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Die Erfindung betrifft Einheiten für Vorrichtungen des
Plattentyps zur Durchführung thermodynamischer Prozesse, die
auf dem Wärmeaustausch von strömenden Strömungsmedien basieren.
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In der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen
bezeichnet der Begriff "Einheit" solche Einheiten, die aus im
Abstand voneinander angeordneten wärmeleitenden
Begrenzungsplatten und flüssigkeitsleitenden Kanälen dazwischen
bestehen. Sie sind entweder kompakt aufgebaut oder sind
zusammengesetzt aus losen Begrenzungsplatten, die mit oder ohne
Dichtungen dazwischen durch axialen Druck zusammengehalten
werden.
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Vorrichtung des Plattentyps aus Einheiten zur Durchführung
thermodynamischer Prozesse, die auf dem Wärmeaustausch von
strömenden Strömungsmedien basieren, sind im Stand der Technik
bereits bekannt. Solche Vorrichtungen sind z.B. in der US-A-4
497 689 beschrieben, wobei die Grundeinheiten Einheiten aus im
Abstand voneinander angeordneten Begrenzungsplatten mit
Strömungsmedien leitenden Kanälen dazwischen aufgebaut sind.
Die Bedeutung für ihre Verwendung besteht darin, daß
irgendwelche gewünschten thermodynamischen Ergebnisse
vorbestimmten Wertes durch Auswahl einer geeigneten Anzahl von
gleichförmigen Einheiten erhalten werden können. Daher können
verschiedene Vorrichtungen aus identischen Einheiten
zusammengestellt werden, die ihrerseits z.B. von automatischen
Robotern in Serienproduktion in nur wenigen
Herstellungsschritten hergestellt werden können.
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Ein gewünschter thermodynamischer Prozeß wie die Verdampfung
oder die Kühlung wird von Strömungsmedien bewirkt, die in den
Kanälen der Einheiten strömen und einander über die
wärmeleitenden Flächen der letzteren beeinflussen.
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Zirkulation der Strömungsmedien wird, als Regel, von Pumpen
außerhalb der Einheiten herbeigeführt. Wo eine Medienströmung
innerhalb hermetisch und möglicherweise permanent geschlossener
Einheiten wie z.B. in Kühlvorrichtungen herbeigeführt werden
soll, werden die Strömungsmedien durch die Wirkung der Wärme
zirkuliert. Für einen solchen Zweck sind die hermetisch
geschlossenen Einheiten mit Thermosiphons versehen, die von
Wärmequellen erregt werden, die in benachbarten Einheiten
angeordnet sind.
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So arbeiten bisher bekannte Plattentyp-Vorrichtungen der oben
genannten Art ausschließlich durch Wärmeaustausch zwischen
Strömungsmedien ohne Wechselwirkung zwischen ihren Drücken, die
ungenutzt bleiben. Daher scheint es erwünscht, Mittel
vorzusehen, durch welche zusätzlich zu Wärmeaustauschungen
zwischen Strömungsmedien auch deren Drauckaustauschungen
ausgenutzt werden können. Wie gezeigt wird, erlaubt eine solche
Möglichkeit einerseits, die thermodynamische Vorrichtung zu
vereinfachen, und andererseits, ihr Anwendungsgebiet zu
erweitern.
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Die vorliegende Erfindung sucht den Stand der Technik mit
Plattentyp-Vorrichtungen zu vervollständigen, die fähig sind,
zusätzlich zu Wärmeaustauschungen auch Druckwechselwirkungen
innerhalb der Einheiten auszunutzen.
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Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es im
wesentlichen, Mittel vorzusehen, welche es erlauben, sowohl von
Wärmeaustauschungen als auch Druckaustauschungen zwischen
Strömungsmedien Gebrauch zu machen, die in den Kanälen von
benachbarten Einheiten strömen. Mit anderen Worten müssen die
Begrenzungsplatten geeignet gemacht werden, zusätzlich zu Wärme
auch Druckdifferenzen zwischen Strömungsmedien zu übertragen,
die an einem solchen Wärmeaustausch teilnehmen.
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Die Schlüsselidee für die Lösung des oben genannten Problems
liegt in der Ausbildung einer oder mehrerer Membranen in einer
oder beiden der Begrenzungsplatten einer Einheit. Da die
Membran, die in den Begrenzungsplatten vorgesehen ist,
druckempfindlich ist, wird sie bei Druckdifferenzen ausgelenkt,
die zwischen den Kanälen benachbarter Einheiten herrschen. So
übertragen die Membranen zusätzlich zu ihrer Funktion als
Wärmeaustauschflächen auch Drücke. Ein höherer Druck, der in
der einen Einheit herrscht, ist dadurch übertragbar auf ein
Strömungsmedium geringeren Druckes, das in einer benachbarten
Einheit strömt. Das Ergebnis kann eine Zwangszirkulation des
letzteren sein. Jedoch kann auch eine Druckdifferenz zum
Einstellen des Strömungswiderstandes in den Kanälen einer von
benachbarten Einheiten mittels Membranen angewendet werden, die
Steuerventile betätigen, die in solchen Kanälen vorgesehen
sind, was einen bedeutenden Vorteil des durch die Erfindung
vorgeschlagenen Membranprinzips darstellt.
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Zusammenfassend stellt die Erfindung eine Verbesserung von
Einheiten dar, die in einer an sich bekannten Weise im Abstand
voneinander angeordnete wärmeleitende Begrenzungsplatten und
Strömungsmedien leitende Kanäle dazwischen aufweisen. Die
vorliegende Erfindung besteht darin, daß wenigstens eine der
Begrenzungsplatten wenigstens eine an einen ein Strömungsmedium
leitenden Kanal angrenzende Membran aufweist.
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Die Membran kann von einem wärmetragenden Strömungsmedium
betätigt werden, die die für einen thermodynamischen Prozeß wie
die Verdampfung erforderliche Wärme zuführt oder die Wärme
ableitet, um Dämpfe zu kondensieren, die im Verlauf einer
solchen Verdampfung gebildet werden. Dann ist die Membran Teil
einer wärmeleitenden Fläche. Ein Vorteil einer solchen
Einrichtung liegt darin, daß auch die thermische Wirkung des
wärmetragenden Strömungsmediums durch die Membran übertragen
wird, wodurch ein erhöhter Wirkungsgrad der Vorrichtung
erhalten wird.
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Jedoch kann die Membran von einem Strömungsmedium ausgelenkt
werden, das nur zu einem solchen Zweck angewendet wird. Dann
weist die Einheit eine abschließende Membran auf, die einen
Kanal zum Leiten des Arbeitsmediums verschließt. Dadurch kann
der Druck, der auf die abschließende Membran einwirkt, genau
eingestellt werden, was von besonderer Bedeutung ist, wenn die
Membran zur Erzielung eines genauen Wertes des
Strömungswiderstandes durch Betätigung eines Steuerventils
verwendet wird.
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Darüberhinaus ist es möglich, elektromagnetisch betätigte
Membranen anzuwenden, was den Vorteil hat, daß die Amplitude
und die Frequenz der Membranbewegungen innerhalb weiter Grenzen
genau geändert werden können und die Membran so wie sie ist
zwangsläufig bewegt werden kann. Dies ist von spezieller
Wichtigkeit, wenn eine eher mechanische als eine thermische
Funktion der Membran gewünscht wird.
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Im Falle einer Mehrzahl von Membranen ist auch eine gemischte
Anwendung solcher Betriebsvorgänge vorstellbar. Beispielweise
wird im Falle von zwei Membranen die eine derselben von einem
Arbeitsmedium bewegt, wohingegen die andere entweder von einem
wärmetragenden Medium oder elektromagnetisch betätigt wird.
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Es wird gezeigt, daß die Membran einer Einheit, wie durch die
Erfindung vorgeschlagen, verschiedene Funktionen ausüben kann.
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Beispielsweise kann es erforderlich sein, daß der
Strömungswiderstand für ein an einem thermodynamischen Prozeß,
wie einem Kühlzyklus teilnehmendes Strömungsmedium auf einen
spezifischen Wert eingestellt wird. Dann wird ein Steuerventil
in dem das entsprechende Strömungsmedium führenden Kanal
vorgesehen und die Membran dient als das Betätigungsmittel des
Steuerventils wie oben erwähnt.
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Falls andererseits eine Zwangszirkulation herbeigeführt werden
soll, kann eine mit einer Membran versehene Einheit angewendet
werden, deren Kanal zum Führen des entsprechenden
Strömungsmediums Rüchschlagventile stromaufwärts und
stromabwärts der Membran aufweist. Dadurch wird ein
Membrankompressor oder eine Membranpumpe ausgebildet, jenachdem
ob das Strömungsmedium ein Gas, ein Dampf oder selbst eine
Flüssigkeit ist.
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Offensichtlich können beide Mittel gleichzeitig angewendet
werden.
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Durch die Anwendung von Membranen werden auch Einheiten zur
Durchführung von Sterlingtyp-Kühlzyklen ausführbar. In diesem
Fall ist die Einheit hermetisch und möglicherweise permanent
geschlossen und wenigstens eine ihrer Begrenzungsplatten ist
mit einem Paar Membranen versehen. Der den Membranen
benachbarte Kanal weist einen regenerativen Wärmetauscher auf.
