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Die Erfindung betrifft eine Turbine mit einem Leistungsüberträger nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Aus
DE 2019 353 ist eine hochtourige Gasturbine mit gasgelagerter Turbinenachse bekannt. Es ist eine Abströmöffnung in der Abdeckklappe eines das obere Turbinenlager umgebenden Gehäuseteils vorgesehen. Die bekannte Turbine findet ihren Einsatz als Antriebsorgan für übliche Zahnbohrer. Die genannte Gasturbine weist eine gasgelagerte Turbinenachse auf, deren Lager von einem Gasfilm getragen wird. Das Gas zur Versorgung der Gaslager stammt aus derselben Quelle, die auch das Gas zum Antreiben der Turbine selbst liefert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Turbine mit dem Leistungsüberträger mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 hat den Vorteil, dass ein verdampftes Arbeitsmedium zur Lagerung der Turbine eingesetzt wird, welches auch zum Antreiben der Turbine dient. Der Einsatz des verdampften Arbeitsmediums zur Versorgung der Gaslager ist vorteilhaft, da sichergestellt wird, dass kein unerwünschtes Medium (z.B. Öle, Fette) in den Arbeitskreis gelangt, dem die (Dampf-)Turbine zugeordnet ist. Es entfallen gesonderte Dichtungen, die ein Vermischen des verdampften Arbeitsmediums und des Mediums zur Versorgung der Lager verhindern würden. Beim Einsatz von Lagern mit Öl- oder Fettschmierung kann eine Verschmutzung des Arbeitsmediums selbst durch Dichtungen nicht ausgeschlossen werden, so dass in diesem Fall aufwendige Verfahren zur Reinigung des Arbeitsmediums vorgenommen werden müssen.
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Der Einsatz von herkömmlichen Schmierstoffen (z.B. Ölen, Fetten) zur Lagerung der gekoppelten Anordnung würde zu einer Verschmutzung des Arbeitsmediums führen. Auch der Einsatz von Luft als Arbeitsmedium zur Versorgung der Gaslager würde im nachgelagerten Arbeitskreis zu Problemen führen, da sich die Luft z.B. in einem nachgelagerten Kondensator anlagern kann und dadurch die Kondensatorleistung verringern würde.
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Vorteilhaft aufgrund ihrer Energieeffizienz ist eine Anordnung, bei der der Turbine ein Wärmetauscher vorgelagert ist, wobei der Wärmetauscher ein flüssiges Arbeitsmedium durch thermische Energie, welche aus einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine stammt, verdampft. Die thermische Energie aus dem Abgassystem dient so zur Bereitstellung eines Gases in Form eines verdampften Arbeitsmediums. Zur Herstellung des verdampften Arbeitsmediums wird Energie genutzt, die ansonsten ungenutzt verloren gehen würde und es muss keine gesonderte Energiequelle bereit gestellt werden, um ein verdampftes Arbeitsmedium zur Lagerung der gekoppelten Anordnung aus Turbine und Leistungsüberträger bereit zustellen.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Turbine, die mit einem Leistungsüberträger gekoppelt ist, ein Element eines geschlossenen Kreislaufes ist, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, da das Arbeitsmedium zur Versorgung der Lager aus dem geschlossenen Kreislauf entnommen werden kann und somit kein gesonderter Druckspeicher für das Arbeitsmedium mit Anschluss benötigt wird, der die Lager mit Arbeitsmedium versorgt. Dies bewirkt Einsparrungen im Bauraum und in den Kosten, da keine gesonderten Behälter und Anschlüsse für die Speicherung des Arbeitsmediums benötigt werden.
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Ein weitere Vorteil ergibt sich, wenn das mindestens eine Gaslager über einen Verbindungskanal, der zwischen dem Versorgungskanal und der Drossel angeordnet ist, mit verdampften Arbeitsmedium gespeist wird, da man den Verbindungskanal beliebig durch das Gehäuse der gekoppelten Anordnung führen kann.
