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Vorrichtung zur Regelung der Wärmeübertragung, insbesondere für Kältemaschinen
Zur Übertragung von Wärme zwischen zwei Orten, die sich auf verschiedenen Temperaturstufen
befinden, ist es bekannt, ein umlaufendes Hilfsmedium zu venvwenden, das durch die
Heizwirkung des auf der höheren Temperaturstufe befindlichen Raumes verdampft und
durch die Kühlwirkung des auf der niedrigeren Temperaturstufe befindlichen Raumes
kondensiert wird. Es ist schon bekannt, in ein solches Übertragungssystem ein inertes
Gas einzufüllen, so äaß durch den Druck im System der Siedepunkt der verwendeten
Umlaufsflüssigkeit bestimmt ist. Man kann hierdurch die Mindesttemperatur des auf
der höheren Temperaturstufe befindlichen Raumes bestimme, bei welcher eine Wärmeübertragung
einsetzt. Eine beliebige Regelung der übertragenen Wärmemenge ist jedoch auf diese
Weise nicht zu erreichen, vielmehr mußte man zu diesem Zweck bisher ein Ventil in
der Umlaufsleitung anordnen. Die Verwendung von Ventilen hat jedoch mancherlei Nachteile,
so daB man sie besonders bei Kälteerzeugungsanlagen nach Möglichkeit zu vermeiden
trachtet.
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Die Erfindung hat eine Vorrichtung zur Regelung der Wärmeübertrab,-ung
zum Gegenstand, welche ohne Verwendung von Ventilen arbeitet. Erfindungsgemäß ist
für die Regelung im Umlaufsweg des Hilfsmediums ein mit einem flüssigen oder gasförmigen
Medium gefüllter Raum. vorgesehen, dessen Druck verändert werden kann. Da die wärmeübertragenden
Flächen in einem Apparat konstant sind, kann man mit einer solchen Vorrichtung die
Intensität der Wärmeübertragung beliebig regeln, und zwar wird durch Verminderung
des Druckes im Hilfsmedium die Wärmeübertragung eingeleitet und gesteigert, durch
Vermehrung des Druckes -im Hilfsmedium vermindert und unterbrochen. Der in dem Umlaufsweg
des Hilfsmediums angeordnete Raum, dessen Druck zum Zwecke der Regelung verändert
wird, kann z. B. mit dem umlaufenden Hilfsmedium selbst gefüllt sein. Man kann aber
auch :den Druckraum im Umlaufsweg des Hilfsmediums mit einem Medium füllen, dessen
spezifisches Gewicht von dem des Hilfsmediums abweicht. Die Zuleitungen für das
Hilfsmedium zu diesem Raum werden hierbei derart angeordnet, daß das Hilfsmedium
nur umlaufen kann, wenn es verdampft.
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Mit dem Umlaufsystem des Hilfsmediums wird ein Regelorgan verbunden,
mit dessen Hilfe die zur Regelung erforderlichen Druckänderungen hervorgerufen werden.
Diese Druckänderungen können in dem Regelorgan beispielsweise durch eine Heiz- oder
Kühlvorrichtung oder durch mechanisch hervorgerufene Volumenänderungen bewirkt werden.
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Die Erfindung ist amvendbar sowohl für Heiz- wie auch für Kühlzwecke.
Wenn es sich um eine Regelung einer Heizeinrichtung handelt, muß man zur Verminderung
oder
Unterbrechung der Heizwirkung bei Temperaturanstieg in dem
zu heizenden Raum eitre Drucksteigerung durch das Regelorgan hervorrufen, wenn es
sich um eine Regelung einer Kühlvorrichtung handelt, muß man zur Verminderung oder
Unterbrechung der Kühlwirkung bei Temperaturerniedrigung in dem zu kühlenden Raum
eine Drucksteigerung durch das Regelorgan hervorrufen.
