DE2619577A1 - Kuehlsystem - Google Patents
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Description
Patentanwalt
DipL-üng.KiaSisir JecStisch .-.·.■ ■"
7 Stuttgart N. Menzelstraße 4Q
Peter John HASTWELL . A.J5 257 - me
125 Mills Terrace j. Mai I976
North Adelaide
Süd-Australien
Kühlsystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem, insbesondere
ein System, das auf der Nutzung der endothermen Wärme einer Substanzlösung zum Betrieb des Kühlsystems
beruht, das jedoch gemäß seiner einfachsten Ausführungs form
keiner Pumpen oder anderer Vorrichtungen zur Bewegung bedarf.
Auf dem Gebiet der Kälteerzeugung mittels Nutzung von Wärme liegen viele Erfindungen vor, insbesondere solche,
die allgemein als Absorptionskühlsysteme bekannt sind, wobei im allgemeinen Ammoniak eingesetzt wird. Bei diesen
Systemen enthält ein Behälter eine wässerige Lösung von Ammoniak; nach Zuführung von Wärme kommt die Lösung zum
Sieden, ein Gemisch von Ammoniak- und Wasserdampf entweicht und passiert Kühlrohre, wobei ein Teil des Wasserdampfes
in den Behälter zurück gelangt; das restliche V/asser wird jedoch mittels eines speziellen Wasserabscheiders abgeschieden,
so daß wasserfreies Ammoniakgas in einen Kondensator gelangt, wo es kondensiert und in einen Niedertemperaturkühler
abgeschieden wird, in dem durch Absorption der latenten Verdampfungswärme die gewünschte Kälte erzeugt
wird. Ein solches System erfordert keine Pumpen oder mechanischenVorrichtungen zur Umwälzung.
-2-
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Das System nach der vorliegenden Erfindung basiert ebenfalls
auf thermischen Wirkungen, d.h. bei Ihm wird Wärme zur Erzeugung von Kälte benutzt; bei der Erfindung wird jedoch
die endotherme Wärme einer Lösung benutzt, und daher erfordert die Erfindung den Einsatz einer endothermen Substanz
und eines Lösungsmittels, wie z.B. Ammoniumnitrat oder Ammoniumthiocyanat, in Wasser gelöst; die Erfindung sieht
auch den Einsatz anderer Substanzen und anderer Lösungsmittel vor. Der Grundgedanke der Erfindung ist die Erzeugung
von Kälte dadurch, daß die endotherme Substanz Bedingungen unterworfen wird, unter welchen sie sich löst.
Für die Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Säule vorgesehen, in welcher die Lösung
aufsteigt, teils infolge der Verdrängung von Lösung durch die nachstehend erwähnten Kristalle im unteren Teil der
Säule, teils auch infolge der Zuführung von Lösungsmittel im unteren Teil der Säule. Die endotherme Substanz kristallisiert
an einer oberen Stelle, wo der Säule Wärme zur
Verdampfung des Lösungsmittels zugeführt wird, und die Kristalle sinken durch die Lösung hindurch innerhalb der
Säule ab, verdrängen gesättigte Lösung und lösen sich im unteren Teil der Säule unter Absorption weiterer Wärme
wieder auf. Das System wird im geschlossenen Kreislauf betrieben, der zur Unterstützung des Verdampfungsvorganges
vorzugsweise unter relativ hohem Vakuum steht. Der Dampf wird zu einem Kondensator geführt und dort verflüssigt; die
Flüssigkeit fließt von dem Kondensator zurück, vorzugsweise unter Wärmeaustausch mit dem unteren Teil der Säule; dies
trägt zu dem Lösungsvorgang im unteren Teil der Säule zur Auflösung der Kristalle bei und unterhalt den gewünschten
Temperaturgradienten und Durchfluß im System.
