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Die Erfindung betrifft ein Niedertemperaturkraftwerk, mit Verdampferkreisprozess, mit einem mit einer Niedertemperaturwärmequelle thermisch korrespondierendem Verdampfermedium, einem vom Verdampfermedium betriebenen Turbine, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 11.
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Aus dem Stand der Technik sind Energieerzeugungsprozesse zur Niedertemperaturwärmenutzung bekannt. Hierzu gehören sogenannte ORC-Anlagen, die mit Verdampfungsmedien arbeiten, die bei 150°C bis hinunter zu 70°C verdampfen. So können auch Abwärmen, Prozessabwärmen von unter 100°C noch nachverstromt werden.
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Eine solche Einrichtung ist bspw aus der
DE 10 2008 005 978 bekannt. Dort wird aber lediglich der ORC(Organic-Rankine-Cycle)-Prozess unter Nutzung von Pentan als Verdampfermedium optimiert, durch diverse Rekuperationen.
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Grundsätzlich gilt für Kreisprozesse, dass der Temperaturunterscheid zwischen Verdampferseite und Kondensatorseite ganz wesentlich für den Wirkungsgrad einer Kreisprozessanlage ist. So kann eine moderne ORC-Anlage zumindest lauffähig sein bei einer Verdampfertemperatur von 70°C bis 100°C und einer Kondensatortemperatur von 30°C bis 40°C. Der dabei erwartbare Wirkungsgrad bei einer Temperaturdifferenz von nur 40 Kelvin ist klein; erfahrungsgemäß bei unter 10% bei ORC-Anlagen.
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Ein erheblich hoher Anteil an verfügbarer Abwärme liegt jedoch im Bereich von 70°C und 90°C.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Niedertemperaturabwärme energetisch effizienter nutzbar zu machen.
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Die gestellte Aufgabe wird bei einem Niedertemperaturkraftwerk erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Im Hinblick auf ein Verfahren der gattungsgemäßen Art wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 11 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Kern der einrichtungsgemäßen Erfindung ist, dass das Verdampfermedium ein zumindest verflüssigbares Gas ist, über welches die Turbine auf der Hochdruckseite anströmbar ist, und dass auf der Entspannungsseite der Turbine zusätzlich mindestens ein weiteres Druckreduziermittel angeordnet ist.
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Hierbei lässt sich die Erfindung auch so definieren, dass auf der Entspannungsseite kein klassischer Kondensator vorliegt, sondern nur ein Kondensatsammelbehälter, der aber wiederum kein Kondensator im klassischen Sinne dargestellt, weil dort das rückgeführte Kondensat wieder durch Einspritzung von flüssigem Medium zu Schnee sublimiert wird. Diese dort wirksame Wärmesenke entsteht nicht durch externe Kühlung, sondern durch die besagte Sublimation, und der dabei aufgenommenen Sublimationsenthalpie. Dem Grunde nach handelt es sich beim erfindungsgemäßen Gegenstand um eine Kältemaschine, die mit CO2 als Verdampfermedium betrieben wird, und mittels eines Kältekreisprozesses Strom erzeugt. Dabei ist wichtig, dass auch die so verfügbare „Kälte” einen ganz erheblichen wirtschaftlichen Beitrag zum Gesamtenergiekonzept dieser Einrichtung liefert.
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Hierbei entsteht somit keine Kraft-Wärme-Kopplung im klassischen Sinne, sondern eine nutzbare Kraft-Kälte-Kopplung.
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Kälte an sich ist physikalisch auch Wärme, aber auf technisch anderem Temperaturniveau. Nutzbar bedeutet hierbei zur Speisung von Kühl- und Klimaaggregaten.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das besagte Gas, d. h. das Verdampfermedium Kohlendioxid ist. Mit Kohlendioxid lässt sich vorteilhafterweise ein Phasendiagramm durchfahren, welches optimale Druck- und Enthalpiewerte liefert.
