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Die
Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung gemäß dem Oberbegriff
des Schutzanspruchs 1.
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Aus
der Praxis ist eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus industrieller
Abwärme
bekannt, die einen Boiler und einen diesem zugeordneten Wärmetauscher
umfaßt.
Die Sekundärseite
des Wärmetauschers
ist dabei einerseits mit einer Kaltseite und andererseits mit einer
Warmseite des Boilers verbunden, so daß ein geschlossener Kreislauf
zwischen dem Boiler und dem Wärmetauscher
gebildet ist. Die Primärseite
des Wärmetauschers
wird dabei von einem Wärmetransport-Medium
durchströmt, welches
von industrieller Abwärme
gespeist wird. Bei Anlagen, in denen industrielle Abwärme in großem Umfang
zur Verfügung
steht, reicht diese Abwärme problemlos
aus, um nicht nur das Wasser des Boilers zu erwärmen, sondern zugleich eine
Konvektionsströmung
zwischen dem Boiler und dem Wärmetauscher
aufrechtzuerhalten. Damit ist keine Umwälzpumpe in diesem Kreislauf
erforderlich, die bei zu starkem Fluß die gewünschte Temperaturschichtung innerhalb
des Boilers zerstören
würde.
Diese bekannte Vorrichtung hat sich in der Praxis gut bewährt und
bildet den Ausgangspunkt der vorliegenden Neuerung.
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Der
Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch eine hohe Effizienz
und breite Nutzbarkeit von zur Verfügung stehenden Wärmequellen
auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird neuerungsgemäß mit den
Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst.
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Die
Vorrichtung gemäß Anspruch
1 dient zur Wärmegewinnung.
Sie weist mindestens einen Boiler auf, der eine temperaturgeschichtete
Flüssigkeit
enthält.
In der Regel ist der Boiler mit Wasser gefüllt, wobei auch jedes andere
wärmetragende
Medium geeignet ist. Die Flüssigkeit
im Boiler ist temperaturgeschichtet, so daß sich im Boiler stets mindestens
eine Schicht mit kalter Flüssigkeit
und darüberliegend mindestens
eine Schicht mit warmer Flüssigkeit
befindet. In der Regel ist an der Kaltseite des Boilers noch ein
Zufluß für die Flüssigkeit,
insbesondere Kaltwasser vorgesehen, während an der Warmseite ein
Abfluß für erwärmte Flüssigkeit,
insbesondere Warmwasser vorgesehen ist. Die erwärmte Flüssigkeit wird insbesondere
zu Heizzwecken genutzt, wobei alternativ oder zusätzlich auch
Warmwasser zu Haushaltszwecken entnehmbar ist. Zur Erwärmung der
Flüssigkeit
im Boiler ist ein Wärmetau scher
vorgesehen, dessen Sekundärseite
einerseits mit der Kaltseite und andererseits mit der Warmseite
des Boilers verbunden ist. Die Sekundärseite des Wärmetauschers
bildet daher mit dem Boiler einen in sich geschlossenen Kreislauf.
Dieser Kreislauf wird ausschließlich
durch Konvektion der Flüssigkeit
im Boiler angetrieben, so daß keinerlei
aktive Umwälzpumpe vorgesehen
ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Strömungsmenge der Flüssigkeit
in diesem Kreislauf unmittelbar an den Wärmeeintrag gekoppelt ist. Es
ist daher ausgeschlossen, daß die
Flüssigkeit
in diesem Kreislauf umgewälzt
wird, ohne daß ein
ausreichend hoher Wärmeeintrag
erfolgt. Eine derartige Umwälzung
hätte die
totale Zerstörung
der Temperaturschichtung der Flüssigkeit
im Boiler zur Folge, so daß die
Entnahmetemperatur des Boilers entsprechend absinken würde. Andererseits
setzt die rein konvektionsgebundene Strömung dieses Kreislaufs eine
relativ intensive Erwärmung
der Flüssigkeit voraus,
da bei zu geringer Erwärmung
die Konvektion nicht in Gang kommt.
