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Verfahren zur Durchführung eines Wärmeaustau-
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sches in einer Wärmepumpe zwecks Erwärmung eines Heizmediums aus
der Umgebung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Durchführung eines Wärmeaustausches in einer Wärmepumpe zwecks
Erwärmung eines Heizmediums für einen HeizKreis innerhalb eines Verdampfers unter
Wärmeentnahme aus der Umgebung (Luft oder Boden) mittels eines gasförmigen Wärmeübertragungsmediums.
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Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens mit einem Verdampfer für das Heizmedium, das in Wärmeaustauscherart
mittels Wärmeübertragungselementen in einer Verdampferkammer geführt ist, der auch
das gasförmige Wärmeübertragungsmedium zugeführt wird.
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Wenn von Wärmeübertragungselementen die Rede ist, handelt es sich
um übliche Elemente, wie beispielsweise Rohrschlangen,
Lamellenrohre
und dergleichen. Die brfindung bezieht sich ferner auf eine Wärmepumpe mit ihren
elementen, jedoch unter Einbeziehung des Verdampfers, in welchem das Heizmedium
in Verbindung mit einem Wärmeaustauscher verdampft wird.
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Ein solches Heizmedium ist beispielsweise @rigen, welches einen Heizleistungskreis
speist, wie es in Wärmepunipen üblich ist.
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Zine hesonders bevorzugte AusführungsforLl der Erfindung liegt in
einem Verfahren nach dem Absorbtionssystem, obgleich auch eine Anwendung der erfindung
im Kompressionssystem einbezogen wird. Die Wärmepumpe kann nach beiden grundsätzlichen
Verfahren ausgeführt sein, weil sie sich im wesentlichen auf den Verdampfer bezieht.
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In diesem wird in bekannten Wärmepumpen das Wärmeübertragungsmedium
unmittelbar mit den Wärmeübertragungselementen des Heizmediums in armeaustauschkontakt
gebracht.
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Das gasförmige Wärmeübertragungsmedium bezeichnet den Wärmeträer,
der die Wärmeenergie aus dem Boden oder aus der Umgebungiuft zuführt. Hierbei handelt
es sich im Zusammenhang mit der erfindung um ein Gas, insbesondere um Luft, wobei
auch bezüglich des Gases davon ausgegangen wird, daß dieses einen Flüssigkeitsbestandteil
aufweist.
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Nach der DT-OS 24 02 777 ist es bekannt, unter Verwendung von Absorbtionswärmepumpen,
in denen eine als Zirkulat bezeichnete, durch Verdampfung, Absorbtion, Desorption
und Kondensation geführte Flüssigkeit zum Wärmetransport so zu beeinflussen, daß
der Desorptionsdruck des Zirkulats so hoch ist, daß es unter diesem Druck über 750C
kondensiert. i)abei soll eine leicht siedende Flüssigkeit verdampfen und das Zirkulat
von der Außenluft
eine zum Phasenwechsel erforderliche Verdampfungswärme
aufnehmen. Die in einem Lösungsmittel erfolgende Absorption der Dämpfe soll dann
zur Freisetzung von Absorptionswärme höherer Temperatur führen. Dabei ist es bezüglich
des Zirkulats notwendig, daß es mit dem Lösungsmittel auf Druck gepumpt, durch Wärmezufuhr
im Abtreiber abgetrieben und bei so hoher Temperatur kondensiert wird, daß auch
die Kondensationswärme auf das eigentliche Heizungssystem übertragen werden kann.
Die Kondensationstemperatur des Zirkulats wird niedrig gehalten, um den Arbeitsdruck
der Anlage ebenfalls gering z.u ilalten.
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Dabei soll der Abtrieb des Zirkulats nane, bei oder oberhalb von dessen
kritischem Bereich erfolgen, der einen Zustand bedingt, aus welchem es harmonisch
von der Dampft- in die Flüssigkeitspnase übergeht.
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Diese Ausführung ist außerordentlich aufwendig. die ist vor allem
in ihrer Anwendung heschr inkt, weil im Bereich der Wärmeabgabe von Wärmeübertragungsmedium
durch die Flüssigkeitsabscheidung die Gefahr besteht, daß die Verdampferoberfläche
zufriert. Daher ist bei dieser bekannten Ausführung auch vorgesehen, dieses Zufrieren
durch Besprühung mit eistauenden Mitteln zu vermeiden oder die Oberflache mechanisch
zu reinigen.