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Ein vorteilhafte Position zur Anordnung des mindestens eine Gaslager befindet sich zwischen einem Deckring des Laufrades und einer Gehäusewand der Turbine, da durch das Gaslager Spaltverluste zwischen dem Gehäuse und dem Deckring reduziert werden können. Das verdampfte Arbeitsmedium, welches zur Versorgung des Gaslagers dient, baut einen Druckgradienten auf. Der Druckgradient wirkt dem verdampften Arbeitsmedium entgegen, welches nicht den vorgesehenen Weg durch die Beschaufelung des Laufrades nehmen will, sondern durch den Spalt zwischen Deckring und Gehäusewand entweichen will.
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Eine weitere vorteilhafte Position zur Anordnung des mindestens einen Gaslagers befindet sich zwischen dem Rotor und einer Gehäusewand des Leistungsüberträgers, da durch die zylindrische Form des Rotors eine leichte Auslegung der Gaslager möglich ist. Ein weiterer Vorteil, der sich durch die Lagerung des Rotors durch die Gaslager ergibt, ist die bessere Rotordynamik durch eine geringere Baulänge des Rotors. Im Gegensatz zu anderen Arten der Lagerung, bei denen eine große Baulänge des Rotors benötigt wird, reichen bei Gaslagern meist geringere Baulängen des Rotors zur sicheren Lagerung aus.
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Vorteilhaft ist ein Verbindungskanal, der einen Abschnitt aufweist, der durch einen Innenkanal des Rotors führt, da durch den Innenkanal eine gleichmäßigere Temperierung des Rotors bewirkt werden kann. Temperaturgradienten im Inneren des Rotors können vermieden werden, da das verdampfte Arbeitsmedium eine gleichmäßige Temperatur im Rotor unterstützt. Auch entlang der axialen Ausdehnung des Rotors wird eine gleichmäßigere Temperaturverteilung gewährleistet, so dass das Material des Rotors, der Welle und des Gehäuses geringeren thermischen Belastungen ausgesetzt ist.
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Ein besonderer Vorteil im Bezug auf die Kühlung ergibt sich, wenn das verdampfte Arbeitsmedium im Verbindungskanal durch mindestens einen Kühlkanal abgekühlt wird. Dabei wird das verdampfte Arbeitsmedium auf eine Temperatur abgekühlt, die geringer ist als die Temperatur des verdampften Arbeitsmediums im Versorgungskanal. Das abgekühlte und verdampfte Arbeitsmedium kann hohe Temperaturen, die in den Materialien herrschen, beim Durchströmen des Verbindungskanals und /oder Innenkanals und der Spalte der Gaslager reduzieren. Durch die Abkühlung wird eine Wärmeausdehnung der einzelnen Materialien vermieden. Des Weiteren kann die gekoppelte Anordnung aus Leistungsüberträger und Turbine genauer ausgelegt werden, da geringere Sicherheitsabstände der einzelnen Bauteile aufgrund der Wärmeausdehnung benötigt werden.
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Der Einsatz von Gaslagern ist besonders vorteilhaft, wenn der Leistungsüberträger als Generator oder magnetisches Getriebe ausgeführt wird, da hier eine besonders gute Abdichtung zur Umgebung realisiert werden kann.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Turbine mit Leistungsüberträger und
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2 eine schematische Darstellung eines geschlossenen Kreislaufes.
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In der 1 ist eine Turbine 11 mit einem Laufrad 22 und einem Leistungsüberträger 40 dargestellt. Das Laufrad 22 der Turbine 11 wird durch ein mit Druck beaufschlagtes und verdampftes Arbeitsmedium angetrieben. Das verdampfte Arbeitsmedium wird einer Beschaufelung 24 des Laufrades 22 der Turbine 11 über einen Versorgungskanal 28 zugeführt. Im Versorgungskanal 28 kann das verdampfte Arbeitsmedium bevor es auf das Laufrad 22 trifft durch eine Düse beschleunigt werden. Nach dem Durchströmen der Beschaufelung 24 des Laufrades 22 gelangt das entspannte Arbeitsmedium in einen Abströmkanal 29.
