DE2308832A1 - Heiz- und kuehlvorrichtung mit drehantrieb - Google Patents

Description

PitofrtMw Dr. Ing. Walter Abltz Dr. Dieter F. Morf 22. ΓΕΟ. 1373

726V7370

E. I. DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY lOth and Market Streets, Wilmington, Del. I9898, V.St.A.

Heiz- und Kühlvorrichtung mit Drehantrieb

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heiz- und Kühlvorrichtung mit Drehantrieb und insbesondere eine mit einer Kraftmaschine ausgestattete Heiz- und Kühlanlage, di« in einem geschlossenen Bankine-Kreislauf arbeitet und welche einen Kondensator und Verdampfer aufweist, welcher mit der Kraftmaschine gekoppelt ist, um mit derselben als eine Einheit umzulaufen.

Gemäss der vorliegenden Erfindung besitzt die Heiz- und Kühlvorrichtung mit Drehantrieb ein zylindrisches Gehäuse, welches um seine Achse umläuft sowie eine umlaufende Kraftmaschine im Gehäuse, welche ein koaxiales drehbares Antriebselement aufweist, welches von der Kraftmaschine betätigt wird, eine Kondensatoranlage, die koaxial an einer Gehäuseseite anliegt und mit dem Gehäuse als Einheit umläuft, und einen Kältemittelverdichter, welcher drehbar koaxial im Gehäuse angeordnet ist

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und durch das Antriebselement mit einer ersten vorgegebenen Geschwindigkeit angetrieben wird, um die Kältemitteldämpfe im Gehäuse zu verdichten, wobei die koaxial anschliessend an eine Gehäuseseite angeordnete Kondensatoreinrichtung mit dem Gehäuse als Einheit umläuft und dazu dient, das . komprimierte Kältemittel vom Verdichter zu kondensieren, eine - Kältemittel-Expansionseinrichtung, welche im Gehäuse zur Expansion des in der Kondensatoranlage kondensierten Kältemittels angeordnet ist, eine Einrichtung zur Zufuhr von kondensiertem Kältemittel zur genannten Kältemittel-Expansionseinrichtung, einen koaxial anschliessend an die andere Gehäuseseite angeordneten Verdampfer, welcher mit dem Gehäuse als Einheit umläuft und Kältemittel aus der Expansionseinrichtung aufnimmt und verdampft, eine Einrichtung zur Rückführung von verdampften Kältemittel vom Verdampfer zum Gehäuse, und eine im Gehäuse angeordnete Getriebeanordnung, welche zwischen dem Antriebselement und dem Gehäuse liegt und zum Antrieb des Gehäuses, des Kondensators.und des Verdampfers als Einheit mit einer zweiten vorgegebenen Geschwindigkeit dient, welche wesentlich geringer als die erste vorgegebene Geschwindigkeit des Antriebselements und des Verdichters ist.

Die vorliegende Erfindung stellt eine neue Heiz- und Kühlvorrichtung mit Drehantrieb zur Verfugung, welche eine gedrängte einheitliche Bauweise aufweist und sich durch ruhigen Betrieb und guten Wirkungsgrad auszeichnet. Die Vorrichtung kann hermetisch abgeschlossen werden und erfordert keine Hochgeschwindigkeitsdichtungen, um Abschnitte der Vorrichtung, die mit unterschiedlichen Drücken oder mit verschiedenen Fluiden arbeiten, voneinander zu trennen. Die Vorrichtung kann entweder ein eignes Kältemittel und Arbeitsmittel verwenden oder ein einziges Fluid sowohl für die Kraftmaschine und den üühlvorgang. Die Vorrichtung eignet sich zur Erzeugung elektrischer oder anderer Leistung zusätzlich zur Kühlung oder Erwärmung eines Fluids. Die erfindungsgemässe Vorrichtung arbeitet mit isentropischer Expansion des Kältemittels-Fluids, wodurch zu-

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sätzliche Leistung zum Ausgleich der Last am Verdichter geliefert wird, während auch die Kühlkapazität des Kühlmittels erhöht wird.

.Die vorliegende Erfindung wird anschliessend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen diametrischen Schnitt durch eine erfindungsgemässe» mit einer umlaufenden Wärmekraftmaschine ausgestattete Vorrichtung, in welcher verschiedene Fluide als Kessel-Betriebsfluid und als Kältemittel verwendet werden,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrösserten vertikalen diametrischen Teilschnitt durch die umlaufende Wärmekraftmaschine gemäss der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3a einen Teilschnitt, welcher ein bauliches Einzelmerkmal der Erfindung darstellt,

Fig. 4 einen Teilquerschnitt längs der Linie 4-4 der B¹Xg. 3>

Fig. 5 einen Querschnitt in erheblich verkleinertem Masstab längs der Linie 5-5 der,Fig. 3,

Fig. 6 einen vergrösserten vertikalen diametrischen Teilschnitt durch den zentralen Nabenabschnitt der umlaufenden Wärmekraftmaschine ,

Fig. 7 eine schematische Ansicht längs der Linie 7-7 der Fig. 6 des Getriebes mit konstantem übersetzungsverhältnis,

Fig. 8 eine vergrösserte Teilansicht, teilweise im Schnitt, welche die Befestigung der nicht-umlaufenden Schmiermittel-

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Zuführleitung innerhalb des mit hoher Drehzahl umlaufenden Sonnenrades des in Fig. 6 dargestellten Getriebes mit konstantem übersetzungsverhältnis zeigt,

Fig. 9 eine vergrösserte Teilansicht längs der Linie 9-9 der Fig. 1, ·

Fig. 10 ein Teilquerschnitt längs der Linie 10-10 der Fig. 3,

Fig. 11 eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht, welche eine alternative Kondensatoranlage für das Kessel-Arbeitsfluid und das Kältemittel zeigt,

Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie 12-12 der Fig. 11,

Fig. 13 eine vergrösserte Teilansicht, zum Teil im Schnitt längs der Linie 13-13 der Fig. 11,

Fig. 14 eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht, welche eine abgeänderte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, in welcher das gleiche Fluid für das Kessel-Arbeitsfluid und das Kältemittel verwendet wird,

Fig. 14a eine vergrösserte Teilansicht, teilweise im Schnitt, eines Teils der Fig. 14,

Fig. 14b eine der Fig. 14a ähnliche Ansicht eines anderen Teils der Fig. 14,

Fig. 15 eine perspektivische Darstellung, welche die erfindungsgemässe Vorrichtung zusammen mit Leitungen und Ventilen für Kühlung oder zum Klimatisieren eines Gebäudes im Sommer oder in einem warmen Klima darstellt,

Fig. 16 eine der Fig. 15 ähnliche Darstellung, aus welcher die Leitungen und Ventile zum Erwärmen eines Gebäudes im

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Winter oder in einem kalten Klima ersichtlich sind, und

Fig. 17 einen vertikalen Teilschnitt, ähnlich jenem der Fig. 3i welcher eine abgeänderte Bauweise und Anordnung der Kältemittel-Expansionseinrichtung darstellt.

Die dargestellte Ausführungsform einer mit Drehantrieb versehenen Heiz- und Kühlvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst eine umlaufende in einem geschlossenen fiankine-Kreis arbeitende Maschine, welche einen Kessel B.aufweist, eine Arbeitsfluid-Expansionseinrichtung PX und einen Kondensator C^, welcher mit einem Kältemittelverdichter P, einer Kältemittel-Expansionseinrichtung HX und einem Verdampfer E_ gekoppelt ist. Die einzelnen Bauteile sind auf einer gemeinsamen Achse angeordnet, wdbei der Kondensator C_ und der Verdampfer E in axialem Abstand an gegenüberliegenden Seiten des Kessels B, der Expansionseinrichtung PX, des Verdichters P und der Expansionseinrichtung EX angeordnet sind, welche in gedrängter Bauweise dazwischen in einem koaxialen Gehäuse H angeordnet sind. Der Kessel B_, der Kondensator C_ und der Verdampfer E_ sind zum koaxialen Umlauf als Einheit angeordnet. Die Arbeitsfluid-Expansionseinrichtung PX wird mit vorgegebener Geschwindigkeit durch das vom Kessel B erzeugte Druck-Arbeitsfluid angetrieben und treibt ihrerseits den Kältemittelverdichter P und ein inneres Getriebe mit konstanter übersetzung, welches mit der Kessel-Kondensator-Verdampfer-Einheit verbunden ist, um letztere mit einer vorgegebenen geringeren Drehzahl anzutreiben. Die Gesamteinheit ist hermetisch abgedichtet und ein durch ein Pendel gehemmter Drehmomentanker !Γ ist für das Getriebe vorgesehen. Die mit einem geschlossenen Hankine-Kreis arbeitende Haschine ist zur Verwendung mit hochmolekularen Fluiden bestimmt, wobei gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, welche manchmals als Zweikreissystem bezeichnet wird, Fluide mit unterschiedlich hohem Molekulargewicht für das Kessel-Aibeitsfluid und das Kältemittel verwendet werden. In

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einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, welche manchmal als Spaltkreissystem bezeichnet wird, dient das gleiche hochmolekulare Fluid sowohl für das Kessel-Arbeitsfluid als auch als Kältemittel.

In der Zweikreis-Ausführung gemäss der vorliegenden Erfindung, welche in den Zeichnungen und insbesondere in ü'lg. 3 dargestellt ist, ist der umlaufende Kessel B_ einstückig mit dem koaxialen Maschinengehäuse H ausgebildet und umfasst eine zylindrische, ringförmige Kammer a, welche das Gehäuse H umgibt und welche durch eine äussere kontinuierliche, umfangsseitige Wand 2, durch Seitenwände 3 und 4 und eine innere, kontinuierliche Wand 5 gebildet wird, wobei die letztere die Umfangswand des Maschinengehäuses H darstellt. Die äussere Umfangswand 2 des Kessels ist vorzugsweise, wie dargestellt, mit umfangsseitig verlaufenden Rippen 6 versehen, Vielehe die Wärmeleitfähigkeit der Wand erhöhen; die Wand 2 kann stattdessen so ausgebildet sein, dass eine vergrösserte wärmeleitende Oberfläche erhalten wird, wie dies in der US-PS 3 690 (ausgegeben am 12. September 1972) beschrieben ist.

Zusätzlich zur umfangsseitigen Wand 5 besitzt das Maschinengehäuse H im axialen Abstand angeordnete Seitenwandabschnitte 7 und 8. Das Maschinengehäuse H und der Kessel B sind zur Drehung um ihre gemeinsame Achse mit Hilfe von Wellenabschnitten 9 und 10 angeordnet, die sich jeweils koaxial von entgegengesetzten Seitenwänden 7 und 8 des Gehäuses nach aussen erstrecken. Das äussere Ende der Welle 9 wird mittels eines Lagers 11 in einer stationären Nabe 12 gelagert, welche von radialen Speichen 13 gehalten wird, die von einem konzentrischen Ring 14- radial nach innen verlaufen, wobei dieser Hing seinerseits von einem Träger 15 an einer stationären Basis 16 der Maschine gehalten wird. In ähnlicher Weise ist das äussere Ende der Welle 10 drehbar mittels eines Lagers 17 in einem stationären Ring 18 gehalten, welcher durch radiale Speichen 19 getragen wird, die sich von einem konzentrischen

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king 20 nach innen erstrecken, welcher seinerseits von einem Träger 21 an der f es teilenden Basis der Maschine gehalten wird, wie am besten aus iig. 1 und 9 ersichtlich ist. Aus der vorausgehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass der zylindrische Kessel B und das Maschinengehäuse H zusammen mit den Wellen 9 und 10 eine einheitliche Anordnung bilden, welche mittels der Lager 11 und 17 für eine koaxiale Drehung als Einheit um die Maschinenachse angeordnet ist.

Der umlaufende Kessel dreht sich um seine Achse mit einer vorgegebenen Drehzahl , welche derart ausgelegt ist, dass die erforderliche Zentrifugalkraft entsteht, um das gewählte Kessel-Arbeitsfluid umfangεseitig gleichmässig verteilt und in Berührung mit der Innenfläche der äusseren umfangsseitigen Wand des Kessels zu halten,*die in Fig. 3 mit i bezeichnet ist,die in hohem Masse stabil ist und im wesentlichen zylindrisch und konzentrisch zur Drehachse des Kessels liegt. Die Grenzschicht i. liegt im wesentlichen auf einem vorgegebenen Radius von der Drehachse des Kessels entfernt, damit hohe Kessel-, wärmeflüsse zusätzlich zu jenen, die durch Schwerkraft entstehen, erhalten werden.

Es wird auf die i'ig. 2 und 3 Bezug genommen. Der ringförmige ilussigkeitskorper im Kessel kann zur Verdampfung desselben auf die notwendige Siedetemperatur, beispielsweise dadurch erhitzt werden, dass ein Brennstoff-Luftgemisch in einer stationären Verbrennungskammer 22 verbrannt wird, welche die umlaufende Kesselkammer 1 umgibt. Der für die Verbrennung erforderliche Brennstoff gelangt aus einer Düse 23 in der eroforderlichen Menge und unter dem notv/endigen. Druck in die Verbrennungskammer 22, während die zur Mischung mit dem Brennstoff benötigte Luft durch eine Anzahl von öffnungen 24 in der umfangsseitigen Wand 25 in die Verbrennungskammer zugeführt wird. Eine Haubenanordnung 26 begrenzt eine Kammer 27, in welche Luft über eine Leitung 28 mit dem Druck und in der iienge eingeführt wird, die zur wirksamen Verbrennung des Brenn-

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stoffes zum Erhitzen der ilüssigkeit im Kessel auf die gewünschte Temperatur erforderlich sind. Die Verbrennungsabgase werden durch eine Abgasleitung 29 abgeführt, und eine stationäre Querwand JO, welche angrenzend an die Kesselumfangswand 2 angeordnet ist, liegt zwischen der Brennstoffdüse 23 und der Abgasleitung 29, um die Hezirkulation der Verbrennungsgase zu steuern.

Innerhalb des Maschinengehäuses H ist zur Drehung mit diesem eine ringförmige Expansionseinrichtung FX für das Arbeitsfluid, welche , wie am besten aus Pig. 6 ersichtlich ist, eine mittige Bohrung 31 aufweist, die sich koaxial durch die Expansionseinrichtung erstreckt. Die Expansionseinrichtung FX ist koaaxial innerhalb des Maschinengehäuses H mittels einer Anzahl von radial angeordneten Schaufeln 32 befestigt, welche innerhalb des Gehäuses K im gleichen umfangsseitigen Abstand voneinander angeordnet sind und welche an ihren inneren und äusseren Bändern jeweils mit der Expansionseinrichtung FX und der Wand 5 des Maschinengehäuses verbunden sind, beispielsweise durch ßchweissen wie in I'ig. 4 bei 33 und 34· angegeben ist.