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Es ist notwendig, eine Konvektion innerhalb der Säule zu verhindern, damit nicht heiße Lösung, die im oberen
Teil der Säule heftig kochen kann, sich mit kalter Lösung und Kristallen vom Boden der Säule vermischt. Dazu ist
erfindungsgemäS eine Konstruktion vorgesehen, die einen
geringstmöglichen Konvektionseffekt sichert; die Vorrichtung weist daher vorzugsweise eine Reihe von Ablenkern
oder Rohren auf, durch welche die Lösung aufsteigt bzw. durch welche die Kristalle in die Kühizone zurücksinken.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung umfaßt daher grundsätzlich das Vorhandensein des endothermen Mediums
in Kristallform im unteren Teil einer geschlossenen Säule, die auch den Wärmeaustauscher aufweist, die Aufrechterhaltung
eines Vakuums innerhalb der Säule, die Anwendung eines Lösungsmittels auf die endotherme Substanz in der Säule
zur Auflösung der Kristalle, um die Temperatur am Wärmeaustauscher durch den endothermen Lösungsvorgang zu senken
und das Aufsteigen der verbleibenden gesättigten Lösung in der Säule zu ermöglichen, die Zuführung von Wärme
mittels einer geeigneten Vorrichtung zu der gesättigten Lösung in einem oberen Teil der Säule zur Verdampfung des
Lösungsmittels, das Abziehen des Dampfes in einen Kondensator, um das endotherme Medium zu rekristallisieren und
das Absinken der Kristalle zum unteren Teil der Säule zu ermöglichen, die Rückführung des Lösungsmittelkondensates
vorn Kondensator zum unteren Teil der Säule, um so die endotherme Reaktion fortzusetzen, und die Nutzung der am
Wärmeaustauscher erzeugten reduzierten Temperatur zur Kühlung eines Mediums, wobei die Kammer so viel endotherme
Substanz enthält, daß im unteren Teil der Kammer Kristalle' mit möglichst hoher Wärmeabgabe an die Lösung verbleiben.
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Für den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vor allem wesentlich, daß der Wärmegradient zwischen dem
unteren Teil der Säule und der Kristallisationszone aufrechterhalten bleibt und weiterhin, daß die Kristallisation
auf einem höher gelegenen Niveau stattfindet als der Kühlvorgang, vorzugsweise axial darüber, so daß
die heiße Lösung aus der Kristallisationszone nicht in den unteren Teil der Säule hinunter gelangen kann und
gleichermaßen die Lösung vom unteren Teil wegen ihrer niedrigen Temperatur nicht in die Kristallisationszone
aufsteigt, sondern dazu neigt, im unteren Teil der Säule zu bleiben, bis sie durch Kristalle und die Kristalle am
Boden der Säule endotherm lösendes Lösungsmittel verdrängt wird. Die Verbindung zwischen der Kristallisationszone
und dem unteren Teil des Behälters ist vorzugsweise über Rohre oder ein Gitter hergestellt, um Konvektionsumläufe
und Diffusion infolge von Dichtedifferenzen zu verhindern, die eine Zirkulation herbeiführen und eine wirksame thermische
Trennung zwischen der Kristallisationszone und der Kälteerzeugungszone im unteren Teil der Säule beeinträchtigen
könnten.
Zum besseren Verständnis des Erfindungsgedankens werden nachstehend'AusfUhrungsbeispiele- beschrieben und anhand
der Zeichnungen erläutert, die nur das Prinzip veranschaulichen, nicht aber konstruktive Einzelheiten abgrenzen
sollen.
Es zeigen
Pig. I einen Längsschnitt in Seitenansicht einer
Ausführungsform der Erfindung in schema-
tischer Darstellung,
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Fig. 2 eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Kaskadensystem vorgesehen ist, wie.
es z.B. bei der Erzeugung von Kälte mittels Sonnenenergie verwendet wird.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist eine Säule 1 eine obere,
größere Kristallisationszone 2 und eine untere Kälteerzeugungszone 5 auf. In der Kristallisationszone 2 befindet
sich ein Wärmespender 4, vorzugsweise ein senkrecht angeordneter Röhrenwärmeaustauscher mit einem Einlaßstutzen
und einem Auslaßstutzen 6 für Flüssigkeit, die durch eine
geeignete Vorrichtung aufgeheizt worden ist.
