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Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen Kondensator eines Systems für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß Anspruch 1, ein System für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß Anspruch 8, eine Anordnung aus einer Brennkraftmaschine und einem solchen System gemäß Anspruch 10, ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Anordnung gemäß Anspruch 11, und ein Verfahren zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses gemäß Anspruch 13.
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Thermodynamische Kreisprozesse der hier angesprochenen Art sind für sich genommen bekannt. Hierbei wird ein Arbeitsmedium in einem Verdampfer erwärmt, insbesondere verdampft und anschließend in einer Expansionseinrichtung expandiert, wobei in dem Verdampfer aufgenommene Wärme des Arbeitsmediums in mechanische Energie umgewandelt wird. Anschließend wird das Arbeitsmedium in einem Kondensator gekühlt, insbesondere kondensiert, und wiederum dem Verdampfer zugeführt. Der organische Rankine-Kreisprozess entspricht beispielsweise im Wesentlichen dem Clausius-Rankine-Kreisprozess, wobei er jedoch für tiefere Arbeitstemperaturen geeignet ist. Er eignet sich daher insbesondere zur Nutzung von Abwärme, beispielsweise von industriellen Prozessen oder von Brennkraftmaschinen. Um das Arbeitsmedium im Kondensator zu kühlen, insbesondere zu kondensieren, ist eine Kühleinrichtung vorgesehen. Diese kann beispielsweise als Luftkühlung ausgebildet sein, wobei eine Kühlleistung der Kühleinrichtung in diesem Fall durch eine Regelung eines Lüfters eingestellt wird. Nachteilig hieran ist, dass der Lüfter einen sehr hohen Energiebedarf aufweist. Es ist auch möglich, dass die Kühleinrichtung eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Kondensator und einem externen Wärmereservoir, beispielsweise in Form von Leitungswasser, Flusswasser oder Seewasser bereitstellt. In diesem Fall ist die zur Verfügung stehende Kühlleistung für den Kondensator festgelegt, sodass dieser auf einen Betrieb bei einem bestimmten Temperaturniveau und damit einem bestimmten Kondensationsdruck eingeschränkt ist. Dies bedingt in zahlreichen Betriebspunkten eines Systems zum Betreiben des thermodynamischen Kreisprozesses eine im Vergleich zu einem möglichen Maximum verminderte Leistungsausbeute. Variiert außerdem die Temperatur des Arbeitsmediums am Austritt aus dem Kondensator aufgrund der fixen Kühlleistung mit dem Betriebspunkt des Systems, ist es möglich, dass in bestimmten Betriebspunkten, insbesondere in hohen Lastbereichen des Systems, eine ausreichende Unterkühlung des Arbeitsmediums unter seinen Kondensationspunkt in dem Kondensator nicht sichergestellt werden kann, wodurch die Gefahr besteht, dass sich in einer Fördereinrichtung des Systems, die eingerichtet ist zur Förderung des Arbeitsmediums entlang des Kreislaufs, Kavitationen auftreten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung zu schaffen, durch welche die genannten Nachteile vermeidbar sind. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes System, eine Anordnung aus einer Brennkraftmaschine und einem System, ein Kraftfahrzeug, und ein Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Kühleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Diese ist eingerichtet zur Kühlung eines Kondensators eines Systems zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, ganz bevorzugt eines organischen Rankine-Kreisprozesses – kurz ORC (Organic Rankine Cycle) genannt – wobei die Kühleinrichtung einen Kühlmedienkreislauf aufweist. Es ist eine Fördereinrichtung zur Förderung eines Kühlmediums entlang des Kühlmedienkreislaufs vorgesehen. Der Kühlmedienkreislauf weist einen kalten Ast stromaufwärts einer Kühlstelle für das Kühlmedium und einen warmen Ast stromabwärts der Kühlstelle auf. Die Kühleinrichtung zeichnet sich gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass die Fördereinrichtung eine variable Förderleistung aufweist. Hierdurch ist die Kühlleistung der Kühleinrichtung stets durch Variation der Förderleistung der Fördereinrichtung an einen aktuellen Betriebspunkt des Systems für den thermodynamischen Kreisprozess anpassbar, sodass das Temperaturniveau und damit der Kondensationsdruck in dem Kondensator stets exakt einstellbar ist. Alternativ ist gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der Kühlmedienkreislauf eine Verbindungsleitung zwischen dem warmen Ast und dem kalten Ast aufweist, wobei eine Mischeinrichtung vorgesehen ist, durch welche ein variabler Anteil an Kühlmedium aus dem warmen Ast über die Verbindungsleitung unter Umgehung der Kühlstelle dem kalten Ast zuführbar ist. Hierdurch ist ein Temperaturniveau des Kühlmediums stromaufwärts des Kondensators einstellbar, wodurch wiederum die Kühlleistung der Kühleinrichtung eingestellt werden kann. Diese ist daher auch auf diese Art stets exakt und genau an einen Betriebspunkt des Systems anpassbar.
