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Die Erfindung betrifft ein System für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß Anspruch 1, eine Anordnung aus einer Brennkraftmaschine und einem solchen System gemäß Anspruch 11, ein Verfahren zum Schmieren einer Expansionseinrichtung in einem System für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß Anspruch 12, und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 15.
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Systeme für thermodynamische Kreisprozesse der hier angesprochenen Art sind bekannt. Ein solcher Kreisprozess ist beispielsweise der Clausius-Rankine-Kreisprozess, oder auch der organische Rankine-Kreisprozess als Abwandlung hiervon, der typischerweise mit einem organischen Arbeitsmedium bei tieferen Arbeitstemperaturen durchgeführt wird. Hierdurch eignet sich dieser Prozess in besonderer Weise zur Abwärmenutzung, beispielsweise von industrieller Abwärme oder von Abwärme einer Brennkraftmaschine, oder auch zu stationären Anwendungen, beispielsweise in einem Geothermiekraftwerk. Ein System für einen solchen Kreisprozess weist typischerweise einen technisch dichten, insbesondere hermetisch dichten Systemkreislauf für ein Arbeitsmedium auf, wobei das Arbeitsmedium in einem Verdampfer verdampft und in einer Expansionseinrichtung expandiert wird, wobei es mechanische Arbeit leistet. Die Expansionseinrichtung bedarf der Kühlung und/oder Schmierung durch ein Schmiermittel. Dieses wird typischerweise als Emulsion gemeinsam mit dem Arbeitsmedium in dem Systemkreislauf umgewälzt. Der Schmiermittelbedarf der Expansionseinrichtung ist abhängig von deren Betriebspunkt, insbesondere von einer Drehzahl derselben. Um stets in jedem Betriebspunkt eine ausreichende Schmierung der Expansionseinrichtung gewährleisten zu können, muss in dem Systemkreislauf eine größere Menge an Schmiermittel mitgeführt werden, als dies für die meisten Betriebspunkte nötig ist. Hierdurch wird insbesondere der Wirkungsgrad des Systems in Teillast herabgesetzt. Das Schmiermittel nimmt nämlich im Verdampfer Wärme auf, die jedoch nicht in der Expansionseinrichtung in mechanische Arbeit gewandelt werden kann, weil das Schmiermittel typischerweise entlang des gesamten Systemkreislaufs in flüssiger Phase vorliegt. In transienten Betriebszuständen des Systems verhindert die Wärmekapazität des Schmiermittels ein rasches Hochfahren der Systemleistung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zu schaffen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schmieren einer Expansionseinrichtung in einem solchen System zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dieses weist einen Verdampfer und eine – entlang eines Systemkreislaufs in Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen – stromabwärts des Verdampfers angeordnete Expansionseinrichtung auf. Zwischen dem Verdampfer und der Expansionseinrichtung ist eine Abtrenneinrichtung angeordnet, die ausgebildet ist zur Abtrennung flüssigen Schmiermittels von dampfförmigem Arbeitsmedium. Es ist ein Schmiermittelpfad von der Abtrenneinrichtung zu der Expansionseinrichtung derart vorgesehen, dass der Expansionseinrichtung in der Abtrenneinrichtung abgetrenntes Schmiermittel zur Schmierung zuführbar ist. In dem System wird ausgenutzt, dass stromabwärts des Verdampfers dampfförmige Anteile des Arbeitsmediums und flüssiges Schmiermittel phasengetrennt voneinander vorliegen. Es ist daher eine einfache Separation der verschiedenen Phasen möglich. Durch die Zuführung von dem abgetrennten Schmiermittel zu der Expansionseinrichtung ist es möglich, diese bedarfsgerecht und bevorzugt betriebspunktabhängig mit Schmiermittel zu versorgen. Der Schmiermittelpfad ist als Bypass oder Umgehungspfad ausgestaltet, durch den das abgetrennte Schmiermittel der Expansionseinrichtung separat von dem Systemkreislauf beziehungsweise unter Umgehung desselben zuführbar ist. Dadurch, dass der Expansionseinrichtung gezielt und bedarfsgerecht Schmiermittel zugeführt werden kann, ist es möglich, die entlang des Systemkreislaufs umlaufende Schmiermittelmenge zu reduzieren und damit den Wirkungsgrad des Systems insbesondere in Teillast sowie das Hochlaufverhalten in transienten Betriebszuständen zu erhöhen.
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Der Systemkreislauf ist vorzugsweise technisch dicht oder hermetisch dicht ausgebildet.
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Alternativ ist aber auch ein Ausführungsbeispiel möglich, bei dem der Kreislauf zu einer Umgebung des Systems hin offen ausgebildet ist. Insbesondere ist es möglich, dass in diesem Fall ein Ausgleichsbehälter für das Arbeitsmedium vorgesehen ist.
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Entlang des Systemkreislaufs sind vorzugsweise – in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen – der Verdampfer, die Abtrenneinrichtung, die Expansionseinrichtung, ein Kondensator zur Kühlung, insbesondere zur Kondensation des Arbeitsmediums, und eine Fördereinrichtung angeordnet, wobei die Fördereinrichtung eingerichtet ist zur Förderung des Arbeitsmediums entlang des Systemkreislaufs. Die Fördereinrichtung ist bevorzugt als Speisepumpe ausgebildet. Sie weist bevorzugt eine regelbare Förderleistung, besonders bevorzugt eine regelbare Drehzahl auf. Somit ist es möglich, durch Regelung der Förderleistung der Fördereinrichtung einen Massenstrom von Arbeitsmedium entlang des Systemkreislaufs zu steuern oder zu regeln.
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Aufgrund ihrer Anordnung zwischen dem Verdampfer und der Expansionseinrichtung kann die Abtrenneinrichtung besonders kompakt ausgebildet sein. Dies liegt daran, dass sie im Hochdruckbereich des Systems angeordnet ist, wo das Arbeitsmedium eine hohe Dichte aufweist, sodass eine Phasentrennung zwischen flüssigen und dampfförmigen Anteilen in einem vergleichsweise kleinen Volumen möglich ist. Die Anordnung der Abtrenneinrichtung an der hier vorgeschlagenen Stelle hat darüber hinaus den Vorteil, dass der Expansionseinrichtung warmes Schmiermittel zuführbar ist, welches zuvor in dem Verdampfer Wärme aufgenommen hat. Hierdurch wird eine Abkühlung des Arbeitsmediums in der Expansionseinrichtung durch das Schmiermittel vermieden, was wiederum den Wirkungsgrad des Systems verbessert.