In der Kälteerzeugungszone 3 der Säule 1 ist ein Wärmeaustauscher
7 angeordnet, der dafür ausgelegt ist, daß über einen Einlaßstutzen 8 und einen Auslaßstutzen 9 eine
geeignete Flüssigkeit durch ihn hindurchgeschickt wird, welche die in der Zone j5 erzeugte Kälte zu jeder gewünschten
Vorrichtung, wie z.B.. zu einer Kühleinheit, überträgt. Das obere Ende der Säule 1 ist über eine Leitung Io an
einen Kondensator 11 angeschlossen, in dem Dampf aus der Kristallisationszone 2 kondensiert.
Das Kondensat fließt über die Leitung 14 in einen Kondensatbehälter
15* der über ein Durchflußregelventil 17 mit der
Leitung 16 verbunden ist. Die Leitung 16 führt zu einem Wärmeaustauscher 18,der zwischen dem Wärmeaustauscher 7
und der Kristallisationszone 2 der Säule 1 angeordnet ist. Das Kondensat fließt vom Wärmeaustauscher 18 über die
Leitung 19 zurück in die Kälteerzeugungszone 3 der Säule
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Im Betrieb ist der untere Teil der Säule 1 mit einer endothermen Substanz gefüllt, d.h. mit einer Substanz, die
nach ihrer Lösung die Temperatur in der Zone senkt. Die Menge normalerweise in Kristallform vorliegender endothermer
Substanz ist ausreichend, um Kristalle im unteren Teil der Kammer 1 zu belassen, auch während Perioden maximaler
Wärmezuführung zu der mittels eines Lösungsmittels in der Säule gebildeten Lösung, die mindestens bis zur Höhe des
oberen Endes des Wärmespenders 4 unter dynamischen Bedingungen aufsteigt.
Bei Stillstand der Anlage enthält also die Säule 1 eine gesättigte Lösung, welche die Säule teilweise füllt bis
zu einem Niveau innerhalb der Höhe des Wärmespenders 4. Die endothermen Substanzkristalle bleiben im unteren Teil
der Säule 1 im Raum um den Wärmeaustauscher 7·
Zwischen der Kälteerzeugungszone j5 der Säule 1 und dem
Wärmespender 4 der Kristallisationszone 2 ist ein Gitter angeordnet, beispielsweise wabenartig oder in Form von
senkrechten Rohren, das dazu vorgesehen ist, Turbulenzen in der gesättigten Lösung zwischen der kalten und der
heißen Zone der Säule zu vermeiden. Zwischen dem Raum für die gesättigte Lösung in der Säule 1 und dem Kondensator
ist eine geeignete Abziehvorrichtung 24 angeordnet, die das Entweichen von endothermer Substanz aus der Säule 1
weitgehend verhindert.
Im Betrieb wird eine solche Anlage auf beliebige Weise unter Vakuum gehalten, beispielsweise durch einfaches
Ziehen eines Vakuums in der Säule 1 oder durch Kochen von Lösung in der Säule, wobei Luft entweicht, und anschließendes
luftdichtes Verschließen des Behälters. Im unteren
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Teil des Behälters befindet sich das endotherme Medium in Kristallform und kommt so in Konstakt mit dem Lösungsmittel
im Behälter. Die Auflösung der Kristalle geschieht in der Kälteerzeugungszone 3 im unteren Teil der Säule 1,
so daß Sättigung eintritt, die sich über das Gitter 22 bis in die Kristallisationszone 2 erstreckt. Dort wird infolge
der Wärmezuführung mittels des Wärmespenders 4 die Temperatur der gesättigten Lösung unter Berücksichtigung des
Vakuums in der Säule 1 scjweit erhöht, daß die gesättigte
Lösung zum Kochen kommt. Der hierbei entstehende Dampf gelangt über die Leitung Io zum Kondensator 11. Dabei wird
der Lösungsmittelgehalt in dieser Zone geringer, so daß die Lösung übersättigt wird und die endotherme Substanz
kristallisiert. Die Kristalle, die schwerer sind als die Lösung, fallen durch das Gitter 22 zurück in die Kälteerzeugungszone
3 im unteren Teil der Säule 1.
