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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Versorgung
eines Brennstoffverbrauchers, insbesondere einer Schiffsantriebsmaschine, mit
Kraftstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs
9.
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Bei
Schiffsantriebsmaschinen handelt es sich in der Regel um Turbinen-
oder Dieselkraftmaschinen, die mit Dieselölkraftstoff oder
entsprechenden Energieträgern versorgt werden. Es ist auch
bekannt, Schiffsaggregate mit Gas zu betreiben, wobei auch verdampftes
Flüssiggas (LNG) zum Einsatz kommen kann.
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Die
Verwendung von Flüssiggas als Antriebskraftstoff bietet
sich insbesondere für Schiffe an, die zum Transport von
LNG eingerichtet sind. Bei einem Flüssiggastanker wird
das verflüssigte Gas in großen isolierten Behältern
in flüssiger Form und bei etwa –160°C
transportiert. Trotz Isolierung verdampft ein Teil des zu transportierenden
Gases als sogenanntes boil-off-Gas, das zur Dampferzeugung für die
Schiffsturbinen oder andere Verbraucher verwendet werden kann. Die
Verwendung von boil-off-Gas aus der Ladung eines Schiffes für
eine Turbinenanlage ist z. B. im Jahre 1982 bereits aus der
DE 31 13 524 bekannt geworden.
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Es
sind auch dieselelektrische Antriebe bekannt geworden, die alternativ
mit verdampftem Flüssiggas oder Dieselkraftstoff bzw. Schweröl
betrieben werden können.
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Auch
aus der
DE 102 11 645 ist
ein Verfahren zum Verbrennen von boil-off-Gas auf einem Flüssiggastransportschiff
bekannt.
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Obgleich
die Zurverfügungstellung von boil-off-Gas an Bord eines
LNG-Tankers gewährleistet ist, sind jedoch die maschinentechnischen
Anforderungen an die Verwendung von boil-off-Gas, insbesondere in
Diesel/Gas kombinierten Antriebsmaschinen, bei den meisten bekannten
Schiffsaggregaten für diesen Zweck nur unzureichend erfüllt.
Insbesondere zeigt sich, dass es notwendig ist, die Methanzahl des
der Antriebsmaschine zugeführten verdampften Flüssiggases
genau zu kennen und entweder die Art des zugeführten Gases
oder die Betriebsparameter der Antriebsmaschine entsprechend anzupassen.
Eine nicht zur Antriebsmaschine passende Methanzahl des zugeführten
Gases kann leicht zu Klopfeffekten und damit Schädigungen
der Antriebsmaschine führen. Ferner hat sich gezeigt, dass
der Druck des der Antriebsmaschine zugeführten Gases von
besonderer Bedeutung ist.
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Einrichtung zur
Versorgung eines Brennstoffverbrauchers, insbesondere einer Schiffsantriebsmaschine,
mit Kraftstoff, wobei der Verbraucher verdampftes Flüssiggas
als Kraftstoff verwendet, das aus einem Flüssiggastank
entnommen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Einrichtung sollen das
Betriebsverhalten des Verbrauchers bei Zufuhr von verdampftem Flüssiggas verbessern
und die Sicherheit bezüglich Laständerungen des
Verbrauchers und Zustandsänderungen des Kraftstoffs verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 9 angegebene
Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren wird das aus seinem
Flüssiggastank entnommene Flüssiggas in einem
Verdampfer mittels einer Heizeinrichtung verdampft und das verdampfte
Flüssiggas dem Verbraucher zugeführt. Der Druck
im Verdampfer wird durch Steuerung der Heizleistung der Heizeinrichtung
geregelt. Durch diese Maßnahme lässt sich ein
konstanter Druck des dem Verbraucher zugeführten Gases
erreichen und der Verdampfer arbeitet in einem angepassten Betriebszustand.
Der Druck im Verdampfer liegt dabei deutlich über dem Druck
des von der Antriebsmaschine geforderten Brennstoffdrucks. Durch
Nachverdampfung bei Lasterhöhung und durch Kondensation
bei Lastsenkung wird der Druck im Verdampfer in engen Grenzen gehalten.
Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn die Antriebsmaschine schnelle
Laständerungen in jeder Richtung durchläuft, d.
h. bei erhöhtem Bedarf an Kraftstoff oder bei plötzlichem
Stopp der Maschine wird ein gleich bleibender Gasdruck zur Verfügung gestellt.
Die Steuerung des Dampfdrucks bewirkt damit einen gleichmäßigen
Gaszufuhrdruck zur Antriebsmaschine bzw. einem sonstigen Verbraucher unter
allen Lastbedingungen.
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Übliches
Flüssiggas, das in LNG-Tanks transportiert wird, besteht
aus einem Gasgemisch mit Gasanteilen, die verschiedene Verdampfungstemperaturen
aufweisen. Dies führt dazu, dass im Verdampfer jeweils
zunächst derjenige Gasanteil verdampft, welcher eine niedrigere
Verdampfungstemperatur aufweist. Dadurch verändert sich
die Gaszusammensetzung bei der Verdampfung im Verdampfer. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher kontinuierlich
ein Anteil eines ersten Teils des im Verdampfers befindlichen Flüssiggases,
welcher eine höhere Verdampfungstemperatur als ein zweiter
Teil des Flüssiggases hat, in den Flüssigkeitstank
zurückgeführt, so dass die Gaszusammensetzung
im Verdampfer annähernd konstant gehalten werden kann.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
wird die Methanzahl des dem Verbraucher zugeführten Gases
konstant gehalten. Zu diesem Zweck wird die Methanzahl bestimmte Brennwert
des dem Verbraucher zugeführten Kraftstoffs geregelt, indem
das pro Zeiteinheit in den Flüssigkeitstank zurückgeführte
Volumen des ersten Teils des Flüssiggases abhängig
von der Methanzahl des dem Verbraucher zugeführten Kraftstoffs
gesteuert wird.
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Durch
diese erfindungsgemäßen Maßnahmen kann
dem Verbraucher Gas zugeführt werden, das den vom Verbraucher
geforderten Daten bei allen Betriebszuständen entspricht
und damit eine kontinuierliche flexible Anpassung an alle Betriebszustände
des Verbrauchers ermöglicht.
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In
einer weiterbildenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird der Anteil des ersten Teils des Flüssiggases
vor der Rückführung in den Flüssiggastank
im Gegenstrom durch das dem Verdampfer zugeführte Flüssiggas
rückgekühlt. Dadurch wird vermieden, dass sich
der Anteil des boil-off-Gases im Flüssiggastank weiter
erhöht.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass nicht nur verdampftes Flüssiggas
als Kraftstoff verwendet wird, sondern dem Verbraucher zusätzlich
im Flüssiggastank angesammeltes boil-off-Gas im komprimierten
Zustand zugeführt wird. Die erfindungsgemäßen
Verfahrensschritte lassen es zu, dass das aus dem Flüssigtank
entnommene boil-off-Gas, das normalerweise die niedrigste Verdampfungstemperatur aufweist,
der Kraftstoffzufuhr zum Verbraucher hinzugefügt werden
kann, wobei durch diese Zufuhr die Kraftstoffparameter aufgrund
der erfindungsgemäßen Regelungen nicht beeinflusst
werden.
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Eine
erfindungsgemäße Einrichtung enthält insbesondere
einen Verdampfer zur Verdampfung von aus einem Flüssiggastank
zugeführten Flüssiggas, dem eine Heizeinrichtung
zugeordnet ist, deren Heizleistung in Abhängigkeit vom
Dampfdruck im Verdampfer steuerbar ist. Zur Einstellung einer optimalen
Heizleistung des Verdampfers ist vorzugsweise eine Niveaumesseinrichtung
vorgesehen, welche über ein Stellventil den Zufluss von
Flüssiggas zum Verdampfer steuert. Über einen
Flüssigkeitsauslass kann ein Anteil eines ersten Teils
des im Verdampfer befindlichen Flüssiggases, welcher eine
höhere Verdampfungstemperatur als ein zweiter Teil des
Flüssiggases hat, in den Flüssigkeitstank zurückgeführt werden.
Dadurch lässt sich vermeiden, dass sich das Gasmischungsverhältnis
im Verdampfer unzulässig ändert.