Es wird auf die i'ig. 3 und 6 Bezug genommen. Die Expansionseinrichtung FX für das Arbeitsfluid besteht aus einer einstufigen ummantelten Turbine, welche einen Hotor 35 dit einer Reihe von Turbinenschaufeln 37 aufweist, die am Umfang des Rotors angeordnet sind. Der Turbinenrotor 35 ist zur koaxialen Drehung unabhängig vom Kessel B_ und vom Maschinengehäuse H auf einer Welle 38 gelagert, welche mittels eines Lagers 39 zur Drehung innerhalb der Bohrung 3I der Expansionseinrichtung PX angeordnet ist. Eine ringförmige Reihe von Düsen 40 ist in der Expansionseinrichtung FX koaxial mit dem Turbinenrotor 35 und gegenüber den. behäufeln 37 desselben angeordnet. Ein ringförmiger Hochdruckverteiler 41 ist in der Expansionseinrichtung FX vorgesehen und mündet in die Turbinendüsen 40.

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Hochdruckdampf wird von der Kesselkammer 1 dem Verteiler über eine Anzahl von radialen Öffnungen oder Kanälen 42 zugeführt und eine entsprechende Anzahl radial angeordneter Danpfrohre 43 ist im gleichen Abstand am Umfang der Achse zwecks Erzielung einer gleichmässigen Drehung angeordnet. Der in der Kesselkammer 1 erzeugte Hochdruck dampf gelangt von der Kesselkammer durch die Rohre 43 und öffnungen 42 zum Hochdruckverteiler 41, von welchem er durch die Turbinendüsen 40 austritt und auf die Schaufeln 37 zum Antrieb des Turbinenrotors 35 und seiner Welle 38 ^mi"fc d©^r gewünschten Drehzahl auftrifft. Eine Dichtung 44, beispielsweise eine berührungslose Labyrinthdichtung,ist an der Turbinenwelle innen neben dem Lager 39 vorgesehen, um einen Verlust von Dampfdruck von der Turbine längs der Welle 38 so klein wie möglich zu halten.

Ein ringförmiger Diffusor 46 ist koaxial neben dem Turbinenrotor 35 stationär angeordnet, um die aus der Expansionseinrichtung austretenden Dämpfe aufzunehmen, wobei die Eintrittsöffnung des Diffusors den Turbinen se hau fein 37 an ihren von den Düsen 40 abgewandten Seiten gegenüberliegt. Der aus dem Diffusor 46 austretende Abdampf gelangt in das Maschinengehäuse H, von welchem er dem Kondensator C_ zugeführt wird, wie anschliessend beschrieben wird. Eine Anzahl von sich axial erstreckenden radialen Trennwänden 47 sind im Diffusor 46 angeordnet und dienen mit den vorausgehend erwähnten radialen Schaufeln dazu, die Winkelgeschwindigkeit des Abdampfes auf den gleichen Wert zu halten, den der umlaufende Kessel und die Gehäuseeinheit aufweisen.

Innerhalb des Maschinengehäuses H ist ferner koaxial neben der Expansionseinrichtung PX ein Kältemittelverdichter bzw. ein© Pumpe P angeordnet. .Der Verdichter P_- weist ein ringförmiges Gehäuse 50 auf, welches fest innerhalb des umlaufenden Gehäuses H mit Hilfe der vorausgehend erwähnten radialen Schaufeln 32 angeordnet ist, so dass das Verdichtergehäuse^O koaxial

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als Einheit mit dem Maschinengehäuse H und dem Kessel JB umläuft. V/ie am besten aus Fig. 6 ersichtlich ist, weist das Verdichtergehäuse 50 eine koaxiale ringförmige Kaminer 51 auf, in welcher ein Verdichterrotor 52 angeordnet ist, welcher zu seinem Antrieb mit der Turbinenwelle 38 vergilt ist. Koaxial zur Aussenseite des Verdichtergehäuses 50 ist beispielsweise durch Eolzen 53 eine ringförmige Platte 54 befestigt, die mit dem Verdichtergehäuse 50 zusammenwirkt, um eine Anzahl

umfangsseitig verteilt angeordneter ,radialer Eintrittskanäle 55 zum_#Verdichterrotor 52 zu bilden. Die Turbinenwelle 38 erstreckt/ koaxial durch die Platte 54- und ist in dieser durch ein Lager 56 gelagert. Fluides Kältemittel, welches in den Verdichter durch die Eintrittskanäle 55 eintritt, wird durch den Rotor 52 verdichtet und dann durch eine Anzahl radialer Kanäle 57 und Rohre 58 an eine ringförmige Hochdruckkammer 59 in der Kältemittel-Expansionseinrichtung RX abgegeben, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist.

Die Kältemittel-Expansionseinrichtung RX umgibt den Verdichter P koaxial und ist derart befestigt, um mit dem umlaufenden Maschinengehäuse H zu rotieren, und zwar mit Hilfe der erwähnten radialen Schaufeln 32 sowie mit Hilfe eines Paars von sich radial erstreckenden inneren und ausseren,axial versetzt angeordneten,ringförmigen Trennwänden 60 und 61. Die Trennwände 60 und 61 verbinden jeweils die Arbeitsfluid-Expansionseinrichtung PX und die Kältemittel-Expansionseinrichtung RX sowie die letztere und die Innenfläche der Umfangswand 5 des umlaufenden Maschinengehäuses H, wodurch das.Innere des umlaufenden Maschinengehäuses H unterteilt und jeweils in eine Kühlkammer X und eine Maschinenkammer Y_- getrennt wird, so dass keine merkliche Vermischung von Arbeitsfluid und Kältemittel eintritt. Dabei ist eine nicht dargestellte Isolierung vorgesehen, um die Erwärmung der Kältemitteldämpfe bei ihren Durchtritt vom Verdampfer zum Verdichtereinlass so gering wie möglich zu halten.

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Vie vorausgehend beschrieben wurde, sind der Kessel B₁ das Gehäuse H_t der Kondensator C_ und der Verdampfer E_ zur koaxialen Drehung als Einheit angeordnet, wobei im Einklang mit der vorliegenden Erfindung eine mechanische Kupplung zwischen der Expansionseinrichtung PX und der Kessel-Kondensator-Verdampfer-Einheit angeordnet ist, so dass nach dem Anlaufen während des Betriebes der Maschine die Einheit kontinuierlich durch die von der Haschine erzeugte Primärleistung angetrieben wird, liies erfolgt mittels eines inneren, abgeschlossenen Getriebes mit konstantem übersetzungsverhältnis, welches koaxial zur Haschine angeordnet und im Innern des Gehäuses H vorgesehen ist.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht gemäss den i'ig. und 7 das Getriebe aus einem Planetengetriebe, welches ein bonnenrad 63 aufweist, das fest auf der Turbinenwelle 58 sitzt und von dieser angetrieben wird. Das angetriebene Sonnenrad 63 treibt eine Anzahl von Zahnrädern, von denen jedes in einem Nadellager 64 auf einem Wellenstummel 65 gelagert ist, welcher fest im anliegenden Abschnitt eines nicht-uinlaufenden Drehmomentankers T_ befestigt ist, welcher einen koaxial angeordneten zentralen Nabenabschnitt 66 aufweist, welcher am inneren Ende der Maschinenwelle 9 mittels eines Lagerpaares 67 gelagert ist. Wie dargestellt, ist das üonnenrad 63 jeweils im Eingriff mit einem grösseren Zahnrad 68 jeder Zahnradanordnung, um dieses anzutreiben, während ein kleineres Zahnrad 69 der Zahnradanordnung im Eingriff mit einem koaxialen Zahnkranz 70 steht, um diesen anzutreiben; der Zahnkranz ?0 ist innerhalb der Ausnehmung einer Platte 54 des Verdichtergehäuses 50 angeordnet und wird von dieser gehalten.

Ler Drehmonentanker T_ weist einen äusseren umfangsseitigen Hendabschnitt 72 auf, welcher sich neben der Kältemittel-Expansionseinrichtung KZ radial nach aussen erstreckt, wie

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"beispielsweise aus Fig. 3 ersichtlich ist, und ein radial nach innen gerichteter Stegabschnitt 73 des Drehmomentankers T^ ist mit einer Anzahl von umfangsseitig angeordneter Öffnungen 74 ausgebildet £eren Querschnittsfläche ausreicht, um eine verhältnismässig freie Strömung des Käl.temittels innerhalb der Kammer X im Gehäuse H zu gestatten. Der Drehmomentanker T₁ wird gegenüber der umlaufenden Kaschinen-Kondensator-Verdampfer-Einheit mittels eines Pendelelements 75 stationär gehalten, welches sich vom Randabschnitt 72 des Drehmomentankers T_ radial nach aussen erstreckt.

Das Pendelelement 75 ist bezüglich seiner Dichte, seiner Abmessungen und seiner Lage derart ausgebildet, dass es die gewünschte Gegenkraft ausübt, welche gegen das äussere Reaktionsmoment des Luftzugs im Kondensator und Verdampfer gerichtet ist und besteht gemäss einer bevorzugten Ausführungsform aus Stahl, wobei es in der Ausführung nach Fig. 10 einen Innenradius von 27»94 cm (11,0 Zoll) aufweist, einen äusseren Radius von 43,18 cm (17,0 Zoll), eine Breite von 2,54 cm (1,0 Zoll), eine Bogenlänge von 30° und ein Gewicht von 5f67 kg (12,5 Pfund). Das Pendel liefert ein Gegendrehmoment, welches ausreicht, um den Drehmomentanker CD stationär zu halten und eine Drehung desselben gegen eine Einwirkung von 12,6 kg-m (9»1 Fuss-Pfund) zu verhindern; dieses Drehmoment ist erforderlich, um die Kessel-Kondensator-Verdampfer-Einheit mit 1200 Umdrehungen pro Minute anzutreiben, wenn sowohl der Kondensator wie der Verdampfer Luft pumpen.

Als Folge des nicht-umlaufenden Drehmomentankers £ sind die Planeten-Zahnrad-Anordnungen fest angeordnet, so dass ihre Achsen sich nicht drehen oder sich nicht umfangsseitig gegenüber der Maschinenachse bewegen. Damit wird die an der Expanßionseinrichtung PX verfügbare Ausgangsleistung, die nicht zum Antrieb des Verdichterrotors 52 verwendet wurde, vom treibenden Sonnenrad 63 über die Planeten-Zahnradanordnungen direkt auf den angetriebenen Zahnkranz 70 auf der umlaufenden Kessel-

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Kondensator-Verdampfer-Einheit übertragen, wodurch diese Einheit mit der konstanten Drehzahl der jeweiligen Getriebeanordnung in Drehung versetzt wird.

Wie vorausgehend erwähnt wurde, tritt der vom Turbinendiffusor 46 austretende Abdampf in den umlaufenden Kondensator C_ ein, wo er kondensiert, wobei im Einklang mit der vorliegenden Erfindung das verdichtete,aus dem Verdichter P austretende Kältemittel ebenfalls im Kondensator C_ kondensiert. Gemäss der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform umfasst der umlaufende Kondensator C^ eine koaxiale Anordnung von ringförmigen radialen Rippen 80 und sich axial erstreckenden Wärmetauschrohren 81a und 81b, die umfangsseitig verteilt um die Haschinenwelle 10 angeordnet sind und mit dem Maschinengehäuse H und dem Kessel B zusammen umlaufen. Die Rippen 80 bestehen aus getrennten, oder unabhängigen ringförmigen Scheiben, welche mittels der Wärmetauschrohre 81a_ und 81b_, die sich in Längsrichtung durch die Rippen 80 erstrecken, in einem vorgegebenen gleich grossen Abstand zueinander gehalten werden. Die Rippen 80 und die Rohre 81a_ und 81b bestehen aus Metall hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Kupfer oder Aluminium, und die Rippen sind vorzugsweise mit den Wärmetauschrohren durch Hart- öder Weichlöten oder dgl. verbunden, um eine möglichst grosse Wärmeleitfähigkeit zwischen diesen Teilen zu erzielen. *

Die Wärmetauschrohre 81a und 81b sind in voneinander gleichem Abstand ausgewuchtet am Umfang der Rippen 80 um die Welle 10 angeordnet, wie beispielsweise aus Fig. 2 ersichtlich ist. Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung dienen die Wärmetuaschrohre 81^ des Kondensators £ zur Kondensation des vom Diffusor 46 austretenden Arbeitsfluids und die abwechselnd angeordneten Wärmetauschrohre 81b dienen zur Kondensation des vom Verdichter P an die Hochdruckkammer 59 der Kältemittel-Expansionseinrichtung RX abgegebenen verdichteten fluiden Kältemittels.

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Zu diesem Zweck sind gemäss der i^(<ig. 3 die inneren Enden der Rohre 81 ji in entsprechenden Öffnungen 82 angeordnet, die in der anliegenden Maschinengehäusewand 8 vorgesehen sind, so dass das Innere der Rohre 81a. in Verbindung mit dem Innenraum der anliegenden Maschinenkammer Y des Gehäuses H steht, in welche der vom Diffusor 46 abgegebene Abdampf des Arbeitsfiuids abgegeben wird. Andererseits erstrecken sich die abwechselnd angeordneten Wärmetauschrohre 81b für den verdichteten Kältemitteldampf durch öffnungen 83 in der Maschinengehäusewand und ihre inneren Enden erstrecken sich durch die anliegende Wand der Kältemittel-Expansionseinrichtung RX, so dass das Innere der Wärmetauschrohre 81t> in Verbindung mit der Hochdruck-Kältemittelkammer 59 steh't. Gemäss Fig. 1 sind die äusseren Enden der Rohre 81_a und 8ib_ in Ausnehmungen 84 befestigt, welche in einem ringförmigen endseitigen Ring 85 angeordnet sind, welcher koaxial neben den äussersten der Rippen 80 angeordnet ist und welcher ausgehend von der Maschinenwelle 10 von umfangsseitig verteilt angeordneten radialen Speichen 86 getragen wird.

