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Einrichtung zum Heizen mittels Wärme, die durch einen mehrstufigen
Kreiselverdichter auf höhere Temperatur gehoben wird. Die Erfindung betrifft Einrichtungen,
um mit mehrstufigen Kreiselverdichtern Heizwirkungen zu erzielen. .
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Zweck der Erfindung ist, die adiabatische Verdichtung eines Gemenges
von Dampf und Flüssigkeit zu erzielen, um wirtzchaftlich und mit Einrichtungen von
wenig Gewicht und Raumbedarf Heizwirkungen zu erzeugen.
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Es handelt sich dabei jedoch nicht um die Verdichtung von gesättigtem
Dampf, wie sie bei den gewöhnlichen Kältemaschinen auftritt, bei denen der gesättigte
Dampf adiabatisch
verdichtet wird und dabei gesättigt und trocken
oder gesättigt und naß erhalten wird. Das Verfahren nach dein Erfindungsgegenstand
betrifft eine allmähliche und fortgesetzte Verdichtung eines Gemenges von Dampf
und Flüssigkeit, das sich anfangs in dein erforderlichen Feuchtigkeitszustand befindet,
damit die Ausführung des Verfahrens möglich wird.
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Vorrichtungen zur Erzielung von Heizwirkungen mittels Verdichtern
sind bekannt, bei denen Luft zusammengedrückt und einer Leitung zugeführt wird,
die mit den Heizkörpern für die Wärmeabgabe in Verbindung steht.
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Auch besteht bereits ein Verfahren, bei welchem Dampf von niedriger
Spannung, der von einem Kondensator oder in ariderer Weise beschafft wird, zusammengedrückt
wird. Er wird dabei im Zustand des gesättiten und trockenen Dampfes oder überhitzten
Dampfes erhalten und hierauf bei höherer Temperatur als der Ausgangstemperatur in
Berührung mit Heizflächen gebracht, an die er Wärme abgibt.
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In einem anderen bekannten Verfahren wird gesättigter Dampf bei niederem
Druck aus einem Behälter entnommen und finit Wasser zusammengedrückt, das mit Dampf
gemischt ist, und zwar, um ihn gesättigt und feucht zu erhalten, mit einem Wassergehalt,
der nicht 3 Prozent an Gewicht übersteigt.
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Die Einrichtung, bei welcher Luft zusammengedrückt wird, befriedigt
nicht, weil der Verdichter von großem Gewicht und Abmessungen sein muß und weil
die Wärmeübertragung von der in Röhren umlaufenden heißen Luft an die zu beheizenden
Räuine nur sehr unwirksam erfolgt.
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Die Einrichtung, in welcher gesättigter und trockener oder gesättigter
und nasser Dampf zur Verwendung gelangt, ist nicht ausreichend wirtschaftlich, weil
die adiabatische Verdichtung eines Gemenges, das im gasförmigen Zustand gehalten
wird," eine hohe mechanische Arbeit erfordert.
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Die Erfindung betrifft nun eine Einrichtung zur Erzielung von Heizwirkungen,
die einen mehrstufigen Verdichter umfaßt, der von irgendeinem Motor angetrieben
wird. Dieser Verdichter wird mit Sattdanipf aus einem Verdampfer gespeist, der Wärme
aus der Umgebung bei verhältnismäßig niedriger Temperatur aufnimmt. Der Verdichter
führt die warme Flüssigkeit einem Aufnehmer zu, der mit den wärmeabgebenden Heizkörpern
in Verbindung steht. Die von den Heizkörpern kommende Flüssigkeit wird in den Verdichter
in der Nähe des Ansaugeraumes eingespritzt, wobei die Menge der als feiner Nebel
eingespritzten Flüssigkeit derartig bemessen wird, daß das gleichförmige Gemenge
von Dampf und Flüssigkeit wenigstens 6o Prozent Gewichtsteile Flüssigkeit enthält,
so daß die durch den Verdichter bewirkte adiabatische Verdichtung die Kondensation
des im Gemenge sich befindenden Dampfes herbeiführt, und das Gemenge vor seinem
Austritt aus dem Verdichter in vollständig flüssigen Zustand verwandelt wird und
die Temperatur annimmt, die sich im letzten Rad des Verdichters einstellt.
