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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Förderanlage für Öl oder Gas, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Anlage zum Erzeugen mechanischer Antriebsleistung oder elektrischer Energie, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 2.
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Öl- oder Gasförderanlagen der genannten Art werden beispielsweise als stationäre Anlagen der Ölindustrie zum Transport von Öl oder Gas in Transportnetzen, sogenannten Pipelines, eingesetzt. Sie weisen eine Antriebsmaschine auf, die eine Fördereinrichtung in Form einer Pumpe oder eines Verdichters antreibt. Mittels der Pumpe oder dem Verdichter wird das Öl oder das Gas in der jeweiligen Pipeline, in welcher die Fördereinrichtung positioniert ist, oder von einer Pipeline in eine andere Pipeline oder auch von einer Pipeline in einen Speicher oder umgekehrt gefördert.
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Besonders wenn als Antriebsmaschine eine Gasturbine verwendet wird, die gleich mit einem Teil des geförderten Gases betrieben werden kann, sehen Einzellösungen vor, die Abwärme der Gasturbine in einem Clausius-Rankine-Prozess, der mit einem Kältemittel, beispielsweise R245fa, betrieben wird, zu nutzen, um mechanische Energie zu erzeugen. Ferner sind Ansätze bekannt, die Abwärme des Kühlwassers eines Kühlkreislaufes nutzbringend in der Förderanlage oder einem zugehörigen Gebäude einzusetzen.
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Aufgrund der notwendigen Adaption solcher Lösungen an die Randbedingungen einzelner Förderanlagen konnte sich mangels Wirtschaftlichkeit die entsprechende Technik auf dem Markt nicht durchsetzen, obwohl hiermit Energieeinsparungen zum Vorteil der Umwelt erzielt werden konnten.
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US 2002/0053196 A1 beschreibt eine Gasförderanlage mit Abgaswärmenutzung, bei welcher eine Dampfturbine in einem Kalina-Kreislauf einen elektrischen Generator oder einen Gaskompressor antreibt. Durch die gezeigte Anordnung soll die Wirtschaftlichkeit der Anlage verbessert werden.
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Nachteilig an dem bekannten System ist, dass zum einen eine Störung an den Aggregaten der Abgaswärmenutzung zu einem Stillstand der gesamten Förderanlage führen kann, weshalb der Einsatz eines solchen Systems in der Praxis wenig Akzeptanz findet. So ist es beispielsweise möglich, dass eine zunächst kleinere Störung beispielsweise im Bereich des Dampferzeugers zu einer Überhitzung und einer nachhaltigen Schädigung der Dampfturbine führt, was wiederum eine lange Stillstandszeit der Gasförderanlage zum Austausch der Dampfturbine erfordert. Eine solche Stillstandszeit ist in der Praxis jedoch aufgrund des üblichen hohen Bedarfs von Öl oder Gas, der eine sichere Lieferung erfordert, und der hohen wirtschaftlichen Einbußen bei einem Stillstand der Anlage nicht akzeptabel.
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Dieselbe Problematik tritt bei Anlagen zum Erzeugen von mechanischer Antriebsleistung oder elektrischer Energie auf, in denen ein mit Erdgas, Biogas, Grubengas oder Deponiegas als Arbeitsmedium betriebener Verbrennungsmotor einen Abgasstrom erzeugt, dessen Abgaswärme in einem entsprechenden Dampfkreislauf genutzt wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Förderanlage für Öl oder Gas anzugeben, bei welcher einerseits der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Anlagen verbessert werden kann und andererseits längere Stillstandszeiten der Förderanlage sicher ausgeschlossen werden können. Ferner soll eine Anlage zur Erzeugung mechanischer Antriebsleistung oder elektrischer Energie mit diesen Vorteilen angegeben werden.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Förderanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Anlage zur Erzeugung mechanischer Antriebsleistung oder elektrischer Energie zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist in Anspruch 2 dargestellt. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Förderanlage für Öl oder Gas weist eine Antriebsmaschine auf, insbesondere einen Verbrennungsmotor oder Gasmotor, der als Kolbenmotor ausgeführt ist, wobei die Antriebsmaschine einen Abgasstrom erzeugt. Prinzipiell kommt als Antriebsmaschine jedoch auch eine Gasturbine in Betracht.
