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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Stromerzeugung aus Abwärme nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine derartige Vorrichtung zur Stromerzeugung ist beispielsweise mit dem Gegenstand der
DE 10 2005 048 795 B1 bekannt geworden. Bei dieser bekannten Kraft-Wärme-Kopplungsanlage wird ein ORC-Kreislauf (Organic-Rankine-Cycle) in Verbindung mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Turbolader verwendet, wobei im Mittelpunkt der dort gezeigten Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, ein mit einem nachgeschalteten ORC kombiniertes Blockheizkraftwerk steht, welches eine Verbrennungsmaschine mit Turbolader und Gemischkühlung für das Brenngasgemisch beinhaltet.
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Nachteil bei dieser bekannten Anordnung ist jedoch, dass als Turbine ein Dampf-Schraubenmotor zum Antrieb des Generators verwendet wird, was mit schwerwiegenden Nachteilen verbunden ist. Nachteil dieser Anordnung ist nämlich, dass der Dampf-Schraubenmotor sehr wartungsintensiv ist und nicht ölfrei zu betreiben ist.
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Ein weiterer Nachteil der genannten Anlage ist, dass auf die genaue Leitungsführung, insbesondere die Leitungsführung der Abdampfleitung hinter dem Dampfschraubenmotor in Richtung auf den Verflüssiger, kein Wert gelegt wird und hierbei Probleme bei der Führung des Arbeitsmediums entstehen können.
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Ferner lassen sich aus dieser Druckschrift auch keine weiteren Einzelheiten der Leitungsführung vom Ausgang des Verflüssigers in Richtung auf den Flüssigkeitssammler entnehmen.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, dass gerade die Leitungsführung in diesem Bereich für einen optimalen Betrieb der gesamten hermetisch dichten Anlage von entscheidender Bedeutung ist.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine vollhermetisch arbeitende Kraft-Wärme-Kopplungsanlage der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass durch eine optimierte Leitungsführung ein verbessertes Arbeitsergebnis erreicht werden kann.
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Nach der neuen EEG 2012 wird eine 60-%ige Nutzung der Wärme von Biogasanlagen gefordert. Diese Nutzung kann man mit ORC-Anlagen mit Nachverstromung von Wärme erfüllen. Damit wird die Nachfrage sich wesentlich erhöhen. Speziell auch für kleinere Anlagengröße ist das erfindungsgemäße System gut einsetzbar.
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Die Anlage nach der
DE 10 2005 048 795 B1 wird in wesentlich größerem Umfang und mit einer anderen Technik, wie vorstehend beschrieben wurde, gebaut. Zum Einsatz kommen dort Dampfmotoren und Dampfschraubenmotoren, die nur mit großem Einsatz zu warten sind und im Übrigen nicht ölfrei zu betreiben sind.
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Die Erfindung löst deshalb die oben gestellte Aufgabe nach den Merkmalen des geltenden Anspruches 1.
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Wesentliches Merkmal ist, dass der Abdampf stromabwärts der Turbine in Richtung zum Verflüssiger, sowie der Ablauf des Verflüssigers jeweils mit Gefälle bis zum Sammler und zur Pumpe unter Einwirkung eines Gefälles geführt ist.
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Durch das vorgesehene Gefälle am Ausgang der Turbine wird ein Gegendruck des aus der Turbine abströmenden Abdampfes an der Turbine vermieden und das sich verflüssigende Arbeitsmittel strömt ungehindert in den Verflüssiger. Wichtig ist ferner, dass der Ablauf des Verflüssigers in Richtung zum nachgeschalteten Flüssigkeitssammler ebenfalls mit einem, den Rückstau verhindernden Gefälle verlegt ist.
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Die beiden Gefällestrecken sind besonders wichtig für eine optimale Leistungsfähigkeit der beschriebenen vollhermetischen Anlage, weil auch die dem Flüssigkeitssammler nachgeschaltete Pumpe nicht von sich aus ansaugen kann. Deshalb muss der Pumpe das Arbeitsmedium mit Gefälle zugeführt werden.
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Für das stromabwärts der Turbine in Richtung zum Verflüssiger verlegten Leitung wird ein Gefälle von etwa 0,5 Prozent bevorzugt, weil dort das Arbeitsmedium in gas- und teilweise flüssiger Form abströmt. Im zweiten Fall, das heißt stromabwärts des Verflüssigers und im Zulauf zum Flüssigkeitssammler, wird ein Gefälle von etwa 2 Prozent bevorzugt, weil das Arbeitsmedium als Flüssigkeit fließt.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Gefälleprozentzahlen beschränkt. Diese können in weiten Grenzen geändert werden. Es ist nur maßgebend, dass in Abhängigkeit vom verwendeten Arbeitsmedium dafür gesorgt wird, dass sich in diesen Leitungen kein Flüssigkeitsrückstau bildet und ein einwandfreier Flüssigkeitsablauf gewährleistet ist.
