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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfventilvorrichtung für einen Dampfkreisprozess, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Dampfkreisprozesse, wie sie die vorliegende Erfindung gemäß einer Ausführungsform betrifft, weisen einen Arbeitsmediumkreislauf (Dampfkreislauf) auf, in dem ein Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums vorgesehen ist, gefolgt von einem Expander, in dem das dampfförmige Arbeitsmedium unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt wird, gefolgt von einem Kondensator, in dem das Arbeitsmedium kondensiert wird, in der Regel gefolgt von einem Vorratsbehälter für das Arbeitsmedium und gefolgt von einer Speisepumpe, die das Arbeitsmedium zurück zum Verdampfer pumpt. Um nun den Dampf in bestimmten Betriebszuständen teilweise oder vollständig am Expander, auch Dampfmotor genannt, vorbeileiten zu können, ist häufig ein Bypass zum Expander vorgesehen. Um zu steuern, wieviel Dampf durch den Expander und wieviel Dampf durch den Bypass strömt, werden herkömmlich getrennt voneinander betätigbare Dampfventile vorgesehen, ein erstes Ventil im Strömungsweg des Arbeitsmediums zum Expander und ein zweites Ventil im Strömungsweg des Arbeitsmediums zum Bypass. Alternativ ist es so möglich, ein sogenanntes 3/2-Wegeventil einzusetzen, das einen Stellantrieb aufweist, der einen Ventilkörper gegenüber einem oder mehreren Ventilsitzen bewegt, um zu bestimmen, wieviel Dampf zum Expander und wieviel Dampf durch den Bypass strömt.
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Nachteilig an den bekannten Ausführungsformen ist, dass entweder getrennt voneinander vorgesehene Dampfventile mit jeweils einem Stellantrieb eingesetzt werden müssen, um die gewünschte Steuerung für alle Betriebszustände des Dampfkreisprozesses zur Verfügung zu stellen. Bei Vorsehen eines 3/2-Wegeventils hingegen ist nur ein Stellantrieb vorhanden, wodurch die Steuerbarkeit eingeschränkt ist.
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Diese Dokumente beschreiben Ventile für Dampf- und Gasturbinen oder Dampfpumpen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfventilvorrichtung für einen Dampfkreisprozess, insbesondere der zuvor beschriebene Art, anzugeben, welche gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und die genannten Nachteile vermeidet.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Dampfventilvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Dampfventilvorrichtung für einen Dampfkreisprozess weist einen Dampfeinlass, einen Dampfauslass und einen Bypassdampfauslass auf. Ferner ist ein erster Ventilkörper und ein erster Ventilsitz vorgesehen, die gemeinsam einen ersten Strömungsquerschnitt einer ersten Dampfverbindung zwischen dem Dampfeinlass und dem Dampfauslass begrenzen. Am ersten Ventilkörper ist ein erster Stellantrieb angeschlossen, mittels welchem durch Verändern der Position des ersten Ventilkörpers relativ zum ersten Ventilsitz der erste Strömungsquerschnitt der ersten Dampfverbindung veränderbar ist.
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Es ist ferner ein zweiter Ventilkörper und ein zweiter Ventilsitz vorgesehen, die gemeinsam einen zweiten Strömungsquerschnitt einer zweiten Dampfverbindung zwischen dem Dampfeinlass und dem Bypassdampfauslass begrenzen. Am zweiten Ventilkörper ist ein zweiter Stellantrieb anageschlossen, mittels welchem durch Verändern der Position des zweiten Ventilkörpers relativ zum zweiten Ventilsitz der zweite Strömungsquerschnitt der Dampfverbindung zwischen dem Dampfeinlass und dem Bypassdampfauslass veränderbar ist. Gemäß einer vorzuziehenden Ausführungsform sind in der Dampfventilvorrichtung ausschließlich die beiden genannten Ventilkörper und die beiden genannten Ventilsitze vorgesehen, das heißt kein weiterer Ventilkörper und kein weiterer Ventilsitz und/oder es sind genau zwei Stellantriebe vorgesehen.