Die inneren umfangsseitigen Ränder der Rippen 80 bilden innerhalb derselben eine koaxiale Einlasskammer 87 für das Kühlfluid, welches von und zwischen einer Anzahl von umlaufenden Rippen in der anschliessend beschriebenen Weise nach aussen abgegeben wird. Der Innendurchmesser des Rings 20 und des Rings 85 ist der gleiche wie der Innendurchmesser der anliegenden Gruppe von Rippen 80, damit die Fluidströmung nach innen zur Kammer 87 nicht behindert wird, und ein sich nach aussen erweiterndes oder glockenförmig ausgebildetes Fluideinlasselement 88 ist fest am Ring 20 koaxial ausserhalb des Einlassendes der Kammer 87 angeordnet. Der zentrale Abschnitt der Haschinengehäusewand 8 ist im Bereich der Welle 10 gekrümmt und im wesentlichen konisch ausgebildet, wie bei 8a angedeutet ist, um die Strömung des Wärmetauschfluids durch die Kammer 87 zu den Rippen 80 des Kondensators stromlinienförmig auszubilden.

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Die axiale Länge des Kondensators C_ und der Abstand zwischen benachbarten Rippen 80 wird durch die Drehzahl der Kessel-Kondensator- Verdampfereinheit und die kinematische Viscosität des Kühlfluids so bemessen, dass eine Taylor-Zahl in Bereich von etwa 5 bis 10 und vorzugsweise 6 erhalten wird, und der innere und äussere Radius der Rippen wird so bemessen, dass ein Verhältnis des inneren Radius zum äusseren Radius der Rippen 80 im Bereich von etwa 0.70 bis 0,85» und vorzugsweise etwa 0,77» erhalten wird, um die Viscositätseigenschaften des Kühlfluids und die von den rotierenden Rippen 80 an demselben ausgeübten Scherkräfte auszunützen, um das Kühlfluid zu fördern und radial zwischen die Rippen nach aussen im wesentlichen auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, welche einen optimalen gesamten Wärmeaustausch zviischen den Fluidenin den Rohren 81a, und 81b_und dem zwischen den Rippen 80 strömenden Fluid ermöglicht. Im Einklang mit der in der DT-OS 2 IO7 845 beschriebenen Anordnung erstreckt sich der äussere umfangsseitige Abschnitt sowohl der Gehäusewand 8 und des Rings 85 radial nach aussen über die ,Rippen 80 um einen Betrag hinaus, um dadurch ringförmige radiale Flanschabschnitte F_ und i^_ zu ergeben, welche die Fluidströmung nach aussen zwischen den Rippen 80 erhöhen. Ferner können Schaufeln zur Erhöhung der axialen Fluidströmung zwischen den Flanschabschnitten F und FJ_ vorgesehen werden, wenn dies in der jeweiligen Anlage gewünscht wird.

Gemäss Fig. 3 gelangt der Abdampf der Turbine, welcher aus dem Diffusor 46 in die Gehäusekaminer Y abgegeben wird, in die Wärmetauschrohre 81a des Kondensators C_, in welchem der Dampf durch Wärmeaustausch mit einem Kühlfluid kondensiert wird, welches beispielsweise aus Ungebungsluft besteht, die in der vorausgehend beschriebenen Weise zwischen den Rippenreihen 80 nach aussen abgegeben wird. Das auf diese Weise in den Rohren 81ja gebildete Kondensat fliesst nach innen und wird an den inneren Enden der Rohre in eine η ringförmigen Sammelring 90 abgegeben und anschliessend gelangt es durch eine Anzahl ra-

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dialer Rohre 91 in einen ringförmigen Kessel-Flüssigkeitsbehälter 92. Flüssiges Arbeitsmittel wird dem Kessel B vom Flüssigkeitsbehälter 92 über eine Anzahl radialer Bohre 93 zugeführt. Der Flüssigkeitsstand i, in der Kesselkammer 1 wird selbsttätig ermittelt und durch eine Anzahl von Fühlerrohren 94-, welche die Kesselkammer 1 und den Flüssigkeitsbehälter verbinden, auf konstantem Niveau gehalten; diese Fühlerrohre arbeiten in der in der US-Pb 3 590 786 (veröffentlicht am 6. Juli 1971) beschriebenen Weise.

In ähnlicher'Weise gelangt das verdichtete ,vom Verdichter P abgegebene Kältemittel von der Hochdruckkammer 59 der Expaneionseinrichtung RX in die Wärmeaustauschrohre 81b des umlaufenden Kondensators C_, wo das Kältemittel durch Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium kondensiert wird, welches, wie vorausgehend beschrieben wurde, zwischen die Rippenreihen 80 nach aussen austritt. Das flüssige Kältemittel, welches in den Wärmetauschrohren 81b_ kondensiert, fliesst in diesen Rohren nach innen und wird zur Hochdruckkammer 59 der Expansionseinrichtung RX zurückgeführt, von welcher es um ein radial angeordnetes ringförmigen Wehr 95 iⁿ dieser Kammer zu einer ringförmigen Expansionskammer 96 fliesst.

Das flüssige Kältemittel in der Kammer 96 wird unter Druck axial über eine Anzahl von umlaufenden Expansionsdüsen 97 abgegeben und tritt anschliessend durch ringförmige, nichtumlaufende Reihen von Expansions-Turbinenschaufeln 98, welche in dem ringförmigen umfangsseitigen Randabschnitt 72 des Drehmomentankers _T vorgesehen und gegenüber den umlaufenden Düsen 97 gemäss den Fig. 3 und 10 angeordnet sind. Die Expansionsdüsen 97 sind vorzugsweise in umfangsseitig im Abstand angeordneten Gruppen angeordnet, wovon jede eine Anzahl von Düsen aufweist, wie beispielsweise aus Fig. 5 hervorgeht, in welcher die Expansionsdüsen 97 in zwei Gruppen von jeweils drei Düsen angeordnet sind, welche diametral angeordnet und konzentrisch gegenüber der Drehachse der Maschine liegen.

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Wie aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich ist, gelangt das von den Expansionsschau fein abgegebene flüssige Kältemittel in den Verdampfer E_, in welchem es durch Wärmeaustausch mit einem anderen Fluid, beispielsweise Umgebunprsluft, verdampft wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel v/eist der Verdampfer E einen ähnlichen Aufbau wie der vorausgehend beschriebene Kondensator C_ auf und enthält eine koaxiale Reihe von ringförmig angeordenten radialen Rippen 100 sowie sich axial erstreckenden Warmetausehrohren 1O1, die umfangsseitig um die Maschinenwelle 9 angeordnet und zum Umlauf mit dem Maschinengehäuse H, dem Kessel Is und dem Kondensator £ als Einheit bestimmt sind.

Die inneren Enden der Rohre 101 sind in entsprechenden öffnungen 102 befestigt, welche in der anliegenden Maschinengehäusewand 7 vorgesehen sind, so dass das Innere der Rohre 101 in Verbindung mit der anliegenden inneren Kühlkammer X des Maschinengehäuses H steht und den nicht-umlaufenden Expansionsschaufeln 98 gegenüberliegt. Ein ßammelring 99» welcher mit einer nach innen vorstehenden Lippe 99a. vorgesehen ist, umgibt die inneren Enden der Rohre 101. Die äusseren Enden der Rohre 101 sind in Ausnehmungen 103 angeordnet, welche in einem endseitigen Ring 104 vorgesehen sind, welcher koaxial neben den äussersten Rippen 100 liegt und von der Maschinenwelle 9 durch umfangsseitig im Abstand angeordnete radiale Speichen 105 getragen wird.

Qemäss Fig. 3 bilden die inneren umfangsseitigen Ränder der Rippen 100 innerhalb derselben eine koaxial angeordnete Einlasskammer 106 für das Wärmeaustauschfluid, welches durch die und zwischen der Anzahl umlaufender Rippen 100 in der vorausgehend in Verbindung mit dem Kondensator C_ beschriebenen Weise nach aussen abgegeben wird. Der Innendurchmesser des Rings 104 und des nach aussen anliegenden Rings 14 ist der gleiche wie der Innendurchmesser der Rippen 100, so dass die Fluidströmung in die Kammer 106 nicht behindert wird, und ein sich nach aussen erweiterndes oder glockenförmig ausgebildetes Einlassele-

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ment 107 ist starr am Ring 14 koaxial dazu und ausserhalb des Einlassendes der Kammer 106 angeordnet. Eine gewölbte, im wesentlichen konisch ausgebildete Kappe 108 umgibt die Maschinenteile 9» um die Strömung des Wärmeaustauschi'luids durch die Kammer 106 zur Rippenreihe 100 des Verdampfers E stromlinienförmig zu gestalten.

Wie im Kondensator C_ erstrecken sich die äusseren umfangsseitigen Abschnitte sowohl der anliegenden Gehäusewand 7 und des Rings 104 radial zwischen den Rippen 100 einen gev/issen Betrag nach aussen, um ringförmige radiale Flanschabschnitte FJ^ und F¹¹I ₁ zu ergeben, welche wirksam sind, um die Fluidströmung nach aussen zwischen den Rippen zu erhöhen, während behäufeln zur Erhöhung der axialen Fluidströmung zwischen den Flanschabschnitten F_^ und F_-^¹ , falls erwünscht, in der vorausgehend beschriebenen Weise vorgesehen werden können.

Wie beim Kondensator C_ wird die axiale Länge des Verdampfers E_ und· der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Hippen 100 durch die Drehzahl des Verdampfers und dem inneren und äusseren Radius der Rippen 100 bestimmt, damit die Viscositätseigenschaften des Fluids und die auf dieses durch die Kippen 100 ausgeübten Scherkräfte dazu ausgenützt werden, das Fluid zwischen den Rippen zu befördern und im wesentlichen auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, welche einen optimalen Gesamtwärmeaustausch zwischen den durch die Rippen 100 strömenden Fluide und dem in den Rohren 101 fliessenden Kältemittel- ermöglicht.

Das durch die Expansionsschaufeln 98 abgegebene kondensierte Kältemittel fliese vollständig in die Verdampferrohre 101 mit Ausnahme von zwei Rohren, die mit 101ji bezeichnet sind. Das in die Bohre 101 eintretende Kältemittel wird darin durch Wärmeaustausch mit einem Fluid, beispielsweise Umgebungsluft, verdampft und nach aussen zwischen der Reihe von Hippen 100

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in der vorausgehend beschriebenen Weise abgegeben, und das verdampfte Kältemittel fliessteinwärts und wird von den inneren Enden der Rohre 101 in die anliegende Kühlkammer X im Maschinengehäuse H abgegeben. Aus der Kühlkammer X tritt das verdampfte Kältemittel wiederum durch die Einlasskanäle 55 in den Verdichter F_ ein, wo es erneut verdichtet und vom Rotor 52 an den Kondensator £ und an den Verdampfer E in der vorausgehend beschriebenen Weise abgegeben wird.

Die beiden Rohre 101_a_, in welche das Kältemittel nicht eintritt, liegen diametral 180° einander gegenüber und das von den Expansionsschaufeln 98 abgegebene Kältemittel wird am Eintritt in die Rohre 101ει, durch Ablenkelemente 110 gehindert, welche den anliegenden offenen Enden der beiden Rohre 101a_ gemäss den Fig. 3 und Ja axial gegenüberliegen. Die beiden Verdampfe rohre 101ji dienen zur Sammlung und Rückführung von Arbeit s fluid welches zum Kältemittel wandert, in die Kammer Y_, wobei das Arbeitsfluid beispielsweise längs der Turbinenwelle 38 von der Maschinenkammer Y zur Kühlkammer X wandert.

Zu diesem Zweck sind die äusseren Enden aller Verdampferrohre 101 und der beiden Rohre 101ja mittels eines ringförmigen Verteilers 111 verbunden, welcher in der Endplatte 104 vorgesehen ist. Auf diese Weise verdampft Arbeitsfluid, welches in das Kältemittel system wandert, nicht in den Rohren 101, sondern fliesst durch den Verteiler 111 und sammelt sich in den beiden diametral entgegengesetzt zueinander angeordneten Rohren 10Ia₁, welche gegen den Eintritt von Kältemittel durch Ablenkelemente 110 geschützt sind. Flüssiges Arbeitsfluid, welches sich in den beiden Rohren 1O1£ sammelt, fliesst in diesen einwärts und wird mittels eines Paares von diametral angeordneten Rohren 112 zum öchmiermittelbad 118 an der Innenfläche der umfangsseitigen Maschinengehäusewand 5 neben der Kesselkammer 1 gebracht, wo das flüssige Arbeitsfluid erneut verdampft und sich mit dem Turbinenabdampf innerhalb der Haschinenkammer Y vermischt.

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In ähnlicher Weise wird jegliches Kältemittel, das in das Arbeitsfluid eintritt, nicht in dem Kondensatorrohren 81a, für das Arbeitsfluid kondensiert, sondern sammelt sich an den äusseren Enden dieser Rohre 81a. und eines verbindenden ringförmigen Verteilers 113, von welchem es zur Kühlkammer X des Gehäuses H mittels zweier diametral entgegengesetzt angeordneter» sich axial erstreckender Rohre 114 zurückbefördert wird.

In der Vorrichtung ist ein Druckschmierungssystem vorgesehen, welcheseine Pitotpumpe gemäss den Fig. 3» 6, 8 und 10 verwendet. Wie aus den ,Figuren ersichtlich ist, weist die Pitotpumpe einen radialen Kanal 116 auf, welcher im Pendelelement 75 angeordnet ist und welcher an seinem äusseren Ende eine L-förmige Schaufel 117 bildet, deren Einlassende in ein ringförmiges Schmiermittelbad 118 eintaucht, welches sich umfangsseitig innerhalb des Maschinengehäuses H erstreckt und welches einer Richtung zugewandt ist, die entgegengesetzt zur Drehrichtung der Schaufel liegt. Das innere Ende des Kanales 116 ist an ein radiales Rohr 119 angeschlossen, welche eine der Fluidö ff mangen 74- überbrückt und zu einem sich radial erstreckenden Kanal 120 im zentralen Nabenabschnitt 66 des Drehmomentankers T. führt.

Neben dem inneren Ende teilt sich der Kanal 120 in zwei im Winkel zueinander liegende abzweigende Kanäle 121 und 122 auf. Der Kanal 121 fördert Schmiermittel zum Inneren des Nabenabschnitts 66 zur Schmierung der Lager 67 am inneren Ende der Maschinenwelle 9 und der Kanal 122 führt zum radialen Schenkel eines Anschlußsteilε 123 in der Form eines auf dem Kopf stehenden L, dessen horizontaler Abschnitt sich koaxial inerhalb des Stirn rads 63 des Getriebes mit konstantem Übersetzungsverhältnis erstreckt, wie dies beispielsweise in Fig. 8 dargestellt ist. Die Maschinenwelle 38 ist in ihrem Innern mit einer sich koaxial erstreckenden Schmiermittelbohrung 125 ausgestattet, welche radiale Kanäle 126 und 127 aufweist, die von der Bohrung nach aussen gerichtet sind, um

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die Lager 39 und 56 der Maschinenwelle zu schmieren, sowie mehrere Zahnräder in dem Getriebe mit konstantem tbersetzungsverhältnis.