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Vorzugsweise ist die Abtrenneinrichtung als Zyklonabscheider ausgebildet, wobei sie besonders bevorzugt Leitbleche aufweist, durch welche der Medienstrom in der Abtrenneinrichtung umlenkbar ist, sodass flüssige Anteile an den Leitblechen abprallen und auf diese Weise von dem dampfförmigen Medienstrom getrennt werden können. Ein Zyklonabscheider gewährleistet dabei eine effiziente Abtrennung flüssiger Bestandteile bei zugleich sehr geringem Druckverlust.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein Sammelbehälter für das abgetrennte Schmiermittel vorgesehen ist. Der Sammelbehälter kann in vorteilhafter Weise als Puffer oder Ausgleichsbehälter für das abgetrennte Schmiermittel dienen. In Betriebszuständen, in denen die Expansionseinrichtung weniger Schmiermittel benötigt, kann eine darüber hinaus abgetrennte Menge in dem Sammelbehälter gesammelt werden. In Betriebszuständen, in denen die Expansionseinrichtung mehr Schmiermittel benötigt, als gerade abgetrennt wird, kann diese zusätzlich benötigte Schmiermittelmenge aus dem Sammelbehälter entnommen werden. Der Sammelbehälter ist vorzugsweise in die Abtrenneinrichtung integriert. Alternativ ist es möglich, dass er separat von der Abtrenneinrichtung vorgesehen, allerdings mit dieser fluidverbunden ist. Bevorzugt ist der Sammelbehälter unmittelbar stromabwärts der Abtrenneinrichtung entlang des Schmiermittelpfads angeordnet, sodass das abgetrennte Schmiermittel direkt aus der Abtrenneinrichtung in den Sammelbehälter gelangt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des Systems ist in dem Schmiermittelpfad eine Schmiermittelzuführpumpe angeordnet, die eingerichtet ist, das Schmiermittel entlang des Schmiermittelpfads von dem Sammelbehälter zu der Expansionseinrichtung zu fördern. Auf diese Weise ist eine gezielte, bedarfsgerechte und insbesondere betriebspunktabhängige Zuführung von Schmiermittel zu der Expansionseinrichtung möglich. Besonders bevorzugt weist die Schmiermittelzuführpumpe eine variable Förderleistung, insbesondere eine variable Drehzahl auf. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Systems ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist zur Ansteuerung der Schmiermittelzuführpumpe in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Expansionseinrichtung, insbesondere abhängig von einer Drehzahl derselben. Auf diese Weise ist der Expansionseinrichtung bedarfsgerecht und betriebspunktabhängig Schmiermittel zuführbar.
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Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt eine Drossel in dem Schmiermittelpfad angeordnet. Dabei ist es möglich, dass die Drossel einen variablen Durchtrittsquerschnitt aufweist. Eine Steuereinrichtung des Systems ist in diesem Fall vorzugsweise eingerichtet zur Ansteuerung der Drossel in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Expansionseinrichtung, insbesondere einer Drehzahl derselben. Dabei ist eine Steuerung oder Regelung der variablen Drossel möglich. Auch auf diese Weise ist der Expansionseinrichtung bedarfsgerecht und/oder betriebspunktabhängig Schmiermittel zuführbar. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Drossel als Ventil ausgebildet. Alternativ ist es möglich, dass die Drossel als feste Blende ausgebildet ist, die einen konstanten Durchtrittsquerschnitt aufweist. Es ist so auf sehr einfache Weise möglich, den Schmiermittelstrom zu der Expansionseinrichtung zu drosseln.
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Vorzugsweise ist entlang des Schmiermittelpfads eine Durchflussmesseinrichtung angeordnet, mit welcher ein Durchfluss von Schmiermittel entlang des Schmiermittelpfads zu der Expansionseinrichtung messbar ist. Eine Steuereinrichtung des Systems ist vorzugsweise mit der Durchflussmesseinrichtung wirkverbunden, um die Schmiermittelzufuhr zu der Expansionseinrichtung insbesondere bedarfs- oder betriebspunktabhängig, beispielsweise durch Ansteuerung einer Schmiermittelzuführpumpe mit variabler Förderleistung oder einer variablen Drossel zu regeln.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, bei welchem der Schmiermittelpfad frei von einer Fördereinrichtung ist. Insbesondere ist in diesem Fall in dem Schmiermittelpfad keine Schmiermittelzuführpumpe vorgesehen. Dies ist möglich, da das abgetrennte Schmiermittel auf der Hochdruckseite des Systems entnommen wird, wobei der Druck an dem Ort der Abtrenneinrichtung typischerweise zumindest geringfügig höher ist als an den Schmierstellen der Expansionseinrichtung. Es besteht daher eine Tendenz des Schmiermittels, entlang des Druckgradienten von dem Sammelbehälter über den Schmiermittelpfad zu der Expansionseinrichtung zu strömen. Auf eine Pumpe kann so verzichtet werden, was das System einfacher und kostengünstiger gestaltet. Es ist möglich, dass entlang des Schmiermittelpfads in diesem Fall eine variable oder eine feste Drossel vorgesehen ist.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, bei welchem der Schmiermittelpfad frei von einer Drossel ist. Es ist in diesem Fall weder eine variable noch eine feste Drossel vorgesehen. Das System ist hierdurch vergleichsweise einfach und kostengünstig ausgebildet. Der Schmiermittelpfad selbst kann insbesondere am Ort seines kleinsten Durchtrittsquerschnitts eine Drosseleigenschaft aufweisen.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, bei welchem der Schmiermittelpfad sowohl frei von einer Fördereinrichtung als auch frei von einer Drossel ist. Das System ist dann ganz besonders einfach und kostengünstig aufgebaut.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass eine Umgehungsleitung für Schmiermittel vorgesehen ist, die aus dem Schmiermittelpfad stromaufwärts der Expansionseinrichtung abzweigt und stromabwärts der Expansionseinrichtung in den Systemkreislauf mündet. Diese Schmiermittelumgehungsleitung kann genutzt werden, um den Sammelbehälter zumindest teilweise in den Systemkreislauf zu entleeren, wenn sein Füllstand zu stark ansteigt. Um dies zu überwachen, weist der Sammelbehälter vorzugsweise einen Füllstandssensor auf. In der Schmiermittelumgehungsleitung ist vorzugsweise eine Ventileinrichtung angeordnet, durch welche die Umgehungsleitung sperr- und freigebbar ist. Es kann so bedarfsgerecht Schmiermittel aus dem Sammelbehälter in den Systemkreislauf abgelassen werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Schmiermittelumgehungsleitung stromaufwärts des Verdampfers in den Systemkreislauf mündet. Dies ist vorteilhaft, weil das Arbeitsmedium stromaufwärts des Verdampfers durch das zugeführte, warme Schmiermittel vorgewärmt wird. In diesem Zusammenhang wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, welches in der Schmiermittelumgehungsleitung einen Wärmetauscher aufweist, in welchem Wärme von dem Schmiermittel an das zum Verdampfer strömende Arbeitsmedium abgebbar ist. Besonders bevorzugt ist der Wärmetauscher eingerichtet, um Arbeitsmedium und Schmiermittel im Gegenstrom zu führen. Besonders bevorzugt mündet die Schmiermittelumgehungsleitung stromabwärts der Fördereinrichtung und stromaufwärts des Verdampfers in den Systemkreislauf. Abhängig von den konkret vorliegenden Druckverhältnissen ist es möglich, dass in diesem Fall eine Pumpe zur Förderung des Schmiermittels entlang der Schmiermittelumgehungsleitung vorgesehen ist. Alternativ ist es auch möglich, dass die Schmiermittelumgehungsleitung stromabwärts eines Kondensators und stromaufwärts der Fördereinrichtung in den Systemkreislauf mündet.