
oder Öle
die als so genannte Thermoöle
bezeichnet werden.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist an den Ausgang der Düse
eine Fallleitung angeschlossen, durch die die erwärmte Flüssigkeit, beispielsweise
das erwärmte Öl bis in
den Bereich des Bodens des Flüssigkeitsbehälters gefördert wird. Dies
hat zum Vorteil, dass allein infolge von eintretenden Konvektionen
aber auch strömungsbedingt
die Flüssigkeit
in dem Flüssigkeitsbehälter bewegt
wird, wodurch ein Wärmeübergang über den
in dem Flüssigkeitsbehälter angeordneten
flüssigkeitsbedeckten Wärmetauscher
auf das in dem Wärmetauscher transportierte
Fluid erfolgt. Die Fallleitung kann in einen Verteiler münden, so
dass die erwärmte
Flüssigkeit
an mehreren Stellen im Bereich des Bodens des Flüssigkeitsbehälters austritt.
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Zur
weiteren Optimierung der Wärmekraftanlage
ist es zweckmäßig, den
Flüssigkeitsbehälter und auch
den Deckel nach außen
hin gegenüber
einem Wärmeverlust
zu isolieren. Derartige wärmeisolierungstechnische
Maßnahmen
sind hinlänglich
bekannt.
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Die
Wärmekraftanlage
kann für
unterschiedliche Zwecke verwendet werden, je nachdem, welchem Kreislauf
der in dem Flüssigkeitsbehälter angeordnete
Wärmetauscher
zugeordnet ist. So eignet sich diese Wärmekraftanlage im Rahmen einer
sanitären
Gebäudeinstallation
zum Bereitstellen von Warmwasser, sei es für Heizungszwecke oder zum Gebrauch.
Die Wärmekraftanlage
kann ebenfalls im Zusammenhang mit einer Kühleinrichtung, beispielsweise
im Rahmen einer Gebäudeklimatisierung,
bei Großkühlräumen oder
Kühltheken
eingesetzt werden. In einem solchen Fall wird durch den Wärmetauscher
das für
diese Zwecke eingesetzte Fluid erwärmt (verdampft) und dadurch
in seine gasförmige Phase
gebracht, damit dieses an anderer Stelle wiederum in einem Wärmetauscher
kondensiert und in diesem Zuge Wärme
aus der Umgebung aufnimmt und diese sodann kühlt.
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Bei
der beschriebenen Wärmekraftanlage können in
dem Flüssigkeitsbe hälter ein
oder auch mehrere Wärmetauscher
angeordnet sein. Somit ist es möglich,
mit ein und demselben Pumpenkreislauf Fluide unterschiedlicher Installationen,
die zu diesem Zweck durch unterschiedliche in dem Flüssigkeitsbehälter befindliche
Wärmetauscher
geführt
werden, zu erwärmen.
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Soll
eine solche Wärmekraftanlage
mit einem größeren Flüssigkeitsbehälter ausgelegt
werden, ist es ebenfalls möglich,
mehrere Pumpenkreise vorzusehen, über die Kompressionswärme erzeugt werden
kann. Jedem Pumpenkreis ist eine eigenständige Pumpe zugeordnet. Die
Pumpenkreise können
gleichzeitig oder auch unabhängig
voneinander betrieben werden.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1:
in einer schematisierten Darstellung eine Wärmekraftanlage, gezeigt in
einem Längsschnitt
durch einen der Wärmekraftanlage
zugehörige
Flüssigkeitsbehälter und
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2:
die Wärmekraftanlage
der 1 in einer Querschnittseinsicht in den Flüssigkeitsbehälter der
Anlage.
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Eine
Wärmekraftanlage 1 umfasst
einen Flüssigkeitsbehälter 2.
Der Flüssigkeitsbehälter 2 ist oberseitig
durch einen Deckel 3 verschlossen. Der Flüssigkeitsbehälter 2 und
der Deckel 3 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
aus Wärmeisolationsgründen zweischalig
aufgebaut. Der Flüssigkeitsbehälter 2 ist
mit einer Flüssigkeit,
die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ein Hydrauliköl 4 ist,
gefüllt.
Der Füllstand
bzw. der Flüssigkeitsspiegel
ist in den Figuren mit dem Bezugszeichen F gekennzeichnet. Das Öl 4 ist
Teil eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 5 bezeichneten
Pumpenkreises. Dem Pumpenkreis 5 zugehörig ist eine durch einen Elektromotor 6 angetriebene
Hydraulikpumpe 7, die über einen
Saugeinlass 8 Öl 4 aus
dem Flüssigkeitsbehälter 2 ansaugt
und über
eine Druckleitung 9 einem im Übrigen nicht näher dargestellten
Ventilaggregat 10 zuführt.