Eine Drehung des Maschinengehäuses H gegenüber dem sich nicht drehenden Drehmomentanker T_ fördert Schmiermittel des Schmiermittelbadsi18 von der Schaufel 117 nach einwärts und durch die Verbindungskanäle und Rohre zu den Lagern 39> 56 und 67 des Getriebes, wie vorausgehend beschrieben wurde. Schmiermittel vom Lager 39 tritt durch einen radialen Kanal 128 in ein Paar diametral zueinander angeordneter radialer Rohre 129 ein, von welchen es zum Schmiermittelbad 118 zurückkehrt. Schmiermittel aus dem Lager 56 und dem Getriebe tritt in einen Sammelring 13O aus, von welchem es mittels eines Paares von diametral zueinander angeordneten Rohren I3I zum Echmiermittelbad 118 zurückkehrt. In ähnlicher Weise tritt Schmiermittel ais den Lagern 67 ebenfalls in einen Sammelring I32 ein, von welchem es mittels eines Paars diametral zueinander angeordneter radialer Rohre 133 zum Schmiermittelbad 118 zurückkehrt. Offnungen 134· am Umfang der Trennwand 61 gestatten eine Schmiermittelströmung von der Maschinenkammer Y_ zur Kältekammer X im Maschinengehäuse H.

Der Flüssigkeitsstand des Bades 118 wird durch eine Regelrohranordnung geregelt und im wesentlichen konstant gehalten, welche einen radialen Kanal 116' aufweist, der im Pendelelement angeordnet ist und der an seinem äusseren Ende eine L-förmige Schaufel 117' aufweist, deren Einlassende in.eine Richtung zeigt, die entgegengesetzt zur Drehrichtung des Gehäuses H ißt und welche auf dem Niveau oder Radius liegt, das oder der für die Oberfläche des Schmiermittelbads 118 gewünscht wird. Mit dem inneren Ende des Kanals 116' steht ein winklig ausgebildetes Rohr II9¹ in Verbindung, dessen Auslassende radial nach aussen gerichtet ist und einem nach innen gerichteten Sammelring 60a, gegenüberliegt, welcher im Umfangsabschnitt des inneren Trennwandelements 60 an der Verbindung desselben mit dem äusseren

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Trennwandelement 61 angeordnet ist.

Eine Wanderung von Arbeitsfluid zum Verdampfer bewirkt ein Ansteigen des Fluidspiegels im Schmiermittelbad 118 und eine Drehung des Maschinengehäuses H gegenüber dem Pendelelement 75 bewirkt eine Abschöpfung von überschüssigem Fluid vom Schmiermittelbad 118 und ein Pumpen desselben einwärts der Schaufel 117' und über den Kanal 116' zum Rohr 119'» von welchem das Fluid radial in den Sammelring 60a_ abgegeben wird. Auf diese Weise dem Ring 60a. zugeführtes überschüssiges Fluid wird durch ein radiales Rohr 112' der inneren Umfangsfläche der Maschinenkammer Y neben dem Kessel zugeführt, durch welchen das zugeführte Arbeitsfluid verdampft wird und das flÜBsige Schmiermittel durch öffnungen 1J4- zur Kühlkammer X zurückkehrt.

Eb ist offensichtlich, dass beim Anlaufen der Maschine durch den Kessel B kein Dampfdruck erzeugt wird, um die Expansionseinrichtung PX und damit die Kessel-Kondensator-Verdampfer-Einheit anzutreiben. Daher ist es beim Anlauf erforderlich, die Kessel-Kondensator-Verdampfer-Einheit unabhängig mit der gewünschten Drehzahl anzutreiben, um eine Flüssigkeit-Dampf-Grenzschicht i_ in der Kesselkammer 1 zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, bis der ringförmige Flüssigkeitskörper im Kessel auf eine Temperatur erhitzt wird, um den gewünschten Dampfdruck zum Antrieb der Turbine 35 zu liefern. Dies kann beispielsweise mittels eines Anlassermotors M erfolgen, welcher eine an der Haschinenwelle 10 angeordnete Riemenscheibe 135 über einen Antriebsriemen 1J6 antreibt. Eine Einrichtung, wie beispielsweise eine nicht dargestellte Kupplung, kann vorgesehen werden, um die Verbindung zwischen den Motor M und der Riemenscheibe 135 zu lösen, wenn die Maschine ihren normalen Betrieb erreicht, oder der Motor kann durch die umlaufende Kessel-Kondensator-Verdampfer-Einheit und die Welle weiterhin angetrieben werden, um als Generator zu arbeiten, der beispielsweise eine Batterie auflädt, welche die Zube-

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höraggregate wie etwa den Anlassermotor, Anzeigelampen und dgl. mit Strom versorgt.

Ein besonderes Merkmal der "beschriebenen erfindungsgemässen Ausführungsform ist ihr Aufbau in solcher Weise, dass ein getrenntes Arbeitsfluid und Kältemittel verwendet werden kann, ohne dass die Notwendigkeit besteht, eine positive Abdichtung vorzusehen, welche die beiden Fluide trennt. Dies wird erreicht, indem als Arbeitsfluid ein Fluid mit einem Dampfdruck verwendet wird, welcher bei der Temperatur im Kältmittelkondensator einen abgangsseitigen Arbeitsfluiddruck liefert, der mindestens so gross wie der Kältemitteldruck im Verdampfer ist. Beispiele von zwei Fluiden, welche näherungsweise die beschriebene DampfdruckbeZiehung aufweisen und die in der Vorrichtung verwendet werden können, sind 1,1,2-Trichlor-i,2,2-trifluoräthan als fluides Kältemittel und Benzotrifluorid oder eine Mischung von Tetrachloräthylen und Trichloräthylen als Arbeitsfluid. Die Drücke der beiden Fluide im Maschinengehäuse H sind nahezu die gleichen, und die Temperaturen der beiden Fluide an den Kondensatorrohren sind die gleichen, jedoch liegt der Kältemittel druck in den Kondensatorrohren 81b_ bei dem Verdichterauslassdruck und ist daher merklich höher als der Druck in den Kondensatorrohren 81a für das Arbeitsfluid.

Beim normalen Betrieb der umlaufenden Maschine, wobei der Flüssigkeitsringkörper in der Kesselkammer 1 auf die erforderliche Temperatur und dem erforderlichen Druck der Verbrennung einer Brennstoff-Luftmischung in der Kammer 27 erhitzt wird, wird der im Kessel erzeugte Druckdampf einwärts durch die fiohre 93 an einen Verteiler 41 und anschliessend durch die Düsen AO zum Aufprall gegen die Turbinen se hau fein 37 abgegeben, wodurch der Turbinenrotor 351 die Welle 38 und der Verdichterrotor 52 mit der gewünschten vorgegebenen Drehzahl angetrieben werden. Die Welle 38 treibt über das vorangehend beschriebene ummantelte Getriebe die umlaufende Kessel-Kondensator-Verdampfer-Einheit mit einer vorgegebenen Drehzahl

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gegenüber der Drehzahl der Welle 38» welche durch das konstante Übersetzungsverhältnis des Getriebes bestimmt wird. Bei der dargestellten und beschriebenen Ausführungsform ist die Drehrichtung der Kessel-Kondensator-Verdampfer-Einheit entgegengesetzt zur Drehrichtung der Turbine 35 und der Welle 38.

Der Abdampf von der Turbine tritt durch den Diffusor 4-6 in die Gehäusekammer Y und gelangt in die Wärmeaustauschrohre 81a, wo er durch das Kühlfluid kondensiert, welches zwischen die Rippen 80 in der vorausgehend beschriebenen Weise nach aussen abgegeben wird. Das Kondensat fliesst in den Rohren 81jä. nach einwärts in den bammler 90, von welchem es durch Rohre 91 zum Kessel-Flüssigkeitsbehälter 92 zurückgeführt und dem Kessel in gesteuerter Menge zugeführt wird, welche der Verdampfungsmenge der Flüssigkeit im Kessel entspricht.

Das Kältemittel-Fluid in der Maschinenkammer X tritt in den Verdichter P durch Einlasskanäle 55 ein, wird durch den Rotor 52 verdichtet und durch Kanäle 57 und 58 der Hochdruckkammer 59 der Kältemittelexpahsionseinrichtung PX zugeführt. Das verdichtete Kältemittel gelangt anschliessend in die Wärmetauschrohre 81b des Kondensators C_, wo es durch das nach aussen zwischen die Rippen 80 austretende Kühlfluid in der vorausgehend beschriebenen Weise kondensiert wird. Das kondensierte Kältemittel kehrt zur Expansionseinrichtung PX zurück und tritt über Düsen 97 durch die nicht-umlaufenden Expansionsschaufeln 98 in die Verdampfer^ohreioi ein. Das kondensierte Kältemittel-Fluid wird in den Rohren 101 verdampft und kehrt dann zur Kanner X zurück, um erneut verdichtet, kondensiert und verdampft zu werden.

Ein typischesBeispiel einer Keiz- und Kühlvorrichtung mit umlaufender Maschine, ,die in einem geschlossenen Rankine-Kreis arbeitet und welche ein Zweikreissystem mit zwei Fluiden gemäss der vorliegenden Erfindung verwendet und für eine Ausgangsleistung von 6,53 Pk an der Turbinenwelle 38 ausgelegt

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ist, weist einen Kessel B_ mit einem Durchmesser des tflüssigkeitsniveaus i, von 86,5 cm (38,0 Zoll) und eine axiale innere Länge auf, welche ausreicht, um der Kesselflüssigkeit aus den Verbrennungsgasen die erforderliche Wärme zuzuführen. Der Durchmesser der Kessel-Expansions-Turbine an den Schaufeln 40 beträgt etwa 8,9 cai (3i5 Zoll) und der Durchmesser des Verdichters ist so bemessen, damit das Kältemittel-Fluid vom Verdampferdruck auf Kondensatordruck verdichtet wird. Die Rippen des Kondensators 0_ besitzen einen Aussendurchmesser von 53»34- cm (21,00 Zoll) und einen Innendurchmesser von 4A-,2 cm (17,40 Zoll). Die axiale Länge der Reihen von Kondensatorrippen 80 beträgt 60,96 cm (24, 00 Zoll) und der Abstand zwischen angrenzenden Rippen beträgt 0,94 mm (0,037 Zoll), wobei die Achsen der Wärmetauschrohre an einem Radius von 24,74 cm (9«74- Zoll) von der Drehachse der Vorrichtung entfernt sind. Die Rippen des Verdampfers besitzen einen Aussendurchmesser von 53»34· cm (21,00 Zoll) und einen Innendurchmesser von 41,4 cm (16.30 Zoll). Die axiale Länge der Reihen von Verdampferippen beträgt 15,24 cm (6,00 Zoll) und der Abstand zwischen benachbarten Rippen beträgt 0,81 mm (0,032 Zoll). Die sich axial erstreckenden Verdampferohre sind ebenfalls auf einem Radius von 24,74 cm (9.74 Zoll) von der Drehachse der Vorrichtung angeordnet. Die Kessel-Kondensator-VerdampferEinheit wird mit einer Drehzahl von 1200 U/min, über die Turbine und das Getriebe mit konstantem Übersetzungsverhältnis in einer Drehrichtung angetrieben, die entgegengesetzt zur Drehrichtung des Turbinenrotors 35 ist. Wird als Kessel-Arbeitsfluid eine Mischung von Tetrachloräthylen und Trichloräthylen Verwendet und 1,1,2-Trichlor-i,2,2-trifluoräthan als Kältemittel-Fluid, so ergeben sich für einen typischen Betrieb der Vorrichtung folgende Daten:

Kesseltemperatur 260° C (5OO⁰ l·¹)"
Kesseldruok 19,34 ata (27£ psia)
Kesselleistung 18,37 χ 10⁶ cal/h (72 900 Btu/h) Turbinendrehzahl 45 000 U/min.

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Wirkungsgrad des Hankine-Kxeise 30 7° Kondensatorsattigungs-Temperatur 54° C (13Ο⁰ F) Kondensatordruck

Arbeitskreis 0,19 ata (2,7 psia)
Kältemittelkreis 1,27 ata (18,0 psia)

Kondensatorleistung (Kesselfluid) 14,24 χ 10 cal/h' (56 500 Btu/h)

Kondensatorleistung (Kältemittel) 11,69 x 10 cal/h 46 400 Btu/h)

Kondensatorluftströmung 130,83 mvmin. (4620 c.f.m.) Verdampfertemperatur 4,4° C (40° F)
Verdampferdruck 0,19 ata (2,7 psia)
Verdampferleistung 9,07 χ 10⁶ cal/h (36 000 But/h) Verdampferluftströmung 61,73 mViin· (2180 c.f.m.)

Eine alternative Ausführungsform eines Kondensators für getrenntes Arbeitsfluid und Kältemittel eines Zweikreissystems ißt in den Fig. 11, 12 und 13 dargestellt, in welchen die gleichen Bezugszeichen für Teile verwendet sind, welche der Fig. 3 entsprechen und vorausgehend beschrieben wurden. In. dieser alternativen Ausführungsform sind die ringförmigen Bippen des vorausgehend beschriebenen Kondensators umfangsseitig aufgeteilt, um im engen Abstand voneinander angeordnete > äussere und innere,konzentrisch zueinander liegende ringförmige Kondensatorabschnitte CJ_ und C^_ Jeweils für das Kesselarbeitsfluid und das Kältemittel zu erhalten.

Durch die Anordnung derartiger konzentrischer äusserer und innerer Kondensatorabschnitte CJ_ und CJ|_ wird ein thermischer Spalt zwischen den beiden Kondensatorabschnitten geschaffen, so dass das äussere Arbeitsfluid zur Erzielung eines wirksamen Wärmeüberganges bei Temperaturen betrieben werden kann, die viel höher sind als die für einen wirksamen Betrieb des inneren Kältemittel-Kondensatorabschnitts erwünschten Temperaturen. Damit kann die Kondensatorkapazität für das Arbeitsfluid erheblich gesteigert werden im Vergleich zum Einheitskondensator C_-, der vorausgehend beschrieben wurde. Wie im

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vorausgehend beschriebenen System, welches zwei Fluide verwendet, sollte der Arbeitsfluid-Kcndensatordruck gleich gross wie oder geringfügig grosser als der Kältemittel-Verdampferdruck sein, damit die Notwendigkeit entfällt, eine positive Abdichtung zu schaffen, welche die beiden Fluide trennt. Jedoch wird mit Eilfe des thermisch unterteilten Kondensators die Auswahl einer geeigneten Kältemittel- und Arbeitsfluid-Kombination erheblich vereinfacht.