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In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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In Fig. i ist die Anwendung der Erfindung für ein Cbertragungssystein
gezeigt, welches dazu dient. die in einem Schmelzspeicher einer Kältemaschine aufgespeicherte
Kälte ztt einem davon isolierten Kühlraum 3 zu übertragen. i ist eine Verdampfungsschlange,
die finit einer nicht dargestellten Kältemaschine beliebiger Bauart in Verbindung
stehen möge. In dem Schmelzspeicher 2 ist ein Behälter 4 angeordnet, der mit der
zur L`bertragung der Kälte dienenden Hilfsflüssigkeit gefüllt ist. Vom unteren Teil
des Behälters 4. führt eine Rohrleitung 6 zu einem im Kühlraum 3 angeordneten Verdampfer
5, in dem die Einschublade 7 angeordnet ist. Bei der 1üiltlraumtemperatur wird die
Hilfsflüssigkeit firn Bestälter 5 verdampft. Die Verdainpfungswärine wird hierbei
dem Kühlraum 3 entzogen, so daß dieser gekühlt wird. Die Dampfbläschen gelangen,
wie dargestellt ist. durch die Leitung6 in den Behälter 4, der durch den Kältespeicher
gekühlt ist, und werden dort kondensiert. Das Kondensat fließt durch die Leitung
6 wieder zum Verdampfer 5 zurück.
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Zur Regelung der übertragenen Kälteinen#ge dient ein Druckbehälter
8, der durch eine Leitung 9 mit dein Behälter 4 in Verbindung steht. Die
Hilfsflüssigkeit füllt den Druckbehälter bis zu der eingezeichneten Höhe aus. Im
übrigen kann der Behälter gasgefüllt oder evakuiert sein. Eine Heizwicklung io ist
im Druckbehälter 8 angeordnet. Sie wird von einem im Kühlraum angeordneten T hernnostaten
eingeschaltet, wenn die Kühlrautntentperatur einen bestimmten Mindestwert erreicht
hat. Die im Druckbehälter ä befindliche Flüssigkeit wird verdampft. Der dadurch
entstehende Druck teilt sich der im Behälter 4 befindlichen Hilfsflüssigkeit mit,
so daß die Verdampfung unterbunden und damit eine weitere Übertragung von Kälte
ans dein Kältespeicher 2 auf den Kühlraum verhindert wird.
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Fig. 2 zeigt als weiteres AusführungsWispiel der Erfindung einen Hausltaltskülilschrank,
der mit einer periodisch wirkenden Absorptionskältentaschine, die finit festen Absorptionsmitteln
arbeitet, ausgerüstet ist. Inn unteren 'feil des Kühlschrankes befindet sich der
Kocherabsorher ioi, welcher mit CaC1= und N H, gefüllt ist. Von ihm aus führt eine
Arbeitsmittelleitung 102 zu einem im oberen Teil des Kühlschrankes befindlichen
Kondensator 103. Das verflüssigte Kältemittel gelangt vom Kondensator in ein Sammelgefäß
io4. an das eine Verdampfungsschlange io5 angeschlossen ist, die in den Kühlraum
io6 hineinragt. 107 ist ein Kühlmantel, der denn Kocherabsorber ioi umgibt.
Darin befindet sich eine Hilfsflüssigkeit, die dazu dient, die Absorptionswärme
während der Absorptionsperiode abzuführen. Hierfür ist ein Zirkulationssystent vorgesehen,
das aus einem im oberen Teil des Kühlrahmes befindlichen Hilf sflüssigkeitsgefäß
io8 einen darin befindlichen Kondensator iog und den Verbindungsleitungen i to und
i t t besteht. Die Hilfsflüssigkeit füllt das Gef<iß iof< nur so weit aus,
daß ein Luftbehälter 112 frei bleibt, in den die vom Kondensator iog kommende Leitung
113 mündet. Eine Druckleitung 114 ist ebenfalls an den Behälter 112 angeschlossen.
Diese Leitung 11..1 kommt von einem Gasdruckbehälter i 15, der oberhalb des Kocherabsorbers
angeordnet ist. Zentral ist in den Gasdruckbehälter i i 5 und in den Kocherabsorber
ioi das Heizrohr 116 eingeführt, in dem sich eine Heizwicklung 117 zur Beheizung
des Kocherabsorbers ioi und eine zweite 1-Ieizwicklung i i8 zur Beheizung des Druckbehälters
i 15 befinden. Uni eine gute Wärmeübertragung in beiden Fällen zu ermöglichen, sind
Wellblechrosetten i i9 und 120 vorgesehen. 121 ist ein im Kühlraum befindlicher
Thermostat und 122 die zur Regelung der Heizperiode dienende Schaltuhr, welche an
ein letz 123 und 124. angeschlossen ist. Die Kondensationswärme des Arbeitsmittels
und die durch die Hilfsflüssigkeitszirkulation abgeführte Absorptionswärme werden
im oberen Teil des Kühlschrankes zunächst an die in einem Flüssigkeitstank 125 befindliche
Kühlflüssigkeit und von dieser durch die Wandungen an die Außenluft abgeführt.