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Dies führt zu einem problemlosen Betrieb des Kreisprozesses verbunden mit einer effektiven Nutzung der Abwärme und damit mit einem erhöhten Stromertrag.
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Bei den Anlagen nach dem Stand der Technik war diese optimierte Leitungsführung nicht vorhanden.
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Wichtig bei der vorliegenden Erfindung ist, dass die Erfindung nicht auf die Abwärme eines BHKW beschränkt ist, sondern es kann jede beliebige Abwärme eines beliebigen Prozesses zur Stromgewinnung verwendet werden, was bisher nicht bekannt war. Deshalb ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwertung der Abwärme eines BHKW beschränkt. Andere Wärmequellen können zum Beispiel Sonnenenergie, Biogasabwärme, Wärme aus Fernwärmenetzen und dergleichen sein.
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Je nach der Temperatur des einzuspeisenden Wärmemediums können verschiedene Dampfdrücke erreicht werden, wobei dann Arbeitsdrücke im Bereich von 5 bar bis 25 bar erreicht werden können.
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Eine solche Einspeisung kann beispielsweise im Bereich des Vorerhitzers erfolgen, aber ebenso im Bereich des Verdampfers oder im Bereich des Überhitzers.
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Es können auch mehrere Einspeisepunkte parallel oder hintereinander verwendet werden.
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Bei dem vollhermetisch in sich abgeschlossenen Kreisprozess nach der Erfindung wird bevorzugt ein organisches Kältemittel verwendet, bevorzugtes Arbeitsmittel R 245 fa.
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Bei der Verwendung der hohen Abgastemperaturen eines BHKWs wird der Druck des Kreislaufs gesteigert, es wird das Arbeitsmittel R 245 fa verwendet, worauf die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Es können auch andere Kältemittel beliebiger Art verwendet werden.
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Damit werden bei gleichem Energieeinsatz von ca. 160 kW 16,5 kW statt bisher 10 kW Strom erzeugt. Der Arbeitsdruck beträgt dann 20 bar. Ein solches Verfahren kann bei einem Temperaturbereich zwischen 80°C und 150°C ablaufen. Gegebenenfalls kann auch ein Zwischenkreislauf mit einem Wasser-Glykol-Gemisch verwendet werden.
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Der bei dem Gegenstand der
DE 10 2005 048 795 B3 verwendete Dampf-Schraubenmotor mit einem nachgeschalteten Turbolader ist mit der erfindungsgemäßen „Strompumpe” nicht vergleichbar. Beim Dampf-Schraubenmotor besteht zum Beispiel die Gefahr, dass Teile des Arbeitsmittels mit Öl in Berührung kommen und dieses dann im Verdampfer abgelagert wird, was zu einer Verminderung des Wirkungsgrades führt. Außerdem ist die Anlage in sich teurer und nicht ohne Weiteres ausbaufähig. Der Ersatz des Dampf-Schraubenmotors durch eine Turbine ermöglicht eine bessere Energieausbeute bei Vermeidung der Gefahr des Öleintrags in das Arbeitsmittel.
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Hier setzt die Erfindung ein, die vorsieht, dass bei Vergrößerung der Anlage die Anlagenkosten bei gleicher Stromausbeute auch geringer sind.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen darin, dass bei der Verwendung der Abgas- und der Motorenabwärme eines BHKWs eine ganzjährige Nutzung möglich ist, dass damit auch der elektrische Wirkungsgrad der BHKW-Anlage verbessert werden kann und dass eine Einsparung von Brennstoff bei Betriebs-BHKW gegeben ist. Zusätzlich entstehen eine CO2-Einsparung und zusätzliche Erlöse durch höhere Stromproduktion.
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Bei der Erfindung handelt es sich also sozusagen um eine Nachverstromung in kleinen bis zu großen Arbeitsbereichen, wobei folgende Punkte wichtig sind:
vollhermetisch dichter Kreislauf mit Arbeitstemperaturen von 80 bis 150°C geschlossener Prozess zur Stromerzeugung bestehend aus:
- – organisches Arbeitsmittel
- – Verdampfer und Überhitzer
- – Turbine mit Generator
- – Verflüssiger
- – Pumpe
- – Zwischenkreislauf mit Wasser-Glykol-Gemisch zur Nutzung der Abgaswärme
- – Regelung/Steuerung
- – Strom-Netzeinspeisung.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
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1: Schematisiert in Seitenansicht eine Anlage nach der Erfindung
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2: Die Draufsicht auf die Anlage nach 1
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In einem Gehäuse (1) der genannten Anlage ist ausgehend von einer Pumpe (6) eine der Pumpe nachgeschaltete Rückschlagklappe (24) angeordnet, durch die das flüssige Arbeitsmedium von der Pumpe in einen Vorerhitzer (5) geleitet wird. Dieser Vorerhitzer (5) macht die Aufheizung des Arbeitsmediums in der Flüssigphase möglich, wobei diese Wärme als Abwärme zum Beispiel eines BHKW entsteht und an dieser Stelle in den Vorerhitzer (5) eingespeist wird.