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Zur
Erzielung einer universellen Anwendbarkeit der Vorrichtung zur Wärmegewinnung
ist es wichtig, auch Wärmequellen
verwenden zu können, deren
Temperatur geringer ist als die Warmseite des Boilers. Zu diesem
Zweck wird ein Wärmetransport-Medium
eingesetzt, welches durch die Wärmequelle
verdampft wird. Anschließend
wird das Wärmetransport-Medium
durch einen Kompressor komprimiert, der das Wärmetransport-Medium einschließlich der
darin enthaltenen Wärme
auf eine höhere
Temperatur bringt. Das Wärmetransport-Medium
wird anschließend
durch die Primärseite
des Wärmetauschers
geleitet, wo sie die Boilerflüs sigkeit erwärmt. Gleichzeitig
kondensiert das Wärmetransport-Medium,
wobei die Verdampfungswärme
für den Wärmetauscher
an die Boilerflüssigkeit
abgegeben wird. Das flüssige
Wärmetransport-Medium
wird dann wieder zurück
zur Wärmequelle
geführt,
wo sie erneut Wärme
aufnehmen kann. Auf diese Weise wird Wärme von der Wärmequelle
mit geringer Temperatur in den Wärmetauscher
bei höherer
Temperatur transportiert. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß der Betrieb
einer derartigen Wärmepumpe
zusammen mit einem konvektionsgebundenen Wärmetauscher recht problematisch
ist.
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Im
Gegensatz zur Nutzung von industrieller Abwärme kommt es beim Wärmepumpenbetrieb
wegen des damit verbundenen Energieverbrauchs auf eine hohe Effizienz
des Systems an. Ist der Wärmeeintrag
der Wärmepumpe
in den Wärmetauscher
zu gering, so kommt die Konvektion im Boiler-Kreislauf nicht in
Gang. Ist der Wärmeeintrag
hingegen zu hoch, so verbraucht der Kompressor viel Energie, ohne
daß es
zu einer merklichen Erwärmung
der Flüssigkeit
im Boiler kommt.
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Zur
Lösung
dieses Problems wird ein Kompressor eingesetzt, dessen Durchflußrate von
einer Regelvorrichtung beeinflußt
ist. Diese Regelvorrichtung ist dabei von der Temperatur des Wäremetransport-Mediums
zwischen dem Ausgang des Kompressors und der Ausgangsleitung des
Wärmetauschers bzw.
von der Temperatur der Flüssigkeit
des Wärmetauschers
bzw. Boilers beeinflußt.
Durch diese Maßnahme
wird erreicht, daß der
Durchsatz des Wärmetransport-Mediums
durch den Kompressor von der Wärmeabgabe
des Wärmetransport-Mediums
im Wärmetauscher
abhängig
wird. Beim Hochfahren der Vorrichtung wird demnach der Kompressor
bei relativ geringer Leistung genutzt, um der Konvektion auf der Sekundärseite des
Wärmetauschers
Zeit zu geben, sich entsprechend aufzubauen. Mit zunehmender Konvektionsströmung wird
auch der Kompressor in seiner Leistung hochgefahren, da dann die
Wärmeabgabe
des Wärmetransport-Mediums
im Wärmetauscher
entsprechend zunimmt. Auf diese Weise ergibt sich eine optimale
Wärmeausnutzung
der Wärmequelle
bei relativ geringem Energiebedarf, so daß die gesamte Vorrichtung einen überraschend
hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Zur
Erzielung eines möglichst
geringen Wärmeverlustes
ist es gemäß Anspruch
2 vorteilhaft, wenn der Wärmetauscher
als Gegenstrom-Wärmetauscher
ausgebildet ist. Hierdurch wird die Boilerflüssigkeit fast auf die Temperatur
des Wärmetransport-Mediums
erwärmt.
Damit führt
die Wärmeübertragung
nur zu einem sehr geringen Temperaturverlust. Ist der Wärmetauscher
innerhalb einer Wärmeisolation
des Boilers vorgesehen,.so ergeben sich besonders geringe Wärmeverluste.
Vorzugsweise ist der Wärmetauscher
um den Boiler herum angeordnet, so daß auch Wärmestrahlungsverluste des Boilers
teilweise im Wärmetauscher
regeneriert werden.