Im Gegensatz zu konventionellen Lösungen in Form von Kolbentyp-
Vorrichtungen hat die Verwendung von mit Membranen versehenen
Einheiten den Vorteil, daß die Anzahl der Hübe der Membranen
pro Zeiteinheit von vorneherein klein ist, ihre relativ großen
Wärmeübertragungsflächen voll zur Geltung kommen. Dadurch
werden alle Schwierigkeiten, die mit konventionellen
Hochgeschwindigkeits-Vorrichtungen des Kolbentyps erfahren
wurden, die mit kleinen Zylindern ausgerüstet sind, erfolgreich
vermieden.
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Zur Verdampfung können Einheiten verwendet werden, deren
Begrenzungsplatten jeweils eine Membran aufweisen, wobei
stromaufwärts und stromabwärts derselben Rückschlagventile
vorgesehen und für einen paarweise entgegengesetzten Betrieb
eingerichtet sind. Solch eine Einrichtung hat den Vorteil, daß
im Falle einer Mehrzahl von unpositionierten Einheiten, die
parallelgeschaltet sind, das Vermischen von Strömungsmedien
innerhalb der Vorrichtung begünstigt wird und dadurch gleiche
Temperaturen und Konzentrationen in einer Gruppe von
Vorrichtungen erreicht werden.
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Anschließend wird die Erfindung detaillierter beschrieben,
indem Bezug auf die anliegenden Zeichnungen genommen wird, die
verschiedene Ausführungsformen der Einheit gemäß der Erfindung
und von thermodynamischen Vorrichtungen als Beispiele zeigen,
die mit solchen Einheiten versehen sind. In der Zeichnung:
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Fig. 1 illustriert eine Einzelheit, die das Grundmerkmal der
Einheit gemäß der Erfindung in einer Querschnittsansicht
entlang der Linie I-I in Fig. 2 zeigt.
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Fig. 2 ist eine Einzelheit einer Längsschnittsansicht entlang
der Linie II-II in Fig. 1.
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Fig. 3 stellt eine Querschnittsansicht eines Steuerventils
entlang der Linie III-III in Fig. 4 dar.
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Fig. 4 zeigt eine Längsschnittsansicht entlang der Linie IV-IV
in Fig. 3.
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Fig. 5 illustriert eine Querschnittsansicht eines
Rückschlagventils entlang der Linie V-V in Fig. 6.
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Fig. 6 stellt eine Längsschnittsansicht entlang der Linie VI-VI
in Fig. 5 dar.
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Fig. 7 ist ein Anschlußverbindungsplan, der das Arbeitsprinzip
eines Kühlzyklus zeigt.
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Fig. 8 zeigt einen Anschlußverbindungsplan einer Vorrichtung
mit Einheiten gemäß der Erfindung zur Durchführung eines
Kühlzyklus wie in Fig. 7 gezeigt.
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Fig. 9 stellt eine Seitenansicht eines Paares von Einheiten
gemäß der Erfindung aus der Vorrichtung dar, die in Fig. 9
illustriert ist.
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Fig. 10 ist eine Längsschnittsansicht entlang der Linie X-X in
Fig. 9.
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Fig. 11 zeigt eine Längsschnittsansicht entlang der Linie XI-XI
in Fig. 9.
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Fig. 12 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie XII-
XII in Fig. 10.
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Fig. 13 zeigt das Diagramm eines konventionellen Kühlzyklus.
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Fig. 14 ist ein Diagramm, das denselben Zyklus in Funktion
weiterer Parameter zeigt.
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Fig. 15 illustriert ein Diagramm für einen Stirlingtyp-
Kühlzyklus.
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Fig. 16 zeigt ein Diagramm, welches denselben Zyklus in
Funktion weiterer Parameter illustriert.
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Fig. 17 repräsentiert das Verbindungsdiagramm einer
Kühlvorrichtung, die in dem Prinzip einer Stirlingtyp-Kühlung
arbeitet.
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Fig. 18 ist das Verbindungsdiagramm einer Vorrichtung, die
einen Stirlingtyp-Prozeß mit Einheiten gemäß der Erfindung
durchführt.
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Fig. 19 zeigt eine Querschnittsansicht eines Paares von
Einheiten, die in der Vorrichtung gemäß Fig. 18 angewendet
werden, entlang der Linie XIX-XIX in den Fig. 20 und 21.
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Fig. 20 illustriert eine Längsschnittsansicht entlang der Linie
XX-XX in Fig. 19.
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Fig. 21 zeigt eine Längsschnittsansicht entlang der Linie XXI-
XXI in Fig. 19.
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Fig. 22 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie XXII-
XXII in den Fig. 20 und 21.
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Fig. 23 illustriert ein Verbindungsdiagramm eines Verdampfers.
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Fig. 24 ist eine Seitenansicht einer Verdampferstufe, bestehend
aus Einheiten gemäß der Erfindung und befaßt mit der
Verdampfung, die in Fig. 23 gezeigt ist.
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Fig. 25 zeigt eine Frontansicht der Verdampferstufe, die in
Fig. 24 illustriert ist.
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Fig. 26 stellt eine Längsschnittsansicht entlang der Linie
XXVI-XXVI in Fig. 28 und auch in Fig. 24 dar.
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Fig. 27 ist eine Längsschnittsansicht entlang der Linie
XXVII-XXVII in Fig. 28 und auch in Fig. 24.
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Fig. 28 illustriert eine Querschnittsansicht entlang der Linie
XXVIII-XXVIII in den Fig. 26 und 27.
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in der Zeichnung gleiche
Details. Variationen von Details ähnlicher Bestimmung sind
voneinander unterschieden durch Zeichen, mit denen eine
entsprechende Bezugszahl ergänzt wird. Details, die aus einer
Mehrzahl von Elementen bestehen, sind durch eine gleichzeitige
Anwendung der Bezugszeichen dieser Elemente spezifiziert.
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In den Zeichnungen zeigen die Figuren 1 und 2 die Erfindung bei
Begrenzung auf deren Schlüsselmerkmale.
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Wie ersichtlich, weist die Einheit gemäß der Erfindung im
Abstand voneinander angeordnete Begrenzungsplatten 50 auf. Im
vorliegenden Fall sind die Begrenzungsplatten einer Einheit von
Abstandshaltern 52 auf gegenseitigen Abstand gehalten, die in
einer an sich bekannten und daher nicht gezeigten Weise an die
Begrenzungsplatten 50 z.B. durch Kleben, Löten oder Schweißen
angeschlossen oder mit diesen mittels Dichtungen 54 verbunden
sind. Jedoch könnten anstelle der Abstandshalter 52 auch
Ausprägungen der Begrenzungsplatten 50 für deren Halten auf
Abstand angewendet werden, wie im Einzelnen in der oben
erwähnten Druckschrift beschrieben ist. Aus Gründen der
Übersichtlichkeit werden im folgenden lediglich Einheiten mit
gesonderten Abstandshaltern diskutiert.
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Die Abstandshalter 52 zwischen den Begrenzungsplatten 50 bilden
in ebenfalls an sich bekannter Weise verschieden Kanäle zum
Leiten von Strömungsmedien, die an einem gewünschten, auf
Wärmeaustausch basierenden thermodynamischen Prozeß teilnehmen.
Sie sind im allgemeinen mit der Bezugszahl 56 bezeichnet.
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Wo beide Seiten der Begrenzungsplatten 50 von Strömungsmedien
benetzt sind, findet ein Wärmeaustausch zwischen diesen statt,
für welchen Zweck die Begrezungsplatten aus wärmeleitendem
Material hergestellt sind und daher als Wärmeaustauschflächen
wirken.
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In Übereinstimmung mit einem Hauptmerkmal der vorliegenden
Erfindung weist wenigstens eine der Begrenzungsplatten 50,
spezieller die mittlere Begrenzungsplatte 50 in Fig. 1, eine
Membran 58 zwischen den Kanälen 56 benachbarter Einheiten auf.
Da die Membran 58 an den Kanal 56 zu beiden Seiten desselben
angrenzt, hat sie eine doppelte Funktion. Einerseits bildet sie
einen Teil einer Wärmeübertragungsfläche und erlaubt daher
einen Wärmeaustausch zwischen miteinander zusammenwirkenden
Strömungsmedien. Andererseits ermöglicht die durch ihre
Flexibilität, daß sich eine Druckdifferenz zwischen solchen
Strömungsmedien von der einen Seite der Membran zu der anderen
hin fortsetzt.
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Wenn nämlich der Druck, der in dem Kanal der in Fig. 1 linken
Einheit herrscht, niedriger ist als der des Strömungsmediums,
das in der rechten Einheit strömt, nimmt die Membran 58 die in
Fig. 1 mit durchgezogenen Linien dargestellte Position ein.
Umgekehrt bewegt sich die Membran 58 in die Position, die in
derselben Figur mit gestrichelten Linien gezeigt ist, wenn die
Druckzustände sich umkehren.
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Die Ausführungsform der Vorrichtung, die in den Fig. 1 und 2
gezeigt ist, ist per se geeignet, das in dem Kanal 56 der
linken Einheit strömende Strömungsmedium in entgegengesetzte
Richtungen zu zirkulieren, dessen praktische Bedeutung später
an einem Beispiel verdeutlicht wird.
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Jedoch kann die Membran, die mit einem Steuerventil ergänzt
wird, zum Einstellen des Strömungswiderstandes in einem der
Kanäle 56, spezieller zum Drosseln oder, mit Hilfe eines
Rückschlagventils, zum Verdichten oder Pumpen eines
Strömungsmediums verwendet werden, das in einem solchen Kanal
strömt.
