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Die Erfindung betrifft eine Wärmebereitstellungseinrichtung.
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Eine solche Wärmebereitstellungseinrichtung weist ein System zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses auf, das einen Arbeitsmedienkreislauf aufweist. Die Wärmebereitstellungseinrichtung weist außerdem zumindest einen Kühlkreislaufabschnitt auf, der eingerichtet ist zur Einbindung in einen Kühlmittel-Kreislauf, sowie außerdem zumindest einen Heizkreislaufabschnitt, der eingerichtet ist zur Einbindung in einen Nutzwärme-Kreislauf, wobei der Kühlkreislaufabschnitt und der Heizkreislaufabschnitt strömungstechnisch voneinander getrennt sind. Es handelt sich hierbei also insbesondere um separate Fluidkreisläufe die - je nach Anwendung - auch mit verschiedenen Wärmetransportmedien betrieben werden können, wobei aufgrund der strömungstechnischen Trennung der Kreislaufabschnitte keine Vermischung der verschiedenen Wärmetransportmedien zu befürchten ist. Eine solche Wärmebereitstellungseinrichtung kann insbesondere in einem Blockheizkraftwerk Anwendung finden, und ganz allgemein dort, wo für einen Abnehmer mechanische und/oder elektrische Leistung sowie zugleich Wärme bereitgestellt werden soll. Dabei kommen insbesondere wärmegeführte Blockheizanlagen für die Anwendung der Wärmebereitstellungseinrichtung in Frage.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2014 201 751 A1 geht eine Anlage zur Kraftwärmekopplung mit einem Verbrennungsmotor als Antriebsmotor zur Erzeugung von Antriebsleistung hervor, wobei der Verbrennungsmotor einen Abgasstrom erzeugt. Die Anlage umfasst ein Abwärmenutzsystem, umfassend einen ein Arbeitsmedium führenden Dampfkreislauf, der mit Abwärme des Verbrennungsmotors aus dessen Abgasstrom gespeist wird, wobei der Dampfkreislauf eine Speisepumpe, einen dieser nachgeschalteten Verdampfer, einen im Dampfkreislauf folgenden Expander und einen Kondensator umfasst, und der Kondensator zur Übertragung von Kondensationswärme in wärmeübertragender Verbindung mit einer Wärmeauskopplung der Anlage steht. Dabei ist in dem Dampfkreislauf ein Bypass vorgesehen, der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Verdampfer abzweigt und unter Umgehung des Expanders vor dem Kondensator einmündet.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 195 04 205 C2 geht ein Blockheizkraftwerk sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb hervor. Das Blockheizkraftwerk weist einen Notkühler auf.
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Wärmebereitstellungseinrichtungen der hier angesprochenen Art sind insbesondere in Hinblick auf die effiziente Einbindung eines Kühlmittel-Kreislaufs in das Gesamtsystem verbesserungsfähig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmebereitstellungseinrichtung zu schaffen, bei welcher die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Wärmebereitstellungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine Wärmebereitstellungseinrichtung der angesprochenen Art wird insbesondere derart weitergebildet, dass der Kühlkreislaufabschnitt sowohl mit dem Arbeitsmedienkreislauf als auch mit dem Heizkreislaufabschnitt thermisch verbunden ist. Auf diese Weise ist es möglich, einen Kühlmittel-Kreislauf über den Kühlkreislaufabschnitt auf zweifache Weise in den Betrieb der Wärmebereitstellungseinrichtung einzubeziehen, indem der Kühlkreislaufabschnitt insbesondere sowohl mit dem Arbeitsmedienkreislauf als auch mit dem Heizkreislaufabschnitt Wärme austauschen kann. Dadurch ist eine besonders effiziente Ausgestaltung der Wärmebereitstellungseinrichtung insbesondere mit Blick auf die Einbindung des Kühlmittel-Kreislaufs möglich.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kühlkreislaufabschnitt mit dem Arbeitsmedienkreislauf über einen ersten Wärmetauscher und mit dem Heizkreislaufabschnitt über einen zweiten Wärmetauscher thermisch verbunden ist. Dabei strömt in dem ersten Wärmetauscher einerseits Arbeitsmedium des Arbeitsmedienkreislaufs und andererseits Kühlmittel des Kühlkreislaufabschnitts, wobei das Arbeitsmedium und das Kühlmittel strömungstechnisch voneinander getrennt, jedoch in thermischem Kontakt miteinander sind, sodass ein Wärmeaustausch möglich ist. Entsprechend strömt in dem zweiten Wärmetauscher ein Heizmedium, welches den Heizkreislaufabschnitt durchsetzt, einerseits, sowie das Kühlmittel des Kühlkreislaufabschnitts andererseits, wobei das Heizmedium und das Kühlmittel in dem zweiten Wärmetauscher strömungstechnisch voneinander getrennt, jedoch thermisch in Kontakt miteinander sind, sodass ein Wärmeaustausch zwischen dem Heizmedium und dem Kühlmittel möglich ist. Auf diese Weise kann das Kühlmittel sowohl mit dem Arbeitsmedium des Arbeitsmedienkreislaufs als auch mit dem Heizmedium des Heizkreislaufabschnitts Wärme austauschen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der erste Wärmetauscher in dem Kühlkreislaufabschnitt - in Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen - stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers angeordnet ist. Das Kühlmittel tritt also bevorzugt zuerst mit dem Arbeitsmedium und danach mit dem Heizmedium in thermischen Kontakt.