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, bei welchem die Schmiermittelumgehungsleitung stromaufwärts des Kondensators in den Systemkreislauf mündet. Diese Lösung ist konstruktiv einfach und kostengünstig, weil es jedenfalls keiner Pumpe zur Förderung des Schmiermittels entlang der Schmiermittelumgehungsleitung bedarf. Das Druckniveau stromabwärts der Expansionseinrichtung und stromaufwärts des Kondensators ist nämlich jedenfalls geringer als das Druckniveau im Bereich der Abtrenneinrichtung und damit auch des Sammelbehälters, sodass Schmiermittel ohne weiteres von selbst entlang des Druckgradienten durch die Schmiermittelumgehungsleitung strömen kann.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass eine Umgehungsleitung für flüssiges Arbeitsmedium vorgesehen ist, die stromabwärts der Abtrenneinrichtung aus dem Schmiermittelpfad abzweigt und in den Systemkreislauf mündet. Vorzugsweise zweigt die Arbeitsmedienumgehungsleitung unmittelbar stromabwärts der Abtrenneinrichtung, besonders bevorzugt stromaufwärts des Sammelbehälters, aus dem Schmiermittelpfad ab. Vorzugsweise mündet die Arbeitsmedienumgehungsleitung stromaufwärts der Expansionseinrichtung in den Systemkreislauf. Entlang der Arbeitsmedienumgehungsleitung ist bevorzugt ein Ventil vorgesehen, durch welches die Arbeitsmedienumgehungsleitung in einer ersten Funktionsstellung sperrbar und in einer zweiten Funktionsstellung freigebbar ist. Zugleich ist das Ventil bevorzugt so ausgebildet, dass der Schmiermittelpfad zu der Expansionseinrichtung gesperrt ist, wenn die Arbeitsmedienumgehungsleitung freigegeben ist. Insoweit ist das Ventil bevorzugt als Drei-Wege-Ventil ausgebildet, bei welchem sich der Schmiermittelpfad von einem ersten Anschluss zu einem zweiten Anschluss erstreckt, wobei die Arbeitsmedienumgehungsleitung in einen dritten Anschluss mündet. Die Arbeitsmedienumgehungsleitung ist insbesondere vorgesehen für einen Anfahr- oder Abfahrbetrieb des Systems, in welchem aufgrund des noch nicht oder nicht mehr auf Arbeitstemperatur erwärmten Verdampfers ein vergleichsweise hoher Anteil an flüssigem Arbeitsmedium stromabwärts des Verdampfers in dem Systemkreislauf vorliegt. In diesen Betriebszuständen besteht die Gefahr, dass ein hoher Anteil flüssigen Arbeitsmediums in den Sammelbehälter gelangt und das Schmiermittel kontaminiert, wobei es insbesondere dessen Schmiereigenschaften herabsetzt. Um dies zu vermeiden, wird der Schmiermittelpfad mithilfe des Ventils in solchen Betriebszuständen gesperrt, und die Arbeitsmedienumgehungsleitung freigegeben, sodass das flüssige Arbeitsmedium – gemeinsam mit dem Schmiermittel – entlang des Systemkreislaufs gefördert wird und nicht in den Sammelbehälter gelangt. Nur wenn ein ausreichendes Temperaturniveau in dem Verdampfer erreicht ist und eine hinreichende Schmiermittelqualität in dem Sammelbehälter sichergestellt werden kann, wird die Arbeitsmedienumgehungsleitung geschlossen und dafür der Schmiermittelpfad freigegeben. Dabei zeigt sich, dass in den hier angesprochenen Betriebszuständen, also insbesondere beim Anfahren und beim Herunterfahren des Systems, auch die Expansionseinrichtung bevorzugt zumindest entlastet, vorzugsweise außer Betrieb genommen wird, indem ein Sperrventil stromaufwärts der Expansionseinrichtung geschlossen und eine Bypassleitung des Systemkreislaufs zur Umgehung der Expansionseinrichtung geöffnet wird. Es bedarf in diesem Fall auch keiner Schmierung der Expansionseinrichtung, sodass es für diese nicht nachteilig ist, wenn der Schmiermittelpfad gesperrt ist.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass entlang des Schmiermittelpfads eine Aufteilung auf mindestens zwei Schmiermittelfluten vorgesehen ist, wobei die Schmiermittelfluten in die Expansionseinrichtung münden. Auf diese Weise ist es möglich, gezielt verschiedene Schmierstellen im Bereich der Expansionseinrichtung mit Schmiermittel zu versorgen. In den einzelnen Schmiermittelfluten sind bevorzugt Regelorgane angeordnet, durch welche ein Schmiermittelstrom auf die verschiedenen Schmierstellen aufteilbar ist. Dabei ist es möglich, dass die Regelorgane als variable Drosseln oder als Ventile mit variablem Durchtrittsquerschnitt ausgebildet sind. Es ist dann möglich, die Aufteilung auf die verschiedenen Schmierstellen bedarfsgerecht zu steuern. Sind zusätzlich Durchflussmesseinrichtungen in den einzelnen Schmiermittelfluten angeordnet, ist es möglich, die Schmiermittelzufuhr zu den einzelnen Schmierstellen zu regeln. Alternativ ist es möglich, dass die Regelorgane als feste Blenden ausgebildet sind, wodurch die Aufteilung des Schmiermittelstroms auf die einzelnen Schmiermittelfluten fest vorgegeben ist.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass durch eine der Schmiermittelfluten dem Arbeitsraum der Expansionseinrichtung Schmiermittel zuführbar ist. Dabei ist es möglich, dass eine der Schmiermittelfluten direkt in den Arbeitsraum der Expansionseinrichtung mündet. Das Schmiermittel steht dann dort insbesondere zu einer Spaltabdichtung zwischen beweglichen Elementen der Expansionseinrichtung und einem Gehäuse derselben, sowie gegebenenfalls zur Schmierung von Kontaktflächen von Förderelementen zur Verfügung. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass eine indirekte Zuführung von Schmiermittel zu dem Arbeitsraum vorgesehen ist. In diesem Fall ist bevorzugt eine Verbindungsbohrung zwischen einer Schmierstelle, beispielsweise einem Lager der Expansionseinrichtung, und dem Arbeitsraum vorgesehen, sodass Schmiermittel, welches durch eine Schmiermittelflut der Schmierstelle zugeführt wird, über die Bohrung in den Arbeitsraum gelangen kann.
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Wichtig ist, dass Schmiermittel dem Arbeitsraum der Expansionseinrichtung entlang des Schmiermittelpfads unter Umgehung des Systemkreislaufs zugeführt wird. Der Arbeitsraum der Expansionseinrichtung wird also nicht oder zumindest nicht im wesentlichen Umfang durch noch von dem dampfförmigen Arbeitsmedium mitgerissenes Schmiermittel geschmiert, welches ihm entlang des Systemkreislaufs zugeführt wird, sondern vielmehr durch das entlang des Schmiermittelpfads separat zugeführte Schmiermittel.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Systems sind zwei Schmiermittelfluten, insbesondere genau zwei Schmiermittelfluten vorgesehen, wobei eine erste Schmiermittelflut in wenigstens eine Schmierstelle mündet, wobei sie insbesondere mit wenigstens einem Lager der Expansionseinrichtung fluidverbunden ist, wobei eine zweite Schmiermittelflut direkt in den Arbeitsraum der Expansionseinrichtung mündet.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass eine erste Schmiermittelflut einem Hochdruckbereich der Expansionseinrichtung zugeordnet ist, wobei eine zweite Schmiermittelflut einem Niederdruckbereich der Expansionseinrichtung zugeordnet ist. In der Expansionseinrichtung wird das Arbeitsmedium entspannt, wobei es mechanische Arbeit leistet. Die Expansionseinrichtung weist daher anströmseitig einen Hochdruckbereich und abströmseitig einen Niederdruckbereich auf. Es ist daher sinnvoll, die Zuführung von Schmiermittel einerseits auf den Hochdruckbereich und andererseits auf den Niederdruckbereich aufzuteilen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass zwei Schmiermittelfluten, insbesondere genau zwei Schmiermittelfluten, vorgesehen sind, wobei eine erste Schmiermittelflut mit wenigstens einer Schmierstelle, insbesondere einem Lager, in dem Hochdruckbereich der Expansionseinrichtung verbunden ist, wobei eine zweite Schmiermittelflut mit wenigstens einer Schmierstelle, insbesondere wenigstens einem Lager, in dem Niederdruckbereich der Expansionseinrichtung fluidverbunden ist. Der Arbeitsraum der Expansionseinrichtung wird bei diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt über eine interne Bohrung der Expansionseinrichtung mit Schmiermittel versorgt, welche zumindest eine der Schmierstellen mit dem Arbeitsraum verbindet. Besonders bevorzugt ist eine solche Bohrung von einer im Hochdruckbereich der Expansionseinrichtung vorgesehenen Schmierstelle, insbesondere von einem Lager im Hochdruckbereich, zu dem Arbeitsraum vorgesehen.