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Die Kühlstelle bezeichnet einen Bereich des Kühlmedienkreislaufs, in welchem das Kühlmedium gekühlt, insbesondere rückgekühlt wird, wobei hier die in dem Kondensator von dem Kühlmedium aufgenommene Wärme abgeführt wird. Der kalte Ast des Kühlkreislaufs verbindet die Kühlstelle mit dem Kondensator, sodass diesem gekühltes Kühlmedium zuführbar ist, wobei der warme Ast den Kondensator mit der Kühlstelle verbindet, sodass in dem Kondensator erwärmtes Kühlmedium der Kühlstelle zur Kühlung zuführbar ist. Die Kühleinrichtung ist insoweit nicht als offenes System unter unmittelbarer Verbindung des Kondensators mit der Umgebung beziehungsweise einem externen Wärmereservoir ausgebildet, sondern als rückgekühlter Primärkühlkreislauf, der selbst im Bereich der Kühlstelle gekühlt wird.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Kühleinrichtung ist die Fördereinrichtung als Pumpe ausgebildet, wobei die Förderleistung der Pumpe variabel ist, indem diese eine variable Drehzahl aufweist.
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Ein in der Mischeinrichtung variabler Anteil an Kühlmedium aus dem warmen Ast spricht insbesondere ein Verhältnis von einem Volumenstrom des Kühlmediums, der über die Verbindungsleitung fließt, zu einem Volumenstrom, welcher über die Kühlstelle fließt, an. Es ist offensichtlich, dass so in der Mischeinrichtung von der Kühlstelle heranströmendes, kaltes Kühlmedium mit stromaufwärts der Kühlstelle abgezweigtem, warmem, von dem Kondensator heranströmendem Kühlmedium gemischt werden kann, sodass hierüber schließlich die Temperatur des dem Kondensator zur Kühlung zugeführten Kühlmediums einstellbar ist.
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Besonders bevorzugt wird ein drittes Ausführungsbeispiel der Kühleinrichtung, bei welchem sowohl die Fördereinrichtung eine variable Förderleistung aufweist, als auch der Kühlmedienkreislauf die Verbindungsleitung zwischen dem warmen Ast und dem kalten Ast aufweist, wobei die Mischeinrichtung vorgesehen ist, durch die ein variabler Anteil an Kühlmedium aus dem warmen Ast über die Verbindungsleitung dem kalten Ast unter Umgehung der Kühlstelle zuführbar ist. Auf diese Weise stehen zwei Freiheitsgrade zur Regelung der Kühlleistung zur Verfügung, sodass diese sehr exakt und unabhängig von einem Temperaturniveau der Kühlstelle eingestellt werden kann. Somit ist der Kondensationsdruck in dem Kondensator exakt einstellbar und auf alle auftretenden Betriebspunkte des Systems abstimmbar. Damit kann eine optimale Leistungsausbeute in allen Betriebspunkten gewährleistet werden, und die Kühlung des Kondensators ist nicht durch fixe Kühlleistung auf ein bestimmtes Temperaturniveau und damit einen bestimmten Kondensationsdruck eingeschränkt. Die Fördereinrichtung weist insbesondere dann, wenn sie als Pumpe mit variabler Drehzahl ausgebildet ist, eine sehr viel geringere Leistungsaufnahme auf, als dies bei einem Lüfter eines luftgekühlten Kondensators der Fall ist. Hinzu kommt, dass die Kühlleistung der hier vorgeschlagenen Kühleinrichtung genauer einstellbar ist, als dies bei einer Luftkühlung mit Umgebungsluft durch einen Lüfter der Fall ist.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Kühleinrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Fördereinrichtung als regelbare Fördereinrichtung ausgebildet ist. Hierdurch ist der Durchfluss des Kühlmediums durch den Kühlmedienkreislauf, insbesondere der Volumenstrom an Kühlmedium durch den Kondensator, besonders genau einstellbar. Dabei ist es möglich, dass eine Förderleitung der Fördereinrichtung auf den Volumenstrom durch den Kondensator geregelt ist. Besonders bevorzugt ist die Fördereinrichtung als regelbare Pumpe ausgebildet. Dabei ist vorzugsweise die Drehzahl der Pumpe regelbar, was eine besonders einfache Ausgestaltung einer regelbaren Fördereinrichtung darstellt.