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Erfindungsgemäß sind nun der Dampfauslass und der Bypassdampfauslass zusammen mit dem Dampfeinlass in einem gemeinsamen Ventilblock ausgebildet, der auch die erste und die zweite Dampfverbindung ausbildet.
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Der gemeinsame Ventilblock ist vorteilhaft einteilig ausgeführt. Beispielsweise ist der Ventilblock aus Metall hergestellt.
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Wenn der gemeinsame Ventilblock auch den ersten Ventilsitz und den zweiten Ventilsitz ausbildet, wie gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, so kann, wenn auch die Ventilkörper aus Metall hergestellt oder mit Metall beschichtet sind, eine metallische Abdichtung in der Dampfventilvorrichtung ausgeführt werden. Eine solche metallisch dichtende Dampfventilvorrichtung ist für besonders hohe Drücke und/oder besonders hohe Temperaturen geeignet, beispielsweise für Drücke von mehr als 50 bar und Temperaturen von mehr als 400°C, insbesondere für Drücke von bis zu 60 bar und Temperaturen bis zu 500°C oder mehr.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist an dem gemeinsamen Ventilblock ein erstes Ventilgehäuse angeschlossen, insbesondere angeschraubt, das den ersten Stellantrieb trägt, und ferner ein zweites Ventilgehäuse angeschlossen, insbesondere angeschraubt, das den zweiten Stellantrieb trägt. Jeder Stellantrieb weist eine Ventilstange auf, die den jeweiligen Ventilkörper trägt oder ausbildet, und die Ventilstange ist verlagerbar, insbesondere verschiebbar in dem jeweiligen Ventilgehäuse gelagert. Beispielsweise weist das Ventilgehäuse zumindest in dem dem gemeinsamen Ventilblock zugewandten axialen Abschnitt die Form einer Hülse auf, welche die Ventilstange umschließt. Diese Hülse kann beispielweise einen Flansch, insbesondere Radialflansch aufweisen, mittels welchem sie an dem gemeinsamen Ventilblock angeschraubt ist. Es ist möglich, dass die Hülse neben der Ventilstange auch eine oder mehrere Federn und insbesondere eine oder mehrere Dichtungen aufnimmt, um die Ventilstange gegen das Ventilgehäuse abzudichten, beziehungsweise den Ventilkörper oder die Dichtung elastisch vorzuspannen.
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An ihrem dem gemeinsamen Ventilblock abgewandten Ende trägt die Ventilstange gemäß einer Ausführungsform einen Kolben, der hydraulisch oder pneumatisch zu seiner Verschiebung kraftbeaufschlagbar ist, um an diesem Ende einen pneumatischen oder hydraulischen Aktuator zur Verstellung des Ventilkörpers auszubilden. Auch hier können eine oder mehrere elastische Federelemente zum Aufbringen einer Vorspannung zum Einsatz gelangen, wobei vorteilhaft einer der beiden Stellantriebe beziehungsweise Ventilkörper derart vorgespannt ist, dass er in einem nicht aktivierten Zustand des Aktuators abdichtend am zugeordneten Ventilsitz anliegt, wohingegen der andere Ventilkörper im nicht aktivierten Zustand seines Aktuators vom Ventilsitz abgehoben ist.
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Die Ventilgehäuse können auf einander entgegengesetzten Seiten am Ventilblock angeschlossen, insbesondere angeschraubt sein. Die Stellantriebe sind insbesondere mit ihren Ventilstangen fluchtend zueinander positioniert.
