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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein zugehöriges Betriebsverfahren.
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Aus der
DE 10 2008 057 202 A1 ist eine Abwärmenutzungsvorrichtung dieser Art bekannt, die einen Abwärmenutzungskreis umfasst, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Im Abwärmenutzungskreis sind eine Pumpe zum Antreiben des flüssigen Arbeitsmediums, stromab davon ein Verdampfer zum Verdampfen des unter Druck stehenden Arbeitsmediums, stromab davon eine Expansionsmaschine zum Expandieren des gasförmigen Arbeitsmediums auf einen Niederdruck und stromab davon ein Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums angeordnet. Ferner ist im Abwärmenutzungskreis stromauf der Pumpe ein Sammler zum Bevorraten des flüssigen Arbeitsmediums in einem Vorratsraum angeordnet. Bei der bekannten Abwärmenutzungsvorrichtung ist dieser Sammler in den Kondensator integriert.
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Der Sammler wird benötigt, um die Abwärmenutzungsvorrichtung an unterschiedliche Betriebszustände anpassen zu können. Beispielsweise kann es während des Betriebs der Abwärmenutzungsvorrichtung zu Masseverschiebungen zwischen der Gasphase und der Flüssigphase kommen, was auf variierende Wärmeströme (über Verdampfer oder Kondensator) oder geänderte Prozessdrücke zurückzuführen ist.
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Die
EP 2 554 806 A1 und die
DE 10 2009 042 584 A1 weisen jeweils einen im Abwärmenutzungskreis stromauf einer Pumpe angeordneten Sammler zum Bevorraten eines flüssigen Arbeitsmediums in einem Vorratsraum auf. Des Weiteren weist der Abwärmenutzungskreis einen den Vorratsraum umgehenden Bypass und ein Bypassventil zum Steuern des Bypasses auf.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Abwärmenutzungsvorrichtung der Eingangs genannten Art bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch ein verbessertes Kaltstartverhalten auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen steuerbaren Bypass zur Umgehung des Vorratsraums bzw. des Sammlers vorzusehen. Hierbei nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass bei herkömmlichen Abwärmenutzungsvorrichtungen der Sammler so in den Abwärmenutzungskreis eingebunden ist, dass das flüssige Arbeitsmedium über einen Eingang in den Sammler eintritt und über einen Ausgang wieder aus dem Sammler austritt. Dies bedeutet für den Kaltstart, also für einen Start der Abwärmenutzungsvorrichtung aus der Umgebungstemperatur heraus, dass das ganze in der Abwärmenutzungsvorrichtung enthaltene Arbeitsmedium aufgewärmt werden muss, bevor die Abwärmenutzungsvorrichtung ordnungsgemäß betrieben werden kann bzw. einen günstigen Betriebsbereich erreicht. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag ist es nun möglich, für den Kaltstartbetrieb den Vorratsraum bzw. den Sammler und somit das gesamte darin bevorratete Volumen an Arbeitsmedium zu umgehen, sodass nur noch das tatsächlich im Abwärmenutzungskreis zirkulierende bzw. strömende Arbeitsmedium aufgewärmt werden muss, um die Abwärmenutzungsvorrichtung in einen betriebsfähigen Zustand zu bringen. Je nach der im Sammler bzw. im Vorratsraum gespeicherten Masse an Arbeitsmedium führt dies zu einer signifikanten Verkürzung der Kaltstartphase.
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Der Bypass kann beispielsweise mit Hilfe eines Bypassventils gesteuert werden. Dabei bezeichnet der Begriff Bypassventil im Folgenden nicht nur Ventile, die nur offen oder geschlossen sein können, sondern auch Ventile die Zwischenstellungen einnehmen können. Auch Drosselklappen und vergleichbares sollen in dieser Druckschrift von dem Begriff Bypassventil umfasst werden.
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Der Bypass kann in den Sammler integriert sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Bypassventil in den Sammler integriert sein. Hierdurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauform.
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Ferner kann eine Steuerung zum Betätigen des Bypassventils vorgesehen sein, die so programmiert bzw. ausgestaltet ist, dass sie den Bypass für eine Kaltstartphase der Abwärmenutzungsvorrichtung öffnet.