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Kühleinrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Verbindungsleitung stromaufwärts einer Rückkühleinrichtung aus dem warmen Ast abzweigt, wobei die Rückkühleinrichtung eingerichtet ist zur Kühlung des Kühlmediums in dem Kühlmedienkreislauf. Die Verbindungsleitung mündet stromabwärts der Rückkühleinrichtung in den kalten Ast. Die Kühlstelle der Kühleinrichtung wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Rückkühleinrichtung verwirklicht, wobei bevorzugt der mit dem Kühlmedienkreislauf realisierte Primärkühlkreislauf mit einem Sekundärkühlkreislauf wärmeübertragend verbunden ist. Alternativ ist es möglich, dass die Rückkühleinrichtung eine Wärmeverbindung des Kühlmedienkreislaufs mit einem externen Wärmereservoir bereitstellt. Die Rückkühleinrichtung ist vorzugsweise ausgebildet zur Verwendung von Fremdwasser oder Luft als Kühlmedium, insbesondere von Leitungswasser, Flusswasser oder Seewasser, oder von Umgebungsluft. Insbesondere bei einer marinen Anwendung des Systems wird eine Rückkühlung durch Seewasser bevorzugt. Mithilfe der Rückkühleinrichtung ist das Kühlmedium im Bereich der Kühlstelle sehr effizient kühlbar, wobei dessen Abwärme in einfacher und kostengünstiger Weise an die Umgebung abführbar ist. Dadurch, dass die Verbindungsleitung stromaufwärts der Rückkühleinrichtung aus dem warmen Ast abzweigt, kann entlang der Verbindungsleitung noch ungekühltes, in dem Kondensator aufgeheiztes Kühlmedium geführt werden. Dadurch, dass die Verbindungsleitung stromabwärts der Rückkühleinrichtung in den kalten Ast mündet, kann an dieser Stelle, an der bevorzugt auch die Mischeinrichtung vorgesehen ist, besonders effizient kaltes, aus der Rückkühleinrichtung heranströmendes Kühlmedium mit warmem, über die Verbindungsleitung heranströmendem Kühlmedium gemischt werden.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Kühleinrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Verbindungsleitung stromaufwärts der Fördereinrichtung in den kalten Ast mündet. Somit ist bevorzugt auch die Mischeinrichtung stromaufwärts der Fördereinrichtung angeordnet, sodass diese bereits durchmischtes Kühlmedium mit in der Mischeinrichtung eingestellter Temperatur fördert. Dies erweist sich als regelungstechnisch besonders günstig und einfacher, als wenn die Verbindungsleitung stromabwärts der Fördereinrichtung in den kalten Ast münden würde, sodass die Fördereinrichtung lediglich kaltes Kühlmedium fördert.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Kühleinrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Mischeinrichtung als Drei-Wege-Mischer ausgebildet ist, wobei der kalte Ast über einen ersten und einen zweiten Anschluss des Drei-Wege-Mischers verläuft, wobei die Verbindungsleitung in einen dritten Anschluss des Drei-Wege-Mischers mündet. Der von der Kühlstelle kommende Teil des kalten Astes mündet in einen ersten Anschluss des Drei-Wege-Mischers, wobei sich der Strömungspfad des Kühlmediums von einem zweiten Anschluss des Drei-Wege-Mischers zu dem Kondensator hin fortsetzt. Mit dem dritten Anschluss des Drei-Wege-Mischers ist die Verbindungsleitung verbunden, sodass in der Mischeinrichtung Kühlmedium aus dem ersten und dem dritten Anschluss gemischt und dem zweiten Anschluss zugeführt wird. Dies stellt eine besonders einfache und kostengünstige sowie leicht zu regelnde Ausgestaltung der Mischeinrichtung dar. Diese weist bevorzugt eine erste Funktionsstellung auf, in welcher der erste Anschluss mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, wobei der dritte Anschluss gesperrt ist. In diesem Fall lässt die Mischeinrichtung ausschließlich kaltes Kühlmedium durch, sodass insoweit eine minimale Medientemperatur realisiert wird. In einer zweiten Funktionsstellung ist vorzugsweise der dritte Anschluss mit dem zweiten Anschluss verbunden, wobei der erste Anschluss gesperrt ist. In diesem Fall lässt die Mischeinrichtung lediglich warmes Kühlmedium durch, sodass insoweit eine maximale Medientemperatur verwirklicht wird. Zwischen diesen beiden Extremalpositionen sind bevorzugt verschiedene Funktionsstellungen, besonders bevorzugt ein Kontinuum von Funktionsstellungen, realisierbar, sodass die Temperatur des Kühlmediums durch die Mischeinrichtung nahezu beliebig oder beliebig zwischen der minimalen Medientemperatur und der maximalen Medientemperatur einstellbar ist.
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Es wird auch eine Kühleinrichtung bevorzugt, die sich durch eine Steuereinrichtung auszeichnet, die eingerichtet ist zur Einstellung eines vorgebbaren absoluten oder relativen Temperaturniveaus in einem Kondensators eines Systems zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, ganz bevorzugt eines ORC, durch Ansteuerung der Fördereinrichtung und/oder durch Ansteuerung der Mischeinrichtung. Dabei ist die Steuereinrichtung besonders bevorzugt eingerichtet zur Einstellung des Temperaturniveaus durch Ansteuerung von sowohl der Fördereinrichtung als auch der Mischeinrichtung. Mithilfe der Steuereinrichtung ist es jedenfalls möglich, ein absolutes oder relatives Temperaturniveau in dem Kondensator sehr exakt und präzise einzustellen, vorzugsweise zu steuern oder zu regeln.