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Am Ausgang des Vorerhitzers (5) ist eine Leitung (27) angeschlossen, in der in der eingezeichneten Pfeilrichtung das noch flüssige Medium dem Verdampfer (4) zugeführt wird.
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Im Verdampfer wird das Arbeitsmedium unter Einwirkung der zugeführten Wärme aus einem vorgeschalteten Arbeitsprozess wie zum Beispiel einem BHKW verdampft und gelangt in die Dampfleitung (30), wo das verdampfte Arbeitsmedium dem Überhitzer (3) zugeführt wird.
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Im Überhitzer wird das zugeführte dampfförmige Medium weiter überhitzt und zwar unter Einwirkung der Wärmeleitung (31), die in den Überhitzer (3) hineinführt und dort zu einer weiteren Überhitzung des dort dampfförmig vorhandenen Arbeitsmediums führt.
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Am Ausgang des Überhitzers (3) ist eine Dampfdruckleitung (20) angeschlossen, welche in die Eingangsseite der Turbine (2) hineinführt. Die Turbine wird durch das sich entspannende Arbeitsmedium auf eine sehr hohe Drehzahl von zum Beispiel 25.000 Umdrehungen pro Minute angetrieben und führt zu einer Entspannung des eingeführten dampfförmigen Mediums. Die Antriebswelle der Turbine (2) treibt den Generator (33), der drehfest und vollhermetischdicht angeschlossen ist, zur Stromerzeugung an.
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Wichtig ist, dass am Ausgang der Turbine (2) eine erfindungsgemäße Abdampfleitung (13) angeordnet ist, wobei das nun entspannte Arbeitsmedium in Pfeilrichtung (16) dem Verflüssiger (9) zugeführt wird. Wichtig ist nun, dass diese Abdampfleitung (13) mit einem gewissen Gefälle zwischen der Turbine (2) und dem Verflüssiger (9) verlegt ist, wobei ein Gefälle (18) von zum Beispiel 0,5 Prozent bevorzugt wird. Dieses Gefälle kann jedoch in weiten Grenzen verändert werden, es ist nur wesentlich, dass ein Gefälle dergestalt vorhanden ist, dass das dort noch dampfförmige Arbeitsmedium ohne Rückstau gegen die Turbine von der Turbine abfließt, um so zu vermeiden, dass der Wirkungsgrad der Turbine (2) durch den möglicherweise entstehenden Rückstau beeinträchtigt wird.
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Auf diese Weise kann durch die im Gefälle verlegte Abdampfleitung (13) der Wirkungsgrad der Turbine (2) aufrechterhalten werden, ohne dass es zu einem Rückstau kommt.
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Das in der Abdampfleitung (13) gasförmige Medium wird über mehrere zueinander parallele Rohrleitungen (siehe 2) an die Eingangsseite einer Abdampfleitung (13, 13' – siehe 2) dem Verflüssiger (9) zugeführt.
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Wichtig hierbei ist, dass auch der Verflüssiger (9) selbst im Gefälle (18) verlegt ist, um einen ordnungsgemäßen Durchfluss und eine Ableitung des sich nun verflüssigenden Arbeitsmediums in Richtung auf die auslassseitig angeordnete Ablaufleitung (11) zu ermöglichen. Es handelt sich also um ein natürliches Gefälle, welches einen natürlichen Fluss des nun sich verflüssigenden Arbeitsmediums gestattet, wobei dem Verflüssiger (9) eine Mehrzahl von Ventilatoren (10) zugeordnet ist, welche die im Verflüssiger (9) entstehende Abwärme nach außen transportieren.
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Am Ausgang des Verflüssigers (9) sind die Ablaufleitungen (11) parallel zueinander angeordnet, um ein gleichmäßiges Ausströmen aus dem Verflüssiger (9) zu erreichen, wobei diese Ablaufleitung (11) in eine daran anschließende Ablaufleitung (12) einmündet.
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Wichtig hierbei ist wiederum, dass der Ausgang des Verflüssigers (9) mit der Ablaufleitung (12) wiederum um ein Gefälle (17) in Richtung zu dem sich daran anschließenden Flüssigkeitssammler (8) verlegt ist.
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Dieses Gefälle (19) ist beispielsweise etwa 2 Prozent. Es kann jedoch auch in weiten Grenzen verändert werden. Wichtig hierbei ist, dass das flüssige Medium im natürlichen Fluss dem Flüssigkeitssammler zugeführt wird, ohne dass ein unerwünschter Rückstau am Ausgang des Verflüssigers (9) entsteht.
