Arbeitsblätter_HKLS

Gliederung

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Prof. Dr.-Ing. L. Mardorf

Heizungs-, Klima- und Kltetechnik

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A. Heizungstechnik

1. Zentral - Warmwasser - Heizungen

2. Brenner 2.1 lzerstubungsbrenner 2.2 Gasbrenner 2.2.1 Atmosphrische Gasbrenner 2.2.2 Gasbrenner mit Geblse 2.3 Abgas Emission 2.4 Messtechnik und Analyse der Verbrennung

3. Heizkessel 3.1 Niedertemperaturkessel 3.2 Brennwertkessel

Praktikum: Laborversuch Gas-Brennwertkessel

B. Klimatechnik

1. Thermodynamische Grundlagen der feuchten Luft 1.1 Zustandsgren der feuchten Luft 1.2 Das Enthalpie - Feuchte - Diagramm von Mollier 1.3 Zustandsnderungen der feuchten Luft

2. Lftungs- und Klimatechnik 2.1 Raumklima und Behaglichkeit 2.2 Meteorologische Daten und Wrmebedarf 2.3 Aufbau von Klimaanlagen 2.4 Auslegung von Lftungs- und Klimaanlagen

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C. Kltemaschinen und Wrmepumpen

1. Thermodynamische Bewertung von Kltemaschinen 1.1 Exergie und Anergie 1.2 Zustandsgren 1.3 Idealer Vergleichsprozess Carnot 1.4 Zustandsdiagramme in der Kltetechnik 1.5 Drosselvorgang im Kaltdampfprozess

2. Verdichter - (Kompressions-) Kltemaschine 2.1 Einstufige Verdichter - Kltemaschine 2.2 Kreisprozess im T -s Diagramm und logp - h -Diagramm 2.3 Exergieverluste der einstufigen Verdichter - Kltemaschine 2.4 Kltemittel 2.5 Bauteile

Praktikum:

Laborversuch Verdichter-Kltemaschine fr PKW Klimatisierung

3. Absorptionskltemaschine (AKM) 3.1 Zweistoffgemische 3.1.1 Druck - Temperatur - Diagramm 3.1.2 Enthalpie - Konzentrationsdiagramm 3.2 Einfache einstufige AKM 3.3 Einstufige AKM mit Rektifikation 3.4 Absorptionswrmepumpe

Praktikum: Laborversuch Gas-Absorptionswrmepumpe

Literatur


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[1] Arbeitskreis der Dozenten fr Klimatechnik (Hrsg.) Handbuch der Klimatechnik Band 1: Grundlagen Band 2: Berechnung und Regelung Band 3: Bauelemente Verlag C.F. Mller 1988/1989 [2] Schramek, E.-R. (Hrsg.) / Recknagel, H. Taschenbuch fr Heizung und Klimatechnik Oldenbourg-Industrieverlag 2007 [3] Buderus Heiztechnik (Hrsg.) Handbuch der Heizungstechnik Beuth Verlag 1994 [4] Jungnickel, H. / Agsten, R. / Kraus, W.E. Grundlagen der Kltetechnik Verlag C.F. Mller 1981 [5] Kalide, W. Thermodynamik der Khl- und Klteanlagen Carl Hanser Verlag 1976 [6] Cube/Steimle/Lotz/Kunis (Hrsg.) Lehrbuch der Kltetechnik 4. Auflage Band 1 + 2 Verlag C.F. Mller 1994 [7] Formeln, Tabellen und Diagramme fr die Klteanlagentechnik Verlag C.F. Mller 1999


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Systematik der Heizungs-, Klima- und Kltetechnik

Kltemaschinen

Wrmeerzeuger

Klimatechnik Heizungstechnik

Kltetechnik Khlprozesse

A.: Heizkreis mit Vorlauftemperatur-Regelung


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Heizkreis mit Auentemperatur geregelte Vorlauftemperatur Heizkurven

B = Brenner KF = Kesseltemperaturfhler VF = Vorlauftemperaturfhler F = Fernbedienung mit Raumtemperaturfhler


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A.: Auenluft-Temperaturverlauf und Heizungsbedarf

Puffer-Laden Puffer-Entladen


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A.: Auenluft-Temperaturverlauf und Heizungsbedarf