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, bei dem drei Schmiermittelfluten, insbesondere genau drei Schmiermittelfluten, vorgesehen sind, wobei eine erste Schmiermittelflut dem Hochdruckbereich der Expansionseinrichtung zugeordnet ist, wobei eine zweite Schmiermittelflut dem Niederdruckbereich der Expansionseinrichtung zugeordnet ist, und wobei eine dritte Schmiermittelflut einem Gleitring der Expansionseinrichtung zugeordnet ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Arbeitsraum der Expansionseinrichtung vorzugsweise durch eine interne Bohrung mit Schmiermittel versorgt, insbesondere von einer Schmierstelle im Hochdruckbereich her. Ein mit der Expansionseinrichtung wirkverbundenes, insbesondere an dieses angeflanschtes Getriebe wird vorzugsweise über eine Schmiermittelflut mit Schmiermittel versorgt, welche dem Niederdruckbereich der Expansionseinrichtung zugeordnet ist. Dies gilt auch unabhängig davon, ob zwei oder drei Schmiermittelfluten oder eine hiervon abweichende Anzahl an Schmiermittelfluten vorgesehen sind.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass entlang des Schmiermittelpfads eine Kühleinrichtung angeordnet ist, die ausgebildet ist zur Kühlung des Schmiermittels. Dabei ist es möglich, dass das gesamte entlang des Schmiermittelpfads strömende Schmiermittel gekühlt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass zumindest entlang einer Schmiermittelflut eine Kühleinrichtung angeordnet ist. Dabei ist besonders bevorzugt nur entlang einer Schmiermittelflut eine Kühleinrichtung angeordnet, welche mit einer nicht unmittelbar mit dem Arbeitsraum in Fluidverbindung stehenden Schmierstelle, insbesondere einem Lager der Expansionseinrichtung, verbunden ist. Es ist auf diese Weise zum einen möglich, diese Schmierstelle mithilfe des Schmiermittels zu kühlen, zum anderen wird dem Arbeitsraum bevorzugt über eine weitere Schmiermittelflut ungekühltes Schmiermittel zugeführt, wodurch der Wirkungsgrad des Systems höher ausfallen kann, weil das Arbeitsmedium nicht in der Expansionseinrichtung durch gekühltes Schmiermittel gekühlt wird. Bei einer Aufteilung der Schmiermittelfluten auf den Hochdruckbereich der Expansionseinrichtung einerseits und dem Niederdruckbereich andererseits ist die Kühleinrichtung vorzugsweise entweder stromaufwärts der Aufteilung auf die Schmiermittelfluten vorgesehen, oder es ist in allen Schmiermittelfluten eine Kühleinrichtung vorgesehen. In diesem Fall wird das Schmiermittel allerdings in der Expansionseinrichtung im Bereich der Schmierstellen wieder erwärmt, bevor es über die interne Bohrung in den Arbeitsraum eintritt. Daher wird hier dem Arbeitsmedium höchstens ein geringer Teil an Wärme durch das Schmiermittel entzogen.
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Es ist auch ein Ausführungsbeispiel des Systems möglich, bei welchem eine erste Kühleinrichtung stromaufwärts einer Aufteilung auf die Schmiermittelfluten, besonders bevorzugt unmittelbar stromabwärts des Sammelbehälters, vorgesehen ist. Mit deren Hilfe ist es möglich, das Schmiermittel im Bereich des Sammelbehälters so zu kühlen, dass eine stabile und genaue Füllstandsmessung in dem Sammelbehälter möglich ist. Hierzu genügt es, wenn die erste Kühleinrichtung eine geringere Kühlleistung aufweist. Es ist vorzugsweise eine zweite Kühleinrichtung zur Kühlung des entlang des Schmiermittelpfads zu Schmierstellen der Expansionseinrichtung geführten Schmiermittels vorgesehen, welche eine höhere Kühlleistung aufweist. Durch diese Aufteilung der Kühleinrichtungen ist es möglich, die zweite Kühleinrichtung lediglich entlang einer Schmiermittelflut vorzusehen, welche nicht unmittelbar mit dem Arbeitsraum der Expansionseinrichtung in Fluidverbindung ist, wobei zugleich durch die erste Kühleinrichtung mit geringerer Kühlleistung eine stabile und genaue Füllstandsmessung in dem Sammelbehälter möglich ist.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, dass sich durch einen Schmiermittel-Rücklaufpfad auszeichnet, der eingerichtet ist zur Rückführung von Schmiermittel von der Expansionseinrichtung in den Sammelbehälter. Dies hat den Vorteil, dass das zur Schmierung der Expansionseinrichtung verwendete Schmiermittel nicht vollständig entlang des Systemkreislaufs zu der Abtrenneinrichtung zurückgeführt wird, sondern dass es jedenfalls in erheblichem Umfang entlang des Schmiermittel-Rücklaufpfads direkt in den Sammelbehälter zurückgelangt. Dadurch kann die an dem Systemkreislauf teilnehmende beziehungsweise in diesem umlaufende Schmiermittelmenge deutlich reduziert werden, was den Wirkungsgrad des Systems insbesondere in Teillast und dessen Verhalten in transienten Betriebszuständen deutlich verbessert. Der Schmiermittel-Rücklaufpfad ist dabei vorzugsweise unmittelbar in Fluidverbindung mit den Schmierstellen der Expansionseinrichtung, sodass das dort zur Schmierung eingesetzte Schmiermittel direkt in den Sammelbehälter zurückgelangen kann.
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Vorzugsweise ist entlang des Schmiermittel-Rücklaufpfads eine Schmiermittelrückführpumpe vorgesehen, durch welche das Schmiermittel von der Expansionseinrichtung in den Sammelbehälter förderbar ist.
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Der Schmiermittel-Rücklaufpfad ist vorzugsweise so ausgebildet, dass durch diesen mindestens ein Viertel, vorzugsweise mindestens die Hälfte, besonders bevorzugt mindestens zwei Drittel einer der Expansionseinrichtung zugeführten Schmiermittelmenge direkt unter Umgehung des Systemkreislaufs in den Sammelbehälter zurückführbar ist. Hierdurch ist eine deutliche Wirkungsgradsteigerung und Verbesserung des Transientverhaltens des Systems möglich.
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Bevorzugt weist das Sytem einen Ausgleichsbehälter für das Arbeitsmedium stromabwärts des Kondensators und stromaufwärts der Fördereinrichtung auf. Hierdurch kann ein Druck vor der Fördereinrichtung konstant gehalten werden. Insbesondere sinkt dann der Druck vor der Fördereinrichtung nicht mit einer zunehmenden Unterkühlung des Arbeitsmediums im Kondensator, so dass ein Sicherheitsabstand zu einer möglichen Kavitation in der Fördereinrichtung vergrößert wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Ausgleichsbehälter geodätisch oberhalb einer Saugseite der Fördereinrichtung angeordnet, wodurch der Arbeitsmitteldruck noch durch die statische Höhe vergrößert wird. Mithilfe des Ausgleichsbehälters reguliert sich die umlaufende Füllmenge an Arbeitsmedium von selbst und passt sich den Betriebsbedingungen an. Bei einer kleineren Leckage ist es möglich, den Betrieb durch Nachfüllen von Arbeitsmedium aufrechtzuerhalten, ohne das System herunterfahren zu müssen. Insgesamt ist durch den Ausgleichsbehälter ein stabilerer Betrieb des Systems möglich.