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Daher handelt es sich bei den Leitungen (13), dem Verflüssiger (9) und bei der Ablaufleitung (12) um praktisch Y-förmig sich verzweigende Leitungen, die alle im Gefälle verlegt sind, um so durch diesen Zweig einen einwandfreien Fluss des Arbeitsmediums zu gewährleisten.
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Am Ausgang des Flüssigkeitssammlers (8) ist eine vertikale Leitung (32) angeordnet, die den Zulauf für die Pumpe (6) bildet.
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Im Bereich des Gehäuses (1) ist ferner noch eine Schaltanlage (7) angeordnet, wie sich dies aus den 1 und 2 ergibt.
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Aus dem Funktionsschaltbild der 2 gehen weitere Einzelheiten der Erfindung hervor.
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Es ist erkennbar, dass die Abdampfleitung (13) sich über die Rohrleitungen (14) in die parallel hierzu verlaufende Sammelleitung (15) verzweigt, sodass mit der Einspeisung des Mediums in den Verflüssiger (9) eine gleichmäßige Einspeisung über die gesamte Breite des Verflüssigers (9) gegeben ist.
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In 2 ist noch erkennbar, dass die auslassseitig des Überhitzers (3) angeordnete Druckleitung (20) sich in eine Entspannungsleitung (21) verzweigt, die aus Sicherheitsgründen vorhanden ist. Bei Stromausfall läuft das Medium bei geöffnetem Magnetventil (22) direkt in die Abdampfleitung (13) zum Verflüssiger (9).
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Ebenso ist im Bereich der Druckleitung (20) ein Magnetventil (23) angeordnet, das bei Stromausfall schließt und im Gegenzug das Magnetventil (22) öffnet. Dieses Magnetventil (23) dient zur Sicherung der Turbine, dass bei Wegfall des Stroms und bei Wegfall des Gegendrucks gegen die Turbine (2) diese nicht durchgeht.
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Es wird noch erwähnt, dass in Figur (1) die am Ausgang der Pumpe (6) angeordnete Leitung mit dem Bezugszeichen 29 versehen ist.
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Ferner ist in 2 erkennbar, dass die Abwärme eines beliebigen Wärmeprozesses, die nach der Erfindung zur Stromgewinnung genutzt wird, über die Wärmeversorgungsleitung (25) in die erfindungsgemäße Anlage eingespeist wird und die aus dem Kreisprozess entnommene Wärme über die Wärmeversorgungsleitung (26) die Anlage wieder verlässt.
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Die Leitung 28 ist eine Wärmeverbindungsleitung zwischen dem Überhitzer (3) und dem Verdampfer (4).
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Wichtig bei der vorliegenden Erfindung ist demzufolge, dass ein optimierter Kreisprozess dadurch gewährleistet ist, dass die auslassseitig der Turbine angeordnete Abdampfleitung mit einem Gefälle gegenüber dem Verflüssiger verlegt ist, das der Verflüssiger selbst ein Gefälle aufweist und dass am Ausgang des Verflüssigers wiederum die dort anschließende Leitung, die zum Flüssigkeitssammler führt, wiederum mit einem Gefälle verlegt ist, sodass alle genannten Leitungen einen rückflussfreien Flüssigkeits- bzw. Dampftransport gewährleisten, ohne dass es zu einem Rückstau der daran angeschlossenen Aggregate kommt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Turbine
- 3
- Überhitzer
- 4
- Verdampfer
- 5
- Vorerhitzer
- 6
- Pumpe
- 7
- Schaltanlage
- 8
- Flüssigkeitssammler
- 9
- Verflüssiger (Zulauf)
- 10
- Ventilator (Rücklauf)
- 11
- Ablaufleitung (Flüssigkeit)
- 12
- Ablaufleitung (Flüssigkeit)
- 13
- Abdampfleitung (13')
- 14
- Rohrleitung
- 15
- Sammelleitung
- 16
- Pfeilrichtung
- 17
- Pfeilrichtung
- 18
- Gefälle
- 19
- Gefälle
- 20
- Druckleitung
- 21
- Entspannungsleitung
- 22
- Magnetventil
- 23
- Magnetventil
- 24
- Rückschlagklappe
- 25
- Wärmeversorgungsleitung
- 26
- Wärmeversorgungsleitung
- 27
- Leitung (Flüssigkeit)
- 28
- Leitung
- 29
- Leitung (Flüssig)
- 30
- Dampfleitung
- 31
- Wärmeleitung
- 32
- Leitung
- 33
- Generator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005048795 B1 [0002, 0009]
- DE 102005048795 B3 [0025]