Bei dem Ventilaggregat 10 handelt es sich um ein Bauteil,
in dem das über
die Druckleitung 9 geförderte Öl 4 komprimiert
und dadurch erwärmt wird.
Somit handelt es sich um ein Bauteil zum Reduzieren der freien Strömungsquerschnittsfläche der Druckleitung 9 zum
Erzielen der gewünschten
Komprimierung und der damit verbundenen Wärmebildung (Kompressionswärme). Somit
umfasst das Ventilaggregat 10 eine Düse. Das Ventilaggregat 10 ist
bezüglich
seines Düsenquerschnitts
einstellbar. An den Ausgang des Ventilaggregats 10 ist
eine Fallleitung 11 angeschlossen, über die das erwärmte Öl 4 bis
in den Bereich des Bodens 12 des Flüssigkeitsbehälters 2 gefördert wird.
Die Fallleitung 11 mündet in
einen Verteiler 13, über
den das erwärmte Öl über eine
gewisse Erstreckung verteilt in den Flüssigkeitsbehälter 2 eingebracht
wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem Verteiler 13 um ein endseitig verschlossenes
Rohrstück,
in dessen Oberseite mehrere Ölaustrittsbohrungen 14 eingebracht
sind.
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In
die Druckleitung 9 ist ein Ölfilter 15 eingeschaltet.
Dieser ist von der Oberseite des Deckels 3 her zugänglich.
Durch den Ölfilter 15 soll
ein unerwünschtes
Verstopfen der Düse
in dem Ventilaggregat 10 vermieden werden.
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Zum
Steuern des Pumpenkreises 5 dient ein Steuergerät 16.
Als Sensor ist an das Steuergerät 16 ein
Temperaturfühler 17 angeschlossen,
der die Temperatur des Öls 4 in
dem Flüssigkeitsbehälter 2 in
seinem oberen Füllstandsbereich
erfasst. Der Elektromotor 6 ist über eine Signalleitung 18 an
das Steuergerät 16 angeschlossen. Über eine
weitere Signalleitung 19 ist das Ventilaggregat 10 an
das Steuergerät 16 angeschlossen.
In Abhängigkeit
von der erfassten Temperatur und ggf. von weiteren Eingangsgrößen (in
der Figur nicht dargestellt), wird durch das Steuergerät 16 der
Elektromotor 6 zum Antreiben der Hydraulikpumpe 7 angesteuert.
Die Hydraulikpumpe 7 ist ausgelegt, in der Druckleitung 9 einen
Betriebsdruck von 210 bar und mehr aufzubauen, welcher Druck eingangsseitig
an der Düse
des Ventilaggregats 10 ansteht. Der Pumpenkreis 1 arbeitet
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
mit dem vorgenannten Betriebsdruck. Der Querschnitt der Düse des Ventilaggregats 10 wird
eingestellt, um den Druck und somit die zu generierende Kompressionswärme zu bestimmen.
Ist die Wärmekraftanlage 1 nach
ihrer Installation eingestellt, braucht grundsätzlich der Düsenquerschnitt
nicht mehr geändert
zu werden.
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Dem
Pumpenkreis 5 der Wärmekraftanlage 1 ist
ferner ein in den Figuren nicht dargestelltes Überdruckventil als Sicherheitsventil
zugeordnet. Dieses ist Teil des Ventilaggregates 10 und öffnet bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
bei 220 bar. Angeschlossen an dieses Sicherheitsventil ist eine Bypass-Leitung über die
das durch das Überdruckventil
strömende Öl in den
Flüssigkeitsbehälter 2 zurückgeführt wird.
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In
den Flüssigkeitsbehälter 2 ist
ein Wärmetauscher 20 eingesetzt.
Der Wärmetauscher 20 ist vollständig in
das in den Flüssigkeitsbehälter 2 befindliche Öl 4 eingetaucht.
Bei dem Wärmetauscher 20 handelt
es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen nach
Art einer Heizschlange ausgebildeten, der zur Vergrößerung seiner
Oberfläche
Rippen trägt.