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Um
eine möglichst
effektive Konvektion aufrecht zu erhalten, ist es gemäß Anspruch
3 günstig, wenn
der Wärmetauscher
sekundärseitig
einen größeren Leitungsquerschnitt
aufweist als primärseitig. Dies
führt auf
der Sekundärseite
zu einem geringeren Leitungswiderstand, so daß be reits eine relativ geringe
Temperaturdifferenz innerhalb des Wärmetauschers zu einer wirkungsvollen
Konvektionsströmung führt. Auf
der Primärseite
ist ein großer
Leitungsquerschnitt nicht erforderlich, da das Wärmetransport-Medium ohnehin
durch die Wirkung des Kompressors zwangsweise umgewälzt wird.
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Zur
Erzielung einer feinfühligen
Regelung ist es gemäß Anspruch
4 günstig,
wenn die Regelvorrichtung von der Kondensationstemperatur des Wärmetransport-Mediums,
vorzugsweise nach dem Wärmetauscher
beeinflußt
ist. Die Kondensationstemperatur ist eine materialabhängige Funktion
des Drucks, so daß zur
Bestimmung der Kondensationstemperatur bei bekanntem Wärmetransport-Medium lediglich
der Druck des Wärmetransport-Mediums nach
dem Wärmetauscher
gemessen werden muß. Dieser
gemessene Druck kann dann unter Verwendung der Dampfdruckkurve des
Wärmetransport-Mediums in eine Kondensationstemperatur
umgerechnet werden. Die Kenntnis der Kondensationstemperatur ist
wichtig, da eine unvollständige
Kondensation des Wärmetransport-Mediums
eine unvollständige Wärmeabgabe
in den Wärmetauscher
und ggf. eine instabile Regelung zur Folge hätte, so daß der Energieverbrauch des
Kompressors zu hoch gewählt
ist. Die Einflußnahme
der Kondensationstemperatur auf die Regelung verbessert daher den
Wirkungsgrad der Vorrichtung.
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Zur
Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades ist es gemäß Anspruch
5 günstig,
wenn die Regelvorrichtung die Temperatur des Wärmetransport-Mediums nach Durchströmen des
Wärmetauschers
auf eine Temperatur einregelt, die eine vorgegebene Temperaturspanne
unter der Kondensationstemperatur des Wärmetransport-Mediums liegt.
Das Wärmetransport-Medium
ist in diesem Fall unterkühlt,
so daß die
Verdampfungswärme
vollständig über den
Wärmetauscher
an die Boilerflüssigkeit
abgegeben wurde. Steigt die Wärmeabgabe
im Wärmetauscher
an, so hat dies ein Absinken der Temperatur des Wärmetransport-Mediums
am Ausgang des Wärmetauschers
relativ zur Kondensationstemperatur zur Folge. In diesem Fall sorgt
die Regelung für eine
Erhöhung
des Flusses durch den Kompressor. Damit kann die gesteigerte Wärmeaufnahmefähigkeit
des Wärmetauschers
direkt zur Erhöhung
der Leistung der Vorrichtung genutzt werden. Außerdem bleibt die Regelung über den
gesamten Betriebsbereich stabil.
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Für die Temperaturspanne
hat sich gemäß Anspruch
6 ein Bereich zwischen 1K und 10K bewährt. Bei einer Temperaturspanne
von unter 1K besteht die Gefahr, daß beim Auftreten von Störungen die
Kondensation des Wärmetransport-Mediums nicht mehr
vollständig
ist, so daß Wärme ungenutzt im
Kreis gepumpt wird. Außerdem
können
hierdurch schwer beherrschbare Regelschwingungen entstehen. Eine
Wahl der Temperaturspanne von über
10K ist unzweckmäßig, da
dies eine Einschränkung
von zur Verfügung
stehenden Wärmequellen
zur Folge hätte.
Je nach einsetzbarer Wärmequelle
ist jedoch eine größere Temperaturspanne
möglich.
Vorzugsweise wird die Temperaturspanne zwischen 3K und 7K gewählt, um
eine möglichst
feinfühlige
und effiziente Regelung zu erzielen.