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Ferner ist eine von der Antriebsmaschine angetriebene Fördereinrichtung in Form einer Pumpe oder eines Verdichters vorgesehen, welche/welcher das Öl oder Gas fördert und/oder verdichtet.
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Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung in Form einer Anlage zur Erzeugung mechanischer Antriebsleistung oder elektrischer Energie weist eine Antriebsmaschine in Form eines Verbrennungsmotors, insbesondere Hubkolbenmotors, auf, die mit dem Verbrennungsmedium Erdgas, Biogas, Grubengas oder Deponiegas betrieben wird und einen Abgasstrom erzeugt. Ferner ist ein von der Antriebsmaschine angetriebener elektrischer Generator oder eine andere Arbeitsmaschine vorgesehen, der/die entsprechend in einer Triebverbindung mit der Antriebsmaschine steht.
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Die erfindungsgemäße Anlage umfasst eine Abgasenergierückgewinnungseinrichtung, die Wärme des Abgasstromes in mechanische Energie umwandelt, wobei die Abgasenergierückgewinnungseinrichtung einen Arbeitsmediumkreislauf mit dem Arbeitsmedium Wasser, Wassergemisch, Ethanol, Ethanolgemisch, Ammoniak oder Ammoniakgemisch aufweist, in dem ein Wärmetauscher zur Übertragung der Wärme des Abgasstromes auf das Arbeitsmedium, um dieses teilweise oder vollständig zu verdampfen, eine Expansionsmaschine, in welcher das Arbeitsmedium unter Verrichtung mechanischer Arbeit expandiert, und ein Kondensator zur Kondensation des Arbeitsmediums vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß ist der Expansionsmaschine im Arbeitsmediumkreislauf ein Schnellschlussventil vorgeordnet, mittels welchem der Strömungsweg für Arbeitsmedium zur Expansionsmaschine schlagartig beziehungsweise impulsartig absperrbar ist. Die Absperrung kann vorteilhaft beispielsweise innerhalb von unter 2 Sekunden, beginnend mit einem Absperrsignal, oder sogar in weniger als 1 Sekunde erfolgen.
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Durch das erfindungsgemäße Schnellschlussventil kann die Expansionsmaschine bereits bei kleineren Störungen oder insbesondere bei einem unzulässig hohen Druck im Arbeitsmediumkreislauf rasch abgeschaltet werden, indem der Strömungsquerschnitt für Arbeitsmedium zu der Expansionsmaschine mit dem Schnellschlussventil vollständig abgesperrt wird, sodass ein Schaden an der Expansionsmaschine und/oder an einer an die Expansionsmaschine mechanisch gekoppelten Maschine, zum Beispiel an einem elektrischen Generator, vermieden wird. Die Anlage kann nämlich auch ohne die Expansionsmaschine sicher betrieben werden, dann zwar ohne sinnvolle Abgasenergierückgewinnung, ist ein häufiges, auch im Einzelfall eigentlich unnötiges Abschalten der Expansionsmaschine immer noch günstiger im Vergleich zu einem Stillstand der gesamten Anlage, um die Expansionsmaschine, wenn diese einen größeren Schaden aufweist, zu reparieren oder auszutauschen.
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Eine vorteilhafte erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass dem Schnellschlussventil ein Regelventil im Arbeitsmediumkreislauf vor- oder nachgeordnet ist, mittels welchem der Strömungsweg für Arbeitsmedium zur Expansionsmaschine variabel, insbesondere stetig, einstellbar ist. Somit können die Funktion der Schnellabschaltung und die Funktion der Regelung der Leistung der Expansionsmaschine voneinander getrennt und durch zwei verschiedene Ventile ausgeführt werden.
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Besonders günstig ist es, wenn ein Bypass zur Expansionsmaschine vorgesehen ist, der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen vor der Expansionsmaschine abzweigt und hinter der Expansionsmaschine oder im Kondensator einmündet, sodass das Arbeitsmedium an der Expansionsmaschine vorbeigeleitet werden kann. Vorteilhaft ist mit dem Regelventil eine Aufteilung des Arbeitsmediumstromes zur Expansionsmaschine und durch den Bypass an der Expansionsmaschine vorbei einstellbar.
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Beispielsweise ist das Regelventil als Wegeschieberventil ausgeführt, insbesondere als 3/2-Wegeschieberventil, und in der Abzweigstelle des Bypasses vor der Expansionsmaschine positioniert.