Mit Rücksicht auf die Vorgänge in der Kristallisationszone der Säule 1 ist durch Anordnung einer geeigneten Abziehvorrichtung
24 sichergestellt, daß nur Lösungsmitteldampf zum Kondensator 11 entweicht.
Das Kondensat fließt vom Kondensator 11 über den Kondensatbehälter
15 und die Leitung 16 zurück in den unteren Teil der Säule 1. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
fließt das Kondensat über den Wärmespeicher 18. Es kann jedoch auch direkt vom Kondensator zurückgeleitet werden
zum unteren Teil der Säule 1, wo es dann wieder als Lösungsmittel für die Kristalle zur Verfügung steht und diese
auflöst, so daß infolge des endothermen Vorganges Kälte erzeugt wird.
-8-
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In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt mit einer Reihe von Säulen 25, 26, 27, die jeweils einen Wärmespender
28, 29 bzw. J5o aufweisen. Der Wärmespender 28 der
ersten Säule 25 ist an eine Sonnenbatterie 32 angeschlossen,
von wo er die erforderliche Wärmeenergie erhält; der Wärmespender 29 der Säule 2.6 jedoch ist der Kondensator der
Säule 25j und der Wärmespender Jo der Säule 27 ist der
Kondensator der Säule 26. Die Säule 27 ist mit einem Kondensator ~$K verbunden.
Jede Säule ist luftdicht abgeschlossen, unabhängig von den anderen, und ihre Funktionsweise ist die gleiche wie diejenige
der Säule 1 im ersten Ausführungsbeispiel. Die Säulen sind jedoch hinsichtlich der Wärmeübertragung in Kaskadenform
angeordnet, woraus sich der Vorteil einer besseren Wärmeausnutzung im ganzen System ergibt.
Es gibt viele geeignete Substanzen mit endothermen Wirkungen; eine entsprechende Untersuchung hat jedoch gezeigt, daß
Ammoniumnitrat, Ammoniumthiocyanat, Kaliumnitrit und Kaliumthiocyanat besonders geeignet sind. Diese Substanzen sind
in Wasser löslich, das bevorzugt als Lösungsmittel verwendet wird, weil es ein besonders schlechter Wärmeleiter ist,
was dazu beiträgt, die richtigen Temperaturgradienten zwischen dem unteren Teil der Säule 1 und der Kristallisationszone
2 der Säule zu gewährleisten. Selbstverständlich können auch andere Lösungsmittel und andere Kristalle verwendet
werden.
Durch Anordnung eines Behälters I5 und eines Durchflußregelventils
17 ist eine Regelung des Rückflusses des Kondensates
vom Kondensator 11 zum unteren Teil der Säule 1
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möglich, so daß das Lösungsverhältnis der endothermen
Substanz in der Kalteerzeugungszone J5 der Säule 1 besser
gesteuert werden kann.
Bei yj liegt das ungefähre obere Niveau der Flüssigkeit
in der Säule 1; an dieser Stelle ist die Flüssigkeit natürlich turbulent, da sie dort infolge der Wärmezuführung
in der Kristallisationszone kocht oder verdampft.