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Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass das Druckreduziermittel ein Expansionsventil oder ein einstellbarer Druckreduzierer ist, mit welchem auf der Enspannungsseite (thermodynamisch) mindestens ein Phasenwechsel des Mediums erfolgt. Dieser Phasenwechsel führt zu einer erheblichen Volumenreduktion. Oder anders gesagt, es lassen sich auf der Primär- also der Anströmseite der Turbine Drücke von 40 Bar und mehr erreichen, was im Drcukreduzier- bzw Entspannungsbereich wiederum auf weniger als 6 Bar reduziert wird. Das System lebt strömungstechnisch und damit wirkungsgradmäßig genau von dieser Druckdifferenz, bzw von der damit einhergehenden Volumenreduktion durch Kondensation und ggfs Sublimation.
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Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass stromabwärts dem Druckreduziermittel ein Kondensat/Sublimat-Sammelbehälter folgt, in welches das mittlerweile stark abgekühlte Kondensat/Sublimat leitbar ist. Im besagten Sammelbehältnis lassen sich die thermodynamischen Verhältnisse gezielt steuern.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass stromabwärts dem Kondensat/Sublimat-Sammelbehälter folgend eine Pumpe angeordnet ist, über welche das Kondensat bzw das Kondensat/Sublimat-Gemisch wieder auf einen höheren Druck als im Druckreduzierbereich in eine Wärmetauscher/Verdampfer-Anordnung förderbar ist. Diese Pumpe ist aber aufgrund der Medienbedingungen vorzugsweise als pneumatische Pumpe ausgestaltet.
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Demgemäß ist es vorteilhaft, wenn der Verdampfer thermisch mit einem Kühler eines thermischen Primärprozesses gekoppelt ist.
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Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass am hochdruckseitigen Ausgang der Pumpe ein über ein Steuerventil steuerbarer Bypass mit dem niederdruck- bzw druckreduzierseitigen Eingang der Pumpe oder dem Kondensat/Sublimat-Sammelbehälter medienschlüssig verbunden ist.
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Vorteilhaft ist die Ausgestaltung, bei welcher der Verdampfer ein- oder mehrstufig ausgeführt ist und thermisch mit einem Kühler eines thermischen Primärprozesses über ein weiteres Medium mittels einer Pumpe thermisch gekoppelt ist.
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Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass stromabwärts hinter dem Druckreduziermittel bzw vor oder im Kondensat/Sublimat-Sammelbehälter eine Druck- und/oder eine Temperaturmessstelle P2, P2 bzw P3, T3 implementiert ist.
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Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass der Kondensat/Sublimat-Sammelbehälter aus einem aufrecht stehenden druckfesten Behältnis besteht, in welchem zwei oder drei Phasenzonen medienschlüssig mit einander verbunden sind, und dass in jeder der zwei oder drei Phasenzonen mindestens ein Flansch vorgesehen ist.
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In letzter einrichtungsgemäßer Ausgestaltung ist angegeben, dass im druckfesten Kondensat/Sublimat-Sammelbehälter zusätzlich mindestens eine Injektionsöffnung zur geregelten und/oder druckgeregelten Injektion von Verdampfermedium aus dem Abschnitt hinter der Pumpe des Verdampferleitungssytems vorgesehen ist.
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Von besonderer Bedeutung ist, dass stromabwärts hinter dem Druckreduziermittel oder dem Expansionsventil eine Druck- und/oder eine Temperaturmessstelle implementiert ist. Auf diese Weise ist der notwendige Phasenübergang von gasförmiger zu flüssiger Phase genau erfassbar, und so dass die weiteren Kreisprozessstufen genau steuer- bzw regelbar sind.
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In diesem Zusammenhang ist vorteilhaft ausgestaltet, dass im Bereich der Temperatur- und/oder Druckmesstelle eine öffen- und schließbare Injektionsstelle zur Injektion von Verdampfermedium vorgesehen ist. Damit ist es möglich, an der besagten Stellen im Prozess nicht nur den Druck-/Temperaturverlauf zu messen, sondern so auch regelnd einzugreifen, um die wichtige Kondensation mit seiner erheblichen Volumenreduzierung optimal zu steuern.