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Gemäß einer besonders kompakten Ausführungsform der Erfindung ist im Ventilblock eine Durchgangsbohrung vorgesehen, an deren erstem Ende der erste Ventilsitz ausgebildet ist und an deren zweitem Ende der zweite Ventilsitz ausgebildet ist. Vorteilhaft kann der Dampfeinlass in der Durchgangsbohrung zwischen den beiden Enden, in der Regel mit Abstand zu beiden Enden münden, insbesondere über einen senkrecht zur Durchgangsbohrung positionierten Dampfeinlasskanal. Der Dampfeinlasskanal kann beispielsweise ebenfalls als in den Ventilblock eingebrachte Bohrung ausgeführt sein.
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Bei einer Ausführungsform mit einer solchen Durchgangsbohrung kann die Durchgangsbohrung an ihrem erste Ende von einem ersten Ringkanal umschlossen sein, in welchem der Dampfauslass mündet, insbesondere über einen senkrecht zur Durchgangsbohrung positionierten Dampfauslasskanal, und die Durchgangsbohrung kann an ihrem zweiten Ende von einem zweiten Ringkanal umschlossen sein, in welchem der Bypassdampfauslass mündet, insbesondere über einen senkrecht zur Durchgangsbohrung positionierten Bypassdampfauslasskanal.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das erste Ventilgehäuse auf der Seite des ersten Endes der Durchgangsbohrung am Ventilblock angeschlossen und das zweite Ventilgehäuse ist auf der Seite des zweiten Endes der Durchgangsbohrung am Ventilblock angeschlossen. Das erste Ventilgehäuse weist an seinem der Durchgangsbohrung zugewandten Ende eine erste Aussparung auf, in welche der Ventilkörper in Richtung des ersten Endes der Durchgangsbohrung zum Verschließen des ersten Endes der Durchgangsbohrung mehr oder weniger eintauchbar ist, wobei die Aussparung bei vom ersten Ende der Durchgangsbohrung abgehobenem Ventilkörper die Durchgangsbohrung mit dem ersten Ringkanal verbindet, sodass das Arbeitsmedium beziehungsweise der Dampf aus dem Dampfeinlass über die Durchgangsbohrung und deren ersten Ende in den ersten Ringkanal und von dort zum Dampfauslass strömen kann.
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Bei dieser Ausführungsform oder alternativ kann nun das zweite Ventilgehäuse an seinem der Durchgangsbohrung zugewandten Ende eine zweite Aussparung aufweisen, in welche der Ventilkörper in Richtung des zweiten Endes der Durchgangsbohrung zum Verschließen des zweiten Endes der Durchgangsbohrung mehr oder weniger eintauchbar ist, wobei die zweite Aussparung bei vom zweiten Ende der Durchgangsbohrung abgehobenem Ventilkörper die Durchgangsbohrung mit dem zweiten Ringkanal verbindet, sodass Arbeitsmedium beziehungsweise Dampf aus dem Dampfeinlass über die Durchgangsbohrung und deren zweites Ende in den zweiten Ringkanal und weiter zum Bypassdampfauslass strömen kann. Somit erfolgt in der Durchgangsbohrung entweder eine Aufteilung des Arbeitsmediums beziehungsweise Dampfes auf den Dampfauslass und den Bypassdampfauslass oder eine Umleitung des Arbeitsmediums beziehungsweise Dampfes entweder zum Dampfauslass oder zum Bypassdampfauslass.
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Günstig ist, wenn beide Stellantriebe unabhängig voneinander betätigbar sind.
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Der Ventilblock kann bevorzugt wenigstens einen Sensorkanal, vorteilhaft eine Vielzahl von Sensorkanälen aufweisen. Ein solcher Sensorkanal mündet entweder in dem Dampfauslass, dem Dampfeinlass, dem Bypassdampfauslass oder einer Dampfverbindung, wozu dann auch der Dampfauslasskanal, der Bypassdampfauslasskanal und der Dampfeinlasskanal zählen, sodass beispielsweise über den Sensorkanal der Druck und/oder die Temperatur des Arbeitsmediums beziehungsweise Dampfes an der entsprechenden Mündungsstelle erfasst werden kann.