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Um
die Methanzahl des dem Verbraucher zugeführten verdampften
Flüssiggases konstant zu halten, ist dem Verbraucher ein
Methanzahlmessgerät zugeordnet, wobei die ermittelte Methanzahl
auf ein Steuerventil einwirkt, welches das pro Zeiteinheit in den
Flüssigkeitstank zurückgeführte Volumen
des Anteils des ersten Teils des Flüssiggases regelt. Je nach
ermittelter Methanzahl und vom Verbraucher geforderter Methanzahl
kann daher das Mischungsverhältnis des im Verdampfer zur
Verdampfung gelangenden Gases gesteuert werden, indem ein Anteil eines
ersten Gases, der in dem Flüssigkeitstank zurückgeführt
wird, über ein Steuerventil volumenmäßig
gesteuert wird.
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Um
zu vermeiden, dass das in den Flüssigkeitstank zurückgeführte
Gas das Volumen des boil-off-Gases unnötig erhöht,
wird das zurückgeführte Flüssiggas über
einen Wärmetauscher im Gegenstrom mit dem dem Verdampfer
zugeführten Flüssiggas rückgekühlt.
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Um
auch boil-off-Gas verbrauchen zu können, kann ein Teil
dieses Gases über einen Gaskompressor stromaufwärts
des Methanzahlmessgerätes über ein Steuerventil
gesteuert in die Zufuhrleitung zum Verbraucher eingespeist werden.
Obgleich hierdurch die Methanzahl des dem Verbraucher zugeführten
Gases verändert wird, führt dies nicht zum Nachteil,
da das Methanzahlmessgerät die veränderte Zusammensetzung
wieder ausregelt.
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Die
dem Verdampfer zugeordnete Heizeinrichtung kann entweder eine elektrische
Heizung oder auch als Wärmetauscher ausgebildet sein, welcher
von einem Medium durchströmt wird, dessen Temperatur oberhalb
der Verdampfungstemperatur des Flüssiggases liegt. Das
Medium wird zur Aufheizung über einen zweiten Wärmetauscher
im Kreislauf geführt. Als Medium ist insbesondere Propangas verwendbar,
dessen Aufheizung im zweiten Wärmetauscher mittels Wasser,
z. B. Motorkühlwasser oder Seewasser, erfolgen kann. Es
sind auch alternative Beheizungen des Verdampfers denkbar, wobei
jedoch zu berücksichtigen ist, dass die Verdampfung des
Flüssiggases bereits bei sehr tiefen Temperaturen erfolgt,
so dass die verwendete Heizeinrichtung auch bei derart niedrigen
Temperaturen einsetzbar sein muss und sich auch im Störungsfall
kein endgültiger Ausfall der Heizeinrichtung ergibt.
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In
einer weiterbildenden Ausführungsform der Erfindung kann
die Zufuhrleitung zum Verbraucher noch über einen Demister
geführt sein, um verbleibende Feuchtbestandteile im verdampften
Flüssiggas auszuscheiden.
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Die
Erfindung führt zu einem erheblichen Fortschritt in der
Verwendung von Flüssiggas auf Flüssiggastankern
für Antriebszwecke. Der eingesetzte Verbraucher kann insbesondere
bei Laständerungen bedarfsgerecht versorgt werden, was
maschinenschonend ist und die Wartungs- und Schadensanfälligkeit
verringert.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine
schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung.
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3 eine
schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung,
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4 eine
schematische erweiterte Ansicht einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, und
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5 eine
Weiterbildung einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausbildungsform einer Einrichtung
zur Versorgung eines Brennstoffverbrauchers, insbesondere einer Schiffsantriebsmaschine,
mit Kraftstoff.
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Es
ist auf einem Schiff ein Flüssigkeitstank 1 vorgesehen,
der ein Flüssiggas enthält, das in gekühltem
Zustand bei etwa –160°C transportiert wird. Über
eine Flüssiggaspumpe 4 wird Flüssiggas über eine
Zufuhrleitung 5 in einen Verdampfer 2 eingeführt,
wobei das Flüssiggas über Sprühdüsen 9 in
der Flüssigphase des Verdampfers verteilt wird. Im unteren
Teil des Verdampfers ist eine elektrische Heizeinrichtung 3 ausgebildet,
welche mehrere Heizschlangen aufweist, die von einem Steuergerät
gesteuert ein- und ausgeschaltet oder geregelt werden können.