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Der Ausgleichsbehälter weist vorzugsweise ein Überdruckventil auf, um Fluktuationen eines flüchtigen Arbeitsmediums, insbesondere einen Verlust oder Schwund durch Verdampfung, zu verhindern.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das System eingerichtet ist zur Durchführung eines organischen Rankine-Kreisprozesses (ORC-Prozess). Besonders bevorzugt ist das System eingerichtet zur Nutzung von Abwärme, insbesondere von industrieller Abwärme, ganz besonders zur Nutzung von Abwärme einer Brennkraftmaschine. Dabei ist es möglich, dass das System eingerichtet ist zur stationären Anwendung, oder zur mobilen Anwendung, insbesondere in einem mittels einer Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs, wobei durch das System Abwärme der Brennkraftmaschine nutzbar ist.
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Das System ist bevorzugt eingerichtet zur Verwendung von Ethanol als Arbeitsmedium. Alternativ ist auch eine Nutzung eines Ethanol/Wasser-Gemischs oder eines organischen Arbeitsmediums möglich, welches von Ethanol verschieden ist, beispielsweise eines Fluorkohlenwasserstoffs, oder eines Fluorchlorkohlenwasserstoffs. Das System ist weiterhin bevorzugt eingerichtet zur Verwendung eines synthetischen Esters als Schmiermittel.
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Die Expansionseinrichtung des Systems ist vorzugsweise als Strömungsmaschine, insbesondere als Turbine ausgebildet. Alternativ ist die Expansionseinrichtung bevorzugt als Verdrängermaschine oder als volumetrisch arbeitende Expansionseinrichtung, insbesondere als Hubkolbenmaschine, Scroll-Expander, Flügelzellenmaschine, oder Roots-Expander ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Expansionseinrichtung allerdings als Schraubenexpander ausgebildet, insbesondere als unsynchronisierter Schraubenexpander. Alternativ ist es auch möglich, dass die Expansionseinrichtung als synchronisierter oder fliegend gelagerter Schraubenexpander ausgebildet ist. Es hat sich herausgestellt, dass ein Schraubenexpander gerade in Zusammenhang mit einem ORC-Prozess besonders vorteilhaft einsetzbar ist. Dies gilt ganz besonders dann, wenn der ORC-Prozess im Nassdampfgebiet durchgeführt wird. Insbesondere einem unsynchronisierten Schraubenexpander wird bevorzugt Schmiermittel zur Spaltabdichtung zwischen den Schrauben und dem Gehäuse, sowie zur Schmierung der Schraubenkontaktflächen zugeführt, wobei hierfür das dem Arbeitsraum zugeführte Schmiermittel vorgesehen ist. Zusätzlich werden auch die Lagerstellen des Schraubenexpanders mit Schmiermittel versorgt. Dabei hängt der Schmiermittelbedarf des Schraubenexpanders von einem Betriebspunkt im Expanderkennfeld ab, insbesondere von einer Drehzahl des Schraubenexpanders, und/oder von einer Leistung des Schraubenexpanders, oder von einer Temperatur im Bereich des Expanders, insbesondere von einer Temperatur des Arbeitsmediums am Expandereintritt.
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Die Expansionseinrichtung ist bevorzugt mit einem Generator wirkverbunden, wobei durch den Generator in der Expansionseinrichtung gewandelte mechanische Arbeit in elektrische Energie wandelbar ist. Diese kann zur Unterstützung einer Brennkraftmaschine verwendet – insbesondere in hybridisierten Antriebssträngen- und/oder einem externen Stromnetz, insbesondere einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, zugeführt werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Anordnung aus einer Brennkraftmaschine und einem System mit den Merkmalen des Anspruchs 11 geschaffen wird. Das System ist bevorzugt ausgebildet nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Das System ist mit der Brennkraftmaschine derart wirkverbunden, dass dem System, insbesondere dem Verdampfer des Systems, Abwärme der Brennkraftmaschine zuführbar ist. Dabei ist es möglich, dass dem System Abwärme der Brennkraftmaschine zugeführt wird, welche von Abgas derselben umfasst ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass dem System Abwärme der Brennkraftmaschine aus dem Kühlmittel derselben zugeführt wird. Es ist möglich, dass die in der Expansionseinrichtung gewandelte mechanische Arbeit unmittelbar zur Unterstützung der Brennkraftmaschine verwendet wird, beispielsweise indem sie einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Alternativ ist es möglich, dass die in dem Generator erzeugte elektrische Energie – insbesondere in einem hybridisierten Antriebsstrang – zumindest teilweise zur Unterstützung der Brennkraftmaschine herangezogen wird, beispielsweise indem sie mittels eines Elektromotors der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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In Zusammenhang mit der Anordnung verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem System erläutert wurden. Das System ist dabei besonders bevorzugt eingerichtet zur Durchführung eines organischen Rankine-Kreisprozesses, wodurch es besonders geeignet ist zur Abwärmenutzung der Brennkraftmaschine.
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Die Brennkraftmaschine der Anordnung ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Schmieren einer Expansionseinrichtung in einem System für einen thermodynamischen Kreisprozess mit den Merkmalen des Anspruchs 12 geschaffen wird. Das Verfahren wird bevorzugt in einem System nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele durchgeführt. Das Verfahren dient insbesondere dem Schmieren einer Expansionseinrichtung in einem System nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Es umfasst folgende Schritte: Flüssiges Schmiermittel wird von dampfförmigem Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreisprozesses – bevorzugt durch Phasenseparation – stromaufwärts der Expansionseinrichtung abgetrennt, und das abgetrennte Schmiermittel wird der Expansionseinrichtung – vorzugsweise betriebspunktabhängig und/oder bedarfsgerecht – zugeführt. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Verfahren die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem System erläutert wurden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das abgetrennte Schmiermittel in einem Sammelbehälter gesammelt wird, wobei Schmiermittel zur Schmierung der Expansionseinrichtung dem Sammelbehälter entnommen wird, und wobei Schmiermittel von der Expansionseinrichtung in den Sammelbehälter zurückgeführt wird. Hierdurch kann in bereits beschriebener Weise die in dem Systemkreislauf umlaufende Schmiermittelmenge deutlich herabgesetzt werden.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das der Expansionseinrichtung zugeführte Schmiermittel auf wenigstens zwei Schmiermittelfluten aufgeteilt wird, wobei die Schmiermittelfluten in die Expansionseinrichtung münden, und wobei durch eine der Schmiermittelfluten einem Arbeitsraum der Expansionseinrichtung Schmiermittel zugeführt wird. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, das Schmiermittel entweder Schmierstellen, insbesondere Lagern, der Expansionseinrichtung einerseits und dem Arbeitsraum derselben andererseits separat zuzuführen, gegebenenfalls separat zu kühlen, oder die Zuführung von Schmiermittel auf einen Hochdruckbereich und einen Niederdruckbereich der Expansionseinrichtung aufzuteilen.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass beim Anfahren und/oder beim Abfahren, also Herunterfahren des Systems abgetrenntes Schmiermittel gemeinsam mit abgetrennten flüssigen Arbeitsmediumanteilen aus dem Schmiermittelpfad abgezweigt und dem Systemkreislauf zugeführt wird. Vorzugsweise wird dabei der Schmiermittelpfad stromaufwärts eines Sammelbehälters für das abgetrennte Schmiermittel gesperrt. Hierdurch kann vermieden werden, dass eine zu große Menge flüssigen Arbeitsmediums in den Sammelbehälter gelangt und dort die Schmiereigenschaften des Schmiermittels herabsetzt.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher der Sammelbehälter über eine Umgehungsleitung zumindest teilweise in den Systemkreislauf entleert wird, wenn der Füllstand des Sammelbehälters einen vorherbestimmten Füllstandsgrenzwert überschreitet. Auf diese Weise kann eine Überfüllung des Sammelbehälters vermieden werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in dem System ein ORC-Prozess durchgeführt, wobei besonders bevorzugt Ethanol als Arbeitsmedium verwendet wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das System mit Überhitzung des Arbeitsmediums betrieben wird. In diesem Fall ist stets eine hohe Schmiermittelqualität gewährleistet, weil in der Abtrenneinrichtung keine oder höchstens sehr geringe Anteile an flüssigem Arbeitsmedium im normalen Betrieb des Systems abgetrennt werden. Es ist auch möglich, dass das System kurzzeitig mit Überhitzung betrieben wird, um das Schmiermittel von Arbeitsmediumanteilen zu reinigen.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das System im Nassdampfgebiet betrieben wird. Hierbei wird in dem Verdampfer Sattdampf erzeugt, sodass das Arbeitsmedium stromabwärts des Verdampfers auch flüssige Anteile aufweist. Diese werden gemeinsam mit dem Schmiermittel in der Abtrenneinrichtung abgetrennt. Über eine Nassdampfregelung oder Dampfgehaltsregelung wird vorzugsweise gewährleistet, dass der Anteil an Arbeitsmedium in dem Sammelbehälter hinreichend gering bleibt, um eine ausreichende Schmiermittelqualität zur Schmierung der Expansionseinrichtung zu gewährleisten. Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass das Schmiermittel durch zeitweisen Betrieb des Systems mit Überhitzung des Arbeitsmediums von Arbeitsmediumanteilen gereinigt wird. Ein Betrieb des Systems im Nassdampfgebiet hat den Vorteil, dass aufgrund von Auswascheffekten durch die flüssigen Arbeitsmediumanteile in dem Systemkreislauf eine insgesamt geringere Schmiermittelmenge vorgehalten werden muss. Das Schmiermittel kann sich nämlich anders als beim Betrieb in Überhitzung nicht in Totvolumina oder an Wandungen des Systemkreislaufs absetzen, weil es durch die flüssigen Anteile des Arbeitsmediums abgewaschen und im Systemkreislauf weitertransportiert wird. Es geht daher weniger Schmiermittel im Systemkreislauf verloren, sodass die Schmiermittelmenge insgesamt mit Vorteil für den Wirkungsgrad und das Transientverhalten des Systems reduziert werden kann.