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Die Turbine 11 kann eine Radialturbine oder eine Axialturbine sein. In dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist eine Axialturbine mit geschlossenem Laufrad 22 dargestellt. Hierbei ist die Beschaufelung 24 der Turbine 11 mit einem Deckring 26 versehen. Der Deckring 26 verhindert ein Ausströmen von verdampftem Arbeitsmediums aus der Beschaufelung 24 in radialer Richtung. Das verdampfte Arbeitsmedium kann nur in axialer Richtung durch die Beschauflung 24 strömen und dabei das Laufrad 22 der Turbine 11 antreiben.
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Der Leistungsüberträger 40 weist einen Rotor 42 auf. Der Rotor 42 bildet mit dem Laufrad 22 der Turbine 11 eine gekoppelte Anordnung. Die gekoppelte Anordnung zwischen Rotor 42 und Laufrad 22 kann drehfest über eine Welle oder über eine Kupplung gebildet sein.
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Der Leistungsüberträger 40, wandelt die Bewegungsenergie der Turbine 11 in mechanische oder elektrische Energie um. Dazu kann der Rotor 42 Bestandteil eines Generators oder eines magnetischen Getriebes sein.
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Die gekoppelte Anordnung aus Laufrad 22 und Rotor 42 ist in einem Gehäuse 21 angeordnet, welches möglichst dicht verschlossen ist, damit kein verdampftes Arbeitsmedium über eine Gehäusewand 36, 46 entweichen kann. Es ist nur ein Zuströmen von verdampftem Arbeitsmedium über den Versorgungskanal 28 und ein Abströmen von verdampftem Arbeitsmedium über den Abströmkanal 29 möglich.
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Die gekoppelte Anordnung aus Laufrad 22 und Rotor 42 weist mindestens ein Gaslager 20 zur axialen und/oder radialen Lagerung der gekoppelten Anordnung aus Laufrad 22 und Rotor 42 auf. Das Gaslager 20 wird über mindestens eine Drossel 30 mit verdampftem Arbeitsmedium aus dem Versorgungskanal 28 gespeist.
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Die Drossel 30 kann als Düse, Blende oder poröser Einsatz ausgeführt sein. In der Darstellung in 1 ist die Drossel als Düse dargestellt.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine Gaslager 20 zur Lagerung der gekoppelte Anordnung aus Laufrad 22 und Rotor 42 zwischen dem Deckring 26 der Beschauflung 24 und einer Gehäusewand 36 der Turbine 11 angeordnet sein. Zwischen der Gehäusewand 36 und dem Deckring 26 befindet sich ein schmaler Spalt, welcher sich zur Lagerung eignet.
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Das mindestens eine Gaslager 20 zwischen der Gehäusewand 36 und dem Deckring 26 wird über einen Verbindungskanal 32, der vom Versorgungskanal 28 abzweigt und über mindestens eine Drossel 30 mit verdampftem Arbeitsmedium versorgt.
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Hierbei ist eine rein axiale Lagerung möglich, wenn das Gaslager 20 rein zylindrisch ausgelegt ist, also in axialer Richtung immer den gleichen Umfang (Radius) aufweist. Eine Kombination von axialer und radialer Lagerung kann durch einen variablen Umfang (Radius) des Gaslagers 20, z.B. einer kegelförmige Ausgestaltung des Gaslagers 20 realisiert werden. Dies kann durch eine entsprechend gestaltete Gehäusewand 36 und einen entsprechend gestalteten Deckring 26 realisiert werden.
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Durch die Zuströmung von verdampften Arbeitsmedium zum Gaslager 20 zwischen Gehäusewand 36 und Deckring 26 wird Druck aufgebaut, der höher ist als der Druck auf der Zuströmseite des Laufrades 22. Durch das Druckgefälle zwischen der Zuströmseite des Laufrades 22 und des Gaslager 20 zwischen Gehäusewand 36 und Deckring 26, wird die Leckage zwischen Gehäusewand 36 und Deckring 26 reduziert und der Massenstrom von verdampften Arbeitsmedium durch die Beschauffelung 24 des Laufrades 22 angehoben.