Auen-Lufttemperatur [C]

A.: Schema eine Hochdruck-lbrenners

Heizungs-, Klima und Kltetechnik

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a Motor b Ventilator c Filter d Pumpe e Steuergert f Zndrelais fr

unterbrochene Zndung

g Zndtransformator h Leitschaufeln i Flammenwchter k Dse l Zndelektroden


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A.: lbrennerpumpen

Quelle: Fa. Eckerle

1 Zahnradgetriebe 2 Filter 3 Gehusedeckel 4 Druckmessanschluss 5 Entlftungsschraube 7 Druck-Regulierspindel 8 Gleitringdichtung 9 Dichtungsraum 10 Ventil 11 Magnetventil


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A.: lbrenner: Zndelektroden und Dse

Brennerkopf mit Zndelektroden

lbrenner Dse

Feinfilter

Dsenbohrung

Wirbelkammer

Wirbelschlitz Dsenkrper

A.: Wrme und Stofftransport am Heizltropfen


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Flammenfront und Phasengrenze Brennzeit von Heizltropfen Relativgeschwindigkeit Luft/Tropfen 75 m/s Tropfenanfangstemperatur 300 K


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A.: Gemischbildung und Rezirkulationsstrmung bei Geblse-Brennern

Wirkung eines Flammenhalter Rezirkulationsstrmung


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A.: Atmosphrische Gasbrenner: Brennerarten

Verbrennungs-

luft Sekundr-

luft

Mischung

Primr-luft

Gas Gas Dse Primrluft

Gaszufuhr Mischrohr

Sekundrluft

Gas

Primrluft Venturirohr

Brennera) Leuchtflammenbrenner

b) Bunsenbrenner

c) Injektorbrenner mit Venturirohr

d) Injektorbrenner mit Gasdse


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A.: Gas-Geblse-Brenner: Bauarten

c) Kreuzstrom-Lanzenbrenner b) Kreuzstrom-Mittelrohrbrennera) Parallelstrombrenner

Gasdsenrohr

Stauscheibe Gasverteilring

Gaslanzen

Gas

Gas Gas

Gas

Luft Luft Luft

Dsen

Gasdsen

Geblse

Stauscheibe

Brennerrohr

Zndelektrode

Monoblock-Ausfhrung

Geblse getrennt vom Brenner


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A.: Heizkessel Bauform: Niedertemperaturkessel

1) Zweizug-System mit Nachheizzgen 2) Nachheizzge mit Turboladern

3) Niedertemperaturkessel mit Brennkammer-Einsatz und Umkehrflamme 3 a

3 b

3 c

A.: Heizkessel Bauform: Mittel- und Grokessel Leistungsbereich 110 5000 kW


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Quelle: Fa. Frling

A.: Energieflussschema Brennwertkessel


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Energienutzung bei herkmmlichen Kesselanlagen Brennwertkesseln

11% latente Brennstoffwrme

11% latente Brennstoffwrme

Jahresnutzungsgrad

21 23 % Abgasverluste

8 10 % Abgasverluste

6 10 % Bereitschafts-verluste

1 2 % Bereitschafts-verluste

A.: Heizkessel Bauform: Brennwertkessel


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Brennwertkessel mit Vormischbrenner

Brennwertkessel mit Geblsebrenner

1 Verbrennungsluft 6 Rcklaufanschluss 2 Heizgas (Erdgas) 7 Wrmetauscherrohr 3 Abgase 8 Erdgasbrenner mit 4 Kondensatablauf Vormischkammer 5 Vorlaufanschluss

Heizungswasser Vorlauf

Abgasaustritt

Guss-Wrme- tauscherblock

Geblsebrenner

Heizungswasser Rcklauf

Kondensatablauf

Brennwertkessel, Fabrikat Buderus Ecomatic-plus

A.: Wassertaupunkt Suretaupunkt


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Taupunktstemperaturen fr Wasserdampf bei verschiedenen

Brennstoffen

Wassertaupunkt Suretaupunkt von Abgasen (DIN 4705)

A.: Temperatur-, Partialdruck- und Konzentrationsverlauf im kondensierenden Abgaswrmebertrager