Gemäß der Erfindung werden also die Kristalle in der Kalteerzeugungszone unter Wärmeaustausch mit dem Wärmeaustauscher
7 in dieser Zone gelöst; die dabei entstehende gesättigte Lösung steigt zum oberen Teil der Säule
auf; dort wird die gesättigte Lösung erhitzt, um das Lösungsmittel, wie z.B. V/asser, abzuziehen und im Kondensator
11 aufzufangen; in der Kristallisationszone erreicht die gesättigte Lösung ein Stadium, in dem sich wieder
Kristalle bilden; wie bereits erwähnt, fallen diese Kristalle wegen ihres relativ hohen Gewichtes unter Schwerkaftwirkung
wieder in den unteren Teil der Säule 1 und gelangen so zurück in die Kälteerzeugungszone, wo sie wieder aufgelöst
werden. Dieser Prozeß läuft kontinuierlich weiter ab, solange die richtige Wärmebilanz aufrechterhalten wird
zwischen der mittels des Wärmespenders zugeführten Wärme und der am Wärmeaustauscher im unteren Teil der Säule
entnommenen Kälte.
(Ansprüche) -lo-
847/0338
Claims (16)
- PatentanwaltΓ3;;3Γ Jsskiaeh
Z Stuttgart N. Menzeistraße 40 9 R 1 Q R 7 7Peter John HASTWELLMills Terrace **Q * 3. Mai I976ITorth Adelaide3üd-AustralienPatentansprücheVerfahren zur Kühlung eines flüssigen Mediums in einem Wärmeaustauscher mittels eines endothermen Vorganges., dadurch gekennzeichne t, daß sich das endotherme Medium in Kristallform im unteren Teil (3) einer geschlossenen Säule (1) befindet, in dem auch der Wärmeaustauscher (7) angeordnet ist, daß vorzugsweise ein Vakuum in der Säule (1) unterhalten wird, daß der endothermen Substanz in der Säule (1) ein Lösungsmittel zugeführt wird, wobei sich die Kristalle in dem Lösungsmittel auflösen, die Temperatur am Wärmeaustauscher (7) infolge des endothermen Lösungsvorganges sinkt und die dabei entstehende gesättigte Lösung in der Säule (1) aufsteigt, daß der gesättigten Lösung im oberen Teil (2) der Säule (1) Wärme mittels eines Wärmespenders (4) zugeführt wird, um das Lösungsmittel zu verdampfen, daß dieser Dampf in einen Kondensator (11) abgezogen wird, wodurch das endotherme Medium wieder kristallisiert und die Kristalle in den unteren Teil(3)der Säule (1) absinken können, daß das Lösungsmittelkondensat von dem Kondensator (11) in den unteren Teil (3) der Säule (1) zurückgeführt wird, um den endothermen LösungsVorgang fortzusetzen, und daß die an dem Wärmeaustauscher (7) erzeugte Kälte zur Kühlung eines Mediums genutzt wird, wobei die Säule (1) so viel endotherme Substanz enthält, daß im unteren Teil (3) der Säule (1) auch bei stärkster Erwärmung der Lösung Kristalle verbleiben.'-IA-609847/0338 - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Kondensator (11) zurückfließende Kondensat an einer Stelle (18) zwischen dem Wärmeaustauscher (7) im unteren Teil (5) der Säule (1) und dem Wärmespender (4) zum Wärmeaustausch kommt.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle in den unteren Teil (j5) der Säule (1) über ein Gitter (22) zurücksinken, welches in der Säule (1) zwischen dem Wärmespender (4) und dem unteren Teil (3) der Säule (1) zur Verhinderung von Turbulenz und Vermischung von Flüssigkeit aus der heißen Zone mit Flüssigkeit aus der kalten Zone in der Säule (1) angeordnet ist.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf über eine geeignete Abziehvorrichtung (24) am oberen Ende der Säule (1) abgezogen wird, um zu verhindern, daß endothermes Medium in den Kondensator (11) gelangt.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat von dem Kondensator (11) in einen Behälter (15) fließt und der Durchfluß vom Behälter (15) zur Säule (1) mittels eines Regelventiles (17) zur Regelung der Lösungsmittelmenge in der Säule (1) geregelt wird.
- 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von Säulen (25, 26, 27) vorgesehen ist, die luftdicht abgeschlossen und unabhängig voneinander sind, wobei jedoch der Kondensator der ersten Säule (25) der Reihe in Wärmeaustausch steht mit der nächsten Säule (26)-12-609847/0338-IZ-der Reihe und. so den Wärmespender (29) dieser zweiten Säule (26) bildet usw., mit Ausnahme der letzten Säule (27) der Reihe.