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Falls das angewendete Gemenge aus Wasser und Dampf besteht, geht das
durch den Verdichter gebildete heiße Wasser in einen Aufnehmer, von dem es unter
dem Einfluß des Druckes im Verdichter in die Heizkörper gedrückt wird.
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In einer Ausführungsform der Einrichtung wird als Wasser, welches
im Verdampfer in Dampf verwandelt werden soll, dasjenige verwendet, das von den
Heizkörpern zurückkehrt, oder auch Wasser von außen; dasselbe wird in Nebelform
auf die Außenwandungen der Heizröhren des Verdampfers gespritzt, während diese Röhren
auf der Innenseite von Wasser durchströmt werden, das ebenfalls von den Heizkörpern
kommt, oder auch von Wasser, Luft, Gas oder Dampf, die die Temperatur der Umgebung
oder auch eine höhere Temperatur besitzen, wie beispielsweise verfügbare Abgase
einer Wärmemaschine, Abdampf usw.
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Ist keine Wärmequelle verfügbar von einer Temperatur, die die Außentemperatur
übersteigt, so wird die starke Ansaugewirkung des Verdichters im Verdampfer die
Temperatur unter die Außentemperatur senken, so daß die für die Verdampfung im Verdampfer
erforderliche Wärme den Verdampferröhren durch einen Wasser- oder Luftstrom von
Außentemperatur mitgeteilt werden kann.
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Unter solchen Betriebsumständen kann, wenn erforderlich, an Stelle
von reinem Wasser auch eine Kältelösung für die Einspritzung in den Verdichter und
in den Verdampfer verwendet werden.
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Im vorliegenden Verfahren wird die Heizwirkung durch Benutzung einerseits
der latenten Wärme des Dampfes erzielt, der bei niedriger Temperatur im Verdampfer
erzeugt wird= und andererseits der Wärme, die der durch den Verdichter geleisteten
mechanischen Arbeit entspricht.
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,Iit der Einrichtung gemäß dem erwähnten Verfahren, das bestrebt ist,
Kälte im Verdampfer zu erzeugen, können auch leichte Kältewirkungen erlangt werden.
In diesem Falle wird der Luft- oder Wasserstrom, der das Innere der Röhren des Verdampfers
durchzieht, nach den Kälteabgabestellen geführt, während das heiße Wasser, das sich
im
Aufnehmer sammelt, als unbrauchbares Erzeugnis nach außen geführt
wird oder auch in Heizkörpern Verwendung findet.
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Die Erfindung ist auf der Zeichnung in mehreren Beispielen dargestellt.
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Abb. i ist das allgemeine Schema einer Anlage zum Heizen von Wohnungen,
bei der der Verdichter durch einen Elektromotor angetrieben wird.
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Abb. 2 ist das allgemeine Schema einer Anlage zum Heizen von `'Wohnungen
usw.. bei dem der Verdichter durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird.
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Abb. 3 ist das allgemeine Schema einer Anlage, die bestimmt ist, Flüssigkeiten
bei Atmosphärendruck zu kochen, wobei der Verdichter durch einen Elektromotor angetrieben
wird.
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Abb. 4 ist das allgemeine Schema einer Anlage für die Destillation
von- Flüssigkeiten, wobei der Verdichter durch einen Elektromotor angetrieben wird.
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Abb. 5 ist ein Volumen-Druck-Diagramm für den allgemeinen Arbeitsvorgang
der Anlage.
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Abb. 6 ist ein Volunien-Druck-Diagramm zum Vergleich zwischen dem
Arbeitsvorgang des größten -#,Ztitzeffektes einer Dampfturbine und dem allgemeinen
Arbeitsvorgang nach der Erfindung.
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Abb. 7 ist das allgemeine Schema einer Anlage, in welcher als Wärme
von niedriger Temperatur die latente Wärme des Abdampfes einer Kolbendampfmaschine
oder einer Dampfturbine verwendet und der Kreiselverdichter durch eine Dampfturbine
getrieben wird.