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Eine beispielgebende Ausführungsform eines von einer Membran
betätigten Steuerventils ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt.
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Der Abstandshalter 52 der in der Zeichnung linken Einheit
bildet einen Ventilsitz 62, der aus einer Vertiefung 60 in dem
Kanal 56 vorsteht. Der Ventilsitz 62 wirkt mit einer
Ventilkappe 64 zusammen, die an der vorderen Fläche einer
Membran 58 befestigt ist. An der anderen Seite der letzteren,
d.h. in der rechten Einheit in der Zeichnung, ist ein Kanal 56,
der von der Membran 58 geschlossen wird und der bestimmt ist,
ein Arbeitsmedium wie Druckluft auf sie einwirken zu lassen.
Daher bildet die Membran 58, gesehen aus Sicht der einen oder
der anderen benachbarten Einheiten entweder eine Endmembran,
die einen ein Strömungsmedium führenden Kanal schließt, oder
das Betätigungsmittel eines Steuerventils 58, 62, 64, das aus
der vorliegenden Membran 58, dem Ventilsitz 62 und der
Ventilkappe 64 besteht.
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Abhängig von dem Druck des von dem Kanal 56 geleiteten
Strömungsmediums der rechten Einheit nimmt die Membran 58
variierende axiale Positionen ein und öffnet oder schließt
dadurch den Ventilsitz 62 in unterschiedlichen Ausmaßen. Mit
anderen Worten stellt sie den Strömungswiderstand des in dem
Kanal 56 der linken Einheit in der von den Pfeilen 66
angegebenen Richtung strömenden Strömungsmediums ein.
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Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform eines
Rückschlagventils als Beispiel.
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Der Abstandshalter 52 bildet einen Ventilsitz 62 in dem Kanal
56 wie in dem vorherigen Fall. Der Ventilsitz 62 wirkt mit
einer Membranplatte 68 zusammen, die als Ventilklappe wirkt und
die an dem Abstandshalter 52 mittel Schrauben 70 befestigt ist.
Eine Ausnehmung 60 in dem Abstandshalter 52 unter der
Membranplatte 68 erlaubt ein gleichmäßiges Ausbreiten des
Strömungsmediums entlang des gesamten Umfangs des Ventilsitzes
62 beim Öffnen der Membranplatte 68. Um ein unbehindertes
Ausströmen zu begünstigen, ist die Membranplatte 68 mit
rechteckigen Öffnungen 71 versehen.
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Wenn der Druck eines in dem Kanal 56 in der Richtung der Pfeile
66 strömenden Strömungsmediums die Federkraft der Membranplatte
68 übersteigt, hebt die letztere in die in der Zeichnung
gezeigte Position ab und öffnet den Kanal 56 über den
Ventilsitz 62. Wenn andererseits der Druck des in dem Kanal 56
strömenden Strömungsmediums unter die Federkraft der
Membranplatte 68 absinkt, legt diese sich auf den Ventilsitz 62
und unterbricht dadurch die Strömung in dem Kanal 56 und
verhindert gleichzeitig eine Rückströmung des Strömungsmediums
in diesem. Daher bilden der Ventilsitz 62 und die Membranplatte
68 ein Rückschlagventil 62, 68.
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Offensichtlich können anstelle einer federnden Membranplatte
andere Mittel wie ein Kugelventil ebenfalls angewendet werden.
Jedoch ist das in den Fig. 5 und 6 gezeigte Ventil wegen seiner
flachen Gestalt besonders geeignet zur Anwendung in Einheiten
gemäß der Erfindung, die selbst aus im wesentlichen flachen
Bestandteilen ausgebildet sind.
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Es wird nachfolgend gezeigt, wie Einheiten gemäß der
vorliegenden Erfindung so zusammengesetzt werden können, daß
sie verschiedene Vorrichtungen zur Durchführung
thermodynamischer Prozesse bilden können, die auf
Wärmeaustausch zwischen Strömungsmedien basieren, die in den
Kanälen der Einheiten strömen.
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Fig. 7 bis 12 zeigen eine beispielgebende Vorrichtung zur
Durchführung eines konventionellen Kühlzyklus.
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Das Arbeitsprinzip der Vorrichtung ist in Fig. 7 symbolisiert.
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Das Arbeitsmedium des Zyklus wie Ammoniak (NH&sub3;) wird in einem
geschlossenen System zirkuliert, dessen Hauptteile ein
Verdampfungs-Wärmetauscher 72, ein Kompressor 74, ein
Kondensator 76 und ein Expansionsventil 78 sind, die in Reihe
geschaltet sind. Das Expansionsventil 78 wird von dem Druck
gesteuert, der in dem Verdampfungs-Wärmetauscher herrscht, wie
durch gestrichelte Linien angegeben ist, die das
Expansionsventil 78 mit einem Ort der Reihenverbindung stromab
desselben verbindet.
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Im Betrieb wird der Verdampfungs-Wärmetauscher 72 von einem
wärmetragenden Strömungsmedium wie einer Lake durchströmt, mit
welchem das zirkulierende Arbeitsmedium bei niedriger
Temperatur verdampft wird. Sich ergebende Dämpfe werden von dem
Kompressor 74 in den Kondensator 76 relativ höheren Druckes
geleitet, der von einem Kühlmedium durchströmt wird. Das
letztere führt das Kondensieren der Dämpfe und deren Übergehen
in den flüssigen Zustand herbei. Der Druck der durch das
Expansionsventil 78 strömenden Flüssigkeit wird durch
Drosselung erneut auf den Wert des Druckes reduziert, der in
dem Verdampfungs-Wärmetauscher herrscht. Hiermit startet der
Zyklus erneut. Die Kühlwärme wird von dem wärmetragenden
Strömungsmedium abgeführt, das den Verdampfungs-Wärmetauscher
z.B. in Form der oben erwähnten Lake durchströmt.
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Ein Anschlußverbindungsplan einer mit Einheiten versehenen,
einen solchen Kühlzyklus durchführenden Vorrichtung ist als
Beispiel in Fig. 8 gezeigt.
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Die in Fig. 7 gezeigte konzeptionelle Schaltung wird in
Einheiten gemäß der Erfindung verwirklicht, die paarweise
zwischen Rahmen 84 und 86 angeordnet sind und über Bolzen 88 zu
einer Zentraleinheit 90 vereinigt sind. Von diesen sind nur
zwei in der Zeichnung gezeigt, um verwirrende und unwichtige
Einzelheiten zu vermeiden.
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Die Teile eines Paares von Einheiten sind mit Bezugszahlen 92
bzw. 94 bezeichnet, wie am besten aus Fig. 9 ersichtlich.
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Das oben erwähnte wärmetragende Strömungsmedium (Lake), das den
Verdampfungs-Wärmetauscher 72 (Fig. 7) durchströmt, wird von
einer Pumpe 98 in eine Leitung 96 zirkuliert. Die Leitung 96
wird durch eine Kammer 100 geführt, wo die Kühlwärme mittels
eines Wärmetauschers 102 abgezogen wird, wodurch das
wärmetragende Strömungsmedium erwärmt wird.
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In einer anderen Leitung 104 wird das oben erwähnte
Strömungsmedium für den Kondensator mittels einer Pumpe 106
zirkuliert. Seine Wärme wird in einem Wärmetauscher 110
abgezogen, der in einem Trichter 108 angeordnet ist, der von
Luft durchströmt wird, die von einem Lüfter 112 gefördert wird,
der ebenfalls in dem Trichter 108 angeordnet ist. Daher bilden
der Trichter 108, der Wärmetauscher 110 und der Lüfter 112
einen Luftkühler 108, 110, 112.
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Die Leitung 104 weist ein Steuerventil 114 auf, von welchem der
Druck des Kühlmediums periodisch geändert wird. Wie gezeigt
wird, ist dies erforderlich, den Kompressor 74 innerhalb der
Einheiten zu betreiben. Im Gegensatz dazu ist die Lieferung von
der Pumpe 106 von gleichförmiger Rate. Das Ergebnis ist ein
pulsierender Strom des Kühlmediums in der Leitung 104. Solch
eine Pulsation wird mit einem Ausgleichstank 116 in der Leitung
104 gedämpft.
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Das Expansionsventil 78 in der Reihenverbindung, das von dem
Arbeitsmedium durchströmt wird, und das Steuerventil 114 in der
Leitung 104, das von dem Kühlmedium durchströmt wird, müssen in
Abhängigkeit von einem gewünschten Kühlergebnis, d.i. von der
Temperatur gesteuert werden, die in der Kammer 100 herrscht.
Solch eine Steuerung wird von einer hydraulischen Steuereinheit
118 bewirkt, die einen temperaturfühlenden Eingang 120, der an
die Kammer 100 angeschlossen ist, und zwei Steuerausgänge 122
und 124 aufweist, die an die Zentraleinheit 90 bzw. an das
Steuerventil 114 angeschlossen sind.
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Einzelheiten der die Zentraleinheit 90 bildenden Einheiten sind
in den Fig. 9 bis 12 gezeigt.
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Fig. 9 zeigt ein Paar von Einheiten 92 und 94. Von diesen ist
die Einheit 94 in Form eines L gestaltet. Die Einheit 92 wird
von den Armen der L-förmigen Einheit 94 eingefangen und ist
hermetisch und im vorliegenden Fall permanent dadurch
geschlossen, daß ihre Begrenzungsplatten 50a und 50b über eine
Stegplatte 126 luftdicht z.B. durch Schweißen
aneinandergeschlossen sind.