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Dabei spricht ein absolutes Temperaturniveau eine absolute, vorherbestimmte Temperatur an, die in dem Kondensator oder unmittelbar stromabwärts an einem Arbeitsmediumaustritt des Kondensators für das Arbeitsmedium erreicht werden soll. Ein relatives Temperaturniveau spricht vorzugsweise eine vorherbestimmte Unterkühlung des Arbeitsmediums in dem Kondensator oder unmittelbar stromabwärts des Kondensators, mithin eine vorherbestimmte Differenz der Arbeitsmedientemperatur zu einem Kondensationspunkt des Arbeitsmediums in dem Kondensator an. Durch gezielte Einstellung der Unterkühlung kann sichergestellt werden, dass das Arbeitsmedium nicht in einer Arbeitsmedienpumpe des Systems kavitiert. Über die Einstellung des absoluten oder relativen Temperaturniveaus in dem Kondensator oder unmittelbar stromabwärts des Kondensators kann außerdem die Leistungsausbeute des Systems optimiert werden. Hierzu bedarf es insbesondere einer exakten Einstellung des Drucks in dem Kondensator, der durch Variation der Arbeitsmedientemperatur und mithin durch Variation der Kühlleistung der Kühleinrichtung sehr exakt einstellbar ist. Dieser Druck wirkt als Gegendruck an der Expansionseinrichtung und bestimmt daher gemeinsam mit anderen Betriebsparametern des Systems maßgeblich dessen Leistungsausbeute. Die Kühlleistung, welche die Kühleinrichtung zur Einstellung eines vorgebbaren Temperaturniveaus aufbringen muss, variiert abhängig von dem Betriebspunkt des Systems, insbesondere abhängig von einer Wärmezufuhr in das System, da je nach Wärmeeintrag in den Verdampfer eine kleinere oder größere Wärmemenge in dem Kondensator abgeführt werden muss. Dabei soll mithilfe der hier vorgeschlagenen Kühleinrichtung insbesondere verhindert werden, dass mehr Wärme abgeführt wird, als zur Erreichung einer vorherbestimmten Unterkühlung des Arbeitsmediums nötig ist. Dies wirkt sich andernfalls nämlich wiederum negativ auf die Leistungsausbeute des Systems aus.
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Bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet zur Vorgabe des Volumenstroms des Kühlmediums über die Regelung der Förderleistung der Fördereinrichtung und zur Vorgabe der Kühlmedieneintrittstemperatur in den Kondensator durch Ansteuerung oder Regelung der Mischeinrichtung. Auf diese Weise ist durch die Steuereinrichtung sehr feinfühlig die Kühlleistung der Kühleinrichtung, insbesondere durch kombinierte Variation der Förderleistung und der Temperatureinstellung in der Mischeinrichtung, einstellbar, insbesondere steuer- oder regelbar.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Kühleinrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist zur Optimierung einer Leistungsausbeute des Systems durch Ansteuerung der Fördereinrichtung und/oder der Mischeinrichtung. In diesem Fall weist die Steuereinrichtung vorzugsweise eine Rückkopplung zu wenigstens einem für die Leistungsausbeute des Systems charakteristischen Parameter auf, sodass die Leistungsausbeute unmittelbar optimierbar beziehungsweise regelbar ist. Hierdurch kann die Kühlleistung der Kühleinrichtung stets optimal auf einen vorliegenden Betriebspunkt des Systems abgestimmt werden. Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet zur Optimierung einer Leistungsausbeute des Systems durch Ansteuerung von sowohl der Fördereinrichtung als auch der Mischeinrichtung.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein System zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, ganz bevorzugt eines organischen Rankine-Kreisprozesses, geschaffen wird, das sich durch eine Kühleinrichtung gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auszeichnet. Dabei verwirklichen sich für das System die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Kühleinrichtung beschrieben wurden. Insbesondere kann das System mithilfe der Kühleinrichtung in allen Betriebspunkten auf eine optimale Leistungsausbeute geregelt werden.
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Das System weist vorzugsweise einen Arbeitsmedienkreislauf auf, entlang dem – in dieser Reihenfolge – ein Verdampfer, eine Expansionseinrichtung, ein Kondensator und bevorzugt eine Arbeitsmedienpumpe zur Förderung von Arbeitsmedium entlang des Kreislaufs angeordnet sind.
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Die Kühleinrichtung ist dabei mit dem Kondensator zur Kühlung von Arbeitsmedium in dem Kondensator wirkverbunden.
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Das System weist außerdem vorzugsweise wenigstens einen Temperatursensor und/oder wenigstens einen Drucksensor in dem Kondensator oder unmittelbar stromabwärts des Kondensators – entlang des Arbeitsmedienkreislaufs gesehen – auf, der zur Steuerung oder Regelung der Kühleinrichtung mit der Steuereinrichtung wirkverbunden ist. Mithilfe des Temperatursensors und/oder des Drucksensors ist ein thermodynamischer Zustand des Arbeitsmediums in dem Kondensator erfassbar, und die Kühlleistung der Kühleinrichtung ist hierauf einstellbar, insbesondere steuerbar oder regelbar.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass es eingerichtet ist zur Nutzung von Abwärme einer Brennkraftmaschine. Insbesondere hierzu wird in dem System bevorzugt ein ORC durchgeführt. Dabei ist es möglich, Abwärme aus einem Abgasstrom und/oder aus einem Kühlmittelstrom der Brennkraftmaschine zu nutzen. Alternativ ist es möglich, dass das System eingerichtet ist zur Nutzung von Abwärme oder Wärme aus einer anderen Wärmequelle, beispielsweise von industrieller Abwärme und/oder zur Nutzung von geothermischer Wärme, vorzugsweise ebenfalls mittels eines ORC.