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Grundsätzlich ist es ebenso möglich, das Bypassventil als Thermostatventil auszugestalten, das den Bypass oberhalb einer vorbestimmten Schalttemperatur des den Bypass durchströmenden Arbeitsmediums sperrt. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass das Thermostatventil in einem bestimmten Temperaturbereich allmählich sperrt, also nicht nur eine Sperrstellung und eine Offenstellung kennt, sondern zumindest eine dazwischen liegende Zwischenstellung. In einer solchen Zwischenstellung kann die Abstimmung von Bypass und Vorratsraum bzw. Sammler so gewählt sein, dass sich eine Strömungsaufteilung einstellt, sodass ein Teil des im Abwärmenutzungskreis zirkulierenden Arbeitsmediums durch den Vorratsraum strömt, während der Rest durch den Bypass strömt. Dementsprechend wird aus dem Vorratsraum stammendes Arbeitsmedium dem vom Bypass kommenden Arbeitsmedium stromab des Sammlers zugemischt, sodass eine sukzessive Erwärmung des im Vorratsraum bevorrateten Arbeitsmediums erreicht wird. Dies kann insbesondere dann erfolgen, wenn die Abwärmenutzungsvorrichtung nach dem raschen Erreichen einer ausreichenden Betriebstemperatur bereits ordnungsgemäß betrieben werden kann.
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Alternativ kann eine Steuerung zum Betätigen des Bypassventils so ausgestaltet bzw. programmiert sein, dass sie das Bypassventil abhängig von der Temperatur des den Bypass durchströmenden Arbeitsmediums betätigt. Auch hier kann vorgesehen sein, nicht nur eine Offenstellung und eine Sperrstellung für das Bypassventil vorzusehen, sondern wenigstens eine Zwischenstellung, die eine Zumischung von Arbeitsmedium aus dem Vorratsraum ermöglicht.
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Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann zumindest ein Steuerventil vorgesehen sein, das eine fluidische Verbindung zwischen Vorratsraum und Abwärmenutzungskreis steuert. Hierdurch ist es auch für den normalen Betrieb der Abwärmenutzungsvorrichtung möglich, nicht das gesamte Volumen des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis zirkulieren zu lassen, da die zirkulierende Menge auf die tatsächlich im Abwärmenutzungskreis benötigte Menge reduziert werden kann.
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Beispielsweise kann das Steuerventil als Druckausgleichsventil ausgestaltet sein, das abhängig von einem Differenzdruck zwischen den Drücken im flüssigen Arbeitsmedium im Vorratsraum einerseits und im Abwärmenutzungskreis zwischen Kondensator und Pumpe andererseits die fluidische Verbindung zwischen Vorratsraum und Abwärmenutzungskreis steuert, insbesondere zum Einstellen eines vorbestimmten Niederdrucks im flüssigen Arbeitsmedium. Ein derartiges Druckausgleichsventil kann insbesondere fremdenergiefrei arbeiten, also beispielsweise druckgesteuert sein.
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Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei welcher Steuerventil und Bypassventil in eine gemeinsame Ventileinheit integriert sind.
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Zur Betätigung des Steuerventils kann auch eine Steuerung vorgesehen sein, die so ausgestaltet und/oder programmiert sein kann, dass sie das jeweilige Steuerventil abhängig von einem im flüssigen Arbeitsmedium zwischen Pumpe und Kondensator herrschenden Druck betätigt.
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Mit dieser Steuerung kann nun eine Drucksensorik gekoppelt sein, mit deren Hilfe der Druck im flüssigen Arbeitsmedium zwischen Kondensator und Pumpe gemessen werden kann.
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Es ist klar, dass die Steuerung zur Betätigung des Steuerventils und die Steuerung zur Betätigung des Bypassventils miteinander kommunizieren können, wobei außerdem vorgesehen sein kann, dass die beiden Steuerungen in ein gemeinsames Steuergerät hardwaremäßig integriert und/oder softwaremäßig implementiert sind.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Abwärmenutzungsvorrichtung,
- 2 eine Ansicht wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
- 3 eine vergrößerte Prinzipdarstellung eines Sammlers der Abwärmenutzungsvorrichtung,
- 4 und 5 Ansichten wie in 3, jedoch bei verschiedenen Betriebszuständen.