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Die Anordnung arbeitet folgendermaßen: Während der Austreibungsperiode
werden durch die Schaltuhr 122 beide Heizwicklungen 117 und 118 eingeschaltet. In
dem Druckbehälter i 15 wird durch die Erwärmung der darin befindlichen Luft ein
solcher Druck erzeugt, daß der durch die Verdampfung der Hilfsflüssigkeit hervorgerufene
Dampfdruck nicht mehr ausreicht, die im Kondensator io9 verflüssigte Hilfsflüssigkeit
durch das Rohr 113 in den Kondensatbehälter io8 herauszudrücken. Die Zirkulation
der Hilfsflüssigkeit ist also während der Kochperiode unterbunden. In der Absorptionsperiode
sinkt der Gasdruck im Behälter i 15 durch dessen Abkühlung rasch, so daß nun der
Dampfdruck der durch die Absorptionswärme verdampfenden
Flüssigkeit
ausreicht, das Kondensat durch die Leitung 113 in den Flüssigkeitsbehälter io8 hinauszudrücken.
Von dort fließt die Hilfsflüssigkeit durch die Leitung i i i zum unteren Teil des
Kühlmantels 107 zurück, so daß auf diese Weise durch abwechselnde Verdampfung und
Kondensation der Hilfsflüssigkeit die Absorptionswärme vom Kocherabsorber zum Flüssigkeitstank
125 abgeführt wird.
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Gleichzeitig läßt sich auch die Erzeugung von Kälte beeinflussen.
Hierzu dient der im Kühlraum io6 angeordnete Thermostat 121, welcher bei Erreichen
einer bestimmten Mindesttemperatur seinen Kontakt schließt, so daß jetzt die Heizwicklung
118 direkt an das Netz 123, 124 gelegt ist. Die im Behälter 115 hefindliche Luft
wird bei Erreichen der gewünschten Kühlraumtemperatur wiederum erwärmt, und der
hierdurch erzeugte Druck sperrt in der beschriebenen Weise die Zirkulation der Hilfsflüssigkeit
ab, so daß eine Unterbrechung der Absorption und damit gleichzeitig eine Unterbrechung
der Kühlwirkung der Maschine eintritt.
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Mit Hilfe eines Abflußhahnes 126 kann man die in dem Tank 125 gespeicherte
Wärme als Heißwasser verwenden. Um ein unzulässiges Sinken des Wasserspiegels im
Tank 125 zu verhindern, ist ein Schwimmer 127 vorgesehen, der beim Sinken
des Wasserspiegels unter eine bestimmte Grenze ein Ventil 128 öffnet, wodurch aus
einer Leitung 129 das verlorengegangene Wasser selbsttätig wieder ersetzt wird.
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Man kann die hier beschriebene Einrichtung auch so ausbilden, da.ß
sie als Sicherheitsvorrichtung wirkt. Durch Dimensionierung der wärmeabgebenden
Flächen kann nämlich der Behälter 115 so, gewählt werden, daß der Druck, welcher
während der Kochperiode den Umlauf der Hilfsflüssigkeit verhindert, nur bis zu einem.
bestimmten Maximaldruck steigen kann. Sollte z. B. durch Versagen der Schaltuhr
infolge der weiterdauernden Heizung die Temperatur der Hilfsflüssigkeit im Behälter
107 steigen, so tritt bei einer gewissen Temperatur die Wärmeübertragung wieder
in Tätigkeit und führt die zugeführte Heizwärme ab.