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Als Arbeitsmedium in dem System ist vorzugsweise Ethanol vorgesehen. Dieses eignet sich in besonderer Weise in Betriebspunkten des Systems, die bei Nutzung von Abwärme aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine erreicht werden sowie für einen ORC.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 geschaffen wird. Diese weist eine Brennkraftmaschine und ein System nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf. Dabei ist das System mit der Brennkraftmaschine zur Nutzung von Abwärme derselben wirkverbunden. Das System kann dabei genutzt werden, um die Abwärme in mechanische und/oder elektrische Energie zu wandeln, welche der Brennkraftmaschine wieder zugeführt wird, beispielsweise einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, insbesondere mittels eines Elektromotors, der mit der Kurbelwelle wirkverbunden ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die in dem System aus der Abwärme der Brennkraftmaschine gewandelte Energie einem externen Verbraucher oder einem Stromnetz zugeführt wird. Dabei ist es möglich, dass es sich bei dem Stromnetz um ein Bordstromnetz eines Kraftfahrzeugs handelt, welches die Anordnung aufweist. Mithilfe des Systems kann die Effizienz der Brennkraftmaschine durch Nutzung von deren Abwärme deutlich gesteigert werden. Diese wird dabei nicht nutzlos an die Umgebung abgeführt, sondern kann vielmehr sinnvoll eingesetzt werden.
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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 Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 11 geschaffen wird. Dieses zeichnet sich aus durch eine Anordnung gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei verwirklichen sich in Hinblick auf das Kraftfahrzeug die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Kühleinrichtung, dem System und der Anordnung ausgeführt wurden. Die mittels des Systems gewandelte Energie aus der Abwärme der Brennkraftmaschine kann dabei sinnvoll entweder zur Unterstützung der Brennkraftmaschine oder zu anderen Zwecken, beispielsweise zur Versorgung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs, mit elektrischer Energie verwendet werden.
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Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs, welches als Wasserfahrzeug, insbesondere als Schiff, bevorzugt als Fährschiff, ausgebildet ist. Dabei ist hier Abwärme in besonders vielfältiger Weise zum Betreiben verschiedener Systeme des Schiffs, insbesondere eines Bordnetzes beziehungsweise eines schiffseigenen Stromnetzes oder zur Unterstützung der Brennkraftmaschine möglich. Außerdem ist die Rückkühleinrichtung in einem Wasserfahrzeug auf besonders einfache und kostengünstige Weise realisierbar, indem Seewasser oder Flusswasser zur Rückkühlung eingesetzt wird. Damit steht ein quasi unerschöpfliches Wärmereservoir für die Rückkühlung zur Verfügung, sodass eine exakte Einstellung des thermodynamischen Zustands des Arbeitsmediums in dem Kondensator jedenfalls nicht an einer mangelnden Rückkühlkapazität scheitert.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, ganz bevorzugt eines organischen Rankine-Kreisprozesses, mit den Merkmalen des Anspruchs 13 geschaffen wird. Das Verfahren ist insbesondere vorgesehen zum Betreiben eines Systems nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei weist das System – in dieser Reihenfolge entlang eines Arbeitsmedienstroms in einem Kreislauf des Systems gesehen – einen Verdampfer, eine Expansionseinrichtung und einen Kondensator auf, wobei es weiterhin eine Kühleinrichtung aufweist, bevorzugt eine Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Im Rahmen des Verfahrens wird eine Kühlleistung des Kondensators eingestellt, indem eine Fördereinrichtung der Kühleinrichtung mit variabler Förderleistung angesteuert wird, und/oder indem eine Mischeinrichtung zur Zuführung eines variablen Anteils an Kühlmedium aus einem warmen Ast der Kühleinrichtung über eine Verbindungsleitung zu einem kalten Ast der Kühleinrichtung angesteuert wird. Bevorzugt wird die Kühlleistung des Kondensators eingestellt, indem sowohl die Fördereinrichtung als auch die Mischeinrichtung entsprechend angesteuert werden. Dabei verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Kühleinrichtung, dem System, der Anordnung, dem Kraftfahrzeug beschrieben wurden.
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Als Fördereinrichtung wird im Rahmen des Verfahrens bevorzugt eine Pumpe, insbesondere eine Pumpe mit variabler Drehzahl verwendet, wobei die Förderleistung der Pumpe durch Variation der Drehzahl eingestellt wird.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Förderleistung der Fördereinrichtung und/oder eine Funktionsstellung der Mischeinrichtung geregelt wird/werden. Dies ermöglicht eine besonders exakte Einstellung der Kühlleistung der Kühleinrichtung und damit zugleich der Kühlleistung des Kondensators. Bevorzugt werden sowohl die Förderleistung der Fördereinrichtung als auch die Funktionsstellung der Mischeinrichtung geregelt.