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Erfindungsgemäß ist nach einer ersten Ausgestaltung vorgesehen, dass der erste Wärmetauscher in dem Arbeitsmedienkreislauf - in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen - stromaufwärts eines Verdampfers angeordnet und als Vorwärmer für das Arbeitsmedium ausgebildet ist.
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Der Arbeitsmedienkreislauf weist insoweit bevorzugt - insbesondere in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen in der angegebenen Reihenfolge - eine Arbeitsmedien-Fördereinrichtung, die insbesondere als Speisepumpe ausgebildet sein kann, den Verdampfer, eine Expansionseinrichtung, und einen Kondensator auf. In für sich genommen bekannter Weise wird aber das Arbeitsmedium durch die Arbeitsmedien-Fördereinrichtung zu dem Verdampfer gefördert, wo es Wärme aufnimmt und vorzugsweise verdampft wird. Das erwärmte und bevorzugt verdampfte Arbeitsmedium strömt weiter zu der Expansionseinrichtung, in der es entspannt wird, wobei es mechanische Arbeit an der Expansionseinrichtung leistet. Das entspannte Arbeitsmedium strömt weiter zu dem Kondensator, wo es gekühlt und vorzugsweise wieder verflüssigt wird, wobei das gekühlte und vorzugsweise verflüssigte Arbeitsmedium zurück zu der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung strömt, sodass der Arbeitsmedienkreislauf geschlossen ist.
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Der Arbeitsmedienkreislauf ist bevorzugt eingerichtet für einen organischen Rankine-Kreisprozess (Organic Rankine Cycle - ORC). Als Arbeitsmedium kann beispielsweise Ethanol, ein Ethanol-Wassergemisch, oder ein anderes organisches Arbeitsmedium, beispielsweise ein Fluorkohlenwasserstoff oder ein Fluorchlorkohlenwasserstoff verwendet werden. Als Kühlmittel und oder als Heizmedium kann bevorzugt Wasser - gegebenenfalls mit Additiven - verwendet werden.
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Der erste Wärmetauscher, der als Vorwärmer für das Arbeitsmedium ausgebildet ist, ist nun bevorzugt insbesondere strömungstechnisch zwischen der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung einerseits und dem Verdampfer andererseits angeordnet, sodass das Arbeitsmedium von der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung aus zunächst durch den ersten Wärmetauscher strömt, wo es vorgewärmt wird, wobei es anschließend durch den Verdampfer strömt. In dem ersten Wärmetauscher kann das Kühlmittel Wärme an das Arbeitsmedium abgeben, sodass das Kühlmittel gekühlt wird, wobei die Wärme in dem Arbeitsmedienkreislauf für die Durchführung des thermodynamischen Kreisprozesses nutzbar ist.
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Alternativ oder zusätzlich ist erfindungsgemäß nach einer zweiten Ausgestaltung vorgesehen, dass der Heizkreislaufabschnitt strömungstechnisch mit dem Kondensator des Arbeitsmedienkreislaufs zur Kühlung des Arbeitsmediums in dem Kondensator mittels des den Heizkreislaufabschnitt im Betrieb durchströmenden Heizmediums verbunden ist. In den Heizkreislaufabschnitt wird also insbesondere Kondensationswärme des Arbeitsmediums eingetragen, die in dem Kondensator anfällt, der durch das Heizmedium des Heizkreislaufabschnitts gekühlt wird. Dabei kann diese Kondensationswärme in dem Nutzwärme-Kreislauf als Nutzwärme verwendet werden. Bevorzugt wird das Arbeitsmedium in dem Kondensator ausschließlich durch das Heizmedium gekühlt.
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Alternativ oder zusätzlich ist erfindungsgemäß nach einer dritten Ausgestaltung vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher in dem Heizkreislaufabschnitt - in Strömungsrichtung des Heizmediums gesehen - stromaufwärts des Kondensators angeordnet und zur Vorwärmung des Heizmediums vor dessen Eintritt in den Kondensator ausgebildet ist. Auf diese Weise kann das in dem Kühlkreislaufabschnitt strömende Kühlmittel Wärme an das in dem Heizkreislaufabschnitt strömende Heizmedium abgeben und dieses vorwärmen, bevor es in den Kondensator eintritt. Das Kühlmittel wird dabei gekühlt, wobei dessen Abwärme als Nutzwärme dem Heizkreislaufabschnitt und damit dem Nutzwärme-Kreislauf zugeführt wird.