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Wie andere bekannte Wärmepumpen unterliegt die bekannte Ausführung
dem Nachteil, daß sie nur bis zu einer bestimmten Temperatur nach unten betrieben
werden können. Wenn eine solche bestimmte Temperatur, die beispielsweise bei 3°
C liegen mag, unterschritten wird, ergibt sich beispielsweise bei der Zuführung
von Luft als Wärmeübertragungsmedium ein Zustand, bei welchem bei Wärmeentzug Wasser
abgeschieden wird. Dieses schlägt auf den Wärmeübertragungselementen, z.B. den Rohren
für das lieizmedium im Verdampfer, als Eis nieder. Damit gerbt die Wärmeaustauscherwirkung
verloren. Die bekannten Mittel, wie auch eine zusätzliche Erhitzung oder die Berieselung
mit besonderen Chemikalien, verbrauchen weitgehend den Nutzeffekt der Anlage.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bekannte Wärmepumpen verfahrensmäßig
und vorrichtungsmäßig zu verbessern, und zwar dahingehend, daß sowohl im normalen
Betrieb als auch im angepasten Betrieb Leistungsausbeuten erreicht werden, welche
eine sogenannte Wärmepumpe auch unter bisher nicht annehmbaren Betriebsbedingungen
einsatzfähig machen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärme vom
Wärmeübertragungsmedium auf das Heizmedium über ein Zwischenmedium übertragen wird,
das eine niedrigere Gefriertemperatur als ein Flüssigkeitsbestandteil des gasförmigen
Übertragungsmediums aufweist. Dadurch, daß die Wärme einem Zwischenmedium übertragen
wird, entfällt die Möglichkeit einer unmittelbaren Vereisung des Aufnahmesystems
des eigentlichen Heizmediums, beispielsweise Frigen. Das Heizmedium kann im Zwischenmedium
eingebettet und betriebsbereit bleiben.
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Als Wärmeübertragungsmedium wird vorteilhaft Luft verwendet.
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Als Zwischenmedium wird vorzugsweise eine Sole verwendet. Hierbei
wird zweckmäßig eine Sole aus der Gruppe NaCl, CaC12, MgC12 oder dergleichen angewandt.
In diesem Zusammenhang wird bemerkt, daß Sole bei eutektischer Mischung von beispielsweise
NaCl (salz) bis -21,2° C angewendet werden kann. Hierin liegt ein wesentlicher Vorteil
der Erfindung.
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Durch diese Ausführung ist es möglich, schon auf weitaus niedrigere
Temperaturen zum Betrieb einer Wärmepumpe überzugehen als bisher bekannt ist. In
diesem Zusammenhang wird bemerkt, daß Wärmepumpen wirtschaftlich über die gesamte
Temperaturbandbreite, wie sie auf der Erdoberfläche anzutreffen ist, eingesetzt
werden sollen; d.h. die Luftwärme kann auch beispielsweise bei einer Temperatur
von t > = -200 C aus der Umgebungsluft entnommen werden.
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Bei Temperaturen, die sich im Bereich des Gefrierpunktes bewegen,
ist bei Gasen, insbesondere Luft, die als Wärmeübertragungsmedium verwendet wird,
bekannt, daß bei entsprechendem Wassergehalt, Temperatur und Teildruck Feuchtigkeit
ausfällt.
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Diese Feuchtigkeit lagert sich bisher an der Oberfläche eines Verdampfers
in Form von Eiskristallen ab, zumal unter anzutreffenden Bedingungen die Verdampfertemperatur
wesentlich unter dens Gefrierpunkt von Wasser liegen kann. Die sich daraus ergebende
Eisbeschichtung machte den Wärmeaustauscher in Kürze wirkungslos.
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Dagegen erbringt bereits das erfindungsgemäße Zwischenmedium einen
wesentlichen Vorteil. I)ieser wird in der bevorzugten Ausführungsform noch dadurch
vergrößert, daß im Bereich des Wärmeübergangs vom Wärmeübertragungsmedium auf das
Zwischenmedium ein Unterdruck in bezug zur Umgebung erzeugt wird, welcher die Wasserabgabe
des Erhitzungsmediums aud das Zwischenmedium zum und ist in Kombination mit dem
Zwischenmedium aus noch folwenden Gründen besonders vorteilhaft, erbringt aber auch
ohne Zwischenmedium eine wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten Ausführungen.
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Beispielsweise bezüglich des Wärmeübertragungsmediums Luft ist aus
dc sogenannten i-x-Diagramm bekannt, daß Luft unter einer bestimmten Temperatur
Bedingungen ausgesetzt ist, unter welchem sie in Abhängigkeit von Druck Flüssigkeit
ausscheidet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dieses ausgenutzt, indem ein
Unterdruck im Vergleich zur Umgebung hergestellt wird, der so groß ist, daß eine
angemessene Temperaturdiffcrenz zur Wärmeentnahme verbleibt, ohne daß Flüssigkeit
ausgeschieden wird.