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Schließlich wird die Aufgabe auch gelöst, indem ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 15 geschaffen wird. Dieses weist eine Anordnung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf. Dabei ist die Brennkraftmaschine bevorzugt zum Antrieb des Kraftfahrzeugs vorgesehen. Besonders bevorzugt ist das Kraftfahrzeug als Wasserfahrzeug, insbesondere als Schiff, besonders bevorzugt als Fährschiff, ausgebildet. Dabei wird die in dem Generator gewandelte elektrische Energie bevorzugt in ein Bordnetz des Wasserfahrzeugs, insbesondere des Schiffs, besonders bevorzugt des Fährschiffs, eingespeist.
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Die Beschreibung des Systems, der Anordnung und des Kraftfahrzeugs einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem System, der Anordnung oder dem Kraftfahrzeug beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Verfahrensschritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Das Verfahren zeichnet sich vorzugsweise durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch ein Merkmal des Systems, der Anordnung oder des Kraftfahrzeugs bedingt ist. Merkmale des Systems, der Anordnung oder des Kraftfahrzeugs, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Systems, der Anordnung oder des Kraftfahrzeugs. Das System, die Anordnung oder das Kraftfahrzeug zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens ein Verfahrensschritt des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung mit einer Brennkraftmaschine und einem ersten Ausführungsbeispiel des Systems, und
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2 eine schematische Detaildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Systems.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung 1, insbesondere in einem Kraftfahrzeug 2, welche eine Brennkraftmaschine 3 und ein System 5 für einen thermodynamischen Kreisprozess aufweist. Das System 5 ist hier eingerichtet zur Durchführung eines organischen Rankine-Kreisprozesses unter Nutzung von Abwärme der Brennkraftmaschine 3. Hierzu ist einem Verdampfer 7 des Systems 5 Abwärme der Brennkraftmaschine 3 zuführbar, insbesondere von dem Abgas und/oder von einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine 3 umfasste Abwärme.
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Das System 5 weist einen Kreislauf 9 für ein Arbeitsmedium, vorzugsweise für Ethanol, auf, wobei – in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen – entlang des Kreislaufs 9 stromabwärts des Verdampfers 7 eine Abtrenneinrichtung 11, die eingerichtet ist zur Abtrennung flüssigen Schmiermittels von dampfförmigem Arbeitsmedium, eine Expansionseinrichtung 13, ein Kondensator 15 und eine Fördereinrichtung 17 zur Förderung des Arbeitsmediums entlang des Kreislaufs 9 vorgesehen sind. Die Abscheideeinrichtung 11 ist bevorzugt als Zyklonabscheider ausgebildet. Die Expansionseinrichtung 13 ist bevorzugt als Schraubenexpander ausgebildet. Die Fördereinrichtung 17 ist vorzugsweise als Speisepumpe, insbesondere mit variabler Drehzahl, ausgebildet.
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Die Abtrenneinrichtung 11 ist zwischen dem Verdampfer 7 und der Expansionseinrichtung 13 in einem Hochdruckbereich des Kreislaufs 9 angeordnet. Es ist ein Schmiermittelpfad 19 von der Abtrenneinrichtung zu der Expansionseinrichtung 13 derart vorgesehen, dass der Expansionseinrichtung 13 in der Abtrenneinrichtung 11 abgetrenntes Schmiermittel zur Schmierung zuführbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Expansionseinrichtung 13 bedarfsgerecht und insbesondere betriebspunktabhängig zu schmieren, wodurch sich eine geringere Umlaufmenge von Schmiermittel in dem Kreislauf 9 und damit ein besserer Wirkungsgrad des Systems 5 und insbesondere ein verbessertes Transientverhalten ergibt.
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Der Kreislauf 9 ist im Übrigen bevorzugt hermetisch dicht ausgebildet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Kreislauf 9 allerdings einen Ausgleichsbehälter 20 für das Arbeitsmedium auf, der stromabwärts des Kondensators 15 und stromaufwärts der Fördereinrichtung 17 mit dem Kreislauf 9 in Fluidverbindung ist.
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Hierdurch kann ein Druck vor der Fördereinrichtung 17 konstant gehalten werden. Insbesondere sinkt dann der Druck vor der Fördereinrichtung 17 nicht mit einer zunehmenden Unterkühlung des Arbeitsmediums in dem Kondensator 15, so dass ein Sicherheitsabstand zu einer möglichen Kavitation in der Fördereinrichtung 17 vergrößert wird. Der Ausgleichsbehälter 20 ist bevorzugt geodätisch oberhalb einer Saugseite der Fördereinrichtung 17 angeordnet, wodurch der Arbeitsmitteldruck noch durch die statische Höhe vergrößert wird. Mithilfe des Ausgleichsbehälters 20 reguliert sich die in dem Kreislauf 9 umlaufende Füllmenge an Arbeitsmedium von selbst und passt sich den Betriebsbedingungen an. Bei einer kleineren Leckage ist es möglich, den Betrieb durch Nachfüllen von Arbeitsmedium aufrechtzuerhalten, ohne das System 5 herunterfahren zu müssen. Durch den Ausgleichsbehälter 20 ist ein besonders stabiler Betrieb des Kreislaufs 9 möglich.
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Der Ausgleichsbehälter 20 weist hier ein Überdruckventil 22 auf. Dieses dient dazu, Fluktuationen eines flüchtigen Arbeitsmediums, insbesondere einen Verlust oder Schwund durch Verdampfung, zu verhindern.