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Die Stellantriebe weisen an ihrem dem Ventilblock abgewandten Ende vorteilhaft jeweils einen Aktuator auf, wobei die Ventilgehäuse vorteilhaft eine thermische Entkopplung zur Reduzierung einer Wärmeleitung aus dem Ventilblock in den jeweiligen Aktuator aufweisen. Die Aktuatoren können beispielsweise als pneumatischer oder hydraulischer Druckzylinder mit einem entsprechenden Kolben oder als Magnetantrieb ausgeführt sein. Auch andere Antriebe sind jedoch möglich.
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Durch die Erfindung kann eine äußerst kompakte Dampfventilvorrichtung beziehungsweise ein Dampfkreislauf der eingangs dargestellten Art mit einer solchen kompakten Dampfventilvorrichtung geschaffen werden, wobei eine flexible Steuerungsmöglichkeit zur Aufteilung beziehungsweise Umleitung des Dampfes in Richtung eines Expanders oder durch einen Bypass am Expander vorbei zur Verfügung gestellt wird. Die kompakte Ausführungsform vermeidet zudem Leitungen, in denen besonders beim Abstellen des Dampfkreislaufes, wenn dieser in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, insbesondere als Abgaswärmenutzsystem, jedoch auch bei stationären Anlagen, wie Biogaskraftwerken, bei denen der Dampfkreislauf zur Nutzung von Wärme aus dem Abgas eines Biogasmotors verwendet werden kann, Kondensation auftritt.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 drei Ansichten einer erfindungsgemäß ausgeführten Dampfventilvorrichtung;
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2 eine geschnittene Ansicht durch die Dampfventilvorrichtung aus der 1 mit Abweichungen bezüglich der Anordnung der Dampfauslässe;
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3 einen Radialschnitt durch die Dampfventilvorrichtung aus der 1;
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4 ein Ausführungsbeispiel für einen Dampfkreislauf mit einer erfindungsgemäßen Dampfventilvorrichtung.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Dampfventilvorrichtung in drei Ansichten gezeigt, wobei die Dampfventilvorrichtung eine lang ausgestreckte Form, vergleichbar einem Knochen, aufweist, mit einem Ventilblock 1 in der axialen Mitte und beidseitig daran angeschlossenen Ventilgehäusen 2, wobei die Ventilgehäuse 2 auf entgegengesetzten Seiten des Ventilblocks 1 angeschlossen sind, hier über einen Flansch 3 an jeweils dem dem Ventilblock 1 zugewandten axialen Ende des Ventilgehäuses 2 mit einer Flanschverschraubung 4.
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Im Bereich der axial äußeren Enden tragen die Ventilgehäuse 2 jeweils einen Stellantrieb 5, um einen nachfolgend mit Bezug auf die 2 beschriebenen Ventilkörper 6 gegenüber einem Ventilsitz 7 zu verstellen und dadurch den Strömungsquerschnitt für Dampf zwischen einem Dampfeinlass 8 und entweder einem Dampfauslass 9 oder einem Bypassdampfauslass 10 zu verändern.
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Bei allen hier gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Dampfanschlüsse – Dampfeinlass 8, Dampfauslass 9 und Bypassdampfauslass 10 – durch senkrecht auf der Längsachse 11 der Dampfventilvorrichtung beziehungsweise der Ventilgehäuse 2 und des Ventilblocks 1 verlaufende Bohrungen ausgeführt. Gemäß der 1 sind der Dampfeinlass 8, der Dampfauslass 9 und der Bypassdampfauslass 10 über dem Umfang des Ventilblocks 1 versetzt zueinander angeordnet, wohingegen bei der etwas abweichenden Ausgestaltung gemäß der 2 der Dampfauslass 9 und der Bypassdampfauslass 10 diagonal entgegengesetzt zu dem Dampfeinlass 8 in einer gemeinsamen Ebene mit dem Dampfeinlass 8 beziehungsweise zumindest gemeinsam auf demselben Umfangsabschnitt des Ventilblocks 1 positioniert sind. Da die beiden Stellantriebe 5 mit entgegengesetzter Stellung im ausgeschalteten Zustand (einmal „normally open” und einmal „normally closed”) ausgeführt sind, um bei Ausfall einer Ansteuerung den Dampfeinlass 8 mit dem Bypassdampfauslass 10 zu verbinden und den Dampfauslass 9 zu verschließen, weist einer der beiden Stellantriebe 5 einen Entlüftungsanschluss 12 und der andere weist einen Druckanschluss 13 auf, jeweils am äußeren axialen Ende.