Es wird auf die Fig. 11 Bezug genommen, gemäss welcher die äusseren und inneren konzentrischen Kondensatorabschnitte CJ_ und C_^ jeweils eine koaxiale Reihe von eng nebeneinander liegen, ringförmigen Kippen 80' und 80" aufweisen, welche in der vorausgehend beschriebenen V/eise aus einem Metall hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen und welche radial fluchtend zueinander zur Erzielung einer wirksamen Luftströmung zwischen ihnen angeordnet sind. Wärmetauschrohre 81a¹ für das Kesselarbeitsfluid erstreckenßich axial durch die fiippen 80' des äusseren Kondensatorabschnitts CJ_ und Wärme tauschrohre 81b¹ für das Kältemittel-Fluid erstrecken sich in ähnlicher Weise axial durch die Hippen 80' des inneren Kondensatorabschnitts CJ^. Wie vorausgehend beschrieben wurde, bestehen die Hippen 80' und 80" aus getrennten oder unabhängigen ringförmigen ücheibenelementen und sind durch die Wärmetauschrohre 81a¹ und 81b_' jeweils im vorgegebenen gleichen Abstand und parallel zueinander gehalten, wobei die Rippen vorzugsweise mit den Wärmetauschrohre verbunden sind, um eine möglichst

grosse Wärmeleitfähigkeit zwischen diesen Teilen zu gewährleisten.

Wie in Fig. 12 dargestellt ist, sind die Wärmetauschrohre 81a¹ und 81b¹ umfangsseitig um die iiaschinenwelle angeordnet. Die Hohre 81a¹ sind an ihren entgegengesetzten Enden jeweils mit dem barrnelring 90 und dem Verteiler 113 verbunden, wie vorausgehend in Bezug auf die Rohre 81^ beschrieben wurde, wobei, wie aus iig. 13 ersichtlich ist, die Kältemittel-Wärme-

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tauschrohre 81b¹ eine in axialer Richtung längliche U-Form aufweisen, welche an einem Ende geschlossen ist und welche sich mit dem anderen Ende durch öffnungen 83* in der anliegenden Wand 8 des Maschinengehäuses H erstreckt und in der beschriebenen Weise mit der Hochdruck-Kaitemittelkammer 59 der Kältemittel-Expansionseinrichtung BX

verbunden ist. Durch die Verwendung der

erwähnten U-Form für die Wärmetauschrohre 81V kann die erforderliche Anzahl von Kältemittel-Kondensatorrohren vorgesehen werden, während nur die halbe Anzahl von Rohren sich durch die Gehäusewand 8 erstreckt, so dass diese baulich nicht geschwächt wird.

In ähnlicher Weise wie bei der vorausgehend beschriebenen Ausführungsform ist eine thermisch isolierte Trennwand 60' zwischen der Innenfläche der umfangsseitigen Wand 5 des Maschinengehäuses H und der Aussenfläche der Arbeitsfluid-Expansionseinrichtung PX vorgesehen, wodurch das Innere des Maschinengehäuses H in die vorausgehend beschriebenen Kühl- und Maschinenkammer X und Y unterteilt und getrennt wird. Offnungen 60a', welche einen grösseren Durchmesser als die Wärmeaustauschrohre 81b' aufweisen, nehmen Isolierhülsen 60b' von vergleichbarem Durchmesser auf, welche die offenen Endabschnitte jedes Rohrs 8lb^f im Abstand hiervon umgeben. Die Hülsen 6Ob_-' erstrecken sich von der Trennwand 60' nach aussen und enden jenseits der Gehäusewand 8 neben den Rippen C" und dienen zur Isolierung des Kältemittels in umschlossenen Abschnitten der Rohre 81b, gegenüber der höheren Temperatur in der Maschinenkammer Y. Abgesehen von den Unterschieden in der abweichenden Kondensatorbauart und der gerade beschriebenen Anordnung, entsprechen Aufbau und der Betrieb der Ausführungsform der Erfindung gemäss den Fig. 11, 12 und I3 jenen der Ausführungsform gemäss den Fig. 1 bis 10 und brauchen deshalb nicht erneut beschrieben werden.

Die Kondensatorbauart gemäss Fig. 11 bis I3 ist zum Betrieb

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mit einer Taylor-Zahl zwischen 5>0 und 10,0, vorzugsweise etwa 6, bestimmt und das Verhältnis des Innenradius der Rippen 80" des inneren Kondensatorabschnitts C^_ zum Aussenradius der Sippen 80' im äusseren Kondensatorabschnitt C_^_ liegt im Bereich von etwa 0,70 bis etwa 0,85 und vorzugsweise bei etwa 0,77· Die radiale Lage des bpalts zwischen den wippen 80' und 80" der äusseren und inneren Kondensatorabschnitte C' und CJ^ hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, _wie die Art des verwendeten Arbeitsfluids und Kältemittels, . des thermodynanisehen Kreises und der Wärmeübertragungskoeffizienten, von den Wärmeleitfähigkeiten der jeweiligen Werkstoffe, aus denen die Kondensatorrippen und Wärmetauschrohre hergestellt sind, und muss in jedem i'all bestimmt werden. Die folgende Gleichung liefert dazu eine Entwurfsbasis:

Dabei ist A₁ = Fläche des inneren Hippenabschnitts A₂ - Fläche des äusseren Eippenabschnitts q,, = Wärmeübergangskennzahl des inneren Abschnitts q₂ = Wärmeübergangskennzahl des äusseren Abschnitts t = Lufttemperatur beim Eintritt in den Kondensator

ty, - Sättigungstemperatur des Kältemittels im inneren Kondensatorabschnitt

t₂ = Sättigungstemperatur des Arbeitsfluids im äusseren Abschnitt des Kondensators

Ein typisches Beispiel einer Heiz- und Kühlvorrichtung, welche mit einer umlaufenden Maschine im einem geschlossenen Rankine-Kreis arbeitet und welche die unterteilte Kondensatorbauart gemäss den Fig. 11 bis 13 verwendet und für eine Leistung von 5,88 hb ausgelegt ist, wobei an der Turbinenwelle 38 1,72 t£> zum Antrieb des Generatormotors M zur Erzeugung zusätzlicher elektrischer Leistung verfügbar sind, weist einen Kessel h auf, welcher einen Durchmesser i_ des Flüssigkeitsspiegels von 45,7 cm (18 Zoll) besitzt und eine axiale innere Länge, welche

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ausreiclit, der Kesselflüssigkeit die erforderliche Wärme von den Verbrennungsgasen zu übertragen. Der Durchmesser der Kesselexpansionsturbine an den Schaufeln 40 liegt bei 8,9 cm (3,5 Zoll) und der Durchmesser des Verdichters ist derart ausgelegt, dass das Kältemittel von Verdampferdruck auf Kondensatordruck verdichtet wird. Die Rippen 80' des äusseren Arbeitsfluid-Kondensators CJ_ besitzen einen Aussendurchraesser von 23,0 cm (13»G Zoll) und einen Innendurchmesser von 30 »73 cm (12,1 Zoll). Die Kippen 80" des inneren Kältemittelkondensators C^ weisen einen Aussendurchmesser von 30»48 cm (12,0 Zoll) und einen Innendurchmesser von 25,4 cm (10,0 Zoll) auf. Die axiale Länge der Reihe der Kondensatorrippen 80' und 80" beträgt 24,13 cm (9,5 Zoll) und der Abstand zwischen angrenzenden Rippen beträgt 0,635 mm (0,028 Zoll), wobei die Achsen der Wärme tauschrohre in einem Radius von der Drehachse der Vorrichtung von 13,97 cm (5»5 Zoll) für den inneren Kondensatorabschnitt Cj^ und 16,0 cm (6,3 Zoll) für den äusseren Kondensatorabschnitt C^ entfernt sind. Die Rippen 100 des Verdampfers E weisen einen Aussendurchmesser von 33»0 _Cm (13»° Zoll) und einen Innendurchmesser von 25,4 cm (10,0 Zoll) auf. Die axiale Länge der Reihe der Verdampferrippen beträgt 20,07 cm (7,9 Zoll) und der Abstand zwischen angrenzenden Rippen beträgt 0,611 mm (0,025 Zoll). Die sich axial erstreckenden Verdampferrohre 101 und 101a sind ebenfalls in einem Radius von 14,73 cm (5»8 Zoll) von der Drehachse der Vorrichtung entfernt. Die Kessel-Kondensator-Verdampfer-Einheit wird mit einer Drehzahl von 2300 U/min. von der Turbine über ein Getriebe mit konstantem übersetzungsverhältnis in einer Drehrichtung angetrieben, welche der Drehung des Turbinenrotors 35 entgegengesetzt ist. Bei Verwendung des Kessel-Arbeitsfluids, welches aus einer Mischung von Trichlortrifluorbenzol-Isomeren besteht, gemäss der Ub-PS 3 702 534 (ausgegeben am 14. November 1972) und von 1,1,2-Trichlor-1,2,2-trifluoräthan als Kältemittel ergeben sich für einen typischen Betrieb der Vorrichtung folgende Daten:

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Kesseltemperatur 327° C (620° F)

Kesseldruck 10,48 ata (149 psia)

KeSolleistung 24,32 χ 10⁶ cal/h (96 500 Btu/h) Turbinendrehzahl 45 000 U/min.

Wirkungsgrad des-Rahkine-Kreises 20 % Kondensator-bättigungstemperatur

Arbeitsfluidkreis -15,6° C (4,0° F) Kühlkreis -7,5° C (18,5° F)

Leistung des äusseren Kondensators
(Arbeitsfluid) 20,61 χ 10° cal/h (81 800 Btu/h) Leistung des inneren Kondensators
Kältemittel 7,96 χ 10^b cal/h (31 600 Btu/h) Kondensator-Luftstrom 45,31 mVmin. (1600 c.f.m.) Verdampfertemperatur 4,4° C (40° F)
Verdampferdruck 0,19 ata (2,7 psia)
Verdampferleistung 6,05 χ 10⁶ cal/h (24 000 Btu/h) Verdampferluft strom 22,65 mVmin. (800 c.f.m.)

Im vorausgehenden Beispiel ist der Arbeitsfluid-Kondensatordruck (0,28 ata) etwas höher als Verdampferdruck (0,19 ata) und dies ist notwendig, wenn Leistung für einen Generator zusätzlich zur Klimatisierung oder Erwärmung geliefert werden soll. Der höhere Kondensatordruck bei voller Leistung gestattet Kondensator-Druckschwankungen, welche bei sich ändernden Generatorbelastungen auftreten und erfordert dennoch, dass der Kondensatordruck immer gleich gross wie oder grosser als der Verdampferdruck ist. Eine derartige Anordnung gewährleistet, dass sich Kältemitteldampf nicht am Ende des Arbeitsfluid-Kondensators sammelt und dessen Kapazität verringert.

Die vorausgehend beschriebene Ausführungsform, in welcher zwei Fluide von unterschiedlich hohen Molekulargewicht für das kältemittel und das Arbeitsfluid verwendet werden, arbeitet wirksamer als bei Verwendung eines einzigen Fluids sowohl als Arbeitsfluid und Kältemittel, weil es in einer Anordnung mit zwei Fluiden möglich ist, ein Arbeitsfluid auszuwählen, welches

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einen Arbeitskreis der Maschine mit höherem Wirkungsgrad ergibt.

Es kann Jedoch bei gewissen Anlagen wünschenswert sein, ein einziges Fluid zu verwenden und eine Ausführungsform der Erfindung, die zum Betrieb mit einem einzigen Fluid sowohl für die Maschinenleistung wie für die Kühlung dient, ist in !'ig. dargestellt. Abgesehen von einigen anschliessend beschriebenen baulichen Unterschieden ist die Vorrichtung nach Pig. 14 im übrigen in gleicher Weise wie die vorausgehend beschriebene Vorrichtung ausgebildet und entsprechend v/erden jene Bauteile in Fig. 14, die· den Bauteilen der ersten Ausführungsform entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass eine unnötige Wiederholung der Beschreibung vermieden wird.

Die Hauptunterschiede zwischen der Ausführungsform gemäss Fig. 14 und der ersten Ausführungsform bestehen darin, dass gemäss Fig. 14 das Innere des Maschinengehäuses in eine Niederdruck- und Hochdruckkannier unterteilt ist, statt sich auf einem im wesentlichen gleichmässigen Druck zu befinden, und dass alle Kondensator-Wärmetauschrohre zum Kondensieren des einzigen Fluids verwendet werden im Vergleich zur ersten Ausführungsform, in welcher das Arbeitsfluid in einer Gruppe von Kondensatorrohren kondensiert und das Kältemittel in einer zweiten Gruppe von Kondensatorrohren.

Gemäss Fig. 14 ist in der Ausführungsform mit einem einzigen Fluid das Innere des Maschinengehäuses H in zwei getrennte Druckkammern XJ_ und YV_ unterteilt, was durch eine ringförmige, tellerartige Trennwand 140 erfolgt. Der innere umfangsseitige Band der Trennwand 140 umgibt kontinuierlich die äussere Oberfläche des Verdichters F zwischen den Verdichtereintrittskanälen 55 und den Austrittskanälen 57ι wie bei 141 gezeigt ist, und ist mit der Aussenfläche verschweisst oder in anderer Weise fluiddicht verbunden. Der äussere umfangsseitige Teil der Trennwand 140 bildet einen ununterbrochenen, sich axial erstrekkenden Handabschnitt 142, welcher an der Innenfläche der Ge-

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häusewand 8 anliegt und mit dieser verschweisst oder in anderer Weise fluiddicht verbunden ist, und zwar in einem kurzen radialen Abstand ausserhalb der inneren Enden der ringförmigen Reihen von Wärnetauschrohren 81c. des Kondensators C_, wie bei 143 angegeben ist. Die Kessel-Druckdampfrohre 43 und die Schmiermittel-Rückleitrohre 129 erstrecken sich notwendigerweise durch die Trennwand 140 und der kpalt zwischen diesen Rohren 43 und 129 und der Trennwand ist durch Verschweissen oder in anderer Weise, wie bei 145 angegeben ist, fluiddicht abgedichtet.