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Khlwasser Rohrwand Kondensatfilm Rauchgas


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A.: Verbrennungsgas-Berechnung

Verbrennungsgas-Berechnung bei festen und flssigen Brennstoffen

( ) ( ) ( ) ( ) ( )LuftNLuftOLuftOHBr.OHNSOhOHCOfa, 22222222 VVVVVVVVV +++++++=

feuchte Verbrennungsgasmenge

kgm in V

3n

f,a

Verbrennungsgas-Berechnung fr gasfrmige Brennstoffe

2222 NOOHCOf,a VVVVV +++=

feuchte Verbrennungsgasmenge

3

3

f,a mm in V

++

+= b2bmn

b2

b

min OHC4mn

2HCO

21,01L

Brennstoff mLuft m in 3

n

3n

Abgas-Zusammensetzung:

Abgasbestandteil Zeichen Abgase in m / m

Kohlendioxyd CO2 CO2b+COb+n(CnHm)b

Wasserdampf H2O H2b+m/2(CnHm)b

Sauerstoff O2 0,21(-1)Lmin

Stickstoff N2 N2b+0,79Lmin

A.: Brenner Steuerung


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Programmablauf eines lbrenners Steuerspannung

Ventilator

Zndung

Magnetventil

Flamme

Abschaltung

Programmablauf eines Gas-Geblse-Brenners Steuerspannung

Geblsemotor

Zndung

Zndgasventil

Hauptgasventil

Flamme

30 3 12 Sekunden

tv ts Betrieb tv ts 15 s Strung max. 10 s

B.: Anwendung einer Kltemaschine in einem klimatechnischen System


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1 Auenluftklappen 9 Nachwrmer 17 Abluftventilator 2 Umluftklappe 10 Zuluftventilator 18 Abluftklappe 3 Mischkammer 11 Schalldmpfer 19 Umluftkanal 4 Vorfilter 12 Zuluftkanle 20 Raum-Heizkrper 5 Nachfilter 13 Luftauslsse 21 Heizkessel 6 Vorwrmer 14 Klima-Raum 22 Kltemaschine 7 Befeuchter 15 Abluftkanle 23 Luftkhler (Turm) 8 Khler 16 Schalldmpfer

B.: Dampfdruckkurve: p, t Diagramm von Wasser


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B.: Sttigungsdruck des Wassers ps, Dichte und Stoffeigenschaften Luft / Wasser


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B.: h-x Diagramm fr feuchte Luft


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B.: Zustandsnderungen der feuchten Luft im h-x Diagramm

Mischen von zwei Luftmengen und Erwrmung

Khlung der Luft Befeuchtung der Luft

B.: Temperaturen am Luftkhler


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Geltungsbereich Lufteintrittstemperatur max. 35C spezif. Enthalpie max. 71 kJ/kg

B.: Norm-Auentemperatur in C


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Klimakarte aus DIN 4701 Tiefstes Zweitagesmittel

B.: Mittlerer Wrmedurchgangskoeffizient km fr Gebude


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A = gesamte Gebude-Umfassungsflche in m V = gesamtes Gebudevolumen in m

B.: Khl- und Heizlast fr RLT Anlagen


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Laminare Vormischflammen an den Beispielen Fall 1 Fall 2 QA + QI = QK QA + QI = QK Fall 3 Fall 4 QI - QA = QK QA - QI = QH Fall 1 und 2: Sommer Fall 3 und 4: Winter Fall 1, 2 und 3: Khllast Fall 4: Heizlast QA : uere Last QI : innere Last

Raum

QK

QA

QI

Raum

QK

QA

QI

Raum

QK

QA

QI

Raum

QH

QA

QI

B.: Klimaanlage Regelung der Zuluftfeuchte mit Dampfbefeuchter


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Regler 1: Frostschutz-Regler Regler 2: absolute Feuchte Regler 3 und 4: Raumtemperatur mit Zulufttemperatur in Kaskade

AW = Auenluftzustand im Winter AS = Auenluftzustand im Sommer Z = Zuluftzustand E = Luftzustand nach Erhitzer K = Luftzustand nach Khler (im Sommerfall) xZ = absolute Zuluftfeuchte

