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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heizen in gasförmiger Umgebung (Milieu) durch
zwei Wärmepumpen nach dem einleitenden Teil von Anspruch 1. Ein solches Verfahren ist zum
Beispiel aus dem Dokument FR-A-2 453 373 bekannt und kann insbesondere bei den
Trocknungsanlagen mit Wiedergewinnung der Enthalpie der aus dem Trockner
(Trocknungsanlage) ausgezogenen Luft verwendet werden oder bei jeder Anwendung, wo die
Wiedergewinnung der Enthalpie möglich ist, zum Beispiel bei Rauchgasen.
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Es existieren insbesondere zahlreiche Trockner, bei denen die Temperatur der extrahierten
Luft 50ºC überschreitet, wobei eine bedeutende Menge Wasserdampf vorhanden ist» der 100 g/kg
extrahierter Luft erreichen kann.
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Folglich steht in diesem Fall ein bedeutender Teil an wiedergewinnbarer Enthalpie in der
extrahierten Luft bei einer relativ erhöhten Temperatur zur Verfügung; wenn z. B. die
Feuchttemperatur der extrahierten Luft 53ºC beträgt, sind 60% der Enthalpie, die bis zu einer Temperatur
von 22ºC zurückgewinnbar ist, in der Tat zwischen 53ºC und 40ºC verfügbar, ein Niveau, das eine
Wärmequelle bildet, die insbesondere in dem Fall des Heizverfahrens durch Wärmepumpen
nennenswert ist.
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Gegenwärtig benutzt man in der Vielzahl der Fälle eine Wärmepumpe, deren
thermodynamisches Fließmittel entweder ein einfacher Stoff oder ein azeotropes Gemisch ist, bei denen
Isobaren auch Isotherme sind.
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Es ist also wichtig, mit allen technisch zur Verfügung stehenden Mitteln jede geeignete
Lösung zu finden, die Spanne zwischen den extremen Temperaturen zu verringern und also den
extremen Drücken, die dem thermodynamischen Zyklus aufgezwungen werden, um den
Leistungskoeffizienten zu verbessern, der direkt mit der Spanne zwischen den extremen Drücken
verbunden ist.
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Im gegenwärtigen Stand der Technik scheint das Dokument FR-A-2 453373 der Erfindung
am nächsten zu sein. Es stellt in der Figur 2 der Tafel 116 die Teilung der Gesamtheit der
Temperaturgradienten t&sub0;/t&sub6; und T&sub0;/T&sub6; in einer Reihe von sechs Temperaturstufen klar dar, welche
durch die treppenartige Zeichnung für die Entwicklung der Temperaturen der warmen und kalten
Quellen dargestellt sind. In derselben Figur kann man auch die Anwesenheit von Pfeilen
bemerken, welche die Anordnung der externen Fließmittel im Gegenstrom zeigen.
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Die Figur 1 auf derselben Seite zeigt daß der Gebrauch von sechs Wärmepumpen für die
Gesamtheit der sechs Zonen der Temperaturgradienten notwendig ist, um das Ziel der Vorrichtung
der Figur 2 zu verwirklichen, nämlich die Exergieverluste zu begrenzen.
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Das Dokument EP-A-0 1 65 848 erwähnt seinerseits die Benutzung von nicht-azeotropen
Gemischen in Wärmepumpen, um dadurch den Leistungskoeffizienten zu verbessern.
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Das Dokument EP-A-0 354 892, welches ein nachgebrachtes Dokument im Sinn von
Artikel 54 (3) EPÜ bildet, beschreibt einen Austauscher mit Metallgeweben, der geeignet ist, den
Wärmeaustausch zwischen Gas und Fließmittel mit sehr verringerten Temperaturspannen
sicherzustellen, wie z. B. denen, die in den Figuren 1-c und 2 des vorliegenden Patentes gezeigt
sind.
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Um den gesamten Leistungskoeffizienten zu optimieren, der durch das im einleitenden Teil
von Anspruch 1 bestimmte Heizverfahren erhalten wird, benutzt man als thermodynamische
Fließmittel nicht-azeotrope Gemische, deren Zusammensetzungen von einer Wärmepumpe zur
anderen gemäß den Temperaturzonen der thermodynamischen Zyklen variieren.