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Vorteil ist auch, dass der Kondensat/Sublimat-Sammelbehälter aus einem aufrecht stehenden druckfesten Behältnis besteht, in welchem zwei oder drei Phasenzonen medienschlüssig mit einander verbunden sind, und dass in jeder der zwei oder drei Phasenzonen mindestens ein Flansch, bspw zur Aufnahme jeweils eines Wärmetauschers vorgesehen ist, wobei aber hier mit Kältmittel gespeist wird. Die möglicherweise auch entstehende feste Phase des Kohlendioxids in Form von Schnee soll sich dabei unten absetzen können, und durch Wärmezufuhr dann sogleich sublimieren. Vorteil bei dieser Eigenschaft des Kohlendioxidschnees ist, dass die so aufgenommene Energie die Summe aus Verflüssigungsenthalpie und Verdampfungsenthalpie gleich in Summe mit enthält, als die, die vom Medium aufgenommen wird. Im Hinblick auf ein erfindungsgemäßes Verfahren besteht der Kern der Erfindung darin, dass das Verdampfermedium ein zumindest verflüssigbares Gas ist, über welches die Turbine auf der Hochdruckseite im gasförmigen Zustand anströmbar ist, und dass auf der Entspannungsseite der Turbine das Verdampfermedium weiter druckreduziert, derart, dass das Verdampfermedium hinter der Druckreduzierung vom gasförmigen Zustand zumindest einen kontrollierten Phasenübergang vollzieht, der mit einer weiteren Druckreduzierung einher geht, und dann nachfolgend wieder verdampft und der Turbine zugeführt wird. Ein schlüssiger Kreisprozess also, der dem Kältekreislauf nachempfunden ist, jedoch unter Ausnutzung der extern abgreifbaren mechanischen Arbeit.
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Weiterhin ist auch verfahrensmäßig weiter vorgesehen, dass im Bereich hinter der Druckreduzierung eine gesteuerte oder geregelte Injektion von Verdampfermedium aus der Hochdruckseite der Verdampfungsleitung erfolgt. Hiermit ist ein direkter Einfluss zur Einstellung der thermodynamisch gewollten Funktionsweise möglich, um den Prozess so zu steuern, dass die Phasengrenzen und damit die gewollten Phasenübergänge ansteuerbar sind. So ist es möglich, dass insbesondere CO2 hinter der Druckminderung nicht nur verflüssigt, sondern auch Schnee bildet, also in die feste Phase übergeht. Dies kann möglicherweise Förderprobleme des Mediums über die pneumatische Pumpe erzeugen. Daher ist es von Vorteil, mit Hilfe genau dieser Injektionsstellen die Bildung von Schnee mengenmäßig so zu steuern, dass sie die fluidischen Eigenschaften des Mediums auf dem Förderweg zum Verdampfer nicht oder nicht wesentlich stören, ggfs als 2-Phasengemisch (flüssig/fest)
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In weiterer verfahrensmäßiger Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in den Verdampfer mittels Wärmetauscher Niedertemperaturwärme aus einer Wärmequelle oder der Umgebung zugeleitet wird. Da die Arbeitspunkttemperatur im Verdampferbereich bzw der Zuleitung zur Turbine bei 73°C liegt ist es erstmalig möglich, dass es im Energieerzeugungsprozess keine gesonderten Kreisläufe für unterschiedliche Arbeitstemperaturen gibt, sondern ein einziger Medienkreislauf verwendet wird, in dem die Verdampfertemperatur 73°C betragen kann. So kann Prozessabwärme zusätzlich zu Umgebungswärme mit ein und demselben Kreisprozess energetisch umgesetzt werden.
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Die Turbine selbst koppelt dabei mechanisch an einen Generator zur Stromerzeugung an.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: Übersichtsdarstellung der Komponenten einer erfindungsgemäßen Einrichtung
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2: Druckfester Kondensat/Sublimat-Sammelbehälter
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3: Phasendiagramm
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1 zeigt eine Übersichtsdarstellung der Komponenten einer erfindungsgemäßen Einrichtung. Aus einem Verdampfer 5, der auch zweistufig ausgeführt sein kann, verlässt das CO2 als Verdampfer- und Arbeitsmedium den Verdampfungsbereich bei einem Druck von ca 40 Bar und einer Medientemperatur von ca 70 bis 73°C. Vor Eintritt des Mediums in die Turbine 1 wird der Druck P1 und die Temperatur T1 des Mediums an der Messtelle 20 gemessen. Das Medium durchläuft die Turbine 1 oder Turbinenstufe (die Turbine 1 kann auch eine mehrstufige Turbine sein) und wandelt die thermodynamische Energie in mechanische Energie um. Mit der Turbine 1 ist mechanisch ein Generator 2 gekoppelt, der die Umwandlung in elektrische Energie vornimmt.