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Einzelheiten des Inneren der hermetisch geschlossenen Einheit
92 sind in Fig. 10 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß ihre
Abstandshalter 52 einen unteren Kanal 56a und einen oberen
Kanal 56b bilden, die miteinander über ein Paar von
Membranstrukturen verbunden sind.
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Eine dieser Membranstrukturen, die rechts in Fig. 10 gezeigt
ist, ist im wesentlichen wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt
ausgebildet. Stromaufwärts und stromabwärts ihrer Membran 58a
sind Rückschlagventile 62a, 68a, bzw. 62b, 68b vorgesehen, die
dem Rückschlagventil 62, 68 ähnlich sind, das in den Fig. 5
und 6 gezeigt ist.
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Die andere Membranstruktur, die links in Fig. 10 gezeigt ist,
ist im wesentlichen die gleiche wie im Zusammenhang mit den
Fig. 3 und 4 beschrieben wurde. In Figur 10 ist nur der
Ventilsitz 62 sichtbar.
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Bevor die Einheit 92 hermetisch geschlossen wird, wird sie mit
einer Füllung versehen, die aus dem Arbeitsmedium oder dem
Arbeitsmedium des Kühlzyklus wie dem oben erwähnten Ammoniak
besteht.
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Der kürzere Arm der L-förmigen Einheit 94, dessen Draufsicht
und Querschnittsansicht in den Fig. 9 und 10 gezeigt sind,
weist Hohlräume auf, die Teile der Kanäle 128, 130, 132, 134
und 136 sind, die sich über die Zentraleinheit 90 hin
erstrecken, die in Fig. 8 gezeigt ist. Daher sind die Hohlräume
mit den Bezugszahlen der entsprechenden Kanäle versehen.
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Details der inneren Struktur des längeren Arms der L-förmigen
Einheit 94 gehen aus Fig. 11 hervor. Es ist ersichtlich, daß
hier die Abstandshalter 52 einen unteren Kanal 56c und einen
oberen Kanal 56d bilden, die voneinander getrennt sind und die
an die Kanäle 128 bzw. 130 wie auch die Kanäle 134 und 136
angeschlossen sind. Sie sind über die Begrenzungsplatte 50b
zwischen den Einheiten 92 und 94 benachbart zu den Kanälen 56a
und 56b der Einheit 92 und auf deren Höhe angeordnet. Ein
anderer Kanal 56e ist mit dem Kanal 132 verbunden und führt
über eine abschließende Membran, die in der Begrenzungsplatte
50b vorgesehen ist.
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Die gegenseitige Anordnung der Kanäle der Einheiten 92 und 94
sind teilweise in der Querschnittsansicht aus Fig. 12 gezeigt.
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Es ist aus der Zeichnung ersichtlich, daß die Membran 58a als
Teil der wärmeleitenden Begrenzungsplatte dem Kanal 56d
benachbart ist und daher auch als Wärmeübertragungsfläche
dienen kann. Andererseits hat die Membran 58b, obwohl sie
ebenfalls Bestandteil der Begrenzungsplatte 50b ist, nur eine
druckübertragende Funktion, da sie den Kanal 56e abschließt,
der bestimmt ist, ein Druckmedium zu leiten, wie im
Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 erwähnt.
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Weiter zeigt ein Vergleich der Fig. 9, 10 und 11, daß die
Einheiten 92 in sich selbst geschlossene Systeme darstellen,
die Kanäle 56c und 56d der Einheiten 94 parallel zwischen die
Kanäle 128, 130 und 134, 136 geschaltet sind und daher
gemeinsam an die Leitungen 96 bzw. 104 angeschlossen sind. Im
wesentlichen gilt das gleiche für die Kanäle 56e, die von dem
Kanal 132 abgezweigt sind.
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Im Betrieb fördert die Leitung 96 (Fig. 8) das wärmetragende
Strömungsmedium, welches seine Wärme in der Kammer 100 über den
Wärmetauscher 102 erhält.
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Das aufgewärmte wärmetragende Strömungsmedium wird von der
Pumpe 98 gezwungen, den Kanal 128 und die parallelgeschalteten
Kanäle 56c der Einheit 94 (Fig. 11, dicke Pfeile) zu
durchströmen, wonach es über den Kanal 130 und die Leitung 96
in den Wärmetauscher 102 zurückgeführt wird.
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Mittlerweile kühlt sich das wärmetragende Strömungsmedium ab,
weil seine Wärme über die Begrenzungsplatten 50a und 50b an das
Arbeitsmedium oder das arbeitende Strömungsmedium abgegeben
ist, das in dem geschlossenen System in der Einheit zirkuliert.
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Das heruntergekühlte wärmetragende Strömungsmedium wird in dem
Wärmetauscher 102 erneut aufgewärmt, was bedeutet, daß die
Kammer 100 durch Wärmeentzug gekühlt wird (Kühlergebnis).
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Das in den Kanälen 56a der Einheiten 92 strömende Arbeitsmedium
wird in der Wärme des wärmetragenden Strömungsmediums, das in
den Kanälen 56c der Einheiten 94 strömt (Fig. 10, gestrichelte
Pfeile) verdampft. Daher bilden die Kanäle 56a und 56c wie auch
die Begrenzungsplatten 50a und 50b den in Fig. 7 gezeigten
Verdampfungs-Wärmetauscher 72.
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Aus der Verdampfung resultierende Dämpfe werden von dem
Membrankompressor 74, der aus den Teilen 58a, 62a, 68a, 62b und
62b besteht, mit einem relativ höheren Druck in die Kanäle 56b
der Einheit 92 gefördert, wo sie wegen der Kühlwirkung des
Kühlmediums kondensiert werden, das in den Kanälen 56d der
Einheit 94 strömt (Fig. 10, durchgehende Pfeile). Daher bilden
der Kanal 56b und die Begrenzungsplatten 50a und 50b den in
Fig. 7 gezeigten Kondensator 76.
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Der Membrankompressor 74 wird durch Druckänderungen des
Kühlmediums betrieben, das in den Kanälen 56d der Einheiten 94
strömt (Fig. 11, kontinuierliche dünne Pfeile). Dies ist die
Bedeutung der Membran 58a, die ein Teil der
Wärmeübertragungsfläche ist, weil dadurch zusätzlich zu dem
Wärmeaustausch auch ein Druckaustausch stattfindet, ohne daß
für diesen Zweck ein gesondertes Betriebsmedium angewendet
werden muß.
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Das Kondensat von Dämpfen, die in den Kanälen 56b der Einheiten
92 kondensiert sind (Fig. 10, kontinuierliche Pfeile), passiert
die Steuerventile 78, die aus den Elementen 58b, 62, 64
bestehen, und nimmt durch Drosselung den relativ niedrigeren
Druck an, der in den Kanälen 56a herrscht, und wird neuerlich
verdampft, wobei es aus dem wärmetragenden Strömungsmedium
Wärme entzieht, das in den Kanälen 56c der Einheiten 94 strömt
(Kühlergebnis).
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Das Kühlmedium wird von der Pumpe 106 aus dem Ausgleichstank
116 in den Kanal 134 (Fig. 8) geliefert und von hier in die
Kanäle 56 der Einheiten 94 (Fig. 11), wo es seine
Kondensationswirkung über die Begrenzungsplatten 50a und 50b
auf das Arbeitsmedium ausübt, das in den Kanälen 56b der
Einheiten 92 strömt (Fig. 10).
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Das aufgewärmte Kühlmedium passiert das Steuerventil 114 und
strömt durch den Luftkühler 108, 110, 112, wo seine Wärme in
die Umgebung weggeführt wird. Danach wird das heruntergekühlte
Kühlmedium wieder in den Ausgleichstank 116 (Fig. 8)
zurückgeführt.
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Die hydraulische Steuereinheit 118 (Fig. 8) hat eine Reihe von
Funktionen.
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Einerseits fühlt sie über ihren Fühlereingang 120 die
Temperatur, die in der Kammer 100 vorliegt, d.i. das
Kühlergebnis.
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Andererseits stellt sie über ihren Steuerausgang 122 und die
Kanäle der Einheiten 94 die Expansionsventile 78 in
Abhängigkeit von dem abgefühlten Kühlergebnis ein.
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Weiter stellt sie, ebenfalls in Abhängigkeit von dem
abgefühlten Kühlergebnis, über ihren Steuerausgang 124 das
Steuerventil 114 in dem Kanal 104 für das Kühlmedium ein.
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Daher beeinflußt die Steuereinheit 118 den Strömungswiderstand
sowohl für das Arbeitsmedium, das in den geschlossenen Systemen
in den Einheiten 92 strömt, als auch das Kühlmedium, das in
Parallelschaltung durch die Einheiten 94 strömt, in
Abhängigkeit von dem Kühlergebnis.
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Bei einem Kühlergebnis, das höher als gewünscht ist, leitet die
hydraulische Steuereinheit 118 eine Drosselung mittels des
Expansionsventils 78 und des Steuerventils 114 ein. So
beeinflußt sie den Strömungswiderstand sowohl des
Arbeitsmediums, das in jeder der Einheiten 92 in geschlossenen
Systemen zirkuliert, als auch des Kühlmediums, das in
Parallelschaltung durch die Einheiten 94 strömt.
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Wenn andererseits das Kühlergebnis unter einen gewünschten Wert
sinkt, verursacht die hydraulische Steuereinheit, daß die
Ventile 78 und 114 öffnen, mit der Wirkung einer stärkeren
Strömung sowohl des Arbeitsmediums als auch des Kühlmediums.