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Die adiabatische Verdichtung erfolgt nach der Erfindung nach der Linie
B-C in Abb. 6, in welcher der Kreislauf C D E B C den Kreisvorgang einer
Dampfturbine (Carnotkreislauf) darstellt. Dabei bedeutet die Linie C-D die isotherme
Ausdehnung eines Kilogramms Dampf, D-E die adiabatische Ausdehnung, E-B die isotherme
und B-C die adiabatische Verdichtung. Es sei angenommen, daß die Temperatur der
isothermen Ausdehnung C-D i 15° C sei und die der isotherinen Verdichtung E-B io°
C und daß im Punkte D
der Dampf gesättigt und trocken sei.
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Bezeichnen dann _r" x=, a:'1, x. die Verhältnisse in
Gewichtsteilen des in einem Kilogramm Gemenge enthaltenen Dampfes zu dem Gesamtgewicht
in den Punkten D, 1s', B
und C, dann ist für das gewählte Beispiel:
x1 - 1 x= = 0,8067 x3 r o,1513 xy = 0. Der Arbeitskreislauf wird durch das Dreieck
A B C A (Abb. 5 und 6) dargestellt und bezieht sich auf i Kilograms: des
Gemenges.
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A B stellt die Ansaugezeit dar. Ihr entspricht ein Volumen
von 0,1513 # 1o6- 16m° gesättigten und trockenen Dampfes. Da das mit io° C eingespritzte
Wasser ungefähr gleich ist (i -0,15i3) # o,ooi -o,ooo8 m3, d. h. ein kleiner Bruchteil
im Volumen gegenüber dem Volumen des angesaugten Sattdampfes und Trockendampfes
bei io° C ist, so kann angenommen werden, daß der gleiche Punkt B den Zustand eines
Kilogramms des Gemenges zu Anfang der adiabatischen @'erdichtung oder am Ende der
Ansaugephase darstellt. Es stellt dann A B die Zustandsänderung des Gemenges
während der teilweisen Verdampfung und der Ansaugezeit dar.
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B C ist die adiabatische Verdichtung des Gemenges von Dampf und Wasser.
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C A ist die Temperatur- und Druckverminderung eines Kilogramms
Wasser, während dasselbe die wärmeabgebenden Heizkörper durchströmt und zum Verdampfer
und Verdichter zurückkehrt.
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Nach Verlauf dieser Phase beginnt der Arbeitsvorgang wieder von neuem.
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Die Gewichtsmenge Wasser, die in den Verdichter auf eine Menge von
o,1513 kg gesättigten und trockenen Dampfes eingespritzt werden muß, ist
1 -0,i5I3-0,84.87kg.
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So entspricht jedem Kilogramm des gesättigten und trockenen, dem Verdampfer
entzogenen Dampfes eine Einspritzung von 5,60o kg Wasser. Somit muß das Gemisch
im vorliegenden Falle während der Ansaugezeit ungefähr 84 Prozent Gewichtsteile
Wässer enthalten. .
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Auf diese Weise wird erzielt, dag das Gemengeverhältnis am Anfang
der adiabatischen Verdichtung den genauen Wert x3 = 0,1513 aufweist, welcher erforderlich
ist, um den Kreislauf A B C A zu erfüllen.
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Wenn nun die Wirkung des Kreiselverdichters im Vergleich mit dem beschriebenen
Kreislauf .1 B C A betrachtet wird und diese Wirkung überdies mit solchen
anderer Kreisläufe verglichen wird, so ergibt sich, daß die zur Heizung abgegebene
Wärme eine Kreiselverdichters, der nach dem Kreislauf A B C A arbeitet, mit
dem geringsten mechanischen Arbeitsaufwand gewonnen wird, und zwar unter Verwendung
einer geringsten Zahl von Stufen des Verdichters, wäs einen großen
Vorteil
bedeutet: Wird hingegen die adiabatische'Verdichtung nach der Linie E-D vollführt,
d. h. niit einer Einspritzung von bloß i9 Prozent Gewichtsteilen Wasser, so wird
die gewonnene latente Wärme im allgemeinen den erforderlichen Wärmeaufwand für den
Betrieb der V@Tärmemaschine, die den Verdichter treibt, nicht ausgleichen, und es
ist ferner eine viel größere Zahl von Kreiselrädern erforderlich, um eine bestimmte
Tein-. peratur und bestimmte Enddrücke zu erzielen.