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Bei dieser Ausgestaltung ist bevorzugt der erste Wärmetauscher - entlang der Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Kühlkreislaufabschnitt gesehen - stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers angeordnet. Es ist nämlich günstig, Wärme aus dem Kühlmittel auf einem ersten, höheren Temperaturniveau über den ersten Wärmetauscher in den Arbeitsmedienkreislauf einzutragen und danach weitere Wärme aus dem Kühlmittel auf einem zweiten, niedrigeren Temperaturniveau zur Vorwärmung des Heizmediums stromaufwärts des Kondensators zu nutzen. Auf diese Weise kann Wärme aus dem Kühlmittel äußerst effizient einerseits für den thermodynamischen Kreisprozess und dabei mittelbar zur Bereitstellung von mechanischer und/oder elektrischer Leistung verwendet werden, wobei zugleich Wärme aus dem Kühlmittel als Nutzwärme dem Heizkreislaufabschnitt und damit dem Nutzwärme-Kreislauf zugeführt werden kann. Dabei zeigt sich, dass zumindest in einer Vielzahl von Betriebszuständen eine Kühlung des Kühlmittels in dem ersten Wärmetauscher einerseits und in dem zweiten Wärmetauscher andererseits ausreichend ist, sodass es keiner weiteren Kühlung des Kühlmittels bedarf. Die aus dem Kühlmittel-Kreislauf zur Gewährleistung von dessen Funktionsfähigkeit abzuführende Wärme kann also vollständig einerseits in dem Arbeitsmedienkreislauf und andererseits in dem Nutzwärme-Kreislauf genutzt werden. Für Betriebszustände, in denen eine größere Wärmemenge aus dem Kühlkreislauf abgeführt werden muss, als dies in dem ersten Wärmetauscher und in dem zweiten Wärmetauscher möglich ist, kann eine Notkühleinrichtung vorgesehen sein.
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Bei einer nicht zur Erfindung gehörenden Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher als Kondensator in dem Arbeitsmedienkreislauf ausgebildet ist. In diesem Fall dient das Kühlmittel in dem Kondensator zur Kühlung des Arbeitsmediums und nimmt demnach in dem Kondensator Wärme auf. Dies erscheint zunächst kontraintuitiv, erweist sich aber bei näherer Betrachtung als sowohl thermodynamisch als auch bezüglich der Konzeption der Wärmebereitstellungseinrichtung insgesamt besonders günstig. Der Kondensator ist in diesem Fall bevorzugt ausschließlich durch das in dem Kühlkreislaufabschnitt strömende Kühlmittel gekühlt.
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Gemäß einer nicht zur Erfindung gehörenden Ausgestaltung ist alternativ oder zusätzlich, insbesondere zusätzlich, der zweite Wärmetauscher als Heizwärmetauscher in dem Heizkreislaufabschnitt ausgebildet. Insbesondere ist der zweite Wärmetauscher der einzige Heizwärmetauscher in dem Heizkreislaufabschnitt. Das Kühlmittel gibt also aus dem Kühlkreislauf stammende Wärme sowie bevorzugt auch die aus dem Kondensator abgeführte Wärme in dem zweiten Wärmetauscher an das Heizmedium des Heizkreislaufabschnitts ab. Dadurch ist es möglich, dem Heizkreislaufabschnitt eine große Wärmemenge auf einem hohen Temperaturniveau zuzuführen, wobei zugleich dem Kühlmittel eine ausreichend große Wärmemenge entzogen werden kann, sodass ein sicherer Betrieb des Kühlmittel-Kreislaufs gewährleistet ist. Zugleich kann die Anzahl der in der Wärmebereitstellungseinrichtung verbauten Wärmetauscher in vorteilhafter Weise reduziert werden, weil es - außer dem Verdampfer - lediglich des Kondensators und des zweiten Wärmetauschers bedarf, weil der Kondensator zugleich der erste Wärmetauscher ist. Gegebenenfalls kann allerdings noch eine Notkühleinrichtung vorgesehen sein, um dem Kühlmittel in jedem Betriebszustand eine ausreichende Wärmemenge entziehen zu können, um einen sicheren Betrieb des Kühlkreislaufs zu gewährleisten.
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Wie bereits deutlich geworden ist, durchströmt auch in diesem Fall bevorzugt das Kühlmittel in dem Kühlkreislaufabschnitt zunächst den ersten Wärmetauscher und danach den zweiten Wärmetauscher, wobei es zunächst in dem als Kondensator des Arbeitsmedienkreislaufs ausgebildeten ersten Wärmetauscher Wärme von dem Arbeitsmedium aufnimmt und anschließend Wärme in dem zweiten Wärmetauscher an das Heizmedium des Heizkreislaufabschnitts abgibt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Arbeitsmedienkreislauf mit einer Brennkraftmaschine thermisch derart verbunden ist, dass Abwärme der Brennkraftmaschine in dem Arbeitsmedienkreislauf für den thermodynamischen Kreisprozess nutzbar ist. Dabei kann die Abwärme der Brennkraftmaschine insbesondere aus Abgas derselben und/oder aus einem Kühlmittel-Kreislauf der Brennkraftmaschine stammen. Insbesondere kann der Verdampfer des Arbeitsmedienkreislaufs von Abgas der Brennkraftmaschine und/oder von Kühlmittel aus dem Kühlmittel-Kreislauf der Brennkraftmaschine durchströmt sein. Eine solche Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, weil einem Abnehmer sowohl mittels der Brennkraftmaschine bereitgestellte mechanische und/oder elektrische Leistung als auch Nutzwärme über den Nutzwärme-Kreislauf zugeführt werden kann. Die Wärmebereitstellungseinrichtung ist dabei bevorzugt als Blockheizkraftwerk ausgebildet, oder sie ist Teil eines Blockheizkraftwerks.