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Fig. 3 zeigt ähnlich wie Fig. i die Anwendung der Erfindung bei einer
Kältemaschine, bei der die Kältemenge geregelt wird, die von einem Schmelzspeicher
2,02 zu einem davon isolierten Kälteraum 2o3 übertragen werden soll. 201 ist eine
Verdampfungsschlange, die mit einer nicht dargestellten Kältemaschine beliebiger
Bauart in Verbindung stehen möge. 225 ist eine Eisschublade. In dem Schmelzspeicher
202 ist ein Kondensatbehälter 2o4 angeordnet, der mit der zur Übertragung der Kälte
dienenden Hilfsfliissigkeit gefüllt ist. Vom unteren Teil des Kondensatbehälters
führt eine Leitung 207 in den Kühlraum zu einer Verdampfungsschlange 2o6. Von dbrt
führt eine Rohrleitung 2o8 zu einer im Ko,ndensatbehälter befindlichen Kondensatior!sschlange
2o5 zurück. Eine von der Kondensationsschlange 2o5 kommende Leitung 212 mündet im
oberen gasgefüllten Teil des Kondensatbehälters. Die Hilfsflüssigkeit fließt vom
Kondensatbehälter 2o4 durch das Rohr 207 zur Verdampfungsschlange 2o6 und
wird dort verdampft. Die Verdampfungswärme wird hierbei dem Kühlraum entzogen, so
daß dieser gekühlt wird. Der Dampf tritt in den Kondensator 2o5 zurück, wo er kondensiert
wird. Das im Kondensator 2o5 befindliche Kondensat kann nur dann durch die Leitung
212 zum Kondensatbehälter 204 abfließen, wenn der Dampfdruck der Hilfsflüssigkeit
den entgegenstehenden Gasdruck im oberen Teil Zog des Kondensatbehälters überwindet.
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Zur Regelung der übertragenen Kälteleistung dient ein im Kühlraten
203 angeordnetes Flüssigkeitsthermometer 2io, mit dessen Hilfe ein von der
Kühlraumtemperatur abhängiger veränderlicher Gasdruck erzeugt werden kann. Eine
Leitung 211 führt von diesem Thermometer zum oberen Teil des Kondensatbehälters
Zog. In Fig. 4 ist die Konstruktion des Flüssigkeitsthermometers 210 gezeichnet.
Es besteht aus einem vollkommen mit einer Flüssigkeit gefüllten Behälter 226, der
einen verstellbaren Belag 213 besitzt. Bei Temperaturerniedrigungen zieht
sich die Flüssigkeit zusammen, bei Temperaturerhöhungen dehnt sie sich aus. Ein
Bügel 214, der eine Einstellschraube 215 trägt, ist an dem Gefäß 226 befestigt.
Diese Einstellschraube ändert den Druck einer Feder 216 auf die von dem Balg
213 bei Temperaturänderungen bewegte Wand 217. Ein zweiter Balg 2i8 ist zwischen
der Wand 217 und dem Gefäß 226 derart befestigt, daß durch ihn ein Raum Zig umschlossen
wird. Von diesem Raum Zig aus geht die Leitung 211 zum oberen Teil Zog des im Schmelzspeicher
202 angeordneten Kondensatbehälters. Der Gasraum :2o9 ist verhältnismäßig klein
gegenüber dem Druckraum Zig, so daß bei Temperaturänderungen im Kühlraum geringfügige
Volumenänderungen des Raums 21g große Druckänderungen im kaum Zog hervorrufen. Durch
einen anderen Balg 23 i, der mit einer Schraube 232 verstellt werden kann, läßt
sich ein bestimmter Druck im Regelorgan einstellen. Um die Empfindlichkeit des Regelorgans
zu steigern, ist der Raum 21g teilweise mit einem Füllmaterial, z. B. einem Metallring
233, ausgefüllt.
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Man kann das Flüssigkeitsthermometer derart einstellen, daß der Gasdruck
im Raum Zog
bei einer bestimmten 'Mindesttemperatur s groß wird,
daß die Zirkulation der Hilfsflüssigkeit unterbroclieii und damit die Übertragung
der Kälte vom Kältespeicher :2o2 auf den Külilr:ium 203 unterbrochen wird.