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Über
eine Niveaumesseinrichtung 6, z. B. eine Kapazitäts-,
Ultraschall- oder Radarmesseinrichtung, kann das Flüssigkeitsniveau
im Verdampfer festgestellt und mittels eines Niveauübertragers 7 ein Regelventil 8 in
der Zufuhrleitung 5 gesteuert werden. Dadurch lässt
sich der Flüssigkeitspegel im Verdampfer im Wesentlichen
konstant halten.
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Dem
Verdampfer ist ferner ein Druckmessgerät zugeordnet, dessen
erfasster Druck über einen Druckübertrager 10 auf
das Steuergerät der elektrischen Heizeinrichtung 3 einwirkt.
Die dadurch mögliche Regelung der Heizeinrichtung erlaubt
es, den Dampfdruck im Verdampfer annähernd konstant zu halten.
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Der
Auslass des Verdampfers führt über ein Regelventil 13 zu
einem Anschluss 11 eines Verbrauchers, beispielsweise einer
Schiffsantriebsmaschine. Ein Druckübertrager 12 dient
dazu, den Druck am Anschluss des Verbrauchers über das
Regelventil 13 konstant zu halten.
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Der
Zufuhrleitung zum Verbraucher ist ferner ein Methanzahlmessgerät 14 zugeordnet,
das die Methanzahl des dem Verbraucher zugeführten verdampften
Flüssiggases feststellt. Die ermittelte Methanzahl wird
verwendet, um ein Regelventil 15 zu steuern, das in eine
Auslassleitung 16 vom Verdampfer 2 zum Flüssigkeitstank 1 einschaltet
ist. Die Methanzahl steuert damit den Abfluss von Flüssiggas aus
dem Verdampfer 2, und zwar wie folgt: Da das im Flüssigkeitstank 1 transportierte
Gas ein Gemisch aus verschiedenen Gassorten mit unterschiedlicher Verdampfungstemperatur
ist, wird im Verdampfer zunächst derjenige Teil des Flüssiggases
verdampft, der die niedrigste Verdampfungstemperatur aufweist. Dadurch
reichert sich die im Verdampfer vorhandene Flüssigkeit
mit Flüssigkeit höheren Verdampfungstemperaturen
an, so dass sich damit auch die Methanzahl des vom Verdampfer 2 zum
Verbraucher geführten verdampften Flüssiggases ändert.
Indem über das Regelventil 15 ein mehr oder weniger
großer Volumenstrom vom Verdampfer über die Rückführleitung 17 wieder
in den Flüssigkeitstank zurückgeführt
wird, verändert sich auch die Zusammensetzung des Flüssiggases
im Verdampfer und damit die Methanzahl des zum Verbraucher geführten
verdampften Flüssiggases. Durch diese Regeleinrichtung
lässt sich die Methanzahl, die das dem Verbraucher zugeführte
verdampfte Flüssiggas aufweist, regeln.
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Die
Einrichtung weist ferner einen Auslass 24 auf, über
den überschüssiges Gas aus dem Verdampfer 2 an
die Atmosphäre abgeleitet werden kann.
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Der
Zufuhrleitung zum Verbraucher kann ferner ein Teil des im Flüssiggastank 1 vorhandenen boil-off-Gases über
die Leitung 18 nach geeigneter Kompression hinzugefügt
werden, um auch bereits verdampftes Flüssiggas zum Verbrauch
verwenden zu können. Da die boil-off-Gasleitung 18 stromaufwärts
des Methanwertmessgerätes 14 angeordnet ist, ergibt
sich durch die Zufuhr von boil-off-Gas keine Änderung der
Gaszusammensetzung, die nicht über das Methanzahlmessgerät
ausregelbar ist.