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Um eine gleichmäßige Lagerung entlang des gesamten Laufrades 22 zu erzielen, ist es vorteilhaft mehrere Drosseln 30 zur Versorgung des mindestens einen Gaslager 20 einzusetzen. Hierbei ist eine in radialer und axialer Richtung versetzte Anordnung der Drosseln 30 entlang des Spaltes zwischen Gehäusewand 36 und dem Deckring 26 vorzuziehen.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine Gaslager 20 zur Lagerung der gekoppelte Anordnung aus Laufrad 22 und Rotor 42 zwischen dem Rotor 42 und einer Gehäusewand 36, 46 des Leistungsüberträgers 40 angeordnet sein. Zwischen der Gehäusewand 36, 46 und dem Rotor 42 des Leitungsüberträgers 40 befindet sich ein schmaler Spalt, welcher sich zur Lagerung eignet.
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Das mindestens eine Gaslager 20 zwischen der Gehäusewand 36, 46 und dem Rotor 42 wird über einen Verbindungskanal 32, der vom Versorgungskanal 28 abzweigt und über mindestens eine Drossel 30 mit verdampftem Arbeitsmedium versorgt.
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Der Verbindungskanal 32 kann einen Abschnitt aufweisen, der durch einen Innenkanal 48 des Rotors 42 führt. Vom Innnenkanal 48 zweigt mindestens eine Drossel 30 ab, welche den Radialspalt 43 zwischen der Gehäusewand 36 und dem Rotor 42 mit verdampftem Arbeitsmedium versorgen. Die mindestens eine Drossel 30 versogt das mindestens eine Gaslager 20, welches zur radialen Lagerung des Rotors 42 bzw. zur Lagerung der gekoppelten Anordnung zwischen Rotor 42 und Laufrad 22 dient.
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Zur axialen Lagerung des Rotors 42 bzw. zur axialen Lagerung der gekoppelten Anordnung zwischen Rotor 42 und Laufrad 22 kann der Spalt zwischen der Gehäusewand 46 und einer Stirnseite des Rotors 42 genutzt werden. Dieser Spalt zwischen der Gehäusewand 46 und einer Stirnseite des Rotors 42 wird über den Verbindungskanal 32 und mindestens eine Drossel 30 mit verdampftem Arbeitsmedium aus dem Versorgungskanal 28 gespeist.
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Um eine gleichmäßige Lagerung entlang des gesamten Rotors 42 bzw. der gekoppelten Anordnung aus Laufrad 22 und Rotor 42 zu erzielen, ist es vorteilhaft mindestens ein Gaslager 20 zur axialen und mindestens ein Gaslager 20 zur radialen Lagerung des Rotors 42 vorzusehen. Hierbei können mehrere Drossel 30 zur Versorgung des mindestens einen radialen und/oder axialen Gaslagers 20 über die gesamte Oberfläche des Rotors 46 verteilt angeordnet werden. Hierbei ist eine versetzte Anordnung der Drosseln 30 in radialer und/oder axialer Richtung entlang des Spaltes zwischen Gehäusewand 36, 42 und der Oberfläche des Rotors 42 vorzuziehen.
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Zur Lagerung der gekoppelten Anordnung aus Laufrad 22 und Rotor 42 kann auch eine Kombination der in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel gezeigten Gaslager 20 gewählt werden.
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Neben der Lagerung kann das verdampfte Arbeitsmedium auch zur Kühlung oder gleichmäßigen Temperierung des Leistungsüberträgers 40 und des Deckringes 26 genutzt werden. Dazu wird das verdampfte Arbeitsmedium im Verbindungskanal 32 durch benachbarte Kühlkanäle 34 auf eine Temperatur abgekühlt, die niedriger als die Temperatur des verdampften Arbeitsmediums im Versorgungskanal 28 ist.
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Die Kühlkanäle 28 können entweder mit einem externen Kühlmittel z.B. aus dem Motorkühlkreis oder mit bereits expandierten und abgekühlten Arbeitsmedium, welches aus einer der Turbine 11 nachgeordneten Leitung stammt, versorgt werden.