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kühlkreislaufabschnitt Teil eines Kühlmittel-Kreislaufs der Brennkraftmaschine ist. Insbesondere wird bevorzugt das zur Kühlung der Brennkraftmaschine verwendete und in der Brennkraftmaschine erwärmte Kühlmittel entlang des Kühlkreislaufabschnitts geführt, sodass es den ersten Wärmetauscher und den zweiten Wärmetauscher durchströmt, wobei es anschließend - insbesondere durch den ersten Wärmetauscher und den zweiten Wärmetauscher in ausreichender Weise gekühlt - zu der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird, wo es wiederum zu deren Kühlung verwendet wird. Dabei bedarf es bevorzugt zumindest in den meisten Betriebspunkten der Wärmebereitstellungseinrichtung keiner weiteren Kühlung des Kühlmittels der Brennkraftmaschine. Es ist aber möglich, dass eine Notkühleinrichtung vorgesehen ist, um in jedem Fall eine ausreichende Wärmemenge aus dem Kühlmittel-Kreislauf abführen zu können. Der Kühlkreislaufabschnitt ist in diesem Fall also in den Kühlmittel-Kreislauf der Brennkraftmaschine eingebunden und stellt einen Teil desselben dar.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Brennkraftmaschine bevorzugt mit einer ersten elektrischen Maschine zur Erzeugung elektrischer Leistung antriebswirkverbunden. Auf diese Weise kann mittels der Brennkraftmaschine durch Antrieb der vorzugsweise als Generator ausgebildeten elektrischen Maschine elektrische Leistung erzeugt und einem Abnehmer zugeführt werden, der vorzugsweise zugleich die Nutzwärme aus dem Heizkreislaufabschnitt abnimmt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Expansionseinrichtung des Arbeitsmedienkreislaufs mit einer Brennkraftmaschine mechanisch wirkverbunden ist. Dabei kann es sich insbesondere um genau diejenige Brennkraftmaschine handeln, deren Abwärme in dem Arbeitsmedienkreislauf zur Durchführung des thermodynamischen Kreisprozesses genutzt wird. Die Expansionseinrichtung kann insbesondere mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine - vorzugsweise über einen Rädertrieb - wirkverbunden sein, um die Brennkraftmaschine zu unterstützen und ihr insbesondere zusätzliches Drehmoment zuzuführen.
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Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass die Expansionseinrichtung mit einer zweiten elektrischen Maschine zur Erzeugung elektrischer Leistung antriebswirkverbunden ist. Auf diese Weise kann die Abwärme der Brennkraftmaschine zusätzlich genutzt werden, um elektrische Leistung für einen Abnehmer bereitzustellen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Heizkreislaufabschnitt einen Vorlaufanschluss und eine Rücklaufanschluss aufweist, die eingerichtet sind, um einen Nutzwärme-Kreislauf insbesondere eines Abnehmers anzuschließen. Auf diese Weise kann dem Abnehmer Nutzwärme aus dem Heizkreislaufabschnitt für den Nutzwärme-Kreislauf zugeführt werden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass auf Seiten des Abnehmers ansonsten keine weiteren Fluidanschlüsse vorgesehen sind, sodass dieser lediglich den Nutzwärme-Kreislauf einerseits mit dem Vorlaufanschluss und andererseits mit dem Rücklaufanschluss verbinden muss. Dies stellt aus Sicht des Abnehmers eine äußerst einfache Infrastruktur dar, die schnell und ohne umständliche zusätzliche Maßnahmen lediglich durch Anschließen des Nutzwärme-Kreislaufs an den Vorlaufanschluss und den Rücklaufanschluss in Betrieb genommen werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass der Kühlkreislaufabschnitt eine Notkühleinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um das Kühlmittel in dem Kühlkreislaufabschnitt in einem Notkühl-Betriebszustand zu kühlen. Ein Notkühl-Betriebszustand ist aber insbesondere ein Betriebszustand, in welchem in dem ersten Wärmetauscher und/oder in dem zweiten Wärmetauscher nicht genügend Wärme aus dem Kühlmittel abgeführt wird, um eine sichere Funktion des Kühlmittel-Kreislaufs zu gewährleisten. Dabei ist die Einbindung der Notkühleinrichtung in den Kühlkreislaufabschnitt insoweit vorteilhaft, als gerade dies bedeutet, dass für den Abnehmer nur noch zwei Anschlüsse zur Verfügung gestellt werden, nämlich der Vorlaufanschluss und der Rücklaufanschluss zum Anschließen des Nutzwärme-Kreislaufs, wobei die Kühlung über den Kühlmittel-Kreislauf und insbesondere die Rückkühlung des Kühlmittel-Kreislaufs inklusive der Notkühlung vollständig in die Wärmebereitstellungseinrichtung integriert und somit durch den Bereitsteller der Wärmbereitstellungseinrichtung aus einer Hand geliefert werden können.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Notkühleinrichtung in dem Nutzwärme-Kreislauf - dann allerdings auf Seiten des Abnehmers - oder in den Heizkreislaufabschnitt integriert ist. Eine Notkühlung des Kühlmittels kann dann dadurch erreicht werden, dass das Heizmedium stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers durch die Notkühleinrichtung so weit gekühlt wird, dass in dem nachfolgenden zweiten Wärmetauscher eine ausreichende Wärmemenge aus dem Kühlkreislaufabschnitt abgeführt werden kann.