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Unmittelbar stromabwärts der Abtrenneinrichtung 11 ist – entlang des Schmiermittelpfads 19 gesehen – ein Sammelbehälter 21 angeordnet, dem das in der Abtrenneinrichtung 11 abgetrennte Schmiermittel zuführbar ist. Dieser dient als Puffer oder Ausgleichsbehälter für das Schmiermittel.
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Weiter stromabwärts des Schmiermittelpfads 19 ist eine erste Kühleinrichtung 23 angeordnet, die vorzugsweise eine geringere Kühlleistung aufweist als eine zweite Kühleinrichtung 25, und die im Wesentlichen dazu dient, das Schmiermittel im Bereich des Sammelbehälters 21 derart zu kühlen, dass eine stabile und genaue Füllstandsmessung in dem Sammelbehälter 21 möglich ist. Vorzugsweise weist wenigstens eine der Kühleinrichtungen 23, 25 eine steuer- oder regelbare Kühlleistung auf. Auf diese Weise ist eine bedarfsgerechte Kühlung des Schmiermittels möglich.
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Weiter stromabwärts des Schmiermittelpfads 19 ist hier eine Schmiermittelzuführpumpe 27 angeordnet, durch welche Schmiermittel entlang des Schmiermittelpfads 19 von dem Sammelbehälter 21 zu der Expansionseinrichtung 13 förderbar ist. Die Schmiermittelzuführpumpe 27 weist bevorzugt eine variable Förderleistung auf und ist zur Ansteuerung mit einer Steuereinrichtung 29 wirkverbunden. Die Steuereinrichtung 29 ist vorzugsweise ausgebildet zur Ansteuerung der Schmiermittelzuführpumpe 27 in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Expansionseinrichtung 13, insbesondere in Abhängigkeit einer Drehzahl derselben. Hierzu ist die Steuereinrichtung 29 zur Erfassung des wenigstens einen Betriebsparameters mit der Expansionseinrichtung 13 wirkverbunden. Auf diese Weise ist es möglich, in jedem Betriebspunkt der Expansionseinrichtung 13 und/oder des Systems 5 gerade die zur Schmierung erforderliche Schmiermittelmenge entlang des Schmiermittelpfads 19 zu fördern. Es ist möglich, dass bei einem Ausführungsbeispiel des Systems 5 die Schmiermittelzuführpumpe 27 nicht vorgesehen ist, wobei besonders bevorzugt der Schmiermittelpfad 19 frei von einer Fördereinrichtung ist. Dies ist möglich, da das Schmiermittel im Hochdruckbereich des Kreislaufs 9 abgetrennt wird, sodass zumindest ein minimales Druckgefälle zwischen dem Sammelbehälter 21 und den Schmierstellen der Expansionseinrichtung 13 besteht.
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Weiter stromabwärts des Schmiermittelpfads 19 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Aufteilung 31 auf eine erste Schmiermittelflut 33 und eine zweite Schmiermittelflut 35 vorgesehen. Die Schmiermittelfluten 33, 35 münden in die Expansionseinrichtung 13. Dabei führt hier die erste Schmiermittelflut 33 unmittelbar in einen Arbeitsraum 37 der Expansionseinrichtung 13, beziehungsweise sie mündet in diesen. Damit das Arbeitsmedium in dem Arbeitsraum 37 nicht durch kaltes Schmiermittel gekühlt wird, wodurch der Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung 13 herabgesetzt würde, ist entlang der ersten Schmiermittelflut 33 keine zusätzliche Kühleinrichtung vorgesehen.
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Die zweite Schmiermittelflut 35 mündet in Schmierstellen 39, 41, die Lagern der Expansionseinrichtung 13 zugeordnet sind. Diese werden bevorzugt durch das Schmiermittel auch gekühlt. Hierzu ist entlang der zweiten Schmiermittelflut 35 eine zusätzliche Kühleinrichtung, nämlich die zweite Kühleinrichtung 25 mit größerer Kühlleistung, vorgesehen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind in den beiden Schmiermittelfluten 33, 35 Regelorgane 43, 45 angeordnet, die hier als feste Blenden oder Festdrosseln ausgebildet sind. Durch die konkrete Wahl der Regelorgane 43, 45 ist der Schmiermittelstrom auf vorherbestimmte Weise auf die Schmiermittelfluten 33, 35 aufteilbar. Anstelle der Festdrosseln ist es möglich, dass entlang der Schmiermittelfluten 33, 35 variable Drosseln, insbesondere variable Ventile angeordnet sind. Dabei ist es möglich, dass diese mit der Steuereinrichtung 29 zur Vorgabe eines Durchtrittsquerschnitts durch die Schmiermittelfluten 33, 35 wirkverbunden sind. Solche Regelorgane 43, 45 können zusätzlich oder alternativ zu der Schmiermittelzuführpumpe 27 vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, dass der Schmiermittelpfad 19 frei ist von jeglicher Fördereinrichtung und jeglichem Regelorgan.
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Das System 5 weist einen Schmiermittelrücklaufpfad 47 auf, durch welchen Schmiermittel von der Expansionseinrichtung in den Sammelbehälter 21 rückführbar ist. Dabei ist der Schmiermittelrücklaufpfad 47 mit den Schmierstellen 39, 41 und dem Arbeitsraum 37 verbunden, um das Schmiermittel von dort zurückzuführen. Entlang des Schmiermittelrückführpfads 47 ist hier eine Schmiermittelrückführpumpe 49 angeordnet, durch welche das Schmiermittel von der Expansionseinrichtung 13 in den Sammelbehälter 21 förderbar ist. Weiterhin ist hier in dem Schmiermittelrückführpfad 47 ein Rückschlagventil 51 zur Vorgabe einer definierten Strömungsrichtung angeordnet. Der Schmiermittelrückführpfad 47 ist bevorzugt so ausgebildet, dass über ihn mindestens ein Viertel, bevorzugt mindestens die Hälfte, besonders bevorzugt mindestens zwei Drittel des aus dem Sammelbehälter 21 zu der Expansionseinrichtung 13 geförderten Schmiermittelmenge wieder in den Sammelbehälter 21 zurückführbar ist. Hierdurch wird die in dem Kreislauf 9 umlaufende Schmiermittelmenge erheblich reduziert, was sich günstig auf den Wirkungsgrad des Systems 5 und insbesondere auf dessen Transientverhalten auswirkt.
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Das System 5 weist eine Schmiermittelumgehungsleitung 53 auf, die aus dem Schmiermittelpfad 19 stromaufwärts der Expansionseinrichtung 13 abzweigt und stromabwärts der Expansionseinrichtung 13 in den Kreislauf 9 mündet. Diese Schmiermittelumgehungsleitung 53 ist bevorzugt vorgesehen, um den Sammelbehälter 21 entleeren zu können, falls dessen Füllstand über einen vorherbestimmten Maximalwert steigt. Der Sammelbehälter 21 wird dann über die Schmiermittelumgehungsleitung 53 in den Kreislauf 9 – hier stromaufwärts des Kondensators 15 – entlastet. Um die Schmiermittelumgehungsleitung 53 funktionsgerecht sperren und freigeben zu können, ist eine Ventileinrichtung 55 vorgesehen. Es bedarf hier keiner Pumpe zur Förderung von Schmiermittel entlang der Schmiermittelumgehungsleitung 53, weil ein Druckgefälle zwischen dem Sammelbehälter 21, der von der Hochdruckseite des Kreislaufs 9 her gespeist wird, und dem Kreislauf 9 stromaufwärts des Kondensators 15 existiert, wobei das Schmiermittel durch die Schmiermittelumgehungsleitung 53 dem Kreislaufs 9 auf der Niederdruckseite zugeführt wird.