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Das abgekühlte, verdampfte Arbeitsmedium kann thermische Energie sowohl im Spalt des Gaslagers 20, als auch im Innenkanal 48 und/oder Verbindungskanal 32 aufnehmen und somit zu einer geringeren Temperatur der Bauteile von Turbine 11 und Leistungsüberträger 40 beitragen.
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Es ist auch eine gekoppelte Anordnung der Turbine 11 mit einem mechanischen Getriebe möglich. Hierbei sitzt auf dem Rotor 42 des mechanischen Getriebes ein Zahnrad, welches Bewegungsenergie an mindestens ein weiteres Zahnrad überträgt. Hierbei können unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse gewählt werden. Die Verzahnung der beiden Zahnräder kann so gewählt werden, dass das verdampfte Arbeitsmedium durch die Zahnräder des mechanischen Getriebes angesaugt wird und zur Kühlung des mechanischen Getriebes dient.
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Die Turbine 11 mit dem Leistungsüberträger 40 kann in einem geschlossenen Kreislauf 10, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, angeordnet sein. Der geschlossene Kreislauf 10 ist in 2 gezeigt und soll einen Dampfkreisprozess schematisch dargestellten.
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Dieser Dampfkreisprozess dient zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine 12. Im geschlossenen Kreislauf 10 sind mindestens ein Wärmetauscher 18, die Turbine 11, ein Kondensator 14 und mindestens eine Pumpe 16 angeordnet.
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Die Brennkraftmaschine 12 kann insbesondere als luftverdichtende, selbstzündende oder gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine 12 ausgestaltet sein. Spezielle eignet sich die Vorrichtung zur Abwärmenutzung für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen.
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Die Brennkraftmaschine 12 verbrennt Brennstoff, um mechanische Energie zu erzeugen. Die hierbei entstehenden Abgase werden über eine Abgasanlage 13, in der ein Abgaskatalysator angeordnet sein kann, ausgestoßen. Ein Leitungsabschnitt der Abgasanlage 13 ist durch den Wärmetauscher 18 geführt. Wärmeenergie aus den Abgasen oder der Abgasrückführung wird im Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium im geschlossenen Kreislauf 10 abgegeben, so dass das Arbeitsmedium im Wärmetauscher 18 verdampft und überhitzt werden kann.
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Der Wärmetauscher 18 des geschlossenen Kreislaufs 10 ist über eine Leitung mit der Turbine 11 verbunden. Das verdampfte Arbeitsmedium treibt die Turbine 11 an.
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Nach dem Durchströmen der Turbine 11 wird das Arbeitsmedium über eine Leitung zum Kondensator 12 geführt. Das über die Turbine 11 entspannte Arbeitsmedium wird im Kondensator 14 abgekühlt. Der Kondensator 14 kann mit einem Kühlkreislauf verbunden sein. Bei diesem Kühlkreislauf kann es sich z. B. um einen Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 12 handeln.
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Das im Kondensator 14 verflüssigte Arbeitsmedium wird über weitere Leitungen, in denen mindestens eine Pumpe 16 angeordnet ist, zum Wärmetauscher 18 transportiert.
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Als Arbeitsmedium kann Wasser eingesetzt werden, oder eine andere Flüssigkeit, die den thermodynamischen Anforderungen entspricht. Das Arbeitsmedium erfährt beim Durchströmen des geschlossenen Kreislaufs 10 thermodynamische Zustandsänderungen, die idealer weise einem Organic-Rankine-Cycle-Prozess entsprechen. In der flüssigen Phase wird das Arbeitsmedium durch die Pumpe 16 auf das Druckniveau für die Verdampfung komprimiert. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases über den Wärmetauscher 18 an das Arbeitsmedium abgegeben. Dabei wird das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschießend überhitzt. Danach wird das verdampfte Arbeitsmedium in der Turbine 11 adiabat entspannt. Dabei wird mechanische oder elektrische Energie gewonnen. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird dann im Kondensator 14 abgekühlt und über die Pumpe 16 dem Wärmetauscher 18 zugeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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