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Eine konstruktive Ausführungsform des in Fig. 4 dargestellten Regelorgans
ist in Fig. 6 gezeichnet. 326 ist ein vollkommen mit Flüssigkeit gefüllter Behälter,
dessen Wandungen durch ein Mantelstück 343 und die Bälge 334 342 und 331
gebildet werden. Zum Füllen dieses Behälters dienen die Füllstutzen 339. Die beiden
Bälge 334 und 342 sind an einem Teller 344 befestigt. Da diese Bälge sehr eng aneinanderliegen,
ist eine große Empfindlichkeit des Organs bei Temperaturänderungen erzielt. Der
Druckraum arg des Regelorgans ,wird gebildet durch einen Balg 313, die Außenwandung
des 'Iantelstfckes 343, den Balg 334 und einen Teller 3.46. Die beiden Teller 3-1.L
und 3.46 sind in der'Iitte derart zylinderförmig nach unten erweitert, daß sie ineinandergreifen
und daß der Führungsstift 345 der Einstellschraube 3,5 in der mittleren Öffnung
des Tellers 3q16 geführt wird. Dieser Stift dient dazu, den Hub des Regelorgans
nach oben zti begrenzen. Das ganze Regelorgan ist von einem Mantel 3.1o umschlossen,
der mit zwei Deckeln 3,41 und 347 versehen ist. In dem Deckel 341 befindet sich
das Gewinde für die Einstellschraube 315, welche durch einen I#edertelle- 335 eine
Feder 316 gegen den Absclilußteiler 1,46 des Druckraumes preßt. Die Einstellschraube
315 dient zur Feineinstellung des Apparates. Im Deckel 347 befindet sich das Gewinde
für eine zweite Einstellschraube 332, die mit Hilfe eines Federtellers 338 eine
Feder 336 gegen einen Deckel 337 preßt, an welchem die Bälge 331 und 3.12 befestigt
sind. Diese zweite Einstellschraube 332 dient zur Grobeinstellung des Regelorgans
und bietet gleichzeitig eine Sicherheit dafür, daß das Regelorgan beim Transport.
oder. wenn es außer Betrieb ist, nicht durch Temperatureinflüsse zerstört werden
kann. 311 ist die mit dem Druckraum 319 in Verbindung stellende Druckleitung, die
mit dem Wärmeübertragungssystem in der schon bei den übrigen Beispielen beschriebenen
Weise verbunden wird.
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Wenn es sich darum handelt, die Erfindung für Heizzwecke zu verwenden,
wobei in an sich bekannter Weise die Kondensationswärme des umlaufenden Hilfsmediums
als Heizwärme verwendet wird. kann man beispielsweise als Regelorgan ein Flüssigkeitsthermometer
verwenden, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Es besteht aus einem vollkommen mit
einer Flüssigkeit gefüllten Behälter 22o, der einen verstellbaren Balg
221 besitzt. Durch eine Kappe 222 und den Balg 221 ist ein
Raum 223 umschlossen, der durch das Zusammenziehen des thermisch gesteuerten Balgs
221 vergrößert und durch Ausdehnung dieses Balgs verkleinert wird. Durch einen zweiten
Balg 22q., der mit einer Schraube 225 verstellt werden kann, läßt sich ein bestimmter
Druck im Regelorgan einstellen. 227 ist die zum Hilfsflüssigkeitss_vstem führende
Druckleitung.
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Man kann den Druck von dem Regelungsorgan auf das Hilfsmedium durch
indifferente Gase oder Flüssigkeiten übertragen. Bei Verwendung von Flüssigkeiten
empfiehlt es sich, vorzugsweise solche zu wählen, deren spezifisches Gewicht von
dem des Hilfsmediums wesentlich verschieden ist, so daß die Flüssigkeit nach einem
Transport des Apparates immer infolge ihres Gewichtes wieder in die für sie bestimmten
Behälter zurückfließt.
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Im vorstehenden sind eine Reihe von praktischen Möglichkeiten zur
Erzeugung des für die Regelung erforderlichen Druckes behandelt worden. Jede der
einzelnen Ausführungsformen kann sinngemäß bei jedem Ausführungsbeispiel verwendet
werden. So kann z. B. das in Fig. 4 dargestellte Regelorgan in Fig. i an die Stelle
des dort verwendeten Regelorgans 8 treten. Es sind natürlich auch noch andere Ausführungsformen
denkbar. Wie schon erwähnt, kann man den Druck im Regelorgan durch Heizung oder
Kühlung hervorrufen. In diesem Falle kann man ein Luftgefäß oder Gasgefäß verwenden.