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Das System 5 weist außerdem eine Arbeitsmedienumgehungsleitung 57 auf, die hier unmittelbar stromabwärts der Abtrenneinrichtung 11 und stromaufwärts des Sammelbehälters 21 aus dem Schmiermittelpfad 19 abzweigt und stromaufwärts der Expansionseinrichtung 13 sowie stromabwärts der Abtrenneinrichtung 11 in den Kreislauf 9 mündet. Diese Arbeitsmedienumgehungsleitung 57 ist vorgesehen, um beim Anfahren oder Abfahren beziehungsweise Herunterfahren des Systems 5, wenn der Verdampfer 7 noch nicht oder nicht mehr seine Betriebstemperatur aufweist, eine unzulässige Durchmischung von Schmiermittel mit Arbeitsmedium in dem Sammelbehälter 21 zu verhindern. In diesen Betriebszuständen liegt nämlich stromabwärts des Verdampfers 7 Nassdampf mit erheblichen flüssigen Anteilen an Arbeitsmedium vor, wobei das flüssige Arbeitsmedium ebenfalls gemeinsam mit dem Schmiermittel in der Abtrenneinrichtung 11 abgetrennt wird, wobei es auch in den Sammelbehälter 21 gelangen könnte. Es bestünde dann die Gefahr, dass das Schmiermittel durch Verdünnung mit dem Arbeitsmedium seine schmierenden Eigenschaften in unzulässiger Weise einbüßt, sodass ein sicherer Betrieb der Expansionseinrichtung 13 nicht mehr gewährleistet wäre.
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Es ist daher ein Drei-Wege-Ventil 59 vorgesehen, durch welches in solchen Betriebszuständen die Fluidverbindung der Abtrenneinrichtung 11 mit dem Sammelbehälter 21 sperrbar und dafür die Arbeitsmedienumgehungsleitung 57 freigebbar ist. In der Abtrenneinrichtung 11 abgetrenntes, flüssiges Arbeitsmedium wird so über die Arbeitsmedienumgehungsleitung 57 unmittelbar dem Kreislauf 9 wieder zugeführt und gelangt nicht in den Sammelbehälter 21. In den Betriebszuständen des Systems 5, in denen der Verdampfer 7 seine Betriebstemperatur aufweist und stromabwärts des Verdampfers 7 ein Dampfgehalt herrscht, der ausreichend hoch ist, um eine unzulässige Verdünnung des Schmiermittels in dem Sammelbehälter 21 zu vermeiden, ist das Drei-Wege-Ventil 59 in einer Funktionsstellung angeordnet, in der die Abtrenneinrichtung 11 mit dem Sammelbehälter 21 in Fluidverbindung ist, wobei die Arbeitsmedienumgehungsleitung 57 gesperrt ist. Steigt der Dampfgehalt im Betrieb des Systems 5 unzulässig an, kann aber mittels des Dreiwegeventils 59 wiederum die Fluidverbindung zwischen der Abtrenneinrichtung 11 und dem Sammelbehälter 21 gesperrt und die Arbeitsmedienumgehungsleitung 57 freigegeben werden.
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Beim Anfahren oder Abfahren des Systems 5 wird vorzugsweise eine erste Sperreinrichtung 61 stromaufwärts der Expansionseinrichtung 13 geschlossen, wobei zugleich eine zweite Sperreinrichtung 63 geöffnet wird. Das Arbeitsmedium strömt dann in diesen Betriebszuständen nicht durch die Expansionseinrichtung 13, sondern vielmehr entlang einer Umgehungsleitung 65 direkt zu dem Kondensator 15. Hiermit wird zum einen eine Belastung der Expansionseinrichtung 13 mit einem unzulässig hohen Anteil an flüssigem Arbeitsmedium verhindert, zum anderen wird die Expansionseinrichtung 13 entlastet, sodass sie nicht geschmiert werden muss. Es ist daher unschädlich, wenn in diesen Betriebszuständen die Abtrenneinrichtung 11 von dem Sammelbehälter 21 getrennt wird, sodass kein neues Schmiermittel in den Sammelbehälter 21 nachströmen kann. Im normalen Betrieb des Systems 5 ist dagegen die zweite Sperreinrichtung 63 geschlossen, und die erste Sperreinrichtung 61 ist geöffnet, sodass das Arbeitsmedium nicht durch die Umgehungsleitung 65, sondern vielmehr über die Expansionseinrichtung 13 geleitet wird. Das System 5 wird bevorzugt im Nassdampfgebiet betrieben, wobei stets auch flüssige Anteile von Arbeitsmedium in den Sammelbehälter 21 gelangen. Durch eine Dampfgehaltsregelung wird gewährleistet, dass das Schmiermittel dabei nicht unzulässig verdünnt wird. Zusätzlich ist es möglich, das Schmiermittel durch zeitweiligen Betrieb des Systems 5 mit Überhitzung des Arbeitsmediums stromabwärts des Verdampfers 7 zu reinigen.
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2 zeigt eine Detaildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Systems 5. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Aufteilung 31 entlang des Schmiermittelpfads 19 auf drei Schmiermittelfluten, nämlich eine erste Schmiermittelflut 33‘, eine zweite Schmiermittelflut 35‘ und eine dritte Schmiermittelflut 36. Dabei mündet die erste Schmiermittelflut 33‘ in einen Hochdruckbereich 67 der Expansionseinrichtung 13, wobei die zweite Schmiermittelflut 35‘ sowie die dritte Schmiermittelflut 36 in einen Niederdruckbereich 69 münden. Der Hochdruckbereich 67 und der Niederdruckbereich 69 sind hier durch eine gedachte, gestrichelte Linie L voneinander getrennt dargestellt.
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Alle drei Schmiermittelfluten 33‘, 35‘, 36 münden in Bereiche von Schmierstellen, beispielsweise in einen Bereich einer Gleitringdichtung und/oder in Bereiche von Lagern der Expansionseinrichtung 13. Keine der Schmiermittelfluten 33‘, 35‘, 36 ist direkt mit dem Arbeitsraum 37 verbunden. Diesem wird Schmiermittel stattdessen über eine interne Bohrung innerhalb der Expansionseinrichtung 13, insbesondere über eine Stichbohrung, zugeführt, durch welche der Arbeitsraum 37 mit einer der Schmierstellen verbunden ist, vorzugsweise mit der Schmierstelle, welcher die erste Schmiermittelflut 33‘ zugeordnet ist.
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Da kein Schmiermittel unmittelbar in den Arbeitsraum 37 gefördert wird, ist hier lediglich eine globale Kühleinrichtung 23 für den gesamten Schmiermittelstrom entlang des Schmiermittelpfads 19 vorgesehen. Das Schmiermittel wird im Bereich der Schmierstellen ohnehin erwärmt, weil es Abwärme und/oder Reibungswärme der Expansionseinrichtung 13 aufnimmt, wobei es dann durch die Stichbohrung in erwärmtem Zustand in den Arbeitsraum 37 gelangt.
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Von allen Schmierstellen und vorzugsweise auch aus dem Arbeitsraum 37 gelangt das Schmiermittel wiederum in den Schmiermittelrücklaufpfad 47, entlang dessen es mithilfe der Schmiermittelrückführpumpe 49 zurück in den Sammelbehälter 21 gefördert wird.
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Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Systems 5, der Anordnung 1 und des Verfahrens, insbesondere mithilfe der Abtrenneinrichtung 11 und des Schmiermittelpfads 19, der Expansionseinrichtung in besonders effizienter Weise Schmiermittel zugeführt werden kann. Dabei kann der Bedarf der Expansionseinrichtung 13 an Schmiermittel variabel über deren gesamtes Kennfeld gedeckt werden. Zugleich wird der Wirkungsgrad des Systems 5 insbesondere in Teillast erhöht, und dessen Transientfähigkeit wird verbessert.