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Dies ist für das erfindungsgemäße Verfahren eine wesentliche Ausführungsform,
wobei die Unterdruckbedingung zugleich zum Ausdruck bringt, daß sie in erster Linie
für das Wärmeübertragungsmedium Luft gilt, aber auch für andere entsprechende gasförmige
Medien vorgesehen ist. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß der Unterdruck nicht
nur eine Größe einhalten soll,
welche eine Wasserabscheidung des
Wärmebertragungsmediums, insbesondere Luft, verhindert, sondern daß auch für das
Zwischenmedium eine Bedingung eingehalten wird, die eine Aufspaltung in Flüssigkeit
und Salze vermeidet. Dadurch wird auch im Hinblick auf das Zwischenmedium durch
die Einführung eines Unterdruckes ein zusätzlicher Vorteil erreicht.
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In diesem Zusammenhang wird bemerkt, daß angestrebt wird, eine Temperaturdifferenz
von etwa 80 C zu erreichen. Wenn der Druck innerhalb des Verdampfers über eine Hegeleinrichtung
so verändert wird, daß die Sättigungskurve entsprechend des i-x-Diagramms nicht
unterschritten wird, d.h. keine Taupunktunterschreitung stattfindet, können Wasserabscheidungen
nicht erfolgen, und damit scheidet auch zusätzlich bei der bevorzugten Verwendung
des Zwischenmediums die Gefahr einer Soleverdünnung aus. Zweckmäßig wird eine Steuerung
des Verdampfers bzw. des diesem zugeordneten Wärmeaustauschers angestrebt, daß der
Wert sp ( absoluter Feuchtigkeitsgehalt maximaler Feuchtigkeitsgehalt als kontinuierlichen
Betriebszustand einhält. Damit kann auch die Verdampfung des Wassers aus dem Zwischenmedium
vernachlässigbar klein gehalten werden.
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Die Vorrichtung mit den oben angegebenen Merkmalen ist zur Durchführung
des Verfahrens dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungselemente des Heizmediums
in einem Bad des Zwischenmediums angeordnet sind, dem in einem Kreislauf unter Einbeziehung
des Bades Wärme aus dem gasförmigen Wärmeübertragungsmedium zugeführt wird. Durch
Anordnung eines Bades und eines Kreislaufs für das Zwischenmedium werden die Nachteile
bekannter Wärmepumpen in der oben angegebenen Weise bereits beseitigt. Durch das
Bad wird eine unmittelbare Vereisung der Wärmeübertragungselemente des Heizmediums
ausgeschlossen.
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Das Zwischenmedium ist eine Sole der oben angegebenen Art.
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Schon durch Verwendung des Zwischenmediums ist es möglich, eine Wärmepumpe
in größeren Temperaturbereichen zu fahren als bisher denkbar ist. Die Funktion des
Verdampfers
als Wärmeaustauscher bleibt daher auch bei niedrigen
Temperaturen erhalten.
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Dabei ist vorteilhaft ein Kreislauf mit einer Pumpe für das Zwischenmedium
im Bereich des Verdampfers vorgesehen, in dessen Kammer über dem Bad das Wärmeübertragungsmedium
und das Zwischenmedium zusammengeführt sind. Die Erfindung schafft daher eine Vorrichtung,
in welcher unten ein Bad und darüber ein Wärmeaustauscher angeordnet ist, dessen
Medium in das Bad gelangt und mit dem Wärmeübertragungsmedium in Berührung gebracht
wird, wobei das Bad selbst einen Wärmeaustauscher zum Heizmedium darstellt.
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In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist für das Zwischenmedium ein
geschlossener Kreislauf vorgesehen, dessen Wärmeübertragungselemente in der Kammer
von dem gasförmigen Wärmeübertragungsne1ium, insbesondere Luft, bespült sind. Hierdurch
kann eine kompakte Ausbildung erreicht werden, wobei infolge der Eigenschaften des
Zwischenmediums die Gefahr einer Vereisung herabgesetzt ist.