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Wie man aber bei der weiteren Analyse der Diagramme der Figur 1 feststellen wird,
erfordert die vorteilhafte Benutzung von nicht-azeotropen Gemischen eine Gegenstromzirkulation
des thermodynamischen Fließmittels und des externen Fließmittels, wobei während der gesamten
Dauer des Austausches auf eine geringe Spanne zwischen der Temperatur des
thermodynamischen Fließmittel und der Temperatur des externen Fließmittels geachtet wird.
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Die Lösung dieses Problems, das besonders heikel ist, wenn das oder die externen
Fließmittel Gase sind, z. B. Luft in dem Fall von Trocknern, wird durch die Austauscher mit
Metallgeweben geliefert, die Gegenstand der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 354 892
sind, die von Econergie eingereicht ist, Austauscher die völlig geeignet sind, diese
Austauschvorgänge unter den geforderten Bedingungen zu verwirklichen.
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Diese Austauscher verfügen über ein wichtiges Merkmal, nämlich einen guten
Austauschkoeffizienten auch bei geringer Durchgangsgeschwindigkeit der Gase zu bewahren,
wobei zugleich mit geringen Druckverlusten gearbeitet wird.
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Sie sind insbesondere dazu geeignet, einen wirksamen Austausch im Gegenstrom zu
verwirklichen, indem die erforderliche Austauschoberfläche mit einer Anzahl von Platten in
ausreichender Menge versehen, und indem eine solche Struktur von Geweben so angepaßt wird,
daß die Spanne zwischen der Temperatur der Gase und dem thermodynamischen Fließmittel bei
der Zustandsänderung um einige Grade, z.B. 2ºC, ja sogar 1,5ºC verringert werden kann.
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Die Kombination der drei Mittel A), B) und C) von Anspwch 1 ist geeignet, bei den
zahlreichen Trocknungsanlagen ein bemerkenswertes Ergebnis zu liefern, welche in ihrer
Gesamtheit ungefähr 20% der durch die Industrie verbrauchten Fossilenergie benutzen.
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Es ist wichtig zu bemerken, daß sich der aus der Kombination dieser drei Mittel sehr
wesentliche herbeigeführte Fortschritt tatsächlich für jedes dieser Mittel aus der Suche nach einer
besseren Verwertung der Enthalpieexergie ergibt, die in dem oder den externen Fließmitteln zur
Verfügung steht, bei dem die Enthalpie zurückgewonnen wird, und gleichzeitig aus den
Exergieeinsparungen bei den Enthalpiezuführungen für die externen Fließmittel der warmen
Quellen.
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Unter Berücksichtigung des Temperaturniveaus, bei dem die Enthalpie in der kalten Quelle
zurückgewonnen oder zur warmen Quelle hingeführt wird, erlaubt die Exergie die Eigenschaft
dieser Enthalpien zu messen.
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In dem Verfahren, das Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, erlaubt die Kombination
dieser drei Mittel den Wärmepumpen ihre Funktion besser zu erfüllen, die darin besteht, die
Exergie der Enthalpien zu erhöhen, die bei Temperaturen zurückgewonnen wurden, welche
niedriger sind, als die ihrer Verwendung. Aber zugleich bringt die Verdichtungsarbeit eine
unvermeidbare Zugabe an kostspieliger Enthalpie mit sich, welche das Verfahren auf dem Umweg
über geringe Verdichtungsverhältnisse stark verringern kann, wobei jede Exergievergeudung
vermieden wird.
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Ebenso wie die aus den Trocknern extrahierte Luft eignen sich die Rauchgase jeder
Heizanlage mit Erdgas dank ihres hohen Wasserdampfgehaltes - die Rauchgase der neutralen
Verbrennung von Methan haben denselben Wassergehalt wie mit Feuchtigkeit gesättigte Luft von
57ºC - besonders gut für eine Wiedergewinnung nicht nur der Spanne, die zwischen dem
spezifischen Brennwert und dem spezifischen Heizwert besteht, nämlich z. B. 9,8 - 8,8 = 1
kWh/m³ für die Gase von Groeningen, sondern auch des Bruchteils des Ertrages des spezifischen
Heizwertes, den die Heizanlage nicht zurückgewinnen konnte.