Das Resultat ist eine Steigerung des Kühlergebnisses.
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Die Gestaltung der hydraulischen Steuereinheit bildet eine
konventionelle Aufgabe auf dem Gebiet der hydraulischen
Steuerungen und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung. Dies
umso mehr, als sie nicht als Teil der Erfindung beansprucht
ist.
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Diagrammcharakteristika des Verlaufs des oben beschriebenen
Kühlzyklus sind in den Fig. 13 und 14 gezeigt, die es auch
erlauben, die Vorteile darzulegen, die durch die Verwendung von
Einheiten gemäß der vorliegenden Erfindung in mit Einheiten
versehenen Vorrichtungen zur Durchführung konventioneller
Kühlzyklen erzielbar sind.
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Fig. 13 zeigt Änderungen der Temperatur T, die in der Kammer
100 herrscht, in Funktion der Entropie s.
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Fig. 14 zeigt den Verlauf des Kühlzyklus in Übereinstimmung mit
der Terminologie, die im Stand der Technik als Relation
zwischen dem Logarithmus des Druckes (lgp) und der Enthalpie
(i) verwendet wird.
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In beiden Schaubildern repräsentieren dünne Linien Relationen
von Parametern, die unabhängig von dem Kühlzyklus sind.
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Wenn angenommen wird, daß die Kompression im Kompressor 74
(Fig. 7) frei von Verlusten ist, nehmen die Kühlparameter den
Verlauf, der in dem Schaubild durch dicke durchgehende Linien
repräsentiert ist. Wenn jedoch die Zentraleinheit 90 (Fig. 8)
aus Einheiten 92 und 94 gemäß der vorliegenden Erfindung
zusammengesetzt ist, wird die Kompression mit gleichzeitigem
Wärmeentzug zustandegebracht, da die Membranen 58a (Fig. 11 und
12), die für die Kompression verantwortlich sind, auch
Wärmeübertragungsflächen bilden. Daher nimmt die Kompression in
Wirklichkeit den Verlauf, der in den Fig. 13 und 14 mit
gestrichelten Linien gezeigt ist. Dies bedeutet, daß wegen
einer Abnahme der erforderlichen Kompressionsarbeit auch die
Fläche, die für den Arbeitsbedarf des Kühlzyklus
charakteristisch ist, verkleinert ist.
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Die in Fig. 8 gezeigte Vorrichtung wird beträchtlich
vereinfacht, wenn fließendes Wasser hohen Druckes für
Kühlzwecke verwendet wird, dessen Druck zusätzlich zur
Kühlwirkung ebenfalls ausgenutzt werden kann. Dann können die
Pumpe 106, der Luftkühler 108, 110, 112 und der Ausgleichstank
116 offensichtlich weggelassen werden, da die Aufgabe des
Kühlens von dem fließenden Wasser übernommen wird. Nur sein
Druck muß eingestellt werden, was seinerseits weiter von dem
Steuerventil 114 durchgeführt wird, das von der hydraulischen
Steuereinheit 118 eingestellt wird. Das aufgewärmte Kühlwasser
wird in einen Ablauf ausgegeben.
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Der Membrankompressor 74 kann anstatt durch das Kühlmedium
durch das wärmetragende Strömungsmedium oder durch eine
Druckflüssigkeit betätigt werden, die ausdrücklich für einen
solchen Zweck verwendet wird.
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In dem ersteren Fall ist der Membrankompressor in dem Kanal 56a
der Einheiten 92 angeordnet und das Steuerventil 114 ist in dem
Kanal 96 enthalten.
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Wenn andererseits eine gesonderte Druckflüssigkeit angewendet
wird, arbeitet die Membran 58a nach Art einer Endmembran
ähnlich wie die Membran 58b und verschließt einen weiteren
Kanal ähnlich wie der Kanal 56e.
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Somit ist der Steuerausgang 124 der Steuereinheit 118 entweder
an das Steuerventil 114, das sich nun in der Leitung 96
befindet, oder an den oben erwähnten weiteren Kanal in der
Weise wie der Steuerausgang 122 angeschlossen.
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Die Abmessung des Ausgleichstanks 116 kann minimiert werden,
wenn ein Paar von Zentraleinheiten 90 angewendet werden, die in
Parallelschaltung für einander entgegengesetzten Betrieb
angeschlossen sind, da dann Pulsationen der Strömungsmedien,
die in einem Paar von Leitungen strömen, die der Leitung 104
entsprechen, teilweise unterdrückt werden.
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Im Falle moderater Anforderungen können die Expansionsventile
78 durch Festdrosseln ersetzt werden, wodurch einerseits ein
geringerer Kapitalbedarf erforderlich ist und andererseits
Möglichkeiten von Ausfällen begrenzt sind.
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Der Membrankompressor 74 (Fig. 10), im wesentlichen wie
offenbart, kann auch als Membranpumpe zur Durchführung
beispielsweise eines Kühlzyklus des Sorptionstyps angewendet
werden. Er wird dann zum Zirkulieren des Arbeitsmediums in
dessen flüssigem Zustand ebenfalls in einem geschlossenen
System verwendet.
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Um eine weitere vorteilhafte Anwendung der Einheiten gemäß der
Erfindung zu illustrieren, zeigen die Fig. 15 bis 22 eine
Vorrichtung, die zur Durchführung eines Stirlingtyp-Kühlzyklus
geeignet ist.
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Stirlingtyp-Kühlzyklen werden mit Gasen wie Wasserstoff oder
Helium durchgeführt, die in dem Arbeitstemperaturbereich sich
als ideales Gas verhalten.
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Fig. 15 zeigt das pv(Druck - spezifisches Volumen)-Diagramm
eines Stirlingtyp-Kühlzyklus. Wie ersichtlich, besteht der
Zyklus aus isothermischer Kompression und Expansion B-C und D-A
jeweils zwischen einem Paar einem isochoren Druckanstieg und
einem isochoren Druckabfall A-B und C-D.
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In Fig. 16 ist die Temperatur T des Arbeitsmediums über dessen
Entropie s aufgetragen, wodurch entsprechende
Zustandsänderungen A-B, B-C, C-D und D-A ersichtlich sind.
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Das technische Prinzip zur Verwirklichung eines Stirlingtyp-
Kühlzyklus ergibt sich aus dem in Fig. 17 gezeigten
Verbindungsdiagramm.
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Ein Paar von Zylindern 138 und 140 weist jeweils einen Kolben
142 und 144 auf, die zwangsweise über Wellen 146 bzw. 148
angetrieben sind. Die Kammern der Zylinder 138 und 140 sind
miteinander über einen regenerativen Wärmetauscher 150
verbunden.
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Wenn wegen eines Anstiegs oder Abfallens des Druckes ein
Arbeitsmedium aus der einen Zylinderkammer in die andere
strömt, passiert es den regenerativen Wärmetauscher. Dadurch
kühlt es entweder ab, indem es den regenerativen Wärmetauscher
aufwärmt, oder es wird von dem regenerativen Wärmetauscher
aufgewärmt, der heruntergekühlt wird. Hierdurch wird
sichergestellt, daß das Arbeitsmedium wegen seiner isochoren
Zustandsänderungen in Übereinstimmung mit den Kurvenabschnitten
A-B bzw. C-D der Diagramme aufgewärmt oder abgekühlt wird.
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Ferner bilden die Zylinder 138 und 140
Wärmeübertragungsflächen, die durch Wärmetauscher 152 bzw. 154
angegeben sind, die für die isothermische Natur der
Kurvenabschnitte B-C bzw. D-A verantwortlich sind.
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Unter Bezugnahme auch auf die Diagramme, die in den Fig. 15 und
16 gezeigt sind, kann ein Stirlingtyp-Kühlzyklus wie folgt
beschrieben werden:
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Es sei angenommen, daß das Arbeitsmedium wegen der
gegenseitigen Positionen der Kolben 142 und 144 die Kammer des
Zylinders 138 einnimmt und sein Druck den minimalen Wert p hat
(Punkt A). Nun führen Kolbenbewegungen das Überströmen des
Arbeitsmediums in den Zylinder 140 mit konstantem Volumen
herbei. Jedoch nimmt das Arbeitsmedium durch Passieren des
regenerativen Wärmetauschers 154 Wärme daraus auf und daher
steigt sein Druck (Kurvenabschnitt A-B).
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Nach dem Ende (Punkt B) einer solchen isochoren
Zustandsänderung wird das Arbeitsmedium, das sich nun im
Zylinder 140 befindet, mit einer Rate komprimiert, die der Rate
des Wärmeentzugs durch den Wärmetauscher 154 entspricht, so daß
die Temperatur des Arbeitsmediums während der Kompression sich
nicht ändert, was die isothermische Natur letzterer
sicherstellt (Kurvenabschnitt B-C).
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Am Ende der Kompression (Punkt C) führen gegenseitige
Bewegungen der Kolben 142 und 144 das Zurückkehren des
Arbeitsmediums in den Zylinder 138 herbei. Beim Durchqueren des
regenerativen Wärmetauschers gibt das Arbeitsmedium seine Wärme
ohne Volumenänderung (isochores Abkühlen) ab, so daß sein Druck
und seine Temperatur abnehmen, wie in Fig. 15 bzw. 16 gezeigt
(Kurvenabschnitt C-D).