Um den Einfluß der Heizung im Regelorgan auf das Wärmeübertragungssystem auszuschalten,
könnte man eine Flüssigkeit mit Rückflußkühlung und einem Gaspolster dazwischen
als Druckmittel verwenden. :Man kann ferner auch daran denken, als Regelorgan einen
Behälter zu verwenden, in dem sich ein Adsorptionsmittel, wie z. B. aktive Kohle,
Kieselsäuregel o. dgl., mit ,aufgesaugter Luft oder irgendeinem Absorptionsmittel
befindet, das in der Lage ist, ein gegenüber der Hilfsflüssigkeit indifferentes
Gas zu erzeugen. Gegenüber einem bloßen Gasbehälter hätte ein derartiges Regelorgan
den Vorzug, daß es sich viel kleiner ausführen läßt.
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Um die Druckänderungen in dem Regelorgan durch mechanisch hervorgerufene
Volumenänderungen zu erzeugen, kann man außer einem Balg, wie in Fig. 4 und 5 dargestellt
ist, einen bewegten Kolben, Gummihall o. dgl. verwenden. Eine derartige Druckerzeugung
durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Gefäßes kann ferner auch durch Verschiebung
eines Flüssigkeitsspiegels, durch Öffnung eines Gefäßes zu einem anderen und ähnliche
Mittel erzielt werden.
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Für die Steuerung des Regelorgans können ebenfalls die verschiedensten
Möglichkeiten
in Frage kommen. Man kann es direkt von Hand oder
durch Fernsteuerung mittels Elektromagneten u. dgl. betätigen, ferner ist eine automatische
Steuerung in Abhängigkeit von irgendeiner Betriebsgröße, z. B. in Abhängigkeit von
der Temperatur eines Raumes, denkbar. Der Steuerimpuls kann in diesen Fällen durch
elektrische oder magnetische Fernsteuerung oder auf thermischem Wege durch Ausdehnung
oder Zusammenziehen eines Mediums u, dgl. erfolgen.
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Eine Regelvorrichtung, wie sie im vorstehenden beschrieben ist, läßt
sich für die verschiedensten Zwecke anwenden. Sie ist ganz allgemein verwendbar
für die Übertragung von Wärme und Kälte jeglicher Art. Besonders geeignet ist sie
für Einrichtungen zur Kältefibertragung, die mit einem Kältespeicher arbeiten. In
diesen Speicher kann die Kälte entweder durch irgendeine Kältemaschine oder in Form
von Eis, Soleis, Koblensäureeis, Kältemischungen u. d'gl. geliefert werden.
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Je nach dem Anwendungsgebiet der Erfindung wird das zur Wärmeübertragung
dienende Hilfsmedium gewählt. Für Heizzwecke empfiehlt es sich, Wasser, Alkohol
und hochsiedende Flüssigkeiten, wie z. B. Terpentinöl, Kohlenwasserstoffe, Paraffinöl
usw., zu verwenden.
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Für Kälteübertragungen empfiehlt es sich, niedrigsiedende Flüssigkeiten
zu verwenden, z. B. Schwefeldioxyd, Ammonialc, Alkohol, lfethvlclilorid usw. Man
kann die Erfindung aber auch für Kältemaschinen anwenden, die ohne Zwischenschaltung
eines Kältespeichers direkt oder indirekt auf die Verdampfungssc_ hlange im Kühlraum
arbeiten.
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Ebenso ist die Erfindung an nendbar für Heizzwecke jeglicher Art,
zur Raumbeheizung oder beispielsweise im Haushalt zum Braten. Backen, Kochen, ferner
zur Erwärmung von Kühlwagen, bei denen. es darauf ankommt, eine konstante Temperatur
innezuhalten, bei chemischen Verfahren, schließlich auch bei Kraftübertragungen
in Verbindung mit Dampfspeicheranlagen, bei denen es auch auf eine Kanstanthaltung
der :Leistung ankommt und die Verwendung von Ventilen infolge der hohen Speichertemperatur
Seh.wierigkeiten bietet.