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Abb. i zeigt eine Anlage, die dazu bestimmt ist, Wohnungen zu heizen.
Die Anlage umfaßt einen Kreiselverdichter i, einen Elektromotor 2, einen Aufnehmer
3 und einen Verdampfer 4.
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Der Kreiselverdichter i besteht aus zwei Gruppen von Rädern, die symmetrisch
zur Ansaugeleitung 5 angeordnet sind; diese Räder werden mittels einer Räderübersetzung
6 mit sehr hoher Geschwindigkeit in Umdrehung versetzt. Der Verdichter saugt Wasserdar#f
vom Verdampfer 4 an und verdichtet diesen Dampf zusammen mit dem eingespritzten
Wasser. Die Menge Wasser, die eingespritzt werden soll, ist diejenige, welche erforderlich
ist, um die adiabatische Verdichtung nach B C (Abb. 5) zu erzielen, derart, daß
im Verdichter die Kondensation des vom Verdampfer abgesaugten Dampfes erfolgt, während
die Temperatur des gesamten zusammengedrückten Gemenges ansteigt. Die mechanische
Arbeit, die der Elektromotor für jedes Volumen A B von gesättigtem .und trockenem
Dampf, das er vom Verdampfer 4 absaugt, zu liefern hat, ist durch die Fläche
A B C (Abb. 5) dargestellt. Das heiße Wasser fließt durch die Leitungen 7,
7 in den :Iufnehmer 3 und Von diesem mittels der Leitung 8 nach den Heizkörpern
in den zu beheizenden Räumen.
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Von diesen Heizkörpern kehrt das Wasser, nachdem es seine Wärme abgegeben
hat, durch die Leitung 9 zum Verdampfer zurück. Der Teil des Wasser, der im- Verdampfer
in Dämpf umgewandelt werden soll, tritt in den Verdampfer durch die Ventile io,
io. . ., die nach den mechanischen Zerstäubern 12, 12 ...
führen. Die übrige
Flüssigkeit geht durch das Ventil ii und Leitung 13 in das Innere der Verdampfröhren,
die zwischen B und C angeordnet sind, und gibt dort ihre Wärme an den Verdampfer
ab; hierauf geht sie durch die Leitung 14 und dann durch die Zerstäuber 15,
15
... in den Verdichter.
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Hat die Flüssigkeit, die von den Heizkörpern zurückkommt, eine viel
höhere Temperatur als diejenige, welche sich beim normalen Betrieb des Verdichters
auf der Ansaugweite eiristellt, so kann ein Teil der Flüssigkeit unmittelbar nach
Zerstäubern geleitet werden, die auf einer Zwischenstufe des Verdichters angeordnet
sind, in welcher bei normalem Betrieb die höhere Temperatur -erhalten bleibt.
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Die Luft, die infolge Undichtheiten in den Verdichter eindringt, sammelt
sich im oberen Teile des Aufnehmers 3, in welchem vorzugsweise der Druck etwas höher
gehalten wird, als der Atmosphärendruck ist; von hier geht diese Luft zusammen mit
einer gewissen Menge Dampf durch Leitung 16 in das Innere der zwischen C und D des
Verdampfers angebrachten Röhren, wo dieses Gemenge seine Wärme abgibt, während das
Xondensationswasser durch die Leitung 17 gesammelt und die Luft durch den Stutzen
18 abgeführt wird.
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Durch das Innere des Röhrenbündels des Verdampfers zwischen
A und B fließt ein Luft- oder Wasserstrom, der die Temperatur der
Umgebung hat öder, wenn es die Umstände erlauben, eine höhere Temperatur.
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Wenn der Betriebsdruck des Aufnehmers tiefer ist als der Atmosphäreudruck,
so kann eine Pumpe verwendet werden, welche das heiße Wasser vom Aufnehmer ansaugt
und es in die Heizkörper drückt. Der Lauf des heißen Wassers durch die Heizkörper
wird durch die Ventile io, io ... und ii geregelt.
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In der in Abb. 2 dargestellten Anlage wird der Verdichter i durch
eine Verbrennungskraftlnaschine (Gasmaschine) i9 angetrieben. Diese Anlage ist auch
dazu bestimmt, Wohnungen zu heizen. Dabei wird die Wärme des Kühlwassers sowie der
Abgase der Maschine ausgenutzt.