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Nach der Beendigung solchen isochoren Abkühlens (Punkt D) wird
das Arbeitsmedium in dem Zylinder 138 isotherm expandiert
(Kurvenabschnitt D-A), was einerseits durch weitere Bewegungen
des Kolbens 142 und andererseits aufgrund von Wärme erfolgt,
die dem Arbeitsmedium über den Wärmetauscher 152 zugeführt
wird.
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Hierdurch ist der Stirlingtyp-Kühlzyklus beendet bzw. wird er
in der oben beschriebenen Weise wiederholt.
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Das Kühlergebnis wird von dem Wärmetauscher 152 geliefert.
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Ein Verbindungsdiagramm einer beispielgebenden Stirlingtyp-
Kühlvorrichtung, die aus Einheiten gemäß der vorliegenden
Erfindung zusammengesetzt ist, ist in Fig. 18 gezeigt.
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Wie durch die Bezugszahlen angedeutet, ist eine Stirlingtyp-
Kühlvorrichtung teilweise aus den gleichen Komponenten
aufgebaut wie die Vorrichtung, die in Fig. 8 zur Durchführung
eines konventionellen Kühlzyklus gezeigt ist. Ausnahmen sind
zwei Wärmetauscher 160a und 160b, die von identischer
Konstruktion sind sowohl zum Entziehen als auch zum Zuführen
von Wärme eingerichtet sind, dessen Bedeutung noch beschrieben
wird.
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Eine Zentraleinheit 90 ist zusammengesetzt aus paarweise
angewendeten Einheiten 162 und 164, die in den Fig. 19 bis 22
gezeigt sind.
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Querschnitts- und Längsschnittsansichten solcher Paare sind in
den Fig. 19 bzw. 20 gezeigt.
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Die hermetisch abgeschlossene Einheit 162, die ein
Arbeitsmedium enthält, ist in einer Ausnehmung 166 der Einheit
164 angeordnet, die ihrerseits ein wärmetragendes
Strömungsmedium und ein Kühlmedium führt. Aktuell umgibt die
Einheit 164 die Einheit 162 entlang einer Stegplatte 126 der
letzteren.
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Die Begrenzungsplatte 50b der Einheit 162 weist ein Paar von
seitlich überlagerten Membranen 58c und 58d auf, die Kanäle 56f
bzw. 56g in der Einheit begrenzen. Zwischen den beiden Kanälen
56f und 56g ist der im Zusammenhang mit Fig. 17 erwähnte
regenerative Wärmetauscher 150 vorgesehen.
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Gekrümmte Abschnitte des Abstandshalters 52 der Einheit 162,
die die Membranen einrahmen und dem regenerativen Wärmetauscher
150 zugewandt sind, weisen Öffnungen 168 auf, durch welche
hindurch die Kanäle 56f und 56g in den letzteren münden.
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Wie in Fig. 21 gezeigt, weist der Abstandshalter 52 der Einheit
164 ein Paar Durchgangskanäle 170 und 172 an der einen Seite
der Membranen 58c und 58d auf, wohingegen an der anderen Seite
derselben ein Paar von Blindkanälen 174 bzw. 176 vorgesehen
sind. Der Durchgangskanal 170 ist mit dem Blindkanal 174 über
Kanäle 56h verbunden, wohingegen der Durchgangskanal 172 mit
dem Blindkanal 176 über Kanäle 56i verbunden ist.
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Es ist aus Fig. 22 ersichtlich, daß benachbarte Einheiten 164
in der Zentraleinheit 90 Winkelpositionen einnehmen, die um
180º gegeneinander versetzt sind. Daher sind die Einheiten
hinsichtlich der Strömung sowohl des wärmetragenden
Strömungsmediums als auch des Kühlmediums in Reihe geschaltet.
Die Bedeutung einer solchen Maßnahme besteht darin, daß in
Abhängigkeit von den Temperaturbereichen des wärmetragenden
Strömungsmediums und des Kühlmediums verschiedene Kühlzyklen
stattfinden, durch welche der Gesamtwirkungsgrad der
Vorrichtung vorteilhaft erhöht werden kann.
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Auf der Basis von Fig. 22 ist es auch ersichtlich, daß in Fig.
21 die Böden der Blindkanäle 174 und 176 als Flächenbereiche
des Abstandshalters 52 erscheinen.
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Im Betrieb wird das wärmetragende Strömungsmedium von der Pumpe
106a durch die Reihenverbindung der Kanäle 170 und 174 der
Einheiten 164 zirkuliert. Seine Wärme und sein Druck werden
durch die und von den Membranen 58c der Einheiten 162 auf das
Arbeitsmedium in den Kanälen 56f übertragen.
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Gleichzeitig werden die Kanäle 172 und 176 unter der Wirkung
der Pumpe 106b von dem Kühlmedium passiert. Daher werden
mittels der Membranen 58d die Temperatur und der Druck, die in
der Leitung 104b herrschen, auf die Kanäle 56g der Einheiten
162 übertragen.
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Die Drücke, die in den Kanälen 104a und 104b für das
wärmetragende Strömungsmedium und das Kühlmedium herrschen,
werden mittels der Steuerventile 114a bzw. 114b gemäß den
Kolbenbewegungen gesteuert, die im Zusammenhang mit Fig. 17
beschrieben wurden. So werden die Membranen 58c und 58d in der
gleichen Weise wie die Kolben 142 und 144 ausgelenkt. Jedoch
werden die Zeitperioden und Intervalle für die Auslenkung der
Membranen von der Steuereinheit 118 bestimmt.
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In der in Fig. 19 gezeigten Position der Membranen 58c und 58d
hat der Druck des Arbeitsmediums in dem Kanal einen minimalen
Wert (Punkt A).
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Die Membranen werden nun ausgelenkt, um das Überströmen des
Arbeitsmediums aus dem Kanal 56f in den Kanal 56g ohne
Volumenänderung herbeizuführen. Währenddessen nimmt das
Arbeitsmedium in dem regenerativen Wärmetauscher 150 Wärme auf,
so daß sein Druck bei konstantem Volumen ansteigt (isochore
Zustandsänderung, Kurvenabschnitt A-B).
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Ab dem Ende (Punkt B) des isochoren Druckanstiegs wird das
Arbeitsmedium von der Membran 58d bei konstanter Temperatur
komprimiert, da seine Kompressionswärme aus ihm durch die
Begrenzungsplatte 50a und die Membran 58d durch Kühlung
entzogen wird (isothermische Kompression, Kurvenabschnitt B-C).
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Nach Beendigung (Punkt C) der isothermischen Kompression führen
Auslenkungen der Membranen 58c und 58d dazu, daß das
Arbeitsmedium bei konstantem Volumen in den Kanal 56f
zurückströmt. Beim Durchqueren des regenerativen Wärmetauschers
150 kühlt es ab und sein Druck sinkt (isochore
Zustandsänderung, Kurvenabschnitt C-D).
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Wenn dieser isochore Druckabfall sein Ende erreicht (Punkt D),
wird die Membran 58c weiter ausgelenkt, wohingegen das
Arbeitsmedium aufgrund der Wärme, die es durch die
Begrenzungsplatte 50a und die Membran 58c aufgenommen hat, bei
konstanter Temperatur expandiert wird (isothermische Expansion,
Kurvenabschnitt D-A).
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Nun beginnt der oben beschriebene Zyklus von neuem.
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Das Kühlergebnis wird von dem Wärmetauscher 160a geliefert, der
dem Wärmetauscher 152 entspricht, der in Fig. 17 gezeigt ist.
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Wie ersichtlich, besteht der Grundvorteil einer Stirlingtyp-
Kühlvorrichtung, die aus Einheiten gemäß der vorliegenden
Erfindung zusammengesetzt ist, darin, daß - im Gegensatz zu
konventionellen Hochgeschwindigkeits-Kolbenmaschinen - die
Wärme von Membranen übertragen und abgezogen wird, die gemäß
vorbestimmter Programme und möglicherweise mit geringen
Geschwindigkeiten bewegt werden, wobei ihre
Wärmeübertragungsflächen gleichzeitig relativ groß sind. So
wird die Langsamkeit der Wärmeübertragung durch die Größe der
Wärmeübertragungsflächen, wieder im Gegensatz zu
Kolbenmaschinen, ausgeglichen, bei denen die Wärmeübertragung
durch kleine Zylinderflächen bei relativ hohen
Geschwindigkeiten stattfinden müssen. Somit gelangen die
Kompression und die Expansion näher an isothermische Zustände
und dadurch zu einem theoretisch erzielbaren Maximalwert des
Wirkungsgrades. Aktuell ist eine praktische Verwirklichung des
Stirlingtyp-Kühlzyklus erst durch die vorliegende Erfindung
möglich geworden, die Mittel aufweist, die zur praktischen
Durchführung einer bisher nur theoretischen Möglichkeit
geeignet sind.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch Umschalten der
Steuereinheit 118 die Fließrichtung der Wärme umgekehrt werden
kann und dadurch das Kühlen zum Wärmepumpen geändert werden
kann. Dies ist durch den symmetrischen Aufbau der Vorrichtung
möglich geworden, der in der Zeichnung gezeigt ist und auf den
oben Bezug genommen ist, wo die Identität der Gestaltung der
Wärmetauscher 160a und 160b ausgeführt ist. Ein solcher
Übergang vom Kühlen auf das Wärmepumpen bedeutet, daß Wärme
eher in das System eingeführt wird, denn aus ihm entzogen wird.