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Die Notkühleinrichtung ist vorzugsweise als insbesondere flüssigkeitsdurchströmter Wärmetauscher ausgebildet.
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Schließlich ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Arbeitsmedienkreislauf einen ansteuerbaren Umgehungspfad zur zumindest teilweisen Umgehung der Expansionseinrichtung aufweist. Dass der Umgehungspfad ansteuerbar ist bedeutet insbesondere, dass ein Durchströmungsquerschnitt des Umgehungspfads variabel, insbesondere steuer- oder regelbar ist. Über den ansteuerbaren Umgehungspfad und insbesondere dessen Ansteuerung kann in bevorzugter Weise die durch das Arbeitsmedium an der Expansionseinrichtung geleistete, mechanische Arbeit verändert, insbesondere auch bis auf Null reduziert werden, indem das gesamte Arbeitsmedium um die Expansionseinrichtung herumgeführt wird. Somit ist es möglich, die Wärmebereitstellungseinrichtung gegebenenfalls ausschließlich zur Bereitstellung von Nutzwärme zu nutzen, und auf eine Bereitstellung von mechanischer und/oder elektrischer Leistung über die Expansionseinrichtung zu verzichten. Die Steuer- oder Regelbarkeit der an der Expansionseinrichtung durch das Arbeitsmedium geleisteten mechanischen Arbeit stellt einen zusätzlichen Freiheitsgrad zum Betreiben der Wärmebereitstellungseinrichtung dar. Dabei kann insbesondere die anteilige Aufteilung der bereitgestellten Leistung in Form von Kraft einerseits und Wärme andererseits variiert, vorzugsweise geregelt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Wärmebereitstellungseinrichtung, und
- 2 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels einer Wärmebereitstellungseinrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Wärmebereitstellungseinrichtung 1, die ein System 3 zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere zur Durchführung eines organischen Rankine Kreisprozesses (Organic Rankine Cycle - ORC) aufweist. Das System 3 weist einen Arbeitsmedienkreislauf 5 auf, in welchem ein insbesondere organisches Arbeitsmedium strömt, an welchem der thermodynamische Kreisprozess durchgeführt wird. Dabei kann es sich beispielsweise um Ethanol, ein Ethanol-Wasser-Gemisch, oder ein anderes organisches Arbeitsmedium, insbesondere einen Fluorkohlenwasserstoff oder einen Fluorchlorkohlenwasserstoff handeln.
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Die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 weist außerdem einen Kühlkreislaufabschnitt 7 eines Kühlmittel-Kreislaufs 9 sowie einen Heizkreislaufabschnitt 11 eines Nutzwärme-Kreislaufs 13 auf, wobei der Kühlkreislaufabschnitt 7 und der Heizkreislaufabschnitt 11 strömungstechnisch voneinander getrennt sind. Dabei ist vorgesehen, dass der Kühlkreislaufabschnitt 7 sowohl mit dem Arbeitsmedienkreislauf 5 als auch mit dem Heizkreislaufabschnitt 11 thermisch verbunden ist. Auf diese Weise können der Kühlkreislaufabschnitt 7 und insbesondere auch der Kühlmittel-Kreislauf 9 besonders effizient in die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 eingebunden sein.
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Der Arbeitsmedienkreislauf 5 weist - insbesondere entlang der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums in dem Arbeitsmedienkreislauf 5 gesehen in dieser Reihenfolge - eine Arbeitsmedien-Fördereinrichtung 15, einen Verdampfer 17, eine Expansionseinrichtung 19 sowie einen Kondensator 21 auf. Das Arbeitsmedium strömt vorzugsweise in flüssiger Form von der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung 15 zu dem Verdampfer 17, wo es Wärme aufnimmt und bevorzugt verdampft wird. Das dampfförmige Arbeitsmedium strömt dann weiter zu der Expansionseinrichtung 19, in welcher es entspannt wird, wobei es mechanische Arbeite an der Expansionseinrichtung 19 leistet. Die Expansionseinrichtung kann beispielsweise als Strömungsmaschine, insbesondere als Turbine, als Verdrängermaschine, insbesondere als Hubkolbenmaschine, als Scroll-Expander, als Roots-Expander, als Schraubenexpander, oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein.
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Von der Expansionseinrichtung 19 strömt das entspannte Arbeitsmedium weiter zu dem Kondensator 21, in welchem es Wärme abgibt, gekühlt und insbesondere wieder in die flüssige Phase kondensiert wird. Von dem Kondensator 21 gelangt dann das flüssige Arbeitsmedium zurück zu der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung 15, sodass der Arbeitsmedienkreislauf 5 geschlossen ist.
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Bevorzugt ist der Arbeitsmedienkreislauf 5 mit einer Brennkraftmaschine 25 thermisch derart verbunden, dass Abwärme der Brennkraftmaschine 25 in dem Arbeitsmedienkreislauf 5 für den thermodynamischen Kreisprozess nutzbar ist. Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, dass der Verdampfer 17 von Abgas der Brennkraftmaschine 25 durchströmt wird, sodass Abwärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 25 in dem Verdampfer 17 zur Erwärmung und insbesondere Verdampfung des Arbeitsmediums genutzt werden kann. Die Brennkraftmaschine 25 ist ihrerseits bevorzugt mit einer ersten elektrischen Maschine 26 antriebswirkverbunden, sodass die - bevorzugt ebenfalls als Generator ausgebildet ist - erste elektrischen Maschine 26 durch die Brennkraftmaschine 25 antreibbar ist, sodass mittels der Brennkraftmaschine 25 über die erste elektrische Maschine 26 elektrische Leistung erzeugbar ist.