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Die Ausnutzung der im Kühlwasser enthaltenen Wärme wird bewirkt, indem
das heiße Wasser von der Leitung 2o nach der Leitung a1 des Verdampfers geführt
wird, wobei dieses Wasser das Innere der Verdampfungsröhren zwischen C und D durchstreicht.
Hier gibt das Wasser seine Wärme an den Verdampfer ab und kehrt dann durch die Leitung
23 in den Kühlmantel zurück.
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Um die Abgase der Maschine zu benutzen, werden diese durch die -in
24- anschließende Leitung in den Behälter 25 geführt, wo sie mit durch den Zerstäuber
26 eingeführtes Wasser gemischt werden. Nachdem die Abgase ihre Wärme an das Wasser
abgegeben haben, gehen sie durch die Leitung 25' ab, während das erhitzte Wasser
durch die Leitung.27 von einer Pumpe angesaugt wird, die es in die zwischen D und
E angeordneten Röhren des Verdampfers drückt. In diesen Röhren gibt das Wasser seine
Wärme ab und kehrt hierauf durch die Leitung 29 zu dem Zerstäuber zurück.
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Eine andere Einrichtung ist in Abb. 3 dargestellt.
In
dieser geschieht die '\N'ärmeausnutzung in Gefäßen zum Erhitzen von Flüssigkeiten
bei Atmosphärendruck. Der Kreiselverdichter i, der vom Elektromotor 2 angetrieben
wird, saugt gesättigten Dampf vom Verdampfer 4, während mittels der Zerstäuber 15,
15... Wasser in den Verdichter eingespritzt wird. Der Verdichter i verdichtet
diesen Dampf zusammen mit Wasser (welches von den Heizkörpern zurückkommt), wobei
das Verhältnis von Dampf und Wasser derart ist, daß die adiabatische Verdichtung
nach B C (gbb. 5) ganz oder annähernd erreicht wird. Das heiße Wasser und der Dampf,
die sich bilden, «-erden zum Aufnehmer 3 geführt, den sie durch die Stutzen 30,
31' verlassen, um nach den Rohrschlangen 31, 31' zu fließen, mittels welchen das
Wasser im Kessel 32 geheizt wird. Von diesen Rohrschlangen kehrt das Wasser zum
Verdampfer zurück, wobei es durch den Stutzen 33 in das Innere des tieferen Rohrbündels
tritt und ebenfalls durch die mechanischen Zerstäuber 12, 12 und 34 in die Dampfkammer
des Veidarnpfers,111n hier in Dampf umgewandelt zu werden. Aus dem Innern der Röhren
des Verdampfers, in denen die Flüssigkeit ihre Wärme abgibt, gelangt diese durch
die Leitung 33', die Ventile 33" und die mechanischen Zerstäuber 15, 15 in den Verdichter.
Die Verdampfungswärnie des im Kessel 32 erzeugten Dampfes wird im Verdampfer wiedergewonnen,
indem dieser Dampf durch die Leitung 35 in das Innere der oberen Röhren des Verdampfers
geführt wird. Das Wasser für die Speisung des Kessels 32 wird durch den Vorwärnier
36 vorgewärmt; diesem wird die Wärme durch das heiße Wasser zugeführt, das sich
in den Verdanipferröhren durch die Kondensation des Dampfes aus dem Kessel 32 bildet.
Das Speisewasser tritt in den Kessel 32 durch das Rohr 39, nachdem es die Schlange
38 durchlaufen hat. Das heiße Kondensationswasser tritt in den Vorwärmer durch die
Leitung 4o und verläßt den Vorwärmer durch die Leitung 41.
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In gewissen Fällen kann der Verdichter i durch eine Leitung 37 mit
dem Kesselmantel in Verbindung stehen, um darin ein gutes Vakuum zu erhalten, wodurch
eine wesentliche Verringerung der Wärmeverluste durch Strahlung erzielt wird.
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In der Anlage nach Abb. 4 wird der Kreiselverdichter durch einen Elektromotor
2 angetrieben. Die heiße Flüssigkeit wird bei dieser Führungsform dazu verwendet,
einem Verdampfer Wärme zu Destillationszwecken zuzuführen. Auch hier saugt der Verdichter
Dampf vom Verdampfer.