Der Randabschnitt 142 und der anliegende Abschnitt der Trennwand 140 bilden mit der anliegenden Innenfläche der Gehäusewand 8 eine ringförmige Sammelkammer 146 an den inneren Enden der Wärmetauscherrohre 81g zur Aufnahme von darin kondensiertem Fluid. Da das gleiche Fluid sowohl für den Kühlprozess wie für die Arbeitsmaschine verwendet wird, wird die in den Rohren 8icj kondensierte Flüssigkeit, die in der ringförmigen Kammer 146 gesammelt wird, aufgeteilt, und in vorgegebenen Anteilen dem Kältemittel-Expansionsring RX' und dem Kessel-Flüssigkeitsberhälter 92 zugeführt. Flüssiges Kondensat wird dem Expansionsring RX* mittels eines Paares diametral zueinander angeordneter Rohre 147 zugeführt, die an einem Ende mit der Kondensatorkammer 146 durch den umfangsseitigen Randabschnitt 142 verbunden sind und am anderen Ende mit dem Innern des Ringes RX¹ durch- die äussere umfangsseitige Wand desselben. Die Rohre 147 haben eine vorgegebene Durchflussfläche, die im Einblick auf die Zuführung von flüssigem Kondensat zum Ring RX* bemessen ist. Der Ring RX' liefert Kältemittel an die Expansionsdüsen 97' » welche ein vorgegebenes Durchflussvolumen aufweisen, überschüssige Flüssigkeit in der Kammer 146 fliesst in die Rohre 9^' durch welche sie zum Kessel-Flüssigkeitsbehälter 92 zurückgeführt wird, um im Kessel B erneut verdampft zu werden.

Wie vorausgehend beschrieben wurde, teilt die Trennwand 140 das Innere des Maschinen gehäuses H in zwei Kammer X¹ und Y_^, welche während des Betriebes verschiedene Drücke aufweisen. In Bezug

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auf Fig. 14 arbeitet die linke Kammer XV_ mit dem niedrigeren Druck des Verdampfers und des Verdichtereinlasses. Andererseits arbeitet die rechte Kammer YJ_ mit dem höheren Druck des Verdichters und Diffusorsausgangs und Kondensators G_. Damit tritt im Betrieb Kältemittel dampf von der Gehäusekammer XJ_ durch die Eintrittskanäle 55 in den Verdichter P ein, wird verdichtet und trittdurch die Kanäle 57 in die Hochdruckkammer YJ_, wo eine Vermischung mit dem Turbinenabdampf eintritt, der aus der Turbine durch den Diffusor 46 austritt. Das vereinigte Fluid in der Kammer Y_^_ gelangt in die Wärmetauscherrohre eic, des Kondensators C_, wo es durch Wärmeaustausch mit einem Kühl fluid kondensiert, welches zwischen den Sippen 80 des Kondensators in der vorausgehend beschriebenen Weise nach aussen tritt.

Das in den Rohren 81£ gebildete Kondensat fliesst von den inneren Enden der Rohre ab und wird in der ringförmigen Kammer 146 gesammelt, von welcher es unterteilt und dem Kessel-Flüssigkeitsbehälters 92 und dem Expansionsring EX ' in der vorausgehend beschriebenen Weise zugeführt wird. Die durch die Düsen 97' strömende Flüssigkeit wird abgegeben und durch eine Anzahl nicht-umlaufender Expansionsschaufeln 98 expandiert und anschliessend in die Rohre 101b des Verdampfers E_ gefördert, wo sie durch Wärmeaustausch mit einem Fluid verdampft, welches durch die Verdampfer-Kondensatorrippen 100 nach aussen tritt. Der dabei in den Verdampferrohren 101b gebildete Fluiddampf gelangt in diesen Rohren einwärts und tritt aus den inneren Enden der Rohre in die Niederdruckkammer X/_ des Maschinengehäuses H ein, worauf er erneut verdichtet, kondensiert und verdampft wird, wie bereits beschrieben wurde. In der in Fig. 14 dargestellten Aueführungsform der Erfindung brauchen die äusseren Enden der Kondensatorrohre 81£, welche im Ring 85 befestigt sind und die äusseren Enden der Verdampfe rohre 101b, die im Ring 104 angeordnet sind, nicht in der in Verbindung mit der ersten Ausführungsform der Erfindung beschriebenen Weise verteilt zu sein.

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SS

Ein Beispiel eines Fluids, welches sich sowohl zur Verwendung als Kältemittel wie auch als Arbeitsfluid in der in Fig. 14 dargestellten Ausführungsform der Erfindung eignet, ist 1,1,2-TrIChIOr-I^,2-trifluoräthan. Beim Betrieb tritt das kalte, flüssige Kältemittel aus den Expansionsdusen 97' "und den Schaufeln 98 aus und füllt teilweise sämtliche Verdampferrohre 101b, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Düsen 97' gegenüber der Verdampferkapazität der Rohre 101b so bemessen ist, dass diese Rohre nicht mehr als zur Hälfte mit Flüssigkeit gefüllt sind. Dieser Grenzwert wird durch die radiale Höhe der Lippe 99a des Sammelrings 99 bestimmt, welcher die inneren Enden der Verdampferohre 101b umgibt. Falls mehr Kältemittel durch die Expansionssehaufein 98 in die Verdampferohre 101b eintreten sollte, würde überschüssige Flüssigkeit lediglich über die Lippe 99a des Sammelrings 99 treten und in das Schmiermittelbad 118 gelangen. Jedoch würde die Nähe des Schmiermittelbads 118 zur Kesselkammer 1 zu einem Sieden des Kältemittels im Bad 118 führen, so dass das Kältemittel verdampfen und sich mit dem verdampften Kältemittel fluid in der Gehäusekammer Xl vereinigen würde.

Ein typisches Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit geteiltem Kreislauf gemäss der Fig. 14, die für eine Leistung von 4,92 PS' an der Turbinenwelle ausgelegt ist, weist die gleichen Bauelemente auf, die vorausgehend in Verbindung mit dem Zweikreissystem beschrieben wurden, mit der Ausnahme, dass der Durchmesser des Kessel-Flüssigkeitsspiegels i_ 96,52 cm (38,0 Zoll) beträgt, und dass der Turbinendurchmesser 6,35 cm (2,5 Zoll) und die axiale Länge, der Verdampferrippen 12,43 cm (4,5 Zoll) beträgt. Bei Verv/endung von 1,1,2-ϊγιο1ι1ογ-1 ,2,2-trifluoräthan als einziges Fluid sowohl für das Kessel-Arbeitsfluid und dac Kältemittel, ergeben sich für den Betrieb der Vorrichtung folgende Daten:

Lesselteraperatrar 188° C (370° F)
Keeseldruck 23,27 ata (331 psia)

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Kesselleistung 20,36 χ 10⁶ cal/h (80 800 But/h) O?urbinendrehzahl 42 000 U/min.
Wirkungsgrad des Rankine-Kreises 20 % Kondensator-oättigungstemperatur 54° 0(1*0° F) Kondensatordruck 1,27 ata (18 psia)

Konäensatorleistung 25,93 x 10⁶ cal/h (102 900 Btu/h) Kondensatorluftstroiii 130,83 m^/min. (4620 c.f.ni.) Verdampfertemperatur 4,4° C (40° F)
Verdampferdruck 0,19 ata (2,7 psia)
Verdamperleistung 6,75 x 10⁶ cal/h (26 800 Btu/h) Verdamper-Lustströmung 46,02 mvrain. (1625 c.f.m.)

Die erfindungsgemässe Vorrichtung eignet sich sehr gut zum Kühlen oder Heizen des Innenraums von Gebäuden, Wohnhäusern und anderen Bauten und typische Ausführungsformen für den Sommer- und Winterbetrieb sind jeweils in den Fig. 15 und 16 dargestellt.

In den Fig. 15 und 16 ist die erfindungsgemässe Vorrichtung mit den zugehörigen Leitungen und Ventilen zum Kühlen und Erwärmen eines Gebäudes dargestellt. Vorzugsweise befindet sich die Vorrichtung neben der Wand oder den Wänden des Gebäudes, um einen einfachen Zugang zur Atmosphäre ausserhalb des Gebäudes zu schaffen, beispielsweise in der Ecke des Gebäudes, welche durch die Seitenwände 148 und 149 gebildet wird.

In der dargestellten Anordnung gelangt von ausserhalb des Gebäudes kommende Luft zum Einlass des umlaufenden Kondensators C^, und zwar durch eine horizontale Leitung 150, die sich durch die Wand 148 des Gebäudes nach innen erstreckt und an ihrem Innenende in ein Einlassgehäuse 151 mündet, welches eine zum Kondensatoreinlass führende Öffnung 152 aufweist. Das äussere Ende der Leitung 15Ο ist mit einer Verschlussvorrichtung versehen, beispielsweise mit Klappen 153» welche geöffnet werden können, um Luft von aussen durch die Leitung dem Kondensator zuzuführen oder die zum Absperren des Luftzutrittes zum Kondensator geschlossen werden.

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OT

Ein stationäres Gehäuse 154- umgibt umfangsseitig den umlaufenden Kondensator G_ der Vorrichtung und die dem Kondensator C_ zugeführte Luft wird durch die Kondensatorrippen 80 nach aussen abgegeben, wobei die Luft durch Wärmeaustausch mit dem heissen Arbeitsfluid, welches in den Kondensatorrohren 81jä kondensiert, erhitzt wird. Eine Abgasleitung 155 -für die in das Gehäuse 154-geförderte erhitzte Luft führt tangential von diesem weg und durch die Gehäusewand 149 nach aussen. Das Auslaseende der Leitung 155 ist ebenfalls mit einer Verschlusseinrichtung versehen, beispielsweise mit Klappen 156» um den Leitungsauslass gegenüber der Aussenatmosphäre zu öffnen oder zu verschliessen. Eine Verteilerleitung 157 zur Förderung von erwärmter oder gekühlter Luft von der Vorrichtung an geeignete Auslässe 158» die im Gebäude verteilt sind, besitzt einen Einlass, welcher bei 159 an die Auslassleitung 155 angeschlossen ist.

Xlmlich wie das Gehäuse 154 wird auch der umlaufende Verdampfer E_ umfangsseitig von einem Gehäuse 160 umschlossen, welches die Luft aufnimmt, die radial nach aussen durch die Kippen des Verdampfers austritt, wobei sie mittels Wärme ausbau sch mit dem kondensierten Kältemittel in den Verdampferohren 101 gekühlt wurde. Die gekühlte» dem Gehäuse 160 zugeführte Luft gelangt in eine.Leitung 161, welche an ihrem einen Ende mit der Verteilerleitung 157 durch eine Seitenwand derselben verbunden ist, wie dies bei 162 in der Zeichnung dargestellt ist. Eine Ventileinrichtung, wie beispielsweise eine Klappe 163, ißt in der Verteilerleitung 157 vorgesehen, um wahlweise der Leitung 157 Luft -entweder von der Kondensator-Austrittsleitung 155 oder der Verdampfer-Austrittsleitung 161 zuzuführen. Befindet sich beispielsweise die Klappe I63 in der in ilg. 15 dargestellten Lage quer zur Verteilerleitung 157» so gelangt Luft von der leitung 161 zur Leitung 157 und Luft von der Kondensator-Austrittsleitung 155-v/ird am Eintritt in die Leitung Ί57 gehindert. Das andere Ende der Leitung 161 ist mit dem ittickleitungcabschnitt 164a durch eine Seitenwand derselben verbunden, wie bei 161a angedeutet ist, und eine Ventileinrichtung,

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se

wie eine Klappe 161b ist vorgesehen, um wahlweise Zutritt gekühlter Luft von der Leitung 161 zur Leitung 164a zu ermögliche.!

Die durch die Leitung 157 verteilte Luft, welche im Innern des Gebäudes durch einen oder mehrere der Auslässe 158 austritt, wird durch eine Rückleitung 164 zur Vorrichtung zurückgeführt, wobei diese Leitung in zwei Abschnitte 164a und 164b aufgeteilt ist, wobei ein Ventil, beispielsweise eine Klappe 164c., vorhanden ist, um wahlweise die zurückgeleitete Luft dem Abzweig 164a oder 164b zuzuführen. Die Abzweigleitung 164a, führt von der Leitung 164 zur Frischluft-Einlassleitung I50 und ist mit dieser an ihrer Seitenwand bei 165 verbunden. Die andere Zweigleitung 164b ist mit der Fluid-Einlasskammer des Verdampfers E_ verbunden und ferner mit der Luft-Verteilerleitung 157» wobei ein Ventil, beispielsweise eine Klappe 164d, vorgesehen ist, um wahlweise die Strömung der rückgeführten Luft zum Verdampfer-Einlass E oder zur Luft-Verteilerleitung 157 in der gewünschten Weise zu steuern.

Gemäss Fig. 15 sind zwecks Kühlung oder Klimatisierung des Gebäudes im Sommer oder in warmen klimatischen Zonen die Frischluft-Einlassklappen 153 geöffnet und desgleichen die Klappen 156 der Kondensator-Austrittsleitung 155i währen die Klappe I63, wie dargestellt, derart angeordnet ist, dass die Leitung 161 geöffnet und gekühlte Luft der Verteilerleitung 157 zugeführt wird, während dieselbe gegenüber Luft von der Kondensator-Austrittsleitung 155 abgeschlossen ist. Die Klappe 161b_ in der Leitung 161 ist geschlossen, wodurch ein Austritt gekühlter Luft durch die Zweigleitung 164a in die Zweigleitung 164b verhindert wird. Ferner ist die Klappe 164d in der Leitung 164b geschlossen und die Klappe 164£ ist derart in der gezeigten V/eise angeordnet, dass die Leitung 164a_ geschlossen und die Leitung 16^b_ geöffnet ist, so dass alle durch die Leitung 164 zurückgeleitete Luft zum Einlass des Verdampfers geführt wird.

Beim Betrieb der in ^Tig. 15 dargestellten Anlage gelangt cie

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gesamte vom Kondensator C_ abgegebene erhitzte Luft durch die Leitung 155 nach aussen und tritt nicht in die Verteilerleitung 157 ein. Andererseits gelangt die gesamte vom Verdampfer E_ abgegebene gekühlte Luft über die Leitung 161 zur Leitung und wird von dieser an die im gesamten Gebäude verteilten Auslässe 158 verteilt· Die in das Gebäude abgegebene Luft wird über die Leitung 164 der Vorrichtung zurückgeführt. Da die Klappe I64.d in der Zweigleitung 164b. geschlossen ist und die Klappe 164c. gegenüber der Zweigleitung 164a, geschlossen und gegenüber der Zweigleitung 164b_ geöffnet ist, gelangt die gesamte von der Leitung 164 zurückgeführte Luft über die Zweigleitung 164b zum Verdampfer E₁ wo sie erneut gekühlt und in der beschriebenen Weise durch das Gebäude umgewälzt wird.