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Um
die Vorrichtung in einem weiten Leistungsbereich einsetzen zu können, ist
es gemäß Anspruch
7 günstig,
wenn zwischen dem Wärmetauscher
und der Wärmequelle
mindestens ein Expansionsventil vorgesehen ist. Dieses Expansionsventil sorgt
für ein
Entspannen des Wärmetransport-Medium
und hält
damit die Druckverhältnisse
des Wärmetransport-Mediums im Bereich
des Wärmetauschers in
etwa konstant.
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Um
zu erreichen, daß die
Vorrichtung unter allen Bedingungen einen optimalen Wirkungsgrad
erzielt, ist es gemäß Anspruch
8 vorteilhaft, wenn das Expansionsventil mit einer vom Druck des
Wärmetransport-Mediums
beeinflußten
Regelvorrichtung in Wirkverbindung steht. Auf diese Weise werden über einen
weiten Arbeitsbereich konstante Eigenschaften des Wärmetransport-Mediums
realisiert.
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Insbesondere
bei Wärmequellen
mit sehr niedriger Temperatur ist es gemäß Anspruch 9 günstig, dem
Wärmetauscher
und mindestens einen Behälter
nachzuordnen, der mit dem verdampften Wärmetransport-Medium in thermischem
Kontakt steht. Damit wird das Wärmetransport-Medium
zur Verbesserung der Wärmeaufnahme
zusätzlich
gekühlt.
Außerdem
erhöht
sich die vom Kompressor erzielbare Endtemperatur.
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Der
Neuerungsgegenstand wird beispielhaft anhand der Zeichnung erläutert, ohne
den Schutzumfang zu beschränken.
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Die
einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur
Wärmegewinnung.
Die Vorrichtung 1 weist einen Boiler 2 auf, der mit
Wasser 3 gefüllt
ist.
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Der
Boiler 2 hat einen Zulauf 4 für Kaltwasser und einen Ablauf 5 für Warmwasser.
Innerhalb des Boilers 2 stellt sich eine Schichtgrenze 6 ein,
bei der eine Warmseite 7 auf einer Kaltseite 8 liegt.
Zwischen der Warmseite 7 und der Kaltseite 8 findet
nur eine sehr geringe Durchmischung statt, so daß das Wasser der Warmseite 7 mit
nahezu konstanter Temperatur entnommen werden kann. Insbesondere
hängt die
Temperatur des Wassers am Ablauf 5 praktisch nicht von
der Höhe
der Schichtgrenze 6 ab.
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Der
Boiler 2 ist über
Leitungen 9 mit einem im Gegenstrom betriebenen Wärmetauscher 10 verbunden.
Das Wasser 3 strömt
dabei durch eine Sekundärseite 11 des
Wärmetauschers 10.
Diese Sekundärseite 11 besitzt
einen größeren Leitungsquerschnitt
als eine Primärseite 12 des
Wärmetauschers 10,
um zwischen dem Boiler 2 und dem Wärmetauscher 10 über die
Leitungen 9 eine freie Konvektionsströmung ohne Umwälzpumpe
realisieren zu können.
Zur Erzielung eines möglichst
geringen Wärmeverlustes
ist der Wärmetauscher 10 innerhalb
einer Wärmeisolierung 13 des
Boilers 3 vorgesehen. Um auch die Strahlungswärme des
Boilers 2 nutzbar zu machen, erstreckt sich der Wärmetauscher 10 um den
Boiler 2 herum.
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Zusätzlich könnten im
Boiler 2 – abweichend von
der Darstellung – noch
Wärmequellen,
beispielsweise Wärmetauscher
von fossilen Brennstoffheizungen oder von Hochtemperatur-Solarthermikanlagen
untergebracht sein. Derartige zusätzliche Wärmequellen im Boiler 2 haben
jedoch nichts mit dem Neuerungsgegenstand selbst zu tun und sind
daher nicht dargestellt.
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Außerdem könnte je
nach Anwendungsfall der Wärmetauscher 10 vom
Boiler 2 durch eine zusätzliche
Wärmeisolationsschicht
thermisch entkoppelt sein. Je nach Anwendungsfall ist alternativ
auch daran gedacht, die Trennwand zwischen dem Wärmetauscher 10 und
dem Boiler 2 mit Öffnungen
zu versehen oder ganz wegzulassen, so daß sich auf diese Weise eine
verbesserte Konvektion ausbildet.