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Auf der Niederdruckseite der Turbine 1 ist eine weitere Messtelle für den Druck P2 und die Temperatur T2 im Medium. Dort liegt dann durch die erhebliche Entspannung des Mediums der Druck nur noch bei 6,5 Bar und folglich durch die erste Entspannung eine Temperatur von ca minus 50°C vor. Nachfolgend ist ein weiteres Druckreduzierungsmittel 10 in Form eines regelbaren Ventiles 11, oder einer regelbaren Düse, oder einer Druckentspannungvorrichtung vorgesehen. Dieses Ventil sorgt schließlich für eine weitere Entspannung bzw Druckreduzierung des Mediums bis zum Phasenpunkt, bei dem das Arbeitsmedium CO2 schon teilweise in die feste Phase als Schnee sublimiert. Bei einem Druck von 5,18 Bar kann diese zumindest teilweise Umwandlung in Schnee erfolgen. Der Druck P3 und die Temperatur T3 des Arbeitsmediums hinter diesem Entspannungsmittel ist über die Messtelle 22 messbar und liegt bei T3 = –55°C und P3 um etwa 5,18 Bar.
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Das Kondensat/Sublimat-Gemisch wird im Kondensat/Sublimat-Sammelbehälter 30 gesammelt. Dieses Kondensat/Sublimat-Sammelbehälter 30 ist weiterhin mit mindestens einer Injektionsstelle vorsehen, an der ein kleiner Teilstrom des Arbeitsmediums bei der Temperatur T4 und dem Druck P4 als Bypass aus der Hochdruckseite der nachfolgenden pneumatischen Pumpe 4 entnommen wird und dort über das Steuerventil 12 injiziert werden kann, um auf die dort vorliegenden Druck- und Temperaturverhältnisse einen derartigen Einfluss zu haben, dass man die Menge des ausfallenden Schnees beeinflussen kann, um das extrem abgekühlte und entspannte Arbeitsmedium vor einer vollständigen Überführung in den festen Zustand (Schnee) zu schützen. Dies weil der so sublimierte Schnee nur schwer in den Verdampfer zu führen wäre. Besser ist das Vorliegen als Schnee-Flüssigkeits-Gemisches.
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Mit dieser Injektionsstelle sind die Phasenübergänge so kontrollierbar, dass es ein schlüssiger Kreisprozess des Arbeitsmediums vollziebar ist.
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Von dort wird das abgekühlte, teils schneeförmig sublimierte CO2 über einen Wärmetauscher im Verdampfer 5 wieder verdampft und wieder Richtung Turbine 1 geleitet. Die notwendige Verdampfungswärme liegt hier im Bereich von Niedertemperatur weit unterhalb von 70°C und nutzt damit einem Temperaturbereich niederkalorischer Wärme, noch viel effektiver, als bisher mit ORC-Medien betriebene Kreisprozesse.
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Hier können Prozesskühler 8 im Abwärmebereich als Quelle eingesetzt werden, die ein Wärmemedium zwischen Kühler 8 und Verdampfer 5 mittels einer Pumpe 7 zirkulieren lassen.
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Die oben genannte Pumpe 4 für das stark abgekühlte und zumindest teilsweise kondensierte CO2 ist vorteilhafterweise eine pneumatische Pumpe, wie sie im Kältemittelbereich üblich ist.
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Über eine Steuereinrichtung 3 werden sämtliche genannten Eingangsgrößen T1 bis T4 und P1 bis P4 eingelesen, und daraus Stellgrößen für das steuerbare Druckreduzierventil 10 und das steuerbare Bypassventil 12 ermittelt und generiert.
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Ein optionaler weiterer Bypass kann durch das Ventil 12 vorgesehen sein, welches in derselben Weise über die Steuereinrichtung steuerbar ist.
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Wesentlich ist hierbei, die extremen Änderungen des Drucks und des Volumens durch die genannten Phasenübergänge des CO2 zu nutzen.