B.: Klimaanlage mit Luftwscher Regelung der Wscheraustrittstemperatur


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100 % Auenluft Regler 1: Raumtemperatur Regler 2: Zulufttemperatur Regler 3 Wscheraustrittstemperatur

AW = Auenluftzustand im Winter AS = Auenluftzustand im Sommer Z = Zuluftzustand E = Luftzustand nach Vorerhitzer K = Luftzustand nach Khler (im Sommerfall) xZ = absolute Zuluftfeuchte

C.: Schema des Energieflusses bei der Kltemaschine


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C.: Exergie und Anergie


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Exergie ist die Energie, die sich unter Mitwirkung einer vorgegebenen Umgebung vollstndig in jede andere Energieform umwandeln lsst. Anergie ist Energie, die sich nicht in Exergie umwandeln lsst. Der 1. Hauptsatz als Erhaltungssatz der Energie: Bei allen Prozessen bleibt die Summe aus Exergie und Anergie konstant. Aussage des 2. Hauptsatzes: I. Bei allen irreversiblen Prozessen verwandelt sich Exergie in Anergie II. Nur bei reversiblen Prozessen bleibt die Energie konstant. III. Es ist unmglich, Anergie in Exergie zu verwandeln.

reversibel irreversibel Schema des Exergie- und Anergieflusses einer Kltemaschine

Energie = Exergie + Anergie Q = E + B


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C.: Zustandsgren in der Kltetechnik

Temperatur T [K], t [C] Druck p [bar] Volumen V [m], v [m/kg] Zustandsgleichung des idealen Gases pV = m Ri T Enthalpie H [kJ], h [kJ/kg] H = U + p V H = m cp T h = cp T Wrmestrom ( )12TTp12 TTcmH - H Q 21 == &

&

aus dem 1. Hauptsatz

1212 v12diss WUU W Q =+&

Entropie

K kgkJ s ,

KkJ S

aus dem 2. Hauptsatz T

WQ s dissi +=


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C.: IdealerVergleichsprozess

T

T

TH

TU TU

T0

s1 s2s1 s2 s s

Carnot Prozess: Der Carnot-Prozess erreicht den hchstmglichen thermischen Wirkungsgrad zwischen gegebenen Temperaturgrenzen (T und Tu) und wird deshalb oft zur Beurteilung der Gte anderer theoretischer Kreisprozesse benutzt, obwohl er in der Praxis kaum durchfhrbar ist. Die einzelnen Zustandsnderungen sind reversibel. Carnot Prozess der Wrmekraftmaschinen 1 2 isotherme Expansion unter Wrmeaufnahme bei TH = const 2 3 isentrope Expansion (adiabates System) 3 4 isotherme Kompression unter Wrmeabgabe bei TU = const 4 1 isentrope Kompression (adiabates System) Carnot Prozess der Kltemaschine 1 2 isotherme Expansion unter Wrmeaufnahme bei T0 = const 2 3 isentrope Kompression 3 4 isotherme Kompression unter Wrmeabgabe bei TU = const 4 1 isentrope Expansion


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C.: Druck spez. Volumen (p V) Diagramm

K Kritischer Punkt: keine Grenze zwischen Flssigkeit und Gas Bei p = pk und T = Tk v= v T Trippelpunkt: Gleichgewichtszustand aller drei Phasen Flssig, gasfrmig, fest z.B. Wasser, Wasserdampf, Eis

p v Diagramm mit Isothermen und Grenzkurven der Zweiphasengebiete. Das spezifische Volumen ist logarithmisch aufgetragen.


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C.: Zustandsdiagramme in der Kltetechnik 1

Fr die Berechnung von Klteanlagen sind Diagramme notwendig, mit denen die umgesetzten Energien (massebezogen) ermittelt werden knnen. Das Temperatur Entropie (T s) Diagramm Differentielle Flcht Tds stellt die differentielle Wrme dQ dar. Druck p und Dampfgehalt x sind als Parameter dargestellt. Ferner sind Isochoren v = const und Isenthalpen h = const eingezeichnet.