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Im Ventilblock 1 sind ferner, ebenfalls als Bohrungen, vorteilhaft senkrecht auf der Längsachse 11 stehend ausgeführt, Sensorkanäle 14 vorgesehen, die beispielsweise eine Druckerfassung des Dampfes innerhalb des Ventilblocks 1 oder eine entsprechende Temperaturerfassung ermöglichen.
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Die Ventilgehäuse 2 weisen ferner thermische Entkopplungen 15, hier in Form von Schlitzen, insbesondere in Längsrichtung der Ventilgehäuse 2 verlaufenden Schlitzen vorgesehen, auf, um die Stellantriebe 5 thermisch vom Ventilblock 1 zu entkoppeln.
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In der 2 erkennt man nun das „Innenleben” einer Dampfventilvorrichtung, die mit Ausnahme der Position der Dampfanschlüsse, genauer des Bypassdampfauslasses 10 entsprechend der 1 ausgeführt ist. Die Stellantriebe 5 sind als pneumatische Aktuatoren ausgeführt, umfassend jeweils einen Kolben 16, der mit einem Steuerluftdruck beaufschlagbar ist. Der Kolben des einen Stellantriebs 5, hier des unteren Stellantriebs 5, ist auf seiner dem Ventilblock 1 zugewandten Seite mit einem Federelement 17, hier in Form einer Druckfeder, beaufschlagt. Somit wird bei nicht vorhandenem Luftdruck am Druckluftanschluss 13 der Kolben 16 weg vom Ventilblock 1 gedrückt und damit der an dem Ventilsitz 7 im Ventilblock 1 zugewandten Ende der Ventilstange 18 ausgebildete Ventilkörper 6 vom Ventilsitz 7 abgehoben. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Ventilkörper 6 durch einen auf die Ventilstange 18 aufgebrachten Teller gebildet.
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Beim anderen Stellantrieb 5, hier dem oberen Stellantrieb 5, ist es genau umgekehrt. Hier wird der Kolben 16 durch ein Federelement 17 auf der dem Ventilblock 1 und damit dem Ventilsitz 7 abgewandten Seite elastisch vorgespannt. Somit wird der Kolben 16 zusammen mit der Ventilstange 18 und dem Ventilkörper 6 in Richtung des Ventilblocks 1 verschoben, sodass der Ventilkörper 6 abdichtend auf dem Ventilsitz 7 aufliegt, wenn der Druckraum 19 im Stellantrieb 5 frei von einem Steuerdruck, hier Steuerluftdruck, ist.
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Die Ventilstangen 18, die innerhalb der Ventilgehäuse 2 gleitbar in Richtung der Längsachse 11 (siehe auch die 1) gelagert sind, werden im gezeigten Ausführungsbeispiel von Dichtungen 20 umschlossen, die hier als Stopfpackungen ausgeführt sind und durch die Druckfedern 21 vorgespannt sind, um die Ventilstangen 18 gegen die Ventilgehäuse 2 abzudichten.