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Gegebenenfalls durch Sättigen der Rauchgase dieser Anlagen mit Wasserdampf durch
Umwandlung ihrer freien Wärme in latente Wärme und durch gleichzeitiges Entfernen im
Gegenstrom jeder größerer Verunreinigung in einem Turm, der mit Füllkörpern ausgestattet ist und
mit Wasser berieselt wird, das ständig durch Zugabe der Verdampferkondensate der zwei
Wärmepumpen erneuert wird, erhält man ein mit Feuchtigkeit gesättigtes Gas, dessen Merkmale
denen der aus dem Trockner extrahierten Luft sehr nahekommen.
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Eine solche Anlage kann z.B. vorteilhaft hinter ausreichend großen Erdgaskesseln ins
Auge gefaßt werden, mit der Heizungen von Gebäuden ausstattet sind, weil sie gegenüber
Kondensationskesseln den sehr bedeutenden Vorteil mit sich bringt, stark den
Wiedergewinnungsprozentsatz der Enthalpie, ganz gleich wie die Rücklauftemperatur ist, zu verbessern und
die Gesamtheit der rückgewonnenen Enthalpie auf das allgemein notwendige Niveau von 70ºC
oder wenn nötig mehr, zu bringen.
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Insbesondere in den Stadtheizanlagen, die im allgemeinen nicht mit Gegendruckturbinen
ausgestattet sind, um zugleich Elektrizität zu erzeugen, würde es genügen, eine leichte
Überhitzung des in dem Kessel erzeugten Dampfes vorzusehen, um dem Frischdampf die sehr
geringe Energiezugabe gegenüber der angewendeten Gesamtenergie zuzugeben, die notwendig
wäre, um zwei kleine Gegendruckturbinen zu speisen, die an die Kompressoren gekuppelt sind,
um diesen die mechanische Energie zuzuführen, die übrigens schließlich durch die Kondensatoren
der Wärmepumpen zurückgewonnen würde, wenn auch mit einer stark verringerten Exergie.
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Durch Verändern der Drehzahl der Turbinen wäre die Leistung der Anlage leicht parallel
zu der für den Kessel geforderten Leistung einstellbar; es ist wahrscheinlich, daß selbst eine
teilweise Verwertung des spezifischen Brennwertes es erlauben würde, sehr schnell die Kosten
der Anlage zu amortisieren, eine Amortisierung, die indessen empfindlich von der
Rücklauftemperatur der Kondensate abhängig ist.
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Die Diagramme der Figur 1 geben für eine Feuchttemperatur von 53ºC der aus dem
Trockner extrahierten Luft, die eine ausgezeichnete Kältequelle darstellt, ein äußerst
repräsentatives Bild der Rolle, die von jedem der Mittel bei der Verwertung der zurückgewonnenen
Enthalpieexergie übernommen wird.
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Ähnliche Diagramme hätten für die der Trockenluft zugeführten Enthalpie aufgestellt
werden können, aber die Vielfalt der Methoden und der in den Trocknern verwendeten
Lufttemperaturen ist derart, daß es unmöglich ist, verbindlich einen besonderen Fall ins Auge zu
fassen; die Diagramme hätten indessen ähnliche Verläufe wie diese, die für die Wiedergewinnung
bei der extrahierten Luft gezeigt werden, Diagramme, die mit der einzigen Ausnahme der
Veränderung der Feuchttemperatur der extrahierten Luft für alle die Trockner identisch sind.
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In dem Diagramm 1-a der Figur 1, welches dem Gebrauch einer einzigen Wärmepumpe
entspricht, bezieht sich die schraffierte Fläche auf die Enthalpie, deren zwischen 23ºC und 53ºC
anwachsende Exergie tatsächlich nur auf dem exergetischen Niveau von 23ºC verwertet wurde.
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Dieses Diagramm entspricht der Verwendung eines einfachen Stoffes oder eines
azeotropen Gemisches als thermodynamisches Fließmittel.
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In dem Diagramm 1-b, welches dem Gebrauch von zwei thermodynamisch unabhängigen
Wärmepumpen entspricht, unter Benutzung dergleichen thermodynamischen Fließmittel wie oben,
stellt man fest, daß sich die Hauptzone des nicht schraffierten Rechtecks auf einen beträchtlichen
Teil der Enthalpie bezieht, bei dem dank des Gebrauchs von zwei thermodynamisch
unabhängigen Wärmepumpen der Exergieverlust vermieden wurde; die ganze Enthalpie dieser Zone
wird durch die zweite Wärmepumpe mit der Exergie zurückgewonnen, die ihr von dem Niveau von
40ºC an eigen ist, anstelle von nur 23ºC wie in dem Diagramm 1-a.