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Eine Regelung des der Expansionsmaschine zugeführten Arbeitsmediumstromes und insbesondere damit auch des durch den Bypass an der Expansionsmaschine vorbei geführten Arbeitsmediumstromes kann nicht nur durch ein im Öffnungsquerschnitt stufenweise oder stetig veränderbares Regelventil, sondern auch durch eine getaktete Betätigung eines Auf-Zu-Regelventils erfolgen.
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Das Schnellschlussventil kann als Auf-Zu-Ventil ohne Zwischenstellungen ausgeführt sein, das heißt als ein Ventil, das lediglich in der Lage ist, den Strömungsquerschnitt für Arbeitsmedium entweder vollständig freizugeben oder vollständig abzusperren. Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen möglich.
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Günstig ist, wenn im Arbeitsmediumkreislauf ferner ein Druckablassventil vorgesehen ist und das Schnellschlussventil und das Druckablassventil über eine gemeinsame Steuerleitung insbesondere ausschließlich gleichzeitig ansteuerbar sind. Die Steuerleitung kann beispielsweise als Steuerluftleitung ausgeführt sein, wenn das Schnellschlussventil und das Druckablassventil mit einem Steuerluftdruck angesteuert werden.
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Das Schnellschlussventil kann gemäß einer Ausführungsform mit einem Steuersignal, insbesondere mit einem Steuerluftdruck, im Sinne eines Öffnens aktiv betätigbar sein. In diesem Fall ist das Schnellschlussventil als sogenanntes aktives Ventil ausgeführt. Gleiches gilt für das Druckablassventil. Mit einem solchen Druckablassventil ist es beispielsweise möglich, durch Schließen des Strömungsquerschnitts für das Arbeitsmedium zur Expansionsmaschine und gleichzeitiges Schließen des Strömungsquerschnitts für das Arbeitsmedium durch den Bypass ein gezieltes Abführen von Dampf in die Umgebung über das Druckablassventil zu bewirken.
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Günstig ist, wenn dem aktiven Druckablassventil ein passives Überdruckventil parallel geschaltet ist, das heißt ein Überdruckventil, das selbsttätig ohne aktive Ansteuerung durch ein Steuersignal oberhalb eines vorgegebenen Druckwertes im Arbeitsmediumkreisiauf öffnet. Beispielsweise kann das Überdruckventil durch eine Feder geschlossen gehalten werden, wobei die Federkraft oberhalb eines vorbestimmten Druckwertes im Arbeitsmediumkreislauf beziehungsweise an der Anschlussstelle des Überdruckventils überwunden wird.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass am Kondensator eine Kondensatabsaugpumpe angeschlossen ist, mittels welcher ein Unterdruck im Kondensator erzeugt werden. kann. Die Kondensatabsaugpumpe wird beispielsweise über einen Elektromotor angetrieben. Jedoch sind auch andere Antriebe, insbesondere über den Expander, möglich. Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Kondensatabsaugpumpe einen konstanten Unterdruck im Kondensator erzeugt.
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Vorteilhaft ist im Arbeitsmediumkreislauf ein Arbeitsmediumtank vorgesehen, auch Speisewasserbehälter genannt. Dieser Arbeitsmediumtank ist in der Regel dem Kondensator im Arbeitsmediumkreislauf nachgeordnet. Wenn nun eine Kondensatabsaugpumpe zur Förderung von Arbeitsmedium aus dem Kondensator in den Arbeitsmediumtank vorgesehen ist, so ist die Kondensatabsaugpumpe vorteilhaft im Arbeitsmediumkreislauf zwischen dem Kondensator und dem Arbeitsmediumtank positioniert.
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Die Expansionsmaschine ist insbesondere als Hubkolbenexpander ausgeführt und besonders bei einer Förderanlage für Öl kann die Antriebsmaschine als Dieselmotor der Kolbenbauart ausgeführt sein.
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Wenn die Antriebsmaschine als Verbrennungsmotor ausgeführt ist, weist dieser eine Kurbelwelle auf, die vorteilhaft mit der Expansionsmaschine in Triebverbindung steht oder in eine solche schaltbar ist. Eine Ausführungsform sieht eine permanente Triebverbindung vor.