Die Rippen des Wärmetauschers 20 sind
gruppiert angeordnet, wie dieses in 1 angedeutet
ist. Der Wärmetauscher 20 ist
Teil einer Heizungsinstallation. Der Wärmetauscher 20 ist
innerhalb des Flüssigkeitsbehälters 2 hochkant
eingebaut, wobei sich sein Zulauf 21, über den kaltes Wasser zugeführt wird,
unten und sein Auslauf 22, durch den das erwärmte Wasser
strömt,
oben befinden. Das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch den Wärmetauscher 20 geführte Wasser
wird beim Durchströmen
des Wärmetauschers
erwärmt.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
tritt das Wasser über
den Zulauf in eine Temperatur von etwa 30°C ein und wird innerhalb des
Wärmetauschers 20 auf
eine Temperatur zwischen 60°C
und 70°C
erwärmt,
so dass das aus dem Auslauf 22 austretende Wasser mit dieser
Temperatur den Heizkörpern
zugeführt
werden kann.
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Die
Wärmekraftanlage 1 arbeitet
wie folgt:
In einem ersten Aufwärmschritt wird die Hydraulikpumpe 7 betrieben
und zwar so lange, bis das Öl 4 in dem
Flüssigkeitsbehälter 2 eine
Temperatur von etwa 90 Grad aufweist. Aufgrund der Wärmeisolierung
des Flüssigkeitsbehälters 2 vermag
die auf diese Weise bereitgestellte Wärme über einen langen Zeitraum dem
Flüssigkeitsbehälter 2 zu
verbleiben. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich
in dem Flüssigkeitsbehälter 2 etwa
70 Liter Öl, so
dass durch diese Menge ein nicht unerheblicher Wärmespeicher bereitgestellt
ist. Zum erstmaligen Erwärmen
des Öls 4 auf
die vorgenannte Temperatur wird die Hydraulikpumpe 7 etwa
20 Minuten betrieben. In Abhängigkeit
von der über
den Wärmetauscher 20 dem in
dem Flüssigkeitsbehälter 2 enthaltenen Öl 4 entnommenen
Wärme sinkt
die Öltemperatur
in dem Flüssigkeitsbehälter 2.
Das Steuergerät 16 ist
bei dem dargestellte Ausführungsbeispiel
dergestalt programmiert, dass ein Absinken der Temperatur des Öls 4 in
dem Flüssigkeitsbehälter 2 auf
70°C toleriert
wird, bevor die Hydraulikpumpe 7 erneut zum Fördern und
Komprimieren von Öl
eingeschaltet wird. Die Temperaturerfassung erfolgt über den
Temperaturfüller 17.
Somit stellt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Temperatur
von 70°C
den unteren Schwellwert dar, bei dem das in dem Flüssigkeitsbehälter 2 befindliche Öl 4 erwärmt wird.
Als oberer Betriebsschwellwert wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
die Temperatur von 90°C eingesetzt.
Erreicht das in dem Flüssigkeitsbehälter 2 befindliche Öl 4 die
Temperatur von 90°C
wird die Hydraulikpumpe 7 bzw. der die Hydraulikpumpe 7 treibende
Elektromotor 6 abgeschaltet. Zum Erwärmen des in dem Flüssigkeitsbehälter 2 befindlichen Öls 4 von
70°C auf
90°C wird
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
der Pumpenkreis für
etwa sieben Minuten betrieben. Das im Zuge des Betriebs des Pumpenkreislaufes 5 durch
den Verteiler 13 austretende erwärmte Öl tritt durch die Ölaustrittsbohrungen 14 auf
den Wärmetauscher 20 hin
gerichtet aus, so dass dieser von dem erwärmten Öl umströmt ist. Dieses begünstigt einen
Wärmeübergang
von dem in dem Flüssigkeitsbehälter 2 befindlichen Öl 4 auf
das in dem Wärmetauscher 20 bei
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
geförderte
Wasser. Gleichzeitig werden hierdurch über einen gewissen Bereich
des Bodens 12 des Flüssigkeitsbehälters 2 Verwirbelungen
erzeugt, was ebenfalls den Wärmeübergang
auf das in dem Wärmetauscher 20 geführte Fluid
begünstigt.
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Zum
Verbessern einer Umwälzbewegung des Öls 4 in
dem Flüssigkeitsbehälter 2 kann
in diesem eine Umwälzpumpe
angeordnet sein. Derartige Umwälzpumpen
verbrauchen nur eine geringe Leistung und brauchen auch nicht kontinuierlich
betrieben zu werden. Daher erhöht
sich der Energieverbrauch auch bei Einsatz einer zusätzlichen
Umwälzpumpe
innerhalb des Flüssigkeitsbehälters 2 nur
unwesentlich.
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Bei
dem in den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel ist in dem Behälter 2 ein
Wärmetauscher 20 eingebracht.