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Die Expansionseinrichtung 19 ist vorzugsweise mit einer zweiten elektrischen Maschine 23 antriebswirkverbunden, sodass die zweite elektrische Maschine 23 durch die Expansionseinrichtung 19 antreibbar ist. Dabei ist die zweite elektrische Maschine 23 bevorzugt als Generator ausgebildet und zur Erzeugung elektrischer Leistung eingerichtet. Alternativ oder zusätzlich kann die Expansionseinrichtung 19 auch mit einer Brennkraftmaschine - insbesondere mit der Brennkraftmaschine 25 - mechanisch wirkverbunden sein, sodass sie insbesondere die Brennkraftmaschine unterstützen und ein zusätzliches Drehmoment - vorzugsweise in eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine - einleiten kann.
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Die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 ist bevorzugt Teil eines Blockheizkraftwerks oder stellt selbst ein Blockheizkraftwerk dar, welches für einen Abnehmer einerseits elektrische Leistung - vorzugsweise sowohl aus der der Brennkraftmaschine 25 zugeordneten ersten elektrischen Maschine 26 als auch aus der der Expansionseinrichtung 19 zugeordneten zweiten elektrischen Maschine 23 - und Wärme über den Heizkreislaufabschnitt 11 für den Nutzwärme-Kreislauf 13 bereitstellt. Dabei kann es sich insbesondere um ein wärmegeführtes Blockheizkraftwerk handeln.
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Der Kühlkreislaufabschnitt 7 ist bevorzugt mit dem Arbeitsmedienkreislauf 5 über einen ersten Wärmetauscher 27 und mit dem Heizkreislaufabschnitt 11 über einen zweiten Wärmetauscher 29 thermisch verbunden. Dabei ist bevorzugt der erste Wärmetauscher 27 - entlang der Strömungsrichtung eines den Kühlkreislaufabschnitt 7 durchströmenden Kühlmittels gesehen - stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 29 angeordnet.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 ist der erste Wärmetauscher 27 in dem Arbeitsmedienkreislauf 5 - in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen - stromaufwärts des Verdampfers 17 und insbesondere stromabwärts der Arbeitsmedien-Fördereinrichtung 15 als Vorwärmer für das Arbeitsmedium angeordnet. Zugleich ist der Heizkreislaufabschnitt 11 strömungstechnisch mit dem Kondensator 21 des Arbeitsmedienkreislaufs 5 zur Kühlung des Arbeitsmediums in dem Kondensator 21 mittels eines den Heizkreislaufabschnitt 11 durchströmenden Heizmediums verbunden. Der zweite Wärmetauscher 29 ist in dem Heizkreislaufabschnitt 11 - entlang der Strömungsrichtung des Heizmediums gesehen - stromaufwärts des Kondensators 21 angeordnet und eingerichtet zur Vorwärmung des Heizmediums vor dessen Eintritt in den Kondensator 21.
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Der Kühlkreislaufabschnitt 7 ist dabei bevorzugt Teil des Kühlmittel-Kreislaufs 9, welcher der Kühlmittel-Kreislauf der Brennkraftmaschine 25 ist, über welchen die Brennkraftmaschine 25 gekühlt wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 gemäß 1 kann dem Arbeitsmedienkreislauf 5 eine besonders hohe Wärmemenge zugeführt werden, weil nicht nur Abwärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 25 in den Verdampfer 17 eingetragen wird, sondern zusätzlich auch Wärme aus dem Kühlmittel-Kreislauf 9 der Brennkraftmaschine 25 über den ersten Wärmetauscher 27 stromaufwärts des Verdampfers 17 in den Arbeitsmedienkreislauf 5 zur Vorwärmung des Arbeitsmediums eingespeist wird. Zugleich wird die Kondensationswärme in dem Kondensator 21 effizient genutzt, um das Heizmedium in dem Heizkreislaufabschnitt 11 für den Nutzwärme-Kreislauf 13 zu erhitzen, wobei dem Heizkreislaufabschnitt 11 und damit auch dem Nutzwärme-Kreislauf 13 noch weitere Abwärme aus dem Kühlmittel-Kreislauf 9 über den zweiten Wärmetauscher 29 zugeführt wird. Somit hat das System 3 nicht nur eine sehr hohe elektrische Leistungsausbeute aufgrund der großen, in den Arbeitsmedienkreislauf 5 eingetragenen Wärmemenge, sondern es ergibt sich auch eine besonders effiziente Wärmenutzung für den Nutzwärme-Kreislauf 13.
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Das Kühlmittel gibt zunächst einen Teil seiner in der Brennkraftmaschine 25 aufgenommenen Wärme in dem ersten Wärmetauscher 27 an den Arbeitsmedienkreislauf 5 und danach einen weiteren Teil seiner Wärme in dem zweiten Wärmetauscher 29 an den Heizkreislaufabschnitt 11 und damit an den Nutzwärme-Kreislauf 13 ab.