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In der 2 erkennt man die im Ventilblock 1 in Richtung der Längsachse 11 ausgerichtete Durchgangsbohrung 22, die im gezeigten Ausführungsbeispiel mittig im Ventilblock 1 positioniert ist. An den beiden axialen Enden der Durchgangsbohrung 22 sind die beiden Ventilsitze 17 ausgeführt. Umschlossen werden die beiden axialen Enden der Durchgangsbohrung 22 jeweils durch einen Ringkanal 23, der bei vom jeweiligen Ventilsitz 7 abgehobenem Ventilkörper 6 mit der Durchgangsbohrung 22 strömungsleitend verbunden ist, hier über die stirnseitige Aussparung 27 im jeweiligen Ventilgehäuse 2, und bei auf dem Ventilsitz 7 aufsitzendem Ventilkörper 6 druckdicht von der Durchgangsbohrung 22 abgetrennt ist.
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Der Dampfeinlass 8 mündet über einen senkrecht zur Durchgangsbohrung 22 verlaufenden Dampfeinlasskanal 24 in der Durchgangsbohrung 22. Der Dampfauslass 9 mündet über einen senkrecht zur Durchgangsbohrung 22 verlaufenden Dampfauslasskanal 25 in dem ersten der beiden Ringkanäle 23 und der Bypassdampfauslass 10 mündet über einen senkrecht zur Durchgangsbohrung 22 verlaufenden Bypassdampfauslasskanal 26 in dem zweiten der Ringkanäle 23.
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Ferner erkennt man in den 2 und 3 noch die Sensorkanäle 14, die ebenfalls senkrecht zur Durchgangsbohrung 22 verlaufen, wobei der in den 2 und 3 dargestellte Sensorkanal 14, der auf dem axialen Abschnitt des Dampfeinlasskanals 8 im Ventilblock 1 positioniert ist, beispielsweise als Sensorkanal 14 zur Temperarturerfassung und die beiden anderen nur in der 3 gezeigten Sensorkanäle 14 zur Druckerfassung ausgeführt sind. Somit kann beispielsweise mit einer entsprechenden Temperaturmessstelle die Temperatur des Dampfes im Dampfeinlass 8 erfasst werden, mit einer ersten Druckmessstelle kann der Druck im Dampfeinlass 8 und mit der anderen Druckmessstelle der Druck im Dampfauslass 9 erfasst werden.
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In der 4 ist ein Dampfkreislauf gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt, umfassend einen Verdampfer 28, der hier durch Abgaswärme aus dem Abgasstrom 29 eines Verbrennungsmotors 30, der beispielsweise einen elektrischen Generator oder ein anderes Aggregat antreibt, zur Dampferzeugung gespeist wird. Der Verbrennungsmotor 30 kann beispielsweise der Gasmotor in einem Gaskraftwerk, insbesondere Biogaskraftwerk sein. Dem Verdampfer 28 im Dampfkreislauf nachgeordnet ist eine erfindungsgemäß ausgeführte Dampfventilvorrichtung, hier mit 31 bezeichnet. Die Dampfventilvorrichtung 31 leitet den Dampf aus dem Verdampfer 28 entweder in Richtung des Expanders 32 oder durch den Bypass 33 am Expander 32 vorbei. Je nach Stellung der Stellantriebe 5, siehe die 1 bis 3, ist auch eine Aufteilung des vom Verdampfer 28 ankommenden Dampfes auf den Bypass 33 und den Expander 32 möglich.
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Aus dem Bypass 33 und dem Expander 32 strömender Dampf wird in dem im Dampfkreislauf nachfolgenden Kondensator 34 kondensiert. Das Kondensat wird dem Vorratsbehälter 35 zugeführt, aus welchem wiederum die Speisepumpe 36 das flüssige Arbeitsmedium zum Verdampfer 28 pumpt.
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Wie durch die strichpunktierte Linie angedeutet, kann die Speisepumpe 36 vom Expander 32, der Dampf unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt, angetrieben werden, alternativ oder zusätzlich jedoch auch durch einen anderen hier nicht näher gezeigten Antrieb oder den Verbrennungsmotor 30.