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Mit besonderem Vorteil sieht die Erfindung aber einen offenen Kreislauf
vor, welcher im oberen Bereich der Kammer eine Sprüh-oder Abrieseleinrichtung für
das Zwischenmedium und im unteren Bereich der Kammer das Bad aufweist. Hierdurch
werden im Wärmeaustauscher oberhalb des Verdampfers im Wärmeübergangsbereich keine
gebauten Niederschlagsflächen im herkömmlichen Sinne für ausgeschiedene Flüssigkeit
oder Wasser geschaffen. Dabei sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, daß die
Kammer, durch welche das gasförmige Wärmeübertragungsmedium strömt, als Unterdruckkammer
ausgeführt und mit Einrichtungen versehen ist, die die Kammer unter einen niedrigeren
Druck als den Umgebungsdruck setzen. Eine Unterdruckkammer in einer Wärmepumpe ist
bisher nicht bekannt. Hierin liegt eine überraschende Lösung, weil insbesondere
bei der Verwendung von Luft in Anlehnung an
das an sich bekannte
i-x-Diagramm nach Kollier bei feuchter Luft mit einem Wassergehalt x eine Absenkung
des Druckes bewirkt, daß die Wasserausscheidung auf eine tiefere Temperaturgrenze
zurückgeführt wird. Es gelingt daher, durch die Druckabsenkung die Ausscheidung
von Flüssigkeit, insbesondere Wasser, das sich als Eis niederschlagen könnte, zu
verhindern.
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Unter diesem Gesichtspunkt ist es auch möglich, das Zwischenmedium
in der Unterdruckkammer auch durch einen geschlossenen kreislauf umzuwälzen.
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In der Kammer sind vorzugsweise unten oberhalb des Bades bemessene
Eingangsöffnungen für das gasförmige Wärmeübertragungsmedium und oben wenigstens
eine Ausgangsöffnung mit einem Sauggebläse angeordnet. Durch das Sauggebläse kann
zunächst die Durchströmung an sich erzeugt werden. Das wäre bei Verwendung nur eines
Zwischenmediums in Form von Sole auch durch ein Druckgebläse an den Eingangsöffnungen
möglich, aber die bevorzugte Ausführungsform, in welcher die Kammer unter Unterdruck
bzw. einen niedrigeren Druck als die Umgebungsluft zu setzen ist, bevorzugt das
Sauggebläse, weil dann durch die Bemessung der Eingangsöffnungen der Unterdruck
herstellbar ist. Dabei wird zweckmäßig einbezogen, daß die Eingangsöffnungen mit
Drosselelementen ausgeführt sind. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
sind die Eingangsöffnungen mit einstellbaren Lamellen ausgeführt. Unter diesem Gesichtspunkt
sieht eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung vor, daß die Ausgangsöffnung und/oder
die Leistung des Sauggebläses einstellbar sind.
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Jie Kammer zeichnet sich in der bevorzugten Ausführungsform ferner
dadurch aus, daß unterhalb der Ausgangsöffnung eine Sprührohranordnung für das Zwischenmedium
vorgesehen ist.
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Diese Sprührohranordnung liegt mit Abstand über dem erwähnten
Die
Erfindung schafft insofern ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung. Zur Verwirklichung
beider ergeben sich zwei Schritte, die sich ergänzen. Der erste Schritt liegt darin,
daß ein Zwischenmedium verwendet wird, dessen Eigenschaften gemäß obiger Ausführung
den Betrieb mit niedrigerer Temperatur als bisher ermöglicht, zumal das Heizmedium
immer in das Zwischenmedium mit seinen Eigenschaften eingetaucht bleibt. Hierin
liegt bereits ein wesentlicher Vorteil, weil bisher ein solches Zwischenmedium nicht
angewendet worden ist. Der zweite Schritt Jiej;t in der Verminderung des Druckes
der Wärmeaustauschkammer in Zuordnung zum Verdampfungsbad, wodurch sowohl die Elasserabscheidung
des Wärmeübertragungsmediums, insbesondere der Luft, herabgesetzt und auch eine
Zerlegung des Zwischenmediums vermieden wird.
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i)urch die Erfindung wird cie Taupunktkurve in vollem Naße ausgenutzt.
Bs wird ein kontinuierlicher Betriebszustand eingestellt, bei welchem Verluste auf
der Basis voil Wasser praktisch nicht eintreten können.
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Die erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert,
die in der Zeichnung dargestellt sind.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1: eine Blockansicht einer Heizungsanlage,
Fig, 2: eine Teildarstellung aus Fig. 1, in welcher einige Tcile vereinfacht dargestellt
sind.
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In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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rig. 1 zeigt ein Beispiel für einen Heizkreis 1 für zaBo Wasser, der
bekannt ist, und dessen Vorlauf mit 2 und Rücklauf mit 3 bezeichnet sind. In diesem
ist eine Umwälzpumpe 4 vorgesehen,
die das Heizmedium zu einem
Absorber ~j treibt, von dem es über einen Kondensator 6 wieder zum Vorlauf zurückströmt.