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Die
Primärseite 12 des
Wärmetauschers 10 wird
von einem Wärmetransport-Medium 14 durchströmt, welches
in einem gesonderten Kreislauf umgewälzt wird. Die Primärseite 12 des
Wärmetauschers 10 ist über eine
Leitung 15 mit einem Behälter 15a verbunden,
der als Zwischen-Wärmetauscher ausgebildet
ist. In diesem Behälter 15a gibt
das Wärmetransport-Medium 14 Wärme an verdampftes Wärmetransport-Medium 14 ab,
welches den Behälter 15a in
einer Leitung 22 durchströmt. Diese Maßname verbessert
die Wärmeaufnahmefähigkeit
des Wärmetransport-Mediums 14.
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Nach
Verlassen des Behälters 15a gelangt das
Wärmetransport-Medium 14 in
ein Expansionsventil 16, welches für einen Abbau des Druckes des Wärmetransport-Mediums 14 sorgt.
Das Expansionsventil 16 steht über eine Regelvorrichtung 17 mit einem
Druckmeßgerät 18 in
Wirkverbindung, welches den Druck des Wärmetransport-Mediums in der Leitung 15 konstant
hält. Der
Regelvorrichtung 17 ist ein Differenzverstärker 17b vorgeordnet,
der den gemessenen Druck mit einem Soll-Wert eines Sollwert-Gebers 17a vergleicht.
Das Vergleichsergebnis ist dabei die Regelgröße der Regelvorrichtung 17. Dies
gewährleistet,
daß innerhalb
des Wärmetauschers 10 in
etwa konstante Druckver hältnisse
des Wärmetransport-Mediums 14 herrschen,
so daß das Wärmetransport-Medium 14 in
etwa eine konstante Kondensationstemperatur aufweist.
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Das
Expansionsventil 16 steht über eine Leitung 19 mit
einem weiteren Wärmetauscher 20 in Wirkverbindung,
der sich mit einer Wärmequelle 21 in Kontakt
befindet. Als Wärmequelle 21 kommt
beispielsweise Umgebungsluft, aber auch Erdwärme oder eine solarthermische
Anlage in Frage. In der Regel reicht die Temperatur der Wärmequelle 21 nicht
aus, um direkt das Wasser 3 im Wärmetauscher 10 aufzuheizen.
Hierzu muß diese
Wärme erst
auf eine höhere
Temperatur gebracht werden.
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Zu
diesem Zweck wird das Wärmetransport-Medium 14 so
gewählt,
daß es
innerhalb der Leitung 19 flüssig ist und durch die Wärmequelle 21 verdampft.
Dieser Dampf wird über
eine weitere Leitung 22 durch den Behälter 15a geleitet,
wo es im Wärmeaustausch
mit dem aus dem Wärmetauscher 10 kommendem
Wärmetransport-Medium 14 steht.
Das Wärmetransport-Medium 14 wird
dabei in etwa auf die Zulauftemperatur des Boilers 2 erwärmt.
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Nach
Verlassen des Behälters 15a wird
das Wärmetransport-Medium 14 einem
Kompressor 23 zugeführt,
dessen Durchfluß über die
Drehzahl einstellbar ist. Der Kompressor 23 komprimiert
das Wärmetransport-Medium 14,
wodurch sich auch dessen Temperaturniveau erhöht. Über eine Leitung 24 gelangt
das Wärmetransport-Medium 14 zurück in den Wärmetauscher 10,
wo es seine Wärme
an das sekundärseitige
Wasser 3 abgibt. Dabei kondensiert das Wärmetransport- Medium 14,
so daß seine
gesamte Verdampfungswärme
an das Wasser abgegeben wird.