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Im Ergebnis entsteht somit elektrischer Strom und „Kühl-Kälte” aus niederkalorischer Wärme oder Abwärme.
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Bei einem bekannten Blockheizkraftwerk wird Heizwärme und elektrische Energie erzeugt.
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Beim vorliegenden Gegenstand wird Kühlung sowie elektrische Energie erzeugt. Man könnte dies als eine Art Kraft-Kälte-Kopplung bezeichnen.
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2 zeigt den Verdampfer als aufrecht stehendes Behältnis, mit seitlichen Flanschen, an den, bzw durch die Wärmetauscher in verschiedenen Höhen einbringbar sind, wodurch auch Zonen verschiedener Aggregatzuständen schaffbar sind.
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3 zeigt nochmal das Phasendiagramm, und die Art und Weise wie dies mittels der beschriebenen Einrichtung durchfahren wird. Dies in folgender Weise:
Bei Punkt 1 liegt der Tripelpunkt bei P = 5,18 bar, T = –56,6°C. Im Kreisprozess gemäß 1 befinden wir uns dort am Eintritt zur Pumpe 4, leicht unterkühlt. Um Gasbildung zu vermeiden wird eventuell 10 bis 20% Schneeanteil eingestellt.
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Punkt 2 liegt am Austritt der Pumpe 4 bei P = 40 bar, und T ca –55°C, und von dort erfolgt der Eintritt zum Wärmetauscher.
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Die zugeführten Wärmen sind:
2 → 3 Zufuhr sensible Wärme
3 → 4 Zufuhr Verdampfungswärme
4 → 5 Zufuhr Überhitzungswärme
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Punkt 5 im Phasendiagramm entspricht dem Austritt am Überhitzer und Eintritt in die Expansionsmaschine, d. h. die Turbine, bei P1 = 40 bar, T1 = 73°C.
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Vom Punkt 5 → 6 erfolgt Entspannung mit konstanter Entropie
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Punkt 6 entspricht dem Austritt der Expansionsmaschine Turbine bei P2 = 6 bar und T2 = –50°C; nachfolgend Eintritt Druckreduzierventil 11.
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Punkt 7 entspricht Austritt Druckreduzierventil bei ca P ≤ 5 Bar, Gemisch aus Gas und Schnee,
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Der beschriebene Bypass über das Ventil 12 entspricht der Injektion von Flüssigkeit vom Punkt 2, welches zwischen Druckreduzierventil 11 und Eintritt Pumpe 4 eingespritzt wird und erzeugt somit die Abkühlung, um den Punkt 1 zu erreichen.
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Falls die Expansionsmaschine im Feuchtgebiet arbeiten kann, ist es möglich, vom Punkt 4 zu entspannen.
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Falls die Expansionsmaschine ein Schnee-Gasgemisch zu verarbeiten hat, ist es möglich, zum Punkt 7 zu entspannen.
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Falls diese beiden Vorrausetzungen erfüllt sind, kann die Einrichtung auch vom kritischen Punk (KP) ausgehend betrieben werden und somit auf das Expansionsventil und die zusätzliche Schneeerzeugung verzichten.
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Es erfolgt eine Leistungsregelung durch Belastung der Expansionsmaschine, d. h. Turbine, so dass Punkt 6 erreicht wird, und eine Druckregelung des Durckreduzierventiles, so dass am Punkt 7 (im Behälter) der Druck von < 5 bar entsteht; Nachspritzung von Flüssigkeit in den Behälter damit der im Punkt 1 gewünschte (unterkühlte) Zustand erreicht wird, bzw kontrollierbar erreicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turbine
- 2
- Generator
- 3
- Steuereinheit
- 4
- Pumpe
- 5
- Verdampfer
- 6
- Kühler aus Primärprozess
- 7
- Pumpe
- 8
- Wärmeaufnehmer/Kühler
- 10
- Entspannungsmittel
- 11
- Steuerventil
- 12
- Steuerventil
- 20
- P,T-Messtelle
- 21
- P,T-Messtelle
- 22
- P,T-Messtelle
- 30
- Kondensat/Sublimat-Sammelbehältnis
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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