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2 zeigt
eine erweiterte Ausbildungsform von 1, bei der
der Auslass 16 des Verdampfers 2 über
einen Rückkühl-Wärmetauscher 19 geführt wird,
um die Temperatur der aus dem Verdampfer austretenden Flüssigkeit
weiter abkühlen zu können, bevor diese in den
Flüssigkeitstank 1 zurückgeführt wird.
Die übrige Ausbildung dieser Einrichtung entspricht derjenigen
von 1.
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3 zeigt
eine ähnliche Ausbildungsform, bei der der Verdampfer 2 jedoch
mit einer alternativen Heizeinrichtung versehen ist, die aus einem
ersten Wärmetauscher 20 im Inneren des Verdampfers 2 und
einem zweiten Wärmetauscher 21 gebildet ist, die
durch eine Kreislaufleitung 25 verbunden sind, wobei mittels
einer Pumpe 22 ein Medium, insbesondere Propan, im Kreislauf
geführt ist. Zum Ausgleich von Volumenänderungen
ist ein Puffertank 23 vorgesehen. Das in der Kreislaufleitung 25 geführte
Medium wird im zweiten Wärmetauscher 21 über
ein Heizmedium erwärmt. Als ein Heizmedium kann beispielsweise
Seewasser oder Motorkühlwasser verwendet werden, dessen
Temperatur als konstant angesehen werden kann. Die übrige
Ausbildungsform von 3 entspricht derjenigen von 1.
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4 zeigt
eine erweiterte Ausführungsform von 3, bei der
die Rückführung von Flüssiggas aus dem
Verdampfer 2 entsprechend der Ausbildungsform von 2 über
einen Rückkühl-Wärmetauscher 19 geführt
ist.
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Im Übrigen
entspricht die Ausbildung von 4 derjenigen
von 3.
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5 zeigt
ferner eine Ausbildungsform, die im Wesentlichen derjenigen von 2 entspricht, wobei
jedoch in der Zufuhrleitung vom Verdampfer 2 zum Verbraucher
ein Demister 26 eingeschaltet ist, welcher einen Ablauf 27 zum
Flüssigkeitstank 1 aufweist. Der Demister dient
zur weiteren Entfeuchtung des verdampften Flüssiggases. 5 zeigt
ferner zusätzliche Sperr- und Sicherheitsventile, die in
der Praxis zur Sicherung eines störungsfreien Betriebes als
notwendig oder wünschenswert erachtet werden. Diese zusätzlichen
Sicherungs- und Sperrventile haben jedoch keine besondere Bedeutung
im Zusammenhang mit der beschriebenen Erfindung, so dass sie auch
nicht mit Bezugsziffern versehen sind.
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Ferner
kann die Flüssigkeitszufuhr in den Verdampfer auf verschiedenen
Niveaus erfolgen.
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Die
Erfindung umfasst auch weitere Ausbildungsformen, die sich dem Fachmann
beim Lesen der Ansprüche und der Beschreibung ohne weiteres erschließen.
Insbesondere kann die verwendete Heizeinrichtung im Verdampfer auch
durch alternative Heizeinrichtungen mit anderen Medien ausgebildet sein.
Ferner können weitere Sicherungs- und Messeinrichtungen
verwendet werden, ohne dass das Prinzip der Erfindung verlassen
wird.
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- 1
- Flüssiggastank
- 2
- Verdampfer
- 3
- elektrische
Heizeinrichtung
- 4
- Flüssiggaspumpe
- 5
- Zufuhrleitung
- 6
- Pegelmesser
- 7
- Druckübertrager
- 8
- Regelventil
- 9
- Sprühdosen
- 10
- Druckübertrager
- 11
- Anschluss
an Verbraucher
- 12
- Druckübertrager
- 13
- Regelventil
- 14
- Brennwertmessgerät
- 15
- Regelventil
- 16
- Auslass
- 17
- Rückführleitung
- 18
- boil-off-Gasleitung
- 19
- Rückkühl-Wärmetauscher
- 20
- erster
Wärmetauscher
- 21
- zweiter
Wärmetauscher
- 22
- Pumpe
- 23
- Puffertank
- 24
- Auslass
- 25
- Kreislaufleitung
- 26
- Demister
- 27
- Ablauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3113524 [0003]
- - DE 10211645 [0005]