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Schließlich wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Kühlleistung der Kühleinrichtung auf eine optimale Leistungsausbeute des Systems und/oder auf ein vorgebbares absolutes oder relatives Temperaturniveau in dem Kondensator oder unmittelbar stromabwärts des Kondensators in dem Arbeitsmedium, geregelt wird. Damit kann in besonders geeigneter und genauer Weise eine optimale Leistungsausbeute in allen Betriebspunkten des Systems gewährleistet werden.
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Die Beschreibung der Kühleinrichtung und des Systems einerseits sowie des Verfahrens andererseits sind komplementär zu verstehen. Insbesondere sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Kühleinrichtung oder dem System erläutert wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. In gleicher Weise sind Merkmale der Kühleinrichtung oder des Systems, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Kühleinrichtung oder des Systems. Die Kühleinrichtung oder das System zeichnen sich bevorzugt durch mindestens ein Merkmal auf, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt des Verfahrens bedingt ist. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal der Kühleinrichtung oder des Systems 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 eines Kraftfahrzeugs mit einer Anordnung aus einer Brennkraftmaschine und einem System mit einer Kühleinrichtung;
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Kühleinrichtung, und
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3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens in Form eines Regelkreises.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeugs 1, welches eine Anordnung 3 aus einer Brennkraftmaschine 5 und einem System 7 zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, hier insbesondere eines organischen Rankine-Kreisprozesses (ORC), aufweist. Das Kraftfahrzeug 1 ist bevorzugt als Schiff ausgebildet. Alternativ ist aber auch eine Ausführung des Kraftfahrzeugs 1 als Schienenfahrzeug, Minen- oder Baufahrzeug, Verteidigungsfahrzeug, Nutzfahrzeug oder auch als Personenkraftwagen möglich.
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Die Anwendung der Anordnung 3 ist nicht auf Kraftfahrzeuge beschränkt, vielmehr kann diese auch in anderen Bereichen, beispielsweise bei stationärer Verwendung der Brennkraftmaschine 5, beispielsweise zum Betrieb von Pumpen auf einer Bohrinsel, zur Abwärmenutzung verwendet werden.
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Schließlich ist das System 7 nicht auf eine Verwendung in einer Anordnung mit einer Brennkraftmaschine 5 beschränkt. Vielmehr kann dieses anderweitig zur Abwärmenutzung, beispielsweise zur Nutzung von industrieller Abwärme, oder auch zur Nutzung anderer Wärmequellen, beispielsweise geothermischer Wärme verwendet werden.
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Das System 7 weist einen Arbeitsmedienkreislauf 9 auf, entlang dem – in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen – ein Verdampfer 11, eine Expansionseinrichtung 13, und ein Kondensator 15 angeordnet sind. Das Arbeitsmedium ist mittels einer Arbeitsmedienpumpe 17 entlang des Arbeitsmedienkreislaufs 9 förderbar. Als Arbeitsmedium wird vorzugsweise Ethanol verwendet.
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Die Expansionseinrichtung 13 ist bevorzugt als Strömungsmaschine oder als Verdrängermaschine, insbesondere als Turbine, als Hubkolbenexpander, als Flügelzellenmaschine, als Roots-Expander oder als Scrollexpander ausgebildet. Besonders bevorzugt wird allerdings eine Ausbildung der Expansionseinrichtung 13 als Schraubenexpander. Die Expansionseinrichtung 13 ist mit einem Generator 19 zur Umwandlung von in der Expansionseinrichtung 13 gewonnenen mechanischen Energie in elektrische Energie wirkverbunden.
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Der Verdampfer 11 ist mit der Brennkraftmaschine 5 bevorzugt derart wirkverbunden, dass Abwärme aus dem Abgas und/oder dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 5, insbesondere Abwärme aus dem Abgas derselben, in dem Verdampfer 11 dem Arbeitsmedium des Systems 7 zuführbar ist.
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Zur Kühlung des Arbeitsmediums in dem Kondensator 15, insbesondere zu dessen Kondensation ist eine Kühleinrichtung 21 mit einem Kühlmedienkreislauf 23 vorgesehen. Vorzugsweise unmittelbar stromabwärts des Kondensators 15 oder auch in dem Kondensator 15 ist eine Sensoreinrichtung 25 zur Erfassung einer Temperatur und/oder eines Drucks des Arbeitsmediums in dem Kondensator 15 vorgesehen. Dabei ist mit der Formulierung „in dem Kondensator“ stets nicht nur ein Wert unmittelbar innerhalb des Kondensators 15, sondern auch ein unmittelbar stromabwärts desselben erfasster Wert angesprochen, da diese Werte höchstens in nicht relevanter Weise voneinander differieren. Die Sensoreinrichtung 25 ist mit einer Steuereinrichtung 27 wirkverbunden, die ihrerseits wiederum mit der Kühleinrichtung 21 zur Einstellung einer Kühlleistung derselben wirkverbunden ist.