Die Anderung des Betriebes wird durch Pfeile mit
entgegengesetzten Richtungen an den Wärmetauschern 160a und
160b in Fig. 18 angedeutet. Eine entsprechende Gestaltung einer
reversiblen Steuereinheit 118 liegt innerhalb des Gebietes der
Gestaltung von hydraulischen Steuersystemen, wo dies eine
Routinetätigkeit darstellt. Daher kann hier eine Beschreibung
konstruktiver Einzelheiten entfallen.
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Eine Möglichkeit zur Umschaltung hat ihre Bedeutung in der
Domäne von Klimaanlagen, wo zusätzlich zum Kühlen im Sommer
auch das Heizen im Winter durch Wärmepumpen ebenfalls
erforderlich sein mag.
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Der oben beschriebene Stirlingtyp-Kühlprozeß kann auch mit
Einheiten 162 durchgeführt werden, bei denen beide
Begrenzungsplatten 50a und 50b Membranen enthalten. Dadurch
kann die Auslenkung der Membranen verkleinert werden und daher
die Lebensdauer entsprechend vergrößert werden.
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Die Ausgleichstanks 116a und 116b können hier entfallen, falls
eine Mehrzahl von Zentraleinheiten 90 in Parallelschaltung
verwendet werden, die beispielsweise mittels der Steuereinheit
118, die über Leitungen 124a bzw. 124b angeschlossen ist, in
Übereinstimmung miteinander gesteuert sind. Dann werden
Strömungspulsationen in den verschiedenen Leitungen 104a und
104b gegenseitig ausgelöscht.
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Die Fig. 23 bis 28 zeigen einen beispielgebenden Verdampfer,
der durch Anwendung von Einheiten gemäß der Erfindung
verwirklicht ist.
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Das Wesen eines Verdampfungsprozesses ergibt sich aus dem
Verbindungsdiagramm, das in Fig. 23 gezeigt ist.
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Ein zu verdampfendes Speisemedium (z.B. eine zu konzentrierende
Lösung) kommt durch eine Leitung 180 an. Eine in einer Leitung
182, die an die Leitung 180 angeschlossen ist, vorgesehene
Pumpe 184 treibt das Speisemedium durch einen Wärmetauscher
186, wo dieses teilweise verdampft wird. Die Verdampfungswärme
wird von Heizdampf zugeführt, der durch eine Leitung 188
eingeführt wird. Durch Übergabe seiner Wärme im Wärmetauscher
186 kondensiert der Heizdampf. Sein Kondensat wird durch eine
Leitung 190 abgeführt.
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Dämpfe, die in dem Speisemedium gebildet werden, strömen
zusammen mit nicht verdampften Teilen des Speisemediums durch
die Leitung 182 in einen Separator oder Entfeuchter 192. Von
hier werden entfeuchtete Dämpfe durch eine Leitung 194
ausgegeben. Abgetrennte Tröpfchen werden zusammen mit dem
Konzentrat teilweise in den Wärmetauscher 186 zurückgeführt und
teilweise durch eine Leitung 196 abgezogen.
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Solche Verdampfer sind selbst in Einheitenstruktur bereits
bekannt. Als Beispiel können die AVP Plattentyp-Filmverdampfer
genannt werden, wo jedoch jede Verdampfungsstufe mit einer
Pumpe und einem Separator außerhalb der Einheiten versehen ist.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt es, solche externen Pumpen
184 und Separatoren 192 geeignet in die Einheiten
einzubeziehen, wodurch die Plattentyp-Verdampfer auch kompakter
in ihrer Konstruktion und einfacher in ihrem Betrieb werden.
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Die Zusammenstellung von Einheiten solcher Verdampfer ist in
den Fig. 24 und 25 dargestellt.
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Die Einheiten des Verdampfers sind gegenseitig zwischen Rahmen
84 und 86 über Bolzen 88 fixiert, wie es der Fall bei der
vorher beschriebenen Vorrichtung war. Die verschiedenen
Strömungsmedien eines Verdampfungsprozesses treten in die
Einheiten ein und aus diesen aus durch Stutzen, die den
Leitungen 180, 188, 190, 194 und 196 entsprechen und daher
durch die gleichen Bezugszeichen spezifiziert sind.
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In dem vorliegenden Fall werden zwei Sorten von Einheiten
paarweise verwendet, die aus zwei Sorten von Abstandshaltern
und Begrenzungsplatten zusammengestellt sind.
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Fig. 26 zeigt den Abstandshalter 52a und die Begrenzungsplatte
50c der einen der paarweise angewendeten Einheiten. Zur
besseren Übersichtlichkeit sind der Rahmen 86 und die Bolzen 88
aus der Zeichnung weggelassen.
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Der Abstandshalter 52a weist Hohlräume 180, 188, 190, 194 und
196 zum Leiten der verschiedenen Strömungsmedien des
Verdampfungsprozesses auf, wie auf der Basis der Fig. 23
ersichtlich wird. Diese Hohlräume sind ähnlich zu denen, die im
Zusammenhang mit der in den Fig. 7 bis 14 gezeigten
Vorrichtung beschrieben wurden, und bilden ebenfalls Kanäle in
der Einheitenzusammenstellung. Daher sind sie mit den gleichen
Bezugszeichen wie die Hohlräume bezeichnet, aus denen sie
zusammengestellt sind. Der Hohlraum 188 zum Einführen von
Heizdampf in einzelne Einheiten und der Hohlraum 190 zum
Ausgeben von Kondensat des letzteren aus denselben sind mit der
Kammer 198 in den Einheiten verbunden. Der untere Teil des
Abstandshalters 52a weist eine Kammer 200 benachbart zu einer
Membranpumpe und vollständig von der Kammer 198 getrennt auf.
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Die Begrenzungsplatte 50c hinter dem Abstandshalter 52a ist mit
Öffnungen versehen, die den Hohlräumen und Kanälen 180, 188,
190, 194 und 196 zugeordnet sind. Ihr unterer Teil weist eine
Membran 58e benachbart zu der Kammer 200 auf, an deren beiden
Seiten Ventilsitze 62a und 62b ausgebildet sind. Strukturell
sind die Membran 58e und die Ventilsitze 62a und 62b identisch
zu der Membran 58, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, bzw. zu
dem Ventilsitz 62, der in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist. Der
Ventilsitz 62a wird von einer Membranplatte 68a geschlossen,
die in der ebenfalls in den Fig. 5 und 6 gezeigten
Befestigungsweise an dem Abstandshalter 52a befestigt ist.
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Einzelheiten des anderen Abstandshalters 52b und der anderen
Begrenzungsplatte 50d des anderen Gliedes der paarweise
angewendeten Einheiten ergeben sich aus Fig. 27 gleichfalls
ohne Darstellung des Rahmens 86 und der Bolzen 88.
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Der Abstandshalter 52b ist wiederum mit Öffnungen versehen,
denen Hohlräume 180. 188, 190, 194 und 196 zugeordnet sind, von
denen die Hohlräume 180, 194 und 196 mit einer Kammer 202 in
der Einheit verbunden sind. Die Kammer 202 wird von dem
Abstandshalter 52b in ein Paar von Schächten unterteilt, von
denen der eine enger als der andere ist. Der unterste Teil der
Einheit weist eine zylindrische Kammer 204 auf, die von der
Kammer 202 getrennt ist.
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Die Begrenzungsplatte 50d ist einerseits mit Öffnungen
versehen, denen die Hohlräume 180, 188, 190, 194 und 196
zugeordnet sind. Andererseits ist sie mit einer Membran 58f
versehen, die der zylindrische Kammer 204 benachbart ist und
auf diese ausgerichtet ist. Die Ventilsitze 62a und 62b jeweils
an einer Seite der Membran 58f münden in die Kammer 202. Der
Ventilsitz 62b wird von einer Membranplatte 68b geschlossen,
die in der in Fig. 5 und 6 gezeigten Weise an dem
Abstandshalter 52b befestigt ist.
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Fig. 28 zeigt eine Gruppe solcher paarweise angewendeten
Einheiten. Wie ersichtlich ist, wechseln die beiden Sorten von
Begrenzungsplatten 50c und 50d und die beiden Sorten von
Abstandshaltern 52a und 52b miteinander ab, was bedeutet, daß
auf eine Einheit 50c, 52a, 50d eine Einheit 50d, 52b, 50c
folgt, auf die ihrerseits eine Einheit 50c, 52a, 50d u.s.w.
folgt. Benachbarte Einheiten weisen gemeinsame
Begrenzungsplatten auf, die sie voneinander trennen.
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Da die Kammern 198 und 202 der Einheiten sämtlich an die Kanäle
188 und 190 bzw. an die Kanäle 194, 196 und 180 angeschlossen
sind, bilden sie Parallelverbindungen, was die Strömung des
Strömungsmedien anbetrifft. Daher stellt der vorliegende Fall
einen einstufigen Verdampfer dar.
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Weiter zeigt Fig. 28, daß die Membranen 58e und 58f, die der
Kammer 204 benachbart sind, Paare bilden, die gemeinsam
verlagert werden. Da, wie gezeigt wird, in den Kammern 200 und
204 kein Wärmeaustausch stattfindet, haben die diese
begrenzenden Membranen keine Wärmeübertragungsfunktionen und
können daher schneller betätigt werden, mit dem Ergebnis einer
kräftigeren Strömung der Strömungsmedien. Eine vergrößerte
Schnelligkeit der Membranbewegungen kann jedoch einfacher
elektrisch als mit hydraulischen Mitteln erzielt werden, die
für ihr träges Ansprechen auf Steuerimpulse bekannt sind. Daher
wurden in dem vorliegenden Fall elektromagnetisch betriebene
Membranen angewendet.