Mir den Betrieb im Winter oder in kalten Klimazonen sind gemäss Fig. 16 die Einlassklappen 153 für Frischluft geschlossen und desgleichen die Kondensator-Austrittsklappen 156, und die Klappe 163 ist derart angeordnet, dass die Leitung 161 abgeschlossen ist und die gesamte erhitzte Luft aus der Leitung in die Verteilerleitung 157 eintritt. Ferner ist die Klappe 164c gegenüber der Zweigleitung 164b_ geschlossen und gegenüber der Zweigleitung 164a geöffnet, damit die aus der Leitung 164 zurückkehrende Luft in die Kondensator-Einlassleitung 15O gelangen kann. Damit wird beim Betrieb die gesamte vom Kondensator £ erhitzte Luft in die Leitung 157 gegeben. Ein Teil der erhitzten Luft wird an die Gebäudeauslässe 158 verteilt und die von der Leitung 164 zurückgeleitete Luft gelangt über die Zweigleitung 164a zur Kondensator-Einlassleitung 150, um erneut erhitzt und in der beschriebenen Weise umgewälzt zu werden. Der Hest erhitzter Luft wird über die Zweigleitung 164b zua Einlass des Verdampfers geführt und gekühlte Luft aus dem Verdampfer gelangt durch die Leitung 161 in die Zweigleitung 164a.

Durch Kurzschliessen der Verdampf er-Luftströmung durch den Kondensator gemäss Fir. 16 werden Temperatur und Druck des

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Verdampfers erhöht und Temperatur und Druck des Kondensators erniedrigt. Der verringerte Druckanstieg am Kühlmittelverdichter in Verbindung mit einer Verringerung der Verdichterdrehzahl während des Winterbetriebes verringert die Verdichterleitung. Der Betrieb des Verdichters mit niedrigem Druckverhältnis und niedriger Drehzahl stellt einen Leerlaufbetrieb während des Winters dar.

Jedoch kann beim beschriebenen Winterbetrieb die Wärmemenge, welche vom Kondensator C_ nicht aufgenommen und von der durch den Kondensator abgegebenen Luft aufgenommen wird, etwas kleiner sein,als normalerweise zur Heizung des Gebäudes benötigt wird, für welchen die Leistung des Kühlsystems ausgelegt ist, um das Gebäude ordnungsgemäss zu klimatisieren, und daher kann eine erhöhte Wärmezufuhr zum Kessel erforderlich sein, um im Winter oder in kalten Klimazonen eine ausreichende Heizung zu liefern.

In dem mit zwei iluiden arbeitenden Zweikreissystem wird zwecks Kompensation für die erhöhte Wärmebelastung des Kessels und zur Verringerung der von der Turbine 35 erzeugten Leistung etwas Druck-Arbeitsfluid von den Keεseidampfrohren 43 im Nebenschluss zur Turbine unmittelbar zu der Gehäusekammer Y oder YJ_ geleitet. Dieser Nebenschluss kann, wie am besten aus iⁿig. 6 hervorgeht, erzielt werden, indem eine Anzahl von Umgehungsleitungen 170 jeweils an ihren äusseren Enden mit einem der Kesseldanpfrohre 4-3 verbunden sind, wie bei 171 angegeben ist, und an ihren Innenenden über eine Einlassöffnung 172 mit einer gemeinsamen Ventilkammer 173 in einem Ventilkörper 174 in Verbindung stehen. Der Ventilkörper 174- ist mittels einer Querstrebe 175 koaxial in der Gehäusekammer Y oder YJ_ befestigt. Ein Auslass von der Ventilkammer 173 erfolgt über eine koaxiale Ventilöffnung 176 in eine kleine Auslasskammer 177 und anschliensenä durch eine Anzahl radialer Kanäle 178 zur Gehäusekammer Y oder Y'. Die Dampfrohre 17Ο sind derart bemessen, dass sie eine solche Iienge Kesseldampf umleiten, die ausreichen, um die

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leistung zur Kompensation der verringerter Verdich.terbelastu.ng zu reduzieren und dabei jedoch die vorgesehene Drehzahl der Kessel-Kondensator-Verdampfer-Einheit im Winterbetrieb aufrechtzuerhalten .

Die Ventilöffnung 176 wird normalerweise durch ein Ventilelement

179 geschlossen, welche in ihre ßchliesslage durch eine Feder

180 gedruckt wird, die zwischen dem Ventil 179 und einem Verschlussbolzen 181 angeordnet ist, der im Ventilkörper 164 eingeschraubt ist. Das Ventilelement 179 besitzt einen koaxial angeordneten Ventilschaft 182, dessen Betätigung das Ventilelement 179 gegen die Feder 180 verschiebt, um die Ventilöffnung 176 zu öffnen, was mittels eines koaxialen fluiddichten Balgs I83 über einen koaxialen Stössel 184- erfolgt. Der Balg I83 liegt in einer Kammer 185 am inneren Ende der Maschinenwelle 10. Der &tössel 184 erstreckt sich völlig durch die Welle 10 über das Ende derselben hinaus und durch ein koaxiales stationäres Nabenelement 186 und eine stirnseitig davon angebrachte Magnetspule 187, wie am besten aus Fig. 9 ersichtlich ist. Das äussere Ende der Haschinenwelle 10 ist in einem stationären Nabenelement 186 mittels Lager 188 gelagert, und das Nabenelement 186 wird durch einen Zapfen 189 in seiner stationären Lage gehalten, welcher sich axial stirnseitig einer .der radialen ispeichen 19 erstreckt und in einem feststehenden radialen Arm 190 am Nabenelement 186 gemäss Fig. 1 befestigt ist.

Die Magnetspule 187 weist die übliche Wicklung 187a auf, wobei das äussere Ende des Stössels 184 den Kern 187b der Magnetspule bildet, wie aus Fig. 9 ersichtlich ist. Bei Erregung der Magnetspule 187 wird der ktössel 184 in den Anordnungen der ü.g. 6 und 9 nach links bewegt, wodurch die Ventilöffnung 176 geöffnet wird und ein Teil des Kesseldampfes in den Rohren 43 durch die Umgebungsrohre 170 und die radialen Kanäle 178 im Nebenschluss zur Turbinenleistung zur Kammer Ί_ oder YJ_ gelangt. Die Erregung des Magnetspule kann nach Wunsch durch einen handbetätigten behälter oder selbsttätig beispielsweise durch einen

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temperaturempfindlichen Thermostatschalter erfolgen. Damit wird im Winter der grösste Teil der im Arbeitsfluid enthaltener Wärme durch den Kondensator an die im Gebäude zirkulierte Luft abgegeben und lediglich ein geringer Anteil dieser Energie wird durch die Turbine zum Antrieb des Kondensators und Verdampfers abgezweigt.

Andererseits wird für Winter- und Sin-Aus-Betrieb mit einem einzigen Fluid (aufgeteilter Kreis) die Umgehungsventilanordnung für ein Zwei-Fluid-System nicht verwendet, stattdessen wird eine Ventilanordnung benützt, um die Strömung des Kondensats von der Sammelkammer 164 durch die Hohre 147 zur Kältemi ttel-Expansionseinrichtung RX' zu begrenzen, so dass während eines solchen Betriebes der Expansionseinrichtung BX¹lediglich ein Kondensatanteil zurückgeführt wird, welcher der Strömung des Kältemittels durch den Verdichter angepasst ist und welcher erforderlich ist, um das Kältemittel in den Verdampferrohren 101b. im wesentlichen auf dem Niveau zu halten, das dureh die "überströmlippe 99§. des Kollektorrings 99 bestimmt wird. Diese beschränkte Kältemittelströmung verringert die Belastung am Verdichter und beschränkt den Verbrauch an Kesselbrennstoff, wenn die Vorrichtung nicht zur Kühlung verwendet wird.

Gemäss der vorliegenden Erfindung erfolgt die Beschränkung der Strömung des Kondensats zur Expansionseinrichtung RX', indem im Expansionsring zwischen der darin befindlichen Kammer und den Rohren 147 ein Paar diametral angeordneter sich axial

erstreckender Ventilkammern 193 vorgesehen wird, in welche^ Jeweils ein axial bewegliches Ventilelement 194 angeordnet ist, welches beispielsweise in Pig. 14A dargestellt ist. In der gezeigten Ausführungsform wird jedes der Ventile 194 durch einen Seilzug 195» ausgehend von einem gemeinsamen Betätigungselement 196 betätigt, welches koaxial in einem Gehäuse 197 angeordnet ist und sich normalerweise unter liinwirkunc: beispielsweise einer Feder 198 gemäss Fig. 14B in einer Lage be-

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^indet, die der Cffnungslage der Ventile 194 entspricht. Die Betätigung des Betätigungselements 196 erfolgt mit Hilfe eines koaxial angeordneten btabs 182' und eines nicht dargestellten otössels, welche in der gleichen Weise wie der Ventilschaft 182 und der vorausgehend beschriebene ütössel 184, welcher in denFig. 6 und 9 gezeigt ist, betätigt werden.

Im Betrieb wird bei Verschiebung des btabes 182' gemäss Fig. 143 nach links das Betätigungselement 196 entsprechend verschoben, wodurch die beilzüge 195 betätigt werden und die Ventile 194 in Schliessrichtung betätigen und dadurch die strömung· des Kondensats zur Expansionseinrichtung RX' verringern. Es wird darauf hingewiesen, dass die Ventile 194 nicht in ihre vollständig geschlossene Stellung bewegt werden, in welcher die Kondensat strömung zur Expansionseinrichtung RX¹ vollständig abgesperrt ist, sondern dass sie in eine teilweise geschlossene Grenzlage gelangen, bei welcher die Ventile 194 soweit geöffnet sind, dass sie eine ausreichende Kondensatströmung zur Expansionseinrichtang HX¹ gestatten, welche den gewünschten Kondensatspiegel in den Verdampf erohren 1O1b_ aufrechterhält. In den meisten Anlagen macht die Verringerung der Koncensatströmung zur Exp an si ons einrichtung HX' durch die Ventile 194 etwa 10 % oder weniger der Kondensatströmung zur Expansionseinrichtung bei vollständig geöffneten Ventilen 194 aus.

Wenn die Umgebungstemperatur im Winter grosser als die Verdampfertemperatur ist, ist es möglich, die Vorrichtung als Wärmepumpe zu betreiben. Bei dieser Betriebsweise wird eine wirksame Raumheizung erzielt, indem die vom Kühlkreis nicht verbrauchte Wärme zu der im Rankine-Arbeitskreis nicht verbrauchten Wärme addiert wird. Die Anordnung der Luftleitungen ist dabei ähnlich, wie Jene gemäss Fig. 16 mit der Ausnahme, dass Aussenluft zum Verdampfer zugelassen und durch diesen geleitet werden muss.

iiie vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer

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mit Düsen und Schaufeln ausgebildeten turbinenartigen Kaltemi ttel-Expansionseinrichtung der beschriebenen Art beschränkt, und obwohl in derartigen Expansionseinrichtungen die Expansion isentropisch erfolgt und die maximale Kühlwirkung für den verwendeten therraodynamisehen Kreis ermöglicht, können auch Ventiloder Kapillar -Expansionseinrichtungen verwendet werden, bei welchen die Expansion isenthalpisch erfolgt, wobei lediglich eine geringfügige Verringerung der Kühlwirkung eintritt.

Eine Ausführungsform der Erfindung, welche eine mit Kapillarrohren arbeitende Kältemittel-Expansionseinrichtung verwendet, ist in Fig. 17 dargestellt. Mit Ausnahme der anschliessend beschriebenen baulichen Unterschiede ist die Vorrichtung gemäss Fig. 17 mit der Vorrichtung gemäss Fig. 3 identisch und entsprechende Bauteile in Fig. 17» die jenen der Fig. 3 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen, um eine unnötige Wiederholung der Beschreibung derselben zu vermeiden.

Gemäss Fig. 17 ist eine ringförmige Kältemittel-Expansionskammer HX' koaxial innerhalb des Gehäuses H angeordnet und läuft damit in der beschriebenen Weise um. Kondensiertes Kältemittel gelangt von den Kon d ens a tor rohr en 81b_ zur Expansionskammer RX' und wird von der letzteren über eine Anzahl radialer Rohre 199 abgegeben und durchströmt anschliessend eine Anzahl von Kapillarrohren 200, aus welchen das Kältemittel in sich anschliessende Rohre 101 des Verdampfers E_ gelangt, wo es in der beschriebenen Weise verdampft wird. Zwei oder mehr Kapillarrohre 200 werden verwendet und sind im gleichen Abstand voneinander um die Drehachse des Gehäuses H angeordnet. Vie ersichtlich, ist jedes Kapillarrohr 200 an seinem Einlassende mit einer der radialen Rohre 199 verbunden und erstreckt sich radial nach aussen zur Gehäusewand 5» durch eine Öffnung 134 in der Ablenkplatte 61, aussen vorbei am Fendelelement 75* des Drehmomentankers TJ_ und anschliessens radial nach innen zum nächsten Verdampferohr 101 des Verdampfers E_, wobei das Auslassende des Kapillarrohres axial in das Verdampferohr 101 gerichtet

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fs

ist, um expandiertes Kältemittel an dieses abzugeben. Da die Temperatur des Schmiermittels 118 gewöhnlich höher ist als die Temperatur des Kältemittels in den Kapillarrohren 200, werden die Abschnitte der letzteren, welche durch das Schmiermittelbad geführt sind, vorzugsweise thermisch gegenüber dem Schmiermittel isoliert, beispielsweise mittels einer umfangsseitig angeordneten Hülse 201, die an ihren entgegengesetzten Enden geschlossen ist und die mit einem Isoliermaterial 202 gefüllt ist.

Die Länge und der Innendurchmesser der Kapillarrohre 200 ist aufeinander und auf die Anzahl der verwendeten Hohre abgestimmt, um eine Menge von expandiertem Kältemittel dem Verdampfer E_ zuzuführen, welche zurErreichung der gewünschten Kältemenge erforderlich ist. Diese Abstimmung ist kritisch und kann für jede Anlage durch einen Fachmann für Kälteanlagen bestimmt werden.

In der Ausführungsform gemäss Fig. 17 unterscheidet sich der Drehmomentanker Tj_ von dem vorausgehend beschriebenen Anker 50 , indem der umfangsseitige Handabschnitt 72 mit seinen Expansionsschaufeln 98 des Ankers T weggelassen ist, so dass der in Fig. 17 dargestellte Anker TJ_ einen zentralen Nabenabschnitt 66· und ein Pendelelement 75' auf v/ei st und derart ausgebildet ist, dass ein ausreichendes Gegendrehmoment geliefert wird, um den Anker QV. stationär zu halten und eine Drehung desselben gegen das durch das Getriebe erzeugte Gegenmoment zu verhindern.