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Besonders günstig ist jedoch die Expansionsmaschine über eine lösbare, insbesondere im Betrieb lösbare Kupplung an der Antriebsmaschine und/oder der Fördereinrichtung und/oder einer zusätzlichen Arbeitsmaschine angeschlossen, beispielsweise einem elektrischen Generator oder einer Kühleinrichtung, welche das von der Fördereinrichtung geförderte oder verdichtete Öl oder Gas kühlt, insbesondere nach dessen Verdichtung.
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Im Arbeitsmediumkreislauf kann eine Speisepumpe vorgesehen sein, mittels welcher das Arbeitsmedium im Arbeitsmediumkreislauf umgewälzt wird. Diese Speisepumpe kann durch eine eigene Antriebsmaschine oder durch die Expansionsmaschine angetrieben werden. Als eigene Antriebsmaschine kommt vorteilhaft ein Elektromotor in Betracht. Die Speisepumpe kann zusätzlich zu der Kondensatabsaugpumpe, insbesondere in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Arbeitsmediumtank, vorgesehen sein.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Förderanlage für Öl oder Gas;
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2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Anlage zum Erzeugen mechanischer Antriebsleistung oder elektrischer Energie.
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In der 1 ist eine Förderanlage für Öl oder Gas dargestellt, umfassend eine Antriebsmaschine 1, die einen Abgasstrom 2 erzeugt. Die Antriebsmaschine 1 treibt die Fördereinrichtung 3 an, welche Öl oder Gas fördert, siehe den Förderstrom 4.
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Im Abgasstrom 2 ist ein Wärmetauscher 5 mit Wärme aus dem Abgasstrom 2 beaufschlagt angeordnet. In dem Wärmetauscher 5 wird Arbeitsmedium eines Arbeitsmediumkreislaufes 6 teilweise oder vollständig verdampft.
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Zur Aufrechterhaltung einer Kreislaufströmung im Arbeitsmediumkreislauf 6 ist eine Speisepumpe 7 vorgesehen, die das Arbeitsmedium aus einem Arbeitsmediumtank 8, der stets einen bestimmten Vorrat von Arbeitsmedium aufnimmt, fördert. Das verdampfte Arbeitsmedium wird über das Regelventil 9 entweder in die Expansionsmaschine 10 oder über den Bypass 11 an dieser vorbeigefördert. In der strömungsleitenden Verbindung zwischen dem Regelventil 9 und der Expansionsmaschine 10 ist ein Schnellschlussventil 12 vorgesehen, mit dem eine Schnellabschaltung der Expansionsmaschine 10 möglich ist.
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Die Expansionsmaschine 10 treibt einen Generator 13 oder ein anderes Aggregat, insbesondere ebenfalls zur Öl- oder Gasförderung an (nicht dargestellt). Durch die gestrichelte Linie wird angedeutet, dass die Expansionsmaschine 10 mit der Antriebsmaschine 1 und/oder der Fördereinrichtung 3 in Triebverbindung steht, insbesondere über eine im Betrieb oder nur im Stillstand lösbare Trennkupplung 27. Eine solche Trennkupplung 27 kann, wie angedeutet, auch bei der Ausführungsform vorgesehen sein, in der die Expansionsmaschine 10 einen elektrischen Generator 13 antreibt.
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Das Arbeitsmedium aus dem Bypass 11 und/oder der Expansionsmaschine 10 wird einem Kondensator 14 im Arbeitsmediumkreislauf 6 zugeführt, in welchem das Arbeitsmedium teilweise oder vollständig kondensiert wird. Vorliegend ist dem Kondensator 14 ein Sekundärkreislauf 15 zugeordnet, um die Kondensationswärme abzuführen. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. So könnte der Kondensator 14 auch beispielsweise luftgekühlt ausgeführt sein.
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Im Sekundärkreislauf 15, der insbesondere mit einem flüssigen oder gasförmigen Fluid, beispielsweise einem Kältemittel oder Wasser, letzteres beispielsweise mit einem Frostschutzmittel versehen, betrieben wird, ist eine Sekundärkreislaufpumpe 16 vorgesehen. Die Sekundärkreislaufpumpe 16 wird beispielsweise über eine eigene Antriebsmaschine, hier als Elektromotor 17 dargestellt, angetrieben oder kann auch gemeinsam mit einem anderen Aggregat eine Antriebsmaschine aufweisen, insbesondere auch durch die Expansionsmaschine 10 angetrieben werden.