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Für die zwei Wärmepumpen des Diagramms 1-b wird angenommen, daß die endgültige
Spanne zwischen der Temperatur der aus dem Verdampfer austretenden Luft und der des in den
Verdampfer eintretenden thermodynamischen Fließmittels auf 2ºC reduziert ist, nämlich auf eine
relativ geringe Spanne; im Gegensatz dazu bleiben an dem anderen Ende der
Austauschkreisläufe diese Spannen bedeutend, 53ºC - 39,5ºC = 13,5ºC und 41,5ºC - 23ºC = 18,5ºC was
erlaubt, beim größten Teil der Verdampfer relativ leistungsschwache Austauscher zu verwenden.
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Das Diagramm 1-c der Figur 1 bezieht sich auf die Verwendung von nicht-azeotropen
Gemischen als thermodynamisches Fließmittel und auf den Gebrauch von leistungsfähigen
Austauschern, wie z. B. die Metallgewebeaustauscher in dem Fall, wo die externen Fließmittel
Gase sind, hier oben erwähnte Austauscher, die im Gegenstrom arbeitend erlauben, vollkommen
die Tatsache zu verwerten, daß die Isobaren der Verdampfung (und der Kondensation) nicht mehr
Isotherme sind und daß diese Isobaren die Temperaturbereiche von mehr als 15ºC abdecken
können.
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Man bemerkt in diesem Diagramm 1-c, daß die schraffierten Zonen praktisch nur noch der
Mindestenergie entsprechen, die nötig ist, um mit einer kleinen Spanne von 2ºC den
Enthalpietransfer im Laufe der aufeinanderfolgenden Austauschvorgänge zwischen extrahierter Luft und
dem thermodynamischen Fließmittel der zwei Wärmepumpen sicherzustellen.
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Dasselbe Prinzip der maximalen Verwertung der Exergie der Kondensationsenthalpie der
nicht-azeotropen Gemische während der ganzen Zeit des Austausches im Gegenstrom über den
Umweg über eine stark reduzierte Spanne zwischen der Temperatur des thermodynamischen
Fließmittels und dieser der durch die Wärmepumpen erhitzten Luft muß sorgfältig beachtet
werden.
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Die gewählten Vorrichtungen und die Gesamtheit der drei verwendeten Mittel bringen also
die thermodynamisch optimale Lösung, die durchgeführt werden kann und die derart ist, daß ein
ausgezeichneter Leistungskoeffizient geschaffen wird.
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Der Gebrauch von zwei thermodynamisch unabhängigen Wärmepumpen schließt klar den
Gebrauch von zwei Kompressoren und zwei Druckminderventilen ein, welche gemeinsam die
gleiche Wärmeleistung liefern, wobei zugleich eine mechanische Gesamtleistung verbraucht wird,
die gegenüber der, welche den Gebrauch einer einzigen Wärmepumpe erfordern würde, stark
reduziert ist.
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Ebenso führt die Notwendigkeit, mit einer geringen Spanne einen Austausch im
Gegenstrom gemäß der Entwicklung der Kondensations- und Verdampfungstemperaturen der
nicht-azeotropen Gemische sicherzustellen, dazu, groß bemessene Austauscher vorzusehen, die
geeignet sind, diese geringe Spanne sicherzustellen.
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Aber die Bedeutung des durch die Kombination dieser drei Mittel herbeigeführten
Fortschrittes erlaubt nicht nur, die Belastung der Amortisierung und der Finanzierung der
zusätzlichen Kosten der Investition auszugleichen, sondern auch gleichzeitig eine sehr
wesentliche Wirtschaftlichkeit in der Nutzung dieses Heizverfahrens durch zwei thermodynamisch
unabhängige Wärmepumpen zu verwirklichen.
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Die oben dargestellte Erfindung wird besser mit Hilfe einer nicht begrenzenden
Ausführungsform verständlich, welche sich auf ein Trockungsverfahren bezieht, das den
Wärmebedingungen der bestehenden Trockner entspricht.