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat von jedem Kondensator in einen Behälter geleitet wird, von diesem Behälter zu der entsprechenden Säule (25, 26, 27) fließt und der Durchfluß mittels eines Ventiles zur Regelung der Lösungsmittelmenge in der jeweiligen Säule (25, 26, 27) geregelt wird.
- 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespender (28) ein an eine Sonnenbatterie angeschlossener Wärmeaustauscher ist,
- 9. Vorrichtung zur Kühlung eines flüssigen Mediums in einem Wärmeaustauscher mittels endothermer Lösung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine geschlossene Säule (1) zur Aufnahme des kristallförmigen endothermen Mediums in dem unteren Teil (3) der Säule (1) und zur Aufnahme eines Lösungsmittels für die Kristalle, einen Wärmeaustauscher (7) im unteren Teil (3) der Säule (1), der zur Übertragung der Kühlung an externe Vorrichtungen angeschlossen werden kann, eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung eines Vakuums in der Säule (1), eine Vorrichtung (4) zur Abgabe von Wärme an einen oberen Teil (2) der Säule (1) zur Verdampfung des Lösungsmittels in dem oberen Teil (2) der Säule (1), einen Kondensator (11), der mit dem oberen Ende der Säule (1) verbunden ist und verdampftes Lösungsmittel aus der Säule (1) aufnimmt, und eine Verbindung (14* 15# 16) von dem Kondensator (11) zurück zum unteren Teil (3) der Säule (1), über welche Kondensat zur Säule (1) zurückgeführt wird.-13-609847/0338
- 10. Vorrichtung nach Anspruch °, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat aus dem Kondensator (11) an einer Stelle (18) zwischen dem Wärmeaustauscher (7) im unteren Teil (J>) der Säule (1) und dem Wärmespender (4) zum Wärmeaustausch mit der endothermen Lösung gebracht wird.
- 11. Vorrichtung nach Anspruch 9* gekennzeichnet durch ein Gitter (22) zwischen dem Wärmespender (4) und dem unteren Teil (j?) der Kolonne (1) zur Verhinderung von Turbulenz und Vermischung von Flüssigkeit aus der heißen mit Flüssigkeit aus der kalten Zone der Säule (1), wobei das Gitter (22) zwischen dem Wärmespender (4) und dem unteren Teil (5) der Säule (1) angeordnet ist.
- 12. Vorrichtung nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch eine Abziehvorrichtung (24) am oberen Ende der Säule (1), die verhindert, daß endoihermes Medium in den Kondensator (11) gelangt.
- I^. Vorrichtung nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat von dem Kondensator (11) in einen Behälter (15) fließt und der Durchfluß von dem Behälter (15) zur Kolonne (1) mittels eines Ventils (17) zur Regelung der Lösungsmittelmenge in der Säule (1) geregelt wird.
- 14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von Säulen (25, 26, 27) vorgesehen ist, die luftdicht verschlossen und unabhängig voneinander sind, wobei jedoch der Kondensator der ersten Säule (25) in Wärmeaustausch steht mit der nachfolgenden Säule (26) und so den Wärmespender (29) der Säule (26) bildet usw. für jede nachfolgende Säule der Reihe, mit Ausnahme der letzten Säule (27) der Reihe.609847/0338
- 15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat aus jedem der Kondensatoren in einen Behälter geleitet wird und von diesem Behälter zurück in die zugehörige Säule fließt,, wobei der Durchfluß jeweils mittels eines Ventils zur Regelung der Lösungsmittelmenge in jeder der Kolonnen (25, 26, 27) geregelt wird.
- 16. Vorrichtung nach Anspruch 9.» dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespender (28) ein an eine Sonnenbatterie (j52) angeschlossener Wärmeaustauscher ist.609847/0338WS-Leerseite
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