T s Diagramm eines realen Gases

mit Isobaren und Linien konstanten Dampfgehaltes


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C.: Zustandsdiagramme in der Kltetechnik 2

Das Druck Enthalpie (log p h) Diagramm Hier lassen sich isobare Zustandsnderungen im Nassdampfgebiet auf horizontalen Linien darstellen. Die Isothermen verlaufen bei kleinen Drcken praktisch senkrecht, weil sich hier das reale Gas wie ein ideales Gas verhlt und damit Isothermen und Isenthalpen zusammenfallen.

log p h Diagramm eines realen Gases mit Isothermen und Isentropen


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C.: Adiabate Drosselung Drosselvorgang im Kaltdampfprozess

Nach dem 1. Hauptsatz fr stationre Flieprozesse gilt:

Adiabat: q12 = 0 Keine technische Arbeit: wt12 = 0 Vernachlssigung von kinetischer und potentieller Energie ekin = 0 und epot = 0 fr die adiabate Drosselung gilt: h2 = h1 Der adiabate Drosselvorgang mit der Druckabsenkung p1 p2 bewirkt eine Temperaturabsenkung von T1 T2 und eine Entropievergrerung von s1 s2 Der Exergieverlust bei der Drosselung betrgt ev12 = TU (s4 s3) Der Drosselvorgang ist die Vorraussetzung fr den Kaltdampfmaschinen Prozess


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C.: Drosselung im Druck Enthalpie Diagramm eines realen Gases


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C.: Drosselung im Temperatur Entropie Diagramm

Adiabate Drosselung von Wasser Nassdampf im T s Diagramm


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C.: Einstufige Verdichter Kltemaschine 1

1 2 Der Verdichter saugt gesttigten Dampf beim Verdampferdruck p0 an und verdichtet ihn adiabat bis zum Kondensatordruck p.

2 3 Der berhitzte Dampf vom Zustand 2 khlt sich im Kondensator

isobar ab und kondensiert vollstndig. 3 4 Die siedende Flssigkeit vom Zustand 3 wird auf den

Verdampferdruck p0 gedrosselt. 4 1 Der Nassdampf verdampft im Verdampfer unter Aufnahme von

Klteleistung aus dem Khlraum

Schaltbild einer Verdichter Kltemaschine

C.: Kltemittel: log p h Diagramm fr R22


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C.: Kltemittel: log p h Diagramm fr R12


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C.: Kltemittel: log p h Diagramm fr R717 (Ammoniak NH3)

C.: Dampftafeln von R22, R12, R717 (NH3)


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Dampftafel (gesttigt) von R22, (CHClF2)



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Dampftafel (gesttigt) von R12, (CCl2F2)



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Dampftafel (berhitzt) von R12, (CCl2F2)



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Dampftafel (gesttigt) von Ammoniak, NH3, (R717)



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Dampftafel (gesttigt) von Ammoniak, NH3, (R717)


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C.: Exergieflussbild einer einstufigen Verdichter KM

Exergieflussbild eines Kaltwassersatzes mit Klteleistung: 105 kW Verdampfertemperatur: +1C Kondensatortemperatur: 37C Kltemittel: R22

C.: Einteilung der Bauarten von Kltemittelverdichtern


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Klteverdichter

Verdrngungsverdichter Strmungsverdichter

Kolbenverdichter Sonstige Turboverdichter Strahlverdichter

Hubkolben Verdichter

Rotationskolben Verdichter

Membran Schwingverdichter

Achsial Radialverdichter

Tauchkolben Kreuzkopf Freikolben

Verdichter

Schrauben Rollkolben Kreiskolben Zellen

Verdichter

C.: Bauteile: Verdichter 1


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Halbhermetischer Verdichter, luftgekhlt, Fa. Bock Kltemaschinenfabrik

Halbhermetischer Verdichter, sauggasgekhlt

C.: Kltemittelverdichter mit luftgekhltem Kondensator (Fa. Danfoss)


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1 luftgekhlter Kondensator 6 Sicherheitsdruckbegrenzer 2 Lftermotor 7 Verteilerkasten 3 Hermetik-Verdichter 8 Anlaufkondensator 4 Saugabsperrventil 9 Motorklemmkasten mit Anlassrelais 5 Druckabsperrventil