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Entsprechend den 1 und 2 umfasst eine Abwärmenutzungsvorrichtung 1 einen Abwärmenutzungskreis 2, darin eine Pumpe 3, stromab davon einen Verdampfer 4, stromab davon eine Expansionsmaschine 5, stromab davon einen Kondensator 6 sowie einen Sammler 7, der stromauf der Pumpe 3 angeordnet ist. Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 dient insbesondere zur Nutzung von Abwärme, die von einer hier nicht gezeigten Brennkraftmaschine stammt, die insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein kann. Dementsprechend kann auch die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein. Typischerweise ist die Abwärmenutzungseinrichtung als ein Clausius-Rankine-Kreislauf ausgebildet.
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Im Abwärmenutzungskreis 2 zirkuliert ein Arbeitsmedium. Die Pumpe 3 dient zum Fördern des flüssigen Arbeitsmediums unter gleichzeitigem Anheben von einem Niederdruck auf einen Hochdruck. Der Verdampfer 4 dient zum Verdampfen des Arbeitsmediums. Hierbei nutzt der Verdampfer 4 Wärme, die von einer grundsätzlich beliebigen Wärmequelle stammen kann. Zweckmäßig wird die der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 bzw. dem Verdampfer 4 zugeführte, hier durch einen Pfeil angedeutete Wärme 8 von der Brennkraftmaschine bereitgestellt. Beispielsweise kann der Verdampfer 4 hierzu mit einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine wärmeübertragend gekoppelt sein.
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Die Expansionsmaschine 5 dient zum Expandieren des gasförmigen Arbeitsmediums auf einen Niederdruck. Hierbei kann die Expansionsmaschine 5 mechanische Arbeit bereitstellen, um beispielsweise einen Generator oder dergleichen anzutreiben. Der Kondensator 6 dient zum Kondensieren des Arbeitsmediums. Hierbei wird dem Arbeitsmedium bzw. der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 Wärme entzogen. Dieser Wärmeentzug ist in den 1 und 2 durch einen Pfeil 9 angedeutet und kann beispielsweise mit Hilfe einer hier nicht dargestellten Kühleinrichtung realisiert werden, die z.B. mit einem mit dem Kondensator 6 wärmeübertragend gekoppelten Kühlkreis arbeitet.
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Der Sammler 7 dient nun zur Bevorratung des flüssigen Arbeitsmediums. Im Beispiel ist er als separates Bauteil konzipiert und zwischen dem Kondensator 6 und der Pumpe 3 angeordnet. Grundsätzlich ist auch eine Bauform denkbar, bei welcher der Sammler 7 baulich in den Kondensator 6 integriert ist. In einer Ausführungsform ist der Sammler 7 als offener Sammler ausgestaltet, dessen Vorratsraum 19 zur Umgebung hin offen ist. In einer alternativen Ausführungsform ist der Sammler 7 als geschlossener Sammler ausgestaltet, dessen Vorratsraum 19 zur Umgebung hin geschlossen ist.
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Erfindungsgemäß ist die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 nun außerdem mit einem Bypass 10 ausgestattet, der den Sammler 7 umgeht und der mit Hilfe eines Bypassventils 11 gesteuert werden kann. 1 zeigt dabei eine Ausführungsform mit einem externen Bypass 10, der stromauf des Sammlers 7 bei einer Abzweigstelle 12 vom Abwärmenutzungskreis 2 abzweigt und stromab des Sammlers 7 bei einer Einleitstelle 13 wieder in den Abwärmenutzungskreis 2 einmündet. Zweckmäßig ist hier das Bypassventil 11 an der Einleitstelle 13 angeordnet. Im Unterschied dazu zeigt 2 eine Ausführungsform mit internem Bypass 10. Hierbei ist der Bypass 10 in den Sammler 7 integriert. Im Beispiel ist außerdem das Bypassventil 11 ebenfalls in den Sammler 7 integriert.