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Durch
die Ausbildung des Wärmetauschers 10 als
Gegenstrom-Wärmetauscher
wird außerdem erreicht,
daß das
Wasser 3 nach dem Verlassen des Wärmetauschers 10 nahezu
die Temperatur des zufließenden
Wärmetransport-Mediums 14 aufweist. Der
Temperaturverlust ist sehr gering, da das zufließende Wärmetransport-Medium 14 zunächst nur
die oberste Schicht des Wassers 3 erwärmt, welches schon nahezu die
Temperatur des Wärmetransport-Mediums 14 erreicht
hat. Das Wärmetransport-Medium 14 fließt im Wärmetauscher
abwärts und
erwärmt
immer kältere
Wasserschichten, wodurch es sich zusehends abkühlt. Dabei wird an einem bestimmten
Punkt innerhalb des Wärmetauschers 10 die
Kondensations-Temperatur des Wärmetransport-Mediums 14 erreicht,
so daß statt
einer weiteren Abkühlung
des Wärmetransport-Mediums 14 eine
Kondensation desselben bei konstanter Temperatur einsetzt. Die Kondensation
des Wärmetransport-Mediums 14 ist
dabei vollständig,
so daß die
gesamte Verdampfungswärme
abgegeben wird. Im unteren Bereich des Wärmetauschers 10 wird
das nun flüssige
Wärmetransport-Medium 14 noch
weiter abgekühlt
und anschließend
dem Expansionsventil 16 und der Wärmequelle 21 zugeführt. Auf
diese Weise ergibt sich eine sehr effiziente Energienutzung der Vorrichtung 1.
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Zum
Betrieb der Vorrichtung 1 ist ein Temperaturfühler 25 im
Bereich der Leitung 15 ausgangsseitig des Wärmetauschers 10 vorgesehen.
Dieser Temperaturfühler 25 mißt die Temperatur
des Wärmetransport-Mediums 14 nach
der Wär meabgabe
im Wärmetauscher 10. Über das
bereits erwähnte Druckmeßgerät 18 wird
außerdem
der Druck des Wärmetransport-Mediums 14 in
der Leitung 25 bestimmt. Über eine Rechenschaltung 26,
in der die Dampfdruckkurve des Wärmetransport-Mediums 14 gespeichert
ist, wird hieraus die Kondensations-Temperatur des Wärmetransport-Mediums 14 berechnet und
als elektrisches Signal abgegeben. Die berechnete Kondensationstemperatur
wird zusammen mit dem Signal des Temperaturfühlers 25 und einem Soll-Wert
eines Sollwert-Gebers 27a einem Differenzverstärker 27 zugeführt, der
hieraus die Unterkühlung
des Wärmetransport-Mediums 14 in
der Leitung 15 unter die Kondensationstemperatur ermittelt und
mit dem Soll-Wert vergleicht.
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Ein
Ausgangssignal 28 des Differenzverstärkers 27 wird einer
Regelvorrichtung 29 zugeführt, die den Kompressor 23 über einen
Frequenzumrichter 30 ansteuert. Auf diese Weise ist sichergestellt,
daß das
Wärmetransport-Medium 14 in
Abhängigkeit
von der Konvektionsströmung
des Wassers 3 stets optimal umgewälzt wird. Damit wird einerseits
die Wärmequelle 21 optimal
genutzt und andererseits der Energieverbrauch des Kompressors 23 auf
ein Minimum beschränkt.
Auf diese Weise ergibt sich insgesamt ein optimaler Wirkungsgrad
der Vorrichtung 1.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Boiler
- 3
- Wasser
- 4
- Zulauf
- 5
- Ablauf
- 6
- Schichtgrenze
- 7
- Warmseite
- 8
- Kaltseite
- 9
- Leitung
- 10
- Wärmetauscher
- 11
- Sekundärseite
- 12
- Primärseite
- 13
- Wärmeisolierung
- 14
- Wärmetransport-Medium
- 15
- Leitung
- 15a
- Behälter
- 16
- Expansionsventil
- 17
- Regelvorrichtung
- 17a
- Sollwert-Geber
- 17b
- Differenzverstärker
- 18
- Druckmeßgerät
- 19
- Leitung
- 20
- Wärmetauscher
- 21
- Wärmequelle
- 22
- Leitung
- 23
- Kompressor
- 24
- Leitung
- 25
- Temperaturfühler
- 26
- Rechenschaltung
- 27
- Differenzverstärker
- 27a
- Sollwert-Geber
- 28
- Ausgangssignal
- 29
- Regelvorrichtung
- 30
- Frequenzumrichter