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Die im Kondensator 14 in den Sekundärkreislauf 15 eingeführte Wärme wird über die Außeneinheit 18, beispielsweise einem luftgekühlten Wärmetauscher, an die Umgebung abgeführt. Beispielsweise kann die Außeneinheit 18 das einzige Bauteil sein, das außerhalb eines Gebäudes oder Containers positioniert ist, wohingegen der Arbeitsmediumkreislauf im frostsicheren Bereich innerhalb eines Gebäudes oder Containers vorgesehen werden kann. Somit kann als Arbeitsmedium ein frostgefährdetes Arbeitsmedium verwendet werden, beispielsweise reines Wasser.
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Das kondensierte Arbeitsmedium wird aus dem Kondensator 14 mittels der Kondensatabsaugpumpe 19 in den Arbeitsmediumtank 8 gefördert, um einen Unterdruck, insbesondere konstanten Unterdruck, im Kondensator 14 sicherzustellen. Auch die Kondensatabsaugpumpe kann einen eigenen Antrieb, insbesondere in Form eines Elektromotors 20, aufweisen, oder durch einen anderen Antrieb, insbesondere die Expansionsmaschine 10, angetrieben werden.
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Vorliegend in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Wärmetauscher 5 und vor dem Regelventil 9, wobei andere Positionen jedoch möglich sind, sind ein aktives Druckablassventil 21 und ein passives Überdruckventil 22 am Arbeitsmediumkreislauf 6 angeschlossen. Das aktive Druckablassventil 21 öffnet, wenn es mit einem entsprechenden Steuersignal angesteuert wird. Das passive Überdruckventil 22 öffnet oberhalb eines fest eingestellten Druckwertes.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden das Schnellschlussventil 12, das Regelventil 9 und das Druckablassventil 21 mit einem gemeinsamen Steuerdruck, insbesondere Steuerluftdruck, aus einem Steuerdrucksystem 23 angesteuert. Hierfür kann eine gemeinsame Steuerleitung 24 vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Ansteuerung derart gestaltet sein, dass unterhalb eines vorgegebenen Steuerdruckes das Schnellschlussventil 12 geöffnet, das Druckablassventil 21 hingegen geschlossen bleibt und der Öffnungsquerschnitt des Regelventils 9 in Richtung zur Expansionsmaschine 10 und/oder den Bypass 11 in Abhängigkeit des Steuerdruckes variabel eingestellt wird, um den Arbeitsmediumstrom auf den Bypass 11 und die Expansionsmaschine 10 aufzuteilen. Auch ist eine Ausführung des Regelventils 9 in dem Sinne vorstellbar, dass dieses entweder sämtliches Arbeitsmedium durch den Bypass 11 oder in Richtung der Expansionsmaschine 10 leitet und keine Zwischenstellungen mit variabel verstellbarem Strömungsquerschnitt aufweist. Ferner ist eine variable Aufteilung durch getaktetes Ansteuern des Regelventils 9 denkbar.
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Selbstverständlich könnte die Ansteuerung des Schnellschlussventils 12, des Regelventils 9 und des Druckablassventils 21 jeweils getrennt erfolgen oder nur das Schnellschlussventil 12 und das Druckablassventil 21 könnten gemeinsam angesteuert werden, das Regelventil 9 getrennt hiervon. Andere Kombinationen sind vorstellbar.
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In der 2 sind weitegehend dieselben Komponenten wie in der 1 dargestellt und mit denselben Bezugszeichen versehen. Abweichend treibt bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Antriebsmaschine 1 in Form eines Verbrennungsmotors, der mit Erdgas, Biogas, Grubengas oder Deponiegas als Arbeitsmedium betrieben wird, einen elektrischen Generator oder eine andere Arbeitsmaschine 26 an. Wenn ein entsprechender elektrischer Generator 26 vorgesehen ist, so kann dieser zusätzlich zu dem elektrischen Generator 13 vorgesehen sein, wobei beide Generatoren, wie angedeutet, elektrischen Strom in ein Stromverbundnetz 25 einspeisen können. Alternativ könnten beide Maschinen – Expansionsmaschine 10 und Antriebsmaschine 1 – auch auf einen gemeinsamen elektrischen Generator wirken, wie dies erneut durch die gestrichelte Linie angedeutet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2002/0053196 A1 [0005]