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Vorzugsweise ist dabei die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 so ausgelegt, dass die Wärmeabgabe in dem ersten Wärmetauscher 27 und in dem zweiten Wärmetauscher 29 ausreicht, um das Kühlmittel für eine hinreichende Kühlfunktion der Brennkraftmaschine 25 zu kühlen. Dies gilt bevorzugt zumindest für die meisten Betriebszustände der Wärmebereitstellungseinrichtung 1. Für den Fall, dass dem Kühlmittel in den Wärmetauschern 27, 29 nicht genug Wärme entzogen werden kann, ist bevorzugt eine Notkühleinrichtung 31 - vorzugsweise in Form eines weiteren Wärmetauschers - vorgesehen, welche hier in dem Nutzwärme-Kreislauf 13 angeordnet ist. Damit ist es möglich, dem in dem Kühlmittel-Kreislauf 9 strömenden Kühlmittel indirekt, vermittelt über den zweiten Wärmetauscher 29 durch Kühlung des Nutzwärme-Kreislaufs 13 mit der Notkühleinrichtung 31, zusätzliche Wärme zu entziehen.
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Alternativ ist es auch bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel möglich, dass die Notkühleinrichtung 31 statt in dem Nutzwärme-Kreislauf 13 in dem Kühlmittel-Kreislauf 9 angeordnet ist. In diesem Fall ist eine direkte Kühlung des Kühlmittels mittels der Notkühleinrichtung 31 möglich. Die Anordnung der Notkühleinrichtung 31 in dem Nutzwärme-Kreislauf 13 oder speziell in dem Heizkreislaufabschnitt 11 hat allerdings den zusätzlichen Vorteil, dass das Heizmedium stromaufwärts des Kondensators 21 gekühlt werden kann, falls das Heizmedium stromaufwärts des Kondensators 21 zu warm wird, was sich letztlich negativ auf die Leistungsausbeute in dem System 3 auswirken würde. Die Notkühleinrichtung 31 kann dann verwendet werden, um das Heizmedium zu kühlen und so zu gewährleisten, dass die dem Arbeitsmedienkreislauf 5 zuführbare Abwärme der Brennkraftmaschine 25 in größtmöglichem Umfang in elektrische und/oder mechanische Leistung gewandelt werden kann.
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In 1 ist auch noch eine Heizmedien-Fördereinrichtung 33 dargestellt, die vorzugsweise als Pumpe ausgebildet ist und insbesondere der Förderung des Heizmediums entlang des Nutzwärme-Kreislaufs 13 dient. Entsprechend ist bevorzugt auch in dem Kühlmittel-Kreislauf 9 eine Kühlmittel-Fördereinrichtung 35 angeordnet, welche vorzugsweise als Pumpe ausgebildet ist, und die insbesondere der Förderung des Kühlmittels entlang des Kühlmittel-Kreislaufs 9 dient.
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In 1 ist schematisch eine erste Systemgrenze 37 dargestellt, welche bevorzugt die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 von durch einen Abnehmer derselben, insbesondere einen Abnehmer der elektrischen und/oder mechanischen Leistung sowie der Wärme der Wärmebereitstellungeinrichtung 1, bereitgestellten Einrichtungen trennt. Dabei weist der Heizkreislaufabschnitt 11 bevorzugt einen Vorlaufanschluss 39 sowie einen Rücklaufanschluss 41 zum Anschluss des Nutzwärme-Kreislaufs 13 auf Seiten des Abnehmers auf. Weiterhin ist hier schematisch ein elektrischer Anschluss 43 zur Abnahme der durch die zweite elektrische Maschine 23 und/oder die erste elektrische Maschine 26 erzeugten elektrischen Leistung dargestellt. Um Wärme und/oder elektrische Leistung abnehmen zu können, muss der Abnehmer nur den Nutzwärme-Kreislauf 13 mit dem Vorlaufanschluss 39 und dem Rücklaufanschluss 41 verbinden, sowie gegebenenfalls eine elektrische Verbindung zu dem elektrischen Anschluss 43 herstellen.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Notkühleinrichtung 31 Teil der von dem Abnehmer bereitgestellten Einrichtungen.
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Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine 25 Teil der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 ist und insbesondere von dem Anbieter der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 mitgeliefert wird. Es ist aber auch möglich, dass die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 eine zweite Systemgrenze 45 aufweist, wobei die Brennkraftmaschine 25 nicht Teil der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 ist. Diese kann dann von einem anderen Anbieter oder von dem Abnehmer der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 bereitgestellt und über geeignete Anschlüsse mit dem Verdampfer 17 verbunden werden, wobei zugleich der Kühlkreislaufabschnitt 7 mittels geeigneter Anschlüsse in den Kühlmittel-Kreislauf 9 eingebunden werden kann.