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Zur Realisierung des inneren Bypasses 10 kann der Sammler 7 gemäß den Ausführungsformen der 2 bis 5 einen Einlass 14 und einen Auslass 15 aufweisen, über die der Sammler 7 an den Abwärmenutzungskreis 2 angeschlossen ist. Der Einlass 14 mündet dabei in einen Einlassraum 16, während der Auslass 15 in einen Auslassraum 17 mündet. Einlassraum 16 und Auslassraum 17 sind durch eine Trennwand 18 voneinander getrennt. Ferner enthält der Sammler 7 einen Vorratsraum 19 zur Bevorratung des flüssigen Arbeitsmediums. Eine weitere Trennwand 20 trennt den Vorratsraum 19 vom Einlassraum 16 und vom Auslassraum 17.
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Der Bypass 10, unabhängig ob intern oder extern, umgeht also den Vorratsraum 19 des Sammlers 7.
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Das Bypassventil 11 ist so ausgestaltet, dass es zumindest zwei verschiedene Schaltstellungen ermöglicht. In der ersten Schaltstellung ist der Bypass 10 gesperrt, sodass das Arbeitsmedium entsprechend den mit durchgezogener Linie gezeichneten Pfeilen vom Einlassraum 16 in den Vorratsraum 19 strömt und vom Vorratsraum 19 in den Auslassraum 17 strömt. In einer zweiten Schaltstellung ist dagegen der Bypass 10 geöffnet, sodass das Arbeitsmedium direkt vom Einlassraum 16 in den Auslassraum 17 strömt und dabei den Vorratsraum 19 umgeht.
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Die 3 bis 5 zeigen eine realitätsnähere Darstellung des Sammlers 7 mit internem Bypass 10. Der Vorratsraum 19 ist hier typischerweise deutlich größer als der Einlassraum 16 bzw. der Auslassraum 17. Die 3 bis 5 zeigen unterschiedliche Schaltzustände bzw. Betriebszustände. In 3 ist die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 deaktiviert. Alternativ kann 3 auch einen Schaltzustand des Bypassventils 11 zeigen, bei dem das Bypassventil 11 sowohl die Verbindung zwischen Einlassraum 16 und Auslassraum 17 als auch die Verbindungen zwischen Vorratsraum 19 und Einlassraum 16 einerseits sowie zwischen Vorratsraum 19 und Auslassraum 17 andererseits sperrt. Im Unterschied dazu zeigt 4 den Zustand, bei dem das Bypassventil 11 den Bypass 10 öffnet und dementsprechend den Einlassraum 16 mit dem Auslassraum 17 verbindet. Gleichzeitig sind die hydraulischen Verbindungen zwischen Einlassraum 16 und Vorratsraum 19 einerseits sowie zwischen Auslassraum 17 und Vorratsraum 19 andererseits gesperrt. Ferner zeigt 5 einen Schaltzustand für das Bypassventil 11, bei dem es den Bypass 10 sperrt und dafür die hydraulischen Verbindungen zwischen dem Vorratsraum 19 und dem Einlassraum 16 einerseits und zwischen dem Vorratsraum 19 und dem Auslassraum 17 andererseits öffnet. Dementsprechend kann hier das Arbeitsmedium über den Einlassraum 16 in den Vorratsraum 19 eintreten und vom Vorratsraum 19 in den Auslassraum 17 gelangen.
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Wie in 1 angedeutet ist, kann zum Betätigen des Bypassventils 11 eine Steuerung 21 vorgesehen sein, die über eine entsprechende Steuerleitung 22 mit dem Bypassventil 11 verbunden ist. Die Steuerung 21 kann so programmiert bzw. ausgestaltet sein, dass sie für eine Kaltstartphase der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 den Bypass 10 öffnet und dementsprechend den Sammler 7 bzw. den Vorratsraum 19 vom Abwärmenutzungskreis 2 trennt. Somit zirkuliert im Abwärmenutzungskreis 2 während des Kaltstartbetriebs nur ein vergleichsweise kleines Volumen an Arbeitsmedium. Hierdurch kann die Aufheizung auf eine Betriebstemperatur der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 schneller realisiert werden.