Gleichfalls ist es möglich,
in den Flüssigkeitsbehälter 2 zur
Ausnutzung des Innenraumes weitere Wärmetauscher anzuordnen, die hintereinander
geschaltet sind oder ei nen solchen Wärmetauscher in den Flüssigkeitsbehälter einzubringen,
der eine komplexere Struktur aufweist. Die Konzeption des Wärmetauschers
und insbesondere die in dem Flüssigkeitsbehälter befindliche
Durchströmungslänge ist
abhängig
von der gewünschten Erwärmung und
von der Durchströmungsgeschwindigkeit
des zu erwärmenden
Fluids durch den Wärmetauscher.
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In
dem in den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel ist als Düse eine
solche gewählt worden,
dessen freie Querschnittsfläche
einstellbar ist. Gleichermaßen
lässt sich
die Erfindung mit einer Düse
mit konstanter Querschnittsfläche
realisieren.
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Der
Einsatz von Öl
als Flüssigkeit
zum Generieren der Kompressionswärme
eignet sich vor allem wegen dem in Bezug auf Wasser höheren Siedepunkt
und wegen seiner Eigenschaft, mehr Wärme aufnehmen zu können.
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Der
Flüssigkeitsbehälter 2 ist
quasi vollständig
mit Öl 4 befüllt. Der
Deckel 3 verfügt über eine Entlüftungsöffnung 23.
Vorhandenes Wasser, beispielsweise als Kondenswasser kann ohne weiteres aus
der Entlüftungsöffnung 23 heraus
verdampfen.
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Der
Elektromotor 6 verfügt
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über eine
Leistung von 5,5 kW. Mit einer dergestalt konzipierten Wärmekraftanlage 1 lässt sich
ein wärmegedämmtes Dreifamilienhaus
mit 15 kW/Tag ohne Weiteres beheizen. Während der winterlichen Heizperiode
springt der Elektromotor 6 zum Antreiben der Pumpe 7 etwa
alle 1 bis 1,5 Stunden an, um das Öl 4 erneut auf die
vorgesehenen 90°C
zu bringen.
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Die
elektrische Energie zum Betreiben der Wärmekraftanlage, insbesondere
des Elektromotors kann durch regenerative Energien, beispielsweise durch
Wandeln von Sonnenlicht in elektrische Energie bereitgestellt werden.
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Die
besondere Effektivität
dieser Wärmekraftanlage
liegt unter anderem in dem Verhältnis
der relativ großen
erwärmten Ölmenge,
bevorratet in dem Flüssigkeitsbehälter 2,
in Bezug auf die relativ geringe zu erwärmende Fluidmenge in dem Wärmetauscher
begründet.
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In
einer Weiterbildung der vorbeschriebenen Wärmekraftanlage ist vorgesehen,
in den Flüssigkeitsbehälter 2 mehrere
Wärmetauscher,
vorzugsweise in einer parallelen Anordnung zueinander einzubringen,
die derselben oder auch unterschiedlichen Installationen zugehörig sind.
Auf diese Weise kann mit einer einzigen Wärmekraftanlage Wärme beispielsweise
nicht nur für
eine Heizung, sondern auch Warmwasser für den Gebrauch und/oder eine Klimatisierungsanlage
betrieben werden.
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Die
Pumpe kann mit dem Ventilaggregat bzw. einer Düse eine bauliche Einheit ausbilden.
Diese kann auch seitlich bezüglich
des Flüssigkeitsbehälters angeordnet
sein. Bildet das Ventilaggregat oder die Düse mit der Pumpe eine bauliche
Einheit, kann es zweckmäßig sein,
diesen Block flüssigkeitsbedeckt
innerhalb des Flüssigkeitsbehälters anzuordnen.
Dieses hat zum Vorteil, dass Wärmeverluste auf
ein Minimum reduziert sind. Des Weiteren hat das Anordnen des Druckteils
innerhalb der Flüssigkeit
sicherheitstechnische Vorteile.
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- 1
- Wärmekraftanlage
- 2
- Flüssigkeitsbehälter
- 3
- Deckel
- 4
- Hydrauliköl
- 5
- Pumpenkreislauf
- 6
- Elektromotor
- 7
- Hydraulikpumpe
- 8
- Saugeinlass
- 9
- Druckleitung
- 10
- Ventilaggregat
- 11
- Fallleitung
- 12
- Boden
- 13
- Verteiler
- 14
- Ölaustrittsbohrung
- 15
- Ölfilter
- 16
- Steuergerät
- 17
- Temperaturfühler
- 18
- Signalleitung
- 19
- Signalleitung
- 20
- Wärmetauscher
- 21
- Zulauf
- 22
- Auslauf
- 23
- Entlüftungsöffnung
- F
- Flüssigkeitsspiegel