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Zum Zwecke der elektromagnetischen Betätigung sind miteinander
zusammenwirkende Membranen über Eisenkerne 206 miteinander
verbunden. Erforderliche elektromagnetische Felder werden in
einer an sich bekannten Weise in Funktion der technologischen
Erfordernisse für die Verdampfung erzeugt. Ein Erregungssystem
ist angedeutet durch Spulen 208 und 210 und einen elektrischen
Eingang 212 (Fig. 24 und 27).
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Die Membranen 58f mit den Rückschlagventilen 62a, 68a und 62b,
68b bilden Membranpumpen, die dem Membrankompressor 74 aus Fig.
10 ähnlich sind.
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Im Betrieb passiert Heizdampf, der durch den Kanal 188
zugeführt wird, die Kammern 198 der Einheiten 50d, 52a, 50c und
wird durch Abgabe seiner Wärme über die Begrenzungsplatten 50c
und 50d kondensiert, wie durch gestrichelte dünne Pfeile 213
bzw. kontinuierliche dünne Pfeile 214 in Fig. 26 gezeigt.
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Die Speiseflüssigkeit strömt aus dem Kanal 180 in die Kammern
202 der Einheiten 50c, 50b, 50d (Fig. 27) und von hier durch
die offenen Ventilsitze 62a in die Kammern 200 der Einheiten
50d, 52a, 50c (Fig. 26).
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Durch die Bewegungen der Membranen 58f (Fig. 28) der Einheiten
50d, 52a und 50c und 50c, 52b, 50d, die einander in Richtungen
gegenseitiger Annäherung unter der Wirkung des
elektromagnetischen Feldes zugewandt sind, wird die
Speiseflüssigkeit unter Druck gesetzt, die Rückschlagventile
62a, 68a, die in die Kammern 200 führen, werden geschlossen,
die Rückschlagventile 62b, 68b werden geöffnet und die
Speiseflüssigkeit steigt in dem engeren Schacht der Kammer 202,
wie durch kontinuierliche dicke Linien 216 in den Fig. 26 und
27 gezeigt.
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Kontinuierliche und gestrichelte dicke Pfeile 216 bzw. 218 in
Fig. 27 zeigen, wie die Speiseflüssigkeit, die in dem breiteren
Schacht in der Kammer 202 in Form eines fallenden Films
herunterrieselt, teilweise von der Wärme des Heizdampfes
verdampft wird, die über die Begrenzungsplatten 50c und 50d
übertragen wird.
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Aus der Speiseflüssigkeit verdampfte Dämpfe ziehen durch die
Hohlräume 194 ab, die als Zyklone gestaltet sind, welche das
Trennen von von den abziehenden Dämpfen mitgerissenen Tropfen
und deren Zurückfallen in die Mutterflüssigkeit herbeiführen,
die sich am Boden der Kammer 202 sammelt. Einzelheiten eines
solchen Prozesses sind in der vorher erwähnten Druckschrift
beschrieben. Überschüssige Mengen konzentrierter
Speiseflüssigkeit werden durch den Kanal 196 aus der Kammer 202
ausgegeben.
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Inzwischen werden, wie in Fig. 28 gezeigt, die Membranen 58e
benachbarter Einheitenpaare voneinander entfernt und richten
einen Niederdruck in den Kammern 200 zwischen solchen Paaren
ein. Diese Kammern 200 werden mit neuen Mengen von
Speiseflüssigkeit erneut gefüllt, die aus den Kammern 202 durch
die Rückschlagventile 62a, 68a unter der Wirkung des
Druckabfalls eingesaugt werden.
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Die neuen Mengen an Speiseflüssigkeit werden von den Membranen
58e im Verlauf deren nächsten Hubes wieder in die Kammern 202
gefördert.
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Es ist ersichtlich, daß im Verlauf eines Hubes die eine Gruppe
von Membranpumpen saugt, während die andere Gruppe von
Membranpumpen ausgibt. Bei einem nächsten Hub werden die
Funktionen umgekehrt. Daher wird die Speiseflüssigkeit in den
Einheiten in pulsierender Zirkulation gehalten, was bedeutet,
daß die Membranpumpen praktisch die Rolle der Pumpe 184
spielen, die in Fig. 23 gezeigt ist.
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Zur gleichen Zeit werden die Kammern 202 über die
Rückschlagventile auch periodisch aneinander angeschlossen, was
bedeutet, daß in der Verdampfungsstufe, die von den Einheiten
gebildet wird, ähnliche Temperatur- und Druckbedingungen durch
Mischen herrschen. Offensichtlich sind solche gleichförmigen
Bedingungen im Falle von Einheitenpaaren günstig, die
parallelgeschaltet sind.
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Es ist ersichtlich, daß alle Einheiten, die hier vorher
offenbart sind, Begrenzungsplatten aufweisen, die in den
beispielgebenden Ausführungsformen von Abstandshaltern im
Abstand voneinander gehalten sind. Wie erwähnt wurde, wurden
Abstandshalter dargestellt, um die Zeichnung leichter lesbar zu
halten, da Erhöhungen an den Begrenzungsplatten, die anstelle
von Abstandshaltern verwendet werden können, die Zeichnung
unzweckmäßig beeinträchtigen würden.
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Einige der als Beispiel angegebenen Einheiten sind dauernd
geschlossen, was eine geeignete Maßnahme ist, wie an sich
bekannt, mögliche Leckagen wertvoller Arbeitsmedien und daher
eine Beeinträchtigung des Kühlzyklus zu verhindern.
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Jedoch kann eine geeignete Abdichtung auch durch konventionelle
zerlegbare Mittel erreicht werden. In derartigen Fällen können
die Begrenzungsplatten der ein Arbeitsmedium enthaltenden
Einheiten als zu jeder eines Paares benachbarter Einheiten
gehörend angesehen werden.
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Das Gesamtkonzept von Einheiten gemäß der Erfindung kann am
einfachsten auf Basis der Einheiten des in den Fig. 23 bis 28
gezeigten Verdampfers erfaßt werden. Jenachdem, welcher
Abstandshalter 52a und 52b betrachtet wird, können die
Einheiten 50c, 52a, 50d oder 50d, 52b, 50c unterschieden
werden. In beiden Fällen sind die Einheiten in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gestaltet, da in beiden Fällen
die Begrenzungsplatten eine Membran enthalten und daher beide
Einheiten in Übereinstimmung mit den Grundvoraussetzungen der
Erfindung stehen, die das Vorhandensein wenigstens einer
Membran in wenigstens einer der Begrenzungsplatten fordern.
Vorstehend wurden beispielgebende, mit Einheiten versehene
Vorrichtungen beschrieben, die entweder Kühlvorrichtungen oder
Verdampfer sind. In allen offenbarten Fällen basiert der
Betrieb auf dem Wärmeaustausch zwischen verschiedenen
Strömungsmedien, was möglich gemacht wurde, weil die
Begrenzungsplatten als Wärmeübertragungsflächen wirksam sind.
Dieses Arbeitsprinzip ist durch die vorliegende Erfindung
ergänzt, indem die Zirkulation von Strömungsmedien mittels
einer oder mehreren Membranen in den Begrenzungsplatten
sichergestellt ist. Dadurch können Pumpen außerhalb der
Einheiten und Autosiphons innerhalb der Einheiten zu
Zirkulationszwecken entfallen. Offensichtlich bedeutet dies
eine vereinfachte Ausrüstung und eine erhöhte
Betriebszuverlässigkeit. Daher sind Einheiten gemäß der
Erfindung in allen Fällen Teil einer thermischen Vorrichtung
zur Durchführung thermodynamischer Prozesse, die auf dem
Wärmeaustausch basieren, sei es daß der Prozeß auf das Kühlen
oder das Verdampfen gerichtet ist. Daher können solche
Einheiten angewendet werden, woimmer ein thermodynamischer
Prozeß erzielt werden soll, der auf dem Wärmeaustausch zwischen
zirkulierenden Strömungsmedien basiert.
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Das Ausstatten der Begrenzungsplatten mit Membranen kann
mittels der Blechtechnologie durchgeführt werden, in welchem
Fall die Membranen von den Begrenzungsplatten selbst gebildet
werden. Solche Verfahren werden bevorzugt angewendet, wenn die
Membranen zur Wärmeübertragung dienen, wie auch in dem Fall
z.B. von Membranen 58a (Fig. 10) oder 58c und 58d (Fig. 20).
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Jedoch können die Membranen auch Einsätze sein, die in
Öffnungen der Begrenzungsplatten fixiert sind. Dann kann das
Material der Membranen von dem der Begrenzungsplatten
verschieden sein. Beispielsweise können elastische Scheiben aus
Kunststoffmaterial für die Membranen verwendet werden, wie dies
der Fall ist bei den Membranen 58e und 58f (Fig. 26 bis 28).
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Die Frontfläche der Membranen kann mit einer Verstärkungsplatte
versehen werden, wie im Falle der Membranen 58 (Fig. 1 und 3),
58a und 58b (Fig. 12) und 58c und 58d (Fig. 19 bis 22)
illustriert. Solche Verstärkungsplatten können aus
wärmeleitendem Material oder aus Kunststoffmaterial sein, gemäß
den Funktionen der Membranen, die zur Wärme- und/oder
Druckübertragung angewendet werden.