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Figur 2 stellt die Entwicklung der Temperaturen der nicht-azeotropen Gemische, die in
durchgezogenen Linien dargestellt sind, in Funktion der transferierten Enthalpien dar, während
die Temperaturen der extrahierten Luft und die der Trockenluft in gestrichelten Linien dargestellt
sind, wobei die Pfeile den Enthalpietransfer darstellen.
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Die dem Trockner entnommene, gewaschene und mit Wasser gesättigte Luft von 53ºC
tritt bei 1 in den Verdampfer 2 der Wärmepumpe B mit einer Enthalpie von 319 kJ/kg trockener
Luft ein; die Luft wird hier dort einer starken Wiedergewinnung der latenten Kondensationswärme
des Wasserdampfes aber bei einer relativ gemäßigten Verringerung ihrer Temperatur zwischen
53ºC und 41,5ºC am Ausgang des Verdampfers bei 3 abgekühlt. Ihre Enthalpie ist dagegen stark
von 319 auf 179 kJ/kg trockener Luft verringert, bei einer Entnahme von 140 kJ/kg trockener Luft.
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Die extrahierte Luft tritt dann direkt in den Verdampfer 4 der Wärmepumpe A ein, den sie
bei 5 mit 25ºC verläßt. Ihre Enthalpie wird von 179 auf 76 kJ/kg trockener Luft reduziert bei einer
Entnahme von 103 kJ/kg trockener Luft.
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Das in der Wärmepumpe A entspannte, nicht-azeotrope Gemisch verdampft im
Gegenstrom zwischen 23ºC und 39,5ºC in dem Verdampfer 4, bevor es durch den Kompressor
6 angesaugt wird. In dem Kondensator 7 findet die Kondensation des nicht-azeotropen Gemisches
zwischen 66ºC und 46ºC statt; ihr folgt eine Unterkühlung 8 bis auf 33ºC durch Austausch im
Gegenstrom mit der mit 20ºC in den Kondensator 7 eintretenden frischen Luft, die mit 64ºC von
dort austritt.
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Nach dem Durchgang durch das Druckminderventil 9 der Wärmepumpe A wird das in dem
Verdampfer 4 im Gegenstrom erwärmte nicht-azeotrope Gemisch vollkommen gasförmig, wobei
es von 23ºC auf 39,5ºC übergeht.
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Ebenso wird in die Wärmepumpe B, welche von der Wärmepumpe A thermodynamisch
unabhängig ist, das nicht-azeotrope Gemisch gasförmig durch den Kompressor 10 mit 51ºC
angesaugt; in dem Kondensator 11 wird es zwischen 76ºC und 58ºC vollkommen flüssig, während
die Luft von 56ºC auf 74ºC wieder erwärmt wird.
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Das Druckminderventil 12 speist den Verdampfer 2 bei einer Temperatur von 36ºC,
während die Luft diesen Verdampfer mit 41,5ºC verläßt.
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Man kann die Fortschritte, die die vorliegende Erfindung erlaubt, beurteilen,indem man die
Spannen zwischen den Temperaturen des nicht-azeotropen Gemisches vergleicht, welche
die Druckniveaus der Kondensation und der Verdampfung bestimmen, nämlich 76ºC - 51,5ºC =
25ºC und 66ºC - 39,5ºC = 26,5ºC anstelle von 76ºC - 39,5ºC = 36,5ºC, wobei eine einzige
Wärmepumpe mit einem nicht-azeotropen Gemisch verwendet wird, oder 76ºC - 23ºC = 53ºC für
eine einzige Wärmepumpe, die nach der allgemein derzeit verwendeten Technik einfache Stoffe
oder azeotrope Gemische verwendet.
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Obendrein ist die Wiedergewinnungsquote der extrahierten Luft in dem Fall dieses
Trockners nahe 90%.
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Diese Feststellungen erlauben mit erheblichen Verbesserungen des
Gesamtieistungskoeffizienten zu rechnen, der ein außergewöhnliches Niveau durch die Benutzung von zwei
thermodynamisch unabhängigen Wärmepumpen, von nicht-azeotropen Gemischen als
thermodynamische Fließmittel und von Austauschern vom Typ mit Metallgewebe, die im
Gegenstrom arbeiten, erreichen kann.