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Es zeigt sich, dass abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 5 die in den Verdampfer 11 eingetragene Abwärme variiert. Damit variiert zugleich ein Betriebspunkt des Systems 7 und eine für eine optimale Leistungsausbeute desselben notwendige Kühlleistung der Kühleinrichtung 21. Diese wird mithilfe der Kühleinrichtung 21 und der Steuereinrichtung 27 zu jedem Betriebspunkt des Systems 7 exakt in Hinblick auf eine optimale Leistungsausbeute eingestellt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Kühleinrichtung 21. Dargestellt ist auch der Kondensator 15 sowie ein Arbeitsmediumzulauf 29 und ein Arbeitsmediumablauf 31 zu beziehungsweise von dem Kondensator 15. Durch eine gestrichelte Linie L ist eine Systemgrenze zwischen dem Kondensator 15 und dem restlichen System 7 angedeutet.
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Die Kühleinrichtung 21 weist den Kühlmedienkreislauf 23 auf, der als Primärkühlkreislauf ausgestaltet ist. Es ist eine hier als Pumpe ausgebildete Fördereinrichtung 33 zur Förderung von Kühlmedium entlang des Kühlmedienkreislaufs 23 vorgesehen, wobei die Fördereinrichtung 33 eine variable Förderleistung, hier eine variable Drehzahl zur Einstellung eines Volumenstroms des Kühlmediums in dem Kühlmedienkreislauf 23 aufweist. Der Kühlmedienkreislauf 23 weist einen kalten Ast 35 – in Richtung der Kühlmedienströmung gesehen – stromabwärts einer Kühlstelle 37, die hier als Rückkühleinrichtung 39 ausgebildet ist, und einen warmen Ast 41 stromaufwärts der Kühlstelle 37 auf. Zwischen dem warmen Ast 41 und dem kalten Ast 35 ist eine Verbindungsleitung 43 angeordnet, und es ist eine Mischeinrichtung 45 vorgesehen, die hier als Drei-Wege-Mischer 47 ausgebildet ist, durch welche ein variabler Anteil ein Kühlmedium aus dem warmen Ast 41 über die Verbindungsleitung 43 dem kalten Ast 35 zuführbar ist. Dabei ist eine Funktionsstellung der Mischeinrichtung 45 variabel einstellbar, sodass ein variables Mischverhältnis zwischen dem durch die Verbindungsleitung 43 heranströmenden, warmen Kühlmedium und dem kalten, von der Kühlstelle 37 heranströmenden Kühlmedium einstellbar ist.
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Dabei verläuft der kalte Ast 35 über einen ersten Anschluss 49 zu einem zweiten Anschluss 51, wobei die Verbindungsleitung 43 in einen dritten Anschluss 53 des Drei-Wege-Mischers 47 mündet.
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Durch Pfeile P ist in 2 die Strömungsrichtung des Kühlmediums in dem Kühlmedienkreislauf 23 angedeutet, wobei das Kühlmedium durch die Fördereinrichtung 33 in der angegebenen Strömungsrichtung entlang dem Kühlmedienkreislauf 23 förderbar ist.
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Es ist offensichtlich, dass hier die Verbindungsleitung 43 stromaufwärts der Rückkühleinrichtung 39 aus dem warmen Ast 41 abzweigt, wobei sie stromabwärts der Rückkühleinrichtung 39 in den kalten Ast mündet, wobei sie insbesondere stromaufwärts der Fördereinrichtung 33 in diesen mündet.
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Die Rückkühleinrichtung 39 ist ausgebildet zur Rückkühlung des Kühlmediums mittels eines Rückkühlmediums, welches durch eine Rückkühlmedienpumpe 55 entlang eines Rückkühlpfads 57, der bevorzugt als Sekundärkühlkreislauf ausgebildet ist, förderbar ist. Als Rückkühlmedium wird besonders bevorzugt Seewasser verwendet, insbesondere bei einer Ausbildung des Kraftfahrzeugs 1 als Schiff. Ist das Schiff allerdings als Flussschiff ausgebildet, wird vorzugsweise Flusswasser als Rückkühlmedium verwendet.
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Bei anderen Anwendungen des Systems 7 kann alternativ vorgesehen sein, dass als Rückkühlmedium Luft, insbesondere Umgebungsluft, oder eine Wärmeverbindung mit einem anderen, externen Wärmereservoir verwendet wird. Beispielsweise ist auch Leitungswasser als Rückkühlmedium möglich.
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Der Kühlmedienkreislauf 23 weist im Übrigen noch ein Ausgleichsreservoir 59 für das Kühlmedium auf.
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In 2 ist auch die Steuereinrichtung 27 dargestellt, welche mit der Sensoreinrichtung 25 wirkverbunden ist zur Erfassung eines thermodynamischen Zustands des Arbeitsmediums in dem Kondensator 15, insbesondere zur Erfassung einer Temperatur und/oder eines Drucks des Arbeitsmediums.