Der Absorber 5 ist von dem Kreislauf mit dem sogenannten iteizmedium, d.h. beispielsweise
NII3 (Ammoniak), durchsetzt und über eine Pumpe 7 und einen Wärmeaustauscher 8 mit
dem Kreislauf 9 verbunden, der in einen sogenannten Kocher 10 führt, in welche eine
Lösung 11 unter Wärmezuführung 12 behandelt wird, so daß über die Leitung 13 und
ein Druckregelventil 14 eine Rückspeisung durch 15 in den Absorber 5 erfolgt, und
ferner durch eine Leitung 16 eine Einspeisung über einen Flüssigkeitsabscheider
17 in eine Umlaufleitung 18 erreicht wird, die zum Kondensator 6 führt.
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Hierbei handelt es sich um untergeordnete Gesichtspunkte, denn die
Erfindung bezieht sich auf einen sogenannten Wärme aus tauscher bzw. Verdampfer
19, der in dem Kreislauf des Heizmediums zwischen dem Kondensator 6 und dem Absorber
5 angeordnet ist. Dieser Verdampfer besitzt eine untere Kammer 20. In dieser Kammer
ist als Wärmeübertragungselement 21 eine Austauscherschlange 21 für das Heizmedium
angeordnet, die beispielsweise zwischen dem Kondensator 6 und dem Absorber 5 angeordnet
und durch ein Regelventil 22 gesteuert ist. Wesentlich ist, daß die Schlange innerhalb
eines Bades 23 eines Zwischenmediums, insbesondere einer Sole, eingebettet ist.
Das Bad 23 füllt einen Behälter 24, der über seinem Boden 25 mit einem Kreislauf
26 in Verbindung steht, in wtchem eine Pumpe 27 angeordnet ist. Diese treibt das
Zwischenmedium oder die Sole in einem Kreislauf 28 über eine Leitung zu einer oberen
Verteilungseinrichtung 29, beispielsweise einer Sprüheinrichtung oder Berieselungsanordnung
48, durch welche die Sole entsprechend den gestrichelten Linien 30 nach unten abregnet
und dadurch dem Wärmeübertragungsmedium, insbesondere Luft, ausgesetzt wird. Diese
Luft ist als sogenannte Zuluft bezeichnet. Sie strömt durch Eingangsöffnungen 31
in einen Raumabschnitt 32 ein, der über dem Bad 23 angeordnet ist und in seinen
Seitenwänden
33, 34 Drosselelemente aufweist, die die Einströmung
dosieren können, wobei diese Drosselelemente als Lamellen ft, 36 gezeigt sind, welche
den Luftdurchtritt bzw. die Dosierung des Luftdurchtritts durch Einstellung bestimmen.
Oben in der durch die Wandteile 37 des Verdampfers 19 bestimmten Kammer 47, die
sich nach oben verjüngen kann, ist eine Ausgangsöffnung 38 angeordnet, in welcher
ein Sauggebläse 39, angetrieben durch einen Motor O, in der Richtung umläuft, daß
das Medium entsprechend dem Pfeil 41 abgeführt wird. Die Ausgangsöffnung 38 ist
gegebenenfalls in Verbindung mit einem Zentrifugalabscheider (gezeichnet) oder klappbarm
Drosselelementen 42 einstellbar, daß zur Erzeugung eines Unterdruckes in der Kammer
47 mehr Luft durch das Sauggebläse 39 abgefilhrt wird als durch die mittels Lamellen
gesteuerten Eingangsöffnungen 31 nachströmen kann. Der gleiche Effekt könnte durch
die Steuerung des Sauggebläses 39 bewirkt werden. IIierin liegt ein wesentliches
Beispiel für die Ausführung der Erfindung.
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Das wird insbesondere auch anhand der Fig. 2 verdeutlicht, in welcher
aber die Umlaufleitung für das Heizmedium vereinfacht dargestellt ist, indem diese
abweichend von Fig. 1 einen Kompressor 43 und einen Kondensator 44 für det Heizkreis
5 mit der Umwälzpumpe 46 aufweist. Der Verdampfer 19 ist in gleicher Weise ausgeführt.
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Die beschriebene Ausführungsform bezieht die Merkmale der Ausführungsbeispiele
jeweils ein, wobei aber der Verdampfer 19 mit der Kammer 47 ein wesentliches Element
darstellt.
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L e e r s e i t e