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Der Arbeitsmedienkreislauf 5 weist bevorzugt einen ansteuerbaren Umgehungspfad 47 auf, der eingerichtet ist zur zumindest partiellen Umgehung der Expansionseinrichtung 19. Dabei ist in dem Umgehungspfad 47 bevorzugt eine ansteuerbare Ventileinrichtung 49 angeordnet, über die ein Durchflussquerschnitt durch den Umgehungspfad 47 - kontinuierlich oder diskret - veränderbar ist, wobei der Umgehungspfad 47 bevorzugt auch vollständig sperrbar ist. Mittels des Umgehungspfads 47 ist bevorzugt die durch das Arbeitsmedium an der Expansionseinrichtung 19 geleistete mechanische Arbeit einstellbar. Dabei ist es bevorzugt auch möglich, das gesamte Arbeitsmedium entlang des Umgehungspfads 47 zu führen, sodass durch den Arbeitsmedienkreislauf 5 nur noch Wärme in dem Kondensator 21 bereitgestellt wird, jedoch keine mechanische und/oder elektrische Leistung mehr erzeugt wird. Dazu ist vorzugsweise ein zu der Expansionseinrichtung 19 führender Abschnitt des Arbeitsmedienkreislaufs 5 mittels einer Sperrventileinrichtung 51 sperrbar. Es ist möglich, dass auch die Sperrventileinrichtung 51 kontinuierlich oder diskret zur Variation eines Durchtrittsquerschnitts ansteuerbar oder regelbar ist, wobei sich insbesondere durch gemeinsames Ansteuern der Sperrventileinrichtung 51 einerseits und der Ventileinrichtung 49 andererseits ein Anteil an entlang des Umgehungspfads 47 strömendem Arbeitsmedium einerseits sowie ein Anteil an über die Expansionseinrichtung 19 strömendem Arbeitsmedium andererseits variabel einstellen lässt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels der Wärmebereitstellungseinrichtung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist bei dem Beispiel gemäß 2 der erste Wärmetauscher 27 als der Kondensator 21 ausgebildet; der Kondensator 21 dient also zugleich als erster Wärmetauscher 27 und wird von dem Kühlmittel, welches durch den Kühlkreislaufabschnitt 7 strömt, durchsetzt. Der zweite Wärmetauscher 29 ist als - insbesondere einziger - Heizwärmetauscher in dem Heizkreislaufabschnitt 11 ausgebildet. Dabei wird dem von der Brennkraftmaschine 25 heranströmenden, heißen Kühlmittel zunächst in dem Kondensator 21 zusätzliche Wärme aus dem Arbeitsmedienkreislauf 5, nämlich die Kondensationswärme des Arbeitsmediums, zugeführt, wobei das derart zusätzlich zu der Erwärmung durch die von der Brennkraftmaschine 25 abgeführte Abwärme weiter erwärmte Kühlmittel zu dem zweiten Wärmetauscher 29 strömt und dort Wärme an den Heizkreislaufabschnitt 11 und an den Nutzwärme-Kreislauf 13 abgibt. Dabei ist die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 bevorzugt so ausgelegt, dass die Wärmeabgabe in dem zweiten Wärmetauscher 29 ausreicht, um das Kühlmittel für eine effiziente Kühlung der Brennkraftmaschine 25 ausreichend zu kühlen.
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Das Beispiel gemäß 2 ist besonders einfach aufgebaut und spart insbesondere im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 einen Wärmetauscher ein, sodass es auch besonders kostengünstig ist. Weiterhin kann es kompakt bauen, nicht nur wegen der Einsparung eines Wärmetauschers, sondern zusätzlich auch wegen der konstruktionsbedingt verringerten Leistung des Systems 3, welche auf das höhere Temperaturniveau des heißen Kühlmittels an dem Kühlmitteleingang des Kondensator 21 und damit das heißere Temperaturniveau des Arbeitsmediums an dem Arbeitsmedien-Ausgang des Kondensators 21 zurückzuführen ist.
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Weiterhin ist bei dem Beispiel gemäß 2 im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 die Notkühleinrichtung 31 in dem Kühlkreislaufabschnitt 7 angeordnet. Dabei kann die Notkühleinrichtung 31 aufgrund der erhöhten Grädigkeit, das heißt der TemperaturDifferenz zwischen einer Primär-Eintrittstemperatur und einer Sekundär-Austrittstemperatur, in dem Kühlmittel-Kreislauf 9 einfacher betrieben werden.
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Für den Abnehmer ergibt sich zusätzlich der Vorteil, dass er die Notkühleinrichtung 31 nicht bereitstellen muss. Diese kann vielmehr von dem Anbieter der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 - und damit quasi aus einer Hand - bereitgestellt werden. Insbesondere dann, wenn auch die Brennkraftmaschine 25 durch den Anbieter der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 - insbesondere als Teil der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 - bereitgestellt wird, ergibt sich für den Abnehmer der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 die sehr komfortable Situation, zur Inbetriebnahme der Wärmebereitstellungseinrichtung 1 lediglich den Nutzwärme-Kreislauf 13 mit dem Vorlaufanschluss 39 sowie dem Rücklaufanschluss 41 verbinden zu müssen, wobei gegebenenfalls auch die elektrische Verbindung mit dem elektrischen Anschluss 43 geschlossen wird.
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Insgesamt zeigt sich, dass mit der hier vorgeschlagenen Wärmebereitstellungseinrichtung 1 eine äußerst effiziente Einbindung eines Kühlkreislaufabschnitts und insbesondere eines Kühlmittel-Kreislaufs 9 - vorzugsweise einer Brennkraftmaschine - in die Wärmebereitstellungseinrichtung 1 bereitgestellt werden kann.