Wie in vorausgehend beschriebenen Ausführungsformen weist die Anordnung gemäss Fig. 17 ebenfalls ein Druckschmiersystem auf, welches eine Pitotpumpe verwendet, die einen radialen Kanal 116 im iendelelement 75' aufweist, an dessen äusserem iäide eine L~förmige Schaufel 117' angeordnet ist, deren Einlassende in das Schmiermittelbad 118 eintaucht und die der Drehrichtung des Gehäuses abgewandt ist, so dass eine Drehung des Gehäuses gegenüber der Schaufel 117¹ wirksam ist, um Schmiermittel aus dem Bad 118.über Zweigleitungen 121' und 122' zu den Lagern und

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zu dem Getriebe in der vorausgehend beschriebenen V/eise zu pumpen.

Der Betrieb der Ausführungsform der Erfindung gemass i'ig. 17 ist in wesentlichen der gleiche, wie er vorausgehend beschrieben wurde und braucht nicht wiederholt zu werden.

Aus der vorausgehenden Beschreibung wird ersichtlich, dass durch die vorliegende Erfindung eine neue Heiz- und Kühlvorrichtung mit einer mit einem geschlossenen fiankine-Kreis arbeitenden Arbeitsmaschine geschaffen wird, welche eine kompakte einheitliche Bauweise aufweist und welche vollständig zusammengebaut und hermetisch abgeschlossen und mit den gewünschten Arbeitsfluid und Kältemittel versehen hergestellt und verschifft werden kann. Die Vorrichtung arbeitet mit isentropicher Expansion des Kältemittels, wodurch die Kühl- und Heizfluide unabhängig von anderen Energiequellen vermehrt werden, wobei die Vorrichtung eine ruhige Arbeitsweise und guten Wirkungsgrad aufweist.

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Claims (20)

1. CH-726V737O

   Patentansprüche

   Heiz- und Kühlvorrichtung mit Drehantrieb, gekennzeichnet durch ein zylindrisches Gehäuse, welches zur Drehung un seine Achse gelagert ist, eine umlaufende Kraftmaschine im Gehäuse, welche ein koaxial angeordnetes»von dieser betätigtes Antriebselement aufweist, einen Kältemittelverdichter, welcher drehbar koaxial im Gehäuse angeordnet ist und durch das Antriebselement mit einer vorgegebenen ersten Drehzahl angetrieben wird, um Kältemitteldampf im Gehäuse zu verdichten, eine Kondensatoranordnung, die koaxial neben einer Seite des Gehäuses angeordnet ist und mit dem Gehäuse als Einheit umläuft, um verdichtetes» vom Verdichter kommenes Kältemittel zu kondensieren, eine Kältemittel-Expansionseinrichtung, die im Gehäuse angeordnet ist »um kondensiertes Kältemittel in der Kondensatoreinrichtung zu expandieren, eine Einrichtung zur Zuführung von kondensiertem Kältemittel zur Kältemittel-Expansionseinrichtung, einen koaxial neben der anderen Gehäuseseite angeordneten Verdampfer, welcher mit dem Gehäuse als Einheit umläuft und aus der Expansionseinrichtung Kältemittel aufnimmt und verdampft, eine Einrichtung zur Rückführung von verdampftem Kältemittel vom Verdampfer zum Gehäuse, und eine im Gehäuse angeordnete Getrie'oeanordnung, die zwischen dem Antriebselement und dem Gehäuse wirkt, um das Gehäuse, den Kondensator und den Verdampfer als Einheit mit einer vorgegebenen zweiten Drehzahl in Drehung zu versetzen, die erheblich geringer als die erstgenannte Drehzahl des Antriebselements und Verdichters ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator und der Verdampfer jeweils eine Anzahl von axial im Abstand voneinander liegenden »ringförmigen Rippen aufweis en welche eine Fluidkamner bilden, die am äusseren Ende derselben einen i'lui dein tritt aufweist, und durch eine

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   • Anzahl von Wärmetauscherrohren, die sich in Längsrichtung

   jeweils durch die Rippen des Kondensators und Verdampfers erstrecken, um das darin befindliche Kältemittel zu kondensieren und zu verdampfen als iolge des Wärmeaustausches mit dem i'luid, welches ausserhalb der Kammer durch die Kippen strömt.
3. 3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeanordnung zum Drehantrieb des Gehäuses, des Kondensators und des Verdampfers mit einer zweiten vorgegebenen Drehzahl bestimmt ist, welche auf den axialen Abstand und das Radiusverhältnis der Kondensator- und Verdampferrippen abgestellt ist, damit das Fluid durch Vißcoeitäts-bcherkräfte zwischen den Rippen des Kondensators und Verdampfers gefördert und nach aussen auf eine Geschwindigkeit beschleunigt wird, welche einen optimalen gesamten Wärmeaustausch zwischen dem i'luid und dem Kältemittel in den Wärmetauschrohre?! des Kondensators und Verdampfers gestattet.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Gehäuse einen ringförmigen Kessel aufweist, in welchem während des Betriebs ein Ringkörper von Kesselfluid am Innenumfang des Gehäuses aufrechterhalten wird, wobei eine Flüssigkeit-Dampf-Grenzechicht in einem vorgegebenen radialen Abstand ausserhalb der Drehachse des Gehäuses vorhanden ist, und wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, um den ilüssigkeitskörper im Kessel zu erhitzen und einen Dampfdruck darin zu erzeugen, und ferner die^um/^auKrSr1;maschine eine Kesseldampf-Expansionseinrichtung aufweist, um aus dem kesseldampf Arbeit zum Antrieb des drehbaren Antriebselements zu entnehmen, und durch eine Kondensatoranordnung, die koaxial neben einer fcieite des Gehäuses angeordnet ist und mit diesem als Einheit umläuft, wobei die Kondensatoranordnung derart ausgelegt ist, um den Kesseldampf von der KeEseldarapf-üorpan-

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   HS

   sionseinrichtung zu kondensieren, und durch eine Einrichtung zur Rückführung von kondensierten Kesseldampf zum Kessel.
5. 5- Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kesseldampf-Expansionseinrichtung eine Turbine mit einer Anzahl Düsen aufweist, die im Gehäuse angeordnet und damit drehbar ist, und durch einen angetriebenen Rotor und eine Welle, die koaxial im Gehäuse unabhängig von der Drehung des Gehäuses drehbar sind.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittel-Expansionseinrichtung ringförmige Düsen und eine ringförmige Reihe von Expansionsschaufeln aufweist, welche axial fluchtend den Düsen gegenüber liegen, wobei die Düsen und die Reihen der Expansionsschaufeln relativ zueinander mit der Drehzahl des Gehäuses drehbar sind.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeanordnung zwischen dem Antriebselement und dem Gehäuse ein ummanteltes Getriebe mit konstantem Ibersetzungsverhältnis aufweist, welches koaxial innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7> gekennzeichnet durch eine mit dem ummantelten Getriebe zusammenwirkende Einrichtung zur Erzeugung eines Gegendrehmoments, welche dem Reaktionsmoment entgegenwirkt, das durch das Getriebe erzeugt wird, wenn es die Gehäuse-Kondensator-Verdampfer-Einheit mit der genannten vorgegebenen Drehzahl antreibt.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines Gegendrehmomentes aus einem Pendelelenent besteht, welches mindestens mit einem der Getriebezahnräder verbunden ist und welches eine vor-

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   gegebene Dichte und Abmessungen aufweist, un das Getriebezahnrad umfangsseitig gegenüber der Gehäuseachse festzulegen.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9j dadurch gekennzeichnet, dass eine ringförmige Heihe nicht drehbarer Expansionsschaufeln im Pendelelement angeordnet

    ist und in axialer l/'luchtung den Kältemittel-Expansionsdüsen gegenüberliegt.
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch zwei verschiedene Fluide für den Kessel und das Kältemittel, mit einer Trennwand im Gehäuse, welche das Gehäuseinnere in eine Kammer für Kälfcemittel-Fluid und eine Kammer für Kessel-Fluid unterteilt, wobei die erstgenannte Kammer neben dem Verdampfer und dem Einlass zum Kältemittelverdichter liegt und mit diesem verbunden ist, während die andere Kammer für den Kessel-Expansionsabdampf neben einem Abschnitt des Kondensators liegt und mit diesem verbunden ist, um den darin enthaltenen Abdampf zu kondensieren, und durch eine Einrichtung, um verdichtetes Kältemittel-Fluid vom Verdichter zu einem anderen Abschnitt des Kondensators zu leiten, um das darin enthaltene Kältemittel zu kondensieren.
12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziges Fluid als Kessel-i'luid und Kältemittel-Fluid verwendet wird, und dass eine Trennwand im Gehäuse vorhanden ist, welche das Gehäuseinnere in eine Niederdruck-Kältemittelkammer, die neben dem Verdampfer und dem Einlass zum Kältemittel-Verdichter angeordnet ist und mit diesem in Verbindung steht, und eine Kochdruckkammer für den Kessel-ExpansionEabdampf und dass vom Verdichter abgegebene verdichtete Kältemittel unterteilt, die neben dem Kondensator angeordnet ist und mit

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    fiesem in Verbindung steht, um den Kesselabdampf und das darin enthaltene verdichtete Kältemittel zu kondensieren.
13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoranordnung getrennte aus sere und innere konzentrisch angeordnete Kondensatorabschnitte aufweist, die jeweils für den ExpansionsejLnriphtungsabdampf und den Kältemittelabdampf bestimmt sind ujid die koaxial neben einer Seite des Gehäuses und des Kessels zum Umlauf mit denselben angeordnet sind, wobei 0eder Kondensatorabschnitt eine Anzahl von im axialen Abstand angeordneten ringförmigen Sippen aufweist, die im Abstand von den Bippen des anderen Abschnitts liegen, um dazwischen einen thermischen Spalt zu erzeugen, durch eine An&ahl von Wärmetauscherrohren, die sich axial durch die Hippen des äusseren Kondensatorabschnitts erstrecken, um die darin befindlichen Expansionseinrichtungsabgase zu kondensieren, und durch eine Anzahl von Wärmetauscherrohr en, die sich axial durch die Rippen des inneren Kondensatorabschnitts erstrecken, um darin enthaltenen Kältemitteldampf zu kondensieren, wobei der Abdampf der Expansion seinrichtung und der Kältemitteldampf in den Wärmetauscherrohren mittels Wärmeaustausch mit einem Kühlfluid kondensiert wird, welches zwischen den Rippen der genannten Abschnitte nach aussen strömt.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, dass die Hippen des äusseren und des inneren Kondensatorabschnittes radial fluchtend, zueinander angeordnet sind und dass der axiale Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Hippen eines jeden Abschnitts auf die Drehzahl derselben und die kinematische Viscosität des Kühlfluids abgestellt ist und eine Taylor-Zahl aufweist, bei welcher beim Verhältnis des Innenradius und Aussenradius der Rippen das Kühlfluid durch Viscositäts-ocherkräfte spiralförmig zwischen den Kippen nach aussen gefordert und im wesentlichen auf

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    eine Drehzahl beschleunigt wird, welche einen optimalen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlfluid und den Dämpfen in den Wärme tauscherrohren zwecks Kondensation dieser Dämpfe ermöglicht.
15. 15· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Umgehungs-Einrichtung, durch welche ein Teil des Druckdampfes vom Kessel um die Kesseldampf-Expansionseinrichtung herum unmittelbar dem Kondensator zugeführt wird.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15* gekennzeichnet durch eine Ventilvorrichtung, welche wahlweise betätigbar ist, um die Strömung dejs Kesseldampfes durch die Umgehungseinrichtung zu steuern.
17. 17· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Zufuhr von kondensiertem Kältemittel zur Kältemittel-Expansionseinrichtung eine Einrichtung aufweist, welche betätigbar ist, um die Menge des der Kältemittel-Expansionseinrichtung zugeführten kondensierten Kältemittels auf einen vorgegebenen Grenzwert zu beschränken.
18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, dass dieVorrichtung zur Beschränkung der Zufuhr von kondensiertem Kältemittel zu der Expansionseinrichtung eine normalerweise geöffnete Venti!vorrichtung aufweist, die wahlweise in eine vorgegebene teilweise geschlossene stellung betätigbar ist.
19. 19· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittel-Expansionseinrichtung eine Anzahl von Kapillarrohren aufweist, die innerhalb des Gehäuses umfangsseitig mit gleichem Abstand voneinander angeordnet und mit dem Gehäuse drehbar sind, wobei die

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    Länge der Kapillarrohre auf ihren Durchflussquerschnitt und auf die Zahl der üohre derart abgestellt ist, aa£ dem Verdampfer eine Menge von expandiertem Kältemittel zugeführt wird, um die vorgegebene Kühlkapazität zu liefern,
20. 20. Kühl- und Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19» gekennzeichnet durch eine Fluideinlassleitung, welche mit dem Einlass zur Kondensator-Fluidkammer verbunden ist, durch ein Gehäuse, welches eine Kammer bildet, die den Kondensator umgibt, um erhitztes,durch die Kondensatorrippen nach aussen abgegebenes Fluid aufzunehmen, durch eine mit der Kondensatorkammer verbundene Abzugsleitung . zur Aufnahme von erhitztem Fluid aus derselben, durch eine Fluid-Verteilerleitung, welche mit der Abzugsleitung verbunden ist, um erhitztes Fluid aus der Abzugsleitung in eine entfernte Zone zu leiten, und durch eine Kückleitung aus dieser Zone, welche in eine erste Zweigleitung mündet, die mit der Lufteinlassleitung zur Kondensatorkammer verbunden ist und die ferner in eine zweite Zweigleitung mündet, welche mit der Fluid-Einlasskammer des Verdampfers und der Luft-Verteilungsleitung verbunden ist, durch ein Gehäuse, welches eine Kammer bildet, die den Verdampfer uraschliesst, um das aus diesem durch die Verdampferrippen nach aussen austretende Kühlfluid aufzunehmen, durch eine Leitung für das kühle Fluid, die mit der Verdampferkammer verbunden ist, um aus dieser kühles Fluid aufzunehmen, wobei die Leitung für das kühle Fluid ferner mit der ersten Zweigrückleitung und mit der Verteilerleitung verbunden ist, durch eine Ventilvorrichtung, welche wahlweise betätigbar ist, um die Fluidströmung jeweils vcn der Abzugsleitung und der Leitung für das kühle Fluid zur Verteilerleitung zu steuern, und durch eine Ventileinrichtung;, welche wahlweise betätigbar ist, um die Fluidströmung der Kückleitung zur ersten und zur zweiten Zweigleitung und zwischen der letztgenannten und der Leitung für das kühle Fluid und der Fluid-Verteilerleitung zu steuern.

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