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Die Steuerung 21 kann mit einem Temperatursensor 23 gekoppelt sein, beispielsweise über eine Signalleitung 24. Der Temperatursensor 23 ist dem Bypass 10 zugeordnet und kann die Temperatur des Arbeitsmediums bestimmen, das den Bypass 10 durchströmt. Die Steuerung 21 kann nun so ausgestaltet und/oder programmiert sein, dass sie das Bypassventil 11 abhängig von der Temperatur des den Bypass 10 durchströmenden Arbeitsmediums betätigt. Bei niedriger Temperatur öffnet die Steuerung 21 den Bypass 10. Bei Erreichen der Betriebstemperatur sperrt die Steuerung 21 den Bypass 10.
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Alternativ kann das Bypassventil 11 auch als Thermostatventil ausgestaltet sein, das den Bypass 10 oberhalb einer vorbestimmten Schalttemperatur, die das den Bypass 10 durchströmende Arbeitsmedium aufweist, sperrt.
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Wie den 2 bis 5 zu entnehmen ist, kann ein Steuerventil 25 vorgesehen sein, mit dessen Hilfe eine fluidische Verbindung zwischen Vorratsraum 19 bzw. Sammler 7 und Abwärmenutzungskreis 2 gesteuert werden kann. Bei den hier gezeigten Beispielen ist das Steuerventil 25 in das Bypassventil 11 integriert bzw. umgekehrt. Insbesondere bilden Steuerventil 25 und Bypassventil 11 eine gemeinsame Ventileinheit 28. Ferner ist das Steuerventil 25 hier so positioniert, dass es eine fluidische Verbindung zwischen dem Einlassraum 16 und dem Vorratsraum 19 einerseits sowie eine fluidische Verbindung zwischen dem Auslassraum 17 und dem Vorratsraum 19 andererseits steuert. Da der Einlassraum 16 und der Auslassraum 17 mit dem Abwärmenutzungskreis 2 kommunizieren und da der Vorratsraum 19 die Funktion des Sammlers 7 repräsentiert, schafft das Steuerventil 25 somit die fluidische Verbindung zwischen Sammler 7 bzw. Vorratsraum 19 und Abwärmenutzungskreis 2.
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Die zuvor genannte Steuerung 21 oder eine andere Steuerung kann zum Betätigen des Steuerventils 25 vorgesehen sein, und zwar abhängig von einem Niederdruck, der im Arbeitsmedium zwischen Expansionsmaschine 5 und Pumpe 3, insbesondere im flüssigen Arbeitsmedium zwischen Kondensator 6 und Pumpe 3, herrscht. Hierzu kann beispielsweise ein Drucksensor 26 an den Abwärmenutzungskreis 2 angeschlossen sein, der über eine entsprechende Signalleitung 27 mit der Steuerung 21 verbunden ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der Drucksensor 26 dabei zwischen dem Kondensator 6 und der Pumpe 3 an den Abwärmenutzungskreis 2 angeschlossen. Anstelle eines mittels der Steuerung 21 betätigbaren Steuerventils 25 kann auch ein druckgesteuertes Steuerventil 25 vorgesehen sein, das ohne Fremdenergie betrieben werden kann. Beispielsweise kann das Steuerventil 25 als Druckausgleichsventil ausgestaltet sein, das abhängig von einem Differenzdruck zwischen dem Druck im flüssigen Arbeitsmedium im Sammler 7 bzw. Vorratsraum 19 einerseits und dem Druck im flüssigen Arbeitsmedium im Abwärmenutzungskreis 2 zwischen dem Kondensator 6 und der Pumpe 3 andererseits die fluidische Verbindung zwischen Sammler 7 bzw. Vorratsraum 19 und Abwärmenutzungskreis 2 steuert. Beispielsweise kann das Steuerventil 25 bzw. die zugehörige Steuerung 21 so ausgestaltet sein, dass damit im flüssigen Arbeitsmedium ein vorbestimmter Niederdruck eingestellt werden kann. Insbesondere kann dadurch ein automatischer Druckausgleich erzeugt werden, ohne dass hierzu eine direkte Ansteuerung des Steuerventils 25 nötig ist. Insbesondere wird hierbei die Öffnung des Steuerventils 25 in Abhängigkeit vom Differenzdruck zwischen Vorratsraum 19 bzw. Sammler 7 und Abwärmenutzungskreis 2 geregelt bzw. gesteuert.