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Die Steuereinrichtung 27 ist außerdem wirkverbunden mit der Fördereinrichtung 33 zur Steuerung oder Regelung von deren Förderleistung, insbesondere zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl einer als Pumpe ausgebildeten Fördereinrichtung 33. Zusätzlich ist die Steuereinrichtung 27 wirkverbunden mit der Mischeinrichtung 45 zur Steuerung oder Regelung von deren Funktionsstellung. Dabei ist durch entsprechende Ansteuerung der Mischeinrichtung 45 eine Temperatur des Kühlmediums stromabwärts der Mischeinrichtung 45 und damit insbesondere eine Kühlmedieneintrittstemperatur in den Kondensator 15 regelbar, wobei zugleich durch entsprechende Ansteuerung der Fördereinrichtung 33 ein Volumenstrom des Kühlmediums entlang des Kühlmedienkreislaufs 23 und insbesondere durch den Kondensator 15 regelbar ist. Insgesamt ist so die Kälteleistung der Kühleinrichtung 21 bevorzugt abhängig von einem Betriebspunkt des Systems 7 regelbar. Damit ist es möglich, den Zustand des Arbeitsmediums stromabwärts des Kondensators 15 exakt einzustellen. Dies ist mittels der Kühleinrichtung 21 insbesondere möglich, obwohl die Temperatur des Rückkühlmediums in dem Rückkühlpfad 57 typischerweise nicht steuerbar oder regelbar ist, sondern vielmehr durch äußere Umstände vorgegeben. Dies ist evident, wenn als Rückkühlmedium Seewasser oder Umgebungsluft verwendet wird.
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Als Kühlmedium wird in der Kühleinrichtung 21 und insbesondere in dem Kühlmedienkreislauf 23 vorzugsweise Wasser verwendet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens in Form eines Regelkreises. Dabei geht in den Regelkreis als Sollvorgabe 61 ein Sollwert einer thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums in dem Kondensator 15 ein, bevorzugt eine Soll-Temperatur oder eine Soll-Unterkühlung des Arbeitsmediums. Ein Ist-Wert 63 der thermodynamischen Zustandsgröße, die vorzugsweise mit der Sensoreinrichtung 25 gemessen wird, wird an ein Vergleichsglied 65 zurückgeführt, und es wird eine Regelabweichung 67 zwischen der Sollvorgabe 61 und dem Ist-Wert 63 bestimmt.
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Die Sollvorgabe 61 wird vorzugsweise einem Kennfeld entnommen, welches über wenigstens einem Betriebsparameter des Systems 7 zur Charakterisierung von dessen Betriebszuständen aufgespannt ist. Alternativ ist es möglich, dass eine konstante Sollvorgabe 61 für den Betrieb des Systems 7 gewählt wird. In diesem Fall stellt sich die Kühlleistung der Kühleinrichtung 21 insbesondere abhängig von einer Wärmezufuhr in dem Verdampfer 11 ein.
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Die Regelabweichung 67 wird einem Regler 69 zugeführt, der auf dieser Grundlage zwei Werte für Stellglieder berechnet, nämlich einen ersten Vorgabewert 71 für eine Förderleistung der Fördereinrichtung 33, insbesondere eine Drehzahl der als Pumpe ausgebildeten Fördereinrichtung 33, und einen zweiten Vorgabewert 73 zur Ansteuerung der Mischeinrichtung 45. Die beiden Vorgabewerte 71, 73 wirken auf eine Regelstrecke 75, welche hier insbesondere die Mischeinrichtung 45 und die Fördereinrichtung 33 sowie schließlich den Kondensator 15 aufweist. Bevorzugt werden die Förderleistung der Fördereinrichtung 33 und die Funktionsstellung der Mischeinrichtung 45 auf die Vorgabewerte 71, 73 geregelt, was hier nicht explizit dargestellt ist. Es handelt sich insoweit um eine unterlagerte Regelung.
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In der Regelstrecke 75 stellt sich dann wiederum ein neuer Ist-Wert 63 für die thermodynamische Zustandsgröße des Arbeitsmediums in dem Kondensator 15 ein.
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Ganz allgemein wird im Rahmen des Verfahrens also eine Kühlleistung des Kondensators 15 des Systems 7 eingestellt, indem die Fördereinrichtung 33 mit variabler Förderleistung angesteuert wird, wobei zusätzlich die Mischeinrichtung 45 zur Zuführung eines variablen Anteils von Kühlmedium aus dem warmen Ast 41 über die Verbindungsleitung 43 zu dem kalten Ast 35 angesteuert wird.
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Wird für die Sollvorgabe 61 ein konstanter Wert gewählt, ist dieser vorzugsweise so bestimmt, dass das System 7 in allen Betriebspunkten eine möglichst hohe Leistungsausbeute aufweist. Wird die Sollvorgabe 61 einem Kennfeld entnommen, weist dieses vorzugsweise Werte für die Sollvorgabe 61 auf, bei welcher das System 7 betriebspunktabhängig seine optimale Leistungsausbeute aufweist. Dementsprechend wird die Kühlleistung der Kühleinrichtung 21 insbesondere auf eine optimale Leistungsausbeute des Systems 7 geregelt.
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Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens eine energiesparende und zugleich sehr genaue Regelung der Kühlleistung der Kühleinrichtung 21 möglich ist, sodass das System 7 bei optimaler Leistungsausbeute betreibbar ist.