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C.: Scollverdichter

Einfaches Verdichtungsprinzip (Patent 1905) Feste und bewegliche Evolventenspiralen Sichelfrmige Gastaschen Bewegliche Spirale umkreist bei der Verdichtung die stationre (fester Scroll) Langsame Verschiebung der Gastaschen, deren Volumen abnimmt, zum Mittelpunkt (Auslass)


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C.: Scollverdichter


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C.: Thermostatisches Expansionsventil

schematische Darstellung 1 Kolbenverdichter mit Drehstrommotor p0 Verdampferdruck 2 Verflssiger mit Wasserventil p1 Fhlerdruck 3 Sammler p3 Druckquivalent 4 Schauglas der Regulierfeder 5 Thermostatisches Drosselventil

6 Flssigkeitsverteiler 7 Verdampfer 8 Raumthermostat

Anlagenbeispiel


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C.: Dampfdruckkurven verschiedener Stoffe im Druck Temperatur Diagramm

Heizungs-, Klima- und Kltetechnik Seite 61

C.: Gegenberstellung von KKM und AKM

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Schaltschema einer einstufigen Kompressionskltemaschine

Schaltschema einer einstufigen Absorptionskltemaschine


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C.: Verdampfungsvorgang im t x / h x Diagramm


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C.: Enthalpie Konzentrationsdiagramm eines Zweistoffsystems fr p = const


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C.: Verlauf der Verdampfung im h x Diagramm


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C.: h x Diagramm fr Ammoniak Wasser

C.: Druck Temperatur Diagramm fr Ammoniak Wasser Gemische


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Heizungs-, Klima- und

Kltetechnik Seite 67

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C.: Druck Temperatur Diagramm fr Wasser Lithiumbromid Gemische

C.: Einfache AKM mit Wrmebertrager


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Thermischer Kompressor Klteteil

C.: Einfacher AKM-Prozess im p 1/T Diagramm fr Ammoniak Wasser Gemische


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C.: Arbeitsprozess des Lsungskreislaufes


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Einfluss des Kondensators


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C.: Festlegung des AKM - Prozesses

Arbeitspunkte im h-x Diagramm


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C.: Arbeitsprozess des Nachkhlers und Verdampfers

C.: Berechnungsablauf fr eine einfache Absorptionskltemaschine 1


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C.: Berechnungsablauf fr eine einfache Absorptionskltemaschine 2



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C.: Dampfmassenstrom spezifische Komponentenleistungen im h x Diagramm

C.: Wrmeverhltnis einer Absorptionskltemaschine


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C.: Verbesserung der Dampfkonzentration und Erhhung des Wrmeverhltnisses der AKM durch Teilkondensation im Rektifikator (Dephlegmator / Rcklaufkhler)

C.: Lsungspumpe fr NH3/H2O AWP


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Max. Hochdruck: 25 bar Quelle: DLR / LEWA


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C.: Schematisches Diagramm einer Absorptionswrmepumpe

Direktbeheiztes Austreibersystem

Kocher mit Lsungsrckfhrung und Rektifikator mit doppelter Wrmebertragung von armer Lsung und Dampf auf reiche Lsung

Abscheide- behlter

Heizwasser Rcklauf

Dampf

t15

Heizwasser Vorlauf

mrL xrL

QKondensator

Lsungs-pumpe

Dampf

t8

t10

AL

Nachkhler

HD

Rektifikator

Lsungs-wrme-

tauscher

t3 t6

t12

t14

t16

t20

QBr

Kondensator

t21 ND

QSt

V1

V2

t9

RL

RWT

t5

Kocher

t2

t11

mSole

t4

t7

t19

RL

t13

t17

QAbgas

t1

t18

mHzW

Kondensat-ablauf

Sole

QAbsorber

QVerdampfer Verdampf

Absorber

C.: Absorptionsklteaggregat mit Druckausgleichsgas


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C.: Ausfhrung einer Lithium Bromid Absortpionskltemaschine


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Zweibehlterbauweise der Firma BBC


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C.: Kraft Wrmekopplung mit Absortpionskltemaschine


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C.: Vergleich zwischen konventioneller Kraft Klte-erzeugung und Klteerzeugung in Kraft - Wrmekopplung

Konventionelle Klteerzeugung

Klteerzeugung inKraft-Wrme-Kopplung

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