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Der Aufnehmer, dem der Verdichter die heiße Flüssigkeit zuführt, besteht
aus den beiden Samrhlern 42, 42'. Der Verdichter saugt Dampf vom Verdampfer durch
das Rohr 5 an. Die zu destillierende Flüssigkeit wird entweder durch den Atmosphärendruck
oder durch eine Pumpe in den Verdampfer gedrückt und durchläuft dabei die Leitung
43, die Ventile 44, -14, 44 und die Zerstäuber 12, 12, 12. Der im Verdampfer erzeugte
Dampf wird in den Verdichter gesaugt und mit so viel Flüssigkeit zusammengedrückt,
als erforderlich ist, um die adiabatische Verdichtung nach B C (Abb. 5 und 6) herbeizuführen.
Die erforderliche Flüssigkeit wird in den Verdichter durch die Leitung 45, die Ventile
46, 46 ... und die Zerstäuber 15, 15 ... eingespritzt. Die im Verdichter
gebildete heiße Flüssigkeit geht durch die Leitungen 7, 7 in die Sammler 42, 42'.
Vom Aufnehmer kehrt der größte Teil der Flüssigkeit zu den Zerstäubern zurück, und
der verhältnismäßig kleine Rest geht als Destillat durch das Rohr 47 in den Vorratsbehälter.
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In der in Abb. 7 dargestelltenAusführungsform ist die Anlage mit einem
Dampfmaschinenbetrieb verbunden, bei welchem Abdampf vorhanden ist. Der Verdichter
i, der hier eine einzige bewegliche Radgruppe aufweist, wird durch die Dampfturbine
48 angetrieben. Der Verdichter saugt durch Rohr 5 vom Kondensator derDampfanlage
so vielAbdampf, als erforderlich ist, um das Wasser anzuwärmen, das in den Heizkörpern
umlaufen soll, und um die Kessel der Dampfanlage zu speisen. Das Wasser wird dem
Verdichter fein zerstäubt zugeführt, und zwar in einer solchen Menge, um die Verdichtung
nach B C (Abb. 5) zu erzielen.
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Wenn die Temperatur des Wassers, das von den Heizkörpern zurückkehrt,
höher ist als die Betriebstemperatur des Kondensators, so kann eine gewisse Menge
dieses Wassers unmittelbar nach der Verdichtungsstufe geleitet werden, in der die
Betr iebsteinperatur ungefähr dieser Wassertemperatur entspricht.
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Im dargestellten Beispiel tritt das Speisewasser, das von der Heißwassergrube
kommt, durch die Leitung 49 und die Zerstäuber 5o, 5o in den Verdichter und gelangt
durch die Leitung 51 in den Kessel. Das heiße Wasser tritt in die Heizkörper durch
die Leitung 52. Dieses Wasser kehrt dann zum Verdichter durch das Rohr 53 und die
Zerstäuber 5 ,4, 54 zurück. Die Luft, die durch Z'ndichtheit in den Verdampfer eindringt,
wird zusammen mit dem Dampf durch die Leitung 55 in eine Stufe der Dampfturbine
.I8 eingeführt, in der ein Druck herrscht, der dieses zuläßt; oder diese Luft kann
auch in eine passende' Stufe einer anderen Kolben- oder Turbinendarnpfmaschine geleitet
werden.
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Bei Verwendung eines Kreiselverdichters
von genügender
Leistung, um aus dem Kondensator allen Abdampf der Dampfanlage anzusaugen, kann
das Kühlwasser durch einen Luftstrom ersetzt werden, indem in diesem Falle die Kondensation
des Abdampfes im Kreiselverdichter hauptsächlich durch die vereinigte Wirkung des
Verdichters und der Einspritzung des Wassers, das von den Heizkörpern kommt, erfolgt.
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Es versteht sich, daß in allen Ausführungsformen die Saugwirkung des
Kreiselverdichters auf Grund des Dampfgewichtes berechnet wird, das in jeder Minute
abgesaugt werden muß, und auf Grund der Dichtigkeit, die die Flüssigkeit hat, wenn
sie angesaugt wird.